(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面改質熱処理で使用された炉気中から少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液体窒素の冷熱により液化または固化させて分離する炉気再生方法において、
前記表面改質熱処理として窒化または軟窒化処理を行ない、その窒化または軟窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、アンモニアガスを液化させて炉気より分離した後、この分離したアンモニアを前記炉気に添加することを特徴とする炉気再生方法。
【請求項２】
表面改質熱処理で使用された炉気中から少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液体窒素の冷熱により液化または固化させて分離する炉気再生方法において、
前記表面改質熱処理として浸炭または浸炭窒化処理を行ない、その浸炭または浸炭窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、炭化水素ガスおよびアンモニアガスを液化させて炉気より分離した後、これら分離した炭化水素およびアンモニアを前記炉気に添加することを特徴とする炉気再生方法。
【請求項３】
前記冷熱により空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、その窒素ガスを前記炉気のキャリヤーガスとして利用する請求項１または２に記載の炉気再生方法。
【請求項４】
前記炉気中の炭素ポテンシャルを調整しつつ炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加する請求項２に記載の炉気再生方法。
【請求項５】
表面改質熱処理が行なわれる加熱炉から排出される炉気を吸引する吸引管と、前記吸引管内に吸引された炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液化または固化させて分離する冷却媒体に液体窒素を用いた熱交換器と、前記熱交換器内に配置され、前記炉気中の液化物または固化物を分離する分離室と、前記分離室内の気体のみを排出する排出管とを備える炉気再生装置において、
前記分離室内で分離されたアンモニアまたは炭化水素とアンモニアとを回収して、前記排出管から排出される炉気に添加する混合手段を設ける
ことを特徴とする炉気再生装置。
【請求項６】
前記熱交換器により空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この分離された窒素ガスを前記加熱炉に供給するものである請求項５に記載の炉気再生装置。
【請求項７】
さらに、前記熱交換器もしくは加熱炉の下流側に炉気中の炭素ポテンシャルを検出するガス分析器を設け、このガス分析器に示される炭素ポテンシャルを調整するように炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加する添加制御手段を設けるものである請求項５または６に記載の炉気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面改質熱処理で使用した炉気を再生する炉気再生方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼等に対する表面改質熱処理方法として、浸炭，窒化（浸窒）方法などが用いられている。前記浸炭方法としては、プロパンやブタンガスを空気と所定比で変成したＲＸガスをキャリヤーガスとして、さらに炉気中のＣＯ２ガス濃度を管理しブタンガスなどをエンリッチガスとして添加しながら炭素ポテンシャルを調整するＲＸガス浸炭方法が採用されている。また、同じ浸炭方法として、Ｎ２ガス中に炭酸水素ガスとＣＯ２ガスを導入して炭素ポテンシャルをコントロールするＮ２ベース浸炭方法等も実施されている。さらに、鋼に対する窒化方法としては、ＮＨ３ガスを炉内に導入して直接クラッキングさせて、炉気中の残留アンモニア濃度を管理する方法が採られている。
【０００３】
