JP2006022357A - 浸炭用ガス製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 処理材を高速で浸炭処理するのに用いる一酸化炭素ガスの濃度が高い浸炭用ガスを簡単な設備で効率よく安定して製造できるようにする。
ことを課題とするものである。
【解決手段】 触媒層２２が設けられた耐熱性の反応筒２１内に原料ガスＧａを導き、この原料ガスを加熱させながら触媒層内を通して反応させ、一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスＧｂを製造する浸炭用ガス製造装置２０において、上記の原料ガスに炭化水素ガスＧａ１と酸素Ｇａ２とを用い、原料ガス供給管２５を通してこの原料ガスを上記の反応筒内に供給するようにした。
【選択図】 図３

Description

この発明は、鋼材部品等の処理材を浸炭処理するのに用いる一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造する浸炭用ガス製造装置に係り、特に、上記の処理材を高速で浸炭処理するのに用いる一酸化炭素ガスの濃度が高い浸炭用ガスを低コストで効率よく安定して製造できるようにした点に特徴を有するものである。

従来から低炭素鋼や低合金鋼等の鋼材部品における強度を高めるため、その表面から炭素を内部に拡散浸透させる浸炭処理が施されている。

そして、このように鋼材部品等の処理材を浸炭処理するにあたっては、様々な方法が使用されており、例えば、図１に示すように、処理炉２内に処理材１を導入し、この処理炉２内に浸炭用ガス製造装置１０から一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを供給し、この処理炉２内において処理材１を加熱させる加熱工程と、このように加熱された処理材１に炭素を付与して浸炭させる浸炭工程と、このように処理材１に付与された炭素を、表面炭素濃度が所要値になるように処理材１の内部に拡散させる拡散工程と、このように炭素が内部に拡散された処理材１の温度を下げる降温工程とを経て、処理材１を浸炭処理することが行われている。

ここで、上記のように処理炉２に供給する一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造する浸炭用ガス製造装置１０としては、一般に、耐熱性の反応筒１１内に、Ｎｉ触媒やＲｈ，Ｐｔ等の貴金属触媒を収容させた触媒層１２を設けると共に、この反応筒１１の外周側に断熱材を用いた外装体１３を設け、この外装体１３と反応筒１１との間に電熱ヒーターからなる加熱装置１４を設け、この加熱装置１４によって触媒層１２を加熱させるようにしたものが用いられている。

そして、従来の浸炭用ガス製造装置１０においては、原料ガスとして、一般にＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスと空気とを用い、第１原料ガス供給管１５ａによって導かれた炭化水素ガスと、第２原料ガス供給管１５ｂによって導かれた空気とをガスミキサー１６により混合させ、このように混合させた原料ガスを、原料ガス供給管１５を通して上記の反応筒１１内に導くようにしている。

そして、この原料ガスを、上記のように加熱された触媒層１２内を通して上記の触媒により反応させ、一酸化炭素を含む浸炭用ガスを生成し、このように生成した浸炭用ガスを、浸炭用ガス供給管１７を通して処理炉２内に供給するようにしている。

しかし、上記のようにＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを用いて一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを生成した場合、空気中には窒素ガスが多く含まれているため、一般に浸炭用ガス中における一酸化炭素ガスの濃度は２０〜２５体積％程度にしかならず、このように一酸化炭素ガスの濃度が２０〜２５体積％と低い浸炭用ガスを用いた場合、処理材１に対する浸炭速度が遅くなって、浸炭処理に多くの時間を要するという問題があった。

このため、従来においては、処理炉２内に上記の浸炭用ガスとは別にＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスを導入する等により、処理炉２内におけるカーボンポテンシャルを高めて、処理材１に対する浸炭速度を速め、処理時間を短縮させることが行われている。

しかし、上記のように一酸化炭素ガスの濃度が２０〜２５体積％になった浸炭用ガスを導入させた処理炉２内に、ＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスを導入させる等によって処理炉２内におけるカーボンポテンシャルを温度と鋼種によって決定される飽和値近くまで高める場合、カーボンポテンシャルを適切に制御することが困難であり、処理炉２内におけるカーボンポテンシャルが飽和値を越えて高くなりすぎ、煤が発生する等の問題があった。

また、従来においても、上記の浸炭用ガスにおける一酸化炭素ガス濃度を高めると、処理材１に対する浸炭速度が向上することが分かっており、近年においては、処理材１を浸炭処理するにあたり、上記の原料ガスに用いる空気に代え、二酸化炭素ガス等を用い、一酸化炭素ガスの濃度が高くなった浸炭用ガスを得ることが検討されている。

