(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱体を備え該蓄熱体を介して炉内ガスの出し入れを行う複数のポートを有し、前記ポートより前記蓄熱体に通して一旦炉外へ取り出した炉内ガスを循環ファンによって昇圧し再び異なるポートから同ポートに繋がる蓄熱体を通して炉内へ噴出させるサーキュレータと、前回噴出側ポートとして選択されたポートを除外する操作をして、残りのポートの中から吸入側ポートと噴出側ポートとを無作為に選定して炉内ガスを炉外へ取り出す位置と炉内へ噴出させる位置とをランダムに６０秒以下の切換時間で切替る制御手段及び熱源とを備えることを特徴とする工業炉。
【請求項２】
前記熱源は、複数設置されたバーナの中から一部のバーナを無作為に選定して設定された切換時間燃焼させた後更に無作為に一部のバーナを選定して設定された切換時間燃焼させるランダム加熱を繰り返し行いながら被加熱物を加熱するものであることを特徴とする請求項１記載の工業炉。
【請求項３】
前記バーナは、燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度以上の高温に予熱された酸化剤による燃焼を行うものであることを特徴とする請求項２記載の工業炉。
【請求項４】
熱風を炉底部、炉側壁、炉頂部のうち少なくともいずれか一つに設けられたポートから炉内へ噴出することにより炉内ガスの流動化を促進して被加熱物の加熱を制御する工業炉の加熱制御方法において、前記ポートを複数備え、その中から噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出させた後さらに噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出を繰り返し、噴出位置のランダム切換によって炉内ガスの流動を制御することを特徴とする工業炉の加熱制御方法。
【請求項５】
熱源としてバーナを複数設置し、各バーナの中から一部のバーナを無作為に選定して設定された切換時間燃焼させた後更に無作為に一部のバーナを選定して設定された切換時間燃焼させるランダム加熱を繰り返し行いながら被加熱物を加熱することを特徴とする請求項４記載の工業炉の加熱制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱物を燃焼ガスによって直接加熱する加熱炉・溶融炉等や、被加熱管中を流れる流体を間接的に加熱するボイラや石油の管式加熱炉等の工業炉及びその加熱制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、工業炉における偏熱の問題を改善するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の工業炉においては、熱源の近くが最も高温でそこから離れるに従って急速に温度が下がって炉の隅などでは著しく低温となる温度分布となることがある。この場合、熱源を被加熱物に近づけると偏熱の虞があり問題となる。特に、局所的高温域を形成する火炎を伴うバーナを熱源とする場合には、偏熱が起き易い。
【０００３】
工業炉において、加熱炉等で製品の品質を向上させ（被加熱物の均一加熱の実現）、しかも生産性（処理量）を向上させるためには、炉内の温度をできるだけ高く均一に維持しておくことが必要であるが、そのためには偏熱が起こらないように炉内温度分布を均一にする必要がある。また、炉内において局所的な高温領域が存在する場合、それに耐える高価な耐熱材料を利用せざるを得ず設備コストを上げる要因ともなる。
【０００４】
このことから、従来の工業炉においては、バーナを多数用意して各バーナ毎の発熱量を小さくしたり、被加熱物から遠く離してバーナを設置することなどによって偏熱を防ぐようにしている。しかし、熱源の種類や配置方法、燃焼の仕方などを工夫するだけでは偏熱の問題を大幅に改善することはできない。
【０００５】
そこで、炉内ガスの強制循環によって炉内温度場を均一化させて偏熱の問題を改善しようと、サーキュレータを設置することがある。即ち、サーキュレータによって炉内ガスの流動化を図り、温度差のない温度分布の均一な雰囲気を形成して、偏熱を防ぐようにしている。例えば、炉内の天井、炉床又は側壁に循環ファンを取り付けて炉内ガスを撹拌するように設けられている。この循環ファンによる炉内ガスの撹拌・流動によりワークへの熱伝達効率が上がり、炉内の温度分布を改善する。また、炉内で表面熱処理や化学反応を行う炉の場合、炉内雰囲気の組成の均一化、化学反応の促進に効果がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーキュレータを使用して炉内ガスを循環させようとしても、循環ファンは固定せざるを得ないのでその周りの炉内ガスの撹拌による流動も一定となり、それなりに温度差のある炉内雰囲気を形成することとなり、炉内全域での温度分布の均一化を解消して偏熱を充分に回避するまでには至っていない。
【０００７】
更に、局所的高温域を有する火炎によって形成される炉内の温度場は、被加熱物の温度をあげようとしても、局所的高温領域での焼損等を考慮すると燃焼負荷を徐徐にしか上げられないため応答性が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明は、炉内温度分布を平坦化して被加熱物の偏熱を防止できる工業炉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】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の工業炉では、蓄熱体を備え該蓄熱体を介して炉内ガスの出し入れを行う複数のポートを有し、前記ポートより前記蓄熱体に通して一旦炉外へ取り出した炉内ガスを循環ファンによって昇圧し再び異なるポートから同ポートに繋がる蓄熱体を通して炉内へ噴出させるサーキュレータと、前回噴出側ポートとして選択されたポートを除外する操作をして、残りのポートの中から吸入側ポートと噴出側ポートとを無作為に選定して炉内ガスを炉外へ取り出す位置と炉内へ噴出させる位置とをランダムに６０秒以下の切換時間で切換る制御手段及び熱源とを備えるようにしている。ここで、本明細書において、噴出側ポートあるいは噴出側バーナとは、蓄熱体が高温流体で加熱された状態にあるものを指し、吸入側ポートあるいは吸入側バーナとは蓄熱体が低温流体で冷却された状態を指すものとする。
