JP6600329B2 - バーナ及びバーナの運転方法、並びに冷鉄源の溶解・精錬方法 - Google Patents
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Description
本発明は、バーナ及びバーナの運転方法、並びに冷鉄源の溶解・精錬方法に関する。
例えば、酸素を含む支燃性ガスと燃料とをノズルから噴射し、燃焼させた火炎によって被加熱物を加熱するバーナは、冷鉄源の溶解・精錬炉において用いられている。具体的に、アーク炉製鋼プロセスでは、原料となる鉄屑等の冷鉄源を炉内で加熱し、溶融させる際に、原料にコールドスポットと呼ばれる低温部分が生じ、この部分において原料が溶融しにくくなることがある。このため、この低温部分の原料をバーナで加熱して、その溶融を促進することが行われている。
このようなバーナの使用によって、原料の加熱効率を高め、原料の溶融に必要な電力使用量を低減し、溶融コストを削減することができる。また、支燃性ガスにより原料の一部を酸化・溶融させることで、切断を促し、原料に対する加熱効率を高めることが知られている。
バーナでは、支燃性ガスの流速を高めることによって、被加熱物の切断速度が高められ、加熱効率を高めることができることから、支燃性ガスの高速化が求められている。しかしながら、支燃性ガスの流れを高速化すると、火炎がノズルから離れ、燃焼が不安定となる。
また、アーク炉内では、溶鋼・スラグ中からのＣＯガスの発生に伴うボイリングによる溶融金属やスラグの飛散、高速火炎が原料に衝突することによる溶融金属やスラグの跳ねかえりなどが発生する。
バーナでは、上述した溶融金属やスラグによって、ノズルが閉塞したり、ノズルが溶損したりする。このため、頻繁にバーナをメンテナンスする必要がある。特に、燃料は、支燃性ガスほど噴出速度を速くできないため、ノズルが閉塞し易い。このような燃料ノズルの閉塞を抑えるためには、燃料の噴出速度を可能な限り速くするなどの方法が取られている。
例えば、下記特許文献１に記載のバーナでは、中心に支燃性ガスの噴出孔と、この噴出孔の出口に火炎を保炎するための溝と、これら噴出孔と溝との間に燃料の噴出孔とを設けることによって、安定した高速の火炎を形成するようにしている。
一方、下記特許文献２に記載のバーナでは、中心に支燃性ガスの噴出孔と、この噴出孔の出口に火炎を保炎するための溝と、これら噴出孔と溝との間に第１の燃料噴出孔と、支燃性ガスの出口の外周に第２の燃料噴出孔とを設けることによって、安定した高速の火炎を形成するようにしている。
一方、下記特許文献３に記載のバーナでは、中心に主支燃性ガスの噴出孔と、その外側に燃料噴出口と、更にその外側に副支燃性ガスの噴出孔とを配置し、主支燃性ガスの噴流の周りに火炎エンベロープを形成することで、主ガスのコヒーレントジェットが得られ、高速の火炎を形成するようにしている。また、ノズルの前面に反らせ板を設けて、火炎を内向きにし、支燃性ガスジェットの方向に向けることで、主支燃性ガスの流速の減衰を抑えるようにしている。
また、燃料ガスの燃焼熱量をＱ［ＭＭＢｔｕ／ｈ］とし、反らせ板の穴径をＤ［インチ］としたときに、Ｑ／Ｄ≧０．６とすること、並びに、支燃性ガスの流量をＶ［千立方フィート／ｈ］とし、支燃性ガス中の酸素濃度をＰ［容積％］とし、穴径をＤ［インチ］としたときに、ＶＰ／Ｄ≧７０とすることが重要であることが記載されている。
この条件から、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）の流量が４３５Ｎｍ３／ｈ、酸素の流量が１０００Ｎｍ３／ｈ規模のバーナを想定した場合、反らせ板の穴径は、７０９ｍｍ（２７．９インチ）となる。また、ＶＰ／Ｄ≧７０の関係から、Ｄは１３６１ｍｍ（５３．６インチ）となる。
アーク炉において、上述した飛散した溶融金属やスラグによるノズルの閉塞を防止するためには、供給圧力の低い燃料又は燃焼性の悪い燃料を使用する場合、燃料ノズルからの噴出速度を遅くする必要がある。しかしながら、その場合は、スプラッシュによりノズル孔が閉塞し易くなり、ノズルが損傷したり、メンテナンス頻度が多くなったりする。
また、燃料の噴出速度が遅い場合、炉内の燃焼ガスの流れ等による外乱の影響を受け易く、中心噴流の周りに良好な火炎を形成することができない。その場合、中心酸素の減衰が早くなり、加熱性能・カッティング性能が低下する。
また、発熱量の低い燃料を使用する場合、単位体積当たりの容積が大きくなるため、燃料ノズルの穴径を大きくしなければならず、ノズル孔が閉塞し易くなる。さらに、燃焼性の悪い燃料を使用する場合、火炎が吹き飛び易いため、燃料の噴出速度を速くすることができない。
ところで、特許文献１に記載のバーナでは、支燃性ガス噴出孔の内面に燃料噴出孔を配置しているため、燃料噴出孔の断面積を大きくすることができず、噴出速度を遅くすることができない。したがって、供給圧力の低い燃料又は燃焼性の悪い燃料には適用することは困難である。
一方、特許文献２に記載のバーナでは、燃料噴出孔の断面積を大きくできるものの、燃料噴出孔がバーナの前面に配置されているため、飛散した溶融金属やスラグにより閉塞し易い。さらに、発熱量の低い燃料を用いる場合には、発熱量当たりの容積が大きくなるため、燃料噴出孔の断面積が大きくなり、より閉塞し易くなる。
