(57)【要約】【課題】窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善を図りつつ、火炎温度を適正にし得る燃焼バーナを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸素ガスを混合して火炎を形成する酸素バーナ２２を備えると共に、当該酸素バーナ２２が取り付けられるバーナノズル３０に、酸素バーナ２２の火炎領域に向けて冷却エアを吹き出す冷却エア吹出部としての第２貫通孔３８を備えるようにする。また、バーナノズル３０の外側開口側に偏った位置に第２貫通孔３８を設けて、当該バーナノズル３０内で酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出すようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内に収容された鋼材を加熱する燃焼バーナであって、
酸素バーナと、
前記酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出す冷却エア吹出部を備えた
ことを特徴とする燃焼バーナ。
【請求項２】
前記酸素バーナの火炎噴射部を囲うようバーナノズルを備え、
前記バーナノズルの火炎領域側の開口に偏った位置に前記冷却エア吹出部を設けると共に、当該バーナノズル内で前記酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出すよう構成された請求項１記載の燃焼バーナ。
【請求項３】
前記酸素バーナの中心線に対して前記冷却エア吹出部が傾斜して設けられた請求項１または２記載の燃焼バーナ。
【請求項４】
前記酸素バーナの火炎状態を検出する火炎検出手段が設けられた請求項１〜３の何れか一項に記載の燃焼バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉体内に収容された鋼材を加熱する燃焼バーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼製品の組織制御を行う目的で各種の熱処理が行われる。ここで時効硬化型合金のような熱処理を要する鋼材からなる鋼製品では、該鋼材を所定速度で加熱し、時効温度で保持した後に、所定速度で冷却を行って、所望の内部組織を与える。かかる連続熱処理では、温度制御機構付きの熱処理炉(加熱炉)が用いられる。このような熱処理炉では、気体または液体燃料に空気(大気)を混合して燃焼させるようにした大気バーナを用いることが広く知られている。このような大気バーナを用いる場合には、燃料に空気を混合して燃焼させることから、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物(ＮＯｘ)が比較的高い傾向にあり、排出される窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善などに課題がある。
【０００３】
このような大気バーナの課題を解決することを目的として熱処理炉の燃焼バーナとして酸素バーナを用いることがある(特許文献１)。例えば、特許文献１には、燃料リッチ状態の１次燃焼を行なわせるとともに、その周囲から燃焼に必要な残りの酸素を供給することにより燃料を完全燃焼させて、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物を低減するとともに燃料原単位を改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２３３９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、燃焼バーナとして酸素バーナを用いることにより、窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善に一定の効果があるものの、火炎が過剰に高温になり易い傾向があることから熱処理炉の耐熱性を高める等の対策が求められ、設備コストを押し上げる要因ともなっている。
【０００６】
すなわち本発明は、従来の技術に内在する前記課題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善を図りつつ、火炎温度を適正にし得る燃焼バーナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決し、所期の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る発明は、
炉体内に収容された鋼材を加熱する燃焼バーナであって、
酸素バーナと、
前記酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出す冷却エア吹出部を備えたことを要旨とする。
