JPH03291326A - 加熱炉の熱処理雰囲気調節方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】

この発明は、熱処理温度がたとえば８００〜１７００℃
の範囲内で金属または無機材料を熱処理用加熱炉で熱処
理する際、制御装置であるコンピューターを利気調節方
法に係り、とくに前記コンピューターが酸素センサーを
利用して加熱炉の熱処理雰囲気ガスのうち、−酸化炭素
、二酸化炭素その他の構成ガスの含有量を連続的に測定
した後、これをもとにあらかじめ設定された計算値と比
較することにより、前記加熱炉の熱処理雰囲気を自動的
にまたは手動的に調節することができる熱処理雰囲気調
節方法に関する。 ［０００２］

【従来の技術】

最近、金属および無機材料を熱処理する際に用いられて
いる加熱炉は、ガス炉と電気炉に大別される。　ガス炉
は燃料ガスを加熱および雰囲気制御に用い、−方、電気
炉は加熱を電気エネルギーで行ない、熱処理雰囲気ガス
としてＣｎＨ２ｎ＋２系ガスを利用している。　このよ
うな加熱炉には、その内部に熱処理雰囲気調節のため、
酸素センサー（ｏｘｙｇｅｎ　　ｐｒｏｂｅ）を設けて
熱処理時の雰囲気を測定し、その測定値にもとづいて熱
処理雰囲気を制御するようになっている。　酸素センサ
ーを利用した従来の熱処理雰囲気測定および制御方法に
おいては、起電力（ＥＭＦ）を測定してこれをカーボン
ポテンシャルに換算した後、このカーボンポテンシャル
の値にもとづいて加熱炉の熱処理雰囲気を制御している
。 ［０００３］ このような加熱炉の熱処理雰囲気を制御するためにカー
ボンポテンシャルを調節する方法が、種々な紹介されて
いる。　たとえば、−酸化炭素分圧（ｐｃｏ）を一定に
し二酸化炭素分圧（ＰＣＯ２）を赤外線測定器で測定し
て調節する方法とか、−酸化炭素分圧と水素分圧（ＰＨ
）とを一定にし蒸気分圧（ＰＨ２０）を露点測定器で測
定して調節する方法とか、−酸化炭素分圧を一定にして
酸素分圧（ＰＯ２）を酸素センサーで測定して調節する
方法が知られている。 ［０００４］ しかしながら、このような従来の加熱炉の熱処理雰囲気
調節方法は主に浸炭炉用として使用されているのみなら
ず、雰囲気ガス中の一酸化炭素分圧または一酸化炭素分
圧と水素分圧を一定にするため、赤外線ガス分析器また
はこれと他のガス分析器を利用して、−酸化炭素分圧を
測定しつつ前述したカーボンポテンシャルを調節しなけ
ればならなかった。 ［０００５］ また、加熱炉の熱処理雰囲気ガスの中の一酸化炭素また
は二酸化炭素の分圧を直接測定する方法を実施するには
、赤外線ガス分析器を利用すべきであるが、この測定方
法は一定の一酸化炭素または二酸化炭素の分圧を有する
標準ガスを必要とするのみならず、測定時間が長くかか
り、また連続的測定が難しい上に、たとえば８〜１２時
間ごとに周期的に分析機器の校正（ｃａｌｉｂｒａｔｉ
ｏｎ）を行わなければならない、という欠点もあった。 ［０００６］ なお、前記第三の方法である酸素センサーを利用して熱
処理雰囲気を調節する方法においても、酸素センサーを
用いながらさらに他のガス分析器が必要であるという欠
点があった。 ［０００７］

【発明が解決しようとする課題】

本発明者らは、前記のような欠点のない加熱炉の熱処理
雰囲気調節方法に関して鋭意研究し、その結果、ＣｎＨ
２ｎ＋２系ガスと空気とを混合し燃焼させて得たガス（
以下「燃焼ガス」という）を加熱炉の雰囲気ガスとして
用いる場合、前記燃焼ガスの起電力を酸素センサーによ
って測定して制御装置であるコンピューターに記録し、
酸素センサーの熱電対により加熱炉内の温度を測定する
とコンピューターがこれらの測定値により燃焼ガスの構
成成分比を把握することができるのでコンピューターが
上記の測定結果をもとにして加熱炉の熱処理雰囲気を所
定の雰囲気に制御できることを見出して本発明を完成さ
せた。 ［０００８］ この発明の目的は、特定の分析器を必要とする別の標準
ガスを用いることなく加熱炉の熱処理雰囲気を連続的に
調節でき、また熱処理用加熱炉の熱処理雰囲気を、赤外
線ガス分析器等の別の装置を必要とすることなく簡便に
自動的または手動的に測定し調節することのできる、加
熱炉の熱処理雰囲気調節方法を提供することにある。 ［０００９］

