JP5648090B1 - Carburizing method - Google Patents
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Abstract
【課題】煤の発生を抑制し、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用ガスを用いて、高温迅速浸炭処理が可能な浸炭方法を提供する。【解決手段】燃焼室１０に炭化水素ガスと酸素ガスとを旋回流を形成させながら導入し、燃焼室１０内において、炭化水素と酸素とを旋回流火炎として燃焼させて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成し、当該混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして浸炭炉３に導入し、浸炭処理をすることを特徴とする浸炭方法を採用する。【選択図】図１The present invention provides a carburizing method capable of suppressing the generation of soot and performing a high-temperature rapid carburizing process using a carburizing gas containing carbon monoxide at a high concentration. A hydrocarbon gas and oxygen gas are introduced into a combustion chamber while forming a swirling flow, and the hydrocarbon and oxygen are combusted as a swirling flow flame in the combustion chamber, thereby carbon monoxide and hydrogen. A carburizing method is adopted, in which a mixed gas including the above is generated, introduced into the carburizing furnace 3 as a carburizing atmosphere gas, and carburized. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、浸炭方法に関するものである。 The present invention relates to a carburizing method.
一般的なガス浸炭処理（単に、浸炭処理ともいう）においては、浸炭炉内で被処理材を加熱しつつ、その浸炭炉の内部に一酸化炭素及び水素を含む浸炭用雰囲気ガス（単に、浸炭用ガス、変成ガスともいう）を導入する。浸炭用雰囲気ガスを生成する方法としては、ＬＮＧやＬＰＧ等のパラフィン系炭化水素ガスと空気とを混合した後、この混合した原料ガスを高温に保持されたニッケル触媒層を有する変成炉に導入し、空気中の酸素と炭化水素とを触媒反応（変成反応）させて一酸化炭素と水素とを含む浸炭用ガスを得る空気混合法が、従来から広く用いられている（例えば、特許文献１）。 In general gas carburizing treatment (also simply referred to as carburizing treatment), a carburizing atmosphere gas containing carbon monoxide and hydrogen inside the carburizing furnace (simply simply carburizing) while heating the material to be treated in the carburizing furnace. Gas, also called modified gas). As a method of generating a carburizing atmosphere gas, paraffinic hydrocarbon gas such as LNG or LPG is mixed with air, and then the mixed raw material gas is introduced into a shift furnace having a nickel catalyst layer maintained at a high temperature. An air mixing method for obtaining a carburizing gas containing carbon monoxide and hydrogen by catalytic reaction (transformation reaction) of oxygen and hydrocarbon in the air has been widely used (for example, Patent Document 1). .
しかしながら、酸素源として用いる空気には、約７８％（体積％、以下同じ）の窒素が含まれているため、生成する浸炭用ガス中の一酸化炭素および水素の濃度は、所定の濃度以上にはならないという課題があった。具体的には、例えば、炭素源としてメタンガスを用いた場合には、一酸化炭素濃度は２０％が限界であり、ブタンガスを用いた場合には、２３．５％が限界である。 However, since the air used as the oxygen source contains about 78% (volume%, hereinafter the same) nitrogen, the concentration of carbon monoxide and hydrogen in the carburizing gas to be generated is higher than a predetermined concentration. There was a problem that it should not be. Specifically, for example, when methane gas is used as the carbon source, the carbon monoxide concentration is 20%, and when butane gas is used, 23.5% is the limit.
ところで、浸炭処理においては、浸炭用ガス中の一酸化炭素濃度が低いと浸炭炉内で安定した浸炭雰囲気となりにくいことが知られている。特に、高温迅速浸炭処理では、高温でのガス平衡により、この傾向が顕著となる。このため、一酸化炭素濃度が高い浸炭用ガスが求められている。 By the way, in the carburizing process, it is known that if the carbon monoxide concentration in the carburizing gas is low, a stable carburizing atmosphere is hardly obtained in the carburizing furnace. In particular, in high-temperature rapid carburizing treatment, this tendency becomes remarkable due to gas equilibrium at high temperature. For this reason, a carburizing gas having a high carbon monoxide concentration is required.
また、浸炭用ガス中の一酸化炭素濃度を高くすることで、その他の効果も得られる。例えば、被処理材として孔を有する部品の浸炭処理をする場合には、孔の奥にまで十分に且つ均一に浸炭することが可能となるというメリットがある。さらに、細かな部品を積み重ねてベルトで搬送しながら浸炭処理をする場合には、ベルト上に積み重ねる部品の厚みを増すことが可能となるというメリットがある。 In addition, other effects can be obtained by increasing the carbon monoxide concentration in the carburizing gas. For example, when carburizing a part having a hole as a material to be processed, there is an advantage that it is possible to carburize sufficiently and uniformly to the depth of the hole. Furthermore, when carburizing is performed while stacking small parts and transporting them with a belt, there is a merit that the thickness of the parts stacked on the belt can be increased.
ところで、浸炭用ガス中の一酸化炭素濃度を高める方法としては、炭化水素ガスに混合する空気に代えて、二酸化炭素ガスを用いた変成反応により生成する方法が知られている。理論的には、例えば、メタンと二酸化炭素とのモル比を１：１として変成反応を行う場合、２モルの一酸化炭素と２モルの水素とが生成し、両者の濃度はそれぞれ５０％になる。さらに、炭化水素としてブタンを用いた場合は、４モルの二酸化炭素との反応で８モルの一酸化炭素と５モルの水素とが生成する。 By the way, as a method for increasing the carbon monoxide concentration in the carburizing gas, there is known a method in which the carbon monoxide concentration is generated by a shift reaction using carbon dioxide gas instead of air mixed with hydrocarbon gas. Theoretically, for example, when the transformation reaction is performed at a molar ratio of methane to carbon dioxide of 1: 1, 2 moles of carbon monoxide and 2 moles of hydrogen are produced, and the concentration of both is 50%. Become. Furthermore, when butane is used as the hydrocarbon, 8 moles of carbon monoxide and 5 moles of hydrogen are produced by reaction with 4 moles of carbon dioxide.
また、浸炭用ガスを生成する際に、酸素源に空気を使用しない例としては、特許文献２が知られている。この特許文献２には、炭化水素系ガスと水蒸気とを混合したものに酸素系ガスを加えて原料ガスとし、電気炉内で浸炭用雰囲気ガスを生成する方法が開示されている。
しかしながら、浸炭用ガスを生成する際、酸素源として空気ではなく二酸化炭素ガスを用いて高濃度の一酸化炭素を生成しようとすると、浸炭炉内で煤が発生するという大きな問題があった。 However, when carburizing gas is generated, if a high concentration of carbon monoxide is generated using carbon dioxide gas instead of air as an oxygen source, there is a big problem that soot is generated in the carburizing furnace.
例えば、酸素源として二酸化炭素ガスを用い、電気炉内で加熱したニッケル触媒により浸炭用ガスを生成する場合、炭化水素と二酸化炭素の変成反応が吸熱反応であることから、ヒーターからの熱の供給が不足し、ニッケル触媒層の一部に温度低下が生じると、その部分において変成反応が十分に進まずに煤が発生する。このように、浸炭用雰囲気ガス生成装置内で煤が大量に発生すると、ニッケル触媒層が詰まって装置の運転を継続できなくなってしまうという問題があった。 For example, when carbon dioxide gas is used as the oxygen source and carburizing gas is generated by a nickel catalyst heated in an electric furnace, the heat conversion from the hydrocarbon and carbon dioxide is an endothermic reaction. When the temperature is lowered in a part of the nickel catalyst layer, the metamorphic reaction does not proceed sufficiently in that part and soot is generated. As described above, when a large amount of soot is generated in the carburizing atmosphere gas generating device, there is a problem that the nickel catalyst layer is clogged and the operation of the device cannot be continued.
また、酸素源として酸素ガスを用いる場合、変成反応が発熱反応であることから、ニッケル触媒層における温度低下の問題は解消する。しかしながら、炭化水素と酸素との原料混合ガスが爆発限界を超えた混合比となってしまうため、酸素源として酸素ガスのみを使用する方法は、安全性の点で大きな課題があった。 Further, when oxygen gas is used as the oxygen source, the temperature reduction problem in the nickel catalyst layer is solved because the shift reaction is an exothermic reaction. However, since the raw material mixed gas of hydrocarbon and oxygen has a mixing ratio exceeding the explosion limit, the method using only oxygen gas as the oxygen source has a big problem in terms of safety.
