(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜を用いて空気から酸素を分離する酸素分離装置と、
酸素分離装置で製造された高濃度酸素を支燃性ガスとして燃焼させ、被加工物を加熱して加工する加工炉と、
酸素分離装置から排出された５００℃以上の高温の低濃度酸素のガスに、量論比以上の炭化水素燃料を加えて酸化反応させ、酸素を消費させて、高温の無酸素ガスを製造する酸化反応器と、
製造された前記高温の無酸素ガスを保護雰囲気とし、前記加工炉で加工された被加工物を熱処理する熱処理炉とを有することを特徴とする熱処理システム。
【請求項２】
無酸素ガスの保護雰囲気中で熱処理を行う熱処理炉で前記酸化反応を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱処理システム。
【請求項３】
炭化水素燃料を拡散混合させて炉内で酸化反応させ、高温の無酸素ガスを製造することを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば金属の熱処理に保護雰囲気として用いる無酸素ガスの製造方法、およびこの無酸素ガス製造方法を用いた熱処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鍛造や鋳造などの金属加工したとき、塑性加工後の残留応力の除去、結晶粒の微細化、または歪み取りのために、焼きなましや焼きならしなどの熱処理を行う。このような金属熱処理は、金属表面を酸化させないために、無酸素ガスなどの高温の保護雰囲気中で行うことが望ましい。
【０００３】
雰囲気ガス発生方法としては、空気不足で燃料を燃焼させた排ガス（発熱性ガス）や、触媒により接触分解した原料ガス（吸熱性ガス）に脱水、脱ＣＯ2などの熱処理を行う方法がある。例えば、シャフト炉または流動炉を還元炉として用いる直接製鉄法では、ＣＨ4ガスを主成分とする天然ガスからなる原料ガスを、Ｎｉ触媒を用いて水蒸気改質反応を利用して還元ガスを製造している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、改質反応を行うガス発生炉では、還元反応に必要な通常６００℃以上の温度まで還元ガスを昇温させる必要があり、多くのエネルギーを必要とする。
【０００５】
また、燃料を燃焼させた排ガスから無酸素ガスを得る方法では、燃焼させるための燃料を必要とし高コストである。また、熱処理に用いる無酸素ガスは高温である必要があるが、燃料を燃焼させ、常温の空気の酸素を消費させて無酸素ガスを製造する方法では、必要な温度まで空気を昇温させるために多くのエネルギーを必要とするといった問題を有する。
【０００６】
本発明の目的は、低コストで無酸素ガスを製造することができる無酸素ガス製造方法、およびそれを用いた熱処理システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、固体電解質膜を用いて空気から酸素を分離する酸素分離装置と、
酸素分離装置で製造された高濃度酸素を支燃性ガスとして燃焼させ、被加工物を加熱して加工する加工炉と、
酸素分離装置から排出された５００℃以上の高温の低濃度酸素のガスに、量論比以上の炭化水素燃料を加えて酸化反応させ、酸素を消費させて、高温の無酸素ガスを製造する酸化反応器と、
製造された前記高温の無酸素ガスを保護雰囲気とし、前記加工炉で加工された被加工物を熱処理する熱処理炉とを有することを特徴とする熱処理システムである。
【０００８】
請求項２記載の本発明は、無酸素ガスの保護雰囲気中で熱処理を行う熱処理炉で前記酸化反応を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の本発明は、炭化水素燃料を拡散混合させて炉内で酸化反応させ、高温の無酸素ガスを製造することを特徴とする。
【００１１】
酸素分離装置として固体電解質膜法があり、この方法は、電圧もしくは圧力によるエネルギーによって酸素イオンを移動させて酸素を分離し、高濃度酸素生成するとともに、低酸素濃度のオフガスを排出する。この固体電解質膜法の作動温度は７００〜１０００℃程度であり、低酸素濃度のオフガスの温度も高温である。
【００１２】
