KR100247096B1 - 금속의 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소량의 산소를 함유하는 질소가 풍부한 기체를 예열하는, 열처리 대기의 형성 방법에 관한 것이다. 탄화수소 기체와 같은 산소-반응성 기체를 질소가 풍부한 기체와 혼합하고, 이 혼합물을 그 보다 높은 온도에서 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 온도에서 노(furnace)의 외부에서 반응시킨다. 그 다음, 생성된 열처리 대기를 노로 보내어 열처리 공정을 수행한다.

Description

금속의 열처리 방법

본 발명은 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 예열 온도에서 노(furnace)의 외부에서 열처리 대기를 형성하는, 금속을 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 질소가 풍부한 기체를 예열하고, 예열 온도에 도달한 후에만 예열된 질소가 풍부한 기체를 산소 반응성 기체와 혼합시켜 노의 외부에서 열처리 대기를 형성시킨다. 선택적인 열처리 대기를 생성시킨 후, 미리 선택한 비-탈탄능(non-decarburizing), 환원능, 비산화능 또는 불활성화능을 갖는 노로 전달할 수 있다.

질소를 기제로 한 열처리 대기는 금속의 열처리에 사용하는 것으로 널리 공지되어 있다. 이러한 대기는 한때는 초저온 기술에 의해 생성된 질소 및 탄화수소 및/또는 수소를 혼합함으로써 일반적으로 생성되었지만, 더 최근에는 질소의 비초저온 기술적(non-cryogenic) 공급원이 사용되고 있다. 특히, 압력 가변식 흡착(pressure swing adsorption) 및 막 분리와 같은 비초저온 기술적 공기 분리 기법은 비교적 소량(즉, 전형적으로 10용적% 미만)의 산소 기체를 함유하는 질소가 풍부한 기체를 생성시킬 수 있었다. 비초저온 기술에 의해 생성된 질소 및 탄화수소 및/또는 수소를 사용하는데 있어서, 질소가 풍부한 기체중의 산소가 수소 또는 탄화수소와 반응하여 산소를 물, 이산화탄소 및/또는 일산화탄소로 전환시켰다.

열처리 대기의 형성은 출발 기체들을 실온에서 혼합시킨 다음, 이 혼합물을 전형적으로 600℃를 초과하는 온도, 더 전형적으로는 1200℃ 이하로 가열된 노에 주입하여 수행하였다. 이러한 공정에 따라, 열처리 대기는 노 반응 온도에서 노내부에서 동일 반응계 내에서 형성된다.

더 최근에는, 비초저온 기술에 의해 생성된 질소가 풍부한 기체를 200 내지 400℃로 예열시킨 다음, 탄화수소 기체와 혼합하는 열처리 공정이 개시되었다. 생성된 혼합물을 촉매 반응기로 보내어 질소가 풍부한 기체중의 산소를 수소, 일산화 탄소, 수분 및 이산화탄소의 혼합물로 전환시킨다. 질소, 수분, 이산화탄소, 수소, 일산화탄소 및 반응하지 않은 탄화수소의 혼합물을 함유하는 생성된 반응기 유출 스트림을 열처리 대기로서 노로 보낸다. 이러한 열처리 공정의 예는, 본원에 참조로 인용된, 가그(D. Garg) 등의 미국 특허 제 5,298,090 호, 미국 특허 제 5,320,818 호 및 미국 특허 제 5,417,774 호에 개시되어 있다.

이들 특허에는 각각 질소가 풍부한 기체를 약 200 내지 400℃의 비교적 낮은 온도로 예열하는 것이 개시되어 있다. 예열 온도는 최소화시키는데, 그 이유는 질소가 풍부한 기체중의 산소와 탄화수소 기체 사이의 반응은 발열반응이므로 예열 온도를 400℃ 미만으로 제한하여 탄화수소 기체의 열분해 및 촉매에의 그을음 부착을 피하는 것이 바람직하기 때문이다. 촉매는 산소와 탄화수소 기체 사이의 반응을 개시하고 유지하게 하는 것으로 생각된다.

