JP3893914B2

JP3893914B2 - 水蒸気の発生装置および水蒸気の発生量調整方法

Info

Publication number: JP3893914B2
Application number: JP2001235243A
Authority: JP
Inventors: 岳文亀谷; 一成安達
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2003050026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、熱処理炉内の雰囲気ガスを加湿するために用いる水蒸気の発生装置および水蒸気の発生量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱処理設備においては、普通、熱処理炉で雰囲気ガスを使用して鋼板等の被処理材を処理している。例えば、鋼板の種類によっては、所望の品質を得るために露点を調整された雰囲気ガス中で脱炭処理を行う場合がある。
脱炭は、雰囲気ガス中の水蒸気と鋼板中の炭素分との間で、
Ｈ₂Ｏ＋Ｃ → Ｈ₂ ＋ＣＯ
の反応を行わせ、鋼板中の炭素分を減少させる処理である。また、露点は、雰囲気ガス中の水蒸気が結露し始める温度であり、一般に、熱処理炉内の水蒸気量の管理は、露点を調整することにより行っている。
【０００３】
したがって、雰囲気ガスの露点制御を精度よく行うためには、熱処理炉内の水蒸気量を高精度にコントロールすることが重要である。
例えば、特開平1-263216号公報には、図７に示す熱処理設備が開示されている。図中、１７は熱処理炉、Ｓは被処理材である鋼板である。また、２１は液相の水の供給配管、２２は乾燥した雰囲気ガスの供給配管である。３１、３２は流量制御弁、３３、３４は流量計であり、５１、５２、５３は加熱装置、５４はファンである。６１、６２、６３は温度計、６４は圧力計である。
【０００４】
この熱処理設備では、まず、熱処理炉１７において、必要な加湿雰囲気ガスの量および露点が決まり、次いで、２１に供給する水の量および２２に供給する乾燥雰囲気ガスの必要量が決定される。そして、供給配管２１に供給された水は、流量制御弁３１、流量計３３を経て、加熱装置５１において、その出口を通過する水蒸気が乾燥雰囲気ガスの圧力に対応する飽和蒸気温度以上の過熱蒸気となるように加熱制御装置４１を介して加熱される。一方、供給配管２２に供給された乾燥雰囲気ガスは、流量制御弁３２、流量計３４を経て、加熱装置５２において、その出口における温度および流量により露点温度以上となるように加熱制御装置４２を介して加熱される。次いで、過熱蒸気と乾燥雰囲気ガスとが混合されてなる加湿雰囲気ガスが加熱装置５３において、その露点以上に加熱されて熱処理炉１７に供給される。
【０００５】
ここで、雰囲気ガスを、例えばＨ₂とＮ₂との混合ガスとすると、熱処理炉１７において、鋼板Ｓの脱炭を行うことができるのである。
しかしながら、水蒸気の発生装置である加熱装置５１には、次のような問題があった。
すなわち、従来の水蒸気の発生装置は、図８に示すように、パン１００の底板をヒータ２００で加熱し、加熱された底板に分岐管２１Ａから水滴を滴下し、滴下した水滴を蒸発させて水蒸気Ｖを発生させる構造であり、加熱されて高温となっている底板に噴霧ノズルを用いず、水滴を滴下しているため、繰り返し局部的に大きい熱応力が発生し、底板の変形が徐々に大きくなってしまう欠点があった。このため、変形した底板の凹部に水たまりが生じて、単位時間当たりの水蒸気の発生量が変化してしまうという不安定さがあった。
【０００６】
また、上述した局部的な熱応力によるクラックの発生や熱変形の増大により、水蒸気の発生装置の寿命が短いという問題もあった。
なお、図中、２１は水蒸気Ｖとするための液相の水Ｗの供給配管であり、蒸発した水蒸気Ｖは、接続管４を介して蒸気供給配管５に送り出される。
また、特開昭54-045605 号公報には、熱処理設備において、雰囲気ガスを温水と接触させるとともに、熱処理炉内の雰囲気ガスに含まれる水蒸気量を制御するために、温水の温度を調整する方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、この雰囲気ガスを温水と接触させ、かつ温水の温度を調整する方法は、単位時間当たりの水蒸気の発生量が少なく、必要な水蒸気量を確保するには長時間を要し、そのうえ、単位時間当たりの水蒸気の発生量の調整範囲が狭いので、例えば、脱炭処理を行う熱処理炉内の水蒸気量を精度よく管理できないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消することにあり、装置を長寿命とすることができるとともに、単位時間当たりの水蒸気発生量の調整範囲が広く、かつ精度がよい水蒸気の発生装置および水蒸気の発生量調整方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、水を微粒化し、かつ均一に噴射することができる噴霧ノズルを用いることにより、上記の課題を解決することができるとの知見を得て、本発明を完成させた。
