(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に開口部を備え、溶湯を貯留するための器形状を有するるつぼと、該るつぼを上記開口部を上方に開放した状態で収容する耐火炉と、該耐火炉の側壁に配設し、上記るつぼと上記耐火炉との間に形成された燃焼空間へ火炎形成後の燃焼ガスを供給するためのバーナとを有する加熱炉において、
上記バーナは、上記耐火炉の下部から上記燃焼空間へ上記燃焼ガスを供給するよう構成してあり、
上記耐火炉の底面には、該耐火炉の周方向における燃焼ガス進行方向に向かうに連れて底面位置が高くなると共に、当該耐火炉の径方向外側に向かうに連れて底面位置が高くなる耐火傾斜面が形成してあり、
上記バーナから上記燃焼空間へ供給する燃焼ガスを、上記耐火傾斜面によって上記燃焼空間を上昇させながら旋回させるよう構成したことを特徴とする加熱炉。
【請求項２】
請求項１において、上記耐火傾斜面は、上記耐火炉の底面における一部に形成してあり、上記耐火傾斜面を形成していない上記底面の残部は、略平坦な面に形成してあり、
上記耐火傾斜面は、上記略平坦な面からの形成高さが、上記燃焼ガス進行方向における形成開始位置において、径方向外側の端部と径方向内側の端部とにおいてほぼ同じであり、上記燃焼ガス進行方向における形成終了位置において、径方向外側の端部の方が径方向内側の端部よりも高くなっていることを特徴とする加熱炉。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記るつぼは、円筒形状の側部を有しており、上記耐火炉の内側壁面は、水平方向における断面が円形状を有しており、
上記バーナは、上記耐火炉内を加熱した後の燃焼排ガスを自己回収し、該燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼に用いる空気の予熱を行うよう構成した自己排熱回収型バーナであることを特徴とする加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐火炉に収容したるつぼ内の被加熱物を加熱するバーナを有する加熱炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム、亜鉛等の溶解炉、保持炉等の加熱炉においては、器形状のるつぼを耐火炉内に収容し、るつぼと耐火炉との間に形成された燃焼空間へ、バーナの燃焼による火炎を形成すると共にその燃焼ガスを供給することが行われている。
例えば、特許文献１の溶湯保持炉においては、炉底部の最も低い所の壁部に、溶湯の温度よりも低い融点を有する金属板で塞がれた溶湯排出口を設置することが開示されている。また、炉底部にガラスウールを敷設し、炉底部が溶湯排出口に向けて下降傾斜した炉体の構造が開示されている。これにより、るつぼから溶湯が漏れ出ても、この溶湯が溶湯排出口に集まり、溶湯の温度よりも低い融点の金属板を溶かして炉体外へ適格に自動排出することができる。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の溶湯保持炉においては、バーナによる燃焼ガスを、燃焼空間へ適切に供給することについては、電気ヒータ等の補助熱源を設置することを前提としているためか何らの工夫がなされていない。すなわち、バーナにおける燃料ノズル（火炎形成ノズル）の先端を炉体の下部に配置したときには、燃焼空間の下部にのみ燃焼ガスが充満し、燃焼空間の上部を十分に加熱することができない。そのため、燃焼空間に燃料ノズルから十分な燃焼ガスを投入することが制限される。なお、特許文献１における炉底部の下降傾斜は、溶湯排出口に向けて形成されたものであり、燃料ノズルとの位置関係を考慮したものではない。
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１１５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、燃焼空間の全体に燃焼ガスをできるだけ均一に充満させることができ、エネルギー効率を効果的に向上させることができる加熱炉を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上方に開口部を備え、溶湯を貯留するための器形状を有するるつぼと、該るつぼを上記開口部を上方に開放した状態で収容する耐火炉と、該耐火炉の側壁に配設し、上記るつぼと上記耐火炉との間に形成された燃焼空間へ火炎形成後の燃焼ガスを供給するためのバーナとを有する加熱炉において、