백금족 금속(예: 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴 및 이들의 혼합물) 중에서 선택된 귀금속 촉매를 반응에 사용한다. 귀금속 촉매는 고가이며, 이를 사용하는 촉매 시스템은 열처리 대기의 제공 비용을 증가시키는 것으로 널리 공지되어 있다. 또한, 이러한 시스템은 모두 불리한데 그 이유는 촉매에 계속 의존하여 반응을 개시하고 유지하는 것은 촉매의 노화 및 비효율적인 반응 동력학을 야기시키기 때문이다.

열처리 대기를 형성하기 위한 다른 방법은 란콘(Y. Rancon)등의 미국 특허 제 5,242,509 호에 개시되어 있다. 이 방법에서는, 귀금속 촉매를 400 내지 900℃로 가열한다. 그 다음, 질소가 풍부한 기체와 탄화수소 기체의 혼합물을 귀금속 촉매와 접촉하도록 통과시킨다. 따라서, 제 `509 호 특허에서는 촉매를 가열하고 가열된 촉매에 의지하여 질소가 풍부한 기체와 탄화수소 기체의 온도를 높이고 이들의 반응을 개시하였다.

제 '509 호 특허에 개시된 방법은 불리한데, 그 이유는 예컨대 미국 특허 제 5,298,090 호에 개시된 방법에서와 같이 촉매, 특히 귀금속 촉매가 반응을 개시하고 유지시키는데 필수적이기 때문이다. 귀금속 촉매의 부재하에, 이들 방법은 각각 상당한 그을음을 일으킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 귀금속 촉매의 비용은 금속의 열처리 비용을 상당히 증가시킨다.

또한, 촉매의 가열은 기체를 직접 가열하는 것보다 덜 효율적이다. 촉매를 가열할 때, 촉매와 접촉하여 통과하는 기체는 가열되겠지만, 촉매 자체보다는 낮은 온도로 가열될 것이다. 이것은 특히 매우 빠른 유속을 사용하는 상업적인 열처리 공정에서 명백하다. 빠른 유속은 반응 효율을 낮추는 촉매의 냉각을 초래한다.

따라서, 그을음을 실질적으로 발생시키지 않으면서 노의 외부에서 열처리 대기를 형성시킨다면, 열처리 대기 형성 분야에 상당한 진전이 있을 것이다. 또한, 고가의 촉매에 의지하여 반응을 개시 및 유지하지 않고도 질소가 풍부한 기체에 존재하는 산소와 효율적으로 반응하는 열처리 방법을 제공하는 것도 추가의 기술 진전일 것이다.

하기 도면들은 본 발명의 실시태양을 예시하는 것이지, 본 발명을 본원의 일부를 이루는 특허청구범위 내에 포함되도록 한정시키려는 것은 아니다.

제1도는 본 발명에 따라 열처리 대기를 형성하기에 적합한 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

제2도는 제1도의 장치에 사용되는 가열 챔버의 단면도이다.

제3도는 산소 2용적%를 함유하는 질소가 풍부한 기체와 메탄을 다양한 비율로 사용하여 열처리 대기를 형성하는 동안 발생되는 탄소(그을음)의 양을 그래프로 도시한 것이다.

제4도는 산소 2용적%를 함유하는 질소가 풍부한 기체와 프로판을 다양한 비율로 사용하여 열처리 대기를 형성하는 동안 발생되는 탄소(그을음)의 양을 그래프로 도시한 것이다.

본 발명은 비용면에서 효과적이고 효율적인 방식으로 노의 외부에서 열처리 대기를 형성하는, 금속의 열처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 한 양상에서, 금속의 열처리 방법은 하기 a) 내지 e) 단계를 포함한다:

a) 질소가 풍부한 기체로 이루어진 기체를 예열 온도로 예열하는 단계;

b) 예열된 질소가 풍부한 기체에 산소-반응성 기체를 첨가하여 그을음을 실질적으로 일으키지 않는 반응 온도에서 반응 혼합물을 형성하는 단계;

c) 상기 반응 온도에서 반응 혼합물을 반응시켜 촉매의 부재하에 열처리 대기를 형성하는 단계;

d) 열처리 대기를 노에 전달하는 단계; 및

e) 상기 열처리 대기의 존재하에 상기 노에서 금속을 열처리하는 단계.

