KR820001545B1 - 강철을 가스침탄 시키는 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

강철을 가스침탄 시키는 방법

본 발명은 강철을 가스 침탄시키는 방법, 특히 가스의 조절이 적절하게 이루어지는 강철의 가스 침탄법에 관한 것이다.

침탄법은 저탄소강을 표면 경화시키는데에 통상 이용되는 방법이다. 가스 침탄법에서는 원하는 양의 탄소가 표면깊이라고 통칭되는 어느 예정된 깊이로 강철 표면에 유입될 때까지 강철을 정해진 시간 동안 신속하게 유동하는 침탄가스에 노출시키게 된다. 표면은 그 경도가 극히 높기 때문에 내마모성이 좋은 반면 강철의 내부, 즉 코어라고 일컫는 표면깊이를 초과하는 부분은 비교적 부드럽고 유연성을 지니며, 양호한 견고성을 갖게된다. 표면을 경화시킨 강철은 기어, 캠축, 동체(Shell), 실린더 그리고 핀에 이용되는데, 이 경우 표면의 내마모성과 코어의 경도가 중요한 문제가 된다.

침탄법, 특히 가스 침탄법, 침탄질화(Carbonitriding), 그리고 침탄법에 관한 여러가지 강철부품의 광범위한 자료는 미국 금속학회(American Society for Metals, 오하이오주, 노벨티 소재)에서 발행한 "금속 핸드북"(Metals handbook)(티. 라이만편집 1948)의 677-697페이지에 기재되어 있다. 침탄공정이 이루어지는 피트로(Pit furnaces)와 박스 및 침탄법에 대해서는 "강철의 제조, 성형 및 처리".

제8판(1964), 제1058-1068페이지에 언급되어 있다. 침탄로는 또한 전술한 "금속 핸드북"의 "전열식 공업용로"(Electrically Heated Industrial Furnaces)(Cherry et al) 제273-178페이지에 나타나 있는데 여기에서 특히 제1도, 2도 및 8도 가운데 후자는 추진로의 한 보기로서 회분식공정에 대체되어 연속공정에 의한 침탄에 이용된다.

원하는 양의 탄소를 원하는 표면깊이까지 공급하여 주고 나아가 금속편의 탈탄화 및 산화를 방지하기 위하여 침탄가스를 조절하여 주어야 한다는 것은 오래전부터 알려져 있는 사실이다. 침탄가스체를 제공하여 주기 위해 소모성 가스를 과량으로 사용한다는 것도 또한 공지의 사실이다. 이를 위해 침탄가스체를 여과와 세척으로 청정시켜, 빠른 속도로 재순환시키는 방법이 제안되었으나 이러한 방법에 따르면 침탄공정이 복잡해진다는 사실이 밝혀졌다. 공업적 침탄장치에서의 실제적인 해결책은 침탄공정중에 그 유속이 빠르고 일정한 내부가스(침탄 가스체를 제공하기 위해 흔히 사용되는 운반가스)를 사용하는 것인데 이 방법은 비록 천연가스를 소비하고는 있지만 간단하며 적당한 침탄 가스체를 제공하여 준다. 그러나 침탄가스체를 제공하기 위해 이용되는 내부 가스(기화된 액체포함)로 사용하는 메탄이나 프로판 및 천연가스는 특히 추운 계절에는 그 공급이 부족하게 되며 비교적 값이 비싼 결점을 갖고 있다. 그러므로 공정의 단순성이나 가스체의 조절에 영향을 미치지 않으면서 이들 가스의 지나친 사용을 피하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 공정의 단순성과 적절한 침탄가스체를 제공하는데 필요한 가스의 양이 상당히 감소될 수 있는 침탄공정개선에 있다.

상기와 같은 목적에 부합되는 공지의 침탄공정의 개선이 본 발명에 따라 이루어졌다. 공지의 침탄법은 강철 표면의 탄소 농도가 강철 중량을 기초로 최소 0.4% 이상으로 유지되도록 강철을 침탄시키는 방법이다. 이 방법은 최소 한개의 침탄실을 갖는 침탄로 안에서 행하여지는데 이 침탄실은 강철이 통과하는 최소 하나의 통로를 제외하고는 모두 막혀있으며 그 통로의 개폐장치가 아울러 설치되어 있다.

