(57)【要約】【課題】設備費や運転費を増大させることなく、また、スラブの歩留りや品質の低下を起こすことなく、加熱温度の異なるスラブが装入された場合においても加熱温度の変更が容易にできると共に、炉内の窒素酸化物の発生抑制が可能であり、さらに、多種多様な燃料においても安定した燃焼が可能な連続式加熱炉及びその操業方法を提供する。【解決手段】スラブの加熱を行う連続式加熱炉において、一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナと、該管状火炎バーナに２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置と、該燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御する燃焼制御装置とを備える。【選択図】　　　　　　図１
2004077007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブの加熱を行う連続式加熱炉において、
一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナと、
該管状火炎バーナに２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置と、
該燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御する燃焼制御装置とを備えたことを特徴とする連続式加熱炉。
【請求項２】
炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有する連続式加熱炉であって、前記複数の領域毎に少なくとも１つの管状火炎バーナが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の連続式加熱炉。
【請求項３】
炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有する連続式加熱炉であって、前記複数の領域毎に、スラブの搬送方向に沿って複数の管状火炎バーナが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の連続式加熱炉。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、
炉内温度の設定温度に基づいて燃料供給装置における各燃料の混合比率を調節することを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
【請求項５】
炉内から排出される排ガス中の窒素酸化物濃度に基づいて燃料供給装置における各燃料の混合比率を調節することを特徴とする請求項４に記載の連続式加熱炉の操業方法。
【請求項６】
請求項３に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、
炉内の任意の領域に搬入されたスラブの目標加熱温度に基づいて、当該領域における管状火炎バーナに燃料を供給する燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御して、前記管状火炎バーナに供給する燃料の発熱量を調節することを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラブの加熱を行う連続式加熱炉及びその操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続式加熱炉として一般的に用いられるウォーキングビーム式加熱炉においては、被加熱物であるスラブは装入口から炉内に搬入され、順次炉内を搬送されながら所定の温度に加熱された後、抽出側から炉外に搬出される。このような連続式加熱炉は、装入口側より、予熱帯、加熱帯、均熱帯等の各領域に分けることができ、通常、常温ないしは数百℃のスラブを１１００〜１２５０℃程度まで加熱しており、一時間当たり数百トン程度の鋼材を熱処理できる能力を持っている。
【０００３】
スラブの熱処理においては、スラブの種類や厚さによって目標とする加熱温度が異なる場合がある。最近の連続式加熱炉の操業においては、小ロット多品種生産に対応させるため、加熱温度の異なるスラブが混在した状態での操業が多くなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
炉内に搬入されたスラブの加熱は、炉の各領域に備えられている加熱用バーナによって行われるが、連続式加熱炉に備えられているバーナは燃焼できる燃料種及びその発熱量に規定があり、供給される燃料種及びその発熱量が一定となるように管理することが重要である。また、供給する燃料種及びその発熱量を可変できないので火炎温度の制御をすることができない。
【０００５】
このようなバーナの場合、加熱温度の調整はバーナの燃焼負荷を調整することにより行うこととなる。スラブの目標加熱温度が低い場合には、バーナの燃焼負荷を低負荷とした運転をする必要があるが、このような低燃焼負荷運転の場合、酸素含有ガス及び燃料の流量を絞るため、それぞれのノズル出口における噴出流速が低下する。その結果、バーナ出口での火炎（フレーム）の舞い上がり現象が生じ、火炎の方向性を維持することができず、炉内における温度分布が大きくなり、スラブを均一に加熱することが困難となる。
