(57)【要約】【課題】金属等の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを、危険物で取り扱いに不便なアンモニアを用いずに、また、処理物を酸化して品質を低下させる酸素ガスの還元ガス中への混入を防止すると共に、処理工程で熱分解して酸素を発生させる原因となる水分を含まない還元ガスの製造装置及び製造方法を提供すること。【解決手段】炭化水素を原料として水素ガスを製造するオンサイト型の水素製造装置と窒素ガスを製造するオンサイト型の窒素製造装置と、前記製造装置で得られた水素ガスと窒素ガスの濃度調製装置と、濃度調製した混合ガスの脱酸素装置と水分除去装置とを設けた還元ガス製造装置。【選択図】図１
2007153670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する還元ガス製造装置において、水素ガスを製造するオンサイト型の水素製造装置と窒素ガスを製造するオンサイト型の窒素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素ガスと前記窒素製造装置で製造された窒素ガスとを所定の混合割合で調製して還元ガスを製造する還元ガス調製手段を設けたことを特徴とする還元ガス製造装置。
【請求項２】
還元ガス調製手段により調製された還元ガス中の酸素ガスを除去する脱酸素装置を付設した請求項１に記載の還元ガス製造装置。
【請求項３】
脱酸素装置が、還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去する触媒燃焼脱酸素装置であり、該触媒燃焼脱酸素装置で生成した水分を除去する水分除去装置を付設した請求項２に記載の還元ガス製造装置。
【請求項４】
還元ガス調製手段が、水素製造装置で製造された水素ガスと窒素製造装置で製造された窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合し所定の混合濃度の還元ガスを調製する手段である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の還元ガス製造装置。
【請求項５】
水素製造装置が、炭化水素を原料として水蒸気改質法により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを圧力変動吸着法により高純度水素ガスとして回収する圧力変動吸着式水素製造装置である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の還元ガス製造装置。
【請求項６】
窒素製造装置が、空気を原料として膜分離法により窒素ガスを分離して高濃度窒素ガスとして回収する膜分離式窒素製造装置である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の還元ガス製造装置。
【請求項７】
金属の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する還元ガス製造方法において、炭化水素を原料として水蒸気改質により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを圧力変動法で高純度水素ガスとして回収するオンサイト型の圧力変動吸着式水素製造装置により高純度水素ガスを製造する工程と、空気を原料として膜分離により酸素ガスと窒素ガスを分離して高濃度窒素ガスを回収するオンサイト型の膜分離式窒素製造装置により高純度窒素ガスを製造する工程と、前記水素製造工程で製造された高純度水素ガスと前記膜分離式窒素製造工程で製造された高純度窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合し所定の混合濃度の還元ガスを調製する還元ガス調製工程と、前記調製された還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去する触媒燃焼脱酸素工程と、該触媒燃焼脱酸素工程で生成した水分を除去する水分除去工程により還元ガスを製造することを特徴とする還元ガス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する還元ガス製造装置及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属等の還元雰囲気処理工程で使用する還元ガスとしてはアンモニア分解ガスがあり、特許文献１には、連続的に供給される銅合金条材を、光輝焼鈍炉にて、５００〜７００℃にて５〜１８秒間加熱処理し、３５０〜５００℃にて７〜２６秒間徐冷し、次いで、２０〜５０℃にて５〜１８秒間冷却し、歪み（幅反り）を除去する工程で、アンモニア 加熱分解ガスである水素 （Ｈ2 ）７５％、窒素（Ｎ2 ）２５％からなる混合ガス雰囲気下にて、且つ強制対流式にて行なう銅合金条材の歪取り焼鈍方法が記載されている。
