JP4823670B2 - 浸炭用雰囲気ガス発生方法 - Google Patents

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本発明は、浸炭用雰囲気ガス発生方法に関し、詳しくは、鋼材製の部品等の迅速浸炭処理を効果的に行うことができる組成の浸炭用雰囲気ガスを発生させるための方法に関する。
一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生させる方法として、炭化水素と二酸化炭素と酸素とを爆発混合気範囲外の混合組成で混合した原料混合ガスを熱変成させることによって前記浸炭用雰囲気ガスを発生させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、原料混合ガスを熱変成させる際の変成炉内での煤の発生を抑制するため、複数の変成炉と水分除去手段とを直列に配置することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−２５６８２４号公報 特開２００３−３４２７０９号公報
しかし、複数の変成炉及び水分除去手段を配置することにより、前記浸炭用雰囲気ガスを安定して発生させることができるが、設備の大型化や複雑化を招くという問題があった。
そこで本発明は、煤の発生を抑制しながら浸炭用雰囲気ガスを効率よく安定して発生させることができる浸炭用雰囲気ガス方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法における第１の構成は、ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、ニッケル触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴としている。
また、本発明の浸炭用雰囲気ガスの発生方法における第２の構成は、ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、燃焼炉で燃焼させることによって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴としている。
さらに、本発明の浸炭用雰囲気ガスの発生方法における第３の構成は、ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、浸炭炉内に噴射することによって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴としている。
本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法によれば、従来の炭化水素に代えてジメチルエーテルを使用したことにより、一酸化炭素と水素との組成比が１：１に近い迅速浸炭用雰囲気ガスを得ることができるとともに、ジメチルエーテルが炭素−炭素結合（Ｃ−Ｃ）を有していないため、煤が発生しにくく、変成炉での目詰まりの問題も解消でき、浸炭炉内での製品への煤の付着もなくなる。
図１は本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法を実施するための浸炭用雰囲気ガス発生装置の第１形態例を示す系統図である。この浸炭用雰囲気ガス発生装置は、原料となるジメチルエーテル、二酸化炭素及び酸素をそれぞれ供給するジメチルエーテル供給源１１、二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３と、これらの供給量を調整するための流量調整器１４，１５，１６と，これらを混合して原料混合ガスを得るためのガス混合器１７と、ニッケル触媒層を有する変成炉１８と、変成炉１８での触媒反応によって生成した一酸化炭素と水素とを含む変成ガス（浸炭用混合ガス）を冷却するガス冷却器１９と、浸炭用混合ガスの組成分析を行うガス分析計２０とを備えており、生成した浸炭用混合ガスは、浸炭炉２１に供給されて浸炭用雰囲気ガスとして使用される。
前記変成炉１８には、反応温度を調節するための温度センサ２２及びヒータ２３が設けられており、原料混合ガスの組成に応じて最適な温度で触媒反応が進行するように、通常は１０００〜１１００℃の範囲、例えば１０５０℃程度に制御するようにしている。また、酸素供給源１３から供給するガスは、酸素を含有する様々なガスを使用することができ、空気を使用することもできる。さらに、二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３は、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
このように形成した浸炭用雰囲気ガス発生装置において、ジメチルエーテル供給源１１から供給されるジメチルエーテルと、酸素供給源１３から供給される酸素ガスとを、モル比２：１で混合して変成炉１８に導入し、ニッケル触媒によって変成反応させると、次式、
（ＣＨ３）２Ｏ＋０．５Ｏ２→２ＣＯ＋３Ｈ２
から、２モルの一酸化炭素と３モルの水素とが生成するので、一酸化炭素濃度４０％、水素濃度６０％の変成ガスが得られる。