【０００６】
低燃焼負荷時における火炎の舞い上がりを防止する方法として、特開平７−４２９２１号公報には、バーナ中心部に設けられた燃料ガス供給管の中に蒸気供給管を設け、低負荷燃焼時に蒸気を噴出させることにより、火炎の直進性及び燃焼の安定性を向上させる方法が開示されている。しかし、前記特開平７−４２９２１号公報に開示された蒸気を用いる方法は、蒸気供給配管をバーナ内に敷設するためバーナ構造が複雑化し、さらに蒸気供給装置等の設置や蒸気発生のためのエネルギーも必要となり、設備費及び運転費を増大させるといった問題がある。また、炉内に水蒸気を添加するためスラブの酸化が促進され歩留り低下やスケール疵発生による品質低下の問題がある。
【０００７】
また、炉内の窒素酸化物の生成量はバーナの火炎温度で決まるが、従来のバーナはその火炎温度の制御が出来ないため、炉内に発生する窒素酸化物の生成量を制御することができない。
【０００８】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、設備費や運転費を増大させることなく、また、スラブの歩留りや品質の低下を起こすことなく、加熱温度の異なるスラブが装入された場合においても加熱温度の変更が容易にできると共に、炉内の窒素酸化物の発生抑制が可能であり、さらに、多種多様な燃料においても安定した燃焼が可能な連続式加熱炉及びその操業方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
［１］スラブの加熱を行う連続式加熱炉において、一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナと、該管状火炎バーナに２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給するための燃料供給装置と、該燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御する燃焼制御装置とを備えたことを特徴とする連続式加熱炉。
［２］上記［１］において、炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有する連続式加熱炉であって、前記複数の領域毎に少なくとも１つの管状火炎バーナが備えられていることを特徴とする連続式加熱炉。
［３］上記［１］において、炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有する連続式加熱炉であって、前記複数の領域毎に、スラブの搬送方向に沿って複数の管状火炎バーナが備えられていることを特徴とする連続式加熱炉。
［４］上記［１］又は上記［２］に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、炉内温度の設定温度に基づいて燃料供給装置における各燃料の混合比率を調節することを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
［５］上記［４］において、炉内から排出される排ガス中の窒素酸化物濃度に基づいて燃料供給装置における各燃料の混合比率を調節することを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
［６］上記［３］に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、炉内の任意の領域に搬入されたスラブの目標加熱温度に基づいて、当該領域における管状火炎バーナに燃料を供給する燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御して、前記管状火炎バーナに供給する燃料の発熱量を調節することを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る連続式加熱炉の一実施形態を示す概略構成の断面図である。
【００１１】
図１に示す加熱炉は、スラブの装入口側より、予熱帯、加熱帯、均熱帯の各領域を有する連続式加熱炉であり、加熱炉１の炉壁に設けられた加熱用のサイドバーナの少なくとも１つを管状火炎バーナ２とし、さらに、この管状火炎バーナ２に２種以上の異なる発熱量の燃料を混合して供給可能な燃料供給装置及びこの燃料供給装置での各燃料の混合比率を制御する燃焼制御装置を備えたものである。ここで、管状火炎バーナ２の設置数及び設置場所には特に制限は無く、炉構造や操業条件等により適宜変更され得る。なお、図１においては、一例として、予熱帯、加熱帯、均熱帯の各領域に配置された加熱用のバーナの半数（上下それぞれひとつ置き）を管状火炎バーナ２とした場合を示したものである。
【００１２】
前記管状火炎バーナ２の詳細を図２を用いて説明する。なお、管状火炎バーナの基本的な構成は特開平１１−２８１０１５号公報に示したものと同様である。
【００１３】
