(57)【要約】      （修正有）【課題】歩留まりを向上させ得る直火式加熱炉および直火式加熱炉による鋼材の加熱方法の提供。【解決手段】火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉であって、加熱室の側壁面から略水平方向に前記火炎を与えるように配置されたバーナ１０は、前記火炎を包囲しつつこれと略平行に不活性ガスを吹き込む不活性ガス導入口１２を含む直火式加熱炉。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉であって、
加熱室の側壁面から略水平方向に前記火炎を与えるように配置されたバーナは、前記火炎を包囲しつつこれと略平行に不活性ガスを吹き込む不活性ガス導入口を含むことを特徴とする直火式加熱炉。
【請求項２】
前記不活性ガス導入口に導かれる前記不活性ガスを予め加熱する不活性ガス加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の直火式加熱炉。
【請求項３】
火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉による鋼材の加熱方法であって、
前記直火式加熱炉は加熱室の側壁面から略水平方向に前記火炎を与えるように配置されたバーナを含み、前記バーナは前記火炎を包囲しつつこれと略平行に不活性ガスを吹き込む不活性ガス導入口を含み、
前記直火式加熱炉において、
前記鋼材を前記加熱室内に搬入する搬入工程と、
前記鋼材の熱処理温度に到達するまで前記雰囲気ガスを加熱する加熱工程と、を含み、
更に、前記熱処理温度よりも少なくとも低い所定温度までに前記加熱室内の酸素濃度を低減し且つ加熱室内を正圧に維持するよう不活性ガス量を調整するスケール抑制工程を含むことを特徴とする直火式加熱炉による鋼材の加熱方法。
【請求項４】
前記熱処理温度において、前記バーナに与える空気比を０．８〜１．０とすることを特徴とする請求項３記載の直火式加熱炉による鋼材の加熱方法。
【請求項５】
前記不活性ガスを予め加熱してから前記不活性ガス導入口に導くことを特徴とする請求項３又は４に記載の直火式加熱炉による鋼材の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉及び直火式加熱炉による鋼材の加熱方法に関し、特に鋼材の歩留まりを高め得るバッチ式の直火式加熱炉及び直火式加熱炉による鋼材の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直火式と間接式の２つのタイプの加熱炉が知られている。間接式加熱炉はラジアントチューブ等の隔壁を介して加熱室の雰囲気を間接的に加熱するため、閉鎖空間である隔壁内部の雰囲気を制御できる。一方、直火式加熱炉は、火炎を加熱室内に導き雰囲気を直接加熱するため、雰囲気を制御出来ないが、間接式加熱炉に比べ熱量効率を高くできる。ここで鍛造のための鋼材の加熱では、直火式加熱炉で速やかに加熱を行おうとするが、火炎の燃焼ガス等に含まれる酸素によって鋼材表面が酸化しスケールとなって歩留まりが低下してしまう。そこで直火式加熱炉による酸化を抑制して歩留まりを向上させる方法が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、蓄熱式交番燃焼バーナを備えた直火式加熱炉における歩留まりの改善方法として、炉圧を調整して鋼材の酸化を制御する方法を開示している。蓄熱式交番燃焼バーナは、連続燃焼式バーナとは異なり、バーナのペアで燃焼と雰囲気ガスの吸引とを切り替え、燃焼ガスの吸引側で蓄熱を行って蓄熱したバーナを燃焼させるときに燃焼ガスに供給する空気を加熱する。ここで、バーナの燃焼の切り替えの際に、ペアのうち一方のバーナの燃焼を停止させると、他方のバーナの雰囲気ガスの吸引によって炉内の圧力を下げて負圧になり、炉外の空気を引き込んで鋼材を酸化させてしまうこともある。そこで、蓄熱式交番燃焼バーナのペアを複数与えて互いに切り替えのタイミングをずらして、常に少なくとも１つのバーナを燃焼させるようにすることで炉内を正圧に保ち、炉外の空気の引き込みを防止して鋼材の酸化を防止出来るとしている。
【０００４】
また、特許文献２では、直火式加熱炉において、バーナに導く混合ガスの空気比を調整することで燃焼後に残存してしまう酸素量を減じてこれによる鋼材の酸化を抑制し、歩留まりを向上させる方法について述べている。燃焼の終了した燃焼ガスを酸化性ではなく還元性にするためには、例えば８００℃程度の温度域では空気比を０．４５以下とする必要があるとされる。一方で、このような低い空気比ではすすの発生が生じやすくなってしまう。そこで、いわゆる無酸化炉として１．０よりもわずかに小さい空気比に制御することが通常であるが、酸化を完全には抑制できていない。
