CN110392805A - 被加热物的加热方法及加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种被加热物的加热方法及加热装置，其能够在短时间内均匀地加热被加热物，并且能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物等的发生，能够高效地进行考虑环境的干燥及加热，该加热方法向燃烧器(3)供给燃料流体(M1，M2)及助燃性气体(G3)并以使该燃料流体及该助燃性气体燃烧而成的火焰(2)为热源来加热被加热物，该方法通过逐渐增加向燃烧器(3)供给的助燃性气体(G3)中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度，该加热装置(1)具备：用于加热被加热物的燃烧器(3)；用于控制燃料流体(M1，M2)及助燃性气体(G3)的流量的流量控制部(4)；和用于将燃烧器(3)的燃烧信息发送给流量控制部(4)的运算部(5)，流量控制部(4)通过逐渐增加向燃烧器(3)供给的助燃性气体(G3)中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度。

Description

被加热物的加热方法及加热装置
技术领域
本发明涉及一种被加热物的加热方法及加热装置。
背景技术
在炼铁或炼钢工厂中，用于运输铁水或钢液的铁水锅及钢液锅(以下，有时称为浇包或熔融金属浇包)一般设为在其内表面上附着有由耐热砖(耐火砖)等形成的耐火物的结构，因此能够保持收容在内部的铁水及钢液的温度。
在向浇包中注入铁水或钢液时，首先，在去除耐火物内表面的水分之后，为了防止铁水及钢液的温度下降，需要预先干燥及加热(预热)至1,000～1,400℃左右。作为这种浇包的干燥及加热方法，例如有使用燃烧器进行干燥及加热的方法(例如，参照专利文献1)。
另外，作为在浇包的干燥及加热中使用的燃烧器，除使用空气作为助燃性气体的空气燃烧器以外，有时为了更高效地干燥及加热浇包，使用蓄热式燃烧器(例如，参照专利文件2、3)。
另一方面，在当前地球环境问题突显的情况下，通过在由燃烧器发生火焰时控制燃烧状态而削减燃烧气体中的氮氧化物(NOX)的方法受到关注(例如，参照专利文献4)。
专利文献1：日本专利公开2007-154215号公报
专利文献2：日本专利公开2009-160640号公报
专利文献3：日本专利公开2015-100823号公报
专利文献4：日本专利公开2011-179751号公报
在此，在将浇包预热至规定温度时，还需要考虑附着在浇包的熔融金属容器内的耐火砖的损坏等。例如，在加热前的熔融金属容器接近室温的情况下，如果为了将容器内部设为规定的温度而急剧加热，则有可能耐火砖因局部热膨胀而损坏。因此，在对熔融金属容器内的耐火砖进行加热时，为了缓慢而均匀地加热内部，需要使燃烧器长时间燃烧。
然而，如果熔融金属容器的预热所需时间过长，则由于因工艺时间长而导致制造效率的下降，要求在更短的时间内进行预热。
另外，由于在由燃烧器生成火焰时，不可避免地生成二氧化碳或微量的氮氧化物等，因此要求如能够尽可能削减这些生成物的燃烧方法。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供一种被加热物的加热方法及加热装置，该被加热物的加热方法及加热装置能够在比以往短的时间内均匀地加热如浇包的熔融金属容器等的被加热物，并且能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物(NOX)等的发生，能够高效地进行考虑环境的干燥及加热。
为了解决上述问题，本发明人进行了深入的研究，其结果发现在以燃烧器的火焰为热源来加热被加热物时，通过缓慢增加向燃烧器供给的助燃性气体中的氧浓度，能够在比以往短的时间内均匀地加热被加热物。例如，在使用空气作为助燃性气体并在该助燃性气体中缓慢添加氧气而增加助燃性气体中的氧浓度的情况下，助燃性气体中的氧浓度从21体积％(空气中的氧浓度)逐渐增加至100体积％。本发明人通过采用这种方法，发现能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物等的发生，并且能够高效地进行考虑环境的被加热物的干燥及加热，从而完成了本发明。
即，本发明提供以下的被加热物的加热方法及加热装置。
(1)一种被加热物的加热方法，向燃烧器供给燃料流体及助燃性气体并以使该燃料流体及该助燃性气体燃烧而成的火焰为热源来加热被加热物，其特征在于，通过逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度。
(2)根据上述(1)所述的被加热物的加热方法，其特征在于，通过周期性地改变并逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度的同时周期性地改变所述燃料流体的流量和所述助燃性气体的流量中的至少一种，并且周期性地改变向所述燃烧器供给的总氧量除以完全燃烧所述燃料流体时所需的理论氧量而得到的当量比，且对所述氧浓度的周期性变化和所述当量比的周期性变化设定相位差，从而将所述燃烧器的燃烧状态设为周期性振动状态。