図２（ａ）は管状火炎バーナ２の側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。３は管状の燃焼室であり、一端が開放されて燃焼ガスの排出口になっている。この燃焼室３の周囲には、酸素含有ガスを吹き込むノズル４ａ及び燃料を吹き込むノズル４ｂが別々に設けられている。このノズル４ａ，４ｂは、燃焼室３に対し、酸素含有ガス及び燃料の吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向になるように設けられており、酸素含有ガス及び燃料の吹き込みによって、燃焼室３内に旋回流が形成されるようになっている。そして、ノズル４ａ及び４ｂの先端部の形状を扁平に形成し、かつその開口面積を絞ることにより、燃焼室内に高速の旋回流を形成することができる。５は点火プラグ、６は火炎を示す。
【００１４】
なお、図２においては、酸素含有ガスを吹き込むノズル４ａと燃料を吹き込むノズル４ｂを別々に設けているが、酸素含有ガスと燃料を予め混合してから吹き込むようにしてもよい。また、それぞれのノズルの数及び設置位置は特に限定されるものではなく、装置構成等により適宜選択され得る。ここで、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。
【００１５】
上記のように構成されたバーナにおいて、ノズル４ａ及び４ｂから吹き込まれて旋回流を形成している混合気に点火すると、燃焼室３内のガスが密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁側には未燃焼のガスが存在するようになる。
【００１６】
また、内壁近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っており、火炎が内壁近傍までは伝播しないので、燃焼室３内には火炎が管状の形になって生成する。燃焼室の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室３の壁面が直接的に加熱されて高温に曝されることはない。燃焼室３内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間に、内壁側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。
【００１７】
上記の構成とすることにより、燃焼室３内においては、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
【００１８】
このように安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼ガスを発生させることができる。また、燃料ガス成分が非常に希薄な極低発熱量のガスでも安定して燃焼させることができるので、安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、前記燃料を吹き込むノズル４ｂに２種以上の異なる発熱量の燃料を所定の割合で混合して供給可能な燃料供給装置７が接続されている。前記燃料供給装置７は、燃焼制御装置８からの制御信号により、燃料供給装置７に供給される各燃料の混合比率を調節する。
【００２０】
ここで、前記２種以上の異なる発熱量の燃料としては、例えば、ＬＮＧ、プロパンガス、灯油、重油および鉄鋼製造プロセスにおいて副生されるコ−クス炉ガス（Ｃガス）、高炉ガス（Ｂガス）、転炉ガス（ＬＤガス）等を用いることができる。これらの燃料の内の２種以上（発熱量の大きく異なる燃料を選択するようにすることが好ましい。）を燃料供給装置７に接続し、この燃料供給装置７内でこれらの燃料を所定の比率で混合することにより、所定の発熱量を有する燃料を管状火炎バーナに供給可能となる。
【００２１】
管状火炎バーナは、上述したように多種多様な燃料に対して安定な燃焼が可能である。そこで、被加熱物であるスラブの目標加熱温度に応じて、最適な火炎温度、つまり炉内温度の設定温度となるように、各燃料の混合比率が調節され発熱量の調整が行われた燃料を前記燃料供給装置７から管状火炎バーナ２に供給することにより、目標加熱温度の異なるスラブに対しても迅速に、且つ、安定して加熱温度の設定変更が可能となる。
【００２２】
なお、スラブの目標加熱温度が低く、管状火炎バーナの燃焼負荷が低くなる場合、この管状火炎バーナから噴出される高温ガス（火炎）の噴出速度を所定の速度に維持するため、管状火炎バーナに空気、燃焼排ガス、窒素、アルゴン、炭酸ガス等のガスを供給するようにしてもよい。管状火炎バーナでの燃焼負荷が極端に低くなった場合にも火炎の舞い上がり等の不安定な燃焼状態を回避でき、より炉内温度の均一化を図ることが可能となる。
【００２３】
また、図１に示すように、炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域、例えば予熱帯、加熱帯、均熱帯等を有している場合においては、前記各領域毎に少なくとも１つの管状火炎バーナを備え、さらに、それぞれの管状火炎バーナに前記燃料供給装置７をそれぞれ備えることが好ましい。前記複数の領域毎に、それぞれの炉内温度の設定温度に応じて燃焼制御装置８からの制御信号により燃料供給装置７で各燃料の混合比率が調節され発熱量の調整された燃料をそれぞれの管状火炎バーナに供給することにより、各領域毎の温度設定がより応答性よく安定して行うことが可能となる。
