JP2012032113A - 熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法 - Google Patents
熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成や方法によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法を提供する。
【解決手段】窒素発生装置１と、窒素供給量制御手段と、炭化水素供給装置２と、第１炭化水素供給量制御手段と、低温反応槽３と、を備え、１次処理として、窒素の供給量，炭化水素ガスの供給量および低温反応槽における反応温度が制御されるとともに、第２炭化水素供給量制御手段を備え、２次処理として、炭化水素ガスの供給量が制御される。
【選択図】図１
【解決手段】窒素発生装置１と、窒素供給量制御手段と、炭化水素供給装置２と、第１炭化水素供給量制御手段と、低温反応槽３と、を備え、１次処理として、窒素の供給量，炭化水素ガスの供給量および低温反応槽における反応温度が制御されるとともに、第２炭化水素供給量制御手段を備え、２次処理として、炭化水素ガスの供給量が制御される。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法に関し、例えば、金属の熱処理炉において使用される熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法に関するものである。ここでいう「熱処理雰囲気ガス」とは、熱処理される炉内の雰囲気を熱処理に適した条件に維持するために供給されるガスをいい、熱処理用の還元性ガス等熱処理用ガスとして用いられる場合や、別途アルコールやアンモニア等のガス成分と混合して熱処理用ガスとして用いられる場合、予め熱処理を行う前に供給されて炉内雰囲気を形成する場合、熱処理中に補助ガスとして供給される場合あるいは熱処理後に炉内を清浄化するために供給される場合などがある。
熱処理炉にはその目的に応じて種々の変性雰囲気が必要であり、浸炭、浸炭窒化処理、あるいは中高炭素鋼、低炭素特殊鋼、高速度鋼の光輝度焼入れ等の処理は吸熱型炉気の雰囲気中で行われている（例えば特許文献１参照）。現在、こうした熱処理雰囲気ガスの供給方法は、（ａ）空気と炭化水素ガスを混合して触媒反応させる装置を使って発生したガスを供給する方法、（ｂ）アンモニアガスを触媒分解して発生する窒素と水素の混合ガスを供給する方法、そして（ｃ）高純度窒素ガスと還元性ガスを混合して供給する３つの方法に主に分けられる。ここで、（ｃ）高純度窒素ガスを使用する方法は、前者（ａ）や（ｂ）のように反応により作製される生成物を供給する方法ではなく、純粋な窒素ガスに還元性ガスを混合することで無酸化性、還元性雰囲気ガスとして供給する方法である。このときの窒素ガスは所定の純度を確保するために、通常は液体窒素や高純度窒素発生装置からの発生ガスが使用されている。窒素発生装置を使用する場合は、窒素ガスに含まれる酸素成分を水素ガスと触媒反応させ、発生した水分を活性炭で吸着させて酸素分と水分を除去する精製装置を使用して高純度窒素ガスにして使用している。
窒素発生装置を使用する方法は、特にコスト面および汎用性に優れるとともに用途に応じた利用方法を適用することが容易であることから、従前よりいくつかの提案がされている。具体的には、図３に示すような熱処理炉用炉内雰囲気ガスの調製方法あるいは装置を挙げることができる（例えば特許文献１参照）。窒素を含む熱処理炉用炉内雰囲気ガスの調製するにあたり、先ず圧力スウィング吸着装置（１０２）から得られた窒素富化ガスをヒータ（１０３）により予備加熱する。次いで、予備加熱後の窒素富化ガスに水素を含む変性雰囲気ガスを添加して、反応器（１０１）にて窒素富化ガス中に含まれる酸素を貴金属触媒により接触還元除去する方法が提案されている。ここで、１０４は昇圧機、１０５はガスクーラ、１０６は冷凍式ドライヤ、１０７は除湿装置をいう。
しかし、上記のような熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法では、以下のような種々の課題が生じることがあった。
（ｉ）液体窒素を使用する場合、窒素ガス純度は熱処理雰囲気ガスとして問題はないが、還元性を備えるために還元性ガス（主に水素ガス等）を混合する必要がある。このとき、水素ガスは高価なガスであり、またその水素ガスの供給設備の設置が必要となり、ガスコストと設置場所が問題となる。
（ii）高純度窒素発生装置から供給される窒素ガスを使用する場合、純度に関しては上述の液体窒素と同等の物が得られ熱処理雰囲気ガスとして問題はない。しかし、窒素発生装置で高純度窒素ガスを得るには、使用する装置の効率を低下させることになり、窒素発生装置の利点である液体窒素ガスより窒素ガス単価を下げるという効果が少なくなるという問題がある。また還元性を備えるために水素ガス等の還元性ガスの設備が必要であり、ガス単価の高さと供給設備の設置場所も問題となる。
（iii）窒素発生装置から供給される窒素ガスを使用する場合、発生装置の効率を１００％使用できるため、窒素発生装置の利点である液体窒素ガスより窒素ガス単価を下げるという効果が十分に発揮できる。しかし、窒素ガスの純度としてはそのまま使用することは難しい。また、窒素ガスの純度を高めるために、図３に示すような構成により、水素ガスと触媒で含有されている酸素分を水に変化させ活性炭で除去するプロセスおよび水素ガスと触媒加熱とドライヤ装置が必要になり、コスト面から窒素発生装置の利点を生かし切れていない問題がある。そして、還元性を得るための水素ガスとの混合も必要であり、水素ガス単価と水素供給設備の設置場所の問題も他の窒素を使用する方法と同様に存在する。
（ｉ）液体窒素を使用する場合、窒素ガス純度は熱処理雰囲気ガスとして問題はないが、還元性を備えるために還元性ガス（主に水素ガス等）を混合する必要がある。このとき、水素ガスは高価なガスであり、またその水素ガスの供給設備の設置が必要となり、ガスコストと設置場所が問題となる。
（ii）高純度窒素発生装置から供給される窒素ガスを使用する場合、純度に関しては上述の液体窒素と同等の物が得られ熱処理雰囲気ガスとして問題はない。しかし、窒素発生装置で高純度窒素ガスを得るには、使用する装置の効率を低下させることになり、窒素発生装置の利点である液体窒素ガスより窒素ガス単価を下げるという効果が少なくなるという問題がある。また還元性を備えるために水素ガス等の還元性ガスの設備が必要であり、ガス単価の高さと供給設備の設置場所も問題となる。
（iii）窒素発生装置から供給される窒素ガスを使用する場合、発生装置の効率を１００％使用できるため、窒素発生装置の利点である液体窒素ガスより窒素ガス単価を下げるという効果が十分に発揮できる。しかし、窒素ガスの純度としてはそのまま使用することは難しい。また、窒素ガスの純度を高めるために、図３に示すような構成により、水素ガスと触媒で含有されている酸素分を水に変化させ活性炭で除去するプロセスおよび水素ガスと触媒加熱とドライヤ装置が必要になり、コスト面から窒素発生装置の利点を生かし切れていない問題がある。そして、還元性を得るための水素ガスとの混合も必要であり、水素ガス単価と水素供給設備の設置場所の問題も他の窒素を使用する方法と同様に存在する。
本発明の目的は、金属熱処理において求められる金属表面での無酸化性や還元性を有する雰囲気ガスとして、安価な窒素ガスと少量の炭化水素ガスを使用し、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成や方法によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す熱処理雰囲気ガスの供給装置および供給方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
本発明は、熱処理雰囲気ガスの供給装置であって、少量の酸素を含有する窒素ガスを供給する窒素発生装置と、窒素ガスの供給量Ｎ１を調整する窒素供給量制御手段と、炭化水素ガスを供給する炭化水素供給装置と、炭化水素ガスの供給量Ｆ１を調整する第１炭化水素供給量制御手段と、供給量Ｎ１に調整された窒素ガスと供給量Ｆ１に調整された炭化水素ガスが導入される低温反応槽とを備え、１次処理として、所望の雰囲気ガス供給量となるように前記供給量Ｎ１が制御され、前記窒素ガスに含まれる酸素がＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換されるように前記供給量Ｆ１および前記低温反応槽における反応温度が制御されるとともに、
