JP4934828B2

JP4934828B2 - 窒化炉および窒化処理方法

Info

Publication number: JP4934828B2
Application number: JP2006101225A
Authority: JP
Inventors: 崇櫻井; 文隆虻川; 淳高橋; 広良鈴木; 和明川崎; 昭浩永石; 拓宏野田; 健一北本; 都志春筧
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007270338A

Description

本発明は、鋼材の窒化において、アンモニアガスの分解を抑制する窒化炉およびその処理方法に関する。

窒化において、アンモニアガスの分解は窒化のポテンシャルを下げるため、所定の窒化ポテンシャルを得るためにはアンモニアガスの供給量を多くする必要がある。

この問題に関し、アンモニアガスが高温で分解することから、炉内の温度を下げ、また炉内の温度とともにヒータの表面の温度が高いことが原因であるとして、あらかじめアンモニアガスとＲＸ変成ガスを炉外において、３００〜５００℃に予熱した後、窒化ゾーンへ供給することにより、アンモニアガスの分解を抑制する方法が開示されている。また、このとき電気ヒータの電力負荷率を３４％から２６％に低下させることができ、電気ヒータの通電時間は短縮され、電気ヒータの表面温度は過熱されず、アンモニアガスの分解量が減少したことが示されている。（
）

またアンモニアの分解率を抑えるために処理温度を低温にすると、窒素の拡散速度が遅くなって硬化深さがあまり得られないことから、被処理物である鉄系材料を炉内で高周波誘導加熱により、アンモニアガスやＲＸ変成ガスの混合ガス雰囲気の温度よりも、被処理物の温度を高く加熱しながら処理する方法が開示されている。（
）

特開昭５５−２４９８８号公報特開平３−２６００４８号公報

しかしながら、上記背景技術においてはアンモニアガスの分解を抑えるために、あらかじめガスを炉外で予熱するための予熱装置が必要であること、あるいは高周波加熱用のコイルが必要であり、すなわち窒化炉本体に付帯する設備が必要となり、設備コストの上昇につながるとともに、炉をコンパクト化することが困難となる。

また、上述の電気ヒータは温度制御をヒータの電力負荷率で比較的容易に制御できるが、ガスで加熱するラジアントチューブバーナと比べると加熱コストとしてのヒータ電力が高い。しかしながら、ラジアントチューブバーナでガス加熱すると場合は、通常ＯＮ／ＯＦＦ制御されるため、表面温度のハッチングが大きく制御が困難であった。

以上、本発明は、アンモニアガスの分解を抑えアンモニアガスの使用量を低減し、設備やエネルギーコストを低減する、窒化炉およびその窒化処理方法を提供することにある。

本発明は、昇温室と均熱室と冷却室を有する窒化炉であって、窒化処理を行う前記均熱室に略円筒状のセラミックス製ラジアントチューブバーナが設けられ、該セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度が７００℃以下であっても前記均熱室内の温度を５００〜６００℃に加熱することができるように、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの直径を６０〜１４０ｍｍとし、且つ、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの前記均熱室内に位置する部分の体積を前記均熱室の内容積に対して１．０％以上とし、さらに、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの前記均熱室内に位置する部分の表面積（ｍ ^２）の数値を前記均熱室の内容積（ｍ ^３）の数値に対して０．８％以上としたことを特徴とする（請求項１）。

好適な実施の一形態として、前記均熱室の炉体の天井部および側壁が、炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けた断熱層と、前記断熱層の内側に設けたセラミックスファイバー層とによって構成される態様（請求項２）や、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナのチューブの材質がＳｉＣを主成分としたセラミックスである態様とすることもできる（請求項３）。

