JP5114303B2 - 浸炭ガス生成装置及び浸炭ガスの生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭ガス生成装置及び浸炭ガスの生成方法に関する。

自動車部品、建設機械部品等の製造に用いられる鋼材は、浸炭処理によりその表面が硬化されている。この浸炭処理は、例えば、浸炭ガス雰囲気下に浸炭を行うガス浸炭方法等により行われている。前記ガス浸炭方法では、浸炭ガス中に含まれる一酸化炭素ガスの濃度が高い濃度であるほど、浸炭処理を迅速に効率よく行うことができる。

前記浸炭ガスは、例えば、炭化水素ガスと空気との混合ガスを変成させて、浸炭ガスを得る方法や（空気添加法；例えば、特許文献１を参照）、浸炭ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度を向上させるために、炭化水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガスを変成させて、浸炭ガスを得る方法（二酸化炭素添加法；例えば、特許文献２、３を参照）等により生成されている。
しかしながら、空気添加法で得られる浸炭ガスは、一酸化炭素ガス濃度が２０〜２４％であり、浸炭処理を効率よく行うには、一酸化炭素ガス濃度が低い傾向にある。
一方、前記二酸化炭素添加法では、前記空気添加法よりも高い一酸化炭素ガス濃度の浸炭ガスを得ることができる。しかしながら、前記二酸化炭素添加法は、コストの高い二酸化炭素ガスを必要とするうえに、前記混合ガスの変成反応が吸熱反応となるため、多量のエネルギーを外部から混合ガスの変成反応系に加えることを必要とする。したがって、浸炭処理に際して、前記二酸化炭素添加法を行った場合、浸炭処理に要するランニングコストが高くなる。

これに対して、多量のエネルギーを外部から混合ガスの変成反応系に加えることを必要としない方法として、浸炭ガスの生成に際して、酸素ガスを用いる方法（例えば、特許文献４を参照）又は高酸素濃度のガスを用いる方法（例えば、特許文献５を参照）が提案されている。

特開平６−１７２９６０号公報 特開平６−２７９９８１号公報 特開２００２−３５７６３号公報 特開２０００−２５６８２４号公報 特開平１１−１１７０５８号公報

しかしながら、特許文献４及び５に記載の方法では、高酸素濃度のガス雰囲気下で変成が行われるため、変成炉内の温度が高くなり、変成炉に用いられている触媒やこの触媒が充てんされているレトルトが劣化しやすくなる。このように、特許文献４及び５に記載の方法では、当該変成炉の短寿命化を招くため、ランニングコストが増大する場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも低エネルギー消費量で、かつ低ランニングコストで、迅速な被処理物の浸炭処理を行うことができる浸炭ガスを生成することができる浸炭ガス生成装置及び浸炭ガスの生成方法を提供することを目的とする。

本発明の浸炭ガス生成装置は、空気と炭化水素ガスとから被処理物の浸炭処理に用いられる浸炭ガスを発生させる浸炭ガス生成装置であって、空気及び炭化水素ガスを混合して混合ガスを生成する混合流路と、前記混合流路の下流側に接続されており、前記混合ガスを変成させて変成ガスを生成する変成流路と、前記変成流路の下流側に接続されており、前記変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させ、浸炭ガスを生成する浸炭ガス生成流路とを備えており、前記浸炭ガス生成流路が、前記変成流路で生成された変成ガス中の窒素ガスを吸着させるべく、窒素ガスを可逆的に吸着する吸着剤が充てんされた吸着槽を有していることを特徴としている。

本発明の浸炭ガス生成装置によれば、混合流路が、空気と炭化水素ガスとを混合して、混合ガスを生成し、変成流路が、この混合ガスを変成させて変成ガスを生成し、浸炭ガス生成流路が、前記変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させることにより、変成ガス中の一酸化炭素ガス濃度を増大させる。そのため、高価な二酸化炭素ガスや、変成炉内の温度を上昇させる酸素ガスを用いなくても、高い一酸化炭素ガス濃度を有する浸炭ガスを得ることができる。したがって、本発明の浸炭ガス生成装置によれば、従来の方法よりも低エネルギー消費量で、かつ低ランニングコストで、迅速な被処理物の浸炭処理を行うことができる浸炭ガスを生成することができる。

