JP2016183377A - Heat treatment method of metallic material - Google Patents
Heat treatment method of metallic material Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016183377A JP2016183377A JP2015063705A JP2015063705A JP2016183377A JP 2016183377 A JP2016183377 A JP 2016183377A JP 2015063705 A JP2015063705 A JP 2015063705A JP 2015063705 A JP2015063705 A JP 2015063705A JP 2016183377 A JP2016183377 A JP 2016183377A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- heat treatment
- metal material
- partial pressure
- hydrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Description
本発明は、金属材料の熱処理方法に関し、さらに詳しくは、雰囲気ガス中で金属材料を熱処理する方法に関する。 The present invention relates to a method for heat-treating a metal material, and more particularly to a method for heat-treating a metal material in an atmospheric gas.
鋼をはじめとする金属材料を熱処理する際に、材料表面からの脱炭および浸炭（脱浸炭）を制御して、材料中の炭素量を実質的に不変に維持すること、あるいは所望の炭素量を得ることが図られる。従来一般には、特許文献１等に示されるように、炭化水素ガスと空気の間で吸熱反応を起こし、得られたＣＯを含むＲＸガスを利用して、ＣＯとＣＯ２の分圧比から定まるカーボンポテンシャルを制御することで、脱浸炭を制御している。
When heat-treating metal materials such as steel, control the decarburization and carburization (decarburization) from the material surface to maintain the carbon content in the material substantially unchanged, or the desired carbon content Is obtained. Conventionally, as shown in
ＲＸガスを用いて金属材料の熱処理を行う装置の概略例を、図４に示す。ここでは変性炉９２に炭化水素ガス（ＣｍＨｎ）と空気（Ｏ２＋４Ｎ２）が原料ガスｇ１として導入され、ニッケル系等の触媒の存在下で１０００℃程度に加熱され、下記の吸熱反応によって、ＣＯとＨ２を生じる。炭化水素ガスとしては、メタン（ＣＨ４）やブタン（Ｃ４Ｈ１０）がよく用いられる。
ＣｍＨｎ＋ｍ／２（Ｏ２＋４Ｎ２）→ｍＣＯ＋ｎ／２Ｈ２＋２ｍＮ２ （１）
A schematic example of an apparatus for performing a heat treatment of a metal material using RX gas is shown in FIG. Here, hydrocarbon gas (C m H n ) and air (O 2 + 4N 2 ) are introduced into the denaturing
C m H n + m / 2 (O 2 + 4N 2 ) → mCO + n / 2H 2 + 2mN 2 (1)
この反応で得られたＲＸガスｇ２を、金属材料を収容した熱処理炉９１に雰囲気ガスとして供給し、金属材料の加熱を行う。ＲＸガスｇ２には、ＣＯおよびＨ２に加え、原料ガスｇ１の空気由来、および副反応由来のＣＯ２も含まれている。熱処理炉９１には、空気ｇ３とＮ２ガスｇ３’が導入可能となっており、それらのガスｇ３，ｇ３’の流量を制御することで、熱処理炉９１中の雰囲気ガスのカーボンポテンシャル値（ＰＦ値）を所望の値に制御する。具体的には、空気の流量によって、上記（１）式の反応の進行を制御することができる。一方、ＰＦ値は、Ｐ（ＣＯ）をＣＯの分圧、Ｐ（ＣＯ２）をＣＯ２の分圧として（それぞれ％表示）、
ＰＦ＝｛Ｐ（ＣＯ）｝２／Ｐ（ＣＯ２） （２）
で表されるので、熱処理炉９１内の雰囲気ガスをＮ２ガスで希釈することで、カーボンポテンシャルの値を減少させることができる。
The RX gas g2 obtained by this reaction is supplied as an atmospheric gas to the
PF = {P (CO)} 2 / P (CO 2 ) (2)
Therefore, by diluting the atmospheric gas in the
また、ＲＸガスを利用する以外の熱処理方法も用いられている。例えば、特許文献２に開示されるように、水素１００％の雰囲気で熱処理を行う方法を挙げることができる。 Also, heat treatment methods other than using RX gas are used. For example, as disclosed in Patent Document 2, a method of performing heat treatment in an atmosphere of 100% hydrogen can be given.