본 발명의 다른 양상에서는, 400℃를 초과하는, 가장 전형적으로는 500℃를 초과하는, 바람직하게는 약 600 내지 1200℃의 예열 온도에서 질소가 풍부한 기체만을 예열한 다음, 예열된 질소가 풍부한 기체를 산소-반응성 기체와 혼합하여, 촉매의 임의의 존재하에 반응시켜 열처리 대기를 형성하는 반응 혼합물을 형성함으로써 열처리 대기를 형성한다.

노의 외부에서의 열처리 대기의 형성은 일반적으로 질소가 풍부한 기체만을 예열하고 이어 이를 산소-반응성 기체와 혼합하여, 그 보다 높은 온도에서는 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 온도를 갖는 반응 혼합물을 형성함으로써 달성한다. 이 방법은 촉매의 부재하에 수행하지만, 반응의 효율을 증진시키기 위하여 촉매를 사용할 수도 있다.

본 발명에 따라, 열처리 대기는 효과적이고 비용면에서 효율적인 방식으로 형성되며, 환원성, 비환원성, 비-탈탄성 또는 본질적으로 불활성인 대기를 필요로 할 수 있는 특정 열처리 공정에 맞추어질 수 있다.

본 발명은 환원성 또는 비환원성 대기일 수도 있는 열처리 대기를 노의 외부에 형성시키는, 금속의 열처리 방법에 관한 것이다. 질소가 풍부한 기체만을 예열한다. 그 다음, 예열된 질소가 풍부한 기체를 산소-반응성 기체와 혼합하여, 그 보다 높은 온도에서는 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 온도에서 열처리 대기를 형성한다.

그 다음, 열처리 대기를 바람직하게는 냉각하지 않고 노로 보내고, 노에서 금속을 전형적으로 약 1200℃ 이하에서 열처리한다. 본 발명에 따라, 예열 단계는 질소가 풍부한 기체를 직접 가열하고 반응을 개시할 촉매를 필요로 하는 선행 기술의 예열 공정에서 사용하는 온도보다 높은 온도로 질소가 풍부한 기체만을 가열한다. 질소가 풍부한 기체의 예열을 필요로 하는 본 발명은 또한 촉매를 직접 가열하는 선행 기술에 비하여 우수하다. 질소가 풍부한 기체의 예열은 일반적으로 400℃ 보다 높은 온도, 전형적으로는 500℃ 보다 높은 온도에서 이루어진다. 바람직한 예열 온도는 600℃ 이상, 가장 바람직하게는 약 600 내지 1200℃일 것이다.

열처리 대기를 형성하기 위한 반응물은 질소가 풍부한 기체와 산소-반응성 기체이다. "질소가 풍부한 기체"란 용어는 본원에서 산소 기체 약 10용적% 이하, 바람직하게는 약 5용적% 이하, 가장 바람직하게는 약 2용적% 이하를 함유하는 것으로 정의한다. 질소가 풍부한 기체는 임의의 공급원으로부터 수득할 수 있다. 바람직한 공급원은 압력 가변식 흡착 또는 막 분리시켜 그 안에 함유된 상당량의 산소 기체를 제거한 공기이다. 압력 가변식 흡착 시스템과 막 분리 시스템은 당해분야에 널리 공지되어 있다.

본원에 사용된, "산소-반응성 기체"란 용어는 산소와 반응할 수 있는 임의의 기체를 뜻한다. 바람직한 산소-반응성 기체로는 수소; 저금 알칸(예컨대, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물)을 비롯한 탄화수소; 알콜(예: 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 이들의 혼합물); 액상 석유 기체(LPG) 등; 및 이들의 혼합물이 있다.

