屋根は半分落ちている。台所の食器棚には扉がない。前庭の芝生はどうなったのかよくわからない。挙句の果てに、予想額の3倍もの出費をし、まだ終わりそうにない。簡単に言えば、それは家の改装の悪夢だ。住宅改修プロジェクトに取り組むことは、あなたの真空炉を修理したり、アップグレードするのと同じようなものです。そして、すべての事実なしにプロセスを開始すると、状況はすぐに制御不能のスパイラルに陥る可能性があります。
どんなプロジェクトや大きな仕事でも、コストは考慮しなければならない要素です。最初のステップは予算を決めることであり、次にすべてを価格設定することである。そこから、制約の中で作業し、ニーズとウォンツを理解しながら、どこが最も得かを判断することができます。
熱処理装置の購入は長期的な投資です。適切にメンテナンスすれば、何十年も使い続けることができます。とはいえ、ある時点で、こう問わざるを得なくなります：「新しい機器を購入するか、それとも既存の機器に多額の資金を投入するか」。
以下の質問は、この意思決定プロセスのガイドとなる：
- 炉とその主要部品の寿命について、現実的に期待できることは？
- ホットゾーンの品質とパフォーマンスへの期待は？
- コントロール・システムに何を求めるか？
- 機器の機能を向上させたり、変化する顧客の要求に応えたり、あるいはビジネスの成長に役立つような、新しい開発や技術的な変化はありますか？
- コンスタントに機器をメンテナンスするための計画は？
もちろん、これらは考慮すべきいくつかの事柄に過ぎない。真空炉とそのサブシステムの適正価格を知ることも重要である。
新しい炉のコスト
老朽化した機器をお持ちの場合、十分な情報を得た上で、熟考を重ねた上で決断を下すのは難しいものです。結局のところ、機器の適切な手入れ（および適切な間隔）をするために十分な予算を組んだかどうか、あるいは古い機器を維持する価値があるのかどうか、新規購入する価値があるのかどうかを判断しなければなりません。表1は、真空炉といくつかの高価な部品の適正価格帯を示したものである。
| 設備タイプ | 適正価格帯 |
| 新しい真空炉 | $375K-1.2M |
| グラファイト・ホットゾーンの交換 | $55-350K |
| オールメタルのホットゾーン交換 | $80-450K |
| フルコントロール | $100-200K |
| 部分コントロール | $20-85K |
| 容器 | $90-250K |
| モーター | $30-85K |
| ポンプシステム | $85-150K |
真空炉の一般的な寿命は約25～35年です。長寿命が期待できる機器を購入する場合、間違いなく、費用がかさみ、適切な予算計画を必要とする大規模なオーバーホールに直面することになる。適切な計画を立て、適切な機器のメンテナンスを行うことで、新しい炉の購入費用に比べ、老朽化した機器に多くの時間、エネルギー、費用を投資することを防ぐことができます（図1）。
では、"老朽化した設備に投資する金額はいくらか？"という疑問がある。この質問に対する答えは企業によって異なるが、新品を購入する場合と中古機器を修理する場合の投資利益率を考える必要がある。
ステップ1は、お客様の実際のニーズを評価することです。業界標準を維持するために、常に最新の機能と技術を備えた炉が必要ですか？誰もが信頼性の高い設備を望んでいますが、年中無休の生産で95%の稼働率が必要なのでしょうか、それとも1シフトの生産で70-80%の稼働率が可能なのでしょうか。軽微な修理や予防保全のために炉を定期的に稼動停止にする予定ですか、それとも炉の稼動に影響するのは床から床までの時間ですか?
