JP6720245B2 - バーナ及びバーナを用いた加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、バーナ及びバーナを用いた加熱方法に関し、特に、金属を溶解・精錬する際に用いられるバーナ及びそれを用いた加熱方法に関するものである。

一般に、転炉や電気炉に代表される金属の溶解・製錬炉では、従来から支燃性ガス（酸素、空気、酸素富化空気等）噴流や、燃料と支燃性ガスとによる火炎が多く用いられている。
例えば、転炉においては、高炉から排出される溶銑や別途投入される固体鉄に対して、上噴きランスから高純度の酸素を高速で噴出させ、金属中の炭素、リン、ケイ素等の不純物を酸化製錬する。これとともに、固体鉄が多く配合されて熱不足の場合は、炉内から発生する一酸化炭素を炉内で燃焼させ、その熱を利用して熱補償している。

一方、電気炉においては、固体鉄スクラップをアーク熱で加熱溶解するとともに、アーク加熱が不十分なコールドスポット部に助燃バーナあるいはランスを設置し、火炎によって溶解を促進させる。さらに、固体鉄スクラップの一部が液体になった場合には、そこへ高純度の酸素を供給することにより、上記の転炉と同様に製錬を行っている。

上記のような溶解・精錬をより効率的に行うために、従来からランスあるいはバーナに様々な工夫がなされている。
例えば、特許文献１においては、支燃性ガスを供給するための支燃性流体供給管（２）が、比較的内径の小さいスロート部（７）（細径部（２ａ））と、その下流（先端）側に、内径が下流方向に向けて徐々に大きくなるように形成されているテーパ部（２ｂ）とを備え、供給管（２）から噴出する支燃性ガスを高速化させるとともに、その高速化に伴って不安定となった流れを安定化させるために、テーパ部（２ｂ）の下流（先端）側に、ほぼ一定の内径を有する直胴部（９）を有し、さらにその直胴部（９）の内面（９ａ）に、周方向に沿った溝を形成したタイプのバーナ・ランス（１）が開示されている（特許文献１を参照）。特許文献１に開示されたバーナ・ランス（１）においては、スロート部（７）、テーパ部（２ｂ）、及び直胴部（９）の断面形状は円形とされている。

また、特許文献２は、上記の特許文献１に対し、直胴部（特許文献１におけるテーパ部（２ｂ）の下流側の直胴部）に相当する部位がないタイプとされたバーナが開示されている。特許文献２においては、機械的な駆動装置を使用することなく酸素噴流や火炎の噴出方向を変化させるために、スロート部（特許文献２では直胴部（１７）と称しているが、特許文献１のスロート部に相当する）と拡開部（１８）の断面形状を矩形とし、さらに、細径部の下流端に一対の開口部（１５，１６）が設けられているとともに、この開口部を連通させる連通ダクト（１９）が設けられている。

特開２００３−１９４３０７号公報 特開２００５−１１３２００号公報

特許文献１において、支燃性ガスの流速について詳細に言及すると、スロート部（細径部、直胴部（１７））の入り口（上流端）において速度は音速となり、スロート部内ではその速度を維持しつつ流れの乱れが抑制され、その下流の拡開部（１８）においては、断熱膨張により、理論的には超音速となる。

一方、特許文献２では、上記のように、噴出後の断熱膨張によって超音速域に達することは可能ではあるものの、それには限界があり、ノズルから噴出後の支燃性ガスの速度はエネルギー損失によって減衰してしまうことから、遠方まで高速を保つことは困難であり、また、噴出後の超音速の速度を意図した速度に制御することも困難である。

一般に、中心噴流の速度が大きいほど自励振動現象が不安定になりやすくなるが、上記のような特許文献２に記載のバーナの構造は、超音速域の噴流を自励振動させるために最適化された構造ではない。また、特許文献２に記載されたバーナにおける周囲流体噴出口の構造は、中央から超音速で流体が噴出するための構造である特許文献１に開示のスロート部（７）、テーパ部（２ｂ）、及び直胴部（９）を設けても、ノズルから噴出後の支燃性ガスの速度減衰率が大きくなり、また、支燃性ガスを自励振動させた際に火炎を安定させることが困難であり、効率的に溶解・精錬を行うことができない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、支燃性ガスの噴出後の速度の減衰を最低限に抑制し、超音速域を遠方まで減衰させずに保つことができるとともに、支燃性ガスを自励振動させた際の火炎を安定させることが可能なバーナ及びそれ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、本発明者等が鋭意検討を重ねたところ、ノズルから噴出された後の支燃性ガスの速度が、エネルギー損失によって減衰することに関し、その減衰率は直胴部の断面形状に大きく依存することが明らかとなった。そして、自励振動構造を採用したバーナにおいて、直胴部の支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面形状を略正方形にすることにより、支燃性ガスの噴出後の速度の減衰を最低限に抑制し、超音速域を遠方まで減衰させずに保ち、支燃性ガスを自励振動させた際に火炎を安定させることが可能となることを見いだし、本発明を完成させた。