질소가 풍부한 기체에 존재하는 산소 기체 대 산소-반응성 기체의 몰비를 광범위하게 변화시켜 매우 환원성에서 비환원성에 이르기까지 다양한 열처리 대기를 생성시킬 수 있다. 산소 대 산소-반응성 기체 비의 최대 및 최소 값은 산화 반응을 비교 평가함으로써 계산할 수 있다. 몰비가 최소 값으로 가까이 가면, 질소가 풍부한 기체(즉, 그 안에 함유된 산소 기체)와 산소-반응성 기체의 반응에 의해 일산화탄소 및 수소와 함께 다량의 질소가 생성될 것이다. 몰비가 최대 값으로 가까이 가면, 주 생성물은 비환원성 대기를 제공하는 이산화탄소 및 수증기와 함께 질소 기체가 될 것이다. 예를 들면, 산소 기체 대 메탄 기체의 몰비는 약 0.5 내지 2.0이다. 산소 기체 대 프로판의 몰비는 약 1.5 내지 5.0이고, 산소 기체 대 메탄올의 몰비는 0.0 내지 약 1.5이다. 본 발명에 따라, 질소가 풍부한 기체와 산소-반응성 기체를 혼합하고, 특정 화학양론적 비로 반응시켜 원하는 유형의 열처리 대기를 생성시킬 수 있다. 따라서, 산소 기체 대 산소-반응성 기체의 비교적 낮은 몰비에 의해 다량의 환원성 물질(예컨대, 일산화탄소 및 수소)이 생성될 것이다.

열처리 대기를 형성하고, 이를 노로 전달하는 본 발명의 장치의 태양이 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 열처리 시스템(2)은 공급원(4)으로부터 산소-반응성 기체를 얻고, 공급원(6)으로부터 질소가 풍부한 기체를 얻는다. 본원에 기술된 태양에 사용된 바와 같이, 탄화수소 기체(즉, 메탄)를 산소-반응성 기체의 전형적인 예로서 사용할 것이다. 일반적으로 산소-반응성 기체는 본 발명의 요지 및 범주에 포함되는 것으로 이해된다.

질소가 풍부한 기체는 바람직하게는 압력 가변식 흡착 및/또는 막 분리 시스템의 사용에 의해 공기를 분리하여 수득하고, 산소 함량이 10용적% 이하이다.

공급원(4)으로부터의 탄화수소 기체는 도관(8)을 통과하여 도관(10, 12)을 통해 2개의 스트림으로 나뉘어져 열처리 형성 챔버(14a, 14b)로 전달된다. 본 발명에 따라 탄화수소 기체는 다수의 열처리 형성 챔버로 전달될 수 있다. 도 1에 도시된 태양에서, 이러한 두개의 열처리 형성 챔버(14a, 14b)는 예시의 목적으로만 도시한다.

챔버(14a, 14b)는 또한 공급원(6)으로부터 질소가 풍부한 기체를 수용한다. 질소가 풍부한 기체는 도관(16)을 지나 2개의 스트림(18, 20)으로 나뉘어진다. 예열 챔버(14a 또는 14b)의 구성은 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열처리 챔버(14)는 예열 구획(40) 및 반응 구획(42)으로 이루어진다. 예열 구획(40)은 질소가 풍부한 기체의 유입구(44), 및 도관(48)을 통해 유입구(44)에 연결된 반대쪽 유출구(46)를 갖는다. 도관(48) 주위에는 바람직하게는 환상인 가열어셈블리(50)가 있다.

반응 구획(42)은 도관(56)을 지나, 도관(48)의 유출구(46)와 나란히 놓여진 구역(62)에 있는 유출구(60)로 배출되는, 공급원(도시되지 않음)으로부터 수득한 탄화수소 기체의 유출구(54)를 포함한다. 구역(62)에서, 예열된 질소가 풍부한 기체 및 산소-반응성 기체는 합쳐지고, 이 구역에서 이들은 반응하여 열처리 대기를 형성한다.

열처리 어셈블리(50)는 그을음을 실질적으로 일으키지 않고 질소가 풍부한 기체를 탄화수소 기체와 반응시키기에 충분히 높은 온도로 질소가 풍부한 기체를 예열하기에 충분하다. 본원에 사용된, "그을음을 실질적으로 일으키지 않고"란 말은 그을음이 전혀 없거나 또는 열처리 대기의 형성에 불리한 영향을 주지 않는 그을음의 양을 뜻한다. 그러나, 본 발명의 바람직한 형태에서 그을음은, 있다면 소량으로 일어난다.