また、本発明の水蒸気の発生装置は、加熱可能とされた蒸発板上に供給された、供給水を蒸発して水蒸気を発生させ、該水蒸気を蒸気通路を介して送り出すように構成されている水蒸気発生用容器と、前記蒸発板を加熱するための加熱手段と、前記供給水の水量を調整可能に構成されている水供給手段とを備えた水蒸気の発生装置において、前記供給水を粒子状の噴霧水として噴射可能な噴霧ノズルを前記水供給手段に取り付け、前記噴霧水が蒸発板上に供給されるよう蒸発板にノズル口を向けて噴霧ノズルを配置してなることを特徴とする。その際、前記噴霧ノズルを水滴の平均粒径が１０００μm 以下の噴霧水を噴射可能なものとすることが好ましく、さらに、前記水供給手段には、前記供給水を飽和温度以下に加熱可能な加熱手段を設けてあることがより好ましい。
【００１０】
本発明の水蒸気の発生量調整方法は、上記のいずれかに記載の水蒸気の発生装置を用い、水蒸気の発生時に、必要な水蒸気発生量に応じて、前記蒸発板を前記加熱手段により加熱するとともに、前記噴霧水の水量を増減して、単位時間当たりの水蒸気発生量を調整することを特徴とするを特徴とする。その際、前記供給水を噴射する前に６０〜９５℃に加熱しておくことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の方法に用いる一例の水蒸気の発生装置を示す一部断面を含む模式図であって、図２は、図１に示す装置の要部断面図である。
図１中の１は、水蒸気発生用容器であり、この水蒸気発生用容器１は、加熱可能とされた蒸発板を有し、該蒸発板に供給される供給水Ｗを蒸発することにより水蒸気Ｖを発生させ、該水蒸気Ｖを蒸気通路を介して送り出すように構成されている。水供給手段６は、給水配管６Ａ、６Ｂ、ポンプ６Ｃ、流量計６Ｄおよび流量調整弁６Ｅからなり、流量計６Ｄを通過する水Ｗの量を流量調整弁６Ｅにフィードバックし、各水蒸気発生用容器１に供給される供給水量を調整可能に構成されているが、本発明では、この構成に限定されず、種々の構成とすることができる。５Ａはドレン抜きである。
【００１２】
ここで、各水蒸気発生用容器１は、天板と底板と側板とで囲まれた空間を有し、開口は接続管４への連絡口と噴霧ノズル７のノズル口（図２参照）だけである。この場合、図２に示すように蒸発板は、水蒸気発生用容器１の底板１Ａであり、底板１Ａの下部に加熱手段であるヒータ２が設けてある。
本発明の一例の水蒸気の発生装置において、図８に示した従来の水蒸気の発生装置と異なる点は、噴霧ノズル７を配置したことである。噴霧ノズル７は、給水配管６Ａ、６Ｂのそれぞれの一端部に複数個取り付けてあり、蒸発板である底板１Ａにノズル口を向けて配置（図１、図２参照）してある。
【００１３】
噴霧ノズル７は、公知のノズルを使用することにより、供給水Ｗを微粒化し、噴霧水として噴射することが可能であり、噴霧水の水滴の平均粒子径を１０００μm 以下として噴射できる噴霧ノズル７を用いるのが、蒸発板における噴霧水の水量分布を均一にできるので好適である。
次いで、水蒸気の発生量調整方法について説明する。
【００１４】
本発明の水蒸気の発生量調整方法は、上述した水蒸気の発生装置を用い、必要な水蒸気発生量に応じて、蒸発板を加熱手段であるヒータ２により加熱するとともに、噴霧水の水量を増減して、単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）を調整する。その場合、上述した水供給手段６により、供給水Ｗの水量（kg／ｈ）を調節し、かつ必要な水蒸気発生量に応じてヒータ２のパワーを調節する。
【００１５】
その際、本発明の水蒸気の発生装置においては、水量分布の均一な噴霧水を噴射するので、底板１Ａの熱負荷が均一化され、装置を長期間使用しても、装置の熱変形量やクラックの進展を抑制することができる。その結果、装置を長寿命とすることができる。