即ち、本発明のバーナは、下流端に設けられた中心流体噴出口を有し、該中心流体噴出口から支燃性ガスを噴出するバーナであって、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一対の開口部よりも下流側は、前記一対の開口部が配置された一対の側壁の間隔が、下流側の前記中心流体噴出口に向かうに従って漸次拡開する噴出拡開部とされており、さらに、前記流体噴出流路における前記一対の開口部よりも上流側は、前記支燃性ガスの流入側から下流側に向けて流路面積が漸次縮小する第１テーパ部と、該第１テーパ部とスロート部を介して連通し、下流側に向けて前記流路面積が漸次拡大する第２テーパ部と、前記第２テーパ部と前記一対の開口部との間で、前記一対の側壁の間隔が一定とされた直胴部と、を有し、前記第１テーパ部、前記スロート部、及び前記第２テーパ部の前記支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が矩形状であり、前記直胴部の前記支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が略正方形であることを特徴とする。

本発明において、前記第１テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記下流側に向かうに従って漸次縮小するように形成されており、かつ、前記第２テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記下流側に向かうに従って漸次拡開するように形成されていることが好ましい。

また、本発明において、前記第１テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記スロート部側に向かうに従って漸次縮小する断面扇形状とされ、かつ、第２テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、下流側の下流端部に向かうに従って漸次拡開する断面扇形状とされた構成であってもよい。

また、本発明において、前記スロート部は、前記一対の側壁の間隔が一定とされた直胴形状とされていることが好ましい。

また、本発明において、前記流体噴出流路は、前記第２テーパ部の下流端部と、前記噴出拡開部の上流端部との間隔Ｌ_１と、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（１）式で表される関係を満たすことが好ましい。
１．５Ｄ≦Ｌ_１≦３Ｄ ・・・・・（１）

また、本発明において、前記流体噴出流路は、前記噴出拡開部における流路長さＬ_２と、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（２）式で表される関係を満たすことが好ましい。
２Ｄ≦Ｌ_２≦１５Ｄ ・・・・・（２）

また、本発明において、前記流体噴出流路は、前記噴出拡開部の上流端部における一対の側壁の間隔Ｗと、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（３）式で表される関係を満たすことが好ましい。
１．５Ｄ≦Ｗ≦３Ｄ ・・・・・（３）

また、本発明においては、前記噴出拡開部における前記一対の側壁の開き角度αが０°超６０°未満であることが好ましい。

また、本発明においては、前記連通管の内径Ｄ_ＣＴと、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（４）式で表される関係を満たすことが好ましい。
１Ｄ≦Ｄ_ＣＴ≦３Ｄ ・・・・・（４）

また、本発明において、前記流体噴出流路における前記噴出拡開部は、前記一対の側壁の間隔が、下流側の前記中心流体噴出口に向かうに従って漸次拡開する断面扇形状とされた構成であってもよい。

また、本発明においては、さらに、平面視で前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置される周囲流体噴出口が備えられていてもよい。

また、本発明において、前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲にそれぞれ配置される、第１周囲流体噴出口と、第２周囲流体噴出口とからなり、前記第１周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置され、前記第２周囲流体噴出口は、前記第１周囲流体噴出口の周囲を囲むように配置されることが好ましい。

また、本発明において、前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、平面視矩形状に連続して開口するように形成されていてもよい。
あるいは、前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、平面視円形状に連続して開口するように形成されていてもよい。
あるいは、前記第１周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲を囲みながら連続して開口するように形成されているとともに、前記第２周囲流体噴出口は、複数の開口部が、前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置されていてもよい。

また、本発明において、前記第１周囲流体噴出口は、保炎用酸素を噴出し、前記第２周囲流体噴出口は、燃料ガスを噴出する構成であってもよい。

また、上記構成において、前記中心流体噴出口、前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、それぞれ、支燃性ガス、保炎用酸素、又は燃料ガスの噴出量を個別に制御可能に構成されていてもよい。

また、本発明のバーナを用いた加熱方法は、上述の特徴を備えたバーナを用いて被加熱物を加熱することを特徴とする。

本発明に係るバーナ及びそれを用いた加熱方法によれば、支燃性ガスの噴出後の速度の減衰を最低限に抑制し、超音速域を遠方まで減衰させずに保つことができるとともに、支燃性ガスを自励振動させた際の火炎を安定させることができる。

本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、バーナの中心軸を含む部分切断面の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、図１Ａに示したバーナを正面側から示した平面図である。 本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、図１Ａの中の要部を示す部分拡大断面図である。 本発明の他の実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、バーナを正面側から示した平面図である。 本発明の他の実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、バーナを正面側から示した平面図である。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔Ｄと、噴出拡開部の上流側における一対の側壁の間隔Ｗとの比を変化させながら、安定した自励振動流が得られる流量（Ｎｍ^３／ｈ）の範囲を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔Ｄと、噴出拡開部における流路長さＬ_２との比を変化させながら、安定した自励振動流が得られる流量（Ｎｍ^３／ｈ）の範囲（Ｎｍ^３／ｈ）を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、中心流体噴出口からの距離Ｚと支燃性ガスの流速との関係を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、中心流体噴出口からの距離Ｚ＝５Ｄ（Ｄは第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔）における、中心軸から離れる方向の位置での流速を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、中心流体噴出口からの距離Ｚ＝１０Ｄ（Ｄは第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔）における、中心軸から離れる方向の位置での流速を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、中心流体噴出口からの距離Ｚ＝２０Ｄ（Ｄは第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔）における、中心軸から離れる方向の位置での流速を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、中心流体噴出口からの距離Ｚ＝４０Ｄ（Ｄは第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔）における、中心軸から離れる方向の位置での流速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バーナ及びバーナを用いた加熱方法について、図１Ａ〜図３Ｂ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、本発明の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。

