WO2011118201A1 - 長尺材の熱処理方法、長尺材の製造方法、およびそれらの方法に用いる熱処理炉 - Google Patents

Abstract

　両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状のバッチ式熱処理炉を用い、長尺の被熱処理材に熱処理を施す方法であって、　前記熱処理炉は、最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、　当該熱処理方法は、　（ステップ１）予め、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定すること、　（ステップ２）被熱処理材の熱処理作業時に、ステップ１で決定した各熱源の加熱出力パターンと、さらに前記最端部の各加熱ゾーンおよびそれ以外の加熱ゾーンの炉内測温結果に基づき、個々の熱源の加熱出力を制御すること、 の一連の各ステップを含む。この熱処理方法により、両端壁に熱源がない熱処理炉においても、被熱処理材を全長にわたり精度よく均一に加熱できる。

Description

長尺材の熱処理方法、長尺材の製造方法、およびそれらの方法に用いる熱処理炉

　本発明は、従来よりも長尺な材料の熱処理が可能な長尺材の熱処理方法、およびこの熱処理方法を用いる長尺材の製造方法、並びにそれらの熱処理方法および製造方法を実施する際に用いる熱処理炉に関する。

　別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次のとおりである。
　「長尺材」：小径で長尺の金属管をはじめ、棒鋼、その他の長尺の材料をいう。
　「有効炉長」：熱処理炉において、均一な温度で熱処理が可能な被熱処理材の最大長さに相当する炉長をいう。
　「傾斜加熱」：両端が閉塞された長い筒状のバッチ式熱処理炉を用いて被熱処理材を加熱する際、その熱処理炉が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割され、それらのうちの最端部の加熱ゾーンがさらに複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、その最端部の加熱ゾーンに配設された各熱源の出力に高低差を付けて加熱することをいう。

　通常、金属管や棒鋼等の長尺材の熱処理には、バッチ式熱処理炉が用いられる。
　図１は、従来の長尺材用熱処理炉の概略構成例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は横断面図、同図（ｂ）は縦断面図である。同図に示すように、熱処理炉は、両端が閉塞された筒状の容器であり、炉内が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割されている。炉の周壁は水冷壁２および遮熱壁３からなる二重構造とされ、炉の両端壁も水冷壁７および遮熱壁８からなる二重構造とされる。炉の周壁の内周面には、加熱ゾーン毎に熱源として電気ヒータ１が配設されている。ただし、炉の両端壁には、ヒータ１は設けられていない。

　長尺材の熱処理は、この熱処理炉内の電気ヒータ１で囲まれた空間、すなわち加熱ゾーンに、台車４上に載置された被熱処理材５を装入し、ヒータ１で加熱することにより行われる。熱処理温度の制御は、炉内に設けられた温度計による炉内測温結果に基づき各ヒータ１の出力を個別に制御することにより行われる。

　図１に示すように、従来の熱処理炉では、炉の周壁に複数の熱源（電気ヒータ）が設けられているが、炉の両端壁に熱源が設けられてないため、長尺材は、端部が抜熱され、中央部に比べて端部の温度が大きく低下する。この温度低下が発生することから、従来の熱処理炉は、熱処理可能な長尺材の長さが制約され、有効炉長が短くなる。

　そのため、炉内の空間長さ、すなわちヒータが配設される部分の総長さを被熱処理材の長さよりも十分長く確保し、有効炉長が被熱処理材の長さ以上になるように設計されている。

　しかし、従来よりも長尺の材料を熱処理するに際し、有効炉長を長くするために熱処理炉の長さを長くすると、それだけ設備改造費が嵩む。また、炉長を長くしない場合は、被熱処理材の長さを短くせざるを得ず、需要者の要望に柔軟に対応できない。従来の熱処理炉にはこういった問題がある。

　被熱処理材の温度制御方法としては、以下に述べる方法が提案されている。
　例えば、特許文献１には、複数のバーナーを燃焼させることにより、炉内に収容した被加熱物を熱処理するバッチ式熱処理炉において、各バーナーの燃焼域の温度が一定となるようにそれぞれフィードバック制御する一方、炉内温度が目標温度となる手前の予め設けられた一定の温度範囲内に達した時に、燃焼域の目標温度を予め定められた一定の値に制限することによって、炉内温度を一定の温度に制御する方法が開示されている。

　特許文献２には、前面および後面に処理品を出入りさせる開口部を有する真空炉において、下部ヒータの発熱量および上部ヒータの前後部ゾーンと中間ゾーンの発熱量を夫々互いに独立して制御し得るようにした温度制御方法が開示されている。真空炉では、処理品が専らヒータからの輻射加熱により昇温され、対流加熱がほとんどないので処理品を均一に加熱することが難しく、この不均一加熱に起因して品質不良を起こすおそれがあることから、この問題に対処するためである。

　しかし、これらの温度制御方法は、炉内の温度を適切な温度に維持するため、または温度変化に追従させて炉内の温度バラツキを防止するために、検出した炉内温度に基づいて、個々の熱源（バーナーやヒータ）を独立して制御するものであって、被熱処理材の種別や熱源相互の干渉を考慮しておらず、炉内全体の温度を制御する方法としては不十分であった。そこで、それらを考慮した次のような方法が提案されている。

