JP5839186B2 - 熱処理炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の熱処理する熱処理炉の操業方法に関するものであり、具体的には、熱処理の操業の休止中あるいは待機中における燃料ロスを低減することができる熱処理炉の操業方法に関するものである。

鉄鋼製品の製造においては、機械的特性等を改善したり、所望の特性を付与したりするために、熱処理炉において種々の熱処理が施している。熱処理炉の加熱方式には、燃焼熱を用いる場合、被処理物の酸化が許容されるときには、加熱効率が高い直火式の燃焼加熱方式が採用されるが、被処理物の酸化が許容されないときには、ラジアントチューブ加熱装置を用いた間接加熱方式が採用されている。

上記ラジアントチューブ加熱装置には、近年、省エネルギーの観点から、蓄熱型熱交換器を内蔵するリジェネレイティブ（蓄熱式）ラジアントチューブ方式が多く使用されている。この加熱装置は、ラジアントチューブと、該ラジアントチューブの両端に設けられた、蓄熱体を有する一対のバーナと（メインバーナ）、該一対のメインバーナにそれぞれ接続された一対の燃焼通気切替用三方弁とから構成されており、上記メインバーナを交互に燃焼させるのが一般的である。すなわち、各メインバーナの燃焼用空気通路は、バーナ燃焼時においては燃焼用空気が供給される通路として使用され、非燃焼時においては燃焼排ガスの排気通路として利用され、各バーナの空気通路にはそれぞれ蓄熱器が接続されている。各蓄熱器は通過する燃焼排ガスの顕熱を回収し、次回燃焼時に供給される燃焼用空気を予熱するもので、高温排ガスをことにより、一方のバーナの燃焼によって生じる排気ガスの熱を他方のバーナの蓄熱体によって回収するものである。

このような蓄熱式加熱装置において、メインバーナの点火を確実に行い、燃焼安定性を確保するため、通常、メインバーナにはパイロットバーナが設置されている。メインバーナの点火を確実に行うには、パイロットバーナは、メインバーナの燃料と燃焼用空気が混合する燃料ノズルと燃焼用空気ノズルの近傍に設置され、燃料と燃焼用空気が可燃性混合気となったら直ちに燃焼を可能とする構造となっている。なお、一般的に、ラジアントチューブとしては、口径が９０〜２００ｍｍの耐熱合金チューブ、セラミックチューブ等が使用されている。

ところで、鋼材の熱処理炉は、一般に、連続操業がなされているものが多いが、定期点検や定期修理等で炉を開放する場合や、材料待ちや操業トラブル等の影響で、一時的に操業を停止あるいは休止することがある（以降、これを「操業停止」ともいう。）。斯かる場合、燃料コストを削減するため、加熱炉の操業を停止するのが普通である。例えば、炉温が８００℃を超える温度で鋼材に熱処理を施す熱処理炉では、操業停止時には、ラジアントチューブのメインバーナを消火して炉を自然冷却する。

また、メインバーナが失火したり、あるいは、燃料ガスが供給配管から漏れ出たりして、ラジアントチューブ内に未燃焼ガスが残留している場合には、爆発するおそれがあるため、炉温が所定の温度以下まで降下したときには、パイロットバーナを点火しておき、それらの未燃焼ガスガスを燃焼させている。

鉄鋼業において用いられる熱処理炉の燃料としては、メインバーナには自家生産されるコークス炉ガス（Ｃガス）や、Ｃガスと高炉ガス（Ｂガス）とをミックスしたＭガスが用いられ、また、パイロッットバーナにはＬＰＧやＣガスが用いられることが多い。しかし、ＬＰＧは、Ｍガスと比較して高価であるため、パイロッットバーナに使用するＬＰＧは少量といえども燃料コストも無視できない。したがって、熱処理炉の操業を一時停止する場合には、燃料ロスを低減し、燃料コストを最小限に抑えるようにする必要がある。