本発明に係るバーナ及びそれを用いた加熱方法は、例えば、転炉や電気炉等の金属の溶解・製錬炉において、金属を加熱用途等に適用することが可能なものである。

＜バーナ＞
以下、本発明に係るバーナの構成について詳述する。
図１Ａ〜図３Ｂは、本発明の一実施形態であるバーナ１の構造を説明する図であり、図１Ａは中心軸を含む部分切断面の一例を示す断面図、図１Ｂはバーナを正面側から示した平面図である。また、図２は、図１Ａ中の要部を示す部分拡大断面図であり、図３Ａ及び図３Ｂは、バーナを正面側から示した平面図である。なお、図１Ａ〜図３Ｂ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。また、以下の説明においては、バーナを構成する各部の位置関係を規定するにあたり、バーナ中を流れる流体の流れる方向を利用する。即ち、例えば、下流側といえば、バーナの先端側のことをいう。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態のバーナ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等の支燃性ガス、燃料ガス等を噴出し、燃焼させる。
具体的には、本実施形態のバーナ１は、下流端に設けられた中心流体噴出口７を有し、この中心流体噴出口７から支燃性ガス（図１Ａ中の符号Ｇ２を参照）を噴出させるものであり、中心流体噴出口７の上流側における流体噴出流路（図１Ａ中の符号３を参照）の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部５ａ，５ｂが設けられているとともに、これら一対の開口部５ａ，５ｂ同士が連通管６で連通されている。また、流体噴出流路における一対の開口部５ａ，５ｂよりも下流側は、これら一対の開口部５ａ，５ｂが配置された一対の側壁４ａ，４ｂの間隔が、下流側の中心流体噴出口７に向かうに従って漸次拡開する噴出拡開部４とされている。さらに、流体噴出流路における一対の開口部５ａ，５ｂよりも上流側は、支燃性ガスの流入側から下流側に向けて流路面積が漸次縮小する第１テーパ部２ａと、この第１テーパ部２ａとスロート部２ｂを介して連通し、下流側に向けて流路面積が漸次拡大する第２テーパ部２ｃと、第２テーパ部２ｃと一対の開口部５ａ，５ｂとの間で、一対の側壁の間隔が一定とされた直胴部２ｄと、を有して概略構成されている（図２の部分拡大断面図も参照）。

そして、本実施形態のバーナ１は、図２中に示す第１テーパ部２ａ、スロート部２ｂ、及び第２テーパ部２ｃの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が矩形状であり、直胴部２ｄの支燃性ガス（酸素Ｇ２）の噴出方向に対する垂直断面が略正方形とされている。なお、本発明において、略正方形とは、各辺の長さの差が５％以内である矩形を意味する。

図１Ａ及び図１Ｂは、例えば、バーナ１を電気炉用として使用する場合を示しており、支燃性ガスとして酸素Ｇ２が中心流体噴出口７から噴出すると同時に、それを包むように第１周囲流体としての保炎用酸素Ｇ３が噴出し、さらに、それらを包むように第２周囲流体としての燃料ガスＧ１が噴出することにより、火炎に包まれた酸素噴流が形成される。さらに、本実施形態においては、支燃性ガス（酸素Ｇ２）が流通する流路構造に伴い、噴出された酸素噴流は、所定条件下で自励振動状態となる。

詳細には、本実施形態のバーナ１は、中心軸Ａに沿って内部に支燃性流体供給管２を有しており、内部に支燃性流体流路（流体噴出流路）３が形成された筒状に構成されている。より詳細には、図２の部分拡大断面図に示すように、支燃性流体供給管２は、上流側から、第１テーパ部２ａ、スロート部２ｂ、第２テーパ部２ｃ及び直胴部２ｄが形成されることにより、所謂ラバールノズル構造を有する支燃性流体流路３が形成されている。

ここで、第１テーパ部２ａの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面（中心軸Ａに直交する断面形状）、即ち、中心軸Ａに対する垂直断面の形状は矩形状であり、他の一対の側壁の間隔は下流に向かっても一定であるのに対して、一対の側壁の間隔が、下流側に向かうに従って漸次縮小するように形成されていることから、上記の断面の面積は、下流側に向かって漸次縮小するように構成されている。換言すると、第１テーパ部２ａは、図２（図１Ａも参照）に示した断面においては、下流側に向かって漸次縮小する断面扇形状とされている。
なお、第１テーパ部２ａの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面としては、矩形状である。
矩形状としては、例えば、略正方形、長方形等が挙げられる。これらの中でも、長方形が好ましい。

また、スロート部２ｂの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面（中心軸Ａに直交する断面形状）、即ち、中心軸Ａに対する垂直断面の形状も矩形状であり、他の一対の側面の間隔及び一対の側壁の間隔の何れもが下流側に向かって一定とされていることから、上記の断面の面積も、下流側に向かって一定とされている。即ち、スロート部２ｂは直胴形状に構成されている。
スロート部２ｂの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面としては、矩形状である。
矩形状としては、例えば、略正方形、長方形等が挙げられる。これらの中でも、長方形が好ましい。

