JP2004077006A

JP2004077006A - 連続式加熱炉及びその操業方法

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Publication number: JP2004077006A
Application number: JP2002236831A
Authority: JP
Inventors: Yoshimoto Fujii; 藤井　良基; Tatsuya Shimada; 島田　達哉; Koichi Takashi; 高士　弘一; Takamitsu Kusada; 艸田　隆充
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】設備費や運転費を増大させることなく、低燃焼負荷時においても安定した燃焼状態を維持することができると共にスラブの歩留り低下や品質低下を防止することができる連続式加熱炉及びその操業方法を提供する。
【解決手段】加熱用バーナを備えた連続式加熱炉において、前記加熱用バーナの少なくとも１つが、一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナ２とする。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラブの加熱を行う連続式加熱炉及びその操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続式加熱炉として一般的に用いられるウォーキングビーム式加熱炉においては、被加熱物であるスラブは装入口から炉内に搬入され、順次炉内を搬送されながら所定の温度に加熱された後、抽出側から炉外に搬出される。このような連続式加熱炉は、装入口側より、予熱帯、加熱帯、均熱帯等の各帯に分けることができ、通常、常温ないしは数百℃のスラブを１１００〜１２５０℃程度まで加熱しており、一時間当たり数百トン程度の鋼材を熱処理できる能力を持っている。
【０００３】
スラブの熱処理においては、スラブの種類や厚さによって目標とする加熱温度が異なる場合があり、目標加熱温度によって加熱用バーナの燃焼負荷を調整する必要がある。最近の連続式加熱炉の操業においては、小ロット多品種生産に対応させるため、加熱用バーナの燃焼負荷の変動量が大きくなっており、バーナの燃焼負荷もかなりの低負荷となる場合での運転が増えてきている。低燃焼負荷運転の場合、酸素含有ガスおよび燃料のバーナ出口における運動量の減少によって火炎（フレーム）の舞い上がり現象が生じ、火炎の方向性を維持することができず、炉内における温度分布が大きくなり、スラブを均一に加熱することが困難となる。
【０００４】
このような低燃焼負荷時の不都合を解消する方法として、特開平７−４２９２１号公報には、バーナ中心部に設けられた燃料ガス供給管の中に蒸気供給管を設け、低負荷燃焼時に蒸気を噴出させることにより、火炎の直進性及び燃焼の安定性を向上させる方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平７−４２９２１号公報に開示された蒸気を用いる方法は、蒸気供給配管をバーナ内に敷設するためバーナ構造が複雑化し、さらに蒸気供給装置等の設置や蒸気発生のためのエネルギーも必要となり、設備費及び運転費を増大させるといった問題がある。また、炉内に水蒸気を添加するためスラブの酸化が促進され歩留り低下やスケール疵発生による品質低下の問題がある。
【０００６】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、設備費や運転費を増大させることなく、低燃焼負荷時においても安定した燃焼状態を維持することができると共にスラブの歩留り低下や品質低下を防止することができる連続式加熱炉及びその操業方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
［１］加熱用バーナを備えた連続式加熱炉において、前記加熱用バーナの少なくとも１つが、一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナであることを特徴とする連続式加熱炉。
［２］上記［１］において、酸素含有ガス吹込ノズルおよび／又は燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルに、燃焼排ガス、窒素、アルゴン、炭酸ガスの内の１種又は２種以上のガスを供給するための配管を接続することを特徴とする連続式加熱炉。
［３］上記［１］又は［２］において、炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有し、その内の少なくとも１つの領域が不完全燃焼領域となる連続式加熱炉であって、前記不完全燃焼領域に管状火炎バーナを配置したことを特徴とする連続式加熱炉。
［４］上記［１］乃至［３］のいずれかにおいて、炉内に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するためのガス供給口を有する連続式加熱炉であって、前記ガス供給口の内の少なくとも２つ以上のガス供給口に蓄熱体を配置し、前記蓄熱体を配置したガス供給口に接続されるガス供給系にガス供給口から炉内ガスを吸引可能とする手段を備えたことを特徴とする連続式加熱炉。
［５］上記［４］に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、蓄熱体を配置したガス供給口に、炉内ガスと二次燃焼用の酸素含有ガスとを交互に通過させることにより、炉内に供給される二次燃焼用酸素含有ガスの予熱を行うことを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る連続式加熱炉の一実施形態を示す概略構成の断面図である。
【０００９】
図１に示す加熱炉は、加熱炉１の炉壁に複数設けられた加熱用のサイドバーナの少なくとも１つを管状火炎バーナ２としたものである。ここで、管状火炎バーナ２の設置数及び設置場所には特に制限は無く、炉構造や操業条件等により適宜変更され得る。なお、図１においては、一例として、予熱帯、加熱帯、均熱帯の各領域に配置された加熱用のバーナの半数（上下それぞれひとつ置き）を管状火炎バーナ２とした場合を示したものである。
【００１０】
