JPS58223057A - 炉雰囲気内の炭素活量を決定するための方法と測定装置 - 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】 本発明は炉雰囲気内又はそれに類するものでの炭素活量
を決めるだめの方法ハび測定装置に関するものであシ該
装置では基準ガスに対して炉ガス内の酸素の分圧比が酸
素イオン支配固体状態セル（Ｃｅ１ｌ　）によって供給
される電位によって決定される。

ある場合、特に浸炭における鋼の熱処理では炉雰囲気の
炭素レベル（Ｃレベル又はＣポテンシャルを示す）が測
定されそして調節される。Ｃレベルは炭素の活量の一函
数、すなわち純粋相（グラファイト）に対する蒸気圧で
ある。前述の方法は炉雰囲気の活量ａｃを決めるだめに
用いられる。

露点とＣＯ２測定の旧式方法が同様に知られているよう
に、炉雰囲気のＣＯ濃′度が上記方法でも考慮されねば
ならない。というのは酸素圧力はＰ２Ｃｏ、／Ｐ２ｃｏ
比に依存するがａｃ活量はＰ２ｃｏ／Ｐｃｏ２比の函数
である。種々の方法がとの論題の解決に適用されている
。従っていわゆるキャリヤガス法では周知ＣＯ濃度を含
むキャリヤガスは浸炭ガスの添加を変える場合に炉雰囲
気のＣＯ濃度がそれ程変化しない体積で供給される。

欠点は比較的高いエネルギーとガスの消耗である。アル
コールの組合せによって炉内の一定シだＣＯ濃度を維持
する試みも知られており、そこでは交換条件として浸炭
剤の選択が限定される不具合も許容さ・れている。炉内
のＣＯ濃度は附随的な測定器械で連続的に制御され従っ
てＣレベルが正確に保持された。そのような方法の不利
な点は投資と修理に対する高いコストである。

従って本発明の目的は、附随的なエネルギー消耗がなく
簡単な手段で炭素の活量の決定が可能となる前記タイプ
の方法を提供することである。同時に、この目的が達成
される適当な測定セル（Ｃｅ１ｌ　）が提供される。

本発明は基準ガスが炉温度で炭素とブルドヮ平衡にもた
らされる炉ガスを含む上記タイプの方法を初めに含むも
のである。この方法は炭素の活量がＣＯ濃度や圧力でな
く固体状態セルと絶対温度によって供給される電位を含
む公式によって計算される。従って該新しい方法は炉内
で動作可能であシブルドワ平衡はＣＯ濃度を考慮して周
知の測定方法の不具合を避ける平衡反応雰囲気に対する
名称である。

新しい方法を実施するために酸素イオン支配材料によっ
て分離された２つの測定室と、周知の測定方法でなされ
るような各室に割シ当てられている少なくとも１つの電
極が具備されている測定設備は用いられる。新規な特徴
は炭素で充填され、炉雰囲気又は該炉雰囲気にさらされ
ている測定室と孔口を介して接続されている測定セルが
具備されていることである。一端を閉鎖し、且つ炉雰囲
気への接続口を有するストンｉＰによって開放側を密閉
する電解質管を単純な方法で該測定セルは具備する。複
数の電極はこの電解質管上の該閉鎖側の内側及び外側に
設けられる。この形はコンパクトで短かく製造され圧力
を受けない。すなわち内側そして外側共に同じ圧力を有
する。従って周知の形の測定管より破損することが実質
的に少ない。

該外側電極は電解質管を囲む保護管内で含まれてもよく
、該保護管は炉ガスの出入口又は炉ガスの強制的な導入
用の接続部を付加的に具備してもよい。電解質管のスト
ッパ内の接続口の大きさが炉ガスの拡散によって決定さ
れる時間定数が上記のように得られるように選択される
場合に構造の単純な形が得られる。もしも測定セルが保
護管によシ囲まれるならば測定室は保護管内に形成され
てもよく、該保護管に計算の目的で試験ガスの導入用附
随口が具備される。このように設計された測定装置は新
しい方法の実施を容易にさせる。