また、第２テーパ部２ｃの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面（中心軸Ａに直交する断面形状）、即ち、中心軸Ａに対する垂直断面の形状も矩形状である。また、第２テーパ部２ｃの断面形状は、他の一対の側壁の間隔は下流に向かって一定であるのに対して、一対の側壁の間隔が下流側に向かうに従って漸次拡開するように形成されていることから、上記の断面の面積は、下流側に向かって漸次拡大するように構成されている。換言すると、第２テーパ部２ｃは、図２（図１Ａも参照）に示した断面においては、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。
第２テーパ部２ｃの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面としては、矩形状である。
矩形状としては、例えば、略正方形、長方形等が挙げられる。これらの中でも、長方形が好ましい。

また、支燃性流体供給管２の最下流端に位置する直胴部２ｄの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面（中心軸Ａに直交する断面形状）は、略正方形であり、他の一対の側面の間隔及び一対の側壁の間隔の何れもが下流側に向かって一定とされていることから、上記の断面の面積も下流側に向かって一定とされている。ここで、本実施形態においては、直胴部２ｄにおける、上記の一対の側壁の間隔をＤと規定する。これは、第２テーパ部２ｃにおける一対の側壁の間隔の最大間隔Ｄと等しい。

このような寸法構成とすることにより、支燃性ガスたる酸素Ｇ２を超音速で噴出させることができるとともに、詳細を後述するように、酸素Ｇ２を自励振動させた場合においても、火炎をより安定させることができ、中心流体噴出口７からの噴出後の速度の減衰を最低限に抑えることができる。
直胴部２ｄの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が略正方形であることにより、噴流がノズルから噴出した後の速度減衰を抑えることができる。同じ断面積で比較すると、断面の周の長さが長いほど雰囲気と接触し、拡散しやすくなる。従って、四角形の中では略正方形が最も周が短く、雰囲気と拡散することによる速度減衰を小さく抑えることができる。

支燃性流体供給管２の下流には、噴出拡開部４が支燃性流体供給管２と同軸で配設されている。ここで、本実施形態においては、支燃性流体供給管２の下流端部の端面と噴出拡開部４の上流端部の端面との間の距離をＬ_１と規定する。噴出拡開部４の孔（流路）における、中心軸Ａに直交する断面形状は矩形状であり、他の一対の側壁の間隔が下流側に向かって一定であるのに対して、一対の側壁４ａ，４ｂの間隔は下流側に向かうに従って漸次拡開するように形成されていることから、上記の断面の面積は、下流側に向かって漸次拡大するように構成されている。換言すると、噴出拡開部４は、図１Ａ中に示した断面図においては、下流側に向かって漸次拡開する扇形状とされている。ここで、本実施形態においては、一対の側壁４ａ，４ｂの間隔の拡開度合いで決まる当該側壁の開き角度をαと規定する。また、一対の側壁４ａ，４ｂの最小間隔、すなわち上流端部における間隔をＷと規定する。また、噴出拡開部４の上流端部の端面から、その下流端部の端面までの長さをＬ_２と規定する。なお、バーナ１においては、上記の下流端部における流路の開口部が中心流体噴出口７とされている。

支燃性流体流路３と、噴出拡開部４の流路との間の側壁、即ち、上記の距離Ｌ_１に相当する部分の側壁であって、直胴部２ｄの一対の側壁と、噴出拡開部４の一対の側壁４ａ，４ｂとの間には、一対の開口部５ａ，５ｂが設けられている。つまり、これら一対の開口部５ａ，５ｂの互いに共通する中心軸は、直胴部２ｄ等の上記一対の側壁と平行な方向である。さらに換言すれば、その中心軸は、図１Ａ中に示す断面と平行な方向である。また、一対の開口部５ａ，５ｂを始点とするそれぞれの通路は、他端で連通して構成されることで閉じた連通管６を形成している。ここで、本実施形態においては、連通管６の内径をＤ_ＣＴと規定し、その長さをＬ_ＣＴと規定する。

一方、いわゆる保炎構造としては、中心流体噴出口７の周囲を囲むように第１周囲流体噴出口８が配置され、さらに、第１周囲流体噴出口８の周囲を囲むように第２周囲流体噴出口９が配置されている。また、特に、図１Ｂに示すように、本実施形態で説明する例においては、第１周囲流体噴出口８及び第２周囲流体噴出口９は、平面視で円形状に連続して開口している。

また、本実施形態においては、第１周囲流体噴出口８からは、第１周囲流体としての保炎用酸素Ｇ３が噴出し、第２周囲流体噴出口９からは、第２周囲流体としての燃料ガスＧ１が噴出するように構成されている。

次に、本実施形態に係るバーナ１の機能（動作）と詳細な最適形状について説明する。
支燃性流体供給管２に導入された支燃性ガスとしての酸素Ｇ２は、第１テーパ部２ａのテーパ形状に応じて高速化し、第１テーパ部２ａの最後端、つまりスロート部２ｂの最前端において音速となる。音速となった酸素Ｇ２は、スロート部２ｂの部分で流れの乱れが抑えられ、安定化が図られる。スロート部２ｂの後段の第２テーパ部２ｃにおいては、狭くなるテーパ形状に応じて酸素Ｇ２の断熱膨張が生じることにより、この酸素Ｇ２の速度が超音速となる。なお、直胴部２ｄにおいては、超音速噴流の流れ方向が一様に整理される。

