熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法

熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法
【專利摘要】具備測定用窗(32)和溫度傳感器(34)，該測定用窗(32)能夠直視設于熱處理爐(10)的熱處理品(1)的被測定面(1a)，該溫度傳感器(34)設于測定用窗的外側，并能夠通過測定用窗而非接觸地測定被測定面(1a)的表面溫度。溫度傳感器(34)具有水的吸收率少的測定波長域(例如1.95μm~2.5μm)。另外，測定用窗(32)由在上述測定波長域具有高的透射率的窗材(例如鍺)構成。
【專利說明】熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及處于加熱后的噴霧冷卻中的熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法。
【背景技術】
[0002]作為將作為熱處理品的金屬材料在加熱后冷卻的手段，已知水冷、油冷、氣體冷卻、噴霧冷卻等。
[0003]其中，噴霧冷卻為將熱處理品包圍地配置多個噴嘴，噴霧式地從噴嘴供給冷卻液，由包含冷卻液的霧氣來冷卻被處理物。此外，霧氣意味著包含冷卻液的液滴的氣體。
[0004]在例如專利文獻I中公開了熱處理品的溫度計測手段。另外，在例如專利文獻2、3中公開了噴霧冷卻和處于噴霧冷卻中的熱處理品的溫度計測手段。
[0005]專利文獻I公開了一種方法，該方法通過在具有與熱處理品同等的特性的模擬樣品的內部設置溫度傳感器(熱電偶)并計測模擬樣品的溫度，從而與直接計測熱處理品的溫度同樣地管理熱處理品的正確的溫度。
[0006]專利文獻2、3列舉了作為處于噴霧冷卻中的熱處理品的溫度計測手段而設于熱處理品的表面的熱電偶和如放射溫度計那樣的非接觸式的溫度計測器。
[0007]專利文獻
專利文獻1:日本特開2009-035792號公報，“熱處理方法和熱處理裝置”；
專利文獻2:日本特開2010-38531號公報，“熱處理裝置”；
專利文獻3:日本特開2010-249332號公報，“熱處理裝置和熱處理方法”。

【發明內容】

[0008]發明要解決的問題
通過在噴霧冷卻中進行熱處理品的溫度測定，從而能夠控制熱處理品的冷卻速度，且熱處理品的燒裂防止和冷卻后的熱處理品的低形變化成為可能。
[0009]然而，霧氣所存在的熱處理爐(例如真空熱處理爐)內的熱處理品的溫度測定，容易受到外界干擾的影響。尤其是在將熱電偶安裝于熱處理品的表面的情況下，熱電偶與霧氣直接接觸，因而受到霧氣的流動和溫度的影響。另外，由于從爐外插入熱電偶，因而存在著從插入口受到外部氣體等的外界干擾的可能性。
[0010]本發明的目的在于，提供一種熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法，能夠對在熱處理爐內在加熱后噴霧冷卻的熱處理品的表面溫度進行溫度測定而不受霧氣的流動和溫度以及外部氣體等的影響。
[0011]用于解決問題的方案
依照本發明，提供了一種熱處理品的溫度測定裝置，該熱處理品收容于熱處理爐內，該熱處理爐具備以包含冷卻液的液滴的霧氣來進行冷卻的噴霧冷卻裝置，
該熱處理品的溫度測定裝置具備測定用窗和溫度傳感器，該測定用窗能夠直視設于上述熱處理爐的上述熱處理品的被測定面，該溫度傳感器設于該測定用窗的外側，并能夠通過測定用窗而非接觸地測定上述被測定面的表面溫度，