前記浸炭方法および窒化方法の他に、これらの原理を複合化したガス軟窒化、浸硫窒化，酸窒化処理などにおいては、いずれの場合も炉気はＮ２ガスとＨ２ガスを多量に含有したものであることから、前記Ｎ２ベース浸炭方法のようにＮ２ガスをキャリヤーガスとして利用することが広く検討されており、例えば膜分離方法によってＮ２を大気から分離して利用することが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記浸炭方法では、Ｎ２，Ｈ２およびＣＯガスがキャリヤーガスとして利用され、実質的な浸炭によって鋼に浸透拡散させる炭素は炭素ポテンシャル調整に少量添加されるブタン，プロパン等の炭化水素ガスから分解発生する炭素が主体とされており、それらＮ２，Ｈ２，ＣＯが混合されてなるキャリヤーガスは、本来再利用されてしかるべき機能を有している。しかしながら、浸炭炉気中にはＣＯ２，Ｈ２Ｏや未分解の残留炭化水素ガス等が複雑に含有され、キャリヤーガスとして炉気を再生させる場合にはこれらガスの分離コストと安定した管理技術が必要となる。このため、現状では前記炉気はアフターバーナで燃焼・廃棄されており、省エネルギー化およびＣＯ２排出規制問題という観点から大きな問題点を有している。
【０００５】
また、通常の浸炭方法では、浸炭処理中に炭素を高濃度で拡散浸透させる浸炭期と浸炭期に拡散浸透させた炭素を表面で約０．８ｗｔ％に調整しながらより深くまで浸透させる拡散期を設けて熱処理しており、その期間ごとに炉気中のＣＯ２ガス濃度，Ｈ２Ｏガス濃度および未分解の残留炭化水素ガス濃度が異なるため、炉気を再生する際にはその都度に応じた分離条件を考える必要があるという問題点がある。
【０００６】
なお、前記窒化，ガス軟窒化，浸硫窒化や酸窒化熱処理等の表面改質熱処理に使用された炉気においても燃焼・廃棄処理されており、前記浸炭方法と同様の問題点がある。
【０００７】
ところで、特公昭５６−４８２５号公報には、炉気に水素を添加して炉気中の酸素と反応させて水分と不活性ガスとに分離し、その水分を除去して不活性ガスを再生炉気とする炉気再生方法が提案されており、また特公昭６２−２１０５０号公報には、炉気中のＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ等の反応物を吸着塔により除去して炉気を再生する炉気再生方法が提案されている。しかしながら、前記特公昭５６−４８２５号公報に記載の炉気再生方法では、酸素を水分としその水分しか除去することができないという問題点があり、特公昭６２−２１０５０号公報に記載の炉気再生方法では、装置が大型化し、コスト高になるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、コンパクトで安価に、表面改質熱処理に使用された炉気を高効率で高純度な炉気に再生する炉気再生方法およびその方法の実施に用いられる炉気再生装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、第１発明による炉気再生方法は、表面改質熱処理で使用された炉気中から少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液体窒素の冷熱により液化または固化させて分離する炉気再生方法において、
前記表面改質熱処理として窒化または軟窒化処理を行ない、その窒化または軟窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、アンモニアガスを液化させて炉気より分離した後、この分離したアンモニアを前記炉気に添加することを特徴とするものである。
【００１０】
第１発明においては、表面改質熱処理で使用された炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスが液体窒素の冷熱により液化または固化されて分離・除去され、気体状態の成分からなる炉気が再生炉気として表面改質熱処理に利用される。
【００１１】
第１発明によれば、炉気中に複雑に含有されている成分を液化または固化させて分離することにより、従来アフターバーナーで焼却・廃棄処理されてきた炉気から各表面改質熱処理に必要とされるキャリヤーガスを容易に得ることができる。このように表面改質熱処理に使用された炉気を再生利用することができるため、省エネルギー化およびＣＯ２の排出規制に対応することができるという効果を奏する。また、分離したアンモニアが炉気に添加されるので、新たに炉気に添加するアンモニア量を低減させることができ、コストダウンを図ることができる。
【００１２】
また、冷熱を得るための液体窒素は市販性と冷熱量の大きさの点で有利であり、かつ空気中から窒素ガスを分離回収するに際しては、液体酸素の沸点より低い温度の沸点を有しているため、最適である。なお、冷熱媒体のもつ冷熱量は、室温を基準とする場合には冷媒温度の気体と液体との比熱から求まる熱量と沸点温度での液体から気体に変態する際の蒸発熱から計算される。
【００１３】
