JP4834490B2 - 浸炭用雰囲気ガス発生装置及び発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭用雰囲気ガスの発生装置及び発生方法に係り、詳しくは、鋼材製の部品等の浸炭処理を行う浸炭炉の雰囲気ガスとして使用される浸炭用雰囲気ガスを発生させる浸炭用雰囲気ガス発生装置及び発生方法に関する。

鋼材製の部品等の浸炭処理を行う浸炭炉の雰囲気ガスとして、一酸化炭素及び水素を含む混合ガスが用いられており、実用に応じて窒素を混合することにより、雰囲気ガス中の一酸化炭素濃度及び水素濃度を調整している。雰囲気ガス中に酸素が含まれていると、浸炭処理に悪影響を及ぼすため、混合する窒素には、酸素をほとんど含まない高純度の窒素ガスを用いる必要があり、通常は液化窒素を気化させた高純度窒素を用いるようにしている。

しかし、液化窒素は高価であり、蒸発設備等も必要であることから、液化窒素を使用せずに安価に高純度窒素を得る方法として、圧力変動吸着分離装置（ＰＳＡ装置）から得られる窒素富化ガスに、水素、一酸化炭素を高濃度で含む変成ガスを混合し、該変成ガス中の水素と窒素富化ガス中の酸素とを反応させて水とし、水分を脱水機で除去して酸素を含まないガスを得た後、このガスを熱処理炉へ熱処理炉用炉内雰囲気ガスとして送る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、変成ガスを使用した場合に比べてランニングコストは嵩むが、優れた浸炭能力を有する浸炭用雰囲気ガスを発生させる方法として、浸炭炉内にメタノールのみ、あるいは、メタノールと希釈用の窒素とを導入し、メタノールの熱分解反応によって所望の組成の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が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−１８５４５４号公報 特開２００１−１２３２２０号公報

しかし、上述の特許文献１の方法では、ＬＮＧやＬＰＧ等のパラフィン系炭化水素と空気とを混合して変成炉で触媒反応（変成反応）させることにより得た一酸化炭素と水素とを含むガスを窒素富化ガス中の酸素を除去するために使用しており、その実施例の記載から、熱処理炉へ送られる炉内雰囲気ガスの組成は、少量の一酸化炭素を含む窒素となっている。すなわち、変成炉で変成反応させて得た一酸化炭素及び水素を高濃度で含む変成ガスが無駄に消費されていることになる。

そこで本発明は、メタノールを使用して浸炭用雰囲気ガスを発生させる方法において、炉内に供給する希釈用の窒素を安価に効率よく得ることができる浸炭用雰囲気ガス発生装置及び発生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装置は、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして使用する浸炭炉と、該浸炭炉にメタノールを供給するメタノール供給源と、窒素富化ガスを供給する窒素富化ガス供給源と、該窒素富化ガス供給源から供給される窒素富化ガスと前記浸炭炉から排出される排ガスとを導入し、該排ガス中に含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成する反応器と、必要に応じて該反応器で生成した前記酸化物を除去する酸化物除去装置とを備え、前記浸炭炉と前記反応器と前記酸化物除去装置とを循環経路で連結したことを特徴としている。

前記浸炭炉へのメタノールの供給は、前記浸炭炉の前段に設けた蒸発器で前記メタノール供給源から供給される液体メタノールを気化させて酸化物除去装置から浸炭炉に供給されるガスに同伴させるようにしてもよく、あるいは、前記浸炭炉内に液体メタノールを噴霧する噴霧手段を設け、該噴霧手段により前記メタノール供給源から供給される液体メタノールを浸炭炉内に噴霧するようにしてもよい。

また、本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法は、鋼材を浸炭処理する浸炭炉から排出される排ガスと、窒素富化ガス供給源から供給される窒素富化ガスとを混合して反応器に導入し、該反応器で前記排ガス中に含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成することによってガス中から前記酸素を除去し、前記反応器で生成した酸化物を酸化物除去装置にて除去した後、該酸化物除去装置から導出したガスとメタノール供給源から供給されるメタノールとを浸炭炉に供給することを特徴としている。

本発明によれば、窒素富化ガス供給源としてのＰＳＡ装置や膜分離装置等で発生した窒素富化ガスに浸炭炉の排ガスを混合することにより、窒素富化ガス中に含まれる酸素を除去することができるので、酸素除去用に水素や変成ガス等を別途用意する必要がなく、酸素除去に要するコストを大幅に削減することができる。