また、本発明の浸炭ガス生成装置においては、浸炭ガス生成流路が、前記変成流路で生成された変成ガス中の窒素ガスを吸着させるべく、窒素ガスを可逆的に吸着する吸着剤が充てんされた吸着槽を有していることから、かかる浸炭ガス生成装置によれば、吸着剤が変成ガス中の窒素ガスを吸着するので、変成ガスからの窒素ガスの除去が容易になる。
また、本発明の浸炭ガス生成装置において、前記吸着槽の下流に、窒素ガスを回収する窒素ガス回収流路を設けておけば、前記吸着槽の吸着剤に吸着した窒素ガスの再利用が容易になる。

本発明の浸炭ガスの生成方法は、前述した浸炭ガス生成装置を用い、被処理物の浸炭処理に用いられる浸炭ガスを生成する方法であって、空気と炭化水素ガスとを混合して混合ガスを生成する工程と、前記混合ガスを変成させて変成ガスを生成する工程と、前記変性ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させることにより、前記変性ガス中の一酸化炭素ガス濃度を増大させて、浸炭ガスを生成する工程とを含み、窒素ガスを吸着する吸着剤と前記変成ガスとを接触させて、前記変成ガス中の窒素ガスを前記吸着剤に吸着させることにより、当該変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させることを特徴としている。

本発明の生成方法は、上述の浸炭ガス生成装置により行うことができる方法であり、前記各工程を順に行うことで、空気と炭化水素ガスとを含む混合ガスを変成させて得られた変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させ、前記変性ガス中の一酸化炭素ガス濃度を上昇させて、浸炭ガスを生成させることができる。したがって、本発明の生成方法によれば、上述の浸炭ガス生成装置と同様の作用効果が奏される。

本発明の生成方法及び浸炭ガスの生成装置によれば、従来よりも低エネルギー消費量で、かつ低ランニングコストで、迅速な被処理物の浸炭処理を行うことができる浸炭ガスを生成することができる。

〔浸炭ガス生成装置の全体構成〕
まず、添付図面を参照しつつ、本発明の浸炭ガス生成装置を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る浸炭ガス生成装置を示す流体回路図である。
図１に示すように、本実施形態の浸炭ガス生成装置１は、変成ガス生成部１０と、この変成ガス生成部１０の下流側に接続された窒素ガス除去部２０とを備えている。変成ガス生成部１０は、変成ガスを生成するものである。そして、窒素ガス除去部２０は、変成ガス生成部１０で生成された変成ガスから窒素ガスを除去するものである。

変成ガス生成部１０は、混合ガスを生成する混合流路１１と、ルーツブロワ１１０を介して混合流路１１の下流側に接続された前記混合ガスを変成させて変成ガスを生成する変成流路１２とを備えている。

混合流路１１は、原料ガスの空気を供給する空気供給源１０１と、原料ガスの炭化水素ガスであるＬＰＧを供給する第１のＬＰＧ槽１０２と、エンリッチガスであるＬＰＧを供給する第２のＬＰＧ槽１０３と、空気とＬＰＧとを混合するキャブレタ１０７とを備えている。
空気供給源１０１は、混合ガスの原料ガスである空気を供給するものである。この空気供給源１０１には、流量計１０４を介した管路Ａが接続されている。
また、第１のＬＰＧ槽１０２は、混合ガスの原料となる炭化水素ガスである液化石油ガス（ＬＰＧ）を供給するものである。第１のＬＰＧ槽１０２には、流量計１０５を介した管路Ｂが接続されている。そして、流量計１０４の下流側に接続されている管路Ａと、比例調整弁１０６の下流側に接続されている管路Ｂとは、キャブレタ１０７に接続されている。

管路Ｂの流量計１０５とキャブレタ１０７との間には、管路Ａを流れる空気の量に応じて第１のＬＰＧ槽１０２から供給されるＬＰＧの量を調整する比例調整弁１０６が設けられている。これにより、空気供給源１０１から供給された空気と第１のＬＰＧ槽１０２から供給されたＬＰＧとは、キャブレタ１０７において所定の体積割合となるように混合される。