一方、特許文献３に記載のバーナでは、上述したように、反らせ板の穴径が７０９ｍｍや１３６１ｍｍとなり、飛散した溶融金属やスラグによるノズルの閉塞を防止することができない。また、特許文献３に記載のバーナでは、反らせ板の穴径が上記の範囲から外れると、中心の支燃性ガスジェットを火炎で囲むことができなくなるので、支燃性ガスの減衰が速くなり、高速の火炎を得ることができなくなる。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、溶融金属やスラグによるノズルの閉塞や損傷等を防止することを可能としたバーナ及びバーナの運転方法、並びに冷鉄源の溶解・精錬方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 先端側の中心部に設けられた支燃性ガス噴出口に向けて支燃性ガスを供給する支燃性ガス供給路と、
前記支燃性ガス噴出口の周囲に設けられた燃料噴出口に向けて燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料噴出口の周囲を囲む位置から前記支燃性ガス噴出口及び前記燃料噴出口が設けられた先端面よりも前方に突出された防護ノズルとを備え、
前記支燃性ガス供給路は、ラバールノズルと、前記ラバールノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて漸次拡径された拡径ノズルとを含み、
前記防護ノズルは、前記先端面から前方に向けて漸次縮径された形状を有し、
前記拡径ノズルの最大径をｄ ３ ［ｍ］とし、前記防護ノズルの先端における直径をｄ ４ ［ｍ］としたときに、供給する支燃性ガスの流量に対して、量論比（酸素比＝１）で燃焼するのに必要な燃料の流量をＱ ｆ ［Ｎｍ ３ ／ｈ］とした場合に、前記Ｑ ｆ を、下記式（１）で求められる前記防護ノズルの出口面積から前記拡径ノズルの出口面積を差し引いた面積Ａで除して求められる速度Ｖ［Ｎｍ／ｓ］が、
５０≦Ｖ≦２００
を満足するように、前記ｄ ３ 及びｄ ４ が設定されていることを特徴とするバーナ。
Ｖ＝（Ｑ ｆ ／３６００）／Ａ …（１）
Ａ＝π／４×（ｄ ４ ２ −ｄ ３ ２ ）
〔２〕 前記支燃性ガス供給路は、前記拡径ノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて同径とされた同径ノズルを含むことを特徴とする前記〔１〕に記載のバーナ。
〔３〕 前記同径ノズルの内周面に全周に亘って溝部が設けられていることを特徴とする前記〔２〕に記載のバーナ。
〔４〕 前記拡径ノズルのうち、最大径となる先端側での断面積をＡ１とし、最小径となる基端側での断面積をＡ２としたときに、
１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０
を満足することを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔５〕 前記拡径ノズルの開き角が前記ラバールノズルの拡径側の開き角以上、且つ、前記拡径ノズルの半頂角が３０°以下であることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔６〕 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に並ぶ複数の孔部により構成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔７〕 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に形成された孔部により構成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔８〕 前記防護ノズルの半頂角が５〜４５°であることを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔９〕 前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のバーナを用いたバーナの運転方法であって、
前記支燃性ガスとして、濃度が２０．９５〜１００％である酸素を用いることを特徴とするバーナの運転方法。
〔１０〕 前記燃料噴出口から噴出される燃料の流速を１０ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする前記〔９〕に記載のバーナの運転方法。
〔１１〕 酸素比を１〜１０とすることを特徴とする前記〔９〕又は〔１０〕に記載のバーナの運転方法。
〔１２〕 前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のバーナを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法であって、
冷鉄源を溶解する溶解工程と、
前記冷鉄源を溶解した後に精錬する精錬工程とを含み、
前記溶解工程において、酸素比を１〜５とし、
前記精錬工程において、酸素比を３〜１０とし、
前記溶解工程及び前記精錬工程において、それぞれ独立に燃料の流量を設定することを特徴とする冷鉄源の溶解・精錬方法。
〔１〕 先端側の中心部に設けられた支燃性ガス噴出口に向けて支燃性ガスを供給する支燃性ガス供給路と、
前記支燃性ガス噴出口の周囲に設けられた燃料噴出口に向けて燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料噴出口の周囲を囲む位置から前記支燃性ガス噴出口及び前記燃料噴出口が設けられた先端面よりも前方に突出された防護ノズルとを備え、
前記支燃性ガス供給路は、ラバールノズルと、前記ラバールノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて漸次拡径された拡径ノズルとを含み、