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成する本発明の熱処理雰囲気調節方法は
、ブタン、プロパン、メタンおよびエタン等のＣｎＨ２
ｎ＋２系ガスを空気と混合燃焼して使用する熱処理加熱
炉の熱処理雰囲気制御方法におする段階と、測定された
熱処理雰囲気の与えられた温度および空燃比から基準起
電力を計算する段階と、実際の熱処理雰囲気の起電力と
温度とを測定する段階と、測定された起電力を基準起電
力に一致させるように前記測定された起電力と温度とに
もとづいて空燃比を調節する段階から成ることを特徴と
する。 ［００１０１

【作用］ 以下、図面を参照してこの発明を具体的に説明する。 ［００１１］ 図１はこの発明の方法を実施するための加熱炉の熱処理
雰囲気調節システムを概念的に示したもので、図の符号
（１）は金属および無機材料を、要求される温度、−例
として８００〜１７００℃の温度で熱処理するための加
熱炉を示す。 この加熱炉（１）は、熱電対をもつ酸素センサー（２）
をそなえ、たとえばブタン、プロパン、メタンおよびエ
タン等のＣｎＨ２ｎ＋２系ガスと空気との供給を受け、
その混合物を雰囲気ガスとして加熱炉（１）内に供給す
るエアミキサー（４）が設けられている。 ［００１２］ 酸素センサー（２）は、加熱炉（１）内の熱処理雰囲気
の起電力および温度を感知するように作用する。　従っ
て、ＣｎＨ２ｎ＋２系ガスと空気とは、前記エアミキサ
ー（４）で混合され、この混合ガスは燃焼した後、加熱
炉（１）内で熱処理雰囲気ガスとして作用する。 ［００１３］ 加熱炉（１）内でのＣｎＨ２ｎ＋２系ガスと空気との混
合物の燃焼反応式を、次のようにあられすことができる
。 ［００１４］ ＣｎＨ２ｎ＋２＋Ｒ・（Ｘ・０２＋Ｙ−Ｎ２）→ａＣＯ
＋ｂＣＯ２＋ｃＨ２＋ｄＨ２０＋ｅＮ２〔ここで、Ｘ＋
Ｙ＝１であり、Ｒ：空燃比、Ｘ：０２の分圧、Ｙ：Ｎ２
の分圧、ａｂ、ｃ、ｄおよびｅ：各成分の分圧、をそれ
ぞれを示す。〕ＣｎＨ２ｎ＋２系ガスのうち、たとえば
ブタンガスを用いる場合の燃焼反応は、Ｃ４Ｈ１ｏ＋Ｒ
×（０，２１×０２＋０．７９×Ｎ２）→ａＣＯ＋ｂＣ
０２＋ｃＨ２＋ｄＨ２０＋ｅＮ２になる。　従って、上
記の式において、Ｒは燃料ガスと空気との比である空燃
比であるから、ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅは空燃比（Ｒ）
と加熱炉（１）内の温度（反応温度）によって変化する
変数であって、ＣｎＨ２ｎ＋２系ガスである燃焼ガスを
構成する各ガスの成分含有量（％）は、上記の式により
、空燃比（Ｒ）と加熱炉（１）内の温度により変化する
ことがわかる。 ［００１５］ 一方、熱処理雰囲気の起電力は下に記すような、いわゆ
るネルンストの方程式％式％ ］ 〔ここで、Ｅ　（ｍｖ）　　：起電力、Ｔ：絶対温度、
Ｘ：実際の０２の分圧、Ｘｏ：基準０゜の分圧と空気の
場合０．２１になる。〕前記した二つの式から、熱処理
雰囲気の成分組成は空燃比（Ｒ）と酸素分圧（Ｘ）の関
数として変化することがわかり、起電力（Ｅ）は絶対温
度（Ｔ）と酸素分圧（Ｘ）の関数として変化することが
わかる。　従って、熱処理雰囲気の成分組成は、空燃比
（Ｒ）、絶対温度（Ｔ）および起電力（Ｅ）の関数とし
て変化することを知る。　これによれば、絶対温度（Ｔ
）と起電力（Ｅ）の変化がわかれば、要求される熱処理
雰囲気の成分組成に合致する空燃比（Ｒ）が計算できる
。 ［００１７］ この発明はこのような概念からなるもので、要求される
熱処理雰囲気の基準起によって比較することにより熱処
理雰囲気の成分組成の変化を測定し、コンピューター（
３）が実際の起電力を基準起電力に一致させるように空
燃比（Ｒ）を調節することにより、要求される熱処理雰
囲気を得るようにしている。 ［００１８］ 前記のように加熱炉（１）には酸素センサー（２）が設
けてあり、この酸素センサー（２）により前述したよう
に燃焼ガスの起電力が測定され、その測定結果がコンピ
ューター（３）またはマイクロプロセッサ−に送られる
。　また、酸素センサー（２）に内蔵された熱電対によ