【０００５】
なお、同文献では、鋼材を搬送しながら連続して加熱する連続焼鈍炉についても述べている。かかる連続燃焼炉では、燃焼の進行している火炎中は還元性であるから、バーナを鋼材の搬送方向に多数並べることで炉内に火炎を充満させて鋼材の酸化を抑制出来ることを述べている。この多数並んだ各バーナの混合ガスの空気比を交互に高低として部分的に燃料ガスを緩慢に燃焼させることで、炉内に火炎を充満させることができることも述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−５４３４号公報
【特許文献２】特開平７−１３８６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、連続式ではなくバッチ式の直火式加熱炉においては、混合ガスの空気比を１．０以下として鋼材の酸化をある程度は抑制し得る。しかし、多数のバーナを並べて備える連続炉とは異なり、燃焼の完了した燃焼ガスも加熱室内の雰囲気ガスに与えるため、特許文献２でも述べられているように、酸化を完全に防止できる還元性雰囲気とすることは困難であり、歩留まりを低下させるスケールの発生を防止することが難しい。
【０００８】
本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、直火式加熱炉において、歩留まりを向上させ得る加熱炉及び鋼材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】
本発明による直火式加熱炉は、火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉であって、加熱室の側壁面から略水平方向に前記火炎を与えるように配置されたバーナは、前記火炎を包囲しつつこれと略平行に不活性ガスを吹き込む不活性ガス導入口を含むことを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、不活性ガスの吹き込みによって火炎をより長く直進性を高めつつ形成させ、高温の燃焼ガスを加熱室のより内部に導いて炉内の雰囲気ガスの対流を促進させる。これにより雰囲気ガス中の酸素を拡散させ、加熱室内の酸素の濃度を低減させる。つまり、鋼材を効率よく加熱できるとともに鋼材の酸化を抑制し、歩留まりを向上させ得るのである。
【００１１】
上記した発明において、前記不活性ガス導入口に導かれる前記不活性ガスを予め加熱する不活性ガス加熱手段をさらに含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、より高温の燃焼ガスを加熱室の内部に導いて炉内の雰囲気ガスの対流をより促進させ、鋼材を効率よく加熱できる。
【００１２】
さらに本発明における直火式加熱炉による鋼材の加熱方法は、火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して加熱を行う直火式加熱炉による鋼材の加熱方法であって、前記直火式加熱炉は加熱室の側壁面から略水平方向に前記火炎を与えるように配置されたバーナを含み、前記バーナは前記火炎を包囲しつつこれと略平行に不活性ガスを吹き込む不活性ガス導入口を含み、前記直火式加熱炉において、前記鋼材を前記加熱室内に搬入する搬入工程と、前記鋼材の熱処理温度に到達するまで前記雰囲気ガスを加熱する加熱工程と、を含み、更に、前記熱処理温度よりも少なくとも低い所定温度までに前記加熱室内の酸素濃度を低減し且つ加熱室内を正圧に維持するよう不活性ガス量を調整するスケール抑制工程を含むことを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、不活性ガスの吹き込みによって火炎をより長く直進性を高めつつ形成させ、高温の燃焼ガスを加熱室のより内部に導いて炉内の雰囲気ガスの対流を促進させる。これにより雰囲気ガス中の酸素を拡散させ、加熱室内の酸素の濃度を低減させる。つまり、鋼材を効率よく加熱できるとともに鋼材の酸化を抑制し、歩留まりを向上させ得る。
【００１４】
上記した発明において、前記熱処理温度において、前記バーナに与える空気比を０．８〜１．０とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、低空気比の燃焼により燃焼ガスに残存する酸素を低減させ、鋼材の酸化をより抑制して歩留まりを向上させ得る。
