熱処理方法及び熱処理装置
【課題】炉内のＣＰを安定させることができる熱処理方法及び熱処理装置を提供する。
【解決手段】炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法において、炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、炉の開口を開ける前に、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガス及び前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量よりそれぞれ増加させ、炉の開口を閉じた後、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻し、かつ、前記フィードバック制御を再開させるようにした。
【解決手段】炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法において、炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、炉の開口を開ける前に、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガス及び前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量よりそれぞれ増加させ、炉の開口を閉じた後、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻し、かつ、前記フィードバック制御を再開させるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の熱処理方法及び熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の熱処理では雰囲気制御が重要であり、かかる雰囲気制御は、熱処理雰囲気のＣＰ（カーボンポテンシャル）を制御することによって行われる。従来、鋼材の浸炭熱処理において、ＣＰに基づいてエンリッチガス（ＣｍＨｎガス）の供給量を制御することによりＣＰを一定の値に安定させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、比例制御、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御によってＣＰを安定させる方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平５−１５７８２号公報
【特許文献２】特開２００３−０１３１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の熱処理炉にあっては、被処理体を搬入出するときに、炉の開口を開くと、炉内に空気が侵入して、ＣＰが大きく減少する問題があった。特に、ＣＰをフィードバック制御している場合、制御応答（ＣＰ）がオーバーシュートする問題があった。さらに、制御応答が不安定になってハンチングが起こったり、目標値になるまでに時間がかかったりすることがあった。
【０００５】
本発明の目的は、炉内のＣＰを安定させることができる熱処理方法及び熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法であって、炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック制御を再開させることを特徴とする、熱処理方法が提供される。かかる熱処理方法によれば、開口の開閉の影響により炉内に空気が侵入しても、炉内のＣＰが減少したり乱れたりすることを防止できる。
【０００７】
この熱処理方法にあっては、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻すようにしても良い。さらに、前記フィードバック制御を停止させた際、前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させるようにしても良い。そうすれば、ＣＰの減少をさらに効果的に抑制できる。
【０００８】
また、前記開口は、被処理体を炉から搬出するための搬出口であって、記炉の搬出口の外側に設けた油槽室の出口を閉じた状態で、前記炉の搬出口を開き、被処理体を前記油槽室に搬入し、前記炉の搬出口を閉じた後、前記油槽室の出口を開いて被処理体を前記油槽室から搬出することとしても良い。
【０００９】
また、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、前記変成ガスの供給路に設けられた変成ガス流量調整弁の開度を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、前記第二の調節器を備え前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記変成ガス流量調整弁の開度を大きくし、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガス流量調整弁の開度を小さくし、前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、前記変成ガスを炉内に供給する第一の変成ガス供給路及び第二の変成ガス供給路を備え、前記第二の変成ガス供給路に設けられた開閉弁の開閉を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、前記第二の調節器を備え前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記開閉弁を開き、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記開閉弁を閉じ、前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置が提供される。
【００１１】
この熱処理装置にあっては、前記第二の調節器は、フィードバック調節を停止させる際、前記エンリッチガス流量調整弁の開度を大きくする操作を行う構成としても良い。また、前記エンリッチガスを炉内に供給する第二のエンリッチガス供給路を備え、前記第二の調節器は、フィードバック調節を行っている際、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を閉じ、フィードバック調節を停止させている際は、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を開くように操作する構成としても良い。
【００１２】
前記開口は、被処理体を炉内から搬出するための搬出口であって、前記炉の搬出口の外側に、油槽室を設けたこととしても良い。また、炉内に設けられた浸炭室と拡散室との間に、被処理体を通過させる通過口を設け、前記通過口を閉じるシャッターを設けても良い。そうすれば、浸炭室と拡散室の雰囲気をさらに安定させることができる。
【００１３】
すなわち本発明は、炉の開口部を開閉する際に生じるＣＰの乱れを防止するためのものであり、開口部の開閉に合わせて、変成ガスの供給流量、又は、変成ガスの供給流量とエンリッチガスの供給流量とを共に増加させることにより、従来、開口部の開閉によって炉内が負圧になり空気などを吸い込んでＣＰが低下していた現象を防止するものである。ＣＰを安定させることにより、例えば浸炭などの熱処理の効率を向上させるものである。さらには、浸炭処理の場合などでは、浸炭室と拡散室の間にシャッターを設けることにより、浸炭室を高ＣＰに保ちながら、拡散室のＣＰを適切に保持させることによっても、効率の良い浸炭処理を行うことができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炉の開口を開くときに変成ガス又はエンリッチガスの供給流量を増加させることにより、炉内に空気が侵入しても、炉内のＣＰが減少することを防止できる。炉の開口を開くときにＣＰのフィードバック制御を停止させることで、ＣＰが不安定になることを防止できる。複雑な制御の設定を行うことなく、簡単にＣＰの安定を図ることができる。炉内のＣＰを安定させることにより、浸炭処理を効果的に行うことができる。さらには、高ＣＰの雰囲気にしても、ＣＰを安定させることができ、効率の高い浸炭処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図２】熱処理炉内の圧力の変化を説明するグラフである。
【図３】浸炭室のＣＰの変化を説明するグラフである。
【図４】浸炭室へのエンリッチガスの供給流量の変化を説明するグラフである。
【図５】浸炭室への変成ガスの供給流量の変化を説明するグラフである。
【図６】別の実施形態にかかる浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図７】別の実施形態にかかる浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図８】実験１における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図９】比較実験１における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図１０】比較実験２における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図１１】実験１において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１２】比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１３】比較実験２において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１４】実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体の炭素濃度分布を示すグラフである。
【図１５】実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体のＥＣＤを示した表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明にかかる熱処理方法としての浸炭処理方法を実施する熱処理装置としての浸炭処理装置１は、鋼材品である被処理体２の熱処理を行う熱処理炉３を備えている。熱処理炉３内には、搬入室としての脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４が、前方から後方（図１においては左方から右方）に向かってこの順に設けられている。熱処理炉３の後方には、油槽室１６が設けられている
【００１７】
熱処理炉３の前部には、被処理体２を熱処理炉３内の脱脂室１０に搬入するための開口としての搬入口２１が設けられており、搬入口２１を開閉する扉２２が設けられている。
【００１８】
脱脂室１０と予熱室１１の間には、被処理体２を通過させるための通過口３１が形成されており、通過口３１を塞ぐシャッター３２が備えられている。予熱室１１と浸炭室１２の間には、被処理体２を通過させるための通過口３３が形成されており、通過口３３を塞ぐシャッター３４が備えられている。浸炭室１２と拡散室１３の間には、被処理体２を通過させるための通過口３５が形成されており、通過口３５を塞ぐシャッター３６が備えられている。拡散室１３と焼入室１４の間には、被処理体２を通過させるための通過口３７が形成されており、通過口３７を塞ぐシャッター３８が備えられている。脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４において被処理体２を処理するときは、通過口３１、３３、３５、３７はシャッター３２、３４、３６、３８によってそれぞれ閉じられるようになっている。なお、シャッター３２、３４、３６、３８によって通過口３１、３３、３５、３７を塞いだときも、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の雰囲気は、通過口３１、３３、３５、３７と各シャッター３２、３４、３６、３８の間の隙間を介して互いに連通している。
【００１９】
熱処理炉３の後部には、被処理体２を熱処理炉３から搬出して油槽室１６に搬入するための開口としての搬出口４１が形成され、搬出口４１を開閉する扉４２が設けられている。前述した油槽室１６は、搬出口４２の外側に設けられており、搬出口４１を介して熱処理炉３と連通するようになっている。扉４２には、孔４２ａが設けられている。
【００２０】