したがって、酸素系の原料ガスとして空気に代えて二酸化炭素ガスや酸素ガスを使用する事で、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用ガスが得られるとしても、実際の装置では安全性や安定性を配慮する必要がある。具体的には、例えば、特許文献２に記載されているように、原料ガスとして予め炭化水素ガスに水蒸気を混合する方法や、空気を使用する空気添加方法を採用しているのが実状である。
Therefore, by using carbon dioxide gas or oxygen gas instead of air as the oxygen-based source gas, even if carburizing gas containing carbon monoxide at a high concentration can be obtained, safety and stability in the actual equipment It is necessary to consider. Specifically, for example, as described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、煤の発生を抑制し、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用ガスを用いて、高温迅速浸炭処理が可能な浸炭方法を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: The carburizing method which suppresses generation | occurrence | production of soot and can perform a high temperature rapid carburizing process using the carburizing gas which contains carbon monoxide in high concentration is provided. This is the issue.
本発明は、以下の構成を備える。
請求項１に係る発明は、燃焼室に炭化水素ガスと酸素ガスとを旋回流を形成させながら導入し、前記燃焼室内において、炭化水素と酸素とを旋回流火炎として燃焼させて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成し、
前記燃焼室から取り出した前記混合ガスを、液体中に送り込むことにより当該混合ガスを洗浄し、
洗浄した前記混合ガス中に含まれる前記液体成分を除去し、
前記混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして浸炭炉に導入し、浸炭処理をすることを特徴とする浸炭方法である。
The present invention has the following configuration.
The invention according to
The mixed gas taken out from the combustion chamber is washed into the liquid by sending it into the liquid,
Removing the liquid component contained in the washed mixed gas;
In the carburizing method, the mixed gas is introduced into a carburizing furnace as a carburizing atmosphere gas and carburized.
請求項２に係る発明は、前記浸炭炉内の温度を７５０℃〜９７０℃とすることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法である。
The invention according to
請求項３に係る発明は、前記浸炭炉から排出される排ガスを完全燃焼させることを特徴とする請求項１又は２に記載の浸炭方法である。
The invention according to
請求項４に係る発明は、前記旋回流が、前記燃焼室の内周壁の接線方向から当該燃焼室内に向かって前記炭化水素ガスと前記酸素ガスとを噴出させることによって形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の浸炭方法である。
The invention according to claim 4 is characterized in that the swirling flow is formed by ejecting the hydrocarbon gas and the oxygen gas from the tangential direction of the inner peripheral wall of the combustion chamber toward the combustion chamber. It is a carburizing method as described in any one of
請求項５に係る発明は、前記燃焼室から取り出した前記混合ガスを、炭化水素を分解することが可能な触媒と接触させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の浸炭方法である。 The invention according to claim 5 is characterized in that the mixed gas taken out from the combustion chamber is brought into contact with a catalyst capable of decomposing hydrocarbons. It is a carburizing method.
請求項６に係る発明は、前記燃焼室から取り出した前記混合ガスを、５０℃以下の温度まで１０００℃／ｓｅｃ以上で急冷することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の浸炭方法である。 The invention according to claim 6 is characterized in that the mixed gas taken out from the combustion chamber is rapidly cooled to a temperature of 50 ° C. or less at a rate of 1000 ° C./sec or more. This is a carburizing method.
請求項７に係る発明は、前記燃焼室から取り出した前記混合ガスを除湿して、露点を０℃以下とすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の浸炭方法である。
The invention according to
請求項８に係る発明は、前記燃焼室から取り出した前記混合ガスに、炭化水素ガスを添加することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の浸炭方法である。
The invention according to claim 8 is the carburizing method according to any one of
本発明の浸炭方法によれば、煤の発生を抑制しつつ、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用ガスを安全且つ安定して供給することができるため、高温迅速浸炭処理が可能となる。 According to the carburizing method of the present invention, the carburizing gas containing carbon monoxide at a high concentration can be supplied safely and stably while suppressing the generation of soot, so that a high-temperature rapid carburizing process can be performed.
以下、本発明を適用した一実施形態である浸炭方法について、これに用いる浸炭用雰囲気ガスの生成装置及び浸炭装置とあわせて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
Hereinafter, a carburizing method according to an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings together with a carburizing atmosphere gas generating device and a carburizing device used therefor.
In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.
先ず、本実施形態の浸炭方法に用いることが可能な浸炭装置の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭装置１は、浸炭用雰囲気ガス生成装置（浸炭用雰囲気ガスの生成装置）２と浸炭炉３とを備えて概略構成されている。この浸炭装置１は、浸炭用雰囲気ガス生成装置２によって生成した浸炭用ガスを浸炭炉３に導入して、浸炭炉３内の被処理材（図示略）を浸炭処理するものである。
First, the structure of the carburizing apparatus that can be used in the carburizing method of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, a
浸炭処理の対象となる被処理材としては、特に限定されるものではなく、各種の金属材料（鋼材）に対して適用することができる。特に、鉄系の金属材料が好ましく、特に好ましいのは、クロムモリブデン鋼などの合金鋼である。浸炭装置１を用いて被処理材を浸炭処理することにより、母材に炭素が固溶することで、その後の焼入処理により、少なくともその表層部に、母材より硬度の高い炭素固溶硬化層を形成することができる。
The material to be treated that is the object of the carburizing process is not particularly limited, and can be applied to various metal materials (steel materials). In particular, an iron-based metal material is preferable, and an alloy steel such as chromium molybdenum steel is particularly preferable. By carburizing the material to be treated using the
浸炭用雰囲気ガス生成装置２は、炭化水素ガスと支燃性ガスである酸素ガスとの燃焼反応によって、浸炭処理に用いる混合ガスである一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する装置である。この浸炭用雰囲気ガス生成装置２は、図１に示すように、浸炭用雰囲気ガスの生成装置本体４と、この生成装置本体４に接続される炭化水素ガス供給路（炭化水素ガスの供給路）Ｌ１、酸素ガス供給路（酸素ガスの供給路）Ｌ２及び混合ガス導出路（混合ガスの導出路）Ｌ３と、混合ガス導出路Ｌ３に設けられる熱交換器（冷却手段）５、バブラー（炭素除去手段）６及び除湿器（水分除去手段）７と、を備えている。
The carburizing atmosphere
生成装置本体４は、図２に示すように、上側部材（第１の部材）８と下側部材（第２の部材）９とを備え、それぞれのフランジ部８Ａ，９Ａによって互いに固定されて概略構成されている。
As shown in FIG. 2, the generator main body 4 includes an upper member (first member) 8 and a lower member (second member) 9, which are fixed to each other by
上側部材８は、筒状の本体部８Ｂを有している。この本体部８Ｂには、燃焼室１０となる筒状の内部空間（第１の内部空間）１０と、燃焼室１０内に向けて原料ガスを導入するための２以上の噴出孔１１とが設けられている。また、本体部８Ｂには、それぞれの噴出孔１１と連通するように、２以上の原料ガス供給管１２が設けられている。
The upper member 8 has a cylindrical
本体部８Ｂの内部空間、すなわち、燃焼室１０は、図２に示すように、一端１０ａが開放され、他端１０ｂが閉塞された筒状（好ましくは円筒状）の空間である。また、燃焼室１０の内周壁１０ｃには、噴出孔１１のそれぞれの開口部１１ａが設けられている。
As shown in FIG. 2, the internal space of the
噴出孔１１は、図３に示すように、燃焼室１０の筒状の内周壁１０ｃに開口部１１ａ，１１ｂを有している。また、各噴出孔１１は、内周壁１０ｃの接線方向から燃焼室１０内に向けて原料ガス（炭化水素ガス又は酸素ガス）を噴出（導入）できるように内周壁１０ｃの接線方向に沿った空間として形成されている。
As shown in FIG. 3, the
ここで、図３に示すように、燃焼室１０の内周壁１０ｃには、この燃焼室１０内に原料ガス成分の一つである炭化水素ガスを供給するための炭化水素ガス噴出孔１１Ａと、燃焼室１０内に原料ガス成分の一つである酸素ガスを供給するための酸素ガス噴出孔１１Ｂとが交互に接続されている。また、炭化水素ガス噴出孔１１Ａには炭化水素ガス供給管１２Ａが、酸素ガス噴出孔１１Ｂには酸素ガス供給管１２Ｂが、それぞれ接続されている。
Here, as shown in FIG. 3, on the inner
炭化水素ガス噴出孔１１Ａ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂの数量は、それぞれ１以上有していれば、特に限定されるものではない。また、炭化水素ガス噴出孔１１Ａ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂの数量は、同数とすることが好ましい。 The number of the hydrocarbon gas ejection holes 11A and the oxygen gas ejection holes 11B is not particularly limited as long as it has one or more. Moreover, it is preferable that the numbers of the hydrocarbon gas ejection holes 11A and the oxygen gas ejection holes 11B are the same.