(3)根据上述(2)所述的被加热物的加热方法，其特征在于，对所述燃料流体的流量的周期性变化和所述氧浓度及所述氧比的周期性变化设定相位差。
(4)根据上述(1)～(3)中的任一项所述的被加热物的加热方法，其特征在于，所述助燃性气体中的氧浓度的增加速度与所述被加热物的温度上升同步。
(5)根据上述(1)～(4)中的任一项所述的被加热物的加热方法，其特征在于，所述被加热物为在炼钢制造工艺中使用的浇包或中间包。
(6)一种被加热物的加热装置，其特征在于，在上述(1)～(5)中的任一项所述的被加热物的加热方法中使用所述加热装置，所述加热装置至少具备：用于使燃料流体及助燃性气体燃烧来加热被加热物的燃烧器；用于控制向所述燃烧器供给的所述燃料流体及所述助燃性气体的流量的流量控制部；和基于所述燃烧器的燃烧状态进行运算处理并将燃烧信息发送给所述流量控制部的运算部，所述燃烧器至少具备：沿该燃烧器的中心轴配置且供给所述燃料流体及一次氧气的中心供给管；和在该中心供给管的周围以同心状配置且用于供给所述助燃性气体的至少一个助燃性气体供给管，所述中心供给管具有：配置在所述燃烧器的中心轴上的一次燃料供给管；以包围该一次燃料供给管的周围的方式配置的二次燃料供给管；和以包围该二次燃料供给管的方式配置的一次氧气供给管，所述流量控制部基于由所述运算部输入的所述燃烧信息，分别增加或减少向所述燃烧器供给的所述燃料流体及所述助燃性气体的流量，从而逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度。
(7)根据上述(6)所述的被加热物的加热装置，其特征在于，所述流量控制部进一步以如下方式控制：通过周期性地改变并逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度的同时周期性地改变所述燃料流体的流量和所述助燃性气体的流量中的至少一种，并且周期性地改变向所述燃烧器供给的总氧量除以完全燃烧所述燃料流体时所需的理论氧量而得到的当量比，且对所述氧浓度的周期性变化和所述当量比的周期性变化设定相位差，从而将所述燃烧器的燃烧状态设为周期性振动状态。
(8)根据上述(6)或(7)所述的被加热物的加热装置，其特征在于，所述流量控制部以如下方式控制：在将所述燃料流体作为一次燃料及二次燃料供给到所述燃烧器时，按规定的流量供给向所述一次燃料供给管供给的所述一次燃料，并且增减向所述二次燃料供给管供给的所述二次燃料的流量。
(9)根据上述(6)或(7)所述的被加热物的加热装置，其特征在于，所述流量控制部以如下方式控制：在将所述燃料流体作为一次燃料及二次燃料供给到所述燃烧器时，按规定的流量供给向所述二次燃料供给管供给的所述二次燃料，并且增减向所述一次燃料供给管供给的所述一次燃料的流量。
(10)根据上述(6)～(9)中的任一项所述的被加热物的加热装置，其特征在于，所述燃烧器的所述一次氧气供给管的喷出口配置在与所述中心供给管中的所述一次燃料供给管及所述二次燃料供给管的喷出口相比向火焰喷出方向更突出的位置上。
(11)根据上述(6)～(10)中的任一项所述的被加热物的加热装置，其特征在于，所述燃烧器将空气及二次氧气作为所述助燃性气体向所述助燃性气体供给管供给。
根据本发明的被加热物的加热方法，由于采用通过逐渐增加向燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度来增加被加热物的升温速度的方法，能够在短时间内均匀地加热被加热物。由此，能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物(NOX)等的发生，并且能够高效地进行考虑环境的被加热物的干燥及加热。
另外，由于本发明的被加热物的加热装置具备：用于运算处理燃烧器的燃烧状态的运算处理部；和通过逐渐增加向燃烧器供给的助燃性气体中的氧浓度来增加被加热物的升温速度的流量控制部，因此与上述同样地能够在短时间内均匀地加热被加热物。由此，能够实现能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物等的发生且能高效地进行考虑环境的被加热物的干燥及加热的加热装置。
因此，在将本发明的被加热物的加热方法及加热装置应用于例如在炼铁或炼钢工厂中预加热用于运输铁水和钢液的铁水锅及钢液锅(浇包)的情况下，不会发生设置于浇包内表面上的耐火砖损坏等的现象，能够高效地进行考虑环境的干燥及加热，从这种观点看非常适合。
附图说明
图1是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是表示用于加热作为被加热物的熔融金属浇包时的加热装置的一例的示意性结构图。
图2是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是表示改变燃料流体及助燃性气体的流量以及助燃性气体中的氧浓度时的炉内温度与升温时间之间的关系的图表。
图3是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是表示设置于图1所示的加热装置的燃烧器的一例的俯视图。