次に、第２発明による炉気再生方法は、表面改質熱処理で使用された炉気中から少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液体窒素の冷熱により液化または固化させて分離する炉気再生方法において、
前記表面改質熱処理として浸炭または浸炭窒化処理を行ない、その浸炭または浸炭窒化処理で使用した炉気中から前記冷熱により二酸化炭素ガスおよび水蒸気を固化させ、炭化水素ガスおよびアンモニアガスを液化させて炉気より分離した後、これら分離した炭化水素およびアンモニアを前記炉気に添加することを特徴とするものである。
【００１４】
第２発明によれば、第１発明と同様、炉気中に複雑に含有されている成分を液化または固化させて分離することにより、従来アフターバーナーで焼却・廃棄処理されてきた炉気から各表面改質熱処理に必要とされるキャリヤーガスを容易に得ることができる。このように表面改質熱処理に使用された炉気を再生利用することができるため、省エネルギー化およびＣＯ２の排出規制に対応することができるという効果を奏する。また、未分解の炭化水素ガスを炉気中から分離することができるため、スーティングの発生を抑制することができるという効果を奏する。また、炭化水素およびアンモニアの添加量を低減させることができ、コストダウンを図ることができる。
【００１５】
第１発明または第２発明においては、前記冷熱により空気中の窒素ガスと酸素ガスに分離し、その窒素ガスを前記炉気のキャリヤーガスとして利用するのが好ましい（第３発明）。このように前記冷熱により空気を冷却し、酸素ガスを液化させて窒素ガスと分離し、この窒素ガスを回収してキャリヤーガスとして利用することにより、効率よく、安価にＮ２ベース浸炭処理等の表面改質熱処理を行なうことができる効果を奏する。
【００１６】
第１発明または第２発明においては、前記炉気中の炭素ポテンシャルを調整しつつ炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加するのが好ましい（第４発明）。こうすることにより粒界酸化を低減させることができる効果を奏する。
【００１７】
次に、第５発明による炉気再生装置は、表面改質熱処理が行なわれる加熱炉から排出される炉気を吸引する吸引管と、前記吸引管内に吸引された炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスを液化または固化させて分離する冷却媒体に液体窒素を用いた熱交換器と、前記熱交換器内に配置され、前記炉気中の液化物または固化物を分離する分離室と、前記分離室内の気体のみを排出する排出管とを備える炉気再生装置において、
前記分離室内で分離されたアンモニアまたは炭化水素とアンモニアとを回収して、前記排出管から排出される炉気に添加する混合手段を設ける
ことを特徴とするものである。
【００１８】
第５発明においては、表面改質熱処理が行なわれる加熱炉から排出される炉気が吸引管を通って熱交換器に導入され、この熱交換器内で冷却され前記炉気中の少なくとも酸素ガス，二酸化炭素ガス，アンモニアガス，炭化水素ガスまたは水蒸気のいずれか１つ以上のガスが液化または固化される。これら液化物または固化物は熱交換器内の分離室で気体と分離され、その気体は再生炉気として排出管を通って排出され、前記加熱炉に供給される。
【００１９】
第５発明によれば、第１発明または第２発明と同様に、加熱炉から排出される炉気を簡易でかつ安価に効率よく再生利用することができ、省エネルギー化およびＣＯ２の排出規制に対応することができる効果を奏する。また、分離されたアンモニアまたは炭化水素とアンモニアとが再生炉気に添加されるので、新たに必要とされるアンモニアや炭化水素の添加量を低減させることができるため、経済的である。
【００２１】
第５発明においては、前記熱交換器により空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この分離された窒素ガスを前記加熱炉に供給するものであるのが好ましい（第６発明）。空気を前記吸引管に通して熱交換器に導入することにより、分離室で液体酸素が窒素ガスから取り除かれ、排出管より大量の窒素ガスを回収することができ、この窒素ガスを前記加熱炉に供給することによりＮ２ベース浸炭処理等の表面改質熱処理を行なうことができる。このように加熱炉内に窒素ガスを多くしてＣＯ２量を減らすことにより粒界酸化を抑制することができる。
【００２３】