その答えに基づいて、あなたにとって最も重要な買い替えやアップグレードは何か、そのためにどのような計画が必要かを知ることができます。閾値を設定し、その値に達したら、新規購入と維持のどちらを選ぶかを検討し始めることもできるだろう。
この閾値を設定する一つの方法は、ライフサイクルコスト分析（LCCA）を実施することである。LCCAでは、設備の取得、所有、廃棄にかかるすべてのコストを考慮します[1]。ダン・ヘリングによると、「熱処理炉を探す際に考慮すべき重要な要素は、真の設備コスト（TEC）を理解することであり、これは初期投資と（長期にわたる）維持にかかる総コストを設備寿命で割ったものに等しい」[2]。
LCCA（またはTEC）を実施する目的は、代替案の全体的なコストを見積もり、「その品質と機能に見合った最も低い所有コスト」を提供する機器を確保する選択肢を選択することである[3]。しかし、「最も低いイニシャルコストで調達された工業製品が、長期的に最も低いコストで済むとは限らない」[1]。
投資先の決定
たいていの企業には予算があり、1年単位で、設備投資（capex）とメンテナンス支出を計画するために最善を尽くす。例えば、年間予算が$30,000であれば、その予算でその年の炉全体を賄い、最大の価値を提供する方法を探すことになる。炉を稼働させ続けるために、ホットゾーンの交換部品や重要なスペアを購入するかもしれない。また、部品交換や修理だけでなく、メンテナンスのための資金も確保する必要があります。
さて、古い炉を修理するための予算がかなりあるとしよう。古い設備にお金をかけることが正しい判断かどうかは、やはり考えなければならない。例えば、古いクラシックカー。感傷的な価値があるから作り直すのか？それとも、時間、エネルギー、お金をつぎ込んでも、もはやあなたの目標に合致しない点があるのでしょうか？
主要なサブシステムのほとんどを交換するのであれば、新しい炉の方が良い投資である可能性が高いと結論づけるのは妥当である。もし古い炉を移設するのであれば、リギングや移動のコストがかかるので、その立場はさらに強まるだろう。
では、設備投資予算を策定する際に評価し、計画する必要がある大物とは何だろうか？ホットゾーンから始めましょう。ホットゾーンの寿命はいくつかの要因で決まりますが、おそらく5～8年ごとにホットゾーンの全面的な再整備または完全な交換が必要になるでしょう。制御システムも15年前後で更新、あるいは交換が必要になるでしょう。しかし、容器の交換が必要になるのは、25年に一度だけであろう。オーバーホールや交換が必要なその他の主なものには、モーター、可変リアクタンス変圧器（VRT）、ポンプなどがあり、これらはすべて設備投資予算に含まれる可能性が高い。
図2は、炉の中で最も高価な3つの品目について、業界内の平均的な機器交換率を示している。繰り返しになるが、プロセスの種類、使用頻度、業界特有の要件など、これらのシステムの再構築や交換の頻度を決定する要因は複数ある。
誰もが機器の寿命を最大限に延ばしたいと願っているが、そのためにはベストプラクティスに従わなければならない。しかし、水質が悪く、チャンバーの壁が目詰まりして薄くなり、ホットゾーンが破壊されたり修理不能なほど老朽化し、ポンプがメンテナンスされておらず、制御装置が古くて信頼性が低く、モーターが一度も作り直されたりメンテナンスされたことがなければ、遅かれ早かれ大がかりな工事と多額の投資が必要になる。しかし、機器のメンテナンス計画を実行していれば、すべての主要部品が同時に交換を必要とするような事態に陥ることはないだろう。
では、どうすればこのような事態を避けることができるのか？ベストプラクティスに従うこと、機材を大切にすること、そして賢くお金を使うことだ。
ホットゾーンの交換
炉の心臓部はホットゾーンですが、ホットゾーンの交換時期や交換理由にはいくつかの要因があります。例えば、部品の汚れが原因でホットゾーンの交換をお考えですか？あるいは、断熱材が劣化して熱損失が現実的な問題になっているためでしょうか（熱でホットゾーンのフレームが歪んだり破損したりしているのが見えるほどかもしれません）。
他の炉との共通化を図るため、最新の設計を求めるからですか？それとも、いつもそうしているのだから、何があろうと決められた間隔で交換するのですか？どのような理由であれ、炉の寿命が尽きるまでホットゾーンを交換する必要があります。ホットゾーンの状態が交換に値する時期については見解が分かれるところですが、磨耗を生じさせ、ホットゾーンの寿命に大きな影響を与える要因はいくつかあります。
買い替え時期の見極め