예열은 일반적으로 400℃를 초과하는 온도, 전형적으로는 약 500℃ 이상, 바람직하게는 약 600 내지 1200℃에서 수행한다. 예열된 질소가 풍부한 기체는 구역(62)에서 탄화수소 기체와 접촉하여 위치할 때 열처리 대기를 형성한다.

질소가 풍부한 기체와 탄화수소 기체 사이의 반응을 개시하고/개시하거나 유지하는데 촉매, 특히 귀금속 촉매가 필요하지 않다. 그 이상의 온도에서는 그을음이 일어나지 않는 예열 온도로 질소가 풍부한 기체만을 예열함으로써, 촉매의 사용을 피할 수 있다. 또한, 명백히 필요한 것은 아니지만, 촉매를 연속적으로 또는 단속적으로 사용하여, 특히 반응의 나중 단계에서의 반응 효율을 증진시킬 수도 있다.

도 2를 참조하면, 촉매(64)를 반응 구역(62)에 근접하게 제공하여 질소가 풍부한 기체와 탄화수소 기체 사이의 반응 속도를 증진시킬 수도 있다. 도 2의 태양에서, 촉매는 도관(66)의 바로 안쪽에 도시되어 있고, 이 도관을 통하여 열처리 대기는 유출구(68)를 지나 예열 챔버(14)를 나간다.

그 결과, 도 1에 도시된 열처리 형성 챔버(14a, 14b)는 다량의 질소 기체 및 미량(즉, 10용적% 이하)의 산소 기체를 함유하는 질소가 풍부한 기체를 예열하고, 예열 후 탄화수소 기체를 첨가할 수 있다. 두 기체를 함께 반응시키면, 이에 의해 열처리 대기가 형성된다. 그 다음, 생성된 열처리 대기는 개개의 도관(22, 24)을 지나 각각 노(26a, 26b)로 보내지고, 이들 노에서는 열처리 대기중에서 금속의 열처리가 이루어진다.

산소 대 탄화수소 기체의 몰비는 열처리 대기의 조성, 특히 이러한 대기의 환원치를 조절한다. 본 발명에 따라, 몰비를 최소화하면 상당량의 일산화탄소 및 수소 기체를 함유하는 매우 환원성인 대기가 생성된다. 산소 대 메탄의 몰비가 0.5이면, 메탄은 질소가 풍부한 기체중의 산소량의 2배 정도로 시스템에 첨가해야 한다. 따라서, 질소 98용적%와 산소 2용적%를 함유하는 질소가 풍부한 기체의 경우, 산소량의 2배의 메탄을 첨가하면 질소의 양이 약 94용적%로 감소된다. 생성된 대기중의 질소 기체의 양은 약 88용적%이고, 일산화탄소의 양은 약 4용적%이고, 수소의 양은 약 8용적%이고, 이산화탄소와 물은 소량이다.

동일한 질소가 풍부한 기체(즉, 산소 기체 2용적%)를 사용하지만, 산소 대 메탄의 몰비가 2.0인 경우, 생성된 열처리 대기는 비환원성일 것이고, 질소 약 97용적%, 이산화탄소 1용적% 및 물 2용적%를 함유한다.

산소 대 탄화수소 기체의 몰비는 환원성 대기가 요구되는지 또는 비환원성 대기가 요구되는지에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 기체의 농도를 감소시킴으로써, 더 많은 잔여 산소를 이산화탄소 및 수증기로 전환시켜, 비교적 약한 환원성 내지 비환원성 대기를 제공한다. 탄화수소 기체의 농도를 증가시킴으로써 생성된 대기는, 더 많은 산소가 일산화탄소로 전환되기 때문에, 비교적 매우 환원성이다. 탄화수소 기체의 농도가 증가하면 또한 수소의 생성량도 증가한다.

