(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素ガスを含む原料ガスを変成炉内で反応させて得た変成ガスを、雰囲気ガスとして浸炭炉内に導入して材料の浸炭処理を行う方法において、
上記変成炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスを導入して燃焼反応させ、その燃焼ガスに対して炭化水素ガスを追加供給して改質反応させて得られた変成ガスを雰囲気ガスとして用いるとともに、上記変成炉の温度の維持に必要な熱量と改質反応による吸熱熱量とを、上記燃焼反応による発熱量で賄うことを特徴とする浸炭方法。
【請求項２】
上記酸化性ガスが酸素であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
【請求項３】
上記酸化性ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
【請求項４】
上記酸化性ガスが、二酸化炭素と空気との混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
【請求項５】
上記酸化性ガスが、二酸化炭素と酸素との混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の浸炭方法。
【請求項６】
上記改質反応の工程中に二酸化炭素を導入する工程を含むことを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の浸炭方法。
【請求項７】
上記炭化水素ガスとしてブタンガスを用いることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の浸炭方法。
【請求項８】
材料の浸炭処理時に浸炭炉内に導入する雰囲気ガスを生成すべく、炭化水素ガスを含む原料ガスを反応させるための変成炉であって、
炭化水素ガスを導入して燃焼させる燃焼部と、その燃焼ガスを改質する触媒層を有してなる改質部とを備え、上記燃焼部は、上記改質部の周囲に設けられた空間によって形成されているとともに、上記改質部に別個の炭化水素ガス導入口が設けられていることを特徴とする変成炉。
【請求項９】
上記改質部に二酸化炭素導入口が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の変成炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率的な浸炭方法と、その浸炭方法に用いる雰囲気ガスを生成するのに適した変成炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス浸炭処理においては、一般に、浸炭炉内で被処理材料を９３０〜９７０℃程度に加熱しつつその内部にＣＯガスを主体とする雰囲気ガスを導入する。従来の浸炭処理においては、通常、雰囲気ガスとして、炭化水素ガス（ブタンガス、もしくはプロパンガス）と空気とを混合して変成炉に導いて反応させて得た変成ガスが用いられている。ブタンガスを用いる場合の反応式は以下に示す通りである。
0003814780.tif 000002
【０００３】
また、以上のような一般的な変成ガスを用いた浸炭処理方法に対し、浸炭に要する時間をより短縮化する方法として、従来、上記した温度よりも高温の雰囲気下で浸炭を施す高温浸炭、メタノールガスを熱分解させて得た雰囲気ガスを用いるメタノール浸炭、更にはパルス浸炭（特開２０００−１７６５号参照）などが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した浸炭時間の短縮化のための従来の方法のうち、高温浸炭については、浸炭焼き入れ後の材料の組織が粗大化したり、あるいは炉殻の耐久性の問題がある。また、メタノール浸炭では、所定のＣＯ％までの雰囲気の安定に長時間を要し、カーボンポテンシャルの制御にばらつきが生じるという問題があるばかりでなく、メタノールの価格が高いため、浸炭時間短縮効果が相殺されてしまうという問題もある。更に、パルス浸炭については制御の方法が確立されておらず、効果にばらつきがあるためにさほど普及していないのが実情である。