【００１０】
したがって、炉内ガスの流動化が活発になり、しかも当該流動は短時間周期（６０秒以下の切換時間周期）でランダムに移り変わり、炉内ガスの流動が一定化しないため、流動パターンの一定下に伴う温度差がなくなり、炉内に局所的な高温域の発生を抑制して炉内温度分布を均一化する。しかも、循環ファンに導かれる炉内ガスは蓄熱体との間で熱交換を行って冷却された状態となっており、循環ファンが受ける熱的ダメージが抑えられる。また、循環ファンによって昇圧された冷却状態の炉内ガスは、炉内への噴出前に蓄熱体との間で熱交換を行って再び加熱されてそのボリュームを増し、噴出ポートより勢い良く噴出する。このため、被加熱物に対する偏熱が抑制される。
【００１１】
ここで、熱源としては、特に限定されるものではないが、請求項２記載の工業炉に示すように、複数設置されたバーナの中から一部のバーナを無作為に選定して設定された切換時間燃焼させた後更に無作為に一部のバーナを選定して設定された切換時間燃焼させるランダム加熱を繰り返し行いながら被加熱物を加熱するものの使用が好ましい。この場合、炉内に形成される火炎の位置が短時間（設定された切換時間）にランダムに移り変わり、局所的な高温域の発生を抑制した平坦な温度分布で炉内温度を高めるため、被加熱物に対して近接させてバーナを設置しても被加熱物は均一に加熱され、かつ平均温度が上限界温度に近づけて従来よりも高く設定できる。したがって、生産性（加熱処理量）を高めることができると共に少ないセンサ類でＰＩＤ制御やファジィ制御などによる自動燃焼制御を実行できる。
【００１２】
更に、熱源としては、請求項２記載の工業炉において、燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度以上の高温に予熱された酸化剤による燃焼を行うバーナを使用することが好ましい。この場合、混合性を悪くしても、燃料と酸化剤とが接触したところから酸化発熱反応を開始する。したがって、高いエンタルピを有する酸化剤と燃料との混合性を悪くしても、通常の燃焼に比して充分に低速な酸化発熱反応を伴い発熱領域が広域化した均質な燃焼を安定に持続し、顕熱が発生する過程で熱を奪われるようにして被加熱物を加熱することとなる。即ち、従来の火炎に比べて例えば２０倍程度あるいはそれ以上のボリュームに膨張することとなり、従来の燃焼法に比べて均一な炉内温度が得やすい。加えて、ランダム非定在加熱により火炎の位置が短時間に全く不規則に次々移り変わるので、炉内における温度分布が更に平坦化される。
【００１３】
また、本発明は、熱風を炉底部、炉側壁、炉頂部のうち少なくともいずれか一つに設けられたポートから炉内へ噴出することにより炉内ガスの流動化を促進して被加熱物の加熱を制御する工業炉の加熱制御方法において、ポートを複数備え、その中から噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出させた後さらに噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出を繰り返し、噴出位置のランダム切換によって炉内ガスの流動を制御するようにしている。この場合、炉内ガスの流動化が活発になり、しかも当該流動は短時間周期（６０秒以下の切換時間周期）でランダムに移り変わり、炉内ガスの流動が一定化しないため、流動パターンの一定下に伴う温度差がなくなり、炉内に局所的な高温域の発生を抑制して炉内温度分布を均一化する。ここで、噴出する熱風は請求項１記載の工業炉のように、蓄熱体を備えた多数のポートを含むサーキュレータによって得るようにしても良いが、これに特に限定されず別個の熱源において得られた熱風（主に空気を指すが、その他に不活性ガスやと特定の化学組成のガスなどを含む）を噴出し、炉内ガスは専用の排気ポートから排気するようにしても良い。
【００１４】
また、本発明は請求項４記載の工業炉の加熱制御方法において、熱源としてバーナを複数設置し、各バーナの中から一部のバーナを無作為に選定して設定された切換時間燃焼させた後更に無作為に一部のバーナを選定して設定された切換時間燃焼させるランダム加熱を繰り返し行いながら被加熱物を加熱するようにしている。この場合、ランダム加熱による炉内温度分布の平坦化と相まって被加熱物への偏熱が一層抑制されると共に平均温度を上限界温度に近づけて高く設定できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１〜図５に、本発明にかかる工業炉の実施形態の一例を示す。この工業炉１には、熱源（図３及び図４に符号１２で示すバーナ）と該熱源によって所定の温度に昇温された炉内ガス（燃焼ガス）を撹拌して炉内温度分布を均一にするためのサーキュレータ（図１に符号６で示す）が備えられている。
【００１７】
サーキュレータ６は、複数のポート、例えば本実施形態の場合には１４箇所のポート２,…,２を有し、その中の一部のポートを選択して炉内ガスを炉外に一旦取り出した後残りのポートの中から選択された一部のポートから炉内へ再び噴出させることによって、炉内に循環気流を生成して撹拌するようにしている。
【００１８】
各ポート２,…,２は、それぞれ炉底部あるいは炉側壁若しくは炉頂部に規則的にあるいはランダムに必要に応じた配分となるように設けられている。例えば、１４箇所のポート２,…,２にはそれぞれ蓄熱体７，…，７が内装されると共に、独立して制御可能な開閉弁４ａ,４ｂを備えた取出し流路（以下、吸入ダクトと呼ぶ）３ａと還流路（以下、噴出ダクトと呼ぶ）３ｂとが集合ダクト３を介してそれぞれ接続されている。各ダクト３ａ，３ｂの開閉弁４ａ，４ｂは、その開閉が調節計５によって個々に操作される。
【００１９】