질소가 풍부한 기체를 도 1에 도시된 열처리 대기 형성 챔버(14a, 14b)로 보낸다. 탄화수소 기체를 첨가하기 전에, 탄화수소 기체를 질소가 풍부한 기체중에 존재하는 산소와 반응하게 하는 온도로 질소가 풍부한 기체를 예열시킨다. 따라서, 종래의 시스템과는 달리, 산소와 탄화수소 기체 사이에 그을음이 실질적으로 없는 반응을 일으켜 산소와 탄화수소 기체를 다양한 양의 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수증기로 전환시키기에 충분한 온도로 질소가 풍부한 기체만을 예열한다. 각 구성성분의 정확한 양은 탄화수소 기체의 농도 및 질소가 풍부한 기체중에 존재하는 산소 기체의 양에 의해 결정한다. 본원에 정의된 바람직한 예열 온도는 일반적으로 400℃ 보다 높은 온도, 전형적으로 약 500℃ 이상, 더 바람직하게는 약 600 내지 1200℃이다. 선택된 예열 온도는 산소 대 탄화수소 기체의 몰비, 목적하는 반응의 진행도 및 이후에 설명하는 촉매 유형(존재하는 경우)에 따라 달라질 것이다.

열역학적 계산을 기초로 한 산소 대 탄화수소 기체의 몰비의 영향은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 각각 산소 2용적%를 갖는 질소가 풍부한 기체 및 1.5용적% 내지 4.0용적%의 다양한 농도의 메탄 기체를 함유하는 4가지 기체 혼합물이 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 메탄 2.1용적%를 함유하는 기체 혼합물은 산소 대 메탄의 몰비가 약 1.0이다. 이 실시예에서, 예열 온도가 약 550℃ 보다 높으면, 그을음은 본질적으로 0이다. 따라서, 본 발명의 이러한 특정 태양에 따라, 예열은 촉매의 부재하에, 그을음이 실질적으로 없이 500℃이상, 바람직하게는 600℃ 보다 높은 온도에서 수행할 수 있다. 필요한 경우 임의적으로 촉매를 사용하여 반응 속도를 증가시킬 수도 있다.

메탄의 농도를 3.0%로 증가시켜 산소 대 메탄의 몰비가 약 0.67이면, 예열 온도가 약 600℃ 보다 높을 때 그을음은 실질적으로 0이다. 도 3에 또한 도시된 대로, 메탄 농도가 4.0용적%로 증가되면(이로써 몰비가 0.5로 감소됨), 예열 온도가 약 580℃ 보다 높을 때 그을음은 실질적으로 제거된다.

질소가 풍부한 기체 및 프로판 기체의 혼합물에 대한 유사한 결과가 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 각각 산소 2용적%를 갖는 질소가 풍부한 기체 및 0.5% 내지 1.33%의 다양한 농도(앞서 언급한 최대 비 및 최소 비에 따라 계산함)의 프로판 기체를 함유하는 4가지 기체 혼합물이 도시되어 있다. 기체 혼합물이 0.5용적%의 프로판(즉, 산소 대 프로판의 몰비 4.0)을 함유하는 경우, 약 400℃정도의 예열 온도에서 그을음은 본질적으로 0이다. 프로판의 농도가 1%로 증가되어 산소 대 프로판의 몰비가 2.0이면, 약 600℃ 보다 높은 예열 온도에서 그을음은 실질적으로 제거된다. 프로판 농도가 1.33용적%로 증가하여 몰비가 1.5로 감소하면, 약 850℃ 보다 높은 온도에서 그을음은 실질적으로 없어진다.

앞서 논의한 대로, 열처리 대기의 형성은 탄화수소 기체와, 질소가 풍부한 기체중에 함유된 산소의 반응을 촉진하는 임의의 촉매를 사용함으로써 보조될 수 있다. 이러한 촉매는 당해 분야에 널리 공지되어 있으며, 백금 금속 군의 촉매(예 : 백금, 로듐, 팔라듐 등)를 비롯한 귀금속 촉매 중에서 선택된다. 본 발명은 질소가 풍부한 기체만의 예열에 의해 적합한 반응 조건을 개시하게 하기 때문에, 비금속(base metal) 촉매(예: 니켈, 코발트 등)를 더 비싼 백금 군의 촉매 대신에 사용할 수 있다.