【０００５】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、上記した従来の方法に見られる諸問題点を伴うことなく、安価に生成可能な雰囲気ガスを用いて浸炭時間を短縮化することのできる浸炭方法と、その浸炭方法に用いる雰囲気ガスを効率的に安定して製造することのできる変成炉の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の浸炭方法は、炭化水素ガスを含む原料ガスを変成炉内で反応させて得た変成ガスを、雰囲気ガスとして浸炭炉内に導入して材料の浸炭処理を行う方法において、上記変成炉内に炭化水素ガスと酸化性ガスを導入して燃焼反応させ、その燃焼ガスに対して炭化水素ガスを追加供給して改質反応させて得られた変成ガスを雰囲気ガスとして用いるとともに、上記変成炉の温度の維持に必要な熱量と改質反応による吸熱熱量とを、上記燃焼反応による発熱量で賄うことによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００７】
ここで、本発明の浸炭方法においては、上記酸化性ガスとして、酸素のみ（請求項２）、二酸化炭素のみ（請求項３）、二酸化炭素と空気との混合ガス（請求項４）、二酸化炭素と酸素との混合ガス（請求項５）のいずれかを好適に用いることができる。
【０００８】
また、本発明の浸炭方法においては、上記改質反応の工程中に二酸化炭素を導入する工程を含ませること（請求項６）ができる。
【０００９】
そして、本発明の浸炭方法においては、炭化水素ガスとしてブタンガスを用いること（請求項７）ができる。
【００１０】
本発明の浸炭方法は、浸炭過程において高温浸炭やパルス浸炭などの特殊な処理を施したり、あるいは雰囲気ガスの原料としてメタノールなどの高価な物質を用いるのではなく、安価な原料を変成炉内に供給する手順を工夫することによって、高い熱効率のもと浸炭能の高い雰囲気ガスを生成するものである。
【００１１】
ところで、ガス浸炭における雰囲気ガスにおいてはそのガス中のＣＯ％とＨ2 ％の積が大きいほど浸炭能が大きいことが知られており、浸炭時間を短縮化するためにはＣＯ％の高い雰囲気ガスを使用することが有効である。そこで、（１）式に示される反応により得られる従来の雰囲気ガス中において、Ｎ2 ガスが浸炭に何ら寄与しないことに着目して、Ｎ2 ガスが少なく、それに伴い高いＣＯ濃度の雰囲気ガスを、炭化水素ガスと酸化性ガスを反応させることによって得ることができれば、安価で浸炭時間を短縮化することのできる雰囲気ガスが得られる。
【００１２】
しかしながら、これを実現すべく、原料ガス中のＮ2 成分を相対的に少なくすべく、原料ガスとして炭化水素ガスと酸化性ガスを用い、炭化水素ガスとして例えばブタンガスを、酸化性ガスとして例えば二酸化炭素と酸素の混合ガスを用いて、これらを完全燃焼の理論混合比のもとに変成炉で燃焼させると、大量の煤が発生してＣＯ濃度はある値で頭打ちとなり、それ以上は上がらない。
【００１３】
従来の（１）式で示される変成時における反応では、空気とブタンガスを理論混合比のもとに混合して変成炉に導入するのであるが、この場合、最初に変成炉の入口付近で部分燃焼反応が起こる。そのときに生成されるＣＯ2 とＨ2 Ｏを残りのブタンガスでＣＯとＨ2 に改質することにより、所望の組成の変成ガスが生成される。この反応は吸熱反応であるので、高温でのブタンガスの熱分解による煤の発生はない。
【００１４】
これに対し、同様にして例えば酸素とブタンガスをあらかじめ（２）式で示される理論混合比のもとに混合して変成炉に導入すると、同じく変成炉の入口付近で部分燃焼反応が生じるが、このときの反応熱の収支は発熱反応となり、そのため、部分燃焼反応で余ったブタンガスが改質反応を起こす前に過剰に熱分解し、煤が発生する。
Ｃ4 Ｈ10＋２Ｏ2 ＝４ＣＯ＋５Ｈ2   ・・・・（２）
【００１５】
