JP7804530B2

JP7804530B2 - ガス浸炭処理装置

Info

Publication number: JP7804530B2
Application number: JP2022080651A
Authority: JP
Inventors: 徹木立; 元是小松; 裕太清野
Original assignee: オリエンタルエンヂニアリング株式会社
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2026-01-22
Anticipated expiration: 2042-05-17
Also published as: JP2023169507A

Description

本発明は、ガス浸炭処理装置に関する。

従来、例えば、加熱炉と、加熱炉内に滴注剤を滴下して熱分解させ、加熱炉内に一酸化炭素(CO)を含むキャリアガスを発生させるキャリアガス供給部とを備え、被処理品を加熱炉内に収容し、加熱炉内に滴注剤を滴下することで、加熱炉内の被処理品にガス浸炭処理を行うガス浸炭処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のガス浸炭処理装置では、滴注剤の単位時間あたりの滴下量は常に一定となっている。

特開２０１５－１２９３２４号公報

近年、様々な分野で、脱炭素・カーボンニュートラルへの取り組みが叫ばれており、ガス浸炭処理においても、それらに取り組くむことが迫られている。それゆえ、例えば、ガス浸炭処理において、滴注剤の単位時間あたりの滴下量を削減し、二酸化炭素(CO₂)の発生源となるキャリアガスの供給量を低減することが考えられるが、単に滴注剤の単位時間あたりの滴下量を削減してキャリアガスの供給量を低減した場合、キャリアガスが低減された分、加熱炉内に負圧が発生し、排気口から加熱炉内に外気が流入する可能性がある。そのため、加熱炉内に流入した外気によって加熱炉内で爆発が起こる可能性がある。

本発明は、ガス浸炭処理において、加熱炉内へのキャリアガスの供給量を低減しつつ、加熱炉内への外気の流入を防止できるガス浸炭処理装置を提供することを目的とする。

本発明のガス浸炭処理装置の一態様は、（ａ）被処理品を収容する加熱炉と、（ｂ）メタノールを含む滴注剤を加熱炉内に滴下して熱分解させて、加熱炉内に一酸化炭素と水素とを含むキャリアガスを発生させるキャリアガス供給部と、（ｃ）加熱炉内の水素の濃度を測定する水素センサと、（ｄ）加熱炉内の圧力を測定する圧力計と、（ｅ）加熱炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、を備え、（ｆ）キャリアガス供給部は、ガス浸炭処理における、昇温工程、均熱工程、浸炭工程、拡散工程、降温工程及び焼入工程のうちの、拡散工程～焼入工程の実行中に、浸炭工程の実行中よりも滴注剤の単位時間あたりの滴下量を低減し、（ｇ）不活性ガス供給部は、拡散工程～焼入工程の実行中に、圧力計で測定される圧力が正圧に維持され、且つ水素センサで測定される水素の濃度が、浸炭工程の実行中に水素センサで測定される水素の濃度よりも低い予め定められた第１所定値となるように、加熱炉内に供給される不活性ガスの流量を制御することを要旨とする。

本発明の一態様によれば、拡散工程～焼入工程の実行中に、滴注剤の単位時間あたりの滴下量が低減されるため、加熱炉内に供給されるキャリアガスの供給量を低減できる。また、加熱炉内の圧力が正圧に維持されるため、加熱炉内の負圧の発生を防止でき、加熱炉内に外気が流入することを防止できる。したがって、加熱炉内へのキャリアガスの供給量を低減しつつ、加熱炉内への外気の流入を防止できるガス浸炭処理装置を提供できる。

実施形態に係るガス浸炭処理装置の全体構成を示す図である。ガス浸炭処理における処理温度、カーボンポテンシャル、時間、単位時間あたりの滴注剤の滴下量、一酸化炭素の濃度、及び不活性ガスの流量を示す図である。比較例に係るガス浸炭処理装置の全体構成を示す図である。比較例のガス浸炭処理における処理温度、カーボンポテンシャル、時間、単位時間あたりの滴注剤の滴下量、一酸化炭素の濃度を示す図である。

以下に、本発明の実施形態に係るガス浸炭処理装置の一例を、図１～図４を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順序で説明する。
１.ガス浸炭処理装置の構成
２．ガス浸炭処理の実施例・比較例