各ポート２，…，２のダクト３ａ，３ｂは、更にそれぞれ集合ダクト８ａ，８ｂに接続されて各々１つの流路としてから循環ファン９の吐出側と吸入側とにそれぞれ接続されている。したがって、各ポート２,…,２は調節計５によって各ダクトの開閉弁４ａ,４ｂが操作されることによって、吸入ダクト３ａあるいは噴出ダクト３ｂのいずれかを介して循環ファン９と連結されて循環路を形成し、選択されたポートから炉内ガスを吸入して選択された他のポートから炉内へ再び噴出させる。尚、各ポート２,…,２は、図１（Ａ）に示すように、直線的に一定間隔で配列されているが、これに特に限定されず、千鳥状に配列したりあるいは全面の至る所に配置するようにしても良い。
【００２０】
調節計５は、吸入側ポートと噴出側ポートとを無作為に選定して短時間で切換る制御手段であり、シーケンス制御するプログラマブル調節計や少なくとも１つの中央演算処理部とプログラムを格納するＲＯＭ及びインターフェースなどで構成されるマイコン制御のコントローラなどから成り、本実施形態の場合にはプログラマブル調節計が採用されている。オペレータはスイッチ類の操作によって１サイクルの時間（ランダム噴出の切換時間）等を設定する。この調節計５は、これらの設定値に基づいて各ポート２，…，２に接続された各ダクト３ａ，３ｂの開閉弁４ａ，４ｂの開閉操作を行うことによって、炉内ガスを取り出すポートと噴出するポートとをランダムに選択する。
【００２１】
また、オペレータはスイッチ類の操作によって同時に炉内ガスを噴出させるポート数や炉内ガスを取り出すポート数さらには噴出を継続させる時間（ランダム噴出の切換時間）等を設定する。調節計５は、これらの設定値に基づいて各ダクトの開閉弁４ａ，４ｂの開閉操作を行う。
【００２２】
蓄熱体７は、比較的圧力損失が低い割に熱容量が大きく耐久性の高い構造並びに材料の使用、例えば多数のセル孔を有するハニカム形状のセラミックス製筒体の使用が好ましい。例えば、排ガスのような１０００℃前後の高温流体との間で行う熱交換には、コージライトやムライト等のセラミックス材料の押し出し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が好ましい。また、蓄熱体７は、コージライト、ムライト以外のセラミックス例えばアルミナやセラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋めたＡｌ2 Ｏ3 −Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ａｌ複合体などを用いて製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱体を得るようにしても良い。しかし、蓄熱体７の形状も特にハニカム形状に限定されず、平板形状や波板形状の蓄熱材料を筒状のケーシング内に放射状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を軸方向に流体が通過するように筒状のケーシング内に充填したものであっても良い。または、隔壁によって周方向に２室に区画形成され、軸方向に流体が通過可能とした筒状のケーシングを用意し、これの各室に球状、短管、短棒、細片、ナゲット状、網状などの蓄熱材料の塊を充填することによって構成されたものでも良い。尚、この蓄熱体７は各ポート２,…,２を形成する耐火物の筒に内装されているが、これに特に限定されず、ケーシングなどに充填して各ダクト３に設置するようにしても良い。
【００２３】
更に、この工業炉１は熱源を備えている。この熱源としては、特に限定されるものではないが、例えば通常の拡散バーナ、輻射バーナ、酸化剤として高いエンタルピを有する空気即ち混合気の自己着火温度付近程度の高温（例えば８００〜１０００℃あるいはそれ以上の高温）にまで予熱された燃焼用空気を使用して高温燃焼を実現するバーナ（以下高温燃焼バーナと呼ぶ）、ラジアントチューブバーナ、電熱ヒータなどが使用可能なものとしてい挙げられるが、多くの場合はエネルギコストの関係で各種バーナ類が使用され、中でも多数の高温燃焼バーナをランダムに燃焼させる図３及び図４に示す燃焼システムの使用が偏熱を防ぐ上で好ましい。
【００２４】
この図３及び図４に示す燃焼システムは、いわゆる高温燃焼を実現する多数のバーナ例えば８台のバーナ１２，…，１２と、これらをランダムに選択して燃焼させる制御系とで構成されている。８台のバーナ１２は、互いに独立して燃料噴射を行う一方、図４に示すようにエアスロート１６に内装された蓄熱体１７を介して高温に予熱された燃焼用空気を炉内へ噴射させる。各バーナ１２，…，１２毎にそれぞれ独立制御可能な空気供給系２１と排気系２０とを設け、個別に燃焼用空気の供給あるいは炉内ガスの排気を制御するようにしている。各バーナ１２の燃料ノズルに燃料を供給する燃料ライン１３には、操作端である燃料調節弁１４が設けられている。他方、各バーナ１２,…,１２には燃料の供給と連動させて空気供給系２１か排気系２０のいずれかが選択的に接続され、燃焼するかあるいは燃焼せずにバーナタイル・エアスロート１６を炉内ガスを排気させるポートとして機能させるように設けられている。各燃料調節弁１４及び空気供給系２１と排気系２０の各流路開閉弁２２，２３とは、調節計１５によって図５に示すような制御によって個々に開閉操作される。尚、各バーナ１２,…,１２のエアスロート１６に内装される蓄熱体１７は、その組成および構造については特に限定されるものではないが、前述の蓄熱体７と同様のセラミック製のハニカム構造の蓄熱体とすることが好ましい。
【００２５】
調節計１５は、特に限定されるものではないが、本実施形態では各バーナ１２をシーケンス制御するプログラマブル調節計（コントローラ）が採用されており、燃焼させるバーナと燃焼を停止させて排ガスを取り出すバーナとのランダム選択を前述のサーキュレータと同様の方法で実施する。因みに、このランダム加熱制御フローは、ＰＩＤ制御やファジィ制御などの自動燃焼制御システムの一環として調節計１５でのシーケンス制御あるいはコンピュータ制御によって実行されており、該フローが走り出す前には、図示しないＰＩＤ制御方式やファジィ制御方式などの調節計で実行される自動燃焼制御で目標値（温度）に対する偏差分やそれに対応する燃焼量などは既に決定されている。したがって、上述のランダム加熱・燃焼は、ＰＩＤ制御系やファジィ制御系などの自動燃焼制御系で設定された燃焼量等をいずれのバーナの燃焼によって得るのかを決定して実行するものである。
