JP2004091922A

JP2004091922A - 鋼材加熱炉

Info

Publication number: JP2004091922A
Application number: JP2003290295A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Shimada; 島田　達哉; Yoshimoto Fujii; 藤井　良基; Koichi Takashi; 高士　弘一; Takamitsu Kusada; 艸田　隆充
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】常時使用中の燃料ガスが途切れても、加熱炉の操業を停止することなく、かつ多大な設備費も必要とせずに、他の燃料に切り換えることのできる鋼材加熱炉を提供する。
【解決手段】　一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナ１２が配置されており、前記燃料吹き込み用ノズル４に燃料を供給する燃料供給配管１５に、高カロリ−配管１６と低カロリ−配管１７を通して、２種類以上の異なる発熱量の燃料を切替え可能に供給できるようにしたことを特徴とする鋼材加熱炉。
【選択図】図２

Description

　本発明は、鋼材を加熱する鋼材加熱炉に関する。

　従来、鋼材を加熱炉により加熱する場合には、炉壁や炉の天井に配置した円筒状のバ−ナに、燃料と燃焼用空気を供給して燃焼させ、燃焼により発生した火炎をバ−ナの先端から炉内に吹き込むという方法が一般的である（例えば、非特許文献１参照。）。

　このような従来のバ−ナに使用される燃料は、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、高炉ガス、高炉ガスと転炉ガスを混合したＭＩＸガス等であるが、各燃料の種類によって発熱量が異なるため、鋼材加熱炉においては使用する燃料の種類に応じて、その燃料に適した専用のバ−ナが使用されている。

　図３は、このような従来から使用されているバ−ナの燃焼状態を示す図であるが、燃料通路２１により供給される燃料と空気通路２２により供給される燃焼用空気とは、ノズル２３からバ−ナ前方に噴出され、噴出された空気と燃料とにより乱流場が形成される。

　したがって、燃焼火炎２４も乱流となるため、部分的な消炎が発生する。このような部分的な消炎は、燃焼不安定化の要因となるので、このような現象ができるだけ起きないように、燃料固有の発熱量、燃焼速度に応じて、燃焼が流体力学的かつ熱的に安定して行なわれるように、ノズル流速が最適となるようなノズル設計が行なわれる。

　このため、ノズル設計の対象となった燃料の燃焼は安定的に行なわれるが、他の燃料では燃焼が不安定となる。

　さらに、燃焼反応は、常時ある体積を持った火炎の中で行なわれるため、反応に必要とする時間も長くなり、ＮＯｘやススが生成される時間的余裕も大きくなる。そして、局所的な高温部および低温部が存在することから、高温部ではＮＯｘ、低温部ではススが発生しやすい。
鉄鋼便覧　第３版　第３巻　５章３節１項　図５．３３（p126）

　上述した従来のバ−ナを配置した鋼材加熱炉においては、次のような問題点がある。

　前述したように、製鉄所においてはコ−クス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス等鋼材加熱炉で使用可能な副生ガスが発生するが、それらのガスの発熱量が異なるため、各鋼材加熱炉毎に使用する燃料ガスを決め、その燃料に適したバ−ナを使用しているので、使用中の燃料ガスの発生が途切れると、他の燃料に切り替えることができず、炉の操業を停止せざるをえないため、生産性が低下する。

　このような問題を解消するために、図４に示すように、同一の鋼材加熱炉２１に高カロリ−燃料用バ−ナ２２と、低カロリ−燃料用バ−ナ２３とを設け、例えば通常使用している高カロリ−燃料が途切れたときには、今まで開いていた弁２４を閉じて、高カロリ−燃料用バ−ナ２２への燃料の供給を停止し、今まで閉じていた弁２５を開いて、低カロリ−燃料用バ−ナ２３に低カロリ−燃料を供給するという方法もある。

　しかし、この方法では、そのためのバ−ナの設置や配管のために、多大な設備費が必要となる。

　この発明は、従来技術の上述のような問題点を解消するためになされたものであり、常時使用中の燃料ガスが途切れても、加熱炉の操業を停止することなく、かつ多大な設備費も必要とせずに、他の燃料に切り換えることのできる鋼材加熱炉を提供することを目的としている。

