JP3814780B2

JP3814780B2 - Carburizing method and its transformation furnace for atmospheric gas production

Info

Publication number: JP3814780B2
Application number: JP2001338395A
Authority: JP
Inventors: 清幸服部; 洋石井; 和嘉山口
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd; JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp; JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-11-02
Also published as: JP2003147505A

Description

【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。

【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Ｈ₂Ｏ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。
Ｃ₄Ｈ₁₀＋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】

【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Ｈ₂Ｏ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０．４５ｍ³／ｈ、酸素３ｍ³／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１．０５ｍ³／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Ｈ₂Ｏ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】

【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】

【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】

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an efficient carburizing method and a shift furnace suitable for generating atmospheric gas used in the carburizing method.
[0002]
[Prior art]
In the gas carburizing process, in general, an atmosphere gas mainly composed of CO gas is introduced into a material to be processed while heating the material to be processed at about 930 to 970 ° C. in a carburizing furnace. In the conventional carburizing treatment, a modified gas obtained by mixing hydrocarbon gas (butane gas or propane gas) and air and introducing them into a shift furnace and reacting them is usually used as the atmospheric gas. The reaction formula when butane gas is used is as follows.

[0003]
Moreover, as a method for further shortening the time required for carburizing with respect to the carburizing treatment method using the general modified gas as described above, conventionally, high-temperature carburizing in which carburizing is performed in an atmosphere higher than the above temperature, Methanol carburizing using atmospheric gas obtained by thermally decomposing methanol gas, and pulse carburizing (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1765) are known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, among the conventional methods for shortening the carburizing time described above, with regard to high-temperature carburizing, the structure of the material after carburizing and quenching becomes coarse, or there is a problem of durability of the furnace shell. In addition, methanol carburization not only has a problem that it takes a long time to stabilize the atmosphere up to a predetermined CO% and causes variations in the control of the carbon potential, but also because of the high price of methanol, it has the effect of reducing the carburizing time. There is also the problem of being offset. Furthermore, the control method for pulse carburizing has not been established, and the fact is that it is not so popular due to variations in the effects.
[0005]
The present invention has been made in view of such circumstances, and the carburizing time can be shortened by using an atmospheric gas that can be generated at low cost without accompanying the problems found in the conventional methods described above. An object of the present invention is to provide a carburizing method and a shift furnace capable of efficiently and stably producing an atmospheric gas used in the carburizing method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the carburizing method of the present invention introduces a modified gas obtained by reacting a raw material gas containing hydrocarbon gas in a shift furnace into the carburizing furnace as an atmospheric gas, and carburizes the material. In this method, a hydrocarbon gas and an oxidizing gas are introduced into the shift furnace to cause a combustion reaction, and a shift gas obtained by performing a reforming reaction by additionally supplying a hydrocarbon gas to the combustion gas is obtained. In addition to being used as an atmospheric gas, the heat quantity necessary for maintaining the temperature of the shift furnace and the endothermic heat quantity due to the reforming reaction are covered by the calorific value due to the combustion reaction (claim 1).
[0007]
Here, in the carburizing method of the present invention, as the oxidizing gas, only oxygen (Claim 2), only carbon dioxide (Claim 3), a mixed gas of carbon dioxide and air (Claim 4), carbon dioxide Any of the mixed gas of oxygen and oxygen (Claim 5) can be used suitably.
