JP6756248B2 - Heating burner, radiant tube, and method of heating steel - Google Patents
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Description
本発明は、加熱用バーナ、ラジアントチューブ、および鋼材の加熱方法に関する。 The present invention relates to a heating burner, a radiant tube, and a method for heating a steel material.
特許文献１〜３には、ラジアントチューブに関する技術が開示されている。ラジアントチューブの開口端部には、加熱用バーナが装着される。そして、加熱用バーナからラジアントチューブ内に燃料ガスおよび支燃ガスが供給される。そして、燃料ガスが支燃ガスと混合され、燃焼することで、ラジアントチューブが加熱される。そして、ラジアントチューブから発生する輻射熱によって加熱対象物が加熱される。このように、ラジアントチューブは、輻射熱により加熱対象物を加熱することができるので、加熱対象物の酸化を抑制しつつ加熱対象物を加熱することができる。ラジアントチューブによる加熱の対象となる加熱対象物は様々であるが、一例として鋼板が挙げられる。 Patent Documents 1 to 3 disclose techniques relating to radiant tubes. A heating burner is attached to the open end of the radiant tube. Then, the fuel gas and the fuel supporting gas are supplied into the radiant tube from the heating burner. Then, the fuel gas is mixed with the fuel supporting gas and burned to heat the radiant tube. Then, the object to be heated is heated by the radiant heat generated from the radiant tube. In this way, since the radiant tube can heat the object to be heated by radiant heat, the object to be heated can be heated while suppressing the oxidation of the object to be heated. There are various objects to be heated by the radiant tube, and one example is a steel plate.
加熱用バーナから噴出された燃料ガスは、直ちに支燃ガスと混合され、燃焼するため、加熱用バーナの出口付近で燃焼火炎が形成される。このため、ラジアントチューブの開口端部および加熱用バーナの支燃ガスノズルが燃焼火炎によって損傷しやすいという問題があった。そこで、特許文献１、２に開示された技術では、ラジアントチューブの開口端部の内側に保護管を設ける。これにより、ラジアントチューブの開口端部を保護する。特許文献３に開示された技術では、加熱用バーナの支燃ガスノズルの内外周面のそれぞれに保護層を形成する。これにより、支燃ガスノズルが保護される。 The fuel gas ejected from the heating burner is immediately mixed with the combustion supporting gas and burned, so that a combustion flame is formed near the outlet of the heating burner. Therefore, there is a problem that the open end of the radiant tube and the combustion support gas nozzle of the heating burner are easily damaged by the combustion flame. Therefore, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, a protective tube is provided inside the open end of the radiant tube. This protects the open end of the radiant tube. In the technique disclosed in Patent Document 3, a protective layer is formed on each of the inner and outer peripheral surfaces of the combustion support gas nozzle of the heating burner. This protects the combustion support gas nozzle.
ところで、加熱用バーナの出口付近で燃焼火炎が形成されることによる別の問題点として、ラジアントチューブの開口端部からの輻射熱が過剰に大きくなるという問題があった。このため、例えばラジアントチューブによる鋼板を加熱する場合、鋼板の端部が過剰に加熱されてしまう。 By the way, another problem caused by the formation of a combustion flame near the outlet of the heating burner is that the radiant heat from the open end of the radiant tube becomes excessively large. For this reason, for example, when a steel sheet is heated by a radiant tube, the end portion of the steel sheet is excessively heated.
この点、特許文献１、２に開示された技術によれば、ラジアントチューブの開口端部の内側に保護管を設ける。このため、保護管による断熱効果によってラジアントチューブの開口端部からの輻射熱が低下することが期待できる。 In this regard, according to the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, a protective tube is provided inside the open end of the radiant tube. Therefore, it can be expected that the radiant heat from the open end of the radiant tube is reduced due to the heat insulating effect of the protective tube.
しかしながら、特許文献１、２に開示された技術では、開口端部からの輻射熱を十分に低減することができなかった。 However, the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 have not been able to sufficiently reduce the radiant heat from the open end.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ラジアントチューブの開口端部からの輻射熱をより大きく低減することが可能な、新規かつ改良された加熱用バーナ、ラジアントチューブ、および鋼板の加熱方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a novel and improved one capable of further reducing the radiant heat from the open end of the radiant tube. To provide a heating method for heating burners, radiant tubes, and steel plates.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ラジアントチューブの開口端部に装着される加熱用バーナであって、ラジアントチューブ内に支燃ガスを噴出可能な支燃ガスノズルと、支燃ガスノズルの周囲に設けられ、ラジアントチューブ内に燃料ガスを噴出可能な燃料ガスノズルと、を備え、ラジアントチューブから発生する総熱量が目標熱量に到達するために必要な目標流量の支燃ガスが支燃ガスノズルに供給された際に、支燃ガスノズル内の先端部の開口面において、支燃ガスの圧力が大気圧にほぼ一致して支燃ガスの噴流が超音速噴流となることを特徴とする、加熱用バーナが提供される。
In order to solve the above problems, according to a certain viewpoint of the present invention, a heating burner attached to the open end of the radiant tube, and a fuel-supporting gas nozzle capable of ejecting a fuel-supporting gas into the radiant tube. It is equipped with a fuel gas nozzle that is provided around the fuel-supporting gas nozzle and can eject fuel gas into the radiant tube, and the fuel-supporting gas of the target flow rate required for the total heat generated from the radiant tube to reach the target heat amount is provided. When supplied to the fuel-supporting gas nozzle, the pressure of the fuel-supporting gas almost coincides with the atmospheric pressure at the opening surface of the tip of the fuel-supporting gas nozzle, and the jet of the fuel-supporting gas becomes a supersonic jet. A heating burner is provided.
