(57)【要約】【課題】異なる温度域で金属材料の加熱を行うことができ、低温の領域でも、高い加熱状態の均一性を達成することができる加熱炉、およびそのような金属材料の加熱方法を提供する。【解決手段】炉体１０と、炉体１０内を加熱可能な主バーナ２１と、炉体１０内を加熱可能な、主バーナ２１よりも燃焼容量の小さい少なくとも１つの補助バーナ３１，３１，３２と、炉体１０の主バーナ２１と異なる高さ位置に設けられた排気口４１，４１と、を有し、補助バーナ３１，３１，３２のうち少なくとも１つは、主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置に設けられた下部補助バーナ３１，３１である加熱炉１とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体と、
前記炉体内を加熱可能な主バーナと、
前記炉体内を加熱可能な、前記主バーナよりも燃焼容量の小さい少なくとも１つの補助バーナと、
前記炉体の前記主バーナと異なる高さ位置に設けられた排気口と、を有し、
前記補助バーナのうち少なくとも１つは、前記主バーナと前記排気口の間の高さ位置に設けられた下部補助バーナであることを特徴とする加熱炉。
【請求項２】
前記主バーナは、前記炉体の側壁面に設けられ、
前記補助バーナは、前記主バーナが設けられた前記炉体の側壁面と対向する側壁面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
【請求項３】
前記下部補助バーナは、１対が横方向に並んで設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱炉。
【請求項４】
前記補助バーナとして、前記下部補助バーナに加えて、前記主バーナと同じ高さ位置に、前記主バーナと対向して設けられた上部補助バーナを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加熱炉。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の加熱炉において、
前記炉体に収容した金属材料を第一の温度域まで加熱する高温加熱を、少なくとも前記主バーナを用いて行い、
前記炉体に収容した金属材料を前記第一の温度域よりも低い第二の温度域まで加熱する低温加熱を、前記主バーナを用いずに、少なくとも前記下部補助バーナを含む前記補助バーナを用いて行うことを特徴とする金属材料の加熱方法。
【請求項６】
複数の長尺状の金属材料を、長軸を炉体の高さ方向に対して傾斜させ、かつ前記下部補助バーナの火炎が、前記複数の金属材料に直接接触しないように、前記炉体の中に配置して、前記低温加熱を行うことを特徴とする請求項５に記載の金属材料の加熱方法。
【請求項７】
請求項４に記載の加熱炉において、
前記高温加熱を、前記主バーナと、前記上部補助バーナとを用いて行うことを特徴とする請求項５または６に記載の金属材料の加熱方法。
【請求項８】
前記金属材料は鋼材であり、
前記高温加熱として、熱間圧延の前処理としての均熱を行い、
前記低温加熱として、焼なましまたは焼戻しを行うことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の金属材料の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉および金属材料の加熱方法に関し、さらに詳しくは、バーナによって金属材料を加熱する加熱炉、およびそのような加熱炉を用いて金属材料の加熱を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の加熱に、バーナを備えた加熱炉が用いられる。従来一般のバッチ式加熱炉９の構成の一例を、図４に示す。加熱炉９は、炉体９０の側壁面の上方部分に、バーナ９１を備えている。バーナ９１よりも下方には、排気口９２，９２が設けられ、バーナ９１で加熱された空気が炉体９０の内部を対流し、排気口９２，９２から排出される。
【０００３】
バーナとして、１対のリジェネレイティブバーナ（リジェネバーナ）を、炉体の対向する側壁面に、相互に対面させて設け、交番燃焼させる形態も用いられている。この場合には、排熱を燃焼に有効に利用できるとともに、金属材料の加熱の不均一性を低減することができる。
【０００４】
リジェネバーナ燃焼システムを用いて鋼塊群を加熱可能な均熱炉の例が、特許文献１に開示されている。ここでは、バーナとして、炉体の長手方向に対向する一方の側に配置された主バーナと、炉体の長手方向に対向する他方の側に幅方向に離間して配置され、主バーナよりも燃焼容量が小さい複数の副バーナとを用いることが記載されている。特許文献１では、炉体内部の幅方向に対向する両側壁面に沿って複数の鋼塊を縦置き状態で装入した場合には、鋼塊群に火炎が直接当たらない位置に配置した主バーナのみを燃焼して鋼塊群を加熱する一方、炉体内の炉床上に横置きした状態で複数の鋼塊を装入した場合には、副バーナと主バーナを交互に燃焼して鋼塊群を加熱している。これにより、例えば、圧延加工の難しい種類の鋼塊を加熱する場合には、鋼塊を横置きした状態で主バーナと副バーナとを交互に燃焼させてリジェネバーナシステムを正規に働かせることで、鋼塊を均一に加熱して加熱品質を向上させられる一方、圧延加工性の良好な鋼塊を加熱する場合には、多数の鋼塊を炉体内部の幅方向に対向する両側壁面に沿って縦置きした状態で主バーナのみを燃焼させることで、一度に多くの鋼塊を処理できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２８２１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
同一の加熱炉を用いて、目的に応じて、異なる温度域で金属材料の加熱を行う必要が生じる場合がある。例えば、同一の加熱炉を用いて、鋼材の圧延前の均熱処理を、１０００℃を超えるような高温で行う一方、焼なまし、焼戻し等の熱処理を、１０００℃未満の比較的低い温度で行う必要が生じる場合がある。このような場合に、図４に示すように、バーナ９１を１つのみ備えた加熱炉９を用いる場合には、バーナ９１として、高温での加熱に必要な燃焼容量を有するものを備えておく必要がある。しかし、そのような燃焼容量の大きいバーナ９１を用いて、比較的低温での加熱を行うと、バーナ９１において、安定した燃焼状態を保ち、温度制御を安定に行うことが難しくなる。
【０００７】