第５発明または第６発明においては、さらに、前記熱交換器もしくは加熱炉の下流側に炉気中の炭素ポテンシャルを検出するガス分析器を設け、このガス分析器に示される炭素ポテンシャルを調整するように炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加する添加制御手段を設けるものであるのが好ましい（第７発明）。このように炭素ポテンシャルを調整しつつ炭化水素ガスおよび／または二酸化炭素ガスを添加することにより、粒界酸化を低減させることができるという効果を奏する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による炉気再生方法およびその装置の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
図１には、本発明の一実施例に係る炉気再生装置１の構成概略図が示されている。
【００２６】
本実施例の炉気再生装置１は、断熱材２ａで形成される熱交換器２と、その熱交換器２底部に排出口３を備える分離室４とが設けられるとともに、前記熱交換器２内で螺旋状に巻かれて前記分離室４に連結され炉気を熱交換器２内に導入する銅製パイプ５ａ（本発明における吸引管に相当する。）と、その分離室４に連結され炉気を熱交換器２外へ導出する銅製パイプ５ｂ（本発明における排出管に相当する。）とが設けられて構成されている。また、前記熱交換器２内部には、液体窒素（冷熱媒体）が貯留されており、前記銅製パイプ５ａ，５ｂの一部が液体窒素に浸漬するようにされている。
【００２７】
前記銅製パイプ５ｂの下流側には、赤外線吸収型のＣＯ２分析計（図示省略）および酸素電池型の酸素センサ（図示省略）が設けられている。また、前記銅製パイプ５ａの上流側には、表面改質熱処理が行なわれる加熱炉から炉気を吸引するポンプ（図示省略）が設けられている。なお、特に浸炭炉気（８５０℃，ＣＯ２％＝０．２５％，ＣＨ４％＝３．５％）と窒化炉気（５５０℃，残留アンモニア濃度１５％）とを再生する場合は加熱炉から排出される時点での温度が高いことから、一旦冷水で冷却した後に前記銅製パイプ５ａに供給される。
【００２８】
このように構成される炉気再生装置１において、前記加熱炉から排出される炉気（例えば浸炭炉気，窒化炉気）は一旦冷却され、外周が液体窒素に浸漬される螺旋状の銅製パイプ５ａ内に供給され、この銅製パイプ５ａ内を通りつつ冷却される。
【００２９】
前記液体窒素の沸点温度は−１９６℃であるため、前記炉気が液体窒素の沸点温度付近まで冷却されることにより炉気中のＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２ＯおよびＮＨ３が液化または固化される。これらの液化物もしくは固化物は、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に貯留される。一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に供給されるＮ２，Ｈ２，ＣＯ等の混合ガス（キャリヤーガス）は、再生炉気として銅製パイプ５ｂを経て熱交換器２外部へ導出され、前記加熱炉へ供給される。
【００３０】
前記銅製パイプ５ｂにより導出される再生炉気中のＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２ＯおよびＮＨ３の濃度を下流側に設けられる前記ＣＯ２分析計および酸素センサを用いて測定したところ、測定不可能な範囲まで低下されているのが検出された。したがって、高純度に炉気再生が行なわれていることが明らかである。
【００３１】
本実施例によれば、冷却媒体を用いて加熱炉から排出される炉気を冷却させることにより、ＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２ＯおよびＮＨ３を液化または固化させて分離させることができる。すなわち、加熱炉から排出される炉気中に複雑に含有されるＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＮＨ３や未分解の残留炭化水素ガスを容易に分離し、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯが混合されてなる高純度なキャリヤーガスを再生炉気として再利用することができる。こうして安価な構成により、加熱炉から排出される炉気を確実に高純度なキャリヤーガスに再生することができ、省エネルギー化，低コストおよび低公害を図ることができる効果を奏する。また、本実施例によれば、炉気再生に必要な動力源が加熱炉から熱交換器２内に炉気を吸引するポンプだけでよく、構造が非常にコンパクトであるという効果を奏する。
【００３２】