【００２６】
ここで、オペレータはスイッチ類の操作によって同時に燃焼させるバーナ１２の台数や燃焼を継続させる時間（ランダム加熱の切換時間）等を設定する。調節計１５は、これらの設定値に基づいて各燃料調節弁１４の操作及びそれと連動させて空気供給系２１の流路開閉弁２３並びに排気系２０の流路開閉弁２２の操作を行う。
【００２７】
なお、燃焼しようとするバーナ１２のエアスロート１６からは、上述したように高いエンタルピを有する酸化剤、例えば高温の燃焼用空気が噴射される。この燃焼用空気は、高温燃焼を実現するに充分高いエンタルピを有する空気、即ち燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度以上、好ましくは自己着火温度以上の高温に予熱されている。その温度は燃料種別や酸素濃度などによって異なるが、多くの場合例えば８００℃以上、好ましくは１０００℃以上に予熱されていれば該当する。かかる高温の燃焼用空気を得る方法としては、例えば炉からの排ガスの熱を利用することが考えられるが、別個に予熱装置を設けてもよい。即ち、炉内ガスを燃焼停止中のバーナ１２の蓄熱体１７を通して排気することによって、排ガスの熱を利用して蓄熱体１７を加熱し高温の燃焼空気を得る。この燃焼装置では、セラミックス製の蓄熱体に炉内ガスと燃焼用空気とを交互に通過させることで燃焼用空気を加熱する。ここで、燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度とは、通常燃焼における吹き消え温度（燃焼が不安定になり空気比の値や空気流速の僅かな変化などによって火炎が吹き消えて消失しまう温度）に相当するもので、それよりも温度が低くなると高温空気のため吹き消えは起こらないまでも完全燃焼が困難となり最終排ガス濃度組成中にＣＯ成分を伴うようになって燃焼が急激に不安定となる温度である。
【００２８】
以上のように構成された工業炉は次のようにして加熱制御される。
【００２９】
即ち、工業炉１では、調節計５による例えば図２に示すランダム噴出制御フローの実行に従って、ランダムに炉内ガスを噴出させる。因みに、このランダム噴出制御フローは、ＰＩＤ制御やファジィ制御などの自動燃焼制御システムの一環として調節計５でのシーケンス制御あるいはコンピュータ制御によって実行されており、該フローが走り出す前には、図示しないＰＩＤ制御方式やファジィ制御方式などの調節計で実行される自動燃焼制御で目標値（温度）に対する偏差分やそれに対応する燃焼量などは既に決定されている。具体的には、サーキュレータ６の複数箇所例えば１４カ所のポート２,…,２のうちから吸入側ポートと噴出側ポートを無作為に選定して炉内から吸入した炉内ガスを吸入位置とは別の位置から炉内に短時間噴出させた後さらに無作為に吸入側ポートと噴出側ポートを選定して炉内から吸入した炉内ガスを吸入位置とは別の位置から炉内に短時間噴出させるランダム噴出を繰り返し行いながら、炉内燃焼ガスの流動を制御しつつ被加熱物を加熱する。
【００３０】
ランダム噴出は、オペレータによってあらかじめ調節計５に設定された切換時間に基づいて実施される。例えば、調節計５は、１４カ所のポート２,…,２の中から１以上のポートを吸入側、残りのポートの中から少なくとも１以上のポートを噴出側として無作為に選定する（ステップ１）。
【００３１】
この選定は、例えば、いま、１４箇所（ｎ＝１４）のポート２,…,２のうち、４つのポート（ｋ＝４）２,…,２から炉外循環した後の炉内ガスを噴出させる一方、残りの１０のポート２,…,２から炉内ガスを炉外へ取り出すランダム噴出を繰り返し行う場合を考える。このケースでは、オペレータは、あらかじめ調節計５にランダム噴出の切換時間ｔと噴出させるポート数（４つ）を設定し、さらに、乱数を発生させるための数字として４桁の任意の自然数Ｘを設定した後、被加熱物の加熱を開始させる。
【００３２】
なお、切換時間は、炉内温度分布に大きな温度差が発生しない程度の間隔、例えば炉内空間の大きさやポートの数、配列間隔、被加熱物のサイズ等に応じて適宜設定される。また、他の制御条件、例えば炉内温度を部分的に変化させて積極的に温度むらを形成する等の条件に対応させて切換時間を設定しても良い。ここで、切換時間は局所的高温領域の発生を妨げ得る程度に短い時間である。一般には、１分以内、好ましくは２０〜３０秒以内、最も好ましくは１０秒以内の短い時間で切換られる。
【００３３】
他方、ポートの選定は、例えば次の数式１及び数式２の演算によって行われる。この演算式においては、まず、ｎ個のポート２,…,２の中から同時にｋ個のポートを選択して噴出させる場合の組み合わせの総数を求めると、
【００３４】
【数１】
nＣk  ＝ｎ！÷｛ｋ！×（ｎ−ｋ）！｝
いま、ｎ＝１４，ｋ＝４であるので、14Ｃ4＝１００１となる。１４個のポートのうち４個を炉内ガスの噴出と抜き取りとに使用する組み合わせは１００１通りある。調節計５は、噴出と抜き取りとのポートの組み合わせの全パターンに番号付けを行い、この番号をテーブルとしてメモリーに記憶しておいてそこからランダムに抽出している。しかし、前回の噴出で噴出側ポートとして選択されたポートに内装される蓄熱体７は、冷却された状態であるため、これらが含まれる組み合わせを除外しないと、冷風を炉内へ噴出することとなり、却って雰囲気に温度差を生じさせてしまうこととなる。即ち、本明細書において、噴出側ポートとは、蓄熱体が高温流体たとえば炉内排ガスで加熱された状態にあるものを指し、吸入側ポートとは蓄熱体が低温流体たとえば空気や不活性ガス等で冷却された状態を指すものとする。そこで、前回噴出側ポートとして選択されたポートを除外する操作をして、残りのポートの組み合わせから選択することとなる。このため、実際の組み合せは10Ｃ4 ＝２１０となる。
【００３５】
