(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱式バーナによって形成される燃焼空間を内部に有する単位炉が連設された鋼材加熱用の連続式加熱炉であって、
前記連続式加熱炉の熱回収率が、６０％以上に設定され、そして、
前記連続式加熱炉の鋼材の下面から天井部までの上部炉高が、１．５〜２．５ｍの範囲内に設定され、かつ前記鋼材から炉床部までの下部炉高が、１．５〜２．５ｍの範囲内に設定されている、
ことを特徴とする蓄熱式バーナを備えた鋼材加熱用連続式加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単位炉が連設されてなる鋼材加熱用の連続式加熱炉に関し、殊に、蓄熱式バーナ装置によって燃焼排ガスの顕熱を回収した熱回収率が高い連続式加熱炉に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スラブ、ブルーム等の鋼材を加熱する連続式加熱炉では、鋼材が連続加熱炉内に装入側から押し込まれ、抽出口へと移動する間に、例えば、予熱、加熱、均熱の各帯域を通過して加熱がなされている。これらの鋼材は冷却スキッドパイプにより支持されており、通常、この冷却スキッドパイプによる熱損失を補うように上部加熱室より下部加熱室の温度が高く設定されている。
【０００３】
この連続式加熱炉の平均的な炉高は、その燃焼装置によって異なり、例えば、軸流バーナタイプにおける被加熱物から天井間の炉高は約２．７ｍ前後であり、被加熱物から炉床間（炉下部帯）での炉高は約２．４ｍ前後である。また、サイドバーナタイプにおける被加熱物から天井間の炉高は、バーナ容量が約１００Ｋｃａｌ／ｈ近傍のものを用いた場合は２．３ｍ程度であり、バーナ容量が約２００Ｋｃａｌ／ｈ近傍のものを用いた場合は２．６ｍ程度である。被加熱物から炉床間の炉高はサイドバーナタイプでは約２．３ｍとなっている。これらの値は経験則や炉構造の制約に起因しているところが多く、必ずしも伝熱理論に基づき、燃料原単位（燃料消費量）を最小にするような炉高にはなっていないのが現状である。
【０００４】
また、近年、連続式加熱炉では、特開平５−１１８７６４号公報等に開示されたような高熱効率の炉がある。この加熱炉は軸流バーナタイプであり、蓄熱体を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出を交互に行う蓄熱式バーナシステムを備えたものである。図６を参照して説明すると、連続式加熱炉１は複数の単位炉２で構成され、各単位炉２には上下に一対の蓄熱式バーナ９が備えられ、連続式加熱炉１には搬入口３と搬出口４が設けられている。各単位炉２には煙路８が設けられている。連続式加熱炉１においては、被加熱物５が水冷スキッドパイプ（図示なし）により支持されて炉の略中央Ｗを矢印方向に搬送されて加熱される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、蓄熱式バーナシステムを備える連続式加熱炉では、熱回収率（空気予熱顕熱／排ガス顕熱）が６０％以上に改良されている。しかし、連続式加熱炉の構造は、レキュペレータ（熱交換器）による熱回収率が５０％以下の従来炉と全く同じ設計思想による構造となっており、熱回収率を考慮した加熱炉の設計とはなっていないのが実情となっているので、熱回収率が６０％以上に改良された蓄熱式バーナシステムを備える高熱回収率の加熱炉であっても、レキュペレータ（熱交換器）による熱回収率が５０％以下の従来炉と同じ炉高となっている。一方、加熱炉では、炉高が高くなるにつれて燃料消費量が増加する傾向にあるので、熱回収率を向上させただけでは燃料消費量そのものを低減することができないという問題があった。
【０００６】
また、連続式加熱炉では、定期的に補修点検作業が行われておりその際の作業性が容易な炉高とすることが望ましく、かつ、熱効率が良好な加熱炉とすることが重要な技術的課題である。したがって、鋼材加熱用の連続式加熱炉にあっては、熱回収率に応じた炉高の適正化を図ることが望ましい。
【０００７】
本発明は、上述のような観点に鑑みなされたものであり、熱回収率の向上を図りつつ燃料消費量を低減できる蓄熱式バーナを備えた鋼材加熱用連続式加熱炉を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、蓄熱式バーナによって形成される燃焼空間を内部に有する単位炉が連設された鋼材加熱用の連続式加熱炉であって、前記連続式加熱炉の熱回収率が、６０％以上に設定され、そして、前記連続式加熱炉の鋼材の下面から天井部までの上部炉高が、１．５〜２．５ｍの範囲内に設定され、かつ前記鋼材から炉床部までの下部炉高が、１．５〜２．５ｍの範囲内に設定されていることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る連続式加熱炉の一実施形態を示しており、図１（ａ）は連続式加熱炉の長手方向の断面図であり、図１（ｂ）は縦断面図である。