상기의 침탄방법에서는 우선 통로를 열고 그 통로를 통해 침탄실로 강철을 도입한 뒤 통로를 막고 강철이 침탄될 때까지 약 1200-2200℉의 온도에서 강철을 침탄 가스체에 노출시킨 다음 통로를 열어 이 통로를 통해 강철을 빼낸 뒤에 통로를 폐쇄하게 된다.

본 발명에 따른 방법에서는 운반가스와 기체상의 탄화수소가 침탄실로 유입되며 이 운반가스와 탄화수소 가스는 침탄실내의 침탄가스체의 전체 용적을 기초로 다음과 같은 부피%로 구성되는 침탄가스체를 제공하게 된다.

전술한 탄화수소는

와 거의 같은 수준의 Z_A를 유지하기에 충분한 양만큼 존재하여야 한다.

여기에서, Z_A는 이산화탄소의 부피%이고, X는 일산화탄소의 부피%이며, K_A는

반응의 평형상수이고, Y는 강철의 중량에 기초한 강철표면상에서 측정된 탄소의 중량%이며, g는 강철중에 용해된 탄소의 활성도 계수이다.

전술한 운반가스는 통로가 막혔을 때에는 낮은 유속으로, 그리고 통로가 열렸을 때에는 높은 유속으로 흐른다. 이때,

(1) 침탄 가스체로 들어가는 산소를 제한하는 데는 가장 낮은 유속으로도 충분하므로 상기한 바와 같은 Z_A값을 유지하기 위해서는 10%의 탄화수소보다 많지 않은 양의 가스가 소요될 것이며, (ii) 낮은 유속범위의 최대한계는 유속이 가장 클 때의 1/2을 넘지 않고, (iii) 특히 강철의 산화 및 탈탄화를 방지하는 데에는 높은 유속범위 중에서 가장 작은 유속으로도 본 발명에 따른 방법을 침탄법이라 칭하기는 했지만 이 분야에 기술을 가진 자들이면 "침탄"이란 용어는 강철중의 탄소가 탄화수소의 사용에 의해 조절되는 강철의 열처리법으로서 예를들면 침탄화, 탈진화, 담금질(bright hardening : 초기의 탄소함량을 단순히 그대로 유지시키는 방법), 탄소함량회복 및 이와 비슷한 방법들을 의미한다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 침탄화 탄질화 또는 탄소함량 회복공정의 경우에는 탄소가 첨가된다. 담금질 공정인 경우에는 강철은 처음에 어느 탄소 함량을 가지며 이 함량은 공정 전체를 통해 그대로 유지된다. 탄소는 이후에 언급하게 될 식(A),(B) 및 (C)에 따라 공급된다.

본 발명에서 사용되는 침탄로는 통상의 구조를 갖는다. 앞에서는 박스, 피트 및 추진식 로가 언급되었지만 다른 여러가지 변형된 형태의 것들도 사용 가능하다.

이들 침탄로는 통상 가열 및 냉각수단과, 하나 이상의 침탄실을 가진다. 그 침탄실의 바닥(hearth)상에는 대상물이 위치하게 되어 가열되고 침탄된다. 아울러 상기의 침탄로에는 하나 이상의 유통로가 있어서 이를 통해 강철이 침탄실 내외부로 이동된다.

이외에도 압력 증가를 피하기 위한 배출구, 침탄실로 통하는 통로와 침탄로를 통하는 통로 사이의 연결구, 그리고 기체상에서의 물질 및 열전달을 촉진시켜 주기 위한 순환 팬(fan)이 있다.

연속식로와 회분식 침탄로 사이의 한가지 중요한 차이는 회분식로에서는 통로가 닫혀진뒤 약 30분이 지나서 침탄로 내의 온도가 침탄 온도에 이르기 전까지는 침탄이 시작되지 않으며 약 3-9시간 후에 침탄이 끝날 때까지는 통로를 열지 않는다는 점이다.

한편 연속식 침탄로에 있어서는 통로는 수시로 거의 매시간마다 개폐된다.