〈１．ガス浸炭処理装置の構成〉
本発明の実施形態に係るガス浸炭処理装置１について説明する。図１は、実施形態に係るガス浸炭処理装置１の全体構成を示す図である。図２は、ガス浸炭処理装置１で実行されるガス浸炭処理における処理温度、カーボンポテンシャル、時間、単位時間あたりの滴注剤の滴下量、一酸化炭素の濃度、及び不活性ガスの流量を示す図である。ガス浸炭処理装置１は、図２に示すように、ガス浸炭処理として、加熱炉内で被処理品を所定温度（例えば、９３０℃）まで昇温させる昇温工程、被処理品全体が温度均一となるように所定温度を一定時間保持する均熱工程、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを高めの所定値（例えば、１．０５％）に保って、被処理品の表面に炭素を侵入させる浸炭工程、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを低めの所定値（例えば、０．８％）に保って、表面に侵入させた炭素を被処理品の内部に拡散させるとともに、表面の炭素濃度を目的の炭素濃度とする拡散工程、被処理品の温度を焼入れ温度（例えば、８５０℃）まで低下させる降温工程、及び被処理品の温度を焼入れ温度で保持して被処理品に焼入れを行う焼入工程とを行う。

図１に示すように、本実施形態に係るガス浸炭処理装置１は、加熱炉２と、キャリアガス供給部３と、不活性ガス供給部４と、エンリッチガス供給部５と、レデュースガス供給部６と、コントローラ７と、第１調節計８（広義には「一酸化炭素濃度算出部」）と、第２調節計９（広義には「流量制御部」）とを備えている。
加熱炉２は、炉内に被処理品１０を収容可能となっている。被処理品１０としては、例えば、低炭素鋼の部品が挙げられる。また、加熱炉２には、加熱炉２内の雰囲気ガスを炉外に排出する排出口が設けられており、さらに、加熱炉２内には、加熱炉２内を加熱するヒーターと、加熱炉２内の雰囲気ガスを撹拌する遠心ファン１１とが配置されている。

また、加熱炉２には、加熱炉２内の水素(H₂)の濃度を測定する水素センサ１２と、加熱炉２内の酸素(O₂)の濃度を測定する酸素センサ１３と、加熱炉２内の圧力を測定する圧力計１４と、加熱炉２内の温度を測定する温度計１５とが配置されている。水素センサ１２としては、例えば、加熱炉２内の雰囲気ガスの熱伝導度に基づいて、雰囲気ガスの水素濃度を検出する熱伝導度水素センサを採用できる。熱伝導度水素センサを用いることにより、水素濃度を連続的に測定でき、また、センサ価格が低くて済む。水素センサ１２の測定結果は、第１調節計８に出力される。また、酸素センサ１３としては、例えば、ジルコニアの両側の酸素濃度の差によって生じる起電力に基づいて、雰囲気ガスの酸素濃度を検出するジルコニア酸素センサを採用できる。酸素センサ１３の測定結果は、第２調節計９に出力される。また、圧力計１４の測定結果及び温度計１５の測定結果のそれぞれは、コントローラ７に出力される。図１では、水素センサ１２及び酸素センサ１３が加熱炉２の上部に配置され、圧力計１４が加熱炉２の側部に配置された場合を例示している。

キャリアガス供給部３は、一端が滴注剤の供給源に接続され、他端が加熱炉２内に接続されて、内部を滴注剤が流通する配管１６と、配管１６の途中に設けられた開閉弁１７及び流量計１８とを有している。滴注剤としては、例えば、メタノール(CH₃OH)を採用できる。開閉弁１７は、配管１６における滴注剤の流路の開閉のみを行い、ガス浸炭処理の実行中には、流路を開状態に維持する。また、流量計１８は、配管１６内を流通する滴注剤の流量を測定し、測定した流量が、コントローラ７からの信号が示す目標流量と一致するように滴注剤の流量を制御する。ここで、滴注剤は、加熱炉２内に滴下されるため、「滴注剤の流量」は「滴注剤の単位時間あたりの滴下量」に相当する。コントローラ７からの信号が示す目標流量は、後述するように、昇温工程～浸炭工程の実行中には、少なくとも加熱炉２内の圧力が正圧(＞０)に維持される流量である第１流量（例えば、２０００cc/h）が用いられ、拡散工程～焼入工程の実行中には、第１流量よりも少ない第２流量（例えば、１０００cc/h）が用いられる。即ち、キャリアガス供給部３は、拡散工程～焼入工程の実行中に、浸炭工程の実行中よりも滴注剤の単位時間あたりの滴下量を低減している。

