JP5807633B2 - 加熱炉 - Google Patents

Description

この発明は、排気口に熱放射抑制構造を有する加熱炉に関する。

粗鋼などを高温に加熱する直火加熱炉は、バーナにより炉内が加熱され、バーナ火炎の燃焼気が炉内雰囲気になっている。このような直火加熱炉の排気口は、一般的に、炉の天井に直接開口しているため、排気口から炉内の熱が煙道に放射される。直火加熱炉内の温度は１２００℃程度の高温となるため、煙道に熱交換器を配置して排気の熱を利用する場合には、熱交換器よりも上流側で煙道に空気を入れて、排気の温度を８００℃程度まで下げることが行われている。
熱の放射量は高温側絶対温度の４乗と低温側絶対温度の４乗との差に比例するため、排気口から煙道への熱放射量を抑制することで、多大な省エネルギー効果が得られる。また、煙道へ向かう排気の温度が８００℃程度になれば排気の温度を下げる必要がないため、効率的な熱利用が行われる。

特許文献１には、加熱炉の加熱室内の燃焼ガスを通気性固体を通して熱交換室に導入することにより、熱交換室において効率よく熱交換を行う方法が記載されている。また、加熱室を流出する燃焼ガスの有する顕熱は通気性固体により輻射熱に変換され、被熱材の加熱に利用されるとともに、通気性固体が熱遮蔽材として機能して、加熱室から被熱材加熱用の有効熱量が奪われるのを防止すると記載されている。
特許文献２には、１又は複数の耐熱性の布部材を、支持部材を介して加熱炉の排気口内に、排気口内を通過する排気ガスの流れに沿って設置することで、排気口を通過する排気ガスで布部材を加熱し、加熱された布部材からの輻射熱を加熱炉内に入れて、排気口から外部に流出する熱を減少させる加熱炉の熱効率改善方法が記載されている。

特許文献２に記載された方法の好ましい形態では、平面視で、複数の布部材が１点で交差して放射状の集合体を形成し、集合体は２枚の布部材で形成され、布部材間の交差角度は１０°以上９０°以下としている。或いは、集合体が３枚以上の布部材で形成され、隣接する布部材間の各交差角度は等しく５°以上としている。また、布部材は、厚みが０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、開口率が３０％以下の織物や、厚みが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、体積空隙率が５０％以上９７％以下の不織布から作製することが記載されている。
特許文献２では、主に、排気口の断面形状が円である例について記載され、排気口の断面形状が四角の場合は支持部材として各筒体を使用すると記載されている。また、得られる熱効率改善効果については、電気炉の排気口内に設置した場合の効果のみが記載されている。

特開昭５７−１８７５９０号公報 特開２０１２−８２９９４号公報

特許文献１に記載された方法では、炉内で発生した鋼材の酸化物などが排気に混入する使用環境の場合、通気性固体に目詰まりが生じ易いため、通気性固体の寿命が短くなるという課題がある。例えば、普通鋼の粗鋼を１２００℃程度まで加熱する直火加熱炉の場合、普通鋼の表面に酸化物が生成することが避けられないため、特許文献１の方法を適用することは好ましくない。

また、大量生産される普通鋼のスラブの平面形状はアスペクト比の大きい長方形であるため、直火加熱炉の排気口の断面形状は、スラブの平面形状と略同じ形状、例えば長辺が１２ｍで短辺が１．５ｍの長方形になっている。このような形状および大きさの排気口を有する加熱炉に対して、特許文献２の方法を適用することは困難である。
この発明の課題は、特許文献１および２とは異なる方法で排気口から煙道への熱放射量が抑制され、熱放射抑制性能が長期に渡って保持される加熱炉を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様の加熱炉は、排気口に、非通気性材料からなる複数の壁材が、互いに平行に且つ排気の流れと平行に、所定間隔で配置されていることを特徴とする。この加熱炉によれば、前記複数の壁材を有さない場合と比較して、排気に含まれる熱が排気口から放射する量が低減できる。すなわち、前記複数の壁材により、加熱炉の排気口に熱放射抑制構造が形成される。また、非通気性材料からなる壁材を使用しているため、目詰まりによって熱放射抑制性能が低下することがない。
この態様の加熱炉は、下記の構成（１）を有する。
（１）前記壁材は平板状であり、前記排気口の断面形状は短辺と長辺の長さが異なる長方形であり、前記壁材は前記短辺と平行に配置され、前記壁材により前記排気口に複数の同じ形状の空間が形成され、前記空間の前記長辺方向の寸法（Ｌ）が前記短辺の寸法（ａ）より小さい。
この態様の加熱炉が前記構成（１）を有することにより、前記構成（１）を有さない（Ｌがａ以上である）加熱炉と比較して、放射熱量の抑制効果が大きくなる。