ここで、上記のように空気に代えて二酸化炭素ガスを使用した原料ガスを用いた場合、炭化水素ガスと二酸化炭素ガスとの反応が吸熱反応であるため、上記のように外周側に設けた加熱装置１４で加熱させるだけでは、上記の触媒層１２が十分に加熱されず、この触媒層１２内における触媒の一部の温度が低下した。

そして、このように温度が低下した触媒層１２の部分において、原料ガスの反応が十分に行われなくなって煤が発生し、この煤が触媒層１２内に詰まり、浸炭用ガスを安定して製造することができなくなるという問題があった。

このため、近年においては、炭化水素ガスと二酸化炭素ガスと酸素ガスとを爆発混合気範囲外で混合させた原料ガスを用いるようにしたもの（例えば、特許文献１参照。）や、炭化水素ガスと二酸化炭素ガスと酸素等とを混合させた原料ガスをニッケル触媒層に導入して反応させるにあたり、酸素ガスをニッケル触媒層の途中に導入させるようにしたもの（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。

しかし、上記のようにした場合においても、依然として一酸化炭素ガスの濃度が高くなった浸炭用ガスを安定して製造することができず、特に、酸素ガスをニッケル触媒層の途中に導入させる場合においては、原料ガスが供給される触媒層の供給側における温度が低下し、この部分に煤が発生して触媒層が詰まるという問題があった。
特開２０００−２５６８２４号公報 特開２００１−１５２３１３号公報

このため、本出願人は先の出願である特願２００３−３８６２３３号及び特願２００４−１０９９０２号において、図２に示すように、反応筒１１内に耐熱性の内管１８を設け、この内管１８と上記の反応筒１１との間に触媒層１３を設けると共に、この内管１８の内部にも電熱ヒーターからなる加熱装置１９を設け、前記の外装体１３と反応筒１１との間に設けた加熱装置１４とこの内管１８内に設けた加熱装置１９とによって触媒層１２を十分に加熱させるようにしたものを提案した。

しかし、このように外装体１３と反応筒１１との間に加熱装置１４を設けると共に、反応筒１１内に内管１８を設け、この内管１８内にも加熱装置１９を設けるようにすると、設備が複雑になってコストが高くつくと共に、２つの加熱装置１４，１９によって加熱させるため、ランニングコストも高くつくという問題があった。

この発明は、鋼材部品等の処理材を浸炭処理するのに用いる一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造する場合における上記のような様々な問題を解決することを課題とするものであり、上記の処理材を高速で浸炭処理するのに用いる一酸化炭素ガスの濃度が高い浸炭用ガスを簡単な設備で効率よく安定して製造できるようにすることを課題とするものである。

この発明においては、上記のような課題を解決するため、触媒層が設けられた耐熱性の反応筒内に原料ガスを導き、この原料ガスを加熱させながら触媒層内を通して反応させ、一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造する浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガスに炭化水素ガスと酸素とを用い、原料ガス供給管を通してこの原料ガスを上記の反応筒内に供給するようにした。

ここで、この発明における浸炭用ガス製造装置においては、上記の原料ガス供給管から反応筒内に噴出させる原料ガスの噴出速度を、この原料ガスの火炎伝播速度よりも速くすることが好ましい。

また、この発明における浸炭用ガス製造装置においては、上記の原料ガス供給管から原料ガスを供給する供給側と触媒層との間に空間部を設けると共に、上記の原料ガスがこの空間部を通過する通過時間を０．０４〜０．２秒の範囲にすることが好ましい。

さらに、この発明における浸炭用ガス製造装置においては、上記の原料ガスを反応筒内に供給する原料ガス供給管を複数本設けると共に、各原料ガス供給管にそれぞれ原料ガス供給管の開閉を行う開閉装置を設けることが好ましい。

この発明における浸炭用ガス製造装置においては、上記のように原料ガスに炭化水素ガスと酸素とを用い、この原料ガスを加熱させながら触媒層内を通して反応させて一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造するようにしたため、原料ガスに炭化水素ガスと空気とを用いた場合のように、得られた浸炭用ガス中に多くの窒素ガスが含まれるということがなく、一酸化炭素ガスの濃度が約３３〜４４体積％になった一酸化炭素ガス濃度の高い浸炭用ガスが得られるようになる。

また、上記のように原料ガスに炭化水素ガスと酸素とを用いると、触媒層において酸素による発熱反応が生じて、触媒層の温度が低下するのが抑制されるようになる。このため、原料ガスに炭化水素ガスと二酸化炭素ガスとを用いた場合のように、触媒層の温度が低下して煤が発生し、この煤が触媒層内に詰まるということがなく、一酸化炭素ガスの濃度が高い浸炭用ガスを安定して製造できるようになる。また、触媒層の温度が低下するのを防止するために、本出願人の先の出願に示すように、反応筒内に内管を設け、この内管の内部にも加熱装置を設けて触媒層を加熱させる必要がなく、設備が簡単になると共に、ランニングコストも低減される。