炭化水素ガスの供給量Ｆ２を調整する第２炭化水素供給量制御手段と、混合手段が必要となる場合には前記低温反応槽から供出された前記酸化成分を含有する１次処理ガスと前記供給量Ｆ２に調整された炭化水素ガスが導入されて混合される混合器と、該混合器から供出された混合ガスを熱処理炉に供給可能な流路を有する第１接続部とを備え、２次処理として、前記１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように前記供給量Ｆ２が制御されることを特徴とする。
炭化水素ガスの供給量Ｆ２を調整する第２炭化水素供給量制御手段と、混合手段が必要となる場合には前記低温反応槽から供出された前記酸化成分を含有する１次処理ガスと前記供給量Ｆ２に調整された炭化水素ガスが導入されて混合される混合器と、該混合器から供出された混合ガスを熱処理炉に供給可能な流路を有する第１接続部とを備え、２次処理として、前記１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように前記供給量Ｆ２が制御されることを特徴とする。
簡便かつ安価な構成や方法によって、無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製するには、安価な窒素発生装置を利用して雰囲気ガスの主成分である窒素成分を作製することが好ましいのは、既述の通りである。本発明は、窒素発生装置から供出される窒素ガスが含有する少量の酸素を炭化水素ガスによって還元性ガスに変換して作製された熱処理雰囲気ガス（以下「雰囲気ガス」という）の供給装置であって、
（ｉ）従前方法のような触媒を用いずに、加熱反応温度を段階的に上昇させる２つの処理プロセスを形成すること
（ii）１次処理プロセスにおいて、窒素ガスが含有する酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換するに十分であり過分でない、炭化水素の供給量および低温反応温度（具体的には、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃）に制御すること
（iii）２次処理プロセスにおいて、１次処理プロセスによって形成された酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換するに十分であり過分でない、炭化水素の供給量を制御して高温反応温度条件（具体的には、例えば高温の焼入れ処理温度である８００℃〜１２００℃）の場に供給すること
を条件として、安価な窒素ガスと少量の炭化水素ガスを使用し、無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製することが可能となったものである。つまり、本発明における「少量の酸素を含有する窒素ガス」とは、簡易な機能を有し空気から窒素を作製する窒素発生装置から供給される窒素ガスのことをいい、通常窒素純度９５％〜９９．５％（残量酸素）の窒素ガスをいう。ただし、後述するように９９．５％〜９９．９９％のように純度の高い窒素ガスについても適用することができる。従前より触媒を用いずに、こうした窒素ガス中の酸素を高温条件下（１２００℃以上）で還元成分に変換させた場合、その一部に炭化物（ススやスート等）の発生が見られことがあり、また雰囲気ガス中に酸素や中間生成物であるＣＯ２とＨ２Ｏなどが微量残存することから、高価な還元触媒を用いた反応プロセスが避けられなかった。本発明は、上記（ｉ）〜（iii）の条件を満たした上で、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成や方法によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置を提供することを可能にした。
（ｉ）従前方法のような触媒を用いずに、加熱反応温度を段階的に上昇させる２つの処理プロセスを形成すること
（ii）１次処理プロセスにおいて、窒素ガスが含有する酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換するに十分であり過分でない、炭化水素の供給量および低温反応温度（具体的には、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃）に制御すること
（iii）２次処理プロセスにおいて、１次処理プロセスによって形成された酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換するに十分であり過分でない、炭化水素の供給量を制御して高温反応温度条件（具体的には、例えば高温の焼入れ処理温度である８００℃〜１２００℃）の場に供給すること
を条件として、安価な窒素ガスと少量の炭化水素ガスを使用し、無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製することが可能となったものである。つまり、本発明における「少量の酸素を含有する窒素ガス」とは、簡易な機能を有し空気から窒素を作製する窒素発生装置から供給される窒素ガスのことをいい、通常窒素純度９５％〜９９．５％（残量酸素）の窒素ガスをいう。ただし、後述するように９９．５％〜９９．９９％のように純度の高い窒素ガスについても適用することができる。従前より触媒を用いずに、こうした窒素ガス中の酸素を高温条件下（１２００℃以上）で還元成分に変換させた場合、その一部に炭化物（ススやスート等）の発生が見られことがあり、また雰囲気ガス中に酸素や中間生成物であるＣＯ２とＨ２Ｏなどが微量残存することから、高価な還元触媒を用いた反応プロセスが避けられなかった。本発明は、上記（ｉ）〜（iii）の条件を満たした上で、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成や方法によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置を提供することを可能にした。
本発明は、上記熱処理雰囲気ガスの供給装置であって、前記第１接続部と接続され、前記混合ガスが供給される高温反応槽と、該高温反応槽から供出された２次処理ガスが導入される緩衝器と、該緩衝器から供出された２次処理ガスを熱処理炉に供給可能な流路を有する第２接続部とを備え、２次処理として、前記１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように、前記高温反応槽における反応温度が制御されることを特徴とする。
熱処理炉が、焼入れ炉等のように処理温度が高温条件（８００℃〜１２００℃）の場合、上記のような構成において、第１接続部を該熱処理炉に接続し、混合ガスを熱処理炉に直接導入することによって、炉内の高温条件を利用して２次処理が可能である。しかしながら、こうした高温条件での熱処理を行わない場合には、予め２次処理を行い、還元性を確保できる雰囲気ガスを熱処理炉に導入する必要がある。本発明は、こうした高温条件の高温反応槽を設けて第１接続部をこれに接続し、１次処理してされたガスを２次処理し、緩衝部および第２接続部を介して雰囲気ガスとして熱処理炉に供給するもので、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置を提供することが可能となった。
熱処理炉が、焼入れ炉等のように処理温度が高温条件（８００℃〜１２００℃）の場合、上記のような構成において、第１接続部を該熱処理炉に接続し、混合ガスを熱処理炉に直接導入することによって、炉内の高温条件を利用して２次処理が可能である。しかしながら、こうした高温条件での熱処理を行わない場合には、予め２次処理を行い、還元性を確保できる雰囲気ガスを熱処理炉に導入する必要がある。本発明は、こうした高温条件の高温反応槽を設けて第１接続部をこれに接続し、１次処理してされたガスを２次処理し、緩衝部および第２接続部を介して雰囲気ガスとして熱処理炉に供給するもので、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給装置を提供することが可能となった。
本発明は、上記熱処理雰囲気ガスの供給装置であって、１次処理として、前記低温反応槽での反応温度を５００〜７００℃に調整し、２次処理として、前記高温反応槽での反応温度を８００〜１２００℃に調整する制御部を有することを特徴とする。