　特許文献３には、複数に分割された加熱ゾーンにそれぞれ配置されたヒータを独立的に温度制御するようにした加熱炉において、各ヒータの測定温度と各ヒータに与える設定温度の偏差値に、均熱域における炉特有のヒータ出力分布を与える補正値を時間のみ、または時間と温度の関数として乗じ、これをヒータ出力制御値として与える加熱炉の温度制御方法が開示されている。

　また、特許文献４には、被処理材を加熱する複数のヒータを備え、各ヒータの給電経路に発熱量調整器を個別に設け、それらの発熱量調整器と炉内に設けられた温度検出器との間に、複数のヒータの発熱量に偏差を持たせ得るよう夫々個別の偏差設定器を設けた真空炉を用いる制御方法が開示されている。そして、特許文献４に開示される制御方法では、加熱に際して、被処理材の種別（大きさ、形状等）や、雰囲気ガスの圧力、温度に応じて、予め求めた各偏差設定器の設定値を変更することにより、一つの温度検出器からの検出値で、複数のヒータの発熱量を相互に偏差を持たせた状態で制御することとしている。これによって、複数のヒータを個別に制御した場合と同様に被処理材全体の温度が均一化する状態で加熱することができるとしている。

　これらの方法は、個々のバーナーやヒータを独立して制御する従来の温度制御に加えて、加熱ゾーン毎の偏差値を設定することにより、被熱処理材全体の炉内温度分布を均一化させようとするものである。しかし、前記図１に示したように、各加熱ゾーンに対応して周壁に熱源が配設される一方、両端壁に熱源が設けられていない熱処理炉では、長尺材の端部で中央部と比べて著しい温度低下が発生するので、長尺材のような長い被熱処理材の処理温度を均一化する方法としては不十分である。

特開昭６２－４８２８号公報 特開平５－２７１７５１号公報 特開昭６２－１１２７２６号公報 特開平４－５２２１５号公報

　本発明は、両端が閉塞され周壁に熱源が配設される一方で両端壁には熱源が設けられていない筒状のバッチ式熱処理炉において、被熱処理材全長を均一な温度（例えば、目標温度に対し、±１０℃以下）に加熱できる有効炉長をより長く確保し、炉内の空間長さが同じであっても、従来に比べて長尺な被熱処理材を熱処理することができる長尺材の熱処理方法、およびこの熱処理方法を用いる長尺材の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、それらの熱処理方法および製造方法を実施する際に用いる熱処理炉を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明者らは、先ず、両端壁に熱源が設けられていない従来の熱処理炉を用い、この場合の被熱処理材（長尺材）の特に両端部における温度分布を調査した。

　図２は、従来の長尺材の熱処理炉での被熱処理材の長手方向における温度分布の一例を示す図である。これは、前記図１に示した従来の熱処理炉を用いて測定した結果であり、炉の最端部の加熱ゾーンおよびこの最端部の加熱ゾーンの次の加熱ゾーンにおける測定結果を示している。図２において、縦軸の材料温度は目標温度を基準としてそれに対する温度差で表示している。

　図２に示すように、最端部の加熱ゾーンの中央部近傍からこの最端部の次の加熱ゾーンに位置する材料温度は、目標温度もしくはそれに近い温度であった。しかし、最端部の加熱ゾーンの中央部から炉の端壁に近い部分にある材料温度は、目標温度に達しておらず、炉の端壁の近傍ではそれよりも８０℃程度低くなった。図２には示していないが、熱処理炉の反対側の最端部の加熱ゾーンにおいても同様の傾向が認められた。すなわち、前記図１に示した従来の熱処理炉では、被熱処理材の全長にわたる均一な加熱は行えない。

　実際の操業においては、被熱処理材（長尺材）の端部の位置は、図２中に示すように、炉の最端部の加熱ゾーンの中央部近傍（この例では、熱処理炉の端壁から１．４ｍの位置）にあり、有効炉長の範囲内に入るように配慮されている。

　この被熱処理材の端部における温度低下を解消するために、熱処理炉の最端部の加熱ゾーン全体を中央の加熱ゾーン（最端部の加熱ゾーン以外の加熱ゾーン）よりも昇熱し、この場合の材料温度の測定を行った。

　図３は、同じく従来の長尺材の熱処理炉における被熱処理材の長手方向での温度分布を示す図であり、最端部の加熱ゾーンを中央の加熱ゾーン（ここでは、両端部の加熱ゾーンの間にある加熱ゾーンを指す）よりも昇熱させた場合を示している。図３では、炉の最端部の加熱ゾーンおよびこの最端部の加熱ゾーンの次の加熱ゾーンにおける測定結果を示している。

　試験の際、中央の加熱ゾーンの被熱処理材の温度を目標温度に設定し、最端部の加熱ゾーンの被熱処理材の温度を、最端部の次の加熱ゾーンの被熱処理材の温度よりも２０℃または４０℃高く設定した。比較のために、最端部の加熱ゾーンを中央の加熱ゾーンと同じ目標温度に設定した場合についても行った。

　図３に示すように、最端部の加熱ゾーンの中央部近傍で被熱処理材の温度が目標温度を超えてオーバーヒートし、一方、炉の端壁に近い被熱処理材の端部では温度低下が依然として残っており、被熱処理材の全長にわたる均一な加熱はなされていない。

