JP7796253B2 - 少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスおよび少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのワークピース、特に基本的にストリップ形状のワークピースの誘導加熱のためのデバイスであって、少なくとも１つの炉ハウジングと、炉ハウジング内に配置された少なくとも１つのインダクタ装備であって、少なくとも部分的に炉ハウジングのインダクタ領域に配置されたインダクタ装備と、プロセスガスを受け入れるための少なくとも１つの加熱領域であって、炉ハウジング内に配置された加熱領域と、インダクタ領域と加熱領域とを特に熱分離のために分離するための分離材料とを備える、デバイスに関する。本発明は、特に前述のデバイスを用いた、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のための方法にも関する。

誘導加熱のためのデバイスは、先行技術から既知であり、例えば、連続トンネル炉または電気誘導トンネル炉と呼ばれ得る。このようなデバイスは、ワークピースを誘導的に加熱するために使用され得る。誘導加熱プロセスは、通常、加熱される材料、特に鋼材料の表面が、ワークピースに誘導される電磁場を用いて加熱されるプロセスとされる。

このようなプロセスにおいては、炉トンネルがプロセスガスで満たされ得るが、プロセスガスは炉トンネルから炉トンネルを取り囲む大気中に逃げてはならない。これは、プロセスガスが炉トンネルから逃げれば、連続トンネル炉を取り囲む空気が汚染され得るだけでなく、プロセスガスの爆発反応も起こり得るためである。

したがって、従来の連続トンネル炉は通常、基本的に気密の炉トンネルを有し、この炉トンネルが加熱セクションの上流および下流の気密接続ダクトに接続される。インダクタ装備が、ワークピースを囲むか、または少なくとも１つのワークピースの上方および／または下方に配置され得る。

しかし、このような装備の問題は、気密分離のために通常使用される材料が少なくとも一部金属で作製され、インダクタ装備が少なくとも１つのワークピースと同じように使用されたときに許容できないほど熱くなるであろうことである。

特許文献１は、気密トンネル領域を取り囲む気密バリアチャンバを有し、トンネル領域とバリアチャンバとの間に気密分離面または気密分離材料が配置される、電気誘導トンネル炉を開示する。バリアチャンバに配置されたバリアガスとトンネル領域に配置されたプロセスガスとの交換を回避するために、電気誘導トンネル炉はバリアガス調節器も有する。

しかし、このような気密分離面を提供するときには、実際には、気密材料が金属である、すなわち磁場の浸透にとって問題であるかもしくはそのような浸透が高いエネルギー損失を伴ってのみ実現され得る、または温度が重要なポリマー材料でのみ実現され得るという問題が生じる。もう一つの欠点は、バリアチャンバとトンネル領域との間に高い圧力差があるときには、分離面に大きな力が作用し、それによってその力が分離面の完全性を危うくし得ることである。加えて、接続ダクトへの気密接続は、高レベルの設計努力によってのみ達成され得る。

欧州特許第２ ５７７ ２０１（Ｂ１）号

したがって本発明は前述の先行技術に基づき、デバイスの確実で安全な動作、または方法の確実で安全な運用を構造的に簡単な様式で可能にする、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスおよび方法を提供するという技術的問題に基づく。

本発明の第１態様によれば、前述の技術的問題は、分離材料がインダクタ領域と加熱領域との間に流体接続があるように設計される点で、前述のデバイスにおいて解決される。

インダクタ領域と加熱領域との間に流体接続を提供することにより、インダクタ領域に配置された媒体と加熱領域に配置された媒体との流体交換が提供され得る。特に、それぞれの媒体は、炉ハウジング内に位置するガスまたはガス混合物である。

例えば、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスの動作を開始する前に、炉ハウジング全体を不活性ハウジングガス、例えば窒素または窒素混合物で洗浄し、それから、前述のデバイスの動作中に使用されるプロセスガスで、例えば水素または水素混合物で満たすことが有利であることが分かっている。このようにして、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスの動作中にインダクタ領域の残留空気濃度または残留酸素濃度が確実に回避されることができ、したがって少なくとも１つのインダクタ装備の確実な動作が保証される。