そこで、本発明の浸炭方法においては、燃焼反応と改質反応を分離して行うことで、煤の発生を抑制している。すなわち、第１段階として、炭化水素ガスと酸化性ガス（上記（２）式の例ではブタンガスと酸素）を完全燃焼またはそれに近い組成比で変成炉内に供給して燃焼反応を行わせる。その後、第２段階として、改質反応に必要な炭化水素ガス（同じく（２）式の例ではブタンガス）を追加供給して改質反応を行わせる。この際、炉温は例えば１０５０℃として、加熱に必要な熱量と吸熱反応の熱量は燃焼反応による発熱で賄う。このとき、炉温が上がり過ぎないように、例えば変成炉の断熱材の構成を考慮する等により、放散熱量を調整する。また、逆火を防止するために、例えばブタンガスは４０〜６０ｋＰａ、酸素は４００〜６００ｋＰａ程度で変成炉内のノズルに供給して燃焼させることが好ましい。
【００１６】
以上のブタンガスと酸素とを原料ガスとして用いる場合における反応過程における反応式並びに反応熱は以下に示す通りとなる。
【００１７】
0003814780.tif 000003
【００１８】
なお、反応温度については、自由エネルギの計算結果から、ＣＯ2 の改質反応は７４４°Ｋ（４７１℃）以上で、また、同様にＨ2 Ｏの改質反応は６９２°Ｋ（４１９℃）以上で起こることが判った。
【００１９】
このように、炭化水素ガスと酸化性ガスとからなる原料ガス中から従来に比してＮ2 を少なくし、かつ、その原料ガスの燃焼反応の後に炭化水素ガスを追加供給して改質反応させて得られる雰囲気ガスは、上記のように酸化性ガスとして酸素を用いる場合（請求項２）のほか、二酸化炭素を用いる場合（請求項３）、二酸化炭素と空気との混合ガス（請求項４）および二酸化炭素と酸素との混合ガス（請求項５）を用いた場合でも、浸炭能の目安としての（ＣＯ％×Ｈ2 ％）／１００は、後述する［表１］に示す通りであり、従来の（１）式に示される雰囲気ガスを用いる場合に比して、浸炭能が大きく向上して、所要の浸炭深さを得るのに要する時間を大幅に短縮化することができる。
【００２０】
また、請求項６に係る発明のように改質反応の工程中に二酸化炭素を導入すると、得られる雰囲気ガスのＣＯ濃度がより向上する。そして、炭化水素ガスとして、請求項７に係る発明のようにブタンガスを用いることにより、原料ガスのコストを低く抑えることができる。
【００２１】
一方、本発明の変成炉は、材料の浸炭処理時に浸炭炉内に導入する雰囲気ガスを生成すべく、炭化水素ガスを含む原料ガスを反応させるための変成炉であって、炭化水素ガスを導入して燃焼させる燃焼部と、その燃焼ガスを改質する触媒層を有してなる改質部とを備え、上記燃焼部は、上記改質部の周囲に設けられた空間によって形成されているとともに、上記改質部に別個の炭化水素ガス導入口が設けられていることによって特徴づけられる（請求項８）。
【００２２】
ここで、本発明の変成炉においては、上記改質部に二酸化炭素導入口を設けた構成（請求項９）を採用することができる。
【００２３】
本発明の変成炉は、上記した本発明の浸炭方法を適用して浸炭用雰囲気ガスを生成するのに適した変成炉であり、従って炉内に燃焼部と触媒層を有する改質部を備え、当該変成炉の温度を維持するための熱量と改質部での吸熱反応に必要な熱量とを燃焼部における燃焼反応の発熱量で賄うべく、燃焼部を形成する空間は改質部の周囲に設けるとともに、その改質部に対して炭化水素ガスを追加供給するための炭化水素ガス導入口を設けている。
【００２４】
また、請求項９に係る発明では、上記構成に加えて、改質部に二酸化炭素導入口を設けて、請求項６に係る発明の浸炭方法に対応して、改質工程において二酸化炭素の導入を可能としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の浸炭方法において浸炭炉内に供給する雰囲気ガスを生成するための変成炉の構成例の説明図である。
【００２６】
この例においては、変成炉本体１の中心部分に例えばＮｉ等の触媒層２を配置するとともに、変成炉本体１の上部には、炉内に導入された炭化水素ガスと酸化性ガスとの混合ガスを炉内に導入しつつ燃焼させるための複数のバーナー３を、その燃焼ガスが触媒層２の周囲に向かうように配置している。また、変成炉本体１の下部の中心部には、炭化水素ガスを触媒層２に向けて追加供給するための供給ノズル４を配置している。触媒層２の上端部近傍は変成炉本体１の外部に臨ませてその周囲を水冷ジャケット５で覆うとともに、触媒層２の上端部には、得られた変成ガスを炉外に導くための排出管６を配置している。この構成において、変成炉本体１と触媒層２との間の空間が燃焼部を形成し、触媒層２が変成部を形成する。
