JP2000212644A

JP2000212644A - 炉気再生方法およびその装置

Info

Publication number: JP2000212644A
Application number: JP11012195A
Authority: JP
Inventors: Takemori Takayama; 武盛高山
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-08-02
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP3871457B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトで安価に、表面改質熱処理に使用
された炉気を高効率で高純度な炉気に再生する炉気再生
方法およびその方法の実施に用いられる炉気再生装置を
提供する。【解決手段】加熱炉から排出される炉気が、熱交換器
２内の螺旋状の銅製パイプ５ａ内を通って液体窒素によ
り冷却され、その炉気中のＣＯ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｏおよ
びＮＨ_３が液化または固化される。それら炉気は分離室
４に供給され、液化物もしくは固化物は分離室４に貯留
され、気体状態のＮ_２，Ｈ_２，ＣＯ等の混合ガスは再生
炉気として銅製パイプ５ｂを経て加熱炉へ供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面改質熱処理で
使用した炉気を再生する炉気再生方法およびその装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼等に対する表面改質熱処理方法
として、浸炭，窒化（浸窒）方法などが用いられてい
る。前記浸炭方法としては、プロパンやブタンガスを空
気と所定比で変成したＲＸガスをキャリヤーガスとし
て、さらに炉気中のＣＯ_２ガス濃度を管理しブタンガス
などをエンリッチガスとして添加しながら炭素ポテンシ
ャルを調整するＲＸガス浸炭方法が採用されている。ま
た、同じ浸炭方法として、Ｎ _２ガス中に炭酸水素ガスと
ＣＯ_２ガスを導入して炭素ポテンシャルをコントロール
するＮ_２ベース浸炭方法等も実施されている。さらに、
鋼に対する窒化方法としては、ＮＨ_３ガスを炉内に導入
して直接クラッキングさせて、炉気中の残留アンモニア
濃度を管理する方法が採られている。

【０００３】前記浸炭方法および窒化方法の他に、これ
らの原理を複合化したガス軟窒化、浸硫窒化，酸窒化処
理などにおいては、いずれの場合も炉気はＮ_２ガスとＨ
_２ガスを多量に含有したものであることから、前記Ｎ_２
ベース浸炭方法のようにＮ_２ガスをキャリヤーガスとし
て利用することが広く検討されており、例えば膜分離方
法によってＮ_２を大気から分離して利用することが検討
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記浸炭方法では、Ｎ
_２，Ｈ_２およびＣＯガスがキャリヤーガスとして利用さ
れ、実質的な浸炭によって鋼に浸透拡散させる炭素は炭
素ポテンシャル調整に少量添加されるブタン，プロパン
等の炭化水素ガスから分解発生する炭素が主体とされて
おり、それらＮ_２，Ｈ_２，ＣＯが混合されてなるキャリ
ヤーガスは、本来再利用されてしかるべき機能を有して
いる。しかしながら、浸炭炉気中にはＣＯ _２，Ｈ_２Ｏや
未分解の残留炭化水素ガス等が複雑に含有され、キャリ
ヤーガスとして炉気を再生させる場合にはこれらガスの
分離コストと安定した管理技術が必要となる。このた
め、現状では前記炉気はアフターバーナで燃焼・廃棄さ
れており、省エネルギー化およびＣＯ_２排出規制問題と
いう観点から大きな問題点を有している。

【０００５】また、通常の浸炭方法では、浸炭処理中に
炭素を高濃度で拡散浸透させる浸炭期と浸炭期に拡散浸
透させた炭素を表面で約０．８ｗｔ％に調整しながらよ
り深くまで浸透させる拡散期を設けて熱処理しており、
その期間ごとに炉気中のＣＯ _２ガス濃度，Ｈ_２Ｏガス濃
度および未分解の残留炭化水素ガス濃度が異なるため、
炉気を再生する際にはその都度に応じた分離条件を考え
る必要があるという問題点がある。

【０００６】なお、前記窒化，ガス軟窒化，浸硫窒化や
酸窒化熱処理等の表面改質熱処理に使用された炉気にお
いても燃焼・廃棄処理されており、前記浸炭方法と同様
の問題点がある。