インダクタ領域と加熱領域との間の流体接続は、特に、ガス状媒体がインダクタ領域から加熱領域の方向に、または加熱領域からインダクタ領域の方向に圧力勾配に沿って流れ得ることを意味する。分離材料は基本的に熱的に安定であり、そのため分離材料の特性は高温でも基本的に変化しないのが好ましい。さらに、加熱領域は基本的にトンネル形状の炉チャンネルの形態であるのが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、分離材料は、インダクタ領域と加熱領域との流体接続のための少なくとも１つの貫通開口部を有する。分離材料に貫通開口部を提供することにより、インダクタ領域と加熱領域との間の流体接続が構造的に好ましい様式で提供され得る。

少なくとも１つの貫通開口部は、少なくとも１ｍｍの直径および／または少なくとも１ｍｍ^２の断面領域を有するのが好ましい。さらに、少なくとも１つの貫通開口部は基本的に円形であるのが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの貫通開口部は、インダクタ領域と加熱領域との間のガスまたはガス混合物の交換が調節され得るように、少なくとも１つのフラップによって少なくとも部分的に閉じられ得る。

本発明の好ましい実施形態は、分離材料が、インダクタ領域と加熱領域とを流体的に接続するために少なくとも部分的に透過性の材料として設計されることを特徴とする。少なくとも部分的に透過性の材料としての分離材料の設計を用いて、分離材料の基本的に全範囲にわたって、有利な基本的に均一な流体接続が提供され得る。透過性材料は、プロセスガスおよび／またはハウジングガスがインダクタ領域から加熱領域内へ、またはその逆に圧力勾配に沿って流れ得るように、特にガス透過性であるのが好ましい。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、分離材料は、織物、特に耐熱繊維で作製された織物を含む。織物を提供することにより、インダクタ領域と加熱領域との流体接続のための透過性材料を提供することが可能であるのが好ましい。耐熱繊維は炉ハウジングの内部、特に加熱領域の内部で起こる温度に適することから、織物は耐熱繊維で作製された織物であるのが有利である。耐熱繊維は、例えばケイ酸塩ガラス繊維である。

本発明のさらなる好ましい実施形態は、インダクタ領域がハウジングガスを供給するための少なくとも１つの入口を有すること、および、インダクタ領域に配置されたハウジングガスから加熱領域に配置されたプロセスガスの方向に圧力勾配があるように制御手段がインダクタ領域内へのハウジングガスの供給を調節することを特徴とする。インダクタ領域に配置されたハウジングガスは加熱領域に配置されたプロセスガスよりも高い圧力を有するため、加熱領域からのプロセスガスがインダクタ領域内に浸透できることが確実に阻止され得る。これにより、高温のプロセスガスがインダクタ領域に入ることが阻止され得る。入口は、プロセスガスを加熱領域内に満たすためにも使用され得る。例えば、プロセスガスとハウジングガスとは、基本的に同一のガスおよび／またはガス混合物とすることもできる。例えば、ハウジングガスとプロセスガスとは、それぞれの温度が異なり得、ハウジングガスの温度はプロセスガスの温度よりも低いのが好ましい。

特に、プロセスガスは、特に酸素と混合された場合に引火性の高いガスであり、特に引火性の高いガス混合物である。例えば、プロセスガスは、水素および／もしくは窒素混合物または純粋な水素であり得る。したがって、圧力勾配の提供により、プロセスガスが加熱領域からインダクタ領域内または炉環境内に流れ、酸素と混合して引火性の高いガス混合物を生じ得ることが阻止され得る。ハウジングガスは、窒素または窒素混合物などの不活性ガスであるのが好ましい。