水素は、高い熱伝導率および熱伝達率を有するので、熱処理炉中の雰囲気に含まれることで、金属材料の加熱の効率および空間的均一性を高めるのに寄与する。上記のように、ＲＸガスを用いる場合には、ＲＸガスの生成に伴って水素が生成するものの、その分圧は高くなく、水素の持つ高い熱伝導性や熱伝達性を十分に利用することができない。一方、水素１００％ガスを用いる場合には、金属材料を高い均一性をもって加熱することができるものの、金属材料中に不純物として含まれるスケールが水素によって還元され、水が生成しやすい。すると、水は強い脱炭性を有するので、金属材料の脱浸炭の制御が困難になってしまう。また、水素１００％の雰囲気を用いることで、熱処理炉を運転するためのコストが高くなってしまう。 Since hydrogen has a high thermal conductivity and heat transfer coefficient, it is included in the atmosphere in the heat treatment furnace, thereby contributing to an increase in heating efficiency and spatial uniformity of the metal material. As described above, when RX gas is used, hydrogen is generated with the generation of RX gas, but the partial pressure is not high, and the high thermal conductivity and heat transfer property of hydrogen should be fully utilized. I can't. On the other hand, when 100% hydrogen gas is used, the metal material can be heated with high uniformity, but the scale contained as an impurity in the metal material is reduced by hydrogen and water is easily generated. Then, since water has a strong decarburization property, it becomes difficult to control the decarburization of the metal material. In addition, using an atmosphere of 100% hydrogen increases the cost for operating the heat treatment furnace.
本発明が解決しようとする課題は、高い空間的均一性をもって金属材料を加熱しながら、脱浸炭を制御することができる金属材料の熱処理方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a heat treatment method for a metal material capable of controlling decarburization while heating the metal material with high spatial uniformity.
上記課題を解決するために、本発明にかかる第一の金属材料の熱処理方法は、炭化水素と水を反応させて得られる水素および一酸化炭素を含んだ燃料改質ガスと、二酸化炭素と、を含む雰囲気ガスを、熱処理炉に供給して、前記熱処理炉に収容した金属材料を熱処理することを要旨とする。 In order to solve the above problems, a first heat treatment method for a metal material according to the present invention includes a fuel reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide obtained by reacting a hydrocarbon and water, carbon dioxide, The gist of the present invention is to supply an atmosphere gas containing a heat treatment furnace to heat-treat the metal material accommodated in the heat treatment furnace.
ここで、前記燃料改質ガス中の前記一酸化炭素をさらに水と反応させて、二酸化炭素を生成させ、前記雰囲気ガス中に混合するものであるとよい。また、前記雰囲気ガス中における水素の割合は、分圧比で４０％以上であることが好ましい。そして、前記炭化水素は、メタンであるとよい。 Here, the carbon monoxide in the fuel reformed gas may be further reacted with water to generate carbon dioxide and mixed with the atmospheric gas. Further, the ratio of hydrogen in the atmospheric gas is preferably 40% or more in terms of partial pressure ratio. The hydrocarbon is preferably methane.
本発明にかかる第二の金属材料の熱処理方法は、炭化水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含み、水素の割合が分圧比で４０％以上である雰囲気ガスを、熱処理炉に供給して、前記熱処理炉に収容した金属材料を熱処理することを要旨とする。 The second metal material heat treatment method according to the present invention includes supplying an atmosphere gas containing hydrocarbon, carbon monoxide, and carbon dioxide and having a hydrogen content ratio of 40% or more to a heat treatment furnace, The gist is to heat-treat the metal material accommodated in the heat-treatment furnace.
上記本発明にかかる２つの金属材料の熱処理方法において、前記雰囲気ガス中における水素の割合は、分圧比で７５％以下であるとよい。 In the heat treatment method for two metal materials according to the present invention, the ratio of hydrogen in the atmospheric gas is preferably 75% or less in terms of partial pressure ratio.
上記第一の発明にかかる金属材料の熱処理方法においては、炭化水素と水を反応させることで得られる燃料改質ガスに、ＲＸガスよりも高濃度で水素が含まれている。このガスを金属材料の熱処理に用いることで、水素の高い熱伝導率および熱伝達率の効果により、金属材料全体で、高い空間的均一性をもって、また効率的に熱処理を行うことができる。これにより均質性の高い金属材料を効率的に得ることができる。また、熱処理に要する時間の短縮を図ることができる。そして、雰囲気ガス中に、水素だけでなく、燃料改質ガスに由来する一酸化炭素と二酸化炭素とが含まれていることで、金属材料における脱浸炭を制御することができる。 In the metal material heat treatment method according to the first aspect of the invention, the fuel reformed gas obtained by reacting hydrocarbons with water contains hydrogen at a higher concentration than RX gas. By using this gas for heat treatment of the metal material, heat treatment can be efficiently performed with high spatial uniformity over the entire metal material due to the effects of the high thermal conductivity and heat transfer coefficient of hydrogen. Thereby, a highly homogeneous metal material can be obtained efficiently. In addition, the time required for the heat treatment can be shortened. In addition, not only hydrogen but also carbon monoxide and carbon dioxide derived from the fuel reformed gas are contained in the atmospheric gas, so that decarburization in the metal material can be controlled.