上記のように、少量の酸素を含有する窒素ガスを利用した熱処理雰囲気ガスの作製においては、各処理プロセスにおいて、窒素ガスに含まれる酸素を酸化成分に変換するに過不足のない炭化水素の供給量と反応温度が調整されることが好ましい。本発明は、こうした反応温度について具体的な指標を示すものであり、少量の酸素を含有する窒素ガスにおいては、１次処理として反応温度５００〜７００℃、２次処理として反応温度８００〜１２００℃が好ましいとの知見を得た。各々の下限値以下の反応温度の場合には、未反応の酸素あるいは酸素成分の残留が発生するおそれがある。また、上限値以上の反応温度の場合には、１次処理プロセスにおいて、過剰の炭化水素の存在によって一部炭化物が発生するおそれがあり、２次処理プロセスにおいて、高価な耐熱材料等を用いて高温反応条件を構成する必要がある。本発明は、各処理プロセスにおいて、こうした所定の温度範囲を設定することによって、こうした課題を解消することができる。
上記のように、少量の酸素を含有する窒素ガスを利用した熱処理雰囲気ガスの作製においては、各処理プロセスにおいて、窒素ガスに含まれる酸素を酸化成分に変換するに過不足のない炭化水素の供給量と反応温度が調整されることが好ましい。本発明は、こうした反応温度について具体的な指標を示すものであり、少量の酸素を含有する窒素ガスにおいては、１次処理として反応温度５００〜７００℃、２次処理として反応温度８００〜１２００℃が好ましいとの知見を得た。各々の下限値以下の反応温度の場合には、未反応の酸素あるいは酸素成分の残留が発生するおそれがある。また、上限値以上の反応温度の場合には、１次処理プロセスにおいて、過剰の炭化水素の存在によって一部炭化物が発生するおそれがあり、２次処理プロセスにおいて、高価な耐熱材料等を用いて高温反応条件を構成する必要がある。本発明は、各処理プロセスにおいて、こうした所定の温度範囲を設定することによって、こうした課題を解消することができる。
また、本発明は、熱処理雰囲気ガスの供給方法であって、いずれかに記載の熱処理雰囲気ガスの供給装置を用い、
以下のステップからなる１次処理プロセスと、
（１）少量の酸素を含有する窒素ガスが、所望の雰囲気ガス供給量となるように、供給量Ｎ１に調整されて窒素発生装置から供給されるステップ
（２）炭化水素ガスが、前記窒素ガス中の酸素をＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換させるように、供給量Ｆ１に調整されて炭化水素供給装置から供給されるステップ
（３）前記窒素ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、低温反応槽において、触媒を用いずに低温加熱反応によって、前記酸素を前記酸化成分に変換させるステップ
以下のステップからなる２次処理プロセスと、
（４）低温加熱反応した前記酸化成分を含有する１次処理ガスが、前記低温反応槽から供出されるステップ
（５）炭化水素ガスが、前記酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換させるように、炭化水素供給装置から供給量Ｆ２に調整されて供給されるステップ
（６）前記１次処理ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、高温加熱反応によって、前記酸化成分を前記還元成分に変換させるステップ
を有することを特徴とする。
こうした２段階の処理プロセスによって、安価な少量の酸素を含有する窒素ガスを使用し、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な処理プロセスを形成し、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給方法を提供することが可能となった。
以下のステップからなる１次処理プロセスと、
（１）少量の酸素を含有する窒素ガスが、所望の雰囲気ガス供給量となるように、供給量Ｎ１に調整されて窒素発生装置から供給されるステップ
（２）炭化水素ガスが、前記窒素ガス中の酸素をＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換させるように、供給量Ｆ１に調整されて炭化水素供給装置から供給されるステップ
（３）前記窒素ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、低温反応槽において、触媒を用いずに低温加熱反応によって、前記酸素を前記酸化成分に変換させるステップ
以下のステップからなる２次処理プロセスと、
（４）低温加熱反応した前記酸化成分を含有する１次処理ガスが、前記低温反応槽から供出されるステップ
（５）炭化水素ガスが、前記酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換させるように、炭化水素供給装置から供給量Ｆ２に調整されて供給されるステップ
（６）前記１次処理ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、高温加熱反応によって、前記酸化成分を前記還元成分に変換させるステップ
を有することを特徴とする。
こうした２段階の処理プロセスによって、安価な少量の酸素を含有する窒素ガスを使用し、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な処理プロセスを形成し、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給する熱処理雰囲気ガスの供給方法を提供することが可能となった。
また、本発明は、熱処理雰囲気ガスの供給方法であって、前記２次処理プロセスにおける、（６）高温加熱反応によって、前記酸化成分を前記還元成分に変換させるステップを、
（６ａ）熱処理炉において行う、あるいは
（６ｂ）触媒を用いずに高温反応槽において行う
ことを特徴とする。
上記供給方法における２次処理は、窒素主成分とする１次処理ガス中の酸化成分を還元成分に変換させるに十分な高温条件（８００℃〜１２００℃）が必要となる。このとき、焼入れ炉等のような熱処理炉では、炉内の熱処理温度がこうした高温条件を満たすことができ、炉内の熱処理前に２次処理を行うことによって、還元性雰囲気ガスを作製して供給することができる。従って、雰囲気ガス供給流路での温度低下もなく、速やかに効率のよい熱処理を行なうことができる。また、こうした高温条件での熱処理を行わない場合には、予め２次処理を行い、還元性を確保できる雰囲気ガスを熱処理炉に導入する必要がある。このとき、熱処理炉に導入する前に高温反応槽において触媒を用いずに２次処理を行うことによって、高温還元性雰囲気ガスを作製して供給することができる。
（６ａ）熱処理炉において行う、あるいは
（６ｂ）触媒を用いずに高温反応槽において行う
ことを特徴とする。
上記供給方法における２次処理は、窒素主成分とする１次処理ガス中の酸化成分を還元成分に変換させるに十分な高温条件（８００℃〜１２００℃）が必要となる。このとき、焼入れ炉等のような熱処理炉では、炉内の熱処理温度がこうした高温条件を満たすことができ、炉内の熱処理前に２次処理を行うことによって、還元性雰囲気ガスを作製して供給することができる。従って、雰囲気ガス供給流路での温度低下もなく、速やかに効率のよい熱処理を行なうことができる。また、こうした高温条件での熱処理を行わない場合には、予め２次処理を行い、還元性を確保できる雰囲気ガスを熱処理炉に導入する必要がある。このとき、熱処理炉に導入する前に高温反応槽において触媒を用いずに２次処理を行うことによって、高温還元性雰囲気ガスを作製して供給することができる。
本発明は、熱処理雰囲気ガスの供給装置（以下「本装置」という）であって、窒素発生装置と、窒素供給量制御手段と、炭化水素供給装置と、第１炭化水素供給量制御手段と、低温反応槽と、を備え、１次処理として、所望の雰囲気ガス供給量となるように供給量Ｎ１が制御され、窒素ガスに含まれる酸素がＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換されるように供給量Ｆ１および低温反応槽における反応温度が制御されるとともに、第２炭化水素供給量制御手段と、混合手段が必要となる場合には混合器と、第１接続部と、を備え、２次処理として、１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように供給量Ｆ２が制御されることを特徴とする。加熱反応温度を段階的に上昇させる２つの処理プロセスを形成することが可能な構成を有している。以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜本装置の基本構成例＞