そして、キャリアガス供給部３は、滴注剤(CH₃OH)を加熱炉２内に滴下して熱分解させて、加熱炉２内に一酸化炭素(CO)と水素(H₂)とを含むキャリアガスを発生させる。ここで、滴注剤の熱分解反応は、以下の（１）式に示すように進められる。
ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂……（１）
それゆえ、キャリアガスとしては、ＣＯ：３３．３％、Ｈ₂：６６．７％（ＣＯ：Ｈ₂＝１：２）の比率の一酸化炭素(CO)と水素(H₂)とを含む混合ガスが発生される。
また、拡散工程～焼入工程において、滴注剤の単位時間あたりの滴下量が低減されるため、加熱炉２内へのキャリアガス（一酸化炭素(CO)を含むガス）の供給量を低減できる。

ここで、一酸化炭素(CO)と水素(H₂)とを含むキャリアガスの発生方法としては、例えば、滴注剤を用いた滴注式と、変成ガスを用いた変成式とがある。滴注式は、本実施形態で用いられる方式である。また、変成式は、ガス源として炭化水素系ガス（例えば、プロパン(C₃H₈)）を用い、高温に保持された変成ガス発生炉内において、炭化水素系ガスを空気と反応させることで、一酸化炭素(CO)と水素(H₂)とを含むキャリアガスを発生させる方式である。変成式では、炭化水素系ガスと空気との反応は、以下の（２）に示すように進められる。
Ｃ₃Ｈ₈＋１．５Ｏ₂＋６Ｎ₂→３ＣＯ＋４Ｈ₂＋６Ｎ₂……（２）
それゆえ、キャリアガスとしては、ＣＯ：２３％、Ｈ₂：３１％、Ｎ₂：４６％の比率の混合ガスが発生される。

また、被処理品１０の表面の浸炭速度は、雰囲気ガスの炭素移行係数βに依存する。炭素移行係数βは、一酸化炭素(CO)の濃度が３０％～５０％の範囲において最大値を示す。したがって、滴注式（本実施形態の方式）は、キャリアガスに含まれる一酸化炭素(CO)の濃度が３３．３％であるため、変成式（一酸化炭素(CO)の濃度が２３％）よりも、炭素移行係数βが高く、被処理品１０の表面の浸炭速度が速い。そのため、浸炭工程（被処理品１０の表面に炭素を侵入させる工程）においては、浸炭速度の点で滴注式が有利である。
一方、被処理品１０の表面から内部への炭素の拡散速度は、温度と濃度差とに依存する。それゆえ、必ずしも一酸化炭素(CO)の濃度を３０％～５０％（炭素移行係数βが高い濃度）に保持する必要はない。そのため、本実施形態では、拡散工程以降、滴注剤の滴下量を減らすことで、加熱炉２内へのキャリアガス（一酸化炭素(CO)を含むガス）の供給量を低減するようにした。ただし、被処理品１０の表面の炭素濃度の保持のため、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度は、「０％」にせず、「０％」よりも大きい所定値（例えば、２０．０％以上２６．０％以下の範囲の数値）に保つ必要がある。

不活性ガス供給部４は、一端が不活性ガスの供給源に接続され、他端が加熱炉２内に接続されて、内部を不活性ガスが流通する配管１９と、配管１９の途中に設けられた開閉弁２０及び流量計２１とを有している。不活性ガスとしては、例えば、窒素(N₂) ガス、ヘリウム(He) ガス、アルゴン(Ar) ガスを採用できる。開閉弁２０は、配管１９における不活性ガスの流路の開閉のみを行い、昇温工程～浸炭工程の実行中には、流路を閉状態に維持し、拡散工程～焼入工程の実行中には、流路を開状態に維持する。また、流量計２１は、配管１９内を流通する不活性ガスの流量を測定し、測定した流量が、第１調節計８からの信号が示す目標流量と一致するように不活性ガスの流量を制御する。これにより、不活性ガス供給部４は、不活性ガスを加熱炉２内に供給する。第１調節計８からの信号が示す目標流量は、後述するように、水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度が、浸炭工程の実行中に水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度（６６．７％）よりも低い予め定められた第１所定値（例えば、４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値）となるように、第１調節計８で算出された不活性ガスの流量である。

