JP3643137B2 - 連続加熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被加熱材を通過させつつ、蓄熱式切替燃焼型バーナで加熱する連続加熱装置において、被加熱材装入口側に流れる排ガスの顕熱を低減し、加熱効率を向上させた方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スラブやビレット等の鋼片など金属材料を熱間圧延する際、あるいは熱処理する際の加熱装置として、被加熱材をつぎつぎに通過させて所定温度に加熱する連続加熱装置が使用される。加熱源には、一般的にバーナによる燃焼火炎が採用され、被加熱材通過ラインに沿って、両側壁に多数本のサイドバーナが設置されている。そして、各バーナ口が、通過ラインと平行に、上下の側壁に並べて配設され、予熱帯、加熱帯、均熱帯等からなる多帯式連続加熱装置とするのが一般的である。
【０００３】
ところで、高熱効率のバーナとして、蓄熱式切替燃焼型バーナが、特開昭６２−９４７０３号公報などにより知られている。このバーナは、燃焼用空気および燃焼排ガスが流通する蓄熱体を備えていて、２基を対にして設置し、燃焼と蓄熱を交互に行う。一方のバーナで燃焼しているとき、他方のバーナでは、排ガスの廃熱が蓄熱体に蓄積され、燃料および空気の供給を切替えたとき、その蓄熱体で空気が予熱されるので、高温の廃熱が空気予熱に利用される。近年、優れた蓄熱体が開発されたことにより、高速切替えで高温予熱が可能となり、鋼片加熱用等の高温加熱装置における実用化が検討されている。
【０００４】
蓄熱式切替燃焼型バーナを連続加熱装置のサイドバーナに適用する場合、複数基のバーナの各バーナ口を、被加熱材通過ラインと平行にし、両側壁にそれぞれ並べて配設し、隣接バーナおよび対向バーナを、それぞれ交互に燃焼する方式（千鳥配列）を採用するのが、装置の構造上有利である。このような千鳥配列では、燃料供給用切替弁、および空気供給と排気の切替弁を、側壁に沿って隣接する２基のバーナについて設けることができ、配管が短くなるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
蓄熱式切替燃焼型バーナの高熱効率特性を十分に発揮させるには、燃焼火炎の排ガスを対向バーナに直進させ、該バーナの蓄熱体に廃熱を蓄積させることが必要である。しかし、上記のような千鳥配列の燃焼を行った場合、隣合う燃焼火炎の排ガス噴流が先端部でたがいに撹拌混合して、速度が減衰し、十分な直進性が得られず、排ガスの顕熱が被加熱材装入口側に流出するという問題がある。
本発明は、被加熱材を通過させつつ、蓄熱式切替燃焼型バーナで加熱する連続加熱装置において、被加熱材装入口側に流れる排ガスの顕熱を低減し、被加熱材の受熱量を増大して、加熱効率を向上することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、被加熱材を通過させつつ蓄熱式切替燃焼型のサイドバーナで加熱する連続加熱装置において、両側壁、仕切壁および被加熱材通過ラインで区切られたゾーン内の複数の前記バーナにつき、燃焼と蓄熱の切替を、一方の側壁側は全て燃焼とし、他方の側壁側は全て蓄熱として行うことを特徴とする連続加熱方法である。そして、通過ラインを挟む同じ側壁側のサイドバーナを組として、燃焼と蓄熱の切替を行うことが好ましい。
【０００７】
【作用】