본 발명에서 다루고 있는 침탄로의 침탄실을 폐쇄한다는 것은 가스가 침탄실 내외부로 유통되는 배출구나 다른 통로들은 강철 대상물이 침탄실 내외부로 이동하는 통로와 침탄가스체를 제공하는데 필요한 가스 유입구, 그리고 시험목적으로 흔히 사용되는 샘플 채취구를 제외하고는 공정전체를 통해서 폐쇄된다는 것을 의미한다.

침탄실을 폐쇄시키는 목적은 산화가스의 유입을 최저 수준으로 유지하고 침탄 가스체의 손실을 제한하기 위해서이다.

그러나 이 분야에 기술을 가진 자들이면 최적 수행에 있어서 약간의 누출은 허용될 수 있음을 잘 알 것이다. 통상적인 것은 아니지만 폐쇄 침탄실에는 조작편이 유통되는 통로나 가스유입구, 그리고 샘플 채취구 이외의 다른 통로나 배출구가 없는 침탄실도 포함된다. 통로나 다른 유입구들이 폐쇄되어 있어도 통로 봉함부나 다른 밀폐부를 통해 가스가 유출될 수 있음을 주지할 필요가 있는데 그 이유는 이 밀폐부가 가스의 통과를 완전히 막지 못하기 때문이다. 폐쇄 침탄실과 종래의 통로 밀폐부를 이용하고 아울러 공정의 유속을 작게하면 실질적인 공기의 침투를 적절히 예방할 수 있고, 통로가 폐쇄되었을 경우 침탄 가스체의 누출현상을 최소로 할 수 있는데 이 경우 외부로 유출되는 가스와 들어오는 공기가 서로 차폐를 일으키게 된다.

통로의 개폐 및 강철 조작편이나 부하의 도입은 수동이나 자동식으로 행할 수 있는데 이는 침탄이 일어나는 침탄실 내의 온도와 마찬가지로 통상적으로 알려져 있는 것이다. 이 온도는 약 1200-2200℉이며 일반적으로는 1500-1850℉ 범위가 침탄시간을 약 1-50이며, 통상적으로 약 3-9시간이다. 그러나 소기의 표면 깊이와 여러가지 대상물, 탄소농도 및 가스체에 따라 특정시간이 선택된다.

침탄 가스체는 통상 내부가스, 건조시킨 내부가스, 또는 질소와 메탄올(또는 에탄올)을 침탄실에 도입함으로써 제공된다. 이 침탄가스체는 각각의 성분을 소기의 비율로 도입하여 얻을 수 있지만 이는 실험실에서나 행할 수 있는 방법이다. 공업적으로 내부가스는 공기를 천연가스(또는 푸로판)와 반응시켜 가스발생기 중에서 제조한다. 이들 가스나 또는 내부가스 발생기는 침탄로와는 독립적으로 조작되며 그로부터의 유출속도가 일정할 때에 신뢰도가 가장 좋다. 통로를 개방시켜 로에 추가로 가스의 도입을 용이하게 해주기 위해 유출속도를 변화시키면 내부가스 발생기의 신뢰도가 제한된다. 공기와 천연가스를 반응시키면 주로 일산화탄소, 수소 및 질소로 되는 혼합물이 생성되며, 이 혼합물을 내부 가스라 칭하고 있다.

천연가스로 부터 제조된 내부가스의 대표적인 조성을 보면 일산화탄소 20-23%, 수소 30-40%, 질소 40-47%, 수증기 0-1%, 그리고 이산화탄소 0-0.5%로 되어있다.

이 조성은 이 내부가스를 제조하기 위해 사용되는 천연가스의 조성에 따라 변한다.

이 내부가스는 정체처리시켜 습기와 이산화탄소를 제거하는 것이 좋다.

내부가스는 침탄 가스체의 한 공급원이다. 다른 공급원은 질소와 메탄올이다. 침탄 가스체의 제공에 사용되는 공급원들은 흔히 "운반가스"라는 용어는 침탄실의 가스체를 제공하기 위해 사용되는 가스 또는 액체(침탄로 온도에서 기화되어 분해됨) 및 이들의 혼합물을 의미한다. 위에서는 내부가스와 질소-메탄올 조성물의 두가지 공급원을 언급하였다.