熱処理炉３内の下部には、被処理体２を搬入口２１から搬出口４１側に向かって搬送するローラコンベア５０が設けられている。被処理体２は、ローラコンベア５０によって通過口３１、３３、３５、３７を順に通過するように搬送され、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に順に搬入、搬出されるようになっている。なお、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、複数の被処理体２をローラコンベア５０の搬送方向に並べて搬入することができる。
【００２１】
予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、変成ガス（ＲＸガス）を供給する変成ガス供給路６１、６２、６３、６４がそれぞれ接続されている。変成ガスは主にＣＯ（一酸化炭素）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｎ２（窒素）ガスからなり、ＣＯ２（二酸化炭素）、Ｈ２Ｏ（水）を微量に含んでいる。変成ガス供給路６１、６２、６３、６４には、変成ガス流量調整弁７１、７２、７３、７４がそれぞれ介設されている。変成ガス流量調整弁７１、７２、７３、７４の開度は、第一の調節器９０の出力信号によって調節される。
【００２２】
また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、エンリッチガス（ＣｍＨｎガス）として例えば都市ガスなどを供給するエンリッチガス供給路８２、８３、８４がそれぞれ接続されている。エンリッチガス供給路８２、８３、８４には、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４がそれぞれ介設されている。エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度は、第二の調節器１００の出力信号によって調節される。
【００２３】
さらに、焼入室１４には、空気を供給する空気供給路１０４が接続されている。空気供給路１０４には、空気流量調整弁１０５が介設されている。脱脂室１０の上部には、排気を行うエキセス１０６が備えられている。脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の上部には、各室内の雰囲気を攪拌するファン１１０がそれぞれ備えられており、さらに、図示はしないが、各室内の雰囲気を加熱するヒータがそれぞれ設けられている。また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、各室内のＣＰを測定するための酸素（Ｏ２）センサ１１２、１１３、１１４がそれぞれ設けられている。各酸素センサ１１２、１１３、１１４の検出値は、第二の調節器１００に送信されるようになっている。
【００２４】
調節器１００は、酸素センサ１１２、１１３、１１４の検出値に基づいて、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各ＣＰを計算する機能を有し、また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の各ＣＰに基づいてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の各開度をそれぞれ調節するＰＩＤ（比例・積分・微分）調節計の機能を有する。即ち、調節器１００は、計算により求めた浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の各ＣＰをそれぞれの目標値と比較し、各ＣＰがそれぞれ目標値になるように、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の各操作量を求め、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４に対して操作信号を送信する。そして、調節器１００の操作信号に応じてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度がそれぞれ調節され、これにより、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からの変成ガス供給流量がそれぞれ調節される。即ち、酸素センサ１１２、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９２を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２２と、酸素センサ１１３、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９３を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２３と、酸素センサ１１４、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９４を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２４とが構成されている。浸炭室１２におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２２によって制御され、拡散室１３におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２３によって制御され、焼入室１４におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２４によって制御される。
【００２５】
油槽室１６の下部には、油槽１３０が備えられている。また、被処理体２を油槽室１６内から搬出するための出口１３１が形成されており、出口１３１を開閉する扉１３２が設けられている。また、油槽室１６の上部には、排気を行うエキセス１３３、油槽室１６に変成ガスを供給する変成ガス供給路１３４が取り付けられている。
【００２６】
なお、熱処理炉３内の雰囲気は、エキセス１０６から排気され、また、扉４２の孔４２ａを介して油槽室１６に流入して、エキセス１３３から排気されるようになっている。また、前述のように、通過口３１、３３、３５、３７がシャッター３２、３４、３６、３８によってそれぞれ閉じられるときも、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の雰囲気は互いに連通しており、被処理体２の熱処理中、熱処理炉３内の雰囲気は、おおむね拡散室１３から浸炭室１２、予熱室１１、脱脂室１０へ順に流れ、エキセス１０６から排気されるようになっている。また、拡散室１３から焼入室１４にも流れ、扉４２の孔４２ａを介して油槽室１６に流入して、エキセス１３３から排気されるようになっている。こうすることで、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の雰囲気が好適に調整される。特に、拡散室１３と浸炭室１２の間にシャッター３６が設けられていると、拡散室１３から浸炭室１２に雰囲気が流入することを防止でき、これにより、拡散室１３のＣＰが上昇することを防止できる。また、熱処理炉３内の炉圧は、エキセス１０６、１３３の開度を調節することにより制御することができる。
【００２７】
また、浸炭処理装置１には、浸炭処理装置１における工程を制御するシーケンサ１４０が備えられている。前述した調節器９０、１００は、シーケンサ１４０にネットワーク等を介して接続されている。
【００２８】
次に、以上のように構成された浸炭処理装置１を用いた被処理体２の浸炭処理工程について説明する。先ず、熱処理炉３の搬入口２１を開いて、被処理体２を脱脂室１０に搬入し、搬入口２１を閉じ、脱脂処理を行う。脱脂室１０において、被処理体２は約８０℃程度まで昇温される。次に、通過口３１を開いて、被処理体２を脱脂室１０から予熱室１１に移動させ、通過口３１を閉じる。予熱室１１においては、被処理体２は約９４０℃程度まで昇温される。予熱後、通過口３３を開いて、被処理体２を予熱室１１から浸炭室１２に移動させ、通過口３３を閉じる。浸炭室１２において、被処理体２は約９５０℃程度に加熱され、所定時間、浸炭処理が行われる。浸炭室１２内のＣＰは、ＰＩＤ制御により比較的高い値、例えば約１．１％程度に維持される。浸炭処理後、通過口３５を開いて、被処理体２を浸炭室１２から拡散室１３に移動させ、通過口３５を閉じる。拡散室１３においては、被処理体２は約９５０℃程度に加熱され、所定時間、拡散処理が行われる。拡散室１３のＣＰは、ＰＩＤ制御により約０．８％程度に維持される。拡散後、通過口３７を開いて、被処理体２を拡散室１３から焼入室１４に移動させ、通過口３７を閉じる。焼入室１４においては、被処理体２は約８５０℃程度に降温され、所定時間、焼入れが行われる。焼入室１４のＣＰは、ＰＩＤ制御により約０．７％程度に維持される。焼入後、熱処理炉３の搬出口４１を開いて、被処理体２を油槽室１６に搬入し、搬出口４１を閉じる。そして、油槽室１６において、被処理体２を油槽１３０に浸漬させて油焼き入れを行い、油槽１３０から引き上げた後、出口１３１を開いて搬出させる。以上のようにして、浸炭処理装置１における一連の処理が終了する。
【００２９】
ところで、熱処理炉３の搬出口４１を開閉する間に、搬入口２１と油槽室１６の出口１３１がそれぞれ閉じられている場合、ＣＰ値のＰＩＤ制御をそのまま継続すると、ＣＰ値の制御が非効率的になる問題がある。図２は、搬入口２１及び出口１３１を閉じた状態で搬出口４１を開いたときの、熱処理炉３内の圧力の変化を示している。図３及び図４は、そのときの浸炭室１２におけるＣＰの変化、エンリッチガス供給路８２からのエンリッチガスの供給流量の変化をそれぞれ示している。搬入口２１及び油槽室１６の出口１３１が閉じられた状態で、熱処理炉３の搬出口４１が開きはじめると（図２においてＳ１）、油槽室１６内の低温の雰囲気が熱処理炉３内からの輻射熱によって加熱されて急激に膨張し、図２に示すように、熱処理炉３内の圧力が上昇する。その後、搬出口４１が閉まりはじめると（図２においてＳ２）、熱処理炉３内の圧力が急激に下降する。搬出口４１が閉じられると（図２においてＳ３）、熱処理炉３内の圧力が下降し続けた後、熱処理炉３の外部から空気が吸い込まれる。そのため、図３において一点鎖線で示すように、浸炭室１２内のＣＰが急激に下降する。このようにＣＰが急激に減少するときに、ＰＩＤ制御系１２２のＰＩＤ制御をそのまま継続すると、図４において一点鎖線で示すように、エンリッチガス供給路８２からのエンリッチガス供給流量を急激に増加させるように制御され、図３において一点鎖線で示すように、浸炭室１２のＣＰがオーバーシュートする。そして、ＣＰが不安定になってハンチングが起こったり、目標値になるまでに時間がかかったりするなどの問題が生じて、制御が良好に行われなくなる。そこで、本実施の形態では、搬出口４１を開閉する際にＰＩＤ制御系１２２のＰＩＤ制御を停止させ、ＣＰが不安定になることを防止する。このようにすると、図３において二点鎖線で示すように、浸炭室１２のＣＰが減少しても、ＣＰを安定的に目標値に近づけることができる。さらに、本実施の形態では、ＰＩＤ制御を停止させるとともに、変成ガス供給路６２からの変成ガス供給流量及びエンリッチガス供給路８２からのエンリッチガス供給流量を増加させることで、浸炭室１２内の圧力が減少すること、及び、浸炭室１２内のＣＰが減少することを防止している。同様の理由により、拡散室１３、焼入室１４においても、搬出口４１を開閉する際にＰＩＤ制御系１２３、１２４のＰＩＤ制御を停止させ、さらに、変成ガス供給路６３、６４からの変成ガス供給流量及びエンリッチガス供給路８３、８４からのエンリッチガス供給流量を増加させるようにしている。
【００３０】