そのうえ、本発明においては、熱変形量が抑制された底板１Ａに噴霧水を供給するので、単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）の調整範囲を広くした場合でも、底板１Ａの凹部に水たまりが生じることもなく、単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）を高精度に調節することができるのである。
【００１６】
ところで、次に述べる実験結果から、本発明の水蒸気の発生装置においては、単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）、すなわち、水蒸気発生速度Ｘは、噴霧水の水滴の平均粒子径Ｄによっても変化することがわかった。
噴霧水の水滴の平均粒子径Ｄ（μm ）と水蒸気発生速度Ｘ（kg／ｈ）の関係は、上述した装置を用い、噴霧ノズル７を変更することにより、噴霧水の水滴の平均粒径Ｄを変えて調べた。
【００１７】
その結果を図３に示す。
ここで、水蒸気発生速度の比Ｘ／Ｘ₀（−）は、平均粒径Ｄ（μm ）の場合の水蒸気発生速度Ｘ（kg／ｈ）を平均粒径Ｄが２００μm の場合の水蒸気発生速度Ｘ₀（kg／ｈ）で除した値であり、水蒸気発生速度Ｘ、Ｘ₀は、本発明の装置において、（噴霧水を所定時間ｔ₀（ｓ）だけ噴射し、噴霧開始時ｔ＝０（秒）から時刻ｔ（秒）＝ｔ₀の間に発生した水蒸気の質量Ｍ（ｋｇ）を測定し、Ｍ／ｔ₀により算出したものである。発生した水蒸気は水蒸気供給配管５の出口で測定した。なお、ヒータ２のパワーは一定とし、噴霧水の温度は２０℃、噴霧水の水量はＦ_max＝６０（kg／ｈ）仕様最大）、噴射時間ｔ₀＝１８００秒とした。
【００１８】
図３に示す結果から、本発明の装置では、噴霧水の水滴の平均粒径Ｄを８００μm 以下とすることにより、水蒸気発生速度を平均粒径Ｄが２００μm の場合の１／４以上にすることができ、さらに、噴霧水の水滴の平均粒径Ｄを４００μm 以下とすることにより、水蒸気発生速度を平均粒径Ｄが２００μm の場合の１／２以上にすることができることがわかった。すなわち、噴霧水の水滴の平均粒径Ｄが２００〜１０００μm の範囲では、平均粒径Ｄを小さくすることにより、単位重量当たりの表面積を大きくでき、熱の伝達がよくなって、水蒸気発生速度、すなわち、単位時間当たりの水蒸気発生量を増大きることがわかる。
【００１９】
しかしながら、本発明の装置では、単位時間当たりの水蒸気発生量の調整を噴霧ノズル７を変更し、噴霧水の水滴の平均粒径Ｄを変えることにより行うのは現実的でないので、上述したように、本発明の水蒸気の発生量調整方法では、必要な水蒸気発生量に応じて、蒸発板を加熱手段であるヒータ２により加熱するとともに、噴霧水の水量を増減して、単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）を調整するようにしている。
【００２０】
また、本発明の方法に用いる水蒸気の発生装置においては、図４に示すように、供給水Ｗを飽和温度（沸点）以下に加熱可能な加熱手段を設けて、水蒸気の発生時に、供給水Ｗの温度を予め６０〜９５℃に加熱しておくことが好ましい。
供給水Ｗの温度を予め６０〜９５℃に加熱しておくことが好ましい理由は、供給水Ｗの温度が６０℃未満の場合、水蒸気発生速度である単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）を増大する効果が不十分であり、供給水Ｗの温度が９５℃を超える場合、配管内で水蒸気が多量に発生して、噴霧水の水量分布にムラが発生することがあるからである。
【００２１】
図５には、図４に示した装置を用いて、上述したようにして水蒸気発生速度の比Ｘ／Ｘ₀を調べた結果を示した。
なお、加熱手段８は、図４に示す配置位置に代えて、給水配管６Ａ、６Ｂに分岐する前の配管と流量調整弁６Ｅとの間に設けるようにしてもよい。加熱手段８としては、配管の周囲に巻いたヒータとすることができる。
【００２２】
以上の説明において、水蒸気の発生装置としては、蒸発板を底板とした水蒸気発生用容器１を用いているが、本発明の装置はこれに限定されず、図６に示すような蒸発板を側板とした水蒸気発生用容器１’としてもよい。
この水蒸気発生用容器１’は、上に向かうほど開口面積が広くなるように傾けた側板、天板および底板とで空間を囲んだ外形が倒立円錐台状であり、ヒータ２は、側板の周囲を加熱可能なように設けてある。噴霧ノズル７は、ノズル口の中央から噴射される噴霧水の軌跡が側板の法線Ｎに対してαだけ傾斜するように、給水配管６Ａ’に取り付けてある。図６に示した例では、ノズルから噴霧される噴霧水の噴射方向と水蒸気の発生方向とが対向することがないので、水蒸気発生量をさらに精度よく制御することができる。この場合、噴霧ノズル７としては、ホロコーンノズルを用いることができる。