【０００３】
また、アンモニア分解ガスの露点に関して、特許文献２には、Ｃｕの相またはＣｕ富化層を表面に露出させる工程の後に、露点が−６０〜−４０℃の還元性のアンモニア分解ガス雰囲気中において９００〜１０００℃で２０×ｔ〜１８０×ｔ秒間保持する仕上げ焼鈍を施すことにより、耐食性を向上させる方法において（ｔは、仕上げ焼鈍前の鋼板の厚さを単位ｍｍで表した値である。）、露点が−４０℃を超えるアンモニア分解ガスを焼鈍雰囲気として使用すると、フェライト相上に形成される不動態皮膜が厚くなりすぎて、テンパ−カラ−と呼ばれる色が鋼板表面に表れ、光沢が失われるだけでなく、Ｃｕの相の表面にも不動態皮膜が形成されるので抗菌性が悪化することおよび、露点が−６０℃以下での焼鈍は、製造コストの上昇を招き好ましくないことが記載されている。
【０００４】
また、金属の焼鈍時に発生する酸化物と品質特性とに関して、特許文献３にはステンレス鋼箔とポリイミドフィルムとの接着強度が、ステンレス鋼箔の極表層部分におけるある種の金属酸化物の存在によって影響され、特に鉄酸化物の存在が接着強度の劣化に大きく関係し、かかる鉄酸化物の組成及び膜厚みを低減するために、最終焼鈍時の還元性雰囲気ガスの露点を制御することによって極表層のＦｅ酸化物の膜厚みが０．３ｎｍ以下でありかつその最大濃度が３０原子％以下である面状発熱体用ステンレス箔の製造方法が記載されている。さらに特許文献３の発明は、還元性雰囲気ガスがアンモニア分解ガスであることや、前記アンモニア分解ガスの露点が−３５℃以下になるように制御するものであることが記載されている。なお、特許文献３の発明にはアンモニア分解ガスの露点は、脱水分、脱酸素剤を充填させたカラムを通過させることとガスの流量を変えることによって調整することが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１３０７４１号公報
【特許文献２】特開平１０−３２４９２０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４９８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に対する問題点としては、例えば、前記特許文献１乃至特許文献３に記載の金属等の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスは、原料として危険物であるアンモニアを用いなければならないため、取り扱いに不便であり、また、アンモニア分解ガスには、未分解のアンモニアを含有し、未分解のアンモニアを含有するため、処理物表面を変質させる恐れがある。なお、特許文献２に記載されている方法では、露点が−４０℃以下の還元ガスを使用しているが、水分が除去されていないため、金属等の還元雰囲気処理工程で水分が水素ガスと酸素ガスに熱分解して、生成した酸素ガスが処理工程における金属等の処理物表面を酸化して品質を低下させる問題がある。また、特許文献３に記載されている方法では、露点を調整する方法として、脱水分、脱酸素剤を充填させたカラムを通過させることとガスの流量を変えることによって行っているが、アンモニアの分解ガス中には水分量が多いため、カラムに充填された脱酸素剤等を頻繁に交換する必要がある。
【０００６】
本発明は、金属等の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する場合、危険物で、取り扱いに不便なアンモニアを用いない還元ガスの製造装置及び還元ガスの製造方法を提供することである。また、還元雰囲気処理工程で酸素により処理物を酸化して品質を低下させることがないように、還元ガス中への酸素ガスの混入を防止すると共に、前記処理工程で熱分解して酸素ガスを発生させる原因となる水分を含まない還元ガスの製造装置及び還元ガスの製造方法を提供することである。
【０００７】
なお、前記を解決する方法として製品となった水素ガスと窒素ガスを混合し、還元ガスとして利用することが可能であるが、これらのガスを貯蔵するためには高圧ガス貯蔵設備が必要であり、また外部からのガスの補給も必要となり、さらに製品水素ガス及び製品窒素ガスは高価であり、運転経費が嵩む問題がある。従って、本発明が解決しようとする課題は、前記の危険物であるアンモニアを使用せず、また、高圧ガス貯蔵設備を必要とせずに、酸素や水分を含まない安価な還元ガスを製造する還元ガス製造装置及び還元ガス製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、金属の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する還元ガス製造装置において、水素ガスを製造するオンサイト型の水素製造装置と窒素ガスを製造するオンサイト型の窒素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素ガスと前記窒素製造装置で製造された窒素ガスとを所定の混合割合で調製して還元ガスを製造する還元ガス調製手段を設けたことを特徴とする還元ガス製造装置である。