ここで、燃料改質ガス中の一酸化炭素をさらに水と反応させて、二酸化炭素を生成させ、雰囲気ガス中に混合する場合には、水素および一酸化炭素だけでなく、二酸化炭素も、炭化水素と水を原料として賄うことができる。また、燃料改質ガスを生成する反応、および燃料改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する反応の速度を制御することで、簡便に雰囲気ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素の分圧比を調整し、金属材料の脱浸炭を制御することができる。 Here, when carbon monoxide in the fuel reformed gas is further reacted with water to generate carbon dioxide and mixed in the atmospheric gas, not only hydrogen and carbon monoxide but also carbon dioxide is carbonized. Hydrogen and water can be used as raw materials. In addition, by controlling the rate of the reaction that generates the fuel reformed gas and the reaction that converts carbon monoxide in the fuel reformed gas to carbon dioxide, the separation of carbon monoxide and carbon dioxide in the atmospheric gas can be performed easily. The pressure ratio can be adjusted to control the decarburization of the metal material.
また、雰囲気ガス中における水素の割合が、分圧比で４０％以上である場合には、金属材料の加熱の効率および空間的均一性を、効果的に高めることができる。 In addition, when the ratio of hydrogen in the atmospheric gas is 40% or more in terms of partial pressure ratio, the heating efficiency and spatial uniformity of the metal material can be effectively increased.
そして、炭化水素が、メタンである場合には、他の炭化水素を用いる場合に比べて、燃料改質ガス中における水素の割合を高めることができる。 When the hydrocarbon is methane, the proportion of hydrogen in the fuel reformed gas can be increased compared to the case where other hydrocarbons are used.
上記第二の発明にかかる金属材料の熱処理方法においては、雰囲気ガス中に、４０％以上の高い割合で水素が含まれている。この雰囲気ガスを金属材料の熱処理に用いることで、水素の高い熱伝導率および熱伝達率の効果により、金属材料全体で、高い空間的均一性をもって、高効率で、熱処理を行うことができる。これにより、均質性の高い金属材料を得ることができるとともに、熱処理に要する時間の短縮を図ることができる。そして、雰囲気ガス中に、水素だけでなく、燃料改質ガスに由来する一酸化炭素と二酸化炭素とが含まれていることで、金属材料表面からの脱浸炭を制御することができる。 In the heat treatment method for a metal material according to the second aspect of the invention, hydrogen is contained in the atmospheric gas at a high rate of 40% or more. By using this atmosphere gas for heat treatment of the metal material, heat treatment can be performed with high spatial uniformity and high efficiency over the entire metal material due to the effects of the high thermal conductivity and heat transfer coefficient of hydrogen. Thereby, a highly homogeneous metal material can be obtained and the time required for the heat treatment can be shortened. In addition, not only hydrogen but also carbon monoxide and carbon dioxide derived from the fuel reformed gas are contained in the atmospheric gas, so that decarburization from the surface of the metal material can be controlled.
上記両金属材料の熱処理方法において、雰囲気ガス中における水素の割合が、分圧比で７５％以下である場合には、雰囲気ガスにおける熱伝導率を効果的に高めることができる。また、脱浸炭の制御が行いやすくなる。 In the heat treatment methods for both metal materials, when the proportion of hydrogen in the atmospheric gas is 75% or less in terms of the partial pressure ratio, the thermal conductivity in the atmospheric gas can be effectively increased. Moreover, it becomes easy to control decarburization.
以下、本発明の一実施形態にかかる金属材料の熱処理方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the heat processing method of the metal material concerning one Embodiment of this invention is demonstrated, referring drawings.
本発明の一実施形態にかかる熱処理方法は、図１に示すような熱処理システム１を用いて行われる。熱処理システム１には、金属材料を収容して雰囲気ガス（保護ガス）中で加熱する熱処理炉１０と、熱処理炉１０に雰囲気ガスとして供給する燃料改質ガスＧ２を生成する改質炉２０とを備えている。熱処理炉１０において熱処理を受ける金属材料は固体の状態にあり、代表的には鋼よりなるが、熱処理によって、強度の向上等、物性の制御を行うことができる金属材料であれば、どのような組成を有していてもよい。また、素材としての金属材料のみならず、機械部品等に加工された金属部材であってもよい。
A heat treatment method according to an embodiment of the present invention is performed using a
熱処理炉１０は、内部に金属材料を収容し、改質炉２０から導入された雰囲気ガスを介して、その金属材料を加熱することができるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、従来一般のＲＸガスを用いる形式の熱処理炉を転用することができる。
The
改質炉２０においては、原料ガスＧ１として、炭化水素ガスＣｍＨｎと、水蒸気の状態にある水が導入され、下記の燃料改質反応によって、Ｈ２とＣＯよりなる燃料改質ガスＧ２が生成される。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ２ （３）
この反応が化学量論的に進行した場合、燃料改質ガスＧ２中のＨ２の割合は、分圧比で、（２ｍ＋ｎ）／（４ｍ＋ｎ）となる。また、ＣＯの分圧に対するＨ２の分圧の比は、１＋ｎ／２ｍとなる。
In
C m H n + mH 2 O → mCO + (m + n / 2) H 2 (3)
When this reaction proceeds stoichiometrically, the ratio of H 2 in the fuel reformed gas G2 is (2m + n) / (4m + n) as a partial pressure ratio. The ratio of the partial pressure of H 2 to the partial pressure of CO is 1 + n / 2m.