特許文献１に開示されるように、燃焼容量の大きい主バーナと燃焼容量の小さい副バーナとを組み合わせることで、炉体内での金属材料の配置や、必要な加熱温度等の条件に応じて、燃焼状態を多様に制御できる可能性がある。しかし、特許文献１の均熱炉においては、炉体の高さ方向に沿って、金属材料の加熱状態の不均一性が大きくなりやすい。つまり、主バーナと副バーナがともに炉体の上方部分に配置されているため、長尺状の金属材料を縦置きした場合、あるいは斜めに立てて配置した場合に、主バーナと副バーナのうち、いずれを燃焼させて加熱を行ったとしても、金属材料において、それらのバーナに近接した上方の部位は効率的に加熱される一方、バーナから離れた下方の部位は加熱されにくい。このように、金属材料の長軸方向に沿って、加熱状態に不均一性が生じやすくなる。特に、鋼材の焼なまし、焼戻しをはじめとする熱処理等、比較的低温で加熱を行う場合には、高温で加熱を行う場合に比べて、加熱状態に不均一性が生じた場合の影響が深刻となりやすく、金属材料の長軸方向全域において、所望の熱処理を達成することが難しくなる。あるいは、所望の熱処理を完了するのに、長い時間を要することにもなりやすい。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、異なる温度域で金属材料の加熱を行うことができ、低温の領域でも、高い加熱状態の均一性を達成することができる加熱炉、およびそのような金属材料の加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる加熱炉は、炉体と、前記炉体内を加熱可能な主バーナと、前記炉体内を加熱可能な、前記主バーナよりも燃焼容量の小さい少なくとも１つの補助バーナと、前記炉体の前記主バーナと異なる高さ位置に設けられた排気口と、を有し、前記補助バーナのうち少なくとも１つは、前記主バーナと前記排気口の間の高さ位置に設けられた下部補助バーナである、というものである。
【００１０】
ここで、前記主バーナは、前記炉体の側壁面に設けられ、前記補助バーナは、前記主バーナが設けられた前記炉体の側壁面と対向する側壁面に設けられているとよい。
【００１１】
また、前記下部補助バーナは、１対が横方向に並んで設けられているとよい。
【００１２】
そして、前記加熱炉は、前記補助バーナとして、前記下部補助バーナに加えて、前記主バーナと同じ高さ位置に、前記主バーナと対向して設けられた上部補助バーナを有するとよい。
【００１３】
本発明にかかる金属材料の加熱方法は、上記のような加熱炉において、前記炉体に収容した金属材料を第一の温度域まで加熱する高温加熱を、少なくとも前記主バーナを用いて行い、前記炉体に収容した金属材料を前記第一の温度域よりも低い第二の温度域まで加熱する低温加熱を、前記主バーナを用いずに、少なくとも前記下部補助バーナを含む前記補助バーナを用いて行う、というものである。
【００１４】
ここで、複数の長尺状の金属材料を、長軸を炉体の高さ方向に対して傾斜させ、かつ前記下部補助バーナの火炎が、前記複数の金属材料に直接接触しないように、前記炉体の中に配置して、前記低温加熱を行うとよい。
【００１５】
また、前記補助バーナとして、前記下部補助バーナに加えて、前記主バーナと同じ高さ位置に、前記主バーナと対向して設けられた上部補助バーナを有する加熱炉において、前記高温加熱を、前記主バーナと、前記上部補助バーナとを用いて行うとよい。
【００１６】
そして、前記金属材料は鋼材であり、前記高温加熱として、熱間圧延の前処理としての均熱を行い、前記低温加熱として、焼なましまたは焼戻しを行うとよい。
【発明の効果】
【００１７】
上記発明にかかる加熱炉は、燃焼容量の大きい主バーナと、燃焼容量の小さい少なくとも１つの補助バーナとを備えているため、主バーナおよび少なくとも１つの補助バーナの中から適切なバーナを選択して燃焼させることで、共通の加熱炉を用いて、幅広い温度域での金属材料の加熱を、安定した条件で行うことができる。例えば、少なくとも主バーナを用いて加熱を行うことで、高温での金属材料の加熱に対応することができる。
【００１８】
一方、補助バーナのみを用いて加熱を行うことで、比較的低温で金属材料を加熱する場合にも、安定した燃焼状態を保ち、温度制御を安定に行いやすい。特に、補助バーナのうち少なくとも１つが、主バーナと排気口の間の高さ位置に設けられた下部補助バーナであるため、下部補助バーナを用いて加熱を行うことで、加熱対象の金属材料において、排気口に近い高さ位置に配置された加熱されにくい部位と、排気口から遠い高さ位置に配置された加熱されやすい部位との間で、加熱状態に生じる不均一性を、小さく抑えることができる。従って、比較的低温の領域で金属材料の加熱を行う際に、下部補助バーナを含む補助バーナのみを用いて加熱を行うことで、金属材料全体において、温度を均一に上昇させやすくなる。
【００１９】
ここで、主バーナが、炉体の側壁面に設けられ、補助バーナが、主バーナが設けられた炉体の側壁面と対向する側壁面に設けられている場合には、主バーナと補助バーナの間の干渉を避けて、主バーナおよび補助バーナを高い自由度で炉体に配置することができる。特に、従来一般の燃焼容量の大きいバーナを１つのみ有する加熱炉を利用して、そのバーナを主バーナとして転用するとともに、補助バーナを増設して、上記発明にかかる加熱炉を構築する場合に、補助バーナの配置を行いやすくなる。そして、主バーナと補助バーナの両方を用いて加熱を行う際に、炉体の高さ方向のみならず、側壁面に交差する炉体の長手方向にも、金属材料の加熱の均一性を高めやすい。特に、炉体の長手方向に沿って複数の金属材料を配置して加熱する場合に、各金属材料の間の加熱の均一性を高めやすい。また、主バーナおよび補助バーナとして、リジェネレイティブバーナを用いることもでき、その場合に交番燃焼を行いやすい。
【００２０】
また、下部補助バーナが、１対横に並んで設けられている場合には、炉体の高さ方向のみならず、側壁面に沿った横方向にも、金属材料の加熱の均一性を高めやすい。特に、長尺状の金属材料が高さ方向に対して傾斜して炉体内に配置され、加熱される場合に、金属材料の長軸方向に沿った加熱の均一性を高めやすい。
【００２１】
そして、補助バーナとして、下部補助バーナに加えて、主バーナと同じ高さ位置に、主バーナと対向して設けられた上部補助バーナを含む場合には、高温加熱を、少なくとも、主バーナと上部補助バーナを用いて、相互に対向する方向から行うことで、主バーナと上部補助バーナを結ぶ炉体の長手方向に沿って、高い均一性をもって、高温での加熱を行うことができる。特に主バーナおよび上部補助バーナとして、リジェネレイティブバーナを用いる場合には、交番燃焼により、高い熱効率を達成することができる。
【００２２】
上記発明にかかる金属材料の加熱方法においては、上記のような主バーナと補助バーナを異なる高さ位置に備えた加熱炉によって、少なくとも主バーナを用いて高温加熱を行い、下部補助バーナを含む補助バーナのみを用いて低温加熱を行う。これにより、幅広い温度域での加熱を、共通の加熱炉を用いて行うことができる。特に、低温加熱を行う際に、主バーナよりも排気口に近い高さ位置に設けられた下部補助バーナを用いることで、炉体の高さ方向に沿った金属材料の加熱状態の均一性を、高めることができる。
【００２３】