图4是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是图3所示的燃烧器的A-A剖视图。
图5是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是图3所示的燃烧器的B-B剖视图。
图6是对作为本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行示意性说明的图，是表示助燃性气体中的氧浓度与绝热理论火焰温度之间的关系的图表。
具体实施方式
下面，适当参照图1～图6对应用本发明的一实施方式的被加热物的加热方法及加热装置进行说明。此外，为了便于理解特征，在以下说明中使用的附图中为了方便起见有时候放大表示特征部分，各结构要素的尺寸比率等并不一定与实际相同。另外，以下说明中举例说明的材料等为一例，本发明并不限定于这些材料，在不变更本发明要点的范围内可适当变更实施本发明。
本发明的被加热物的加热方法及加热装置能够应用于例如在炼铁或炼钢工厂中将为了运输铁水或钢液而使用的熔融金属浇包或中间包预加热的用途。在本实施方式中，以将如图1所示的熔融金属浇包10作为被加热物且预加热该熔融金属浇包10的情况为例进行说明。
<被加热物(熔融金属浇包)>
作为本实施方式中的被加热物的熔融金属浇包10是为了运输铁水或钢液而使用的容器，容器主体11的上部为开口11a。另外，在容器主体11的内表面11b上附着有未图示的耐热砖，该耐热砖用于保持铁水或钢液的温度。另外，对于图示例的熔融金属浇包10来说，容器主体11上部的开口11a被安装有燃烧器3及温度测量部6的炉盖12覆盖，该燃烧器3及温度测量部6设置于后述的加热装置1。
<被加热物的加热装置>
如图1所示，本实施方式的被加热物的加热装置1被大致构造为具备：燃烧器3，通过使燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)及助燃性气体G3燃烧而在上述熔融金属浇包10中形成火焰2，并且加热作为被加热物的熔融金属浇包10；流量控制部4，用于控制供给到燃烧器3的一次燃料M1、二次燃料M2、助燃性气体G3及氧气(一次氧气G1及二次氧气G2)各自的流量；和运算部5，基于由温度测量部6测量的温度进行运算处理，并且将其结果作为燃烧信息向流量控制部4发送。
燃烧器3通过形成火焰2来加热熔融金属浇包10的内表面11b。图示例的燃烧器3被安装为火焰2的喷出方向相对于构造熔融金属浇包10的炉盖12成为铅直下方，即被安装为在容器主体11的内部形成火焰2。燃烧器3通过从流量控制部4经由管道71、72、73、74、75分别供给流量得到控制的一次燃料M1、二次燃料M2、助燃性气体G3、一次氧气G1及二次氧气G2而形成火焰2。
更具体而言，如图3的俯视图、图4(图3中示出的A-A剖面)及图5(图3中示出的B-B剖面)的剖视图所示，本实施方式的燃烧器3具有：中心供给管30，沿燃烧器3的中心轴配置，并且供给一次燃料M1、二次燃料M2及一次氧气G1；和助燃性气体供给管35，在该中心供给管30的周围以同心状配置在至少一个部位(在图示例中为四个部位)，用于供给助燃性气体G3。
另外，图示例的燃烧器3还具备燃烧器块3A，该燃烧器块3A被形成为沿中心供给管30及助燃性气体供给管35的火焰喷出方向延伸，并且设置有用于将火焰及各种气体导出到外部的各流路。即，在燃烧器块3A中，用于收容上述中心供给管30的流道3a沿燃烧器3的中心轴形成，并且以同心状配置有总计四个部位的流道3b，该流道3b用于收容上述助燃性气体供给管35(及后述的二次氧气供给管34)。并且，中心供给管30及助燃性气体供给管和燃烧器块3A通过燃烧器块固定夹具3B被一体固定。
中心供给管30为在其内部从中心轴朝向外侧方向依次以同心状配置有一次燃料供给管31、二次燃料供给管32及一次氧气供给管33的三重管结构。由此，对于中心供给管30来说，一次燃料供给管31的内部为一次燃料M1的流道，一次燃料供给管31与二次燃料供给管32之间为二次燃料M2的流道，二次燃料供给管32与一次氧气供给管33之间为一次氧气G1的流道。
通过在一次燃料供给管31的供给口31b上连接图1所示的管道71而供给一次燃料M1，并且通过在二次燃料供给管32的供给口32b上连接管道72而供给二次燃料M2。另外，通过在一次氧气供给管33的供给口33b上连接管道73而供给一次氧气G1。
并且，被构造为从作为一次燃料供给管31的流道前端的喷出口31a朝向收容有中心供给管30的流道3a内喷出一次燃料M1，并且从二次燃料供给管32的喷出口32a朝向流道3a内喷出二次燃料M2。另外，被构造为从作为一次氧气供给管33的流道前端的喷出口33a朝向流道3a内喷出一次氧气G1。
另外，图示例的中心供给管30被配置为一次燃料供给管31的喷出口31a和二次燃料供给管32的喷出口32a处于同一面。另一方面，一次氧气供给管33的喷出口33a配置在与喷出口31a、32a相比向火焰喷出方向更突出的位置上。
另外，虽然在图3～图5中省略详细图示，但在俯视观察燃烧器3时，中心供给管30的一次燃料供给管31的喷出口31a、二次燃料供给管32的喷出口32a及一次氧气供给管33的喷出口33a分别形成为环状。
