JPH02195255A - 還元性雰囲気炉における炉気中のカーボンポテンシャル測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、浸炭炉や焼入炉等の還元性雰囲気炉における
炉気中のカーボンポテンシャルを、より高精度に測定す
ることのできるカーボンポテンシャル測定装置に関する
ものである。

（背景技術） 従来から、金属の化学組成や組織の変成、或いは内部応
力の除去等の目的をもって行われる金属処理の一種とし
て、還元性雰囲気での熱処理が知られている。具体的に
は、炭素を鋼材表面に浸透拡散させることによって金属
表面を硬化せしめる浸炭処理や、浸炭された鋼材に光輝
処理を施す焼なまし処理等が、それである。

そして、このような熱処理を行なうに際しては、通常、
還元性雰囲気炉が用いられることとなるが、かかる炉内
の雰囲気を調節、制御することは、目的とする処理効果
を有利に且つ安定して得るために、極めて重要なことで
あり、例えば、浸炭炉では、目的とする炭素含有量の鋼
材を安定して得るために、その炉気中のカーボンポテン
シャルの高精度な制御が要求されることとなる。

そこで、かかる浸炭炉等では、炉気中のカーボンポテン
シャルを、できるだけ高精度で連続して測定する必要が
あるのであり、そΦため、従来から、特開昭５７−１３
１６９号公報や特開昭５７−１６１６５号公報等に示さ
れている如く、炉気中の０．濃度或いはＣＯ！濃度を測
定し、その測定値を用いて、炉内雰囲気の化学平衡反応
式から炉気中のカーボンポテンシャルを算出する手法が
用いられてきている。

ところで、浸炭炉の操業方法としては、予め変成された
変成ガスを炉内に供給する変成炉式ガス浸炭方法と、有
機液剤を直接炉内に注入して熱分解させることによって
変成ガスを生成させる滴注式ガス浸炭方法とがあるが、
前者の手法に従う場合には、炉内に供給される変成ガス
（平衡ガス）“ニ対して、浸炭性を強めるために炭化水
素ガスを混合してエンリッチする必要があるために、浸
炭処理時の炉内雰囲気は平衡状態に達せず、多くのメタ
ンガス（ＣＨ，）が未分解状態で存在することとなる。

また、有機液剤を炉内に直接に注入する後者の手法にあ
っては、当然に、浸炭処理時の炉内雰囲気は平衡状態に
達しておらず、未分解のメタンガスが多量に存在するこ
ととなるのである。

すなわち、前述の如き、従来のカーボンポテンシャルの
測定手法にあっては、その測定（演算）に際して条件と
される炉内雰囲気の化学平衡状態は、浸炭操業時には存
在していないのであり、それ故、そのような手法にて得
られる測定値は、当然に、大きな誤差を内在していたの
である。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として
為されたものであって、その解決課題とするところは、
炉内雰囲気が化学平衡状態に達していない状態でも、炉
気中のカーボンポテンシャルを、高精度をもって有利に
測定することのできる、還元性雰囲気炉における炉気中
のカーボンポテンシャル測定装置を提供することにある
。

（解決手段） そして、かかる課題を解決するために、本発明にあって
は、所定の金属を熱処理する還元性雰囲気炉において、
炉気中のカーボンポテンシャルを測定する装置であって
、（ａ）前記炉気中の０２濃度及びＣＯ２濃度の何れか
一方を直接に測定する第一の検出手段と、（ｂ）前記炉
気中のＣＨａ濃度を直接に測定する第二の検出手段と、
（Ｃ）前記炉気の温度を測定する温度計測手段と、（ｄ
）前記第一の検出手段の出力値と前記温度計測手段の出
力値とに基づいて、前記炉内雰囲気が化学平衡状態にあ
るとする条件下に、前記炉気中のカーボンポテンシャル
演算値を算出する演算手段と、（ｅ）該演算手段にて算
出されたカーボンポテンシャル演算値を、該カーボンポ
テンシャル演算値と前記第二の検出手段の出力値および
前記温度計測手段の出力値との、予め求められた関係に
基づいて補正することにより、目的とする前記炉気中の
カーボンポテンシャルを求める補正手段とを、有する構
造としたことを、その特徴とするものである。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明す
ることとする。

先ず、第１図には、本発明の一実施例としてのカーボン
ポテンシャル測定装置における構成が示されている。

かかる図において、１０は、浸炭炉等の還元性雰囲気炉
の炉壁であり、該炉壁ｌＯに対し、そのセンサ部が炉内
雰囲気に接触せしめられる状態で、温度計測手段として
の熱電対１２が、取り付けられている。そして、二〇熱
電対１２によって、炉気の温度に対応した出力（温度信
号）が得られるようになっているのである。

