(57)【要約】【課題】燃焼室を形成する壁面から離れた領域に、コンパクトに且つ安定した高温の熱処理用の燃焼ガス領域を形成して、高温で温度一様性があり、作業効率を高め、燃料消費、製造コストを低減可能な燃焼加熱炉を提供する。【解決手段】円筒状側壁面１２によって囲まれ且つ両端部１６，１６が開放された円筒状燃焼室１１には、円筒状側壁面１２に開口する側壁流入口１３から燃料・空気の予混合気１４が流入して旋回流を生じ、中心軸に略対称な連続火炎面１５が形成される。連続火炎面１５の内側に形成される高温で温度一様な既燃ガス領域１８によって、長尺な被処理材１９の熱的処理が可能である。円筒状側壁面１２は比較的温度の低い予混合気１４に覆われて過熱されないので、既燃ガス領域１８が一層高温化可能であり、燃焼加熱炉を高価な耐熱材料以外の安価な金属等によって軽量・簡易・小型に製作可能である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状側壁面によって周囲が定められ且つ両端部が端部開口を通して開放された円筒状燃焼室を備え、前記燃焼室内に燃料と空気とから成る混合気旋回流を形成するための流体を前記燃焼室内に前記円筒状側壁面にほぼ沿って流入させる側壁流入口が前記円筒状側壁面に開口し、前記混合気旋回流の燃焼によって前記円筒状燃焼室内に形成される中心軸に対し略対称で且つ連続した火炎面の内側に前記端部開口を通して搬入される被処理材に熱的処理を施すための高温既燃ガス領域が形成されることから成る燃焼加熱炉。
【請求項２】
前記流体は、空気、ガス燃料、燃料と空気の予混合気、及び燃料粒子が浮遊する空気から成る一群の流体から選択された一種類又は複数種類の流体であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱炉。
【請求項３】
前記側壁流入口は、前記円筒状燃焼室の軸方向に延びる細長のスロットであることから成る請求項１に記載の燃焼加熱炉。
【請求項４】
前記円筒状燃焼室の前記端部開口は、前記円筒状燃焼室の前記両端部に配置される端壁によって前記円筒状側壁面の内径よりも小さい口径に制限されていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼加熱炉。
【請求項５】
前記円筒状燃焼室の前記両端部は、前記円筒状側壁面の内径よりも大きい口径を持って拡径された円筒状拡大部であることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼加熱炉。
【請求項６】
前記円筒状燃焼室の前記両端部は、外側に向かうに従って前記円筒状側壁面の内径よりも次第に拡径されたラッパ状拡大部であることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼によって生じる高温ガスを用いて、金属等から成る線材、長尺な棒材、管材等の、特に長尺材の表面処理や加熱、焼鈍等の熱的処理を行う燃焼加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長い金属等から成る線材、棒材、管材等の材料に対して、加熱、表面処理等の熱的処理を施すのに使用される装置の一つとして、耐火材でできたトンネル炉が挙げられる。トンネル炉中はバーナによる既燃ガスで充満され、その中を被処理材が移動するようになっている（例えば、実開平３−９９７５５号公報、特開平５４−１１５６０７号公報）。被処理材が細い線材である場合には、トンネル炉は竪置きに設置され、張力を与えた状態の線材をトンネル炉の中心に沿って走行させながら一方向に一定速度で巻き取ることで、線材にはトンネル炉を通過中に熱処理が施される（一例として、特開平７−９１８４２号公報）。これらの装置においては、炉の中は高温の既燃ガスで充満されるので、その対策として炉壁は耐火材で形成される。また、炉壁の外側には、熱損失を抑制するため耐火材による断熱層が設けられる。トンネル炉を設置するのが困難な現場等では、バーナによる火炎で被処理材を加熱する方法が簡易的に行われる。
【０００３】