【０００７】ところで、特公昭５６−４８２５号公報に
は、炉気に水素を添加して炉気中の酸素と反応させて水
分と不活性ガスとに分離し、その水分を除去して不活性
ガスを再生炉気とする炉気再生方法が提案されており、
また特公昭６２−２１０５０号公報には、炉気中のＣ
Ｏ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等の反応物を吸着塔により除去して
炉気を再生する炉気再生方法が提案されている。しかし
ながら、前記特公昭５６−４８２５号公報に記載の炉気
再生方法では、酸素を水分としその水分しか除去するこ
とができないという問題点があり、特公昭６２−２１０
５０号公報に記載の炉気再生方法では、装置が大型化
し、コスト高になるという問題点がある。

【０００８】本発明は、このような問題点を解消するた
めになされたもので、コンパクトで安価に、表面改質熱
処理に使用された炉気を高効率で高純度な炉気に再生す
る炉気再生方法およびその方法の実施に用いられる炉気
再生装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用・効果】前述さ
れた目的を達成するために、第１発明による炉気再生方
法は、表面改質熱処理で使用された炉気を再生する炉気
再生方法であって、前記炉気中から少なくとも酸素ガ
ス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスま
たは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを冷熱により液化
または固化させて分離することを特徴とするものであ
る。

【００１０】第１発明においては、表面改質熱処理で使
用された炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガ
ス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいず
れか１つ以上のガスを冷熱により液化または固化させて
分離して除去され、気体状態の成分からなる炉気が再生
炉気として表面改質熱処理に利用される。

【００１１】第１発明によれば、炉気中に複雑に含有さ
れている成分を液化または固化させて分離することによ
り、従来アフターバーナーで焼却・廃棄処理されてきた
炉気から各表面改質熱処理に必要とされるキャリヤーガ
スを容易に得ることができる。このように表面改質熱処
理に使用された炉気を再生利用することができるため、
省エネルギー化およびＣＯ_２の排出規制に対応すること
ができる効果を奏する。

【００１２】第１発明において、前記冷熱は液体窒素か
ら得られるものであるのが好ましい。前記液体窒素は市
販性と冷熱量の大きさの点で有利であり、かつ空気中か
ら窒素ガスを分離回収するに際しては、液体酸素の沸点
より低い温度の沸点を有しているため、最適である。な
お、冷熱媒体のもつ冷熱量は、室温を基準とする場合に
は冷媒温度の気体と液体との比熱から求まる熱量と沸点
温度での液体から気体に変態する際の蒸発熱から計算さ
れる。

【００１３】第１発明においては、前記冷熱により空気
中の窒素ガスと酸素ガスとに分離し、その窒素ガスを前
記炉気のキャリヤーガスとして利用するのが好ましい。
このように前記冷熱により空気を冷却し、酸素ガスを液
化させて窒素ガスと分離し、この窒素ガスを回収してキ
ャリヤーガスとして利用することにより、効率よく、安
価にＮ_２ベース浸炭処理等の表面改質熱処理を行なうこ
とができる効果を奏する。

【００１４】第１発明においては、前記表面改質熱処理
として窒化または軟窒化処理を行ない、その窒化または
軟窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二酸化
炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、アンモニアガスを液
化させて炉気より分離した後、この分離したアンモニア
を前記炉気に添加するのが好ましい。このように分離し
たアンモニアを用いることにより、新たに炉気に添加す
るアンモニア量を低減させることができるため、コスト
ダウンを図ることができるという効果を奏する。

【００１５】第１発明においては、前記表面改質熱処理
として浸炭または浸炭窒化処理を行ない、その浸炭また
は浸炭窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二
酸化炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、炭化水素ガスお
よびアンモニアガスを液化させて炉気より分離した後、
これら分離した炭化水素およびアンモニアを前記炉気に
添加するのが好ましい。こうすることにより未分解の炭
化水素ガスを炉気中から分離することができるため、ス
ーティングの発生を抑制することができるという効果を
奏する。また、炭化水素およびアンモニアの添加量を低
減させることができ、コストダウンを図ることができ
る。