本装置の基本構成例（第１構成例）の概要を、図１に示す。本装置１０は、少量の酸素を含有する窒素ガスを供給する窒素発生装置１と、炭化水素ガスを供給する炭化水素供給装置２と、供給量Ｎ１に調整された窒素ガスと供給量Ｆ１に調整された炭化水素ガスが導入されて１次処理される低温反応槽３と、１次処理ガスと供給量Ｆ２に調整された炭化水素ガスが導入されて混合される２次混合器Ｍ２とを有する。ただし、熱処理炉Ｈ内あるいは第１接続部１０ａから熱処理炉Ｈまでの流路や部材に十分に混合可能な容量や攪拌・拡散機能があり、別途の混合手段が必要でない場合には、２次混合器Ｍ２を設けない構成も可能である。本装置１０は、２次混合器Ｍ２から供出された混合ガスを供給可能な流路を有する第１接続部１０ａを介して、熱処理炉Ｈと接続される。
本装置の基本構成例（第１構成例）の概要を、図１に示す。本装置１０は、少量の酸素を含有する窒素ガスを供給する窒素発生装置１と、炭化水素ガスを供給する炭化水素供給装置２と、供給量Ｎ１に調整された窒素ガスと供給量Ｆ１に調整された炭化水素ガスが導入されて１次処理される低温反応槽３と、１次処理ガスと供給量Ｆ２に調整された炭化水素ガスが導入されて混合される２次混合器Ｍ２とを有する。ただし、熱処理炉Ｈ内あるいは第１接続部１０ａから熱処理炉Ｈまでの流路や部材に十分に混合可能な容量や攪拌・拡散機能があり、別途の混合手段が必要でない場合には、２次混合器Ｍ２を設けない構成も可能である。本装置１０は、２次混合器Ｍ２から供出された混合ガスを供給可能な流路を有する第１接続部１０ａを介して、熱処理炉Ｈと接続される。
窒素発生装置１と低温反応槽３の中間には、窒素ガスの供給量Ｎ１を調整する窒素供給量制御手段（調整弁）Ｖｏ，流量計Ｆｏおよび１次混合器Ｍ１が設けられる。ただし、調整弁Ｖｏおよび流量計Ｆｏは、窒素発生装置１に内蔵可能であり、あるいは定量発生機能があれば設けない構成も可能である。また、必要に応じて供給される窒素ガス中の酸素濃度管理用センサ（図示せず）が設けられる。
炭化水素供給装置２と低温反応槽３の中間には、炭化水素ガスの供給量Ｆ１を調整する第１炭化水素供給量制御手段（調整弁）Ｖ１および１次混合器Ｍ１が設けられる。１次混合器Ｍ１において、窒素ガスと炭化水素ガスが混合され混合ガスとして低温反応槽３に供給される。ただし、低温反応槽３において十分に混合可能な容量や攪拌・拡散機能があれば、１次混合器Ｍ１は必要とされない。また、低温反応槽３には、その温度管理用センサおよび必要に応じて酸素濃度あるいはＣＯ２やＨ２Ｏ濃度管理用のセンサＳ１が設けられる。
低温反応槽３と２次混合器Ｍ２の中間には、緩衝器Ｂが設けられることがある。ただし、低温反応槽３において十分均一な１次処理ガスが供出され、２次混合器Ｍ２からの逆流のおそれがなく熱処理炉Ｈ側の流路からの脈流や振動波等の外乱のおそれがない場合には、必ずしも設ける必要はない。なお、こうした反応後の１次処理ガスの緩衝機能以外に、１次処理ガスの安定・均一化あるいは反応空間として未反応成分の低減機能の役割を果たすことができる。
炭化水素供給装置２と２次混合器Ｍ２の中間には、炭化水素ガスの供給量Ｆ２を調整する第２炭化水素供給量制御手段（調整弁）Ｖ２が設けられる。
本装置１０と熱処理炉Ｈは、第１接続部１０ａを介して接続される。熱処理炉Ｈには、その温度管理用センサおよび必要に応じてＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度管理用センサＳ２が設けられる。
炭化水素供給装置２と低温反応槽３の中間には、炭化水素ガスの供給量Ｆ１を調整する第１炭化水素供給量制御手段（調整弁）Ｖ１および１次混合器Ｍ１が設けられる。１次混合器Ｍ１において、窒素ガスと炭化水素ガスが混合され混合ガスとして低温反応槽３に供給される。ただし、低温反応槽３において十分に混合可能な容量や攪拌・拡散機能があれば、１次混合器Ｍ１は必要とされない。また、低温反応槽３には、その温度管理用センサおよび必要に応じて酸素濃度あるいはＣＯ２やＨ２Ｏ濃度管理用のセンサＳ１が設けられる。
低温反応槽３と２次混合器Ｍ２の中間には、緩衝器Ｂが設けられることがある。ただし、低温反応槽３において十分均一な１次処理ガスが供出され、２次混合器Ｍ２からの逆流のおそれがなく熱処理炉Ｈ側の流路からの脈流や振動波等の外乱のおそれがない場合には、必ずしも設ける必要はない。なお、こうした反応後の１次処理ガスの緩衝機能以外に、１次処理ガスの安定・均一化あるいは反応空間として未反応成分の低減機能の役割を果たすことができる。
炭化水素供給装置２と２次混合器Ｍ２の中間には、炭化水素ガスの供給量Ｆ２を調整する第２炭化水素供給量制御手段（調整弁）Ｖ２が設けられる。
本装置１０と熱処理炉Ｈは、第１接続部１０ａを介して接続される。熱処理炉Ｈには、その温度管理用センサおよび必要に応じてＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度管理用センサＳ２が設けられる。
窒素発生装置１から供出された窒素ガスは、調整弁Ｖｏにより所望の供給量Ｎ１に調整され、流量計Ｆｏにより流量管理されつつ、１次混合器Ｍ１に導入され、ここで炭化水素ガスと混合された後、低温反応槽３に導入され、低温加熱されて１次処理ガスとなる。このとき、低温加熱反応によって、窒素ガスに含まれる酸素がＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換される。酸化成分への変換は、センサＳ１により１次処理ガス中の酸素濃度あるいはＣＯ２やＨ２Ｏ濃度をモニタすることによって確認することができる。低温反応槽３から供出された１次処理ガスは、緩衝器Ｂに導入され、安定・均一化された後、２次混合器Ｍ２で炭化水素ガスと混合された後、第１接続部１０ａを介して熱処理炉Ｈに導入され、高温加熱されて２次処理ガスとなる。このとき、高温加熱反応によって、１次処理ガスに含まれる酸化成分がＣＯとＨ２からなる還元成分に変換される。還元成分への変換は、センサＳ２によりＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度をモニタすることによって確認することができる。
一方、炭化水素供給装置２から供出された炭化水素ガスは、１つは、調整弁Ｖ１により供給量Ｆ１に調整され、１次混合器Ｍ１に導入されて窒素ガスと混合された後、低温反応槽３に導入されて１次処理ガスに変換される。上記のように窒素ガス中の酸素の酸化成分への変換は、センサＳ１により確認することができるとともに、１次処理ガス中の酸素濃度あるいはＣＯ２濃度のセンサＳ１出力によって、調整弁Ｖ１の開度が制御される。他の１つは、調整弁Ｖ２により供給量Ｆ２に調整され、２次混合器Ｍ２に導入されて１次処理ガスと混合された後、第１接続部１０ａを介して熱処理炉Ｈに導入されて２次処理ガスに変換される。上記のように、１次処理ガス中の酸素成分の還元成分への変換は、センサＳ２により確認することができるとともに、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度のセンサＳ２出力によって、調整弁Ｖ２の開度が制御される。
〔窒素発生装置〕
本装置１０に用いられる窒素発生装置１としては、例えば既述の分子篩を利用した圧力スウィング（ＰＳＡ）式や高分子膜モジュールを利用した分離膜式などを用いることができる。常温（２０〜３０℃）の窒素純度９５％〜９９．５％（残量酸素）の圧力０．５〜１．０ＭＰａ程度の窒素ガスを得ることができる。また、ＰＳＡ式を用いた場合には、さらに高純度９９．５％〜９９．９９％の窒素ガスを得ることができる。無酸素，微量の還元性ガスを含有する窒素ガスが所望される場合には、窒素発生装置１として、こうした高純度の窒素ガス発生装置を用いることによって本装置１０を構成することができる。本装置１０においては、こうした窒素ガスが、残留ガスとして所定量の酸素を含有していることおよび酸素以外に殆ど残留成分がない（水分についても−６０℃飽和以下）ことを利用する。このとき、窒素発生装置１から供出される窒素ガス中の酸素濃度を測定することが好ましく、連続供給可能な装置においては酸素濃度連続測定器から連続濃度出力を得て、後述する炭化水素供給量Ｎ１を調整する制御信号とすることが好ましい。また、窒素発生装置１は、調整弁Ｖｏや流量計Ｆｏを内蔵した構成が可能であり、これらの調整・およびモニタ出力を制御信号として得ることが好ましい。