上記の固定式の燃焼加熱炉においては、既燃ガスで充満された熱処理に利用可能な空間が小規模な場合であっても、装置の外寸が大きくなる。また、耐火レンガ等で構築されるので燃焼加熱炉を移動させることができない。更に、製作に時間がかかる、部分的な改修が困難である等の問題もある。また、炉壁を構成する耐火材の種類によっては内部の流動により耐火材の磨耗が生じ、その飛散粒子や繊維が製品に悪影響を及ぼすことがある。熱処理の簡易装置として、露出した火炎によって被処理材である対象物を加熱するバーナがある。この種の簡易装置は、極めて安価であるという利点を備えているが、高温を得るのが難しく、また一様に加熱することが困難である。そのため、熱処理製品の品質にばらつきが出やすい、酸化雰囲気と還元性雰囲気を制御できない、作業効率が低い、単位処理量当たりの燃料消費量が多い、などの問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、被処理材に熱処理を施す燃焼加熱炉において、燃焼室を形成する壁面から離れた領域に、コンパクトに且つ安定した高温の熱処理用の燃焼ガス領域を形成することを可能にすることで、燃焼加熱炉の小型化、高温化を図る点で解決すべき課題がある。
【０００５】
本発明はこれらの課題を解決するためになされたもので、その目的は、温度の高さ及び一様性、作業効率や燃料消費、製造コストなどの点で、従来の簡易な方法よりも格段に優れた、移動も可能な新規な燃焼加熱炉を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃焼加熱炉は、円筒状側壁面によって周囲が定められ且つ両端部が端部開口を通して開放された円筒状燃焼室を備え、前記燃焼室内に燃料と空気とから成る混合気旋回流を形成するための流体を前記燃焼室内に前記円筒状側壁面にほぼ沿って流入させる側壁流入口が前記円筒状側壁面に開口し、前記混合気旋回流の燃焼によって前記円筒状燃焼室内に形成される中心軸に対し略対称で且つ連続した火炎面の内側に前記端部開口を通して搬入される被処理材に熱的処理を施すための高温既燃ガス領域が形成されることから成っている。
【０００７】
この燃焼加熱炉によれば、円筒状燃焼室を定める円筒状側壁面に開口する側壁流入口から、流体が円筒壁面に沿って流出する。この流体は、燃焼室内に燃料と空気とから成る混合気旋回流を形成し、混合気旋回流が燃焼することにより、円筒状燃焼室の中心軸と同軸で略対称な筒状の連続火炎面が形成される。連続火炎面の外側の火炎面と円筒状側壁面との間の環状部には温度の低い予混合気が存在するが、連続火炎面の内側には高温燃焼ガスが充満した既燃ガス領域が形成される。この既燃ガス領域の特徴として、その温度分布の一様性に優れている点が挙げられる。被処理材は、端部開口を通して搬入され、既燃ガス領域に挿入されて所定時間の間、置かれることで、被処理材に対して熱的処理が行われる。円筒状燃焼室が両端が開放されていることを利用して、円筒状燃焼室を軸方向に所定時間をかけて被処理材を通過させることにより、長尺材であっても加熱炉の長さの制約を受けることなく熱的処理を施すことが可能である。混合気旋回流の流量と側壁流入口の大きさ、数を適切に設定すると、燃焼室壁面である円筒状側壁面はその壁面に沿って流れる温度の低い混合気で充分覆うことができるので、高温の火炎や既燃ガスが触れず、円筒状側壁面の過熱を防止することが可能である。燃焼加熱炉の用途としては、金属製管材や丸棒の焼鈍や焼き入れ、丸太の表面炭化処理が挙げられる。
【０００８】
この燃焼加熱炉において、前記流体は、空気、ガス燃料、燃料と空気の予混合気、及び燃料粒子が浮遊する空気から成る一群の流体から選択された一種類又は複数種類の流体とすることができる。空気は、燃料を燃焼させるための酸化剤として用いられる。燃料粒子は、液体燃料又は粉体状燃料の微粒子を含み、ガス化して空気との混合気を形成する。すべての側壁流入口から同じ種類の流体を燃焼室内に流入させることができるが、異なる種類の気体を区別された側壁流入口から燃焼室内に流入させてもよい。いずれの場合も、周壁内面に対する流入方向を揃えることで、燃焼室内には、ガス化した燃料と空気とが混合した混合気旋回流が形成される。旋回流を形成させるために周壁内面に沿って燃焼室内に流入させる流体を空気のみとする場合には、側壁流入口の周壁内面での開口近傍或いは周壁に燃料噴射の手段を設けて燃料と空気の流れを強く干渉させることで、燃焼室の内部に混合気旋回流を形成することができる。
【０００９】
この燃焼加熱炉において、前記側壁流入口は、前記円筒状燃焼室の軸方向に延びる細長のスロットとすることができる。即ち、流体が円筒状燃焼室内に流入する側壁流入口を円筒状燃焼室の中心軸に平行な細長い形状（スロット）とすることにより、円筒状燃焼室内に安定した混合気旋回流れを形成することが可能となる。スロットは、通常、周方向に２個から４個程度設けられるが、円筒状燃焼室の長さが長い場合には、軸方向に複数組配置するのがよい。
【００１０】