[0008]
Further, in the carburizing method of the present invention, a step of introducing carbon dioxide can be included in the step of the reforming reaction (claim 6).
[0009]
And in the carburizing method of this invention, butane gas can be used as hydrocarbon gas (Claim 7).
[0010]
The carburizing method of the present invention does not use a special treatment such as high-temperature carburizing or pulse carburizing in the carburizing process, or use an expensive material such as methanol as a raw material for the atmospheric gas, but puts an inexpensive raw material in the shift furnace. By devising the supply procedure, atmospheric gas with high carburizing ability is generated with high thermal efficiency.
[0011]
By the way, it is known that the atmospheric gas in gas carburizing has a larger carburizing ability as the product of CO% and H ₂ % in the gas is larger, and in order to shorten the carburizing time, the atmospheric gas having a higher CO%. It is effective to use Therefore, (1) in a conventional atmospheric gas obtained by the reaction shown in formula, focusing on the N ₂ gas is no contribution to the carburizing less N ₂ gas, the atmospheric gas of high CO concentration with it If it can be obtained by reacting a hydrocarbon gas with an oxidizing gas, an atmospheric gas that is inexpensive and can shorten the carburizing time can be obtained.
[0012]
However, in order to realize this, a hydrocarbon gas and an oxidizing gas are used as the source gas in order to relatively reduce the N ₂ component in the source gas, butane gas is used as the hydrocarbon gas, for example, butane gas is used as the oxidizing gas, for example, dioxide. Using a mixed gas of carbon and oxygen and burning them in a shift furnace under the theoretical mixing ratio of complete combustion, a large amount of soot is generated and the CO concentration reaches a certain value and does not increase any more. .
[0013]
In the reaction at the time of transformation shown by the conventional formula (1), air and butane gas are mixed at a theoretical mixing ratio and introduced into the transformation furnace. In this case, the partial reaction is first performed near the inlet of the transformation furnace. A combustion reaction occurs. The CO ₂ and H ₂ O produced at that time are reformed to CO and H ₂ with the remaining butane gas, so that a modified gas having a desired composition is produced. Since this reaction is an endothermic reaction, no soot is generated due to thermal decomposition of butane gas at a high temperature.
[0014]
On the other hand, for example, when oxygen and butane gas are mixed in advance under the theoretical mixing ratio represented by equation (2) and introduced into the shift furnace, a partial combustion reaction occurs in the vicinity of the shift furnace, The balance of reaction heat at this time is an exothermic reaction, and therefore, the butane gas remaining in the partial combustion reaction is excessively decomposed before the reforming reaction occurs, and soot is generated.
C ₄ H ₁₀ + 2O ₂ = 4CO + 5H ₂ (2)
[0015]
Therefore, in the carburizing method of the present invention, the generation of soot is suppressed by performing the combustion reaction and the reforming reaction separately. That is, as a first stage, a hydrocarbon gas and an oxidizing gas (butane gas and oxygen in the example of the above formula (2)) are supplied into the shift furnace at a complete combustion or a composition ratio close thereto, and a combustion reaction is performed. Thereafter, as a second stage, the hydrocarbon gas necessary for the reforming reaction (also butane gas in the example of the formula (2)) is additionally supplied to cause the reforming reaction. At this time, the furnace temperature is set to, for example, 1050 ° C., and the amount of heat necessary for heating and the amount of heat of the endothermic reaction are covered by heat generated by the combustion reaction. At this time, the amount of heat dissipated is adjusted, for example, by considering the configuration of the heat insulating material of the shift furnace so that the furnace temperature does not rise too much. In order to prevent backfire, for example, it is preferable to supply butane gas at about 40 to 60 kPa and oxygen at about 400 to 600 kPa for combustion at a nozzle in the shift furnace.
[0016]
The reaction formula and reaction heat in the reaction process in the case of using the above butane gas and oxygen as the raw material gas are as follows.
[0017]