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前記拡径ノズルの最大径をｄ ３ ［ｍ］とし、前記防護ノズルの先端における直径をｄ ４ ［ｍ］としたときに、供給する支燃性ガスの流量に対して、量論比（酸素比＝１）で燃焼するのに必要な燃料の流量をＱ ｆ ［Ｎｍ ３ ／ｈ］とした場合に、前記Ｑ ｆ を、下記式（１）で求められる前記防護ノズルの出口面積から前記拡径ノズルの出口面積を差し引いた面積Ａで除して求められる速度Ｖ［Ｎｍ／ｓ］が、
５０≦Ｖ≦２００
を満足するように、前記ｄ ３ 及びｄ ４ が設定されていることを特徴とするバーナ。
Ｖ＝（Ｑ ｆ ／３６００）／Ａ …（１）
Ａ＝π／４×（ｄ ４ ２ −ｄ ３ ２ ）
〔２〕 前記支燃性ガス供給路は、前記拡径ノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて同径とされた同径ノズルを含むことを特徴とする前記〔１〕に記載のバーナ。
〔３〕 前記同径ノズルの内周面に全周に亘って溝部が設けられていることを特徴とする前記〔２〕に記載のバーナ。
〔４〕 前記拡径ノズルのうち、最大径となる先端側での断面積をＡ１とし、最小径となる基端側での断面積をＡ２としたときに、
１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０
を満足することを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔５〕 前記拡径ノズルの開き角が前記ラバールノズルの拡径側の開き角以上、且つ、前記拡径ノズルの半頂角が３０°以下であることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔６〕 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に並ぶ複数の孔部により構成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔７〕 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に形成された孔部により構成されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔８〕 前記防護ノズルの半頂角が５〜４５°であることを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載のバーナ。
〔９〕 前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のバーナを用いたバーナの運転方法であって、
前記支燃性ガスとして、濃度が２０．９５〜１００％である酸素を用いることを特徴とするバーナの運転方法。
〔１０〕 前記燃料噴出口から噴出される燃料の流速を１０ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする前記〔９〕に記載のバーナの運転方法。
〔１１〕 酸素比を１〜１０とすることを特徴とする前記〔９〕又は〔１０〕に記載のバーナの運転方法。
〔１２〕 前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のバーナを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法であって、
冷鉄源を溶解する溶解工程と、
前記冷鉄源を溶解した後に精錬する精錬工程とを含み、
前記溶解工程において、酸素比を１〜５とし、
前記精錬工程において、酸素比を３〜１０とし、
前記溶解工程及び前記精錬工程において、それぞれ独立に燃料の流量を設定することを特徴とする冷鉄源の溶解・精錬方法。
以上のように、本発明によれば、溶融金属やスラグによるノズルの閉塞や損傷等を防止することを可能としたバーナ及びバーナの運転方法、並びに冷鉄源の溶解・精錬方法を提供することが可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（バーナ）
〔第１の実施形態〕
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１（ａ），（ｂ）に示すバーナ１Ａについて説明する。なお、図１は、バーナ１Ａの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。
〔第１の実施形態〕
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１（ａ），（ｂ）に示すバーナ１Ａについて説明する。なお、図１は、バーナ１Ａの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。
本実施形態のバーナ１Ａは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、先端側の中心部に設けられた支燃性ガス噴出口２と、支燃性ガス噴出口２の周囲に設けられた燃料噴出口３と、支燃性ガス噴出口２に向けて支燃性ガスＧ１を供給する支燃性ガス供給路４と、燃料噴出口３に向けて燃料Ｇ２を供給する燃料供給路５と、燃料噴出口３の周囲を囲む位置から支燃性ガス噴出口２及び燃料噴出口３が設けられた先端面１ａよりも前方に突出された防護ノズル６とを備えている。
バーナ１Ａは、その中心部に配置された第１のノズル部材７と、第１のノズル部材の外側に同心円状に配置された第２のノズル部材８とから構成されている。なお、これらバーナ１Ａを構成する第１及び第２のノズル部材７，８については、例えば銅又は銅合金（黄銅）などの熱伝導性に優れた金属材料を用いて形成されているが、これらの金属材料を用いたものに必ずしも限定されるものではない。