図１は本発明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、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして使用する浸炭炉１１と、浸炭炉１１にメタノールを供給するメタノール供給源１２と、浸炭炉１１の前段に設けられ、メタノール供給源１２から供給される液体メタノールを気化させる蒸発器１３と、浸炭炉１１で希釈ガスとして使用する窒素ガスを得るための窒素富化ガスを供給する窒素富化ガス供給源１４と、該窒素富化ガス供給源１４から供給される窒素富化ガスと前記浸炭炉１１から導出される排ガスとを導入し、該排ガス中の一酸化炭素及び水素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成する反応器１５と、該反応器１５で生成した前記酸化物を除去する酸化物除去装置１６とを備え、浸炭炉１１と反応器１５と酸化物除去装置１６とを循環経路１７で連結している。

すなわち、浸炭炉１１と反応器１５とを接続するとともに、その途中で窒素富化ガス供給源１４から供給される窒素富化ガスが合流する排ガス循環経路１７ａと、反応器１５と酸化物除去装置１６とを接続する酸化物含有ガス経路１７ｂと、酸化物除去装置１６と浸炭炉１１とを接続し、本形態例では途中にメタノール供給源１２から供給されて合流した液体メタノールを気化させる前記蒸発器１３を備えた雰囲気ガス導入経路１７ｃとで循環経路１７を構成している。

メタノール供給源１２から液体の状態で供給されるメタノールは流量調整器１２ａで流量調節され、窒素富化ガス供給源１４から供給される窒素富化ガスは流量調整器１４ａで流量調節され、それぞれ一定流量で前記循環経路１７の所定位置に導入される。

メタノール供給源１２から供給される液体メタノールは、温度が１００〜２５０℃に設定された前記蒸発器１３で加熱されることにより雰囲気ガス導入経路１７ｃを通るガス中に気化し、該ガスに同伴されて雰囲気ガス導入経路１７ｃから浸炭炉１１に導入される。

前記浸炭炉１１は、炉内温度が８７０〜９７０℃、一般には９３０℃前後に設定されている。この浸炭炉１１には、気化したメタノールが窒素で希釈された状態で導入され、浸炭炉１１内の高温雰囲気でメタノールが分解し、一酸化炭素と水素とが生成されることにより、鋼材部品等の浸炭処理が行われる。

浸炭炉１１からは、吸引ポンプ１８に吸引され、冷却器１９により冷却された排ガスが排出される。この排ガスは、一酸化炭素，水素及び窒素を含んでいて、流量調整器２０により流量を調整しながら、窒素富化ガス供給源１４からの窒素富化ガスと混合する。

窒素富化ガス供給源１４は、例えばＰＳＡ装置であり、該窒素富化ガス供給源１４からは、数百ｐｐｍ程度の酸素を含んだ窒素富化ガスが供給され、前記排ガスと合流して前記反応器１５に導入される。反応器１５は、パラジウムや白金等の酸化触媒を充填し、温度が約２００℃に設定された触媒反応筒であって、この反応器１５を通過させることにより、前記排ガス中の一酸化炭素又は水素と、前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させ、一酸化炭素を二酸化炭素に、水素を水に変換させる。

なお、この一酸化炭素及び水素と酸素との両反応を同一条件で進行させることは困難であることから、水素を選択的に酸素と反応させるように触媒や反応温度を選択し、水素と酸素とが反応して生成した酸化物である水を反応器１５の後段に設置した酸化物除去装置１６としての脱水機で除去することが望ましい。前記反応器１５で生成した水を、前記酸化物除去装置１６で分離除去することにより、窒素ガスの露点を十分に低下させることができる。

反応器１５における反応において、水素を酸素と反応させて水とした場合、一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素となる反応は進行しにくい状態であるが、二酸化炭素が生成されても、二酸化炭素は浸炭炉内で増炭剤と反応して一酸化炭素と水素とになるから、浸炭炉１１で有効に利用することができる。

反応器１５に導入する排ガス量は、吸引ポンプ１８の下流に設置した流量調整器２０で調節される。流量調整器２０も調節量は、酸化物除去装置１６の下流に設置した酸素濃度計２１で測定した酸素濃度が、所望の酸素濃度になるようにフィードバック制御を行うことが望ましい。具体的には、酸素濃度計２１で測定した酸素濃度が所定値よりも高い場合には流量調整器２０の流量を増加させ、逆に酸素濃度が低い場合には流量調整器２０の流量を減少させる。なお、触媒の処理能力を超えない範囲であれば、ある程度過剰に一定流量で排ガスを反応器１５に導入しても問題はない。また、浸炭処理に要求されるカーボンポテンシャルが低い場合には、酸化物除去装置１６を省略することが可能である。