【００２７】
以上の装置を用い、各バーナー３を通じて変成炉本体１内に（ｅ）式左辺で示される完全燃焼の混合比のもとにブタンガスと酸素とを導入して燃焼させ、次いで供給ノズル４を介してブタンガスを変成炉本体１内に導入して、（ｆ），（ｇ）式で示される改質を行わせる。
【００２８】
各ガスの流量の例を示すと、図２に模式的に示すように、変成ガスを１４ｍ3 ／ｈで得ようとする場合、ブタンガス０．４５ｍ 3／ｈ、酸素３ｍ 3／ｈの比率で送ればよい。そして、その燃焼ガスに対して、供給ノズル４からブタンガスを１．０５ｍ 3／ｈで供給する。これにより、燃焼ガスが触媒層２を通過する間に、追加供給したブタンガスによってＣＯ2 とＨ2 ＯがＣＯとＨ2 に改質され、煤を発生することなく、所望の変成ガスを効率的に得ることができる。
【００２９】
次に、以上の手順により生成した変成ガス等を浸炭炉に導入して、実際に材料の浸炭を行った例について説明する。
この実験においては、上記のようにして得られた雰囲気ガス（実施例１・請求項２に対応）のほか、請求項３に係る発明に対応して、ブタンガスと二酸化炭素とを原料ガスとして生成した雰囲気ガス（実施例２）、請求項４に対応して、ブタンガスに対して、空気：二酸化炭素を７：３（体積比）で混合したガスを混合させた原料ガスを用いて生成した雰囲気ガス（実施例３−１）、並びに同じくブタンガスに対し、空気：二酸化炭素を４．５：５．５（体積比）で混合したガスを混合させた原料ガスを用いて生成した雰囲気ガス（実施例３−２）、更には、比較例として（１）式で示した従来の原料ガスを用いて得た雰囲気ガスを用いた。これらの雰囲気ガスの組成比を、各原料ガスとともに［表１］に示す。また、この［表１］には、浸炭能の目安としての（ＣＯ％×Ｈ2 ％）／１００の値を併記している。
【００３０】
【表１】
0003814780.tif 000004
【００３１】
なお、実施例３−１，３−２の雰囲気ガスは、通常の変成炉を用いて通常の処理を行った場合にある程度の煤は発生するが、変成炉内のヒータ位置の変更や温度調節位置の変更等によって煤の発生を抑制することができる。
【００３２】
さて、実験には、ごく一般的なバッチ型浸炭炉を用い、カーボンポテンシャルの制御にはＯ2 センサを使用した、なお、各種雰囲気ガスのＣＯ％が異なるため、炉内ガスをサンプリングし、ＣＯ％を測定してその値をＯ2 センサの演算器にフィードバックすることで各種雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを共通の設定で浸炭処理するようにした。
【００３３】
ヒートパターンは各雰囲気ガスとも図３に示すパターンとし、それぞれのガスについて浸炭温度は９３０℃と９５０℃の２種類の実験を行った。テストピースとしては材質ＳＣｒ４２０のベアリングの外輪を用いた。
【００３４】
ここで、浸炭反応における炭素の雰囲気ガスから鋼表面への移動に関しては、以下の２段階がある。すなわち、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルと、鋼が元々保有している炭素量に基づくカーボンポテンシャルとの差による鋼表面近傍への炭素の移動（第１段階）と、雰囲気ガスと鋼表面近傍のカーボンポテンシャルがほぼ等しくなった後、鋼表面近傍の炭素が鋼内部へ拡散して鋼表面近傍のカーボンポテンシャルが雰囲気ガスのそれに対して再び低くなった分、雰囲気ガスから炭素が補充される段階、つまり鋼表面近傍の炭素の内部への拡散が律速となる段階（第２段階）である。
【００３５】
このことにより、本発明の各請求項において用いる高ＣＯ％の雰囲気ガスの特徴が顕著に現れるのは浸炭処理の第１段階であるため、実際の実験においては、図３における浸炭期（第１段階）のみを各実施例ガスを用いて処理し、以降の拡散期（第２段階）においては従来の雰囲気ガス、つまり比較例１で用いる雰囲気ガスを用いて処理した。そして、各雰囲気ガスを用いて図３のヒートパターンにより処理したテストピースの全浸炭深さを測定した。その結果を［表２］に示す。