第２のＬＰＧ槽１０３は、変成ガスのカーボンポテンシャルを増大させるエンリッチガスとして用いられるＬＰＧを供給するものである。第２のＬＰＧ槽１０３には、モータバルブ１０８とその下流に設けられた流量計１０９とを介した管路Ｄが接続されている。そして、管路Ｄの流路計１０９よりも下流側は、管路Ｃのキャブレタ１０７よりも下流側で合流している。

混合流路１１の下流側には、変成流路１２に接続されているルーツブロワ１１が接続されている。このルーツブロワ１１は、混合流路１１から導入された混合ガスを変成流路１２に設けられた変成炉１１１に送り出すように構成されている。

変成流路１２は、混合ガスを変成させる変成炉１１１と、変成炉１１１の下流側に設けられ、変成ガスを冷却するガスクーラ１１５とを備えている。
変成炉１１１は、内部にニッケル触媒が充てんされたニッケル触媒層１１３を有するレトルト１１２と、このレトルト１１２の周囲に設けられ、レトルト１１２を加熱するヒータ１１４とを有している。
変成炉１１１では、ルーツブロワ１１０から供給された混合ガスがレトルト１１２に導入されて、ヒータ１１４により加熱されたニッケル触媒層１１３を通過させることにより、混合ガス中の空気とＬＰＧとを反応させ、変成ガスを生成させる。

変成炉１１１の下流側には、変成ガスを冷却するガスクーラ１１５が接続されている。これにより、変成炉１１１から吐出された変成ガスが、ガスクーラ１１５に導入され、冷却される。
ガスクーラ１１５の下流側には、背圧を調整する背圧調整弁１１７ガスブリーダ１１８が接続されている。
ガスクーラ１１５と背圧調整弁１１７との間の管路Ｅの途中には、二酸化炭素ガス濃度を測定する赤外線ＣＯ₂分析計１１６が設けられている。赤外線ＣＯ₂分析計１１６は、この赤外線ＣＯ₂分析計１１６から出力された信号によってバルブの開閉が調節されるように、配線を介してモータバルブ１０８と接続している。これにより、変成ガス中の二酸化炭素ガスの量に応じて、変成ガスのカーボンポテンシャルを高めるべく、ＬＰＧが供給される。

背圧調整弁１１７の下流側に設けられている管路は、二手に分岐しており、一方は、余剰変成ガスの燃焼排出を行うガスブリーダ１１８に接続され、他方は、窒素ガス除去部２０に変成ガスを吐出する管路Ｆに接続されている。

変成ガス生成部１０で生成された変成ガスは、用いられる原料ガスの種類及び量に応じて変動するが、通常、一酸化炭素ガス濃度２４ｖｏｌ％、水素ガス濃度２９ｖｏｌ％、窒素ガス濃度４６ｖｏｌ％、残部が水、二酸化炭素ガス等である組成を有するものである。

なお、変成ガス生成部１０として、慣用の空気添加法に基づく変成ガス生成装置を用いることができる。

窒素ガス除去部２０は、浸炭ガス生成流路２１と、窒素ガス生成流路２２とを備えている。変成ガス生成部１０から送り出された変成ガスは、まず、浸炭ガス生成流路２１に導入される。

浸炭ガス生成流路２１は、変成ガス生成部１０の管路Ｆに接続された水分を除去する除湿器２０１と、除湿器２０１の下流に接続された不純物を活性炭に吸着させる活性炭槽２０２と、活性炭槽２０２から分岐した管路にそれぞれ接続された窒素ガスを吸着する吸着剤が充てんされている第１及び第２吸着槽２０３，２０４とを備えている。