　続いて、被熱処理材の端面の外側に遮熱板を設置して材料端部からの抜熱を抑制するとともに、炉の最端部の加熱ゾーンおよびこれに隣接する最端部の次の加熱ゾーンに傾斜的に熱量を付与する方法について検討した。最端部の加熱ゾーンの中央部近傍で被熱処理材の著しいオーバーヒートを防止し、かつ被熱処理材の温度低下を抑制することが期待できるからである。

　図４は、遮熱板を設置した熱処理炉の概略構成を示す図であり、同図（ａ）は横断面図、同図（ｂ）は縦断面図である。同図に示す熱処理炉では、台車４上に載置された被熱処理材の端面の外側にＳＵＳ３０４製の遮熱板９が１２枚重ねて設置されている。この熱処理炉を使用し、最端部の加熱ゾーンの加熱量を最端部の次の加熱ゾーンのそれに対して若干高めた場合の材料温度の測定を行った。

　図５は、この遮熱板を設置した熱処理炉を使用して最端部の加熱ゾーンおよび最端部の次の加熱ゾーンにおける被熱処理材（長尺材）の温度分布を測定した結果を示す図である。比較のために、最端部の加熱ゾーンと最端部の次の加熱ゾーンの加熱量を同じとした場合も併記している。

　図５に示す結果から、被熱処理材の全長にわたる温度分布の許容範囲を目標温度に対して±１０℃以下とした場合、最端部の加熱ゾーンの入熱量を最端部の次の加熱ゾーンのそれに対して若干増加させることにより、最端部の加熱ゾーンの中央部近傍で被熱処理材のオーバーヒートを許容範囲の上限以下に抑え、かつ被熱処理材の端部における温度低下を回避して被熱処理材を均一に加熱できることがわかる。

　しかしながら、この熱処理炉では、処理後に炉の端壁から冷却ガスを導入し被熱処理材を冷却するが、遮熱板９によってガスが遮られるため冷却速度が低下し、冷却に要する時間が従来の２～３倍程度長くなるという問題があった。また、台車への材料の積み込み本数や寸法によっても遮熱板の設置枚数、設置箇所を検討する必要があり、現実的な方法とはいえない。

　そこで、本発明者らは、炉の最端部の加熱ゾーンを中央の加熱ゾーンの長さよりも短く分割し、この分割した個々の加熱ゾーンにそれぞれ熱源を配設し、その最端部の加熱ゾーンのみを傾斜的に加熱する（傾斜加熱する）ことにより、最端部の加熱ゾーン内に位置する被熱処理材の温度が最端部の加熱ゾーン全域で等しくなるように試みた。すなわち、分割した個々の加熱ゾーン間で熱源に与える加熱出力を変えることにより、被熱処理材の端部の温度を制御する方法（以下、「分割傾斜加熱制御法」という）の適用について検討した。

　加熱ゾーンの数は、本発明による課題の解決には影響しないので、以下、説明の便宜上、一方の最端部の加熱ゾーンを「ｍゾーン」、反対側の最端部の加熱ゾーンを「ｎゾーン」とも表示する。

　図６は、分割傾斜加熱制御法を適用した場合のｍゾーンおよびｍゾーンの次の加熱ゾーンにおける被熱処理材の温度分布の測定結果を例示する図である。この例では、最端部のｍゾーンを、端から順に、ｍ－１ゾーン、ｍ－２ゾーンおよびｍ－３ゾーンの３つの加熱ゾーンに等分割し、ｍ－１ゾーンにおいてのみ加熱量（入熱量）を増大させる傾斜加熱を行った。

　図６において、「改造後」とは、ｍゾーンを３分割した熱処理炉を使用して傾斜加熱を行った場合であり、「改造前」とは、同じ３分割した熱処理炉を使用しているが、ｍ－１ゾーン、ｍ－２ゾーンおよびｍ－３ゾーンの加熱量を一律とし、傾斜加熱を行わない従来の加熱方式の場合である。なお、改造後の場合のｍ－１ゾーンに対する加熱量の増大比率は、後述する図７に示した伝熱シミュレーションによる検討結果を参照して、＋３５％とした。

　図６に示した結果から明らかなように、炉の最端部の加熱ゾーンで分割傾斜加熱制御法を適用することにより、被熱処理材の端部のオーバーヒートを許容範囲内に抑え、かつ端部における温度低下を回避して被熱処理材全体を均一に加熱できることがわかる。

　図７は、伝熱シミュレーションによる検討結果であり、分割傾斜加熱制御法を適用した場合のｍ－１ゾーンへの入熱増加量と偏熱の関係を示す図である。ここで「偏熱」とは、ｍゾーンおよびｍゾーンの次の加熱ゾーンでの被熱処理材の温度分布における最高値と最低値の差である。図７に示すように、ｍ－１ゾーンへの入熱増加量が０（すなわち、傾斜加熱を行わない従来の加熱方式）の場合、偏熱は８０℃程度であるのに対し、傾斜加熱を行うことにより偏熱が減少し、入熱増加量が＋３５％のとき１０℃の最小値を示す。

　以上、ｍゾーンを３分割して傾斜加熱する場合について説明したが、一般に、炉の最端部の加熱ゾーン（ｍゾーンおよびｎゾーン）を中央の加熱ゾーンの長さよりも短く分割し、この分割した個々の加熱ゾーンの加熱出力を制御することにより、端部を含めて被熱処理材の全長を均一な温度に加熱できることが判明した。これにより、炉内の空間長さが同じであっても有効炉長を大幅に拡げることが可能になる。