直胴部２ｄの部分を通過し、超音速となった酸素Ｇ２の流れは、連通管６で連通された一対の開口部５ａ，５ｂの作用により、所定条件下で、噴出拡開部４の上記一対の側壁のそれぞれに交互に付着する自励振動状態となる（図１Ｂ及び図３Ｂ中の矢印Ｒを参照）。即ち、直胴部２ｄから出た酸素Ｇ２の流れは、コアンダ効果により、まず、噴出拡開部４における上記一対の側壁４ａ，４ｂのうちの何れかに沿う流れとなる。このとき、噴流が沿った側壁の側の開口部５ａ又は開口部５ｂ近傍の連通管６内の圧力が低くなり、反対側の開口部５ｂ又は開口部５ａ近傍の連通管６内の圧力との差が生ずる。この圧力差により、連通管６内では、反対側の開口部５ｂ又は開口部５ａから、噴流が沿った側壁の側の開口部５ａ又は開口部５ｂへの流れが発生し、この流れにより、沿っていた側壁から噴流が剥がされて、反対側の側壁に沿うように向きを変える。以降、これを交互に繰り返し、結果として、中心流体噴出口７から噴出される支燃性ガス（酸素Ｇ２）は、所謂フリップフロップノズルの自励振動状態となる。

ここで、本実施形態においては、上記の自励振動状態が確実に発生し、且つ良好に維持し続けることが好ましいが、かかる安定した自励振動状態が得られる流速には上限が存在する。この上限値は高ければ高いほど好ましいが、それは上述した各種寸法に依存する。以下に、上記の各種寸法の好ましい範囲について詳述する。

まず、第２テーパ部２ｃの下流端部と、噴出拡開部４の上流端部との間隔Ｌ_１は、第２テーパ部２ｃにおける一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係で、長すぎても、あるいは短すぎても噴流の振動が発生しないが、下記（１）式を満たす間隔Ｌ_１が好ましい範囲である。
１．５Ｄ≦Ｌ_１≦３Ｄ ・・・・・（１）

また、噴出拡開部４における流路長さＬ_２は、上記の間隔Ｄとの関係で、短すぎると噴流の振動が発生しないが、下記（２）式を満たす流路長さＬ_２が好ましい範囲であり、下記（２’）式を満たす流路長さＬ_２がより好ましい範囲であり、下記（２’’）式を満たす流路長さＬ_２が特に好ましい範囲である。
２Ｄ≦Ｌ_２≦１５Ｄ ・・・・・（２）
４Ｄ≦Ｌ_２≦１０Ｄ ・・・・・（２’）
４Ｄ≦Ｌ_２≦６Ｄ ・・・・・（２’’）

また、噴出拡開部の上流側における一対の側壁の間隔Ｗは、長すぎても、あるいは短すぎても噴流の振動が発生しないが、下記（３）式を満たす間隔Ｗが好ましい範囲であり、下記（３’）式を満たす間隔Ｗがより好ましい範囲であり、下記（３’’）式を満たす間隔Ｗが特に好ましい範囲である。
１．５Ｄ≦Ｗ≦３Ｄ ・・・・・（３）
１．７３Ｄ≦Ｗ≦２．４Ｄ ・・・・・（３’）
２．０５Ｄ≦Ｗ≦２．２７Ｄ ・・・・・（３’’）

また、連通管６の内径Ｄ_ＣＴは、上記の間隔Ｄとの関係で、短すぎると噴流の振動が発生しないが、下記（４）式を満たす内径Ｄ_ＣＴが好ましい範囲である。
１Ｄ≦Ｄ_ＣＴ≦３Ｄ ・・・・・（４）

また、連通管６の長さＬ_ＣＴは、長いほど噴流の振動周期が長くなるが、長すぎると振動が発生しないことから、下記（５）式を満たす長さＬ_ＣＴが好ましい範囲である。
０．５ｍ≦Ｌ_ＣＴ≦５０ｍ ・・・・・（５）

また、噴出拡開部４における一対の側壁４ａ，４ｂの開き角度αは、大きいほど振動しにくいことから、下記（６）式を満たす開き角度αが好ましい範囲である。
０°＜α＜６０° ・・・・（６）

＜バーナを用いた加熱方法＞
次に、本実施形態のバーナを用いた加熱方法（以下、単に加熱方法と略称することがある）について説明する。本実施形態の加熱方法は、上述した本実施形態のバーナ１を用いて被加熱物を加熱する方法である。

本実施形態のバーナ１を、電気炉における金属の溶解・製錬に使用する場合には、上述のように、中心流体噴出口７から噴出された支燃性ガス（酸素Ｇ２）を火炎で覆う必要があるが、酸素Ｇ２を火炎で覆うことにより、中心流体噴出口７から噴出された酸素Ｇ２の超音速を維持できる区間を長くすることができる。このため、特に、自励振動状態で噴出された酸素Ｇ２に対して、安定した火炎を形成できることが求められる。

そこで、本実施形態の加熱方法においては、図１Ｂに示すように、平面視で中心流体噴出口７の周囲を囲むように円形状に配置された第２周囲流体噴出口９から燃料ガスＧ１を噴出させることにより、支燃性ガス（酸素Ｇ２）の自励振動に関わらず、常に酸素Ｇ２を覆う流れを形成することが可能となる。加えて、中心流体噴出口７と第２周囲流体噴出口９の間に円形状に配置された第１周囲流体噴出口８から保炎用酸素を噴出させることにより、酸素流体を覆う火炎の形成を助け、安定した燃焼状態を保つことが可能になる。
なお、中心流体噴出口７、第１周囲流体噴出口８、及び第２周囲流体噴出口９の各々から噴出される酸素Ｇ２、保炎用酸素Ｇ３、及び燃料ガスＧ１の噴出量は、個別に制御可能であることが好ましい。