除湿器２０１では、この除湿器２０１内に変成ガスが導入されることにより、変成ガス中の水分が除去される。除湿器２０１は、活性炭槽２０２と接続されている。
活性炭槽２０２の内部には、活性炭が充てんされている。活性炭槽２０２内に除湿後の変成ガスが導入されると、活性炭槽２０２内の活性炭が変成ガス中の不純物を吸着し除去する。活性炭槽２０２の下流側は、第１及び第２吸着槽２０３，２０４と接続されている。第１及び第２吸着槽２０３，２０４の内部には、窒素ガスを吸着する吸着剤が充てんされている。そして、変成ガスが導入される際には、第１及び第２吸着槽２０３，２０４の内部は、吸着剤が窒素ガスを吸着するに適した条件となるように維持されている。
第１及び第２吸着槽２０３，２０４では、吸着剤が活性炭槽２０２から導入された変成ガス中の窒素ガスを吸着し除去するため、変成ガスの窒素ガス濃度を低減させることに伴って、一酸化炭素ガス濃度及び水素ガス濃度を上昇させることができる。なお、これらの第１及び第２の吸着槽２０３，２０４は、交互に切り替わって窒素ガスの脱着を行うことで連続運転を可能とするものである。これにより、高い一酸化炭素ガス濃度を有する発生ガスＡ（浸炭ガス）を連続的に生成できる。
このように生成される発生ガスＡは、一酸化炭素ガス濃度３５ｖｏｌ％、水素ガス濃度４２ｖｏｌ％、窒素ガス濃度２２ｖｏｌ％、残部が水、二酸化炭素ガス等である組成を有する。

生成された発生ガスＡは、浸炭ガス生成流路２１から、被処理物が配置された所定の炉内温度に調整されている浸炭炉に供給される。そして、浸炭炉内において、被処理物に浸炭処理が施される。前記浸炭処理では、高い一酸化炭素ガス濃度を有する発生ガスＡが用いられている。そのため、前記浸炭処理によれば、従来の空気添加法により生成させた変成ガスを用いる浸炭処理に比べて、被処理物を同程度の硬度とする場合においては、処理に要する時間を短縮することができ、作業効率を向上させることができる。

窒素ガス生成流路２２は、第１及び第２吸着槽２０３，２０４それぞれの発生ガスＢの排出側一端に接続され、これら両吸着槽２０３，２０４から分離された窒素ガスを排出する管路からなる。窒素ガス生成流路２２は、浸炭ガスの生成後、吸着剤から窒素ガスを分離するに適した条件となるように当該第１及び第２吸着槽２０３，２０４が維持されることにより、窒素ガス濃度の高い発生ガスＢを生成する。
この発生ガスＢは、通常、窒素ガス濃度９９ｖｏｌ％、残部が水、二酸化炭素ガス等である組成を有する。発生ガスＢは、パージ用ガス、例えば、炉内パージや、入出口の真空パージ後の復圧に有効利用できるほか、石油系溶剤で洗浄した被洗浄物の乾燥用の不活性ガス等としても用いることができる。

なお、窒素ガス除去部２０には、圧力スイング吸着法により空気から窒素ガスを分離する窒素ガス分離装置を用いることができる。

〔浸炭ガスの生成方法の処理手順〕
つぎに、添付図面を参照しつつ、本実施形態の浸炭ガスの生成方法における処理手順を詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る浸炭ガスの生成方法の処理手順を示すフローチャートである。

本実施形態の生成方法では、まず、原料ガスを混合する（工程Ｓ１）。
原料ガスとしては、空気及び炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、特に限定されるものではなく、ＬＰＧ、メタンガス、エタンガス、プロパンガス等が挙げられる。これらの炭化水素ガスは、単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

原料ガスの混合比は、得られる浸炭ガスの用途や用いる炭化水素ガス及びエンリッチガスの種類に応じて異なるので、一概に決定されるものではない。例えば、炭化水素ガス及びエンリッチガスが、ＬＰＧである場合、ＬＰＧと空気との混合比は、通常、ＬＰＧ：空気（体積比）として、１：３〜１：５とすることができる。

つぎに、前記工程Ｓ１で得られた混合ガスに変成処理を施す（工程Ｓ２）。
変成処理は、変成炉中、混合ガスを加熱条件下、触媒に接触させることにより行われる。加熱温度は、エンリッチガスを部分燃焼させて一酸化炭素を生じさせるに十分な温度であればよく、通常、１０００〜１１００℃である。
触媒としては、特に限定されるものではなく、例えば、ニッケル触媒などが挙げられる。