【００１５】
上記した発明において、前記不活性ガスを予め加熱してから前記不活性ガス導入口に導くことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、より高温の燃焼ガスを加熱室の内部に導いて炉内の雰囲気ガスの対流をより促進させ、鋼材を効率よく加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による直火式加熱炉の断面図である。
【図２】本発明による直火式加熱炉の要部の（ａ）正面図及び（ｂ）側断面図である。
【図３】本発明による直火式加熱炉のブロック図である。
【図４】本発明による直火式加熱炉による鋼材の加熱方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明による直火式加熱炉について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、加熱炉１は、主として鋼製品の製造において鍛造工程に用いられ、火炎で加熱された雰囲気ガス中に鋼材を配置して１０００〜１２００℃程度に加熱することのできるバッチ式の加熱炉である。加熱炉１は、側方の炉壁２の上部寄りの位置を貫通して加熱室３の内部に臨む加熱用のバーナ１０を備える。加熱室３は、紙面手前奥方向に、例えば、前方、中央、後方の３つなど複数の温度制御ゾーンを有し、温度制御ゾーンのそれぞれの左右に一対のバーナ１０を備える。温度制御ゾーンのそれぞれには、雰囲気ガスの温度を測定できる熱電対２１が炉壁２を貫通して設置されている。加熱室３内部にはトレイ４上に配置された鋼材５が図示しないスキッド上に載置されて、バーナ１０による火炎で加熱された加熱室３内の雰囲気ガスにより加熱され得る。
【００１９】
図２を併せて参照すると、バーナ１０は、バーナタイル１３の中央に配置されたノズル１１とその周囲を包囲するように等角度で配置された６個の不活性ガスの導入口１２を含む。ノズル１１は炉壁２の壁面に略垂直に延び、燃料ガス及び燃焼用エア（空気）を混合ガスとして与えられて、加熱室３内に向けて略水平に火炎を吹き込ませ得る。燃料ガスとしては、例えば液化天然ガスを気化させて用いることができる。不活性ガス導入口１２は、ノズル１１の延びる方向と略平行に延びており、ノズル１１から噴出される火炎を包囲するように不活性ガスを加熱室３内に吹き込ませ得る。不活性ガス導入口１２は、上記したようにその吐出口を複数個に分けるのではなく、ノズル１１を囲う連続した円環状のものとしてもよい。不活性ガスとしては、例えば窒素ガスを用い得る。
【００２０】
図３に示すように、加熱炉１は、バーナ１０に導かれる不活性ガス、燃料ガス、燃焼用エアのそれぞれの流量を調節可能な不活性ガスバルブＶＮ、燃料バルブＶＧ、エアバルブＶＡを備える。それぞれのバルブに対して、ガスの流れの上流側には圧力センサＰＮ１、ＰＧ１、ＰＡ１と、温度センサＴＮ、ＴＧ、ＴＡをそれぞれ備え、下流側には圧力センサＰＮ２、ＰＧ２、ＰＡ２をそれぞれ備える。圧力センサＰＮ１、ＰＧ１、ＰＡ１、ＰＮ２、ＰＧ２、ＰＡ２及び温度センサＴＮ、ＴＧ、ＴＡは、それぞれの出力をガス流量制御装置２０に入力可能に接続されている。
【００２１】
不活性ガスバルブＶＮ、燃料バルブＶＧ、エアバルブＶＡのそれぞれは、バルブの開度を変更させる図示しない駆動機構とバルブの開度を示す信号を出力できる開度センサとを備える。かかる駆動機構はガス流量制御装置２０からの制御信号に基づきバルブの開度を調節し得る。また、開度センサからの出力はガス流量制御装置２０に入力される。
【００２２】
加熱炉１には、さらに、熱電対２１からの出力を受けるとともに、熱電対２１の出力に基づく加熱室３内の雰囲気ガスの温度を測定し、かかる温度に基づいてガス流量制御装置２０に向けてバーナ１０の燃焼出力を調整するための信号を出力する温度指示調節計２２が備えられる。
【００２３】
なお、図３には、バーナ１０及び熱電対２１をそれぞれ１つずつ示しているが、加熱炉１に備えられる複数のバーナ１０の各々が、同様にガス流量制御装置２０に接続されたバルブ及びセンサを備えている。また、熱電対２１及び対応する温度指示調節計２２は各加熱ゾーンに備えられ、各加熱ゾーンを加熱するバーナ１０についてのガス流量制御装置２０にそれぞれ接続される。
【００２４】