調節計５は、乱数を使用して無作為に前記パターンを選ぶことで炉内ガスを噴出するポートと抜き取るポートとを無作為に選定する。即ち、前記組み合わせの総数と、乱数として得た１以下の正数との積を整数化し、当該整数化された値を組み合わせに付した番号とすることで、当該番号が付されている組み合わせの炉内ガス噴出パターンを選定する。
【００３６】
ここで、乱数は、調節計５の乱数発生機能として予めプログラムされている数式２の擬似乱数発生式を使用して求められる。
【００３７】
【数２】
Ｎ＝Ｃｅｉｌｉｎｇ［nＣkＲａｎｄｏｍ（Ｘ）］
調節計５はランダム関数であるＲａｎｄｏｍ（Ｘ）を擬似乱数発生式として有しており、変数Ｘに予めオペレータが入力した４桁の任意の自然数を設定することで、擬似乱数として１以下の正数が求められる。この正数（乱数）は、殆どの場合が小数点以下の値を含む数（例えば０．８２５）である。そして、求められた１以下の正数を組み合わせの総数に掛け合わせ、これによって算出された値（例えば０．８２５×２１０＝１７３．２５）を、当該値に対して次に大きい整数（例えば１７３．２５の場合は１７４）に変換（２１０を越える場合は２１０に変換）することで１以上３８以下の整数を求める。即ち、組み合わせの総数と乱数として得た正数との積を整数化する。そして、この整数を組み合わせのパターンに付した番号とすることで、噴出側ポートと抜き取り側ポートとの無作為の選定が行われる（ステップ１）。尚、擬似乱数として０以上１未満の数を求め、この求めた数を組み合わせの総数に掛け合わせ、これによって求められた値を当該値に対して次に大きい整数に変換することで１以上２１０以下の整数を求めてもよい。
【００３８】
次に、調節計５は、重み付け等による再選定が必要であるか否かを判断する（ステップ２）。ステップ３の「重み付け」は、加熱炉内に或る不均一な熱吸収分布が存在するなどの理由で、単純にランダム噴出をしたのでは均一加熱が達成できない場合の制御などに用いられる。たとえば加熱炉中央部の熱吸収が他の位置に比べて大きいときには、その領域を加熱する割合を増すようにランダム噴出の頻度分布を中央で大きくしその他の領域では少なくする必要がある。このとき均一制御であれば均一となるべき目標温度と現在の温度との偏差に応じてランダム噴出の頻度分布をＰＩＤ制御やファジィ制御で行う。「重み付け」が必要なければ、ステップ４にジャンプする。
【００３９】
次に、ステップ４では、調節計５は、無作為に選定あるいは「重み付け」が行われて再選定された吸入側ポートに通じる取り出しダクト３ａの開閉弁４ａと、無作為に選定あるいは「重み付け」が行われて再選定された噴出側ポートに通じる還流ダクト３ｂの開閉弁４ｂを開弁操作する。すると、吸入側ポートが循環ファン９の吸入側に、噴出側ポートが循環ファン９の吐出側に接続される。これにより、炉内の非常に高温の炉内ガスが吸入ポートよりサーキュレータ６内に吸い込まれる一方、噴出側ポートから再び炉内へ噴出される。吸入側ポートから取り出された炉内ガスは、蓄熱体７を通過する際に当該蓄熱体７との間で熱交換を行って、少なくとも高温空気用循環ファンやバルブが耐え得る温度例えば４００℃程度まで、好ましくは２００℃程度以下の低温まで冷却される。したがって、循環ファン９が受ける熱によるダメージが緩和される。その状態で炉内ガスは循環ファン９を通過してから、噴出側ポートに供給され、そこから噴出される前に蓄熱体７との間で熱交換を行って再び高温に戻される。再び高温となった炉内ガスはそのボリュームが増加し、循環ファン９による昇圧と相俟って噴出ポートより勢い良く炉内に噴出される。そして、周囲の炉内ガスを巻き込みながら炉内で強循環気流（ポートから供給される気流よりも非常に大きなボリュームの循環気流）を形成する。したがって、炉内ガスは強力に撹拌される。
【００４０】
そして、あらかじめ調節計５に設定入力された切換時間が経過したか否かを判断し（ステップ５）、切換時間が経過すると、当該制御を停止するか否かを判断し（ステップ６）、停止しない場合には再びステップ１に戻り、吸入側と噴出側とを切り換えた次回の吸入ポートと噴出ポートとなるポート２をそれぞれ無作為に選定する。即ち、現在は噴出側ポートとなっていないポート２の中から任意の数（本実施形態では４）のポートを無作為に選定して噴出側ポートとすると共に、残りのポート２の全てあるいは場合によっては前回噴出側とされたポートのみを選定して吸入側ポートとする。また、必要に応じて「重み付け」を行い再選定をする（ステップ４）。そして、前回とは異なる位置から炉内に炉内ガスを噴出し、炉内に前回とは異なる燃焼ガスの流動を形成する。
【００４１】
このように、調節計５は、当該制御を停止する信号が入力されるまで無作為に選定された位置から炉内ガスを勢い良く噴出させるランダム噴出を短時間周期で繰り返し行う。ランダム噴出では、炉内ガスを噴出せる位置を短時間に無作為に変化させているので、炉内の燃焼ガスの流動が短時間にランダムに変化する。即ち、ランダムに炉内ガスの流動が変化して炉内全体の温度場そのものが均一化・平坦化されるので、被加熱物を均一に加熱することができると共に炉内平均温度も上限界温度近くまで引き上げることができる。
【００４２】
一方、熱源たる高温燃焼バーナシステムの加熱制御は、例えば図５に示すフローチャートに従って、ランダム加熱を実行する。例えば上述のサーキュレータのランダム噴出と同様の手法に従って以下のように実行される。即ち、いま、８台（ｎ＝８）のバーナ１２のうち、４台（ｋ＝４）を燃焼させてランダム加熱を繰り返し行う場合を考える。オペレータは、あらかじめ調節計１５にランダム加熱の切換時間と燃焼させるバーナ台数（４台）を設定し、さらに、乱数を発生させるための数字として４桁の任意の自然数Ｘを設定した後、被加熱物の加熱を開始させる。
【００４３】
なお、切換時間は、例えば被加熱物のサイズ等に応じて設定される。また、他の制御条件、例えば炉内温度を部分的に変化させて積極的に温度むらを形成する等の条件に対応させて切換時間を設定しても良い。ここで、切換時間は局所的高温領域の発生を妨げ得る程度に短い時間である。これをやや定量的に表現すると、被加熱物の物性である密度、比熱、その形状である体積、表面積、熱移動の強さを表す総合熱貫流率から定まる時定数を基準にして求められる時間で、次の数式３によって例えば示される。