具体的に説明すると、先ず、搬出口４１を開く前においては、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンリッチガス供給流量は、ＰＩＤ制御系１２２、１２３、１２４によってそれぞれ調節されており、変成ガス供給路６２、６３、６４からの変成ガス供給流量は、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度が一定に維持されていることにより、図５に示すように、それぞれ一定の流量に維持されている。そして、搬出口４１を開く直前に、シーケンサ１４０から調節器１００に対して、ＰＩＤ調節を停止させてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度を大きくさせる命令が与えられ、図４において実線で示すように、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からの供給流量が所定の値に増加させられる。また、シーケンサ１４０から調節器９０に対して、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度を大きくさせる命令が与えられ、図５に示すように、変成ガス供給路６２、６３、６４からの供給流量がそれぞれ所定の値に増加させられる。こうしてＰＩＤ制御を停止させエンリッチガス及び変成ガスの供給流量をＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量より増加させてから所定時間Ｔ１後に、シーケンサ１４０から図示しない扉４２の開閉駆動機構に、搬出口４１を開く命令が与えられる。その後、ＰＩＤ制御を停止させてから所定時間Ｔ２後に、シーケンサ１４０から調節器１００に対してＰＩＤ調節を再開させる命令が与えられる。これにより、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度が、ＰＩＤ制御を停止させる前の状態に近づき、図４において実線で示すように、各エンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンチッチガスの供給流量が減少し、ＰＩＤ制御を停止させる前の状態に近づく。また、シーケンサ１４０から調節器９０に対して、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度を小さくさせる命令が与えられ、図５に示すように、変成ガス供給路６２、６３、６４からの供給流量がそれぞれＰＩＤ制御を停止させる前の状態に戻る。以上の方法により、図３において実線で示すように、ＣＰをほぼ一定に維持することができる。
【００３１】
なお、所定時間Ｔ２は、予め実験に基づき十分な時間が確保されるように決定すれば良い。例えば、ＰＩＤ制御を停止させエンリッチガス及び変成ガスの供給流量を増加させてから所定時間Ｔ１後に、搬出口４１を開口させ、被処理物２を搬出させ、搬出口４１を閉じ、その後、熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力、例えば搬出口４１を開く前の炉圧に近づくまでの平均的な時間を調べ、その所要時間を所定時間Ｔ２としても良い。即ち、搬出口４１を閉じた後において炉圧が所定の圧力、例えば搬出口４１を開く前の炉圧に戻ったら、ＰＩＤ調節が再開され、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度が戻されるように設定すれば良い。これにより、炉圧が十分に上昇して空気の吸い込みが無くなってから、ＰＩＤ制御を再開させ、また、変成ガスの供給流量を戻すことができる。ＰＩＤ調節を再開させても、ＣＰが不安定になることを防止でき、また、炉内に空気が吸い込まれる間中、変成ガスの供給流量を増量させることで、ＣＰが減少することを確実に防止できる。
【００３２】
かかる浸炭処理装置１によれば、熱処理炉３の搬出口４１を開くときに変成ガス及びエンリッチガスの供給流量を増加させることにより、熱処理炉３内の炉圧が低下することを防止でき、さらに、熱処理炉３内に空気が侵入すること、熱処理炉３内のＣＰが減少することを防止できる。熱処理炉３の搬出口４１を開くときにＣＰのフィードバック制御を停止させることで、ＣＰが不安定になることを防止できる。複雑な制御の設定を行うことなく、簡単にＣＰの安定を図ることができる。熱処理炉３内のＣＰを安定させることにより、浸炭処理を効果的に行うことができる。例えば、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３又は焼入室１４において被処理体２を処理しているときに、搬出口４１を開いて他の被処理体２を焼入室１４から油槽室１６に移動させる際に、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の各ＣＰが変動することを抑制できる。従って、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各処理を良好に行うことができ、さらには、処理効果の信頼性の向上、処理時間の短縮を図ることができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３４】
以上の実施形態では、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を同時に増加させ、同じ所定時間Ｔ２の後、減少させる方法を説明したが、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を増加又は減少させるタイミングは、かかるものに限定されない。例えば、エンリッチガス供給流量を増加させる時間Ｔ３を、変成ガス供給流量を増加させる時間Ｔ２より短くしても良い。変成ガスの供給流量の増加開始時刻とエンリッチガスの供給流量の増加開始時刻は互いに異なっていても良い。
【００３５】
また、以上の実施形態では、ＰＩＤ制御の停止や、変成ガスの供給流量の増加開始、エンリッチガスの供給流量の増加開始といった操作を、搬出口４１を開く直前に行うようにしたが、これらの操作は、搬出口４１を開く前ではなく、搬出口４１を開いた後に行っても良い。即ち、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前までにこれらの操作を行えば、ＣＰの減少や乱れを防ぐことが可能である。例えば、搬出口４１を開いている間に上記の操作を行っても良い。また、搬出口４１を閉じてから熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始めるまでの平均的な時間を予め調べておき、その時間が経過する前に、上記の操作を行うようにしても良い。また、搬出口４１を閉じてから熱処理炉３内の炉圧が所定の値まで下がる前に、上記の操作を行うようにしても良い。
【００３６】
また、以上の実施形態では、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を共に増加させるようにしたが、エンリッチガスの供給流量は、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量のまま増加させず、変成ガスの供給流量のみを増加させるようにしても良い。即ち、ＰＩＤ制御の停止と、変成ガスの供給流量の増加のみでも、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を十分に防止することが可能である。
【００３７】
以上の実施形態では、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度とエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度をそれぞれ調節することにより、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を調節したが、例えば、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に変成ガスを供給する第二の変成ガス供給路をそれぞれ備え、搬出口４１を開くときのみ第二の変成ガス供給路から変成ガスを供給することにより、変成ガス供給流量を増加させるようにしても良い。同様に、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にエンリッチガスを供給する第二のエンリッチガス供給路をそれぞれ備え、搬出口４１を開くときのみ第二のエンリッチ供給路からエンリッチガスを供給することにより、エンリッチガス供給流量を増加させるようにしても良い。
【００３８】
例えば図６に示すように、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対して、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４の他に、変成ガス増量用の第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４をそれぞれ接続する。図示の例では、各第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４は、変成ガスの供給源と変成ガス供給路６２、６３、６４の変成ガス流量調整弁７２、７３、７４より下流側との間に設けられたバイパス回路になっている。各第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４には、それぞれ開閉弁１５６、１５７、１５８を介設する。各開閉弁１５６、１５７、１５８の開閉動作は、第一の調節器９０’の出力信号によって調節されるようにする。この第一の調節器９０’は、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに開閉弁１５６、１５７、１５８を開き、搬出口４１を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、開閉弁１５６、１５７、１５８を閉じる操作を行う。かかる構成において、搬出口４１を開く前の通常状態では、各開閉弁１５６、１５７、１５８は閉じられており、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４からは変成ガスが供給されず、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４からそれぞれ一定流量の変成ガスが供給されている。そして、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、シーケンサ１４０から第一の調節器９０’に対して、各開閉弁１５６、１５７、１５８を開く命令が与えられる。これにより、開閉弁１５６、１５７、１５８が開かれ、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４から浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にそれぞれ一定流量の変成ガスが供給される。即ち、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４からの一定流量の変成ガスに加えて、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４からの一定流量の変成ガスが供給される状態となり、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量が増加させられる。そして、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力になったら、シーケンサ１４０から第一の調節器９０’に対して、開閉弁１５６、１５７、１５８を閉じるように命令が与えられる。これにより、開閉弁１５６、１５７、１５８が再び閉じられ、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４のみから変成ガスを供給する状態に戻される。即ち、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量が減少し、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量に戻される。このようにしても、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量を好適に制御でき、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を好適に防止できる。
【００３９】
