JP6633028B2 - 酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法に関するものである。

一般に、製鉄プロセスで用いられる取鍋等の、銑鉄（溶湯）を受ける炉（容器）は、急加熱による炉内の耐火物（耐火煉瓦等）の損傷を防ぐことを目的として、バーナによる火炎を用いて予熱が行われている。
このような用途に用いられるバーナの火炎には、伝熱効率が高いこと、及び、被加熱物を均一に加熱できるような特性を有することが求められている。

バーナの伝熱効率を高める方法としては、従来から、例えば、特許文献１に記載された技術のように、酸化剤として酸素富化空気を用いることで火炎温度を上昇させ、伝熱効率を高める方法が採用されていた。しかしながら、特許文献１に記載のような構造を有するバーナでは、火炎が直線的な形状となるため、被加熱物の一点を局所加熱してしまう傾向があり、均一加熱が困難であるという問題があった。

これに対し、特許文献２においては、噴流の自励振動現象を利用することで火炎を振動させ、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能な方法が開示されている。

特開２０１６−０８５０２１号公報 特開２０１３−０７９７５３号公報

一方、特許文献２に記載された技術では、火炎が振動するため、この火炎が短尺化するという傾向がある。その結果、バーナの面方向から距離の離れた位置にある被加熱物を、対流伝熱により加熱しようとした場合、火炎が被加熱物まで届かないことから伝熱効率が低下するという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自励振動で火炎を振動させながら、銑鉄を受ける取鍋等の被加熱物を加熱するにあたり、バーナの面方向から離れた位置であっても優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素富化空気又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、燃焼させるバーナであって、前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口と、該中心流体噴出口の周囲に配置される周囲流体噴出口とからなり、前記中心流体噴出口の上流側における流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられているとともに、該一対の開口部同士が連通管で連通されており、前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口を挟み込むように配置され、且つ、前記中心流体噴出口の周囲において、それぞれ対向して配置される、一対の第１周囲流体噴出口と、一対の第２周囲流体噴出口とからなり、前記一対の第２周囲流体噴出口は、前記一対の開口部の対向方向と直交する方向で、前記中心流体噴出口を両側から挟み込むように配置されており、前記中心流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向の中心軸と、前記一対の第２周囲流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向の中心軸とがなす角度γ°が、次式｛０°＜γ≦１５°｝を満たし、前記中心流体噴出口における、前記開口部が配置された一対の側壁間の出口幅Ｄ１と、前記一対の第２周囲流体噴出口における、前記出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが、次式｛０．５Ｄ１≦Ｄ２≦Ｄ１｝を満たすことを特徴とする酸素富化バーナである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の酸素富化バーナであって、前記一対の第１周囲流体噴出口が、前記開口部が配置された一対の側壁の両側から挟み込むように配置されており、前記一対の第１周囲流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向が、前記中心流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向に対して外側に向かうように設けられ、前記中心流体噴出口の開口角度αと、前記一対の第１周囲流体噴出口のなす噴出角度βとが、次式｛−５°≦β≦（α＋１５°）｝を満たすことを特徴とする酸素富化バーナである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の酸素富化バーナであって、前記一対の第１周囲流体噴出口と前記一対の第２周囲流体噴出口とは、前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出量を個別に制御可能であることを特徴とする酸素富化バーナである。

さらに、上記課題を解決するため、請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いて被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法である。

本発明に係る酸素富化バーナによれば、中心流体噴出口と、その周囲にそれぞれ対向して直交する方向で配置される一対の第１周囲流体噴出口及び一対の第２周囲流体噴出口と、中心流体噴出口の上流側の流体噴出流路の側壁に一対の開口部とを備え、中心流体噴出口におけるガス噴出方向の中心軸と、一対の第２周囲流体噴出口におけるガス噴出方向の中心軸とがなす角度γ°が所定範囲とされ、且つ、中心流体噴出口における開口部が配置された一対の側壁間の出口幅Ｄ１と、一対の第２周囲流体噴出口における出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが所定の関係を満たす構成を採用している。
このように、自励振動によって火炎を振動させるバーナにおいて、流体噴出口の配置及び形状を最適化することにより、自励振動作用による広域で均一に加熱できる効果と、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率を得る効果の両方が得られる。従って、被加熱物を加熱するにあたり、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