第１のノズル部材７は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の孔部７ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。支燃性ガス供給路４は、この孔部７ａにより構成され、支燃性ガス噴出口３は、この孔部７ａの先端により構成されている。また、第１のノズル部材７先端側には、フランジ部７ｂが拡径方向に突出して設けられている。
第２のノズル部材８は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の孔部８ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。第１のノズル部材７は、この孔部８ａの内側に挿入されることによって、孔部８ａにフランジ部７ｂが全周に亘って接触した状態で配置されている。また、先端面１ａは、このフランジ部７ｂを含む第１のノズル部材７の先端により構成されている。
燃料供給路５は、第１のノズル部材７と孔部８ａ（第２のノズル部材８）との間に形成された断面円環状の流路により構成されている。燃料噴出口３は、フランジ部７ｂを軸線方向に貫通する複数の孔部７ｃが支燃性ガス噴出口２に対して同心円状に並ぶことによって構成されている。複数の孔部７ｃは、互いに同一径を有して断面円形状に形成されている。
なお、燃料噴出口３については、上述した複数の孔部７ｃにより構成された場合に限らず、上述したフランジ部７ｂを省略し、第１のノズル部材７と孔部８ａ（第２のノズル部材８）との間に形成される流路の先端において、支燃性ガス噴出口２に対して同心円状に形成された断面円環状の孔部により構成することも可能である。
支燃性ガス供給路４（孔部７ａ）は、上流（基端）側から下流（先端）側に向かって、ラバールノズル９と、拡径ノズル１０とを有して構成されている。このうち、ラバールノズル９は、支燃性ガスＧ１を超音速とするためのものであり、孔部７ａの途中で径が細くなる形状を有している。一方、拡径ノズル１０は、安定した火炎を形成するためのものであり、ラバールノズル９の先端から支燃性ガス噴出口２に向けて漸次拡径された形状を有している。
ここで、ラバールノズル９の寸法は、支燃性ガスＧ１の流量及び噴出速度、支燃性ガスＧ１の組成により、スロート径ｄ１及び出口径ｄ２が決まる。したがって、ラバールノズル９の半頂角αと拡径ノズル１０の半頂角βが同一の場合、ラバールノズル９の出口径ｄ２よりも先端側が拡径ノズル１０となる。
防護ノズル６は、飛散した溶融金属やスラグなどから支燃性ガス噴出口２及び燃料噴出口３を防護するためのものであり、先端面１ａ（第１のノズル部材７の先端）よりも前方に突出された孔部８ａ（第２のノズル部材８）により構成されている。
防護ノズル６は、先端面１ａから前方に向けて漸次縮径された形状（この部分を縮径部６ａという。）を有している。第１のノズル部材７の先端（先端面１ａ）は、孔部８ａのうち、同一径となる部分と、縮径される部分との境界に位置している。なお、防護ノズル６の先端は、最も縮径された位置から先端に向けて同一径とされた形状（この部分を同径部６ｂという。）を有している。
第２のノズル部材８には、冷却水Ｈの循環により冷却する水冷ジャケット２０が設けられている。水冷ジャケット２０は、第２のノズル部材８の内部に設けられた流路２０ａを仕切り壁２０ｂによって内周側と外周側との間で仕切ると共に、その先端側で流路２０ａが連通された構造を有している。冷却水Ｈは、流路２０ａの内周側から外周側に向かって流通されることによって、バーナ１の冷却を行う。
以上のような構成を有するバーナ１Ａでは、支燃性ガスＧ１として、例えば酸素を用い、燃料Ｇ２として、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いることができる。なお、燃料Ｇ２としては、上述したＬＮＧの他にも、例えば、都市ガスや液化プロパンガス（ＬＰＧ）などの炭化水素系ガス、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）、並びにそれらの混合ガスなどを用いることができる。
バーナ１Ａでは、支燃性ガス供給路４から供給された支燃性ガスＧ１を支燃性ガス噴出口２から前方に向けて噴出し、燃料供給路４（孔部７ａ）から供給された燃料Ｇ２を燃料噴出口３から前方に向けて噴出しながら、燃焼させた火炎によって被加熱物を加熱することができる。
ところで、本実施形態のバーナ１では、上述した拡径された形状を有する拡径ノズル１０をラバールノズル９の先端に設けることで、ラバールノズル９から噴出した支燃性ガスＧ１の噴流の外側が負圧になり、噴流と拡径ノズル１０の壁面との間に循環流が形成される。更に、その循環流に燃料Ｇ２が引き込まれ、安定した火炎が形成されることになる。したがって、この火炎により支燃性ガスＧ１が囲まれることによって、支燃性ガスＧ１の減衰が抑えられ、高速の火炎をより遠くまで形成することが可能となる。
また、本実施形態のバーナ１では、上述した縮径部６ａを有する防護ノズル６を支燃性ガス噴出口２及び燃料噴出口３が設けられた先端面１ａよりも前方に突出して設けることで、火炎の広がりが抑えられ、高速の支燃性ガスＧ１及び燃料Ｇ２が各噴出口２，３から噴出されるようになる。
