JPS63319201A

JPS63319201A - 熱処理用雰囲気発生装置

Info

Publication number: JPS63319201A
Application number: JP15280687A
Authority: JP
Inventors: Koji Nakamura; 幸司中村
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-12-27
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JP2587057B2

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】［産業上の利用分野］この発明は、鋼の無脱炭焼入れ、浸炭、焼結等の熱処理
の際、カーボンコントロール用雰囲気として利用される
メタノール分解ガスを、効率良く供給する熱処理用雰囲
気発生装置に関する。

［従来の技術］従来より、熱処理時のカーボンコントロール用雰囲気と
してＣＯガスやＨ，ガスが好ましいとされており１、こ
れらのガスを得るために、（１）式のようなメタノール
分解反応が利用されている。

ＣＨ＋ＯＨ→ＣＯ＋２　Ｈ２・・・・（１）このような
メタノールの分解ガスの利用法としては、熱処理炉内に
メタノールの液体あるいは気体状物を導入し、熱処理炉
内でメタノールの分解反応を行うと同時に熱処理に供す
る方法と、熱処理炉と別にまたは熱処理炉のガス導入日
付近に分解器を設け、ここでメタノールの分解反応を行
った後発生分解ガスを熱処理炉内に導入して熱処理に供
する方法とがある。

上述のように熱処理炉内でメタノール分解を行う方法と
して、例えば、窒素ガスの噴霧物中でメタノールの霧化
が行なわれるようなインジェクターを設け、このインジ
ェクターを通して熱処理炉内に霧状メタノールを供給す
るか、あるいは、メタノールの沸点以」二に加熱された
加熱炉を設（′Ｊ１この加熱炉を通して気体状メタノー
ルを熱処理炉内に供給し、その後この熱処理炉内におい
てメタノールの分解反応を行うといった方法などが提供
されている。この方法は、熱処理炉内部の熱を、熱処理
と同時にメタノール分解にも効率良く利用するために、
メタノールを霧状あるいは気体状で分解反応の場に送り
込むことを意図している。

他方、熱処理炉とは別にまたは熱処理炉の導入口付近に
設（」た分解器内でメタノール分解を行う方法としては
、例えば、熱処理炉のメタノール滴下口付近に設ｉ′Ｊ
られた熱板と、その熱板の周囲を囲むように設けられた
多孔質の耐火物等からなる壁とで形成された分解器を設
け、この分解器内においてメタノールの分解反応を行っ
た後、生成分解カスを順次熱処理炉内に導入するといっ
た方法などが提供されている。この方法は、熱処理を十
分行うために、これに必要なメタノール分解カスのみを
外部から供給するというもので、未分解メタノールが熱
処理炉内に混入することなく、分解ガスのみを効率良く
熱処理に利用することを意図している。

しかし、」二連のいずれの方法においても、熱処理に十
分効果を発揮するメタノール分解ガスを得ろためには、
メタノールの分解反応が十分に進行するということか必
須である。

［発明が解決しようとする問題点］ところが、従来技術のうち、熱処理炉内で熱処理と同時
にメタノールの分解反応を行う方法においては、熱処理
炉内の熱を利用できるものの、熱処理炉内の雰囲気ガス
組成が不均一となり、特に未分解メタノールが直接処理
物に触れた部分においては部分的スーティングが発生す
るなどといった問題があった。また、分解反応を効率良
く進行させるために、メタノール供給時に予め霧状、あ
るいは気体状とずろ工程を経なくてはならないという不
都合もあった。さらに、メタノールの分解率が十分てな
いといった大きな問題も抱えていた。

一方、熱処理炉とは別にまたは熱処理炉の導入ロイ」近
に設けた分解器でメタノールを分解し、この生成分解ガ
スを熱処理内に供給するという方法においては、熱処理
炉内の雰囲気ガス組成が不均一になるといった不都合は
解消したものの、特に熱処理炉と別に設けた分解器の場
合において、分解器の加熱源を新たに必要とするなどの
問題か生じ、また」一連の方法と同様、メタノールの分
解率が十分得られないという重要な問題が残されていノ
こ。

この発明は、」二連の問題点を解消し、熱処理炉内の雰
囲気ガス組成を不均一化することなく、熱処理炉の熱を
利用してメタノール分解反応を行い、高分解率で生成分
解ガスを得ることができるような熱処理用雰囲気発生装
置を提供することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］この発明は、」二記問題点を解決するために、熱処理炉
内に設置してメタノールの分解反応を行う熱処理用雰囲
気発生装置の内部に、ツノ−ポンおよび／または活性炭
の充填率が０．１５（体積比）以上となるように配合し
てなる分解層を設けたことをその解決手段とする。