また、例えば図７に示すように、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対して、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４の他に、エンリッチガス増量用の第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４をそれぞれ接続する。図示の例では、各第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４は、エンリッチガスの供給源とエンリッチガス供給路８２、８３、８４のエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４より下流側との間に設けられたバイパス回路になっている。各第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４には、それぞれ開閉弁１６６、１６７、１６８が介設されている。各開閉弁１６６、１６７、１６８の開閉動作は、第二の調節器１００’の出力信号によって調節される。この第二の調節器１００’は、ＰＩＤ調節を行っている際は、各開閉弁１６６、１６７、１６８を閉じ、ＰＩＤ調節を停止させている際は、各開閉弁１６６、１６７、１６８を開く操作を行う。かかる構成において、搬出口４１を開く前の通常状態では、各開閉弁１６６、１６７、１６８は閉じられており、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４からはエンリッチガスが供給されず、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からそれぞれエンリッチガスがＰＩＤ調節に基づき調節されながら供給されている。そして、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、シーケンサ１４０から第二の調節器１００’に対して、ＰＩＤ調節を停止させる命令と共に、各開閉弁１６６、１６７、１６８を開く命令が与えられる。これにより、開閉弁１６６、１６７、１６８が開かれ、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４から浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にそれぞれ一定流量のエンリッチガスが供給される。即ち、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からの供給流量は、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量のままに維持され、この第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンリッチガスに加えて、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４からの一定流量のエンリッチガスが供給される状態となり、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量が増加させられる。そして、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力になったら、シーケンサ１４０から第二の調節器１００’に対して、ＰＩＤ調節を再開させる命令と共に、開閉弁１６６、１６７、１６８を閉じるように命令が与えられる。これにより、開閉弁１６６、１６７、１６８が再び閉じられる。即ち、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量が減少されると共に、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４のみからエンリッチガスがＰＩＤ調節に基づき調節されながら供給される状態に戻される。このようにしても、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量を好適に制御でき、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を好適に防止できる。
【００４０】
以上の実施形態では、ＰＩＤ制御系１２２、１２３、１２４によってＰＩＤ制御が行われることとしたが、その他のフィードバック制御によってＣＰを制御することとしても良い。例えば、調節器１００はＰＩ（比例・積分）調節計の機能を有することとし、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各ＣＰは、酸素センサ１１２、１１３又は１１４、調節器１００、エンリッチガス流量調整弁９２、９３又は９４によって構成されたフィードバック制御系としてのＰＩ制御系によってそれぞれ制御されることとしても良い。
【実施例】
【００４１】
本発明者らは、本発明の効果を確認するため、以下のような実験１、比較実験１、比較実験２を行った。実験１、比較実験１、比較実験２においては、いずれもバッチ式の熱処理炉を使用し、炉内に被処理体を装入して、本実施の形態に示したような連続式熱処理炉における浸炭室、拡散室及び焼入室にそれぞれ類似した雰囲気を順に実現して被処理体を処理した。そして、処理後の被処理体の表面付近における炭素濃度分布を測定した。なお、ダミーの被処理体として、ＳＳ４００丸棒を使用した。
【００４２】
（実験１）
熱処理炉３の浸炭室１２に類似した雰囲気として、炉温の目標値を９５０℃、ＣＰ（起電力値法（酸素センサ法）による測定値、以下同様）の目標値を１．１％とした雰囲気を、約６０分間維持した（図８参照、処理Ａ１）。続いて、拡散室１３に類似した雰囲気として、炉温の目標値を９５０℃、ＣＰの目標値を０．８％とした雰囲気を、約４５分間維持した（処理Ａ２）。続いて、焼入室１４に類似した雰囲気として、炉温の目標値を８５０℃、ＣＰの目標値を０．７５％とした雰囲気を、約３０分間維持した（処理Ａ３）。なお、変成ガス中のＣＯ２の濃度は、０．２０％とした。
【００４３】
（比較実験１）
比較実験１では、炉温とＣＰの目標値の変動を上記実験１と同様に設定し、さらに、図９に示したように、ＣＰを間欠的に減少、復帰させる操作を行った。即ち、従来の連続式熱処理炉における処理のように、被処理体を搬入出するために開口を開閉する度にＣＰが減少する現象を再現した。ＣＰの減少は、処理Ａ１においては３回所定時間ごとに行い、処理Ａ２においては２回所定時間ごとに行い、処理Ａ３においては２回所定時間ごとに行った。なお、ＣＰの減少を開始させてから元のＣＰに戻すまでの間の時間は、それぞれ７分間程度とした。また、ＣＰの減少は、エンリッチガスの供給停止、及び、酸素の導入により実現させた。変成ガス中のＣＯ２の濃度は、実験１と同様に０．２０％とした。
【００４４】
（比較実験２）
比較実験２では、上記比較実験１における処理Ａ１のＣＰ目標値を０．９％とした（図１０参照、処理Ａ１’）。また、変成ガス中のＣＯ２の濃度は、０．４０％とした。その他の条件は、比較実験１と同様である。
【００４５】
（実験結果及び考察）
図１１は、実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。図１２は、比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。図１３は、比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。なお、炉内のＣＰは、酸素センサの検出値に基づき算出した。炉内に存在するＣＨ４（メタン）の影響等のため、図１１、図１２、図１３におけるＣＰ測定値は、実際の炉内のＣＰ値よりも高い値となっている。図１４は、実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体における、それぞれの炭素濃度分布の測定値（平均値）を示している。図１４から明らかなように、実験１の処理を施した被処理体では、比較実験１の処理を施した被処理体、及び、比較実験２の処理を施した被処理体と比較して、高い炭素濃度が得られた。また、ＥＣＤ（被処理体の表面から炭素濃度が約０．４％である位置までの浸炭深さ）の平均値は、実験１の処理を施した被処理体では０．５４ｍｍ、比較実験１の処理を施した被処理体では０．４９ｍｍであり、０．０５ｍｍもの差が生じた（図１５参照）。上記のことより、処理中のＣＰの減少を防ぐことで、ＥＣＤを改善でき、浸炭処理を効果的に行えることが検証できた。なお、実際の連続式浸炭処理では、ＣＰの減少が起こる頻度、即ち被処理体を搬入出するために開口を開閉する頻度が比較実験１、２より多い場合もあり、そのような場合では、処理中のＣＰの減少を防ぐことにより得られる効果は、さらに大きくなると考えられ、処理時間の短縮等を図ることが可能であると推察される。また、比較実験１と比較実験２の結果より、浸炭時（処理Ａ１、Ａ１’）におけるＣＰの目標値を０．９％から１．１％に上昇させることでも、炭素濃度分布が改善され、ＥＣＤを０．１２ｍｍほど高めることが可能であることがわかった。これより、浸炭時におけるＣＰを高くすることが、処理効率の向上に有効であることが検証できた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、浸炭処理装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 浸炭処理装置
２ 被処理体
３ 熱処理室
１０ 脱脂室
１１ 予熱室
１２ 浸炭室
１３ 拡散室
１４ 焼入室
１６ 油槽室
２１ 搬入口
６１、６２、６３、６４ 変成ガス供給路
７１、７２、７３、７４ 変成ガス流量調整弁
８２、８３、８４ エンリッチガス供給路
９２、９３、９４ エンリッチガス流量調整弁
９０、１００ 調節器
１２２、１２３、１２４ ＰＩＤ制御系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の熱処理方法及び熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の熱処理では雰囲気制御が重要であり、かかる雰囲気制御は、熱処理雰囲気のＣＰ（カーボンポテンシャル）を制御することによって行われる。従来、鋼材の浸炭熱処理において、ＣＰに基づいてエンリッチガス（ＣｍＨｎガス）の供給量を制御することによりＣＰを一定の値に安定させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、比例制御、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御によってＣＰを安定させる方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平５−１５７８２号公報
【特許文献２】特開２００３−０１３１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の熱処理炉にあっては、被処理体を搬入出するときに、炉の開口を開くと、炉内に空気が侵入して、ＣＰが大きく減少する問題があった。特に、ＣＰをフィードバック制御している場合、制御応答（ＣＰ）がオーバーシュートする問題があった。さらに、制御応答が不安定になってハンチングが起こったり、目標値になるまでに時間がかかったりすることがあった。
【０００５】
本発明の目的は、炉内のＣＰを安定させることができる熱処理方法及び熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法であって、炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック制御を再開させることを特徴とする、熱処理方法が提供される。かかる熱処理方法によれば、開口の開閉の影響により炉内に空気が侵入しても、炉内のＣＰが減少したり乱れたりすることを防止できる。
【０００７】
この熱処理方法にあっては、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻すようにしても良い。さらに、前記フィードバック制御を停止させた際、前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させるようにしても良い。そうすれば、ＣＰの減少をさらに効果的に抑制できる。
【０００８】
また、前記開口は、被処理体を炉から搬出するための搬出口であって、記炉の搬出口の外側に設けた油槽室の出口を閉じた状態で、前記炉の搬出口を開き、被処理体を前記油槽室に搬入し、前記炉の搬出口を閉じた後、前記油槽室の出口を開いて被処理体を前記油槽室から搬出することとしても良い。
【０００９】
また、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、前記変成ガスの供給路に設けられた変成ガス流量調整弁の開度を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、前記第二の調節器を備え前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記変成ガス流量調整弁の開度を大きくし、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガス流量調整弁の開度を小さくし、前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、前記変成ガスを炉内に供給する第一の変成ガス供給路及び第二の変成ガス供給路を備え、前記第二の変成ガス供給路に設けられた開閉弁の開閉を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、前記第二の調節器を備え前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記開閉弁を開き、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記開閉弁を閉じ、前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置が提供される。