【０００９】
また、請求項２の発明は、還元ガス調製手段により調製された還元ガス中の酸素ガスを除去する脱酸素装置を付設した請求項１に記載の還元ガス製造装置である。
【００１０】
また、請求項３の発明は、脱酸素装置が、還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去する触媒燃焼脱酸素装置であり、該触媒燃焼脱酸素装置で生成した水分を除去する水分除去装置を付設した請求項２に記載の還元ガス製造装置である。
【００１１】
また、請求項４の発明は、還元ガス調製手段が、水素製造装置で製造された水素ガスと窒素製造装置で製造された窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合し所定の混合濃度の還元ガスを調製する手段である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の還元ガス製造装置である。
【００１２】
また、請求項５の発明は、水素製造装置が、炭化水素を原料として水蒸気改質法により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを圧力変動吸着法により高純度水素ガスとして回収する圧力変動吸着式水素製造装置である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の還元ガス製造装置である。
【００１３】
また、請求項６の発明は、窒素製造装置が、空気を原料として膜分離法により窒素ガスを分離して高濃度窒素ガスとして回収する膜分離式窒素製造装置である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の還元ガス製造装置である。
【００１４】
また、請求項７の発明は、金属の還元雰囲気処理工程で使用される還元ガスを製造する還元ガス製造方法において、炭化水素を原料として水蒸気改質により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを圧力変動法で高純度水素ガスとして回収するオンサイト型の圧力変動吸着式水素製造装置により高純度水素ガスを製造する工程と、空気を原料として膜分離により酸素ガスと窒素ガスを分離して高濃度窒素ガスを回収するオンサイト型の膜分離式窒素製造装置により高純度窒素ガスを製造する工程と、前記水素製造工程で製造された高純度水素ガスと前記膜分離式窒素製造工程で製造された高純度窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合し所定の混合濃度の還元ガスを調製する還元ガス調製工程と、前記調製された還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去する触媒燃焼脱酸素工程と、該触媒燃焼脱酸素工程で生成した水分を除去する水分除去工程により還元ガスを製造することを特徴とする還元ガス製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、ガスを使用する場所の近傍に設置するオンサイト型の水素製造装置と窒素製造装置により水素ガスと窒素ガスを製造し、所定の混合割合で調製して還元ガスを製造することができるため、危険物であるアンモニアを使用せず、また、オンサイトで製造するため、高圧ガス貯蔵設備が不要であり、外部からのガス補給も不要となるばかりでなく、製品水素ガス及び製品窒素ガスを購入するのに比べて安価に製造できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、還元ガス調製手段により調製された還元ガス中の酸素ガスを除去する脱酸素装置を付設したので、水素ガスや窒素ガスの製造過程で酸素ガスが混入してきたとしても、金属等の還元雰囲気処理工程で金属等の処理物を酸化して品質を低下させることを防止できる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、触媒燃焼脱酸素装置により還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去し、さらに前記触媒燃焼脱酸素装置で生成した水分を前記触媒燃焼脱酸素装置に付