この構成によれば、酸素バーナを用いることで窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善を図ると共に、酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出すようにすることで、火炎温度が過剰に高温になるのを防止して適正な火炎温度とすることが可能となる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、
前記酸素バーナの火炎噴射部を囲うようバーナノズルを備え、
前記バーナノズルの火炎領域側の開口に偏った位置に前記冷却エア吹出部を設けると共に、当該バーナノズル内で前記酸素バーナの火炎領域に向けて冷却エアを吹き出すよう構成されたことを要旨とする。
この構成によれば、酸素バーナの火炎温度を効率よく適正化することが可能となる。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、
前記酸素バーナの中心線に対して前記冷却エア吹出部が傾斜して設けられたことを要旨とする。
この構成によれば、酸素バーナの火炎温度を効率よく適正化することが可能となる。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、
前記酸素バーナの火炎状態を検出する火炎検出手段が設けられたことを要旨とする。
この構成によれば、酸素バーナの火炎状態を確実に監視することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃焼バーナによれば、窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善を図りつつ、火炎温度を適正にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る燃焼バーナを備えた熱処理炉を概略で示す断面図である。
【図２】(ａ)は本発明に係る燃焼バーナを概略で示す横断平面図であり、(ｂ)は酸素バーナの要部を拡大した横断平面図である。
【図３】本発明に係る燃焼バーナを備えた熱処理炉のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る燃焼バーナにつき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃焼バーナ２０が取り付けられた熱処理炉１０を示す概念図である。熱処理炉１０は、炉体１２の内部に鋼材Ｍを収容する加熱室１２ａが画成され、当該炉体１２の炉壁１４の上部に、加熱室１２ａ内に臨むよう燃焼バーナ２０が設けられている。実施例では、炉体１２において加熱室１２ａを挟んで向き合う各炉壁１４の夫々に、２基の燃焼バーナ２０が対向するよう夫々設けられており、加熱室１２ａ内に収容した鋼材Ｍを１０００〜１２００℃程度に加熱し得るようになっている。また、熱処理炉１０の炉壁１４には、加熱室１２ａ内の雰囲気ガスの温度を測定する温度検出手段として熱電対１６が取り付けられている。なお、燃焼バーナ２０の配設位置や配設数は、これに限られるものではないことは当然である。
【００１５】
前記燃焼バーナ２０は、図２に示すように、酸素バーナ２２と、当該酸素バーナ２２の火炎噴射部を囲繞するよう設けられたバーナノズル３０とを備えている。酸素バーナ２２は、図２(ｂ)に示すように、燃料ガス供給管５０に連通する第１管体２４の先端に小径の燃料噴射口２５ａを形成したノズル２５を備えている。また、第１管体２４の外周には、一次酸素ガス供給管５２に連通する第２管体２６が同心状に設けられており、当該ノズル２５の外周と第２管体２６との間にスリット状の一次酸素ガス噴射口２６ａが形成されている。更に、第２管体２６の外周には、二次酸素ガス供給管５４に連通する第３管体２７が同心状に設けられと共に、当該第３管体２７の端部に二次酸素ガス噴射口２７ａが形成されている。なお、図２(ｂ)に示す実施例の酸素バーナ２２には、当該酸素バーナ２２(第１〜第３管体２４,２６,２７)の中心線周りに複数(例えば４つ)の二次酸素ガス噴射口２７ａが等間隔に設けられている。このように、実施例の酸素バーナ２２は、燃料噴射口２５ａ、一次酸素ガス噴射口２６ａおよび二次酸素ガス噴射口２７ａにより火炎噴射部２８が形成されている。なお、上記酸素ガスとしては、ＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption)装置等により生成された酸素濃度９０％以上のガスが使用される。
【００１６】