この態様の加熱炉は、下記の構成(2) を有することができる。
(2) 前記排気口は、耐火物からなる内壁と鉄皮（鉄製の外壁材）とにより形成され、前記鉄皮は、前記長辺に対応する長辺部と前記短辺に対応する短辺部を有し、前記壁材は、前記鉄皮の向かい合う前記長辺部間に固定された下梁と、前記下梁の上に積み上げられた耐火レンガと、前記耐火レンガの最上部に置かれて、前記鉄皮の向かい合う前記長辺部間に固定された上梁と、により形成されている。
この態様の加熱炉が前記構成(2) を有することにより、熱放射抑制構造が、強固で耐熱性が高い構造で加熱炉に形成されるため、長期の使用に耐えることができる。

この態様の加熱炉が下記の構成(3) を満たす場合、多大な省エネルギー効果が得られるとともに、効率的な熱利用が行われる。
(3) 前記排気の温度は９００℃以上であり、前記排気口に連続する煙道内に、熱交換器が配置され、前記排気口の前記壁材が配置されている位置より下流で前記熱交換器より上流となる位置に、排気温度低下装置が設置されている。

この発明の加熱炉によれば、排気口から煙道への熱放射量が抑制されるとともに、熱放射抑制性能が長期に渡って保持される。

この実施形態の加熱炉を示す概略構成図である。 図１のＡ−Ａ断面図であり、一部が破断されている。 Ｌ／ａと放射熱量との関係を示すグラフである。 Ｌ／ａと熱交換器後排熱温度およびダイリューション量との関係を示すグラフである。

以下、図１および図２を用い、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
図１および図２において、炉長方向をＸ、炉幅方向をＹ、鉛直方向をＺで示す。
図１に示すように、この実施形態の加熱炉は、予熱帯１１、加熱帯１２、均熱帯１３を有する。予熱帯１１にはサイドバーナ１４が設置されている。加熱帯１２には軸流バーナ１５が設置されている。均熱帯１３には、ルーフバーナ１６とサイドバーナ１４が設置されている。加熱炉内に装入口１７から装入されたスラブ２は、予熱帯１１、加熱帯１２、均熱帯１３をこの順に移動することにより１２００℃まで加熱されて、搬出口１８から搬出される。排気の温度は９００℃以上である。

加熱炉には、装入口１７と予熱帯１１との間の天井に排気口３が形成されている。加熱炉は、排気口３からの排気を外部に導く煙道４を有する。煙道４は、排気口３から鉛直上方に立ち上がる立ち上がり部４１と、立ち上がり部４１から曲がって水平方向に延びる水平部４２と、水平部４２から曲がって鉛直方向に立ち上がる排出部４３を有する。
煙道４の立ち上がり部４１の下部に熱放射抑制構造５が形成されている。熱放射抑制構造５の下流に、ダイリューション用の空気導入口４１ａが形成されている。空気導入口４１ａと図示されない空気導入設備により、排気温度低下装置が構成されている。煙道４の水平部４２の立ち上がり部４１側には熱交換器６が配置され、排出部４３側にはダンパー４２ａが配置されている。
すなわち、この加熱炉では、空気導入口４１ａから煙道４の立ち上がり部４１に空気を入れて、排気の温度を８００℃程度まで下げた後に、排気の熱を熱交換器６で利用している。

