(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理品を高温で加熱処理する加熱室と、被処理品を加熱室に送り出す前室とを有し、該加熱室に雰囲気ガスを供給する供給ラインが接続され、該前室を扉により開閉する開閉手段を有する密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置であって、
前記前室に、前記扉の開時に該扉の開信号により不活性ガスを送入するスーパーパージラインと、該扉の閉時に炉内が負圧時にのみガバナを介して不活性ガスを該炉内圧力が大気圧と等しくなるように該前室に送入するガバナラインを接続配置したことを特徴とする密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種金属を高温で加熱処理する熱処理炉に関し、詳しくは空気以外の特殊な雰囲気ガス中で行われる密閉式雰囲気熱処理炉への空気の侵入を防止する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種金属品の熱処理の際、金属表面及びその近傍に強度や硬度または光輝性等の品質が要求される場合は、密閉式雰囲気熱処理炉を用いて空気以外の特殊な雰囲気ガス中で行われるのが一般的である。密閉式雰囲気熱処理炉内の圧力はほぼ大気圧に近く、大気と雰囲気ガスを遮断する扉等の密閉手段を有している。この密閉式雰囲気熱処理炉としては、密閉式バッチ炉や連続式トレープッシャー炉等が挙げられる。
特殊な雰囲気ガスとしては、吸熱性変成ガス（ＲＸガス）、発熱性変成ガス（ＤＸガス）、アンモニア分解ガス（ＡＸガス）等が広く使用されてきている。これら雰囲気ガスは、水素ガスや一酸化炭素ガス等の爆発可燃性ガスを含んでおり、その雰囲気発生には密閉式雰囲気熱処理炉とは別に設置された変成炉や分解炉を必要とする。例えばＲＸ変成炉では、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスと空気を一定比率にして変成炉中の高温触媒に通してＲＸガスを発生させている。
【０００３】
図２は従来の二室式の密閉式雰囲気熱処理炉として密閉式浸炭焼き入れ炉の概略図を示す。この密閉式浸炭焼き入れ炉３０は、前扉１、前室２、中間扉３、加熱室４、油槽５とを主要な要素として備え、該油槽５の上部空間が前室２を構成している。中間扉３には、加熱室４と前室２を連通する雰囲気ガス通過用の開口穴３ａを有し、加熱室４内は電気ヒーターやガス燃焼式ラジアントチューブ等で高温に加熱される。また、油槽５内の焼き入れ用の油も５０〜１５０℃に加熱されていることが多い。
雰囲気ガスは図示略の雰囲気ガス供給源から、雰囲気ガス用配管６を通って加熱室４内に供給されファン７により撹拌される。これにより雰囲気ガスが加熱室内の温度と均一になり、被処理品８の雰囲気としての役割を果たす。
この雰囲気ガスは中間扉３の開口穴３ａを通って前室２に連続的に流れ、排気管９より炉外に排出され、排出されたガスはパイロットバーナ１０により燃焼され、排気ダクト１１により屋外に放出される。なお搬入テーブル１２上の被処理品８は搬入プッシャー等の搬入機構により前室２に搬入される。また前室２の被処理品８は搬出プーラー等の搬出機構により前室２から搬入テーブル１２に搬出される。また前扉１が開いたときフレームカーテン用ノズル１３に燃焼ガスが流れて燃焼し、前室２と外気との開口部を塞ぐようにフレームカーテンを構成し、炉内への空気の侵入を防げるようになっている。
【０００４】
このような密閉式浸炭焼き入れ炉３０にあっては、炉内の被処理品８の移動に伴い、炉内に圧力変動が生じる。この炉内の圧力変動について、図２を更に簡略化した図３を用いて被処理品８の動きとともに説明する。密閉式浸炭焼き入れバッチ処理は、搬入→昇温→浸炭→拡散→降温→均熱→油焼き入れ→油切り→搬出といった多くの工程を経て処理される。
【０００５】
「▲１▼搬入前」は、被処理品８はバスケット等に入れられ、搬入テーブル１２に置かれる。炉内は雰囲気ガスの連続的な供給により大気圧に対して５〜３０ｍｍＡｑの微正圧を保っている。その後、前扉１が開いてフレームカーテンが燃焼し、被処理品８は搬入プッシャー等により搬入テーブルから「▲２▼前室に搬送」されて前扉１が閉じ、炉内は密閉状態になる。そして搬入時のフレームカーテンの燃焼熱により加熱膨張された前室２内の雰囲気ガスは室温状態の被処理品８により収縮して弱負圧となる。炉内が負圧になると排気管９や前扉１の隙間から、周囲の空気が炉内に侵入してくる。