一方、本発明に係る窒化処理方法は、前記窒化炉を用いて行うものであって、前記均熱室にアンモニアガスとＲＸガス又は窒素ガスを導入し、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナにより雰囲気ガスを５００〜６００℃に加熱して被処理物を窒化処理する際に、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナに燃料ガスとともに供給する燃焼用空気の比率（燃焼用空気比）を１．４〜１．８の範囲にして前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの出力を比例制御またはＰＩＤ制御することにより、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度を７００℃以下に保つことを特徴とする（請求項４）。好適な実施の一形態として、前記均熱室における「バーナの燃焼量／均熱室の内容積」を３０ｋＷ／ｍ ^３以下とすることもできる（請求項５）。

本発明の窒化炉およびその処理方法によって、アンモニアガスの分解を抑え所定の窒化ポテンシャルを維持したままアンモニアガスの使用量を低減すること、付帯的な装置を最小限とすることができ、電気ヒータを使用しないエネルギーコストの低い窒化炉およびその処理方法を提供することができる。

本発明の実施の一形態に係る窒化炉について説明すると、窒化炉の炉体において、被処理物（図示しない）の搬入口から搬出口に向かって、昇温室、均熱室、冷却室、油冷却室が設けられ、それぞれの室はシャッターで仕切られ、被処理物が通過する時に開閉される。昇温室、均熱室、冷却室にはローラーハースが設けられ、被処理物を順次搬送する。油冷却室にはローラーハースは設けられておらず、被処理物を油層に浸漬するためのリフターが設置される。昇温室、均熱室、冷却室にはそれぞれ加熱用のヒータが設置されており、このうち均熱室の加熱用ヒータとしてはセラミックス製ラジアントチューブバーナが用いられ、均熱室には、室内の雰囲気を攪拌するためのファンが設けられる。また、搬入口に被処理物を投入するための入口コンベアが設けられる。

入口コンベアに載せられた被処理物は、搬入口が開けられ昇温室に移動し、搬入口が閉じられる。被処理物は昇温室で所定の温度に昇温された後、シャッターが開けられ均熱室にローラーハースにより移動し、シャッターが閉じられる。均熱室には、アンモニアガスとＲＸ変成ガスがそれぞれ均熱室に設けられたガス供給口（図示しない）から導入され、被処理物は５００〜６００℃の温度で窒化処理が実施される。

所定時間窒化処理が実施された後に、シャッターが開けられ被処理物は冷却室に移動し、シャッターが閉じられる。冷却室で所定の温度に被処理物は冷却された後、シャッターが開き、被処理物は油冷却室に移動し、シャッターが閉じられる。被処理物は、リフターによって油槽に浸漬され油冷却が実施される。油冷却が終わったあと、リフターにより油槽から被処理物が引き上げられ、搬出口が開けられ、被処理物が炉外に搬出され、搬出口が閉じられる。

アンモニアガスの解離は、その存在する雰囲気温度と炉内部材表面の触媒効果によって変化する。特に温度が７００℃以上、ニッケル・クロム等の触媒存在下ではさらに解離が進む。一般的にはラジアントチューブバーナのチューブの材質は耐熱用高合金鋼を使用するため、クロム・ニッケル等の触媒作用によるアンモニアガスの解離の促進が懸念される。本発明ではチューブの材質をセラミックス製とした。セラミックス製ラジアントチューブを使用することで材質的に触媒効果を排除した。また、セラミックスの材質は耐熱強度の高いＳｉＣが好適に用いられる。

セラミックス製ラジアントバーナは直径が６０〜１４０ｍｍであって、且つ均熱室の内容積に対し４．０％以上の体積を占めることが必要である。これは、該セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度を７００℃以下に制御しても、炉内の温度を窒化の処理温度の５００〜６００℃に加熱できるように、均熱室に暴露される部分のセラミックス製ラジアントバーチューブの占める体積を通常のものよりも大きくしたものである。
このセラミックス製ラジアントチューブバーナの体積は、均熱室の内容積に対して１．０％以上、好ましくは１．５％以上が良い。
また、セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面積（ｍ^２）（炉内に暴露されている部分）の数値は、均熱室の内容積（ｍ^３）の数値に対して０．８％以上、好ましくは１．０％以上が好ましい。両者は単位は異なるが、単位を無視して値のみを比較する。該セラミックス製ラジアントチューブが均熱室の内容量（体積）に対し前記所定の表面積以上を有することが、本発明の制御に好ましい。