[실시예 1]

동일한 하우징(housing) 내에 예열 구획 및 반응 구획을 함유하는, 도 2에 도시된 유형의 열처리 어셈블리를 본원에 사용하여 본 발명에 따른 일련의 열처리대기를 생성한다.

질소 99용적% 및 산소 1용적%를 함유하는 질소가 풍부한 기체 200ft³/시를 예열 챔버로 공급한다. 질소가 풍부한 기체만을 평균 1096℃로 가열한다. 그 다음, 예열된 질소가 풍부한 기체를, 촉매의 부재하에 1:1의 산소 대 메탄 몰비를 제공하기에 충분한 양의 메탄 기체와 혼합한다. 질소가 풍부한 기체에 함유된 산소와 메탄은 즉시 반응하여 하기 표 1에 도시된 바와 같은 반응 생성물을 생성한다.

[실시예 2 내지 7]

온도가 표 1에 나타낸 대로 변하는 것을 제외하고는 실시예 1의 방법을 실시에 2 내지 7에 대해서 반복한다. 각 반응 생성물의 양을 결정하고, 그 결과는 표 1에 나타낸다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 방법은 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 예열 온도에서 수행하여 열처리 대기를 얻는 방법을 제공한다. 또한, 수소와 일산화탄소의 양은 온도가 내려감에 따라 감소하지만, 수분, 메탄 및 산소의 양은 온도가 내려감에 따라 증가한다.

[실시예 8 내지 14]

질소가 풍부한 스트림이 산소 3용적%를 함유하고, 메탄의 양이 1:1의 산소대 메탄의 몰비를 제공하기에 충분한 것을 제외하고는, 실시예 1 내지 7의 방법을 반복한다. 실시예 8 내지 14는 실시예 1 내지 7과는 약간 상이한 온도에서 수행한다. 그 결과는 표 2에 나타낸다.

실시예 8 내지 14에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 방법은 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 예열 온도에서 수행하여 열처리 대기를 수득하는 방법을 제공한다. 또한, 수소와 일산화탄소의 양은 온도가 내려감에 따라 감소하지만, 수분, 메탄 및 산소의 양은 온도가 내려감에 따라 증가한다. 각 성분의 양이 실시예 1 내지 7에서보다 많다는 것도 주의해야 한다. 이것은 산소와 메탄의 출발 농도가 더 높기 때문이다.

[실시예 15]

본 실시예를 약 1098℃, 2:1의 산소 대 메탄의 몰비에서 수행하는 것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 절차를 사용한다. 그 결과는 표 3에 나타낸다.

[실시예 16 내지 19]

산소 대 메탄의 몰비가 표 3에 나타낸 바와 같이 변하는 것을 제외하고는, 실시예 15에서 사용한 것과 동일한 절차를 반복한다.

표 3에서 볼 수 있듯이, 산소 대 메탄의 몰비가 변함에 따라 조성 및 특성이 변하는 열처리 대기가 생성될 수 있다. 일정한 온도에서, 산소 대 메탄의 몰비가 감소함에 따라 수소, 일산화탄소 및 반응하지 않은 메탄의 양은 증가한다. 역으로, 산소 대 메탄의 몰비가 감소함에 따라 수분 및 이산화탄소의 양은 감소한다.

비교적 높은 예열 온도(예컨대, 1098℃)에서, 특히 비교적 높은 산소 대 메탄의 비에서 모든 또는 실질적으로 모든 메탄이 촉매의 부재하에 반응한다.

[실시예 20 내지 23]

질소가 풍부한 기체가 2용적%의 산소 기체를 함유하는 것을 제외하고는, 실시예 15의 절차를 반복한다. 산소 대 메탄의 몰비는 표 4에 나타낸 바와 같이 변한다.

표 4에서 볼 수 있듯이, 산소 대 메탄의 몰비가 변함에 따라 조성 및 특성이 변하는 열처리 대기가 생성될 수 있다. 일정한 온도에서, 산소 대 메탄의 몰비가 감소함에 따라 수소, 일산화탄소 및 반응하지 않은 메탄의 양은 증가한다. 역으로, 산소 대 메탄의 몰비가 감소함에 따라 수분 및 이산화탄소의 양은 감소한다. 실시예 20 내지 23에 나타나 있는 열처리 대기의 성분의 양은 산소 및 메탄의 출발양이 더 크기 때문에 실시예 15 내지 19에 나타나 있는 양을 초과한다.