したがって、本実施形態のバーナ１では、供給圧力の低い燃料Ｇ２を使用した場合でも、飛散した溶融金属やスラグなどの各噴出口２，３への侵入を抑制できるため、飛散した溶融金属やスラグによるノズルの閉塞や損傷等を防止することが可能である。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図２に示すバーナ１Ｂについて説明する。なお、図２は、バーナ１Ｂの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。また、以下の説明では、上記バーナ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図２に示すバーナ１Ｂについて説明する。なお、図２は、バーナ１Ｂの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。また、以下の説明では、上記バーナ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
本実施形態のバーナ１Ｂは、図２に示すように、支燃性ガス供給路４が、上流（基端）側から下流（先端）側に向かって、ラバールノズル９と、拡径ノズル１０と、同径ノズル１１とを有して構成されている。
同径ノズル１１は、拡径ノズル１０の先端から支燃性ガス噴出口２に向けて同径とされた形状を有している。それ以外は、上記バーナ１Ａと基本的に同じ構成を有している。
本実施形態のバーナ１Ｂでは、このような同径ノズル１１を追加した構成とすることで、拡径ノズル１０で形成された火炎を軸線方向に向けることができ、火炎の広がりを抑制することができる。また、中心を流れる支燃性ガスＧ１の噴流を火炎が囲み込むと共に、軸線方向に平行に流れるようになる。これにより、支燃性ガスＧ１の減衰が抑えられ、高速の火炎をより遠くまで形成することが可能となる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図３に示すバーナ１Ｃについて説明する。なお、図３は、バーナ１Ｃの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。また、以下の説明では、上記バーナ１Ａ，１Ｂと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図３に示すバーナ１Ｃについて説明する。なお、図３は、バーナ１Ｃの構成を示し、（ａ）はその先端側から見た正面図、（ｂ）はその軸線方向に沿った断面図である。また、以下の説明では、上記バーナ１Ａ，１Ｂと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
本実施形態のバーナ１Ｃは、図３に示すように、同径ノズル１１ａの内周面に全周に亘って溝部１１ａが設けられた構成である。それ以外は、上記バーナ１Ａ，１Ｂと基本的に同じ構成を有している。
本実施形態のバーナ１Ｂでは、このような溝部１１ａを同径ノズル１１ａの内周面に設けることで、上述した保炎効果が大きくなり、発熱量の低い燃料Ｇ２又は燃焼性の悪い燃料Ｇ２を使用した場合でも、安定した周囲火炎を形成することが可能となる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの好適な条件について説明する。
次に、本発明の第４の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの好適な条件について説明する。
本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、拡径ノズル１０のうち、最大径となる先端側での断面積をＡ１とし、最小径となる基端側での断面積をＡ２としたときに、下記の条件を満足することが好ましい。
１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０
１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０
この条件を満足することで、拡径ノズル１０の壁面と支燃性ガスＧ１の噴流との間に負圧の領域が形成され、支燃性ガスＧ１を囲み込むように安定した火炎を形成することが可能となる。
また、本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、拡径ノズル１０の開き角（半頂角β）がラバールノズル９の拡径側の開き角（半頂角α）以上、且つ、拡径ノズル１０の半頂角βが３０°以下であることが好ましい。
これにより、拡径ノズル１０の壁面と中心を流れる支燃性ガスＧ１の噴流との間に循環流が形成され、燃料Ｇ２が拡径ノズル１０に引き込まれ、安定した火炎を形成することが可能となる。
一方、拡径ノズル１０の開き角（半頂角β）がラバールノズルの開き角αより小さいと、拡径ノズル１０の壁面と中心を流れる支燃性ガスＧ１の噴流との間に循環流が形成されず、安定した火炎を形成することが困難となる。
また、拡径ノズル１０の最大径となる先端側での断面積を固定した状態で、拡径ノズル１０の開き角（半頂角β）を大きくすると、循環領域の長さが短くなる。具体的には、拡径ノズル１０の半頂角βを３０°より大きくすると、十分な循環領域が形成されず、安定した火炎を形成することが困難となる。
また、本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、防護ノズル６の半頂角γが５〜４５°であることが好ましい。
これにより、防護ノズル６の内側に侵入した溶融金属やスラグ等を支燃性ガスＧ１又は燃料Ｇ２の噴流によって、防護ノズル６の外側へと良好に排出することができる。