予防的メンテナンスはホットゾーンの寿命を延ばすのに役立ちますが、ピーク性能に近い状態で作動しなくなった場合は、交換を検討する時期かもしれません。ホットゾーンの寿命には、以下のようないくつかの要因が影響します：
- リーク - 炉内の酸素は部品を変色または酸化させ、ホットゾーンを急速に劣化させます。
- 清浄度 - 炉内の汚れは部品の変色やホットゾーンの劣化の原因となります。
- 圧力 - 高圧ガス焼入れは、その性質上、炉内に乱流雰囲気を発生させる。したがって、圧力が高く、ガスタービン冷却モーターが大きいほど、劣化の可能性が高くなる。
- 温度-最高使用温度付近で炉を運転すると、高温部の摩耗が加速されます。
- 総運転時間 - 炉の運転サイクルが多いほど、高温ゾーンのメンテナンス頻度が高くなります [4]。
ホットゾーンが摩耗している兆候としては、金具の過度な破損、発熱体にピッティング、劣化、破損の兆候が見られること、ハースレールに歪みや全体的な摩耗が見られること、断熱材の破損、反り、浸食が見られ、断熱性能が著しく低下していることなどが挙げられます。
室内のプレナム壁やフレームが見えるほど断熱材が劣化している場合、フレームに大きな熱が放射され、永久的な損傷を引き起こしている可能性があります。損傷の兆候としては、フレームのひび割れ、ゆがみ、変色などがあり、これらはすべて修理または交換が必要です。
温度均一性の喪失、熱損失や過度のコンタミネーションによるサイクル時間の延長、ポンプダウン時間の延長、エネルギー消費の増加、部品やホットゾーンの変色など、プロセスサイクル中の特定の要因も、ホットゾーンの劣化の警告サインとなります。
制御装置のアップグレードと交換
制御装置のアップグレードや交換が適切なオプションかどうかの判断も、一般的な期待やニーズに基づいて行われます。決定しようとする際、考慮すべき主な質問には以下が含まれます：
- アップグレードすることで、データの取得、トレーサビリティ、精度が向上しますか？
- アップグレードすることで、部品の品質を向上させ、より多くの情報を要求する業界標準に対応するためのより良いデータが得られるのでしょうか？
- 設備や全体的なオペレーションをよりスマートに、より効率的にすることができるのだろうか？
- 老朽化した制御システムおよび/またはコンポーネントが、貴社を危険にさらすことはないでしょうか？
全体として、炉が適切に動作し、機器が安全に機能するために必要な基本データがあります。それ以外にも、収集するデータの量や種類、収集頻度、データの保存・取得方法など、より詳細な設定が可能なオプションがいくつかあります。
では、大規模な投資を避けるために現在の制御システムを維持するのと、制御システムのアップグレードが適切かどうかを判断するには、何から始めればよいのでしょうか？
コントロール・オプション
利用可能な制御装置のアップグレードや交換は、多くの場合、真空炉の年数やお客様の要件によって異なります。技術の進歩が速いため、コンポーネントはわずか数年で陳腐化し始めます。10年前の制御システムでさえ、OEM(相手先商標製品製造会社)のサポートを受けられないことがあります[5]。
プロセッサーが故障し、直接交換が可能な場合は、より新しいPLC（プログラマブル・ロジック・コントローラー）で最小限のアップグレードが可能な場合があります。また、ソフトウェアやOIT（オペレーター・インターフェース・ターミナル）プラットフォームだけをアップグレードしたり、紙からデジタル・レコーダーに移行したりする必要があるかもしれません。その他のマイナー・コンポーネントの交換には、ワイヤー、ヒューズ、コンタクターなど、キャビネット内の基本的なハードウェアが含まれる。上記はすべて、制御システムを稼動させ続けるための比較的低コストのソリューションであり、マイナーなアップグレードの機会もあります。
あるいは、20～25年前の炉をお使いの場合は、より包括的な部分的制御のアップグレード、あるいは制御盤全体の交換を検討した方がよいでしょう。この年数では、大半の部品が時代遅れになっており、ほとんどの産業で技術が確実に遅れています。
全体として、常に新しいテクノロジーが登場し、古いテクノロジーはいずれ時代遅れになるということを忘れてはならない。そこで、"本当に必要なものは何か "を自問自答してください。そして、そのニーズに基づいて、利用可能な選択肢を検討し、どのソリューションが本当に望ましい短期的・長期的な結果をもたらすかを判断する。この質問を定期的にしていれば、コントロールのアップグレードのために予定外の大きな出費をして不意打ちを食らう可能性は低くなります。