前記管状火炎バーナ２の詳細を図２を用いて説明する。なお、管状火炎バーナの基本的な構成は特開平１１−２８１０１５号公報に示したものと同様である。
【００１１】
図２（ａ）は管状火炎バーナ２の側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。３は管状の燃焼室であり、一端が開放されて燃焼ガスの排出口になっている。この燃焼室３の周囲には、酸素含有ガスおよび燃料を別々に吹き込む酸素含有ガス吹込ノズル４ａおよび燃料吹込ノズル４ｂ、あるいは酸素含有ガスと燃料を予混合して吹き込む予混合物吹込ノズル（図示せず）が設けられている。これらのノズルは、燃焼室３に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向になるように設けられており、酸素含有ガスおよび燃料の吹き込みによって、燃焼室３内に旋回流が形成されるようになっている。そして、ノズルの先端部の形状を扁平に形成し、かつその開口面積を絞ることにより、燃焼室内に高速の旋回流を形成することができる。５は点火プラグ、６は火炎を示す。
【００１２】
なお、図２においては、酸素含有ガス吹込ノズル４ａと燃料吹込ノズル４ｂを別々に設けているが、酸素含有ガスと燃料を予め混合してから吹き込むようにしてもよい。また、それぞれのノズルの数及び設置位置は特に限定されるものではなく、装置構成等により適宜選択され得る。
【００１３】
ここで、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。また、燃料としては、例えば、ＬＮＧ、プロパンガス、灯油、重油および鉄鋼製造プロセスにおいて副生されるコ−クス炉ガス（Ｃガス）、高炉ガス（Ｂガス）、転炉ガス（ＬＤガス）等を用いることができる。
【００１４】
上記のように構成されたバーナにおいて、ノズル４から吹き込まれて旋回流を形成している混合気に点火すると、燃焼室３内のガスが密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁側には未燃焼のガスが存在するようになる。
【００１５】
また、内壁近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っており、火炎が内壁近傍までは伝播しないので、燃焼室３内には火炎が管状の形になって生成する。燃焼室の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室３の壁面が直接的に加熱されて高温に曝されることはない。燃焼室３内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間に、内壁側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。
【００１６】
上記の構成とすることにより、燃焼室３内においては、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
【００１７】
このように安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼ガスを発生させることができる。また、燃料ガス成分が非常に希薄な極低発熱量のガスでも安定して燃焼させることができるので、安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。
【００１８】
以上のように、加熱炉に設けられた加熱用のバーナを管状火炎バーナとすることにより、例えば、目標加熱温度の低いスラブを加熱するため低負荷燃焼を行う場合においても、燃焼を安定して行えるため炉内の温度分布を均一に保つことができ、スラブを均一に加熱することができる。また、燃焼を安定させるために蒸気を供給する必要が無いので、スラブの歩留り低下や品質低下を防止することができる。
【００１９】
ここで、図１に示した加熱炉の構成における操業方法としては、例えば、予熱帯、加熱帯、均熱帯の各領域に配置されたバーナの燃焼容量を同一とし、各領域の燃焼負荷が５０％を超える場合は全てのバーナの負荷を均等にするように運転し、各領域の燃焼負荷が５０％以下となる場合には管状火炎バーナのみを燃焼させるように運転することで、管状火炎バーナ以外のバーナからの火炎の舞い上がり現象を防止でき炉内温度をより均一性良く制御することができる。
【００２０】
また、管状火炎バーナに設けられた酸素含有ガス吹込ノズル４ａおよび／又は燃料吹込ノズル４ｂ、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルには、燃焼排ガス、窒素、アルゴン、炭酸ガスの内の１種又は２種以上のガスを供給するための配管を接続することが好ましい。ここで、前記燃焼排ガスとしては、例えば、加熱炉内から抜き出した高温の燃焼ガス等を用いることができる。高温の燃焼ガスを前記ノズルに供給することにより、バーナ内での燃焼効率をより向上させることができる。
【００２１】
管状火炎バーナに設けられた酸素含有ガス吹込ノズル４ａおよび／又は燃料吹込ノズル４ｂ、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルに希釈ガスとして燃焼排ガス、窒素、アルゴン、二酸化炭素の内の１種又は２種以上のガスを供給することにより、低負荷燃焼で燃料の流量を減らした場合においても、管状火炎バーナによる安定した燃焼は維持しつつ、管状火炎バーナから排出される燃焼排ガスの噴出流速をあまり変化させること無く排出ガスの温度を下げることが可能となる。これにより、低負荷燃焼を行った場合においても、炉内の温度分布をより均一に保つことができ、スラブをより均一に加熱することができる。
【００２２】
また、炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域、例えば予熱帯、加熱帯、均熱帯等を有し、その内の少なくとも１つの領域が不完全燃焼領域となる連続式加熱炉の場合においては、前記不完全燃焼領域に管状火炎バーナを配置することが好ましい。不完全燃焼させるためには、バーナに供給する酸素含有ガスの量を理論空気比以下（０．４５〜０．９８程度）とする必要があるが、前記バーナに管状火炎バーナを用いることにより安定した燃焼が可能となるからである。さらに、燃料の発熱量変動に対しても、管状火炎バーナでは、バーナ内に管状火炎が存在することで燃焼が安定し、すすの発生や火炎の吹き飛び等の不安定な燃焼状況は発生しない。