　本発明に係る鋼材加熱炉は、一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナが配置されているものである。

　また、前記燃料吹き込み用ノズルに燃料を供給する燃料供給配管に、２種類以上の異なる発熱量の燃料を切替え可能に供給できるようにしたものである。

　本発明に係る鋼材加熱炉においては、管状火炎バ−ナが配置されているので、燃焼量の調節範囲が広く、１基のバ−ナで高範囲の燃焼量（実験では発熱量６００〜２３０００ｋｃａｌ／ｍ³）に対応することができる。

　したがって、常時使用している燃料が途切れた場合でも、発熱量の異なる他の燃料を同一バ−ナに供給して、鋼材加熱炉の操業を継続することができる。

　なお、燃料とは、気体燃料、液体燃料を予めガス化したもの、液体燃料を空気又は蒸気で霧化したもの、窒素等で気送される微粒の固体燃料等である。

　また、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガス等の燃焼用の酸素を供給するガスを指すものである。

　本発明により、常時使用中の燃料が途切れても、加熱炉の操業を停止することなく、かつ多大な設備費も必要とせずに、他の燃料に切り換えることのできるので、鋼材加熱炉の生産性を向上させることができる。

　本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の鋼材加熱炉に配置される管状火炎バ−ナの説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

　この管状火炎バ−ナは、管状の燃焼室１を有しており、一端は開放端で燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むノズル２が設けられている。

　ノズル２は燃焼室１の内壁面の略接線方向に向けて設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室１内に旋回流が形成されるようになっている。又、ノズル２は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、燃料ガスおよび酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようなになっている。３は点火プラグである。

　上記の構成によるバーナにおいて、ノズル２から吹き込まれて旋回流が形成された燃料ガスと酸素含有ガスとの混合気に点火すると、燃焼室１内のガスが密度差によって、遠心力により成層化され、密度の異なる同心軸のガス層ができる。すなわち、燃焼室１の軸心側には密度の小さい高温の燃焼排ガスが存在し、燃焼室１の内壁側（軸心から離れた側）には密度の高い未燃焼のガスが存在するようになる。このような状態は、流体力学的に非常に安定である。火炎は管状に形成されるが、流れ場が安定成層化されているため、膜状に安定な火炎となる。

　火炎の形成位置は、中心へ向かう速度と火炎伝播速度が釣り合う位置におのずと決まる。図１において４は管状の火炎を示す。

　又、燃焼室の内壁付近には未燃焼の低温ガスが境界層の状態で存在しているので、燃焼室１の壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることはなく、壁外への熱ロスを防ぐ。すなわち、断熱効果が大きいことに他ならず、それ故燃焼場の熱的安定が保たれる。

　燃焼室１内のガスは旋回しながら下流側へ流れるが、その間、内壁側の混合ガスが継続的に燃焼して管状火炎を形成し、発生した排ガスは軸心側へ移動し、開放端部から排出される。

　上記の構成によるバーナには、次のような利点がある。回転場で成層化され、流体力学的にも、熱的にも安定しており、燃料ガス成分が非常に希薄または過濃の状態になる条件でも燃焼させることができるので、バーナ自身の安定燃焼範囲が広がる。すなわち、燃料種が変わり、火炎伝搬速度が変わっても、火炎伝搬速度と中心へ向かう速度とが釣り合う位置に、火炎面の位置がおのずと移り、これこそが安定する位置であることから、安定燃焼範囲が広いのである。

　火炎面が安定なため、温度のバラツキが小さく、燃焼時に局部的な高温部が発生しないことや、燃料と酸素含有ガスとの混合ガスは一瞬のうちに火炎面を通過するため、反応時間が非常に短くなる等の理由により、ＮＯｘなどの有害物質の生成量が少ない。

　反応時間が非常に短くなること、かつ局所的な低温領域ができないことから、炭化水素などの未燃焼分の残留量が極めて少なくなく、ススの生成も抑制される。

　図２は、本発明の鋼材加熱炉の実施の形態を示す図である。この鋼材加熱炉１１には、管状火炎バ−ナ１２が配置されており、管状火炎バ−ナ１２により鋼材１３を加熱するようになっている。管状火炎バ−ナ１２には燃焼用の空気配管１４と、燃料供給配管１５とが接続されており、前述したようにして、燃焼用の空気および燃料が管状火炎バ−ナ１２の燃焼室に吹き込まれ、管状火炎が形成される。