ここで、複数の長尺状の金属材料を、長軸を炉体の高さ方向に対して傾斜させ、かつ下部補助バーナの火炎が、複数の金属材料に接触しないように、炉体の中に配置して、低温加熱を行う場合には、金属材料を炉体の高さ方向に対して傾斜させて配置することで、炉体の内部空間の高さよりも長い金属材料でも、多数を同時に炉体に収容し、低温加熱を行うことができる。低温加熱は、下部補助バーナを用いて行うため、下部補助バーナの火炎が金属材料に接触しないようにすることで、傾斜した金属材料の長軸方向に沿った加熱状態に不均一性が生じるのが、抑制される。必要に応じて上部補助バーナを併用する場合にも、そのような効果が得られる。
【００２４】
また、補助バーナとして、下部補助バーナに加えて、主バーナと同じ高さ位置に、主バーナと対向して設けられた上部補助バーナを有する加熱炉において、高温加熱を、主バーナと、上部補助バーナとを用いて行う場合には、主バーナと上部補助バーナを結ぶ炉体の長手方向に沿って、高い均一性をもって、高温での加熱を行うことができる。特に主バーナおよび上部補助バーナとして、リジェネレイティブバーナを用いる場合には、交番燃焼により、高い熱効率を達成することができる。
【００２５】
そして、金属材料が鋼材であり、高温加熱として、熱間圧延の前処理としての均熱を行い、低温加熱として、焼なましまたは焼戻しを行う場合には、典型的には１０００℃以上での均熱と、１０００℃未満での焼なましや焼戻し等の熱処理の両方を、共通の加熱炉を用いて、行うことができる。これらの加熱工程はいずれも、鋼材の製造工程において多用されるものであり、共通の加熱炉で行えるようにすることで、鋼材の製造設備を簡素化することができる。また、共通の製造設備を、多様な鋼種の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加熱炉の構成を示す概略図である。
【図２】上記加熱炉に、複数の円柱状の鋼材を傾斜させて配置した状態を示す図である。（ａ）は透視斜視図、（ｂ）は炉内を側壁側から見た状態を示す透視図である。
【図３】鋼材の温度変化の測定結果を示す図であり、（ａ）は主バーナのみを用いた場合、（ｂ）は補助バーナのみを用いた場合である。
【図４】従来一般のバーナを１つのみ備える加熱炉の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態にかかる加熱炉および金属材料の加熱方法について説明する。本発明の一実施形態にかかる加熱炉は、長尺状等の金属材料を炉体に収容して加熱するものであり、本発明の一実施形態にかかる金属材料の加熱方法は、そのような加熱炉を用いて、金属材料を加熱する方法にかかるものである。
【００２８】
［加熱炉の構成の概略］
まず、本発明の一実施形態にかかる加熱炉の構成について説明する。図１に、本発明の一実施形態にかかる加熱炉１の構成の概略を示す。
【００２９】
加熱炉１は、炉体１０を有している。炉体１０には、複数のバーナ２１，３１，３１，３２と、排気口４１，４１と、が設けられている。
【００３０】
炉体１０は、加熱対象の金属材料Ｍを収容することができる内部空間を有した耐熱性の構造物として構成されている。本実施形態にかかる加熱炉１は、金属材料Ｍを炉体１０に装入してから、炉体１０を閉鎖して加熱を行い、加熱の完了後に炉体１０から金属材料Ｍを取り出すバッチ式加熱炉であり、炉体１０は、金属材料Ｍの装入と取り出しを行うための開閉可能な開口部を有している（不図示）。なお、加熱炉１は、バッチ式加熱炉以外に、連続式加熱炉とすることもでき、その場合には、適宜、搬送装置を設ければよい。
【００３１】
図示した形態においては、炉体１０は、略直方体の形状としている。以下において、直方体の幅方向（横方向）をｘ方向、長手方向をｙ方向、高さ方向をｚ方向とする。長手方向について、第一側壁面１１の側を−ｙ方向、第二側壁面１２の側を＋ｙ方向とする。また、高さ方向について、下方を−ｚ方向、上方を＋ｚ方向とする。
【００３２】
炉体１０の側壁面１１，１２、つまり幅方向（ｘ方向）に沿った壁面には、燃焼により、炉体１０の内部を加熱することができる複数のバーナ２１，３１，３１，３２が設けられている。各バーナ２１，３１，３１，３２には、燃料供給路Ｐが接続されている。
【００３３】
第一側壁面１１には、１つの主バーナ２１が設けられている。一方、第一側壁面１１に対向する第二側壁面１２には、３つの補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０が設けられている。補助バーナ群３０は、１対の下部補助バーナ３１，３１と、下部補助バーナ３１，３１よりも高さ方向上方（＋ｚ側）に設けられた１つの上部補助バーナ３２とを含んでいる。なお、後述するように、補助バーナとして、下部補助バーナ３１を１つのみしか設置しない形態もありうるが、本明細書においては、そのような形態も含めて、主バーナ２１よりも燃焼容量の小さい補助バーナを全て含む群として、補助バーナ群３０を定義する。
【００３４】
各補助バーナ３１，３１，３２の燃焼容量は、主バーナ２１の燃焼容量よりも小さくなっている。さらに、補助バーナ群３０を構成する全補助バーナ（３１，３１，３２等）の合計の燃焼容量も、主バーナ２１の燃焼容量よりも小さいことが好ましい。このような燃焼容量の関係を満たしていれば、主バーナ２１および補助バーナ３１，３１，３２の具体的な種類や燃焼容量は特に限定されない。例えば、それら各バーナ２１，３１，３１，３２を、リジェネレイティブバーナ（リジェネバーナ）として構成することもできる。３つの補助バーナ３１，３１，３２は、それぞれ同じものであっても、相互に異なるものであってもよい。加熱の均一性や制御の簡便性等の観点からは、少なくとも１対の下部補助バーナ３１，３１は同じものであることが好ましく、さらには上部補助バーナ３２も同じものであることが好ましい。
【００３５】
主バーナ２１が設けられた第一側壁面１１には、主バーナ２１と異なる高さ位置、つまり主バーナ２１よりも高さ方向下方（−ｚ側）に、排気口４１，４１が設けられている。排気口４１，４１は、炉体１０の中で金属材料Ｍを加熱している間、炉体１０の中の気体を炉体１０の外に排出することができる。主バーナ２１および補助バーナ３１，３１，３２の少なくとも１つをリジェネバーナとして構成する場合には、適宜、排気口４１，４１に蓄熱体を接続してもよい。排気口４１，４１の数および幅方向（ｘ方向）の位置は、特に限定されるものではないが、図示した形態においては、１対の排気口４１，４１が、幅方向中央部を挟んで、対称に設けられている。
【００３６】
上記のように、第二側壁面１２には、下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２を含む補助バーナ群３０が設けられており、下部補助バーナ３１，３１は、上部補助バーナ３２よりも高さ方向下方（−ｚ側）に設置されている。下部補助バーナ３１，３１の高さ位置（ｚ位置）は、第一側壁面１１に設けられた主バーナ２１の高さ位置と、排気口４１，４１の高さ位置の間に設定されている。