加熱炉の操業停止時あるいはその後の昇温時における燃料コストを削減する技術としては、例えば、特許文献１の技術がある。

特開２００７−１７７３１６号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、ブルームやビレット、スラブ等の鋼素材を、ＬＮＧを燃焼させる直火式のバーナを用いて加熱する熱処理炉を対象としている技術である。また、ラジアントチューブを用いた熱処理炉における、操業停止時における燃料ロスを削減する技術については、従来、ほとんど検討がなされていない。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ラジアントチューブを用いた鋼材熱処理炉の操業停止時における燃料ロスを最小限に留めることができる熱処理炉の操業方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を重ね、以下の構成からなる本発明を開発した。すなわち、本発明は、ラジアントチューブのメインバーナでＣガスまたはＭガスを燃焼させて炉温を８００℃以上の所定の熱処理温度に加熱して鋼材を熱処理する熱処理炉の操業方法において、熱処理炉の操業停止時には、上記メインバーナを消火して炉温を自然冷却すると共に、炉温が８００℃未満の温度に低下したときには、燃焼ガスとしてＬＰＧを用いるラジアントチューブのパイロットバーナに点火し、炉温が６００〜４００℃の温度に低下したときには、メインバーナに点火して炉温を昇温する際、上記操業停止の時間が２２．５時間以下の場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃以上の操業熱処理温度まで昇温する、上記操業停止の時間が２２．５時間超え２７時間未満の場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を７００〜９００℃の温度まで昇温してその温度に保持し、操業再開２時間前に操業熱処理温度まで昇温する、上記操業停止の時間が２７時間超えの場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃〜熱処理時の炉温まで昇温し、２時間保持後、再度、ラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却することを繰り返す、ことを特徴とする熱処理炉の操業方法である。

また、本発明の熱処理炉の操業方法は、操業停止時の自然冷却における冷却速度を８０℃／ｈｒ以下とすることを特徴とする。

本発明によれば、熱処理炉の操業停止時における炉温の過剰な冷却を抑制するとともに、操業停止時および再稼動時における燃料ロスを最小限に抑制することができるので、製造コストの削減に大いに寄与する。また、操業停止時における冷却速度を制限することで、熱歪によるラジアントチューブの損傷を防止することができるので、生産性の向上にも寄与する。

熱処理炉の操業停止時間が２２．５時間未満の場合の操業方法の一例を示した図である。 熱処理炉の操業停止時間が２２．５時間以上２７時間未満の場合の操業方法の一例を示した図である。 熱処理炉の操業停止時間が２７時間以上の場合の操業方法の一例を示した図である。

鋼材の熱処理炉は、一般に、複数の加熱ゾーンを有しており、それらの炉温を８００℃以上、例えば、８５０〜９５０℃程度に温度（熱処理温度）に加熱して熱処理を施している。一方、熱処理炉を休止あるいは待機待ち等のために操業を一時停止する時には、ラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却するのが普通である。しかし、操業再開時には、速やかに炉温を操業時の温度まで上昇させる必要があり、炉温を低下させ過ぎると、昇温に長時間を要したり、使用する燃料も却って増加してしまうことになる。

そこで、本発明の熱処理炉の操業方法においては、操業再開時に、即、対応できる所定の温度、一例として、５００℃の温度に炉温を維持しておき、操業を再開する時には、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を熱処理温度まで速やかに昇温することとした。なお、上記操業停止時における炉温の最低温度は、必ずしも５００℃である必要はなく、熱処理炉固有の断熱性や加熱能力によって変化させてもよいが、室温と操業時の炉温の中間温度である４００〜６００℃の範囲とするのが最も効率的で好ましい。

なお、上記自然冷却における冷却速度は、８０℃／ｈｒ以下とするのが好ましい。冷却速度が８０℃／ｈｒを超えると、ラジアントチューブが冷却時の熱歪により破損するおそれがあるからである。好ましくは５０℃／ｈｒ以下である。ここで、上記冷却速度は、加熱ゾーンのラジアントチューブが設置されている部分の炉内雰囲気温度が、熱処理時の炉温〜２００℃まで冷却するときの平均冷却速度のことである。

また、パイロットバーナは、メインバーナの点火を確実に行い、かつ、ガスの燃焼安定性を確保するためのもので、常時、点火しておく必要はない。しかし、ラジアントチューブ内に未燃焼ガスが残留していると、爆発を起こすおそれがある。そこで、未燃焼ガスを確実に燃焼させるため、ラジアントチューブ内の温度（操業停止時の炉温に等しい）が燃焼ガスの着火温度未満であるときは、パイロットバーナを点火しておくことが好ましい。例えば、メインバーナの燃焼ガスがＣガスやＭガスである場合、着火温度は７３０℃程度である。そこで、本発明では、安全性を確保するため、８００℃未満の温度においては、常時、パイロットバーナを点火しておくこととした。