ここで、炭化水素ガス噴出孔１１Ａ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂの数がそれぞれ１つである場合には、炭化水素ガス噴出孔１１Ａ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂのそれぞれの開口部１１ａと開口部１１ｂとが燃焼室１０の内周壁１０ｃにおいて互いに対向するように配置する。
Here, when the number of the hydrocarbon gas ejection holes 11A and the number of the oxygen gas ejection holes 11B is one, the
一方、炭化水素ガス噴出孔１１Ａ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂの数がそれぞれ２以上かつ同数である場合には、燃焼室１０の内周壁１０ｃの周方向においてそれぞれの開口部１１ａと開口部１１ｂとを交互に配置するとともに、隣接する開口部１１ａと開口部１１ｂとの間隔がいずれも等間隔となるように配置する（図３を参照）。
On the other hand, when the numbers of the hydrocarbon gas ejection holes 11A and the oxygen gas ejection holes 11B are two or more and the same number, respectively, the
なお、原料ガスとして、炭化水素ガスと酸素ガスとを分けずに、これらを予め混合したガス（予混合ガス）を、全ての原料ガス供給管１２及び噴出孔１１から燃焼室１０に供給する場合には、隣接する開口部１１ａの間隔が、燃焼室１０の内周壁１０ｃの周方向においていずれも等間隔となるように配置する。
When the raw material gas is not separated into hydrocarbon gas and oxygen gas, but a gas (premixed gas) mixed beforehand is supplied from all the raw material
また、噴出孔１１の鉛直方向の断面形状は、図２に示すように、開口部１１ａが筒状の燃焼室１０に対して、その軸方向に有効な開口長Ｌが確保される形状であれば、特に限定されるものではない。噴出孔１１の鉛直方向の断面形状は、具体的には、図２に示すように矩形であってもよいし、原料ガス供給管１２が接続されている側から開口部１１ａに向かって漸次拡径された形状であってもよい。
Further, as shown in FIG. 2, the cross-sectional shape of the
また、図２及び図３に示すように、開口部１１ａ，１１ｂの形状は、内周壁１０ｃに有効な開口面積を確保できていれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、開口部１１ａ，１１ｂは、図４（Ａ）に示すように複数の開口を軸線方向に並べたマルチホールによって形成してもよいし、図４（Ｂ）に示すように一つのスリット状に形成してもよい。なお、開口部１１ａ，１１ｂをスリット状に形成する場合、開口スリットの長辺を燃焼室の中心軸方向と平行となるように形成することが好ましい。
Moreover, as shown in FIG.2 and FIG.3, the shape of opening
このような構造とすることにより、内周壁１０ｃに設けられた開口部１１ａから炭化水素ガスを、開口部１１ｂから酸素ガスを、それぞれ、上記内周壁１０ｃの接線方向から燃焼室１０内に導入することができる。そして、この燃焼室１０内において、炭化水素と酸素とを旋回流を形成しながら燃焼させることで、燃焼室１０内に旋回流火炎を形成することができる。
With such a structure, hydrocarbon gas and oxygen gas are introduced into the
ところで、上述したように燃焼室１０内に、原料ガスが旋回流として導入され、旋回流火炎となるので、燃焼室１０の内周壁１０ｃの表面が火炎によって直接的に加熱されることは無い。しかし、酸素ガスを使用する事や、製作性を考慮すると、燃焼室１０（すなわち、上側部材８）は、ＳＵＳ等の金属製であることが望ましい。また、上側部材８（燃焼室１０）には、安全性を考慮して熱伝導度の大きいＣｕ材等を主材料とした、水冷構造を採用しても良い。ただし、生成したガスの組成に影響するため、燃焼室１０内を極端に冷却しないようにすることを要する。
By the way, since the raw material gas is introduced as a swirling flow into the
また、上側部材８の筒状の本体部８Ｂは、図２に示すように、下側部材９と接続するために、少なくとも燃焼室１０の一端１０ａ側が拡径されていることが好ましい。
In addition, as shown in FIG. 2, it is preferable that the cylindrical main body portion 8 </ b> B of the upper member 8 has an enlarged diameter at least at one
下側部材９は、図２に示すように、上側部材８と隣接して設けられている。具体的には、生成装置本体４を図１及び図２に示すように配設する場合には、下側部材９は、上側部材８の鉛直方向下側に設けられている。換言すると、下側部材９は、上側部材８に対して、ガスの流れ方向の二次側（下流側）に設けられている。
The
下側部材９は、図２に示すように、上側部材８と結合するためのフランジ部９Ａと筒状の本体部９Ｂとを有している。この本体部９Ｂには、燃焼室１０よりも容積の大きな、筒状の内部空間（第２の内部空間）１３が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
本体部９Ｂの内部空間１３は、一端１３ａ側（すなわち、フランジ部９Ａが形成されている側）が、燃焼室１０の一端１０ａよりも大きく開放されている。一方、内部空間１３の他端１３ｂ側には、排出口９ａが設けられている。
In the
ここで、内部空間１３は、上側部材８と下側部材９とがそれぞれのフランジ部８Ａ，９Ａによって固定されることにより、開放された一端１３ａ側が上側部材８の底面８ａによって閉塞される。換言すると、上側部材８の燃焼室（内部空間）１０と下側部材９の内部空間１３とは、上側部材８の底面８ａによって互いの空間に区分けされるとともに、底面８ａに設けられた燃焼室１０の一端１０ａ側の開口によって、互いに連通した空間となる。
Here, in the
また、内部空間１３には、触媒層１４が設けられている。この触媒層１４は、燃焼室１０で生成した混合ガス中に未燃の炭化水素が残っていた場合、その炭化水素を反応させるために設けられており、燃焼室１０と当該触媒層１４との間に所要の空間（滞留室１５）を確保するように、内部空間１３内の排出口９ａ側に設けられている。
A
触媒層１４を構成する触媒としては、炭化水素を一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とにすることが可能な触媒であれば、特に限定されるものではない。このような触媒としては、具体的には、例えば、ニッケル触媒を用いることが好ましい。なお、触媒の選定にあたっては、生成するガス温度によって触媒機能が損なわれないようなものを選定することを要する。
The catalyst constituting the
なお、本実施形態は、触媒層１４が下側部材９の内部空間１３内（すなわち、生成装置本体４内）に設けられた例を示すものであるが、これに限定されるものではない。触媒層１４は、生成装置本体４と別体として、燃焼室１０の後段に設けられていてもよい。
In addition, although this embodiment shows the example in which the
ところで、燃焼室１０において、原料ガスを燃焼させて一酸化炭素と水素との混合ガスを生成する際、生成するガス流量、温度或いは組成に幾分かの変動（いわゆる脈動）が生じる場合がある。しかしながら、生成装置本体４の後段に浸炭用ガスを供給する場合、安定したガス流量、温度及び組成で供給することが好ましい。そこで、生成装置本体４には、バッファー層として機能する滞留室１５が設けられている。
By the way, when the raw material gas is burned in the
滞留室１５は、内部空間１３内に設けられた、燃焼室１０よりも容積の大きな空間である。この滞留室１５は、図２に示すように、燃焼室１０と隣接するように、下側部材９の内部空間１３の、一端１３ａ側に設けられている。なお、内部空間１３内に触媒層１４が設けられている場合には、燃焼室１０と触媒層１４との間の空間が滞留室１５となる。一方、内部空間１３内に触媒層１４が設けられていない場合には、内部空間１３内が滞留室１５として機能することになる。
The
なお、本実施形態は、滞留室１５が下側部材９の内部空間１３内（すなわち、生成装置本体４内）に設けられた例を示すものであるが、これに限定されるものではない。滞留室１５は、生成装置本体４と別体として、燃焼室１０の後段となるように設けられていてもよい。
In addition, although this embodiment shows the example in which the
滞留室１５（すなわち、下側部材９）の材質は、特に限定されるものではないが、燃焼室１０で生成した混合ガスの温度が低下すると、煤等の発生要因となるため、断熱性の高い材質でできていることが望ましい。具体的には、耐火性能を有する一般的に用いられる耐火材を適宜選定することができる。
The material of the retention chamber 15 (that is, the lower member 9) is not particularly limited. However, if the temperature of the mixed gas generated in the
また、滞留室１５の容積は、特に限定されるものではない。しかしながら、滞留室１５において、燃焼室１０で生成したガスの滞留時間が長いとガス温度の低下の要因となりえる。このため、滞留室１５の容積は、生成するガス量と、目標とするガス温度とから適切な容積を適宜決定することが好ましい。
Further, the volume of the
炭化水素ガス供給路Ｌ１は、図１に示すように、生成装置本体４を構成する上側部材８に接続されている。また、炭化水素ガス供給路Ｌ１には、流量調整バルブ１６が設けられている。より具体的には、炭化水素ガス供給路Ｌ１は、図１及び図３に示すように、一端が炭化水素ガス供給管１２Ａに接続されており、他端が図示略の炭化水素ガスの供給源に接続されている。これにより、浸炭用雰囲気ガスの生成装置２は、炭化水素ガス供給路Ｌ１、炭化水素ガス供給管１２Ａ、炭化水素ガス噴出孔１１Ａを介して、所要の流量の炭化水素ガスを燃焼室１０に供給可能とされている。
As shown in FIG. 1, the hydrocarbon gas supply path L <b> 1 is connected to an upper member 8 that constitutes the generator main body 4. Further, a flow
原料となる炭化水素ガスは、特に限定されるものではなく、（メタン、プロパン、都市ガス、ＬＰＧ、ブタン）等の一般的な炭化水素ガスを用いることができる。また、炭化水素ガスの供給形態についても、特に限定されるものではなく、炭化水素ガス生成装置であっても、炭化水素ガスが充填されたボンベであってもよい。 The hydrocarbon gas used as a raw material is not particularly limited, and general hydrocarbon gas such as (methane, propane, city gas, LPG, butane) can be used. Also, the supply form of the hydrocarbon gas is not particularly limited, and it may be a hydrocarbon gas generator or a cylinder filled with hydrocarbon gas.