本発明法を図示の例により説明する。図１は連続加熱装置の長さ方向縦断面の一部を示し、被加熱材Ｓがスキッドビーム１上を通過ラインＬに沿って移送される。通過ラインＬの上下に、蓄熱式切替燃焼型バーナ１１および１２がサイドバーナとして設けてある。この例では、上下各４基のバーナ１１および１２が、仕切壁５で区切られたゾーン内で、各バーナ口が通過ラインＬと平行に配設されている。そして、このようなゾーンがラインＬの方向に続いている。
【０００８】
図２は、幅方向断面、例えば図１のＡ−Ａ矢視断面であり、両側壁４ａおよび４ｂに、蓄熱式切替燃焼型バーナ１１ａおよび１１ｂ、１２ａおよび１２ｂが、それぞれ対向して配設されている。各バーナ１１および１２には、蓄熱体２１および２２が付設されていて、対向する左右のバーナａとｂを組として、交互に燃焼と蓄熱を繰り返す。なお、この例はウォーキングビーム方式の移送機構で、２は固定スキッド、３は移動スキッドである。
【０００９】
図２の例では、燃焼用空気が、送風用ブロア８から、空気切替弁４１により蓄熱体２１ｂを通ってバーナ１１ｂへ、空気切替弁４２により蓄熱体２２ｂを通ってバーナ１２ｂへ、それぞれ供給されている。また図示しない系統により、バーナ１１ｂおよび１２ｂへ燃料ガスが供給され、上部ゾーン６、下部ゾーン７ともに、燃焼火炎Ｆは左向きになっている。なお、上部ゾーン６および下部ゾーン７は、両側壁４ａおよび４ｂ、仕切壁５、被加熱材通過ラインＬで区切られたゾーンであり、上部は天井壁側、下部は炉床側である。
【００１０】
上部ゾーン６の排ガスは、バーナ１１ａ、蓄熱体２１ａを通り、顕熱が蓄熱体２１ａに蓄積され、切替弁４１を通って排風用ブロア９により排気される。下部ゾーン７の排ガスは、バーナ１２ａ、蓄熱体２２ａ、切替弁４２を通って同様に排気され、顕熱が蓄熱体２２ａに蓄積される。空気切替弁４１および４２と、図示しない燃料切替弁を切替えて、各バーナ１１および１２の燃焼と蓄熱を切替え、燃焼火炎Ｆを逆向きにし、これを繰り返す。
【００１１】
本発明法は、このような燃焼と蓄熱の切替に際し、上部ゾーン６内の複数（図では４基）の蓄熱式切替燃焼型バーナ１１について、一方の側壁側（図では４ａ側）は全て燃焼とし、他方の側壁側（図では４ｂ側）は全て蓄熱として、切替を行い、図３に示すように、複数の燃焼火炎Ｆが、向きの揃った平行配列となる。そして、下部ゾーン７においても同様に切替を行い、複数の燃焼火炎Ｆの向きを揃える。なお、上部ゾーン６と下部ゾーン７では、燃焼火炎Ｆの向きが同じでもよく、また逆でもよい。図２は、上部ゾーン６と下部ゾーン７で同じ向きとなる例を示しているが、空気切替弁４１と４２の切替を逆にすることで、逆向きとなる。
【００１２】
本発明法では、このように、一つのゾーン内で、全ての燃焼火炎Ｆが、向きの揃った平行配列となるので、各燃焼火炎Ｆの排ガス噴流の直進性が向上し、加熱炉長手方向への流れが弱まる。このため、対向するバーナに吸引される高温の排ガス噴流が増加し、排ガスの顕熱を蓄熱器に効率よく送ることができ、顕熱の損失が低下する。上部ゾーン６と下部ゾーン７の燃焼火炎Ｆがたがいに逆向きであっても、被加熱材Ｓで上下に仕切られるので、直進性が乱されない。なお、図４に示すような従来の千鳥配列では、燃焼火炎Ｆの排ガス噴流が先端部でたがいに撹拌混合して、直進性が乱される。
【００１３】
さらに、本発明法では従来のような排ガス噴流先端部での撹拌混合が減少し、ゾーン内に高温部が保持される。輻射による放熱量は、絶対温度の４乗に比例するため、ゾーン内に高温部が保持されると、輻射による被加熱材への入熱が著しく増加する。
【００１４】
