大型鍛造品の熱処理：ボギー炉は風力、動力、圧力の構成要素をどのように処理するか
200トンの発電機ローター鍛造品は、オーブンに入れるのではなく、長さ30メートル、幅6メートルの台車式炉に入れられます。この炉には、1050℃まで対応可能な放射管、毎時20万立方メートルの空気を循環させるファン、そして炉の隅々まで±5℃以内の温度均一性が確保されています。鍛造品は台車の上に5～10日間置かれ、オーステナイト化、数時間の保持、そして制御された速度での冷却をゆっくりと行います。いずれかの工程を怠ると、鍛造品は使用中に故障します。すべての工程を完璧に行えば、鍛造品は発電所で30年間稼働します。
大型鍛造品の熱処理は、実際にはこのように行われます。
出発点は鍛造仕様書です。
風力タービンの主軸、発電機のローター、タービンのローター、圧力容器のシェル、原子炉の構成部品など、それぞれ設計コードに熱処理仕様が規定されています。ASME Section I、Section VIII、EN 10028、EN 10222、および各種顧客仕様（シーメンス、GE、MAN、三菱電機）では、必要な機械的特性、温度範囲、保持時間、冷却速度、および試験要件が定義されています。
仕様によって熱処理サイクルが決まります。一般的な大型鍛造品の熱処理サイクルは次のようになります。
予熱（室温から400～600℃まで、1時間あたり50～100℃の速度でゆっくりと昇温する）。ゆっくりとした昇温により、冷間鍛造における熱衝撃を回避できる。
2. オーステナイト化温度まで加熱します（通常、焼きなら850～950℃、焼きなましまたは焼入れなら950～1050℃）。この段階の昇温速度は1時間あたり100～150℃です。
3. 所定の温度で保持する（断面厚さ100mmあたり1～4時間、場合によってはそれ以上）。保持することで、鍛造品全体の温度が均一になる。
4．制御冷却。焼きならしでは、鍛造品は静止空気中で冷却される。焼きなましでは、炉内で400℃以下まで制御された速度で冷却される。焼き入れでは、水浴または油浴に移される。
5. 焼き戻し（550～700℃に再加熱し、保持し、冷却する）。仕様によっては焼き戻しの工程を繰り返す必要がある。
このサイクルで厚さ500mmの鍛造品を製造するには、装填から排出まで3～5日かかります。炉はサイクル全体を通して稼働するため、より小さなロットを組み込むことはできません。
温度均一性は、成否を分ける重要な仕様です。
長さ30メートルの炉で200トンの鍛造品を加工する場合、保持時間中の炉内の最高温度点と最低温度点の温度差は、プラスマイナス5～10℃でなければなりません。これより温度差が大きいと、鍛造品の微細構造が不均一になります。低温部分は焼きならしや焼きなましが不完全になり、高温部分は結晶粒が粗大化し、鍛造品全体で機械的特性にばらつきが生じます。
その均一性を実現するには、本格的な循環システムが必要です。炉には、上部から高温ガスを吸い込み、ワークピースを通して下方へ押し出す高速ファンまたはジェットが備えられています。ファンモーターはそれぞれ30～75kWの出力を持ち、炉室の周囲に4～8基配置されています。循環ダクトは、毎時15万～30万立方メートルの空気を移動させるように設計されています。
放射管の配置も均一性を考慮して設計されています。放射管はゾーンごとに配置され、通常は炉の長さに沿って4～6ゾーン、上から下にかけて2～3ゾーンとなっています。各ゾーンにはそれぞれ専用のバーナーセットと温度制御ループが備わっています。制御システムは各ゾーンの複数の熱電対を読み取り、設定温度を維持するためにバーナーの燃焼速度を調整します。
熱電対の配置は非常に重要です。制御用熱電対は通常、加工物の表面から1.5～2メートル離れたガス空間に設置されます。"witness"または"load"熱電対は、試験片に開けられた穴、または実際の鍛造品の低応力領域に挿入されます。これらの熱電対は熱処理の法的記録であり、鍛造品が所定の時間、所定の温度に達したことを証明します。
