(57)【要約】【課題】ノズルの閉塞がなく、メンテナンス性のよい助燃バーナーの提供【解決手段】  燃料噴出管２０と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管３０とを備え、その吐出流速が４０ｍ／ｓ以上であり、かつ、酸素ガス噴出管の引き込み代Ｌ（ｍｍ）、バーナー先端部の内径Ｄ（ｍｍ）およびバーナーの吐出流速Ｖ（ｍ／ｓ）の関係が下記の（１）式を満たす助燃バーナー。この助燃バーナーは電気炉の助燃に有用である。    Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１  ・・・（１）【選択図】  図１
2012172867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴出管と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管とを備える電気炉用助燃バーナーであって、その吐出流速が４０ｍ／ｓ以上であり、かつ下記の（１）式を満たすことを特徴とする助燃バーナー。
Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１  ・・・（１）
ただし、上記式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｌ：酸素ガス噴出管の引き込み代（ｍｍ）
Ｄ：バーナー先端部の内径（ｍｍ）
Ｖ：バーナーの吐出流速（ｍ／ｓ）
【請求項２】
燃料噴出管は、先端部に絞り部を有する酸素ガス噴出内管と、液体または気体の燃料を噴出する燃料噴出内管とを備えることを特徴とする請求項１に記載の助燃バーナー。
【請求項３】
下記の（２）式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の助燃バーナー。
Ｌ／Ｄ≧０．８  ・・・（２）
ただし、上記式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｌ：酸素ガス噴出管の引き込み代（ｍｍ）
Ｄ：バーナー先端部の内径（ｍｍ）
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の助燃バーナーを用い、その伏角を２５°以上とすることを特徴とする電気炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、助燃バーナーおよび電気炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流または交流の電気炉においては、炉内の中央付近に配置した電極を用いて、炉の内壁やスクラップ、または電極間で放射状に放電することにより、炉内の鉄屑が熔解される。このとき、電極の位置から内壁に向けた放射状の領域に存在する鉄屑は早く溶解するが、電極と電極の間付近に溶解が不十分な箇所（以下、「コールドスポット」という。）が存在する。コールドスポットにある鉄屑は溶解が遅く、炉内の鉄屑溶解速度にアンバランスが生じる。鉄屑の溶解速度は、コールドスポットの溶解速度に律速される。
【０００３】
このため、従来、コールドスポットに向けて火炎を放射する助燃バーナーを設置し、この助燃バーナーでコールドスポットに位置する鉄屑の予熱、切断、溶解を行なっている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、中心部より不燃物の飛散用及びスクラップのカッティング用酸素ガスを噴出し、この酸素ガスの外周部より燃料を、またこの燃料の外周部より燃焼用酸素ガスを噴出するべく三重管構成とするとともに、中心部より噴出する酸素ガスの速度を高速となすべく、中心部の酸素ガス噴出管の先端に絞り部を設け、また、最外周より噴出する燃焼用酸素ガスに旋回を付与すべく、燃料噴出管と燃焼用酸素ガス噴出管とで形成される環状空間に旋回羽根を設置した電気炉用高速純酸素助燃バーナーが提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献２には、三重管構成とした電気炉用高速純酸素助燃バーナーが提案されている。また、特許文献３には、三重構造の助燃バーナーを電気炉で使用し、燃料に対する酸素の理論燃焼比率α、酸素原単位Ａ、燃料原単位Ｂ、溶解原料のカーボン配合量Ｃ、溶解原料のシリコン配合量Ｄを所定の範囲で制御することによって、スプラッシュや不燃物によるバーナー先端部の閉塞を防止し、効率的な電気炉操業を図る技術が開示されている。
【０００６】
特許文献４および特許文献５には、助燃バーナーを左右方向に首振りさせて原料溶解の促進を図ることを可能とし、粉体やガス等を炉体内へ均一に吹き込みできるようにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−００９５２４号公報
【特許文献２】特開２００２−５４８０５号公報
【特許文献３】特開２００１−１５８９０８号公報
【特許文献４】特開２００３−００４３８２号公報
【特許文献５】特開２００４−０５３１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の助燃バーナーでは、依然として電気炉操業時のスプラッシュによってバーナーの先端部が詰まり易いという問題があった。このためバーナーのメンテナンスに多大な工数がかかり、また、電気炉の稼働率も低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の助燃バーナーの問題を解決するためになされたものであり、ノズルの閉塞がなく、メンテナンス性もよく、電気炉の生産性を高めることができる助燃バーナーおよび電気炉を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ノズルの閉塞を防止するために必要な以下の知見を得た。
１）吐出流速を４０ｍ／ｓ以上にする必要がある。
２）ノズルの引き込み代とノズルの直径との比は、吐出流速との関係で所定の範囲とする事が好ましい。
２）ノズル先端部における流速は早い方が好ましい。
３）バーナーの据付角度は大きいことが好ましい。
【００１１】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の（Ａ）〜（Ｃ）に示す助燃バーナー、（Ｄ）に示す電気炉を要旨とする。
【００１２】
（Ａ）  燃料噴出管と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管とを備える電気炉用助燃バーナーであって、その吐出流速が４０ｍ／ｓ以上であり、かつ下記の（１）式を満たすことを特徴とする助燃バーナー。
Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１  ・・・（１）
ただし、上記式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｌ：酸素ガス噴出管の引き込み代（ｍｍ）
Ｄ：バーナー先端部の内径（ｍｍ）
Ｖ：バーナーの吐出流速（ｍ／ｓ）
【００１３】
（Ｂ）燃料噴出管は、先端部に絞り部を有する酸素ガス噴出内管と、液体または気体の燃料を噴出する燃料噴出内管とを備える上記（Ａ）の助燃バーナー。
【００１４】
（Ｃ）下記の（２）式を満たす上記（Ａ）または（Ｂ）の助燃バーナー。
Ｌ／Ｄ≧０．８  ・・・（２）
ただし、上記式中の各記号の意味は下記の通りである。
Ｌ：酸素ガス噴出管の引き込み代（ｍｍ）
Ｄ：バーナー先端部の内径（ｍｍ）
【００１５】
（Ｄ）上記（Ａ）〜（Ｃ）の助燃バーナーを用い、その伏角を２５°以上とする電気炉。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の助燃バーナーは、ノズルの閉塞がなく、メンテナンス性もよいため、電気炉の生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る助燃バーナーの例を示す断面図
【図２】本発明に係る助燃バーナーの他の例を示す断面図
【図３】本発明に係る助燃バーナーの他の例を示す断面図
【図４】本発明に係る助燃バーナーの使用例を示す図
【図５】吐出流量とＬ／Ｄ値との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１〜３は、本発明に係る助燃バーナーの例を示す図であり、図４は、本発明に係る助燃バーナーの使用例を示す図である。なお、図１〜３のいずれの図においても、助燃バーナーの後端部分を省略している。
【００１９】
本発明に係る助燃バーナーとしては、例えば、図１に示すように、燃料噴出管２０と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管３０とを備える助燃バーナー（二重管構成のバーナー）１０を用いることができる。この助燃バーナー１０においては、旋回羽根４０が設けられていることが好ましい。旋回羽根４０は、外周から噴出する燃焼用酸素ガスに旋回を与えて渦巻き流を起こすためのものである。これにより、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとの混合を促進できる。
【００２０】
なお、本発明に係る助燃バーナーは、必要に応じて、先端に保護フードを取り付けてもよいし、また、燃焼用酸素ガス噴出管を水冷構造として電気炉内の高温雰囲気に対処できるようにしておくのがよい。
【００２１】
しかしながら、二重管構成のバーナーでは、吐出流速に限界があり、また、燃料ガスと酸素ガスとの混合が不十分な場合もあるため、以下に示す三重管構成のバーナーを用いるのが好ましい。なお、図２には気体燃料を用いる場合のバーナーを、図３には液体燃料を用いる場合のバーナーをそれぞれ示している。
【００２２】
図２に示すように、本発明に係る助燃バーナー１１は、例えば、燃料噴出管２０と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管３０とを備える助燃バーナーである点は、図１に示す二重管構成のバーナーと同様であるが、この助燃バーナー１１の燃料噴出管２０は、内部に酸素ガス噴出内管２１と、その外周側に設けられた気体燃料を噴出する内管（燃料噴出内管）２２とを備える。この助燃バーナー１１では、中心部よりカッティング用酸素ガスを噴出し、この酸素ガスの外周部より気体燃料を噴出し、さらに、その外周から燃焼用酸素ガスを噴出して、ノズル先端で混合し、火炎を形成する。この助燃バーナー１１において、酸素ガス噴出内管２１から噴出するカッティング用の酸素ガスは、絞り部２３で高速化されるため、火炎中心に芯炎を形成でき、火炎を長くすることができるため、コールドスポットを効果的に加熱することができる。
【００２３】
この助燃バーナー１１においても、外周から噴出する燃焼用酸素ガスに旋回を与えて渦巻き流を起こし、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとの混合を促進するため、旋回羽根４０が設けられていることが好ましい。
【００２４】
図３に示すように、本発明に係る助燃バーナー１２は、例えば、燃料噴出管２０と、その外周部に配置した酸素ガス噴出管３０とを備える助燃バーナーである点は、図１に示す二重管構成のバーナーと同様であるが、この助燃バーナー１２の燃料噴出管２０は、内部に液体燃料を噴出する内管（燃料噴出内管）２５と、その外周側に設けられた酸素ガス噴出内管２６とを備える。この助燃バーナー１２では、中心部より液体燃料を噴出し、この液体燃料の外周部より液体燃料の霧化用及びスクラップのカッティング用酸素ガスを噴出し、このカッティング用酸素ガスの外周部より燃焼用酸素ガスを噴出するものである。
【００２５】
そして、この助燃バーナー１２では、液体燃料を霧化すべく該液体燃料とカッティング用酸素ガスの噴出速度を高速とする絞り部２７を酸素ガス噴出内管２６の先端に設けることが好ましい。また、液体燃料及び酸素ガスの混合気とさらに外周より噴出する燃焼用酸素ガスとを撹拌混合する旋回羽根４０を設けることが好ましい。
【００２６】
この助燃バーナー１２においては、中心部より噴出する液体燃料とカッティング用酸素ガスとが、酸素ガス噴出管２６の先端部で混合され、さらに酸素ガス噴出管２６の先端部に設けられた絞り部２７で高速化され、このとき、酸素ガス噴出管２６から液体燃料の噴出管２５に流入するカッティング用酸素ガスによって液体燃料が剪断され、かつ絞り部２７を通過した時点で高速化された液体燃料が、絞り部２７の内壁面に衝突し、またその衝突の衝撃波で微粒化され、霧化される。
【００２７】
そして、霧化された液体燃料と酸素ガスとの混合気は、燃焼用酸素ガスと旋回羽根４０で撹拌混合される。このように、液体燃料を霧化し、この霧化した液体燃料及び酸素ガスの混合気を高速にて噴出することで、媒溶剤等の支燃物の飛散が促進されると共に、混合気と燃焼用酸素ガスとの酸化発熱反応が急激に進行し、高温の燃焼炎が得られ、スクラップの溶断が促進される。また、旋回羽根によって最外周から噴出する燃焼用酸素ガスに旋回を与えて渦巻き流を起こすので、霧化された液体燃料及びカッティング用酸素ガスの混合気と燃焼用酸素ガスとの混合が急激に行われる。さらに、これらの相乗効果によってバーナー先端でシャープな火炎が形成できる。
【００２８】
ここで、上記いずれのバーナーを用いる場合でも、その吐出流速は４０ｍ／ｓ以上にする必要がある。吐出流速が４０ｍ／ｓ未満ではスプラッシュ付着によるノズル閉塞を防止できないからである。吐出流速は、５０ｍ／ｓ以上とするのが好ましく、より好ましいのは６０ｍ／ｓ以上である。また、吐出流速を上げても、ノズル閉塞防止の効果は飽和するため、吐出流速の上限は１３０ｍ／ｓとするのが好ましい。より好ましいのは１２０ｍ／ｓ以下であり、更に好ましいのは１１０ｍ／ｓ以下である。
【００２９】
ただし、吐出流速を調整するだけでは、スプラッシュ付着によるノズル閉塞を防止できない。しかし、酸素ガス噴出管の引き込み代（ｍｍ）をＬ（図１〜３のＬ）、バーナー先端部の内径（ｍｍ）をＤ（図１〜３のＤ）、バーナーの吐出流速（ｍ／ｓ）をＶとするとき、下記（１）式を満たせば、ノズル閉塞を抑止できる。
Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１  ・・・（１）
【００３０】
上記（１）式を満たす範囲で、Ｌ、ＤおよびＶを調整すれば、ノズル閉塞防止の効果は飛躍的に改善するが、Ｌ／Ｄを下記の（２）式を満たす範囲に制限することでノズル閉塞を防止しやすくなる。Ｌ／Ｄは、特に、下記の（３）式を満たす範囲とすることが好ましい。
Ｌ／Ｄ≧０．８  ・・・（２）
Ｌ／Ｄ≧１．２  ・・・（３）
【００３１】
ノズル閉塞の防止の観点からは、Ｌ／Ｄの値は大きいことが好ましいが、あまりに大きいと、火炎によりバーナー先端部の溶損が発生するおそれがある。従って、Ｌ／Ｄは３．０以下にするのが好ましい。より好ましいのは、２．８以下であり、更に好ましいのは、２．５である。
【００３２】
上記の助燃バーナーは、電気炉のコールドスポットを溶融させるために用いることができる。すなわち、図４に示すように、電気炉６０は、上部に電極５０を有し、助燃バーナー１３は、この電気炉６０の壁面の溶融金属７０のスラグ面よりも高い位置に設置される。助燃バーナーの設置数は特に制約はないが、複数設置するのが好ましい。特に、交流の時は電極間のコールドスポットを溶融できるように、３基設置するのがよい。ここで、図４に示すθは、助燃バーナーの軸方向と水平面とがなす角度であって、伏角と呼ばれる。伏角は、ノズル閉塞防止の観点からは、２５°以上とすることが好ましい。伏角の上限には制約はないが、あまりに急角度になると、広範囲に火炎を噴射できなくなるため、３５°までとするのが好ましい。
【００３３】
バーナー本体は、通常、電気炉本体または電気炉の外部で固定されるが、本発明では電気炉本体に固定させることが望ましい。この理由は、電気炉本体は傾動するため、電気炉外部にバーナーを固定する場合、傾動するたびにバーナーを電気炉本体から引き離す必要があり、生産性が悪くなる。一方、電気炉本体に固定する場合、電気炉本体と同調してバーナーが動くため、バーナーを電気炉に挿入したまま傾動させることができる。バーナーは、その挿入および引き抜きが可能な状態で電気炉に固定されていることが好ましい。これにより、傾動中などのバーナー不使用時には、バーナーを消火し、電気炉本体から引き抜くことができるため、バーナーにスプラッシュが付着するのを防止できる。バーナーの挿入および引き抜きを行うための電気炉の開口部には、蓋を設けるのが好ましい。蓋は、バーナーの引き抜き時に開口部を閉塞するのに用いられる。これによりバーナーへのスプラッシュの付着を確実に防止できる。蓋は、断熱材を取り付けたものが好ましい。バーナーの使用時には、電気炉の開口部にバーナーを挿入することで、迅速に助燃を開始することができる。
【００３４】
図２および３に示す例では、酸素ガス噴出管からの流速を高速にするため、絞り部を設けているが、この酸素ガスの流速をマッハ０．１〜３．０にすることが望ましい。流速がマッハ０．１未満だと、煤溶剤等の不燃物を吹き飛ばすことが難しく、鉄屑表面の露出による溶断の促進効果を期待できないとともに、バーナー先端部の詰まりを抑制できないおそれがある。一方、マッハ３．０を超えると、酸素ガス供給設備の大型化が必要となり、設備投資費用がかかるが、効果は飽和する。このため、酸素ガスの流速はマッハ０．１〜３．０とするのが好ましい。
【００３５】
なお、スクラップを電気炉に装入した当初は、バーナー近くにスクラップがあるため、火炎長を短くすることが重要である。つまり、最初は火炎長を短くし、スクラップが溶解すると火炎長を長くすることが望しい。この火炎長の調整は、中心部の酸素ガス供給量と燃焼用の酸素ガス供給量の比を変化させて行う。
【実施例１】
【００３６】
ＬおよびＤの値が同じ助燃バーナー〔三重管構成、液体燃料使用（図３参照）〕を３機用意した。これらの助燃バーナーについて伏角をいずれも３５°として電気炉に設置し、ノズル先端の閉塞状況を確認した。その後、ＬおよびＤの値が異なる助燃バーナーについて同様の実験を行った。その結果を図５に示す。なお、図５中、「×」は、使用開始２日以内にノズルが閉塞したものを示し、「○」は、使用開始から１８日経過した後も、ノズルが閉塞しなかったものを示している。
【００３７】
図５に示すように、吐出流速が４０ｍ／ｓ未満の例では、Ｌ／Ｄの値にかかわらず、ノズル閉塞が発生した。また、吐出流量が４０ｍ／ｓ以上でも、「Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１」を満足しない例では、ノズル閉塞が発生した。一方、吐出流量が４０ｍ／ｓ以上、かつ「Ｌ／Ｄ≧−０．０３３×Ｖ＋３．３４１」を満足した例では、長期間にわたってノズルの閉塞を防止できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の助燃バーナーは、ノズルの閉塞がなく、メンテナンス性もよいため、電気炉の生産性を高めることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１１、１２、１３  助燃バーナー
２０  燃料噴出管
２１  酸素ガス噴出内管
２２  燃料噴出内管
２３  絞り部
２５  燃料噴出内管
２６  酸素ガス噴出内管
２７  絞り部
３０  酸素ガス噴出管
４０  旋回羽根
５０  電極
６０  電気炉
７０  溶融金属
【図１】
2012172867.tif 000003
【図２】
2012172867.tif 000004
【図３】
2012172867.tif 000005
【図４】
2012172867.tif 000006
【図５】
2012172867.tif 000007