また、かかる炉壁ｌＯ・には、チューブ状のサンプリン
グ管１４が、炉内外に貫通して配されていると共に、該
サンプリング管１４の外側開口端に対して、試料用ガス
管路１６が接続されている。

そして、かかる試料用ガス管路１６上に配されたエアー
ポンプ１８を作動させることによって、炉内ガスが、サ
ンプリング管１４を通じて、試料用ガス管路１６内に導
入せしめられるようになっている。なお、かかる試料用
ガス管路１６上には、サンプリング管１４とエアーポン
プ１８との間に位置して、フィルタ２０が設置されてい
、る。

さらに、この試料用ガス管路１６上には、第一の検出手
段としてのＣＯ８濃度計２２、第二の検出手段としての
ＣＨ，濃度計２４およびＣＯ濃度計２６が、それぞれ配
設されており、該試料用ガス管路１６を通じて排出され
る炉内ガス中のＣＯ□濃度、ＣＨ，濃度およびＣＯ濃度
を、それぞれ、測定し、それらの濃度に対応した出力＜
ＣＯｔ濃度信号、ＣＨ，濃度信号、ＣＯ濃度信号）が得
られるようになっている。

なお、これらのＣＯ８濃度計２２、ＣＨ４濃度計２４お
よびＣＯ濃度計２６としては、測定対象ガスが化学平衡
状態にないために、何れも、ガス中の濃度を直接に測定
するものであることが必要である。また本実施例では、
これら濃度計２２．２４．２６が、試料用ガス管路１６
上に直列的に配されていることから、何れも、濃度検出
に際してサンプリングガスの組成に影響を及ぼすことの
ない構造のものを用いる必要があり、例えば赤外線分析
式のものが、好適に用いられることとなる。

そして、本実施例におけるカーボンポテンシャル測定装
置にあっては、上記熱電対１２および各濃度計２２．２
４．２６からの出力信号が入力せしめられる演算装置２
８を備えており、該演算装置２８において、それらの入
力値に基づいて、サンプリングガス、即ち炉気中のカー
ボンポテンシャルが算出せしめられるようになっている
のである。

より具体的には、かかる演算装置２８は、演算手段とし
ての演算器３０と補正手段としての補正器３２とから構
成されている。そして、先ず、該演算器３０に対して、
前記熱電対１２、ｃｏｔＷＡ度計２２およびＣＯ濃度計
２６にて検出された温度信号とＣＯ！濃度信号及びＣＯ
濃度信号が、それぞれ入力せしめられ、それらの信号値
に基づいて、サンプリングガス中のカーボンポテンシャ
ルが、算出せしめられるようになっている。

すなわち、この演算器３０にて算出されるカーボンポテ
ンシャル（以下、演算ＣＰと称する）は、炉内の各反応
が平衡状態にあることを条件として、それらの平衡反応
式を連立させることによって得られる下式（１）に基づ
いて求められるものであって、特開昭５７−１３１６９
号公報等に示されている如く、従来、一般に、そのまま
炉気中のカーボンポテンシャルとみなされ、炉内雰囲気
の制御に際しての尺度として用いられていたものである
。

（Ｐｃｏ）” ＣＰ　　＝　　Ｆａｔ）　　・　　　　　　　・・・・
・・−・・−（１）Ｐｃｏ冨 但し、 ＣＰ　：カーボンポテンシャル（演算ＣＰ）Ｆａｔ＞ｉ
ガス温度によって定まる関数Ｐｃｏ　　：測定対象ガス
中のＣＯ分圧Ｐｃｏ、　　：測定対象ガス中のＣＯ，分
圧そして、更に、かかる演算器３０にて算出された演算
ＣＰが、補正器３２に導かれると共に、該補正器３２に
対して、前記熱電対１２およびＣＨ４濃度計２４にて検
出された温度信号およびＣＨ。

濃度信号が、それぞれ入力せしめられ、それらの信号値
に基づいて、上記演算ＣＰに対して補正が加えられるこ
とによって、目的とする炉気中のカーボンポテンシャル
（補正ＣＰ）が、算出せしめられるようになっている。

すなわち、上記（０式に基づいて得られる演算ＣＰにあ
っては、その前提条件となる化学平衡状態が、測定対象
ガス（炉気）中に存在しないことから、明らかに誤差を
内在しているはずであるとの考察のもとに、本発明者が
検討を加えたところ、該′演算ＣＰと、炉内に配した鋼
箔によって一実測される炉気中のカーボンポテンシャル
の真値（鋼箔分析値）との間に生ずる誤差は、炉気中の
ＣＨ。