また、本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法によれば、上記構成を備えた本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法なので、上記同様、被加熱物に対して広域で均一に加熱できるとともに、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率が得られる。従って、上記同様、被加熱物を加熱する際、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、図１中に示した酸素富化バーナのＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、図１中に示した酸素富化バーナのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、（ａ），（ｂ）は、図１〜図３に示した酸素富化バーナにおける流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。 本発明の実施例で用いた酸素富化バーナを示す模式図であり、（ａ）は比較例１で用いたバーナの側面図及び平面図、（ｂ）は比較例２で用いたバーナの側面図及び平面図、（ｃ）は比較例３で用いたバーナの側面図及び平面図、（ｄ）は発明例１で用いたバーナの縦断面図及び平面図である。 本発明の酸素富化バーナの実施例について説明する図であり、図５（ａ）〜（ｄ）に示した比較例１〜３及び発明例１の各バーナにおける、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナを用いた加熱方法について模式的に説明する図であり、本発明に係る酸素富化バーナを、製鋼工程で用いられるタンディッシュに適用した場合の構成を示す概略図である。 本発明の酸素富化バーナの実施例について説明する図であり、図７に示すようなタンディッシュの模擬炉を用いて、発明例２及び比較例４の各バーナによって炉内の加熱試験を実際した際の、予熱時間と、炉底温度の最大値と最小値との差ΔＴとの関係を示すグラフである。 本発明の酸素富化バーナの実施例について説明する図であり、図７に示すようなタンディッシュの模擬炉を用いて、発明例３及び比較例５の各バーナによって炉内の加熱試験を実際した際の、バーナ中心軸からの距離と炉底温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法について、図１〜図９を適宜参照しながら説明する。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等が実際と同じであるとは限らない。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。

本発明に係る酸素富化バーナは、例えば、製銑や製鋼工場において溶銑や溶鋼の貯留・搬送手段として用いられるタンディッシュ（図７に示すタンディッシュ５０を参照）を予備加熱する用途に適用することが可能である。

＜酸素富化バーナ＞
以下、本発明に係る酸素富化バーナの構成及び燃焼方法について詳述する。

［酸素富化バーナの構成］
図１〜図３は、本発明の一実施形態である酸素富化バーナ１の構造を説明する図であり、図１は中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図、図２は図１中に示したＡ−Ａ断面図（縦断面図）、図３は図１中に示したＢ−Ｂ断面図（横断面図）である。また、図４は、本発明の一実施形態である酸素富化バーナ１における流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。なお、図１〜図４（及び、実施例の欄で説明する図５）においては、各流体噴出口及び開口部等の配置関係やサイズを示すための模式図であることから、ノズルとしての管壁等、詳細な部分の図示を一部省略している。

図１〜図４に示すように、本実施形態の酸素富化バーナ１は、先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素富化空気又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、燃焼させるものである。
具体的には、本実施形態の酸素富化バーナ１は、複数の流体噴出口が、中心流体噴出口２と、この中心流体噴出口２の周囲に配置される周囲流体噴出口３とからなる。また、中心流体噴出口２の上流側における流体噴出流路４の側壁４１には、それぞれ対向する位置で一対の開口部４２ａ，４２ｂが設けられているとともに、これら一対の開口部４２ａ，４２ｂ同士が連通管５で連通されている。また、酸素富化バーナ１は、流体噴出流路４における開口部４２ａ，４２ｂよりも下流側が、開口部４２ａ，４２ｂが配置された一対の側壁４３，４３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされている。また、周囲流体噴出口３は、中心流体噴出口２を挟み込むように配置され、且つ、中心流体噴出口２の周囲において、それぞれ対向して配置される一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａと、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂとからなる。また、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂは、一対の開口部４２ａ，４２ｂの対向方向と直交する方向で、中心流体噴出口２を両側から挟み込むように配置されている。

さらに、酸素富化バーナ１は、中心流体噴出口２における酸素富化空気又は燃料ガスの噴出方向の中心軸Ｊ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおける酸素富化空気又は燃料ガスの噴出方向の中心軸Ｊ２とがなす角度γ°が、次式｛０°＜γ≦１５°｝を満たす。そして、酸素富化バーナ１は、中心流体噴出口２における、一対の開口部４２ａ，４２ｂが配置された一対の側壁４１，４１間の出口幅Ｄ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおける、出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが、次式｛０．５Ｄ１≦Ｄ２≦Ｄ１｝を満たした構成とされている。

本実施形態の酸素富化バーナ１においては、酸素富化空気及び燃料ガスを、中心流体噴出口２又は周囲流体噴出口３から、それぞれ別個に噴出させるが、何れのガスが、どちらの噴出口から噴出されても構わない。例えば、本実施形態の酸素富化バーナ１においては、中心流体噴出口２から燃料ガスＧ１を噴出させ、周囲流体噴出口３から酸素富化空気Ｇ２を噴出するように構成することができる。

中心流体噴出口（中心流体噴出ノズル）２は、上流側の流体噴出流路４から酸素富化空気又は燃料ガスが供給されることで、外部に何れかのガスを噴出する開口部（ノズル）として構成される。中心流体噴出口２は、後述するように、流体噴出流路４における断面形状が略矩形状とされていることに伴い、その平面視形状が矩形状とされている。