したがって、本発明法により、被加熱材装入側に流れる排ガス顕熱の減少、バーナ蓄熱体に蓄えられる熱量の増加、および被加熱材への入熱増加といった加熱効率の向上効果が得られる。さらに、従来の千鳥配列では、片側の側壁の隣接バーナ同士を組にして燃焼と蓄熱の切替を行うので、一つのゾーン内で偶数本のバーナを配設することとなるが、本発明法による平行配列では奇数本でもよく、必要燃焼量に応じて、バーナの容量だけでなく、設置数を変えることもでき、設計の自由度が増す。
【００１５】
つぎに、本発明法の別の例を図５および図６に示す。この例は、燃焼火炎Ｆの向きを、上部ゾーン６と下部ゾーン７で逆にしたものである。このように逆にする場合、蓄熱式切替燃焼型バーナ１１および１２の切替を、通過ラインＬを挟む上下のバーナ１１ａと１２ａを組とし、また１１ｂと１２ｂを組として行うことができる。この場合、組とする各バーナ１１ａと１２ａ、および１１ｂと１２ｂは、それぞれ同じ側壁に上下隣接して設けているので配管が短縮される。このため装置構造が小規模となって、図２の例より有利であり、この点に関しては、従来の千鳥配列の場合と同様である。
【００１６】
すなわち、図５の例では、バーナ１１ａおよび１２ａを、配管３１ａおよび３２ａで空気切替弁４０ａと連結して切替を行い、バーナ１１ｂおよび１２ｂを、配管３１ｂおよび３２ｂで空気切替弁４０ｂと連結して切替を行うことができ、空気切替弁とバーナの間の配管が短縮される。なお、図２の例では、空気切替弁４１および４２を炉幅中央部に設置するので、配管３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂが長尺なものとなる。
【００１７】
図５の例のように、被加熱材の通過ラインＬを挟むバーナを組として燃焼と蓄熱の切替を行う場合、上部ゾーン６と下部ゾーン７の投入熱量が大きく異なると問題が生じる。例えば、上部ゾーン６への投入熱量よりも下部ゾーン７への投入熱量が多い場合、下部ゾーン７へ吐出するガス量が多くなり、切替える度に送風用ブロア８および排風用ブロア９の制御が必要となるので、操業が困難になる。そこで、上部ゾーン６および下部ゾーン７への投入熱量を同レベルにする必要がある。
【００１８】
そのためには、上部ゾーンおよび下部ゾーンの出熱を同レベルにすればよい。ここで出熱を、
Ｑ1 ：上部ゾーンにおける炉壁からの放散熱
Ｑ2 ：上部ゾーンにおける被加熱材への伝熱
Ｑ3 ：下部ゾーンにおける炉壁からの放散熱
Ｑ4 ：下部ゾーンにおけるスキッドからの放散熱
Ｑ5 ：下部ゾーンにおける被加熱材への伝熱
とするとき、通常は、下部ゾーンの出熱の方が大きく、
Ｑ1 ＋Ｑ2 ＜Ｑ3 ＋Ｑ4 ＋Ｑ5 ……………… （１）
である。そして、一般にスキッドの存在による被加熱材への輻射の角関係から、Ｑ2 ＞Ｑ5 であり、また、炉体表面積の差から、Ｑ1 ＞Ｑ3 である。
【００１９】
したがって、上部ゾーン６および下部ゾーン７の出熱を同レベルにするには、すなわち（１）式の両辺の差を小さくするには、Ｑ4 を小さくしなければならない。Ｑ4 には、ウォーキングビームの場合、スキッド開孔部からの放散熱が含まれる。Ｑ4 を小さくするための対策として、下部ゾーン７に輻射性ガスである水蒸気を吹き込む技術（特願平５−１１３３３６号で提案）、あるいは下部ゾーン７に燃料を分散投入する技術（別途出願中）を採用することができる。
【００２０】
炉内に水蒸気を吹き込むと、燃焼ガスの輻射能が増し、被加熱材Ｓへの輻射伝熱量が増すので、下部ゾーン７のゾーン高さを低くすることが可能である。このため、固定スキッド２および移動スキッド３のサポートパイプを短縮でき、スキッドからの放散熱Ｑ4 を小さくすることができる。また、下部ゾーン７の被加熱材Ｓ近傍に燃料の分散投入孔を設けることで、被加熱材Ｓの近傍に燃焼火炎が形成されるので、スキッドからの放散熱Ｑ4 を小さくすることができる。さらに、炉壁からの放散熱Ｑ3 も小さくなり、また、スキッドの陰の縮小により被加熱材Ｓへの輻射伝熱が増加する。