しかし、パイロットバーナに用いる燃焼ガスがＬＰＧである場合には、ＣガスやＭガスと比較して高価であり、燃料コスト削減のためには、点火時間はできるだけ短縮することが好ましい。そのため、例えば、炉温が８００℃未満まで降温していた場合には、高価なＬＰＧを用いるパイロットバーナに点火しつつ自然冷却するのがよいのか、それとも、安価なＭガスやＣガスを用いるメインバーナに点火し、炉温を昇温して、パイロットバーナに点火しない方がよいのかが問題となる。また、前者のパイロットバーナに点火しつつ自然冷却する場合には、炉温が冷却し過ぎると、８００℃以上の操業時の炉温まで昇温するのに要するＭガスやＣガス量が増加し、時間も長くなるため、却って燃料コストが増大する。したがって、降温させる炉温にも最適な温度があるはずである。すなわち、加熱炉を停止し、炉温が８００℃未満まで降下するような場合には、メインバーナ用のＭガスやＣガスと、パイロットバーナ用のＬＰＧの合計燃料コストが最小となるよう炉温を制御する必要がある。

発明者らは、上記課題を解決するべく、実熱処理炉における操業停止時の操業パターンを種々に変更して、最も燃料コストを削減することができる操業方法を検討した。その結果、操業停止時間によって最適な操業パターンが存在すること、具体的には、記操業停止時間が２２．５時間以下の場合には、図１に示したように、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度（図１は、５００℃の例）まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃以上の所定の熱処理温度まで昇温する操業パターンが、また、上記操業停止時間が２２．５時間超え２７時間未満の場合には、図２に示したように、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度（図２は、５００℃の例）まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を７００〜９００℃の温度まで昇温してその温度に保持し、操業再開２時間前に所定の熱処理温度まで昇温する操業パターンが、上記操業停止時間が２７時間超えの場合には、図３に示したように、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度（図３は、５００℃の例）まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃〜熱処理時の炉温まで昇温し、２時間保持後、再度、ラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却することを繰り返す操業パターンとすることにより、燃料コストを最も低く抑えられることが明らかとなった。

メインバーナ用の燃料ガスとしてＭガスを、パイロットバーナ用の燃料ガスとしてＬＰＧを使用するラジアントチューブで炉温（操業熱処理温度）を９００℃に加熱して鋼材を熱処理する熱処理炉において、操業停止時に、ラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却する場合において、操業停止時間（冷却を開始してから、上記熱処理温度９００℃まで再加熱して操業再開するまでの時間）が２０時間、２５時間および３０時間のときのＭガスおよびＬＰＧの使用量を、図１〜図３に示したＡ〜Ｃの操業パターンと、操業停止時には単にラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却する操業パターンＤをベースとして比較した。

その結果、熱処理炉の操業を停止したときの操業方法には、操業停止時間の長さによって、最も適した操業パターンがあり、そのパターンは、従来の自然冷却する操業パターンＤよりも低い燃料コストであること、具体的には、熱処理炉の操業停止時間が２２．５時間未満の場合には図１に示したような操業パターンＡが、操業停止時間が２２．５時間以上２７時間未満の場合には図２に示したような操業パターンＢが、また、操業停止時間が２７時間以上の場合には図３に示したような操業パターンＣを採用することにより、操業停止時の燃料ロスを最も低減することができることが確認された。

Claims (2)

1. ラジアントチューブのメインバーナでＣガスまたはＭガスを燃焼させて炉温を８００℃以上の所定の熱処理温度に加熱して鋼材を熱処理する熱処理炉の操業方法において、
   熱処理炉の操業停止時には、上記メインバーナを消火して炉温を自然冷却すると共に、
   炉温が８００℃未満の温度に低下したときには、燃焼ガスとしてＬＰＧを用いるラジアントチューブのパイロットバーナに点火し、
   炉温が６００〜４００℃の温度に低下したときには、メインバーナに点火して炉温を昇温する際、
   上記操業停止の時間が２２．５時間以下の場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃以上の操業熱処理温度まで昇温する、
   上記操業停止の時間が２２．５時間超え２７時間未満の場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を７００〜９００℃の温度まで昇温してその温度に保持し、操業再開２時間前に操業熱処理温度まで昇温する、
   上記操業停止の時間が２７時間超えの場合には、自然冷却により炉温が６００〜４００℃の温度まで降温した後、ラジアントチューブのメインバーナに点火して炉温を８００℃〜熱処理時の炉温まで昇温し、２時間保持後、再度、ラジアントチューブのメインバーナを消火して自然冷却することを繰り返す、
   ことを特徴とする熱処理炉の操業方法。
2. 操業停止時の自然冷却における冷却速度を８０℃／ｈｒ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉の操業方法。

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