　燃料供給配管１５には、高カロリ−燃料配管１６と低カロリ−燃料配管１７とが接続され、それぞれの配管には開閉弁１８および１９が設けられている。この鋼材加熱炉１１においては、鋼材１３の加熱は高カロリ−燃料を使用して行なわれており、常時は開閉弁１８を開、開閉弁１９を閉にした状態で、高カロリ−燃料が管状火炎バ−ナ１２に供給されている。

　そして、なんらかの原因により、高カロリ−燃料の発生が停止した場合には、開閉弁１８を閉、開閉弁１９を開にした状態で、低カロリ−燃料を管状火炎バ−ナ１２に供給する。管状火炎バ−ナ１２は前述したように、燃焼量の調節範囲が広く、１基のバ−ナで高範囲の燃焼量に対応することができるので、このような燃料の切り換えが加熱炉の操業を停止することなく可能であるので、鋼材加熱炉の生産性を向上させることができる。

　図２に基づき説明した本発明の加熱炉により、普通鋼を炉温１２００℃で２０時間加熱した。常時は高カロリ−燃料であるコ−クス炉ガス（発熱量４６００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を供給し、コ−クス炉ガスの供給が何らかの理由により停止した場合には、低カロリ−燃料である高炉ガス（発熱量９００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を速やかに供給するようにして加熱した。

　そして、燃焼の安定性を確認するため、加熱中に加熱炉からの排ガス中のＣＯガス濃度とスス濃度の分析を行なった。

　その結果を、従来の燃焼バ−ナを使用した加熱炉で、高カロリ−燃料と低カロリ−燃料を切り換えて加熱した場合と比較して、表１に示した。

　表１から明らかなように、従来例の場合には、高カロリ−燃料から低カロリ−燃料に切り換えるにともなって、ＣＯガスやススの発生が見られるのに対して、本発明例においては、高カロリ−燃料から低カロリ−燃料に切り換えても、ＣＯガスやススの発生は見られず、本発明の加熱炉により、鋼材の加熱が安定して行なえることが分かる。

　図２に基づき説明した本発明の加熱炉により、普通鋼を炉温１２００℃で２０時間加熱した。常時は高カロリ−燃料である都市ガス（発熱量９８００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を供給し、コ−クス炉ガスの供給が何らかの理由により停止した場合には、低カロリ−燃料である高炉ガス（発熱量９００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を速やかに供給するようにして加熱した。

　その結果を、従来の燃焼バ−ナを使用した加熱炉で、高カロリ−燃料と低カロリ−燃料を切り換えて加熱した場合と比較して、表２に示した。

　表２から明らかなように、従来例の場合には、高カロリ−燃料から低カロリ−燃料に切り換えるにともなって、ＣＯガスやススの発生が見られるのに対して、本発明例においては、コ−クス炉ガスの２倍以上の発熱量のある高カロリ−燃料から低カロリ−燃料に切り換えても、ＣＯガスやススの発生は見られず、本発明の加熱炉により、鋼材の加熱が安定して行なえることが分かる。

本発明の鋼材加熱炉に配置される管状火炎バ−ナの説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。本発明の鋼材加熱炉の実施の形態を示す図である。従来のバ−ナの燃焼状態を示す図である。従来の鋼材加熱炉の一例を示す図である。

符号の説明

　　１　燃焼室
　　２　ノズル
　　３　点火プラグ
　　４　管状火炎
　１１　鋼材加熱炉
　１２　管状火炎バ−ナ
　１３　鋼材
　１４　空気配管
　１５　燃料供給配管
　１６　高カロリ−燃料配管
　１７　低カロリ−燃料配管
　１８、１９　開閉弁

Claims

　一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナが配置されていることを特徴とする鋼材加熱炉。
　前記燃料吹き込み用ノズルに燃料を供給する燃料供給配管に、２種類以上の異なる発熱量の燃料を切替え可能に供給できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鋼材加熱炉。