酸化物除去装置１６で水を除去した後のガス、すなわち、窒素、一酸化炭素及び水素の混合ガスは、蒸発器１３で気化したメタノールとともに浸炭炉１１内に導入され、熱分解反応を経て浸炭用雰囲気ガスとして用いられる。窒素富化ガス及びメタノールの各供給量は、各種条件に応じて設定できるが、例えば、メタノールを毎時３．６５Ｌ，窒素を毎時３．７ｍ^３の割合で供給することができる。

図２は本発明の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、第１形態例と同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本形態例では、第１形態例のメタノール蒸発器１３に代えて、浸炭炉１１に液体メタノールを噴霧する噴霧手段として噴霧インジェクター２２を設置している。この噴霧インジェクター２２には、メタノール供給源１２から液体メタノールが導入され、浸炭炉１１内に液体メタノールを直接噴霧するようにしている。

浸炭炉１１には、第１形態例と同様に、反応器１５で窒素富化ガス中の酸素と浸炭炉１１から導出した排ガス中の水素又は一酸化炭素とを反応させ、酸化物除去装置１６で酸化物を除去した窒素ガスが雰囲気ガス導入経路１７ｃを介して導入される。本形態例では、蒸発器を用いないことから、温度制御の必要もなく、装置を簡単な構造にすることができる。

なお、本発明は上述の各形態例に限らず、調質処理等の浸炭以外の処理において、保護雰囲気としてメタノールと窒素とを用いる場合においても適用することができる。また、短時間で浸炭が必要な場合には、運転開始時には窒素富化ガスを供給せずにメタノールのみで浸炭を行い、一定時間経過後に窒素富化ガスを供給して所望濃度に希釈するようにしてもよい。

本発明の浸炭用の雰囲気ガス発生装置の第１形態例を示す系統図である。 本発明の浸炭用の雰囲気ガス発生装置の第２形態例を示す系統図である。

符号の説明

１１…浸炭炉、１２…メタノール供給源、１２ａ…流量調整器、１３…蒸発器、１４…窒素富化ガス供給源、１４ａ…流量調整器、１５…反応器、１６…酸化物除去装置、１７…循環経路、１７ａ…排ガス循環経路、１７ｂ…酸化物含有ガス経路、１７ｃ…雰囲気ガス導入経路、１８…吸引ポンプ、１９…冷却器、２０…流量調整器、２１…酸素濃度計、２２…噴霧インジェクター

Claims (5)

1. 一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして使用する浸炭炉と、該浸炭炉にメタノールを供給するメタノール供給源と、窒素富化ガスを供給する窒素富化ガス供給源と、該窒素富化ガス供給源から供給される窒素富化ガスと前記浸炭炉から排出される排ガスとを導入し、該排ガス中に含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成する反応器とを備え、前記浸炭炉と前記反応器とを循環経路で連結したことを特徴とする浸炭用雰囲気ガス発生装置。
2. 一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして使用する浸炭炉と、該浸炭炉にメタノールを供給するメタノール供給源と、窒素富化ガスを供給する窒素富化ガス供給源と、該窒素富化ガス供給源から供給される窒素富化ガスと前記浸炭炉から排出される排ガスとを導入し、該排ガス中に含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成する反応器と、該反応器で生成した前記酸化物を除去する酸化物除去装置とを備え、前記浸炭炉と前記反応器と前記酸化物除去装置とを循環経路で連結したことを特徴とする浸炭用雰囲気ガス発生装置。
3. 前記浸炭炉の前段に、前記メタノール供給源から供給される液体メタノールを気化させる蒸発器を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の浸炭用雰囲気ガス発生装置。
4. 前記浸炭炉に、前記メタノール供給源から供給される液体メタノールを浸炭炉内に噴霧する噴霧手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の浸炭用雰囲気ガス発生装置。
5. 鋼材を浸炭処理する浸炭炉から排出される排ガスと、窒素富化ガス供給源から供給される窒素富化ガスとを混合して反応器に導入し、該反応器で前記排ガス中に含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方と前記窒素富化ガス中の酸素と反応させて酸化物を生成することによってガス中から前記酸素を除去し、前記反応器で生成した酸化物を酸化物除去装置にて除去した後、該酸化物除去装置から導出したガスとメタノール供給源から供給されるメタノールとを浸炭炉に供給することを特徴とする浸炭用雰囲気ガス発生方法。

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