　上記のとおりに炉の最端部の加熱ゾーンで分割した個々の加熱ゾーンの加熱出力の制御は、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、被熱処理材の端部の温度が炉の最端部の加熱ゾーン全域で等しくなるように、分割された最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の出力の比（以下、「加熱出力パターン」という）を予め求めておくことにより行うことができる。

　本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、その要旨は、下記（１）の長尺材の熱処理方法、および（２）の長尺材の製造方法、並びにそれらの熱処理方法および製造方法に用いる（３）の熱処理炉にある。

　（１）両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状のバッチ式熱処理炉を用い、この熱処理炉の内部に長尺の被熱処理材を装入して熱処理を行う長尺材の熱処理方法であって、
　前記熱処理炉は、前記加熱ゾーンのうちで最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、
　当該熱処理方法は、
　（ステップ１）予め、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定すること、
　（ステップ２）被熱処理材の熱処理作業時に、ステップ１で決定した各熱源の加熱出力パターンと、さらに前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内測温結果に基づき、個々の熱源の加熱出力を制御すること、
の一連の各ステップを含むこと、
を特徴とする長尺材の熱処理方法。

　本発明の長尺材の熱処理方法において、ステップ２にて、熱処理作業時に被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力を調整することとすれば、より精度のよい被熱処理材の温度制御が可能になる。

　本発明の長尺材の熱処理方法において、ステップ１および２にて、熱源として電気ヒータを用いることとすれば、加熱出力パターンを調整しやすく、また、被熱処理材の加熱が輻射加熱であれば、精度のよい温度制御を行いやすい。

　（２）上記（１）の長尺材の熱処理方法を用いて熱処理を行うことを特徴とする長尺材の製造方法。

　（３）両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状であり、長尺の被熱処理材を装入されて熱処理を行う長尺材のバッチ式熱処理炉であって、
　当該熱処理炉は、
　前記加熱ゾーンのうちで最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、
　少なくとも前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定する手段と、
　前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内温度を計測する手段と、
　前記加熱ゾーン毎に個々の熱源の加熱出力を制御する手段と、を有すること、
を特徴とする長尺材の熱処理炉。

　本発明の長尺材の熱処理炉は、さらに、被熱処理材の端部の実体温度を計測する手段を有するものであれば、より精度のよい被熱処理材の温度制御が可能になる。

　本発明の長尺材の熱処理炉において、熱源が電気ヒータであれば、加熱出力パターンの調整がしやすく、また、被熱処理材の加熱が輻射加熱によるものであれば、精度のよい温度制御を行いやすい。

　本発明の長尺材の熱処理方法によれば、両端が閉塞され周壁に熱源が配設される一方で両端壁には熱源が設けられていない筒状のバッチ式熱処理炉を使用して熱処理を行うに際し、炉内の空間長さが同じであっても有効炉長をより長く確保し、長尺の被熱処理材を全長にわたり精度よく均一な温度に加熱することができる。これにより、炉体の設備改造費を大幅に低減することができる。

　また、本発明の長尺材の製造方法はこの熱処理方法を用いる製造方法であり、品質特性にバラツキのない長尺材の製造が可能である。
　本発明の長尺材の熱処理炉を使用すれば、本発明の熱処理方法および長尺材の製造方法を容易に実施することができる。

図１は、従来の長尺材用熱処理炉の概略構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）は縦断面図である。 図２は、従来の長尺材の熱処理炉での被熱処理材の長手方向における温度分布の一例を示す図である。 図３は、従来の長尺材の熱処理炉を使用して最端部の加熱ゾーンを中央の加熱ゾーンよりも昇熱し、この場合の被熱処理材の長手方向における温度分布の一例を示す図である。 図４は、遮熱板を設置した熱処理炉の概略構成を示す図であり、図４（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は縦断面図である。 図５は、遮熱板を設置した熱処理炉を使用して最端部の加熱ゾーンおよび最端部の次の加熱ゾーンにおける被熱処理材の温度分布を測定した結果を示す図である。 図６は、分割傾斜加熱制御法を適用した場合のｍゾーンおよびｍゾーンの次の加熱ゾーンにおける被熱処理材の温度分布の測定結果を例示する図である。 図７は、伝熱シミュレーションによる検討結果であり、分割傾斜加熱制御法を適用した場合のｍ－１ゾーンへの入熱増加量と偏熱の関係を示す図である。 図８は、本発明の長尺材の熱処理方法に使用する熱処理炉の概略構成を例示する図であり、図８（ａ）は横断面図、図８（ｂ）は縦断面図である。 図９は、実施例において、熱処理炉内に装入した被熱処理材への熱電対の取り付け位置を示す図である。 図１０は、実施例で得られた結果であり、加熱時における被熱処理材の端部の測温結果の一例を示す図である。

１．長尺材の熱処理方法
　本発明の長尺材の熱処理方法は、前述のように、両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状のバッチ式熱処理炉を用いる熱処理方法であって、熱処理炉の最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、次のステップ１および２を含むことを特徴とする。
　（ステップ１）予め、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定すること、
　（ステップ２）被熱処理材の熱処理作業時に、ステップ１で決定した各熱源の加熱出力パターンと、さらに前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内測温結果に基づき、個々の熱源の加熱出力を制御すること。