流体噴出流路４は、導入口４ａに中央流体供給管路６が接続されることで、酸素富化空気又は燃料ガスの何れかが導入され、上記の中心流体噴出口２から噴出させる。また、流体噴出流路４は、例えば、流体（ガス）流れ方向に直交する方向での断面形状が略矩形状に形成されることで、上述したような一対の側壁４１，４１を有し、これら側壁４１，４１に、それぞれ対向するように一対の開口部４２ａ，４２ｂが配置される。また、図２に示すように、一対の開口部４２ａ，４２ｂの間は、連通管５で連通される。

また、流体噴出流路４は、上記のように、開口部４２ａ，４２ｂよりも下流側における一対の側壁４３，４３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状となるように、即ち、縦断面が略Ｖ字状となる一対の側壁４３として形成されている。また、流体噴出流路４における開口部４２ａ，４２ｂよりも上流側は、対向した各側壁間が略平行に延在した、断面略矩形状で角筒型の流路４４として形成されている。

本実施形態の酸素富化バーナ１は、上記構成のように、流体噴出流路４をなす一対の側壁４１，４１に、連通間５で連通した一対の開口部４２ａ，４２ｂを対向して配置することで、中心流体噴出口２から噴出する酸素富化空気又は燃料ガスに、所謂フリップフロップノズルの自励振動を発生させることができる。即ち、図４（ａ），（ｂ）に示すように、酸素富化バーナ１においては、流体噴出流路４の流路４４から流れる流体（酸素富化空気Ｇ２又は燃料ガスＧ１）が、一対の開口部４２ａ，４２ｂの間を通り抜けて、断面扇形状とされた一対の側壁４３間に流入した際、この側壁４３の一面４３ａ及び他面４３ｂに交互に付着するように自励振動しながら、中心流体噴出口２から噴出する（図１中に示す矢印Ｒも参照）。

なお、自励振動による流体の振幅や周波数は、開口部４２ａ，４２ｂ、一対の側壁４３及び連通管５の各部における寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて変化する。そこで、これらの各部における寸法を最適に設定することにより、中心流体噴出口２から噴出する流体を、一定程度の範囲内で、所望の角度及び周波数で振動させるように調整することが可能になる。

なお、フリップフロップノズルによる自励振動は、上記のように、一対の４２ａ，４２Ｂ間を連通管５で連通させることで発生させることができる。一方、上記のような自励振動は、例えば、一対の開口部４２ａ，４２ｂ間を連通する連通管５の経路上に、図示略の圧力制御機構を設けることで発生させることも可能である。このような圧力制御機構を設けることにより、例えば、一方の開口部４２ａの圧力が静圧より低い圧力に制御されるときには、他方の開口部４２ｂの圧力が静圧よりも高い圧力になるように制御され、一対の開口部４２ａ，４２ｂの圧力を交互に反転させることができる。このように、一対の開口部４２ａ，４２ｂの圧力を交互に反転させることで、中心流体噴出口２から噴出する流体（酸素富化空気Ｇ２又は燃料ガスＧ１）の噴出方向を周期的に変化させ、上記のような自励振動を発生させることが可能になる。

より詳細に説明すると、図示略の圧力制御機構を用いて、一方の開口部４２ａの圧力を静圧よりも低くし、対向する位置に配置された他方の開口部４２ｂの圧力を静圧よりも高くすると、図４（ａ）に示すように、流体の流れは、一対の側壁４３の一面４３ａ側に傾いて噴出する。一方、一方の開口部４２ａの圧力を静圧よりも高くし、他方の開口部４２ｂの圧力を静圧よりも低くすると、図４（ｂ）に示すように、流体の流れは、一対の側壁４３の他面４３ｂ側に傾いて噴出する。本実施形態の酸素富化バーナ１は、上記のような構成及び動作により、流体の噴出方向を周期的に変化させて中心流体噴出口２から噴出させることができる。

なお、図２中に示した、流体噴出流路４における一対の側壁４３の開き角度、即ち、中心流体噴出口２の開口角度αは、特に限定されず、所望する火炎の開き角度を勘案しながら設定すればよいが、流体の噴出方向の振動を安定的に発生させ、均一な加熱を実現する観点からは、９０°以下とすることが好ましい。

周囲流体噴出口（周囲流体噴出ノズル）３は、中心流体噴出口２の周囲に複数で配置され、上述したように、中心流体噴出口２の周囲において、それぞれ対向して配置される一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａと、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂとからなる。
また、第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂには周囲流体供給管路７（７Ａ，７Ｂ）がそれぞれ接続され、酸素富化空気又は燃料ガスの何れかが導入されることで、何れかのガスを噴出させる開口部（ノズル）として構成される。