【００３７】
このような高さ位置の関係を満たせば、下部補助バーナ３１，３１および上部補助バーナ３２の具体的な高さ位置（ｚ位置）および幅方向位置（ｘ位置）は特に限定されず、炉体１０の高さ方向略中央の位置に、幅方向中央部を挟んで対称に、１対の下部補助バーナ３１，３１を設ける形態を例示することができる。また、上部補助バーナ３２は、第一側壁面１１に設けられた主バーナ２１と対向する位置に設けることが好ましい。つまり、上部補助バーナ３２と主バーナ２１の高さ位置および幅方向位置を揃えればよい。
【００３８】
加熱炉１は、上記各部材に加えて、金属材料Ｍの加熱の補助や加熱状態の制御等を行うための各種の部材を備えることができる。例えば、炉体１０の壁面等に、熱電対等の温度計測手段を設けておき、その温度計測手段で計測される温度が所定の値になるように、燃料供給路Ｐから各バーナ２１，３１，３１，３２に供給する燃料の流量を制御するとよい。
【００３９】
［各バーナの配置と役割］
上記のように、本実施形態にかかる加熱炉１においては、燃焼容量の大きな主バーナ２１と、それぞれ主バーナ２１よりも燃焼容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０とが設けられている。各バーナ２１，３１，３１，３２は、それぞれに適した役割を有している。
【００４０】
（１）主バーナについて
加熱炉１が燃焼容量の大きい主バーナ２１を備えることで、高温までの金属材料Ｍの加熱に必要な熱量を、主バーナ２１によって賄うことができる。このように、主バーナ２１は、高温領域での加熱に好適に利用することができる。
【００４１】
主バーナ２１の高さ位置（ｚ位置）は、主バーナ２１を用いて加熱することが想定される金属材料Ｍを炉体１０の内部に配置した状態で、主バーナ２１からの火炎（不図示）が直接金属材料Ｍに接触しないように、金属材料Ｍの上端よりも上方（＋ｚ側）に設定することが好ましい。主バーナ２１の幅方向位置（ｘ位置）は、炉体１０の中の加熱の均一性を高められるように、幅方向略中央に設定することが好ましい。
【００４２】
（２）補助バーナについて
加熱炉１が、主バーナ２１よりも熱容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０を備えることで、比較的低温での金属材料Ｍの加熱を、安定した条件で行うことができる。
【００４３】
燃料供給路Ｐから供給する燃料の流量を下げる等して、燃焼容量の大きい主バーナ２１を用いて、比較的低温での金属材料Ｍの加熱を行うことも、可能ではある。しかし、燃焼容量の大きい主バーナ２１を、比較的低温での加熱に用いるとすれば、高温での加熱を行う場合と比較して、燃焼容量に対して、燃料流量が小さくなることにより、燃焼状態が不安定になりやすく、所定の加熱温度への制御を安定して行うことが難しくなる。一般に、燃焼容量の大きいバーナは、燃料流量を大きくして、高出力で用いる条件で最適に燃焼を行えるように設計されており、燃料流量の小さい領域での燃焼の安定性は、あまり考慮されていないからである。
【００４４】
そこで、本実施形態にかかる加熱炉１のように、主バーナ２１に加えて、燃焼容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０を加熱炉１に設けておき、比較的低温での加熱を行う際には、主バーナ２１を用いずに、補助バーナ群３０によって加熱を行うようにすれば、各補助バーナ３１，３１，３２の燃焼容量に対して、燃料供給路Ｐから供給する燃料の流量が過剰に小さくなりにくい。よって、主バーナ２１を用いる場合よりも、低温における燃焼状態を安定に維持し、加熱温度の安定な制御を達成しやすくなる。
【００４５】
このように、高温での加熱に適した主バーナ２１と、低温での加熱に適した補助バーナ３１，３１，３２をともに加熱炉１に備えることで、幅広い温度域での加熱を安定して行うことができる。鋼材をはじめとする金属材料Ｍの製造工程においては、種々の温度域で加熱を行う必要があるが、異なる温度域での加熱を共通の加熱炉１で行えるようにすることで、製造設備の簡素化を図ることができる。また、要求される加熱工程の種類や温度の異なる幅広い金属種の製造に、共通の加熱炉１を利用することも、行いやすくなる。
【００４６】
主バーナ２１と、各補助バーナ３１，３１，３２の具体的な燃焼容量は、それぞれを用いた加熱において要求される熱量等に応じて、適宜定めればよい。例えば、主バーナ２１のみを用いて、鋼材の熱間圧延に先立つ均熱を行い、補助バーナ３１，３１，３２のみを用いて、鋼材の焼なましや焼戻し等の熱処理を行う場合に、各補助バーナ３１，３１，３２の燃焼容量を、主バーナ２１の熱容量の１／１０〜１／３程度に設定する形態を例示することができる。
【００４７】
（２−１）下部補助バーナ
本実施形態にかかる加熱炉１においては、補助バーナ群３０のうち、下部補助バーナ３１，３１が、主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置に設けられていることにより、補助バーナ群３０を用いて金属材料Ｍの加熱を行う際の加熱状態に、不均一な空間分布が生じるのを抑制することができる。
【００４８】
加熱炉１において、主バーナ２１のみを燃焼させると、主バーナ２１の位置から、炉体１０の長手方向（ｙ方向）に循環し、排気口４１，４１の位置に至る対流が発生する。つまり、対流が、主バーナ２１の位置から炉体１０の長手方向に第二側壁面１２側（＋ｙ方向）に向かって、炉体１０の上部側（＋ｚ側）の領域を進み、さらに、第二側壁面１２側から排気口４１，４１側（−ｙ方向）に向かって、炉体１０の下部側（−ｚ側）の領域を進む。この際、対流の下流に相当する炉体１０の下部側の領域においては、上流に相当する炉体１０の上部側の領域に比べて、加熱温度が低くなりやすい。すると、炉体１０に収容した金属材料Ｍにおいて、炉体１０の上部側に配置された部位は加熱されやすい一方、炉体１０の下部側に配置された部位は加熱されにくい、という加熱状態の不均一性が生じることになる。
【００４９】
もし、補助バーナを、主バーナ２１と同じ高さ位置、あるいはそれより上方にのみ設け、その補助バーナを用いて加熱を行うとすれば、その場合にも、上記の主バーナ２１を用いて加熱を行う場合と同様に、炉体１０の内部空間の上部側を上流とし、下部側を下流とする対流が発生することになり、炉体１０に収容した金属材料Ｍにおいて、炉体１０の上部側に配置された部位は加熱されやすい一方、炉体１０の下部側に配置された部位は加熱されにくい、という加熱状態の不均一性が生じる。これに対し、補助バーナとして、主バーナ２１よりも低い高さ位置に、下部補助バーナ３１，３１を設け、その下部補助バーナ３１，３１を用いて加熱を行う場合には、下部補助バーナ３１，３１と排気口４１，４１の間の高さ位置（ｚ位置）の差が小さくなることにより、対流の高さ方向（±ｚ方向）の成分が低減され、炉体１０に収容した金属材料Ｍにおいて、炉体１０の上部側に配置された部位と下部側に配置された部位の間で、対流による加熱のされやすさの差が、生じにくくなる。すると、金属材料Ｍにおいて、高さ方向に沿った加熱状態の不均一性が小さくなる。