上述溫度傳感器具有水的吸收率不滿100%的測定波長域，上述測定用窗由在上述測定波長域具有高于0%的透射率的窗材構成。
[0012]另外，依照本發明，提供了一種熱處理品的溫度測定方法，該熱處理品收容于熱處理爐內，該熱處理爐具備以包含冷卻液的液滴的霧氣來進行冷卻的噴霧冷卻裝置，該溫度測定方法包括:
(A)選定溫度傳感器和窗材，該溫度傳感器將水的吸收率不滿100%的波長域作為測定波長域，能夠非接觸地測定熱處理品的被測定面的表面溫度，該窗材在該波長域具有高于0%的透射率，
(B)通過由上述窗材構成的測定用窗而由上述溫度傳感器測定熱處理品的被測定面的表面溫度。
[0013]依照上述本發明的裝置和方法，具有水的吸收率不滿100%的測定波長域(例如，
1.95~2.54!11)，測定用窗由在上述測定波長域具有高于0%的透射率的窗材(例如鍺)構成，因而利用設于測定用窗的外側的溫度傳感器(例如紅外線溫度傳感器)，能夠通過測定用窗而非接觸地測定熱處理品的被測定面的表面溫度。
[0014]另外，即使熱處理品的表面(被測定面)與霧氣直接接觸，來自熱處理品的表面的紅外線放射也不受霧氣的流動和溫度的影響。另外，由于從測定用窗的外側通過窗材而測定熱處理品的被測定面的表面溫度，因而沒有來自爐外的插入口，不會從插入口受到外部氣體等的外界干擾。
[0015]所以，由于難以受到冷卻中的霧氣的流動和霧氣溫度的影響，因而能夠從爐外測定熱處理品的被測定面的表面溫度。
[0016]另外，能夠考慮熱處理品的組成變化而控制冷卻速度，因而能夠實現燒裂防止和低形變化，能夠大幅地提高熱處理品的品質。
[0017]即，通過噴霧冷卻中的處理溫度測定，從而能夠把握需要快速的冷卻速度的期間并僅在該期間進行噴霧急速冷卻。另外，通過監視鋼的相變開始的溫度Ms點和相變終止的Mf點，從而能夠控制成適合于溫度域的冷卻速度。由此，能夠實現熱處理品的燒裂防止和低形變化。可以說這樣的在噴霧冷卻中對處理品溫度進行管理、溫度控制的技術在品質提高方面具有大的效果。
[0018]發明效果
依照本發明，能夠提供一種熱處理品的溫度測定裝置和溫度測定方法，能夠對在熱處理爐內在加熱后噴霧冷卻的熱處理品的表面溫度進行溫度測定而不受霧氣的流動和溫度以及外部氣體等的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是顯示具備本發明的溫度測定裝置的熱處理爐的實施方式的縱剖面圖。
[0020]圖2是本實施例所涉及的熱處理品的溫度測定方法的整體流程圖。
[0021]圖3是顯示大氣的各波長的吸收率的圖。
[0022]圖4是顯示一般的窗材的透射率的圖。[0023]圖5是耐熱玻璃的波長和透射率的關系圖。
[0024]圖6是顯示基于Ge窗和長波長溫度傳感器的組合的溫度測定結果的圖。
[0025]圖7是顯示基于耐熱玻璃窗和短波長溫度傳感器的組合的溫度測定結果的圖。
[0026]圖8是顯示基于Ge窗和短波長溫度傳感器的組合的溫度測定結果的圖。
【具體實施方式】
[0027]以下，參照附圖，說明本發明的優選實施例。此外，在各圖中，對于共同的部分添附了相同的符號，并省略重復的說明。
[0028]圖1是顯示具備本發明的溫度測定裝置30的熱處理爐10的實施方式的縱剖面圖。
[0029]在該示例中，熱處理爐10為進行熱處理品I (被處理物)的加熱處理的真空熱處理爐。此外，本發明不限定于真空熱處理爐，只要進行熱處理品I的熱處理，那么也可以為其他的熱處理爐。
[0030]熱處理品I (被處理物)例如為模具鋼(SKD材料)或高速鋼(SKH材料)，但是也可以為必須進行熱處理的其他的金屬材料。