したがって、これらの対策により、上部ゾーン６および下部ゾーン７への投入熱量を同レベルにすることができ、通過ラインＬを挟む上下のバーナ１１および１２を組とした燃焼と蓄熱の切替が実現できる。
【００２１】
ここで、下部ゾーン７への燃料分散投入技術について、図６の例により説明する。図６は炉幅方向縦断面と、燃料ガスおよび空気の配管系統と制御系統を示し、左上のバーナ１１ａと右下のバーナ１２ｂで燃焼火炎Ｆを形成している。燃料ガスは、開閉弁５１ａおよび５２ａを交互に開閉して、左側上下の各バーナ１１ａと１２ａに供給され、また、開閉弁５２ｂおよび５１ｂを交互に開閉して右側上下の各バーナ１２ｂと１１ｂに、それぞれ交互に供給される。５１ａが開のとき、５２ｂが開である。燃焼用空気の供給および排気は、図５と同様の配管系統により、切替弁４０ａおよび４０ｂで切替え、燃焼と蓄熱が交互に行われる。
【００２２】
下部ゾーン７には、炉幅方向に複数個（図６では６個）の燃料分散投入孔１０を設けている。各投入孔１０は、燃料のみを投入するので、耐熱鋼管やセラミック管等の細管先端の開口でよく、該細管は、図示のように固定スキッド２に容易に取り付けることができる。また、仕切壁にも容易に取り付けられ、さらに、炉床から突出させることもできる。各燃料分散投入孔１０へは、下部ゾーン７のバーナ１２ａおよび１２ｂに供給する燃料ガスの一部を分岐し、流量調整弁５３ａおよび５３ｂで流量調整して分散供給する。そして、各投入孔１０毎の分散供給量を、それぞれに付設した流量調整弁５４で調整する。
【００２３】
下部ゾーン７のバーナ１２ａおよび１２ｂから供給される燃料ガスの量は、空気量に対して少ないので、燃焼火炎Ｆは酸素過剰炎となる。このため、各燃料分散投入孔１０から分散投入した燃料は、該投入孔１０の近傍で燃焼火炎を形成する。したがって、該投入孔１０を被加熱材Ｓに近付けることで、被加熱材Ｓの入熱を増し、スキッドや炉壁からの放熱を減ずることができる。このとき、各燃料分散投入孔１０毎の分散投入量を、流量調整弁５４で調整して、被加熱材Ｓの温度分布を制御することもできる。上記各流量調整弁５３および５４の調整、燃料の開閉弁５１および５２の開閉、空気切替弁４０の切替え制御は、制御器５５により行うことができる。
【００２４】
【実施例】
［本発明例１］
図１および図２に示す連続加熱装置により、鋼片の連続加熱を行った。加熱炉の大きさは、炉幅が１０ｍ、炉高が上部ゾーン６、下部ゾーン７とも２ｍである。１基あたり１３０万Ｗの蓄熱式切替燃焼型バーナ１１および１２を、図示のように、上部ゾーン６および下部ゾーン７にそれぞれ８基、サイドバーナとして配設した。各バーナの間隔は、鋼片通過ラインＬ方向のバーナ軸間距離で２ｍである。燃料にはコークス炉ガスを使用し、空気比１．０５で燃焼した。
【００２５】
上部ゾーン６では、４基のバーナ１１の燃焼火炎Ｆを、図３のような平行配列とし、また下部ゾーン７でも、４基のバーナ１２の燃焼火炎Ｆを、上部ゾーン６と同じ向きの平行配列とした。バーナ軸上の炉幅方向温度分布測定結果は、図７○印のとおりであった。すなわち、蓄熱バーナ口での温度が、千鳥配列とした下記従来例より７５℃上昇した。このため、蓄熱体に蓄えられる熱量が６％増加し、切替により燃焼用空気の予熱に利用される熱量が５％増加した。
【００２６】