ガス流量制御装置２０は、温度指示調節計２２からのバーナ１０の燃焼出力を調整するための信号を受け、これに基づき不活性ガス、燃料ガス、燃焼用エアのそれぞれのガスの流量を制御するための演算を行うプログラムを内蔵した制御装置であり、市販されている自動空気比制御システムを用いることができる。ガス流量制御装置２０は、各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡの開度に対する流量係数とバルブからバーナ１０までの間の圧力と流量との関係などを記憶しており、予め入力された流量設定値に基づき、各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡの上流側の圧力センサＰＮ１、ＰＧ１、ＰＡ１からの出力に応じて各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡに要求される開度を算出して、これに基づき各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡの開度を制御することで、バーナ１０に供給される各ガスの流量を制御できる。
【００２５】
なお、各温度センサＴＮ、ＴＧ、ＴＡは、ガス流量制御装置２０において温度補償演算に用いられる温度を出力するものである。また、各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡの下流側の圧力センサＰＮ２、ＰＧ２、ＰＡ２は、ガス流量制御装置２０において演算された結果と比較して、各バルブ及び各センサの異常の有無をガス流量制御装置２０で判定するための圧力を出力する補助センサである。
【００２６】
ここで、ガス流量制御装置２０には、バーナ１０に導かれる混合ガスの空気比を０．８〜１．０の間とするように、燃料ガスと燃焼用エアとの流量についての流量設定値を予め入力しておく。また、不活性ガスの流量についても、バーナ１０から吹き出される火炎によって十分加熱される程度に、且つバーナ１０から吹き出される火炎の直進性を高めてより長く形成させるとともに加熱室３内を正圧にして雰囲気ガスの酸素濃度を十分に低減できる程度にその流量を制御されるよう、予め流量設定値が入力されている。
【００２７】
加熱炉１は、さらに加熱室３の圧力を測定できる図示しない炉圧計、加熱室３内の雰囲気ガスの酸素濃度を測定できる図示しない酸素濃度計を備え、加熱炉１の動作を制御する図示しないメイン制御装置に接続されている。また、図示しない排ガスダンパーを備え、その開度をかかるメイン制御装置によって制御可能としている。
【００２８】
加熱炉１は、さらにバーナ１０に導かれる不活性ガスを予め加熱する加熱装置を備えると、バーナ１０から加熱室３内に吹き込まれる火炎とこれに伴う燃焼ガスをより高温に維持できて、鋼材５を効率よく加熱できて好ましい。例えば、加熱炉１からの排ガスによってバーナ１０に導く不活性ガスを加熱させるような熱交換器を使用し得る。同様に、バーナ１０に導かれる燃焼用エアを予め加熱するようにすることもできる。
【００２９】
次に、加熱炉１の制御方法について、図３を参照して説明する。なお、加熱炉１のメイン制御装置による制御については公知であるので、ここでは説明を省略し、ガス流量制御装置２０によるバーナ１０に導かれる各ガスの制御方法について説明する。
【００３０】
加熱炉１の加熱に際して、ガス流量制御装置２０は、まず、温度指示調節計２２からバーナ１０の燃焼出力を調整するための信号を受ける。温度指示調節計２２は、熱電対２１によって加熱室３内の雰囲気ガスの温度を測定しており、かかる測定結果と設定された加熱温度などに基づいてバーナ１０の燃焼出力を決定している。
【００３１】
ガス流量制御装置２０は、温度指示調節計２２から受けた信号に基づき、予め入力された流量設定値及び圧力センサＰＮ１、ＰＧ１、ＰＡ１からの出力等に応じて各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡに要求される開度を算出して、これに基づき各バルブＶＮ、ＶＧ、ＶＡの開度を制御する。これによって、バーナ１０に導かれ供給される各ガスの流量が制御される。
【００３２】
バーナ１０に供給する燃料ガス及び燃焼用エアの流量は、これらによる混合ガスによる火炎で加熱室３内の雰囲気ガスを必要に応じて加熱できるだけの量となるよう、ガス流量制御装置２０に予め入力された流量設定値に基づいて算出され、燃料バルブＶＧ、エアバルブＶＡの開度によって調整される。特に、燃焼完了後の燃焼ガスに残留する酸素の量を少なくするよう、空気比を０．８〜１．０とするよう各ガスの流量が制御されて混合ガスを得ている。
【００３３】