本装置１０に用いられる窒素発生装置１としては、例えば既述の分子篩を利用した圧力スウィング（ＰＳＡ）式や高分子膜モジュールを利用した分離膜式などを用いることができる。常温（２０〜３０℃）の窒素純度９５％〜９９．５％（残量酸素）の圧力０．５〜１．０ＭＰａ程度の窒素ガスを得ることができる。また、ＰＳＡ式を用いた場合には、さらに高純度９９．５％〜９９．９９％の窒素ガスを得ることができる。無酸素，微量の還元性ガスを含有する窒素ガスが所望される場合には、窒素発生装置１として、こうした高純度の窒素ガス発生装置を用いることによって本装置１０を構成することができる。本装置１０においては、こうした窒素ガスが、残留ガスとして所定量の酸素を含有していることおよび酸素以外に殆ど残留成分がない（水分についても−６０℃飽和以下）ことを利用する。このとき、窒素発生装置１から供出される窒素ガス中の酸素濃度を測定することが好ましく、連続供給可能な装置においては酸素濃度連続測定器から連続濃度出力を得て、後述する炭化水素供給量Ｎ１を調整する制御信号とすることが好ましい。また、窒素発生装置１は、調整弁Ｖｏや流量計Ｆｏを内蔵した構成が可能であり、これらの調整・およびモニタ出力を制御信号として得ることが好ましい。
〔炭化水素供給装置〕
本装置１０に用いられる炭化水素供給装置２としては、所定の容積を有する高圧容器に充填された液化高純度炭化水素を有し、これを減圧・気化して所望の供給圧に調整されて供給できる装置が好ましい。具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系の炭化水素が好ましい。後述する低温反応に適し、所望の純度のガスを安価で容易に確保をすることができる。また、１次処理において、窒素ガス中の酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換するに十分であり過分でない炭化水素の供給量の調整・制御を容易に行うことができるとともに、２次処理において、１次処理ガス中の酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換するに十分であり過分でない炭化水素の供給量の調整・制御を容易に行うことができる。
本装置１０に用いられる炭化水素供給装置２としては、所定の容積を有する高圧容器に充填された液化高純度炭化水素を有し、これを減圧・気化して所望の供給圧に調整されて供給できる装置が好ましい。具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系の炭化水素が好ましい。後述する低温反応に適し、所望の純度のガスを安価で容易に確保をすることができる。また、１次処理において、窒素ガス中の酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換するに十分であり過分でない炭化水素の供給量の調整・制御を容易に行うことができるとともに、２次処理において、１次処理ガス中の酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換するに十分であり過分でない炭化水素の供給量の調整・制御を容易に行うことができる。
〔低温反応槽〕
本装置１０に用いられる低温反応槽３は、内部に所定の反応空間を有し、低温反応温度（具体的には、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃）に設定され制御される。窒素ガスと炭化水素ガスが混合した状態で導入され、こうした低温反応温度条件において、一切の触媒を用いずに、上記炭化水素ガスと混合された窒素ガス中の酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換する機能を有する。所定の温度条件に制御するための加熱手段として、温度センサ（センサＳ１）あるいは制御部とともにジャケットヒータやシーズヒータ等が低温反応槽３の内部あるいは外周部に配設される（図示せず）。センサＳ１からの温度検出出力を基に加熱手段によって低温反応槽３内部の反応温度条件が制御される。
本装置１０に用いられる低温反応槽３は、内部に所定の反応空間を有し、低温反応温度（具体的には、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃）に設定され制御される。窒素ガスと炭化水素ガスが混合した状態で導入され、こうした低温反応温度条件において、一切の触媒を用いずに、上記炭化水素ガスと混合された窒素ガス中の酸素を１次還元してＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換する機能を有する。所定の温度条件に制御するための加熱手段として、温度センサ（センサＳ１）あるいは制御部とともにジャケットヒータやシーズヒータ等が低温反応槽３の内部あるいは外周部に配設される（図示せず）。センサＳ１からの温度検出出力を基に加熱手段によって低温反応槽３内部の反応温度条件が制御される。
〔熱処理炉の構成〕
本装置１０が適用できる熱処理炉Ｈとしては、鉄鋼・非鉄金属や機械部品加工，各種材料の還元処理等（焼鈍や焼入れ等）に使用される各種の熱処理炉を対象とすることができる。このとき、熱処理炉Ｈには、本装置１０における２次処理機能を有するように、所定の空間（図示せず），加熱手段（図示せず），温度管理用センサおよび必要に応じて２次処理ガス中の成分濃度管理用センサＳ２が備えられる。
本装置１０が適用できる熱処理炉Ｈとしては、鉄鋼・非鉄金属や機械部品加工，各種材料の還元処理等（焼鈍や焼入れ等）に使用される各種の熱処理炉を対象とすることができる。このとき、熱処理炉Ｈには、本装置１０における２次処理機能を有するように、所定の空間（図示せず），加熱手段（図示せず），温度管理用センサおよび必要に応じて２次処理ガス中の成分濃度管理用センサＳ２が備えられる。
＜本装置の他の構成例＞
本装置１０の他の構成例（第２構成例）の概要を、図２に示す。２次処理プロセスを、熱処理炉Ｈではなく、別途設けた高温反応槽４において行う構成を特徴とする。具体的には、第１構成例における第１接続部１０ａと接続され、混合ガスが供給される高温反応槽４と、高温反応槽４から供出された２次処理ガスが導入される緩衝器Ｂと、緩衝器Ｂから供出された２次処理ガスを熱処理炉Ｈに供給可能な流路を有する第２接続部１０ｂとを備える。高温反応槽４には、その温度管理用センサおよび必要に応じてＣＯ２，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは複数成分の濃度管理用センサＳ２が設けられ、高温反応槽４における反応温度が制御される。熱処理炉Ｈにおける処理温度が、例えば８００℃以下のように、高温条件とはいえない場合、２次処理ガスの作成に必要な高温の処理条件（８００℃〜１２００℃）を高温反応槽４において構成することによって、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給することができる。
本装置１０の他の構成例（第２構成例）の概要を、図２に示す。２次処理プロセスを、熱処理炉Ｈではなく、別途設けた高温反応槽４において行う構成を特徴とする。具体的には、第１構成例における第１接続部１０ａと接続され、混合ガスが供給される高温反応槽４と、高温反応槽４から供出された２次処理ガスが導入される緩衝器Ｂと、緩衝器Ｂから供出された２次処理ガスを熱処理炉Ｈに供給可能な流路を有する第２接続部１０ｂとを備える。高温反応槽４には、その温度管理用センサおよび必要に応じてＣＯ２，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは複数成分の濃度管理用センサＳ２が設けられ、高温反応槽４における反応温度が制御される。熱処理炉Ｈにおける処理温度が、例えば８００℃以下のように、高温条件とはいえない場合、２次処理ガスの作成に必要な高温の処理条件（８００℃〜１２００℃）を高温反応槽４において構成することによって、高価な触媒を用いない簡便かつ安価な構成によって、酸化性ガスをほとんど含まず還元性ガスを少量含んだ無酸化性、還元性の雰囲気ガスを作製し、熱処理炉に供給することができる。