本発明に係る方法のだめの好ましい新しい測定設備を一
定時間にわたるその挙動と共に示す。

第１図は炉壁１を貫通し測定セル２５を囲む保護管２を
概略的に示す。測定セル２５は周囲に均一に分配された
パイプの３つの放射状リブ４によってはソ同心状に保持
される。保護管２内に測定室５が形成されておシ、炉外
側からの導入口６によって強制的にか又は保護管２を囲
む炉空間８内に存在する刺穿囲気と管７を介して接続さ
れる。

測定セル２５は一端を閉じ且つ炭素充填剤１８を含有す
る電解質管３を含む。ストッパ１２は肢管３の他の一端
を閉じ炉雰囲気と導通する接続口１６を有する。

下方にある管３の閉塞端９で、内部電極１０は肢管と接
触している。管の外側に電極１１が配置されておシ、該
電極１１は保護管２の隣接域で上方に伸びている。内部
電極１０は電解質管３の中央にあってストッパ１２の中
央口内へと上方に伸びておシそこで入口ライン１３と接
続されている。

該入口ライン１３は炉の外側で電極１０と１１の電位の
差を測定するために用いられる。入口ライン１３は管１
４内に配置されており、また導入口６を含む装備台１５
を通る。

好オしい実施態様によればストン・ぐ１２は２つの直径
が対向する接続口１６を有し、該接続口１６は電解質管
３内の比較室１７と、測定室５及び炉の雰囲気とを接続
させる。炭素充填剤１８は比較室１７内に配置され、０
．５９／ｃ１ｎの典型的な密度と７００　ｍ”／ｆ７の
表面を有する活性炭を好ましく有している。例えば微細
に分散された鉄の触媒がブルドワ平衡を容易に目的通シ
達成するために更に供給されてもよい。内部電極１０は
、該電極１０を圧するだめに矢印２０の方向傾管４によ
ってかけられるパネカを伝えるセラミック支持管１９内
に配置される。

好ましい実施態様において、炉空間８から測定室５内へ
の炉ガスの導入は入ロアから行なわれその径は炉空間８
とほとんどガスのスムーズな交換が可能なように選択さ
れる。従って時間定数は一秒未満になるように選択され
る。孔口１６は測定室５と比較室１７の間の拡散によっ
て行なわれる。

ガス交換の時間が炉雰囲気と、隣接する測定室５間の゛
ガスの交換時間の１／１０の時間かかるように設計され
る。試験のために、測定室５に接続具６を介して試験ガ
スが充填される。該接続具６は炉の燃焼の場合比較室１
７で炭素の消耗が多くならないようにする。これは、も
しも炭素の活量が０２のようなある所定の限界値以下に
低下するならば不活性ガスの自動的な供給によって得ら
れる。

測定設備の測定が供給口６を介して試験ガスを供給する
ことによって行なってもよい。

例えば電極板及び電極を具備し且つ炭素を充填した画室
のような他の測定セルを同様に用いることも明らかに可
能である。しかしながら上記に示したように一端が閉塞
された電解質管は測定セル２５に適用するのが容易であ
り、拡散流条件の点から好脣しい。

新しい方法ではプルドワ平衡を達成するのに十分に長い
時間内で比較設備内でガスの交換を行なうことは重要で
あり、測定誤差を小さく維持するように炉のＣＯ濃度の
時間的変化を最もわずかな低下で伝えながら、使用され
る測定セルの寿命の点で炭素の消耗を過剰にさせないこ
とも重要である。炉の１／１０の大きさのオーダーの時
間で比較設備内のガスの交換を行なって２０ないし１０
０秒の時間で最も好ましい測定値を得るのが有利である
ことが見出された。これは以下の考察に基づく。

測定セル内のガス交換は時間定数Ｋ　＝　Ｖ／Ｇ（Ｖ＝
＝体積、Ｇ＝ガス流）によって特徴づけられる。この時
間定数は部分的に反する以下のような必要性を満足しな
ければならない。