前述の圧力勾配により、ハウジングガスが加熱領域の方向に基本的に一定に流れることも可能になる、すなわちインダクタ領域が連続的にパージされることができる。プロセスガスの温度は、ハウジングガスの温度よりも高いのが好ましい。例えば、プロセスガスはハウジングガスと同じ組成を有する。あるいは、プロセスガスはハウジングガスと異なる組成を有する。特に、プロセスガスは水素および／もしくは窒素混合物または純粋な水素であり、ハウジングガスは不活性ガス、好ましくは窒素または窒素混合物である。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、インダクタ領域は少なくとも１つの出口を有する。出口を提供することにより、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスが始動されたときに、インダクタ領域と加熱領域とを備える炉ハウジングはまず、実質的に不活性なガスを用いて、例えばハウジングガスを用いてパージされることができ、ガスは少なくとも１つの入口を通して導入され、少なくとも１つの出口を通して排出される。これにより、オーブンの内部から周囲空気が確実にパージされることができる。少なくとも１つの出口は、少なくとも１つのワークピースの誘導加熱のためのデバイスの動作中に閉じられるのが好ましい。

本発明のさらなる好ましい実施形態は、デバイスが、インダクタ領域内および／もしくは加熱領域内の圧力ならびに／またはインダクタ領域と加熱領域との間の差圧を測定するための少なくとも１つの測定手段をさらに備えることを特徴とする。少なくとも１つの測定手段の提供により、ハウジングガスをインダクタ領域内に供給するための制御手段の調節を改善することを可能にし得る。特に、プロセスガスを含む加熱領域もハウジングガスを用いてパージされ得るため、加熱領域内にも低減された温度が存在し、発火の全体的な確率が低減され得る。

さらに、本発明のさらなる実施形態は、デバイスが供給されるハウジングガスの流量を測定するための少なくとも１つの流れ測定手段を備えること、ならびに／またはデバイスがインダクタ領域に配置されたガス混合物の露点および／もしくはプロセス領域に配置されたガス混合物の露点を測定するための少なくとも１つの露点測定手段をさらに備えることを特徴とする。前述の測定手段のうちの少なくとも１つの提供により、ハウジングガスをインダクタ領域内に供給するための制御手段の制御を改善することを可能にし得る。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、制御手段は、インダクタ領域に配置されたハウジングガスから炉ハウジングの周りに配置された周囲空気に向かって圧力勾配があるようにインダクタ領域内へのハウジングガスの供給を調節する。これにより、高温の、場合によっては引火性の高いプロセスガスが加熱領域からインダクタ領域を経由して炉ハウジングの外の炉環境に通過するのも阻止され得る。

本発明のさらなる好ましい実施形態は、デバイスが、誘導加熱されるワークピースを加熱領域の実質的に長手方向の範囲に沿って実質的に長手方向に輸送するための輸送デバイスをさらに備えることを特徴とする。このような輸送デバイスを提供することにより、ワークピースの全長にわたって基本的に均一な加熱が提供され得る。例えば、移動されるワークピースの速度が輸送デバイスを用いて可変的に調整されることができ、それによって、とりわけワークピースの熱処理も変更され得る。

別の好ましい実施形態では、分離材料と加熱領域との間に断熱材が提供される。既存の分離材料に加えて、断熱材は、インダクタ領域の加熱領域からのさらなる遮熱を可能にする。断熱材は、インダクタ領域と加熱領域との間に分離面および断熱材を通してなお流体接続があるように、分離材料と同じように設計されるのが好ましい。断熱材は、分離材料のみにより形成されることもできる。

本発明の第２態様によれば、前述の技術的問題は、少なくとも１つのワークピースを誘導的に加熱するための方法において、特に上述のようなデバイスを用いて、この方法が以下のステップ
－ 加熱されるワークピースをプロセスガスで満たされた炉ハウジングの加熱領域に沿って案内するステップと、
－ ハウジングガスで満たされたインダクタ領域に配置された少なくとも１つのインダクタ装備を用いてワークピースを加熱するステップと、
－ 特にインダクタ領域と加熱領域との間に配置された分離材料を用いて、インダクタ領域と加熱領域との間に流体接続を確立するステップと、
－ インダクタ領域に配置されたハウジングガスから加熱領域に配置されたプロセスガスの方向に圧力勾配があるようにインダクタ領域内にハウジングガスを供給するステップと
を含む点で解決される。