２次混合器Ｍ２から供出された１次処理ガスと炭化水素ガスとの混合ガスが、第１接続部１０ａを介して高温反応槽４に導入され、高温加熱されて２次処理ガスとなる。このとき、高温加熱反応によって、１次処理ガスに含まれる酸化成分がＣＯとＨ２からなる還元成分に変換される。還元成分への変換は、センサＳ２によりＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分をモニタすることによって確認することができる。高温反応槽４から供出された２次処理ガスは、緩衝器Ｂに導入され、安定・均一化された雰囲気ガスとして第２接続部１０ｂを介して熱処理炉Ｈに供給される。
＜本装置における熱処理雰囲気ガスの供給方法＞
上記のような構成を有する本装置においては、以下の１次，２次の処理プロセスに沿って、熱処理雰囲気ガスの供給が行われる。各プロセスについて、第１構成例に基づき制御部（図示せず）によって制御される場合を、例として説明する。ここで、〔１〕１次処理プロセスは、窒素ガス中の酸素の酸化成分への変換処理操作であり、〔２〕２次処理プロセスは、１次処理ガス中の酸化成分の還元成分への変換処理操作が行われる。
上記のような構成を有する本装置においては、以下の１次，２次の処理プロセスに沿って、熱処理雰囲気ガスの供給が行われる。各プロセスについて、第１構成例に基づき制御部（図示せず）によって制御される場合を、例として説明する。ここで、〔１〕１次処理プロセスは、窒素ガス中の酸素の酸化成分への変換処理操作であり、〔２〕２次処理プロセスは、１次処理ガス中の酸化成分の還元成分への変換処理操作が行われる。
〔１〕１次処理プロセス
１次処理プロセスは、以下のステップからなる。
（１）少量の酸素を含有する窒素ガスが、所望の雰囲気ガス供給量となるように、供給量Ｎ１に調整されて窒素発生装置１から供給される。
具体的には、所望の雰囲気ガス供給量が制御部（図示せず）に指示され、窒素発生装置１から供給される窒素ガスが、対応する供給量Ｎ１となるように、流量計Ｆｏの出力を指標として調整弁Ｖｏによって調整される。このとき、窒素発生装置１から供給される窒素ガスの純度が９５％以上であることから、雰囲気ガス供給量と供給量Ｎ１は略同量となる。もし、厳密な雰囲気ガス供給量の制御が必要な場合，さらに低い純度の窒素ガスが供給される場合あるいは還元処理に使用される炭化水素の分子量が大きい場合には、これを換算して供給量Ｎ１を設定し制御する必要がある。
例えば、窒素純度９５％（残量酸素）とし、メタンガスによって還元処理する場合、下式１〜３のように、残存する酸素が（ＣＯ＋Ｈ２）に変換され、窒素以外の気相成分の増加によって、雰囲気ガス供給量Ｎｆは見かけ上増加することから、所望の雰囲気ガス供給量Ｎｏに対して、供給量Ｎ１は、Ｎｏ／１．２５に設定される。
２Ｏ２（＋ＣＨ４）→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（＋３ＣＨ４）→４ＣＯ＋８Ｈ２ …式１
Ｎｆ＝Ｎ１×（９５＋５×（４＋８）／２）／１００＝１．２５×Ｎ１ …式２
Ｎ１＝Ｎｏ／１．２５ …式３
また、同様にプロパンガスによって還元処理する場合、下式４〜６のように、供給量Ｎ１は、Ｎｏ／１．１８に設定される。
１５Ｏ２（＋３Ｃ３Ｈ８）→９ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ（＋７Ｃ３Ｈ８）
→３０ＣＯ＋４０Ｈ２ …式４
Ｎｆ＝Ｎ１×（９５＋５×（３０＋４０）／１５）／１００＝１．１８Ｎ１ …式５
Ｎ１＝Ｎｏ／１．１８ …式６
１次処理プロセスは、以下のステップからなる。
（１）少量の酸素を含有する窒素ガスが、所望の雰囲気ガス供給量となるように、供給量Ｎ１に調整されて窒素発生装置１から供給される。
具体的には、所望の雰囲気ガス供給量が制御部（図示せず）に指示され、窒素発生装置１から供給される窒素ガスが、対応する供給量Ｎ１となるように、流量計Ｆｏの出力を指標として調整弁Ｖｏによって調整される。このとき、窒素発生装置１から供給される窒素ガスの純度が９５％以上であることから、雰囲気ガス供給量と供給量Ｎ１は略同量となる。もし、厳密な雰囲気ガス供給量の制御が必要な場合，さらに低い純度の窒素ガスが供給される場合あるいは還元処理に使用される炭化水素の分子量が大きい場合には、これを換算して供給量Ｎ１を設定し制御する必要がある。
例えば、窒素純度９５％（残量酸素）とし、メタンガスによって還元処理する場合、下式１〜３のように、残存する酸素が（ＣＯ＋Ｈ２）に変換され、窒素以外の気相成分の増加によって、雰囲気ガス供給量Ｎｆは見かけ上増加することから、所望の雰囲気ガス供給量Ｎｏに対して、供給量Ｎ１は、Ｎｏ／１．２５に設定される。
２Ｏ２（＋ＣＨ４）→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（＋３ＣＨ４）→４ＣＯ＋８Ｈ２ …式１
Ｎｆ＝Ｎ１×（９５＋５×（４＋８）／２）／１００＝１．２５×Ｎ１ …式２
Ｎ１＝Ｎｏ／１．２５ …式３
また、同様にプロパンガスによって還元処理する場合、下式４〜６のように、供給量Ｎ１は、Ｎｏ／１．１８に設定される。
１５Ｏ２（＋３Ｃ３Ｈ８）→９ＣＯ２＋１２Ｈ２Ｏ（＋７Ｃ３Ｈ８）
→３０ＣＯ＋４０Ｈ２ …式４
Ｎｆ＝Ｎ１×（９５＋５×（３０＋４０）／１５）／１００＝１．１８Ｎ１ …式５
Ｎ１＝Ｎｏ／１．１８ …式６
（２）炭化水素ガスが、窒素ガス中の酸素をＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換させるように、供給量Ｆ１に調整されて炭化水素供給装置２から供給される。
具体的には、制御部において、窒素発生装置１から供給される窒素ガスの供給量Ｎ１および含有される酸素濃度から１次処理に必要な炭化水素ガスの供給量Ｆ１を求め、調整弁Ｖ１によって設定される。
例えば、炭化水素ガスとしてメタンガスを用いる場合、上式１の左式１’より変換され、窒素ガス中に含有する酸素２モルに対しメタン１モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ１は、下式７のように、１／４０×Ｎ１に設定される。
２Ｏ２＋ＣＨ４→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ …式１’
Ｆ１＝Ｎ１×１／２×５／１００＝１／４０×Ｎ１ …式７
また、炭化水素ガスとしてプロパンガスを用いる場合、上式４の左式４’より変換され、窒素ガス中に含有する酸素５に対し、Ｃ３Ｈ８１が必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ１は、下式８のように、１／１００×Ｎ１に設定される。
５Ｏ２＋Ｃ３Ｈ８→３ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ …式４’
Ｆ１＝Ｎ１×１／５×５／１００＝１／１００×Ｎ１ …式８
さらに、窒素ガス中の酸素の酸化成分への変換は、センサＳ１により確認することができることから、１次処理ガス中の酸素濃度あるいはＣＯ２濃度のセンサＳ１出力によって、調整弁Ｖ１の開度が制御され、微調整が行われる。
具体的には、制御部において、窒素発生装置１から供給される窒素ガスの供給量Ｎ１および含有される酸素濃度から１次処理に必要な炭化水素ガスの供給量Ｆ１を求め、調整弁Ｖ１によって設定される。
例えば、炭化水素ガスとしてメタンガスを用いる場合、上式１の左式１’より変換され、窒素ガス中に含有する酸素２モルに対しメタン１モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ１は、下式７のように、１／４０×Ｎ１に設定される。
２Ｏ２＋ＣＨ４→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ …式１’
Ｆ１＝Ｎ１×１／２×５／１００＝１／４０×Ｎ１ …式７
また、炭化水素ガスとしてプロパンガスを用いる場合、上式４の左式４’より変換され、窒素ガス中に含有する酸素５に対し、Ｃ３Ｈ８１が必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ１は、下式８のように、１／１００×Ｎ１に設定される。
５Ｏ２＋Ｃ３Ｈ８→３ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ …式４’
Ｆ１＝Ｎ１×１／５×５／１００＝１／１００×Ｎ１ …式８
さらに、窒素ガス中の酸素の酸化成分への変換は、センサＳ１により確認することができることから、１次処理ガス中の酸素濃度あるいはＣＯ２濃度のセンサＳ１出力によって、調整弁Ｖ１の開度が制御され、微調整が行われる。