設した水分除去装置で除去するので、金属等の還元雰囲気処理工程で水分が熱分解して発生する酸素ガスが前記の処理工程で金属等の処理物を酸化して品質を低下させることを防止できる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、還元ガス調製手段によりオンサイト型の水素製造装置で製造された水素ガスとオンサイト型の窒素製造装置で製造された窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合するので、所定の混合濃度の還元ガスを連続的に調製することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、水素製造装置を、炭化水素を原料として水蒸気改質法により水素含有ガスを製造し、製造された水素含有ガスを圧力変動式吸着法で高純度水素ガスとして回収する水素製造装置としたことにより、高純度の水素ガスを安価に製造できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、窒素製造装置を、空気を原料として膜分離法により窒素ガスを分離して高濃度窒素ガスとして回収する窒素製造装置としたことにより、高純度の窒素ガスを安価に製造できる。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、還元ガスとして混合される高純度水素ガスの原料を炭化水素とすることで危険物であるアンモニアを使用せず、また、還元ガスとして混合される高純度水素ガス及び高純度窒素ガスを還元ガスが使用される場所の近傍であるオンサイトで製造するため、高圧ガス貯蔵設備が不要であり、外部からのガス補給も不要となるばかりでなく、製品水素ガス及び製品窒素ガスを購入するのに比べて安価に製造できる。また、高純度水素ガスと高純度窒素ガスとの供給流量を制御して配管内で混合することにより、所定の混合濃度の還元ガスを連続的に調製することができる。さらに、混合濃度を調製した還元ガス中の水素ガスと酸素ガスを触媒燃焼により反応させて酸素ガスを除去し、生成した水分を除去することにより、金属等の還元雰囲気処理工程で水分が熱分解して発生する酸素ガスが前記の処理工程で金属等の処理物を酸化して品質を低下させることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の還元ガス製造装置の一実施の形態の系統図である。以下、図１に基づいて本発明を説明する。
【実施例１】
【００２３】
１は水素製造装置、２は膜分離式窒素製造装置、３は濃度調製装置、４は触媒燃焼脱酸素装置、５は水分除去装置である。
【００２４】
水素製造装置１は、オンサイト型水素製造装置であり、主要部が、炭化水素を水蒸気と混合して改質触媒と接触させ、水蒸気改質して水素ガスを主成分とする水素含有ガスを製造する水蒸気改質装置と、得られた水素含有ガスを吸着剤と接触させて、水素含有ガス中の不純物ガスを吸着分離し、高純度水素ガスとする圧力変動式吸着装置（以下ＰＳＡ装置ともいう。）とから構成される。なお、水素製造装置としては、前記の圧力変動式水素製造装置のほかに、有機又は無機の水素分離膜を用いて高純度水素を透過分離する膜分離式水素製造装置や水を電解して水素を製造する水電解式水素製造装置等を用いることができる。
【００２５】
膜分離式窒素製造装置２は、酸素分離膜を用いて、加圧空気から酸素を透過分離し、非透過側に高純度窒素を分離回収する膜分離装置である。なお、窒素製造装置としては、前記の膜分離式窒素製造装置のほかに、前記水素製造装置と同様のＰＳＡ装置を用いた窒素製造装置等を用いることができる。
【００２６】
濃度調製装置３は、水素製造装置１と膜分離式窒素製造装置２から製造された高純度水素ガスと高純度窒素ガスを所定の混合濃度に調製して還元ガスを製造するもので、ガス供給容量制御調節手段と混合手段とから構成される。
【００２７】
触媒燃焼脱酸素装置４は、前記濃度調製装置３で調製された還元ガスを酸化燃焼触媒と接触させて還元ガス中の酸素を水素と反応させ水蒸気として除去する触媒燃焼反応器で構成される。
【００２８】
水分除去装置５は、触媒燃焼脱酸素装置４で発生する水蒸気を冷却して分離するガス冷却機および水分離器から構成される。
【００２９】
次に、前記の還元ガス製造装置を用いて、金属処理用の還元ガスを製造する方法について述べる。
【００３０】
水素製造装置１において、水素ガスの製造原料である原料炭化水素が硫黄分を含有する場合は、脱硫工程において先ず硫黄分を吸着除去し、水蒸気と混合して水蒸気改質装置に供給され、水蒸気改質触媒と接触して水蒸気改質反応が行われ、主に水素ガスとメタンガスからなり、一酸化炭素を含有する水素含有ガスとなる。水素含有ガスは、変成触媒と接触して水素含有ガス中の一酸化炭素が水素ガスに変成する。