上記バーナは、上記耐火炉の下部から上記燃焼空間へ上記燃焼ガスを供給するよう構成してあり、
上記耐火炉の底面には、該耐火炉の周方向における燃焼ガス進行方向に向かうに連れて底面位置が高くなると共に、当該耐火炉の径方向外側に向かうに連れて底面位置が高くなる耐火傾斜面が形成してあり、
上記バーナから上記燃焼空間へ供給する燃焼ガスを、上記耐火傾斜面によって上記燃焼空間を上昇させながら旋回させるよう構成したことを特徴とする加熱炉にある（請求項１）。
【０００７】
本発明の加熱炉は、バーナによって耐火炉の下部から燃焼空間へ燃焼ガスを供給するよう構成した場合において、バーナから供給する燃焼ガスを、環状燃焼空間にできるだけ均一に充満させるための工夫を行っている。
具体的には、本発明の耐火炉の底面には、耐火傾斜面が形成してあり、この耐火傾斜面は、耐火炉の周方向における燃焼ガス進行方向に向かうに連れて底面位置が高くなると共に、耐火炉の径方向外側に向かうに連れて底面位置が高くなる状態で形成してある。
【０００８】
そして、本発明の加熱炉におけるバーナの燃焼によって、燃焼空間に火炎を形成したときには、バーナから吐出された燃焼ガスは、耐火傾斜面における径方向外側に向けた傾斜によって、燃焼空間内を旋回し易くなり、耐火傾斜面における燃焼ガス進行方向に向けた傾斜によって、上昇しながら旋回させることができる。
これにより、燃焼空間の下部のみに燃焼ガスが充満することを回避することができ、燃焼ガスを燃焼空間の上下方向におけるできるだけ広い範囲に充満させることができる。そして、燃焼ガスの投入量を増大することが可能となることから、短時間にるつぼ内に配置した被加熱物又はるつぼ内に貯留する溶湯の加熱が可能となる。そのため、経時的に発生する放熱ロスを低減することができ、加熱炉におけるエネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【０００９】
それ故、本発明の加熱炉によれば、燃焼空間の全体に燃焼ガスをできるだけ均一に充満させることができ、エネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記耐火傾斜面の径方向における傾斜角度は、例えば、４５°以下の範囲で設定することができる。また、上記耐火傾斜面の周方向における傾斜角度は、例えば、４５°以下の範囲で設定することができる。
【００１１】
また、上記耐火傾斜面は、上記耐火炉の底面における一部に形成してあり、上記耐火傾斜面を形成していない上記底面の残部は、略平坦な面に形成してあり、上記耐火傾斜面は、上記略平坦な面からの形成高さが、上記燃焼ガス進行方向における形成開始位置において、径方向外側の端部と径方向内側の端部とにおいてほぼ同じであり、上記燃焼ガス進行方向における形成終了位置において、径方向外側の端部の方が径方向内側の端部よりも高くなっていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、耐火炉の底面における適切な部位にのみ耐火傾斜面を形成し、その他の部位は、略平坦な面にすることによって、耐火傾斜面の形成が容易である。また、上記耐火傾斜面の形成により、この耐火傾斜面に３次元的なうねりを形成して、燃焼空間内の燃焼ガスが上昇しながら旋回する状態を一層容易に形成することができる。
【００１２】
また、上記るつぼは、円筒形状の側部を有しており、上記耐火炉の内側壁面は、水平方向における断面が円形状を有しており、上記バーナは、上記耐火炉内を加熱した後の燃焼排ガスを自己回収し、該燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼に用いる空気の予熱を行うよう構成した自己排熱回収型バーナであることが好ましい（請求項３）。
【００１３】
この場合には、自己排熱回収型バーナを用いることにより、加熱炉におけるエネルギー効率をより向上させることができる。また、この場合には、燃焼空間を、るつぼにおける円筒形状の側部と、耐火炉における円形状の内側壁面との間に円環状に形成することができ、燃焼ガスを、燃焼空間における全体により効果的に充満させることができる。