在本实施方式中，如上所述，通过以双重方式构造设置于中心供给管30的燃料供给管，在假设燃料的流速大幅变化的情况下，也能够将燃料的流速收敛在规定的范围内，能够抑制发生偏差。另一方面，在构造有一根燃料供给管时，例如在减少燃料流体的流量的状态下流速极度迟缓时，有可能火焰长度较短或燃烧不稳定。
另外，在本实施方式中，如上所述，由于喷出一次氧气G1的喷出口33a配置在与分别喷出一次燃料M1及二次燃料M2的喷出口31a、32a相比向火焰喷出方向更突出的位置上，因此能够以较高的燃烧效率形成由各燃料流体M1、M2及一次氧气G1形成的火焰2。
助燃性气体供给管35与燃烧器3的中心轴平行，其在中心供给管30的周围以同心状配置在至少一个部位(在图4等所示的例中为四个部位)，从而在中心供给管30的周围形成助燃性气体G3的气体流道。在本实施方式中，通过在助燃性气体供给管35的吸入口35b上连接管道75而供给助燃性气体G3。并且，助燃性气体供给管35被构造为从作为流道前端的俯视圆形状的喷出口35a朝向形成于燃烧器块3A的流道3b内喷出助燃性气体G3。另外，在图示例中，俯视观察燃烧器3时，助燃性气体供给管35的四个部位的喷出口35a被形成为分别在圆周上等距配置。
此外，如图5的剖视图(图3所示的B-B剖面)所示，燃烧器3以在设置于四个部位的助燃性气体供给管35中插入到经由燃烧器3的中心轴相对的两个部位的助燃性气体供给管35内的方式，具备用于供给二次氧气G2的二次氧气供给管34。另外，与助燃性气体供给管35同样，二次氧气供给管34与燃烧器3的中心轴平行，并且以同心状设置。通过在该二次氧气供给管34的供给口34b上连接管道74而供给二次氧气G2。并且，被构造为从二次氧气供给管34的作为流道前端的喷出口34a朝向收容有助燃性气体供给管35及二次氧气供给管34的流道3b内喷出二次氧气G2。另外，虽然在图5中省略详细图示，但在俯视观察燃烧器3时，二次氧气供给管34的总计两个部位的喷出口34a与助燃性气体供给管35同样被形成为分别在圆周上等距配置。
此外，在图4及图5(同时参照图3)中示出在设置于总计四个部位的助燃性气体供给管35中只在两个部位的内部设置有二次氧气供给管34的示例，但并不限定于此。例如，也可以在设置于四个部位的所有助燃性气体供给管35的内部设置有二次氧气供给管34。
此外，助燃性气体供给管35及二次氧气供给管34的设置数量例如也可以是六个部位或八个部位左右，可以在考虑能够维持燃烧器块3A的强度等的情况下适当确定其设置数量或设置位置。
通过采用如上所述的设置有二次氧气供给管34的结构，能够在助燃性气体供给管35的内部，向助燃性气体G3添加二次氧气G2。由此，能够适当调整助燃性气体G3中的氧浓度，例如能够在21体积％～100体积％的范围内调整氧浓度的同时供给助燃性气体G3。
如上所述，虽然在后面描述调整助燃性气体G3中的氧浓度的方法，但采用在一部分助燃性气体供给管35的内部未配置二次氧气供给管34的结构的情况下，进行例如根据需要停止供给来自该助燃性气体供给管35的助燃性气体G3的控制。即，通过在如图4所示的内部未配置二次氧气供给管34的助燃性气体供给管35中适当减少或停止助燃性气体G3的供给，从而能够将氧浓度提高至100体积％。
如图3～图5所示，燃烧器3以一次氧气供给管33的喷出口33a经由燃烧器块3A包围一次燃料供给管31的喷出口31a及二次燃料供给管32的喷出口32a的周围的方式配置。另外，四个部位的助燃性气体供给管35的喷出口35a以同心状配置在二次燃料供给管32的喷出口32a的周围。
根据上述结构，在使燃烧器3燃烧时，首先，以混合从喷出口31a、32a喷出的燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)和从喷出口33a喷出的一次氧气G1并从流道3a喷出的方式形成火焰2。
并且，在燃烧器3中，从四个部位的喷出口35a喷出由空气形成的助燃性气体G3，并且助燃性气体G3从流道3b喷出作用于火焰2，从而能够形成稳定的火焰2。
此外，关于上述各结构中的燃烧器的喷嘴排列或各喷出口的配置、形状、角度及数量等，在不脱离本发明的范围内也可以采用适当设定的结构。
如上所述，设置于本实施方式的加热装置1的燃烧器3在二次燃料供给管32的周围配置有一次氧气供给管33。由此，提高分别喷出一次燃料M1及二次燃料M2的喷出口31a、32a附近的点火性，从而能够有助于形成稳定的火焰2。
另外，如上所述，燃烧器3在喷出一次燃料M1及二次燃料M2的喷出口31a、32a及喷出一次氧气G1的喷出口33a周围的四个部位经由燃烧器块3A以圆周状配置有喷出助燃性气体G3的喷出口35a。由此，从喷出口35a喷出的助燃性气体G3优良地作用于火焰，能够形成稳定的火焰2。此外，在供给经添加二次氧气G2而提高氧浓度的气体作为助燃性气体G3的情况下，富氧分子的助燃性气体G3更优良地作用于火焰，能够形成进一步稳定的火焰2，并且能够将被加热物(熔融金属浇包1)均匀地加热至高温域。
如上所述，流量控制部4控制供给到燃烧器3的一次燃料M1、二次燃料M2、助燃性气体G3、一次氧气G1及二次氧气G2各自的流量的同时，朝向燃烧器3的各管供给燃料及各种气体。