【００１６】第１発明においては、前記炉気中の炭素ポ
テンシャルを調整しつつ炭化水素ガスおよび／または二
酸化炭素ガスを添加するのが好ましい。こうすることに
より粒界酸化を低減させることができる効果を奏する。

【００１７】第２発明による炉気再生装置は、表面改質
熱処理が行なわれる加熱炉から排出される炉気を再生す
る炉気再生装置において、（ａ）前記加熱炉から排出さ
れる炉気を吸引する吸引管、（ｂ）前記吸引管内に吸引
された炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，
アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか
１つ以上のガスを液化または固化させて分離する冷却媒
体を用いた熱交換器，（ｃ）前記熱交換器内に配置さ
れ、前記炉気中の液化物または固化物を分離する分離室
および（ｄ）前記分離室内の気体のみを排出する排出管
を設けることを特徴とするものである。

【００１８】第２発明においては、表面改質熱処理が行
なわれる加熱炉から排出される炉気が吸引管を通って熱
交換器に導入され、この熱交換器内で冷却され前記炉気
中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニア
ガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上の
ガスが液化または固化される。これら液化物または固化
物は熱交換器内の分離室で気体と分離され、その気体は
再生炉気として排出管を通って排出され、前記加熱炉に
供給される。

【００１９】第２発明によれば、第１発明と同様に、加
熱炉から排出される炉気を簡易でかつ安価に効率よく再
生利用することができ、省エネルギー化およびＣＯ_２の
排出規制に対応することができる効果を奏する。

【００２０】第２発明においては、前記熱交換器の冷熱
媒体が液体窒素であるのが好ましい。

【００２１】第２発明においては、前記熱交換器により
空気を窒素ガスと酸素ガスとを分離し、この分離された
窒素を前記加熱炉に供給するものであるのが好ましい。
空気を前記吸引管に通して熱交換器に導入することによ
り、分離室で液体酸素が窒素ガスから取り除かれ、排出
管より大量の窒素ガスを回収することができ、この窒素
ガスを前記加熱炉に供給することによりＮ_２ベース浸炭
処理等の表面改質熱処理を行なうことができる。このよ
うに加熱炉内に窒素ガスを多くしてＣＯ_２量を減らすこ
とにより粒界酸化を抑制することができる。

【００２２】第２発明においては、前記分離室内で分離
されたアンモニアまたは炭酸水素およびアンモニアを回
収して、前記排出管から排出される炉気に添加する混合
手段を備えるのが好ましい。このように混合手段によ
り、分離されたアンモニアまたは炭酸水素およびアンモ
ニアを再生炉気に添加すれば、新たに必要とされるアン
モニアや炭酸水素の添加量を低減させることができるた
め、経済的であるという効果を奏する。

【００２３】第２発明においては、さらに、前記熱交換
器もしくは加熱炉の下流側に炉気中の炭素ポテンシャル
を検出するガス分析器を設け、このガス分析器に示され
る炭素ポテンシャルを調整するように炭化水素ガスおよ
び／または二酸化炭素ガスを添加する添加制御手段を設
けるものであるのが好ましい。このように炭素ポテンシ
ャルを調整しつつ炭化水素ガスおよび／または二酸化炭
素ガスを添加することにより、粒界酸化を低減させるこ
とができる効果を奏する。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明による炉気再生方法
およびその装置の具体的な実施の形態につき、図面を参
照しつつ説明する。

【００２５】図１には、本発明の一実施例に係る炉気再
生装置１の構成概略図が示されている。

【００２６】本実施例の炉気再生装置１は、断熱材２ａ
で形成される熱交換器２と、その熱交換器２底部に排出
口３を備える分離室４とが設けられるとともに、前記熱
交換器２内で螺旋状に巻かれて前記分離室４に連結され
炉気を熱交換器２内に導入する銅製パイプ５ａ（本発明
における吸引管に相当する。）と、その分離室４に連結
され炉気を熱交換器２外へ導出する銅製パイプ５ｂ（本
発明における排出管に相当する。）とが設けられて構成
されている。また、前記熱交換器２内部には、液体窒素
（冷熱媒体）が貯留されており、前記銅製パイプ５ａ，
５ｂの一部が液体窒素に浸漬するようにされている。

