JPH07166242A - 金属造形品の急速加熱の方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常の加熱作業では炉の耐火物が大熱質量を
代表するもので、所望の温度に達し、その維持にかなり
のエネルギー入力が必要で、加熱時間の長期化は表面ス
ケールを増加させ、収量の低下に繋がり、特定の作業の
生産性を制限する要因となる。これら諸点の改善。 【構成】 酸・燃料炎を直接表面衝撃により表面に損傷
を与えることなく金属物品を加熱したり、あるいは加熱
される前記物品の表面溶融に関する。炎接触を周期的に
循環させて熱誘導の最高許容率を達成させ、最終所望試
験片温度達成に必要な時間とエネルギーを本質的に短
縮、削減することを特徴とする。 【効果】 有効な作業処理量の増加手段を提供する一
方、誘導加熱に伴う諸欠点を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は造形金属、例えばビレッ
トを後続の２次加工作業例えば鍛造もしくは圧延のため
の加熱に関する。

【０００２】

【従来の技術】多数の金属２次加工作業例えば圧延、鍛
造、曲げ、その他同種類の作業では、金属を加熱してか
ら前記の作業にかける必要がある。金属は温度が高けれ
ば高いほど容易に変形でき、２次加工中の有意のサイズ
リダクションが可能になることが周知である。通常の加
熱の方法は典型的例として化石燃料燃焼を採用して炉も
しくはその他の加熱装置に導入する熱を発生させる。金
属の加熱は一般に炉の内側にある耐火物からの放射によ
り起こって、熱を製品に伝達させる。金属が次の作業で
指図された温度に加熱されるに従って、熱伝達率は、金
属と耐火物の間の温度差が一般に非常に小さいので著し
く低下する。加熱時間が長いと製品を酸化条件に暴す時
間が長くなり、その結果、スケール形成を増加させる。
スケール形成が増加すると、金属を室温に冷却する時、
それは表面きず、一段と進む好ましくない収量の低下、
そして仕上げ作業の費用増大に繋がりかねない。そのう
え、通常の加熱作業では、耐火物が大量の熱質量を代表
するもので、所望の温度に達し、その維持にはかなりの
エネルギー入力を必要とする。通常の加熱方法は作業の
融通性を束縛し、製品の酸化のため収量の低下に繋が
り、そのうえ、しばしば特定の作業の生産性を制限する
要因となる。最後に、通常の加熱方法は、金属業界の将
来の加熱ニーズには、それが連続法例えば基礎金属製品
の合計製造費の削減を目的とする直接圧延を採用するの
で不適である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】世界の金属市場におけ
る激化しつづける競争にあって、米国の金属生産者はそ
の製造法の全面に亘って改善を施し、作業費の削減を行
なう一方、製品の品質と精度を改良する必要がある。従
って、生産者は経常作業費低減の方法を探求しながら、
新しい技術例えば連続金属加工法のような新技術を追及
している。誘導加熱には連続金属生産法で使用する技術
上の将来性がある。しかし、誘導加熱に関連する高い資
本経費ならびに作業費と悪い保全記録はその実施を著し
く制限してきた。ガスをベースとする加熱装置の性能改
善を目指す空気・天然ガス加熱技術が開発され、従来の
小規模炉の熱効率と加熱速度を改善してきた。しかし、
空気・天然ガス加熱は誘導加熱の速度に欠け、金属業界
の主要部分のニーズには応えられない。火炎衝撃技術を
用いる空気・天然ガス加熱技術の実施例は米国特許第
３，２９１，４５６号、第４，３３３，７７７号、第
４，５４９，８６６号と第５，００７，８２４号に示さ
れている。

【０００４】本発明の目的は、金属造形品を酸・ガス炎
を加熱される金属の表面に直接衝突させて急速加熱する
方法を提供することである。前記酸・ガス混合物により
発生させた炎を直接衝突させると前記金属表面に極めて
高熱伝達率を生じて、全加熱時間をかなり短縮できる。
燃焼速度、燃焼時間及び炎の化学量の調節は金属造形品
の全加熱もしくは増分加熱いずれかに対し用いることが
できる所望の加熱法が行なえる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属造形品を
所望の温度に急速加熱する方法において、 ・前記金属造形品を酸・燃料炎による直接衝撃に暴す工
程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品との接触を、前記造
形品の表面が前記金属造形品を加熱させる温度に等しい
かあるいはそれ以上、しかも表面損傷が発生し始める温
度以下の最高温度に達するまで維持する工程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品との接触から前記表
面温度が少くとも１００°Ｆ（約３７．８℃）だけ低下
するまで離す工程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品に対する衝撃と引離
しを先行工程により、前記金属が所望の温度に加熱さ
れ、表面から心までの温度勾配が金属造形品の次の加工
の許容範囲内に止まるまで交互に行なう工程と；からな
る急速加熱の方法を要旨とするものである。