上記の燃料改質反応は、吸熱反応である。また、触媒を必要とする反応であり、改質炉２０中には、Ｎｉ系触媒に代表される金属触媒が収容されている。そして、改質炉２０内において、触媒および導入された原料ガスＧ１を加熱することで、上記（３）の燃料改質反応が進行される。
The fuel reforming reaction is an endothermic reaction. Further, the reaction requires a catalyst, and a metal catalyst typified by a Ni-based catalyst is accommodated in the reforming
上記のように、（３）式の燃料改質反応が化学量論的に進行すると、ＣＯとＨ２のみが生成される。しかし、実際には、副反応として、少量のＣＯ２も生成され、燃料改質ガスＧ２中に混合されうる。 As described above, when the fuel reforming reaction of the formula (3) proceeds stoichiometrically, only CO and H 2 are generated. However, in practice, as a side reaction, a small amount of CO 2 can also be produced and mixed into the fuel reformed gas G2.
炭化水素ガスとしては、メタン（ｍ＝１、ｎ＝４）、エチレン（ｍ＝２、ｎ＝６）、アセチレン（ｍ＝２、ｎ＝２）、プロパン（ｍ＝３、ｎ＝８）、ブタン（ｍ＝４、ｎ＝１０）等、いかなるものを用いてもよいが、生成される燃料改質ガスＧ２におけるＨ２の分圧比を大きくする観点から、ｎ／ｍの値が大きい方が好ましく、メタンが最も好ましい。メタン源としては、都市ガスや液化天然ガス等を用いることができる。炭化水素がメタンである場合には、（３）式の燃料改質反応は、
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ （３ａ）
となる。そして、反応が化学量論的に進行した場合、燃料改質ガスＧ２中のＨ２の割合は、分圧比で７５％となる。ＣＯの分圧に対するＨ２の分圧の比は、３である。
As hydrocarbon gas, methane (m = 1, n = 4), ethylene (m = 2, n = 6), acetylene (m = 2, n = 2), propane (m = 3, n = 8), Any one such as butane (m = 4, n = 10) may be used. From the viewpoint of increasing the partial pressure ratio of H 2 in the produced fuel reformed gas G2, the larger n / m value is preferable. Preferably, methane is most preferred. As the methane source, city gas, liquefied natural gas, or the like can be used. When the hydrocarbon is methane, the fuel reforming reaction of equation (3) is
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (3a)
It becomes. When the reaction proceeds stoichiometrically, the ratio of H 2 in the fuel reformed gas G2 is 75% in terms of the partial pressure ratio. The ratio of the partial pressure of H 2 to the partial pressure of CO is 3.
燃料改質ガスＧ２は、雰囲気ガスとして、熱処理炉１０に導入される。熱処理炉１０に満たされる雰囲気ガスにおいては、カーボンポテンシャル値（ＰＦ値）が所定の値となるように、ＣＯとＣＯ２の分圧比が調整される。カーボンポテンシャル値は、上記（２）式のように表される。金属材料の表面への炭素原子の取り込み（浸炭）と表面からの炭素原子の放出（脱炭）は、カーボンポテンシャル値に応じた平衡状態をとるので、カーボンポテンシャル値を選択することで、脱浸炭が実質的に起こらないようにし、金属材料中の炭素濃度を不変に保つことができる。あるいは、浸炭または脱炭によって所望の炭素濃度を得ることができる。
The fuel reformed gas G2 is introduced into the
上記のように、燃料改質ガスＧ２中には、副反応によって生じるＣＯ２が混合されるが、所望のカーボンポテンシャル値を得るのにＣＯ２の分圧が十分でない可能性がある。その場合には、例えば、別途用意した純度の高いＣＯ２ガスを、燃料改質ガスＧ２に所定の分圧で混合して、雰囲気ガスとして熱処理炉１０に導入するようにしてもよい。
As described above, CO 2 generated by the side reaction is mixed in the fuel reformed gas G2, but the partial pressure of CO 2 may not be sufficient to obtain a desired carbon potential value. In this case, for example, a separately prepared high purity CO 2 gas may be mixed with the fuel reformed gas G2 at a predetermined partial pressure and introduced into the
あるいは、改質炉２０において、上記（３）式の燃料改質反応で得られた燃料改質ガスＧ２中のＣＯをさらに水と反応させ、ＣＯ２を生成させてもよい。この反応は、水性ガスシフト反応として知られ、下記の式（４）によって表される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ （４）
この反応は発熱反応である。また、銅系触媒に代表される金属触媒を必要とするものである。
Alternatively, the
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (4)
This reaction is an exothermic reaction. Moreover, the metal catalyst represented by the copper-type catalyst is required.