ハウジングガスは、例えば一時的にまたは常にインダクタ領域内に供給され得る。有利な様式では、ハウジングガスは、加熱領域の方向へのガス交換のみが行われることができ、そのため加熱領域からインダクタ領域内へはプロセスガスが基本的に通過し得ないように、インダクタ領域内に供給される。本方法に関連して説明されるさらなる利点は、前述のデバイスに関して説明される。

本発明の一実施形態では、供給されるハウジングガスの量は、インダクタ領域と加熱領域との間に存在する圧力差の関数として決定され、および／または供給されるハウジングガスの量は、インダクタ領域と加熱領域との間に起こるハウジングガス流の関数として、特にハウジングガスの体積流量の関数として決定される。これにより、供給されるガスまたはガス混合物の量の確実な制御が可能になる。

前述の本発明のさらなる実施形態では、ハウジングガスは、インダクタ領域のハウジングガスの温度、特に平均温度が、加熱領域のシールドガスの温度、特に平均温度よりも低くなるように、インダクタ領域内に供給される。これにより、インダクタ領域に入り得る任意のガスの発火の確率がさらに低減され得る。

本発明のさらなる好ましい実施形態は、加熱されるワークピースが炉ハウジングの加熱領域に沿って案内される前に、インダクタ領域および加熱領域がまずハウジングガスを用いてパージされること、それからプロセスガスが加熱領域内に供給されること、および、さらなるハウジングガスが好ましくはその後インダクタ領域内に供給されることを特徴とする。このような手順により、デバイスが動作させられる前に炉環境に重大な残留空気濃度が残存しないことが特に保証され得る。特に、好ましくはインダクタ装備上に生じ得る凝縮物形成も回避され得る。

本発明のさらなる有利な実施形態は、インダクタ領域内に供給されるガス混合物が、インダクタ領域に配置されるハウジングガスの露点がプロセス領域に配置されるプロセスガスの露点と比較して低い温度に向かってシフトされるようなものであること、および／またはインダクタ領域に配置されるハウジングガスの露点が基本的に常に監視され、ハウジングガスが露点の関数として供給されることを特徴とする。このようにして、供給されるガス混合物の確実な制御が提供され得る。インダクタ領域内に供給されるガス混合物は、プロセスガスよりも低い温度を有するのが好ましい。

本発明の態様のさらなる有利な例示的な実施形態は、特に図面と併せた本発明のいくつかの例示的な実施形態の以下の詳細な説明に見出すことができる。しかし、本出願に添付される図面は、明確化のみを目的としたものであり、本発明の保護の範囲を決定するためのものではない。添付の図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の一般的な構想を例として反映しようとしたものにすぎない。特に、図面に含まれる特徴は、決して必ず本発明の一部を形成するものと解釈されてはならない。

本発明によるデバイスの第１実施形態の概略図である。 本発明によるデバイスの第２実施形態の概略図である。

以下の本発明による様々な実施形態の説明では、同じ機能および同じ動作様式の部品および要素には、たとえ様々な実施形態においてそれらの部品および要素の寸法または形状が異なっても、同じ参照符号が提供される。

図１は、少なくとも１つのストリップ形状のワークピース４を誘導的に加熱するためのデバイス２の第１実施形態を示す。このデバイス２は、炉ハウジング６と、炉ハウジング６内に配置されたインダクタ装備８とを備える。インダクタ装備８は、ストリップ形状のワーク４を完全に囲み得る。

インダクタ装備８はインダクタ領域１０に配置され、それにより、インダクタ領域１０は分離材料１２を用いて加熱領域１４から特に熱的に分離される。分離材料１２に加えて、分離材料１２と加熱領域１４との間に断熱材１６が提供され、分離材料１２および断熱材１６は、インダクタ領域１０と加熱領域１４との間に流体接続があるように設計される。

この目的のために、分離材料１２は、インダクタ領域１０と加熱領域１４との流体接続のための少なくとも１つの貫通開口部１８を有する。加えて、貫通開口部１８から離れてもインダクタ領域１０と加熱領域１４との間の流体交換が行われ得るように、分離材料１２は少なくとも部分的に透過性の材料として設計される。