设置于本实施方式的加热装置1的流量控制部4基于由后述的运算部5输入的燃烧信息，以分别增加或减少向燃烧器3供给的燃料流体M1、M2及助燃性气体G3的流量的方式控制。由此，流量控制部4进行增加向燃烧器3供给的助燃性气体G3中的氧浓度或减少作为被加热物的熔融金属浇包10的升温速度等的控制。
另外，流量控制部4在内部具备多个开闭阀41、42、43、44、45。
开闭阀41控制经由管道71供给到燃烧器3的一次燃料供给管31中的一次燃料M1的流量。另外，开闭阀42控制经由管道72供给到燃烧器3的二次燃料供给管32中的二次燃料M2的流量。
开闭阀43控制经由管道73供给到燃烧器3的一次氧气供给管33中的一次氧气G1的流量。另外，开闭阀44控制经由管道74供给到燃烧器3的二次氧气供给管34中的二次氧气G2的流量。
开闭阀45控制经由管道75供给到燃烧器3的助燃性气体供给管35中的助燃性气体G3的流量。
从流量控制部4朝向燃烧器3作为燃料流体供给的一次燃料M1及二次燃料M2只要是适合作为燃烧器3的燃料，则不受特别限定，例如除液化天然气(LNG)以外还可列举液化石油气(LPG)或丁烷气体等。
另外，作为从流量控制部4朝向燃烧器3供给的一次氧气G1及二次氧气G2，优选使用纯氧。然而，由于从工业生产方面看，使用纯度为100体积％的纯氧在成本方面不利，没有必要必须使用100体积％的纯氧，也可以适当使用期望的氧浓度例如氧浓度约为90体积％以上的富氧气体。
另外，作为从流量控制部4朝向燃烧器3供给的助燃性气体G3，例如可使用从大气中提取的空气，也可以使用在该空气中进一步添加二次氧气G2后的气体。此外，作为本实施方式中说明的助燃性气体G3，使用含氧分子的气体，即典型地使用空气，也可以使用如上所述的通过添加二次氧气G2而调整氧浓度后的气体。
此外，在本实施方式的加热装置1中，优选流量控制部4进一步具备如下的功能。
例如，流量控制部4也可以以如下方式控制：即，周期性地改变向燃烧器3供给的助燃性气体G3中的氧浓度的同时逐渐增加该氧浓度，并且使一次燃料M1及二次燃料M2的流量或助燃性气体G3的流量中的至少一种周期性地变化。与此同时，流量控制部4也可以以如下方式控制：即，通过周期性地改变将向燃烧器3供给的总氧量除以完全燃烧一次燃料M1及二次燃料M2时所需的理论氧量而得到的当量比，并且对氧浓度的周期性变化和当量比的周期性变化设定相位差，从而将燃烧器3的燃烧状态设为周期性振动状态。
另外，也可以以分别独立地改变一次燃料M1和二次燃料M2的流量以及助燃性气体G3的流量的方式构造流量控制部4。
如上所述，作为通过周期性地改变燃料流体或助燃性气体G3的流量或者周期性地改变向燃烧器3供给的总氧量而将燃烧器3的燃烧状态设为周期性振动状态的方法，例如可列举通过开闭设置于流量控制部4的各开闭阀41、42、43、44、45而改变各种气体流量的方法等。
另外，流量控制部4也可以以如下方式控制：即，在将一次燃料M1及二次燃料M2供给到燃烧器3时，按规定的流量供给向一次燃性供给管31供给的一次燃料M1，并且增减向二次燃料供给管32供给的二次燃料M2的流量。
或者，流量控制部4也可以以如下方式控制：即，在将一次燃料M1及二次燃料M2供给到燃烧器3时，按规定的流量供给向二次燃料供给管32供给的二次燃料M2，并且增减向一次燃料供给管31供给的一次燃料M1的流量。
运算部5基于由设置于熔融金属浇包10的后述的温度测量部6测量的熔融金属浇包10内的温度测量值进行运算处理，并且将其结果作为熔融金属浇包10内部(炉内)的火焰2的燃烧状态信息向流量控制部4输出。
如上所述，温度测量部6设置在熔融金属浇包10内，温度测量部6用于测量炉内温度，并且将其值发送给运算部5。作为温度测量部6，例如能够毫无限制地使用热电偶等的温度检测机构。
此外，在本实施方式中，为了及时应对熔融金属浇包10的炉内状况，例如也可以在熔融金属浇包10内配置有温度测量部6以外的检测器(未图示)。另外，也可以具备顺序程序，该顺序程序以由该检测器检测出的数据为基础，掌握熔融金属浇包10内的状况，并且自动适当变更燃料流体或者氧气或助燃性气体的流量等。
在本实施方式中，可从氧浓度低的状态开始加热熔融金属浇包10，并且与熔融金属浇包10的内壁的温度上升相应地缓慢提高氧浓度，从而缓慢提高温度上升率，并且高效地加热熔融金属浇包10。
另外，通过周期性地改变氧浓度及氧比，并且对这些周期性变化设置相位差，从而能够抑制在燃烧废气中产生氮氧化物(NOX)。
<被加热物的加热方法>
关于本实施方式的被加热物的加热方法，列举出使用如图1所示的加热装置1(同时参照图3～图5所示的燃烧器)来预干燥为了运输铁水或钢液而使用的熔融金属浇包10的示例，并在下面进行详细描述。
本实施方式的加热方法为如下的方法：该方法向燃烧器3供给一次燃料M1和二次燃料M2(燃料流体)以及助燃性气体G3，并且以形成的火焰2为热源来加热作为被加热物的熔融金属浇包10。并且，在本实施方式中，通过逐渐增加向燃烧器3供给的助燃性气体G3中的氧浓度来增加作为被加热物的熔融金属浇包10的升温速度。在以下所示的示例中，对如下的方法进行说明，该方法在熔融金属浇包10冷却至室温时，使用空气作为助燃性气体G3，并且通过在该助燃性气体G3中添加二次氧气G2来逐渐增加氧浓度的同时，对熔融金属浇包10进行加热。