チャンバーのメンテナンスと修理
真空炉は大きな投資です。適切にメンテナンスされていれば、交換する必要はないはずです。修理か交換かを決める際には、考慮すべきいくつかの要素がある：
- あなたが追いかけている雨漏りの中に、自信を持って溶接や修理ができないものはありませんか？
- 水質が悪いためにチャンバーの壁が詰まったり薄くなったりして、もはや安全に修理できない状態になっていませんか？
- チャンバー自体に水流不足による著しいホットスポットはないか？
- デューティ・サイクルの限界を超えた高圧チャンバーか？
チャンバーの修理は、適切な維持管理とメンテナンスを行っていれば可能ですが、チャンバーの寿命を最大限に延ばす鍵のひとつは、適切な給水システムです。
質の高い水供給の役割
水は真空炉の保護と運転に必要かつ重要なもので、炉のいくつかの領域に必要です。真空チャンバー壁内のジャケットスペースと熱交換器には最も多くの水流が必要です。この水により、炉内壁は一般的な最高温度である148 °C (300 °F) [6]以下に安全に保たれます。
適切な流量、圧力、水処理により、高温による炉への甚大な損傷を防ぐことができます。未処理の劣悪な水質は、容器の内壁と外壁の両方に蓄積と腐食を引き起こし、炭素鋼チャンバーを大きく劣化させる主な原因の一つです。炭素鋼の腐食に対する解決策として、ステンレス製容器がある。この設計は浸食を減少させる利点があるが、水質が悪いとチャンバー壁内に蓄積物が発生する可能性がある。
高品質の水を供給することは、チャンバーの寿命を延ばす簡単な方法である。そのため、給水は以下の要件（最低限）を満たす必要がある：
- 硬度：7グレイン／ガロン（最大）
- 炭酸カルシウムレベル：3～100ppm
- pH: 7.0-8.0
- 浮遊物質< 10 ppm
- 導電率：300μmho/cm [7］
炉室の寿命を延ばすために、クローズド・ループ・システムで処理水を使用することをお勧めします。
総合メンテナンス戦略
真空炉はその耐用年数を通じて、いくつかの方法で大きな消耗を経験する可能性があることを理解することが、事前計画の一部となる。最も極端なのは壊滅的な事象の発生です。モータの故障、熱電対が完全に挿入されていないために炉が標準運転温度を超えて運転される、炉内のワークが溶融する、あるいは炉への装入/取出し時のオペレーターのミスなどです。
さらに、デロイト社の調査によると、「メンテナンス戦略の不備は、工場全体の生産能力を5～20％低下させる可能性がある」[8]。このため、予防保全と予知保全の定期的な実施は、より一層不可欠なものとなっています。特に、予防保全と予知保全は、設備の寿命に長期的な役割を果たし、事前対応と事後対応の分かれ目となることが多いからです。
予防保全（PM）計画には、一般に、定期的な点検、機器の整備、修理、交換が含まれる。全体として、PMプログラムは、企業がダウンタイムを事前にスケジュールすることを可能にし、年間メンテナンスコストを予測するのに役立ちます。
一方、予知保全は、アナリティクスを適用して故障のリスクを検出し、故障が発生する前に予防するのに役立ちます。例えば、Ipsen の PdMetrics® 予知保全ソフトウェア・プラットフォームは、炉のセンサーに接続し、データを収集、分析し、今後のメンテナンスの必要性をリアルタイムで診断する[9]。予知保全を統合することで、炉のユーザーは事前に計画を立てることができるようになります。それは、メンテナンスを行う人員のスケジュールを立てることでも、必要な炉部品の在庫を確保することでも同じです。
メンテナンスのベストプラクティス
メンテナンス戦略を採用している場合、サービスや棚に保管している重要部品に少し多くの費用がかかるかもしれません。しかし、これはまた、故障を防ぐために必要なメンテナンスよりも高くつくことになるコンポーネントの故障に備えて、より良い準備をしておくことでもある。
OEMとして、我々は以下のことを発見した。 PMチェックリスト を使えば、定期的に点検すべき項目をすべて把握することができる。実施すべき重要なメンテナンス活動には、以下のようなものがある：
- 定期的な真空ポンプのオイル交換（サイクル、プロセス、炉全体の稼働率による）
- ドアシールやポペットバルブシールなどのダイナミックシールの交換（毎年）
- 定期的な機器の校正
- モーターが適切なバランスで作動しているか、定期的にチェックする。
- ホットゾーンを評価し、デブリ、変色、ホットゾーン構成部品の適切な取り付けを日常的にチェックする。
交換部品