図２に示すように、排気口３の断面形状は、短辺と長辺の長さが異なる長方形である。長辺の長さ（ｂ）はスラブ２の長さと略同じかやや大きい。短辺の長さ（ａ）は、長辺の長さと短辺の長さとの積である排気口３の断面積が排気の量に見合うように設計されるため、スラブ２の幅より小さくなることもある。
排気口３内に、平板状で非通気性材料からなる複数の壁材５１が、排気口３の断面長方形の短辺と平行に等間隔で配置されている。すなわち、排気口３内に複数の壁材５１が、互いに平行に且つ排気の流れと平行に、所定間隔で配置されている。複数の壁材５１により、排気口３に複数の空間５２が形成されている。これら複数の空間５２が熱放射抑制構造５を構成する。
これらの空間５２の断面形状は全て同じ長方形であり、その長方形の長辺の長さは排気口３の短辺の長さ（ａ）と同じであり、短辺の長さは隣り合う壁材５１の隙間（Ｌ）である。隙間（Ｌ）は、排気口３の断面長方形の長辺（ｂ）方向に沿った寸法である。隙間Ｌは寸法ａより小さい。

排気口３を含む煙道４は、鉄皮（鉄製の外壁材）４Ａと耐火物からなる内壁４Ｂとにより形成されている。鉄皮４Ａおよび内壁４Ｂは、排気口３の断面長方形の長辺（ｂ）に対応する長辺部と、短辺（ａ）に対応する短辺部を有する。複数の壁材５１は、それぞれ、煙道４の鉄皮４Ａに固定された下梁５１ａと、複数の耐火レンガ５１ｂと、煙道４の鉄皮４Ａに固定された上梁とからなる。下梁５１ａは図２の破断部分に表示されているが、図２に上梁は表示されていない。

各壁材５１は、以下の方法で煙道４に固定されている。先ず、煙道４の鉄皮４Ａの長辺部に、下梁５１ａの両端部を溶接固定する。次に、下梁５１ａの表面に断熱キャスタブルを施工する。次に、下梁５１ａの上に複数の耐火レンガ５１ｂをモルタルで接着しながら積み上げ、最上部の耐火レンガ５１ｂの上にモルタルを介して上梁を置く。次に、上梁の両端部を煙道４の鉄皮４Ａの長辺部に溶接固定した後、下梁５１ａと同様の施工をする。次に、鉄皮４Ａの内側に耐火物を配置して内壁４Ｂを形成する。

下梁および上梁としてはＨ形鋼を使用することができる。その場合、Ｈ形鋼の平行なフランジを上下に配置し、下梁５１ａをなすＨ形鋼のフランジの上に耐火レンガ５１ｂを積み上げる。
この加熱炉によれば、排気口３に複数の壁材５１からなる熱放射抑制構造５が形成されていない場合と比較して、排気に含まれる熱が排気口３から放射する量が低減できる。また、非通気性材料からなる壁材を使用しているため、目詰まりによって性能が低下することがない。

また、空間５２の寸法Ｌが寸法ａより小さいため、空間５２の寸法Ｌが寸法ａ以上である場合と比較して、放射熱量の抑制効果が大きくなる。
また、熱放射抑制構造５が、梁と耐火レンガにより、強固で耐熱性が高い構造で加熱炉に形成されているため、長期の使用に耐えることができる。
この実施形態において、熱放射抑制構造５を構成する壁材５１の厚さは耐火レンガ５１ｂの幅となる。熱放射抑制構造５による排気抵抗を小さくするために、壁材５１の厚さは強度が確保できる範囲で薄くすることが好ましい。

さらに、この実施形態の加熱炉は、排気の温度が９００℃以上であり、排気口３に連続する煙道４内に熱交換器６が配置され、排気口３の熱放射抑制構造５より下流で熱交換器６より上流となる位置に、空気導入口４１ａを含む排気温度低下装置が設置されているため、熱放射抑制構造５がない場合には多大な熱損失が生じるが、熱放射抑制構造５を有することで、多大な省エネルギー効果が得られるとともに、効率的な熱利用が行われる。
具体的には、熱放射抑制構造５により加熱炉内への熱還流が生じるため、バーナの燃焼に使用する燃料を少なくできるとともに、排気の温度を８００℃程度まで下げるためのダイリューションに必要な空気導入量を少なくできる。