ここで、本実施形態において説明する、「周囲流体噴出口３が中心流体噴出口２の周囲に設けられている」とは、中心流体噴出口２と周囲流体噴出口３とが所望の距離内に配置されていることを意味しており、中心流体噴出口２と周囲流体噴出口３とが隣接した位置に配置されていることをいう。
周囲流体噴出口３を、中心流体噴出口２に対して上記のような配置関係となるように構成することで、燃料ガスを噴出する位置と実質的に隣接した位置から酸素富化空気を噴出させることができる。

上述したように、本実施形態の酸素富化バーナ１に備えられる複数の周囲流体噴出口３は、中心流体噴出口２の周囲において、それぞれ対向して配置される、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａと一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂとから構成されている。
また、本実施形態の酸素富化バーナ１は、図２に示す例のように、上記の一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａが、開口部４２ａ，４２ｂが配置された一対の側壁４１，４１の両側から挟み込むように配置されていることが好ましい。
そして、酸素富化バーナ１は、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂが、一対の開口部４２ａ，４２ｂの対向方向と直交する方向、即ち、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａの対向方向と直交する方向で、中心流体噴出口２を両側から挟み込むように配置される。

本実施形態の酸素富化バーナ１は、上記のように、中心流体噴出口２を中心とした各々の対称な位置に複数で設けられ、且つ、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ、及び、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにより、中心流体噴出口２の周囲を上下方向及び左右方向から挟み込んで囲むように配置される。これにより、例えば、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスＧ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂから噴出される酸素富化空気Ｇ２とが効率的に混合するとともに、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａから噴出される酸素富化空気Ｇ２が火炎の外側方向に向かうことで還元領域が広がり、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する。

なお、図２中に示した、中心流体噴出口２を挟み込むように一対で配置された第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａがなす噴出角度βについては、特に限定されるものではない。しかしながら、上記の噴出角度βは、伝熱効率の向上と加熱面積の拡大との両立を図る観点から、中心流体噴出口２の開口角度αとの関係が、次式｛−５°≦β≦（α＋１５°）｝を満たす角度とされていることが好ましい。

また、各々対称な位置に配置された、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ、及び、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂの各々の間の距離や、これら周囲流体噴出口３と中心流体噴出口２との間の距離は、燃料ガスＧ１や酸素富化空気Ｇ２の流速等を勘案しながら、適宜決定して設計すればよい。また、周囲流体噴出口３の配置数についても、図示例のような、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ、及び、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂの４箇所には限定されず、適宜決定して配置すればよい。

本実施形態においては、図１中に示すように、中心流体噴出口２における、開口部４２ａ，４２ｂが配置された一対の側壁４１，４１間の出口幅Ｄ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおける、出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが、次式｛０．５Ｄ１≦Ｄ２≦Ｄ１｝を満たす関係とする。各出口幅Ｄ１，Ｄ２の関係を、上記式を満たす関係とすることにより、例えば、中心流体噴出口２から噴出する燃料ガスＧ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂから噴出する酸素富化空気Ｇ２とが効率的に交差・混合し、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する。

また、本実施形態においては、図３中に示すように、中心流体噴出口２における酸素富化空気又は燃料ガスの噴出方向の中心軸Ｊ１と、第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおける酸素富化空気又は燃料ガスの噴出方向の中心軸Ｊ２とがなす角度γ°が次式｛０°＜γ≦１５°｝を満たす構成とする。中心流体噴出口２からの噴出方向の中心軸Ｊ１と、第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂからの噴出方向の中心軸Ｊ２とがなす角度γ°が上記式で表される関係を満たすことにより、上記同様、燃料ガスＧ１と酸素富化空気Ｇ２とが効率的に交差・混合し、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する。

また、酸素富化バーナ１は、図１等に示すような構成において、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａと一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂとが、酸素富化空気又は燃料ガスの噴出量を個別に制御可能に構成されることが好ましい。このように、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａの噴出量と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂの噴出量とを個別に制御する方法としては、例えば、図２中又は図３中に示す周囲流体供給管路７Ａ，７Ｂのそれぞれに、図示略の流量制御手段を設けることが挙げられる。

［酸素富化バーナの燃焼方法］
次に、上記構成を備えた本実施形態の酸素富化バーナ１を燃焼させる方法について説明する。
本実施形態の酸素富化バーナ１は、詳細な図示を省略するが、基本的には、中心流体噴出口２から燃料ガスＧ１を噴出させ、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂから酸素富化空気Ｇ２を噴出させることで、燃料ガスＧ１の噴出方向で火炎を形成することができる。