酸素ガス供給路Ｌ２は、図１に示すように、生成装置本体４を構成する上側部材８に接続されている。また、酸素ガス供給路Ｌ２には、流量調整バルブ１７が設けられている。より具体的には、酸素ガス供給路Ｌ２は、図１及び図３に示すように、一端が酸素ガス供給管１２Ｂに接続されており、他端が図示略の酸素ガスの供給源に接続されている。これにより、浸炭用雰囲気ガスの生成装置２は、酸素ガス供給路Ｌ２、酸素ガス供給管１２Ｂ、酸素ガス噴出孔１１Ｂを介して、所要の流量の酸素ガスを燃焼室１０に供給可能とされている。
As shown in FIG. 1, the oxygen gas supply path L <b> 2 is connected to an upper member 8 that constitutes the generator main body 4. In addition, a flow rate adjustment valve 17 is provided in the oxygen gas supply path L2. More specifically, as shown in FIGS. 1 and 3, the oxygen gas supply path L2 has one end connected to the oxygen
原料となる酸素ガスの供給形態は、特に限定されるものではなく、酸素ＰＳＡ等の酸素ガス生成装置であっても、酸素ガスが充填されたボンベであってもよい。また、酸素ガスの濃度は、９３〜１００％の範囲が好ましい。さらに酸素ガスは、窒素ガス等の不活性ガスもしくは空気によって希釈されていてもよい。 The supply form of the oxygen gas used as a raw material is not particularly limited, and may be an oxygen gas generator such as oxygen PSA or a cylinder filled with oxygen gas. The oxygen gas concentration is preferably in the range of 93 to 100%. Further, the oxygen gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen gas or air.
なお、図３に示すように、それぞれ２以上の炭化水素ガス噴出孔１１Ａと酸素ガス噴出孔１１Ｂとが交互に配置されている場合には、上側部材８にそれぞれ２以上の炭化水素ガス供給路Ｌ１と酸素ガス供給路Ｌ２とが交互に接続されることになる。 As shown in FIG. 3, when two or more hydrocarbon gas ejection holes 11 </ b> A and oxygen gas ejection holes 11 </ b> B are alternately arranged, two or more hydrocarbon gas supply paths are respectively provided in the upper member 8. L1 and the oxygen gas supply path L2 are alternately connected.
混合ガス導出路Ｌ３は、生成装置本体４を構成する下側部材９に接続されている。また、混合ガス導出路Ｌ３は、後述する混合ガス供給路Ｌ６を介して浸炭炉３の浸炭用雰囲気ガスの導入口３ａと接続されており、浸炭用ガスを浸炭炉３に供給可能とされている。
The mixed gas lead-out path L3 is connected to the
以上の構成により、生成装置本体４は、供給された原料ガスである炭化水素ガスと酸素ガスとを燃焼室１０において燃焼させて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガス（すなわち、浸炭用ガス）を生成することができる。そして、生成装置本体４によって生成した浸炭用ガスを浸炭炉３に供給可能とされている。
With the above-described configuration, the generator main body 4 burns the supplied raw material hydrocarbon gas and oxygen gas in the
なお、図１には、浸炭用雰囲気ガス生成装置２に接続された混合ガス供給路３に、熱交換器５、バブラー６、除湿機７を設けた例を示している。これら機器の機能を以下に詳述する。
In addition, in FIG. 1, the example which provided the heat exchanger 5, the bubbler 6, and the
熱交換器５は、図１に示すように、生成装置本体４によって生成された混合ガスを急冷するために設けられた冷却手段である。ここで、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスは、徐々に温度が低下していくと、ブードア反応によって煤が発生してしまう。このように煤を含む混合ガスは、浸炭用ガスとしては好ましくない。そこで、生成装置本体４の滞留室１５の後段（二次側）に熱交換器５を設けて、上記生成ガスを急冷することにより、ブードア反応による煤の発生を抑制することが好ましい。
As shown in FIG. 1, the heat exchanger 5 is a cooling means provided for rapidly cooling the mixed gas generated by the generator main body 4. Here, when the temperature of the mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen gradually decreases, soot is generated by the Boudoor reaction. Thus, the mixed gas containing soot is not preferable as a carburizing gas. Therefore, it is preferable to suppress the generation of soot due to the Boudoor reaction by providing the heat exchanger 5 in the subsequent stage (secondary side) of the
熱交換器５としては、具体的には、例えば、５０℃以下の温度まで２０００℃／ｓｅｃの冷却速度で急冷する能力を有するものが好ましい。また、熱交換器５の冷却源として水を用いることが好ましい。なお、熱交換器５は、冷却手段の一例であり、混合ガスを「急冷」可能なものであれば、特に限定されるものではない。 Specifically, as the heat exchanger 5, for example, a heat exchanger 5 having a capability of rapidly cooling to a temperature of 50 ° C. or lower at a cooling rate of 2000 ° C./sec is preferable. Moreover, it is preferable to use water as a cooling source of the heat exchanger 5. The heat exchanger 5 is an example of a cooling means, and is not particularly limited as long as the mixed gas can be “rapidly cooled”.
バブラー６は、図１に示すように、生成装置本体４によって発生した混合ガス中の微量の煤（炭素）を除去するために設けられた炭素除去手段である。熱交換器５の後段にバブラー６を設けて、生成した混合ガスを水中にバブリングして水洗することにより、生成装置本体４の後段において微量の煤が発生した場合であっても、この煤を混合ガス中から除去することができる。なお、熱交換器５を設けず、混合ガス導出路Ｌ３にバブラー６を直接接続してもよい。また、バブラー６は、炭素除去手段の一例であって、これに限定されるものではない。炭素除去手段としては、具体的には、例えば、フィルター等を用いることができる。さらに、混合ガス中の微量の煤を除去することができる溶媒は、水に限定されるものではなく、酸性ガスを吸収するような水溶液であってもよい。 As shown in FIG. 1, the bubbler 6 is a carbon removing means provided to remove a small amount of soot (carbon) in the mixed gas generated by the generator main body 4. Even if a small amount of soot is generated in the subsequent stage of the generator main body 4 by providing a bubbler 6 in the subsequent stage of the heat exchanger 5 and bubbling the generated mixed gas in water and washing it with water, It can be removed from the mixed gas. Note that the bubbler 6 may be directly connected to the mixed gas outlet L3 without providing the heat exchanger 5. Moreover, the bubbler 6 is an example of a carbon removal means, and is not limited to this. Specifically, for example, a filter or the like can be used as the carbon removing means. Furthermore, the solvent that can remove a small amount of soot in the mixed gas is not limited to water, and may be an aqueous solution that absorbs acidic gas.