また、流量計２１は、不活性ガスの流量が、コントローラ７からの信号が示す目標流量を下回らないようにする。即ち、「コントローラ７からの信号が示す目標流量」＞「第１調節計８からの信号が示す目標流量」となる場合には、コントローラ７からの信号が示す目標流量と一致するように不活性ガスの流量を制御する。コントローラ７からの信号が示す目標流量は、後述するように、圧力計１４で測定される圧力が正圧に維持されるように、コントローラ７で算出された不活性ガスの流量である。これにより、加熱炉２内の圧力が正圧に維持されるため、加熱炉２内の負圧の発生を防止でき、加熱炉２内に外気が流入することを防止できる。それゆえ、加熱炉２内に流入した外気によって加熱炉２内で爆発が起こることを防止できる。以上のように、不活性ガス供給部４は、拡散工程～焼入工程の実行中に、圧力計１４で測定される圧力が正圧に維持され、且つ水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度が、浸炭工程の実行中に水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度よりも低い第１所定値となるように、加熱炉２内に供給される不活性ガスの流量を制御している。

エンリッチガス供給部５は、一端がエンリッチガスの供給源に接続され、他端が加熱炉２内に接続されて、内部をエンリッチガスが流通する配管２２と、配管２２の途中に設けられた開閉弁２３及び流量計２４とを有している。エンリッチガスとしては、例えば、炭化水素系ガス（メタン(CH₄)、プロパン(C₃H₈)等）を採用できる。開閉弁２３は、配管２２におけるエンリッチガスの流路の開閉のみを行い、昇温工程及び均熱工程の実行中には、流路を閉状態に維持し、浸炭工程～焼入工程の実行中には、流路を開状態に維持する。また、流量計２４は、配管２２内を流通するエンリッチガスの流量を測定し、測定した流量が、第２調節計９からの信号が示す目標流量と一致するように、エンリッチガスの流量を制御する。これにより、エンリッチガス供給部５は、エンリッチガスを加熱炉２内に供給する。ここで、第２調節計９からの信号が示す目標流量は、後述するように、加熱炉２内のカーボンポテンシャルC.P.が、予め定められた第２所定値（例えば、１．０５％、０．８％）となるように、第２調節計９で算出されたエンリッチガスの流量である。

レデュースガス供給部６は、一端がレデュースガスの供給源に接続され、他端が加熱炉２内に接続されて、内部をレデュースガスが流通する配管２５と、配管２５の途中に設けられた開閉弁２６及び流量計２７とを有している。レデュースガスとしては、例えば、空気、酸素(O₂)、二酸化炭素(CO₂)等を採用できる。開閉弁２６は、配管２５におけるレデュースガスの流路の開閉のみを行い、昇温工程及び均熱工程の実行中には、流路を閉状態に維持し、浸炭工程～焼入工程の実行中には、流路を開状態に維持する。また、流量計２７は、配管２５内を流通するレデュースガスの流量を測定し、測定した流量が、第２調節計９からの信号が示す目標流量と一致するように、レデュースガスの流量を制御する。これにより、レデュースガス供給部６は、レデュースガスを加熱炉２内に供給する。ここで、第２調節計９からの信号が示す目標流量は、後述するように、加熱炉２内のカーボンポテンシャルC.P.が、予め定められた第２所定値（例えば、１．０５％、０．８％）となるように、第２調節計９で算出されたレデュースガスの流量である。

コントローラ７は、圧力計１４の測定結果に基づき、圧力計１４で測定される圧力（つまり、加熱炉２内の圧力）が正圧に維持されるように、不活性ガス供給部４から供給される不活性ガスの目標流量を算出する。目標流量は、流量計２１に出力される。コントローラ７としては、例えば、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)を採用できる。
また、コントローラ７は、温度計１５の測定結果（加熱炉２内の温度）、及び不図示のタイマー等に基づき、昇温工程～浸炭工程の実行中であるか、拡散工程～焼入工程の実行中であるかを判定する。そして、昇温工程～浸炭工程の実行中には、少なくとも加熱炉２内の圧力が正圧(＞０)に維持される流量である第１流量（例えば、１０００cc/h）を目標流量に設定し、拡散工程～焼入工程の実行中には、第１流量よりも少ない第２流量（例えば、２０００cc/h）を目標流量に設定する。目標流量は、流量計１８に出力される。