【００５０】
このように、低い高さ位置に設けられた下部補助バーナ３１，３１を用いて金属材料Ｍの加熱を行うことで、炉体１０の高さ方向において、金属材料Ｍの加熱状態に不均一性が発生するのを、主バーナ２１や、主バーナ２１と同じ高さ位置あるいはそれよりも上方に設けた補助バーナを用いる場合と比較して、抑制することができる。このような効果は、下部補助バーナ３１，３１のみを用いて加熱を行う場合にも、下部補助バーナ３１，３１と他のバーナを併用して加熱を行う場合にも、得ることができる。他のバーナと併用する場合には、他のバーナのみで加熱するとすれば生じうる加熱状態の不均一性を、下部補助バーナ３１，３１の使用によって、緩和することになる。
【００５１】
特に、上記のように、比較的低温における金属材料Ｍの加熱を、燃焼状態の安定化のために、主バーナ２１を用いずに、補助バーナ３１，３１，３２のみで行う際に、下部補助バーナ３１，３１を用いることで、比較的低温での加熱を、高さ方向に沿って、高い均一性をもって行うことができる。鋼材の焼なましや焼戻し等、金属材料Ｍの特性の調整のための熱処理をはじめとして、低温領域での加熱の方が、高温領域での加熱よりも、加熱状態の変動や不均一性が金属材料Ｍの状態に及ぼす影響が大きくなるが、下部補助バーナ３１，３１を用いて、安定性と均一性の高い加熱状態を実現することで、低温領域での加熱におけるそれらの影響を低減することができる。
【００５２】
下部補助バーナ３１，３１を用いて、低温領域での加熱の不均一性を低減することは、加熱に要する時間を短縮することにもつながる。鋼材の焼なましや焼戻し等、金属材料Ｍの特性の調整のための熱処理においては、熱処理の効果を発揮させるために、金属材料Ｍの全域が所定の下限温度に達してから、その下限温度と所定の上限温度との間の温度域で、金属材料Ｍを所定時間維持する必要がある場合が多い。このような場合には、加熱を開始してから、金属材料Ｍの全域が下限温度に達するまでに長い時間がかかると、熱処理の完了までに長い時間を要することになる。金属材料Ｍにおいて、高さ方向（ｚ方向）に沿った加熱温度の不均一性が大きいと、加熱されやすい上方（＋ｚ側）の部位の温度を上限温度よりも上げないようにしながら、加熱されにくい下方（−ｚ側）の部位の温度を下限温度以上に上げられるように、バーナの燃焼状態を制御する必要がある。上方の部位の温度を上げすぎないためには、バーナの出力を抑える必要があり、すると、下方の部位が所定の下限温度に達するまで加熱するのに、長い時間を要することになる。
【００５３】
これに対し、低い高さ位置に設けた下部補助バーナ３１，３１を用いて加熱を行うことで、金属材料Ｍにおいて、上方の部位と下方の部位の間の温度差が小さい状態で、金属材料Ｍの全域の温度を上げることができるので、上方の部位の加熱のし過ぎを防ぐことを目的として、下部補助バーナ３１，３１（および併用する他のバーナ）の出力を過度に落とす必要がない。すると、温度が上がりにくい傾向のある下方の部位も、比較的短時間で、所定の下限温度以上の温度に到達させることができる。その結果、熱処理全体に要する時間を短くすることができる。
【００５４】
下部補助バーナ３１，３１の数は、２つに限定されるものではなく、全ての下部補助バーナ３１，３１が主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置（ｚ位置）に設けられる限りにおいて、１つであっても、また３つ以上であってもよい。しかし、上記のように、２つの下部補助バーナ３１，３１を幅方向（ｘ方向）に並べて用いることにより、炉体１０の内部空間における幅方向の加熱の均一性を、必要十分な範囲で、高めやすい。特に、２つの下部補助バーナ３１，３１を、幅方向中央の位置を挟んで略対称な位置に、相互に離間させて設けることで、幅方向における加熱状態の均一性を高めやすい。長尺状の金属材料Ｍが、炉体１０の高さ方向（ｚ方向）および幅方向（ｘ方向）に対して傾斜して（ｘｚ平面内で傾斜して）配置される場合には、金属材料Ｍの長軸が、炉体１０の高さ方向と幅方向の間の方向に配置されることになるので、炉体１０の高さ方向のみならず、幅方向における加熱の均一性を高めることで、金属材料Ｍの長軸方向に沿った温度分布を効果的に低減することができる。中でも、図２に示すように、複数の金属材料Ｍを、長軸の傾斜方向を異ならせて配置する場合には、各金属材料Ｍにおける加熱の均一性のみならず、それら傾斜方向の異なる複数の金属材料Ｍの間での加熱の均一性も高めやすい。
【００５５】
下部補助バーナ３１，３１の幅方向位置（ｘ位置）は、下部補助バーナ３１，３１を用いて加熱することが想定される金属材料Ｍを炉体１０の中に配置した状態で、下部補助バーナ３１，３１からの火炎Ｆ１，Ｆ１が、金属材料Ｍに直接接触しないように設定することが好ましい。例えば、第二側壁面１２に直交する方向（＋ｙ方向）から炉体１０の内部を見た際に、配置した金属材料Ｍの位置と下部補助バーナ３１，３１の位置が重ならないように、下部補助バーナ３１，３１を配置するとよい（図２（ｂ）参照）。これにより、火炎Ｆ１，Ｆ１が直接接触した部位での金属材料Ｍの加熱のし過ぎを避けるとともに、対流が遮られて加熱状態の均一性が下がるのを避けることができる。構成および制御の簡素性等の観点から、複数の下部補助バーナ３１，３１に対する燃料供給および制御は、一括して行うことが好ましい。
【００５６】
（２−２）上部補助バーナ
加熱炉１において、主バーナ２１に加えて、補助バーナとして、主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置に配置した下部補助バーナ３１，３１を設けておくだけでも、低温での加熱において、加熱状態の不均一性を低減する上記のような効果を享受することができる。しかし、下部補助バーナ３１，３１に加えて、それよりも上方（＋ｚ側）に設置した上部補助バーナ３２等、他の補助バーナを併設して補助バーナ群３０を構成することで、さらに多様な加熱状態を実現することが可能となる。
【００５７】
本実施形態においては、下部補助バーナ３１，３１に加えて、主バーナ２１と対向する位置に、上部補助バーナ３２を設けている。例えば、主バーナ２１を用いて高温領域での加熱を行う際に、主バーナ２１と上部補助バーナ３２を併用し、炉体１０の長手方向両側（±ｙ方向）から加熱を行うことで、金属材料Ｍを効果的に加熱することができる。また、金属材料Ｍの個体内、また炉体１０の長手方向に沿って並べた複数の金属材料Ｍの個体間に、炉体１０の長手方向に沿って生じる加熱状態の不均一性を、低減することができる。特に、主バーナ２１と、補助バーナ群３０のうち少なくとも上部補助バーナ３２が、リジェネバーナよりなる場合に、対向して設けた主バーナ２１と上部補助バーナ３２とを、交番燃焼させることで、高い熱効率で、金属材料Ｍの加熱を行うことができる。