本発明では、このような高温で、酸素濃度の低い気体に、量論比以上の炭素燃料を加えて酸化反応、つまり燃焼させて酸素を消費させて、高温の無酸素ガスを製造する。このように、酸素分離装置から排出される低酸素濃度のオフガスを利用することによって、低コストで無酸素ガスを製造することができる。また、酸素分離装置からのオフガスは、すでに高温であるので、炭化水素燃料と拡散混合させて容易に酸化反応させることができる。また、熱処理に用いる無酸素ガスは高温とする必要があるが、本発明では、高温で排出される低酸素ガスを酸化反応によって高温の無酸素ガスを製造するので、エネルギー効率が良好である。
【００１３】
また、熱処理炉で前記低濃度酸素のガスを酸化反応させることによって、製造された高温の無酸素ガスをそのまま保護雰囲気として用いて熱処理を行うことができる。
【００１５】
本発明に従えば、酸素分離装置で製造した高濃度酸素を支燃性ガスとするガスバーナで、たとえば鍛造加熱や鋳鉄溶解などの金属加熱を行う。そして、酸素分離装置からのオフガスである低酸素濃度のガスを燃焼させて高温の無酸素ガスを製造し、この高温の無酸素ガスを保護雰囲気として、鍛造または鋳造した被加工物の熱処理を行う。このように、本システムでは、酸素分離装置からの高濃度酸素と低濃度酸素の両方を利用して一連の金属加工を行うことができ、省エネルギーが達成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の熱処理システム１の実施の一形態の構成を示すブロック図である。熱処理システム１は、酸素分離装置２、酸化反応器３、加工炉４、および熱処理炉５を含んで構成され、加工炉４で、鍛造加熱または鋳鉄溶解などの金属加工物の加熱加工を行い、熱処理炉５で、被加工物１１の焼きなましなどの熱処理を行う。
【００１７】
酸素分離装置２は、固体電解質膜（ＩＴＭ：Ion Transport Membrane）を用いて酸素を分離させる装置である。この固体電解質膜は、イオン導電材料（セラミック）で構成され、酸素の高濃度分離が可能であり、理論上酸素しか分離しない構造となっている。また、作動温度が非常に高く、５００℃以上必要であり、好ましくは７００〜１０００℃の作動温度が必要である。また、固体電解質膜はセラミック結晶構造であるので、上記したような高温でも安定性が高い。
【００１８】
固体電解質膜法による酸素分離装置には、外部通電型と内部短絡型とがある。外部通電型は、電解質に安定化ジルコニアを使用し、膜前後に電圧を印加して酸素イオンを移動させる構造である。内部短絡型は、ランタン酸コバルトなど（混合導電体）を使用し、膜前後の酸素分圧差を用いて内部で酸素イオンと電子を移動させる構造である。本実施形態ではどちらを用いてもよい。
【００１９】
加工装置４内では、たとえば鍛造加工を行い、被加工物１１を１２００℃程度まで加熱する必要がある。そのために、酸素分離装置１で分離された高濃度酸素７を支燃性ガスとしてバーナで燃焼させ、加工装置４の熱源として用いる。前述したように、酸素分離装置１の作動温度は７００〜１０００℃程度の高温であり、製造される酸素も高温であるので、支燃性ガスとして好適である。
【００２０】
酸素分離装置１は、供給された空気３から高濃度酸素７を分離するとともに、オフガスとして低酸素濃度のガス８を排出する。この低酸素濃度のガス８は、酸化反応器３で酸化反応させて、無酸素ガスを製造する。酸化反応器３では、低酸素濃度のガス８の量論比以上の炭化水素燃料１０、たとえば天然ガスやプロパンガスを低酸素濃度のガス８に加えて酸化反応（燃焼）させて酸素を消費させて、窒素および二酸化炭素を主成分とする中性もしくは還元性の無酸素ガスを製造する。
【００２１】
加工炉４で加工された被加工物１１は、熱処理炉５に搬送され、塑性変形後の歪みを除去するための焼きなましなどの熱処理が行われる。この焼きなましは、中性もしくは還元性の雰囲気ガス中で所定の高温度、たとえば６５０〜７００℃程度で一定時間保持し、そののち放冷して行う。高温の雰囲気ガスは、前記酸化反応器３で製造した無酸素排ガス９が用いられる。熱処理に用いる無酸素排ガス９は高温である必要があるが、本実施形態では酸化反応器３で酸化反応（燃焼）させて無酸素排ガス９を製造するので、製造された無酸素ガスは高温であり、熱処理として好適である。また、酸素分離装置２から排出される低酸素濃度のガス８も、７００〜１０００℃であるので、酸化反応器３で酸化反応させるとき加える炭化水素燃料の自着火温度以上の高温となり、加熱することなく容易に酸化反応させることができ、エネルギー効率が良好である。