＜他の実施形態＞
上記の実施形態においては、図１Ｂの平面図に示すように、第１周囲流体噴出口８及び第２周囲流体噴出口９が、平面視で円形状に連続して開口している構成を採用したが、これには限定されない。即ち、例えば、図３Ａの平面図に示すように、中心流体噴出口７の形状に合わせて、平面視で矩形状に連続して開口するように形成された第１周囲流体噴出口８ａ及び第２周囲流体噴出口９ａを備えた構成を採用してもよい。あるいは、図３Ｂに示すように、平面視で円形状に連続して開口するように形成された第１周囲流体噴出口８と、複数の開口部が中心流体噴出口７の周囲を囲むように配置されて形成された第２周囲流体噴出口９ｂを備えた構成を採用してもよい。
これらの他の実施形態においても、上記同様、自励振動状態の噴出酸素に対して、安定した火炎を形成できる。

また、上記の実施形態においては、支燃性ガス、第１周囲流体、及び第２周囲流体として、それぞれ、酸素Ｇ２、保炎用酸素Ｇ３、及び燃料ガスＧ１を挙げたが、これらに限られることはなく、適宜、最適な流体を選択して用いることができる。
また、上記の実施形態においては、中心流体噴出口７が酸素Ｇ２を噴出し、第１周囲流体噴出口８が保炎用酸素Ｇ３を噴出し、さらに、第２周囲流体噴出口９が燃料ガスＧ１を噴出する例を説明しているが、これには限定されず、各流体が噴出される噴出口の位置等は、バーナの用途等に応じて適宜設定することが可能である。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態のバーナ１及びそれを用いた加熱方法によれば、直胴部２ｄの酸素（支燃性ガス）Ｇ２の噴出方向に対する垂直断面が略正方形であることから、中心流体噴出口７から噴出された酸素Ｇ２の噴流速度の減衰を最低限に抑えることができる。これにより、超音速域を遠方まで減衰させずに保つことができ、また、酸素Ｇ２を自励振動させた場合でも、火炎を安定させながら、被加熱物を効率よく加熱することが可能になる。

また、本実施形態のバーナ１及びそれを用いた加熱方法においては、特に、第２テーパ部２ｃの下流端部と噴出拡開部４の上流端部との間隔Ｌ_１、噴出拡開部４における流路長さＬ_２、噴出拡開部４の上流側における一対の側壁の間隔Ｗ、連通管６の内径Ｄ_ＣＴと第２テーパ部２ｃにおける一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係、並びに、噴出拡開部４における一対の側壁４ａ，４ｂの開き角度αを、それぞれ特定の範囲で最適化した場合には、上記のような、酸素Ｇ２を自励振動させた際の火炎を安定させながら、酸素Ｇ２の噴流速度の減衰を最低限に抑制する効果がより顕著に得られる。

以下、本発明のバーナ及びバーナを用いた加熱方法の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１−１］
図１に示すバーナ１の支燃性流体供給管２において、第１テーパ部２ａ、スロート部２ｂ、第２テーパ部２ｃの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面を長方形状とし、且つ直胴部２ｄの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面を略正方形状とした。また、第１周囲流体噴出口、及び第２周囲流体噴出口は、図１Ｂに示すように配置した。さらに、第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係において、噴出拡開部の上流端部との間隔Ｌ_１を２Ｄとし、噴出拡開部における流路長さＬ_２の値を６Ｄとし、噴出拡開部の上流側における一対の側壁の間隔Ｗの値を１．７３Ｄ（Ｗ／Ｄ＝１．７３）とし、連通管の内径Ｄ_ＣＴの値を１．６Ｄとし、開き角度αを３０°としてバーナを得た。支燃性ガスＧ２は酸素、燃焼ガスＧ１は天然ガス、保炎用酸素Ｇ３は酸素を用いた。

［実施例１−２〜１−６］
第２テーパ部における、前記一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係において、間隔Ｗを下記表１に示すように変更した点以外は、実施例１−１と同様にして、バーナを得た。

次に、実施例１−１〜１−６のバーナを用いて、自励振動時の火炎の安定性を評価した。結果を図４に示す。
図４は、間隔Ｄと間隔Ｗの比を変化させて安定した自励振動流が得られる流量（Ｎｍ^３／ｈ）の範囲を具体的に計測した結果を示すグラフである。図４中において、流量が大きい方が、噴流の速度が高いことを示す。図４に示すように、１．７３≦Ｗ／Ｄ≦２．４０の範囲において自励振動流が得られていることから、間隔Ｄと間隔Ｗと関係は、１．７３Ｄ≦Ｗ≦２．４０Ｄの範囲が好ましいことが明らかである。さらに、図４のグラフに示す結果より、２．０５≦Ｗ／Ｄ≦２．２７の範囲において流量範囲が最も広くなっていることから、間隔Ｄと間隔Ｗとの関係は、２．０５Ｄ≦Ｗ≦２．２７Ｄの範囲がより好ましいことが明らかである。