重要部品（原子力用、高圧ローターなど）の場合、仕様によっては、最も厚い部分と最も薄い部分を含め、鍛造品に複数の熱電対を取り付けることが求められる場合があります。データロガーは、製造サイクル全体を通してすべての熱電対のデータを記録し、そのデータは鍛造品の品質評価パッケージの一部となります。
浸漬時間は断面の厚さに依存する。
オーステナイト化の目安としては、断面厚さ25mmにつき1時間、高合金鋼の場合は20mmにつき1時間という目安があります。厚さ500mmの鍛造品の場合、炉が設定温度に達した後、20～25時間の保持時間が必要です。これは加熱時間とは別です。加熱自体は、1時間あたり100℃で8～12時間かかります。
全体の工程は、加熱と保持時間が支配的です。冷却は通常、加熱よりも速く、特に焼きならし（依然として空冷）や油焼入れ（200トンの鍛造品の場合、焼入れ自体に4～8時間かかる）の場合は顕著です。炉内温度が400℃まで下がるのに6～10時間かかりますが、これは必要な冷却速度によって異なります。
大気制御は、地表の状態を決定する変数である。
応力緩和と正規化処理においては、わずかに酸化性の雰囲気でも問題ありません。鍛造品には薄い酸化皮膜が形成されますが、これは熱処理後にショットブラストによって除去されます。焼きなまし処理や機械加工による表面仕上げが必要な部品の場合は、酸化皮膜の形成や脱炭を最小限に抑えるため、制御された雰囲気が必要です。
炉内の雰囲気は、炉内をわずかに正圧（通常は大気圧より1～5ミリバール高い）に保ち、少量の空気または不活性ガスを注入することで制御されます。大型のボギー炉の中には、内部に気密室を備え、ワークピースを燃焼ガスから隔離するフルマッフル設計のものもあります。マッフルは高価ですが、雰囲気を精密に制御できます。
脱炭のない表面が求められる部品（大型ローターのベアリングシートなど）の場合、仕様では保護雰囲気（通常は窒素に数パーセントの還元性ガス（水素または解離アンモニア）を添加したもの）が規定されている。炉は密閉され、空気はパージされ、保護雰囲気は処理サイクル全体を通して維持される。このモードでは、脱炭深さは通常0.5mm以下に制限される。
大型鍛造品の積み込みと排出は、重要な作業である。
台車に載せた200トンの鍛造品には、通常300～500トンの吊り上げ能力を持つ大型クレーン（吊り上げビーム付き）が必要です。積み込み作業は、フルクルーで30～60分かかります。鍛造品がベイに到着すると、クレーンで吊り上げられ、台車が所定の位置に設置され、鍛造品が炉床に降ろされ、吊り上げ索が取り外されます。その後、台車は炉内へ移動し、扉が閉まり、加熱サイクルが開始されます。
大型鍛造品の治具は、通常、位置決め機構を備えた重厚な鋼鉄製または鋳鉄製のベースです。ローターシャフトの場合、治具はシャフトの長さに沿って間隔を置いて配置されたVブロックの長いベッド状になり、シャフトを複数の点で支えます。リングやシェルの場合、治具は平らなベースで、部品は立てて設置されます。
排出工程はその逆で、台車が移動し、クレーンが鍛造品を吊り上げ、鍛造品は次の工程（機械加工、検査、または追加の熱処理）へと移送されます。鍛造品からの放射熱は非常に強く、排出工程後でも表面温度は200～500℃にも達するため、クレーンオペレーターは空調完備の運転室で作業を行います。
結論として、大型鍛造品の熱処理は特殊な作業であり、以下の要件を満たす必要があります。
大型で計器類が充実した台車式炉
- 精密な雰囲気制御
仕様を理解している熟練オペレーター
・重量物運搬用クレーンおよび固定具
- 各ヒートの詳細なサイクルドキュメント
著者：モンテ・インテリジェンス社 大型鍛造熱処理チーム。鍛造熱処理に関する研究および炉の監査については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