インダクタ領域１０は、ガス混合物、特にハウジングガスをインダクタ領域１０内に供給するための入口２０を有する。さらに、制御手段２２が入口２０で提供され、インダクタ領域１０に配置されたハウジングガスから加熱領域１４に配置されたプロセスガスに向かって圧力勾配があるようにインダクタ領域１０内へのハウジングガスの供給を調節する。これにより、加熱領域１４に配置されたプロセスガスがインダクタ領域１０の方向または炉ハウジングの外側に流れるのを回避することが可能になる。

インダクタ領域１０は、出口２４も有する。出口２４を提供することにより、炉ハウジング６は、デバイス２が始動されたときに、実質的に不活性のガスを用いて、例えばハウジングガスを用いてパージされ得る。

さらに、本デバイスは、インダクタ領域１０の測定手段２６と、加熱領域１４内の測定手段２８と、炉ハウジングの外のさらなる測定手段３０とを有する。測定手段２６、２８、３０は、例えば、インダクタ領域１０、加熱領域１４および／または周囲空気に存在する圧力を測定するように設計され得る。測定手段２６、２８は、インダクタ領域１０および／または加熱領域１４に存在するガスまたはガス混合物の露点を測定するためにも設計され得る。制御手段２２も、供給されるハウジングガスの流量を測定するための測定手段を有し得る。

図２は、本発明によるデバイス２の第２実施形態の概略側面図を示す。図１に示されるデバイス２の実施形態と対照的に、分離材料１２は断熱材として設計され、分離材料１２は、インダクタ領域１０と加熱領域１４との間に流体接続を確立するための貫通開口部１８を有する。加熱処理の開始時には、炉ハウジング６内に配置された空気が、入口２０を用いて、例えば不活性ガスによって置換され得る。したがって、インダクタ領域１０および加熱領域１４がパージされ得る。これにより、後にインダクタ領域１０および加熱領域１４に導入されるプロセスガスが、炉ハウジング６内の残留空気濃度と反応することが阻止され得る。

２ デバイス
４ ワークピース
６ 炉ハウジング
８ インダクタ装備
１０ インダクタ領域
１２ 分離材料
１４ 加熱領域
１６ 断熱材
１８ 貫通開口部
２０ 入口
２２ 制御手段
２４ 出口
２６ インダクタ領域のための測定手段
２８ 加熱領域のための測定手段
３０ 周囲空気のための測定手段

Claims (14)