具体的には、図２に変形例にかかる熱処理システム１’として示すように、改質炉２０’を２つの空間に区画し、原料ガスＧ１の供給を受けて（３）式の燃料改質反応を行う第一室２１と、第一室２１で得られたＣＯの少なくとも一部を水蒸気とともに導入して（４）式の水性ガスシフト反応を行う第二室２２とを設ければよい。そして、第二室２２で水性ガスシフト反応によって得られたＣＯ２とＨ２の混合ガスと、第一室２１で燃料改質反応によって得られたＨ２、および水性ガスシフト反応に用いられなかったＣＯとを混合して、混合改質ガスＧ２’とし、熱処理炉１０に雰囲気ガスとして供給すればよい。カーボンポテンシャル値は、混合改質ガスＧ２’中のＣＯとＣＯ２の分圧比によって定まるが、この分圧比の調整は、第一室２１への原料ガスＧ１の供給速度、第二室２２へのＣＯや水蒸気の供給速度、第一室２１および第二室２２における反応温度等のパラメータによって、（３）式の燃料改質反応および（４）式の水性ガスシフト反応の反応速度を制御することによって行えばよい。
Specifically, as shown in FIG. 2 as a
これらの方法に代えて、あるいはこれらの方法に加えて、燃料改質ガスＧ２（または混合改質ガスＧ２’）におけるＣＯとＣＯ２の分圧比を調整する方法として、熱処理炉１０に、水蒸気よりなる調整ガスＧ３を導入する方法も考えられる。熱処理炉１０内に水蒸気を導入することで、（４）式の水性ガスシフト反応によって、ＣＯをＣＯ２に変換することができる。水蒸気の導入速度を制御することで、ＣＯとＣＯ２の分圧比を調整することができる。
As a method for adjusting the partial pressure ratio of CO and CO 2 in the fuel reformed gas G2 (or the mixed reformed gas G2 ′) instead of or in addition to these methods, the
本実施形態においても、図４に示した従来一般のＲＸガスを用いる場合のように、Ｎ２のような不活性ガスを熱処理炉１０に導入し、雰囲気ガスの希釈率を制御することで、ＣＯとＣＯ２の分圧比を一層高自由度で制御する機構をさらに設けてもよい（不図示）。ただし、上記各方法を適宜組み合わせることで、ＣＯとＣＯ２の分圧比、およびそれらとＨ２の分圧比を十分に制御することができるので、必ずしもこのような機構は設けなくてもよい。
Also in this embodiment, an inert gas such as N 2 is introduced into the
従来一般のように、（１）式の反応で、化学量論的に炭化水素ＣｍＨｎと空気からＣＯとＨ２を含むＲＸガスを生成する場合、ＲＸガス中におけるＨ２の割合は、分圧比で、ｎ／（６ｍ＋ｎ）となる。一方、上記本発明の実施形態のように、（３）式の燃料改質反応で、炭化水素ＣｍＨｎと水からＣＯとＨ２を含む燃料改質ガスを生成する場合、燃料改質ガス中におけるＨ２の割合は、上記のように、（２ｍ＋ｎ）／（４ｍ＋ｎ）となる。この分圧は、ｍおよびｎの値によらず、上記ＲＸガスの場合よりも大きい。また、ＣＯの分圧に対するＨ２の分圧の比についても、上記ＲＸガスの場合は、ｎ／２ｍであるのに対し、燃料改質ガスの場合は１＋ｎ／２ｍであり、燃料改質ガスの場合の方が大きくなっている。このように、燃料改質反応によって得られた燃料改質ガスを用いることで、熱処理炉１０内の雰囲気ガスにおいて、Ｈ２の割合を高めることができる。炭化水素がメタン（ｍ＝１、ｎ＝４）の場合には、化学量論的に反応が起こると、Ｈ２の分圧は、ＲＸガスにおいては４０％であるのに対し、燃料改質ガスにおいては７５％である。ＣＯの分圧に対するＨ２の分圧の比は、ＲＸガスにおいては２であるのに対し、燃料改質ガスにおいては３である。
When the RX gas containing CO and H 2 is stoichiometrically generated from the hydrocarbon C m H n and air in the reaction of the formula (1) as in general in the past, the ratio of H 2 in the RX gas is The partial pressure ratio is n / (6m + n). On the other hand, when the fuel reforming gas containing CO and H 2 is generated from the hydrocarbon C m H n and water in the fuel reforming reaction of the formula (3) as in the embodiment of the present invention, the fuel reforming is performed. The ratio of H 2 in the gas is (2m + n) / (4m + n) as described above. This partial pressure is greater than that of the RX gas, regardless of the values of m and n. Further, the ratio of the partial pressure of H 2 to the partial pressure of CO is n / 2m in the case of the RX gas, whereas it is 1 + n / 2 m in the case of the fuel reformed gas. The case is larger. Thus, by using the fuel reformed gas obtained by the fuel reforming reaction, the ratio of H 2 in the atmospheric gas in the
Ｈ２は高い熱伝導率および熱伝達率を有する気体であり、下記に説明するように、その分圧が８０％程度までの領域では、雰囲気ガス中のＨ２の分圧が高くなるほど、雰囲気ガスの熱伝達率が高くなり、熱処理炉１０内において雰囲気ガス中で金属材料を加熱する際に、金属材料全体が均一に加熱されやすい。また、加熱を高効率で進めることができる。そのため、全体の物性の均質性が高い金属材料を得ることができるとともに、熱処理を短時間で完了することができる。ＲＸガスの場合にも、燃料改質ガスの場合にも、原料の炭化水素としてメタンを用いれば、各種炭化水素のなかで、Ｈ２の分圧を最も高めることができる。しかし、ＲＸガスの場合には、空気をＯ２＋４Ｎ２の混合ガスとみなし、化学量論どおりに反応が進行するとしても、上記のように、Ｈ２の分圧は４０％に過ぎない。実際には、空気には他の成分も存在し、副反応も起こるので、Ｈ２の分圧を４０％にまで上げることは実質的に不可能である。これに対し、燃料改質ガスの場合には、化学量論的に反応が進行するとすれば、Ｈ２の分圧を７５％にまで上げることができる。これは、雰囲気ガスの熱伝達率が最大となる約８０％との分圧に近い値であり、燃料改質ガスを用いれば、金属材料の加熱の効率および均一性を、効果的に高めることができる。