[被加热物的加热顺序]
如图1所示，在利用本实施方式的加热方法来加热作为被加热物的熔融金属浇包1时，通过由安装在炉盖12上的燃烧器3形成的火焰2，加热熔融金属浇包1的容器主体11的内表面11b。此时，由燃烧器3形成的火焰2朝向铅直下方延伸，均匀地加热内表面11整体。
燃烧器3被构造为通过从上述流量控制部4分别供给由如以下说明的方法控制流量后的一次燃料M1、二次燃料M2、助燃性气体G3、一次氧气G1及二次氧气G2而形成最适合加热熔融金属浇包1的火焰2。
[流体燃料、氧气及助燃性气体的供给量的控制]
如上所述，本发明人彻底查明在以燃烧器3的火焰为热源来加热被加热物时，缓慢增加供给到燃烧器3的助燃性气体G3中的氧浓度的情况下能够在短时间内均匀地加热被加热物，从而完成了本发明。
在此，在图2的图表中示出改变燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)及助燃性气体G3的流量以及助燃性气体3中的氧浓度的情况下的熔融金属浇包10的炉内温度T与升温时间t之间的关系。
本实施方式的加热方法可通过将含氧分子的空气作为助燃性气体G3使用，并且在该空气中缓慢添加二次氧气G2，增加助燃性气体G3中的氧浓度，从而缓慢增加向燃烧器3供给的助燃性气体G3中的氧浓度。即，如图2的图表所示，在使用空气作为助燃性气体G3的情况下，该助燃性气体G3中的氧浓度为约21体积％(空气中的氧浓度)。并且，通过向助燃性气体G3缓慢添加二次氧气G2，助燃性气体G3中的氧浓度从燃烧开始时的约21体积％最终逐渐增加至约100体积％。在此，当在助燃性气体G3中的氧浓度为21体积％的状态下使之燃烧时，二次氧气G2的供给量为0(零)。另一方面，在通过缓慢增加二次氧气G2的供给量而将氧设为100体积％时，最初包含在助燃性气体G3中的氧以外的气体的供给量为0(零)。
在本实施方式的加热方法中，首选，向燃烧器3供给一次燃料M1及二次燃料M2和使这些各燃料流体燃烧时所需的量的助燃性气体G3来形成火焰2。如图2的图表所示，此时的助燃性气体G3中的氧浓度为约21体积％。
在此，从火焰2向熔融金属浇包10传递的传热效率大幅依赖于这些火焰2与作为被加热物的熔融金属浇包10的温度差。因此，在燃烧器3的燃烧条件即助燃性气体G3中的氧浓度和燃料流体的供给量恒定的情况下，熔融金属浇包10的炉内温度从室温上升至T1(图2的图表中的升温时间t＝0～t1的范围)。另一方面，随着熔融金属浇包10的炉内温度升高，上述传热效率下降。
因此，在本实施方式中，伴随因由燃烧器3形成的火焰2的加热产生的熔融金属浇包10内的温度上升，向助燃性气体G3中添加二次氧气G2，并且缓慢增加该二次氧气G2的供给量。由于助燃性气体G3中的氧浓度增加，由燃烧器3形成的火焰2的燃烧温度也缓慢升高(图2的图表所示的升温时间t＝t1～t2的范围)。伴随此，熔融金属浇包10的炉内温度也在图2的图表所示的炉内温度T1～T2的范围内上升。
通过采用这种方法，在熔融金属浇包10变凉的情况下能够降低由燃烧器3产生的火焰2的温度，然后缓慢提升火焰温度，因此能够防止在熔融金属浇包10内生成局部而急剧的温度上升。
并且，在熔融金属浇包10内的温度上升至规定的温度例如1,200℃附近的情况下，优选进一步提升火焰温度(图2的图表所示的升温时间t＝t2～t3的范围)。在该情况下，增加添加到助燃性气体G3的二次氧气G2的量，最终将作为助燃性气体供给到燃烧器3的气体的全量置换为氧(图2的图表中的升温时间t＝t3～t4的范围)。此时的熔融金属浇包10的炉内温度上升至图2的图表所示的炉内温度T3。
如上所述，如果通过向助燃性气体G3添加二次氧气G2，从而供给到燃烧器3的助燃性气体供给管35中的气体缓慢置换为氧，则由于空气中含有的对燃烧无用的氮和氩不断减少，因此如向熔融金属浇包10的外部夺走热量的燃料废气量也减少。由此，能够得到降低用于获得单位热量的燃料流体的供给量的效果。在图2的图表所示的示例中可知，当燃烧开始时的燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)的流量设为100时，助燃性气体G3的氧浓度增加至100体积％时的燃料流体的流量能够降低至一半即50。
另一方面，在使用一般的燃烧器的情况下，如果燃料流量减少则有可能燃烧器的火焰长度变短。如果火焰处于这种状态，则产生不仅无法充分加热远离熔融金属浇包内的燃烧器的部位，而且难以均匀地加热熔融金属浇包整体的问题。
因此，在本实施方式中，当供给到燃烧器3的助燃性气体G3中的氧浓度逐渐增加时，优选经时周期性地改变供给到燃烧器3的燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)总体的流量或助燃性气体G3的流量中的至少一种。与此同时，优选通过对供给到燃烧器3的助燃性气体G3中包含的氧浓度赋予周期性的变化，从而周期性地改变氧比，并且对氧浓度的周期性变化和氧比的周期性变化设定相位差来将燃烧器3的燃烧状态设为周期性振动状态(振动燃烧)。如此，通过使燃烧器3以周期性振动状态燃烧，在熔融金属浇包10内生成由燃烧器3产生的燃烧气体的对流，从而能够均匀地加热熔融金属浇包10的内表面11b。