【００１１】
この熱処理装置にあっては、前記第二の調節器は、フィードバック調節を停止させる際、前記エンリッチガス流量調整弁の開度を大きくする操作を行う構成としても良い。また、前記エンリッチガスを炉内に供給する第二のエンリッチガス供給路を備え、前記第二の調節器は、フィードバック調節を行っている際、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を閉じ、フィードバック調節を停止させている際は、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を開くように操作する構成としても良い。
【００１２】
前記開口は、被処理体を炉内から搬出するための搬出口であって、前記炉の搬出口の外側に、油槽室を設けたこととしても良い。また、炉内に設けられた浸炭室と拡散室との間に、被処理体を通過させる通過口を設け、前記通過口を閉じるシャッターを設けても良い。そうすれば、浸炭室と拡散室の雰囲気をさらに安定させることができる。
【００１３】
すなわち本発明は、炉の開口部を開閉する際に生じるＣＰの乱れを防止するためのものであり、開口部の開閉に合わせて、変成ガスの供給流量、又は、変成ガスの供給流量とエンリッチガスの供給流量とを共に増加させることにより、従来、開口部の開閉によって炉内が負圧になり空気などを吸い込んでＣＰが低下していた現象を防止するものである。ＣＰを安定させることにより、例えば浸炭などの熱処理の効率を向上させるものである。さらには、浸炭処理の場合などでは、浸炭室と拡散室の間にシャッターを設けることにより、浸炭室を高ＣＰに保ちながら、拡散室のＣＰを適切に保持させることによっても、効率の良い浸炭処理を行うことができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炉の開口を開くときに変成ガス又はエンリッチガスの供給流量を増加させることにより、炉内に空気が侵入しても、炉内のＣＰが減少することを防止できる。炉の開口を開くときにＣＰのフィードバック制御を停止させることで、ＣＰが不安定になることを防止できる。複雑な制御の設定を行うことなく、簡単にＣＰの安定を図ることができる。炉内のＣＰを安定させることにより、浸炭処理を効果的に行うことができる。さらには、高ＣＰの雰囲気にしても、ＣＰを安定させることができ、効率の高い浸炭処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図２】熱処理炉内の圧力の変化を説明するグラフである。
【図３】浸炭室のＣＰの変化を説明するグラフである。
【図４】浸炭室へのエンリッチガスの供給流量の変化を説明するグラフである。
【図５】浸炭室への変成ガスの供給流量の変化を説明するグラフである。
【図６】別の実施形態にかかる浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図７】別の実施形態にかかる浸炭処理装置の構成を説明する概略断面図である。
【図８】実験１における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図９】比較実験１における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図１０】比較実験２における炉温の目標値及びＣＰの目標値の変動を示すグラフである。
【図１１】実験１において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１２】比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１３】比較実験２において得られた炉温とＣＰの測定値の変動を示すグラフである。
【図１４】実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体の炭素濃度分布を示すグラフである。
【図１５】実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体のＥＣＤを示した表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明にかかる熱処理方法としての浸炭処理方法を実施する熱処理装置としての浸炭処理装置１は、鋼材品である被処理体２の熱処理を行う熱処理炉３を備えている。熱処理炉３内には、搬入室としての脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４が、前方から後方（図１においては左方から右方）に向かってこの順に設けられている。熱処理炉３の後方には、油槽室１６が設けられている
【００１７】
熱処理炉３の前部には、被処理体２を熱処理炉３内の脱脂室１０に搬入するための開口としての搬入口２１が設けられており、搬入口２１を開閉する扉２２が設けられている。
【００１８】
脱脂室１０と予熱室１１の間には、被処理体２を通過させるための通過口３１が形成されており、通過口３１を塞ぐシャッター３２が備えられている。予熱室１１と浸炭室１２の間には、被処理体２を通過させるための通過口３３が形成されており、通過口３３を塞ぐシャッター３４が備えられている。浸炭室１２と拡散室１３の間には、被処理体２を通過させるための通過口３５が形成されており、通過口３５を塞ぐシャッター３６が備えられている。拡散室１３と焼入室１４の間には、被処理体２を通過させるための通過口３７が形成されており、通過口３７を塞ぐシャッター３８が備えられている。脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４において被処理体２を処理するときは、通過口３１、３３、３５、３７はシャッター３２、３４、３６、３８によってそれぞれ閉じられるようになっている。なお、シャッター３２、３４、３６、３８によって通過口３１、３３、３５、３７を塞いだときも、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の雰囲気は、通過口３１、３３、３５、３７と各シャッター３２、３４、３６、３８の間の隙間を介して互いに連通している。
【００１９】
熱処理炉３の後部には、被処理体２を熱処理炉３から搬出して油槽室１６に搬入するための開口としての搬出口４１が形成され、搬出口４１を開閉する扉４２が設けられている。前述した油槽室１６は、搬出口４２の外側に設けられており、搬出口４１を介して熱処理炉３と連通するようになっている。扉４２には、孔４２ａが設けられている。
【００２０】
熱処理炉３内の下部には、被処理体２を搬入口２１から搬出口４１側に向かって搬送するローラコンベア５０が設けられている。被処理体２は、ローラコンベア５０によって通過口３１、３３、３５、３７を順に通過するように搬送され、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に順に搬入、搬出されるようになっている。なお、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、複数の被処理体２をローラコンベア５０の搬送方向に並べて搬入することができる。
【００２１】
予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、変成ガス（ＲＸガス）を供給する変成ガス供給路６１、６２、６３、６４がそれぞれ接続されている。変成ガスは主にＣＯ（一酸化炭素）ガス、Ｈ２（水素）ガス、Ｎ２（窒素）ガスからなり、ＣＯ２（二酸化炭素）、Ｈ２Ｏ（水）を微量に含んでいる。変成ガス供給路６１、６２、６３、６４には、変成ガス流量調整弁７１、７２、７３、７４がそれぞれ介設されている。変成ガス流量調整弁７１、７２、７３、７４の開度は、第一の調節器９０の出力信号によって調節される。
【００２２】
また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、エンリッチガス（ＣｍＨｎガス）として例えば都市ガスなどを供給するエンリッチガス供給路８２、８３、８４がそれぞれ接続されている。エンリッチガス供給路８２、８３、８４には、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４がそれぞれ介設されている。エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度は、第二の調節器１００の出力信号によって調節される。
【００２３】
さらに、焼入室１４には、空気を供給する空気供給路１０４が接続されている。空気供給路１０４には、空気流量調整弁１０５が介設されている。脱脂室１０の上部には、排気を行うエキセス１０６が備えられている。脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の上部には、各室内の雰囲気を攪拌するファン１１０がそれぞれ備えられており、さらに、図示はしないが、各室内の雰囲気を加熱するヒータがそれぞれ設けられている。また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４には、各室内のＣＰを測定するための酸素（Ｏ２）センサ１１２、１１３、１１４がそれぞれ設けられている。各酸素センサ１１２、１１３、１１４の検出値は、第二の調節器１００に送信されるようになっている。
【００２４】
調節器１００は、酸素センサ１１２、１１３、１１４の検出値に基づいて、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各ＣＰを計算する機能を有し、また、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の各ＣＰに基づいてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の各開度をそれぞれ調節するＰＩＤ（比例・積分・微分）調節計の機能を有する。即ち、調節器１００は、計算により求めた浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の各ＣＰをそれぞれの目標値と比較し、各ＣＰがそれぞれ目標値になるように、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の各操作量を求め、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４に対して操作信号を送信する。そして、調節器１００の操作信号に応じてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度がそれぞれ調節され、これにより、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からの変成ガス供給流量がそれぞれ調節される。即ち、酸素センサ１１２、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９２を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２２と、酸素センサ１１３、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９３を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２３と、酸素センサ１１４、調節器１００及びエンリッチガス流量調整弁９４を備えたフィードバック制御系としてのＰＩＤ制御系１２４とが構成されている。浸炭室１２におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２２によって制御され、拡散室１３におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２３によって制御され、焼入室１４におけるＣＰはＰＩＤ制御系１２４によって制御される。
【００２５】
油槽室１６の下部には、油槽１３０が備えられている。また、被処理体２を油槽室１６内から搬出するための出口１３１が形成されており、出口１３１を開閉する扉１３２が設けられている。また、油槽室１６の上部には、排気を行うエキセス１３３、油槽室１６に変成ガスを供給する変成ガス供給路１３４が取り付けられている。
【００２６】