H 2 is a gas having high thermal conductivity and heat transfer coefficient, and as described below, in the region where the partial pressure is up to about 80%, the higher the partial pressure of H 2 in the atmospheric gas, the more the atmosphere The heat transfer coefficient of the gas is increased, and when the metal material is heated in the atmosphere gas in the
ここで、雰囲気ガス中におけるＨ２の分圧に対する熱伝達率の挙動について説明する。一般に、熱伝達率αは、
α＝Ｎｕ・λ／ｄ （５）
と表される。ここで、λは流体の熱伝導率、ｄは代表長さである。Ｎｕはヌセルト数であり、下の式（６）で表される。
Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅ０．３・Ｐｒ０．４ （６）
Ｒｅはレイノルズ数、Ｐｒはプラントル数である。
Here, the behavior of the heat transfer coefficient with respect to the partial pressure of H 2 in the atmospheric gas will be described. In general, the heat transfer coefficient α is
α = Nu · λ / d (5)
It is expressed. Here, λ is the thermal conductivity of the fluid, and d is the representative length. Nu is the Nusselt number and is represented by the following formula (6).
Nu = 0.023Re 0.3 · Pr 0.4 (6)
Re is the Reynolds number and Pr is the Prandtl number.
雰囲気ガスとして、Ｈ２とＮ２の混合ガスを想定し、式（５）、（６）において、λ，Ｒｅ，Ｐｒの各物性値を代入し、Ｈ２濃度に対する熱伝達率の依存性を温度ごとに見積もると、図３のようになる。ここでは、Ｈ２濃度が０％の時の熱伝達率を１として、各熱伝達率を表示している。 Assuming that the atmosphere gas is a mixed gas of H 2 and N 2 , the physical property values of λ, Re, and Pr are substituted in formulas (5) and (6), and the dependence of the heat transfer coefficient on the H 2 concentration is expressed. The estimation for each temperature is as shown in FIG. Here, the heat transfer coefficient when the H 2 concentration is 0% is set to 1, and each heat transfer coefficient is displayed.
図３によると、いずれの温度においても、Ｈ２濃度が８０％の近傍で、熱伝達率が最大値をとっている。つまり、８０％程度までは、Ｈ２濃度を上げるほど、熱伝達率が高くなるが、それ以上にＨ２濃度を高くしても、熱伝達率はかえって低くなる。なお、図３は、雰囲気ガスをＨ２とＮ２の混合ガスとした場合の結果であるが、実際に熱処理炉１０に導入する雰囲気ガスにはＣＯおよびＣＯ２も含有される。しかし、ＣＯおよびＣＯ２が含まれる場合でも、上記の傾向はおおむね維持される。よって、雰囲気ガス中において、８０％を超えない範囲で、Ｈ２濃度を高くするようにすれば、雰囲気ガスと金属材料の界面での熱伝達率が高くなり、金属材料の熱処理を高い空間的均一性をもって、効率的に進めることができる。
According to FIG. 3, at any temperature, the heat transfer coefficient has a maximum value in the vicinity of the H 2 concentration of 80%. That is, up to about 80%, higher the concentration of H 2, the heat transfer coefficient is high, even by increasing the concentration of H 2 more than that, the heat transfer rate is rather low. FIG. 3 shows the results when the atmospheric gas is a mixed gas of H 2 and N 2 , but the atmospheric gas actually introduced into the
上記のように、ＲＸガスを雰囲気ガスに用いる場合には、Ｈ２濃度を４０％以上に高めることができないので、Ｈ２による熱伝達率向上の効果は、限定的にしか利用できない。一方、燃料改質ガスを用いる場合には、Ｈ２濃度を４０％以上にすることができ、最高で７５％にまで上げることができるので、雰囲気ガスの熱伝達率を効果的に高めることができる。これにより、ＲＸガスを用いる場合と比較して、金属材料の加熱の効率および空間的均一性を高めることができる。その結果、得られる金属材料のにおいて、高い均質性が得られるとともに、熱処理に要する時間を短縮することができる。 As described above, when the RX gas is used as the atmospheric gas, the H 2 concentration cannot be increased to 40% or more, and therefore the effect of improving the heat transfer coefficient by H 2 can be used only in a limited manner. On the other hand, when the fuel reformed gas is used, the H 2 concentration can be increased to 40% or higher and can be increased to 75% at the maximum, so that the heat transfer rate of the atmospheric gas can be effectively increased. it can. Thereby, compared with the case where RX gas is used, the heating efficiency and spatial uniformity of a metal material can be improved. As a result, in the obtained metal material, high homogeneity can be obtained and the time required for the heat treatment can be shortened.