질소와 메탄올은 보통 독립적으로 그러나 거의 동시에 침탄실에 도입된다.

메탄올 대신에 에탄올을 사용하여 유사한 결과를 얻을 수 있다. 일산화 탄소, 수소 및 질소를 각기 적당량만큼 동시에 침탄실에 도입할 수 있다.

물은 의도적으로 도입시키지는 않으나 수증기 형태로 내부가스 또는 공기와 함께 침탄실에 유입될 수있다. 아울러 물은 침탄실 내에서 일어나는 반응의 생성물이다. 이산화탄소는 물과 비슷한 형식으로 침탄실에 들어간다. 건조 또는 정제시킨 내부 가스나 질소-메탄올을 운반가스로 사용하면 외부로부터의 이산화탄소와 수증기의 유입이 실제적으로 억제될 수 있다. 메탄올로는 통상 정제된 상태의 시중 제품을 사용하기 때문에 내부가스에 필요한 정제처리는 일반적으로 메탄올에는 필요하지 않다.

침탄실내의 가스체의 조성과 침탄실내의 가스체의 전체부피에 기초한 그의 부피%는 다음과 같다.

내부 가스로부터 일산화탄소, 수소 및 질소가 공급되고, 메탄올로부터 일산화탄소와 수소가 공급된다.

일산화탄소는 수소와 반응해서 탄소와 물을 공급하며, 일산화탄소 자체는 탄소와 이산화탄소를 생성시킨다.

탄화수소는 분해되어 탄소와 수소를 공급한다.

반응식은 다음과 같다.

공기, 물 또는 이산화 탄소에 의한 금속의 산화를 피하기 위해 침탄가스체가 시종 환원상태로 유지되어야 함은 명백하다. 탄화수소는 상기한 온도범위에서 탄소와 수소로 분해되는 것이면 어떤 것이라도 좋다.

이러한 탄화수소로는 탄소와 수소로 구성된 탄화수소, 예를들면 지방족, 고리지방족, 포화 또는 불포화 탄화수소 및 방향족 탄화수소를 들수가 있다. 이 중에서 적합한 것은 C₁-C₅탄화수소이며 이중 메탄이 가장 흔히 사용된다. 아울러 메탄성분을 제공하기 위해 일반적으로 천연가스가 사용된다. 경우에 따라서는 푸로판과 부탄 및 펜탄을 사용할 수가 있다. 탄화수소 성분은 흔히 농축가스라고 통칭된다.

여기에서 기상 탄화수소란 기체나 액체 (침탄로 내부 온도에서 기화됨), 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 탄화수소를 의미한다.

기상 탄화수소의 양은

와 거의 같은 수준으로 Z_A를 유지하기에 충분한 양이 제공되도록 조절된다.

여기에서 :

Z_A는 이산화탄소의 부피%,

X는 일산화탄소의 부피%,

K_A는

반응의 평형 상수,

Y는 강철의 중량에 기초한 강철 표면상에서의 탄소의 예정된 중량%(표면의 깊이에 소요되는 탄소의 중량%와 같음) 그리고 g는 강청에 용해된 탄소의 활성계수이다.

이 분야에 기술을 가진 자들이면 탄화수소의 적정수준을 유지한다는 것은 Z_B를

와 거의 같게 유지하는 것임을 쉽사리 이해할 것이다.

여기에서 : Z_A는 수증기의 부피%, X, Y 및 g는 상기한 바와 같으며, K_B는

반응의 평형 상수이고, Q는 수소의 부피%이다.

따라서 수증기의 Z_B를 유지한다는 것은 그 자체가 이산화탄소의 Z_A를 유지토록 하는 요인이 되며 그 반대의 경우도 마찬가지다. 아울러 탄화수소의 적정수준을 유지한다는 것은 Z_D를

와 거의 같은 수준으로 유지하는 것임을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

여기에서 : Z_D는 산소농도의 평방근이고, X,Y 및 g는 상기한 바와 동일하며, K_D는

반응의 평형상수이다.