【００２２】
このような無酸素ガスを用いる熱処理は、たとえば銅などの光輝焼鈍に好適に用いられる。
【００２３】
図２は本発明の他の実施形態の熱処理システム１５を示すブロック図である。本実施形態の熱処理システム１５は、酸素分離装置１６、熱処理炉１７、および加工炉１８を有し、上述した熱処理システム１と同様に、固体電解質膜を用いた酸素分離装置１６から得られた高濃度酸素２０を支燃性ガスとして加工炉１８で鍛造加熱または鋳鉄溶解を行い、塑性成型する。加工された、被加工物１１は、熱処理炉１７に搬送される。
【００２４】
酸素分離装置１６からのオフガスである低酸素濃度のガス２１は熱処理炉１７に供給される。熱処理炉１７では、供給された低酸素濃度のガス２１の量論比以上の炭化水素燃料、たとえば天然ガスと低酸素濃度のガス２１とが拡散混合されて酸化反応（燃焼）し、無酸素排ガス２３が生成される。
【００２５】
熱処理される被加工物１１は、この熱処理炉１７に搬送され、酸化反応によって酸素が消費されて生成された無酸素ガスの雰囲気に包まれて熱処理が行われる。酸素分離装置１６からの低濃度酸素のガス２１は、７００〜１０００℃程度の高温であり、熱処理炉で炭化水素燃料と拡散混合させることによって、容易に酸化反応させることができる。
【００２６】
上述した各実施形態では、酸素分離装置２は、固体電解質膜を用いた装置としたが、本発明はこれに限らず、たとえば窒素を優先的に吸着するゼオライトを吸着剤として用いて空気中の酸素と窒素とを圧力変動式吸着分離法により分離し、高濃度酸素を発生する、いわゆる酸素ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置を用いてもよい。このようなＰＳＡ装置に導入された空気は、たとえば酸素９３％、窒素３％、アルゴン４％の高濃度の酸素と、酸素１１．８％、窒素８７．６％、アルゴン０．６％の低酸素濃度のガスを発生する。
【００２７】
このような酸素ＰＳＡ装置からの低酸素濃度のガスであっても、量論比以上の炭化水素燃料を用いて酸化反応させることによって、無酸素ガスを製造することができる。このとき、加える炭化水素燃料の自着火温度以上に低酸素濃度のガスを加熱し、炭化水素燃料と低濃度酸素のガスとを拡散混合させることによって酸化反応させ、無酸素ガスが製造される。もしくは低酸素燃焼可能なバーナにて無酸素ガスを製造することもできる。
【００２８】
また、本発明の無酸素ガス製造方法は、金属加工と熱処理とを行う熱処理システムに用いる場合に限らず、酸素分離装置からの低酸素濃度のガスを酸化反応させて無酸素ガスを製造する場合であれば本発明に含まれる。
【００２９】
また熱処理は、金属加工物の熱処理に限らず、セラミックの焼成などの熱処理に用いる場合であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、酸素分離装置の低濃度酸素のオフガスを有効利用することができ、無酸素ガスを低コストで製造することができる。
【００３１】
また、酸素分離装置として固体電解質膜を用いる場合、高温のオフガスを有効熱利用することができるため、省エネルギーが達成できる。
【００３２】
また、酸素分離装置からの酸素濃度の低いオフガスを燃焼させて無酸素ガスを製造するので、少ない燃料で高温の無酸素ガスを製造でき、光輝焼鈍などの熱処理に有効に用いることができる。
【００３３】
また、酸素分離装置からの高温排ガスの特長を生かした一種のＦＤＩ燃焼もしくは高温空気燃焼に準ずる低ＮＯX燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理システム１の構成を示すブロック図である。
【図２】熱処理システム１５の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１５  熱処理システム
２，１６  酸素分離装置
３  酸化反応器
４，１８  加工炉
５，１７熱処理炉
７，２０  高濃度酸素
８，２１  低酸素濃度のガス
９，２３  無酸素排ガス
【図１】
0004358404.tif 000002
【図２】
0004358404.tif 000003