この燃焼加熱炉において、前記円筒状燃焼室の前記端部開口を、前記円筒状燃焼室の前記両端部に配置される端壁によって前記円筒状側壁面の内径よりも小さい口径に制限することができる。円筒状燃焼室の両端部に形成される端部開口を制限する端壁を設けることによって、既燃ガスからの放射熱損失をさらに小さくし、より高い処理温度が実現できるだけでなく、円筒状燃焼室内の既燃ガス領域の温度分布の一様性を更に向上させることができる。また、この端壁の一部には高温ガスに接触するので、一部、あるいは全部をセラミック等で形成すれば、耐久性を向上させることができる。
【００１１】
この燃焼加熱炉において、前記円筒状燃焼室の前記両端部を前記円筒状側壁面の内径よりも大きい口径を持って拡径された円筒状拡大部とすることができる。また、この燃焼加熱炉において、前記円筒状燃焼室の前記両端部を外側に向かうに従って前記円筒状側壁面の内径よりも次第に拡径されたラッパ状拡大部とすることができる。即ち、円筒状燃焼室の両端部を、段差を介して接続されるより大きな内径を有する円筒状拡大部や外側に向かうに従って次第に拡径されるラッパ状拡大部とすることで、円筒状燃焼室の壁面に沿う未燃焼予混合気の漏れを抑制することができ、完全燃焼を容易に実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による燃焼加熱炉を棒材の熱処理に適用した第１実施例を示す模式的断面図である。図１（ａ）は同（ｂ）の線Ａ−Ａについての模式的断面図、図１（ｂ）は同（ａ）の折れ線Ｂ−Ｂについての模式的断面図である。図１に示す燃焼加熱炉１０において、円筒状燃焼室（以下、単に「燃焼室」と略す）１１は、円筒状側壁面（以下、単に「側壁面」と略す）１２によって周囲が定められており、燃焼室１１の両端部は側壁面１２がそのまま開放された端部開口１６，１６となっている。側壁面１２には、例えば２個の側壁流入口１３が開口しており、この実施例の場合には、流体として燃料と空気との予混合気１４が、側壁流入口１３から側壁面１２の接線方向に向かって（共に、周方向同じ向き）燃焼室１１内に流入し、燃焼室１１の側壁面１２に沿って流れる。燃焼室１１に流入した予混合気１４は、燃焼室１１内において旋回流れを生じる。混合気旋回流れが着火・燃焼することによって、混合気旋回流れの内周側に、燃焼室１１の中心軸に対し同軸で略対称な円筒状の連続火炎面１５が形成される。
【００１３】
連続火炎面１５と側壁面１２との間の環状空間１７は比較的温度の低い予混合気で満たされ、一方、連続火炎面１５の内側の空間は高温の既燃ガスで満たされた既燃ガス領域１８となる。予混合気１４の流量を調整する等によって連続火炎面１５の位置を調節することにより、既燃ガス領域１８の広さを加減でき、燃焼室１１内に比較的多くの割合を占める既燃ガス領域１８を形成することができる。被処理材１９はこの既燃ガスで満たされた領域１８を貫通して置かれ、燃焼室１１の軸方向に移動され、その移動の時間をかけて熱的処理が施される。また、領域１８内の既燃ガスの温度は燃料／空気比の調節により制御することができる。更に、燃料過剰にすれば既燃ガスを還元性にすることも可能である。
【００１４】
図２は、本発明による燃焼加熱炉の第２実施例を示す模式的断面図である。図２（ａ）は同（ｂ）の線Ｃ−Ｃについての模式的断面図、図２（ｂ）は同（ａ）の折れ線Ｄ−Ｄについての模式的断面図である。図２に示す燃焼加熱炉２０については、図１に示す燃焼加熱炉１０に用いられている部品や部位と同等のものには同じ符号を用いることで、それらの再度の説明を省略する。燃焼加熱炉２０の燃焼室２１においては、その両端部は、側壁面１２の開口広さが端壁２３によって制限された端部開口２６，２６となっている。燃焼室２１の両端を端部開口２６，２６とすることで、既燃ガス領域２８の既燃ガスからの放射熱損失が小さくでき、既燃ガスの温度分布の一様性が向上する。端壁２３は高温ガスに曝されるので、その一部、又は全部をセラミックの等の耐火材で形成すれば、耐久性が向上する。金属の場合でも、セラミックス遮熱コーティング層を施すことによって優れた耐久性が実現する。
【００１５】
図３は、本発明による燃焼加熱炉の第３実施例を示す模式的断面図である。図３（ａ）は同（ｂ）の線Ｅ−Ｅについての模式的断面図、図３（ｂ）は同（ａ）の折れ線Ｆ−Ｆについての模式的断面図である。図３に示す燃焼加熱炉３０については、図１に示す燃焼加熱炉１０に用いられている部品や部位と同等のものには同じ符号を用いることで、それらの再度の説明を省略する。燃焼加熱炉３０において、燃焼室３１の両端部は、円筒状の側壁面３２の内径よりも大きい口径に拡径され且つ側壁面３２の両側に接続された円筒状拡大部３３となっている。燃焼室３１の端部開口３６，３６は、円筒状拡大部３３が外側に開いた拡径した開口によって形成されている。燃焼室３１の壁面に沿って流れる予混合気１４は、円筒状拡大部３３が形成する急拡大される通路において渦を生じ、両端部で広がった形の既燃ガス領域３８に示すように、側壁面３２に沿って流れる予混合気の燃焼はこの渦によって促進される。