第１調節計８は、水素センサ１２の測定結果（加熱炉２内の水素(H₂)の濃度）に基づき、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度を算出する。ここで、上記（１）式に示すように、キャリアガスに含まれる一酸化炭素(CO)と水素(H₂)との比率は、常に一定（ＣＯ：Ｈ₂＝１：２）となる。それゆえ、不活性ガスを加熱炉２内に供給し、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)及び水素(H₂)の濃度が低下した場合であっても、加熱炉２内における一酸化炭素(CO)と水素(H₂)との比率（ＣＯ：Ｈ₂＝１：２）は変化しない。それゆえ、一酸化炭素(CO)の濃度としては、水素(H₂)の濃度の1/２の値を算出する。ここで、メタン(CH₄)、プロパン(C₃H₈)等のエンリッチガスは、加熱炉２内の酸素(O₂)の濃度を低減させるために導入されるが、加熱炉２内の酸素(O₂)は、１×１０^-17～１×１０^-20％の桁数であって、極めて微量である。したがって、その微量な酸素(O₂)を調整するためのエンリッチガスの必要量も微量となる。同様に、レデュースガスの必要量も微量となる。そのため、エンリッチガスやレデュースガスが供給されることによる、一酸化炭素(CO)と水素(H₂)との比率（ＣＯ：Ｈ₂）の変化量は極めて微量となるので、エンリッチガスやレデュースガスが供給されてもＣＯ：Ｈ₂が１：２を維持するものとして、一酸化炭素(CO)の濃度の計算を行うことができる。加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度の算出結果は、第２調節計９に出力される。

また、第１調節計８は、拡散工程～焼入工程の実行中には、水素センサ１２の測定結果に基づき、水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度（加熱炉２内の）が予め定められた第１所定値となるように、不活性ガス供給部４から供給される不活性ガスの目標流量を算出する。第１所定値としては、例えば、浸炭工程の実行中に水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度（６６．７％）よりも低い値を採用できる。例えば、変成式のキャリアガスにおける一酸化炭素(CO)の濃度２３％と近い濃度（２３％±α％。例えば、２０．０％以上２６．０％以下の範囲の数値）を可能とする水素(H₂)の濃度（例えば、４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値）が挙げられる。目標流量は流量計２１に出力される。

第２調節計９は、第１調節計８の算出結果（加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度）、及び酸素センサ１３の測定結果（加熱炉２内の酸素(O₂)の濃度）に基づき、加熱炉２内のカーボンポテンシャルC.P.を算出する。また、第２調節計９は、算出したカーボンポテンシャルC.P.が予め定められた第２所定値となるように、エンリッチガスの目標流量及びレデュースガスの目標流量を算出する。これらの目標値により、第２調節計９は、エンリッチガス及びレデュースガスの流量を制御する。第２所定値としては、例えば、図２に示すように、浸炭工程の実行中には、被処理品１０の表面に多くの炭素が侵入するように大きい値（例えば、１．０５％）を用い、拡散工程、降温工程及び焼入工程の実行中には、浸炭工程の実行中よりも小さい値（例えば、０．８％）を用いる。エンリッチガスの目標流量は、流量計２４に出力され、レデュースガスの目標流量は流量計２７に出力される。

