热处理品的温度测定装置和温度测定方法
【专利摘要】具备测定用窗(32)和温度传感器(34)，该测定用窗(32)能够直视设于热处理炉(10)的热处理品(1)的被测定面(1a)，该温度传感器(34)设于测定用窗的外侧，并能够通过测定用窗而非接触地测定被测定面(1a)的表面温度。温度传感器(34)具有水的吸收率少的测定波长域(例如1.95μm~2.5μm)。另外，测定用窗(32)由在上述测定波长域具有高的透射率的窗材(例如锗)构成。
【专利说明】热处理品的温度测定装置和温度测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及处于加热后的喷雾冷却中的热处理品的温度测定装置和温度测定方法。
【背景技术】
[0002]作为将作为热处理品的金属材料在加热后冷却的手段，已知水冷、油冷、气体冷却、喷雾冷却等。
[0003]其中，喷雾冷却为将热处理品包围地配置多个喷嘴，喷雾式地从喷嘴供给冷却液，由包含冷却液的雾气来冷却被处理物。此外，雾气意味着包含冷却液的液滴的气体。
[0004]在例如专利文献I中公开了热处理品的温度计测手段。另外，在例如专利文献2、3中公开了喷雾冷却和处于喷雾冷却中的热处理品的温度计测手段。
[0005]专利文献I公开了一种方法，该方法通过在具有与热处理品同等的特性的模拟样品的内部设置温度传感器(热电偶)并计测模拟样品的温度，从而与直接计测热处理品的温度同样地管理热处理品的正确的温度。
[0006]专利文献2、3列举了作为处于喷雾冷却中的热处理品的温度计测手段而设于热处理品的表面的热电偶和如放射温度计那样的非接触式的温度计测器。
[0007]专利文献
专利文献1:日本特开2009-035792号公报，“热处理方法和热处理装置”；
专利文献2:日本特开2010-38531号公报，“热处理装置”；
专利文献3:日本特开2010-249332号公报，“热处理装置和热处理方法”。
【发明内容】
[0008]发明要解决的问题
通过在喷雾冷却中进行热处理品的温度测定，从而能够控制热处理品的冷却速度，且热处理品的烧裂防止和冷却后的热处理品的低形变化成为可能。
[0009]然而，雾气所存在的热处理炉(例如真空热处理炉)内的热处理品的温度测定，容易受到外界干扰的影响。尤其是在将热电偶安装于热处理品的表面的情况下，热电偶与雾气直接接触，因而受到雾气的流动和温度的影响。另外，由于从炉外插入热电偶，因而存在着从插入口受到外部气体等的外界干扰的可能性。
[0010]本发明的目的在于，提供一种热处理品的温度测定装置和温度测定方法，能够对在热处理炉内在加热后喷雾冷却的热处理品的表面温度进行温度测定而不受雾气的流动和温度以及外部气体等的影响。
[0011]用于解决问题的方案
依照本发明，提供了一种热处理品的温度测定装置，该热处理品收容于热处理炉内，该热处理炉具备以包含冷却液的液滴的雾气来进行冷却的喷雾冷却装置，
该热处理品的温度测定装置具备测定用窗和温度传感器，该测定用窗能够直视设于上述热处理炉的上述热处理品的被测定面，该温度传感器设于该测定用窗的外侧，并能够通过测定用窗而非接触地测定上述被测定面的表面温度，
上述温度传感器具有水的吸收率不满100%的测定波长域，上述测定用窗由在上述测定波长域具有高于0%的透射率的窗材构成。
[0012]另外，依照本发明，提供了一种热处理品的温度测定方法，该热处理品收容于热处理炉内，该热处理炉具备以包含冷却液的液滴的雾气来进行冷却的喷雾冷却装置，该温度测定方法包括:
(A)选定温度传感器和窗材，该温度传感器将水的吸收率不满100%的波长域作为测定波长域，能够非接触地测定热处理品的被测定面的表面温度，该窗材在该波长域具有高于0%的透射率，
(B)通过由上述窗材构成的测定用窗而由上述温度传感器测定热处理品的被测定面的表面温度。
[0013]依照上述本发明的装置和方法，具有水的吸收率不满100%的测定波长域(例如，
1.95~2.54!11)，测定用窗由在上述测定波长域具有高于0%的透射率的窗材(例如锗)构成，因而利用设于测定用窗的外侧的温度传感器(例如红外线温度传感器)，能够通过测定用窗而非接触地测定热处理品的被测定面的表面温度。