　図８は、本発明の長尺材の熱処理方法に使用する熱処理炉の概略構成を例示する図であり、同図（ａ）は横断面図であり、同図（ｂ）は縦断面図である。この熱処理炉は、前記図１に示した複数の加熱ゾーンのうちで、一方の最端部の加熱ゾーン、すなわちｍゾーンを、ｍ－１ゾーン、ｍ－２ゾーンおよびｍ－３ゾーンの３つの加熱ゾーンに分割し、反対側の最端部の加熱ゾーン、すなわちｎゾーンを、ｎ－１ゾーン、ｎ－２ゾーンおよびｎ－３ゾーンの３つの加熱ゾーンに分割した熱処理炉である。

　そして、図８に示すように、この熱処理炉は、両端が閉塞された筒状の容器であり、炉の周壁が水冷壁２および遮熱壁３からなる二重構造とされ、炉の両端壁も水冷壁７および遮熱壁８からなる二重構造とされる。炉の周壁の内周面には、加熱ゾーン毎に熱源として電気ヒータ６が配設されている。ただし、炉の両端壁にはヒータ６は設けられていない。

　本発明の熱処理方法で使用する熱処理炉において、最端部の加熱ゾーン（ｍゾーンおよびｎゾーン）が中央の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーン（ｍ－１ゾーン、ｍ－２ゾーンおよびｍ－３ゾーン、並びにｎ－１ゾーン、ｎ－２ゾーンおよびｎ－３ゾーン）に分割されているのは、例えば、前記図３に示したように、長尺材の熱処理の際、最端部の加熱ゾーン全体を昇熱するのでは、最端部の加熱ゾーンの中央部付近で被熱処理材の温度がオーバーヒートし、炉の端壁に近い被熱処理材の端部では温度が低下し、均一な加熱ができないからである。

　すなわち、本発明の熱処理炉で最端部の加熱ゾーンが複数の加熱ゾーンに分割されているのは、最端部の加熱ゾーンを細分化して、分割した個々の加熱ゾーンにおける各熱源の出力比を調整できるようにするためである。炉の最端部の加熱ゾーンの分割数は、図８に例示した熱処理炉では、ｍゾーンおよびｎゾーンのいずれにおいても３であるが、最端部の加熱ゾーンにおける温度低下の状況を予め把握しておき、それに基づいて適宜定めればよい。

　予め、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定するのは、長尺材の両端部を均一に加熱するためである。

　上記した被熱処理材の実体測温は、炉の最端部の加熱ゾーンを構成する個々の加熱ゾーンでの測温に相当し、被熱処理材の端部の所定部位に熱電対を取り付けて測温することができる。この実体測温により、短く分割された最端部の各加熱ゾーンに対応して、被熱処理材の端部（各加熱ゾーンの各熱源から主として熱を受ける部分）における測温結果を予め求めておき、それに基づいて、分割された個々の加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターン（個々の熱源の出力比）を決定する。

　加熱出力パターンの望ましい例としては、前記の図６、図７に示したように、炉の最端部のｍゾーンを３分割し、そのうちのｍ－１ゾーンでの入熱増加量を＋３５％とするパターンがあげられる。これにより、ｍゾーンおよびｍゾーンの次の加熱ゾーンでの被熱処理材の偏熱を１０℃程度以下に抑えることが期待できる。

　長尺材の熱処理作業時に、上記のとおりに決定した各熱源の加熱出力パターンと、さらに炉の最端部の各加熱ゾーンおよび中央の加熱ゾーン（最端部の加熱ゾーン以外の加熱ゾーン）の炉内測温結果に基づき、個々の熱源の加熱出力を制御するのは、被熱処理材の全長を精度よく均一な温度に加熱するためである。

　すなわち、炉の最端部の各加熱ゾーンについて、前述のように予め決定し設定した加熱出力パターンで加熱するとともに、さらに、炉の最端部の各加熱ゾーンおよび最端部の加熱ゾーン以外の加熱ゾーンでの炉内測温結果を考慮して、個々の熱源の加熱出力を制御する。これにより、被熱処理材の本数や炉内での配置の変動等に起因する炉温の変動を抑え、端部を含めた被熱処理材全長の均一加熱の精度を向上させることができる。

　なお、炉の最端部の各加熱ゾーンにおいては、予め加熱出力パターンが設定されているが、実際の熱処理時における炉内測温結果に基づく加熱出力制御により加熱出力が変更されるので、加熱出力パターンは予め設定したパターンからずれてくる場合もある。

　ところで、前掲の特許文献４に記載された被処理材の温度均一化方法は、予め求めた各偏差設定器の設定値を、加熱に際し被処理材の種別等に応じて変更してから温度制御する点で、本発明の熱処理方法と類似点があるとも言える。

　しかし、特許文献４に記載の方法は、複数の加熱ゾーンの温度制御を、各ゾーンに設けた偏差設定器を用いることにより、一つの温度計での検出値で制御することを主眼とするものである。これに対し、本発明の熱処理方法は、長尺材の端部の温度低下を防止するため、最端部の加熱ゾーンのみを分割して予め加熱出力パターンを設定し、各加熱ゾーンの炉内測温定結果を考慮して、個々の加熱ゾーンにおける熱源の加熱出力を制御する方法であるから、特許文献４に記載の方法とは明白に相違している。