따라서, 산소 농도의 평방근의 Z_D를 유지한다는 것은 이산화탄소의 Z_A를 유지토록 하는 요인이 되며 그 반대의 경우도 마찬가지다. 앞에서 "거의"란 용어는 실제로 용광로, 가스체 샘플재취, 또는 기타의 여러 공정변수들의 상이한 특성에 의해 항상 똑같은 값이 얻어지지는 않는다는 것을 의미하는 것으로 사용된것이다. "거의"란 용어로 표시한 수정인자는 0.5-1.5사이로 생각된다.

강철내부로 탄소가 확산되는 속도는 강철내의 탄소 농도기울기에 비례하므로 침탄과정 초기에는 탄소의 유입량이 크지만 침탄이 진행됨에 따라 그 양은 줄어든다. 표면탄소 농도가 강철내의 탄소의 용해도를 초과할 경우 그을음(탄소)이 표면에 형성될 것이다. Y를 강철내의 탄소의 용해도 이하일 경우 Z_A가

와 거의 같은 수준이 되도록 유지시켜주면 이러한 문제를 피할 수 있다.

Z_A를 상기의 수준으로 유지시켜 주기 위해서 탄화수소의 양을 증가시키거나 저하시킨다. 상기의 반응식(C)에 따른 반응외에도 탄화수소는 다음과 같이 메탄으로 표시한 반응식에 따라 반응된다.

산소는 물, 이산화탄소, 공기 및 산화물등의 형태로 여러가지 경로 통해, 즉 공기침투, 내부 가스 중의 이산화탄소와 물, 강철 표면에서의 반응 및 조작편과 함께 이송된 물과 산화물을 통해 연속적으로 열처리실에 들어간다. 로 가스체중의 산소농도는 탄화수소 유입량과 운반가스의 유속을 조정함으로써 조절된다.

침탄실로 들어가는 탄소의 1중량% 정도만이 강철의 침탄에 사용된다는 것을 유의해야 된다. 그러므로 유속을 실질적으로 낮추더라도 침탄에 이용되는 탄소의 양이 제한받지는 않을 것이다.

대상물이나 부하(load)가 통과하는 통로가 닫혔을 때에는 유속을 낮게하고 그 통로가 열렸을 때에는 유속을 높게하여 준다. 침탄 가스체를 원하는대로 유지하기 위해서는 통로가 폐쇄된 후 잠시동안 유속을 높게한 그대로 유지시켜주는 것이 일반적이다.

전술한 바와같이, 침탄실 가스체로 들어가는 산소를 제한하기 위해서는 가장 낮은 유속으로 충분하므로 Z_A값을 상기한 바와 같이 유지하기 위해서는 10%미만, 대개는 80% 미만의 탄화수소의 양이 소요된다.

탄화수소의 양을 제한하면 공정에서의 그을음의 형성이 억제된다. 상기와 같은 최저유속은 침탄 가스체를 적정수준으로 유지해주며 공기의 침투를 막아준다. 건조한 내부가스를 사용하면 최저 유속을 그보다더 낮추게 할 수 있을 것이다. 이러한 관점에서 수분함량과 이산화탄소 함량이 낮은 질소-메탄올화합물이 보다 유익하다.

낮은 유속범위중에서 가장 큰 유속은 높은 유속범위 가운데 제일 작은 유속의 1/2이하이며 운반가스의 낭비가 억제되도록 고안되는데 이를 위해서는 상기의 값이 1/4이하인 경우가 적합하다. 높은 유속범위 중에서 제일작은 유속은 강철의 산화와 탈침탄을 본질적으로 방지하기에 충분해야 하며, 금속시료가 탈침탄이나 산화를 나타날 때까지 단계적으로 유속을 감소시켜 정할 수 있다.

상기 유속은 또한 강철이 적정비율로 침탄되었는지의 여부를 알아보기 위해 금속시료를 분석함으로써 측정된다. 금속시료의 분석은 종래의 방법대로 행하는데 이 시험은 착색(표면산화) 또는 그을음(탄소 침적)을 육안으로 관찰하는 방법으로 행한다. 가스의 사용을 최소로 유지하기 위해서는 높은 유속범위와 낮은 유속범위에서 각기 가장작은 유속을 이용하는 것이 일반적이다. 공정전도(upset)가 유속을 최소치 이하로 저하시키지 않는다는 보장만 있으면 유속을 죄소치 이상으로 하여도 큰 잇점이 없다.