【００５８】
また、主バーナ２１を用いずに、補助バーナ群３０のみを用いて、低温領域での加熱を行う際に、下部補助バーナ３１，３１に加えて、上部補助バーナ３２を使用するかどうかを選択することで、加熱状態の多様性を高めることができる。例えば、低温領域の中でも、特に低い温度で加熱を行う場合には、下部補助バーナ３１，３１のみを用いればよく、低温領域の中でも比較的高い温度で加熱を行う場合には、下部補助バーナ３１，３１に加えて、上部補助バーナ３２を併用すればよい。図１に示した形態では、このように、上部補助バーナ３２の燃焼の有無および燃焼状態を、下部補助バーナ３１，３１と独立に制御できるように、燃料供給路Ｐおよび制御系統を、下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２とで分離させている。独立した制御の必要がない場合には、それらを下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２とで共通して設ければよい。
【００５９】
（３）各バーナを取り付ける壁面の選択
ここまで説明した加熱炉１においては、主バーナ２１を第一側壁面１１に設ける一方、補助バーナ群３０を構成する補助バーナ３１，３１，３２は全て、第一側壁面１１と対向する第二側壁面１２に設けているが、加熱炉１において、各バーナ２１，３１，３１，３２を設置する位置は、上記で説明したような高さ位置（ｚ位置）の関係を満たすかぎりにおいて、特に限定されるものではない。
【００６０】
例えば、補助バーナ群３０を構成する各種補助バーナの少なくとも一部を、主バーナ２１とともに第一側壁面１１に設ける形態や、側壁面１１，１２以外の炉体１０の壁面、例えば炉体１０の長手方向（ｙ方向）に沿った長手壁面１３，１４に設ける形態も考えうる。しかし、全補助バーナ３１，３１，３２を第二側壁面１２に設けることで、炉体１０の長手方向に沿った加熱状態の均一性を高めやすい。下部補助バーナ３１，３１が、排気口４１，４１と対向する第二側壁面１２に設けられることで、下部補助バーナ３１，３１から排気口４１，４１に至る対流の経路が短くなり、対流の上流と下流での加熱状態の差が小さくなるため、下部補助バーナ３１，３１を主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置に設けることの効果と合わせて、炉体１０の高さ方向（ｚ方向）に沿った金属材料Ｍの加熱状態の不均一な分布を、効果的に低減できるからである。また、高温領域での加熱を、主バーナ２１に、上部補助バーナ３２および／または下部補助バーナ３１，３１を併用して行う場合に、炉体１０の長手方向両側（±ｙ方向）から加熱を行うことで、炉体１０の長手方向に沿って、金属材料Ｍの個体内での加熱状態の均一性、また長手方向に並べて複数配置した金属材料Ｍの個体間の加熱状態の均一性を、高めやすいからである。リジェネバーナを用いた交番燃焼も行いやすい。
【００６１】
主バーナ２１に加えて補助バーナ群３０を備える本実施形態にかかる加熱炉１は、図４に示すような、燃焼用容量の大きいバーナ９１を１つのみ備える従来一般の加熱炉９に、燃焼容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０を増設することで、構築することができる。この際、すでに主バーナ２１となるバーナ９１が設置されている第一側壁面１１ではなく、バーナ９１が設置されておらず、空間的に余裕のある第二側壁面１２に補助バーナ群３０を設置することで、補助バーナ群３０の配置を行いやすくなる。このように、主バーナ２１と補助バーナ群３０の干渉を避けながら、高い自由度で補助バーナ群３０を配置することができる。
【００６２】
［金属材料の加熱方法］
次に、上記のような加熱炉１を用いた、本発明の一実施形態にかかる金属材料Ｍの加熱方法について説明する。
【００６３】
上記加熱炉１は、燃焼容量の大きい主バーナ２１と、燃焼容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２よりなる補助バーナ群３０とを備えており、それらの中から適切なバーナを選択して用いることで、異なる加熱状態で、炉体１０に収容した金属材料Ｍの加熱を行うことができる。加熱状態の例として、以下に説明するように、第一の温度域まで加熱する高温加熱と、第一の温度域よりも低い第二の温度域まで加熱する低温加熱を挙げることができる。
【００６４】
なお、高温加熱および低温加熱との区別は、使用するバーナの選択によるものであり、相互に離れた２つの温度域でのみ加熱を行うことを意味するものではない。各バーナ２１，３１，３１，３２の出力の調整等によって、高温加熱と低温加熱のそれぞれにおいて、金属材料Ｍの加熱温度を連続的に設定することができる。また、高温加熱と低温加熱で、加熱対象の金属材料Ｍの種類（組成、形状、前工程で受けた処理の履歴等）が、同じであっても、異なっていてもよい。炉体１０における金属材料Ｍの配置および数も、同じであっても、異なっていてもよい。
【００６５】
（１）高温加熱
高温加熱は、少なくとも主バーナ２１を用いて行う。主バーナ２１は、大きな燃焼容量を有しているため、高温までの加熱に対応することができる。
【００６６】
高温加熱は、主バーナ２１のみを用いて行っても、あるいは主バーナ２１と補助バーナ３１，３１，３２を併用して行ってもよい。補助バーナ３１，３１，３２を併用することで、主バーナ２１による加熱を補助することができる。補助バーナ３１，３１，３２が、主バーナ２１が設けられた第一側壁面１１と対向する第二側壁面１２に設けられているため、主バーナ２１と補助バーナ３１，３１，３２をともに燃焼させることで、炉体１０に収容された金属材料Ｍを、長手方向の両側（±ｙ方向）から加熱することができ、金属材料Ｍの個体内、また複数の金属材料Ｍの個体間において、長手方向に沿った加熱状態の均一性を高めることができる。
【００６７】
補助バーナ３１，３１，３２を主バーナ２１と併用する場合に、補助バーナ群３０を構成する下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２のうち、いずれを用いてもよい。特に、主バーナ２１と同じ高さで対向する上部補助バーナ３２を少なくとも用いることで、加熱状態の均一性を高める効果が高くなる。この場合に、主バーナ２１および上部補助バーナ３２がリジェネバーナよりなっていれば、交番燃焼を行うとよい。
【００６８】