防護ノズル６の半頂角γを５°より小さくすると、防護ノズル６の長さが長くなり、防護ノズル６への熱損が大きくなり、熱効率が低下する。また、防護ノズル６の内面への熱流束が大きくなり、防護ノズル６が損傷する恐れがある。一方、防護ノズル６の半頂角γを４５°よりも大きくすると、防護ノズル６の内側に侵入した溶融金属やスラグ等が防護ノズル６の内側に滞留してしまい、排出することが困難となる。
（バーナの運転方法）
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの運転方法について説明する。
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃの運転方法について説明する。
本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた運転方法では、支燃性ガスＧ１として、濃度が２０．９５〜１００％である酸素を用いることを特徴とする。
これにより、低い供給圧力又は発熱量の低い燃料Ｇ２を用いた場合にも、ノズルの閉塞がなく、高速の火炎を安定して形成することが可能である。
また、本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた運転方法は、燃料噴出口３から噴出される燃料Ｇ２の流速を１０ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。
燃料Ｇ２の流速を１０ｍ／Ｓ以上にすることによって、飛散した溶融金属やスラグなどの燃料噴出口３への侵入を抑制できるため、溶融金属やスラグによる閉塞を防止することが可能である。一方、燃料の速度が１０ｍ／ｓよりも遅くなると、溶融金属やスラグ等を押し出す力が弱くなり、燃料噴出口３への侵入を抑制できなくなる。
また、本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた運転方法では、燃料Ｇ２を完全に燃焼させるのに必要な酸素の割合（量論比）を１とした場合、酸素比を１〜１０とすることが好ましい。
ここで、酸素比は、以下の式で定義される値である。
酸素比＝（供給する支燃性ガスＧ１に含まれる酸素量）／（燃料Ｇ２を完全燃焼させるのに必要な酸素量）
酸素比＝（供給する支燃性ガスＧ１に含まれる酸素量）／（燃料Ｇ２を完全燃焼させるのに必要な酸素量）
また、支燃性ガスＧ１がＬＮＧの場合、必要な酸素量は、ＬＮＧ１Ｎｍ３あたり２．３Ｎｍ３であるので、ＬＮＧの流量は、以下の式で求められる。
ＬＮＧの流量＝［（供給する支燃性ガスＧ１に含まれる酸素量）／２．３］／酸素比
ＬＮＧの流量＝［（供給する支燃性ガスＧ１に含まれる酸素量）／２．３］／酸素比
これにより、低い供給圧力又は発熱量の低い燃料Ｇ２を用いた場合にも、ノズルの閉塞がなく、高速の火炎を安定して形成することが可能である。
また、本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、拡径ノズル１０の最大径をｄ３［ｍ］とし、防護ノズル６の先端における直径をｄ４［ｍ］としたときに、供給する支燃性ガスＧ１の流量に対して、量論比（酸素比＝１）で燃焼するのに必要な燃料Ｇ２の流量をＱｆ［Ｎｍ３／ｈ］とした場合に、Ｑｆを、下記式（１）で求められる防護ノズル６の出口面積から拡径ノズル１０の出口面積を差し引いた面積Ａで除して求められる速度Ｖ［Ｎｍ／ｓ］が、５０≦Ｖ≦２００を満足するように、ｄ３及びｄ４を定めることが好ましい。
Ｖ＝（Ｑｆ／３６００）／Ａ …（１）
Ａ＝π／４×（ｄ４ ２−ｄ３ ２）
Ｖ＝（Ｑｆ／３６００）／Ａ …（１）
Ａ＝π／４×（ｄ４ ２−ｄ３ ２）
上記式（１）で求められる流速Ｖを５０〜２００Ｎｍ／ｓとすることで、飛散した溶融金属やスラグ等の侵入を抑制できると共に、高速の火炎を安定して形成することが可能である。
流速Ｖが５０Ｎｍ／ｓよりも遅くなると、溶融金属やスラグ等の侵入を防ぐことが困難となる。一方、流速Ｖが２００Ｎｍ／ｓよりも速くなると、ノズル内の圧力が高くなり、供給圧力の低い燃料を供給することができなくなり、中心を流れる支燃性ガスＧ１の噴流の周りに良好な火炎を形成することが困難となる。
（冷鉄源の溶解・精錬方法）
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法について説明する。
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態として、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法について説明する。
本実施形態のバーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法は、冷鉄源を溶解する溶解工程と、冷鉄源を溶解した後に精錬する精錬工程とを含み、溶解工程において、酸素比を１〜５とし、精錬工程において、酸素比を３〜１０とし、溶解工程及び精錬工程において、それぞれ独立に燃料の流量を設定することを特徴とする。
上記酸素比の条件では、酸素の流量を１０００Ｎｍ３／ｈとしたときに、酸素比が１〜５の場合、ＬＮＧの流量は４３５〜８７Ｎｍ３／ｈに設定される。一方、酸素比が３〜１０の場合、ＬＮＧの流量は１４５〜４３Ｎｍ３／ｈに設定される。
具体的に、ＬＮＧを量論比（酸素比＝１）で燃焼させるのに必要な酸素量は、ＬＮＧ１Ｎｍ３あたり２．３Ｎｍ３であるので、ＬＮＧの流量Ｑｆは、酸素の流量をＱＯ２とし、酸素比をｍとしたときに、下記式（２）で求められる。
Ｑｆ＝（ＱＯ２／２．３）／ｍ …（２）
Ｑｆ＝（ＱＯ２／２．３）／ｍ …（２）
溶解工程において、ＬＮＧの燃焼熱を熱源として使用する場合、このＬＮＧを完全燃焼させることを想定し、酸素比ｍを１以上に設定した。酸素比がｍ＝１の場合、ＬＮＧの流量Ｑｆは、上記式（２）により約４３５Ｎｍ３／ｈに設定される。