濃度および温度に対応した略一定の関係をもって現れる
ことが、明らかとなったのである。

より具体的には、かかる演算ＣＰは、鋼箔分析値に対し
て、第２図に示されている如く、炉気中のＣＨ４濃度に
関して一次関数的な関係を示す誤差を内在することとな
り、また、図中に明示はされていないが、かかる演算Ｃ
Ｐを表す直線と鋼箔分析値との交点、即ち演算ＣＰの誤
差がＯとなる点：への位置（ＣＨ，濃度）、及び該直線
の傾き：αの大きさは、共に、炉気温度に従って変化す
ることとなる。

そして、それ故、この演算ＣＰと鋼箔分析値との間にお
ける、炉気中のＣＨａ濃度および炉気温度に関する関係
を、それぞれ、予め求めておき、かかる関係に基づいて
、補正器３２にて、該演算ＣＰに補正を加えることによ
り、上記補正ＣＰが求められるのである。

従って、このような補正器３２を備えたカーボンポテン
シャル測定装置によれば、化学平衡状態の存在を前提と
することなく、測定対象ガス中のカーボンポテンシャル
を連続的に測定することが可能となるのである。

そして、それ故、かかるカーボンポテンシャル測定装置
を浸炭炉に用いることによって、平衡状態になく、ＣＨ
，が多量に残存する炉気中のカーボンポテンシャルが、
優れた精度をもって有利に測定され得るのであり、また
得られたカーボンポテンシャル量に基づいて、炉内雰囲
気を調節することにより、炉気中のカーボンポテンシャ
ル量が有利にコントロールされ得、以て良好なる浸炭操
作が安定して実施され得ることとなるのである。

因みに、上記実施例に従う構造とされたカーボンポテン
シャル測定装置を用いて、浸炭炉の炉気中におけるカー
ボンポテンシャルを測定した場合の、演算ＣＰと鋼箔分
析値との間における、炉気中のＣＨ，濃度および炉気温
度に対する関係を測定した結果が、第３図乃至第５図に
示されている。

また、かかる測定結果から、演算ＣＰと鋼箔分析値との
関係を求めたところ、それらの間には下記（２）式で表
される関係が存在することが明らかとなった。

ＣＰ（ｔ！Ａ箔分析値）＝　演算ＣＰ （ａｚ　ｔ　十ｂｚ）　（ＣＨ４−（ａｔｚ　ｔ　＋ｂ
ｔｇ））　’−’　　（２）但し、 ｔ　　　： ＣＨ，： ａ　目　： ｂ、： ａ　Ｉｔ： ｂ、２： 炉気温度 炉気中のＣＨ，分圧 比例定数（０，００４６２５） 比例定数（−３，９３１２５”） 比例定数（０，００７５’） 比例定数（−６，３７５’） 従って、かかる浸炭炉の操業に際しては、上述の如きカ
ーボンポテンシャル測定装置を用い、その補正器３２に
おいて、演算器３０によって前記（１）式に従って算出
される演算ＣＰに対し、上記（２）式に従う補正を加え
て補正ＣＰを得るようにすることによって、炉気中のカ
ーボンポテンシャルを、有利に測定することができるの
である。

次に、第６図には、本発明の別の実施例としてのカーボ
ンポテンシャル測定装置における構成が示されている。

なお、本実施例中、前記第一の実施例と同様な構造とさ
れた部材について、図中、それぞれ、前記第一の実施例
と同一の符号を付することにより、その詳細な説明は省
略することとする。

すなわち、本実施例におけるカーボンポテンシャル測定
装置にあっては、ＣＯｔ濃度計を備えておらず、その代
わりに、浸炭炉の炉壁１０に対して、第一の検出手段と
しての酸素センサ３４が設けられ、該酸素センサ３４に
て、炉内ガス中のＯｔ分圧に対応した信号（Ｏ１濃度信
号）が得られるようになっている。

なお、この酸素センサ３４としても、測定対象ガスが化
学平衡状態にないために、ガス中の濃度を直接に測定す
るものであることが必要であり、また、特に、本実施例
では、炉内雰囲気に直接晒されるところから、優れた耐
熱性が要求されることとなる。それ故、例えば、特開昭
５５−１５９５号公報や特開昭６０−２３３５４２号公
報、オーストラリア特許第５１３５５２号公報等に開示
されている如く、ジルコニア等、酸素分圧差に基づく起
電力が生ぜしめられる固体電解質体を用いて構成された
ものが、好適に用いられることとなる。