■、　プルドワ平衡は測定誤差をなくすために比較室（
ａ　ｃ　）　０．９９　）内でほとんど完全に達成され
ねばならない。これは大きな時間定数を要する。

２、浸炭雰囲気の活量がいつも１より小さいので炭素は
、ガス交換を増加させるにつれ急速に測定セル内で消耗
される。ここでまた最も長い時間定数が必要である。

３　炉内のＣＯ濃度の時間的変化を最もわずかな低下で
比較装置へ伝えることが出来るだめに短かい時間定数が
必要である。

これらの３つの必要性は上記のようにもしも比較設備内
のガスの交換のだめの時間定数が炉内の□、ン ガス交換のｌ？Ｅ’、”　１／１０になるならば有利な
状態となる。フラッシュの法則に従った浸炭炉内のＣＯ
変化の時間定数がそれ自身（酸素）を測定した値の時間
定数よりはソ２桁高いことが見出された。

該定数は化学反応の速度函数である。比較設備内のガス
の変化を弱めてもよい。

工業条件下で浸炭設備内のＣＯの時間定数の変化は概し
て２００から１０００秒の間であるので測定セル自身の
時間定数はｌＩ　Ｘ　２０から１００秒に々る。望まし
いブルドワ平衡ｉ比較設備内の炭素装入のはつきシした
急速な消耗がなくても達成される。炭素装入ははソ１０
６時間定数後半分だけ消耗され、それによって連続的な
操作でも１年を超測定結果における温度の効果はわずか
である。

炭素の活量は公式：　ａｃ　＝ｅ　Ｘ　ｐ　（２３，３
ＸＥ／Ｔ）によって計算される。この式でＥはセル電位
、ｍＶであり、Ｔは絶対温度、Ｋである。温度の効果は
従来の測定方法における場合より少ないことが理解され
る。例えば第１の工程相での浸炭の際及び高炭素鋼の中
間焼鈍で生ずるような活量ａ　Ｃ）　０．９を有する炉
雰囲気の場合、温度補償が全く省略される。温度補償は
炉測定設備によって他の全ての場合に行なわれてもよい
。

新しい測定設備の操作の態様を詳細に説明する。

この目的のための第１表において、異なったＣＯ濃度又
は圧力を有する４つの炉雰囲気での測定値が０．７５チ
のＣレベルと９２０℃の温度で比較される。活量セルの
測定信号のみは全ての雰囲気で同じ大きさである。　　
　　　　　以下余白第１表 温度　　Ｔ＝１１９３Ｋ（９２０℃） 活量　　ａｃ＝＝０．５０　　　　　　炉雰囲気應Ｃレ
ベル　　ｃ　ｐ　＝０．７５％ｃ　　　　１　　２　　
３　　４炉雰囲気圧　パール　　　　　ｉ、ｏ　　　ｔ
、ｏ　　　ｔ、ｏ　　　ｏ、ｔＣＯ体積％　　　２０．
０　１５．０　　２．０　　２．０（残部Ｎ、、）Ｈ２
体積％　　　４０．０　３５．０　　２．０　　２．０
従来　　ＣＯ体積％　　　０．１６４０．０９２１．６
刈ｏ−’　ｉ、６×ｉ。

測定　　　露点℃−４，２−９，０−５５，０−７１，
０活量　セル　Ｅａｋｔ／　ｍ　Ｖ　　　　３５５３５
−５　　３５．５　３５−５新しい測定設備は時間でＭ
３図に示された時間の挙動が得られるように設計される
。この挙動の条件は第■表に掲載されている。

以下余白 第■表 ｂ）測定室　　１０　　試験ガス　　５．５５　　　　
１．８０）セル　　　　１　測定室カス０．０２８　　
　３６．０画室８．５及び１７に２０％ＣＯを含むガス
を−４有する雰囲気／１６１（第１表参照）で初め充填
させる。

第１例・・・短時間定数によ多工程函数（Ｉｂ）に従っ
て挙動するＣＯガスを有する試験ガス（雰囲気／１６２
）で測定画室５がフラッジ−（ｆｌｕｓｌｉ　）される
。測定セル２５の変化函数（Ｉｃ）からその時間定数が
読まれ函数が試験される。その炉の温度は実際定数（Ｉ
ａ）を残す。