なお、上記耐火炉の内側壁面は、水平方向における断面を円形状にする以外にも、例えば、楕円、四角、六角、八角等の形状にすることができる。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の加熱炉にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の加熱炉１０は、図１、図２に示すごとく、上方に開口部８０を備え、溶湯Ｘを貯留するための器形状を有するるつぼ８と、るつぼ８を開口部８０を上方に開放した状態で収容する耐火炉７と、耐火炉７の側壁７０に配設し、るつぼ８と耐火炉７との間に形成された燃焼空間１０１へ火炎形成後の燃焼ガスＧ１を供給するためのバーナ１とを有している。バーナ１は、耐火炉７の下部から燃焼空間１０１へ燃焼ガスＧ１を供給するよう構成してある。
【００１５】
図３に示すごとく、耐火炉７の底面７２には、耐火炉７の周方向Ｃにおける燃焼ガス進行方向Ｃ１に向かうに連れて底面位置が高くなると共に、耐火炉７の径方向Ｒの外側に向かうに連れて底面位置が高くなる耐火傾斜面７３が形成してある。そして、加熱炉１０は、バーナ１から燃焼空間１０１へ供給する燃焼ガスＧ１を、耐火傾斜面７３によって燃焼空間１０１を上昇させながら旋回させるよう構成してある。
【００１６】
以下に、本例の加熱炉１０につき、図１〜図５を参照して詳説する。
図１、図２に示すごとく、本例の加熱炉１０は、被加熱物としてアルミニウム、亜鉛等の金属材料のインゴットをるつぼ８内に配置し、バーナ１による加熱によって、上記インゴットを溶解して溶湯Ｘにすると共に、上記加熱を継続して、るつぼ８内に溶湯Ｘを貯留するものである。
本例のるつぼ８は、黒鉛材料から形成してあり、本例の耐火炉７は、セラミックス等の耐火材料から形成してある。なお、るつぼ８は、鉄材料から形成することもできる。
【００１７】
本例のるつぼ８は、円筒形状の側部８１を有しており、耐火炉７の内側壁面７１は、水平方向における断面が円形状を有している。本例のるつぼ８は、耐火炉７の底面７２の中心部に配置した台座７５上に載置してあり、燃焼空間１０１は、その全体において円環状に形成されている。また、耐火炉７は、その中心軸線を鉛直方向に配置して形成されている。
なお、るつぼ８の上方の開口部８０に、径方向Ｒに拡径するフランジ部を形成した場合には、フランジ部を耐火炉７の側壁７０の上面に載置することにより、台座７５は使用しないこともできる。この場合には、るつぼ８の側部８１と耐火炉７の内側壁面７１との間に、環状の燃焼空間１０１が形成される。
【００１８】
また、図１、図３に示すごとく、耐火傾斜面７３は、耐火炉７の底面７２における一部において、その平面形状が、燃焼空間１０１の周方向Ｃに沿った円弧形状に形成してあり、耐火傾斜面７３を形成していない底面７２の残部は、略平坦な面７２０に形成してある。
本例の耐火傾斜面７３は、略平坦な面７２０からの形成高さが、燃焼ガス進行方向Ｃ１における形成開始位置７３１において、径方向Ｒの外側の端部７０２と径方向Ｒの内側の端部７０１とにおいてほぼ同じであり、燃焼ガス進行方向Ｃ１における形成終了位置７３２において、径方向Ｒの外側の端部７０２の方が径方向Ｒの内側の端部７０１よりも高くなっている。また、耐火傾斜面７３は、燃焼ガス進行方向Ｃ１に向けて、径方向Ｒの外側の端部７０２が径方向Ｒの内側の端部７０１よりも高くなる割合を大きくして形成してある。そして、耐火傾斜面７３は、３次元的なうねり形状に形成してある。
【００１９】
耐火傾斜面７３は、耐火炉７の底面７２における周方向Ｃに沿って、種々の位置に形成することができる。
例えば、図４に示すごとく、燃焼空間１０１に対するバーナ１の周方向Ｃの配置位置の反対側に位置する部分に形成したり、図５に示すごとく、燃焼空間１０１に対するバーナ１の周方向Ｃの配置位置に近い位置に形成したりすることができる。また、耐火傾斜面７３の周方向Ｃの形成領域は、９０°以内の範囲、１８０°以内の範囲、２７０°以内の範囲等種々の範囲とすることができる。
【００２０】
図１、図２に示すごとく、本例のバーナ１は、耐火炉７内を加熱した後の燃焼排ガスＧ２を自己回収し、燃焼排ガスＧ２の排熱を利用して燃焼に用いる空気Ａの予熱を行うよう構成した自己排熱回収型バーナである。本例のバーナ１は、外部ボディ２を耐火炉７の外部に配置し、内部に火炎形成ノズル５１を配置した燃焼筒４の先端部を、耐火炉７の下部に配置してなる。火炎形成ノズル５１は、燃焼空間１０１の円環形状に対する接線方向に火炎Ｈを形成する状態で配置されている。
【００２１】
本例のバーナ１は、耐火炉７の外部から燃焼用空気Ａを流入させるための外部ボディ２と、外部ボディ２内に配置され耐火炉７内（燃焼空間１０１）から燃焼排ガスＧ２を回収するための内部筒３と、内部筒３内に配置され外部ボディ２内へ流入した燃焼用空気Ａを通過させて耐火炉７内（燃焼空間１０１）へ噴出させるための燃焼筒４と、燃焼筒４内に配置され燃焼用空気Ａと燃焼させるための燃料ガスＦを通過させて耐火炉７内（燃焼空間１０１）へ噴出させるためのガスパイプ５とを有している。そして、燃焼筒４内には、燃焼用空気Ａを通過させるための空気流路４０が形成されており、内部筒３内には、燃焼排ガスＧ２を回収するための排気流路３０が形成されている。また、排気流路３０は、耐火炉７に形成したバーナ配置口７６と燃焼筒４との間にも形成されている。