상한선은 실용성이 없기 때문에 최대의 높은 유속을 나타내지 않았다. 높은 유속범위에서 가장 작은 값의 유속을 이용하는 것이 적절하다. 낮은 유속과 높은 유속에서 사용된 운반가스는 내부 가스이지만 내부 가스 발생기를 그의 신뢰도를 유지하는데 효과적인 일정한 출력으로 유지하기 위해서는 질소-메탄올이나 질소-천연가스와 같은 다른 운반가스를 사용하여높은 유속과 낮은 유속간에 차이를 두는 것이 일반적이다.

이와 같은 낮은 유속과 높은 유속 사이의 균형을 유지하기 위해 내부 가스외에 운반가스를 사용하면 침탄 가스체가 항시 줄어들도록 수소에 대한 물 및 일산화 탄소에 대한 이산화탄소의 비율을 유지하기 위해 유속이 용이하고 신속하게 변화되는 가스체가 제공된다. 표면 탄소조절이 연속공정에서와 같이 꼭 필요한 경우, 질소-메탄올을 선택하면 만족스러운 결과를 얻는다. 회분식 침로에 있어서 탄소조절이 공정초기에 그리 중요하지 않은 경우 질소-메탄올이나 또는 질소-천연가스가 효과적으로 사용될 수 있는데, 그 이유는 천연 가스원으로 부터 고농도의 메탄이 낮은 속도로 증가되며 탄소의 대부분이 공급될 때까지 일산화 탄소의 농도가 증가하기 때문이다. 어떤 회분식 침탄로에서는 부하기 침탄 온도에 도달하기 전에 침탄실의 가스체가 원하는 조성으로 되돌아올 때까지 질소만을 유입시킬 수 있다. 도어를 열때 유속을 변화시키기 위한 방법(낮은 유속에서 높은 유속으로의 변환)은 통상적인 것으로서 예를들면 솔레노이드(Solenoids)나 다음 자동밸브와 시간조절장치 및 연동장치를 사용하여 행한다. 질소-천연가스의 경우 천연가스 대용물로서 상기의 탄화수소 가운데 어떤것도 사용될 수 있음은 명백하다. 이것은 기체상태 탄화 수소의 일부분으로서 운반가스와 함께 상기의 침탄 가스체를 형성한다. 침탄 가스체중의 탄화수소의 허용범위는 일정한데 그 이유는 높은 유속 단계동안에 질소-천연 가스 혼합물을 사용하기 때문이다.

높은 유속과 낮은 유속을 가지는 운반 가스의 결합은(i) 질소-메탄올을 높은 유속으로 하기위해 낮은 유속에서 내부 가스를 추가 가스와 함께 일정한 유속으로 사용하고, (ii) 질소-메탄올을 낮은 유속 및 높은 유속 모두에서 사용하는 것이 적합하다. 질소 공급원과 함께 이 공정을 행하면 발전기 고장으로 내부가스 발생기가 작동하지 않거나 천연가스도업이 중단된다는 등의 경우에 표면산화로부터 로내의 강철부하를 보호하기 위해 질소를 사용할 수 있다는 잇점이 있다. 운반가스에 질소-메탄올을 사용하면 재생산성 및 내부 가스의 결점을 피할 수 있는 잇점이 있다. 탄질화는 통상 상기한 1200-2200℉범위의 저온에서 이루어진다. 대개는 약 1300-1625℉범위가 적합하다. 이 경우에는 강철 표면에 질소를 공급하기 위해 무수 암모니아 또는 암모니아와 미량의 수분을 사용한다. 암모니아의 농도는 로의 크기, 조작온도 및 기타 조작조건에 따라 좌우되지만 침탄 가스체의 전체 용적을 기초로 약 1-10부피%가 보통 이용된다.

본 발명을 이하의 실시예에 따라 구체적으로 설명하기로 한다.