なお、熱処理炉３内の雰囲気は、エキセス１０６から排気され、また、扉４２の孔４２ａを介して油槽室１６に流入して、エキセス１３３から排気されるようになっている。また、前述のように、通過口３１、３３、３５、３７がシャッター３２、３４、３６、３８によってそれぞれ閉じられるときも、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の雰囲気は互いに連通しており、被処理体２の熱処理中、熱処理炉３内の雰囲気は、おおむね拡散室１３から浸炭室１２、予熱室１１、脱脂室１０へ順に流れ、エキセス１０６から排気されるようになっている。また、拡散室１３から焼入室１４にも流れ、扉４２の孔４２ａを介して油槽室１６に流入して、エキセス１３３から排気されるようになっている。こうすることで、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４内の雰囲気が好適に調整される。特に、拡散室１３と浸炭室１２の間にシャッター３６が設けられていると、拡散室１３から浸炭室１２に雰囲気が流入することを防止でき、これにより、拡散室１３のＣＰが上昇することを防止できる。また、熱処理炉３内の炉圧は、エキセス１０６、１３３の開度を調節することにより制御することができる。
【００２７】
また、浸炭処理装置１には、浸炭処理装置１における工程を制御するシーケンサ１４０が備えられている。前述した調節器９０、１００は、シーケンサ１４０にネットワーク等を介して接続されている。
【００２８】
次に、以上のように構成された浸炭処理装置１を用いた被処理体２の浸炭処理工程について説明する。先ず、熱処理炉３の搬入口２１を開いて、被処理体２を脱脂室１０に搬入し、搬入口２１を閉じ、脱脂処理を行う。脱脂室１０において、被処理体２は約８０℃程度まで昇温される。次に、通過口３１を開いて、被処理体２を脱脂室１０から予熱室１１に移動させ、通過口３１を閉じる。予熱室１１においては、被処理体２は約９４０℃程度まで昇温される。予熱後、通過口３３を開いて、被処理体２を予熱室１１から浸炭室１２に移動させ、通過口３３を閉じる。浸炭室１２において、被処理体２は約９５０℃程度に加熱され、所定時間、浸炭処理が行われる。浸炭室１２内のＣＰは、ＰＩＤ制御により比較的高い値、例えば約１．１％程度に維持される。浸炭処理後、通過口３５を開いて、被処理体２を浸炭室１２から拡散室１３に移動させ、通過口３５を閉じる。拡散室１３においては、被処理体２は約９５０℃程度に加熱され、所定時間、拡散処理が行われる。拡散室１３のＣＰは、ＰＩＤ制御により約０．８％程度に維持される。拡散後、通過口３７を開いて、被処理体２を拡散室１３から焼入室１４に移動させ、通過口３７を閉じる。焼入室１４においては、被処理体２は約８５０℃程度に降温され、所定時間、焼入れが行われる。焼入室１４のＣＰは、ＰＩＤ制御により約０．７％程度に維持される。焼入後、熱処理炉３の搬出口４１を開いて、被処理体２を油槽室１６に搬入し、搬出口４１を閉じる。そして、油槽室１６において、被処理体２を油槽１３０に浸漬させて油焼き入れを行い、油槽１３０から引き上げた後、出口１３１を開いて搬出させる。以上のようにして、浸炭処理装置１における一連の処理が終了する。
【００２９】
ところで、熱処理炉３の搬出口４１を開閉する間に、搬入口２１と油槽室１６の出口１３１がそれぞれ閉じられている場合、ＣＰ値のＰＩＤ制御をそのまま継続すると、ＣＰ値の制御が非効率的になる問題がある。図２は、搬入口２１及び出口１３１を閉じた状態で搬出口４１を開いたときの、熱処理炉３内の圧力の変化を示している。図３及び図４は、そのときの浸炭室１２におけるＣＰの変化、エンリッチガス供給路８２からのエンリッチガスの供給流量の変化をそれぞれ示している。搬入口２１及び油槽室１６の出口１３１が閉じられた状態で、熱処理炉３の搬出口４１が開きはじめると（図２においてＳ１）、油槽室１６内の低温の雰囲気が熱処理炉３内からの輻射熱によって加熱されて急激に膨張し、図２に示すように、熱処理炉３内の圧力が上昇する。その後、搬出口４１が閉まりはじめると（図２においてＳ２）、熱処理炉３内の圧力が急激に下降する。搬出口４１が閉じられると（図２においてＳ３）、熱処理炉３内の圧力が下降し続けた後、熱処理炉３の外部から空気が吸い込まれる。そのため、図３において一点鎖線で示すように、浸炭室１２内のＣＰが急激に下降する。このようにＣＰが急激に減少するときに、ＰＩＤ制御系１２２のＰＩＤ制御をそのまま継続すると、図４において一点鎖線で示すように、エンリッチガス供給路８２からのエンリッチガス供給流量を急激に増加させるように制御され、図３において一点鎖線で示すように、浸炭室１２のＣＰがオーバーシュートする。そして、ＣＰが不安定になってハンチングが起こったり、目標値になるまでに時間がかかったりするなどの問題が生じて、制御が良好に行われなくなる。そこで、本実施の形態では、搬出口４１を開閉する際にＰＩＤ制御系１２２のＰＩＤ制御を停止させ、ＣＰが不安定になることを防止する。このようにすると、図３において二点鎖線で示すように、浸炭室１２のＣＰが減少しても、ＣＰを安定的に目標値に近づけることができる。さらに、本実施の形態では、ＰＩＤ制御を停止させるとともに、変成ガス供給路６２からの変成ガス供給流量及びエンリッチガス供給路８２からのエンリッチガス供給流量を増加させることで、浸炭室１２内の圧力が減少すること、及び、浸炭室１２内のＣＰが減少することを防止している。同様の理由により、拡散室１３、焼入室１４においても、搬出口４１を開閉する際にＰＩＤ制御系１２３、１２４のＰＩＤ制御を停止させ、さらに、変成ガス供給路６３、６４からの変成ガス供給流量及びエンリッチガス供給路８３、８４からのエンリッチガス供給流量を増加させるようにしている。
【００３０】
具体的に説明すると、先ず、搬出口４１を開く前においては、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンリッチガス供給流量は、ＰＩＤ制御系１２２、１２３、１２４によってそれぞれ調節されており、変成ガス供給路６２、６３、６４からの変成ガス供給流量は、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度が一定に維持されていることにより、図５に示すように、それぞれ一定の流量に維持されている。そして、搬出口４１を開く直前に、シーケンサ１４０から調節器１００に対して、ＰＩＤ調節を停止させてエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度を大きくさせる命令が与えられ、図４において実線で示すように、エンリッチガス供給路８２、８３、８４からの供給流量が所定の値に増加させられる。また、シーケンサ１４０から調節器９０に対して、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度を大きくさせる命令が与えられ、図５に示すように、変成ガス供給路６２、６３、６４からの供給流量がそれぞれ所定の値に増加させられる。こうしてＰＩＤ制御を停止させエンリッチガス及び変成ガスの供給流量をＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量より増加させてから所定時間Ｔ１後に、シーケンサ１４０から図示しない扉４２の開閉駆動機構に、搬出口４１を開く命令が与えられる。その後、ＰＩＤ制御を停止させてから所定時間Ｔ２後に、シーケンサ１４０から調節器１００に対してＰＩＤ調節を再開させる命令が与えられる。これにより、エンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度が、ＰＩＤ制御を停止させる前の状態に近づき、図４において実線で示すように、各エンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンチッチガスの供給流量が減少し、ＰＩＤ制御を停止させる前の状態に近づく。また、シーケンサ１４０から調節器９０に対して、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度を小さくさせる命令が与えられ、図５に示すように、変成ガス供給路６２、６３、６４からの供給流量がそれぞれＰＩＤ制御を停止させる前の状態に戻る。以上の方法により、図３において実線で示すように、ＣＰをほぼ一定に維持することができる。
【００３１】
なお、所定時間Ｔ２は、予め実験に基づき十分な時間が確保されるように決定すれば良い。例えば、ＰＩＤ制御を停止させエンリッチガス及び変成ガスの供給流量を増加させてから所定時間Ｔ１後に、搬出口４１を開口させ、被処理物２を搬出させ、搬出口４１を閉じ、その後、熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力、例えば搬出口４１を開く前の炉圧に近づくまでの平均的な時間を調べ、その所要時間を所定時間Ｔ２としても良い。即ち、搬出口４１を閉じた後において炉圧が所定の圧力、例えば搬出口４１を開く前の炉圧に戻ったら、ＰＩＤ調節が再開され、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度が戻されるように設定すれば良い。これにより、炉圧が十分に上昇して空気の吸い込みが無くなってから、ＰＩＤ制御を再開させ、また、変成ガスの供給流量を戻すことができる。ＰＩＤ調節を再開させても、ＣＰが不安定になることを防止でき、また、炉内に空気が吸い込まれる間中、変成ガスの供給流量を増量させることで、ＣＰが減少することを確実に防止できる。
【００３２】
かかる浸炭処理装置１によれば、熱処理炉３の搬出口４１を開くときに変成ガス及びエンリッチガスの供給流量を増加させることにより、熱処理炉３内の炉圧が低下することを防止でき、さらに、熱処理炉３内に空気が侵入すること、熱処理炉３内のＣＰが減少することを防止できる。熱処理炉３の搬出口４１を開くときにＣＰのフィードバック制御を停止させることで、ＣＰが不安定になることを防止できる。複雑な制御の設定を行うことなく、簡単にＣＰの安定を図ることができる。熱処理炉３内のＣＰを安定させることにより、浸炭処理を効果的に行うことができる。例えば、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３又は焼入室１４において被処理体２を処理しているときに、搬出口４１を開いて他の被処理体２を焼入室１４から油槽室１６に移動させる際に、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４の各ＣＰが変動することを抑制できる。従って、脱脂室１０、予熱室１１、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各処理を良好に行うことができ、さらには、処理効果の信頼性の向上、処理時間の短縮を図ることができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３４】
以上の実施形態では、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を同時に増加させ、同じ所定時間Ｔ２の後、減少させる方法を説明したが、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を増加又は減少させるタイミングは、かかるものに限定されない。例えば、エンリッチガス供給流量を増加させる時間Ｔ３を、変成ガス供給流量を増加させる時間Ｔ２より短くしても良い。変成ガスの供給流量の増加開始時刻とエンリッチガスの供給流量の増加開始時刻は互いに異なっていても良い。
【００３５】
また、以上の実施形態では、ＰＩＤ制御の停止や、変成ガスの供給流量の増加開始、エンリッチガスの供給流量の増加開始といった操作を、搬出口４１を開く直前に行うようにしたが、これらの操作は、搬出口４１を開く前ではなく、搬出口４１を開いた後に行っても良い。即ち、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前までにこれらの操作を行えば、ＣＰの減少や乱れを防ぐことが可能である。例えば、搬出口４１を開いている間に上記の操作を行っても良い。また、搬出口４１を閉じてから熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始めるまでの平均的な時間を予め調べておき、その時間が経過する前に、上記の操作を行うようにしても良い。また、搬出口４１を閉じてから熱処理炉３内の炉圧が所定の値まで下がる前に、上記の操作を行うようにしても良い。
【００３６】