つぎに、前記工程Ｓ２で得られた変成ガス中の窒素ガスを除去して、浸炭ガスを得る（工程Ｓ３）。
変成ガス中の窒素ガスの除去は、窒素ガスを吸着する吸着剤と変成ガスとを接触させ、この吸着剤に変成ガス中の窒素ガスを吸着させることにより行われる。
前記吸着剤としては、特に限定されないが、例えば、ゼオライト等が挙げられる。
前記ゼオライトを用いて、変成ガス中の窒素ガスを除去する場合、ゼオライトと変成ガスとを加圧条件下に接触させることにより、変成ガス中の窒素ガスをゼオライトに吸着させる。その後、窒素ガスを回収して再利用する場合には、窒素ガスが吸着したゼオライトを減圧条件下に維持することにより、ゼオライトから窒素ガスを脱離させればよい。

このように、前記工程Ｓ１〜Ｓ３を順に行うことによって、例えば、一酸化炭素ガス濃度２４ｖｏｌ％、水素ガス濃度２９ｖｏｌ％、窒素ガス濃度４６ｖｏｌ％、残部を水、二酸化炭素ガス等とする組成の変成ガスからは、一酸化炭素ガス濃度３０％以上の浸炭ガスを生成させることができる。

得られた生成ガスを用いて被処理物の浸炭処理を行う場合は、内部に処理物が配置されている所定の処理温度に維持された浸炭炉に前記浸炭ガスを供給し、所定の処理時間維持すればよい（工程Ｓ４）。

本発明の一実施形態に係る浸炭ガス生成装置を示す流体回路図である。 本発明の一実施形態に係る浸炭ガスの生成方法の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 浸炭ガス生成装置
１０ 変成ガス生成部
１１ 混合流路
１２ 変成流路
２０ 窒素ガス除去部
２１ 浸炭ガス生成流路
２２ 窒素ガス生成流路
１０１ 空気供給源
１０２ 第１のＬＰＧ槽
１０３ 第２のＬＰＧ槽
１０４ 流量計
１０５ 流量計
１０６ 比例調整弁
１０７ キャブレタ
１０８ モータバルブ
１０９ 流量計
１１０ ルーツブロワ
１１１ 変成炉
１１２ レトルト
１１３ ニッケル触媒層
１１４ ヒータ
１１５ ガスクーラ
１１６ 赤外線ＣＯ₂分析計
１１７ 背圧調整弁
１１８ ガスブリーダ
２０１ 除湿器
２０２ 活性炭槽
２０３ 第１吸着槽
２０４ 第２吸着槽
Ａ〜Ｆ 管路

Claims (3)

1. 空気と炭化水素ガスとから被処理物の浸炭処理に用いられる浸炭ガスを発生させる浸炭ガス生成装置であって、
   空気及び炭化水素ガスを混合して混合ガスを生成する混合流路と、
   前記混合流路の下流側に接続されており、前記混合ガスを変成させて変成ガスを生成する変成流路と、
   前記変成流路の下流側に接続されており、前記変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させ、浸炭ガスを生成する浸炭ガス生成流路と
   を備えており、
   前記浸炭ガス生成流路が、前記変成流路で生成された変成ガス中の窒素ガスを吸着させるべく、窒素ガスを可逆的に吸着する吸着剤が充てんされた吸着槽を有していることを特徴とする浸炭ガス生成装置。
2. 前記吸着槽の吸着剤に吸着した窒素ガスを回収する窒素ガス回収流路をさらに備えている請求項１に記載の浸炭ガス生成装置。
3. 請求項１または２に記載の浸炭ガス生成装置を用い、被処理物の浸炭処理に用いられる浸炭ガスを生成する方法であって、
   空気と炭化水素ガスとを混合して混合ガスを生成する工程と、
   前記混合ガスを変成させて変成ガスを生成する工程と、
   前記変性ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させることにより、前記変性ガス中の一酸化炭素ガス濃度を増大させて、浸炭ガスを生成する工程と
   を含み、
   窒素ガスを吸着する吸着剤と前記変成ガスとを接触させて、前記変成ガス中の窒素ガスを前記吸着剤に吸着させることにより、当該変成ガス中に含まれる窒素ガスの量を低減させることを特徴とする浸炭ガスの生成方法。

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