[0014]另外，即使热处理品的表面(被测定面)与雾气直接接触，来自热处理品的表面的红外线放射也不受雾气的流动和温度的影响。另外，由于从测定用窗的外侧通过窗材而测定热处理品的被测定面的表面温度，因而没有来自炉外的插入口，不会从插入口受到外部气体等的外界干扰。
[0015]所以，由于难以受到冷却中的雾气的流动和雾气温度的影响，因而能够从炉外测定热处理品的被测定面的表面温度。
[0016]另外，能够考虑热处理品的组成变化而控制冷却速度，因而能够实现烧裂防止和低形变化，能够大幅地提高热处理品的品质。
[0017]即，通过喷雾冷却中的处理温度测定，从而能够把握需要快速的冷却速度的期间并仅在该期间进行喷雾急速冷却。另外，通过监视钢的相变开始的温度Ms点和相变终止的Mf点，从而能够控制成适合于温度域的冷却速度。由此，能够实现热处理品的烧裂防止和低形变化。可以说这样的在喷雾冷却中对处理品温度进行管理、温度控制的技术在品质提高方面具有大的效果。
[0018]发明效果
依照本发明，能够提供一种热处理品的温度测定装置和温度测定方法，能够对在热处理炉内在加热后喷雾冷却的热处理品的表面温度进行温度测定而不受雾气的流动和温度以及外部气体等的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是显示具备本发明的温度测定装置的热处理炉的实施方式的纵剖面图。
[0020]图2是本实施例所涉及的热处理品的温度测定方法的整体流程图。
[0021]图3是显示大气的各波长的吸收率的图。
[0022]图4是显示一般的窗材的透射率的图。[0023]图5是耐热玻璃的波长和透射率的关系图。
[0024]图6是显示基于Ge窗和长波长温度传感器的组合的温度测定结果的图。
[0025]图7是显示基于耐热玻璃窗和短波长温度传感器的组合的温度测定结果的图。
[0026]图8是显示基于Ge窗和短波长温度传感器的组合的温度测定结果的图。
【具体实施方式】
[0027]以下，参照附图，说明本发明的优选实施例。此外，在各图中，对于共同的部分添附了相同的符号，并省略重复的说明。
[0028]图1是显示具备本发明的温度测定装置30的热处理炉10的实施方式的纵剖面图。
[0029]在该示例中，热处理炉10为进行热处理品I (被处理物)的加热处理的真空热处理炉。此外，本发明不限定于真空热处理炉，只要进行热处理品I的热处理，那么也可以为其他的热处理炉。
[0030]热处理品I (被处理物)例如为模具钢(SKD材料)或高速钢(SKH材料)，但是也可以为必须进行热处理的其他的金属材料。
[0031]热处理品I的大小例如为直径10(T300mm、高度10(T300mm的圆柱形部件，但本发明不限定于此，也可以为其他的形状。
[0032]在图1中，热处理炉10具有炉体12。
[0033]炉体12为中空的气密容器，在该示例中，由轴心铅直的中空圆筒形的炉体筒壳12a、阻塞炉体筒壳12a的下面的炉体底12b以及阻塞炉体筒壳12a的上面的炉体盖12c构成。
[0034]炉体筒壳12a在该示例中为上下端开口的中空圆筒形的金属管，在炉体筒壳12a的上下端具有连结用的凸缘13。此外，也可以将冷却用的护套设于炉体筒壳12a。
[0035]另外，在该示例中，测定用窗32 (后述)用的贯通管16气密地安装在炉体筒壳12a。
[0036]贯通管16在该示例中由水平贯通管16a和倾斜贯通管16b构成，配置成各自的轴线与热处理品I的表面(被测定面Ia)交叉，并能够通过各贯通管16的内侧而直视热处理品I的被测定面la。
[0037]另外，在该示例中，倾斜贯通管16b相对于水平而向下倾斜地设置。依照该构成，容易由温度传感器瞄准热处理品的中心部分，因而不论热处理品的尺寸如何，温度数据的波动变少。
[0038]炉体底12b为外缘部连结至炉体筒壳12a的下端凸缘13的圆形的平板。在炉体底12b，设有排出口 14，能够将流体(冷却液、冷却气体)从炉体12排出至外部。
[0039]炉体盖12c为外缘部连结至炉体筒壳12a的上端凸缘13的圆形的平板。在炉体盖12c的中心部，设有开口 15，能够通过该开口 15而将热处理品I从上方的真空处理室(图中未显示)插入热处理炉10的内部并取出至外部。
[0040]在图1中，2为支撑热处理品I的支撑部件。
[0041]此外，支撑部件2的构成不限定于该示例，也可以为其他的构成。
[0042]在图1中，热处理炉10还具备喷雾冷却装置20。[0043]喷雾冷却装置20具备多个喷嘴22、流体供给管24以及流体供给装置26。