【０００６】
次に前扉１を小さく開き中間扉３を開いて、搬入プッシャー等により被処理品８を「▲３▼加熱室内に搬入」する。この時フレームカーテンは形成されない。その後中間扉３と前扉１を閉じて、再度密閉状態にする。この時も低温状態の被処理品８により加熱室４内の雰囲気ガスが収縮して、炉内は負圧になる。ただし、フレームカーテンによる加熱がないため負圧の程度は低く、一般的に弱い負圧にとどまる。
【０００７】
加熱室４内で被処理品８は高温に加熱されるが、昇温→浸炭→拡散→降温→均熱の一連の処理が終了すると、中間扉が開いて搬出プッシャー等により被処理品８は前室２に戻される（「▲４▼前室への搬出」）。この時高温状態の被処理品８により前室２の雰囲気ガスが加熱膨張して、炉内圧力は５０ｍｍＡｑを越える正圧となる。この時、前室２内の温度も急上昇する。そして中間扉３が閉じられる。
【０００８】
続いてエレベータ等により被処理品８は油槽５内に浸漬されて、「▲５▼油槽焼き入れ」される。被処理品８が油槽５内に浸漬されることにより、被処理品８が有する熱が油槽５内の油に奪われる。これにより、前室２の雰囲気ガスの温度は低下し、前室２の雰囲気ガスは急速に収縮し、−５００ｍｍＡｑ以下の強い負圧となって、前室内に周囲の空気が侵入してくる。しばらくしてエレベータが上昇し、被処理品８は油槽５から引き上げられて前室２内に放置され、「▲６▼油切り」が行われる。以上の▲１▼〜▲６▼の間は、前扉１は閉止状態のままである。
【０００９】
油切りが終わると前扉１が開いてフレームカーテンが燃え、搬出プーラー等により搬入テーブル１２上に被処理品８が搬出され前扉１が閉じる。この後フレームカーテンにより加熱膨張された前室ガスが収縮して負圧となる（▲７▼搬出後）。
【００１０】
このような密閉式浸炭焼き入れバッチ炉３０の炉内に空気が侵入する機会としては、前扉１の解放時と炉内圧力が負圧時の２つが挙げられる。雰囲気ガスとしては、水素ガスや一酸化炭素ガス等の可燃性ガスが用いられるため、空気が有する酸素との混合による爆発の防止対策を講じる必要があり、密閉炉内への空気の侵入を極力少なくする必要がある。一般的に炉内酸素濃度が１％以下であれば、可燃性ガスの爆発に対して安全である。したがって、密閉式浸炭焼き入れバッチ炉３０の炉内への空気の侵入を防止するために、炉内に雰囲気ガスを流す必要があるが、雰囲気ガス量は短時間に変更できないため、空気の侵入に対応するため雰囲気ガスを最大量流し続けているのが現状である。
【００１１】
以上は二室式の密閉式浸炭焼き入れバッチ炉の従来技術について説明したが、トレープッシャー式連続炉の場合は二室式構造と異なり、後室が存在する。トレープッシャー式連続炉の場合、図３における「▲４▼前室への搬出」工程以降は前室を後室と呼びかえれば、炉内圧力変化等は二室式の密閉浸炭焼き入れバッチ炉の説明とほぼ同じになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述した密閉式浸炭焼き入れバッチ炉３０への空気の侵入を防止する方法として、前扉１の解放信号に合わせて前室２に窒素ガス等の不活性ガスを流すスーパーパージと称される方法がある。また、特公平６−４７７１４号公報に開示されているように炉内の負圧時に排気管９からパイロットバーナ１０の燃焼ガスを逆流させたり、別途設置されたバーナの燃焼ガスを炉内に逆流させる方法がある。
【００１３】
しかしながら、特公平６−４７７１４号は、炉内が負圧時の必要な時だけバーナを燃焼させて炉内に燃焼ガスを供給する方法であるが、バーナの未着火や消炎の不安を解消することは本質的に困難である。
【００１４】
一方近年、窒素ベース熱処理法が普及してきている。この方法は窒素ガスをベースにメタノール、水素ガス、炭化水素ガス等を混合添加し、雰囲気ガスとして直接炉内に送入するものである。この窒素ベース熱処理法は変成炉や分解炉を必要としないため、雰囲気ガスの流量変更が容易という特徴を有している。またこの方法では窒素ガスを使用しているため、前記スーパーパージを実行しやすいという特徴を有している。
【００１５】