次に、この発明を図面に基いて説明する。

第１図は、この発明の熱処理用雰囲気発生装置の一例を
示すものである。

図中符号１は、この発明の熱処理用雰囲気発生装置であ
る。この熱処理用雰囲気発生装置１は、分解層２と、そ
の」二部に形成された高温ガス化層３、そして、さらに
その上部に設けられたメタノール導入管４とより構成さ
れる。ここで、この熱処理用雰囲気発生装置ｌは、その
外壁５を熱伝導性の良好な銅、鉄等からなる金属板で作
成したもので、この外壁５の厚さは２〜５ｍｍ程度が望
ましい。また、熱処理用雰囲気発生装置１の内容積は、
５００〜７０００　ｃｍ３程度のものが好適に使用され
る。

また、導入管４はメタノールを」二記高温ガス化層３お
よび分解層２へ送り込むためのもので、この導入管４に
は導入口が２個形成されているため、必要に応じてメタ
ノール以外にＮ７等の不活性ガスを同時に導入すること
もできる。この導入管４を通過したメタノールは、導入
管４直下に設けられた高温ガス化層３の内部に導入され
、ここでガス化され気体状となる。この高温ガス化層３
の下部は、」二部仕切り板６を隔ててその下の分解層２
と仕切られている。この」二部仕切り板６は、厚さ２〜
５ｍｍ程度の銅、鉄等からなる金属板に、１〜４ｍｍ程
度の微細孔が形成されてなるものである。

ガス化されたメタノールはこれらの微細孔を通ってその
下の分解層２へ導入される。分解層２は、耐火物７で充
填された層とカーボンあるいは活性炭８で充填された層
とからなり、この間を中段仕切り板９で仕切られている
。ここで、分解層２全体に対するカーボンあるいは活性
炭８で充填された層の比は体積比で０．１５以上である
。中段仕切り板９は、厚さ２〜５ｍｍ程度の銅、鉄等か
らなる金属板に微細孔が形成されてなるものであり、メ
タノール分子はこの微細孔を自由に通過しながら分解さ
れていく。ここで、耐火物７としては、粒径３〜６ｍｍ
程度のアルミナシリカ系、ケイ石基、クロムマグネシア
系などの耐火物粒、あるいは耐火物棒が好適に使用され
る。また、カーボンとしてはアセチレンブラック、ファ
ーネス系ブラック等が適当であり、活性炭にはヤシガラ
系等が好ましい。これらのカーボンあるいは活性炭は、
いずれも粒径２〜６ｍｍ程度のものが好適に使用される
。

この際、カーボンまたは活性炭８はメタノール分解反応
の触媒的な作用を示すものである。ここで、このカーボ
ンまたは活性炭８を充填してなる層の体積比を上記の範
囲に限定したのは、０．１５（体積比）未満であると、
メタノール分解反応を促進させる効果が充分得られない
ためである。

このように、耐火物７の充填層及びカーボンあるいは活
性炭８の充填層内でメタノール分解により発生したＣＯ
ガスやＨ、ガスは、この熱処理用雰囲気発生装置ｌの最
下部に到達する。最下部には微細孔の形成された下部仕
切り板ＩＯが設けられている。ＣＯガスやＨ、ガスは、
−この下部仕切り板ｌＯの微細孔を通過して熱処理に供
することができる。ここで、下部仕切り板１０には、厚
さ２〜５ｍｍ程度の銅、鉄等からなる金属板が使用され
、これに形成される微細孔の径は１〜４．ｍｍ程度が好
ましい。

次に、この発明の熱処理雰囲気発生装置ｌの使用法の一
例を第２図に示した。

図中符号１１は熱処理炉である。この熱処理炉１１の上
部炉壁１２に、適宜の大きさの穴を炉壁面に垂直に２個
あけ、このうち１つに炉内撹拌ファン１３、もう１つに
熱処理用雰囲気発生装置ｌを取り付ける。この際、熱処
理用雰囲気発生装置ｌは、高温ガス化層３及び分解層２
が熱処理炉ｌｌ内に、また導入管４が熱処理炉１１の外
側に配置されるように、上部炉壁１２に貫通させて固定
する。