図１（ａ），（ｂ）に於いて、連続式加熱炉１０は単位炉１１が複数連設されて形成されており、熱回収率が６０％以上を達成し得る、蓄熱式バーナ１２を備えた加熱炉である。この加熱炉１０は、単位炉１１の側壁の上部半分と下部半分にそれぞれ左右一対の蓄熱式バーナ１２が設けられたサイドバーナタイプの加熱炉である。蓄熱式バーナ１２には燃焼排ガスの顕熱を蓄積する蓄熱体１３が設けられ、燃焼ノズルが設けられている。図１（ｂ）のＦは火炎を示し、所定の周期で火炎を放射する蓄熱式バーナ１２と燃焼排ガスを排気する蓄熱式バーナ１２とを左右交互に切り換えて燃焼を継続する。鋼材５は装入口から押し込まれ、水冷スキッドパイプに支持されて矢印方向に搬送されて加熱される。鋼材５は連続式加熱炉１０の天井部１０ａと炉床部１０ｂとの略中間の位置において搬送されている。図１（ａ）のＨは、鋼材５の下面から天井部１０ａまでの炉高を示している。
【００１２】
次に、連続式加熱炉１０の伝熱特性について、図２（ａ），（ｂ）を参照して説明し、炉高値の適正化について説明する。図２（ａ）は鋼材５の搬送軸より上側半分を図示したものであり、連続式加熱炉１０は各ゾーンに分けられ、各ゾーンを単位ゾーン（単位炉１１に対応）と表現する。蓄熱式バーナ１２が各単位ゾーン１１の左右の側壁にそれぞれ設けられている。図２（ｂ）は、単位ゾーン１１内でのエネルギーバランスモデルで示したものであり、単位ゾーン毎に、燃料Ｆと、熱交換器を介して燃焼空気Ａを予熱した予熱空気ＰＡとが、炉内に供給されて燃焼に用いられ、単位ゾーン内には燃焼による発熱量Ｑが発生する。炉外に排気される燃焼排ガスＧ１の顕熱の一部は熱交換器に蓄積され、炉外には排ガスＧ２となって排出される。したがって、連続式加熱炉１０には、炉熱損失Ｌと、燃焼排ガスＧ１の顕熱のうち熱交換器に蓄積されず排ガスＧ２として炉外に放出される残りの一部の顕熱による損失とがある。ちなみに、炉熱損失Ｌには炉壁からの熱損失と鋼材５を支持する水冷スキッドパイプ等に注水される冷却水による熱損失とが含まれている。
【００１３】
図２（ｂ）に示したエネルギーバランスモデルから明らかなように、炉熱損失Ｌには炉壁面からの面積に比例した大きさの熱損失と、鋼材５を支持する水冷スキッドパイプ等に注水される冷却水による熱損失とが含まれており、炉熱損失Ｌは、炉幅が一定であれば、略炉高Ｈに依存することになる。
【００１４】
上記の伝熱理論を参照して、図３の炉高対燃料原単位特性を説明する。図３は、連続式加熱炉の炉高と燃料原単位量との関係が示されており、この関係から想定される炉高の適正範囲が示されている。図３に炉高に依存する燃料消費特性を示し、その炉高対燃料消費特性を分析したものである。特に、図３の結果は熱回収率を考慮して燃料原単位を求めたものではない。
【００１５】
連続式加熱炉で消費される燃料原単位（燃料消費量）は、被加熱物の重量、均熱性、抽出温度などに加え、先に説明したように、炉壁や冷却水等による炉熱損失Ｌと、燃焼排ガスＧ２が炉外に持ち去る顕熱によって決まる。この連続式加熱炉の燃料消費特性は、図３の（イ）に示すような燃料消費特性となる。この炉高対燃料消費特性（イ）は、炉高対燃料消費特性（ロ），（ハ）とを加算して得られた特性である。
【００１６】
炉高対燃料消費特性（ロ）は炉高に依存する燃料原単位（燃料消費量）の変化の関係のうち、排ガス持ち出し顕熱量の変化に起因する成分を示している。すなわち、燃焼ガス層の厚みが増せば、その燃焼ガス層による放射伝熱量が増大して、放射伝熱量の増加分に応じて燃料消費量が低減される。従って、炉高が高くなるにつれて、燃焼ガス層の厚みが増大して、その燃焼ガス層による放射伝熱量が増大するので、相対的に排ガスＧ２の持ち出す顕熱量は低下し、燃料原単位（燃料消費量）も低下するものとみなし得る。
【００１７】
一方、炉高対燃料消費特性（ハ）は単位炉の炉高に依存する燃料消費量の変化の関係のうち、炉熱損失に起因する成分を示し、炉高が高くなるにつれて炉壁面積は増加して炉熱損失Ｌが増大する。従って、その炉熱損失分を補償するべく燃料消費量は増加することになるから、この炉高対燃料消費特性（ハ）は炉熱損失補償分と呼ぶことができる。従って、この２つの炉高対燃料消費特性（ロ），（ハ）から炉高による燃料消費特性（イ）を求めることができる。この結果、即ち、燃料消費特性（イ）から燃料原単位が最も少なくできる炉高の適正範囲（ニ）が求められる。
【００１８】