[0044]多个喷嘴22为喷射流体(冷却液、冷却气体)的喷嘴，将热处理品I包围而设置于炉体12的内侧。在该示例中，4个喷嘴22从热处理品I的上方向下地安装，另外的4个喷嘴22从热处理品I的下方向上地安装。此外，喷嘴22的个数和方向为任意。
[0045]此外，也可以将喷嘴22区分成液用和气用而使用不同的构造的喷嘴。
[0046]流体供给管24为连结多个喷嘴22和流体供给装置26的管路，将流体(冷却液、冷却气体)从流体供给装置26供给至多个喷嘴22。
[0047]此外，也可以将流体供给管24区分成液用和气用而使用不同的配管。另外，在流体供给管24的途中，也可以设置泵、压缩机、阀(流量调节阀、压力调节阀等)。
[0048]流体供给装置26回收从炉体12的排出口 14排出的流体(冷却液、冷却气体)并循环地供给至流体供给管24。
[0049]冷却液为水或以水作为主要成分的冷却液。另外，冷却气体优选为氩、氦、氮等的不活泼气体。
[0050]另外，流体供给装置26具备将回收后的流体(冷却液、冷却气体)冷却并加压的装置、压力控制装置以及流量控制装置。
[0051]此外，也可以将流体供给装置26区分成液用和气用而分别独立地供给冷却液或冷却气体。
[0052]利用上述的喷雾冷却装置20，将冷却液和冷却气体同时或交替地供给至喷嘴22，从喷嘴22喷雾状地喷射至炉体12内，在喷嘴22的内部或外部，形成包含冷却液的液滴的雾气，利用该雾气，能够将热`处理品I冷却(喷雾冷却)。
[0053]另外,雾气所包含的冷却液为水或以水作为主要成分，因而利用冷却液的液滴的蒸发潜热，具有比现有的气体冷却更高的冷却能力。
[0054]另外，由于能够任意地调整构成雾气的冷却液和冷却气体的比率，因而能够在宽广的范围内自由地调整雾气的冷却能力。
[0055]在图1中，热处理炉10还具备温度测定装置30。
[0056]温度测定装置30具备测定用窗32、温度传感器34以及温度修正装置36。
[0057]测定用窗32气密地安装在设于炉体筒壳12a的贯通管16的外方端。另外，测定用窗32由在温度传感器34的测定波长域具有高的光(红外线)透射率的窗材构成。该透射率优选高于0%。
[0058]如此的窗材，例如以锗、硅、硒化锌、蓝宝石或石英作为主要成分。
[0059]温度传感器34设于测定用窗32的外侧，通过测定用窗32而测定热处理品I的被测定面Ia的表面温度。该温度传感器34具有水对光(红外线)的吸收率少的测定波长域。该吸收率优选不满100%。
[0060]该测定波长域优选为1.95 μ π 2.5 μ m的红外线区域。另外，温度传感器34优选为具有1.95 μ π 2.5 μ m的测定波长域的红外线温度传感器。
[0061]温度修正装置36基于热处理品的放射率的修正系数、窗材的透射率的修正系数、或者雾气浓度的修正系数而修正由温度传感器34进行温度测定的温度测定值。
[0062]依照上述的温度测定装置30的构成，难以受到冷却中的雾气的流动和雾气温度的影响，因而能够从炉外极为正确地测定热处理品I的表面温度。因此，能够大幅地提高热处理品的品质。
[0063]图2是本实施例所涉及的热处理品的温度测定方法的整体流程图。
[0064]在该图中，本实施例的温度测定方法由Sf S5的各步骤(工序)构成。
[0065]在步骤SI (波长域的设定)中，设定水的吸收率少的波长域。该波长域在后述的实施例中为1.95^2.5 μ m0
[0066]在步骤S2 (温度传感器的选定)中，选定温度传感器34，该温度传感器34将已设定的波长域作为测定波长域，并能够非接触地测定热处理品I的被测定面。
[0067]该温度传感器34在后述的实施例中为红外线温度传感器。
[0068]在步骤S3 (窗材的选定)中，选定在已设定的波长域(测定波长域)具有高的透射率的窗材。
[0069]该窗材在后述的实施例中为锗。
[0070]在步骤S4中，通过由已选定的窗材构成的测定用窗32而由温度传感器34测定热处理品I的被测定面Ia的表面温度。[0071]在步骤S5中，基于热处理品的放射率的修正系数、窗材的透射率的修正系数、或者雾气浓度的修正系数而修正由温度传感器测定的温度测定值。