このようにして、この熱処理用雰囲気発生装置１は鋼な
どの熱処理に際し使用されるのであるが、熱処理炉１１
内の熱をそのまま利用するため、メタノールの分解反応
は温度７２０〜１０００℃で行なわれる。また、熱処理
用雰囲気発生装置ｌ内におけるガスの平均滞留時間は０
．２５〜０．８ｓｅｃが望ましいとされる。そこで、こ
の温度及び滞留時間の条件において十分な分解率を得る
ために、次のような方法によりこの熱処理用雰囲気発生
装置１の設計を行った。

ある温度におけるメタノールの平均流儀は、次８一式（１）に従って求められる。ここで、Ｗは分解温度に
おける平均ガス流量（’ｃｍ’／　５ｅｅ）、Ｗｒは不
活性ガス流量（ａｍ’／　５ｅｅ）、ＷＭはメタノール
ガス流量（ｃｍ３７５ｅｃ）を表す。さらに、この平均
ガス流量と熱処理用雰囲気発生装置内容積とにより、ガ
スの平均滞留時間が、次式（２）に従って算出される。

ここで、ｔは平均滞留時間（ｓｅｅ）、■は熱処理用雰
囲気発生装置内容積（ｃｍ３）を現す。

Ｗ＝Ｗ！＋２ＷＭ・・・（２）を−Ｖ／Ｗ　　　・・・（３）この関係により、温度７２０〜１０００°Ｃ１平均滞留
時間０．２５〜０．８ｓｅｃとしたときの熱処理用雰囲
気発生装置内容積は、５００〜７０００　ａｍ３程度と
された。ここで、平均滞留時間を上記範囲に限定したの
は、０．２５ｓｅｃ未満であると、分解反応時間が短く
十分な分解率が得られないという不都合があり、また０
、８ｓｅｃを越えると、分解率は向上するものの、熱処
理用雰囲気発生装置内容積を大きくする必要が生じ、こ
れては既存の熱処理炉１１への取り付けが不可能になる
という不都合が生じるためである。

」一連のように１．て、この熱処理用雰囲気発生装置１
は既存の熱処理炉１１に取り付：って使用される。この
際、従来のようにメタノールを予め霧状化あるいは気体
化させておく必要がなく、熱処理炉１．１の外部から導
入管４を通じて導入された液状メタノールは、熱処理炉
ｌｌ内に設置された高温ガス化層３および分解層２にお
いて、熱処理炉１１の熱によりカス化され、分解される
。一般に熱処理温度は、」二記のように７２０〜１００
０８Ｃであるが、この熱をそのまま有効利用することが
できるので、メタノールの分解反応のための特別な加熱
源を必要としない利点がある。

また、」−述のように、使用温度や平均滞留時間等の使
用条件に合わせて、メタノールの平均流量および熱処理
用雰囲気発生装置内容積を適宜設計することも可能であ
る。

さらに、この分解層２においては、カーボンあるいは活
性炭８が分解反応に触媒的に作用し、このため分解反応
を促進する効果が得られる。すなイつち、この分解層２
　ｉＪ、カーボンあるい（」活性炭８が０１５（体積比
）以上充填されているため、温度７２０〜１０００°Ｃ
で、しかも熱処理用雰囲気発生装置１内にお（Ｊるメタ
ノールの平均滞留時間が０．２５〜０．８ｓｅｃという
比較的短い時間においても、高い分解率をもって、熱処
理に有効なＣＯガスおよびＨ、ガスを発生させることが
可能である。

ざらに、この熱処理雰囲気発生装置ｌにおいては、未分
解メタノールを熱処理炉ｌｌ内に送り込むことがないの
で、部分的スーティングが発生ずることがなく、また熱
処理炉ＩＩ内の雰囲気組成の安定を保つことも比較的容
易である。

なお、以」−の説明においては、分解層２としてカーボ
ンあるいは活性炭の層と炭化物の層とを積層したものを
示したが、これに限らず、カーボンあるいは活性炭と炭
化物とを混合したものを分解層２としてもよい。また、
この場合には、炭化物を全く用いずにカーホンあるいは
活性炭のみから分解層２を形成することもてきる。

［実施例］この発明の実施例（９例）並びに比較例（４例）を、表
１のカーボンおよび活性炭充填率（Ｉ−１ｃ）に従って
作成した。

（以下金白）これらの熱処理用雰囲気発生装置は、いずれも、その外
壁を厚さ３ｍｍ程度の鉄板で作成し、その内容積を７０
０　ａｍ３としたものである。またその内部の上部仕切
り板、中段仕切り板、及び下部仕切り板はいずれも鉄板
を利用し、２ｍｍ程度の微細孔を形成してなるものであ
る。