　また、特許文献４に記載の方法では、熱処理中、一定の設定値で制御するのに対し、本発明では、予め設定した加熱出力パターンから次第にずれてくる場合もあり、この点でも異なっている。

　本発明の長尺材の熱処理方法において、さらに、熱処理作業時に被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、炉の最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力を調整する実施形態を採ることができる。被熱処理材の端部の実体測温は、実際の熱処理時に、被熱処理材の端部に熱電対を取り付けて測定する。

　実際の熱処理では、被熱処理材の本数や炉内での配置が異なるため、予め決定し設定した加熱出力パターンで熱処理を開始した後、炉の最端部の各加熱ゾーンおよび最端部の加熱ゾーン以外の加熱ゾーンの炉内測温結果に基づいて個々の熱源の加熱出力を制御する。

　しかし、本発明の長尺材の熱処理方法では、さらに、被熱処理材の端部の実体測温結果に基づいて、各加熱ゾーンの熱源の加熱出力を調整する態様を採用することができる。この調整は、短く分割された最端部の各加熱ゾーンの全てを調整する場合、そのうちの一つだけを調整する場合など、測温結果に応じて種々の態様があり得る。

　この実施態様を採用することによって、被熱処理材の端部における温度のバラツキを一層小さくし、より精度の高い被熱処理材の温度制御が可能となる。

　本発明の長尺材の熱処理方法において、被熱処理材を加熱するための熱源としては電気ヒータを用いるのが好ましい。熱源としては、バーナーやラジアントチューブ等も適用可能であるが、電気ヒータによる加熱が、加熱出力パターンを調整しやすく、好適である。

　また、本発明の長尺材の熱処理方法において、被熱処理材の加熱が輻射加熱であれば、精度のよい温度制御を行いやすい。ただし、本発明の熱処理方法のように、被熱処理材の端部のみを予め定めた加熱出力パターンで制御する場合には、炉内に対流が生じると、加熱出力パターンを決めても、加熱がその通りに行われず、精度のよい制御が難しくなる。

　そのため、本発明の熱処理方法は、真空熱処理炉での制御や、水素ガスのような熱容量の小さいガス雰囲気内における輻射加熱による熱処理炉での制御に適用するのが望ましい。そのうちで、水素ガスはガスの管理が難しい点もあるため、真空熱処理炉での制御に適用するのがより望ましいと言える。

　前述した本発明の長尺材の熱処理方法によれば、両端が閉塞され周壁に熱源が配設される一方で両端壁には熱源が設けられていない筒状のバッチ式熱処理炉を使用した場合に、炉内の空間長さが同じであっても、有効炉長をより長く確保することが可能であり、従来よりも長尺の被熱処理材を全長にわたり精度よく均一な温度に加熱することができる。

　本発明の長尺材の熱処理方法において、炉の最端部の加熱ゾーンの分割は、いずれか一方の最端部でなされていてもよく、その分割された側で前述の効果が得られる。

２．長尺材の製造方法
　本発明の長尺材の製造方法は、前述した本発明の長尺材の熱処理方法を用いて熱処理を行うことを特徴とする製造方法である。

　すなわち、通常行われている長尺材の製造において、熱処理工程のみを本発明の熱処理方法を用いて行い、それ以外の工程は慣用の方法に準じて行う。

　この本発明の長尺材の製造方法によれば、熱処理工程で、従来よりも長尺の被熱処理材を対象として、その全長を均一な温度に加熱することができるので、機械的特性や耐食性等の品質特性にバラツキのない長尺材の製造が可能である。

３．長尺材の熱処理炉
　本発明の長尺材の熱処理炉は、両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状であり、長尺の被熱処理材を装入されて熱処理を行う長尺材のバッチ式熱処理炉であって、次の構成からなることを特徴とする。すなわち、本発明の熱処理炉は、前記加熱ゾーンのうちで最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されている。そして、本発明の熱処理炉は、少なくとも前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定する手段と、前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内温度を計測する手段と、前記加熱ゾーン毎に個々の熱源の加熱出力を制御する手段と、を有する。

　本発明の長尺材の熱処理炉は、前記図８に示す概略構成で例示される。なお、同図で例示される構成では、炉の両端部のいずれの加熱ゾーン（ｍゾーンおよびｎゾーン）も短く分割されているが、いずれか一方の最端部の加熱ゾーンが分割された熱処理炉であってもよい。

　本発明の熱処理炉において、最端部の加熱ゾーンが中央の加熱ゾーンの長さよりも短く分割されているのは、本発明の熱処理方法で述べたように、最端部の加熱ゾーンを短く分割し、分割した個々の加熱ゾーンにそれぞれ配設した各熱源の出力比を調整するためである。

　本発明の熱処理炉において、少なくとも最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定する手段を有するのは、長尺材の両端部を均一加熱するためである。なお、「少なくとも」としているのは、短く分割された加熱ゾーン以外の加熱ゾーンも含めた加熱出力パターンを決定する手段を有していてもよいことを意味する。

　前記の加熱出力パターンを決定するに際し、手順としては、先ず、炉の最端部の加熱ゾーンを構成する各加熱ゾーンに対応して、被熱処理材の端部における測温結果を予め求めておくことが必要であるが、この実体測温結果は、被熱処理材の端部に熱電対を取り付けて測温することにより予め得られる。次に、この実体測温結果に基づいて、炉の最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターン（個々の熱源の出力比）を決定するのであるが、これは、操業者が前記実体測温結果に基づいて設定することが可能である。