【００２７】前記銅製パイプ５ｂの下流側には、赤外線
吸収型のＣＯ_２分析計（図示省略）および酸素電池型の
酸素センサ（図示省略）が設けられている。また、前記
銅製パイプ５ａの上流側には、表面改質熱処理が行なわ
れる加熱炉から炉気を吸引するポンプ（図示省略）が設
けられている。なお、特に浸炭炉気（８５０℃，ＣＯ _２
％＝０．２５％，ＣＨ_４％＝３．５％）と窒化炉気（５
５０℃，残留アンモニア濃度１５％）とを再生する場合
は加熱炉から排出される時点での温度が高いことから、
一旦冷水で冷却した後に前記銅製パイプ５ａに供給され
る。

【００２８】このように構成される炉気再生装置１にお
いて、前記加熱炉から排出される炉気（例えば浸炭炉
気，窒化炉気）は一旦冷却され、外周が液体窒素に浸漬
される螺旋状の銅製パイプ５ａ内に供給され、この銅製
パイプ５ａ内を通りつつ冷却される。

【００２９】前記液体窒素の沸点温度は−１９６℃であ
るため、前記炉気が液体窒素の沸点温度付近まで冷却さ
れることにより炉気中のＣＯ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｏおよび
ＮＨ _３が液化または固化される。これらの液化物もしく
は固化物は、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に貯留
される。一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に供
給されるＮ_２，Ｈ_２，ＣＯ等の混合ガス（キャリヤーガ
ス）は、再生炉気として銅製パイプ５ｂを経て熱交換器
２外部へ導出され、前記加熱炉へ供給される。

【００３０】前記銅製パイプ５ｂにより導出される再生
炉気中のＣＯ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２ＯおよびＮＨ_３の濃度を
下流側に設けられる前記ＣＯ_２分析計および酸素センサ
を用いて測定したところ、測定不可能な範囲まで低下さ
れているのが検出された。したがって、高純度に炉気再
生が行なわれていることが明らかである。

【００３１】本実施例によれば、冷却媒体を用いて加熱
炉から排出される炉気を冷却させることにより、Ｃ
Ｏ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２ＯおよびＮＨ_３を液化または固化さ
せて分離させることができる。すなわち、加熱炉から排
出される炉気中に複雑に含有されるＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，Ｎ
Ｈ_３や未分解の残留炭化水素ガスを容易に分離し、
Ｎ_２，Ｈ_２，ＣＯが混合されてなる高純度なキャリヤー
ガスを再生炉気として再利用することができる。こうし
て安価な構成により、加熱炉から排出される炉気を確実
に高純度なキャリヤーガスに再生することができ、省エ
ネルギー化，低コストおよび低公害を図ることができる
効果を奏する。また、本実施例によれば、炉気再生に必
要な動力源が加熱炉から熱交換器２内に炉気を吸引する
ポンプだけでよく、構造が非常にコンパクトであるとい
う効果を奏する。

【００３２】また、本実施例によれば、炉気中のＣ
Ｏ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｏが完全に分離されているため、例
えば炭素を高温度で拡散浸透させる浸炭期と拡散浸透さ
せた炭素を表面で約０．８ｗｔ％に調整しながらより深
くまで浸透させる拡散期を設けて熱処理を行なう浸炭処
理に際して、各期間毎の濃度条件に関係なく一律に処理
することができるという効果を奏する。

【００３３】本実施例の炉気再生装置１を用いて窒化も
しくは軟窒化炉気を再生するに際しては、それら窒化炉
気を銅製パイプ５ａに通して熱交換器２により冷却させ
て、炉気中のＣＯ_２ガスおよび水蒸気を固化させるとと
もに、ＮＨ_３ガスを液化させてそれぞれ炉気より分離室
４に貯留する。一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室
４に供給された炉気（再生炉気）は、銅製パイプ５ｂを
経て容器２外部へ導出され、前記加熱炉へ供給される。
また、前記分離室４内のＮＨ_３のみが抽出され、前記再
生炉気とともに加熱炉に供給される。こうすることによ
り添加物の供給量を最低限に抑えることができるため、
省エネルギー化およびコストダウンをより確実に図るこ
とができる。

【００３４】本実施例の炉気再生装置１を用いて浸炭も
しくは浸炭窒化炉気を再生するに際しては、それら浸炭
もしくは浸炭窒化炉気を銅製パイプ５ａに通して熱交換
器２により冷却させて、炉気中のＣＯ_２ガスおよびＨ_２
Ｏを固化させるとともに、炭化水素ガスおよびＮＨ_３ガ
スを液化させてそれぞれ炉気より分離室４に貯留する。
一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に供給された
炉気（再生炉気）は、銅製パイプ５ｂを経て容器２外部
へ導出され、前記加熱炉へ供給される。また、前記分離
室４内の炭化水素およびＮＨ_３が抽出され、前記再生炉
気とともに加熱炉に供給される。なお、前記炭化水素お
よびＮＨ_３は、炭素ポテンシャルを調整するように供給
される。こうすることにより添加物の供給量を最低限に
抑えることができるため、省エネルギー化およびコスト
ダウンをより確実に図ることができる。また、炭素ポテ
ンシャルの調整により粒界酸化を低減させることができ
る。

【００３５】また、本実施例の炉気再生装置１を用い
て、窒化炉気からＮＨ_３ガスを分離除去する場合には、
冷熱媒体が液体窒素である必要がなく、経済的に最も都
合の良い例えば固体ＣＯ_２（ドライアイス）であっても
よい。

【００３６】本実施例においては、空気をＮ_２とＯ_２と
に分解することができる。すなわち、室温の圧縮空気を
減圧しながら銅製パイプ５ａに供給し、この銅製パイプ
５ａ内で液体窒素により冷却し、空気中のＯ_２を液化さ
せて分離室４に貯留する。一方、分離室４に供給された
Ｎ_２ガスは銅製パイプ５ｂを通って熱交換器２から導出
される。こうして銅製パイプ５ｂにより導出されるＮ_２
ガス中のＯ_２ガス濃度を下流側に設けられる酸素センサ
を用いて測定したところ、２５ｐｐｍまで低下されてい
るのが検出された。このように回収されたＮ_２ガスを回
収し浸炭炉気として利用することにより、安価なＮ_２ベ
ース浸炭方法を行なうことができる効果を奏する。

【００３７】本実施例においては、１つ以上の複数の加
熱炉から排出される炉気に対しても同時に１つの炉気再
生装置により再生処理を行なうことができる。

【００３８】本実施例においては、熱交換器２に冷熱利
用サイクル１０を連結して用いることができる。こうす
ることにより、冷熱媒体の熱交換率を向上させることが
できる。図２に、冷熱利用サイクル１０および熱交換器
２の概略構成図が示されている。以下に、図２の冷熱利
用サイクル１０および熱交換器２を用いて空気をＮ_２と
Ｏ_２とに分解する場合について説明する。

【００３９】前記冷熱利用サイクル１０は、断熱材で形
成される３つの容器１１，１１ａ，１１ｂが連結パイプ
１２により直列に連結されて構成されている。前記容器
１１，１１ａ，１１ｂ内にはそれぞれ空気（または炉
気）を貯留する貯留室１３が設けられ、これら貯留室１
３は内部の空気（または炉気）を供給・排出するパイプ
１４を介して連結されている。前記パイプ１４の下流側
は前記銅製パイプ５ａに連結されている。また、前記空
気（または炉気）の下流側の容器１１ａは前記熱交換器
２に連結パイプ１２を介して連結されており、上流側の
容器１１ｂには窒素ガスを排出する排出口１５が設けら
れている。

【００４０】また、前記熱交換器２内の分離室４の排出
口３には排出用パイプ１６が接続されており、この排出
用パイプ１６は前記上流側容器１１ｂ内の貯留室１３を
通るように配置されている。