（３）窒素ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、低温反応槽において、触媒を用いずに低温加熱反応によって、酸素を酸化成分に変換させる。
具体的には、上記（１）および（２）において調整された窒素ガスと炭化水素ガスが１次混合器Ｍ１に導入されて混合された後、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃に設定された低温反応槽３に導入されて１次処理ガスに変換される。つまり、窒素ガス中の酸素が、ＣＯ２およびＨ２Ｏからなる酸化成分に変換され、１次処理ガスが形成される。このとき、触媒を用いずに略反応に必要な当量の両成分を当該温度によって反応させることによって、含酸素炭化水素等の未反応成分の発生や反応の行き過ぎによる副生成物の発生を防ぐことができる。
具体的には、上記（１）および（２）において調整された窒素ガスと炭化水素ガスが１次混合器Ｍ１に導入されて混合された後、例えば低温の焼鈍処理温度である５００℃〜７００℃に設定された低温反応槽３に導入されて１次処理ガスに変換される。つまり、窒素ガス中の酸素が、ＣＯ２およびＨ２Ｏからなる酸化成分に変換され、１次処理ガスが形成される。このとき、触媒を用いずに略反応に必要な当量の両成分を当該温度によって反応させることによって、含酸素炭化水素等の未反応成分の発生や反応の行き過ぎによる副生成物の発生を防ぐことができる。
〔２〕２次処理プロセス
２次処理プロセスは、以下のステップからなる。
（４）低温加熱反応した酸化成分を含有する１次処理ガスが、低温反応槽３から供出される。
具体的には、低温反応槽３からＣＯ２とＨ２Ｏを含み窒素ベースの１次処理ガスが供出される。このとき、本第１構成例のように、下流側からの低温反応槽３内や１次処理ガスへの影響を防止するため、あるいは未反応成分の残留を防止するための反応空間としての役割を果たすために、該下流側に緩衝器Ｂが設けられることがある。
２次処理プロセスは、以下のステップからなる。
（４）低温加熱反応した酸化成分を含有する１次処理ガスが、低温反応槽３から供出される。
具体的には、低温反応槽３からＣＯ２とＨ２Ｏを含み窒素ベースの１次処理ガスが供出される。このとき、本第１構成例のように、下流側からの低温反応槽３内や１次処理ガスへの影響を防止するため、あるいは未反応成分の残留を防止するための反応空間としての役割を果たすために、該下流側に緩衝器Ｂが設けられることがある。
（５）炭化水素ガスが、酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換させるように、炭化水素供給装置２から供給量Ｆ２に調整されて供給される。
具体的には、制御部において、１次処理ガスに含有される酸化成分濃度から２次処理に必要な炭化水素ガスの供給量Ｆ２を求め、調整弁Ｖ２によって設定される。
例えば、炭化水素ガスとしてメタンガスを用いる場合、上式１の通り、１次処理に要したメタン１モルに対しメタン３モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ２は、下式９のように、３／４０×Ｎ１に設定される。
Ｆ２＝Ｆ１×３＝Ｎ１×１／４０×３＝３／４０×Ｎ１ …式９
また、炭化水素ガスとしてプロパンガスを用いる場合、上式４の通り、１次処理に要したプロパン３モルに対しプロパン７モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ２は、下式１０のように、３／４０×Ｎ１に設定される。
Ｆ２＝Ｆ１×７／３＝Ｎ１×１／１００×７／３＝７／３００×Ｎ１ …式１０
さらに、２次処理ガス中の酸化成分の還元成分への変換は、センサＳ２により確認することができることから、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度のセンサＳ２出力によって、調整弁Ｖ２の開度が制御され、微調整が行われる。
具体的には、制御部において、１次処理ガスに含有される酸化成分濃度から２次処理に必要な炭化水素ガスの供給量Ｆ２を求め、調整弁Ｖ２によって設定される。
例えば、炭化水素ガスとしてメタンガスを用いる場合、上式１の通り、１次処理に要したメタン１モルに対しメタン３モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ２は、下式９のように、３／４０×Ｎ１に設定される。
Ｆ２＝Ｆ１×３＝Ｎ１×１／４０×３＝３／４０×Ｎ１ …式９
また、炭化水素ガスとしてプロパンガスを用いる場合、上式４の通り、１次処理に要したプロパン３モルに対しプロパン７モルが必要となることから、理想的には、炭化水素ガス供給量Ｆ２は、下式１０のように、３／４０×Ｎ１に設定される。
Ｆ２＝Ｆ１×７／３＝Ｎ１×１／１００×７／３＝７／３００×Ｎ１ …式１０
さらに、２次処理ガス中の酸化成分の還元成分への変換は、センサＳ２により確認することができることから、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，Ｈ２のいずれかあるいは残留酸素などの複数成分の濃度のセンサＳ２出力によって、調整弁Ｖ２の開度が制御され、微調整が行われる。
（６）１次処理ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、高温加熱反応によって、酸化成分を還元成分に変換させる。
具体的には、上記（４）の１次処理ガスと（５）において供給量Ｆ２に調整された調整された炭化水素ガスが２次混合器Ｍ２に導入されて混合された後、第１接続部１０ａを介して、高温加熱反応条件として例えば焼入れ処理等熱処理炉における高温処理温度である８００℃〜１２００℃に制御・調整された熱処理炉Ｈに供給される。熱処理炉Ｈに供給された混合ガスは、高温加熱反応条件下で２次処理ガスに変換される。つまり、１次処理ガス中の酸化成分がＣＯおよびＨ２からなる還元成分に変換され、２次処理ガスが形成される。ただし、熱処理炉Ｈにおいて低温加熱条件の熱処理が行なわれる場合には、第２構成例のように別途高温処理槽（図２付番４）を設け、高温加熱反応条件下で２次処理を行った後、２次処理ガスを雰囲気ガスとして熱処理炉Ｈに供給することが好適である。
具体的には、上記（４）の１次処理ガスと（５）において供給量Ｆ２に調整された調整された炭化水素ガスが２次混合器Ｍ２に導入されて混合された後、第１接続部１０ａを介して、高温加熱反応条件として例えば焼入れ処理等熱処理炉における高温処理温度である８００℃〜１２００℃に制御・調整された熱処理炉Ｈに供給される。熱処理炉Ｈに供給された混合ガスは、高温加熱反応条件下で２次処理ガスに変換される。つまり、１次処理ガス中の酸化成分がＣＯおよびＨ２からなる還元成分に変換され、２次処理ガスが形成される。ただし、熱処理炉Ｈにおいて低温加熱条件の熱処理が行なわれる場合には、第２構成例のように別途高温処理槽（図２付番４）を設け、高温加熱反応条件下で２次処理を行った後、２次処理ガスを雰囲気ガスとして熱処理炉Ｈに供給することが好適である。
上記（１）〜（６）のステップを有する２つの処理プロセスによって、熱処理炉用雰囲気ガスが作製され、熱処理炉Ｈにおける還元性雰囲気ガスとして供給される。熱処理炉Ｈにおいて、こうした還元性雰囲気下で、還元処理等の熱処理が行われることによって、以下のような従前にはない技術的効果を得ることができる。
（ａ）窒素ガス中の酸素濃度に関しては、当該窒素発生装置からの窒素ガスを使用することによって、熱処理雰囲気ガスとしては十分に使用できる酸化性ガス成分の含有量になっていることから、容易に入手可能で安価な雰囲気ガスのベースガスとして利用することが可能となった。また、１次処理において発生する露点やＣＯ２の値は、混合する炭化水素ガス量を制御することで自由に設定できる。
（ｂ）窒素ガスの低純度条件での使用によって、当該窒素発生装置の利点である効率の良い窒素ガスの発生、最適条件下での安価な窒素ガスの供給を可能とし、雰囲気ガスの低コスト化が可能になった。
（ｃ）当該窒素発生装置から発生した窒素ガスに含まれる酸素分を、触媒なしで還元性ガスに変化させることが可能となり、簡便で構成の安価な雰囲気ガス供給装置を提供することが可能となった。