引用文献２に記載されるように、濃度１００％のＨ２を雰囲気ガスとして金属材料の熱処理を行う方法も知られているが、図３から分かるように、雰囲気ガスの熱伝達率は、Ｈ２濃度が１００％の場合に最大になる訳ではない。また、Ｈ２は金属材料中の不純物であるスケールを還元し、Ｈ２Ｏを生じる。Ｈ２Ｏは強脱炭性を有するので、１００％のＨ２を用いる場合には、過度の脱炭が起こりやすい。ＣＯを雰囲気ガス中に含有しないので、この脱炭を補うような浸炭を起こすこともできない。よって脱浸炭の制御が困難である。加えて、濃度１００％のＨ２を準備し、使用するためには、高いコストを要する。これに対し、雰囲気ガスとして、燃料改質反応で得た燃料改質ガス、あるいはさらに水性ガスシフト反応を併用して得た混合改質ガスを用いる場合には、Ｈ２の有する高い熱伝達性および熱伝導性を利用しながら、ＣＯとＣＯ２の分圧比を調整することで、金属材料の脱浸炭を高度に制御することができる。これにより、所望の炭素含有量および物性を高い均一性で有する金属材料を、短時間で効率的に製造することができる。特に、Ｈ２濃度を４０％以上７５％以下の範囲にしておけば、雰囲気ガスにおける熱伝達率をとりわけ高くすることができるとともに、ＣＯとＣＯ２の分圧比の調整による脱浸炭の制御を行いやすくなる。また、改質燃料ガスは、都市ガス等の安価な原料から製造することができるので、低コストで利用することができる。 As described in Cited Document 2, a method of performing a heat treatment of a metal material using H 2 having a concentration of 100% as an atmospheric gas is also known, but as can be seen from FIG. 3, the heat transfer coefficient of the atmospheric gas is H It is not necessarily the maximum when the 2 concentration is 100%. In addition, H 2 reduces scale, which is an impurity in the metal material, to generate H 2 O. Since H 2 O has strong decarburization properties, excessive decarburization tends to occur when 100% H 2 is used. Since CO is not contained in the atmospheric gas, carburization that supplements this decarburization cannot be caused. Therefore, it is difficult to control decarburization. In addition, preparing a concentration of 100% of H 2, for use requires a high cost. On the other hand, when using the fuel reformed gas obtained by the fuel reforming reaction or the mixed reformed gas obtained by further using the water gas shift reaction as the atmospheric gas, the high heat transfer property of H 2 and By adjusting the partial pressure ratio of CO and CO 2 while utilizing thermal conductivity, decarburization of the metal material can be controlled to a high degree. Thereby, a metal material having a desired carbon content and physical properties with high uniformity can be efficiently produced in a short time. In particular, if the H 2 concentration is in the range of 40% to 75%, the heat transfer rate in the atmospheric gas can be made particularly high, and decarburization is controlled by adjusting the partial pressure ratio of CO and CO 2. It becomes easy. Further, the reformed fuel gas can be produced from an inexpensive raw material such as city gas, so that it can be used at low cost.