【００４４】
【数３】
（被加熱物の時定数）
＝{(密度)*(比熱)*(被加熱物体積)}/{(総合熱貫流率)*(被加熱物表面積)}
例えば短時間切り換えを被加熱物の時定数の１０％以下と設定すると、熱流入があっても被加熱物の温度変化におよぼす割合は少ないため、この時間内に切り換えを繰り返すと、被加熱物は周囲が一様の温度場にある場合と同様の温度変化を生じる。この時間はおおよそ時定数の０．１％以上で５０％以下の範囲が好ましい。しかしながら、金属溶解では短時間で溶解させる加熱が求められるがその場合には、時定数に加えて溶解温度、溶解潜熱、炉材許容最高温度などが短時間算定因子となるので、結局、加熱系ごとに定まることになる。
【００４５】
ポートの選定は、特に限定されるものではないが、前述のサーキュレータ６のポート選定と同様に、前述の数式１及び数式２の演算によって行われる。即ち、８台のバーナ１２のうち４台を燃焼させる組み合わせは、７０通りある。そこで、調節計１５は、燃焼させるバーナ１２の組み合わせの全パターンに番号付けを行う。８台中４台のバーナ１２を燃焼させる組み合わせは７０パターンある。ここで、噴出側（燃焼側）バーナとは、蓄熱体が高温流体の排ガスで加熱された状態にあるものを指し、吸入側バーナとは蓄熱体が低温流体たる空気で冷却された状態にあるものを指している。したがって、高温燃焼を維持するには、直前まで燃焼していたバーナ１２を含む組み合わせを除外する操作をして、残りのバーナの組み合わせの中から選択する。そこで、調節計１５は、乱数を使用して無作為に前記パターンを選ぶことで燃焼させる４台のバーナ１２を無作為に選定する。即ち、前記組み合わせの総数と、乱数として得た１以下の正数との積を整数化し、当該整数化された値を組み合わせに付した番号とすることで、当該番号が付されている組み合わせの燃焼パターンを選定する。
【００４６】
ここで、乱数は、調節計１５の乱数発生機能として予めプログラムされている例えば数式３の擬似乱数発生式を使用して求められる。
【００４７】
次に、調節計１５は、重み付け等による再選定が必要であるか否かを判断する（ステップ１２）。ステップ３の「重み付け」は、加熱炉内に或る不均一な熱吸収分布が存在するなどの理由で、単純にランダム加熱をしたのでは均一加熱が達成できない場合の制御などに用いられる。たとえば加熱炉中央部の熱吸収が他の位置に比べて大きいときには、その領域を加熱する割合を増すようにランダム加熱の頻度分布を中央で大きくし他では少なくする必要がある。このとき均一制御であれば均一となるべき目標温度と現在の温度との偏差に応じてランダム加熱の頻度分布をＰＩＤ制御やファジィ制御が行う。「重み付け」が必要なければ、ステップ４の選定バーナの着火にジャンプする。
【００４８】
無作為に選定したパターンに基づいて選定されたバーナあるいは「重み付け」が行われて再選定されたバーナに対応する燃料調節弁４を各々開閉操作し、８台設置されたバーナ１２のうちの一部即ち４台のバーナ１２を燃焼させる（ステップ１４）。炉１内には、図示しない空気孔から高いエンタルピを有する酸化剤である高温空気が噴射されており、選定された４台のバーナ１２から燃料が噴射されると、当該燃料が高温空気に接触して緩慢な燃焼反応を起こし、温度ピークの少ない平坦な火炎・燃焼ガスを形成する。
【００４９】
そして、オペレータにより調節計５に設定入力された短い切換時間が経過すると、選定バーナを消火する（ステップ１５）。
【００５０】
次いで、目標温度に到達しているか否かを判断し（ステップ１６）、到達していないときにはステップ１１の前にジャンプし、再度ステップ１１のバーナの選定からステップ５の短時間短時間の燃焼までを繰り返す。即ち、調節計５は再度４台のバーナ１２を８台の中から前述したように擬似乱数を使用して無作為に選定し、対応する各燃料調節弁４を開閉操作して選定外の他の４台のバーナ１２を停止させると共に新たに選定された４台のバーナ１２を着火・燃焼させる。斯くして、８台のバーナの中から無作為に選定された４台のバーナ１２を短時間ずつ連続的に燃焼させるランダム加熱が実行される。調節計５は、このようなランダム加熱を繰り返し行う。
【００５１】
また、目標温度に到達したときには、更に温度偏差が目標以内であるか否かを判断する（ステップ１７）。そして、温度偏差が目標値に収まっていれば、ランダム加熱制御フローを終了し、目標値から外れていれば、再度ステップ１１の前へジャンプし、ランダム加熱を繰り返す。
【００５２】
ここで、バーナは、一般に炉の昇温時の要求に基づいて設計されるために、昇温後の燃焼量は昇温中の燃焼量と比較して低くなる場合が多い。このため、全てのバーナを燃焼させると、各バーナ当たりの燃焼量は小さくなるために噴射される燃焼用空気量も少なくなり流速が低くなる。炉内に噴射される空気流速が小さくなると、炉内ガスの巻き込み等も少なくなり、低ＮＯｘ化に寄与しなくなる。しかしながら、一部のバーナの燃焼を停止して、１つのバーナ当たりの燃焼量を増やすことによって空気噴射流速を増大させるようにしても、バーナの過熱による焼損などを招いてしまう。そこで、本実施形態では、昇温時に燃焼させるバーナ台数に対し、定常運転状態時に燃焼させるバーナ数を少なくするようにしている。例えば、炉の立ち上げ時には４台のバーナを燃焼させて交互燃焼による急速昇温を実行し、定常状態に達した後は２台のバーナを燃焼させるランダム加熱を実行するようにしている。これによって、１台のバーナも休止させることなく、全てのバーナを使って燃焼量を少なくしたランダム加熱を実行できる。
【００５３】