1. 少なくとも１つのワークピース（４）を誘導的に加熱するためのデバイスであって、
   － 少なくとも１つの炉ハウジング（６）と、
   － 前記炉ハウジング（６）内に配置された少なくとも１つのインダクタ装備（８）であって、少なくとも部分的に前記炉ハウジング（６）のインダクタ領域（１０）に配置されたインダクタ装備（８）と、
   － プロセスガスを受け入れるための少なくとも１つの加熱領域（１４）であって、前記炉ハウジング（６）内に配置された加熱領域（１４）と、
   － 前記インダクタ領域（１０）と前記加熱領域（１４）とを分離するための分離材料（１２）であって、
   － 前記インダクタ領域（１０）と前記加熱領域（１４）との間に流体接続があるように設計される、分離材料（１２）と
   を備え、
   － 前記分離材料（１２）は、前記インダクタ領域（１０）と前記加熱領域（１４）との間の前記流体接続のために少なくとも部分的に透過性の材料として設計され、
   － 前記透過性の材料は、ガス透過性に設計され、
   － 前記分離材料（１２）は、前記インダクタ領域（１０）と前記加熱領域（１４）との間の前記流体接続のための少なくとも１つの貫通開口部（１８）を有すること
   を特徴とする、デバイス。
2. － 前記分離材料（１２）は、織物を含むこと
   を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. － 前記インダクタ領域（１０）はハウジングガスを供給するための少なくとも１つの入口（２０）を有すること、および、
   － 前記インダクタ領域（１０）に配置された前記ハウジングガスから前記加熱領域（１４）に配置されたプロセスガスの方向に圧力勾配があるように制御手段（２２）が前記インダクタ領域（１０）内への前記ハウジングガスの供給を調節すること
   を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. － 前記インダクタ領域（１０）は少なくとも１つの出口（２４）を有すること
   を特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
5. － 前記デバイスは、前記インダクタ領域（１０）内および／もしくは前記加熱領域（１４）内の圧力ならびに／または前記インダクタ領域と前記加熱領域との間の差圧を測定するための少なくとも１つの測定手段（２６、２８）をさらに備えること
   を特徴とする、請求項３または４に記載のデバイス。
6. － 前記デバイスは、前記インダクタ領域（１０）内および／もしくは周囲空気の圧力ならびに／または前記インダクタ領域と周囲空気との間の差圧を測定するための少なくとも１つのさらなる測定手段（２６、３０）をさらに備えること
   を特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
7. － 前記デバイスは、供給される前記ハウジングガスの流量を測定するための少なくとも１つの流れ測定手段（２２）を備えること、ならびに／または
   － 前記デバイスは、前記インダクタ領域（１０）に配置されたガス混合物の露点および／もしくはプロセス領域（１４）に配置されたガス混合物の露点を測定するための少なくとも１つの露点測定手段（２６、２８）をさらに備えること
   を特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
8. － 前記制御手段（２２）は、前記インダクタ領域（１０）に配置された前記ハウジングガスから前記炉ハウジング（６）の周りに配置された周囲空気に向かって圧力勾配があるように前記インダクタ領域（１０）内への前記ハウジングガスの供給をさらに調節すること
   を特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
9. － 前記デバイスは、誘導的に加熱されるワークピース（４）の、前記加熱領域（１４）の実質的に長手方向の範囲に沿った実質的に長手方向の輸送のための輸送デバイスをさらに備えること
   を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
10. － 前記分離材料（１２）と前記加熱領域（１４）との間に断熱材（１６）が提供されること
    を特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
11. 請求項１に記載のデバイスを用いて、少なくとも１つのワークピースを誘導的に加熱するための方法であって、
    － 加熱されるワークピースをプロセスガスで満たされた炉ハウジングの加熱領域に沿って案内するステップと、
    － ハウジングガスで満たされたインダクタ領域に配置された少なくとも１つのインダクタ装備を用いて前記ワークピースを加熱するステップと、
    － 前記インダクタ領域と前記加熱領域との間に流体接続を確立するステップと、
    － 前記インダクタ領域に配置された前記ハウジングガスから前記加熱領域に配置された前記プロセスガスに向かって圧力勾配があるように前記インダクタ領域内にハウジングガスを供給するステップと
    を含む方法。
12. － 供給される前記ハウジングガスの量は、前記インダクタ領域と前記加熱領域との間に存在する圧力差の関数として決定されること、および／または
    － 供給される前記ハウジングガスの量は、前記インダクタ領域と前記加熱領域との間に起こるハウジングガス流の関数として決定されること、および／または
    － 前記ハウジングガスは、前記インダクタ領域の前記ハウジングガスの温度が、前記加熱領域のシールドガスの温度よりも低くなるように、前記インダクタ領域内に供給されること
    を特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. － 加熱されるワークピースが前記炉ハウジングの前記加熱領域に沿って案内される前に、前記インダクタ領域および前記加熱領域がまず前記ハウジングガスを用いてパージされること、
    － それから前記プロセスガスが前記加熱領域内に供給されること、および
    － 好ましくはさらなるハウジングガスがその後前記インダクタ領域内に供給されること
    を特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
14. － 前記インダクタ領域内に供給されるガス混合物は、前記インダクタ領域に配置される前記ハウジングガスの露点がプロセス領域に配置される前記プロセスガスの露点に対して低い温度に向かってシフトされるようなものであること、および／または
    － 前記インダクタ領域に配置される前記ハウジングガスの露点は、基本的に常に監視され、ハウジングガスが露点の関数として供給されること
    を特徴とする、請求項１１に記載の方法。