[0018]
Regarding the reaction temperature, from the calculation result of free energy, the reforming reaction of CO ₂ is 744 ° K (471 ° C) or more, and similarly, the reforming reaction of H ₂ O is 692 ° K (419 ° C). It turns out that this happens.
[0019]
As described above, N ₂ is reduced from the raw material gas composed of hydrocarbon gas and oxidizing gas as compared with the conventional gas, and the hydrocarbon gas is additionally supplied after the combustion reaction of the raw material gas to perform the reforming reaction. In addition to the case where oxygen is used as the oxidizing gas as described above (Claim 2), the atmospheric gas obtained by the above process is the case where carbon dioxide is used (Claim 3), and a mixed gas of carbon dioxide and air (Claim). 4) Even when a mixed gas of carbon dioxide and oxygen (Claim 5) is used, (CO% × H ₂ %) / 100 as a measure of carburizing ability is as shown in [Table 1] described later. In addition, the carburizing ability is greatly improved and the time required to obtain the required carburizing depth can be greatly shortened as compared with the case where the atmospheric gas represented by the conventional formula (1) is used.
[0020]
In addition, when carbon dioxide is introduced during the reforming reaction as in the invention according to claim 6, the CO concentration of the obtained atmospheric gas is further improved. Further, by using butane gas as the hydrocarbon gas as in the invention according to claim 7, the cost of the raw material gas can be kept low.
[0021]
On the other hand, the shift furnace of the present invention is a shift furnace for reacting a raw material gas containing a hydrocarbon gas so as to generate an atmospheric gas to be introduced into the carburizing furnace at the time of carburizing the material, and introducing the hydrocarbon gas And a reforming section having a catalyst layer for reforming the combustion gas, and the combustion section is formed by a space provided around the reforming section. In addition , the reforming section is characterized by being provided with a separate hydrocarbon gas inlet (claim 8).
[0022]
Here, in the shift furnace of the present invention, a configuration in which the carbon dioxide introduction port is provided in the reforming section (claim 9) can be adopted.
[0023]
The shift furnace of the present invention is a shift furnace suitable for generating a carburizing atmosphere gas by applying the carburizing method of the present invention described above, and thus includes a reforming section having a combustion section and a catalyst layer in the furnace. In order to cover the amount of heat for maintaining the temperature of the shift furnace and the amount of heat necessary for the endothermic reaction in the reforming section with the calorific value of the combustion reaction in the combustion section, the space forming the combustion section is around the reforming section. And a hydrocarbon gas inlet for additionally supplying hydrocarbon gas to the reforming section.
[0024]
In addition, in the invention according to claim 9, in addition to the above configuration, a carbon dioxide introduction port is provided in the reforming section, and in response to the carburizing method of the invention according to claim 6, introduction of carbon dioxide in the reforming step. Is possible.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration example of a shift furnace for generating atmospheric gas supplied into a carburizing furnace in the carburizing method of the present invention.
[0026]
In this example, a catalyst layer 2 such as Ni is disposed in the central portion of the shift furnace main body 1, and a mixture of hydrocarbon gas and oxidizing gas introduced into the furnace is formed above the shift furnace main body 1. A plurality of burners 3 for burning while introducing gas into the furnace are arranged so that the combustion gas is directed toward the periphery of the catalyst layer 2. A supply nozzle 4 for additionally supplying a hydrocarbon gas toward the catalyst layer 2 is disposed at the center of the lower part of the shift furnace body 1. The vicinity of the upper end of the catalyst layer 2 is exposed to the outside of the shift furnace body 1 and the periphery thereof is covered with a water cooling jacket 5, and the upper end of the catalyst layer 2 is discharged to guide the obtained shift gas to the outside of the furnace. A tube 6 is arranged. In this configuration, the space between the shift furnace main body 1 and the catalyst layer 2 forms a combustion portion, and the catalyst layer 2 forms a shift portion.
[0027]
Using the above apparatus, butane gas and oxygen are introduced into the shift furnace main body 1 through each burner 3 under the complete combustion mixing ratio indicated by the left side of the equation (e) and burned, and then passed through the supply nozzle 4. Then, butane gas is introduced into the shift furnace main body 1 to perform the reforming expressed by the equations (f) and (g).
[0028]
By way of example of the flow rate of each gas, as schematically shown in FIG. 2, in order to obtain a reformed gas at 14m ³ / h, butane gas 0.45 m ³ / h, a ratio of oxygen 3m ³ / h Send it. Then, butane gas is supplied from the supply nozzle 4 at 1.05 m ³ / h to the combustion gas. As a result, while the combustion gas passes through the catalyst layer 2, CO ₂ and H ₂ O are reformed to CO and H ₂ by the additionally supplied butane gas, and the desired modified gas is efficiently produced without generating soot. Can get to.
[0029]
Next, an example in which the metamorphic gas generated by the above procedure is introduced into a carburizing furnace and the material is actually carburized will be described.
In this experiment, in addition to the atmospheric gas obtained as described above (corresponding to Example 1 and Claim 2), butane gas and carbon dioxide are produced as raw material gases in accordance with the invention according to Claim 3. Corresponding to Claim 4 and the atmosphere gas (Example 2), an atmosphere generated by using a raw material gas in which a gas obtained by mixing 7: 3 (volume ratio) of air: carbon dioxide with butane gas is mixed. Gas (Example 3-1), and atmospheric gas generated using a raw material gas in which a mixture of air and carbon dioxide in a volume ratio of 4.5: 5.5 (volume ratio) is also added to butane gas. Example 3-2) Further, as a comparative example, an atmospheric gas obtained by using the conventional raw material gas represented by the formula (1) was used. The composition ratios of these atmospheric gases are shown in [Table 1] together with the raw material gases. Moreover, in this [Table 1], the value of (CO% × H ₂ %) / 100 as a standard of carburizing ability is also shown.
[0030]
[Table 1]