【００１６】
図４は、本発明による燃焼加熱炉の第４実施例を示す模式的断面図である。図４（ａ）は同（ｂ）の線Ｇ−Ｇについての模式的断面図、図３（ｂ）は同（ａ）の折れ線Ｈ−Ｈについての模式的断面図である。図４に示す燃焼加熱炉４０についても、図１に示す燃焼加熱炉１０に用いられている部品や部位と同等のものには同じ符号を用いることで、それらの再度の説明を省略する。燃焼加熱炉４０において、燃焼室４１の両端部は、円筒面である側壁面４２の両側に接続され且つ外側に向かうに従って側壁面４２の内径よりも次第に拡径されたラッパ状拡大部４３となっている。燃焼室４１の端部開口４６，４６は、ラッパ状拡大部４３の外側に拡径した開口によって形成されている。ラッパ状拡大部４３の広がりによって、火炎面が両端部で径方向に広がった既燃ガス領域４８が形成される。その結果、未燃焼の予混合気１４が壁面に沿って流出するのを防止することができ、完全燃焼を容易に実現することができる。
【００１７】
以上、各実施例について説明したが、側壁流入口１３から燃焼室１１〜４１内に流入する流体としては、予混合気１４に限らず、空気のみを流入させることができる。この場合、側壁流入口１３の近傍に設けられた例えば、液体燃料やガス燃料を噴射し、流入空気と強く干渉させるなどして、混合気旋回流及び火炎面１５を形成することができる。また、側壁流入口１３から燃焼室１１〜４１内に流入する流体は、予混合気１４や空気以外にも、ガス燃料や、熱によってガス化可能な燃料微粒子が浮遊した空気等を用いることもできる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明による燃焼加熱炉は、上記のように、円筒状側壁面によって周囲が定められ且つ両端部が端部開口を通して開放された円筒状燃焼室を備え、前記燃焼室内に燃料と空気とから成る混合気旋回流を形成するための流体を前記燃焼室内に前記円筒状側壁面にほぼ沿って流入させる側壁流入口が前記円筒状側壁面に開口し、前記混合気旋回流の燃焼によって前記円筒状燃焼室内に形成される中心軸に対し略対称で且つ連続した火炎面の内側に前記端部開口を通して搬入される被処理材に熱的処理を施すための高温既燃ガス領域を形成しているので、既燃ガス領域に被処理材を通すことによって、被処理材が大型の長尺材であっても連続した作業効率の良い熱的処理が可能である。また、円筒状側壁面は高温の火炎や既燃ガスと接触せず比較的温度の低い予混合気に覆われているために過熱されないので、燃焼室は高価な耐熱材料を用いることなく金属によって製作可能である。その結果、燃焼加熱炉を軽量・簡易・小型に製作し、容易に移動可能な構造にすることも可能である。また、燃焼室の壁面について、高い耐熱性を備えるという制約が無くなるので、既燃ガス領域の温度について、一層の高温化が可能である。更に、既燃ガスの存在する領域の温度分布は一様性に優れており、熱損失が少ないので、燃焼加熱炉は、燃料を節約し熱的効率及び製造コストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃焼加熱炉の第１実施例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明による燃焼加熱炉の第２実施例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明による燃焼加熱炉の第３実施例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明による燃焼加熱炉の第４実施例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０　燃焼加熱炉　１１，２１，３１，４１　燃焼室
１２，３２，４２　側壁面　　　　　　１３　側壁流入口
１４　予混合気　　　　　　　　　　　１５　連続火炎面
１６，２６，３６，４６　両端開口部　　　　１７　環状空間
１８，２８，３８，４８　既燃ガス領域　　　１９　被処理材
２３　端壁　　　　３３　円筒状拡大部　　　４３　ラッパ状拡大部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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