ここで、拡散工程～焼入工程の実行中は、加熱炉２内に不活性ガスが供給されることにより、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度は、３３．３％よりも低くなる（例えば、２０．０％以上２６．０％以下の範囲の数値）。その際、例えば、一酸化炭素(CO)の濃度が２０．０％以上２６．０％以下の範囲の数値となるように、滴注剤の目標流量と不活性ガスの目標流量とを予め定められた所定値とし、カーボンポテンシャルC.P.の算出に用いる一酸化炭素(CO)の濃度として固定値（２０．０％以上２６．０％以下の範囲の数値）を用いる方法も考えられる。しかし、固定値を用いる方法では、拡散工程の初期において、不活性ガスの供給開始によって、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度が固定値％に安定されるまで、一酸化炭素(CO)の濃度が固定値％～３３．３％の範囲の値をとる。そのため、本実施形態では、水素センサ１２の測定結果（加熱炉２内の水素(H₂)の濃度）に基づき、加熱炉２内の実際の一酸化炭素(CO)の濃度を算出するようにした。これにより、拡散工程の初期において、実際の一酸化炭素(CO)の濃度を基に、加熱炉２内のカーボンポテンシャルC.P.を算出できる。その結果、カーボンポテンシャルC.P.をより適切に制御できる。

以上説明したように、本実施形態に係るガス浸炭処理装置１では、キャリアガス供給部３が、ガス浸炭処理における、昇温工程、均熱工程、浸炭工程、拡散工程、降温工程及び焼入工程のうちの、拡散工程～焼入工程の実行中に、浸炭工程の実行中よりも滴注剤の単位時間あたりの滴下量を低減するようにした。また、不活性ガス供給部４が、拡散工程～焼入工程の実行中に、圧力計１４で測定される圧力が正圧に維持され、且つ水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度が、浸炭工程の実行中に水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度（６６．７％）よりも低い予め定められた第１所定値（例えば、４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値）となるように、加熱炉２内に供給される不活性ガスの流量を制御するようにした。これにより、拡散工程～焼入工程の実行中に、滴注剤の単位時間あたりの滴下量が低減されるため、加熱炉２内に供給されるキャリアガスの供給量を低減できる。また、加熱炉２内の圧力が正圧に維持されるため、加熱炉２内の負圧の発生を防止でき、加熱炉２内に外気が流入することを防止できる。したがって、加熱炉２内へのキャリアガスの供給量を低減しつつ、加熱炉２内への外気の流入を防止できる。

ここで、滴注式は、変成式に比べ、キャリアガスに含まれる一酸化炭素(CO)の濃度が高いため、浸炭速度が速い。そのため、浸炭工程の時間が短くて済み、省エネ性に優れている。具体的には、滴注式のキャリアガスの使用量は、変成式のキャリアガスの使用量の１/４～１/３となる。これに加え、本実施形態では、拡散工程の実行中に、滴注剤の滴下量を減らすようにしたため、変成式に比べ、キャリアガスの使用量は１/８程になる。しかし、拡散工程において、被処理品１０の表面から内部への炭素の拡散速度は低下する。
これに対し、本実施形態に係るガス浸炭処理装置１では、拡散工程～焼入工程の実行中は、水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度が、浸炭工程の実行中に水素センサ１２で測定される水素(H₂)の濃度（６６．７％）よりも低い予め定められた第１所定値（４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値）となるように、加熱炉２内に供給される不活性ガスの流量を制御するようにした。これにより、拡散工程における、被処理品１０の表面から内部への炭素の拡散速度は、変成式と同程度となる。そのため、本実施形態に係るガス浸炭処理装置１では、拡散速度の低下によって違和感を与えることを防止できる。

なお、本実施形態では、第１所定値を４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値とする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、第１所定値の下限値、つまり、拡散工程～焼入工程の実行中の水素(H₂)の濃度の下限値は４０．０％未満としてもよく、例えば、２０．０％としてもよい。これにより、加熱炉２内へのキャリアガスの供給量をより低減できる。ただし、水素(H₂)の濃度を２０．０％とした場合、一酸化炭素(CO)の濃度が１０％となり、変成式のキャリアガスにおける一酸化炭素(CO)の濃度２３％から離れるため、変成式に比べ、被処理品１０の表面から内部への炭素の拡散速度は低下する。