실시에 1-20

이 실시예들은 통상적인 디자인의 소규모 침탄로내에서 이루어졌다. 이로에는 주가열대, 또는 침탄실과 연결구가 있다. 침탄실의 용적은 3입방 피이드이다. 침탄실과 연결구 사이에는 통로가 있으며, 연결구와 로의 외부 사이에 또 다른 통로가 있다. 이 침탄실에는 니켈 76%, 크롬 16%, 그리고 철 6%의 합금으로 이루어진 미플(muffle)이 있으며 침탄되는 강철(또는 부하)은 이 미플에 위치하게 된다. 침탄가스체를 순환시키기 위해 사용하는 1/3마력의(fan)은 통상적인 크기의 침탄로와 견줄만한 유속을 제공하여 준다. 부하 근처 미플내부의 열전대를 이용하여 하부 및 측면상의 전열 장치를 조절하여 준다. 머플과 가열장치사이에 열전대가 있는 다른 제어기는 로의 온도가 안전 온도 이상일 경우 전력을 차단해 준다.

침탄 가스체는 로의 상부를 따라 튜우브를 통해 침탄실에 들어간다. 이 침탄 가스체는 수냉식 열교환기를 통해 회수되고 다이아프램 펌프(diaphragm pump)로 이산화 탄소를, 적외선 분석기로 메탄올, 가스크로마토그라피로 질소, 일산화탄소 및 메탄올, 그리고 듀컵(dew cup)으로 습도기를 분석한다. 전체의 샘플은 침탄실로 재순환된다.

침탄 가스체의 한쪽 출구는 밀폐되어 있으므로 연결구의 통로를 통해 유동물 전체가 통과된다.

연결구내의 가스체의 조성은 본질적으로 침탄실내의 조성과 동일하다. 이는 침탄실과 연결구를 연결하는 통로가 이 침탄실과 연결구간의 자유로운 흐름을 방해하지 않는다는 것을 의미한다. 운반가스와 기체 상태 탄화수소(농축가스)는 모두 침탄실에 직접 가하여진다. 부하의 온도는 제어온도의 11℉범위내이다.

부하는 직경 1인치의 봉을 포함하여 여러 크기의 중량 20파운드인 SAE 8620강철봉이다. 직경 1인치의 봉을 여러 단계에 걸쳐 기계처리 하여 2의 탄소를 분석했다.

내부 합성가스는 질소 40%, 수소 40%, 그리고 일산화탄소 20%의 혼합물에 물 0.5%(압력 69 psig, 온도68℉하에 라이링(Raschigring) 포화기내에서)을 가하여 만들며, 여기에서 %는 모두 질소-수소-일산화탄소 혼합물의 전체부피에 기초한 부피 %이다. 다음에 여기에 0.25부피의 이산화탄소를 가한다. 침탄로 가스체는 이산화탄소의 농도, 그리고 상기의 식

에 따라 조절밸브에서의 압력으로 메탄을 가함으로써 조절한다.

침탄시간은 침탄실(또는 작동) 온도가 1700℉가 되는 시점으로 부터 4시간이다. 4시간 후에 부하를 연결구에 옮겨 2시간동안 냉각시킨다. 담금질은 이용하지 않았다. 실험과정은 다음과 같다.

(1) 높은 유속(45 cfh)을 정하고 침탄로 가스체가 CO₂의 조절에 이르도록 한다(다음의 (3) 및 (4)참조)

(2) 연결구를 충진시킨다.

(3) CO₂농도가 0.33%로 되돌아오면 침탄로를 충진시킨다.

(4) CO₂농도가 0.33%로 되돌아오면 유속을 낮춘다.

(5) 제어 열전대가 1700℉에 도달할 때까지(침탄초기) CO₂를 0.2(실시예 1-6) 또는 0.125%(실시예 7-20)수준으로 유지한다.

(6) 소기의 CO₂제어지점에서 4시간동안 조절한다.

(7) 천연가스유속, 메탄농도, 그리고 CO₂농도를 매시간마다 기록한다.

(8) 침탄개시 후 1시간과 4시간 후에 가스크로마토그라피와 노점(dew point)을 기록한다.