第■例・・・ガスの炉への供給は雰囲気１６２に変換さ
れる。炉８と測定室５内のＣＯ濃度の時間的挙動は実際
同一（Ｉ［ａ及びｆｌｂ）であり一方測定セル２５では
わずかに遅れる（ｌｉｅ）。活量ａｃ内の差のあるＣＯ
濃度によって生ずる誤差（斜線部）は（７３％）に許容
される。

第■例による雰囲気工程はアルコールと窒素ノ混合物が
用いられた時に浸炭工程で且つアルコ。

ル成分が減少する過程で生ずる。新しい測定では炉内の
ＣＯ濃度の分圧を取る必要がない。

本発明はその好ましい実施態様に基づいて記載されたが
添付特許請求の範囲に規定された発明の精神と範囲から
逸脱しないで付加、省略、置換、そして変形がなされる
ことは当業者に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は測定セルと、該測定セルを電極装置と共に囲む
保護管とを具備する新しい測定設備の概略縦断面を示し
、第２図は第１図の測定設備の線■−■断面であシ、第
３図は炉内及びその函数としての測定設備内のＣＯの濃
度変化の時間的挙動の図である。 １・・・炉壁、２・・・保護管、３・・・電解質管、４
・・・リブ、５・・・測定室、６・・・接続口、７・・
・接続口、８・・・炉空間、１０・・内部電極、１１・
・・電極、１２・・・ストッパ、１３・・・入口ライン
、１４・・・管、１６・・・接続口、１７・・・比較室
、１８・・・炭素充填剤、】９・・・セラミック管。 特許出願人 ヨーアヒム　ビュニング 特許出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　内　１）幸　男 弁理士　山　口　昭　之 Ｆｉ　ｇ、　２ ゜ＣＯ Ｆｉｇ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、゛　　炉ガス内の酸素の分圧比が酸素イオン支配固
   体状態セルによって供給された電位によって決定される
   、炉雰囲気内で炭素の活量を決める方法において基準ガ
   スが、比較室内で炉温度の炭素でブルドワ平衡にもたら
   された炉ガスを含むことを特徴とする炉雰囲気内で炭素
   の活量を決める方法。 ２、ガスの交換が比較室内で炉の１／１０の時間定数で
   行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ３、前記比較室内でのガス交換の時間定数が２０ないし
   １００秒の間になることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の方法。 ４、酸素イオン支配材料で分離されている２つの画室を
   構成する装置と、咳２つの画室のそれぞれに導通して配
   置された電極を含み前記２つの画室の１つが、炭素で充
   填されるセル内に配置され月つ炉雰囲気にさらされそれ
   によって炉の温度の炭素でブルドワ平衡にもたらされる
   １つの比較室を含むことを特徴とする炉雰囲気内で炭素
   の活量を決定するための測定装置。 ５、前記比較室が１端を閉塞した電解質管内に配置され
   、前記電解質管が、炉雰囲気と導通する接続口を有する
   ストッパで開放側が閉塞されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の測定装置。 ６、該測定室と比較室の間で拡散によって決定されるガ
   スの交換が炉内でのガスの交換の場合の１／１０の時間
   定数を有するような断面を、閉塞ストッパにおける前記
   接続口が有することを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載の測定装置。 ７、前記比較室と導通する前記の内部電極の１つがセラ
   ミック支持管内で炭素を通して中央に伸びる１つの内部
   電極を含むことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の測定装置。 ８、前記ストッパが前記内部電極と前記セラミツク管の
   通路のための中央口を有し、該内部電極が１つの接続電
   極と該ストッパの領域で接続され、外管が前記セルを囲
   むように配置され、前記接続電極が測定装置と接続する
   前記外管を通ることを特徴とする特許請求の範囲第７項
   記載の測定装置。 ９゛、前記セルが電解質管によって規定され保護管が前
   記電解質管を囲み且つ前記電極のうち他の電極を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の測定装置。 １０、前記画室のうちの１つが前記保護管によって規定
   され且つ前記保護管内の孔口を介して炉雰囲気と導通す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の測定装
   置。