図１にセラミックス製ラジアントチューブバーナの一例を示す。セラミックス製のアウターチューブ１０の中に、セラミックス製のインナーチューブ１１が設けられ、炉の雰囲気とはアウターチューブ１０が接するため、ニッケルやクロムのようなアンモニア分解に関する触媒作用を防止することができる。インナーチューブ１１の中にバーナノズル１５が設定され、バーナノズル１５に燃焼用ガス導入口１２、燃焼空気入口１４からそれぞれガスと空気１６が供給され、スパークプラグ（図示しない）による火花により点火されガスが燃焼する。燃焼済みのガスは排気出口１３から排気１７される。

また、従来ラジアントチューブバーナは加熱の効率を上げるために、高熱量のガス組成でバーナを燃焼し、それをＯＮ／ＯＦＦ制御することにより炉内温度を制御していた。これはバーナの燃焼能力ポテンシャルを生かすためには良い方法であり、通常はこの制御方法でおこなわれる。しかしながら、セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度を制御するという目的に対しては、上記方法ではセラミックス製ラジアントヒータの表面温度が大きくばらつくため困難である。したがって、比例制御またはＰＩＤ制御が好ましい。

しかしながら、従来のバーナに供給するガス組成は燃焼熱量を確保するために、燃焼用空気に対しより高い熱量を得るために最適な量の燃料ガスが混合されている。この混合ガスを用いて、例えば炉内雰囲気を所定の温度（例えば窒化温度５７０℃）に保ち、且つセラミックス製ラジアントチューブの表面を７００℃以下に保つために、前記混合ガスの供給量を変えることで、上記温度を比例制御あるいはＰＩＤ制御で制御しようと試みたが、制御不能となることが判明した。特に混合ガスが燃焼しないといった現象が発生した。
本発明者らは様々な面から検討した結果、燃焼用空気と燃料ガスとの混合が悪くなり、燃焼しない場合が生じることを見出し、前記比例制御やＰＩＤ制御が不能となることがわかった。そして、この問題を、燃焼用空気比を高くすることにより、不完全燃焼を防ぎ、前記制御が良好に実施できることを見出した。

具体的には燃焼用空気比が１．４〜１．８の範囲が好適であることがわかった。燃焼用空気が１．４より小さいと窒化の雰囲気温度とセラミックス性製チューブの表面温度を同時に制御することができない。１．４より小さいと、混合ガス量の比例制御やＰＩＤでは不完全燃焼または不燃焼が発生したりする。逆に燃焼用空気が１．８を超えると窒化の雰囲気温度が保持できにくく、実用的でない。

さらに、炉内の均熱室の内容積と燃焼量についても好適な範囲があり、「ガスの燃焼量／均熱室の内容積」について、３０ｋＷ／ｍ³以下で実施されることが好ましい。
３０ｋＷ／ｍ³以下であれば、セラミックス製ラジアントチューブの表面温度を７００℃以下とすることが容易である。好ましくは２５ｋＷ／ｍ³以下、さらに好ましくは２０ｋＷ／ｍ³以下である。

また、炉体の天井部および側壁が、炉殻層と前記炉殻層の内側に設けた断熱層と、前記断熱層の内側に設けたセラミックスファイバー層とによって構成されることが好ましい。この構成によると、炉外への放射熱量が少ないため、前記制御をするのに好適である。
次に実施例により本発明の好適な例を説明する。