【０００６】

【作用】本発明は、有効にして経済的且つ金属業界にお
ける多数の用途に用い得る急速加熱法を最終使用者に供
給して通常の加熱法の欠点より起きる問題を解決するこ
とである。本発明によれば、酸素・炭化水素ガス炎から
の燃焼生成物を、加熱を受ける製品の表面に直接衝突さ
せると、製品の表面に対し高熱伝達率を発生させ、全加
熱時間を削減できる。燃焼速度、燃焼時間及び化学量の
調節により、所望の加熱効率が達成できる。そのうえ、
熱を製品に直接加える（換言すれば、熱を製品に間接的
に再放射する必要のある炉に加えるよりもむしろ製品に
直接加える）ので、本方法はエネルギーに要するかなり
の費用というハンディキャップもなく断続的に運転でき
る。

【０００７】炭化水素例えば天然ガスを高純度の酸素
（９０％以上）と燃焼させると極めて高い断熱炎温度
（約５，０００°Ｆ−約２，７６０℃）を生ずる。燃焼
の生成物、二酸化炭素と水はこれらの高温で解離する。
燃焼の生成物が比較的冷い表面に衝突すると、前記解離
種は再結合する。この再結合反応は発熱性で、結果とし
て表面にかなりの熱入力をもたらす。そのうえ、前記酸
素・炭化水素ガス炎からの伝熱の放射成分も高い炎温度
のため極めて高い。炎から金属への伝熱の最終モードは
対流である。この伝熱のモードは他のものと比較して支
配的ではないが、到達できる高加熱速度に寄与してい
る。本発明の方法における対流伝熱中、熱は金属面上を
流れる燃焼生成物から交換される。これらの作用は、炎
と生成物の間の好ましい形状関数関係と相俟ってすべて
が一緒に作用して、伝統的加熱方法のどれよりもずっと
高い熱伝達率と加熱流束を生ずる。

【０００８】本発明によれば、米国特許第４，７５６，
６８５号に開示され、その明細書を参考として本明細書
に取入れられているバーナーを用いて、酸・燃料炎を加
熱される金属造形品に当てる。例えば、このようなヒー
ターを用いて、ほぼ４″（約１０．１６ｃｍ）×４″
（約１０．１６ｃｍ）の横断面をもつ金属ビレットを加
熱し、それをドロップ鍛造もしくはハンマー鍛造にかけ
ることができる。本発明によれば、前記炎と接触する表
面が、金属の加熱される温度に等しいかあるいはそれ以
上、しかし材料が溶融するか、もしくは試験片の表面が
金属学的損傷を受け易くなるかいずれかの温度以下の最
高温度に達するまで、前記酸・燃料炎を前記ビレットの
表面に案内する。金属を加熱することになる最高温度を
前記金属の特定の組成と、その金属にかける作業により
測定でき、この全部は当業者には周知である。直接炎衝
撃を受ける試験片の表面が最高許容温度に達する時点
で、前記表面のその部分に入力される熱は、前記バーナ
ーを消すか、炎と接触する金属の前記部分を炎から離す
かいずれかして瞬間的に中断できる。前記金属片、もし
くはその表面が最高温度になっている前記片の前記部分
を前記金属の表面を１００°Ｆ乃至５００°Ｆ（約３
７．８℃乃至２６０℃）の温度に冷却できる時間の間、
炎との接触から離す。この冷却時間中に、金属の表面に
導入された熱を伝導により加熱される金属造形品の心に
向って伝達する。表面温度が予め決めた温度に降下する
時、前記バーナーを再び点火するか、あるいは金属を改
めて炎に接触せると、加熱が同様の作業循環で起こる。
加熱を回分操作で行なう場合、その時はバーナーを単純
に断続操作することもできる。加熱が連続操作で行なう
場合、連続的に燃焼させ、適当に間隔をつけたバーナー
を通過させるか、あるいは断続的に燃焼するバーナーを
通過させて金属面を移動させ、製品の中に所望の熱の
“ポンピング”を断続的直接炎衝撃により実施できる。

【０００９】例えば、２−１３／１６″（約７．１４ｃ
ｍ）直径の中炭素鋼丸棒を下表１に示された方法により
２，２２５°Ｆ±２５°Ｆ（約１，２３２．２乃至１，
２０４．４℃）の最終温度に加熱できる。