新しい炉の購入や主要部品の交換を検討する際、重要なのは「何を買うか」ということだ。 予備部品 計画外のダウンタイムを減らすために、棚に置いておくべきか？"その答えは、ダウンタイムのコストだけでなく、部品の寿命（時間またはヒートサイクル）、重要度、リードタイム、保存期間を考慮する必要がある。
多くの場合、回転率の高いアイテムはすぐに交換できるように在庫しておきたい。そのような品目は、次のような後に故障する傾向がある部品である。 x 作業時間が長かったり、オペレーターのミスで機械的な故障を起こしやすい。その他の部品として、ホットゾーン用エレメント、ポンプ用オイル、ワイヤー、ワッシャー、ホットゾーン用金具、炉全体のシールなどがあります。同じ機種や設計の炉を複数台お持ちの場合は、予備のホットゾーンやモーターを棚に置いておくことも検討できます。
投資収益率と稼働時間や計画ダウンタイムを比較した場合、メンテナンスの方法を積極的に行うことが最も費用対効果の高い選択になることが多い。
結論
新しい熱処理システムとその主要コンポーネントは大きな投資であり、何十年も使い続けることを期待する必要があります。しかし、この投資を最大限に活用するには、設備のアップグレードや修理を適切に選択するだけでなく、設備のメンテナンス計画を立てる必要があります。世界で最も堅牢な機器を購入することはできますが、維持管理を怠り、ベストプラクティスに従わなければ、どんなに優れた機器であっても、その潜在能力を十分に引き出すことはできません。
ファーネスを健康な状態に保つために重要なことは、投資について賢くなること、メンテナンスの計画を立てること、そして日常的に基本的なことを行うことです。もちろん、自分だけでこれを行う必要はありません。以下のような炉のトレーニングをご活用ください。 イプセン Uまた、技術的な専門家に教えを請うことを恐れないでください。彼らの専門知識は、この意思決定プロセスをナビゲートする際の大きな支えとなる。
参考文献
[1] Herring, D, "Saving Money by Maximizing Furnace Uptime Productivity,". 産業用暖房2013年6月 http://www.industrialheating.com/articles/90856-saving-money-by-maximizing-furnace-uptime-productivity.
[2] フラー、S.、"ライフサイクルコスト分析（LCCA）" WBDG、 2016年9月 https://www.wbdg.org/resources/life-cycle-cost-analysis-lcca.
[3] Grann, J., "Maintenance Matters：ホットゾーンの寿命を延ばす」、 熱処理2017年1月 http://thermalprocessing.com/article/detail/6364/maintenance-matters-extending-the-hot-zones-life-span.
[4] ヘリング、D、 真空熱処理 第2巻BNP Media II, LLC (Michigan, 2016), pp.141.
[5] Mike Berna, Ipsen USA, 984 Ipsen Road, Cherry Valley, Illinois, 61016、 イプセン U:真空炉のより良い理解、 Ipsen U マニュアル2017年、56-64ページ。
[6] ヘリング、D、 真空熱処理BNP Media II, LLC (Michigan, 2012), pp.168.
[7] コールマン、C. 他.『Making Maintenance Smarter』Deloitte University Press、2017年5月、 https://dupress.deloitte.com/dup-us-en/focus/industry-4-0/using-predictive-technologies-for-asset-maintenance.html.
[8] Goldsteinas, A., "Optimizing Thermal Processing Operations with Predictive Maintenance", "予知保全による熱処理業務の最適化". 産業用暖房2015年10月 http://www.industrialheating.com/articles/92505-optimizing-thermal-processing-operations-with-predictive-maintenance.