また、ジメチルエーテル供給源１１から供給されるジメチルエーテルと、二酸化炭素供給源１２から供給される二酸化炭素とを、モル比１：１で混合して変成炉１８に導入し、ニッケル触媒によって変成反応させると、次式、
（ＣＨ３）２Ｏ＋ＣＯ２→３ＣＯ＋３Ｈ２
から、３モルの一酸化炭素と３モルの水素とが生成するので、一酸化炭素濃度５０％、水素濃度５０％の変成ガスが得られる。
酸素供給源１３から空気を供給し、体積比でジメチルエーテルの２．３８倍の空気と混合させて変成反応させると、２モルの一酸化炭素と３モルの水素と１．８８モルの窒素とが生成するので、一酸化炭素濃度２９％、水素濃度４４％、窒素濃度２７％の変成ガスが得られる。
なお、ジメチルエーテルに混合するガスは、酸素のみ、空気のみを使用した場合、爆発濃度範囲がそれぞれ３．９〜６１％、３．４〜２７％であるため、爆発することがない二酸化炭素を用いることが安全上望ましい。また、ジメチルエーテルに混合するガスは、二酸化炭素のみ、酸素のみ、空気のみのいずれかであってもよいが、これらの２種以上をジメチルエーテルに混合してもよく、また、変成炉１８の温度が高いときには吸熱反応の二酸化炭素を供給し、温度が低いときには発熱反応の酸素を供給するようにしてもよい。
図２は、浸炭用雰囲気ガス発生装置の第２形態例を示す系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した浸炭用雰囲気ガス発生装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。
この浸炭用雰囲気ガス発生装置は、ガス混合器１７で混合した原料混合ガスを燃焼炉３１の燃焼器３２に導入して燃焼させることにより、変成反応を進行させて前記同様の組成を有する浸炭用混合ガスを発生させるようにしている。
図３は、浸炭用雰囲気ガスを浸炭炉内で発生させる方法の一形態例を示す系統図である。この方法では、ジメチルエーテル供給源１１、二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３からそれぞれ供給され、流量調整器１４，１５，１６で流量調節されてガス混合器１７で混合した原料混合ガスを、７５０℃以上に保持された浸炭炉２１内に直接噴射し、浸炭炉２１内で原料混合ガスの変成反応を進行させることにより、前記同様の組成を有する浸炭用混合ガスを発生させるようにしている。
上記各形態例に示すように、ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、ニッケル触媒層を有する変成炉１８に導入して触媒反応させたり、燃焼炉３１で燃焼させたり、７５０℃以上に保持された浸炭炉２１内に直接噴射したりすることにより、煤の発生を抑制しながら一酸化炭素と水素とのモル比が１：１に近い組成の浸炭用混合ガスを発生させることができる。この浸炭用混合ガスを浸炭炉内での浸炭用雰囲気ガスとして使用することにより、浸炭反応速度の向上が図れ、鋼材製の部品等の迅速浸炭処理を効果的に行うことができる。
さらに、浸炭用雰囲気ガス中の一酸化炭素濃度を高めることができるので、迅速かつ安定した浸炭処理を行うことができ、例えば、孔を有する部品を浸炭処理する場合には孔の奥にまで十分に均一に浸炭することができたり、細かい部品を積み重ねてベルト搬送しながら浸炭する場合にはベルト上の部品の積み重ね厚さを増すことができたりするという効果が得られる。また、本発明方法は、簡単な装置構成で容易に実施でき、既存装置の転用も可能であるというメリットも有している。
本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法を実施するための浸炭用雰囲気ガス発生装置の第１形態例を示す系統図である。 浸炭用雰囲気ガス発生装置の第２形態例を示す系統図である。 浸炭用雰囲気ガスを浸炭炉内で発生させる方法の一形態例を示す系統図である。
符号の説明
１１…ジメチルエーテル供給源、１２…二酸化炭素供給源、１３…酸素供給源、１４，１５，１６…流量調整器、１７…ガス混合器、１８…変成炉、１９…ガス冷却器、２０…ガス分析計、２１…浸炭炉、２２…温度センサ、２３…ヒータ、３１…燃焼炉、３２…燃焼器

Claims (3)

  1. ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、ニッケル触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴とする迅速浸炭用雰囲気ガスの発生方法。
  2. ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、燃焼炉で燃焼させることによって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴とする迅速浸炭用雰囲気ガスの発生方法。
  3. ジメチルエーテルに、二酸化炭素、酸素及び空気の少なくとも１種を混合した原料混合ガスを、浸炭炉内に噴射することによって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用混合ガスを発生させることを特徴とする迅速浸炭用雰囲気ガスの発生方法。
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