（ｄ）当該窒素発生装置から発生した窒素ガスに含まれる酸素分を、水素ガスではなく熱処理工場では一般的に使用している炭化水素ガスを使用して還元性ガスに変化させることが可能となり、水素ガスのランニングコストと水素ガス供給設備の設備費や設置場所あるいは安全性等の課題を解消することができる。
（ｅ）本発明で得られる雰囲気ガスは、焼結、ロー付け、焼鈍、焼入れ等の一般的な熱処理の雰囲気ガスの用途として、汎用的にかつ安価に供給することが可能となった。
（ａ）窒素ガス中の酸素濃度に関しては、当該窒素発生装置からの窒素ガスを使用することによって、熱処理雰囲気ガスとしては十分に使用できる酸化性ガス成分の含有量になっていることから、容易に入手可能で安価な雰囲気ガスのベースガスとして利用することが可能となった。また、１次処理において発生する露点やＣＯ２の値は、混合する炭化水素ガス量を制御することで自由に設定できる。
（ｂ）窒素ガスの低純度条件での使用によって、当該窒素発生装置の利点である効率の良い窒素ガスの発生、最適条件下での安価な窒素ガスの供給を可能とし、雰囲気ガスの低コスト化が可能になった。
（ｃ）当該窒素発生装置から発生した窒素ガスに含まれる酸素分を、触媒なしで還元性ガスに変化させることが可能となり、簡便で構成の安価な雰囲気ガス供給装置を提供することが可能となった。
（ｄ）当該窒素発生装置から発生した窒素ガスに含まれる酸素分を、水素ガスではなく熱処理工場では一般的に使用している炭化水素ガスを使用して還元性ガスに変化させることが可能となり、水素ガスのランニングコストと水素ガス供給設備の設備費や設置場所あるいは安全性等の課題を解消することができる。
（ｅ）本発明で得られる雰囲気ガスは、焼結、ロー付け、焼鈍、焼入れ等の一般的な熱処理の雰囲気ガスの用途として、汎用的にかつ安価に供給することが可能となった。
〔本装置によって作製された雰囲気ガスの検証〕
本装置によって作製された雰囲気ガスについて、第１構成例のように１次処理ガスを熱処理炉加熱室に供給して、以下の通り実験・検証した。
本装置によって作製された雰囲気ガスについて、第１構成例のように１次処理ガスを熱処理炉加熱室に供給して、以下の通り実験・検証した。
（ａ）雰囲気ガスの作製条件
図１に示す本装置を用い、下記〔表１〕に示す条件下で、炭化水素ガスとしてプロパン１００％を用い、窒素ガスを供給し、低温反応槽３での１次処理を行った後、その反応ガスを加熱された熱処理炉Ｈの加熱室に供給して、炭化水素ガスと反応させた。
図１に示す本装置を用い、下記〔表１〕に示す条件下で、炭化水素ガスとしてプロパン１００％を用い、窒素ガスを供給し、低温反応槽３での１次処理を行った後、その反応ガスを加熱された熱処理炉Ｈの加熱室に供給して、炭化水素ガスと反応させた。
（ｂ）雰囲気ガスの実験結果
下記〔表２〕に、熱処理炉内の雰囲気ガスの実験結果を示す。窒素ガスの不純物および１次処理によって発生したＣＯ２および水分については、雰囲気ガスとして問題ない範囲であった。また、変換されたＣＯおよびＨ２についても、上式４に示す理想的な反応式から導かれる理論値と比較しても十分な収率であった。
具体的には、ＣＯについて、３．６［％］／２［％］／（３０／１５）＝９０［％］
Ｈ２について、４．６［％］／２［％］／（４０／１５）＝８６［％］となった。
以上のように、本装置の有効性を確認することができた。
下記〔表２〕に、熱処理炉内の雰囲気ガスの実験結果を示す。窒素ガスの不純物および１次処理によって発生したＣＯ２および水分については、雰囲気ガスとして問題ない範囲であった。また、変換されたＣＯおよびＨ２についても、上式４に示す理想的な反応式から導かれる理論値と比較しても十分な収率であった。
具体的には、ＣＯについて、３．６［％］／２［％］／（３０／１５）＝９０［％］
Ｈ２について、４．６［％］／２［％］／（４０／１５）＝８６［％］となった。
以上のように、本装置の有効性を確認することができた。
１ 窒素発生装置
２ 炭化水素供給装置
３ 低温反応槽
４ 高温反応槽
１０ 本装置
１０ａ 第１接続部
１０ｂ 第２接続部
Ｂ 緩衝器
Ｆｏ，Ｆ１，Ｆ４ 流量計
Ｈ 熱処理炉
Ｍ１ １次混合器
Ｍ２ ２次混合器
Ｓ１，Ｓ２ センサ
Ｖｏ，Ｖ１，Ｖ２ 調整弁
２ 炭化水素供給装置
３ 低温反応槽
４ 高温反応槽
１０ 本装置
１０ａ 第１接続部
１０ｂ 第２接続部
Ｂ 緩衝器
Ｆｏ，Ｆ１，Ｆ４ 流量計
Ｈ 熱処理炉
Ｍ１ １次混合器
Ｍ２ ２次混合器
Ｓ１，Ｓ２ センサ
Ｖｏ，Ｖ１，Ｖ２ 調整弁
Claims (5)
- 少量の酸素を含有する窒素ガスを供給する窒素発生装置と、窒素ガスの供給量Ｎ１を調整する窒素供給量制御手段と、炭化水素ガスを供給する炭化水素供給装置と、炭化水素ガスの供給量Ｆ１を調整する第１炭化水素供給量制御手段と、供給量Ｎ１に調整された窒素ガスと供給量Ｆ１に調整された炭化水素ガスが導入される低温反応槽とを備え、１次処理として、所望の雰囲気ガス供給量となるように前記供給量Ｎ１が制御され、前記窒素ガスに含まれる酸素がＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換されるように前記供給量Ｆ１および前記低温反応槽における反応温度が制御されるとともに、
炭化水素ガスの供給量Ｆ２を調整する第２炭化水素供給量制御手段と、混合手段が必要となる場合には前記低温反応槽から供出された前記酸化成分を含有する１次処理ガスと前記供給量Ｆ２に調整された炭化水素ガスが導入されて混合される混合器と、該混合器から供出された混合ガスを熱処理炉に供給可能な流路を有する第１接続部とを備え、２次処理として、前記１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように前記供給量Ｆ２が制御されることを特徴とする熱処理雰囲気ガスの供給装置。 - 前記第１接続部と接続され、前記混合ガスが供給される高温反応槽と、該高温反応槽から供出された２次処理ガスが導入される緩衝器と、該緩衝器から供出された２次処理ガスを熱処理炉に供給可能な流路を有する第２接続部とを備え、２次処理として、前記１次処理ガスに含まれる酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換されるように、前記高温反応槽における反応温度が制御されることを特徴とする請求項１記載の熱処理雰囲気ガスの供給装置。
- １次処理として、前記低温反応槽での反応温度を５００〜７００℃に調整し、２次処理として、前記高温反応槽での反応温度を８００〜１２００℃に調整する制御部を有することを特徴とする請求項２記載の熱処理雰囲気ガスの供給装置。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の熱処理雰囲気ガスの供給装置を用い、
以下のステップからなる１次処理プロセスと、
（１）少量の酸素を含有する窒素ガスが、所望の雰囲気ガス供給量となるように、供給量Ｎ１に調整されて窒素発生装置から供給されるステップ
（２）炭化水素ガスが、前記窒素ガス中の酸素をＣＯ２とＨ２Ｏからなる酸化成分に変換させるように、供給量Ｆ１に調整されて炭化水素供給装置から供給されるステップ
（３）前記窒素ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、低温反応槽において、触媒を用いずに低温加熱反応によって、前記酸素を前記酸化成分に変換させるステップ
以下のステップからなる２次処理プロセスと、
（４）低温加熱反応した前記酸化成分を含有する１次処理ガスが、前記低温反応槽から供出されるステップ
（５）炭化水素ガスが、前記酸化成分をＣＯとＨ２からなる還元成分に変換させるように、炭化水素供給装置から供給量Ｆ２に調整されて供給されるステップ
（６）前記１次処理ガスと炭化水素ガスが混合されるとともに、高温加熱反応によって、前記酸化成分を前記還元成分に変換させるステップ
を有することを特徴とする熱処理雰囲気ガスの供給方法。 - 前記２次処理プロセスにおける、（６）高温加熱反応によって、前記酸化成分を前記還元成分に変換させるステップを、
（６ａ）熱処理炉において行う、あるいは
（６ｂ）触媒を用いずに高温反応槽において行う
ことを特徴とする請求項４記載の熱処理雰囲気ガスの供給方法。
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- 2010-08-02 JP JP2010173692A patent/JP5607453B2/ja not_active Expired - Fee Related
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