在将燃烧器3的燃烧状态设为周期性振动状态时，可采用通过开闭如上所述的设置于流量控制部4的各开闭阀41、42、43、44、45而适当地改变一次燃料M1、二次燃料M2、一次氧气G1、二次氧气G2及助燃性气体G3各自的流量的方法。
在此，本实施方式中说明的氧浓度的周期性变化是指供给到燃烧器3的总氧量(用于一次氧气G1、二次氧气G2及助燃性气体G3的空气中包含的氧的总量)中的氧浓度发生变化。
另外，本实施方式中说明的氧比由供给到燃烧器3的总氧量与燃料流体(二次氧气G2及助燃性气体G3)的供给量之间的关系确定，是指供给到燃烧器3的总氧量除以完全燃烧一次燃料M1及二次燃料M2时所需的理论氧量而得到的当量比。因此，从理论上看，氧比为1.0的状态可以是能够使用恰到好处的氧进行完全燃烧的状态。
此外，在燃料流体使用LNG时所需的理论氧量还依赖于LNG的组成，以摩尔比计大约为LNG的2.3倍左右。
此外，在本实施方式中设定一次燃料M1及二次燃料M2的流量周期性变化与上述氧浓度及氧比的周期性变化之差的情况下，还能够得到抑制发生燃烧器3的燃烧时生成的氮氧化物(NOX)的效果。
如上所述，在设为与作为被加热物的熔融金属浇包10的温度上升同步地提高供给到燃烧器3的助燃性气体G3中的氧气的增加速度的方法的情况下，能够防止从燃烧器3向被加热物(熔融金属浇包10)传递的传热效率(辐射传热或对流传热的效率)下降。由此，能够高效地加热被加热物。
此外，例如由下述式(1)表示上述辐射传热。
[数学式1]
其中，上述式(1)中的各符号的值如下。
Q：传热量
ε：辐射率
σ：斯特凡-波耳兹曼常数
Tf：火焰温度
Ts：被加热物温度
另外，例如由下述式(2)表示上述对流传热。
[数学式2]
Q＝h(Tf-Ts)······(2)
其中，上述式(2)中的各符号的值如下。
Q：传热量
h：传热率
Tf：火焰温度
Ts：被加热物温度
另外，助燃性气体G3中的氧浓度与火焰2的温度之间的关系例如为如图6的图表所示的关系。图6是表示助燃性气体G3中的氧浓度与绝热理论火焰温度之间的关系的图表。
在图6所示的图表曲线中，伴随助燃性气体G3中的氧浓度上升，火焰2的温度也以描绘缓慢的曲线的方式上升，在氧浓度为100体积％的情况下，绝热理论火焰温度为约2,780℃。
通过利用如上所述的加热方法来加热被加热物，从而随着被加热物的温度成为高温，供给到燃烧器3的助燃性气体G3中的氧浓度变高，因此传热效率提高，其结果降低燃烧器3的燃料供给量。因此，本实施方式中使用的燃烧器3优选为能够大幅确保燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)的流量的调整幅度。如此，为了大幅确保燃料流体的流量的调整幅度，不论其流量大小如何，谋求以能够进一步确保燃烧器3中的燃烧状态的稳定性的方式构造燃烧器3。
因此，在本实施方式使用的燃烧器3中，如上所述，在燃烧器3的中心轴上配置有供给一次燃料M1的一次燃料供给管31，并且以包围该一次燃料供给管31的周围的方式配置有供给二次燃料M2的二次燃料供给管32。由此，例如可以以如下方式控制：在燃料流体(一次燃料M1及二次燃料M2)的流量较小的情况下，只使用一次燃料供给管31来供给燃料流体，在燃料流体的流量较大的情况下，在一次燃料供给管31的基础上使用二次燃料供给管32来供给燃料流体。通过以上述方式构造燃烧器3，能够进一步提高火焰2的形成状态即燃烧状态的稳定性。能够利用流量控制部4来控制此时的向一次燃料供给管31及二次燃料供给管32供给的燃料流体的有无。
在此，如上所述，在燃料流体供给管只为一根的结构的情况下，由于燃料流体供给管的剖面面积恒定，因此在向燃烧器供给的燃料流体的供给量少时，导致燃料流体的流速减小，有可能无法稳定地形成火焰。在本实施方式中，使用具备上述结构的中心供给管30的燃烧器3，因此在燃料流体的流量及流速为何种状态，也能够形成稳定的火焰2。
<作用效果>
如以上说明，根据本实施方式的被加热物的加热方法，采用通过逐渐增加供给到燃烧器3的助燃性气体G3中的氧浓度来增加作为被加热物的熔融金属浇包10的升温速度的方法，能够在短时间内均匀地加热熔融金属浇包10。由此，能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物(NOX)等的发生，并且能够高效地进行考虑环境的熔融金属浇包10的干燥及加热。
另外，本实施方式的被加热物的加热装置1由于具备：用于运算处理燃烧器3的燃烧状态的运算处理部5；和通过逐渐增加向燃烧器3供给的助燃性气体G3中的氧浓度来增加熔融金属浇包10的升温速度的流量控制部4，因此与上述同样地能够在短时间内均匀地加热熔融金属浇包10。
产业上的可利用性
本发明的被加热物的加热方法及加热装置能够在比以往短的时间内均匀地加热被加热物，并且能够大幅削减二氧化碳和氮氧化物等的发生。因此，在将本发明应用于例如在炼铁或炼钢工厂中预加热用于运输铁水和钢液的铁水锅及钢液锅(浇包)的情况下，不会发生设置于浇包内表面上的耐火砖损坏等的现象，能够高效地进行考虑环境的干燥及加热，从这种观点看非常适合。