次に、蓄熱式バーナによる燃焼空気の予熱が、炉高に対する燃料消費量の特性に与える影響について、図４，図５を参照して説明する。なお、図４は鋼材の下面から連続式加熱炉の天井部までの炉高に対する燃料消費量を示し、図５は鋼材から連続式加熱炉の炉床部までの炉高に対する燃料消費量について示している。
【００１９】
先ず、この実験に使用された連続式加熱炉は炉長が３６ｍ、炉幅が１０ｍである。炉内に装入する鋼材は、厚みが２２０ｍｍ、長さ８．５ｍのスラブ（厚板）であり、２００ Ton／ｈのスラブを２０℃から１２５０℃まで加熱するのに必要な燃料原単位を計量して、その炉高対燃料消費特性を分析し、図３に示す、炉高に依存する燃料消費特性中の炉高対燃料消費特性（イ）に対応する特性を求めて示したものである。なお、バーナ容量は約２００Ｋｃａｌ／ｈ近傍のものが用いられている。そして、図４，図５中（Ａ）は燃焼空気予熱温度が６５０℃の場合、（Ｂ）は燃焼空気予熱温度が１２００℃の場合について説明したものである。
【００２０】
実験では、空気予熱温度を６５０℃とするレキュペレータを備える加熱炉（従来の加熱炉）と、１２００℃まで空気予熱ができる蓄熱式バーナシステムを有する加熱炉（高熱回収炉，熱回収率６０％）とを比較した。図４，図５の（Ａ）は従来の加熱炉によるものであり、（Ｂ）は本実施形態による加熱炉によるものである。図４は鋼材の下面から天井部についての炉高対燃料原単位（燃料消費量）特性を示し、図５は鋼材から炉床部についての炉高対燃料原単位（燃料消費量）特性を示している。各々の加熱炉において、炉高を１ｍから６ｍまでの範囲で変化させて燃料原単位について計量したものである。
なお、燃焼空気予熱は燃焼排ガスを利用しており、従来の高性能加熱炉は空気予熱温度が６５０℃であり、その熱効率は５０％であり、本実施形態による加熱炉は空気予熱が１２００℃に達する高回収率の加熱炉であり、その熱効率は７０％以上であった。
【００２１】
図４，図５の結果から明らかなように、燃料原単位を最小とする炉高は、（Ａ）に示すように、従来の加熱炉では炉高が３．５ｍから４．０ｍ程度であるのに対して、熱回収率が高い加熱炉では、（Ｂ）に示すように、燃料原単位を最小とする炉高が１．５〜２．５ｍと低くなることが明らかになった。
【００２３】
上記のように、本実施形態の連続式加熱炉では熱回収率が６０％以上である場合には、主に炉高に依存する炉熱量損失による燃料消費量と、炉高に依存する燃焼ガス量による放射伝熱量によって、適正炉高範囲を設定したものであり、炉高が１．５〜２．５ｍが最適である。
また、本実施形態の連続式加熱炉は、単位炉に燃焼装置として蓄熱式交番燃焼バーナ装置を備える連続式加熱炉であり、蓄熱式交番燃焼バーナ装置は、燃料ノズルと蓄熱体が一体となった蓄熱式バーナに限ることなく、燃料ノズルと蓄熱体を別体としてものであってもよく、熱回収率が６０％以上の連続式加熱炉であれば上記の炉高に設定することができる。
【００２４】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、連続式加熱炉の熱回収率が６０％以上の高熱回収炉において、炉高を最適値に設定することができ、燃料消費量を従来の炉高より低く抑えることができるので、より消費燃料を低減できる利点がある。
また、炉高値を１．５〜２．５ｍに設定することによって、従来の加熱炉と比較して、低炉高とすることができるので、加熱炉の設備費を低減するこが可能となる利点がある。
また、炉高値を１．５〜２．５ｍの範囲に設定することによって、加熱炉内の炉天井部の補修・点検作業がその炉高が作業に都合がよい高さに設定することができる利点がある。
【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図である。
【図２】本発明に係る連続式加熱炉の伝熱量を説明するために模式図である。
【図３】本発明の連続式加熱炉における炉高を設定する原理について説明するための図である。
【図４】連続式加熱炉における鋼材から天井部までの炉高に対する燃焼空気の予熱に依存する燃料原単位量を示す図である。
【図５】連続式加熱炉における炉床部から鋼材までの炉高に対する燃焼空気の予熱に依存する燃料原単位量を示す図である。
【図６】  従来の連続式加熱炉の一例を示す図である。
【符号の説明】
５      鋼材
１０    連続式加熱炉
１０ａ  天井部
１０ｂ  炉床部
１１    単位炉（単位ゾーン）
１２    蓄熱式バーナ
１３    蓄熱体
【図１】
0003927254.tif 000002
【図２】
0003927254.tif 000003
【図３】
0003927254.tif 000004
【図４】
0003927254.tif 000005
【図５】
0003927254.tif 000006
【図６】
0003927254.tif 000007