高温加熱を行う際に、炉体１０における金属材料Ｍの配置は、特に限定されるものではないが、主バーナ２１からの火炎（不図示）が、直接接触しないように、金属材料Ｍを配置することが好ましい。つまり、主バーナ２１が設けられた高さ位置よりも下方（−ｚ側）に、金属材料Ｍを配置すればよい。例えば、炉体１０の床面から主バーナ２１の高さ位置までの距離よりも長軸が短いような金属材料Ｍを、炉体１０の内部空間に複数立てて加熱を行うことで、多数の金属材料Ｍに対して、効率的に高温加熱を行うことができる。
【００６９】
高温加熱としては、１０００℃以上の温度での加熱を例示することができる。そのような加熱の工程として、加熱対象の金属材料Ｍが鋼材よりなる場合における、熱間圧延の前処理としての均熱を挙げることができる。
【００７０】
（２）低温加熱
低温加熱は、少なくとも下部補助バーナ３１，３１含めて、補助バーナ群３０用いて行う。主バーナ２１は用いない。補助バーナ群３０を構成する下部補助バーナ３１，３１以外の補助バーナ、つまり上部補助バーナ３２は、用いても、用いなくてもよい。
【００７１】
低温加熱においては、第一の温度域よりも低い第二の温度域までしか金属材料Ｍを加熱しないので、燃焼容量の小さい補助バーナ３１，３１，３２のみで、必要な熱量を賄うようにする。上記のように、下部補助バーナ３１，３１が、主バーナ２１と排気口４１，４１の間の高さ位置に設けられていることにより、下部補助バーナ３１，３１を用いて金属材料Ｍの加熱を行うことで、高さ方向（ｚ方向）に沿って、金属材料Ｍの加熱状態に不均一な分布が生じるのを、抑制することができる。加熱の均一性を高めることで、低温加熱を経た金属材料Ｍにおいて、物理的特性等、金属材料Ｍの状態に空間分布が生じるのを抑制することができる。また、熱処理等に要する時間を短縮することができる。
【００７２】
下部補助バーナ３１，３１に加えて、上部補助バーナ３２を用いる場合には、下部補助バーナ３１，３１による加熱を補助することができ、例えば、低温加熱の中でも、比較的高温での加熱を行う場合に、必要な熱量を確保しやすくなる。また、下部補助バーナ３１，３１のみでは、金属材料Ｍにおいて、炉体１０の下部（−ｚ側）に配置された部位が加熱されやすくなるので、かえって、高さ方向（ｚ方向）に沿って、下方の部位の方が加熱されやすくなる加熱状態の不均一な分布が生じてしまうような場合には、上部補助バーナ３２を併用することで、加熱状態の不均一分布を緩和することができる。下部補助バーナ３１，３１に加えて上部補助バーナ３２を用いる場合に、下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２の両方を連続的に燃焼させ続けてもよいし、いずれか一方のみを燃焼させる状態と両方を燃焼させる状態を交互に、または経時的に切り替えながら、あるいは上部補助バーナ３２のみを燃焼させる状態と下部補助バーナ３１，３１のみを燃焼させる状態を、交互に、または経時的に切り替えながら、加熱を行ってもよい。経時的に切り替えを行う例として、加熱の初期は下部補助バーナ３１，３１と上部補助バーナ３２を燃焼させ、ある程度炉内の温度が上がった段階で、上部補助バーナ３２のみを燃焼させる状態に切り替える形態を、挙げることができる。
【００７３】
低温加熱を行う際の炉体１０における金属材料Ｍの配置も、特に限定されるものではないが、各補助バーナ３１，３１，３２からの火炎Ｆ１，Ｆ１，Ｆ２が、直接接触しないように、金属材料Ｍを配置することが好ましい。例えば、図２に示すように、長尺状の金属材料Ｍを、炉体１０の高さ方向（ｚ方向）および幅方向（ｘ方向）に対して傾斜させて、つまりｘｚ平面内で傾斜させて配置する形態が考えられる。金属材料Ｍの上端部を炉体１０の長手壁面１３，１４に接触させれば、金属材料Ｍを傾斜させた状態で保持しやすい。さらに、複数の金属材料Ｍを、１本ごとに傾斜方向を逆にしながら、炉体１０の長手方向（ｙ方向）に並べて配置するとよい。この場合には、図２（ｂ）のように、炉体１０の第二側壁面１２の外側から炉体１０の内部を見た状態において、２つの傾斜方向をとる金属材料Ｍが、相互に交差し、Ｘ字状となる。
【００７４】
この際、１対の下部補助バーナ３１，３１において、高さ位置（ｚ位置）および幅方向（ｘ方向）の間隔を適切に設定しておけば、図２（ｂ）に示すように、１対の下部補助バーナ３１，３１が、金属材料Ｍの交差位置（Ｘ字の中心点）近傍の幅方向両脇に位置するとともに、上部補助バーナ３２が、金属材料Ｍの交差位置の上方（＋ｚ側）に位置した状態となる。つまり、各補助バーナ３１，３１，３２の位置と金属材料Ｍの位置が重ならない状態となる。これにより、各補助バーナ３１，３１，３２からの火炎Ｆ１，Ｆ１，Ｆ２が、直接金属材料Ｍに接触しない状態となる。これにより、火炎Ｆ１，Ｆ１，Ｆ２が接触した部位における金属材料Ｍの局所的な加熱を避けることができる。また、炉体１０の内部空間において、火炎Ｆ１，Ｆ１，Ｆ２による対流が、金属材料Ｍによって遮られにくくなり、長手方向（ｙ方向）に沿った加熱状態の均一性が向上する。幅方向（ｘ方向）に１対で設けられた下部補助バーナ３１，３１の使用による高さ方向（ｚ方向）および幅方向（ｘ方向）における加熱状態の均一性の向上の効果と合わせて、金属材料Ｍの各個体内、そして複数の金属材料Ｍの個体間におけるｘ，ｙ，ｚ各方向に沿った加熱状態の分布を、効果的に抑制することができる。
【００７５】
このように、金属材料Ｍを傾斜させて配置することで、長軸が炉体１０の内部空間の高さよりも長く、直立させて炉体１０の中に配置できない金属材料Ｍでも、多数を長手方向（ｙ方向）に並べて炉体１０に収容し、一度に加熱を行うことができる。そのように長軸の長い金属材料Ｍに対しても加熱を行えるようにすることで、種々の形状の金属材料Ｍの加熱に、共通の加熱炉１を利用しやすくなる。なお、補助バーナ群３０を用いた低温加熱のみならず、主バーナ２１を用いた高温加熱を行う際にも、金属材料Ｍを傾斜させた状態で配置してもよい。
【００７６】
低温加熱としては、１０００℃未満の温度での加熱を例示することができる。そのような加熱の工程として、加熱対象の金属材料Ｍが鋼材よりなる場合における、焼なまし、焼戻し等、硬度をはじめとする鋼材の特性の調整を目的として行われる各種熱処理を挙げることができる。鋼材の焼なましや焼戻しは、典型的には、８００℃以下の温度において行われる。図４に示すような、燃焼容量の大きなバーナ９１を備えた均熱用の加熱炉９に、補助バーナ群３０を増設する等により、上記実施形態にかかる加熱炉１を構築すれば、共通の加熱炉１を用いて、高温での均熱と比較的低温での熱処理の両方を、共通の加熱炉１で行うことが可能となる。これらの加熱工程はいずれも、鋼材の製造工程において一般的に行われるものであり、共通の加熱炉１で行えるようにすることで、鋼材の製造に要する設備を簡素化するとともに、多様な熱処理を要する多様な鋼材の製造に共通の設備を用いることが、可能となる。
【実施例】
【００７７】
以下に本発明の実施例を示す。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
【００７８】
（試験方法）