　また、熱処理炉に、例えば出力パターン設定器を取り付け、これに前記実体測温結果と設定すべき加熱出力パターンとの関係を予め入力しておき、出力パターン設定器が測温結果の信号を受けて、その個々の測温結果に基づいて適正な加熱出力パターンを選定し、個々の加熱ゾーンの熱源にそれぞれ出力指示を与える方式を採ることも可能である。

　したがって、前記の加熱出力パターンを決定する手段としては、被熱処理材に取り付ける熱電対とその実体測温結果に基づき人為的に決定する手法、または出力パターン設定器によりいわば自動的に決定する手法等を挙げることができる。

　本発明の熱処理炉において、最端部の各加熱ゾーンおよび最端部以外の加熱ゾーンの炉内温度を計測する手段と、加熱ゾーン毎に個々の熱源の加熱出力を制御する手段を有することとするのは、個々の加熱ゾーンの熱源の加熱出力を制御することによって、熱処理中における炉温の変動を抑え、端部を含めた被熱処理材の全長にわたる均一加熱の精度を向上させるためである。

　加熱ゾーン毎の炉温測定手段としては、従来、炉内温度の測定に使用されている温度検出器を用いればよい。例えば、熱電対が挙げられる。

　加熱出力制御手段としては、炉内温度の目標値を予め入力しておき、温度検出器からの信号をこの目標温度と対比して、ＰＩＤ制御を行いながら熱源に制御信号を出力する出力制御器などが使用できる。

　本発明の長尺材の熱処理炉は、さらに、被熱処理材の端部の実体温度を計測する手段を有するものであれば、より精度のよい被熱処理材の温度制御が可能になる。

　前記の温度測定手段としては、実際の熱処理時に、被熱処理材の端部に取り付けて測定することが可能な熱電対が挙げられる。

　以上述べた本発明の長尺材の熱処理炉を使用すれば、本発明の熱処理方法および長尺材の製造方法を容易に実施することができる。

　なお、本発明の熱処理方法による実用的な熱処理操業の態様は、次の通りである。熱処理炉としては、電気ヒータを熱源とした真空熱処理炉を採用する：
（１）熱処理の際、先ず、炉の最端部の加熱ゾーンを除く中央の加熱ゾーンの炉内温度を、初期目標温度（最終的に被熱処理材に求められる材料温度よりも低い温度）まで一括して制御する；
（２）初期目標温度に到達した後、全ての加熱ゾーンを個別制御に切換え、各加熱ゾーンの炉内温度を目標温度（最終的に被熱処理材に求められる材料温度）まで個別制御する；
（３）炉の最端部の加熱ゾーンに関しては、予め分割傾斜加熱制御法により、予め決定し設定した加熱出力パターンで傾斜加熱の制御をする；
（４）被熱処理材の温度が管理値となるように、各加熱ゾーンの炉内温度を微調整する。

　前記図８に示した構成を有する本発明の熱処理炉を用い、炉内に長尺の被熱処理材（長尺材）として金属管を装入し、本発明の熱処理方法を適用して加熱したときの被熱処理材の端部における温度分布を調査した。比較のために、従来の熱処理方法を適用した場合についても同様の調査を行った。

　使用した熱処理炉は、内部がｍゾーンからｎゾーンまでの複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンの長さは３ｍである。ここで、一方の最端部であるｍゾーンは、端から順に、ｍ－１ゾーン、ｍ－２ゾーンおよびｍ－３ゾーンに３分割され、反対側の最端部であるｎゾーンは、端から順に、ｎ－１ゾーン、ｎ－２ゾーンおよびｎ－３ゾーンに３分割されている。最端部のｍゾーンおよびｎゾーンを構成する各加熱ゾーンの分割後の長さは、いずれも１ｍである。

　この熱処理炉内に、ｍゾーンの最端部となるｍ－１ゾーンに被熱処理材の管端が位置するように被熱処理材を配置し、炉の端壁から６００ｍｍの位置を始めとして２００ｍｍピッチで計４箇所、および同端壁から１５００ｍｍの位置の合計５箇所に熱電対を取り付けた。

　図９は、熱電対の取り付け位置を示す図である。ｎゾーンにおいても、ｍゾーンにおける状況と同様に被熱処理材の合計５箇所に熱電対を取り付けた。同図中の丸付き数字の１～５および６～１０は熱電対の取り付け位置を示す。

　ｍゾーンの３分割した各加熱ゾーン（ｍ－１、ｍ－２およびｍ－３の各ゾーン）の各熱源の出力を、中央の加熱ゾーンでの出力と同じ、すなわち、中央の加熱ゾーンの各熱源に対して出力比１００％として加熱を開始し、その後途中で、ｍ－１ゾーンの出力比を１４２％、ｍ－２ゾーンの出力比を８５％に変更して加熱した（ｍ－３ゾーンの出力比は変更せず、１００％のまま）。

　すなわち、実施例の試験では、本発明の熱処理方法で採用する分割傾斜加熱制御法を適用した。ここでの出力比は、予め求めた被熱処理材の実体測温結果に基づいて決定し設定した。なお、ｎゾーンにおいても、加熱の途中で同様に出力比を変更して加熱した。