[0031]熱處理品I的大小例如為直徑10(T300mm、高度10(T300mm的圓柱形部件，但本發明不限定于此，也可以為其他的形狀。
[0032]在圖1中，熱處理爐10具有爐體12。
[0033]爐體12為中空的氣密容器，在該示例中，由軸心鉛直的中空圓筒形的爐體筒殼12a、阻塞爐體筒殼12a的下面的爐體底12b以及阻塞爐體筒殼12a的上面的爐體蓋12c構成。
[0034]爐體筒殼12a在該示例中為上下端開口的中空圓筒形的金屬管，在爐體筒殼12a的上下端具有連結用的凸緣13。此外，也可以將冷卻用的護套設于爐體筒殼12a。
[0035]另外，在該示例中，測定用窗32 (后述)用的貫通管16氣密地安裝在爐體筒殼12a。
[0036]貫通管16在該示例中由水平貫通管16a和傾斜貫通管16b構成，配置成各自的軸線與熱處理品I的表面(被測定面Ia)交叉，并能夠通過各貫通管16的內側而直視熱處理品I的被測定面la。
[0037]另外，在該示例中，傾斜貫通管16b相對于水平而向下傾斜地設置。依照該構成，容易由溫度傳感器瞄準熱處理品的中心部分，因而不論熱處理品的尺寸如何，溫度數據的波動變少。
[0038]爐體底12b為外緣部連結至爐體筒殼12a的下端凸緣13的圓形的平板。在爐體底12b，設有排出口 14，能夠將流體(冷卻液、冷卻氣體)從爐體12排出至外部。
[0039]爐體蓋12c為外緣部連結至爐體筒殼12a的上端凸緣13的圓形的平板。在爐體蓋12c的中心部，設有開口 15，能夠通過該開口 15而將熱處理品I從上方的真空處理室(圖中未顯示)插入熱處理爐10的內部并取出至外部。
[0040]在圖1中，2為支撐熱處理品I的支撐部件。
[0041]此外，支撐部件2的構成不限定于該示例，也可以為其他的構成。
[0042]在圖1中，熱處理爐10還具備噴霧冷卻裝置20。[0043]噴霧冷卻裝置20具備多個噴嘴22、流體供給管24以及流體供給裝置26。
[0044]多個噴嘴22為噴射流體(冷卻液、冷卻氣體)的噴嘴，將熱處理品I包圍而設置于爐體12的內側。在該示例中，4個噴嘴22從熱處理品I的上方向下地安裝，另外的4個噴嘴22從熱處理品I的下方向上地安裝。此外，噴嘴22的個數和方向為任意。
[0045]此外，也可以將噴嘴22區分成液用和氣用而使用不同的構造的噴嘴。
[0046]流體供給管24為連結多個噴嘴22和流體供給裝置26的管路，將流體(冷卻液、冷卻氣體)從流體供給裝置26供給至多個噴嘴22。
[0047]此外，也可以將流體供給管24區分成液用和氣用而使用不同的配管。另外，在流體供給管24的途中，也可以設置泵、壓縮機、閥(流量調節閥、壓力調節閥等)。
[0048]流體供給裝置26回收從爐體12的排出口 14排出的流體(冷卻液、冷卻氣體)并循環地供給至流體供給管24。
[0049]冷卻液為水或以水作為主要成分的冷卻液。另外，冷卻氣體優選為氬、氦、氮等的不活潑氣體。
[0050]另外，流體供給裝置26具備將回收后的流體(冷卻液、冷卻氣體)冷卻并加壓的裝置、壓力控制裝置以及流量控制裝置。
[0051]此外，也可以將流體供給裝置26區分成液用和氣用而分別獨立地供給冷卻液或冷卻氣體。
[0052]利用上述的噴霧冷卻裝置20，將冷卻液和冷卻氣體同時或交替地供給至噴嘴22，從噴嘴22噴霧狀地噴射至爐體12內，在噴嘴22的內部或外部，形成包含冷卻液的液滴的霧氣，利用該霧氣，能夠將熱`處理品I冷卻(噴霧冷卻)。