図１に示すような、主バーナと上部補助バーナを相互に対向して１つずつ有し、さらにそれらよりも低い位置に１対の下部補助バーナを備えた加熱炉を用いて、鋼材を加熱する試験を行った。主バーナとしては、燃焼容量５８１４ｋＷのものを用い、上部補助バーナおよび下部補助バーナとしては、それぞれ燃焼容量１１００ｋＷのものを用いた。炉体の大きさは、Ｗ２２００ｍｍ×Ｌ７１００ｍｍ×Ｈ３０００ｍｍとした。炉体には、主バーナを設けた第一側壁面と各補助バーナを設けた第二側壁面のそれぞれの中央に、各バーナの燃料流量の制御に用いる熱電対を設置した。
【００７９】
上記の炉体に、図２に示すように、２つの方向に交互に傾斜させて、８本の円柱状の鋼材を配置した。８本の鋼材のうち、補助バーナを設けた第二側壁面側から、それぞれ１本目、４本目、８本目に配置された鋼材に、熱電対を取り付け、温度変化を記録できるようにした。それら各鋼材において、熱電対は、円柱形状の上端近傍の部位（Ｔｏｐ）の２箇所、および下端近傍の部位（Ｂｏｔ）の３箇所に取り付けた。
【００８０】
第一の加熱方式として、主バーナのみを燃焼させ、各補助バーナは用いずに、炉内を加熱した。炉体の側壁面に取り付けた熱電対で計測された炉内温度が、所定の設定値になるように、主バーナの燃料流量を調整した。
【００８１】
第二の加熱方式として、上部補助バーナと下部補助バーナのみを燃焼させ、主バーナを用いずに、炉内を加熱した。この際、上部補助バーナと１対の下部補助バーナをいずれも燃焼させて加熱を行い、１３時間が経過した後に、上部補助バーナのみを燃焼させる状態に切り替えた。燃焼を行う間、炉体の側壁面に取り付けた熱電対で計測された炉内温度が、所定の設定値になるように、上部補助バーナおよび下部補助バーナの燃料流量を調整した。
【００８２】
（試験結果）
図３に、燃焼中の鋼材の温度変化を計測した結果を示す。（ａ）は、主バーナのみを用いた第一の加熱方式によるものであり、（ｂ）は、補助バーナのみを用いた第二の加熱方式によるものである。各図においては、鋼材の上部の温度（Ｔｏｐ温度）と、下部の温度（Ｂｏｔ温度）を、各バーナの燃料流量の制御における炉内温度の設定値（設定）とともに示している。また、鋼材の下部の温度（Ｂｏｔ温度）と設定温度（設定）との差を、併せて示している（設定−Ｂｏｔ）。ここで、Ｔｏｐ温度およびＢｏｔ温度としては、３本の鋼材の上端近傍のＴｏｐ位置および下端近傍のＢｏｔ位置にそれぞれ複数取り付けた熱電対のうち、加熱終了時に最も高い温度を示していた熱電対で計測された値の時間変化を採用している。
【００８３】
主バーナのみを用いて加熱を行った図３（ａ）の場合には、概ね５時間以降の全時間領域において、Ｔｏｐ温度が設定温度を超えるオーバーシュートが起こっている。このことは、８００℃以下のような比較的低い温度で安定して加熱を行うための制御を、燃焼容量の大きい主バーナにおいて十分に行えていないことを示している。
【００８４】
また、Ｂｏｔ温度は、Ｔｏｐ温度よりもかなり低い状態のまま、長時間推移している。これは、主バーナから排気口に至る対流の下流に相当する鋼材の下部において、温度が上がりにくいことによると考えられる。さらに、鋼材の上部におけるオーバーシュートを小さく抑えるために、主バーナの出力を低く抑える制御が行われ、ますます鋼材の下部の温度が上がりにくくなったものと考えられる。このように、鋼材の下部の温度が上がりにくいことにより、設定温度との差（設定−Ｂｏｔ）も、大きな値を示す期間が長く、１００℃まで差が小さくなるのに、約２２時間を要している。
【００８５】
これに対し、補助バーナのみを用いて加熱を行った図３（ｂ）の場合には、全加熱時間を通じて、Ｔｏｐ温度が設定温度を大きく上回るような状態にはなっておらず、オーバーシュートは起こっていないと言える。特に、概ね１５時間以降の領域においては、Ｔｏｐ温度が設定温度に近接した状態が維持されている。このことは、燃焼容量の大きい主バーナではなく、燃焼容量の小さい補助バーナを用いることで、８００℃以下のような比較的低い温度でも、安定して出力の制御を行えることを示している。
【００８６】
また、Ｂｏｔ温度は、全時間領域において、Ｔｏｐ温度よりも低い状態にあるが、図３（ａ）の主バーナを用いる場合と比較すると、加熱の初期において、Ｂｏｔ温度の立ち上がりのカーブが、図３（ａ）では下に凸となっているのに対し、図３（ｂ）では、ごく初期を除いて、上に凸になっている。つまり、図３（ｂ）の場合の方が、Ｂｏｔ温度の立ち上がりの勾配が早期に大きくなっている。それらの傾向は、設定温度との差（設定−Ｂｏｔ）において、さらに明らかになっている。図３（ｂ）の場合の方が、図３（ａ）の場合よりも、設定−Ｂｏｔが、早い時間で極大を迎えて、減少に転じている。つまり、鋼材の下部の温度が、短時間で上昇しやすくなっている。また、設定−Ｂｏｔの差の値が１００℃まで小さくなるのに、要する時間は、図３（ｂ）では約１８時間となっており、図３（ａ）の約２２時間よりも大幅に短縮されている。
【００８７】
この結果は、主バーナよりも低い位置に設けられた下部補助バーナを用いて加熱を行うことで、主バーナを用いる場合よりも、鋼材の上部と比較した下部の加熱されにくさが、緩和されていることによると考えられる。さらに、補助バーナの燃焼容量の小ささにより、補助バーナの出力を安定して制御できており、鋼材の上部におけるオーバーシュートが起こりにくくなっているため、補助バーナの出力が過剰に低くなるような制御が行われず、鋼材の下部の温度も比較的上がりやすくなっていると考えられる。
【００８８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。また、上記実施形態においては、主バーナよりも燃焼容量の小さい補助バーナとして、主バーナと排気口の間の高さ位置に下部補助バーナを設け、低温加熱に必須に用いるようにしたが、低温加熱において、高さ方向に沿った加熱状態の不均一性の影響が深刻にならない場合等には、任意の高さ位置に補助バーナを設けておき、補助バーナのみを用いて低温加熱を行うようにすれば、補助バーナの燃焼容量の小ささによる低温加熱の安定化の効果を享受することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１                加熱炉
１０              炉体
１１              第一側壁面
１２              第二側壁面
１３，１４        長手壁面
２１              主バーナ
３１，３１        下部補助バーナ
３２              上部補助バーナ
４１，４１        排気口
Ｍ                金属材料
【図１】
2019138528.tif 000003
【図２】
2019138528.tif 000004
【図３】
2019138528.tif 000005
【図４】
2019138528.tif 000006