附图标记说明
1…被加热物的加热装置
2…火焰
3…燃烧器
3A…燃烧器块
3B…燃烧器块固定夹具
30…中心供给管
31…一次燃料供给管
31a…喷出口
31b…供给口
32…二次燃料供給管
32a…喷出口
32b…供给口
33…一次氧气供给管
33a…喷出口
33b…供给口
34…二次氧气供给管
34a…喷出口
34b…供给口
35…助燃性气体供给管
35a…喷出口
35b…供给口
4…流量控制部
41、42、43、44、45…开闭阀
5…运算部
6…温度测量部
61…检测体
62…温度计
71、72、73、74、75…管道
10…熔融金属浇包(被加热物)
11…容器主体
11a…开口
11b…内表面
12…炉盖
M1…一次燃料(燃料流体)
M2…二次燃料(燃料流体)
G1…一次氧气
G2…二次氧气
G3…助燃性气体(还包含二次氧气G2)

Claims (11)

1.一种被加热物的加热方法，向燃烧器供给燃料流体及助燃性气体并以使该燃料流体及该助燃性气体燃烧而成的火焰为热源来加热被加热物，其特征在于，
通过逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度。
2.根据权利要求1所述的被加热物的加热方法，其特征在于，
通过周期性地改变并逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度的同时周期性地改变所述燃料流体的流量和所述助燃性气体的流量中的至少一种，并且周期性地改变向所述燃烧器供给的总氧量除以完全燃烧所述燃料流体时所需的理论氧量而得到的当量比，且对所述氧浓度的周期性变化和所述当量比的周期性变化设定相位差，从而将所述燃烧器的燃烧状态设为周期性振动状态。
3.根据权利要求2所述的被加热物的加热方法，其特征在于，
对所述燃料流体的流量的周期性变化和所述氧浓度及所述氧比的周期性变化设定相位差。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的被加热物的加热方法，其特征在于，
所述助燃性气体中的氧浓度的增加速度与所述被加热物的温度上升同步。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的被加热物的加热方法，其特征在于，
所述被加热物为在炼钢制造工艺中使用的浇包或中间包。
6.一种被加热物的加热装置，其特征在于，
在权利要求1～5中的任一项所述的被加热物的加热方法中使用所述加热装置，
所述加热装置至少具备：用于使燃料流体及助燃性气体燃烧来加热被加热物的燃烧器；用于控制向所述燃烧器供给的所述燃料流体及所述助燃性气体的流量的流量控制部；和基于所述燃烧器的燃烧状态进行运算处理并将燃烧信息发送给所述流量控制部的运算部，
所述燃烧器至少具备：沿该燃烧器的中心轴配置且供给所述燃料流体及一次氧气的中心供给管；和在该中心供给管的周围以同心状配置且用于供给所述助燃性气体的至少一个助燃性气体供给管，
所述中心供给管具有：配置在所述燃烧器的中心轴上的一次燃料供给管；以包围该一次燃料供给管的周围的方式配置的二次燃料供给管；和以包围该二次燃料供给管的方式配置的一次氧气供给管，
所述流量控制部基于由所述运算部输入的所述燃烧信息，分别增加或减少向所述燃烧器供给的所述燃料流体及所述助燃性气体的流量，从而逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度来增加所述被加热物的升温速度。
7.根据权利要求6所述的被加热物的加热装置，其特征在于，
所述流量控制部进一步以如下方式控制：通过周期性地改变并逐渐增加向所述燃烧器供给的所述助燃性气体中的氧浓度的同时周期性地改变所述燃料流体的流量和所述助燃性气体的流量中的至少一种，并且周期性地改变向所述燃烧器供给的总氧量除以完全燃烧所述燃料流体时所需的理论氧量而得到的当量比，且对所述氧浓度的周期性变化和所述当量比的周期性变化设定相位差，从而将所述燃烧器的燃烧状态设为周期性振动状态。
8.根据权利要求6或7所述的被加热物的加热装置，其特征在于，
所述流量控制部以如下方式控制：在将所述燃料流体作为一次燃料及二次燃料供给到所述燃烧器时，按规定的流量供给向所述一次燃料供给管供给的所述一次燃料，并且增减向所述二次燃料供给管供给的所述二次燃料的流量。
9.根据权利要求6或7所述的被加热物的加热装置，其特征在于，
所述流量控制部以如下方式控制：在将所述燃料流体作为一次燃料及二次燃料供给到所述燃烧器时，按规定的流量供给向所述二次燃料供给管供给的所述二次燃料，并且增减向所述一次燃料供给管供给的所述一次燃料的流量。
10.根据权利要求6～9中的任一项所述的被加热物的加热装置，其特征在于，
所述燃烧器的所述一次氧气供给管的喷出口配置在与所述中心供给管中的所述一次燃料供给管及所述二次燃料供给管的喷出口相比向火焰喷出方向更突出的位置上。
11.根据权利要求6～10中的任一项所述的被加热物的加热装置，其特征在于，
所述燃烧器将空气及二次氧气作为所述助燃性气体向所述助燃性气体供给管供给。
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