ここで、前記酸素バーナ２２は、燃料ガス供給管５０からの供給により燃料噴射口２５ａから噴射される燃料ガスの燃焼に必要な理論燃焼酸素量の酸素ガスを、一次酸素ガス供給管５２から供給して一次酸素ガス噴射口２６ａから噴射して燃焼させて、ノズル２５の前方に燃料リッチ域を形成した状態で、燃料ガスの燃焼に必要な理論燃焼酸素量の酸素ガスを、二次酸素ガス供給管５４から供給して二次酸素ガス噴射口２７ａから噴射して燃料リッチ域の外周域に燃料リーン域を形成して燃焼させる。すなわち、酸素バーナ２２の中心部(ノズル２５部分)において、燃料ガスが過剰な燃料リッチ域を形成して燃料ガスを完全燃焼させないことで、適温であると同時に長炎となる火炎を形成し、未燃焼の燃料ガスを燃料リーン域において完全燃焼させることで高温な火炎を形成するようにしている。なお、１次燃焼時の酸素ガス量は、理論燃焼酸素量の１０％〜５０％の範囲であることが好ましい。５０％を超えると火炎温度が１８００℃と高くなって熱処理炉１０が局所的に過熱される不具合が生じ、一方で１０％未満であると安定した燃料リッチ域を形成し難くなる。
【００１７】
前記バーナノズル３０は、図２(ａ)に示すように、耐熱タイル等によりブロック状に形成されたノズル本体３２に、前記酸素バーナ２２が取り付けられるバーナ装着孔３３が貫通形成されている。また、バーナノズル３０は、バーナ装着孔３３に取り付けた酸素バーナ２２の火炎噴射部２８の端部から当該バーナノズル３０において前記加熱室１２ａに臨む端部に向けて略円錐状に拡開する燃焼用凹部３４が画成されており、当該燃焼用凹部３４において燃料ガスが燃焼して加熱室１２ａ内に火炎が噴射するようになっている。すなわち、バーナノズル３０の燃焼用凹部３４において前記燃料リッチ域および燃料リーン域が形成されて、燃料ガスを完全燃焼させるよう構成されている。
【００１８】
また、図２(ａ)に示すように、前記バーナノズル３０には、前記酸素バーナ２２が嵌合するバーナ装着孔３３に対して偏心した位置に、燃焼用凹部３４内に貫通する第１貫通孔３６および第２貫通孔３８が形成されている。すなわち、第１貫通孔３６および第２貫通孔３８の夫々は、燃焼用凹部３４内においてバーナノズル３０の加熱室１２ａ側の開口に偏った位置で開口するよう設けられている。前記第１貫通孔３６には、前記酸素バーナ２２の点火用の点火バーナ４０のバーナロッド４０ａが挿入されており、当該点火バーナ４０を燃焼用凹部３４の空間内で点火した状態で燃料ガスおよび酸素ガスを供給して酸素バーナ２２に着火するようになっている。なお、図２(ａ)中の符号３７は、第１貫通孔３６に取り付けられた点火バーナ４０の取付管を示している。また、点火バーナ４０には、当該点火バーナ４０の火炎状態を監視する火炎検出器４２Ａが取り付けられており、当該火炎検出器４２Ａが点火バーナの点火を検出した状態において酸素バーナ２２に燃料ガスおよび酸素ガスを供給するよう構成される。ここで、火炎検出器としては、火炎から放出される光(紫外線や可視光線、赤外線)によって火炎の有無を検出する光学式火炎検出器や、火炎中に挿入した電極に電圧を印可した際の通電状態の変化によって火炎の有無を検出する挿入式火炎検出器等を採用することができる。
【００１９】
また、前記バーナノズル３０の第２貫通孔３８には、冷却エア供給管４４が連通する接続管３９が取り付けられており、火炎領域側の開口に偏った位置に設けられた当該第２貫通孔３８から燃焼用凹部３４内の空間に冷却エアが吹き出されるようになっている。すなわち、バーナノズル３０内(燃焼用凹部３４内)で酸素バーナ２２の火炎領域(図２(ａ)の下側)に向けて第２貫通孔３８から冷却エアが吹き出されるようになっており、当該第２貫通孔３８が冷却エア吹出部となっている。このように、バーナノズル３０内で酸素バーナ２２の火炎領域に向けて冷却エアを吹き付けることで、バーナノズル３０から噴射される火炎温度を抑制し得るようになっている。ここで、冷却エアとして、冷却エア供給管４４に接続したブロア等の送風手段(図示せず)によって大気を燃焼用凹部３４に吹き出す構成を採用できるが、不活性ガスを燃焼用凹部３４に吹き出すよう構成することも可能である。また、燃焼バーナ２０には、酸素バーナ２２の火炎状態を検出する火炎検出器(火炎検出手段)４２Ｂが設けられ、当該火炎検出器４２Ｂにより酸素バーナ２２の火炎状態を確実に監視することができるよう構成されている。実施例では、第２貫通孔３８(より正確には第２貫通孔３８に取り付けられる接続管３９)に臨むよう前記火炎検出器４２Ｂが配置されており、当該第２貫通孔３８を介して酸素バーナ２２の火炎状態を火炎検出器４２Ｂで検出するようになっている。このように、冷却エアを吹き出すために設けた第２貫通孔３８を利用して酸素バーナ２２の火炎状態を火炎検出器４２Ｂで検出する構成とすることで、火炎検出器４２Ｂによる検出用の孔等をバーナノズル３０に設けることなく火炎状態を検出することができ、構造の簡略化が図られる。なお、酸素バーナ２２および点火バーナの火炎状態を監視する火炎検出器４２Ａ,４２Ｂは、火炎の検出形式が同じ検出器を用いるようにしてもよく、また検出形式が異なる検出器を用いるようにしてもよい。
【００２０】