　図１０に、被熱処理材の端部における測温結果の一例を示す。図１０は、被熱処理材の測温結果を自動で記録したチャートであり、図１０中に示した丸付き数字の１～１０は、前記図９に示した各取り付け位置での熱電対で測定した材料温度を表す。

　図１０に示したように、加熱開始（昇温）後、出力変更（傾斜加熱開始）の前までは、個々の熱電対で測定した温度のうち、特に端部に近い位置で測定された被熱処理材の温度（丸付き数字の１、２および６、７）は目標温度±１０℃から大きく外れており、目標温度との差は最大で５０℃程度であった。

　加熱の途中で、ｍ－１ゾーンおよびｍ－２ゾーンの熱源に与える出力を前記のように変更して傾斜加熱を開始した後は、図１０中に楕円印（破線）を付したように、被熱処理材の温度は、いずれの測温箇所においても目標温度に対して±１０℃以内に抑えられていることがわかる。

　前記図６は、このようにして行った被熱処理材の端部における測温結果の一例を整理して得られた図である。ｍゾーンの３分割した各加熱ゾーン（ｍ－１、ｍ－２およびｍ－３の各ゾーン）の出力比をいずれも１００％とした場合（図中に白抜き四角印（□）で「改造前」と表示）は、被熱処理材の端部に近い位置（ｍ－１ゾーンの中央付近）で、ｍゾーンの次の加熱ゾーンと４５℃程度の温度差があった。これに対し、本発明の熱処理方法を適用した場合（図中に黒塗り丸印（●）で「改造後」と表示）は、７℃以内と、ｍゾーンの次の加熱ゾーンとの温度差が大幅に縮小されていることがわかる。

　図１０、さらには前記図６の結果から、本発明の熱処理方法を適用することにより、両端壁に熱源が設けられていない筒状のバッチ式熱処理炉において有効炉長をより長く確保し、長尺の被熱処理材の端部を含む全長にわたり、目標温度に対して±１０℃以内での温度管理を十分に行えることが確認できた。

　本発明の長尺材の熱処理方法によれば、有効炉長をより長く確保し、長尺の被熱処理材を全長にわたり精度よく均一な温度に加熱することができる。
　この熱処理方法を用いる本発明の長尺材の製造方法によれば、機械的特性や耐食性等の品質特性にバラツキのない材料の製造が可能である。また、本発明の長尺材の熱処理炉を使用すれば、本発明の熱処理方法および製造方法を容易に実施することができる。
　したがって、本発明の熱処理方法、この方法を適用する本発明の長尺材の製造方法および本発明の熱処理炉は、長尺材の熱処理および製造に有効に利用することができる。

　　１：電気ヒータ、　　２：水冷壁、　　３：遮熱壁、
　　４：台車、　　５：被熱処理材、　　６：電気ヒータ、
　　７：水冷壁、　　８：遮熱壁、　　９：遮熱板
 

Claims (9)

1. 　両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状のバッチ式熱処理炉を用い、この熱処理炉の内部に長尺の被熱処理材を装入して熱処理を行う長尺材の熱処理方法であって、
   　前記熱処理炉は、前記加熱ゾーンのうちで最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、
   　当該熱処理方法は、
   　（ステップ１）予め、加熱時における被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定すること、
   　（ステップ２）被熱処理材の熱処理作業時に、ステップ１で決定した各熱源の加熱出力パターンと、さらに前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内測温結果に基づき、個々の熱源の加熱出力を制御すること、
   の一連の各ステップを含むこと、
   を特徴とする長尺材の熱処理方法。
2. 　ステップ２では、
   　熱処理作業時に被熱処理材の端部での実体測温結果に基づき、前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力を調整すること、
   を特徴とする請求項１に記載の長尺材の熱処理方法。
3. 　ステップ１および２では、熱源として電気ヒータを用いること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の長尺材の熱処理方法。
4. 　被熱処理材の加熱が輻射加熱であること、
   を特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の長尺材の熱処理方法。
5. 　請求項１～４のいずれかに記載の熱処理方法を用いて熱処理を行うこと、
   を特徴とする長尺材の製造方法。
6. 　両端が閉塞され内部が長手方向に複数の加熱ゾーンに分割された筒状であり、長尺の被熱処理材を装入されて熱処理を行う長尺材のバッチ式熱処理炉であって、
   　当該熱処理炉は、
   　前記加熱ゾーンのうちで最端部の加熱ゾーンがその最端部以外の加熱ゾーンの長さよりも短い複数の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーンにそれぞれ熱源が配設されており、
   　少なくとも前記最端部の各加熱ゾーンにおける各熱源の加熱出力パターンを決定する手段と、
   　前記最端部の各加熱ゾーンおよび前記最端部以外の加熱ゾーンの炉内温度を計測する手段と、
   　前記加熱ゾーン毎に個々の熱源の加熱出力を制御する手段と、を有すること、
   を特徴とする長尺材の熱処理炉。
7. 　さらに被熱処理材の端部の実体温度を計測する手段を有すること、
   を特徴とする請求項６に記載の長尺材の熱処理炉。
8. 　熱源が電気ヒータであること、
   を特徴とする請求項６または７に記載の長尺材の熱処理炉。
9. 　被熱処理材の加熱が輻射加熱であること、
   を特徴とする請求項６～８のいずれかに記載の長尺材の熱処理炉。
    

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