비교적 높은 예열 온도(예컨대, 1098℃)에서, 특히 비교적 높은 산소 대 메탄의 몰비에서 모든 또는 실질적으로 모든 메탄이 촉매의 부재하에 반응한다.

[실시예 24 및 25]

실시예 24의 경우 예열 온도가 857℃이고 알루미나 지지체상의 백금 및 로듐으로 이루어진 시판중인 촉매를 사용하여 질소가 풍부한 기체로부터 얻은 산소와 메탄의 반응을 돕는 것을 제외하고는 실시예 1의 절차를 반복한다. 실시예 25는 촉매의 부재하에 동일한 방식으로 수행한다. 그 결과는 표 5에 나타낸다.

표 5에서 알 수 있듯이, 촉매의 존재하에 수행한 실시예 24의 경우 열처리 대기를 생성시키기 위한 메탄의 전환율이 다소 더 우수하였다.

[실시예 26 내지 28]

실시예 1에 기술된 유형의 열처리 어셈블리를 사용하여 하기 과정에 따라 열처리 대기를 생성시킨다.

질소 99.5용적% 및 산소 0.5용적%를 함유하는 질소가 풍부한 기체 100ft³/시를 예열 챔버로 공급한다. 질소가 풍부한 기체만을 720℃로 예열한다. 그 다음, 예열된 질소가 풍부한 기체를 촉매의 부재하에 표 6에 나타나 있는 양의 프로판 기체와 혼합한다. 질소가 풍부한 기체에 함유된 산소와 프로판은 즉시 반응하여 표 6에 나타나 있는 반응 생성물을 생성한다.

표 6에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 방법은 그을음이 실질적으로 일어나지 않는 예열 온도에서 조작함으로써 열처리 대기를 수득하는 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고가의 촉매에 의지하여 반응을 개시 및 유지하지 않고도, 그을음을 실질적으로 일으키지 않는 예열 온도에서 질소가 풍부한 기체에 존재하는 산소와 산소-반응성 기체를 효율적으로 반응시켜 열처리 대기를 생성시킬 수 있고, 이 열처리 대기를 사용하여 금속을 열처리할 수 있다.

Claims (4)

1. a) 3 용적% 이하의 산소를 함유하는 질소가 풍부한 기체를, 질소가 풍부한 기체와 탄화수소 기체의 후속 반응시 그을음이 실질적으로 발생하지 않는 약 600℃ 내지 약 1200℃의 온도로 예열하는 단계;

   b) 예열된 질소가 풍부한 기체에 탄화수소 기체를 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계;

   c) 촉매의 부재하에 반응 혼합물을 반응시켜 금속의 열처리 대기를 형성하는 단계;

   d) 상기 열처리 대기를 노(furnace)에 전달하는 단계; 및

   e) 상기 노에서 상기 열처리 대기의 존재하에 금속을 열처리하는 단계를 포함하는, 금속의 열처리 방법.
2. a) 3 용적% 이하의 산소를 함유하는 질소가 풍부한 기체를 약 600℃ 내지 약 1200℃의 온도로 예열하는 단계;

   b) 예열된 질소가 풍부한 기체에 탄화수소 기체를 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계;

   c) 촉매의 부재하에 반응 혼합물을 반응시켜 금속의 열처리 대기를 형성하는 단계;

   d) 상기 열처리 대기를 노에 전달하는 단계; 및

   e) 상기 노에서 상기 열처리 대기의 존재하에 금속을 열처리하는 단계를 포함하는, 금속의 열처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 탄화수소 기체가 메탄 기체이고, 0.5:1 내지 2:1의 산소 대 메탄 몰비를 제공하는 양으로 사용되는 방법.
4. 제1항에 있어서, 탄화수소 기체가 프로판 기체이고, 1.5:1 내지 5:1의 산소 대 프로판 몰비를 제공하는 양으로 사용되는 방법.

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