[0053]另外,霧氣所包含的冷卻液為水或以水作為主要成分，因而利用冷卻液的液滴的蒸發潛熱，具有比現有的氣體冷卻更高的冷卻能力。
[0054]另外，由于能夠任意地調整構成霧氣的冷卻液和冷卻氣體的比率，因而能夠在寬廣的范圍內自由地調整霧氣的冷卻能力。
[0055]在圖1中，熱處理爐10還具備溫度測定裝置30。
[0056]溫度測定裝置30具備測定用窗32、溫度傳感器34以及溫度修正裝置36。
[0057]測定用窗32氣密地安裝在設于爐體筒殼12a的貫通管16的外方端。另外，測定用窗32由在溫度傳感器34的測定波長域具有高的光(紅外線)透射率的窗材構成。該透射率優選高于0%。
[0058]如此的窗材，例如以鍺、硅、硒化鋅、藍寶石或石英作為主要成分。
[0059]溫度傳感器34設于測定用窗32的外側，通過測定用窗32而測定熱處理品I的被測定面Ia的表面溫度。該溫度傳感器34具有水對光(紅外線)的吸收率少的測定波長域。該吸收率優選不滿100%。
[0060]該測定波長域優選為1.95 μ π 2.5 μ m的紅外線區域。另外，溫度傳感器34優選為具有1.95 μ π 2.5 μ m的測定波長域的紅外線溫度傳感器。
[0061]溫度修正裝置36基于熱處理品的放射率的修正系數、窗材的透射率的修正系數、或者霧氣濃度的修正系數而修正由溫度傳感器34進行溫度測定的溫度測定值。
[0062]依照上述的溫度測定裝置30的構成，難以受到冷卻中的霧氣的流動和霧氣溫度的影響，因而能夠從爐外極為正確地測定熱處理品I的表面溫度。因此，能夠大幅地提高熱處理品的品質。
[0063]圖2是本實施例所涉及的熱處理品的溫度測定方法的整體流程圖。
[0064]在該圖中，本實施例的溫度測定方法由Sf S5的各步驟(工序)構成。
[0065]在步驟SI (波長域的設定)中，設定水的吸收率少的波長域。該波長域在后述的實施例中為1.95^2.5 μ m0
[0066]在步驟S2 (溫度傳感器的選定)中，選定溫度傳感器34，該溫度傳感器34將已設定的波長域作為測定波長域，并能夠非接觸地測定熱處理品I的被測定面。
[0067]該溫度傳感器34在后述的實施例中為紅外線溫度傳感器。
[0068]在步驟S3 (窗材的選定)中，選定在已設定的波長域(測定波長域)具有高的透射率的窗材。
[0069]該窗材在后述的實施例中為鍺。
[0070]在步驟S4中，通過由已選定的窗材構成的測定用窗32而由溫度傳感器34測定熱處理品I的被測定面Ia的表面溫度。[0071]在步驟S5中，基于熱處理品的放射率的修正系數、窗材的透射率的修正系數、或者霧氣濃度的修正系數而修正由溫度傳感器測定的溫度測定值。
[0072]依照上述的溫度測定方法，難以受到冷卻中的霧氣的流動和霧氣溫度的影響，因而能夠從爐外極為正確地測定熱處理品I的表面溫度。另外，能夠考慮熱處理品I的組成變化而控制冷卻速度。因此，能夠實現燒裂防止和低形變化，能夠大幅地提高熱處理品I的品質。
[0073](關于水的吸收率少的區域和窗材)
圖3是顯示大氣的各波長的吸收率的圖。根據該圖，由雙箭頭表示的波長f 2.5μ m、3飛μ m、7~14 μ m的范圍的大氣的吸收率小，該范圍被稱為“大氣之窗”。在吸收率高的波長域，顯示了主要進行吸收的大氣的主要成分。依照圖3，可知在大氣之窗的波長域中，水的吸收率少。
[0074]圖4是顯示一般的窗材的透射率的圖。如該圖所示，已知石英在波長廣2.5μπι和3~4 μ m處透射率高，在波長2.5^3 μ m和4-4.5 μ m處透射率大大地減少，在大于波長
4.5 μ m的波長處幾乎不能透射。