【００４１】このように構成される冷却利用サイクル１
０および熱交換器２においては、空気（もしくは加熱炉
から一旦冷却された炉気）がパイプ１４を経て各容器１
１，１１ａ，１１ｂ内の貯留室１３に供給された後、前
記銅製パイプ５ａに供給される。この銅製パイプ５ａ内
で空気が液体窒素の沸点（−１９６℃）付近まで冷却さ
れ、空気中の酸素が液化されて分離室４に貯留される。
一方、空気中の窒素は分離室４を経て銅製パイプ５ｂを
通じて加熱炉へ供給される。

【００４２】また、前記熱交換器２内では内部に貯留さ
れる液体窒素が気化し、その窒素が前記連結パイプ１２
を経て容器１１ａに供給される。この窒素は液体窒素の
沸点温度付近の温度を示しており、前記下流側容器１１
ａの貯留室１３内の空気を冷却させる。また、この下流
側容器１１ａ内の窒素は、連結パイプ１２を経て順次上
流側の容器１１ｂに供給されるとともに、各容器１１，
１１ａ，１１ｂ内の貯留室１３の空気を冷却する。こう
して上流側容器１１ｂから順に貯留室１３内に供給され
る空気は、液体窒素から蒸発する低温窒素ガスにより多
段階に熱交換され、最終的に熱交換器２に供給されて酸
素が液化されるため、極めて効率よく冷熱を利用するこ
とができる効果を奏する。なお、上流側容器１１ｂ内の
窒素は、排出口１５から回収され必要に応じて加熱炉内
に供給される。

【００４３】一方、前記分離室４内で液化された酸素は
排出パイプ１６内を通って気化されて排出される。前記
排出パイプ１６は、上流側容器１１ｂの貯留室１４内を
通るようにされているため、酸素が液体から気化する際
の蒸発熱も空気の冷却に利用される。なお、この排出パ
イプ１６から排出される酸素も純度が高く、バーナに用
いるなどして燃焼効率を向上させることができる。

【００４４】前記熱交換器２および冷熱利用システム１
０を用いて例えば２０℃の空気を−２０℃の窒素と酸素
とに分離することを想定すると、熱交換ロスが０％であ
る場合は１ｋｇの液体窒素で約７．６ｋｇの窒素ガスと
１．９ｋｇの酸素ガスが分離回収できることが熱収支バ
ランスから計算される。現実的な熱交換ロスを５０％と
仮定した場合にでも空気中から３．８ｋｇの窒素ガスが
精製できる。

【００４５】以上、冷熱利用サイクル１０および熱交換
器２について空気を酸素と窒素とに分解させる場合につ
いて説明したが、加熱炉から排出される炉気および加熱
炉から排出されて一旦冷却された炉気を同様に冷熱利用
サイクル１０に通して熱交換器２に供給して、炉気を再
生することができる。すなわち、前記炉気がパイプ１４
内から各貯留室１３に供給され多段階に冷却されて、銅
製パイプ５ａを通って熱交換器２内に導入される。この
熱交換器２内でさらに冷却されて、炉気中のＣＯ_２，Ｃ
Ｈ_４，Ｈ_２ＯおよびＮＨ_３が液化または固化されて分離
され、Ｎ_２，Ｈ _２，ＣＯが混合されてなる高純度なキャ
リヤーガスを再生炉気として銅製パイプ５ｂから熱交換
器２外へ導出されて加熱炉に供給される。こうして炉気
再生を行なうに際しても冷熱媒体の熱交換率を向上させ
ることができ、省エネルギー化およびコストダウンをよ
り確実に図ることができる。

【００４６】本実施例においては、銅製パイプ５ｂを下
流側容器１１ａから上流側容器１１ｂにかけて各貯留室
１４内を通すように配置されていてもよい。こうするこ
とにより、空気から分離された窒素ガスもしくは再生炉
気の有する冷熱を利用することができるという効果を奏
する。また、空気を分離する際には、前記銅製パイプ５
ａを熱交換器２内（液体窒素液面上方）で開放するよう
にしてもよい。こうすることにより排出口１５から排出
される窒素ガスの純度はわずかに悪くなるものの、構造
が非常に簡易になるという効果を奏する。