また、本実施例によれば、炉気中のＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２Ｏが完全に分離されているため、例えば炭素を高温度で拡散浸透させる浸炭期と拡散浸透させた炭素を表面で約０．８ｗｔ％に調整しながらより深くまで浸透させる拡散期を設けて熱処理を行なう浸炭処理に際して、各期間毎の濃度条件に関係なく一律に処理することができるという効果を奏する。
【００３３】
本実施例の炉気再生装置１を用いて窒化もしくは軟窒化炉気を再生するに際しては、それら窒化炉気を銅製パイプ５ａに通して熱交換器２により冷却させて、炉気中のＣＯ２ガスおよび水蒸気を固化させるとともに、ＮＨ３ガスを液化させてそれぞれ炉気より分離室４に貯留する。一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に供給された炉気（再生炉気）は、銅製パイプ５ｂを経て容器２外部へ導出され、前記加熱炉へ供給される。また、前記分離室４内のＮＨ３のみが抽出され、前記再生炉気とともに加熱炉に供給される。こうすることにより添加物の供給量を最低限に抑えることができるため、省エネルギー化およびコストダウンをより確実に図ることができる。
【００３４】
本実施例の炉気再生装置１を用いて浸炭もしくは浸炭窒化炉気を再生するに際しては、それら浸炭もしくは浸炭窒化炉気を銅製パイプ５ａに通して熱交換器２により冷却させて、炉気中のＣＯ２ガスおよびＨ２Ｏを固化させるとともに、炭化水素ガスおよびＮＨ３ガスを液化させてそれぞれ炉気より分離室４に貯留する。一方、前記銅製パイプ５ａを経て分離室４に供給された炉気（再生炉気）は、銅製パイプ５ｂを経て容器２外部へ導出され、前記加熱炉へ供給される。また、前記分離室４内の炭化水素およびＮＨ３が抽出され、前記再生炉気とともに加熱炉に供給される。なお、前記炭化水素およびＮＨ３は、炭素ポテンシャルを調整するように供給される。こうすることにより添加物の供給量を最低限に抑えることができるため、省エネルギー化およびコストダウンをより確実に図ることができる。また、炭素ポテンシャルの調整により粒界酸化を低減させることができる。
【００３５】
また、本実施例の炉気再生装置１を用いて、窒化炉気からＮＨ３ガスを分離除去する場合には、冷熱媒体が液体窒素である必要がなく、経済的に最も都合の良い例えば固体ＣＯ２（ドライアイス）であってもよい。
【００３６】
本実施例においては、空気をＮ２とＯ２とに分解することができる。すなわち、室温の圧縮空気を減圧しながら銅製パイプ５ａに供給し、この銅製パイプ５ａ内で液体窒素により冷却し、空気中のＯ２を液化させて分離室４に貯留する。一方、分離室４に供給されたＮ２ガスは銅製パイプ５ｂを通って熱交換器２から導出される。こうして銅製パイプ５ｂにより導出されるＮ２ガス中のＯ２ガス濃度を下流側に設けられる酸素センサを用いて測定したところ、２５ｐｐｍまで低下されているのが検出された。このように回収されたＮ２ガスを回収し浸炭炉気として利用することにより、安価なＮ２ベース浸炭方法を行なうことができる効果を奏する。
【００３７】
本実施例においては、１つ以上の複数の加熱炉から排出される炉気に対しても同時に１つの炉気再生装置により再生処理を行なうことができる。
【００３８】
本実施例においては、熱交換器２に冷熱利用サイクル１０を連結して用いることができる。こうすることにより、冷熱媒体の熱交換率を向上させることができる。図２に、冷熱利用サイクル１０および熱交換器２の概略構成図が示されている。以下に、図２の冷熱利用サイクル１０および熱交換器２を用いて空気をＮ２とＯ２とに分解する場合について説明する。
【００３９】
前記冷熱利用サイクル１０は、断熱材で形成される３つの容器１１，１１ａ，１１ｂが連結パイプ１２により直列に連結されて構成されている。前記容器１１，１１ａ，１１ｂ内にはそれぞれ空気（または炉気）を貯留する貯留室１３が設けられ、これら貯留室１３は内部の空気（または炉気）を供給・排出するパイプ１４を介して連結されている。前記パイプ１４の下流側は前記銅製パイプ５ａに連結されている。また、前記空気（または炉気）の下流側の容器１１ａは前記熱交換器２に連結パイプ１２を介して連結されており、上流側の容器１１ｂには窒素ガスを排出する排出口１５が設けられている。
【００４０】
また、前記熱交換器２内の分離室４の排出口３には排出用パイプ１６が接続されており、この排出用パイプ１６は前記上流側容器１１ｂ内の貯留室１３を通るように配置されている。
【００４１】