セラミックス製チューブバーナとして、直径１２０ｍｍで長さ１４００ｍｍのＳｉＣ製チューブを使用した。窒化炉の均熱室として、内寸が６５０×３６０×１２７０ｍｍの容積のものを準備した。
前記セラミックス製チューブバーナの先端（表２の１４００ｍｍ）から９００ｍｍを前記均熱室内に暴露した状態で、炉内雰囲気温度を６００℃に設定して、ガスの組成を変えたものを準備し、ガスの供給量を一定にした結果を表１、表２に示す。このセラミックス製ラジアントチューブバーナの体積は、均熱室の内容積に対して約３．４％であった。また、セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面積（ｍ^２）の数値は、均熱室の内容積（ｍ^３）の数値に対して約１．１％であった。
実施例１は燃焼用空気比が１．５８のもので、炉内雰囲気を６００℃に保持したときに、セラミックス製チューブバーナの表面温度が、最も低い先端で６２２℃、最も高い先端から８００ｍｍの位置（表中６００ｍｍ）の部分が６８５℃で７００℃を下回ることができた。また、発生するＮＯｘ値は問題ないレベルであった。
これに対し、燃焼空気比がそれぞれ１．１７、１．２９の比較例１、比較例２においては、いずれも外管の表面温度がセラミックス製チューブバーナの先端を除いては７００℃を超えていた。
このときの「ガス燃焼量／均熱室の容積」は表１の通りだった。

昇温室、均熱室、冷却室を具備し、被処理物の搬送のためにローラーハースを有する窒化炉であって、冷却室に連接する油冷却室を具備し、入口コンベアーを有する炉を作製した。また、均熱室の内容積は３．２ｍ³であった。複数あるセラミックス製ラジアントチューブバーナの体積の和は、均熱室の内容積に対して約１．８％であった。また、セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面積（ｍ^２）の数値は、均熱室の内容積（ｍ^３）の数値に対して約１．４％であった。この中に昇温室、均熱室、冷却室の順に所定のワークを順次投入した。窒化する均熱室の雰囲気の温度は５７０℃に設定し、セラミックス製ラジエントバーナで燃焼させる燃焼用空気比を１．６とし、炉内の雰囲気温度を熱電対により測定し、混合ガスの供給流量を可変することによるＰＩＤ制御により、温度を制御した。このときチューブ表面温度は７００℃以下に保持された。アンモニアガスとＲＸ変成ガスは５０：５０で投入されたが、炉内の残留アンモニア量を測定すると、アンモニアの分解は数％〜１０％以内の範囲に抑えられた。

セラミックス製チューブバーナ

Claims

昇温室と均熱室と冷却室を有する窒化炉であって、窒化処理を行う前記均熱室に略円筒状のセラミックス製ラジアントチューブバーナが設けられ、該セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度が７００℃以下であっても前記均熱室内の温度を５００〜６００℃に加熱することができるように、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの直径を６０〜１４０ｍｍとし、且つ、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの前記均熱室内に位置する部分の体積を前記均熱室の内容積に対して１．０％以上とし、さらに、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの前記均熱室内に位置する部分の表面積（ｍ ^２）の数値を前記均熱室の内容積（ｍ ^３）の数値に対して０．８％以上としたことを特徴とする、窒化炉。
前記均熱室の炉体の天井部および側壁が、炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けた断熱層と、前記断熱層の内側に設けたセラミックスファイバー層とによって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化炉。
前記セラミックス製ラジアントチューブバーナのチューブの材質がＳｉＣを主成分としたセラミックスであることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化炉。
請求項１，２又は３に記載の窒化炉を用いた窒化処理方法において、前記均熱室にアンモニアガスとＲＸガス又は窒素ガスを導入し、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナにより雰囲気ガスを５００〜６００℃に加熱して被処理物を窒化処理する際に、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナに燃料ガスとともに供給する燃焼用空気の比率（燃焼用空気比）を１．４〜１．８の範囲にして前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの出力を比例制御またはＰＩＤ制御することにより、前記セラミックス製ラジアントチューブバーナの表面温度を７００℃以下に保つことを特徴とする、窒化処理方法。
前記均熱室における「バーナの燃焼量／均熱室の内容積」を３０ｋＷ／ｍ^３以下とすることを特徴とする、請求項４に記載の窒化処理方法。