分解層内の耐火物の層には、耐火物粒が充填され、その
下の層にはカーボンもしくは活性炭が、表１に示した充
填比に従って充填されている。ここで、耐火物粒として
は粒径４ｍｍのアルミナシリカ系のもの、またカーボン
には粒径３’　ｍｍのアセチレンブラック、活性炭には
粒径３ｍｍのヤシガラ系のものを使用した。実施例１〜
３は上記カーボン粒を充填してなる分解層を有するもの
で、実施例４〜９は上記活性炭を充填してなる分解層を
有するものである。

これらの熱処理用雰囲気発生装置をそれぞれ既存の熱処
理炉に設置し、表１に示した温度、平均滞留時間の使用
条件で、メタノールと不活性ガスＮ、との混合物をこれ
らの熱処理用雰囲気発生装置内に導入した。

その結果、これらの熱処理用雰囲発生装置より発生した
ガスを検出し、それらの組成とメタノール分解率をそれ
ぞれ求めて、表２に示した。この際、メタノール分解率
γは、次のような方法により求めた。

γ−１−Ｃ／Ｃ，・・・・（２）ここで、γはメタノール分解率、ｃｏは熱処理用雰囲気
発生装置入口のメタノール濃度、Ｃは熱処理用雰囲気発
生装置出口のメタノール濃度である。

（以下余白）表２からも明らかなように、この発明の熱処理用雰囲気
発生装置を利用した場合は、カーボンあるいは活性炭を
充填してなる層を有しない比較例１Ｏ〜１３を用いた場
合に比べ、使用温度が７２０〜１０００°Ｃの範囲内の
どの温度においても、同じ温度条件であれば、高分解率
でメタノール分解反応が進行するということがわかった
。例えば、実施例１と比較例１１はいずれも使用温度９
００℃、メタノールの滞留時間０．５０ｓｅｃの場合で
あるが、カーボン無充填の比較例＋１を使用した時のメ
タノール分解率γが０．７．７（体積比）であったのに
対し、カーボン充填率Ｈｃが０４（体積比）の分解層を
持つ実施例１を使用した場合には、０゜９７（体積比）
という高いメタノール分解率γが得られた。同様に、使
用温度が８８０°Ｃのときは実施例２と比較例１２との
比較において、また８５０°Ｃのときは実施例３と比較
例１３との比較において、カーボン充填分解層を持つ実
施例の方か、無充填の比較例よりも高分解率が得られる
ことが明らかになった。特に、８５０°Ｃの条件におい
ては、カーボン無充填の比較例１３ては得られたメタノ
ール分解率γが０３７（体積比）と極めて低かったのに
対し、カーボンを０．４の体積比で充填した層を持つ実
施例３ではメタノール分解率γを０．７８（体積比）ま
て向上させることができた。

また、表２から、実施例、比較例いずれの熱処理用雰囲
気発生装置を利用した場合においても、使用温度が高い
場合の方が高いメタノール分解率が得られることも明ら
かである。

次に、実施例４〜９はカーボンの代わりに活性炭を充填
してなる分解層を有する熱処理用雰囲気発生装置である
が、これらの使用温度はいずれも実施例１〜３のカーボ
ン充填分解層を持つ熱処理用雰囲気発生装置を使用した
場合の使用温度より低温であったにもかかわらず、同程
度の高分解率が得られている。

また、活性炭充填率Ｈｃが０４（体積比）の実施例６と
活性炭充填率Ｈｃが０８（体積比）の実施例７とを比較
すると、活性炭充填率Ｔ−Ｔ　ｃの高い場合の方が、よ
り高いメタノール分解率γを得ることができる。このこ
とは、実施例８と実施例９との比較においても同様であ
る。、次に、前述した例とは異なる実施例（８例）および比較
例（１例）を表３の条件に従って作成した。

次いで、これらの熱処理用雰囲気発生装置を既存の熱処
理炉に取り付けて、表３に示したそれぞれの条件に従っ
て使用した。

（以下余白）実施例１４〜１６の熱処理用雰囲気発生装置は、カーボ
ン充填分解層を有するもので、他方実施例１７〜２１の
熱処理用雰囲気発生装置は、活性炭充填分解層を有する
ものであり、また、比較例２２は、カーボンも活性炭も
無充填の耐火物のみからなる分解層を持つものである。

これらの熱処理用雰囲気発生装置にメタノールを導入し
た際、導入前のメタノール濃度Ｃ８に対する分解後のメ
タノール濃度Ｃの比Ｃ／　ＣＯを求め、メタノールの平
均滞留時間Ｅを変化させた時のＣ／Ｃｏを第３図及び第
４図に示した。ここで、メタノールの分解率γは、１Ｃ
／　ＣＯで表される数値であるから、第３図および第４
図においては、図の下側程メタノール分解率が高いと見
なすことができる。

第３図は、実施例１４〜１６及び比較例２２を示し、使
用温度９００℃においてカーボン充填率Ｔ−１ｃを変化
させた場合の平均滞留時間りとメタノール分解率γの関
係を調べたらのである。

第３図より、平均滞留時間もが　０．２５ｓｅｃ以」−
では、カーホン充填率Ｉ］Ｃが０、すなわち耐火物のみ
を充填した分解層を有する比較例２２に比べ、カーボン
充填率１］ｃをＯＩ５（体積比、実施例１４）、０．４
０（体積比、実施例＋５）、ｏ８０（体積比、実施例］
６）と増加するにつれ、メタノール分解率γを高める効
果も増大することがわかる。

次に、第４図はカーボンの代わりに活性炭を用い、その
充填率１（ｃが０．４（体積比）となるように作成した
熱処理用雰囲気発生装置を使用した場合の、平均滞留時
間ｔとメタノール分解率γの関係を調べたものである。

第４図より、活性炭無充填の比較例２２は、使用温度９
００°Ｃであってもメタノール分解率γは低いが、同じ
９００°Ｃという使用温度でも、実施例１７は活性炭充
填率Ｈｃを０．４（体積比）にしたことにより、急激に
そのメタノール分解率γが向」−することは明らかであ
り、平均滞留時間が０゜３３ｓｅｃ程度でも０．９９９
（体積比）近くのメタノール分解率γを得ることが可能
である。また、使用温度を９００℃以下にした場合にお
いても、２２一実施例１８〜２１は、活性炭充填率Ｈｃを０．４にした
ことにより、活性炭充填率１−（ｃが０で使用温度が９
００℃の比較例２２よりし、そのメタノール分解率γは
高い。

［発明の効果］以」−説明したように、この発明の熱処理用雰囲気発生
装置は、カーボンあるいは活性炭を０１５（体積比）以
−Ｌ充填してなる分解層を有するため、高い分解率て熱
処理に有効なｃｏガスやＩ（２カスを発生させることか
可能である。このことは、カーボンあるいは活性炭がメ
タノール分解反応に触媒的に作用するためであって、特
に、使用温度７２０−１０００°Ｃ１平均滞留時間０．
２５−０８　ｓｅｃという比較的短い時間においても、
充分その効果を発揮する。

さらに、使用温度や平均滞留時間等の使用条件に合わせ
て、メタノールの平均流量および熱処理用雰囲気発生装
置内容積を適宜設計することも可能である。

また、メタノールの導入に際しては、メタノ−ルを予め
霧状化あるいは気化させておく必要がなく、熱処理用雰
囲気発生装置内でガス化され、次いで分解される。ここ
で、この熱処理用雰囲気発生装置は、既存の熱処理炉内
に取り付けて使用されるため、熱処理炉の熱をそのまま
有効利用することができ、メタノール分解反応のための
特別な加熱源を必要としない利点もある。

そのうえ、この熱処理用雰囲気発生装置においては、未
分解メタノールを熱処理炉内に送り込むことがなく、ま
た熱処理炉内の雰囲気組成の安定を保つことも比較的容
易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の熱処理用雰囲気発生装置の一例を
示す概略断面図であり、第２図は、この熱処理用雰囲気
発生装置の使用法の一例を示す概略断面図である。また
、第３図、第４図は、それぞれ、カーボン、活性炭を充
填した層を持つ熱処理用雰囲気発生装置を使用した場合
に、メタノール分解率が向上する効果を示したグラフで
ある。１・・・熱処理用雰囲気発生装置２・・・分解層７・・・耐火物

Claims

【特許請求の範囲】

カーボンおよび／または活性炭を充填率０．１５（体積
比）以上含有する分解層を設け、これにメタノールまた
はメタノールと不活性ガスとの混合物を導入せしめて、
熱処理用雰囲気として使用されるメタノール分解ガスを
発生させることを特徴とする熱処理用雰囲気発生装置。