【００３１】
前記水蒸気改質反応は以下の通りである。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ２
ＣＯ＋３Ｈ２←→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ
また、前記一酸化炭素変成反応は以下の通りである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ←→ＣＯ２＋Ｈ２
【００３２】
前記水蒸気改質反応および一酸化炭素変成反応により得られた水素含有ガスは、常温まで冷却してからＰＳＡ装置に供給され、吸着工程で吸着剤と接触させて、水素含有ガス中の不純物ガスを吸着分離し、純度99.99％以上の高純度水素ガスとして回収される。なお、ＰＳＡ装置に代えて有機高分子系水素分離膜により水素ガスを透過分離する場合もＰＳＡ装置と同様に水素含有ガスの冷却操作が行われる。また、無機系の水素分離膜により水素ガスを透過分離する場合には、高温状態で分離操作が行われるため、水素含有ガスの冷却を行わずに膜分離操作が行われる。
【００３３】
膜分離式窒素製造装置２において、窒素ガスの原料となる空気は昇圧され、酸素分離膜を用いて、ガスの種類によって透過速度が異なることを利用して、透過速度が早い酸素ガスと遅い窒素ガスとに分離される。非透過側に得られる窒素ガスの純度は99％以上の高純度となる。なお、酸素膜分離膜に代えてＰＳＡ装置による場合は、吸着剤の各種ガスに対する吸着特性の違いを利用して窒素ガスの分離を行う。この場合、空気を加圧して吸着剤と接触させ、窒素を吸着剤に吸着させた後に、減圧して窒素ガスを脱着し、この加圧と減圧との操作を交互に繰返し圧力を変動させて原料の空気から高純度の窒素ガスを回収する。
【００３４】
濃度調製装置３において、水素製造装置１で得られた高純度水素ガスおよび膜分離式窒素製造装置２により得られた高純度窒素ガスを、５：１〜１：１の容積比の混合濃度となるように各々のガスを所定の流量に流量調節弁と制御装置により調節し、一方のガスは配管に、他方のガスはその配管に挿入されたノズルに供給し、配管中で混合調製され還元ガスとなる。
【００３５】
触媒燃焼脱酸素装置４において、濃度調製装置３で得られた還元ガス中の酸素ガスは、触媒燃焼脱酸素装置４で還元ガス中の水素ガスと反応し水蒸気となる。触媒燃焼工程で使用される触媒としては、アルミナなどに白金，パラジウムなどを担持したものが用いられる。なお触媒燃焼は室温以上であれば容易に燃焼反応が行なわれる。
【００３６】
水分除去装置５において、触媒燃焼脱酸素装置４で生成した水蒸気は、ガス冷却機で冷却されて液化し、液化された水分は水分離機でガスから分離除去される。なお、水分除去方法は冷却法によらずに吸着法による除去方法であってもよい。
【実施例２】
【００３７】
図２は本発明の還元ガス製造装置の他の一実施形態の系統図である。なお図２において、符番１〜５は、図1と同じ符番を用いた。図２の実施例は、膜分離式窒素製造装置２により得られる高純度窒素ガスに含まれる微量な酸素ガスを触媒燃焼脱酸素装置４で除去するにあたり、先ず、高純度窒素ガスと該窒素ガスに含有される酸素ガスの触媒燃焼に必要な水素ガスとして水素製造装置１で得られた高純度水素ガスの一部を触媒燃焼脱酸素装置４に供給して触媒燃焼し、前記酸素ガスを除去し、次に水分除去装置５において触媒燃焼脱酸素装置４で生成した水蒸気を除去した後、濃度調製装置３において高純度水素ガスと酸素ガスが除去された高純度窒素ガスを所定の混合濃度に調製して還元ガスを製造する装置である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
上記の実施例のほか、本発明による還元ガス製造装置は、ステンレスの光輝焼鈍、鉄鋼ストリップ材や鉄鋼ワイヤー線材の焼鈍、伸銅ストリップ材や伸銅ワイヤー線材の焼鈍、半導体チップの半田付工程、金属皮膜抵抗器の抵抗素子の熱処理工程、アルミ箔の熱処理工程、粉末冶金の焼結工程、化学品の還元反応工程など有する、製鉄工業、金属加工工業、金属熱処理加工工業、半導体製造工業、化学工業などの広範囲な分野において、酸素を含まない高純度の還元ガスの用途に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の還元ガス製造装置の一実施の形態の系統図
【図２】本発明の還元ガス製造装置の他の一実施形態の系統図
【符号の説明】
【００４０】
１    水素製造装置
２    膜分離式窒素製造装置
３    濃度調製装置
４    触媒燃焼脱酸素装置
５    水分除去装置
【図１】
2007153670.tif 000003
【図２】
2007153670.tif 000004