[0031]
In addition, the atmospheric gas of Examples 3-1 and 3-2 generates a certain amount of soot when normal processing is performed using a normal shift furnace, but the heater position in the shift furnace is changed and the temperature is adjusted. Occurrence of wrinkles can be suppressed by changing the position or the like.
[0032]
In the experiment, an ordinary batch type carburizing furnace was used, and an O ₂ sensor was used to control the carbon potential. Since CO% of various atmospheric gases was different, the gas in the furnace was sampled, and the CO 2 was sampled. % Was measured, and the value was fed back to the O ₂ sensor computing unit, so that the carbon potential of various atmospheric gases was carburized at a common setting.
[0033]
The heat pattern was the pattern shown in FIG. 3 for each atmospheric gas, and two types of experiments were performed for each gas at a carburizing temperature of 930 ° C. and 950 ° C. As a test piece, an outer ring of a bearing made of material SCr420 was used.
[0034]
Here, there are the following two steps regarding the movement of carbon from the atmospheric gas to the steel surface in the carburization reaction. That is, the movement of carbon to the vicinity of the steel surface due to the difference between the carbon potential of the atmosphere gas and the carbon potential based on the carbon amount originally possessed by the steel (first stage), and the carbon potential of the atmosphere gas and the vicinity of the steel surface. After carbon is nearly equal, the carbon near the steel surface diffuses into the steel and the carbon potential near the steel surface becomes lower than that of the atmospheric gas. This is a stage (second stage) in which the diffusion of carbon in the vicinity of the surface into the interior becomes rate-limiting.
[0035]
As a result, it is in the first stage of the carburizing treatment that the characteristics of the high CO% atmospheric gas used in each claim of the present invention remarkably appear in the first stage of the carburizing treatment. In the subsequent diffusion period (second stage), the conventional atmosphere gas, that is, the atmosphere gas used in Comparative Example 1 was used. And the total carburizing depth of the test piece processed by the heat pattern of FIG. 3 using each atmospheric gas was measured. The results are shown in [Table 2].
[0036]
[Table 2]

[0037]
As is clear from this [Table 2], the atmospheric gases of Examples 1, 2-1, and 2-2 have the carburizing ability shown in [Table 1] as compared to the conventional atmospheric gas of Comparative Example 1. The total carburization depth is deep according to the ratio. [Table 3] shows the improvement rate of the total carburization depth of each example gas with respect to the conventional gas of Comparative Example 1.
[0038]
[Table 3]