また、本実施形態に係るガス浸炭処理装置１では、第１調節計８（一酸化炭素濃度算出部）が、水素センサ１２で測定した加熱炉２内の水素(H₂)の濃度に基づき、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度を算出するようにした。また、第２調節計９（流量制御部）が、第１調節計８で算出した加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度、及び酸素センサ１３で測定した加熱炉２内の酸素(O₂)の濃度に基づき、加熱炉２内のカーボンポテンシャルC.P.を算出するようにした。また、算出したカーボンポテンシャルC.P.が予め定められた第２所定値（例えば１．０５％、０．８％）となるように、エンリッチガス及びレデュースガスの流量を制御するようにした。これにより、実際の加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度を用いてカーボンポテンシャルC.P.が算出されるため、拡散工程の初期に一酸化炭素(CO)の濃度が変化するが（例えば３３．３％→２０．０％）、その変化の状態を反映させてカーボンポテンシャルC.P.を算出できる。そのため、例えば、単に固定値（例えば、２０．０％）を用いてカーボンポテンシャルC.P.を算出する方法に比べ、カーボンポテンシャルC.P.の算出精度を向上でき、カーボンポテンシャルC.P.をより適切に制御できる。

〈２．ガス浸炭処理の実施例・比較例〉
次に、ガス浸炭処理装置１を用いたガス浸炭処理の実施例・比較例について説明する。
（実施例）
まず、加熱炉２内に被処理品１０を収容した。続いて、昇温工程を実行し、ヒーターを用いて、加熱炉２内の加熱を開始し、図２に示すように、被処理品１０を９３０℃まで昇温させた。９３０℃に昇温させる加熱は、拡散工程の終了時まで継続させた。また、コントローラ７、キャリアガス供給部３を用いて、加熱炉２内に２０００cc/hの滴注剤の滴下を開始した。これにより、加熱炉２内にキャリアガスを発生させ、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度を３３．３％とした。２０００cc/hの滴注剤の滴下は、浸炭工程の終了時まで継続させた。続いて、均熱工程を実行し、被処理品１０全体が温度均一となるように、被処理品１０の温度を９３０℃に保持させた。均熱工程は、３０分間行った。続いて、浸炭工程を実行し、第１調節計８、第２調節計９、エンリッチガス供給部５及びレデュースガス供給部６を用いて、加熱炉２内へのエンリッチガス及びレデュースガスの供給を開始させた。エンリッチガス及びレデュースガスの流量は、加熱炉２内の雰囲気ガスのカーボンポテンシャルC.P.が比較的高めの値１．０５％に保持されるように制御した。これにより、被処理品１０の表面に炭素を浸入させた。浸炭工程は、７０分間行った。

続いて、拡散工程を実行し、キャリアガス供給部３による、滴注剤の滴下量を２０００cc/hから１０００cc/hに減少させた。１０００cc/hの滴注剤の滴下は、焼入工程の終了時まで継続させた。また、第１調節計８、コントローラ７及び不活性ガス供給部４を用いて、加熱炉２内への不活性ガスの供給を開始させた。不活性ガスの流量は、加熱炉２内の圧力が正圧(＞０)を維持し、且つ一酸化炭素(CO)の濃度が２０．０％となるように制御した。また、エンリッチガス供給部５及びレデュースガス供給部６による、エンリッチガス及びレデュースガスの流量を、加熱炉２内の雰囲気ガスのカーボンポテンシャルC.P.が比較的低めの値０．８％を保持するように制御した。これにより、被処理品１０の表面に侵入させた炭素を被処理品１０の内部に拡散させるとともに、表面の炭素濃度を目的の炭素濃度０．８％とさせた。０．８％のカーボンポテンシャルC.P.は、焼入工程の終了時まで継続させた。拡散工程は、５０分間行った。続いて、降温工程を実行し、ヒーターによる、被処理品１０の温度を８５０℃まで低下させた。続いて、焼入工程を実行し、被処理品１０の温度を８５０℃に保持させ、被処理品１０に焼入れを行った。焼入工程は、２０分間行った。これにより、焼入れをして硬化させた被処理品１０を得るようにした。

（比較例）
比較例では、図３に示すように、ガス浸炭処理装置１として、実施例のガス浸炭処理装置１から、不活性ガス供給部４、第１調節計８、水素センサ１２、圧力計１４を省略した装置を採用した。そして、図４に示すように、加熱炉２内への不活性ガスを供給を省略し、昇温工程～焼入工程の実行中、単位時間あたりの滴注剤の滴下量を一定値２０００cc/hとした。さらに、第２調節計９では、加熱炉２内の一酸化炭素(CO)の濃度として予め定められた一定値３３．３％を用いて、カーボンポテンシャルC.P.を算出するようにした。それ以外は、実施例と同じ条件を用いて、ガス浸炭処理を行った。