除湿機７は、図１に示すように、生成装置本体４によって生成された混合ガス中の水分を除去するために設けられた水分除去手段である。ここで、浸炭炉３に供給する混合ガス中に水分が含まれていると、この水分が脱炭反応を引き起こすおそれがあるため、浸炭用雰囲気ガスとして好ましくない。特に、本実施形態では、炭素除去手段としてバブラー６を設けているため、バブラー６の後段に除湿機７を設けて、可能な限り混合ガス中の水分を除去することが好ましい。なお、除湿機７は、混合ガス中の水分除去手段の一例であって、これに限定されるものではない。水分除去手段としては、具体的には、（直膨コイル式冷却器）等を用いることができる。また、ガスコンプレッサー等を用いて混合ガスを昇圧することで水分を凝縮・除去することでも除湿は可能である。
As shown in FIG. 1, the
以上の構成により、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成装置２は、生成装置本体４において一酸化炭素と水素とを含む混合ガス（すなわち、浸炭用雰囲気ガス）を生成するとともに、生成した混合ガス中の煤の発生を抑制することができる。また、混合ガス中の炭素成分及び水分が十分に除去された浸炭用雰囲気ガスを、除湿機７に接続された混合ガス供給路Ｌ６を介して浸炭炉３に供給することができる。
With the above configuration, the carburizing atmosphere
本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭装置１は、被処理材を収納した浸炭炉３内に、浸炭用雰囲気ガス生成装置２によって生成した浸炭用雰囲気ガスを導入し、炉内を加熱することによって被処理材を浸炭処理する装置である。この浸炭炉３は、図１に示すように、浸炭用雰囲気ガス生成装置２から供給される浸炭用雰囲気ガスの導入口３ａと、浸炭炉３の外側に浸炭用雰囲気ガスを排出する排気口３ｂと、を有している。また、導入口３ａには混合ガス供給路Ｌ６が接続されており、排気口３ｂには排気ガス排出路Ｌ４が接続されている。
The
混合ガス供給路Ｌ６は、浸炭用雰囲気ガスの生成装置２から浸炭炉３内に浸炭用雰囲気ガスを導入するために設けられている。具体的には、図１に示すように、混合ガス供給路Ｌ６の一端が除湿機７に接続されており、他端が浸炭炉３の導入口３ａに接続されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、混合ガス導出路Ｌ３と混合ガス供給路Ｌ６とが別構成の例を示しているがこれに限定されるものではなく、混合ガス導出路Ｌ３と混合ガス供給路Ｌ６とが一体とされた構成であってもよい。
The mixed gas supply path L6 is provided to introduce the carburizing atmosphere gas from the carburizing
排気ガス排出路Ｌ４は、浸炭炉３内に導入された浸炭用雰囲気ガスを、浸炭炉３の外部（すなわち、浸炭装置１の外部）へと排出するために設けられている。この排気ガス排出路Ｌ４には、排気ガスを燃焼させるための燃焼バーナ１８が設けられている。このように、浸炭炉３の後段に燃焼バーナ１８を設けて、浸炭炉３から排出された排気ガスを高温にすることにより、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とを燃焼させて二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）として大気に排出することができる。なお、燃焼バーナ１８は、排気ガスを高温にする手段の一例であって、これに限定されるものではない。燃焼バーナ１８にかえて、点火プラグ等を設けてもよい。
The exhaust gas discharge path L4 is provided for discharging the carburizing atmosphere gas introduced into the
また、浸炭炉３は、図１に示すように、炭化水素ガスの導入口３ｃを有している。この炭化水素ガスの導入口３ｃには、流量調整バルブ１９が設けられた炭化水素ガス供給路Ｌ５が接続されている。これにより、浸炭炉３は、図示略の炭化水素ガスの供給源から炭化水素ガス供給路Ｌ５を介して、所要の流量の炭化水素ガスを浸炭炉３内に供給可能とされている。
The
なお、浸炭炉３内に供給する炭化水素ガスは、特に限定されるものではなく、ＬＰＧ、ブタン等の一般的な炭化水素ガスを用いることができる。また、炭化水素ガスの供給形態についても、特に限定されるものではなく、炭化水素ガス生成装置であっても、炭化水素ガスが充填されたボンベであってもよい。
The hydrocarbon gas supplied into the
次に、上述した浸炭用雰囲気ガス生成装置２及び浸炭装置１を用いた、本実施形態の浸炭処理について、以下に詳細に説明する。
Next, the carburizing process of this embodiment using the above-described carburizing atmosphere
（浸炭用雰囲気ガスの生成方法）
本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成方法は、炭化水素ガスと支燃性ガスとの燃焼反応によって、浸炭処理に用いる混合ガスである一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する方法であって、燃焼室１０に炭化水素ガスと酸素ガスとを旋回流を形成させながら導入し、燃焼室１０内において、炭化水素と酸素とを旋回流火炎として燃焼させて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成するものである。
(Method for generating carburizing atmosphere gas)
The carburizing atmosphere gas used in the carburizing method of the present embodiment includes a carburizing atmosphere containing carbon monoxide and hydrogen, which is a mixed gas used for carburizing treatment, by a combustion reaction between a hydrocarbon gas and a combustion-supporting gas. A method for generating a gas, wherein hydrocarbon gas and oxygen gas are introduced into the
具体的には、先ず、生成装置本体４内の燃焼室１０に、原料ガス（炭化水素ガス及び酸素ガス）を導入する。ここで、原料ガスのうち炭化水素ガスは、図１〜図３に示すように、図示略の炭化水素ガス供給源から、炭化水素ガス供給路Ｌ１、炭化水素ガス供給管１２Ａ及び炭化水素ガス噴出孔１１Ａを介して、所要の流量の炭化水素ガスを燃焼室１０に導入する。一方、原料ガスのうち酸素ガスは、図示略の酸素ガス供給源から、酸素ガス供給路Ｌ２、酸素ガス供給管１２Ｂ及び酸素ガス噴出孔１１Ｂを介して、所要の流量の酸素ガスを燃焼室１０に導入する。
Specifically, first, a raw material gas (hydrocarbon gas and oxygen gas) is introduced into the
なお、燃焼室１０内における炭化水素ガスと酸素ガスとの混合比（流量比）は、混合した原料ガス中の理論酸素比が０．３〜０．８の範囲となるように調整する。これにより、例えば、炭化水素ガスがメタンである場合、メタン２モルに対し酸素ガス１モルとなる流量にすると、水素２モル、一酸化炭素２モルの混合ガスが得られる。
The mixing ratio (flow rate ratio) between the hydrocarbon gas and the oxygen gas in the
ここで、上述したように浸炭用雰囲気ガス生成装置２を構成する生成装置本体４は、図３に示すように、燃焼室１０に炭化水素ガス噴出孔１１Ａと酸素ガス噴出孔１１Ｂとが交互に接続されるとともに、これらの噴出孔１１Ａ，１１Ｂ（噴出孔１１）が燃焼室１０の内周壁１０ｃの接線方向に沿った空間として形成されている。したがって、炭化水素ガス及び酸素ガスは、内周壁１０ｃの接線方向から燃焼室１０内に向けて導入され、この燃焼室１０内において、旋回流を形成しながら燃焼することで旋回流火炎が形成される。
Here, as described above, the generator main body 4 constituting the carburizing
このように、原料ガス（炭化水素ガス及び酸素ガス）を旋回流火炎状態で燃焼反応させることにより、一酸化炭素と水素との混合ガスを生成する。なお、本実施形態では、炭化水素ガスと酸素ガスとを別々に高速で燃焼室１０内に吹き込むことで、燃焼室１０の内周壁１０ｃに近い領域で、それぞれのガスが効率よく混合される。そのため、実質的に予混合ガスが燃焼する場合とほぼ同様の火炎形状となるが、予混合ガスが燃焼する場合と異なり、噴出孔１１の開口部１１ａへの逆火のおそれがない。したがって、原料ガス中の酸素比やガス量の変動幅を大きくとることができる。
In this way, a raw material gas (hydrocarbon gas and oxygen gas) is subjected to a combustion reaction in a swirling flame state, thereby generating a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen. In the present embodiment, the hydrocarbon gas and the oxygen gas are separately blown into the
なお、原料ガスとして、炭化水素ガスと酸素ガスとを分けずに、これらを予め混合したガス（予混合ガス）を、全ての原料ガス供給管１２から燃焼室１０に供給することも可能である。ただし、その場合には逆火が生じないような工夫（構造あるいは方法）が必要である。
In addition, it is also possible to supply the gas (premixed gas) which mixed these beforehand as raw material gas from all the raw material
また、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成方法によれば、燃焼室１０内に導入する炭化水素ガス量に対する酸素ガス量を任意に変化させることによって、生成する混合ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素との比率を調整する事が可能である。したがって、後述する浸炭処理を行う被処理材（鋼材）の種類によって、ＣＰ値（カーボンポテンシャル、浸炭能力）を調整する事が出来る。
Further, according to the method for generating the carburizing atmosphere gas used in the carburizing method of the present embodiment, the amount of oxygen gas relative to the amount of hydrocarbon gas introduced into the
また、本実施形態の浸炭用雰囲気ガス生成方法では、旋回流火炎状態での燃焼反応により混合ガスを生成するため、電気炉で炭化水素と空気とを加熱することによって生成する場合と異なり、温度のバラツキが少なく、ガス組成が均一な混合ガスを得ることができる。さらに、本実施形態の浸炭方法に用いる燃焼室１０における旋回流火炎での燃焼反応は、予混合ガスによる燃焼に近い状態であるため、酸素の利用効率を高める事ができる。これにより、炭化水素ガスに対する酸素ガス量を、理論量より下げた条件（理論酸素比で０．３まで下げることが可能）でも燃焼させることができるため、浸炭用雰囲気ガスとして必要な、一酸化炭素と水素とを効率よく生成する事が出来る。例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）を原料ガスとして用いた場合には、生成ガス中の一酸化炭素と水素との混合比（Ｈ２／ＣＯ）が０．６５〜１．２の範囲の混合ガスを生成することができる。
In addition, in the carburizing atmosphere gas generation method of the present embodiment, since a mixed gas is generated by a combustion reaction in a swirling flow flame state, the temperature is different from that generated by heating hydrocarbons and air in an electric furnace. A gas mixture with a uniform gas composition can be obtained. Furthermore, since the combustion reaction in the swirling flame in the
また、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成方法では、旋回流火炎を形成するための燃料ガス（炭化水素ガス）と支燃性ガス（酸素ガス）との混合性が良好であり、局所的な低温領域が出来ないため、原料ガスである炭化水素ガスの未燃分の残量も少ない。そのため、混合ガスを生成するときに、空気混合法のような触媒を必要としない。 Further, in the method for generating the carburizing atmosphere gas used in the carburizing method of the present embodiment, the mixing property of the fuel gas (hydrocarbon gas) and the combustion-supporting gas (oxygen gas) for forming the swirling flow flame is good. In addition, since a local low temperature region cannot be formed, the remaining amount of unburned hydrocarbon gas as the raw material gas is small. Therefore, a catalyst such as an air mixing method is not required when the mixed gas is generated.