また、輻射伝熱により被加熱材の鋼片が受熱した熱量は、従来例に比べ１１％増加した。これは、従来例では、ガスの撹拌混合作用により、図７のように蓄熱バーナ口側の炉内ガス温度が平均化して低下したのに対し、本発明例では、燃焼火炎Ｆの噴流の直進性が改良され、高温ガス部が蓄熱バーナ口近くまで保持されたためである。さらに、鋼片装入口側に設けた排気ダクトから排出されるガスの顕熱が、従来例に比べ２３％減少した。
【００２７】
［本発明例２］
図１および図６に示す連続加熱装置により、鋼片の連続加熱を行った。燃焼火炎Ｆの平行配列の向きを、上部ゾーン６と下部ゾーン７で逆向きとした他は、本発明例１と同様である。本例においても、上記本発明例１と同様のガス温度分布および熱効率効果が得られた。そして、本例では、空気供給および排ガスの配管が短縮され、設備上有利であった。
【００２８】
［従来例］
図１に示す連続加熱装置において、蓄熱式切替燃焼型バーナ１１および１２それぞれの切替を、通過ライン方向に隣接する２基のバーナを組として行い、燃焼火炎Ｆを図４のような千鳥配列とした。その他は、本発明例１と同様である。バーナ軸上の炉幅方向温度分布測定結果は、図７△印のとおりであった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の加熱方法では、複数の蓄熱式切替燃焼型バーナの燃焼火炎が、一つのゾーン内で全て同一方向に向かうため、噴流の直進性が向上し、より高温のガスが蓄熱体に入り、従来法よりも多くの排ガス顕熱を回収できる。また、隣接バーナ間での噴流の撹拌混合が抑制されるため、ガス温度が平均化され難く、対向する蓄熱バーナ口まで高温部が保持され、輻射伝熱量が増加し、被加熱材の受熱量を多くすることができる。したがって、連続加熱装置の熱損失を低減し、加熱効率を一層向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明法を行う連続加熱装置の例を示す炉長方向一部縦断面図である。
【図２】本発明法を行う連続加熱装置の配管系統例を示す炉幅方向縦断面図であり、図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】本発明法の例を示す連続加熱装置の炉長方向一部横断面図である。
【図４】従来法の例を示す連続加熱装置の炉長方向一部横断面図である。
【図５】本発明法を行う連続加熱装置の配管系統の別の例を示す炉幅方向縦断面図である。
【図６】本発明法を行う連続加熱装置の配管系統の別の例を示す炉幅方向縦断面図である。
【図７】本発明例および従来例の炉幅方向温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１…スキッドビーム
２…固定スキッド
３…移動スキッド
４…側壁
５…仕切壁
６…上部ゾーン
７…下部ゾーン
８…送風用ブロア
９…排風用ブロア
１０…燃料分散投入孔
１１，１２…蓄熱式切替燃焼型バーナ
２１，２２…蓄熱体
３１，３２…配管
４０，４１，４２…空気切替弁
５１，５２…開閉弁
５３，５４…流量調整弁
５５…制御器
Ｓ…被加熱材
Ｌ…通過ライン
Ｆ…燃焼火炎

Claims (2)

1. 被加熱材を通過させつつ蓄熱式切替燃焼型のサイドバーナで加熱する連続加熱装置において、両側壁、仕切壁および被加熱材通過ラインで区切られたゾーン内の複数の前記バーナにつき、燃焼と蓄熱の切替を、一方の側壁側は全て燃焼とし、他方の側壁側は全て蓄熱として行うことを特徴とする連続加熱方法。
2. 通過ラインを挟む同じ側壁側のサイドバーナを組として、燃焼と蓄熱の切替を行うことを特徴とする請求項１記載の連続加熱方法。

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