一方、溶解工程において、酸素でカッティングする場合、酸素の噴流のポテンシャルコアを最大限に伸ばすことを想定し、酸素比ｍを５以下に設定した。酸素比がｍ＝５の場合、ＬＮＧの流量Ｑｆは、上記（２）により約８７Ｎｍ３／ｈに設定される。
一方、精錬工程において、本実施形態のバーナを酸素ランスとして使用する場合、酸素で精錬しているため、酸素が完全に消費されないよう燃料を少なくすることを想定し、酸素比ｍを３以上に設定した。酸素比がｍ＝３の場合、ＬＮＧの流量Ｑｆは、上記（２）により約１４５Ｎｍ３／ｈに設定される。
一方、精錬工程において、酸素噴流を伸ばすのに必要な燃料の最低流量を想定し、酸素比ｍを１０以下に設定した。酸素比がｍ＝１０の場合、ＬＮＧの流量Ｑｆは、上記（２）により約４３Ｎｍ３／ｈに設定される。
以上のように、溶解工程と精錬工程では、バーナの機能を分けるため、その機能を持たせるための酸素比を設定し、それぞれ独立に燃料Ｇ２の流量を設定することが好ましい。
また、上記式（１）で求められる流速Ｖを５０〜２００Ｎｍ／ｓとしたときのｄ４の最大条件と最小条件とを求めた結果を下記表１に示す。
例えば、支燃性ガスの流量（純酸素）を１０００Ｎｍ３／ｈとし、ＬＮＧの流量Ｑｆを４３５Ｎｍ３／ｈ（酸素比を１として算出）とし、支燃性ガスの出口速度をマッハ１．５とし、ｄ１＝２０．２ｍｍ、ｄ２＝２３．６ｍとして設計すると、１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０から、ｄ３＝２８．９〜４０．９ｍｍとなる。
ｄ４が最大となる条件は、上式（１）でＶ＝５０Ｎｍ／ｓとした場合、Ａ＝０．００２４１７ｍ２となる。したがって、上式（１）でｄ３＝４０．９ｍｍとした場合、ｄ４＝６８．９ｍｍとなる。
一方、ｄ４が最小となる条件は、上式（１）でＶ＝２００Ｎｍ／ｓとした場合、Ａ＝０．０００６０４ｍ２となる。したがって、上式（１）でｄ３＝２８．９ｍｍとした場合、ｄ４＝４０．１ｍｍとなる。
したがって、防護ノズル６の先端における直径ｄ４は、４０．１〜６８．９ｍｍの範囲となる。
本実施形態によれば、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを用いて、炉内で冷鉄源を溶解し、精錬する際に、その効率を向上させることが可能である。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、第１及び第２のノズル部材７，８により構成されているが、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、適宜変更を加えることが可能である。例えば、上記第１のノズル部材７については、ラバールノズル９と、拡径ノズル１０との間で分割されることによって、それぞれ別のノズル部材により構成することも可能である。
具体的に、上記バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、第１及び第２のノズル部材７，８により構成されているが、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、適宜変更を加えることが可能である。例えば、上記第１のノズル部材７については、ラバールノズル９と、拡径ノズル１０との間で分割されることによって、それぞれ別のノズル部材により構成することも可能である。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
（実施例１）
実施例１では、上記図１に示すバーナ１Ａを下記表２に示す条件で作製したものを用いて、燃焼状態の確認と、中心を流れる支燃性ガスの噴流の流速を測定した。なお、実施例１では、支燃性ガスに純酸素（濃度１００％）を用い、燃料にＬＮＧを用いた。
実施例１では、上記図１に示すバーナ１Ａを下記表２に示す条件で作製したものを用いて、燃焼状態の確認と、中心を流れる支燃性ガスの噴流の流速を測定した。なお、実施例１では、支燃性ガスに純酸素（濃度１００％）を用い、燃料にＬＮＧを用いた。
一方、比較例１として、上記特許文献１に記載のバーナを下記表２に示す条件で作製したもの用いて、実施例１と同様の測定を行った。
その結果、実施例１のバーナでは、防護ノズル６の先端から、中心を流れる支燃性ガスの噴流を囲むように安定した火炎が形成されることを確認した。
また、実施例１及び比較例１について、各バーナからの距離［ｍ］と支燃性ガスの流速［マッハ数］との関係を測定した。その測定結果を図４に示す。なお、図４では、実施例１の測定結果を実線で示し、比較例１の測定結果を破線で示している。
図４に示すように、実施例１のバーナでは、比較例１のバーナに比べて、支燃性ガスの流速の減衰が起こりにくくなっていることがわかる。
（実施例２）
実施例２では、上記図３に示すバーナ１Ｃを下記表３に示す条件で作製したものを用いて、燃焼状態の確認と、中心を流れる支燃性ガスの噴流の流速を測定した。なお、実施例２では、支燃性ガスに純酸素を用い、発熱量が低く燃焼性の悪い燃料を模擬するため、燃料にＬＮＧを窒素で希釈したものを用いた。
実施例２では、上記図３に示すバーナ１Ｃを下記表３に示す条件で作製したものを用いて、燃焼状態の確認と、中心を流れる支燃性ガスの噴流の流速を測定した。なお、実施例２では、支燃性ガスに純酸素を用い、発熱量が低く燃焼性の悪い燃料を模擬するため、燃料にＬＮＧを窒素で希釈したものを用いた。
その結果、実施例２のバーナでは、発熱量の低い燃料でも、防護ノズル６の先端から、中心を流れる支燃性ガスの噴流を囲むように安定した火炎が形成されることを確認した。