図３のグラフは、排気口３の断面長方形の長辺（ｂ）が１３．５７ｍ、短辺（ａ）が１．７５ｍ、壁材５１の高さ（Ｚ方向の寸法）が１．５０ｍの場合に、壁材５１の厚さ（Ｙ方向寸法）を０、６５ｍｍ、１１４ｍｍとして計算した、Ｌ／ａと放射熱量との関係を示す。このグラフから、Ｌ／ａが小さいほど放射熱量が小さく、熱放射抑制構造５による煙道４への熱放射抑制効果が高くなることが分かる。特に、Ｌ／ａが１より小さいほど（すなわち、Ｌがａより小さいほど）放射熱量が小さく、熱放射抑制構造５による煙道４への熱放射抑制効果を高くすることができる。

また、Ｌ／ａが同じ場合には、熱放射抑制構造５による排気の流れに沿った方向での熱放射抑制効果は等しい。熱放射抑制構造５では、壁材５１の厚さ方向に相当する排気の流れに垂直な方向での熱放射抑制効果も得られるが、この方向で壁材５１は排気の流れの抵抗になるため、できるだけ薄い壁材５１を用い、同じ大きさの排気口３内に多数の壁材５１を設けることで、Ｌ／ａをより小さくすることが望ましい。

図４のグラフは、壁材５１の厚さが０である場合について、Ｌ／ａとダイリューション量（空気導入量）および熱交換器後排気温度（熱交換器５を通った後の排気温度）との関係を示している。熱放射抑制構造５による熱放射抑制効果に付随して、ダイリューション量は低減し、熱交換器後排気温度は低下する。
ダイリューションでは、空気を導入することで高温の排気を希釈して排気温度を低下させるが、熱放射抑制構造５による熱放射抑制効果により、排気口３の放射熱に応じて余分に導入していた空気量が低減できるため、空気導入に使用するファン駆動電力を削減できる。図４のグラフから、Ｌ／ａが小さいほど（特に、Ｌ／ａが１より小さいほど）ダイリューション量が低減できるため、省エネルギー効果が高いことが分かる。

また、排気口３からの排気とダイリューションで供給された空気が熱交換器６を通過するが、これらの合計量が低下することで熱交換器６の能力に余裕が生じて、熱交換器６を通った後の排気温度も低下できる。熱交換器６で回収できない廃熱量は、熱交換器６に導入された排気および空気の合計量と熱交換器後排気温度との積で表されるが、図４のグラフから、Ｌ／ａが小さいほど（特に、Ｌ／ａが１より小さいほど）熱交換器後排気温度が小さいため、最終的な廃熱量が低減できることが分かる。

１１ 予熱帯
１２ 加熱帯
１３ 均熱帯
１４ サイドバーナ
１５ 軸流バーナ
１６ ルーフバーナ
１７ 装入口
１８ 搬出口
２ スラブ
３ 排気口
４ 煙道
４Ａ 鉄皮
４Ｂ 耐火物からなる内壁
４１ 立ち上がり部
４１ａ 空気導入口
４２ 水平部
４２ａ ダンパー
４３ 排出部
５ 熱放射抑制構造
５１ 壁材
５１ａ 下梁
５１ｂ 耐火レンガ
５２ 熱放射抑制構造を構成する空間
６ 熱交換器

Claims (3)

1. 排気口に、非通気性材料からなる複数の壁材が、互いに平行に且つ排気の流れと平行に、所定間隔で配置されており、
   前記壁材は平板状であり、前記排気口の断面形状は短辺と長辺の長さが異なる長方形であり、前記壁材は前記短辺と平行に配置され、前記壁材により前記排気口に複数の同じ形状の空間が形成され、前記空間の前記長辺方向の寸法（Ｌ）が前記短辺の寸法（ａ）より小さい加熱炉。
2. 前記排気口は、耐火物からなる内壁と鉄皮とにより形成され、前記鉄皮は、前記長辺に対応する長辺部と前記短辺に対応する短辺部を有し、
   前記壁材は、前記鉄皮の向かい合う前記長辺部間に固定された下梁と、前記下梁の上に積み上げられた耐火レンガと、前記耐火レンガの最上部に置かれて、前記鉄皮の向かい合う前記長辺部間に固定された上梁と、により形成されている請求項１に記載の加熱炉。
3. 前記排気の温度は９００℃以上であり、前記排気口に連続する煙道内に、熱交換器が配置され、前記排気口の前記壁材が配置されている位置より下流で前記熱交換器より上流となる位置に、排気温度低下装置が設置されている請求項１又は２に記載の加熱炉。

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