また、以上の実施形態では、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を共に増加させるようにしたが、エンリッチガスの供給流量は、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量のまま増加させず、変成ガスの供給流量のみを増加させるようにしても良い。即ち、ＰＩＤ制御の停止と、変成ガスの供給流量の増加のみでも、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を十分に防止することが可能である。
【００３７】
以上の実施形態では、変成ガス流量調整弁７２、７３、７４の開度とエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４の開度をそれぞれ調節することにより、変成ガスとエンリッチガスの供給流量を調節したが、例えば、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に変成ガスを供給する第二の変成ガス供給路をそれぞれ備え、搬出口４１を開くときのみ第二の変成ガス供給路から変成ガスを供給することにより、変成ガス供給流量を増加させるようにしても良い。同様に、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にエンリッチガスを供給する第二のエンリッチガス供給路をそれぞれ備え、搬出口４１を開くときのみ第二のエンリッチ供給路からエンリッチガスを供給することにより、エンリッチガス供給流量を増加させるようにしても良い。
【００３８】
例えば図６に示すように、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対して、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４の他に、変成ガス増量用の第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４をそれぞれ接続する。図示の例では、各第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４は、変成ガスの供給源と変成ガス供給路６２、６３、６４の変成ガス流量調整弁７２、７３、７４より下流側との間に設けられたバイパス回路になっている。各第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４には、それぞれ開閉弁１５６、１５７、１５８を介設する。各開閉弁１５６、１５７、１５８の開閉動作は、第一の調節器９０’の出力信号によって調節されるようにする。この第一の調節器９０’は、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに開閉弁１５６、１５７、１５８を開き、搬出口４１を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、開閉弁１５６、１５７、１５８を閉じる操作を行う。かかる構成において、搬出口４１を開く前の通常状態では、各開閉弁１５６、１５７、１５８は閉じられており、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４からは変成ガスが供給されず、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４からそれぞれ一定流量の変成ガスが供給されている。そして、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、シーケンサ１４０から第一の調節器９０’に対して、各開閉弁１５６、１５７、１５８を開く命令が与えられる。これにより、開閉弁１５６、１５７、１５８が開かれ、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４から浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にそれぞれ一定流量の変成ガスが供給される。即ち、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４からの一定流量の変成ガスに加えて、第二の変成ガス供給路１５２、１５３、１５４からの一定流量の変成ガスが供給される状態となり、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量が増加させられる。そして、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力になったら、シーケンサ１４０から第一の調節器９０’に対して、開閉弁１５６、１５７、１５８を閉じるように命令が与えられる。これにより、開閉弁１５６、１５７、１５８が再び閉じられ、第一の変成ガス供給路６２、６３、６４のみから変成ガスを供給する状態に戻される。即ち、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量が減少し、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量に戻される。このようにしても、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対する変成ガスの供給流量を好適に制御でき、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を好適に防止できる。
【００３９】
また、例えば図７に示すように、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対して、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４の他に、エンリッチガス増量用の第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４をそれぞれ接続する。図示の例では、各第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４は、エンリッチガスの供給源とエンリッチガス供給路８２、８３、８４のエンリッチガス流量調整弁９２、９３、９４より下流側との間に設けられたバイパス回路になっている。各第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４には、それぞれ開閉弁１６６、１６７、１６８が介設されている。各開閉弁１６６、１６７、１６８の開閉動作は、第二の調節器１００’の出力信号によって調節される。この第二の調節器１００’は、ＰＩＤ調節を行っている際は、各開閉弁１６６、１６７、１６８を閉じ、ＰＩＤ調節を停止させている際は、各開閉弁１６６、１６７、１６８を開く操作を行う。かかる構成において、搬出口４１を開く前の通常状態では、各開閉弁１６６、１６７、１６８は閉じられており、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４からはエンリッチガスが供給されず、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からそれぞれエンリッチガスがＰＩＤ調節に基づき調節されながら供給されている。そして、搬出口４１を開く直前、搬出口４１を開いている間、又は、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、シーケンサ１４０から第二の調節器１００’に対して、ＰＩＤ調節を停止させる命令と共に、各開閉弁１６６、１６７、１６８を開く命令が与えられる。これにより、開閉弁１６６、１６７、１６８が開かれ、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４から浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４にそれぞれ一定流量のエンリッチガスが供給される。即ち、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からの供給流量は、ＰＩＤ制御を停止させる直前における供給流量のままに維持され、この第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４からのエンリッチガスに加えて、第二のエンリッチガス供給路１６２、１６３、１６４からの一定流量のエンリッチガスが供給される状態となり、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量が増加させられる。そして、搬出口４１を閉じた後において熱処理炉３内の炉圧が所定の圧力になったら、シーケンサ１４０から第二の調節器１００’に対して、ＰＩＤ調節を再開させる命令と共に、開閉弁１６６、１６７、１６８を閉じるように命令が与えられる。これにより、開閉弁１６６、１６７、１６８が再び閉じられる。即ち、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量が減少されると共に、第一のエンリッチガス供給路８２、８３、８４のみからエンリッチガスがＰＩＤ調節に基づき調節されながら供給される状態に戻される。このようにしても、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４に対するエンリッチガスの供給流量を好適に制御でき、搬出口４１の開閉に伴うＣＰの減少を好適に防止できる。
【００４０】
以上の実施形態では、ＰＩＤ制御系１２２、１２３、１２４によってＰＩＤ制御が行われることとしたが、その他のフィードバック制御によってＣＰを制御することとしても良い。例えば、調節器１００はＰＩ（比例・積分）調節計の機能を有することとし、浸炭室１２、拡散室１３、焼入室１４における各ＣＰは、酸素センサ１１２、１１３又は１１４、調節器１００、エンリッチガス流量調整弁９２、９３又は９４によって構成されたフィードバック制御系としてのＰＩ制御系によってそれぞれ制御されることとしても良い。
【実施例】
【００４１】
本発明者らは、本発明の効果を確認するため、以下のような実験１、比較実験１、比較実験２を行った。実験１、比較実験１、比較実験２においては、いずれもバッチ式の熱処理炉を使用し、炉内に被処理体を装入して、本実施の形態に示したような連続式熱処理炉における浸炭室、拡散室及び焼入室にそれぞれ類似した雰囲気を順に実現して被処理体を処理した。そして、処理後の被処理体の表面付近における炭素濃度分布を測定した。なお、ダミーの被処理体として、ＳＳ４００丸棒を使用した。
【００４２】
（実験１）
熱処理炉３の浸炭室１２に類似した雰囲気として、炉温の目標値を９５０℃、ＣＰ（起電力値法（酸素センサ法）による測定値、以下同様）の目標値を１．１％とした雰囲気を、約６０分間維持した（図８参照、処理Ａ１）。続いて、拡散室１３に類似した雰囲気として、炉温の目標値を９５０℃、ＣＰの目標値を０．８％とした雰囲気を、約４５分間維持した（処理Ａ２）。続いて、焼入室１４に類似した雰囲気として、炉温の目標値を８５０℃、ＣＰの目標値を０．７５％とした雰囲気を、約３０分間維持した（処理Ａ３）。なお、変成ガス中のＣＯ２の濃度は、０．２０％とした。
【００４３】
（比較実験１）
比較実験１では、炉温とＣＰの目標値の変動を上記実験１と同様に設定し、さらに、図９に示したように、ＣＰを間欠的に減少、復帰させる操作を行った。即ち、従来の連続式熱処理炉における処理のように、被処理体を搬入出するために開口を開閉する度にＣＰが減少する現象を再現した。ＣＰの減少は、処理Ａ１においては３回所定時間ごとに行い、処理Ａ２においては２回所定時間ごとに行い、処理Ａ３においては２回所定時間ごとに行った。なお、ＣＰの減少を開始させてから元のＣＰに戻すまでの間の時間は、それぞれ７分間程度とした。また、ＣＰの減少は、エンリッチガスの供給停止、及び、酸素の導入により実現させた。変成ガス中のＣＯ２の濃度は、実験１と同様に０．２０％とした。
【００４４】
（比較実験２）
比較実験２では、上記比較実験１における処理Ａ１のＣＰ目標値を０．９％とした（図１０参照、処理Ａ１’）。また、変成ガス中のＣＯ２の濃度は、０．４０％とした。その他の条件は、比較実験１と同様である。
【００４５】
（実験結果及び考察）