また、実施例２について、各バーナからの距離［ｍ］と支燃性ガスの流速［マッハ数］との関係を測定した。その測定結果を図５に示す。また、図５には、参考として実施例１の測定結果を併せて示すものとする。なお、図５では、実施例２の測定結果を実線で示し、実施例１の測定結果を一点鎖線で示している。
図５に示すように、実施例２のバーナでは、燃焼性の悪い燃料であっても、実施例１のバーナと同等の結果を得ることができ、支燃性ガスの流速の減衰が起こりにくくなっていることがわかる。
（実施例３）
実施例３では、実施例１及び実施例２のバーナをアーク炉内に設置し、実機操業で発生した溶融金属及びスラグによるノズルの閉塞状態を確認した。その結果、ノズルの閉塞は発生せず、安定して運転操業できることを確認した。
実施例３では、実施例１及び実施例２のバーナをアーク炉内に設置し、実機操業で発生した溶融金属及びスラグによるノズルの閉塞状態を確認した。その結果、ノズルの閉塞は発生せず、安定して運転操業できることを確認した。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…バーナ １ａ…先端面 ２…支燃性ガス噴出口 ３…燃料噴出口 ４…支燃性ガス供給路 ５…燃料供給路 ６…防護ノズル ７…第１のノズル部材 ８…第２のノズル部材 ９…ラバールノズル １０…拡径ノズル １１…同径ノズル １１ａ…溝部 ２０…水冷ジャケット Ｇ１…支燃性ガス Ｇ２…燃料 Ｈ…冷却水
Claims (12)
- 先端側の中心部に設けられた支燃性ガス噴出口に向けて支燃性ガスを供給する支燃性ガス供給路と、
前記支燃性ガス噴出口の周囲に設けられた燃料噴出口に向けて燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料噴出口の周囲を囲む位置から前記支燃性ガス噴出口及び前記燃料噴出口が設けられた先端面よりも前方に突出された防護ノズルとを備え、
前記支燃性ガス供給路は、ラバールノズルと、前記ラバールノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて漸次拡径された拡径ノズルとを含み、
前記防護ノズルは、前記先端面から前方に向けて漸次縮径された形状を有し、
前記拡径ノズルの最大径をｄ ３ ［ｍ］とし、前記防護ノズルの先端における直径をｄ ４ ［ｍ］としたときに、供給する支燃性ガスの流量に対して、量論比（酸素比＝１）で燃焼するのに必要な燃料の流量をＱ ｆ ［Ｎｍ ３ ／ｈ］とした場合に、前記Ｑ ｆ を、下記式（１）で求められる前記防護ノズルの出口面積から前記拡径ノズルの出口面積を差し引いた面積Ａで除して求められる速度Ｖ［Ｎｍ／ｓ］が、
５０≦Ｖ≦２００
を満足するように、前記ｄ ３ 及びｄ ４ が設定されていることを特徴とする記載のバーナ。
Ｖ＝（Ｑ ｆ ／３６００）／Ａ …（１）
Ａ＝π／４×（ｄ ４ ２ −ｄ ３ ２ ） - 前記支燃性ガス供給路は、前記拡径ノズルの先端から前記支燃性ガス噴出口に向けて同径とされた同径ノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記同径ノズルの内周面に全周に亘って溝部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のバーナ。
- 前記拡径ノズルのうち、最大径となる先端側での断面積をＡ１とし、最小径となる基端側での断面積をＡ２としたときに、
１．５≦Ａ１／Ａ２≦３．０
を満足することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のバーナ。 - 前記拡径ノズルの開き角が前記ラバールノズルの拡径側の開き角以上、且つ、前記拡径ノズルの半頂角が３０°以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のバーナ。
- 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に並ぶ複数の孔部により構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のバーナ。
- 前記燃料噴出口は、前記支燃性ガス噴出口に対して同心円状に形成された孔部により構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のバーナ。
- 前記防護ノズルの半頂角が５〜４５°であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のバーナ。
- 請求項１〜８の何れか一項に記載のバーナを用いたバーナの運転方法であって、
前記支燃性ガスとして、濃度が２０．９５〜１００％である酸素を用いることを特徴とするバーナの運転方法。 - 前記燃料噴出口から噴出される燃料の流速を１０ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする請求項９に記載のバーナの運転方法。
- 酸素比を１〜１０とすることを特徴とする請求項９又は１０に記載のバーナの運転方法。
- 請求項１〜８の何れか一項に記載のバーナを用いた冷鉄源の溶解・精錬方法であって、
冷鉄源を溶解する溶解工程と、
前記冷鉄源を溶解した後に精錬する精錬工程とを含み、
前記溶解工程において、酸素比を１〜５とし、
前記精錬工程において、酸素比を３〜１０とし、
前記溶解工程及び前記精錬工程において、それぞれ独立に燃料の流量を設定することを特徴とする冷鉄源の溶解・精錬方法。
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