【００２３】
また、炉内に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するためのガス供給口を複数有する連続式加熱炉の場合においては、前記ガス供給口の内の少なくとも２つ以上のガス供給口に蓄熱体を配置し、前記蓄熱体を配置したガス供給口に接続されるガス供給系にガス供給口から炉内ガスを吸引可能とする手段を備えることが好ましい。
【００２４】
図３は、蓄熱体を配置した２つの二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂを炉壁に設けられた管状火炎バーナ２を挟んで配した場合の一例を示す概略構成図である。ここで、前記二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂは、炉内に供給される二次燃焼用酸素含有ガスが蓄熱体１０を通過する構造になっている。炉内に吹き込まれる二次燃焼用酸素含有ガスが蓄熱体１０を通過する際に、蓄熱体１０に蓄えられた熱により高温化され、炉内に導入される。
【００２５】
蓄熱体を配置した２つの二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂは、図３に示すように、例えば４方バルブ１１を介して押込ブロワ１２が接続されている。前記二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂは、４方バルブ１１の切替により交互に高温の二次燃焼用酸素含有ガスの吹き出しと、炉内ガスの吸引を行う。なお、炉内ガスの吸引系には吸引ブロワを接続してもよい。
【００２６】
切り替えは、あらかじめ設定された時間で切り替えても良く、任意に設定可能とすることもできる。炉内ガスの吸引時に蓄熱体１０は、排ガスの顕熱を蓄熱し、逆にガス吹き出し時には、蓄熱体１０に蓄えられた熱によりブロワから供給される二次燃焼用酸素含有ガスが高温化されて、炉内に導入される。なお、炉内から吸引されたガスは、再び炉内に戻されるか、あるいは排ガス処理した後に大気放出される。
【００２７】
高温化された二次燃焼用酸素含有ガスにより、炉内での燃焼の反応性が上がり、二次燃焼が効率よく行われ、低ＮＯｘ化、低ＳＰＭ化に貢献する。さらに、排ガスの顕熱を有効に活用できるため省エネルギー化を図ることができる。
【００２８】
また、管状火炎バーナ２を挟んで配された二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂによる吹き出しと取り込みを切り替えることにより、炉内におけるガスの攪拌が促進され、炉内での局所的な高低温部や酸素の過不足を防ぐことができ、燃焼に必要な最小限の空気量または燃料流量での燃焼が可能となり、燃焼に必要な空気量の上限または下限を拡張することができる。この結果として、さらなる低ＮＯｘ化、低ＳＰＭ化を図ることが可能となる。
【００２９】
なお、上述の二次燃焼用酸素含有ガス供給口９ａ，９ｂ及び管状火炎バーナ２の配置は図３に示した場合に限定されるものではなく、加熱炉の形状及び操業条件等により適宜変更され得る。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、設備費や運転費を増大させることなく、低燃焼負荷時においても安定した燃焼状態を維持することができると共にスラブの歩留り低下や品質低下を防止することができる連続式加熱炉及びその操業方法が提供される。
【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概略構成の断面図である。
【図２】（ａ）管状火炎バーナの側断面図である。
（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。
【図３】
蓄熱体を配置した２つの二次燃焼用酸素含有ガス供給口を炉壁に設けられた管状火炎バーナを挟んで配した場合の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１　加熱炉
２　管状火炎バーナ
３　燃焼室
４　ノズル
５　点火プラグ
６　火炎
９ａ，９ｂ　二次燃焼用酸素含有ガス供給口
１０　蓄熱体
１１　４方バルブ
１２　押込ブロワ

Claims

加熱用バーナを備えた連続式加熱炉において、
前記加熱用バーナの少なくとも１つが、一端が炉内に開放された管状の燃焼室と、該燃焼室に対し、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられた酸素含有ガス吹込ノズルおよび燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルとを備えた管状火炎バーナであることを特徴とする連続式加熱炉。
酸素含有ガス吹込ノズルおよび／又は燃料吹込ノズル、または、酸素含有ガスと燃料との予混合物吹込ノズルに、燃焼排ガス、窒素、アルゴン、炭酸ガスの内の１種又は２種以上のガスを供給するための配管を接続することを特徴とする請求項１に記載の連続式加熱炉。
炉内に独立して温度制御が可能な複数の領域を有し、その内の少なくとも１つの領域が不完全燃焼領域となる連続式加熱炉であって、
前記不完全燃焼領域に管状火炎バーナを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の連続式加熱炉。
炉内に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するためのガス供給口を有する連続式加熱炉であって、
前記ガス供給口の内の少なくとも２つ以上のガス供給口に蓄熱体を配置し、前記蓄熱体を配置したガス供給口に接続されるガス供給系にガス供給口から炉内ガスを吸引可能とする手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の連続式加熱炉。
請求項４に記載の連続式加熱炉の操業方法であって、
蓄熱体を配置したガス供給口に、炉内ガスと二次燃焼用の酸素含有ガスとを交互に通過させることにより、炉内に供給される二次燃焼用酸素含有ガスの予熱を行うことを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。