なお、本実施形態では、原料ガスが旋回流として燃焼室１０内に導入されるので、その内周壁１０ｃが旋回流火炎によって直接的に加熱されることは無い。また、旋回流火炎の先端は、燃焼室１０の一端１０ａ側から滞留室１５（内部空間１３）内まで到達しても良い。そのような燃焼状態の場合には、本体部８Ｂの下端部側は火炎により熱せられるので、上側部材８を冷却することが好ましい。
In the present embodiment, since the source gas is introduced into the
次に、上述したように、生成装置本体４内に、燃焼室１０よりも容積の大きな滞留室１５を設け、この滞留室１５内に生成した一酸化炭素と水素との混合ガスを一時的に貯留することにより、後段の浸炭炉３に供給する際に脈動を抑制することができる。
Next, as described above, the
次に、図１及び図２に示すように、生成した一酸化炭素と水素との混合ガスを、滞留室１５の後段に設けた触媒層１４と接触させて反応させる。これにより、混合ガス中に残留する未燃の炭化水素ガスを除去することができる。このように、生成装置本体４の燃焼室１０において生成された混合ガスを、滞留室１５及び触媒層１４を経た後、排出口９ａから混合ガス導出路Ｌ３に供給する。
Next, as shown in FIGS. 1 and 2, the produced mixed gas of carbon monoxide and hydrogen is brought into contact with the
本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成方法では、滞留室１５（すなわち、生成装置本体４）から混合ガス導出路Ｌ３に供給した混合ガスを、滞留室１５の後段に設けた熱交換器５によって、５０℃以下の温度まで１０００℃／ｓｅｃ以上（好ましくは、２０００℃／ｓｅｃ）の速度で急冷することが好ましい。このように、混合ガスを熱交換器５で常温まで急冷させることで、ブードア反応による混合ガス中の煤の発生を抑制する事が出来る。
In the method for generating the carburizing atmosphere gas used in the carburizing method of the present embodiment, the mixed gas supplied from the staying chamber 15 (that is, the generator main body 4) to the mixed gas lead-out path L3 is heat provided in the subsequent stage of the staying
また、上述の浸炭用雰囲気ガスの生成方法では、滞留室１５（すなわち、生成装置本体４）から混合ガス導出路Ｌ３に供給した混合ガス中に微量の煤が発生した場合に、混合ガス導出路Ｌ３に設けられた水槽を有するバブラー６に混合ガスを送通することが好ましい。このバブラー６において、混合ガスを水中にバブリングしてガスを水洗することにより、混合ガス中に存在する微量の煤を除去することができる。 Further, in the above-described method for generating the carburizing atmosphere gas, when a small amount of soot is generated in the mixed gas supplied from the staying chamber 15 (that is, the generator main body 4) to the mixed gas outlet L3, the mixed gas outlet It is preferable to feed the mixed gas to a bubbler 6 having a water tank provided at L3. In this bubbler 6, a small amount of soot present in the mixed gas can be removed by bubbling the mixed gas into water and washing the gas with water.
さらに、上述の浸炭用雰囲気ガスの生成方法では、バブラー６に送通することで混合ガス中の微量の煤を除去した場合、水洗によって混合ガス中に水分が含まれるため、バブラー６の後段に設けた除湿機７によって可能な限り混合ガス中の水分を除去することが好ましい。具体的には、除湿機７による除湿後の混合ガスの露点を０℃以下とすることが好ましい。
Further, in the above-described method of generating the carburizing atmosphere gas, when a small amount of soot is removed from the mixed gas by passing it through the bubbler 6, water is contained in the mixed gas by washing with water. It is preferable to remove moisture in the mixed gas as much as possible by the provided
以上のように、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガスの生成方法によれば、浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いることにより、煤の発生を抑制しつつ、高温迅速浸炭用ガスとして好適な一酸化炭素を高濃度に含む混合ガスを、安全且つ安定して生成して、浸炭用雰囲気ガスとして浸炭炉３に供給することができる。
As described above, according to the carburizing atmosphere gas generating method used in the carburizing method of the present embodiment, by using the carburizing atmosphere
（浸炭方法）
本実施形態の浸炭方法は、図１に示すように、被処理材（鋼材）を収納した浸炭炉３に上述した浸炭用雰囲気ガスの生成方法によって生成した浸炭用雰囲気ガスを導入し、この浸炭炉３内の温度を７５０℃〜９７０℃まで加熱して浸炭処理を行う。
(Carburizing method)
As shown in FIG. 1, the carburizing method of the present embodiment introduces the carburizing atmosphere gas generated by the carburizing atmosphere gas generating method described above into the
ところで、下式（１）及び（２）は、浸炭脱炭反応を示したものである。ここで、下式（１）及び（２）において、反応が右に進めば浸炭が進行し、やがて鋼中の炭素量が増減せず一定になる。これを平衡になるといい、この反応を平衡反応と呼んでいる。このときの炭素量を平衡炭素濃度（カーボンポテンシャル）といって、浸炭性雰囲気の性能はこの形で表される。
Ｆｅ＋２ＣＯ ←→ ［Ｆｅ＋Ｃ］＋ＣＯ２ ・・・（１）
Ｆｅ＋ＣＯ＋Ｈ２ ←→ ［Ｆｅ＋Ｃ］＋Ｈ２Ｏ ・・・（２）
By the way, the following formulas (1) and (2) show a carburization and decarburization reaction. Here, in the following formulas (1) and (2), if the reaction proceeds to the right, carburization proceeds, and eventually the amount of carbon in the steel becomes constant without increasing or decreasing. This is called equilibrium, and this reaction is called equilibrium reaction. The amount of carbon at this time is called the equilibrium carbon concentration (carbon potential), and the performance of the carburizing atmosphere is expressed in this form.
Fe + 2CO ← → [Fe + C] + CO 2 (1)
Fe + CO + H 2 ← → [Fe + C] + H 2 O (2)
本実施形態の浸炭方法では、浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いるため、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用雰囲気ガスを浸炭炉３内に供給することができる。しかしながら、浸炭処理の対象となる鋼材の種類及び炭素含有量によっては、浸炭用雰囲気ガス生成装置２において生成された浸炭用雰囲気ガス中のＣＯ／ＣＯ２の比率では、十分に浸炭処理できない場合がある。
In the carburizing method of the present embodiment, since the carburizing
そのような場合、本実施形態の浸炭方法では、図１に示すように、図示略の炭化水素ガスの供給源から炭化水素ガス供給路Ｌ５及び炭化水素導入口３ｃを介して、所要量の炭化水素ガスを浸炭炉３内に導入することが好ましい。
In such a case, in the carburizing method of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a required amount of carbonization is performed from a hydrocarbon gas supply source (not shown) via a hydrocarbon gas supply path L5 and a
ここで、浸炭処理の処理温度に加熱された浸炭炉３内には浸炭用雰囲気ガスが導入されているが、高温の浸炭炉３において浸炭用雰囲気ガス中に、エンリッチガスと呼ばれる炭化水素ガスを混合すると、その炭化水素の一部が雰囲気中の脱炭性ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とに分解する。
Here, the carburizing atmosphere gas is introduced into the
その結果、浸炭炉３内の浸炭炉雰囲気ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）の分圧が低下して、上記式（１）及び（２）の右側への反応が進むため、生成ガス（すなわち、浸炭炉３内の浸炭用雰囲気ガス）のカーボンポテンシャル（以下、「ＣＰ」という）を高めることができる。これにより、エンリッチガスを供給する前では浸炭処理が困難であった被処理材であっても浸炭処理が可能となる。
As a result, the partial pressures of carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) in the carburizing furnace atmosphere gas in the
また、浸炭処理において、処理温度は浸炭速度を支配する因子として大きな影響を与えるため、処理温度が高いほど鋼材内における炭素の拡散速度、すなわち浸炭速度が高くなる。そのため、処理時間の短縮を目的とした場合には、より高温での浸炭処理が望まれる。なお、浸炭時には、鋼材に導入する炭素量を調整するためにＣＰを安定的に制御することが必要である。しかしながら、上記ＣＰは、その性質上、温度が高くなるほど、同じ一酸化炭素（ＣＯ）濃度において平衡する二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が低くなるため、上記式（１）及び（２）の反応は左側に進むことになる。 Further, in the carburizing process, the processing temperature has a great influence as a factor governing the carburizing rate, so that the higher the processing temperature, the higher the carbon diffusion rate in the steel material, that is, the carburizing rate. Therefore, carburizing at a higher temperature is desired for the purpose of shortening the processing time. During carburizing, it is necessary to stably control the CP in order to adjust the amount of carbon introduced into the steel material. However, because of the nature of the CP, the higher the temperature, the lower the carbon dioxide (CO 2 ) concentration that is equilibrated at the same carbon monoxide (CO) concentration, so the reactions of the above formulas (1) and (2) are Proceed to the left.