(9) 유속을 높이고 부하를 연결구로 밀어넣는다.

(10) 연결구에서 2시간동안 유속을 높게 유지시킨 다음 분리시킨다. 변수들과 결과들은 표 1, Ⅱ Ⅲ에 나타나 있으며 충진부터 침탄 초기까지가 "부하(load)시간이다. 침액(soak)"은 열전대가 조작온도에 도달하는 시간으로부터 침탄 종료시까지의 시간이다. "설명"에서 낮은 유속의 운반가스는 선위에 있다. 높은 유속의 운반가스는 선밑에 있다. 높은 유속의 운반가스가 플러그(+)표시보다 앞에 있을때는 낮은 유속의 운반가스를 높은 유속의 운반가스에 가하여 운반 가스 전체를 높은 유속으로 한다.

[표 1a]

[표 1b]

[표 1c]

[표 1d]

[표 1e]

[표 2]

[표 3]

X : 이산화탄소의 부피 퍼어센트

Y : 강철의 중량에 기초한 강철 표면에서 탄소의 예정중량 퍼어센트.

g : 강철중에 용해된 탄소의 활성계수

K_B: CO+H₂→C+H₂O 반응의 평형상수

Q : 수소의 부피 퍼어센트

인자 : "거의"로 표시한 상기한 수정인자.

실시예 4및 7은 종래의 높은 유속 공정과 비슷하다. 실시예 19에서 강철은 완전히 청색으로 변했으며, 표면 탄소는 탈탄화를 나타냈다.

실시예 13은 추진식 침탄에서 행할 수 있는 것과 같은 연속 공정이다. 외부통로를 매시간당 1분씩 두번 열어준다. 실시예 4,7 및 19를 제외하고 모든 실시예에서 각기의 통로를 개방시킨 후에 5분동안 높은 유속으로 향했로.

Claims (1)

1. 통로를 개방하여 이를 통해 침탄실내로 강철을 도입한 뒤 통로를 폐쇄하고 강철이 침탄된 때까지 약 1200-2200℉의 온도에서 침탄가스체에 강철을 노출시킨 다음 통로를 열어 강철을 회수하는 과정으로 이루어지는 적어도 하나의 침탄실(통로를 개방하고 폐쇄하는 장치가 있으며 강철이 침탄실로 들어가고 나오게 하는 단지 하나의 통로를 제외하고는 모두 밀폐된 침탄실)을 갖는 침탄로에서의 강철의 침탄 공정에 있어서, 운반가스의 유속을 통로가 폐쇄되었을 때는 저속으로 개방되었을 때는 고속으로 하되, 저유속 범위의 최소한 계는 유속이 되도록 하고 그 최대한계는 고유속 범위에서 최저 유속 1/2이하가 되도록 하여 운반가스를 침탄실 내에 도입시키고,

   Z_A를

   

   와 같은 수준으로 유지시키기에 충분한 양만큼의 기체 상에 탄화수소를 침탄실 내에 도입시켜서 그 조성이 기체의 전체부피에 기준하여 부피%로 일산화탄소4-30%, 수소 10-60% 질소 10-85%, 이산화탄소 0-4%, 수증기 0-5%, 그리고 탄화수소 1-10%로 이루어지는 침탄가스 체를 제공하고, 침탄가스체로 들어가는 산소를 제한시키기에 충분할 정도로 최소저 유속으로 약 10%정도의 탄화수소양으로 상기한 Z_A치를 유지하고, 최고 저유속을 최소 고유속의 약 절반 정도가 넘지 않게하고, 강철의 산화 및 탈탄화를 필수적으로 방지하기에 충분할 정도로 최소 고유속을행함을 특징으로 하여 강철을 가스침탄시키는 방법.

   (상기 식에서,

   Z_A는 이산화탄소의 부피%이고,

   X는 일산화 탄소의 부피%이고,

   K_A는 2CO→C+CO₂반응의 평형 상수이고,

   Y는 강철을 기초로 강철 표면에 존재하는 탄소의 미리 정해진 중량%이고,

   g는 강철에 용해된 탄소의 활성도 계수이다.