［実施例２−１〜２−４］
第２テーパ部における、前記一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係において、噴出拡開部における流路長さＬ_２を下記表２に示すように変更した点以外は、実施例１−１と同様にして、バーナを得た。

次に、実施例２−１〜２−４のバーナを用いて、自励振動時の火炎の安定性を評価した。結果を図５に示す。
図５は、間隔Ｄと長さＬ_２の比を変化させて安定した自励振動流が得られる流量範囲（Ｎｍ^３／ｈ）を具体的に計測した結果を示すグラフである。図５中において、流量が大きい方が、噴流の速度が高いことを示す。図５に示すように、２≦Ｌ_２／Ｄ≦１０の範囲において自励振動流が得られていることから、間隔Ｄと長さＬ_２の関係は、２Ｄ≦Ｌ_２≦１０Ｄの範囲が好ましいことが明らかである。さらに、図５のグラフに示す結果より、４≦Ｌ_２／Ｄ≦６の範囲において流量範囲が最も広くなっていることから、間隔Ｄと長さＬ_２の関係は、４Ｄ≦Ｌ_２≦６Ｄの範囲がより好ましいことが明らかである。

［実施例３］
第２テーパ部における、前記一対の側壁の最大間隔Ｄとの関係において、各値（Ｗ、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｄ_ＣＴ）を、Ｗ＝２Ｄ、Ｌ_１＝２Ｄ、Ｌ_２＝６Ｄ、Ｄ_ＣＴ＝２Ｄとし、一対の側壁４ａ，４ｂの開き角度α=３０°とした点以外は、実施例１−１と同様にして、バーナを得た。

［比較例１］
支燃性流体供給管２が、第１テーパ部、スロート部、及び第２テーパ部を有さず、直胴部のみを有する点以外は、実施例１−１と同様にして、バーナを得た。

次に、実施例３、及び比較例１のバーナを用いて、中心流体噴出口からの距離に対する火炎の速度（マッハ数）を評価した。図６のグラフに検討結果を示す。
ここで、本実施例においては、中心流体噴出口７からの距離をＺとし、図６のグラフにおいては、横軸を距離Ｚと間隔Ｄとの比とし、縦軸をマッハ数とした。図６によれば、距離の遠近の全般に渡って、実施例３の方が比較例１よりも高速の噴出速度となっていることが分かる。例えば、Ｚ／Ｄ＝４０において、実施例３ではマッハ数は約０．７であり、比較例では約０．５５となった。また、別の観点からは、マッハ数０．４２以上を得るためには、比較例１ではＺ／Ｄが約６７以下であることが必要であるのに対して、実施例３ではＺ／Ｄが１００まで延びることとなった。従って、本発明のバーナは、遠方まで火炎を高速に保つことが可能であることが分かる。

次に、実施例３、及び比較例１のバーナを用いて、自励振動させた際の火炎の速度（マッハ数）を評価した。結果を図７Ａ〜図７Ｄに示す。
図７Ａ〜図７Ｄは、中心流体噴出口からの各距離Ｚ（Ｚ＝５Ｄ，１０Ｄ，２０Ｄ，４０Ｄ：Ｄは第２テーパ部における一対の側壁の最大間隔）における、中心軸から離れる方向の位置での流速を比較した結果を示すグラフである。図７Ａ〜図７Ｄに示すように、中心流体噴出口からの全距離に渡って、且つ、中心軸からの全距離に渡って、自励振動させた際に、中心軸から離れる方向の位置（Ｘ）に火炎を自励振動させることができており、且つ比較例１よりも実施例３の方が高速の噴出速度になっていることが分かる。例えば、Ｚ／Ｄ＝４０において、実施例３では、Ｘ／Ｄ＝６．７のときに、マッハ数が約０．６であるのに対して、比較例１では、マッハ数０．６を得るためには、Ｘ／Ｄ＝４のような中心軸からより近い位置である必要があることが分かる。

図６及び図７Ａ〜図７Ｄのグラフに示す結果より、実施例３においては、中心軸方向に渡っての速度も、中心軸から離れる方向に渡っての速度についても、比較例１に対して優位性を有していた。換言すると、実施例３の方が、比較例１に比べて、より遠くまで、且つ横幅方向の広い範囲に渡って高速の噴流を噴出することができることが確認できた。

以上説明した実施例のように、本発明に係るバーナによれば、支燃性流体供給管２の直胴部２ｄにおける一対の側壁の間隔と他の一対の側壁の間隔を概略等しくすることにより、換言すれば、支燃性流体供給管２の下流端部の形状を略正方形とすることにより、中心流体噴出口７から噴出された酸素噴流の速度の減衰を最低限に抑えることができ、且つ支燃性ガスを自励振動させた際に火炎を安定させることが可能になることが明らかである。

［比較例２］
直胴部２ｄの支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面を長方形状とした以外は、実施例３と同様にして、バーナを得た。

次に、得られた比較例１のバーナを用いて、実施例３と同様にして、中心流体噴出口からの距離に対する火炎の速度（マッハ数）、及び自励振動させた際の火炎の安定性を評価した。その結果、比較例２のバーナは、ノズルからの噴出後の火炎の速度の減衰が大きく、遠方まで高速を保つことができず、且つ支燃性ガスを自励振動させた際に火炎を安定させることができなかった。