スーパーパージを採用している例としては、特開昭６１−１４７８６７号公報、特開平２−１５６０６４号公報を挙げることができる。このスーパーパージ法により、前扉１の解放時の空気侵入はかなり低減できる。また、炉内負圧時の空気侵入防止法として、従来は、前扉１が閉じた後、タイマーを利用して一定時間窒素ガス等のパージガスを流す方法が採られている。しかしこの方法だけでは、後述する実施例にあるように炉内酸素濃度を１％以下に維持することは困難である。また、炉内負圧を検知して負圧時にパージガスを流す方法が提案されている。例えば実公平２−３２６８２号公報は、前室２内の圧力を圧力計で検知して負圧時に電磁弁を開いて窒素ガスを油槽上部に吹き込む方法を採用している。しかしながら、雰囲気ガス量を削減した場合、この方法だけで炉内酸素濃度を１％以下にすることは難しく、また、電気的制御を採用しているため停電時や電気的故障時の作動に不安が残り、安全性が高いとは言い難い。
【００１６】
また、特開平３−１８０４５９号公報では、炉内の負圧時に窒素ガス送入に加え、前扉１の開時及び前室２の酸素濃度増加時に窒素ガスの送入とメタノールの増量送入を行う方法を提案している。この方法は３重の窒素送入システムであり安全性はかなり高くなるが、設備コストが嵩む不都合がある。
【００１７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、密閉式雰囲気ガス処理炉の炉内への空気の侵入を少なくして可燃性ガスの爆発の危険を少なくして安全性を高め、しかも空気侵入を防ぐ安全設備を低コストで提供することを課題としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る発明は、被処理品を高温で加熱処理する加熱室と、被処理品を加熱室に送り出す前室とを有し、該加熱室に雰囲気ガスを供給する供給ラインが接続され、該前室を扉により開閉する開閉手段を有する密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置であって、前記前室に、前記扉の開時に該扉の開信号により不活性ガスを送入するスーパーパージラインと、該扉の閉時に炉内が負圧時にのみガバナを介して不活性ガスを該炉内圧力が大気圧と等しくなるように該前室に送入するガバナラインを接続配置したことを特徴とする密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置の概略図であり、従来例の説明で用いた汎用的な密閉式浸炭焼き入れバッチ炉に適用した場合を例示するものであって、この図１中の符号１から１３で示される同一の構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
この空気侵入防止装置４０は、密閉式浸炭焼き入れバッチ炉３０の前扉１の開時に該前扉１の開信号により不活性ガスを送入するスーパーパージラインＡと、該前扉１の閉時に炉内が負圧時にのみガバナ２２を介して不活性ガスを該炉内圧力が大気圧と等しくなるように前室２に送入するガバナラインＢとを備えて構成されている。
【００２０】
前記スーパーパージラインＡは、窒素、二酸化炭素、アルゴンなどの不活性ガスを貯留する不活性ガス容器１４に一端を接続し、フィルタ１５、一次減圧弁１６、圧力スイッチ１７を介して前室２に接続される不活性ガス供給ラインをなしており、前記圧力スイッチ１７の下流側に、流量スイッチ１８、流量調整弁１９、電磁弁２０を順に介して前室２に接続されている。
【００２１】
前記ガバナラインＢは、スーパーパージラインＡの圧力スイッチ１７配設位置と流量スイッチ１８配設位置との間に一端を接続し、他端はスーパーパージラインＡと合流して前室２に接続された分岐ラインである。このガバナラインＢの途中には、ガバナ２２が設けられている。このガバナ２２は、電気的な制御システムを全く使用せずに、機械的な圧力制御によって二次側（炉内）の負圧を補償するように一次側のガスを送給可能なものが好適に使用される。この種のガバナ２２としては市販の各種のガバナ装置のうちから選択して使用することができ、例えば伊藤工機（株）製のガバナなどが使用される。この種のガバナ２２によれば、ガバナ２２の作動圧力調整によって炉内が負圧時にのみガバナ２２のガス流路が開となり、不活性ガスを送入するように調整しておくことにより、数ｍｍＡｑ単位でガバナ２２の二次圧力の設定値を正確に決めることが可能である。これにより、炉内圧力が大気圧以上（０ｍｍＡｑ以上）の時はガバナ２２から不活性ガスが流れることはなく、不活性ガスの無駄な使用を抑えるための別段の操作は必要としない。
【００２２】