燃料ガスＧ１としては、典型的には天然ガス（ＬＮＧ）等を例示することができるが、例えば、重油等の液体燃料であっても構わない。
また、酸素富化空気Ｇ２としては、例えば、酸素と空気との混合ガスを例示できる。このような混合ガスとしては、上記の空気の代わりに、例えば、窒素ガス、炭酸ガス又は排ガス等を用い、これを酸素と混合して用いることも可能である。また、上記の混合ガスに用いる酸素としては、工業用純酸素を用いてもよい。

また、本実施形態の酸素富化バーナ１を燃焼させる際は、上記のように、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスＧ１を、自励振動によって噴出方向を交互且つ周期的に変化させながら噴出させる（図４（ａ），（ｂ）を参照）。この際、中心流体噴出口２から周期的に変化した角度で噴出される燃料ガスＧ１に対し、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａからは、酸素富化バーナ１の中心軸から外側方向に向かって、即ち、火炎の中心から離れる方向で酸素富化空気Ｇ２が噴出されるので、還元領域が広がる（図２を参照）。一方、図３に示すように、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂからは、中心流体噴出口２からの燃料ガスＧ１の噴出方向の中心軸Ｊ１に対して、即ち、火炎に向かうように酸素富化空気Ｇ２を噴出させることで、火炎の形成に寄与する。

本実施形態においては、中心流体噴出口２を取り囲むように設けられた、一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂから酸素富化空気Ｇ２を噴出させることにより、伝熱効率が向上するとともに、被加熱物の均一加熱が可能となる。

なお、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスＧ２の、上記の自励振動による噴出方向の切り替え周期は、特に限定されず、バーナの面方向から離れた位置においても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な範囲で適宜設定すればよい。

本実施形態の酸素富化バーナ１によれば、上記のように、自励振動によって火炎を振動させるバーナにおいて、各流体噴出口の配置及び形状等を最適化した構成を備えることで、広域で均一に加熱できる効果と、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率を得る効果の両方が得られる。従って、被加熱物を加熱するにあたり、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することができる。

＜酸素富化バーナを用いた加熱方法＞
本発明に係る加熱方法は、上記構成を備えた本発明に係る酸素富化バーナ１を用い、被加熱物を加熱する方法である。
本実施形態の加熱方法は、上記構成とされた酸素富化バーナ１を用いて被加熱物を加熱する方法なので、自励振動で振動する火炎によって均一に被加熱物を加熱しながら、バーナ面方向から遠く離れた位置においても、従来に比べて高い伝熱効率が得られる。

本実施形態の加熱方法における被加熱物としては、特に限定されないが、製鋼プロセスにおいて用いられる、銑鉄を受ける取鍋やタンディッシュ（例えば、図７に例示するような、模倣炉であるタンディッシュ５０）等が挙げられる。図７に示すタンディッシュ５０（模倣炉）は、例えば、煉瓦等の耐火物で構成された炉壁５１及び炉蓋５２によって覆われた炉内空間５０Ａ及び炉壁５１等を加熱するため、本実施形態の酸素富化バーナ１が、炉蓋５２に形成された貫通孔５２ａから、炉内空間５０Ａに向けて火炎を形成できるように取り付けられている。なお、図７に例示するタンディッシュ５０は実験用の模倣炉であるため、炉壁５１の底部に、各部位の温度を測定するための熱電対５５が複数で取り付けられている。また、炉壁５１の底部には、炉内空間５０Ａに収容された銑鉄等を取り出すための排出口５３が計２箇所に設けられている。

本実施形態の加熱方法によれば、本実施形態の酸素富化バーナ１を用いて、図７に例示するタンディッシュ５０等の被加熱物を加熱する方法なので、各種の被加熱物を広域で均一に加熱できるとともに、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率が得られる。これにより、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

なお、本実施形態の酸素富化バーナ１を用いた加熱方法による加熱対象（被加熱物）としては、上記のような製鋼プロセスで用いられる治具等には限定されず、例えば、高熱で均一な加熱を必要とする、各種の製造工程等において、何ら制限無く適用することが可能である。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の酸素富化バーナ１によれば、中心流体噴出口１と、その周囲にそれぞれ対向して直交する方向で配置される一対の第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂと、中心流体噴出口２の上流側の流体噴出流路４の側壁４１，４１に一対の開口部４２ａ，４２ｂとを備え、中心流体噴出口２におけるガス噴出方向の中心軸Ｊ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおけるガス噴出方向の中心軸Ｊ２とがなす角度γ°が所定範囲とされ、且つ、中心流体噴出口２における開口部４２ａ，４２ｂが配置された一対の側壁４１，４１間の出口幅Ｄ１と、一対の第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂにおける出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが所定の関係を満たす構成を採用している。このように、自励振動によって火炎を振動させる構造のバーナにおいて、各流体噴出口の配置及び形状を最適化することにより、自励振動作用による広域で均一に加熱できる効果と、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率を得る効果の両方が得られる。従って、被加熱物を加熱するにあたり、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