ランダム加熱では、燃焼させるバーナ１２を無作為に選定しているので、火炎の位置が短時間にランダムに変化して移り変わる非定在加熱が行われる。即ち、ランダムに非定在加熱が行われて個々の火炎・燃焼ガスだけでなく炉内全体の温度場そのものが均一化・平坦化されるので、被加熱物を均一に加熱することができると共に炉内平均温度も上限界温度近くまで引き上げることができる。このため、被加熱物に対して近接させてバーナ１２を配置しても被加熱物の偏熱が防止されて被加熱物の品質を向上させること即ち均一加熱を行うことができると共に生産性（加熱処理量）が向上する。また、高いエンタルピを有する酸化剤を使った高温燃焼を行うため、燃料との混合性を悪くしても、通常の燃焼に比して充分に低速な酸化発熱反応を伴い発熱領域が広域化した均質な燃焼を安定に持続し、顕熱が発生する過程で熱を奪われるようにして被加熱物を加熱することとなる。即ち、従来の火炎に比べて例えば２０倍程度あるいはそれ以上のボリュームに膨張することとなり、局所的高温域が存在しない均一な温度の火炎を形成して通常の拡散燃焼時に比べて均一な炉内温度が得やすい。加えて、ランダム非定在加熱により火炎の位置が短時間に全く不規則に次々移り変わるので、炉内における温度分布が更に平坦化される。依って、炉内温度分布が均一化されるので、加熱物の表面温度を検出するセンサ類などを数多く設置する必要がなく、少ないセンサ類でＰＩＤ制御あるいはファジィ制御や最適制御理論によるフィードバック制御などの自動燃焼制御を実行できる。
【００５４】
また、一部のバーナが修理や検査等のために炉体から取り外さなければならないときには、炉の操業を止めずにその付近のバーナの燃焼回数を増やすような操作をすることによりバーナの取り外しの影響を少なくする。
【００５５】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、全てのポートを対象にして無作為に選定する方法を採用しているが、この方法に限るものではなく、全てのポートを吸入側と噴出側との２つのグループに分け、これを回転四方弁などの流路切り換え装置で吸入側と噴出側とに交互に切り換えるようにし、更にその同一のグループに属するポートの中から噴出ポートと吸入ポートとを選定するようにしても良い。また、上述の説明では１４カ所のポート２を設けているが、これに限るものではないことは勿論である。
【００５６】
また、本実施形態では、８台設置されたバーナ１２のうち４台のバーナ１２を同時に燃焼させてランダム加熱を行っているが、同時に燃焼させるバーナ１２は４台に限るものではなく、１台でもあるいは２台以上の任意の数でも良い。同様に、設置するバーナ１２も８台に限るものではなく、工業炉などの規模に応じて必要な熱量が得られるような台数がセットされる。
【００５７】
また、上述の説明では、蓄熱体を利用した排ガスと燃焼用空気の直接熱交換によって高温の予熱空気を得て高温燃焼を実現するバーナを使用しているため、同数のバーナ１２を常に使用してランダム加熱を繰り返し行っているが、通常の拡散バーナや予混合バーナあるいは排ガスを使わずに高エンタルピの酸化剤を供給する高温燃焼バーナであれば、燃焼させるバーナ１２を選定し直す毎にその台数を変えても良い。即ち、ｋの値が常に一定である必要はなく、例えば１回目：４台、２回目：２台、３回目：５台、…のように、ランダム加熱を繰り返す毎にｋの値を変えても良い。この場合、ｋの値の設定には乱数の使用が好ましい。また、ポートから炉内ガスを噴出する場合においても、同様に、噴出させる度に噴き出しポート数を増減させるようにしても良い。
【００５８】
また、上述の説明では、一定の切換時間でランダム噴出を繰り返しているが、これに特に限定されず、噴出ポートを選定し直す度にその時間を変えても良い。バーナの燃焼についても同様で、切換時間毎にランダム加熱を繰り返し行っているが、燃焼させるバーナ１２を選定し直す度にその時間を変えても良い。即ち、ランダム噴出及びランダム加熱の切換時間は常に一定である必要はなく、例えば１回目：１０秒、２回目：２０秒、３回目：１５秒、…のように、ランダム加熱を繰り返す毎に切換時間を変えても良い。この場合、切換時間の値の設定には乱数の使用が好ましい。
【００５９】
また、上述の説明では、バーナ１２毎に独立した燃焼用空気供給系・排気系を備えた例について主に説明したが、各燃料ノズルから離れた炉壁などに空気孔と排気孔とをそれぞれ設け、蓄熱体を相対的に回転させて排ガスと空気との間で熱交換を行いながら炉内へ直接高温に予熱された燃焼用空気を連続的に噴出する一方、排気孔からも連続的に炉内ガスを排出するようにしても良い。この場合、燃料噴射位置の切り換えによってランダム加熱が実行される。更に、上述の説明では、高いエンタルピを有する酸化剤による高温燃焼が可能なバーナを設置しているが、かかる高温燃焼を行うバーナに限るものではない。通称の拡散バーナや予混合バーナにも適用可能である。場合によっては、ランダム加熱を行わず、火炎の位置を固定した熱源や交互燃焼などのように規則的に火炎位置を移動させる熱源を使用するようにしても良い。また、上述の説明では、各バーナ１２毎に独立した燃料調節弁４を備えて各バーナ１２の燃焼を個々に制御しているが、バーナ１２を幾つかの群にまとめてその燃焼を群毎に制御しても良い。例えば、バーナ全体を２つのグループに分けて各グループから対となるバーナをランダムに選定するようにしても良い。
【００６０】
また、本実施形態では、噴出ポートから噴出される熱風は、図示した上述の実施形態の工業炉のように、蓄熱体７を備えた多数のポート２，…，２を含むサーキュレータ６によって得るようにしているが、これに特に限定されず、別個の熱源において得られた熱風（主に空気を指すが、その他に不活性ガスやと特定の化学組成のガスなどを含む）を噴出し、炉内ガスは専用の排気ポートから排気するようにしても良い。即ち、炉内ガスと同程度の熱風を炉壁等に設けられたポートから炉内へ噴出することにより炉内ガスの流動化を促進して被加熱物の加熱を制御することができる。その場合においては、図示していないが、好ましくは工業炉の炉床や天井、側壁などの炉壁にポートを多数備え、その中から噴出ポートを無作為に選定して短時間噴出させた後さらに噴出ポートを無作為に選定して短時間噴出を繰り返し、噴出位置の短時間のランダム切換によって炉内ガスの流動を制御する。このとき、多数のポートの中からは噴出ポートだけが選定されて炉内ガスは専用の排気ポートから常時排気されるか、あるいは噴出ポートと排気ポートとを選定して炉内ガスを循環させずに噴出と排気とを同時進行させるようにしても良い。いずれの場合にも、別個の熱源を有するが、炉内ガスの流動化が活発になり、しかも当該流動が短時間周期でランダムに移り変わつて炉内ガスの流動が一定化しないため、流動パターンの一定下に伴う温度差がなくなり、炉内に局所的な高温域の発生を抑制して炉内温度分布を均一化する点については同様である。また、この場合においても、図３から図５に示す蓄熱型交互燃焼システムを採用したランダム加熱を実施することが好ましい。これによって、ランダム加熱によるに炉内温度分布の平坦化と相まって被加熱物への偏熱が一層抑制されると共に平均温度を上限界温度に近づけて高く設定できる。