り反応温度が測定され、その結果もコンピューター（３
）に送られる。　従って、コンピューター（３）では、
この測定された起電力と反応温度から、酸素分圧、カー
ボンポテシャル、−酸化炭素ガス量、二酸化炭素ガス量
、窒素ガス量、水素ガス量、水蒸気量、空燃比、露点等
が前記した燃焼反応式と水性ガス反応式その他の反応式
によって算出される。 ［００１９］ 従ってこの発明では、単に酸素センサー（２）の起電力
の値と反応温度とから加熱炉（１）の雰囲気ガス組成を
知ることができるので、従来の方法のように、赤外線ガ
ス分析器や標準ガス等は必要でない。 ［００２０１ そして、コンピューター（３）には、燃焼ガスの各ガス
の成分含有量の設定値を酸素センサー（２）の起電力に
変換させる計算式がプログラミングされている。従って
、コンピューター（３）では反応温度にもとづいて加熱
炉（１）の所定の熱処理雰囲気ガス組成が、酸素センサ
ー（２）の起電力の値に換算して設定されることになる
。 ［００２１］ コンピューター（３）では、実測された起電力と設定さ
れた起電力とを比較して、熱処理雰囲気が所定の熱処理
雰囲気からずれている場合、エアミキサー（４）での空
燃比を自動的に調節するよう、エアミキサー（４）に制
御信号を送る。 ［００２２］ これとは別に、コンピューター（３）での比較結果を別
のデイスプレィ（５）とプリンター（６）により手動で
把握し、エアミキサー（４）における空燃比を調節する
こともできる。　なお、反応温度は混合ガスの供給量に
よって調節できる。 ［００２３］ 以上説明したようなこの発明の方法かられかるように、
この発明において制御装置であるコンピューター（３）
は、前述したような式等にもとづき、要求される設定熱
処理雰囲気の基準起電力を計算して、記憶することにな
る。 ［００２４］ また、コンピューター（３）は酸素センサー（２）によ
り測定された実際の熱処理雰囲気の起電力および温度を
入力データとして受信して基準起電力と比較することに
なり、測定された起電力を基準起電力に一致させるため
の空燃比を計算し、その結果によってエアミキサー（４
）に制御信号を出力し、空燃比を調節させるように作用
する。　そして、コンピューター（３）には、デイスプ
レィ（５）とプリンター（６）が設けてあり、望ましい
データを表示およびプリントすることができる。 ［００２５］ なお、前記の式にもとづき測定された起電力および温度
により実際の熱処理雰囲気の成分組成がわかるだけでな
く、公知の方式を利用すればカーボンポテンシャルおよ
び露点も計算でき、このようなデータを利用すれば、よ
り精密な熱処理雰囲気の調節が可能になる。 ［００２６］ 【実施例】 ＣｎＨ２ｎ＋２系ガスである燃料ガスとしてブタンを使
用し、鋼線にパテンティング加熱炉でパテンティング熱
処理を施した。　その際、この発明に従って、酸素セン
サー（２）により起電力を、熱電対によって反応温度を
、パテンティング加熱炉の帯域別に測定した。　この測
定結果をもとに、熱処理雰囲気ガスの組成を求めた。 ［００２７］ 比較のため、赤外線ガス分析器を用いて、熱処理雰囲気
ガスの組成を実測した。以上の結果を表１に示した。 ［００２８］ すなわち、下記の表はパテンティング加熱炉を使用して
鋼線をパテンティング熱処理する方法において、この発
明の方法と赤外線ガス分析器を用いる従来の方法とを適
用したそれぞれの場合を示したものである。　この表か
ら明らかなように、両方法により測定された加熱炉（１
）の各帯域でのＣＯとＣＯ２の各含有量はほぼ同一であ
り、これにより、この発明に従えば従来の方法のように
赤外線ガス分析器を用いなくても、熱処理雰囲気の調節
が可能であることがわかる。 ［００２９］ さらに、表から理解されるように、この発明の方法によ
れば、熱処理雰囲気のすべての構成成分の含有量を知り
、それによってより精密な熱処理雰囲気の制御が可能に
なる。 ［００３０１ ［００３１］ 上記の表で明らかなように、この発明の結果の実測値は
、燃焼ガスを構成する各ガスの含有量と空燃比において
、最適に一致する。　従って、加熱炉の熱処理雰囲気を
自動的に、また手動的に調節することが可能である。 ［００３２］