このように構成される冷却利用サイクル１０および熱交換器２においては、空気（もしくは加熱炉から一旦冷却された炉気）がパイプ１４を経て各容器１１，１１ａ，１１ｂ内の貯留室１３に供給された後、前記銅製パイプ５ａに供給される。この銅製パイプ５ａ内で空気が液体窒素の沸点（−１９６℃）付近まで冷却され、空気中の酸素が液化されて分離室４に貯留される。一方、空気中の窒素は分離室４を経て銅製パイプ５ｂを通じて加熱炉へ供給される。
【００４２】
また、前記熱交換器２内では内部に貯留される液体窒素が気化し、その窒素が前記連結パイプ１２を経て容器１１ａに供給される。この窒素は液体窒素の沸点温度付近の温度を示しており、前記下流側容器１１ａの貯留室１３内の空気を冷却させる。また、この下流側容器１１ａ内の窒素は、連結パイプ１２を経て順次上流側の容器１１ｂに供給されるとともに、各容器１１，１１ａ，１１ｂ内の貯留室１３の空気を冷却する。こうして上流側容器１１ｂから順に貯留室１３内に供給される空気は、液体窒素から蒸発する低温窒素ガスにより多段階に熱交換され、最終的に熱交換器２に供給されて酸素が液化されるため、極めて効率よく冷熱を利用することができる効果を奏する。なお、上流側容器１１ｂ内の窒素は、排出口１５から回収され必要に応じて加熱炉内に供給される。
【００４３】
一方、前記分離室４内で液化された酸素は排出パイプ１６内を通って気化されて排出される。前記排出パイプ１６は、上流側容器１１ｂの貯留室１４内を通るようにされているため、酸素が液体から気化する際の蒸発熱も空気の冷却に利用される。なお、この排出パイプ１６から排出される酸素も純度が高く、バーナに用いるなどして燃焼効率を向上させることができる。
【００４４】
前記熱交換器２および冷熱利用システム１０を用いて例えば２０℃の空気を−２０℃の窒素と酸素とに分離することを想定すると、熱交換ロスが０％である場合は１ｋｇの液体窒素で約７．６ｋｇの窒素ガスと１．９ｋｇの酸素ガスが分離回収できることが熱収支バランスから計算される。現実的な熱交換ロスを５０％と仮定した場合にでも空気中から３．８ｋｇの窒素ガスが精製できる。
【００４５】
以上、冷熱利用サイクル１０および熱交換器２について空気を酸素と窒素とに分解させる場合について説明したが、加熱炉から排出される炉気および加熱炉から排出されて一旦冷却された炉気を同様に冷熱利用サイクル１０に通して熱交換器２に供給して、炉気を再生することができる。すなわち、前記炉気がパイプ１４内から各貯留室１３に供給され多段階に冷却されて、銅製パイプ５ａを通って熱交換器２内に導入される。この熱交換器２内でさらに冷却されて、炉気中のＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２ＯおよびＮＨ３が液化または固化されて分離され、Ｎ２，Ｈ２，ＣＯが混合されてなる高純度なキャリヤーガスを再生炉気として銅製パイプ５ｂから熱交換器２外へ導出されて加熱炉に供給される。こうして炉気再生を行なうに際しても冷熱媒体の熱交換率を向上させることができ、省エネルギー化およびコストダウンをより確実に図ることができる。
【００４６】
本実施例においては、銅製パイプ５ｂを下流側容器１１ａから上流側容器１１ｂにかけて各貯留室１４内を通すように配置されていてもよい。こうすることにより、空気から分離された窒素ガスもしくは再生炉気の有する冷熱を利用することができるという効果を奏する。また、空気を分離する際には、前記銅製パイプ５ａを熱交換器２内（液体窒素液面上方）で開放するようにしてもよい。こうすることにより排出口１５から排出される窒素ガスの純度はわずかに悪くなるものの、構造が非常に簡易になるという効果を奏する。
【００４７】
本実施例においては、排出パイプ１６が上流側容器１１ｂの貯留室１４内を通るように構成されているが、これに限らず、容器１１，１１ａ，１１ｂの貯留室１４内をすべて通すように構成されていてもよく、またいずれか１つもしくは２つの貯留室１４内を通すように構成されていてもよい。
【００４８】
図３には、前記炉気再生装置１を備える浸炭設備２０の概略図が示されている。
【００４９】
本実施例の浸炭設備２０においては、前記炉気再生装置１すなわち熱交換器２の銅製パイプ５ｂの下流端に再生炉気配管２１が接続されており、この再生炉気配管２１は混合器２２を介して加熱炉２３に連結されている。この加熱炉２３には、内部の炉気を排出する炉気配管２４が連結されているとともに、ガス分析装置２５が接続されている。また、前記加熱炉２３の炉気は、ガス分析装置２５に供給されるように構成されており、このガス分析装置２５の信号は、ＣＯ２コントローラ２６，プロパンコントローラ２７およびＮ２コントローラ２８にそれぞれ伝達されるように構成されている。
【００５０】
