ガス炉が炎から作業対象物へ熱を伝達する方法は、製品の品質、エネルギー効率、そして炉が実行できるプロセスの範囲を決定づけます。直接燃焼式、マッフルを用いた間接燃焼式、放射管式という3つの基本的な方式にはそれぞれ適した用途があり、用途に合わない方式を選択すると、品質問題、過剰なエネルギーコスト、あるいはその両方につながります。
モンテ・インテリジェンス社は、3種類の構成すべてに対応したガス燃焼炉を提供しています。この記事では、熱処理作業において重要な基準に基づいて、これらの設計を比較します。
直火式炉は、炉室内で天然ガス（またはその他の燃料ガス）を直接燃焼させ、燃焼生成物である炎と高温の排気ガスが直接作業対象物に接触します。バーナーは炉室内に点火し、高温ガスは（自然対流または再循環ファンによって）作業対象物の周囲を循環し、排気ガスは煙道から排出されます。熱源と作業対象物の間に障壁がないため、最もシンプルでエネルギー効率の高い構成です。排気ガスによって運ばれる顕熱を除き、燃焼エネルギーのすべてが作業対象物の加熱に利用できます。
直火加熱の欠点は、加工対象物が燃焼雰囲気にさらされることである。燃焼生成物には二酸化炭素（CO2）と水蒸気（H2O）が含まれており、これらはどちらも熱処理温度で鋼を酸化する。直火炉で加熱された鋼の表面には酸化スケール（ミルスケール）が発生する。鍛造の予熱、焼きならし、応力除去、機械加工前の焼きなましなど、多くの用途では、このスケールは後続の工程で除去されるか、製品に悪影響を与えないため、許容範囲内である。
直接加熱が許容されないのは、表面品質が極めて重要な場合である。浸炭、炭窒化、光輝焼入れ、および特定の炭素ポテンシャルを必要とするあらゆるプロセスでは、燃焼生成物の制御されていない雰囲気は許容されない。これらの用途では、燃焼生成物を加工対象物から分離する必要があり、その結果、間接加熱方式が採用される。
間接加熱式炉は、マッフルと呼ばれる耐熱合金またはセラミック製の外殻を用いて、燃焼室と加工室を隔てます。バーナーはマッフルの外側で燃焼し、マッフル壁を加熱します。加熱された壁は、内部の加工物に熱を放射します。マッフル内部には、加工物を保護するため、吸熱ガスや窒素・水素混合ガスなどの制御された雰囲気が維持されます。燃焼生成物が加工物に直接触れることはありません。
マッフルはこのタイプの炉の主要部品です。約950℃までの温度では、マッフルは耐熱合金（一般的にはRA330、インコロイ800HT、または鋳造高ニッケル合金）で製造され、設計寿命は3～5年です。1150℃までの高温では、炭化ケイ素製のマッフルが使用されますが、これらは脆く、高価です。マッフルは炉全体のコストの15～25%を占める大きな設備投資であり、最終的な交換は大きなメンテナンス費用となります。
マッフルによるエネルギー損失は、マッフル壁面における温度低下です。作業室を850℃まで加熱するには、燃焼室の温度を高くする必要があります（通常950～1050℃）。これは、マッフルを通して熱を伝達するための駆動力となるためです。燃焼室温度が高くなると、排ガス温度も高くなり、熱損失も大きくなるため、同等の直火式炉と比較して炉の熱効率が10～20%低下します。
放射管加熱は、メッシュベルト炉を含む連続炉の標準となっている間接加熱方式の一種です。この方式では、単一の大型マッフル炉の代わりに、炉室を貫通する複数の放射管（密閉された合金管）を使用します。バーナーは管内で燃焼し、燃焼生成物は管内を流れ（多くの場合、熱伝達の均一性を高めるために内部で再循環されます）、反対側の端から排出されます。管の外面は、熱を作業対象物に放射します。
放射管は、単一のマッフル炉に比べていくつかの利点があります。放射管は、主に側面と上部から加熱するマッフル炉とは異なり、作業対象物の上下に列状に配置することで、より均一な加熱を実現できます。個々の放射管は炉室を開けることなく取り外して交換できるため、メンテナンスのダウンタイムを短縮できます。放射管の直径は十分に小さいため（通常100～200mm）、肉厚は中程度（5～8mm）でも十分な機械的強度と耐腐食性を確保できます。
最も一般的な放射管の設計はU字管です。バーナーはU字管の一方の脚に点火し、燃焼ガスは閉じた端まで流れ、もう一方の脚を通って排気口に戻ります。この設計では、高温の炎が一方の脚に、低温の排気ガスがもう一方の脚にあるため、ストレートスルー型よりも管表面温度が均一になり、優れた熱伝達を実現します。W字管や片側回収型熱回収管（SER管）は、管あたりの発熱量が高い用途に使用されます。
管材の選定は炉の温度によって異なります。950℃までの温度では、鋳造HK-40（25% Cr、20% Ni）またはHP（25% Cr、35% Ni）合金管で十分な耐用年数が得られます。それ以上の温度、または金属粉塵の発生を引き起こす可能性のある浸炭ガスを含む雰囲気では、高ニッケル合金またはセラミック管（炭化ケイ素）が必要です。一般的な熱処理における管の耐用年数は2～5年で、破損モードには、クリープ破断（管自身の重量による高温への長期暴露）、酸化（燃焼側からの管壁の薄肉化）、浸炭（炭素吸収による管の脆化）などがあります。
MONTE INTELLIGENCEは、プロセス温度、雰囲気要件、生産量、および設備投資予算に基づいて、最適な加熱構成を推奨します。鍛造予熱および焼ならし用途では、直接加熱方式が最高のコストパフォーマンスを提供します。雰囲気制御熱処理では、炉の形状と運転温度に基づいて、放射管式またはマッフル式の設計が指定されます。
お客様のプロセスに特化したガス炉の構成に関する推奨事項については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