ここで、前記第１貫通孔３６および第２貫通孔３８の夫々は、酸素バーナ２２の中心線Ｃに対して傾斜方向に延在するよう設けられている。すなわち、図２(ａ)に示すように、第１貫通孔３６および第２貫通孔３８は、酸素バーナ２２の中心線Ｃに対して、その延長線Ｌ,Ｍが前記火炎噴射部２８よりもバーナノズル３０の外側開口側(加熱室１２ａ側)で交差するようバーナノズル３０に傾斜状に形成されている。ここで、前記冷却エア吹出部としての第２貫通孔３８は、前記酸素バーナ２２の火炎領域の内で特に燃料リーン域に向けて冷却エアを吹き出し得る位置に形成され、燃料リーン域において未燃焼の燃料ガスを完全燃焼する際に高温になる火炎温度を抑制するにしてある。また、前記第２貫通孔３８は、燃焼用凹部３４側の開口端に向けて開口幅が漸増する拡開状に形成されている。このように第２貫通孔３８を拡開状に形成することで、酸素バーナ２２の高温な火炎に対して第２貫通孔３８から冷却エアを広範囲に吹き付けることができ、効果的に火炎温度を抑制することができる。
【００２１】
熱処理炉１０は、図３に示すように、燃焼ガス供給管５０に対して燃料ガスの流量を調節可能な燃料バルブＶＧが設けられ、一次酸素ガス供給管５２に対して一次酸素ガスの流量を調節可能な第１エアバルブＶＡ１が設けられると共に、二次酸素ガス供給管５４に対して二次酸素ガスの流量を調節可能な第２エアバルブＶＡ２が設けられており、当該各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開度に応じて燃焼バーナ２０(酸素バーナ２２)に供給される各ガスの流量を調節し得るよう構成されている。ここで、前記各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２は、バルブの開度を変更する駆動機構およびバルブの開度を示す信号を出力できる開度センサ(何れも図示せず)を個別に備えており、当該駆動機構および開度センサが制御装置６０に接続されて、当該制御装置６０の制御信号に基づいて各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開度を調節し得るようになっている。
【００２２】
また、燃焼ガス供給管５０、一次酸素ガス供給管５２および二次酸素ガス供給管５４の夫々には、各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の上流側および下流側に、流通するガスの圧力を測定可能な上流圧力センサＰＧａ,ＰＡ１ａ,ＰＡ２ａおよび下流圧力センサＰＧｂ,ＰＡ１ｂ,ＰＡ２ｂが夫々設けられている。更に、燃焼ガス供給管５０、一次酸素ガス供給管５２および二次酸素ガス供給管５４の夫々には、各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の上流側に、流通するガスの温度を測定可能な温度センサＴＧ,ＴＡ１,ＴＡ２が夫々設けられている。そして、各圧力センサＰＧａ,ＰＡ１ａ,ＰＡ２ａ,ＰＧｂ,ＰＡ１ｂ,ＰＡ２ｂおよび温度センサＴＧ,ＴＡ１,ＴＡ２の夫々が制御装置６０に接続され、各センサの検出信号が制御装置６０に入力されるよう構成されている。
【００２３】
また、前記制御装置６０には、前記熱電対１６のからの出力信号に基づいて加熱室１２ａ内の雰囲気ガスの温度を測定する温度指示調節計６２が接続されており、測定温度に基づいて燃焼バーナ２０の燃焼出力を調整する信号が温度指示調節計６２から制御装置６０に入力されるようになっている。
【００２４】
ここで、制御装置６０は、温度指示調節計６２から信号の入力に基づき燃料ガス、一次酸素ガスおよび二次酸素ガスの流量を制御するための演算を行うプログラムを内蔵した制御装置であり、市販されている自動空気比制御システムを用いることが可能である。
ここで、制御装置６０は、各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開度に対する流量係数とバルブから燃焼バーナ２０までの間の圧力と流量との関係等が記憶設定されており、予め入力された流量設定値に基づき、各ガス供給管５０,５２,５４の上流圧力センサＰＧａ,ＰＡ１ａ,ＰＡ２ａからの入力値に応じて各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２に要求される開度を算出して、これに基づき各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開度調節することで、燃焼バーナ２０に供給される各ガスの流量を制御している。
【００２５】
なお、各温度センサＴＧ,ＴＡ１,ＴＡ２は、制御装置６０において温度補償演算に用いられる温度を出力するものである。また、各ガス供給管５０,５２,５４の下流圧力センサＰＧｂ,ＰＡ１ｂ,ＰＡ２ｂは、制御装置６０において演算された結果と比較して、各バルブ及び各センサの異常の有無を制御装置６０で判定するための圧力を出力する補助センサである。
【００２６】