また、本実施形態の酸素富化バーナ１を用いた加熱方法によれば、上記構成を備えた酸素富化バーナ１を用いた加熱方法なので、上記同様、被加熱物に対して広域で均一に加熱できるとともに、バーナの面方向から離れた位置まで高い伝熱効率が得られる。従って、上記同様、被加熱物を加熱する際、バーナの面方向から離れた位置であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

以下、本発明の酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法について、実施例を示してより詳細に説明するが、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。

＜酸素富化バーナの仕様及び運転条件＞
本実施例においては、図１〜図３に示すような構成を備える酸素富化バーナ１を準備し、以下に示す各条件で燃焼・加熱試験を行った。
本実施例においては、図２中に示した、酸素富化バーナ１の中心流体噴出口２の開口角度αを３０°とし、また、一対で配置された第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａがなす噴出角度βを３０°としたものを、発明例１〜３の酸素富化バーナ１、及び比較例１〜３の酸素富化バーナとして用いた。

また、本実施例の発明例１〜３においては、燃料ガスＧ１としてＬＮＧを用い、酸素富化空気Ｇ２としては酸素富化率が４０％のものを用い、燃料ガスＧ１を中心流体噴出口２に、酸素富化空気Ｇ２を第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂに流し、火炎を形成した。
また、バーナ運転条件としては、燃料ガスＧ１（ＬＮＧ）の流量を３０Ｎｍ^３／ｈ又は４０Ｎｍ^３／ｈ、酸素富化空気Ｇ２の流量を１８１Ｎｍ^３／ｈ、又は２４１．５Ｎｍ^３／ｈとし、酸素比１．０５で燃焼させた。
また、第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ及び第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂに対する酸素富化空気Ｇ２の振り分け比率は、次式｛第１周囲流体噴出口３Ａ，３Ａ／第２周囲流体噴出口３Ｂ，３Ｂ＝６／４｝を満たす比率となるよう、流量を調整した。
また、中心流体噴出口２における、自励振動による燃料ガスＧ１の振動周期は１秒とした。

＜実施例１＞
実施例１においては、バーナ面−測定面の距離を変化させて測定する試験を実施し、バーナの軸方向への対流伝熱効率について評価した。
図５に、実施例１で実施した発明例１及び比較例１〜３における、中心流体噴出口と周囲流体噴出口の位置関係を示す。ここで、図５（ａ）は、比較例１で用いたバーナの側面図及び平面図、図５（ｂ）は比較例２で用いたバーナの側面図及び平面図、図５（ｃ）は比較例３で用いたバーナの側面図及び平面図、図５（ｄ）は発明例１で用いたバーナの側面図及び平面図である。
また、図６のグラフには、発明例１及び比較例１〜３の各バーナにおける、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を示している。

図６のグラフ中に示す比較例１は、図５（ａ）に示すような構成の自励振動バーナを用いて、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を調べた結果である。図５（ａ）に示す比較例１のバーナにおいては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２を、中心流体噴出口に通じる流体噴出流路において開口部が配置された一対の側壁間の出口幅Ｄ１に対して次式｛Ｄ２＝１０Ｄ１｝とした。また、比較例１においては、中心流体噴出口における噴出方向の中心軸Ｊ１と、一対の第２周囲流体噴出口における噴出方向の中心軸Ｊ２とがなす角度γ°を０°とした。
図６のグラフ中に示すように、比較例１においては、バーナ面からの距離が長くなるのに伴い、伝熱量が大きく減少していることがわかる。

また、図６のグラフ中に示す比較例２は、図５（ｂ）に示すような構成の自励振動バーナを用いて、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を調べた結果である。図５（ｂ）に示す比較例２のバーナにおいては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２を、上述した流体噴出流路における出口幅Ｄ１に対して次式｛Ｄ２＝１０Ｄ１｝とし、且つ、中心流体噴出口における中心軸Ｊ１と、一対の第２周囲流体噴出口における中心軸Ｊ２とがなす角度γ°を１５°とした。
図６のグラフ中に示すように、比較例２においては、第２周囲流体噴出口の噴出方向を、を中心流体噴出口の噴出方向側に傾けることで、燃料ガスＧ１と酸素富化空気Ｇ２との混合が促進される一方で、火炎が短尺化してしまうことから、バーナ面からの距離が６００ｍｍ付近においては、比較例１よりも伝熱量が低下する傾向がみられた。