また、バーナ１０に供給する不活性ガスの流量は、ガス流量制御装置２０に予め入力された流量設定値に基づいて算出されて不活性ガスバルブＶＮの開度によって調整される。不活性ガスの流量は、少なくとも加熱室３内を常に正圧にするよう制御される。また、所定の温度より高温となっている場合において、加熱室３内の雰囲気ガスの酸素濃度を所定値より低くするよう制御される。好ましくは、ノズル１１から吹き出される混合ガスによる火炎により不活性ガスが十分加熱される程度に、且つバーナ１０から吹き出される火炎の直進性を高めてより長く形成させるように制御される。
【００３４】
このように制御され得る加熱炉１によって鋼材５を加熱する方法について、図４に沿って図２を併せて説明する
【００３５】
図４に示すように、まず、加熱炉１の加熱室３には、加熱する対象である鋼材５がトレイ４とともに搬入され、載置される（Ｓ１：搬入工程）。さらに、図示しない炉蓋を閉鎖する。
【００３６】
加熱炉１のバーナ１０に点火すると、加熱室３内の雰囲気ガスをバーナ１０から吹き出す火炎及びこれに付随する燃焼ガスによって加熱し、雰囲気ガスにより鋼材５を加熱する（Ｓ２：加熱工程）。図２を併せて参照すると、バーナ１０のノズル１１から吹き出される火炎とこれに伴う燃焼ガスは、不活性ガス導入口１２から吹き込まれる不活性ガスにその周囲を囲まれるようにして加熱室３内に向けて流れるとともに、雰囲気ガスに対流を与える。特に、不活性ガスが火炎と同一方向に吹き込まれるので、火炎をより長く直進性を高めつつ形成させて、かかる対流を促進させて加熱室３内の温度分布をその内部中心から周囲に向けてより均一にするとともに、雰囲気ガス中に残存する酸素を拡散させて、加熱室内の酸素の濃度を低減させる。また、上記したように、加熱室３内の圧力（炉圧）が常に正圧となるように不活性ガスの流量が制御される。
【００３７】
加熱工程Ｓ２においては、後述する熱処理工程Ｓ４における熱処理温度に到達する前の所定の温度、例えば、鋼材５の表面の酸化によりスケールの発生しやすくなる温度である８００℃に昇温されるまでに、酸素濃度を所定値以下とするよう不活性ガスの流量が制御される（Ｓ３：スケール抑制工程）。また、スケール抑制工程Ｓ３以降は、常に炉圧を正圧としつつ、酸素濃度を所定値以下とするように不活性ガスの流量が制御される。これによって鋼材５に発生するスケールを抑制し得る。加熱工程Ｓ２では、スケール抑制工程Ｓ３に引き続き、後述する熱処理工程Ｓ４における熱処理温度まで昇温を続ける。
【００３８】
熱処理工程Ｓ４では、鋼材５を所定の温度で所定の時間保持して熱処理する。鍛造用の加熱においては、例えば１１００℃などの鍛造開始温度に所定の時間だけ保持する。その後、加熱された鋼材５は加熱炉１から搬出されて鍛造を施される。
【００３９】
以上のように、加熱炉１によれば、不活性ガス導入口１２からの不活性ガスの吹き込みにより高温の燃焼ガスを加熱室３の内部に導いて雰囲気ガスの対流を促進させる。かかる対流により、鋼材５を効率よく加熱でき、雰囲気ガスに残存する酸素を拡散させて加熱室内の酸素の濃度を低減させる。これによって鋼材５の酸化及びこれによるスケールの発生を抑制し、歩留まりを向上させ得るのである。
【００４０】
特に、不活性ガスは火炎を包囲して導入することで、上記したように火炎の直進性を高めてこれをより長く形成させ得る。また、燃焼ガスによる炉内の対流を促進させて雰囲気ガスを拡散させ得る。また、バーナ１０は、鋼材５に衝突しない加熱室３内の上部の広い空間に向けて側方の炉壁２から略水平に火炎を吹き込ませ、火炎の直進性を高め得る。なお、導入された不活性ガスは火炎の周囲で効率よく加熱されて、雰囲気ガスの温度を低下させない。
【００４１】
また、上記したように、バーナ１０においては、空気比を０．８〜１．０とする低空気比の燃焼とすることで、燃焼ガスに残存する酸素を低減させ、鋼材５の酸化をより抑制し、歩留まりを向上させ得る。また、加熱室３内を加熱時において常に正圧とするように不活性ガスの流量を制御することで、炉外の空気を炉内に引き込んでしまうこともない。
【００４２】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００４３】
１    加熱炉
３    加熱室
１０  バーナ
１１  ノズル
１２  不活性ガス導入口
２０  ガス流量制御装置
【図１】
2016130349.tif 000003
【図２】
2016130349.tif 000004
【図３】
2016130349.tif 000005
【図４】
2016130349.tif 000006