【００２３】
【実施例】
図１、図２に示した水蒸気の発生装置を、図７に示した熱処理炉１７を有するプロセスラインに適用し、熱処理炉１７内の水蒸気量をコントロールして発明例１とし、図６に示した水蒸気の発生装置を適用して水蒸気量をコントロールして発明例２とした。
【００２４】
その際、水蒸気の発生装置で発生させた水蒸気と雰囲気ガスとを混合させ、混合した水蒸気を含む雰囲気ガスを熱処理炉１７に供給可能に構成した。また、熱処理炉１７内の必要な水蒸気の量（kg）に応じて単位時間当たりの水蒸気発生量（kg／ｈ）を求め、噴霧水の水量（kg／ｈ）を演算し、かつ水供給手段を制御する演算・制御装置を追加して配置し、熱処理炉１７内の水蒸気量をコントロールするように構成した。
【００２５】
なお、熱処理炉１７において、炉温を８００℃、雰囲気ガスをＨ₂とＮ₂との混合ガスとし、目標露点を４０℃として鋼板Ｓの脱炭を行った。
その結果、発明例１においては、熱処理炉１７内での雰囲気ガスの露点のばらつきは定常状態で±１℃以内であり、また、発明例２においては±０．８℃以内であり、従来よりばらつきが減少した。また、発明例１および２の水蒸気の発生装置の水蒸気発生用容器における最大温度差はともに５０℃であり、水蒸気の発生装置の寿命が１０年と推定でき、長寿命とすることができた。
【００２６】
なお、従来の水蒸気の発生装置を用い場合、熱処理炉１７内での雰囲気ガスの露点のばらつきは±３℃であり、水蒸気発生用容器における最大温度差は１５０℃であり、水蒸気の発生装置の寿命は１年であった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、装置を長寿命とすることができるとともに、単位時間当たりの水蒸気発生量の調整範囲を広くし、かつ精度を良好にすることができる。
その結果、本発明を熱処理設備に適用した場合、熱処理炉内での雰囲気ガスの露点を高精度に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の水蒸気の発生装置を示す模式図である。
【図２】図１に示す装置の要部断面図である。
【図３】図１に示す装置の作用を示すグラフである。
【図４】本発明の好適な水蒸気の発生装置を示す模式図である。
【図５】図４に示す装置の作用を示すグラフである。
【図６】本発明の他の水蒸気の発生装置を示す模式図である。
【図７】従来の水蒸気の発生装置を熱処理炉に適用した場合の構成図である。
【図８】従来の水蒸気の発生装置を示す模式図である。
【符号の説明】
Ｗ供給水
Ｖ水蒸気
１、１’ 水蒸気発生用容器
１Ａ底板（蒸発板）
２、８ヒータ（加熱手段）
４接続管
５水蒸気供給配管
５Ａドレン抜き
６水供給手段
６Ａ、６Ｂ、６Ａ’給水配管
６Ｃポンプ
６Ｄ流量計
６Ｅ流量調整弁
７噴霧ノズル
２１、２２供給配管
２１Ａ分岐管
３１、３２流量制御弁
３３、３４流量計
５１、５２、５３加熱装置
５４ファン
６１、６２、６３温度計
６４圧力計
Ｓ鋼板
１７熱処理炉
１００パン
２００ヒータ

Claims

加熱可能とされた蒸発板上に供給された、供給水を蒸発して水蒸気を発生させ、該水蒸気を蒸気通路を介して送り出すように構成されている水蒸気発生用容器と、前記蒸発板を加熱するための加熱手段と、前記供給水の水量を調整可能に構成されている水供給手段とを備えた水蒸気の発生装置において、前記供給水を粒子状の噴霧水として噴射可能な噴霧ノズルを前記水供給手段に取り付け、前記噴霧水が蒸発板上に供給されるよう蒸発板にノズル口を向けて噴霧ノズルを配置してなることを特徴とする水蒸気の発生装置。
前記噴霧ノズルを水滴の平均粒径が１０００μm 以下の噴霧水を噴射可能なものとすることを特徴とする請求項１に記載の水蒸気の発生装置。
前記水供給手段に前記供給水を飽和温度以下に加熱可能な加熱手段を設けてあることを特徴とする請求項１または２に記載の水蒸気の発生装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の水蒸気の発生装置を用い、水蒸気の発生時に、必要な水蒸気発生量に応じて、前記蒸発板を前記加熱手段により加熱するとともに、前記噴霧水の水量を増減して、単位時間当たりの水蒸気発生量を調整することを特徴とする水蒸気の発生量調整方法。
前記供給水を噴射する前に６０〜９５℃に加熱しておくことを特徴とする請求項４に記載の水蒸気の発生量調整方法。