また、図６のグラフ中に示す比較例３は、図５（ｃ）に示すような構成の自励振動バーナを用いて、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を調べた結果である。図５（ｃ）に示す比較例３のバーナにおいては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２を、上述した流体噴出流路における出口幅Ｄ１と同じ幅とし、且つ、上記の中心軸Ｊ１，Ｊ２がなす角度γ°を０°とした。
図６のグラフ中に示すように、比較例３においては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２が狭いのにも関わらず、中心軸Ｊ１，Ｊ２がなす角度γ°が０°であることから、燃料ガスＧ１と酸素富化空気Ｇ２との混合効率が低下し、上記の比較例１に比べて、全体的に伝熱量が低下する傾向がみられた。

図６のグラフ中に示す発明例１は、図５（ｄ）に示した本発明に係る構成の自励振動バーナを用いて、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を調べた結果である。図５（ｄ）に示す発明例１のバーナにおいては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２を、流体噴出流路における出口幅Ｄ１と同じ幅とし、且つ、中心軸Ｊ１，Ｊ２がなす角度γ°を１５°とした。
図６のグラフ中に示すように、発明例１においては、第２周囲流体噴出口の出口幅Ｄ２が狭いことから燃料ガスＧ１と酸素富化空気Ｇ２との混合効率が低下するため、バーナ面からの距離が４００ｍｍよりも短い場合には、上記の比較例１よりも伝熱量が低下する傾向が見られる。一方、発明例１では、第２周囲流体噴出口の噴出方向を、中心流体噴出口の噴出方向側に傾けることで、バーナ面から遠い位置における燃料ガスＧ１と酸素富化空気Ｇ２との混合が促進され、バーナ面からの距離が４００ｍｍ以上である場合には、比較例１よりも伝熱量が増加していることが確認できた。

＜実施例２＞
実施例２においては、図７に示すような模擬炉であるタンディッシュ５０を用い、本発明に係る構成を備える酸素富化バーナを用いて加熱試験を実施し、これを発明例２とした。また、実施例２においては、従来型の多重管タイプの酸素富化バーナを用い、上記同様、図７に示すタンディッシュ５０を用いて加熱試験を実施し、これを比較例４とした。

図７に示すタンディッシュ５０（模擬炉）は、炉壁５１及び炉蓋５２によって覆われた炉内空間５０Ａ及び炉壁５１等を加熱するためのバーナとして、本発明に係る酸素富化バーナが、炉蓋５２に形成された貫通孔５２ａから、炉内空間５０Ａに向けて火炎を形成できるように取り付けられたものである。また、炉壁５１の底部には、各部位の温度を測定するための熱電対５５が複数で取り付けられているとともに、炉内空間５０Ａに収容された銑鉄等を取り出すための排出口５３が計２箇所に設けられたものである。

実施例２においては、タンディッシュ５０の加熱試験において、炉壁５１の底部に設置された複数の熱電対５５によってこの部分の温度を測定し、複数の熱電対５５で測定された最大温度と最低温度との温度差ΔＴを求めて評価した。なお、実施例２においては、タンディッシュ５０内におけるバーナ面から炉壁５１の底部（底面）までの距離が６００ｍｍになるように、バーナを設置した。

図８は、図７に示すタンディッシュ５０を用いて、発明例２及び比較例４の各バーナによって炉内の加熱試験を実際した際の、予熱時間と、炉底温度の最大値と最小値との差ΔＴとの関係を示すグラフである。また、図８のグラフ中には、実施例２で実施した加熱試験における排ガス温度の変化も示している。

発明例２及び比較例４においては、図８のグラフ中に示すような排ガス温度となるように、同様の昇温パターンで加熱試験を実施した。この結果、本発明に係る酸素富化バーナを用いてタンディッシュ５０を加熱した発明例２においては、比較例４に比べ、上記の温度差ΔＴが小さいことがわかる。即ち、本発明に係る構成の酸素富化バーナを用いることで、従来型の酸素富化バーナと同程度の伝熱効率を達成しつつ、より均一な炉内温度の昇温が可能になると考えられる。

＜実施例３＞
実施例３においては、図７に示すような模擬炉であるタンディッシュ５０を用い、本発明に係る構成を備える酸素富化バーナを用いて加熱試験を実施し、これを発明例３とした。また、実施例３においては、従来型の多重管タイプの酸素富化バーナを用い、上記同様、図７に示すタンディッシュ５０を用いて加熱試験を実施し、これを比較例５とした。