【００４７】本実施例においては、排出パイプ１６が上
流側容器１１ｂの貯留室１４内を通るように構成されて
いるが、これに限らず、容器１１，１１ａ，１１ｂの貯
留室１４内をすべて通すように構成されていてもよく、
またいずれか１つもしくは２つの貯留室１４内を通すよ
うに構成されていてもよい。

【００４８】図３には、前記炉気再生装置１を備える浸
炭設備２０の概略図が示されている。

【００４９】本実施例の浸炭設備２０においては、前記
炉気再生装置１すなわち熱交換器２の銅製パイプ５ｂの
下流端に再生炉気配管２１が接続されており、この再生
炉気配管２１は混合器２２を介して加熱炉２３に連結さ
れている。この加熱炉２３には、内部の炉気を排出する
炉気配管２４が連結されているとともに、ガス分析装置
２５が接続されている。また、前記加熱炉２３の炉気
は、ガス分析装置２５に供給されるように構成されてお
り、このガス分析装置２５の信号は、ＣＯ_２コントロー
ラ２６，プロパンコントローラ２７およびＮ_２コントロ
ーラ２８にそれぞれ伝達されるように構成されている。

【００５０】前記コントローラ２６，２７，２８はそれ
ぞれＣＯ_２ボンベ２９，プロパンボンベ３０およびＮ_２
ボンベ３１に接続されるとともに、前記炉気再生装置１
と混合器４との間の炉気配管２４にそれぞれ制御バルブ
３２を介して接続されている。それらコントローラ２
６，２７，２８は、前記ガス分析装置２５の信号に基づ
いて炭素ポテンシャルが一定となるようにＣＯ_２，プロ
パンまたはＮ_２の供給量を制御する。

【００５１】本実施例においては、加熱炉２３内のスー
ティング性を調査するために、加熱炉２３として透明石
英管が用いられており、その内部に浸炭テストピース３
３が配置されている。

【００５２】このように構成される浸炭設備２０におい
て、前記加熱炉２３内で９３０℃における炭素ポテンシ
ャルが１．２％になるように炉気を単に循環させて浸炭
を行なった場合と前記炉気再生装置１から供給される再
生炉気（４３％Ｎ_２＋３２％Ｈ_２＋２５％ＣＯ）を用い
て浸炭を行なった場合との加熱炉２３に付着する炭素量
の多さからスーティング性を調査した。

【００５３】その結果、単に循環させた炉気を用いた場
合はＣＯ_２のコントロールがうまくできずに、プロパン
ガスの分解によるスーティングが顕著であったのに対し
て、残留炭化水素ガスとＣＯ_２ガスとをほぼ完全に分離
した再生炉気を用いた場合は炭素コントロール用のプロ
パンガスの使用が少なく抑えることができるとともに、
炭素ポテンシャルの制御性の良いことからスーティング
を極めて少なく抑えることができることが判明した。こ
の原因としては、浸炭温度（９３０℃）で再生炉気中の
炭素ポテンシャルが前記１．２％より高い状態にあり、
かつ２ＣＯ＝ＣＯ_２＋Ｃの反応にしたがったスーティン
グ反応が極めて緩慢であることと、炭素ポテンシャル
１．２％に達するまでの反応量が少なくてすむことと、
継続的に炭素ポテンシャルを調整するのに必要なプロパ
ン添加量が少なくてすむこととが挙げられる。

【００５４】本実施例においては、コントローラ２６，
２７，２８によりＣＯ_２ボンベ２９，プロパンボンベ３
０およびＮ_２ボンベ３１から必要に応じてＣＯ_２，プロ
パン，Ｎ_２が添加されるように構成されているが、これ
に限らず、炉気再生装置１の分離室４から回収されるプ
ロパンなどの炭化水素ガスやＮＨ_３を添加するように構
成されていてもよい。