図１１は、実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。図１２は、比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。図１３は、比較実験１において得られた炉温とＣＰの測定値をグラフ化したものである。なお、炉内のＣＰは、酸素センサの検出値に基づき算出した。炉内に存在するＣＨ４（メタン）の影響等のため、図１１、図１２、図１３におけるＣＰ測定値は、実際の炉内のＣＰ値よりも高い値となっている。図１４は、実験１による処理を施した被処理体、比較実験１による処理を施した被処理体、及び、比較実験２による処理を施した被処理体における、それぞれの炭素濃度分布の測定値（平均値）を示している。図１４から明らかなように、実験１の処理を施した被処理体では、比較実験１の処理を施した被処理体、及び、比較実験２の処理を施した被処理体と比較して、高い炭素濃度が得られた。また、ＥＣＤ（被処理体の表面から炭素濃度が約０．４％である位置までの浸炭深さ）の平均値は、実験１の処理を施した被処理体では０．５４ｍｍ、比較実験１の処理を施した被処理体では０．４９ｍｍであり、０．０５ｍｍもの差が生じた（図１５参照）。上記のことより、処理中のＣＰの減少を防ぐことで、ＥＣＤを改善でき、浸炭処理を効果的に行えることが検証できた。なお、実際の連続式浸炭処理では、ＣＰの減少が起こる頻度、即ち被処理体を搬入出するために開口を開閉する頻度が比較実験１、２より多い場合もあり、そのような場合では、処理中のＣＰの減少を防ぐことにより得られる効果は、さらに大きくなると考えられ、処理時間の短縮等を図ることが可能であると推察される。また、比較実験１と比較実験２の結果より、浸炭時（処理Ａ１、Ａ１’）におけるＣＰの目標値を０．９％から１．１％に上昇させることでも、炭素濃度分布が改善され、ＥＣＤを０．１２ｍｍほど高めることが可能であることがわかった。これより、浸炭時におけるＣＰを高くすることが、処理効率の向上に有効であることが検証できた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、浸炭処理装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 浸炭処理装置
２ 被処理体
３ 熱処理室
１０ 脱脂室
１１ 予熱室
１２ 浸炭室
１３ 拡散室
１４ 焼入室
１６ 油槽室
２１ 搬入口
６１、６２、６３、６４ 変成ガス供給路
７１、７２、７３、７４ 変成ガス流量調整弁
８２、８３、８４ エンリッチガス供給路
９２、９３、９４ エンリッチガス流量調整弁
９０、１００ 調節器
１２２、１２３、１２４ ＰＩＤ制御系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法であって、
炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、
炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させ、
前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック制御を再開させることを特徴とする、熱処理方法。
【請求項２】
前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻すことを特徴とする、請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
前記フィードバック制御を停止させた際、前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記開口は、被処理体を炉から搬出するための搬出口であって、
前記炉の搬出口の外側に設けた油槽室の出口を閉じた状態で、前記炉の搬出口を開き、被処理体を前記油槽室に搬入し、
前記炉の搬出口を閉じた後、前記油槽室の出口を開いて被処理体を前記油槽室から搬出することを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の熱処理方法。
【請求項５】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、
前記変成ガスの供給路に設けられた変成ガス流量調整弁の開度を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、
前記第二の調節器を備え、前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、
前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記変成ガス流量調整弁の開度を大きくし、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガス流量調整弁の開度を小さくし、
前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置。
【請求項６】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、
前記変成ガスを炉内に供給する第一の変成ガス供給路及び第二の変成ガス供給路を備え、
前記第二の変成ガス供給路に設けられた開閉弁の開閉を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、
前記第二の調節器を備え、前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、
前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記開閉弁を開き、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記開閉弁を閉じ、
前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置。
【請求項７】
前記第二の調節器は、フィードバック調節を停止させる際、前記エンリッチガス流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱処理装置。
【請求項８】
前記エンリッチガスを炉内に供給する第二のエンリッチガス供給路を備え、
前記第二の調節器は、フィードバック調節を行っている際、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を閉じ、フィードバック調節を停止させている際は、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を開くことを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱処理装置。
【請求項９】
前記開口は、被処理体を炉内から搬出するための搬出口であって、
前記炉の搬出口の外側に、油槽室を設けたことを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項１０】
炉内に設けられた浸炭室と拡散室との間に、被処理体を通過させる通過口を設け、
前記通過口を閉じるシャッターを設けたことを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項１】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理方法であって、
炉内のカーボンポテンシャルに基づいて前記エンリッチガスの供給流量を操作することにより、カーボンポテンシャルをフィードバック制御し、
炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記フィードバック制御を停止させ、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させ、
前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック制御を再開させることを特徴とする、熱処理方法。
【請求項２】
前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量に戻すことを特徴とする、請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
前記フィードバック制御を停止させた際、前記エンリッチガスの供給流量を、前記フィードバック制御を停止させる直前における供給流量より増加させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記開口は、被処理体を炉から搬出するための搬出口であって、
前記炉の搬出口の外側に設けた油槽室の出口を閉じた状態で、前記炉の搬出口を開き、被処理体を前記油槽室に搬入し、
前記炉の搬出口を閉じた後、前記油槽室の出口を開いて被処理体を前記油槽室から搬出することを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の熱処理方法。
【請求項５】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、
前記変成ガスの供給路に設けられた変成ガス流量調整弁の開度を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、
前記第二の調節器を備え、前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、
前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記変成ガス流量調整弁の開度を大きくし、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記変成ガス流量調整弁の開度を小さくし、
前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置。
【請求項６】
炉内に変成ガス及びエンリッチガスを供給し、前記炉内で被処理体を熱処理する熱処理装置であって、
前記変成ガスを炉内に供給する第一の変成ガス供給路及び第二の変成ガス供給路を備え、
前記第二の変成ガス供給路に設けられた開閉弁の開閉を調節する第一の調節器、及び、前記エンリッチガスの供給路に設けられたエンリッチガス流量調整弁の開度を調節する第二の調節器を備え、
前記第二の調節器を備え、前記カーボンポテンシャルをフィードバック制御するフィードバック制御系が構成され、
前記第一の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、前記開閉弁を開き、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記開閉弁を閉じ、
前記第二の調節器は、炉の開口を開く前、炉の開口を開いている間、又は、炉の開口を閉じた後において炉内に炉外の雰囲気が流入し始める前のいずれかに、フィードバック調節を停止させ、前記炉の開口を閉じた後において炉圧が所定の圧力になったら、前記フィードバック調節を再開させることを特徴とする、熱処理装置。
【請求項７】
前記第二の調節器は、フィードバック調節を停止させる際、前記エンリッチガス流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱処理装置。
【請求項８】
前記エンリッチガスを炉内に供給する第二のエンリッチガス供給路を備え、
前記第二の調節器は、フィードバック調節を行っている際、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を閉じ、フィードバック調節を停止させている際は、前記第二のエンリッチガス供給路に設けられた開閉弁を開くことを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱処理装置。
【請求項９】
前記開口は、被処理体を炉内から搬出するための搬出口であって、
前記炉の搬出口の外側に、油槽室を設けたことを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項１０】
炉内に設けられた浸炭室と拡散室との間に、被処理体を通過させる通過口を設け、
前記通過口を閉じるシャッターを設けたことを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の熱処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−４２８７８（Ｐ２０１１−４２８７８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２６１３６（Ｐ２０１０−２２６１３６）
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【分割の表示】特願２００５−１０４４０３（Ｐ２００５−１０４４０３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【分割の表示】特願２００５−１０４４０３（Ｐ２００５−１０４４０３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
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