実施例３においては、タンディッシュ５０の加熱試験において、バーナの中心軸上の温度分布を調べた。具体的には、炉壁５１の底部に設置された複数の熱電対５５によってこの部分の温度（炉底温度）を測定することで、バーナの中心軸からの距離と、炉底温度との関係を調べた。なお、この際の温度は、昇温開始から４０分後とした。

図９は、図７に示すタンディッシュ５０を用いて、発明例３及び比較例５の各バーナによって炉内の加熱試験を実際した際の、バーナ中心軸からの距離と炉底温度との関係を示すグラフである。図９中においては、発明例３のデータを塗りつぶしのプロットで示し、また、比較例５のデータを白抜きのプロットで示している。
図９のグラフに示すように、比較例５においては、バーナの中心軸付近の温度が大きく上昇する様子がわかる。即ち、比較例５においては、炉内空間５０Ａの局所加熱が生じていることが明らかである。
一方、本発明に係る酸素富化バーナを用いた発明例３においては、比較例５に比べて温度分布が均一となっていることがわかる。即ち、発明例３においては、本発明に係る酸素富化バーナでタンディッシュ５０の炉内空間５０Ａを加熱することで、炉内空間５０Ａにおける各部位を均一に加熱できることが明らかである。

以上説明したような実施例の結果より、本発明に係る酸素富化バーナが、従来型の構造を有する自励振動バーナと比較して、バーナ面から離れた位置での伝熱効率を向上できることがわかる。従って、本発明に係る酸素富化バーナ及びこれを用いた加熱方法を、タンディッシュ等の予熱に応用することで、局所加熱が生じるのを防止し、バーナの面方向から離れた位置であっても、各種の被加熱物を、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能であることが明らかである。

本発明の酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法は、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱するにあたり、バーナの面方向から離れた位置であっても優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能なので、例えば、製銑や製鋼工場において溶銑や溶鋼の貯留・搬送手段として用いられるタンディッシュや取鍋等を加熱する用途の他、バーナを用いて被加熱物を加熱する各種用途において非常に好適である。

１…酸素富化バーナ
２…中心流体噴出口
３…周囲流体噴出口
３Ａ…（一対の）第１周囲流体噴出口
３Ｂ…（一対の）第２周囲流体噴出口
４…流体噴出流路
４ａ…導入口
４１…（一対の）側壁
４２ａ，４２ｂ…（一対の）開口部
４３…（一対の）側壁
４３ａ…一面
４３ｂ…他面
４４…（角筒型の）流路
５…連通管
６…中央流体供給管路
７（７Ａ，７Ｂ）…周囲流体供給管路
５０…タンディッシュ（模擬炉）
５０Ａ…炉内
５１…炉壁
５２…炉蓋
５３…排出口
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…酸素富化空気
Ｊ１…中心軸（中心流体噴出口における流体の噴出方向）
Ｊ２…中心軸（第２周囲流体噴出口における流体の噴出方向）

Claims (4)

1. 先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素富化空気又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、燃焼させるバーナであって、
   前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口と、該中心流体噴出口の周囲に配置される周囲流体噴出口とからなり、
   前記中心流体噴出口の上流側における流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられているとともに、該一対の開口部同士が連通管で連通されており、
   前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、
   前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口を挟み込むように配置され、且つ、前記中心流体噴出口の周囲において、それぞれ対向して配置される、一対の第１周囲流体噴出口と、一対の第２周囲流体噴出口とからなり、
   前記一対の第２周囲流体噴出口は、前記一対の開口部の対向方向と直交する方向で、前記中心流体噴出口を両側から挟み込むように配置されており、
   前記中心流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向の中心軸と、前記一対の第２周囲流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向の中心軸とがなす角度γ°が、次式｛０°＜γ≦１５°｝を満たし、
   前記中心流体噴出口における、前記開口部が配置された一対の側壁間の出口幅Ｄ１と、前記一対の第２周囲流体噴出口における、前記出口幅Ｄ１に沿った方向の出口幅Ｄ２とが、次式｛０．５Ｄ１≦Ｄ２≦Ｄ１｝を満たすことを特徴とする酸素富化バーナ。
2. 前記一対の第１周囲流体噴出口は、前記開口部が配置された一対の側壁の両側から挟み込むように配置されており、
   前記一対の第１周囲流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向が、前記中心流体噴出口における前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出方向に対して外側に向かうように設けられ、
   前記中心流体噴出口の開口角度αと、前記一対の第１周囲流体噴出口のなす噴出角度βとが、次式｛−５°≦β≦（α＋１５°）｝を満たすことを特徴とする請求項１に記載の酸素富化バーナ。
3. 前記一対の第１周囲流体噴出口と前記一対の第２周囲流体噴出口とは、前記酸素富化空気又は前記燃料ガスの噴出量を個別に制御可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸素富化バーナ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いて被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。

Images