【００１０】

【表１】 １）最終温度−２，２２５°Ｆ±２５°Ｆ 方法−単域加熱、断続作業循環、複式燃焼速度 ──────────────────────────────────── 工 程 作業循環 作業中／ 熱流束（ＭＭ Ｂｔｕ／ 中休み（秒） 時間・平方フィート） ──────────────────────────────────── １ ６５／００ １．１６ ２ １０／０５ ０．９６ ３ ０６／０７ ０．９６ ４ ０５／０８ ０．９６ ５ ０４／０９ ０．９６ ６ ０４／１０ ０．９６ ７ ０３／１０ ０．８６ ８ ０３／１０ ０．８６ ９ ０３／１０ ０．８６ 10 ０３／０５ ０．６６ ──────────────────────────────────── 消費エネルギー 合 計 １０６／７４ ２６，８９７ Ｂｔｕ ──────────────────────────────────── 表１の表示による方法は材料を表面に損傷を与えること
なく間違いなく加熱できる精密制御系を必要とする。酸
素と燃料の導入、製品温度測定とフィードバック、それ
に単一バーナーもしくは複式バーナー燃焼の順序の迅速
且つ正確な制御が必要である。このような必要条件は計
算機による自動プロセス制御を用いて満たされる。その
うえ、順序は加熱される試験片内の熱分布の計算機模型
づくりを用いて実施できる。前記模型は材料特性、炎形
状と温度、試験片／バーナーの立体配置、試験片形状寸
法などに依存する様々な組成物を用いて構成できる。本
発明は１時間当り、且つ１平方フィート当り０．５百万
Ｂｔｕ乃至３百万Ｂｔｕ、典型的例としては１時間当
り、且つ１平方フィート当り１．０乃至２．０百万Ｂｔ
ｕ熱量に加熱される金属の表面に全熱流束を発生させる
バーナーに依存する。そのうえ、燃焼速度はバーナーの
点火時間中変動できる。バーナーの点／滅の循環（加熱
される物品への炎衝撃）は金属表面への熱の最終導入が
結果として金属の表面を、加熱される材料が指図する芯
温度勾配にまで完全に加熱されるまで継続する。

【００１１】表３は４″（約１０．１６ｃｍ）丸かど中
炭素角材ビレットを本発明により加熱した試験を列挙し
た。

【００１２】

【表２】 実験＃：３Ａ１ 試験材料：４″丸かど中炭素角鋼材（１０４０） 初期温度：４０°Ｆ（約４．４℃） 最終温度：２，０８０°Ｆ±３０°Ｆ（約１，１５４．
４℃乃至１，１２１．１℃） 加熱時間：９分間 加熱速度：２２７°Ｆ（約１０８．３℃）／分に対し加
熱速度（通常）：２０乃至５０°Ｆ（−６．７℃乃至１
０℃）／分 方法−単域加熱、断続作業循環、複式燃焼速度

【００１３】

【表３】 ──────────────────────────────────── 工 程 作業循環 作業中／ 熱流束（ＭＭ Ｂｔｕ／ 中休み（秒） 時間・平方フィート） ──────────────────────────────────── １ １２０／１０ １．１２５ ２ ３０／１０ １．１２５ ３ １５／１５ １．５０ ４ １５／１５ １．５０ ５ １０／１０ １．５０ ６ １０／１０ １．５０ ７ １０／１０ １．５０ ８ １０／１０ １．５０ ９ １０／１０ １．１２５ 10 １０／１０ １．１２５ 11 １０／１０ １．１２５ 12 １０／１０ １．１２５ 13 ０８／１０ １．１２５ 14 ０８／１０ １．１２５ 15 ０８／１０ １．１２５ 16 ０８／１０ １．１２５ 17 ０８／７０ １．１２５ ──────────────────────────────────── 合 計 ３００／２４０ ──────────────────────────────────── 表３が示すように、前記ビレットの全加熱時間は本発明
により９分間であったが、それはビレットを予定の２，
０８０°Ｆ（約１，１５４．４℃）の最終温度で保たれ
た通常のビレット加熱炉に導入される場合、８０乃至１
２０分間の加熱時間と対照的であった。運転中といえど
も比較的高い温度（サーマルヘッド）にある炉は加熱時
間を著しく減らすことも、あるいは本発明の方法で達成
される加熱速度に到達させることもできない。

【００１４】

【実施例】図１は表２及び表３のデータ収集に用いられ
たビレットに入れられた４つの熱電対の場所を示す。図
２は前記ビレットの熱電対１乃至４の時間に対し図にし
た温度を示す。熱電対１は２″（約５．０８ｃｍ）の深
さ、熱電対２は１．５″（約３．８１ｃｍ）の深さ、熱
電対３は１″（約２．５４ｃｍ）の深さ、そして熱電対
４は５″（約１２．６７ｃｍ）の深さであった。