ところで、上述した特許文献１に記載されている、炭化水素ガスと空気とを原料として生成した変成ガスの場合には、もっとも変性ガス中のＣＯ濃度が高くなるブタンガスを原料として用いた場合であっても、その一酸化炭素（ＣＯ）濃度は約２４％程度である。そのため、上記約２４％の一酸化炭素（ＣＯ）を含む変成ガスを用いて、仮に１０５０℃での浸炭処理を行おうとして、浸炭炉内のＣＰを１．１％で制御しようとした場合、平衡する二酸化炭素（ＣＯ２）濃度は０．０４３％と１ケタ低い濃度で制御する必要があり、分析精度及びエンリッチガスの流量制御の面において安定した雰囲気形成が難しいという問題があった。
By the way, in the case of the modified gas described in the above-mentioned
これに対して、本実施形態の浸炭方法によれば、浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いて生成した浸炭用雰囲気ガス（エンリッチガス導入後の変成ガス）は、そのガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が約４２％である。したがって、同じ１０５０℃にて浸炭処理を行おうとして、浸炭炉内のＣＰを１．１％で制御する場合、平衡する二酸化炭素（ＣＯ２）濃度は０．１３２％である。この値は、従来の変成炉で生成した約２４％の一酸化炭素ガスを含む変成ガスを用いた場合での、９３５℃の処理温度における浸炭炉内のＣＰ１．１％に相当する二酸化炭素（ＣＯ２）濃度であることから、本実施形態の浸炭方法は高温での雰囲気制御が容易となるという効果が得られる。 On the other hand, according to the carburizing method of the present embodiment, the carburizing atmosphere gas generated by using the carburizing atmosphere gas generating device 2 (the modified gas after introducing the enriched gas) is included in the gas. The concentration of carbon (CO) is about 42%. Therefore, when the same carburizing process is performed at 1050 ° C. and the CP in the carburizing furnace is controlled at 1.1%, the equilibrium carbon dioxide (CO 2 ) concentration is 0.132%. This value corresponds to carbon dioxide corresponding to CP 1.1% in the carburizing furnace at a treatment temperature of 935 ° C. when using a conversion gas containing about 24% carbon monoxide gas generated in a conventional conversion furnace. since CO 2) is the concentration, carburizing method of this embodiment effect is obtained that it is easy to atmosphere controlled at a high temperature.
なお、本実施形態の浸炭方法によれば、図１に示すように、浸炭炉３から排出された排ガスを排気ガス排出路Ｌ４に設けられた燃焼バーナ１８によって高温にすることにより、排ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とを燃焼させて二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）として大気に排出することが好ましい。
In addition, according to the carburizing method of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the exhaust gas discharged from the
以上説明したように、本実施形態の浸炭方法に用いる浸炭用雰囲気ガス生成装置２及び浸炭用雰囲気ガスの生成方法によれば、炭化水素ガスと酸素ガスとを旋回流火炎として燃焼させて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成することにより、煤の発生を抑制しつつ、高温迅速浸炭用ガスとして好適な、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用ガスを安全且つ安定して生成することができる。
As described above, according to the carburizing atmosphere
また、本実施形態の浸炭方法によれば、煤の発生を抑制しつつ、一酸化炭素を高濃度に含む浸炭用雰囲気ガスを安全且つ安定して浸炭炉３に供給することができるため、高温迅速浸炭処理が可能となる。
Moreover, according to the carburizing method of the present embodiment, the carburizing atmosphere gas containing carbon monoxide at a high concentration can be safely and stably supplied to the
ところで、従来から浸炭用雰囲気ガス（変成ガス）の生成に用いられている変成炉では、変成ガスの生成反応が吸熱反応であるため、変成反応に必要な熱量を外部から変成炉に補給して運転する必要があった。その結果、変成炉の運転には多くの電力を消費することが一般に知られており、大気圧付近にて操業を行うガス浸炭処理においては操業時に消費する電力の増大を招く原因になっているのが実情であった。 By the way, in a shift furnace conventionally used for generating carburizing atmosphere gas (metamorphic gas), the shift gas generation reaction is an endothermic reaction, so the heat required for the shift reaction is supplied to the shift furnace from the outside. I needed to drive. As a result, it is generally known that a large amount of electric power is consumed for the operation of the shift furnace, and in the gas carburizing process that operates near atmospheric pressure, it causes an increase in electric power consumed during operation. It was the actual situation.
これに対して、浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いた浸炭用雰囲気ガスの生成方法では、酸素系の原料ガスとして酸素ガスを使用した燃焼反応、すなわち、発熱反応を利用した変成反応であるため、反応の維持に必要な熱補給は不要である。したがって、従来型の吸熱反応を用いた変成炉と比較して、変成ガスの生成に必要なエネルギーを大幅に削減できるという効果が得られる。
In contrast, the carburizing atmosphere gas generation method using the carburizing atmosphere
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態の浸炭用雰囲気ガス生成装置２では、図１に示すように、生成装置本体４内に触媒層１４を設けるとともにこの生成装置本体４の後段に熱交換器５、バブラー６及び除湿機７を配設した場合を説明したが、これらの設備を省略した装置構成として、生成装置本体４の滞留室１５から浸炭炉３に直接浸炭用雰囲気ガスを供給する態様としても良い。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the carburizing atmosphere
すなわち、上記実施形態の浸炭用雰囲気ガスの生成方法により生成した浸炭用ガスは、煤もほとんど発生しないため、生成した混合ガスを、滞留室１５（すなわち生成装置本体４）から直接浸炭炉３に雰囲気ガスとして導入することが可能である。この場合、燃焼排ガスとなる一酸化炭素と水素との混合ガスは、理論平衡温度に近い温度で浸炭炉３内に吹き込む事が可能であるため、浸炭炉３の熱源としても利用が可能である。
That is, since the carburizing gas generated by the method for generating the carburizing atmosphere gas of the above embodiment hardly generates soot, the generated mixed gas is directly transferred to the
また、上記実施形態では、エンリッチガスとして浸炭用雰囲気ガス中に導入する炭化水素ガスの供給口３ｃを浸炭炉３に設ける場合を説明したが、浸炭用雰囲気ガス生成装置２側（例えば、混合ガス供給路Ｌ６）に設け、浸炭炉３へ導入する前に混合ガスに添加してもよい。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the
以下に、具体例を示す。
（実施例１）
図１〜図３に示す浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いて、一酸化炭素と水素とを含む混合ガスを生成した。ここで、原料の炭化水素ガスとしてプロパンを用いるとともに、炭化水素ガスと酸素ガスとを混合した原料ガス中の酸素濃度比を０．３〜０．８とした場合の、生成した混合ガス中の一酸化炭素濃度及び水素ガス濃度を測定した。この結果を図５に示す。なお、生成した混合ガス中の各成分の濃度は、触媒層１４の出口において測定した。
A specific example is shown below.