[0072]依照上述的温度测定方法，难以受到冷却中的雾气的流动和雾气温度的影响，因而能够从炉外极为正确地测定热处理品I的表面温度。另外，能够考虑热处理品I的组成变化而控制冷却速度。因此，能够实现烧裂防止和低形变化，能够大幅地提高热处理品I的品质。
[0073](关于水的吸收率少的区域和窗材)
图3是显示大气的各波长的吸收率的图。根据该图，由双箭头表示的波长f 2.5μ m、3飞μ m、7~14 μ m的范围的大气的吸收率小，该范围被称为“大气之窗”。在吸收率高的波长域，显示了主要进行吸收的大气的主要成分。依照图3，可知在大气之窗的波长域中，水的吸收率少。
[0074]图4是显示一般的窗材的透射率的图。如该图所示，已知石英在波长广2.5μπι和3~4 μ m处透射率高，在波长2.5^3 μ m和4-4.5 μ m处透射率大大地减少，在大于波长
4.5 μ m的波长处几乎不能透射。
[0075]相对于此，已知Ge (锗)、Si (硅),ZnSe (硒化锌)从波长L 8 μ m的短波长至波长20 μ m的长波长拥有闻的透射率。
[0076]在本实施例中，通过选定将水的吸收率少的波长域作为测定波长域的温度传感器34，进而组合在该波长域(测定波长域)拥有高的透射率的窗材，从而能够测定喷雾冷却中的处理品温度。
[0077]作为窗材，选定耐热玻璃(注册商标=Pyrex)和Ge (锗)，作为温度传感器，选定测定波长域8~13 μ m和1.95^2.5 μ m的红外线温度传感器。
[0078]另外，作为热处理品I的试验件，使用直径80mm、高度80mm的不锈钢(SUS304)。将热电偶埋入从该试验件的表面起5_的位置而测定该位置的温度，同时由已选定的2种温度传感器来测定表面温度。以下，将测定波长域8~13 μ m的红外线温度传感器称为“长波长温度传感器”，将测定波长域1.95^2.5 μ m的红外线温度传感器称为“短波长温度传感器”。
[0079]将加热至约850°C的试验件喷雾冷却至室温，以热电偶(T/C)和温度传感器(长波长温度传感器和短波长温度传感器)实施喷雾冷却中的温度测定，比较其测定数据。在表I中表示其结果。
[0080](表1)
【权利要求】
1.一种热处理品的温度测定装置，该热处理品收容于热处理炉内，该热处理炉具备以包含冷却液的液滴的雾气来进行冷却的喷雾冷却装置， 该热处理品的温度测定装置具备测定用窗和温度传感器，该测定用窗能够直视设于所述热处理炉的所述热处理品的被测定面，该温度传感器设于该测定用窗的外侧，并能够通过测定用窗而非接触地测定所述被测定面的表面温度， 所述温度传感器具有水的吸收率不满100%的测定波长域， 所述测定用窗由在所述测定波长域具有高于0%的透射率的窗材构成。
2.根据权利要求1所述的温度测定装置，具备温度修正装置，该温度修正装置基于热处理品的放射率的修正系数、窗材的透射率的修正系数、或者雾气浓度的修正系数而修正由所述温度传感器测定的温度测定值。
3.根据权利要求1或2所述的温度测定装置，所述温度传感器为具有1.95 μm~2.5 μ m的测定波长域的红外线温度传感器。
4.根据权利要求广3中的任一项所述的温度测定装置，所述测定用窗的窗材以锗、硅、硒化锌、蓝宝石或石英作为主要成分。
5.根据权利要求1~4中的任一项所述的温度测定装置，所述测定用窗相对于水平而向下倾斜地设于所述热处理炉。
6.一种热处理品的温度测定方法，该热处理品收容于热处理炉内，该热处理炉具备以包含冷却液的液滴的雾气来进行冷却的喷雾冷却装置，该温度测定方法包括: (A)选定温度传感器和窗材，该温度传感器将水的吸收率不满100%的波长域作为测定波长域，能够非接触地测定热处理品的被测定面的表面温度，该窗材在该波长域具有高于0%的透射率， (B)通过由所述窗材构成的测定用窗而由所述温度传感器测定热处理品的被测定面的表面温度。
7.根据权利要求6所述的温度测定方法，基于热处理品的放射率的修正系数、窗材的透射率的修正系数、或者雾气浓度的修正系数而修正由所述温度传感器测定的温度测定值。
【文档编号】G01J5/06GK103534547SQ201280010787
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年2月27日 优先权日:2011年2月28日
【发明者】胜俣和彦, 井上纯治, 岛田嵩久, 工藤晋也, 上田亚实 申请人:株式会社 Ihi, Ihi 机械系统股份有限公司