[0075]相對于此，已知Ge (鍺)、Si (硅),ZnSe (硒化鋅)從波長L 8 μ m的短波長至波長20 μ m的長波長擁有聞的透射率。
[0076]在本實施例中，通過選定將水的吸收率少的波長域作為測定波長域的溫度傳感器34，進而組合在該波長域(測定波長域)擁有高的透射率的窗材，從而能夠測定噴霧冷卻中的處理品溫度。
[0077]作為窗材，選定耐熱玻璃(注冊商標=Pyrex)和Ge (鍺)，作為溫度傳感器，選定測定波長域8~13 μ m和1.95^2.5 μ m的紅外線溫度傳感器。
[0078]另外，作為熱處理品I的試驗件，使用直徑80mm、高度80mm的不銹鋼(SUS304)。將熱電偶埋入從該試驗件的表面起5_的位置而測定該位置的溫度，同時由已選定的2種溫度傳感器來測定表面溫度。以下，將測定波長域8~13 μ m的紅外線溫度傳感器稱為“長波長溫度傳感器”，將測定波長域1.95^2.5 μ m的紅外線溫度傳感器稱為“短波長溫度傳感器”。
[0079]將加熱至約850°C的試驗件噴霧冷卻至室溫，以熱電偶(T/C)和溫度傳感器(長波長溫度傳感器和短波長溫度傳感器)實施噴霧冷卻中的溫度測定，比較其測定數據。在表I中表示其結果。
[0080](表1)
【權利要求】
1.一種熱處理品的溫度測定裝置，該熱處理品收容于熱處理爐內，該熱處理爐具備以包含冷卻液的液滴的霧氣來進行冷卻的噴霧冷卻裝置， 該熱處理品的溫度測定裝置具備測定用窗和溫度傳感器，該測定用窗能夠直視設于所述熱處理爐的所述熱處理品的被測定面，該溫度傳感器設于該測定用窗的外側，并能夠通過測定用窗而非接觸地測定所述被測定面的表面溫度， 所述溫度傳感器具有水的吸收率不滿100%的測定波長域， 所述測定用窗由在所述測定波長域具有高于0%的透射率的窗材構成。
2.根據權利要求1所述的溫度測定裝置，具備溫度修正裝置，該溫度修正裝置基于熱處理品的放射率的修正系數、窗材的透射率的修正系數、或者霧氣濃度的修正系數而修正由所述溫度傳感器測定的溫度測定值。
3.根據權利要求1或2所述的溫度測定裝置，所述溫度傳感器為具有1.95 μm~2.5 μ m的測定波長域的紅外線溫度傳感器。
4.根據權利要求廣3中的任一項所述的溫度測定裝置，所述測定用窗的窗材以鍺、硅、硒化鋅、藍寶石或石英作為主要成分。
5.根據權利要求1~4中的任一項所述的溫度測定裝置，所述測定用窗相對于水平而向下傾斜地設于所述熱處理爐。
6.一種熱處理品的溫度測定方法，該熱處理品收容于熱處理爐內，該熱處理爐具備以包含冷卻液的液滴的霧氣來進行冷卻的噴霧冷卻裝置，該溫度測定方法包括: (A)選定溫度傳感器和窗材，該溫度傳感器將水的吸收率不滿100%的波長域作為測定波長域，能夠非接觸地測定熱處理品的被測定面的表面溫度，該窗材在該波長域具有高于0%的透射率， (B)通過由所述窗材構成的測定用窗而由所述溫度傳感器測定熱處理品的被測定面的表面溫度。
7.根據權利要求6所述的溫度測定方法，基于熱處理品的放射率的修正系數、窗材的透射率的修正系數、或者霧氣濃度的修正系數而修正由所述溫度傳感器測定的溫度測定值。
【文檔編號】G01J5/06GK103534547SQ201280010787
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年2月27日 優先權日:2011年2月28日
【發明者】勝俁和彥, 井上純治, 島田嵩久, 工藤晉也, 上田亞實 申請人:株式會社 Ihi, Ihi 機械系統股份有限公司