不活性ガス容器１４からの不活性ガスは、フィルター１４（またはストレーナ）を通り、一次減圧弁１６で減圧される。この一次減圧弁１６の二次圧は、その下流側のガバナ２２の一次圧力に適合する圧力（通常3500mmAq以下）に減圧調整される。また該一次圧力弁１６の下流側には圧力スイッチ１７が設けられている。この圧力スイッチ１７は一次側から二次側に不活性ガスが供給されていることを検知するとともに、一次減圧弁１６の二次圧を検知して、設定圧以上であれば警報等の認識手段を作動させるためのものである。
圧力スイッチ１７の下流側で該不活性ガス流路は、流路Ａと流路Ｂの２つの流路に分岐されている。一方の流路Ａは、流量スイッチ１８、流量調節弁１９、電磁弁２０を介して密閉式浸炭焼き入れバッチ炉３０の前室２に接続されている。この流路Ａに用いられる機器類は、前扉１の解放信号に合わせて前室２内に窒素ガス等の不活性ガスを流すために設けられたもので、従来のスーパーパージの方法において用いられるものとほぼ同じである。この流路Ａを設けたことによって、図３における被処理品８の「▲２▼前室へ搬入」、「▲３▼加熱室への搬入」、「▲７▼搬出」の各工程では、前扉１を開にする開信号によって電磁弁２０が開き、流量調節弁１９によって流量が調節された不活性ガスが前室２に送入され、前扉１の開時に炉内への空気の侵入が抑制される。不活性ガスが流れると流量スイッチ１８がＯＮになり、不活性ガスが流れた信号を発する。この信号により、不活性ガスが流れない時は、炉３０の前扉１が開かないようにインターロックをかけて制御を行うことも可能である。
【００２３】
前扉１を閉じて前扉の開信号がＯＦＦになると、電磁弁２０が閉となる。この電磁弁２０は、通電時に閉となるノーマルオープン型のものが使用される。その使用によって、この電磁弁２０は停電時には自動的に開となり、前室２に不活性ガスが送入されるようになっており、安全性が高まる。なお、流量スイッチ１８、流量調節弁１９、電磁弁２０は、必ずしもこの順序に接続する必要はない。
また、炉内が負圧状態になった場合にのみ、他方の流路Ｂに設けられた低圧用の圧力調整器であるガバナ２２から不活性ガスが自動的に前室２に流れるようになっている。すなわち、ガバナ２２の作動圧力調整によって炉内が負圧時にのみガバナ２２のガス流路が開となり、不活性ガスを送入するように調整しておくことにより、数ｍｍＡｑ単位でガバナ２２の二次圧力の設定値を正確に決めることが可能である。これにより、炉内圧力が大気圧以上（０ｍｍＡｑ以上）の時はガバナ２２から不活性ガスが流れることはなく、不活性ガスの無駄な使用を抑えるための別段の操作は必要としない。しかも、このガバナ２２からの炉内への窒素ガスの送入は、電気的な制御システムを全く使用せずに行うことができる。このガバナ２２からの不活性ガスの送入により、負圧状態となった炉内への空気の侵入を防ぐことができ、炉内の酸素濃度を１％以下に維持することができる。
【００２４】
このように本発明では、スーパーパージライン（流路Ａ）と、ガバナライン（流路Ｂ）を併用したことによって、炉３０内への空気の侵入を効果的に防止でき、炉３０内の酸素濃度を１％以下に維持して一連の熱処理操作を実施することができる。
また、上記各ラインの併用によって、不活性ガスの有効利用ができ、不活性ガスの使用量を減少させることができる。
更に、ガバナ２２を用いたことによって初期調整の後は調整操作が不要であり、停電時や電気的故障が生じた際に安全である。
【００２５】
なお、図１においては、スーパーパージラインＡとガバナラインＢを合流させて前室２に接続しているが、これらのラインは合流させずに別個に前室２に接続させても良い。また不活性ガス配管の炉内への接続位置は特に限定されない。例えば、前室２と加熱室４の炉内圧力はほぼ同様に変化するので、ガバナラインＢを加熱室４に接続することも可能である。ただし、この場合には不活性ガス送入により加熱室４内の雰囲気ガスが多量に排出されるので、次の処理のための雰囲気形成に時間がかかり、本実施の形態における密閉式浸炭焼き入れバッチ炉ではガバナラインＢを前室２に接続することが好ましい。また、トレープッシャー炉では、ガバナラインを前室と後室の両方に接続することが好ましい。
【００２６】
【実施例】
図１の空気侵入防止装置４０を組み立てて、以下の試験を行った。ここで使用した密閉式浸炭炉の標準的雰囲気ガス量は、吸熱性変成ガス（ＲＸガス）で１０ｍ3／ｈである。
【００２７】
（実施例１）
雰囲気ガスとして窒素ガスのみを５ｍ3／ｈ加熱室に送入した。そしてダミー材にて前述の浸炭パターンを実行した。すなわちスーパーパージラインＡとガバナラインＢの両方を作動させて前室２への窒素ガスの供給を行った。なお、前室２の扉開時のスーパーパージガス量は１５ｍ3／ｈに設定した。スーパーパージが行われる時間は１処理中に１〜３分程度であり、実際に使用されるスーパーパージガス量はわずかである。この実施例１における前室２の炉内圧力と酸素濃度の測定を行った。その結果を表１に示す。表１における炉内圧力と酸素濃度は、各工程で測定された最大負圧と最高酸素濃度を記したものである。
【００２８】
（比較例１）
実施例１と同じ雰囲気ガス量５ｍ3／ｈの条件で、同様な処理を行った。ただし、スーパーパージラインＡとガバナラインＢの両方を作動させずに行った。すなわち前室２への窒素ガスの送入を全く行わなかった。その結果を表１に示す。
【００２９】
（比較例２）
実施例１と同じ雰囲気ガス量５ｍ3／ｈの条件で、同様な処理を行った。ただし、前室２への窒素ガスの送入を前扉１の開時にスーパーパージのみとし、ガバナ２２は強制的に作動させずに行った。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
0003758745.tif 000002
【００３１】
以上の実施例１と比較例１，２において、雰囲気ガスとして窒素ガスのみを使用しているので、侵入した空気の酸素分はそのまま酸素濃度として測定されることにより高めの値となる。また、「▲２▼前室への搬入」と「▲３▼加熱室搬入」の間は、５〜１０分間と比較的短時間であるので、「▲２▼前室への搬入」工程で侵入した酸素が充分パージされず、「▲３▼加熱室搬入」工程での酸素濃度を高めている。実施例１と比較例１，２を比べると、前扉１の開時のスーパーパージのみでは、特に「▲５▼油槽焼き入れ」工程の空気の侵入防止にはほとんど役立たないことが分かる。そして、表１の実施例１に示したように、ガバナラインによる負圧制御を行うことにより、「▲５▼油槽焼き入れ」工程の酸素濃度は１％以下に劇的に減少することがわかる。
【００３２】
（実施例２）
窒素／メタノールを雰囲気ガスとして、５ｍ3／ｈを加熱室に送入した。そしてＳＣＭ４２０Ｈ鋼の浸炭部品にてスーパーパージラインＡとガバナラインＢを併用して浸炭処理を行った。なお、前室２の前扉１開時のスーパーパージガス量は、実施例１と同様に１５ｍ3／ｈに設定した。また、浸炭部品６個の平均浸炭深さとして、０．９１ｍｍが得られた。この実施例２における前室２の炉内圧力と酸素濃度の測定を行った。その結果を表２に示す。表２における炉内圧力と酸素濃度は、各工程で測定された最大負圧と最高酸素濃度を記したものである。
【００３３】
（比較例３）
実施例２と同じ雰囲気ガス量５ｍ3／ｈの条件で、同様な処理を行った。ただし、ガバナ２２は強制的に作動させずに行った。すなわち比較例２と同様に前室２への窒素ガスの送入を前扉１の開時におけるスーパーパージのみとした。その結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
0003758745.tif 000003
【００３５】
表１と表２の比較により、窒素／メタノールの可燃性雰囲気では、前扉１の開時の炉内酸素は燃焼に費やされ、炉内酸素濃度はかなり低下する。また、ガバナ２２を作動させた実施例２により、炉内酸素濃度は全処理工程に亘って１％以下に維持され、安全である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置は、扉開時に炉内に不活性ガスを送入するスーパーパージラインと扉閉時の炉内負圧時に不活性ガスを炉内に送入するガバナラインを設けたものなので、全処理工程を通じて炉内酸素濃度を１％以下に維持でき、炉内に雰囲気ガスとしての可燃性ガスを送入しても爆発の危険がなく安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による密閉式雰囲気熱処理炉の空気侵入防止装置の一形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は従来の密閉式雰囲気熱処理炉を例示する概略構成図である。
【図３】図３は密閉式雰囲気熱処理炉を用いた被処理物の処理工程と圧力変動を説明する概略図である。
【符号の説明】
１……前扉、２……前室、４……加熱室、１４……不活性ガス容器、２２……ガバナ、３０……密閉式浸炭焼き入れ炉、４０……空気侵入防止装置、Ａ……スーパーパージライン、Ｂ……ガバナライン。
【図１】
0003758745.tif 000004
【図２】
0003758745.tif 000005
【図３】
0003758745.tif 000006