実施例及び比較例のガス浸炭処理について、加熱炉２内への外気の流入の有無、滴注剤の使用量、二酸化炭素(CO₂)の排出量を評価した。評価結果を、以下の表１に示す。二酸化炭素(CO₂)の排出量は、(1)一酸化炭素(CO)が排出時に燃焼されて二酸化炭素(CO₂)となる、(2)雰囲気ガスに含まれる一酸化炭素(CO)は９割排出されるものとして算出した。
表１に示すように、実施例によれば、比較例に比べ、加熱炉２内への外気の流入を防止でき、また、滴注剤の使用量を低減でき、二酸化炭素(CO₂)の排出量を低減できることが確認できた。具体的には、二酸化炭素(CO₂)の排出量を１９．８％下げることができた。

１…ガス浸炭処理装置、２…加熱炉、３…キャリアガス供給部、４…不活性ガス供給部、５…エンリッチガス供給部、６…レデュースガス供給部、７…コントローラ、８…第１調節計、９…第２調節計、１０…被処理品、１１…遠心ファン、１２…水素センサ、１３…酸素センサ、１４…圧力計、１５…温度計、１６…配管、１７…開閉弁、１８…流量計、１９…配管、２０…開閉弁、２１…流量計、２２…配管、２３…開閉弁、２４…流量計、２５…配管、２６…開閉弁、２７…流量計

Claims

被処理品を収容する加熱炉と、
メタノールを含む滴注剤を前記加熱炉内に滴下して熱分解させて、前記加熱炉内に一酸化炭素と水素とを含むキャリアガスを発生させるキャリアガス供給部と、
前記加熱炉内の水素の濃度を測定する水素センサと、
前記加熱炉内の圧力を測定する圧力計と、
前記加熱炉内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、を備え、
前記キャリアガス供給部は、ガス浸炭処理における、昇温工程、均熱工程、浸炭工程、拡散工程、降温工程及び焼入工程のうちの、前記拡散工程～前記焼入工程の実行中に、前記浸炭工程の実行中よりも前記滴注剤の単位時間あたりの滴下量を低減し、
前記不活性ガス供給部は、前記拡散工程～前記焼入工程の実行中に、前記圧力計で測定される圧力が正圧に維持され、且つ前記水素センサで測定される水素の濃度が、前記浸炭工程の実行中に前記水素センサで測定される水素の濃度よりも低い予め定められた第１所定値となるように、前記加熱炉内に供給される前記不活性ガスの流量を制御する
ガス浸炭処理装置。
前記不活性ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス又はアルゴンガスである
請求項１に記載のガス浸炭処理装置。
前記水素センサは、前記加熱炉の雰囲気ガスの熱伝導度に基づいて、前記雰囲気ガスの水素濃度を検出する熱伝導度水素センサである
請求項１に記載のガス浸炭処理装置。
前記第１所定値は、４０．０％以上５２．０％以下の範囲の数値である
請求項１に記載のガス浸炭処理装置。
前記加熱炉内に、前記加熱炉内のカーボンポテンシャルを上昇させるためのガスであるエンリッチガスを供給するエンリッチガス供給部と、
前記加熱炉内に、前記加熱炉内のカーボンポテンシャルを低減させるためのガスであるレデュースガスを供給するレデュースガス供給部と、
前記加熱炉内の酸素の濃度を測定する酸素センサと、
前記水素センサで測定した水素の濃度に基づき、前記加熱炉内の一酸化炭素の濃度を算出する一酸化炭素濃度算出部と、
前記酸素センサで測定した酸素の濃度、及び前記一酸化炭素濃度算出部で算出した一酸化炭素の濃度に基づき、前記加熱炉内のカーボンポテンシャルを算出し、算出したカーボンポテンシャルが予め定められた第２所定値となるように、前記加熱炉内に供給される前記エンリッチガス及び前記レデュースガスの流量を制御する流量制御部と、を備える
請求項１から４の何れか１項に記載のガス浸炭処理装置。
前記エンリッチガスは、炭化水素系ガスであり、
前記レデュースガスは、空気、酸素又は二酸化炭素である
請求項５に記載のガス浸炭処理装置。