[0039]
From this [Table 3], by performing carburization using each example gas, the time required to obtain the required carburization depth can be shortened as compared with the case where the comparative example gas which is a conventional gas is used. Obviously you can. Moreover, the improvement rate of the carburizing ability of each example gas with respect to the conventional gas is higher when the carburizing temperature is 950 ° C. than 930 ° C. This is because the carbon diffusion speed in the steel is higher at 950 ° C., so the carburization reaction by each example gas was more actively performed. Therefore, it has become clear that it is better to perform the carburizing process at a higher temperature in order to extract the effect of each example gas more effectively.
[0040]
As another embodiment of the shift furnace shown in FIG. 1, a configuration in which a nozzle for supplying CO ₂ gas toward the catalyst layer 2 is separately provided can be employed. By additionally supplying CO ₂ gas through this nozzle in the reforming stage, it is possible to obtain an atmospheric gas having a higher CO%. By supplying the CO ₂ gas into the shift furnace only in the reforming stage, the combustion efficiency and the heat generation amount in the combustion stage are increased, and the energy saving effect is further increased.
[0041]
Here, in the above description, an example of using butane gas as the hydrocarbon gas has been described. However, even when other known hydrocarbon gas used for generation of this kind of atmospheric gas, for example, propane gas or the like is used, it is equivalent. Needless to say, the effect can be obtained, and in addition to the mixed gas of carbon dioxide and air as the oxidizing gas, the mixed gas of carbon dioxide and oxygen can be used to produce the same or higher effect. It will be clear from the above explanation.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to shorten the time required to obtain a carburized layer having a required depth as compared with the conventional carburizing method using hydrocarbon gas and oxidizing gas as raw material gas. This can reduce the cost required for the carburizing process. Moreover, there are no problems such as conventional special carburizing methods such as high-temperature carburizing and methanol carburizing, and there is no particular increase in cost when generating atmospheric gas, and cost reduction effect by shortening carburizing time Can be utilized almost as it is.
[0043]
Further, in the present invention, when generating an atmosphere gas having a high carburizing ability using a hydrocarbon gas and an oxidizing gas as a raw material gas, a step of burning a mixed gas of a hydrocarbon gas and an oxidizing gas, On the other hand, by separating from the stage of reforming with additional supply of hydrocarbon gas, it is possible to stably generate atmospheric gas with high CO concentration while suppressing the generation of soot, and in the reforming stage, the combustion stage Since the heat generated in the process is used, the energy saving effect is excellent, and the cost reduction effect by shortening the carburizing time can be further ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an embodiment of a carburizing furnace of the present invention suitable for forming a carburizing gas used in the carburizing method of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the flow rate of each gas when the atmospheric gas used in the invention according to claim 2 is produced by the shift furnace of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a heat pattern employed in an experiment in which materials were actually carburized using each of the method examples corresponding to the inventions according to claims 2 to 7 and a comparative example method which is a conventional method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transformation furnace body 2 Catalyst layer 3 Burner 4 Supply nozzle 5 Water cooling jacket 6 Discharge pipe

Claims

In the method of carburizing the material by introducing the modified gas obtained by reacting the raw material gas containing hydrocarbon gas in the shift furnace into the carburizing furnace as the atmospheric gas,
By introducing a hydrocarbon gas and oxidative gas into the reforming furnace in by the combustion reaction, with use of the reformed gas obtained by the reforming reacted by additionally supplied hydrocarbon gas to the combustion gas as an atmospheric gas A carburizing method characterized in that the amount of heat necessary for maintaining the temperature of the shift furnace and the amount of heat absorbed by the reforming reaction are covered by the amount of heat generated by the combustion reaction .

The carburizing method according to claim 1, wherein the oxidizing gas is oxygen.

The carburizing method according to claim 1, wherein the oxidizing gas is carbon dioxide.

The carburizing method according to claim 1, wherein the oxidizing gas is a mixed gas of carbon dioxide and air.

The carburizing method according to claim 1, wherein the oxidizing gas is a mixed gas of carbon dioxide and oxygen.

The carburizing method according to claim 1, further comprising a step of introducing carbon dioxide into the reforming reaction step.

The carburizing method according to claim 1, wherein butane gas is used as the hydrocarbon gas.

A shift furnace for reacting a raw material gas containing a hydrocarbon gas in order to generate an atmospheric gas to be introduced into the carburizing furnace during carburizing treatment of the material,
A combustion section for introducing and burning hydrocarbon gas; and a reforming section having a catalyst layer for reforming the combustion gas , wherein the combustion section is a space provided around the reforming section. And a separate hydrocarbon gas inlet is provided in the reforming section.

The shift furnace according to claim 8, wherein a carbon dioxide inlet is provided in the reforming section.