また、この発明における浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガス供給管から反応筒内に噴出させる原料ガスの噴出速度を、この原料ガスの火炎伝播速度よりも速くすると、原料ガスが速やかに反応筒内における触媒層に供給され、この触媒層において炭化水素ガスの分解と酸素による酸化とが行われるようになり、反応筒内において酸素が燃焼するのが抑制されて、反応筒が高温になりすぎるのが防止されると共に、火炎が原料ガス供給管に戻って逆火するのも防止されるようになる。

また、この発明における浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガス供給管から原料ガスを供給する供給側と触媒層との間に空間部を設けると、この空間部において原料ガスが分散されて、原料ガスが触媒層に均一に供給されるようになる。また、上記の原料ガスがこの空間部を通過する通過時間を０．０４〜０．２秒の範囲にすると、原料ガスが反応筒内に供給されて触媒層に導かれるまでの距離が短くなり、原料ガスが速やかに触媒層に供給されて、炭化水素ガスの分解と酸素による酸化とが適切に行われるようになり、上記の場合と同様に、反応筒内において酸素が燃焼するのが抑制されて、反応筒が高温になりすぎるのが防止されるようになる。

さらに、この発明における浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガスを反応筒内に供給する原料ガス供給管を複数本設けると共に、各原料ガス供給管の開閉を行う開閉装置を設けると、反応筒内に供給する原料ガスの量を少なくする場合において、適当な原料ガス供給管に設けられた開閉装置を閉じて、この原料ガス供給管から原料ガスを噴出させないようにし、原料ガスを噴出させる原料ガス供給管の数を少なくすることにより、原料ガス供給管から噴出させる原料ガスの噴出速度を速い速度に保ちながら、反応筒内に供給する原料ガスの量を少なくすることができるようになる。このため、反応筒内に供給する原料ガスの量を少なくする場合においても、原料ガス供給管から噴出させる原料ガスの噴出速度を低くする必要がなくなり、反応筒内において酸素が燃焼するのが抑制されて、反応筒が高温になりすぎるのが防止されると共に、火炎が原料ガス供給管に戻って逆火するのも防止されるようになる。

以下、この発明の実施形態に係る浸炭用ガス製造装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、この発明に係る浸炭用ガス製造装置は下記の実施形態に示すものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

この実施形態における浸炭用ガス製造装置２０においては、図３に示すように、耐熱性の反応筒２１内に触媒を収容させた触媒層２２を設けると共に、この反応筒２１の外周側に断熱材を用いた外装体２３を設け、この外装体２３と反応筒２１との間に電熱ヒーターからなる加熱装置２４を設け、この加熱装置２４によって触媒層２２を加熱させるようにしている。ここで、上記の触媒層２２に使用する触媒としては、一般に使用されているＮｉ触媒や、Ｒｈ，Ｐｔ等の貴金属触媒を用いることができるが、この触媒層２２を通して原料ガスＧａを効率よく反応させるためには、Ｒｈ，Ｐｔ等の貴金属触媒を用いることが好ましい。

また、この実施形態における浸炭用ガス製造装置２０においては、原料ガスＧａとして、ＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスＧａ１と酸素Ｇａ２とを用い、第１原料ガス供給管２５ａによって導かれた炭化水素ガスＧａ１と、第２原料ガス供給管２５ｂによって導かれた酸素Ｇａ２とをガスミキサー２６等によって混合させるようにしている。

そして、このように混合させた原料ガスＧａを分岐された複数の原料ガス供給管２５を通して上記の反応筒２１内に噴出させるようにしている。また、この実施形態においては、上記のように分岐された各原料ガス供給管２５にそれぞれ開閉装置２８を設け、各開閉装置２８によって各原料ガス供給管２５の開閉を制御するようにしている。

ここで、この実施形態に係る浸炭用ガス製造装置２０を用いて、一酸化炭素ガスの濃度が高くなった浸炭用ガスＧｂを製造するにあたっては、上記の加熱装置２４により反応筒２１内に設けた触媒層２３を加熱させるようにする。

そして、上記のように炭化水素ガスＧａ１と酸素Ｇａ２とを混合させた原料ガスＧａを分岐された複数の原料ガス供給管２５を通して、反応筒２１内における触媒層２３との間の空間部２９に噴出させ、この空間部２９において噴出された原料ガスＧａを分散させて、上記のように加熱された触媒層２３に原料ガスＧａを均一に導くようにする。