以上では、炭化水素と水を原料として得られる燃料改質ガスをＣＯおよびＨ２の供給源として利用したが、燃料改質ガス以外に由来するＣＯやＨ２、そしてＣＯ２を用いて、熱処理炉１０に供給する雰囲気ガスを構成することもできる。この場合には、Ｈ２の割合を分圧比で４０％以上としておくことで、Ｈ２の高い熱伝達率、熱伝導率を利用して、熱処理を高い空間的均一性をもって効率的に進行させることができる。同時に、ＣＯとＣＯ２の分圧比を制御することで、金属材料の脱浸炭を制御することができる。特に、Ｈ２の割合を分圧比で７５％以下とすれば、雰囲気ガスの熱伝達率がとりわけ高くなるとともに、脱浸炭の制御も行いやすくなる。
In the above, the fuel a reformed gas obtained by hydrocarbons and water as raw materials was used as a source of CO and H 2, CO or H 2 from other than the fuel reforming gas, and using CO 2, the heat treatment An atmosphere gas supplied to the
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１，１’ 熱処理システム
１０ 熱処理炉
２０，２０’ 改質炉
２１ 第一室
２２ 第二室
1, 1 '
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015063705A JP6604015B2 (en) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Heat treatment method for metal material and reforming furnace |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015063705A JP6604015B2 (en) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Heat treatment method for metal material and reforming furnace |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016183377A true JP2016183377A (en) | 2016-10-20 |
| JP6604015B2 JP6604015B2 (en) | 2019-11-13 |
Family
ID=57242637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015063705A Active JP6604015B2 (en) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Heat treatment method for metal material and reforming furnace |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6604015B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019164918A (en) * | 2018-03-19 | 2019-09-26 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | Hydrogen concentration detector |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4208224A (en) * | 1978-11-22 | 1980-06-17 | Airco, Inc. | Heat treatment processes utilizing H2 O additions |
| JPH02122062A (en) * | 1988-10-31 | 1990-05-09 | Michio Sugiyama | Method for vacuum carburization |
| JPH04268062A (en) * | 1991-02-22 | 1992-09-24 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Atomsphere carburization method for steel |
| JPH1121661A (en) * | 1997-07-02 | 1999-01-26 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Treatment of carburizing steel |
| JP2011047039A (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Ipsen Co Ltd | Method and device for preparing process gas for heat treatment of metallic materials/metallic workpiece in industrial furnace |
-
2015
- 2015-03-26 JP JP2015063705A patent/JP6604015B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4208224A (en) * | 1978-11-22 | 1980-06-17 | Airco, Inc. | Heat treatment processes utilizing H2 O additions |
| JPH02122062A (en) * | 1988-10-31 | 1990-05-09 | Michio Sugiyama | Method for vacuum carburization |
| JPH04268062A (en) * | 1991-02-22 | 1992-09-24 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Atomsphere carburization method for steel |
| JPH1121661A (en) * | 1997-07-02 | 1999-01-26 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Treatment of carburizing steel |
| JP2011047039A (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-10 | Ipsen Co Ltd | Method and device for preparing process gas for heat treatment of metallic materials/metallic workpiece in industrial furnace |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019164918A (en) * | 2018-03-19 | 2019-09-26 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | Hydrogen concentration detector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6604015B2 (en) | 2019-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5802551B2 (en) | Methanation reactor | |
| WO2014180888A1 (en) | Process for the preparation of syngas | |
| JP6604015B2 (en) | Heat treatment method for metal material and reforming furnace | |
| JP2011179089A (en) | Iron-manufacturing method and system | |
| KR101420660B1 (en) | Method for synthesizing H2 and CO rich gas for the iron ore reduction using reforming process of Cokes Oven Gas | |
| He et al. | Laboratory Carburization of Direct-Reduced Iron in CH 4-H 2-N 2 Gas Mixtures, and Comparison with Industrial Samples | |
| JP4823670B2 (en) | Carburizing atmosphere gas generation method | |
| EP3833651A1 (en) | Process for producing methanol | |
| JP3884326B2 (en) | Carburizing atmosphere gas generator and method | |
| JP2002069609A (en) | Gas soft-nitriding method | |
| JP2015509070A (en) | Method for producing a gas mixture containing substantially equal proportions of carbon monoxide and hydrogen | |
| JP2017197822A (en) | Surface hardening method and surface hardening apparatus | |
| JPH04268062A (en) | Atomsphere carburization method for steel | |
| JP7407495B2 (en) | Heat treatment furnace and heat treatment method | |
| JP2001152312A (en) | Apparatus and method for generating controlled atmospheric gas for high temperature rapid carburizing | |
| Ribeiro et al. | Methane reforming catalyzed by direct reduced iron | |
| JP2006022357A (en) | Gas production device for carburization | |
| JP5793803B2 (en) | Gas carburizing method and gas carburizing apparatus | |
| JP5351426B2 (en) | Processing method of aluminum nitride powder | |
| WO2022270194A1 (en) | Method for producing reduced iron | |
| JP5634797B2 (en) | Heat treatment atmosphere gas generation method and apparatus, and metal oxide heat treatment method | |
| JP5607453B2 (en) | Heat treatment atmosphere gas supply device and supply method | |
| JP2012092423A (en) | Method of gas carburizing | |
| JP2002356763A (en) | Gas carburizing method and its device | |
| JP2007254868A (en) | Method for forming film of titanium compound |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20151020 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180126 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190116 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190205 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190401 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190917 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190930 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6604015 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |