技術資料＞プレミアム STC® 炉（第 2 世代）の開発

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技術資料
Technical Data

プレミアム STC® 炉（第 2 世代）の開発
森雅史＊，江口健司＊Development of Premium STC® Furnace (2nd Generation)
Masafumi MORI and Kenji EGUCHI
Synopsis
The STC® furnace has been on the market for 42 years and has become the de facto standard in the secondary steel processing
industry. In January 2022, the Machinery Division combined recent technological developments and design studies to release
the Premium STC® Furnace (2nd generation) as a new brand. This technical document describes each of these elements: DINCS®,
NOX buster, fully non-water-cooled furnace shell, precision furnace pressure control, constant burner exhaust gas monitoring
system, and new instrumentation system.

1．緒

言的に炉内へ装入し，熱処理を行うことを連続的に行える
全自動バッチ式炉」として製品化に成功した．オペレー

STC® 炉 1）の名称で知られるバッチ式熱処理炉は 1980

タが常時監視していなくても決められたヒートパターンを含めると 2022 年 7 月時点で累計 353 基を受注してい算され，雰囲気の鋼に対する脱浸炭の傾向を表す量）を年に初めて販売してから 42 年が経過し，製作中のものに従って炉温と雰囲気ガスの PF 値（(CO%)2/CO2% で計る．鋼材 2 次加工業界では高いシェアを誇り，幾つかの制御し，異常が発生した場合も安全に停止処理を行うこ

ユーザーは，企業のホームページの保有設備欄に「STCとができる．

®

炉」を明記しており，デファクトスタンダードとなっている．
STC® は Short Time Cycle の略であり，1970 年代主流であったベル型炉に比べて 1 バッチの処理が短時間に行うことができるという意味で名づけられたものである．

STC® 炉の対象になる処理品形状は線材コイル，冷間鍛造品，薄板コイル，パイプ，棒鋼であり，熱処理目的としては球状化焼なまし，軟化焼なまし，完全焼なまし，焼準，復炭である．
1980 年の販売後も幾つかのマイナーチェンジを行い実際，ベル型炉は垂直方向に積んだ処理品に鐘型のイン

現在の完成形に至った特筆すべき内容を列挙する．

ナーカバー，アウターカバーを被せた状態で熱処理を行

1983年：従来 7セグメント表示器であったインターフェー

うため，熱処理後のカバーの取り外しに相当な時間を要スを CRT（Cathode Ray Tube：ブラウン管）表示に変更していた．そこで，炉形状を箱型に変更し，炉床にロー

1985年：ヒートパターンの表現形式を変更し，自由なラーを配置することで，カバーの取り外し作業を省くこ

ヒートパターンが組めるようになるとができるようにした．それにより，副次的効果とし1988年：DAMIC（DAido MIcro-Computer：自社開発の専用て，「処理品を積載テーブルにストックしておけば自動コンピュータ）から PLC（Programmable Logic Controller：2022年 10月 3日 受付＊ 大同特殊鋼㈱機械事業部（Machinery Division, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 93 巻第 2 号 2022 年

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電機 / 計装メーカーが生産するシーケンスコントロー

器および高輻射材に用いており，従来よりも熱交換面ラ）と汎用コンピュータで構成したシステムに変更

積，熱伝導率，熱衝撃性の点で優れている．また，パー

2008年：JIS B 8415（工業用燃焼炉の安全通則）の改訂に

キュレータ ® システムと配管，ラジアントチューブの位置伴い，日本ガス協会発行のガイドライン“工業用ガス燃関係を継承することで，パーキュレータ ® システムから焼設備の安全技術指標（2008年）”に則した燃焼機構に再DINCS® への置き換えが容易というメリットもある．

設計
2016年：DINCS （Daido Innovative NeoCombustion®

Fig. 3 に冷風バーナを基準とした各燃焼システムの有効熱量割合を示す 2）．横軸を炉温，縦軸を有効熱量割合

System）を発売し，DINCS®搭載基をプレミアム STC®炉とし，各燃焼システムの測定結果をプロットしたものでとしてリリースある．有効熱量割合の定義を式（1）に示す．

上記のように，STC® 炉は長きにわたって改良が重ね100られてきた歴史がある．今回，プレミアム STC 炉（第95®

90

設計検討を融合させ，ブランド化を図った．次章では技85

Effective heat rate [%]2 世代）と称して近年行ってきた複数の技術開発および術開発項目ごとに説明する．

2．技術開発2.

DINCS ®

80

Perculator system

75

General heat exchanger

70

83.5 [%]

65

Without heat exchanger

60®

1

Regenerative burner system

DINCS

DINCS® はプレミアム STC® 炉（第 1 世代）に搭載さ50れた高効率燃焼システムである．リリース後もユーザー

600

650

Effective heat rate [%] =2）

システム構成を示す ．
Exhaust gas

Exhaust gas=

800

Effective calorific value [J/h]Combustion volume [J/h]× 100

Combustion volume [J/h] ― Exhaust gas sensible calorific value [J/h]Combustion volume [J/h]Combustion air

Perculator

750

Fig. 3. Temperature [℃]-Effective heat rate [%] plot.

2 世代）にも引き続き標準搭載される．Fig. 1 に従来のパーキュレータ ® システムを示し，Fig. 2 に DINCS® の700

Temperature [℃]には好評だったこともあり，プレミアム STC® 炉（第Radiant tube

79.1 [%]

55× 100（1）Combustion air(After heat exchange)

Fig. 3 で示すように球状化焼なましの代表温度である炉

BurnerFurnacewall

Fig. 1. Perculator System.

温 750 ℃で比較すると，パーキュレータ ® システムが 79.1

% と一般的なレキュペレータよりも高い省エネ性能を示しているが，DINCS® はそれを上回り 83.5 % と，最も省エネ性能が高い燃焼システムであるリジェネレイティブ
バーナシステムに肉薄する性能であることを示している．

2.
Fig. 2. DINCS® System.
従来のパーキュレータ ® システムも，ラジアントチュー

2NOXバスター

高温で燃焼する際に発生する窒素酸化物を総称してNOX といい，その発生量は火炎温度に比例して多くなる．NOX は人体呼吸器への影響や，光化学スモッグ，ブと呼ばれる耐熱鋳鋼製の管内の排気側に内蔵すること酸性雨の原因とされており，施設の種類・規模に応じたで，外部取り付けタイプの熱交換器よりも放熱による熱排出基準が大気汚染防止法において定められている．

ロスを抑えつつ，交換やメンテナンスが容易という特徴があった．
DINCS はその特徴を継承しつつ，3D プリンティン®

グ技術を用いて成形した炭化ケイ素を，高効率熱交換

一方で，燃焼に関する省エネは高効率熱交換器に代表されるような，燃焼空気を予熱し燃焼温度を高くする手法が主であるため，省エネ率は高くなるが，NOX 発生量も高くなってしまう課題があった．

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NOX バスターはその課題解決の一助となる機器であ

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扇では，軸受部の位置を従来よりも上部に配置し，断熱る．Fig. 4 で示すようにバーナ先端が円筒状の NOX バ材からの離隔距離をとり入熱量を抑えつつ，空冷を行う焼ガスの一部が NOX バスター外周を回って円筒内に再計を行った．Fig. 6 に水冷攪拌扇と空冷攪拌扇の断面図

スター中心に位置するよう設置する．これによって，燃循環し，酸素濃度と火炎温度を低下させ，NOX を抑えことで軸受温度の最高温度が 120 ℃以下となるように設を示す．

ることができる．
BurnerNOx buster

Outside the furnace

Furnacewall

Inside the furnace

Radiant tube

Fig. 4. NOX Buster System.
Fig. 5 に NOX バスター取り付けによる NOX 値の低減率を示す．測定条件は，プロパン / ブタンミックスガスを燃焼させ，排ガス O2 濃度 11 % 換算である．NOX バス
ターにより，球状化焼なましの代表温度域である 750 ℃

Nox reduction percentage [%]では約 55 % の NOX 発生量低減に寄与している．

Water-cooled agitation fan

Air-cooled agitation fan

Fig. 6. Water-cooled and air-cooled agitation fans.

2.

3.

2

扉非水冷の課題と対応

扉も水冷を行っている箇所である．扉縁辺部には炉の気密性を保つためのパッキンが取り付けられており，このパッキンは耐熱温度が 500 ℃である．一般的な球状化
焼なまし処理の温度が 750 ℃のため，パッキンの耐熱温度を超えないように熱から守る必要がある．
Fig. 7 に水冷扉および水冷ジャケット部の断面図を示す．この水色部は冷却水が流れている部分であり，パッキンは扉が閉まった際に，この水冷部に挟まれるように配置されている．

Furnace temperature [℃]Fig. 5. NOX reduction effect of NOX Buster.

2.

3Coolant

完全非水冷炉殻

従来までの STC® 炉では冷却水は扉および攪拌扇軸受を炉内の熱から保護するために必須のものであった．しかしながら，冷却水循環に伴う設備管理および水道代，炉体熱ロスの増加，水冷部付近の温度低下による炉内温度ムラなど，冷却水使用によるデメリットが大きな問題であった．今回，幾つかの構造を見直すことにより，扉冷却部および攪拌扇水冷部を削除することができ，検証

Detailed cross-sectional view
STC® Furnace

Fig. 7. Water-cooled door and water-cooled jacket crosssection.
この扉部の断熱材は従来熱伝導率が 600 ℃において，試験においても良好な結果が得られたため，完全非水冷0.2 W/(m・K) のものを使用していたが，0.04 W/(m・K)炉殻をリリースできるに至った．の超低熱伝導率材料に変更することで従来の熱伝導率の2.

3.

1

軸受非水冷の課題と対応

従来では攪拌扇軸受け部の水冷を行っていた．これは軸受部の耐熱温度が 120 ℃であり，軸部からの伝熱によりそれ以上の温度となってしまうためである．空冷攪拌

1/5 程度となり，冷却水を使用しなくても十分な温度を保てるようになった．

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1082.

3.

3

完全非水冷炉殻による効果

従来のデメリットであった水冷部付近の炉内温度ムラ
は，扉の非水冷化によって Fig. 8 に示すように 8.1 ～ 9.2 ℃

Furnace pressuretransmitter 20102

PEPE

Exhaust gas

ＳＴＣ® furnace

Check valve

幅から 6.6 ℃幅に改善することができた．

Temperature [℃]Furnace pressuretransmitter 1

Furnace pressure
control circuit

Furnace pressure
measurement(Low selecter)PIC

Ｎ２ gasFig. 9. Furnace pressure precision control system
configuration.
精密炉圧制御による N2 低減効果は一般的な球状化焼Time [minutes]

なまし処理において約 35 % であった．さらに，副次的効果として，N2 送気量が減少したことで炉内ガスの希釈を防ぐことができ，RX ガス（吸熱型変成ガス）の約16 % の削減，PF 待ち（RX ガス送気開始から十分な PF値に至るまでの待ち）時間短縮による処理時間が約 10
Temperature [℃]% 短縮などの効果も得られた．

先に述べたように，N2 の一定量送気を止める制御をするため，安全性に配慮する必要がある．そのための措置として，炉圧センサの二重化を標準としている．これは片方のセンサが故障したことを検出し，精密炉圧制御を停止して通常の N2 定量送気モードに戻る目的である．

Time [minutes]

Fig. 8. Improvement of temperature distribution.

2.

5

常時バーナ排ガス監視システム

2.

5.

1

排ガス測定の意味

これによって，処理品の品質に影響する均熱温度のムSTC® 炉は 1 つの加熱室に複数の燃焼区間（ゾーン）ラを低減でき，品質の安定化に大きく寄与する効果が期を持っており，各ゾーンにおいて複数のバーナを制御す待できる．

る構造となっている．Fig. 10 に STC® 炉の 1 つのゾー

2.

4

精密炉圧制御STC 炉は雰囲気熱処理炉であるため，熱処理中に炉®

ンの燃焼システムを記載する．
Control orifice

MCombustion air

Combustion aircontrol valve

内へ大気が侵入することを防がなければならない．大気が侵入した場合，1．雰囲気ガス成分の乱れ，2．炉内における異常燃焼の発生，などの熱処理設備において非常Main gas shut-off valve

Governor

Fuel gasにリスクの高い事象に至る可能性も考えられる．従来

Pilot gas shut-off valve 2の STC 炉では熱処理中に一定の N2 を流し続けること®

で炉圧を正圧に保ち，それらのリスク回避を担保していた．しかしながら，N2 もコストの掛かるガスであり，この使用量を削減できればユーザーの利益に繋がると考えたことが開発のきっかけである．精密炉圧制御機能は幾つかの実証試験を行い，Fig. 9 に示すシステムで構成
した．

Pilot gas shut-off valve 1
Mixer Set

Mainburner 1

Pilot burner 1

Radiant tube 1

Mixer Set

Mainburner 2・・・

Pilot burner 2
Radiant tube 2

Fig. 10. STC® Furnace combustion system.

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STC® 炉では各ゾーンが目標の温度となるように，メインバーナの空気流量およびガス流量を制御する．炉温109

酸素濃度を測定し，ゾーンごとに 1 年 3 か月に渡って測定したデータが Fig. 13 である．実線は最小二乗法によを下げたい場合は，メインバーナ用ガスを遮断し，燃焼る近似直線である．また，分散の大きいゾーン 3 をバー空気のみを送気して冷却を行う．パイロットバーナは基ナごとに色分けしたものが Fig. 14 である．

本的に燃焼したままとなる．空気とガス流量比（空気Zone 1る．空気比は式（2）で示すような排ガス中の酸素濃度によって調べることができ，一般的に最適燃焼領域は，高い熱効率と黒煙の発生を抑えることができる領域である 1.13 程度が好ましいとされる．
Air ratio [%] =21 [%]21 [%] － Exhaust gas oxygen concentration [%]× 100

Exhaust gas oxygen concentration [%]比）はブースタガバナおよび各バーナへの分配量で決ま

Zone 2

Zone 3（2）2. 5. 2 システムの構成と測定データの見方

DateFig. 13. Exhaust gas oxygen concentration in eachzone.

常時バーナ排ガス監視システムでは，Fig. 11 に示すに設置し，HMI（ヒューマンマシンインターフェース）に排ガスに含まれる酸素濃度を表示する．

Oxygen sensor

Exhaust gas oxygen concentration [%]ような排ガス酸素センサを各ラジアントチューブ排気筒

Exhaust pipe

DateFig. 14. Exhaust gas oxygen concentration for eachCombustion
equipment

burner in Zone 3.

Radiant tube

Fig. 13，14から以下のことが分かる．

1．酸素濃度は 3か月や半年単位で比較すると差異が見Fig. 11. Exhaust gas oxygen sensor.

られてくる．

Fig. 12 に 1 つのラジアントチューブに着目した排ガ

2．燃焼状態が悪化しやすいバーナと燃焼状態があまりFig. 12 から分かるように，冷却と加熱を繰り返し，で平均化してもあまり有効なデータは得られない．

ス酸素濃度の時系列データを示す．

変化しないバーナなど個体差が大きいため，ゾーンパイロットバーナが常時燃焼しているシステムにおいてこれらの知見からプレミアム STC® 炉（第 2 世代）では，時系列データを確認しても良否判定をすることははヒストリカルトレンド画面に工夫が加えられている．

容易でない．一方で，同じ燃焼状態（燃焼空気弁開度 =Fig. 15 に第 2 世代のヒストリカルトレンド画面を示

最大，炉温 =500 ～ 600 ℃）における各バーナの排ガス

す．

Slow cooling
Heat -up stageSoaking

Fig. 12. Exhaust gas oxygen concentration time series data.

電気製鋼 第 93 巻第 2 号 2022 年

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SCADA server(main)SCADA server(sub)

Digitalcommunication
network 3

HUB

Gateway PLC
Instrumentation control panel

Power control panel
・Buttons
・Indicators

PLC forsequence control

PLC forsequence control

Starting

StopDigitalcommunication
network 1

Hard wired

Combustion
control circuit

Flame detectors

・Solenoid valves・Igniters

・Buttons
・Indicators

・Motors
・Sensors

Starting

新計装システム

第 2 世代を開発するにあたって，1988 年の DAMICから PLC に移行後，ほとんど変更が施されていないシステムのアーキテクチャに大幅な変更を加えた．以下にそれらを記述する．
第 1 の変化は，制御盤の括りを従来の「動力制御盤」，「計装制御盤」から「炉外搬送制御盤」，「炉制御盤」に変更したことである．動力制御盤，計装制御盤は機器本
位の考え方で，現場保全担当者の担当する機器をアクチュエータ類と計装類に明確に分離できることなどがメリットとして挙げられる．一方で，近年増えつつある複数炉構成などでは，炉外搬送はどの動力制御盤が制御をStop

Fig. 16. Typical conventional STC ® furnace system
configuration.とができる．

6StartingStopが除外され，意味のある排ガス酸素濃度グラフにするこ

2.

Gas analyzer

・Buttons・Indicators

Flame monitoring
devices

Operation panelヒストリカルトレンド画面において，炉温と燃焼空気弁開度の 2 要素の設定範囲を指定すると，非該当の要素

Gas analyzer panel

Digital communication
network 2

Power control
equipments

Fig. 15. Historical trend screen.

PLC forTouch screen
process control

Wi-Fi
Access point

SCADA server(main)SCADA client terminal(tablet device)

SCADA server(sub)

HUBDigitalcommunication
network 4

Out-of-furnace transfer
control panel

Furnace control pane

PLC forsequence control

PLC for sequencecontrol andprocess control

Digitalcommunication
network 3

Gas analyzer panel
PLC for analyzer control(With auto-calibrationfunction)

Digital optical network(Redundancy )Digitalcommunicationnetwork 1 Power control
Burner control
equipments
unit

Hard wired
Power control
equipments

Digitalcommunication
network 2

Gas analyzer

Hard wired
Operation panel
・Motors
・Sensors(For out of furnace)

Flame detectors

SCADA client terminal

・Solenoid valves・Igniters

・Motors
・Sensors(For furnace)Fig. 17. System configuration of the second generation.

行うのか分かりにくいことや，インバータなどの動力機

1．操作がビジュアル化されるため，経験が浅いオペ器がデジタル通信を当たり前のように行っていく中で，レータでも操作に迷いにくく，誤操作が減らせる．

動力制御盤と計装制御盤の括りが曖昧になっていること

2．従来では，操作ボタンがあるために，電気室のようなど課題があった．今回，炉外搬送制御盤と炉制御盤にな，STC®炉が直接確認できない場所に置くことが難分けることで，炉外搬送機器を複数炉で共有している設しかったが， 第 2 世代では制御盤を自由な場所に設備の増設工事においても炉外搬送制御盤の改造のみで済置可能になった．

ますことができ，既設炉の熱処理を継続することも可能

3．従来は，計画外の増設がある場合は，盤面の加工である．これによって設備投資のハードルを下げることや取替など，多くの工事作業が必要であったが，ができる．

SCADAの場合，ソフトの変更で済むため，改造によ第 2 の変化は，HMI の統一化と冗長化である．従来の STC® 炉の一般的なシステム構成と，第 2 世代におけるシステム構成を Fig. 16，Fig. 17 に示す．

る設備休止時間を最小限にすることができる．
従来システムとの違いの 2 つ目は，冗長化である．操作源を SCADA に統一し，SCADA サーバ 2 台体制を標

Fig. 16 と 17 との主な違いの 1 つ目は，制御盤盤面の準化することで，個別操作源の故障による設備の運転不ランプ，スイッチ類を廃し，ハードボタンについては能リスクを最小限にすることができる．また，PLC の非常停止ボタンのみとした．基本的なすべての操作は二重化電源ユニットの採用や，直流電源装置の二重化，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition： 監 視

PLC 間ネットワークの二重化など，費用対効果の高い制御とデータ取得装置）のモニタを通して行う．これに冗長化対応を行っている．

は 3 つのメリットがある．

従来システムとの違いの 3 つ目は，バーナコントロー

技術資料＞プレミアム STC® 炉（第 2 世代）の開発ラの採用である．2008 年の JIS B 8415 改訂により燃焼回路をハードリレーでの構成を基本方針として，ソフトウェア誤動作やソフトウェアの安易な変更による異常燃（文献）1）今泉正：電気製鋼，62（1991），204．

2）神谷祐樹：電気製鋼，89（2018），47．

焼の防止を行ってきた．しかしながら，ハードリレーでも故障確率はゼロではなく，複雑なリレー回路が原因で設備復旧に長い時間を要す問題もあった．バーナコ
ントローラは欧州製品安全規格の一つである GAD（GasAppliances Directive）の認証を受けており，高い安全性と高度な情報ネットワーク機能がある．異常燃焼の発生防止や，トラブル時の迅速な事態把握に役立てることができる．

2.

7

タブレット機能

プレミアム STC® 炉（第 2 世代）はタブレット端末も標準機能とした．これにより，設備周囲の Wi-Fi 通信可能範囲内であれば，SCADA サーバとほぼ同等の情報閲覧やヒートパターンの登録を行うことができ，設備周囲にいながらさまざまな情報を取得できる．例えば，
2.

5 節の常時バーナ排ガス監視システムと組み合わせることで，排ガスの酸素濃度を画面で見ながら燃焼調整もできるようになるなど，大幅にきめ細かい設備保全が可能となる．

3．結言

STC® 炉は 42 年におよんで多くの自動車部品，産業用機械部品を熱処理し，産業界を陰ながら支えてきた．
その中で，ユーザーの利便性を追求する技術者の姿勢によりさまざまな進化を遂げてきた．
昨今，半導体や IT 分野を筆頭に研究開発の期間が著しく短縮され，次世代の商品が瞬く間に売り出されている．そして，旧世代の商品は直ぐにコモディティ化の道を辿る．この現象は，先端技術分野だけに止まらず，あらゆる分野にも通ずるものである．無論，鉄鋼業界においても，同様のことが言える．STC® 炉をユーザーに選び続けてもらうためには，STC® 炉をより良く進化させ続けなければならない．一方で，古い概念でも現代に通用するものは多く存在する．すべてを解決する絶対的な答えは無く，「不易流行」の心持ちで悩みながら進めるしかないのだ．プレミアム STC® 炉（第 2 世代）はそのような姿勢があってこそ昇華して生み出すことができた製品と捉えている．
これからも我々は多くの技術を STC® 炉に注ぎ込んでゆく．それがユーザーの喜びに繋がることを願ってやまない．

森雅史

江口健司

111