【００５５】本実施例においては、表面改質熱処理とし
て浸炭処理を行なった場合の浸炭炉気を再生する場合に
ついて説明しているが、窒化，ガス軟窒化，浸硫窒化，
酸窒化熱処理等の表面改質熱処理に使用された炉気を再
生することができる、すなわちＮＨ_３，ＣＯ_２，Ｈ
_２Ｓ，ＳＯ_２に対しても適用することができ、同等の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例に係る炉気再生装置
の構成概略図である。

【図２】図２は、冷熱利用サイクルおよび熱交換器の概
略構成図である。

【図３】図３は、本発明の炉気再生装置を備える浸炭設
備の概略図である。

【符号の説明】

１炉気再生装置２熱交換器３排出口４分離室５ａ，５ｂ銅製パイプ１０冷熱利用サイクル１１，１１ａ，１１ｂ容器１２連結パイプ１３貯留室１４パイプ１５排出口１６排出パイプ２０浸炭設備２１再生炉気配管２２混合器２３加熱炉２４炉気配管２５ガス分析装置２６ＣＯ_２コントローラ２７プロパンコントローラ２８Ｎ_２コントローラ２９ＣＯ_２ボンベ３０プロパンボンベ３１Ｎ_２ボンベ３２制御バルブ３３浸炭テストピース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面改質熱処理で使用された炉気を再生
する炉気再生方法であって、前記炉気中から少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，
アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか
１つ以上のガスを冷熱により液化または固化させて分離
することを特徴とする炉気再生方法。
【請求項２】前記冷熱は液体窒素から得られるもので
ある請求項１に記載の炉気再生方法。
【請求項３】前記冷熱により空気中の窒素ガスと酸素
ガスとに分離し、その窒素ガスを前記炉気のキャリヤー
ガスとして利用する請求項２に記載の炉気再生方法。
【請求項４】前記表面改質熱処理として窒化または軟
窒化処理を行ない、その窒化または軟窒化処理で使用し
た炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび水蒸
気を固化させ、アンモニアガスを液化させて炉気より分
離した後、この分離したアンモニアを前記炉気に添加す
る請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の炉気再生方
法。
【請求項５】前記表面改質熱処理として浸炭または浸
炭窒化処理を行ない、その浸炭または浸炭窒化処理で使
用した炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび
水蒸気を固化させ、炭化水素ガスおよびアンモニアガス
を液化させて炉気より分離した後、これら分離した炭化
水素およびアンモニアを前記炉気に添加する請求項１乃
至３のうちのいずれかに記載の炉気再生方法。
【請求項６】前記炉気中の炭素ポテンシャルを調整し
つつ炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加
する請求項５に記載の炉気再生方法。
【請求項７】表面改質熱処理が行なわれる加熱炉から
排出される炉気を再生する炉気再生装置において、
（ａ）前記加熱炉から排出される炉気を吸引する吸引
管、（ｂ）前記吸引管内に吸引された炉気中の少なくと
も酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水
素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液化ま
たは固化させて分離する冷却媒体を用いた熱交換器，
（ｃ）前記熱交換器内に配置され、前記炉気中の液化物
または固化物を分離する分離室および（ｄ）前記分離室
内の気体のみを排出する排出管を設けることを特徴とす
る炉気再生装置。
【請求項８】前記熱交換器の冷熱媒体が液体窒素であ
る請求項７に記載の炉気再生装置。
【請求項９】前記熱交換器により空気を窒素ガスと酸
素ガスとを分離し、この分離された窒素を前記加熱炉に
供給するものである請求項８に記載の炉気再生装置。
【請求項１０】前記前記分離室内で分離されたアンモ
ニアまたは炭酸水素およびアンモニアを回収して、前記
排出管から排出される炉気に添加する混合手段を備える
ものである請求項７乃至９のうちのいずれかに記載の炉
気再生装置。
【請求項１１】さらに、前記熱交換器もしくは加熱炉
の下流側に炉気中の炭素ポテンシャルを検出するガス分
析器を設け、このガス分析器に示される炭素ポテンシャ
ルを調整するように炭化水素ガスおよび／または二酸化
炭素ガスを添加する添加制御手段を設けるものである請
求項７乃至１０のうちのいずれかに記載の炉気再生装
置。