【００３６】
【表２】
0003814780.tif 000005
【００３７】
この［表２］から明らかなように、従来の比較例１の雰囲気ガスに比して、実施例１，２−１，２−２の雰囲気ガスは、［表１］に示した浸炭能の比率に準じて全浸炭深さが深くなっている。［表３］には、比較例１の従来ガスに対する各実施例ガスの全浸炭深さの向上率を示す。
【００３８】
【表３】
0003814780.tif 000006
【００３９】
この［表３］から、各実施例ガスを用いて浸炭を行うことにより、従来ガスである比較例ガスを用いる場合に比して、所要の浸炭深さを得るに要する時間を短縮化することができることが明らかである。また、浸炭温度は９３０℃より９５０℃としたほうが、従来ガスに対する各実施例ガスの浸炭能の向上率が上昇している。これは、９５０℃のほうが鋼内部での炭素の拡散スピードが速いため、各実施例ガスによる浸炭反応がよはり活発に行われたためである。従って、各実施例ガスの効果をより有効に引き出すためには、より高温で浸炭処理をしたほうがよいことも明らかとなった。
【００４０】
また、図１に示した変成炉の他の実施の形態として、触媒層２に向けてＣＯ2 ガスを供給するためのノズルを別途設ける構成を採用することができる。このノズルを介して改質段階においてＣＯ2 ガスを追加供給することにより、ＣＯ％のより高い雰囲気ガスを得ることができる。そして、このＣＯ2 ガスの変成炉内への供給を、改質段階のみとすることにより、燃焼段階における燃焼効率および発熱量が上がり、省エネ効果がより一層大きなものとなる。
【００４１】
ここで、以上の説明においては、炭化水素ガスとしてブタンガスを用いる例について述べたが、この種の雰囲気ガスの生成に用いられる公知の他の炭化水素ガス、例えばプロパンガス等を用いても同等の作用効果を奏し得ることは勿論であり、酸化性ガスとして、二酸化炭素と空気との混合ガスのほか、二酸化炭素と酸素との混合ガスを用いても同等またはそれ以上の効果を奏し得ることは、以上の説明から明らかであろう。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、炭化水素ガスと酸化性ガスを原料ガスとしている従来の浸炭方法に比して、所要深さの浸炭層を得るのに要する時間を短縮化することができ、浸炭処理に要するコストを削減することができる。しかも、高温浸炭やメタノール浸炭等の従来の特殊な浸炭方法のような不具合を伴うこともなく、かつ、雰囲気ガスの生成に際しても特にコストが上昇することがなく、浸炭時間の短縮によるコスト削減効果を殆どそのまま活かすことができる。
【００４３】
また、本発明においては、浸炭能の高い雰囲気ガスを、炭化水素ガスと酸化性ガスを原料ガスとして生成するに当たり、炭化水素ガスと酸化性ガスとの混合ガスを燃焼させる段階と、その排ガスに対して炭化水素ガスを追加供給して改質する段階とに別けることにより、高いＣＯ濃度の雰囲気ガスを煤の発生を抑制しつつ安定して生成することができ、しかも改質段階では燃焼段階で発生する熱を利用しているので、省エネ効果に優れ、浸炭時間の短縮によるコスト低減効果をより一層確実なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浸炭方法において用いる浸炭ガスを成形するのに適した、本発明の浸炭炉の実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】図１の変成炉により請求項２に係る発明において用いる雰囲気ガスを製造する際の各ガスの流量を示す模式図である。
【図３】請求項２〜７に係る発明に対応する各実施例方法と、従来方法である比較例方法を用いて、実際に材料を浸炭した実験に採用したヒートパターンの説明図である。
【符号の説明】
１  変成炉本体
２  触媒層
３  バーナー
４  供給ノズル
５  水冷ジャケット
６  排出管
【図１】
0003814780.tif 000007
【図２】
0003814780.tif 000008
【図３】
0003814780.tif 000009