【発明の効果】

以上説明したように、この発明の方法によれば、従来の
方法のように別の標準ガスを用いなくても熱処理雰囲気
の制御が可能であるだけでなく、熱処理雰囲気のすべて
の構成成分の含有量を測定できるため、別のガス分析器
は不要である。 しかも、測定は迅速かつ正確で、精密な制御が可能にな
る。 ［００３３］ 上述の実施例では、この発明の方法を鋼線のパテンティ
ング処理に適用したが、この発明の方法を光輝焼鈍処理
または浸炭処理等にも適用できるのは、もちろんである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　この発明の実施例に使用した加熱炉の熱処理
雰囲気調節システムを簡略化して示した系統図。

【符号の説明】

１　加熱炉 ２　酸素センサー ３　コンピューター ４　エアミキサー ５　デイスプレィ ６　プリンター

【書類者】

図面

【図１】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブタン、プロパン、メタンおよびエタン等
   のＣ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿２系ガスを空気と混合し燃焼
   して使用する熱処理用加熱炉の雰囲気を制御する方法に
   おいて、設定された熱処理雰囲気の与えられた温度およ
   び空燃比から基準起電力を計算する段階と、実際の熱処
   理雰囲気の起電力と温度とを測定する段階と、測定され
   た起電力を基準起電力に一致させるように前記測定され
   た起電力と温度とにもとづいて空燃比を調節する段階か
   ら成ることを特徴とする加熱炉の熱処理雰囲気調節方法
   。
2. 【請求項２】熱処理用加熱炉の熱処理雰囲気ガスを構成
   する各ガスの含有量を、熱処理の目的により目標値とし
   て、制御装置であるコンピューターに設定する段階と、
   前記加熱炉内でＣ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿２系ガスと空気
   とを混合して燃焼させて熱処理雰囲気ガスを製造し熱処
   理雰囲気ガスとして供給する段階と、前記加熱炉に供給
   された熱処理雰囲気ガスの起電力を酸素センサーで測定
   し、前記加熱炉内の温度を熱電対で実測し、前記加熱炉
   内の熱処理雰囲気ガスの組成を前記コンピューターが把
   握する段階、および前記コンピューターが前記目標値設
   定段階での目標値と前記組成把握段階での実測値とを比
   較して、前記加熱炉の熱処理雰囲気が目標値よりずれた
   場合、前記Ｃ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿２系ガスとの比すな
   わち空燃比を調節することにより加熱炉の熱処理雰囲気
   を制御する段階から構成ることを特徴とする加熱炉の熱
   処理雰囲気調節方法。
3. 【請求項３】請求項２において、前記制御段階の空燃比
   を自動的にまたは手動的に調節することを特徴とする加
   熱炉の熱処理雰囲気調節方法。