次に、熱処理炉１０の制御方法について簡単に説明する。熱処理炉１０の加熱に際して、熱電対１６が測定する加熱室１２ａ内の雰囲気ガスの温度と設定された加熱温度等に基づいて温度指示調節計６２が燃焼バーナ２０の燃焼出力を決定し、燃焼バーナ２０の燃焼出力を調整するための信号が温度指示調節計６２から制御装置６０入力される。そして、温度指示調節計６２から信号が入力された制御装置６０は、その入力信号に基づいて、予め入力された流量設定値および上流圧力センサＰＧａ,ＰＡ１ａ,ＰＡ２ａからの出力等に応じて各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の必要な開度を算出し、その算出結果に基づいて各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開度を制御することで、燃焼バーナ２０に供給する各ガスの流量が制御される。
【００２７】
ここで、前記制御装置６０には、前記火炎検出器４２Ａ,４２Ｂが接続されて、各火炎検出器４２Ａ,４２Ｂの検出信号が入力されるようになっている。すなわち、制御装置６０は、火炎検出器４２Ａが点火バーナ４０の火炎を検出する状態において前記算出結果に基づいた開度となるよう各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２を制御すると共に、燃焼途中において火炎検出器４２Ｂが酸素バーナ２２の火炎を検出しない状態(消炎状態)となった場合には、算出結果に関わらず各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２を閉じるよう制御装置６０が制御して、不完全燃焼が生じないようにしている。また、冷却エアは、燃焼バーナ２０の燃焼開始から燃焼停止まで一定の流量で冷却エアを吹き出すよう構成されている。
【００２８】
以上のように、本発明に係る燃焼バーナを備えた熱処理炉１０では、酸素バーナ２２を燃焼する際に、当該酸素バーナ２２の火炎領域に向けて冷却エアを吹き出すことで、酸素バーナ２２を用いることより窒素酸化物の低減や燃料原単位の改善を図りつつ、火炎温度が過剰に高温になるのを防止して適正な火炎温度とすることが可能となる。また、バーナノズル３０において酸素バーナ２２の火炎噴射部２８よりも加熱室１２ａへの開口側に冷却エアの吹出部(第２貫通孔３８)が偏って位置するようにすることにより、酸素バーナ２２の火炎を効率よく適正化することができる。また、バーナノズル３０(燃焼用凹部３４)内において酸素バーナ２２の火炎領域に冷却エアを吹き付けることで、バーナノズル３０から加熱室１２ａに噴射される時点での火炎温度を効果的に抑制でき、炉体１２が過剰な高温に曝されるのを防止できる。特に、酸素バーナ２２において燃料ガスが完全燃焼する燃料リーン域に向けて冷却エアを吹き出すことで、燃料ガスを完全燃焼させつつ火炎温度を抑制することができる。
【００２９】
また、冷却エアの吹出部(第２貫通孔３８)を酸素バーナ２２の中心線に対して傾斜させることで、当該第２貫通孔３８から吹き出される冷却エアを酸素バーナ２２の火炎の中央部まで届かせることができるようになり、酸素バーナの火炎温度を効率よく冷却でき、火炎温度の抑制に効果的である。また、酸素バーナ２２の燃焼中において冷却エアの吹き出し量を一定にすることで、各バルブＶＧ,ＶＡ１,ＶＡ２の開閉制御に伴う加熱室１２ａの温度制御を簡略化できる。
【００３０】
また、冷却エアの吹出部(第２貫通孔３８)を利用して火炎検出器４２Ｂにより酸素バーナ２２の火炎状態を監視することで、火炎検出器４２Ｂの配設構造を簡略化できる利点もある。
【００３１】
(変更例)
なお、本発明に係る燃焼バーナとしては、実施形態に示したものに限らず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、その一例を以下に示す。
(１)  バーナノズルに冷却エア吹出部を１箇所設ける構成に限らず、複数の冷却エア吹出部を設けることができる。すなわち、例えば、酸素バーナの中心線周りに等間隔で複数箇所に冷却エア吹出部を設ける構成を採用できる。この場合には、酸素バーナの火炎領域を中心線周りに囲うように冷却エアを吹き付けることが可能になり、火炎温度のばらつきを抑制する効果が期待できる。
(２)  冷却エア吹出部は、酸素バーナの中心線に対して傾斜する構成に限らず、当該中心線に沿うように設ける構成でもよい。
(３)  酸素バーナの火炎領域に対してバーナノズルの燃焼用凹部内で冷却エア吹出部から吹き出された冷却エアを吹き付ける構成に限らず、当該燃焼用凹部の外側に噴射される火炎に対して冷却エアを吹き付けるように冷却エア吹出部を設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１２  炉体
２２  酸素バーナ
２８  火炎噴射部
３０  バーナノズル
３８  第２貫通孔(冷却エア吹出部)
４２Ｂ  火炎検出器(火炎検出手段)
【図１】
2018115815.tif 000003
【図２】
2018115815.tif 000004
【図３】
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