前記コントローラ２６，２７，２８はそれぞれＣＯ２ボンベ２９，プロパンボンベ３０およびＮ２ボンベ３１に接続されるとともに、前記炉気再生装置１と混合器４との間の炉気配管２４にそれぞれ制御バルブ３２を介して接続されている。それらコントローラ２６，２７，２８は、前記ガス分析装置２５の信号に基づいて炭素ポテンシャルが一定となるようにＣＯ２，プロパンまたはＮ２の供給量を制御する。
【００５１】
本実施例においては、加熱炉２３内のスーティング性を調査するために、加熱炉２３として透明石英管が用いられており、その内部に浸炭テストピース３３が配置されている。
【００５２】
このように構成される浸炭設備２０において、前記加熱炉２３内で９３０℃における炭素ポテンシャルが１．２％になるように炉気を単に循環させて浸炭を行なった場合と前記炉気再生装置１から供給される再生炉気（４３％Ｎ２＋３２％Ｈ２＋２５％ＣＯ）を用いて浸炭を行なった場合との加熱炉２３に付着する炭素量の多さからスーティング性を調査した。
【００５３】
その結果、単に循環させた炉気を用いた場合はＣＯ２のコントロールがうまくできずに、プロパンガスの分解によるスーティングが顕著であったのに対して、残留炭化水素ガスとＣＯ２ガスとをほぼ完全に分離した再生炉気を用いた場合は炭素コントロール用のプロパンガスの使用が少なく抑えることができるとともに、炭素ポテンシャルの制御性の良いことからスーティングを極めて少なく抑えることができることが判明した。この原因としては、浸炭温度（９３０℃）で再生炉気中の炭素ポテンシャルが前記１．２％より高い状態にあり、かつ２ＣＯ＝ＣＯ２＋Ｃの反応にしたがったスーティング反応が極めて緩慢であることと、炭素ポテンシャル１．２％に達するまでの反応量が少なくてすむことと、継続的に炭素ポテンシャルを調整するのに必要なプロパン添加量が少なくてすむこととが挙げられる。
【００５４】
本実施例においては、コントローラ２６，２７，２８によりＣＯ２ボンベ２９，プロパンボンベ３０およびＮ２ボンベ３１から必要に応じてＣＯ２，プロパン，Ｎ２が添加されるように構成されているが、これに限らず、炉気再生装置１の分離室４から回収されるプロパンなどの炭化水素ガスやＮＨ３を添加するように構成されていてもよい。
【００５５】
本実施例においては、表面改質熱処理として浸炭処理を行なった場合の浸炭炉気を再生する場合について説明しているが、窒化，ガス軟窒化，浸硫窒化，酸窒化熱処理等の表面改質熱処理に使用された炉気を再生することができる、すなわちＮＨ３，ＣＯ２，Ｈ２Ｓ，ＳＯ２に対しても適用することができ、同等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る炉気再生装置の構成概略図である。
【図２】図２は、冷熱利用サイクルおよび熱交換器の概略構成図である。
【図３】図３は、本発明の炉気再生装置を備える浸炭設備の概略図である。
【符号の説明】
１          炉気再生装置
２                  熱交換器
３                  排出口
４                  分離室
５ａ，５ｂ          銅製パイプ
１０                  冷熱利用サイクル
１１，１１ａ，１１ｂ  容器
１２                  連結パイプ
１３                  貯留室
１４                  パイプ
１５                  排出口
１６                  排出パイプ
２０                  浸炭設備
２１                  再生炉気配管
２２                  混合器
２３                  加熱炉
２４                  炉気配管
２５                  ガス分析装置
２６                  ＣＯ２コントローラ
２７                  プロパンコントローラ
２８                  Ｎ２コントローラ
２９                  ＣＯ２ボンベ
３０                  プロパンボンベ
３１                  Ｎ２ボンベ
３２                  制御バルブ
３３                  浸炭テストピース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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