Example 1
The mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen was produced | generated using the carburizing atmosphere gas production |
図５は、原料ガス中の酸素濃度比と、生成ガス中の一酸化炭素濃度及び水素濃度との関係を示す図である。この図５中には、実測値（測定点）と、理論平衡値（実線）とが、記されている。図５に示すように、本発明の浸炭用雰囲気ガス生成装置２を用いて生成した一酸化炭素と水素とを含む混合ガスは、原料ガス中の酸素濃度比がいずれの場合も、理論平衡値に近いガス組成の混合ガスとなることがわかった。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the oxygen concentration ratio in the raw material gas, the carbon monoxide concentration and the hydrogen concentration in the product gas. In FIG. 5, an actual measurement value (measurement point) and a theoretical equilibrium value (solid line) are shown. As shown in FIG. 5, the mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen generated using the carburizing
（実施例２）
図１に示す浸炭装置１を用いて浸炭処理を実施した。具体的には、実施例１において、原料の炭化水素ガスとしてプロパンを用いるとともに、炭化水素ガスと酸素ガスとを混合した原料ガス中の酸素濃度比を０．４０として生成した浸炭用ガスを２．０ｍ３／ｈの供給速度で、内容積１．０ｍ３、９３５℃の浸炭炉３に導入し、浸炭炉３内の雰囲気組成をコイル式カーボンポテンシャルメーター（以下、「ＣＰメーター」という）にて測定したところ、炉内のＣＰは０．３０％であった。この浸炭炉３に、エンリッチガスとしてプロパンガスを添加して炉内のＣＰを上昇させた。ＣＰメーターにて炉内のＣＰを測定したところ、ＣＰは１．１５％であった。このとき、浸炭炉３内では、操業の妨げとなるような煤の発生などは確認されなかった。
(Example 2)
Carburizing treatment was performed using the
次に、エンリッチガスを添加した浸炭炉３において、直径３０ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＣＭ４２０Ｈ製の丸棒１００ｋｇを、幅３８０ｍｍ、高さ１３０ｍｍ、奥行き５００ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ製のバスケットに入れ、浸炭温度９３５℃、浸炭ＣＰ１．１５％、浸炭時間２１０分、拡散温度９３５℃、拡散ＣＰ０．８０％、拡散時間１２０分、焼入れ温度８５０℃、焼入れＣＰ０．８０％、焼入れ均熱時間３５分にて加熱後、６５℃のコールド油中にて２０分の浸炭焼入れ処理を行った。浸炭焼入れ後の丸棒を切断および研磨し、切断面における有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）を、マイクロビッカース硬度計を用いて測定した結果、１．３２ｍｍであった。
Next, in the
（比較例１）
天然ガスを原料とし、空気を適量混ぜ、１０５０℃に設定した従来型の変成炉を用いて浸炭用ガス（ＲＸガス）を生成した。変成炉出口において、このＲＸガスの組成をガスクロマトグラフにて測定したところ、ＣＯ：２０．１％、ＣＯ２：０．３５％、Ｈ２：３９．５％（残部：Ｎ２）であった。このＲＸガスを、実施例２と同様に、９３５℃に設定した浸炭炉に２．０ｍ３／ｈの供給速度で導入し、ＣＰメーターにて測定したところ、炉内のＣＰは０．３８％であった。この浸炭炉に、実施例２と同様に、エンリッチガスとしてプロパンガスを添加して炉内のＣＰを上昇させた。ＣＰメーターにて炉内のＣＰを測定したところ、ＣＰは１．１５％であった。また、浸炭炉内では、問題となるような煤の発生は認められなかった。
(Comparative Example 1)
Carburizing gas (RX gas) was generated using a conventional shift furnace set at 1050 ° C., using natural gas as a raw material, and an appropriate amount of air. In reforming furnace outlet, the composition of the RX gas was measured by gas chromatography, CO: 20.1%, CO 2 : 0.35%, H 2: was: 39.5% (N 2 balance) . As in Example 2, this RX gas was introduced into a carburizing furnace set at 935 ° C. at a supply rate of 2.0 m 3 / h and measured with a CP meter. The CP in the furnace was 0.38% Met. To this carburizing furnace, as in Example 2, propane gas was added as an enriched gas to raise the CP in the furnace. When CP in the furnace was measured with a CP meter, CP was 1.15%. Also, no problematic soot was found in the carburizing furnace.
次に、浸炭炉にＲＸガスを導入した以外は、上記実施例２と同じ条件を用いて、直径３０ｍｍ、長さ５０ｍｍのＳＣＭ４２０Ｈ製の丸棒１００ｋｇの浸炭焼入れ処理を行った。マイクロビッカース硬度計を用いて有効硬化層深さを測定した結果、１．１８ｍｍであった。 Next, carburizing and quenching of 100 kg of a round rod made of SCM420H having a diameter of 30 mm and a length of 50 mm was performed using the same conditions as in Example 2 except that RX gas was introduced into the carburizing furnace. As a result of measuring the effective hardened layer depth using a micro Vickers hardness tester, it was 1.18 mm.
実施例２及び比較例１の結果から、本発明の浸炭方法により浸炭処理した場合、従来から一般的に用いられているＲＸガスを用いた場合の浸炭処理と比較して、同じ操炉条件のもとでは約１２％深い有効硬化層深さが得られることが分かった。この結果から、浸炭処理において、同じ有効硬化層深さを得る場合、本発明の浸炭方法によれば、浸炭処理時間を短くすることができることがわかった。なお、ＲＸガスを用いて、実施例２と同様に有効硬化層深さ１．３２ｍｍが得られるように浸炭および拡散時間を調整したところ、浸炭時間２６０分、拡散時間１５０分となった。よって、従来法による浸炭用雰囲気ガスを用いて、本発明の浸炭方法を用いた場合と同様の効果を得るためには、浸炭および拡散時間の合計で約２５％長く処理する必要があることがわかった。 From the results of Example 2 and Comparative Example 1, when carburizing by the carburizing method of the present invention, compared with carburizing when using RX gas generally used conventionally, Originally, it was found that an effective hardened layer depth about 12% deeper was obtained. From this result, it was found that when the same effective hardened layer depth is obtained in the carburizing treatment, the carburizing treatment time can be shortened according to the carburizing method of the present invention. In addition, when carburization and the diffusion time were adjusted using RX gas so that the effective hardened layer depth of 1.32 mm was obtained similarly to Example 2, the carburization time was 260 minutes and the diffusion time was 150 minutes. Therefore, in order to obtain the same effect as in the case of using the carburizing method of the present invention by using the carburizing atmosphere gas according to the conventional method, it may be necessary to treat the total of carburizing and diffusion time by about 25%. all right.
１ 浸炭装置
２ 浸炭用雰囲気ガス生成装置（浸炭用雰囲気ガスの生成装置）
３ 浸炭炉
３ａ 導入口
３ｃ 炭化水素ガスの導入口
４ 生成装置本体
５ 熱交換器（冷却手段）
６ バブラー（炭素除去手段）
７ 除湿機（水分除去手段）
８ 上側部材（第１の部材）
９ 下側部材（第２の部材）
１０ 燃焼室（内部空間、第１の内部空間）
１０ｃ 内周壁
１１ 噴出孔
１１ａ，１１ｂ 開口部
１１Ａ 炭化水素ガス噴出孔
１１Ｂ 酸素ガス噴出孔
１２ 原料ガス供給管
１２Ａ 炭化水素ガス供給管
１２Ｂ 酸素ガス供給管
１３ 内部空間（第２の内部空間）
１４ 触媒層
１５ 滞留室
１６，１７，１９ 流量調節バルブ
１８ 燃焼バーナ
Ｌ１ 炭化水素ガス供給路（炭化水素ガスの供給路）
Ｌ２ 酸素ガス供給路（酸素ガスの供給路）
Ｌ３ 混合ガス導出路（混合ガスの導出路）
Ｌ４ 排気ガス排出路
Ｌ５ 炭化水素ガス供給路（エンリッチガスの供給路）
Ｌ６ 混合ガス供給路
DESCRIPTION OF
3
6 Bubbler (carbon removal means)
7 Dehumidifier (moisture removal means)
8 Upper member (first member)
9 Lower member (second member)
10 Combustion chamber (internal space, first internal space)
10c Inner
14
L2 oxygen gas supply path (oxygen gas supply path)
L3 Mixed gas outlet (mixed gas outlet)
L4 Exhaust gas discharge path L5 Hydrocarbon gas supply path (enrich gas supply path)
L6 mixed gas supply path
Claims (8)
前記燃焼室から取り出した前記混合ガスを、液体中に送り込むことにより当該混合ガスを洗浄し、
洗浄した前記混合ガス中に含まれる前記液体成分を除去し、
前記混合ガスを浸炭用雰囲気ガスとして浸炭炉に導入し、浸炭処理をすることを特徴とする浸炭方法。 A hydrocarbon gas and oxygen gas are introduced into the combustion chamber while forming a swirl flow, and in the combustion chamber, the hydrocarbon and oxygen are burned as a swirl flow flame to produce a mixed gas containing carbon monoxide and hydrogen. Generate
The mixed gas taken out from the combustion chamber is washed into the liquid by sending it into the liquid,
Removing the liquid component contained in the washed mixed gas;
A carburizing method, wherein the mixed gas is introduced into a carburizing furnace as a carburizing atmosphere gas and carburized.
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|---|---|---|---|---|
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- 2013-06-21 JP JP2013131036A patent/JP5648090B1/en active Active
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