そして、かかる酸素センサ３４にて得られた０８濃度信
号が、ｃｏ濃度信号および炉気温度信号と共に、演算器
３０に入力されるようになっており、それらの入力値に
基づいて、炉気中のカーボンポテンシャル（演算ＣＰ）
が算出せしめられるようになっているのである。

ここにおいて、該演算器３０にて算出される演゛算ＣＰ
は、前記第一の実施例のものと同様、従来、−Ｉｌｌに
、そのまま炉気中のカーボンポテンシャルとみなされ、
炉内雰囲気の制御に際しての尺度として用いられていた
ものであって、公知の手法に従い、炉内の各反応が平衡
状態にあることを条件として、それらの平衡反応式を連
立させることによって得られる下式（３）に基づいて求
められることとなる。

Ｐｃ。

ＣＰ　　　＝　　Ｆ＋ｔ＋　　・ ・・−・・・−・・−（３） （ｐｏ、）ｌ／！ 但し、 ＣＰ　：カーボンポテンシャル（演算ＣＰ）Ｆ’（？）
：ガス温度によって定まる関数Ｐｃｏ　　：測定対象ガ
ス中のＣＯ分圧Ｐｏ、　　：測定対象ガス中の０２分圧
そして、前記実施例と同様、かかる演算器３０にて算出
された演算ＣＰは、補正器３２に導かれ、該補正器３２
において、熱電対１２およびＣＨ４濃度計２４にて検出
された温度信号とＣＨ，濃度信号とに基づいて、予め求
められた関係に従う補正が加えられることによって、目
的とする炉気中のカーボンポテンシャル（補正ＣＰ）が
、算出せしめられるようになっているのである。

なお、本発明者が検討したところ、上記（３）式に従っ
て求められた演算ＣＰにあっては、第７図に示されてい
る如く、鋼箔分析値に対し、炉気中のＣＨ４濃度に関し
て一次関数的な関係を示す誤差を内在することとなり、
また、図中に明示はされていないが、かかる演算ＣＰを
表す直線と鋼箔分析値との交点、即ち演算ＣＰの誤差が
Ｏとなる点：Ｂの位置（ＣＨａ濃度）、及び該直線の傾
き：βの大きさは、共に、炉気温度に従って変化するこ
とが、明らかとなった。

すなわち、前記第一の実施例装置が、ＣＯｔ濃度とＣＯ
濃度および炉気温度によって演算ＣＰを求めていたのに
対し、本実施例装置にあっては、０３濃度とＣＯ濃度お
よび炉気温度によって演算ＣＰを求めるようにしたもの
であり、従って、このような本実施例装置にあっても、
かかる演算ＣＰに対して、ＣＨ，濃度および炉気温度に
基づく補正を加えることにより、前記第一の実施例装置
と同様な効果が、何れも有効に奏せしめられ得、炉器中
のカーボンポテンシャルを、優れた精度をもつ連続的に
測定することができるのである。

因みに、上記本実施例に従う構造とされたカーボンポテ
ンシャル測定装置を用いて、浸炭炉のカーボンポテンシ
ャルを測定した場合の、演算ＣＰと鋼箔分析値との間に
おける、炉気中のＣＨａ濃度および炉気温度に対する関
係を測定した結果が、第８図乃至第１０図に示されてい
る。

また、かかる測定結果から、演算ＣＰと鋼箔分析値との
関係を求めたところ、それらの間には下記（４）式で表
される関係が存在することが明らかとなった。

ｃＰ（ａｉｌ箔分析値）＝　演算ＣＰ （ａｔｔｔ＋ｂｚ＋）（ＣＨ４（ａｚｚｔ＋ｂｔ＊））
−（４）但し、 ：炉気温度 ＣＨ４：炉気中のＣＨ，分圧 ａ□：比例定数（０，００３６２５） ｂｌｌＦｌｌ窓数（−２，７９１２５）ａｚｚｉ比例定
数（０，００３７５） ｂ、：比例定数（−３，１２７５’） 従って、かかる浸炭炉の操業に際しては、上述の如きカ
ーボンポテンシャル測定装置を用い、その補正器３２に
おいて、演算器３０によって前記（３）式に従って算出
される演算ＣＰに対し、上記（４）式に従う補正を加え
て補正ＣＰを得るようにすることにより、炉気中のカー
ボンポテンシャルを、高精度に測定することができるの
である。