【００２２】
本例のバーナ１は、火炎Ｈの形成方向（ガスパイプ５、燃焼筒４及び内部筒３の軸方向Ｌ）を、略水平方向に向けて耐火炉７に配設して用いる。なお、バーナ１は、略水平方向よりも若干上に（例えば１０°以下の範囲で）傾斜させて耐火炉７に配設することもできる。
そして、バーナ１の燃焼筒４の先端部における火炎Ｈの形成と共に燃焼空間１０１へ噴出された燃焼ガスＧ１は、燃焼空間１０１の周方向Ｃに旋回して耐火炉７内を加熱した後、燃焼排ガスＧ２として排気流路３０へ回収される。
【００２３】
本例の加熱炉１０は、バーナ１によって耐火炉７の下部から燃焼空間１０１へ燃焼ガスＧ１を供給するよう構成した場合において、バーナ１から供給する燃焼ガスＧ１を、燃焼空間１０１にできるだけ均一に充満させるための工夫を行っている。
上記のごとく、本例の耐火炉７の底面７２には、耐火傾斜面７３が形成してあり、この耐火傾斜面７３は、略平坦な面７２０からの形成高さが、燃焼ガス進行方向Ｃ１における形成開始位置７３１において、径方向Ｒの外側の端部７０２と径方向Ｒの内側の端部７０１とにおいてほぼ同じであり、燃焼ガス進行方向Ｃ１における形成終了位置７３２において、径方向Ｒの外側の端部７０２の方が径方向Ｒの内側の端部７０１よりも高くなる状態で形成してある。
【００２４】
そして、本例の加熱炉１０におけるバーナ１の燃焼によって、燃焼空間１０１に火炎Ｈを形成したときには、バーナ１から吐出された燃焼ガスＧ１は、耐火傾斜面７３における径方向Ｒの外側に向けた傾斜によって、燃焼空間１０１内を旋回し易くなり、耐火傾斜面７３における燃焼ガス進行方向Ｃ１に向けた傾斜によって、上昇しながら旋回させることができる。
これにより、燃焼空間１０１の下部のみに燃焼ガスＧ１が充満することを回避することができ、燃焼ガスＧ１を燃焼空間１０１の上下方向におけるできるだけ広い範囲に充満させることができる。そして、燃焼ガスＧ１の投入量を増大することが可能となることから、短時間にるつぼ８内に配置した被加熱物又はるつぼ８内に貯留する溶湯Ｘの加熱が可能となる。そのため、経時的に発生する放熱ロスを低減することができ、加熱炉１０におけるエネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【００２５】
それ故、本例の加熱炉１０によれば、燃焼空間１０１の全体に燃焼ガスＧ１をできるだけ均一に充満させることができ、エネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【００２６】
（確認試験１）
本確認試験においては、耐火傾斜面７３を形成していない従来のるつぼを用いた場合（比較品）と、上記実施例に示した耐火傾斜面７３を形成したるつぼ８を用いた場合（発明品）とについて、加熱炉１０に要したエネルギー効率の差を確認した。るつぼ内には、溶湯Ｘとしてのアルミニウムを溶解し、このアルミニウムが溶解するまでに要した時間と、アルミニウムの全量を溶解するために必要となったバーナ１における燃焼量とを実測した。なお、るつぼ８内には、３５０ｋｇのアルミニウムのインゴットを溶解した。
【００２７】
るつぼ内のアルミニウムの全体を溶解するのに要した時間は、比較品においては、５時間であったのに対し、発明品においては、３時間１９分であった。これにより、耐火傾斜面７３の形成により、被加熱物の溶解に要する時間を３４％程度短縮できることがわかった。
また、上記溶解に消費したバーナ１における燃焼量は、比較品においては、５１００ｋＪ／ｋｇであったのに対し、発明品においては、４３００ｋＪ／ｋｇであった。これにより、耐火傾斜面７３の形成により、燃焼量を１６％程度削減できることがわかった。
【００２８】
（確認試験２）
本確認試験においては、燃焼空間１０１の周方向Ｃにおいて、バーナ１の配置位置に対する耐火傾斜面７３の配置位置を変更した場合（試験２−１）、耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θ（図３参照）を変更した場合（試験２−２）について、加熱炉１０から排気される燃焼排ガスＧ２の温度のシミュレーションを行った。
図６は、加熱炉１０の燃焼空間１０１を上方から見た状態の平面レイアウトにおいて、耐火傾斜面７３の配置位置を示す図である。