【００１５】図２に示された結果から、本発明による方
法が結果として、酸・炭化水素ガス炎を製品の表面に直
接衝突させるために用いることにより著しく加熱速度を
増大できる。炎を直接製品に衝突させると熱を製品に直
接加える（“ポンピング”）ことになる。通常の加熱方
法は耐火物から製品に熱を放射させるますます間接的な
方法に主として依存している。

【００１６】

【発明の効果】そのうえ、加熱時間の短縮は、加熱循環
の終りにおける表面の条件を通常の加熱炉を用いる場合
と比較する時、改善に繋がる（例えば鋼の試料でスケー
ルが少なくなる）。

【００１７】本発明による方法は使用者に有効な作業処
理量の増加手段を提供する一方、誘導加熱に伴うこれら
の欠点を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実証に用いる試験ビレットの立面図で
熱電対の配置を示す図である。

【図２】図１のビレットに示された位置における時間に
対する温度のグラフである。

フロントページの続き (72)発明者 ラリー．キース．ファーマー アメリカ合衆国．19522．ペンシルバニア 州．フリートウッド．フレンドシップ．ド ライブ．401 (72)発明者 マイケル．デニース．ランウィ アメリカ合衆国．18062．ペンシルバニア 州．マッケンジー．ミドウビュー．ドライ ブ．4800 (72)発明者 クリストファー．アラン．ワード アメリカ合衆国．18011．ペンシルバニア 州．アルバーティス．ガン．クラブ．ロー ド．3933

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属造形品を所望の温度に急速加熱する
   方法において、 ・前記金属造形品を酸・燃料炎による直接衝撃に暴す工
   程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品との接触を、前記造
   形品の表面が前記金属造形品を加熱させる温度に等しい
   かあるいはそれ以上、しかも表面損傷が発生し始める温
   度以下の最高温度に達するまで維持する工程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品との接触から前記表
   面温度が少くとも１００°Ｆ（約３７．８℃）だけ低下
   するまで離す工程と； ・前記酸・燃料炎の前記金属造形品に対する衝撃と引離
   しを先行工程により、前記金属が所望の温度に加熱さ
   れ、表面から心までの温度勾配が金属造形品の次の加工
   の許容範囲内に止まるまで交互に行なう工程と；からな
   る急速加熱の方法。
2. 【請求項２】 前記金属造形品を細長い酸・燃料バーナ
   ーの炎端から最大８インチ（約２０．３２ｃｍ）以内に
   位置させることを特徴とする請求項１の方法。
3. 【請求項３】 前記金属造形品を別の離間させた酸・燃
   料炎との接触を連続的に断続させることを特徴とする請
   求項１の方法。
4. 【請求項４】 前記酸・燃料炎が前記金属物品の表面に
   １時間当り且つ１平方フィート当り０．５百万Ｂｔｕと
   ３．０百万Ｂｔｕの間を変動する熱量の熱流速を発生す
   ることを特徴とする請求項１の方法。
5. 【請求項５】 前記熱流速が１時間当り、且つ１平方フ
   ィート当り１．０百万Ｂｔｕと２．０百万Ｂｔｕの間の
   熱量であることを特徴とする請求項４の方法。
6. 【請求項６】 前記酸・熱炎を前記金属造形品との接触
   から前記金属造形品の前記表面温度が１００°Ｆ乃至５
   ００°Ｆ（約３７．８℃乃至２６０℃）に低下するまで
   離すことを特徴とする請求項１の方法。
7. 【請求項７】 前記酸・燃料炎を急速点滅できるよう適
   応させたバーナーで発生させることを特徴とする請求項
   １の方法。
8. 【請求項８】 前記酸・燃料炎を理論比で燃焼させるバ
   ーナーで発生させることを特徴とする請求項１の方法。
9. 【請求項９】 前記酸・燃料炎を、酸素２に対し天然ガ
   ス１の割合で酸素と天然ガスを燃焼させて発生させるこ
   とを特徴とする請求項８の方法。
10. 【請求項１０】 前記金属造形品を細長い酸・燃料バー
    ナーの炎端から４乃至８インチ（約１０．１６ｃｍ乃至
    ２０．３２ｃｍ）内に位置させることを特徴とする請求
    項１の方法。
11. 【請求項１１】 前記酸・燃料炎を米国特許第４，７５
    ６，６８５号に示された形式のバーナーを用いて発生さ
    せることを特徴とする請求項１の方法。
12. 【請求項１２】 前記バーナーを燃焼させて前記表面に
    １時間当り、且つ１平方フィート当り０．５百万Ｂｔｕ
    乃至１時間当り、且つ１平方フィート当り３．０百万Ｂ
    ｔｕの熱量の全熱流速を発生させることを特徴とする請
    求項１１の方法。