本発明のバーナ及びバーナを用いた加熱方法は、支燃性ガスの噴出後の速度減衰を抑制して超音速域を遠方まで保つことができるとともに、支燃性ガスを自励振動させた際の火炎を安定させることが可能なので、例えば、金属を溶解・精錬する用途の他、バーナを用いて被加熱物を加熱する幅広い用途において非常に好適である。

１…バーナ
２…支燃性流体供給管
２ａ…第１テーパ部
２ｂ…スロート部
２ｃ…第２テーパ部
２ｄ…直胴部
３…支燃性流体流路（流体噴出流路）
４…噴出拡開部
５ａ，５ｂ…開口部（一対の開口部）
６…連通管
７…中心流体噴出口
８…第１周囲流体噴出口
９…第２周囲流体噴出口
Ａ…中心軸
Ｇ１…燃料ガス（第２周囲流体）
Ｇ２…酸素（支燃性ガス）
Ｇ３…保炎用酸素（第１周囲流体）

Claims (18)

1. 下流端に設けられた中心流体噴出口を有し、該中心流体噴出口から支燃性ガスを噴出するバーナであって、
   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一対の開口部よりも下流側は、前記一対の開口部が配置された一対の側壁の間隔が、下流側の前記中心流体噴出口に向かうに従って漸次拡開する噴出拡開部とされており、
   さらに、前記流体噴出流路における前記一対の開口部よりも上流側は、前記支燃性ガスの流入側から下流側に向けて流路面積が漸次縮小する第１テーパ部と、該第１テーパ部とスロート部を介して連通し、下流側に向けて前記流路面積が漸次拡大する第２テーパ部と、前記第２テーパ部と前記一対の開口部との間で、前記一対の側壁の間隔が一定とされた直胴部と、を有し、
   前記第１テーパ部、前記スロート部、及び前記第２テーパ部の前記支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が矩形状であり、
   前記直胴部の前記支燃性ガスの噴出方向に対する垂直断面が略正方形であることを特徴とするバーナ。
2. 前記第１テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記下流側に向かうに従って漸次縮小するように形成されており、且つ、前記第２テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記下流側に向かうに従って漸次拡開するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 前記第１テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、前記スロート部側に向かうに従って漸次縮小する断面扇形状とされ、かつ、第２テーパ部は、前記一対の側壁の間隔が、下流側の下流端部に向かうに従って漸次拡開する断面扇形状とされていることを特徴とする請求項２に記載のバーナ。
4. 前記スロート部は、前記一対の側壁の間隔が一定とされた直胴形状とされていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のバーナ。
5. 前記流体噴出流路は、前記第２テーパ部の下流端部と、前記噴出拡開部の上流端部との間隔Ｌ_１と、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（１）式で表される関係を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のバーナ。
   １．５Ｄ≦Ｌ_１≦３Ｄ ・・・・・（１）
6. 前記流体噴出流路は、前記噴出拡開部における流路長さＬ_２と、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（２）式で表される関係を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のバーナ。
   ２Ｄ≦Ｌ_２≦１５Ｄ ・・・・・（２）
7. 前記流体噴出流路は、前記噴出拡開部の上流端部における一対の側壁の間隔Ｗと、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（３）式で表される関係を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のバーナ。
   １．５Ｄ≦Ｗ≦３Ｄ ・・・・・（３）
8. 前記噴出拡開部における前記一対の側壁の開き角度αが０°超６０°未満であることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のバーナ。
9. 前記連通管の内径Ｄ_ＣＴと、前記第２テーパ部における前記一対の側壁の最大間隔Ｄとが、下記（４）式で表される関係を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のバーナ。
   １Ｄ≦Ｄ_ＣＴ≦３Ｄ ・・・・・（４）
10. 前記流体噴出流路における前記噴出拡開部は、前記一対の側壁の間隔が、下流側の前記中心流体噴出口に向かうに従って漸次拡開する断面扇形状とされていることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のバーナ。
11. さらに、平面視で前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置される周囲流体噴出口が備えられていることを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載のバーナ。
12. 前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲にそれぞれ配置される、第１周囲流体噴出口と、第２周囲流体噴出口とからなり、
    前記第１周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置され、
    前記第２周囲流体噴出口は、前記第１周囲流体噴出口の周囲を囲むように配置されることを特徴とする請求項１１に記載のバーナ。
13. 前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、平面視矩形状に連続して開口するように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のバーナ。
14. 前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、平面視円形状に連続して開口するように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のバーナ。
15. 前記第１周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲を囲みながら連続して開口するように形成されているとともに、前記第２周囲流体噴出口は、複数の開口部が、前記中心流体噴出口の周囲を囲むように配置されてなることを特徴とする請求項１２に記載のバーナ。
16. 前記第１周囲流体噴出口は、保炎用酸素を噴出し、前記第２周囲流体噴出口は、燃料ガスを噴出することを特徴とする請求項１２〜請求項１５の何れか一項に記載のバーナ。
17. 前記中心流体噴出口、前記第１周囲流体噴出口及び前記第２周囲流体噴出口は、それぞれ、支燃性ガス、保炎用酸素、又は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１６に記載のバーナ。
18. 請求項１〜請求項１７の何れか一項に記載のバーナを用いて被加熱物を加熱することを特徴とするバーナを用いた加熱方法。

Images