ここで、上記のように炭化水素ガスＧａ１と酸素Ｇａ２とを混合させた原料ガスＧａを加熱された触媒層２３に導くと、この触媒層２３において、上記の酸素Ｇａ２が反応する発熱反応が生じ、炭化水素ガスＧａ１が分解されて酸素Ｇａ２と反応し、一酸化炭素と水素とを含む浸炭用ガスＧｂが生成される吸熱反応によっても、触媒層２３の温度が低下するのが抑制され、触媒層２３内において煤が発生するのが防止される。

そして、このように触媒層２３において生成された浸炭用ガスＧｂを、反応筒２１の排出側に設けた浸炭用ガス供給管２７を通して浸炭処理を行う処理炉（図示せず）内に供給するようにしている。

ここで、この実施形態における浸炭用ガス製造装置２０において、上記のように炭化水素ガスＧａ１と酸素Ｇａ２とを混合させた原料ガスＧａを、反応筒２１内における触媒層２３との間の空間部２９に噴出させるにあたり、この空間部２９が大きくなると、酸素Ｇａ２が反応する発熱反応がこの空間部２９において発生し、反応筒２１が高温になって破損するおそれがあるため、この空間部２９における触媒層２３までの距離ｄを上記の原料ガスＧａの供給量や供給速度等によって調整し、原料ガスＧａがこの空間部を通過する通過時間を０．０４〜０．２秒の範囲になるようにし、原料ガスＧａが速やかに触媒層２３に導かれて反応するようにしている。

また、この空間部２９に噴出された原料ガスＧａが速やかに触媒層２３に導かれるようにすると共に、空間部２９において酸素Ｇａ２が反応して発生した火炎が原料ガス供給管２５に戻って逆火するのを防止するため、各原料ガス供給管２５から反応筒２１内に噴出させる原料ガスＧａの噴出速度を、この原料ガスＧａの火炎伝播速度よりも速くしている。

また、この実施形態における浸炭用ガス製造装置２０において、生成する浸炭用ガスＧｂの量を少なくするために、反応筒２１内に供給する原料ガスＧａの量を少なくする場合には、上記の分岐された複数の原料ガス供給管２５において、適当な原料ガス供給管２５に設けられた開閉装置２８を閉じて、原料ガスＧａを噴出させる原料ガス供給管２５の数を少なくする。このようにすると、原料ガス供給管２５から噴出させる原料ガスＧａの噴出速度を遅くすることなく速い速度に保ちながら、反応筒２１内に供給する原料ガスＧａの量を少なくすることができ、上記のように火炎が原料ガス供給管２５に戻って逆火するのが防止されるようになる。

従来の浸炭用ガス製造装置により浸炭用ガスを製造して、この浸炭用ガスを浸炭処理装置に供給する状態を示した概略説明図である。 本出願人の先の出願において示した浸炭用ガス製造装置の概略説明図である。 この発明の一実施形態に係る浸炭用ガス製造装置を示した概略説明図である。

符号の説明

２０ 浸炭用ガス製造装置
２１ 反応筒
２２ 触媒層
２３ 外装体
２４ 加熱装置
２５ 原料ガス供給管
２５ａ 第１原料ガス供給管
２５ｂ 第２原料ガス供給管
２７ 浸炭用ガス供給管
２８ 開閉装置
２９ 空間部
Ｇａ 原料ガス
Ｇａ１ 炭化水素ガス
Ｇａ２ 酸素
Ｇｂ 浸炭用ガス
ｄ 空間部における触媒層との間の距離

Claims (4)

1. 触媒層が設けられた耐熱性の反応筒内に原料ガスを導き、この原料ガスを加熱させながら触媒層内を通して反応させ、一酸化炭素ガスを含む浸炭用ガスを製造する浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガスに炭化水素ガスと酸素とを用い、原料ガス供給管を通してこの原料ガスを上記の反応筒内に供給するようにしたことを特徴とする浸炭用ガス製造装置。
2. 請求項１に記載した浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガス供給管から反応筒内に噴出させる原料ガスの噴出速度を、この原料ガスの火炎伝播速度よりも速くしたことを特徴とする浸炭用ガス製造装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載した浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガス供給管から原料ガスを供給する供給側と触媒層との間に空間部を設けると共に、上記の原料ガスがこの空間部を通過する通過時間を０．０４〜０．２秒の範囲にしたことを特徴とする浸炭用ガス製造装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した浸炭用ガス製造装置において、上記の原料ガスを反応筒内に供給する原料ガス供給管を複数本設けると共に、各原料ガス供給管にそれぞれ原料ガス供給管の開閉を行う開閉装置を設けたことを特徴とする浸炭用ガス製造装置。

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