【００２９】
試験２−１においては、同図に示すごとく、バーナ１における通過方向Ｌを平面レイアウトの上下に配置すると共に、バーナ１を平面レイアウトの右下の領域に配置し、耐火傾斜面７３を燃焼空間１０１の平面レイアウトの上部ａに配置したとき、又は平面レイアウトの左部ｂに配置したときについて、バーナ１による燃焼を行ったときの燃焼排ガスＧ２の温度を計算した。なお、この場合、耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θは４５°とした。
【００３０】
この計算を行った結果を、図７に示す。同図は、横軸に耐火傾斜面７３の配置位置ａ、ｂをとり、縦軸に燃焼排ガスＧ２の温度（℃）をとって、各位置ａ、ｂにした場合の燃焼排ガスＧ２の温度を示すグラフである。同図からわかるように、耐火傾斜面７３の配置位置ａの方が配置位置ｂの場合よりも燃焼排ガスＧ２の温度が低く、加熱炉１０におけるエネルギー効率を向上できることがわかる。
したがって、バーナ１における通過方向Ｌを平面レイアウトの上下に配置すると共に、バーナ１を平面レイアウトの右下の領域に配置した場合において、耐火炉７内の燃焼空間１０１を、平面レイアウトの上下左右に平行に９０°の間隔で４つ（右上、右下、左上、左下）の領域に区分したとき、耐火傾斜面７３は、少なくとも形成開始位置７３１を平面レイアウトの右下又は右上の領域に位置させて形成することが好ましいことがわかる。
【００３１】
試験２−２においては、上記試験２−１の条件下において、耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θを１５°、３０°、４５°と変更した場合に、バーナ１による燃焼を行ったときの燃焼排ガスＧ２の温度を計算した。なお、耐火傾斜面７３は燃焼空間１０１の上部ｂに配置した。
この計算を行った結果を、図８に示す。同図は、横軸に耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θをとり、縦軸に燃焼排ガスＧ２の温度（℃）をとって、両者の関係を示すグラフである。同図からわかるように、耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θを４５°と大きくした方が、燃焼排ガスＧ２の温度が低くなり、加熱炉１０におけるエネルギー効率を向上できることがわかる。なお、加熱炉１０の装置構成を考慮すると、耐火傾斜面７３の周方向Ｃにおける傾斜角度θは３０°位にすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例における、バーナを設けた加熱炉を上方から見た状態で示す断面説明図。
【図２】実施例における、バーナを設けた加熱炉を側方から見た状態で示す断面説明図。
【図３】実施例における、耐火炉の底面に形成した耐火傾斜面を示す斜視説明図。
【図４】実施例における、耐火傾斜面の形成位置が異なる他の加熱炉を上方から見た状態で示す断面説明図。
【図５】実施例における、耐火傾斜面の形成位置が異なる他の加熱炉を上方から見た状態で示す断面説明図。
【図６】確認試験２における、耐火傾斜面の配置位置を示す平面説明図。
【図７】確認試験２（試験２−１）における、横軸に耐火傾斜面の配置位置をとり、縦軸に燃焼排ガスの温度をとって、両者の関係を示すグラフ。
【図８】確認試験２（試験２−２）における、横軸に耐火傾斜面の周方向における傾斜角度をとり、縦軸に燃焼排ガスの温度をとって、両者の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１０  加熱炉
１０１  燃焼空間
１  バーナ
４  燃焼筒
７  耐火炉
７０  側壁
７１  内側壁面
７２  底面
７３  耐火傾斜面
７３１  形成開始位置
７３２  形成終了位置
８  るつぼ
８０  開口部
Ｃ  周方向
Ｃ１  燃焼ガス進行方向
Ｒ  径方向
Ａ  燃焼用空気
Ｆ  燃料ガス
Ｇ１  燃焼ガス
Ｇ２  燃焼排ガス
Ｈ  火炎
【図１】
0005065108.tif 000002
【図２】
0005065108.tif 000003
【図３】
0005065108.tif 000004
【図４】
0005065108.tif 000005
【図５】
0005065108.tif 000006
【図６】
0005065108.tif 000007
【図７】
0005065108.tif 000008
【図８】
0005065108.tif 000009