【００２４】
また、前記燃料供給装置７から管状火炎バーナに供給する各燃料の混合比率は、炉内から排出される排ガス中の窒素酸化物濃度に基づいて調節することが好ましい。
【００２５】
炉内の窒素酸化物濃度は管状火炎バーナの火炎温度で決まるが、各燃料の混合比率を調節することにより発熱量の調整された燃料を管状火炎バーナに供給することにより、管状火炎バーナの火炎温度を制御することが可能となる。これにより、炉内の窒素酸化物濃度を調節することが可能となる。
【００２６】
また、炉の立ち上げ時においては、前記燃料供給装置７から管状火炎バーナに供給する各燃料の混合比率を調節して発熱量の高い燃料を供給することが好ましい。発熱量の高い燃料を管状火炎バーナに供給し、火炎の温度を高くすることで炉の立ち上げに要する時間を短縮することが可能となるからである。
【００２７】
図３に、本発明に係る連続式加熱炉の他の実施形態の一例を示す。図３は、炉内に予熱帯、加熱帯、均熱帯等の独立して温度制御が可能な複数の領域を有するウォーキングビーム式の連続加熱炉において、前記複数の領域毎に、スラブの搬送方向に沿って複数の管状火炎バーナ２と、それぞれの管状火炎バーナ２に燃料供給装置７とをそれぞれ備え、さらに前記燃料供給装置７での各燃料の混合比率を制御する燃焼制御装置８を備えたものである。なお、図３において、図１と同様の構成部分には同一の番号を付し説明を省略する。
【００２８】
図３に示すようなウォーキングビーム式の連続加熱炉の場合、被加熱物であるスラブのそれぞれの領域における目標加熱温度に基づいて、燃焼制御装置８からの制御信号により、当該領域に設けられている管状火炎バーナに燃料を供給する燃料供給装置７での各燃料の混合比率を制御して、前記管状火炎バーナに供給する燃料の発熱量を調節することで、炉内温度の制御を高精度に、且つ、応答性よく行うことが可能となる。
【００２９】
以下、加熱温度の異なるスラブが炉内に混在している場合の操業方法の一例を説明する。
【００３０】
加熱温度の異なるスラブが混在して炉内に装入される場合、独立して温度制御が可能な各領域において、目標加熱温度の最も低いスラブに合わせた炉内温度となるように発熱量の調整が行われた燃料を燃料供給装置７から当該領域における管状火炎バーナ２に供給し、炉内の温度制御を行う。目標加熱温度の高いスラブが炉内に装入された場合、そのスラブが通過する各領域において、通過する目標加熱温度の高いスラブの加熱に最も寄与する管状火炎バーナに供給する燃料の混合比率を調節し、そのスラブの目標加熱温度に合わせた発熱量の燃料を供給する。管状火炎バーナを加熱用のバーナとして用いることで、燃料の発熱量の変更に対しても安定した燃焼が可能であるので、局所的な炉内温度の変更に対しても制御性よく、しかも応答性よく行うことが可能となる。
【００３１】
これにより、目標加熱温度の高いスラブの周囲の雰囲気のみを局所的に加熱でき、目標加熱温度の高いスラブの加熱不足をなくし、さらに、その前後の加熱温度の低いスラブの過加熱を防止することが可能となる。
【００３２】
なお、ウォーキングビーム式の連続加熱炉の場合、炉内に装入されたスラブの位置はウォーキングビームの搬送回数と搬送ピッチを管理することにより正確に把握することが可能である。スラブ位置を把握することで、加熱温度の高い特定のスラブの加熱に最も寄与する管状火炎バーナを特定することが可能となる。
【００３３】
以上説明したように、管状火炎バーナは発熱量の異なる燃料でも安定して燃焼が行えるため、炉内の温度分布を均一に保つことができ、また、燃焼を安定させるために蒸気を供給する必要が無いので、設備費や運転費の増大、或いはスラブの歩留り低下や品質低下を防止することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、設備費や運転費を増大させることなく、また、スラブの歩留りや品質の低下を起こすことなく、加熱温度の異なるスラブが装入された場合においても加熱温度の変更が容易にできると共に、炉内の窒素酸化物の発生抑制が可能であり、さらに、多種多様な燃料においても安定した燃焼が可能な連続式加熱炉及びその操業方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る連続式加熱炉の一実施形態を示す概略構成の断面図である。
【図２】（ａ）管状火炎バーナの側断面図である。
（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。
【図３】
本発明に係る連続式加熱炉の他の実施形態の一例を示す図である。
【符号の説明】
１　加熱炉
２　管状火炎バーナ
３　燃焼室
４　ノズル
５　点火プラグ
６　火炎
７　燃料供給装置
８　燃焼制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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