【００６１】
更に、本実施形態では、ランダム噴出とランダム加熱とを同時に進行させる場合について主に説明しているがこれに特に限定されず、ランダム噴出とランダム加熱とを交互に進行させたり、間欠的にランダム加熱ないしランダム噴出を必要に応じて実施するようにしても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の工業炉によると、炉内に形成される炉内ガスの流動が短時間（６０秒以下の切換時間）にランダムに移り変わるので、局所的な高温域の発生を抑制した平坦な温度分布を形成し尚かつ炉内温度を高め、被加熱物への偏熱をなくして均一加熱を可能とする。しかも、炉内ガスの温度を下げてから循環ファンに通すことができ、熱的ダメージより循環ファンを保護することができ、更に炉内に噴出させる際には炉内ガスを再び高温に加熱しているので、炉内温度の低下防止を図ることができると共に炉内ガスのボリューム増による流速の増加によって炉内に速い燃焼ガスの流れを形成することができる。さらに、本発明の工業炉によれば、燃焼負荷を変えても炉内に局所的高温部分が生じないので、炉の立ちあげ時に最高負荷で操業準備に入れるため最小時間で操業が開始できる。また操業終了においては自然放冷でない場合には、各バーナ及び各ポートから空気のみをランダムに噴出させれば、炉全体を一様に最小時間で冷却できる。
【００６３】
加えて、熱源としてランダム加熱を行うバーナを採用する請求項２記載の工業炉によると、炉内ガスがランダムに攪拌されて温度分布が平坦にされる上に短時間（設定された切換時間）で燃焼位置がランダムに切換られて局所的な高温域の発生を抑制するので、偏熱が一層少なくなり被加熱物が均一に加熱される。したがって、炉内平均温度を上限界温度に近づけて従来よりも高く設定でき、生産性（加熱処理量）を高めることができると共に、炉内温度が均一・平坦化されるため、少ないセンサ類でＰＩＤ制御あるいはファジィ制御や最適制御理論によるフィードバック制御などで自動燃焼制御を実行できる。更に、被加熱物に対して近接させてバーナを設置しても偏熱を少なくできるため、バーナ数を少なくできる。
【００６４】
また、火炎の位置が短時間にランダムに変化して移り変わる非定在加熱によって加熱されるので、一部のバーナが修理や検査等のために炉体から取り外されたとしても、その付近のバーナの燃焼回数を増やすような操作をすることによりバーナの取り外しの影響を少なくすることができる。即ち、炉の稼働を止めなくとも、バーナの修理や検査を行うことができ、操業の安定性が増す。
【００６５】
さらに、本発明の工業炉によれば、燃焼負荷を変えても炉内に局所的高温部分が生じないので、炉の立ちあげ時に最高負荷で操業準備に入れるため最小時間で操業が開始できる。また操業終了においては自然放冷でない場合には、各バーナから空気のみをランダムに噴出させれば、炉全体を一様に最小時間で冷却できる。
【００６６】
また、請求項３記載の工業炉では、バーナが、燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度以上の高温に予熱された酸化剤による燃焼を行うものとしているので、高温燃焼によって形成される火炎・燃焼ガスそのものの飛躍的な膨張に伴う温度分布の平坦化・均一化に加えてランダム非定在加熱により火炎の位置が短時間に全く不規則に次々移り変わりバーナ間での温度分布の平坦化・均一化が可能となり、炉内における温度分布が一層平坦化される。
【００６７】
また、請求項４記載の発明によると、複数のポートの中から噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出させた後さらに噴出ポートを無作為に選定して６０秒以下の切換時間噴出を繰り返し、噴出位置のランダム切換によって炉内ガスの流動を制御するようにしているので、炉内ガスの流動化が活発になり、しかも当該流動は短時間周期でランダムに移り変わり、炉内ガスの流動が一定化しないため、流動パターンの一定下に伴う温度差がなくなり、炉内に局所的な高温域の発生を抑制して炉内温度分布を均一化する。
【００６８】
また、本発明は請求項５記載の発明によると、ランダム加熱による炉内温度分布の平坦化と相まって被加熱物への偏熱が一層抑制されると共に平均温度を上限界温度に近づけて高く設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工業炉の実施形態の一例を示す概略原理図で、（Ａ）はポートの配置を示す平面図、（Ｂ）はサーキュレータの構造を示す図である。
【図２】本発明の加熱制御方法を自動燃焼制御の一環として実施される場合のランダム噴出制御のフローチャートである。
【図３】熱源の実施形態の一例を示す概略原理図で、バーナの位置と燃料配管図である。
【図４】熱源としての高温燃焼バーナシステムの概略原理図である。
【図５】本発明の燃焼制御方法を自動燃焼制御の一環として実施される場合のランダム加熱制御フロー図である。
【符号の説明】
１  加熱炉
２  ポート
４  排ガス制御弁
５  制御手段たる調節計
６  サーキュレータ
７  蓄熱体
９  循環ファン
１２  熱源たるバーナ
【図１】
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【図２】
0004071842.tif 000003
【図３】
0004071842.tif 000004
【図４】
0004071842.tif 000005
【図５】
0004071842.tif 000006