以上、本発明の実施例について詳述してきたが、これら
は文字通りの例示であって、本発明は、かかる具体例に
のみ限定して解釈されるものではない。

例えば、前記実施例にあっては、何れも、ＣＯ濃度計２
６を備えていたが、一般に、炉気中におけるＣＯ濃度の
変化は、ＣＨｓ濃度の変化に比べて小さく、特に、変成
炉式ガス浸炭方法を採用する場合には、炉気中のＣＯ濃
度は、略２４％で一定状態となることから、かかるＣＯ
濃度計２６は、必ずしも必要なものではない。

また、演算ＣＰを求める演算器３０と、該演算Ｃ′Ｐに
対して補正を加えて補正ＣＰを求める補正器３２とを、
一つの計算器によって、一体的に構成することも、勿論
可能である。

さらに、前記実施例では、予め求められた演算ＣＰと補
正ＣＰとの関係式に基づいて、補正を行なうようになっ
ていたが、そのような演算を一々行なうことなく、各炉
気温度下での鋼箔分析値と演算ＣＰおよびＣＨ，の関係
を、マトリックス的に記憶させておいて、それらの入力
値に応じて、対応する補正ＣＰを出力させるようにする
ことも可能である。

その他、−々列挙はしないが、本発明は当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様にお
いて実施され得るものであり、またそのような実施態様
が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発明の範
囲内に含まれるものであることは、言うまでもないとこ
ろである。

（発明の効果） 上述の説明から明らかなように、本発明に従うカーボン
ポテンシャル測定装置にあっては、化学平衡状態に達し
ていない、還元性雰囲気炉における炉気中のカーボンポ
テンシャルの測定を、高精度に実施することができるの
であり、特に、滴注式ガス浸炭方法によって操業される
浸炭炉等、炉気中のＣＨ，濃度が甚だしく過剰で且つ変
動が著しい場合でも、該炉気中のカーボンポテンシャル
を、有利に且つ連続して測定することが可能となるので
ある。

そして、それ故、かかる本発明に従うカーボンポテンシ
ャル測定装置を用い、測定されるカーボンポテンシャル
に基づいて、炉内雰囲気を制御することによって、炉気
中のカーボンポテンシャルが、目標値に極めて有利に維
持され得るのであり、それによって炉内雰囲気の高精度
な自動制御が実現され得ると共に、良好な且つ安定した
熱処理炉の操業が可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例たるカーボンポテンシャル
測定装置における構成を示す説明図である。また、第２
図は、かかるカーボンポテンシャル測定装置における演
算器にて算出される演算ＣＰの鋼箔分析値に対する偏差
の、炉気中のＣＨ。 濃度に関する関係を概略的に示すグラフであり、第３図
乃至第５図は、それぞれ、所定温度の炉気について、演
算ＣＰの鋼箔分析値に対する偏差の、炉気中のＣＨ４濃
度に関する関係を実際に測定した結果を示すグラフであ
る。更に、第６図は、本発明の別の実施例たるカーボン
ポテンシャル測定装置における構成を示す説明図である
。また、第７図は、かかる第６図に示されているカーボ
ンポテンシャル測定装置における演算器にて算出される
演算ＣＰの鋼箔分析値に対する偏差の、炉気中のＣＨａ
濃度に関する関係を概略的に示すグラフであり、第８図
乃至第１Ｏ図は、それぞれ、所定温度の炉気について、
演算ＣＰの鋼箔分析値に対する偏差の、炉気中のＣＨａ
濃度に関する関係を実際に測定した結果を示すグラフで
ある。 炉壁 サンプリング管 エアーポンプ ＣＨａ濃度計 演算装置 補正器 熱電対 試料用ガス管路 ＣＯｚ濃度計 ＣＯ濃度針 演算器 酸素センサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定の金属を熱処理する還元性雰囲気炉において、炉気
   中のカーボンポテンシャルを測定する装置であって、 前記炉気中のＯ＿２濃度及びＣＯ＿２濃度の何れか一方
   を直接に測定する第一の検出手段と、 前記炉気中のＣＨ＿４濃度を直接に測定する第二の検出
   手段と、 前記炉気の温度を測定する温度計測手段と、前記第一の
   検出手段の出力値と前記温度計測手段の出力値とに基づ
   いて、前記炉内雰囲気が化学平衡状態にあるとする条件
   下に、前記炉気中のカーボンポテンシャル演算値を算出
   する演算手段と、該演算手段にて算出されたカーボンポ
   テンシャル演算値を、該カーボンポテンシャル演算値と
   前記第二の検出手段の出力値および前記温度計測手段の
   出力値との、予め求められた関係に基づいて補正するこ
   とにより、目的とする前記炉気中のカーボンポテンシャ
   ルを求める補正手段とを、有していることを特徴とする
   還元性雰囲気炉における炉気中のカーボンポテンシャル
   測定装置。