ここで、支燃ガスノズルは、ラバールノズルであってもよい。 Here, the fuel-supporting gas nozzle may be a Laval nozzle.
また、支燃ガスノズルの流路断面の最小面積Ａｔに対する出口面積Ａｅの比Ａｅ／Ａｔは、以下の数式（１）の条件を満たしてもよい。 Further, the ratio Ae / At of the outlet area Ae to the minimum area At of the flow path cross section of the fuel-supporting gas nozzle may satisfy the condition of the following mathematical formula (1).
数式（１）中、Ｘは以下の数式（２）で示される。 In the mathematical formula (1), X is represented by the following mathematical formula (2).
数式（２）中、Ｐｅは大気圧であり、Ｐ０は支燃ガスノズルに目標流量の支燃ガスが供給された際の支燃ガスノズルの入口圧力である。 In the formula (2), Pe is the atmospheric pressure, and P 0 is the inlet pressure of the fuel-supporting gas nozzle when the fuel-supporting gas of the target flow rate is supplied to the fuel-supporting gas nozzle.
本発明の他の観点によれば、上記のバーナを備えるラジアントチューブが提供される。 According to another aspect of the present invention, a radiant tube including the above burner is provided.
本発明の他の観点によれば、上記のラジアントチューブを用いて加熱対象物を加熱することを特徴とする、加熱方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a heating method comprising heating an object to be heated using the above-mentioned radiant tube.
ここで、ラジアントチューブの外壁温度の最低温度が燃焼可能温度℃未満となる場合には、支燃ガスノズルに供給する支燃ガスの流量を目標流量未満であってもよい。 Here, when the minimum temperature of the outer wall temperature of the radiant tube is less than the combustible temperature ° C., the flow rate of the combustion-supporting gas supplied to the combustion-supporting gas nozzle may be less than the target flow rate.
また、加熱対象物は鋼板であってもよい。 Further, the object to be heated may be a steel plate.
以上説明したように本発明によれば、適正膨張状態の支燃ガスがラジアントチューブ内に噴出される。したがって、支燃ガスは、噴出後にきれいな超音速の噴流、すなわちポテンシャルコア領域を形成することができる。このポテンシャルコア領域では、支燃ガスは超音速で流動するので、燃料ガスをほとんど巻き込まない。したがって、ポテンシャルコア領域では燃料ガスはほとんど燃焼しない。したがって、開口端部からの輻射熱をより大きく低減することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the combustion support gas in the properly expanded state is ejected into the radiant tube. Therefore, the fuel-supporting gas can form a clean supersonic jet, i.e., a potential core region, after ejection. In this potential core region, the fuel-supporting gas flows at supersonic speed, so that the fuel gas is hardly involved. Therefore, the fuel gas hardly burns in the potential core region. Therefore, it is possible to further reduce the radiant heat from the opening end portion.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
＜１．加熱用バーナの構成＞
まず、図１〜図３に基づいて、本実施形態に係る加熱用バーナ１０の構成について説明する。加熱用バーナ１０は、ラジアントチューブ１００の開口端部１００ａに設けられる。加熱用バーナ１０は、燃料ガスノズル２０と、支燃ガスノズル３０と、スパークプラグ４０と、外壁部５０とを備える。
<1. Composition of heating burner>
First, the configuration of the
燃料ガスノズル２０は、支燃ガスノズル３０の周囲に設けられ、ラジアントチューブ１００内に燃料ガスを噴出可能となっている。具体的には、燃料ガスノズル２０は、基端部２１と、燃料ガス導入管２１ａと、複数の噴出部２２とを備える。
The
図１および図３に示すように、基端部２１は、中空かつリング状の部材となっており、燃料ガス導入管２１ａに連結されている。燃料ガス導入管２１ａは、図示しない燃料ガス供給装置に接続されており、燃料ガス供給装置から供給された燃料ガスを基端部２１内に導入する。矢印Ｇ１は燃料ガス導入管２１ａ内に供給される燃料ガスの流動方向を示す。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
噴出部２２は、中空の管状部材であり、図１および図２に示すように、支燃ガスノズル３０の周囲に設けられる。噴出部２２の一方の端部は基端部２１に連結され、他方の端部はラジアントチューブ１００内に開口している。噴出部２２は、基端部２１内の燃料ガスをラジアントチューブ１００内に噴出する。ここで、ラジアントチューブ１００内に噴出された燃料ガスの流速は特に問われず、従来と同様であればよい。一例として、燃料ガスの流速は亜音速であってもよい。また、燃料ガスの種類も特に問われず、ラジアントチューブの用途等に応じて適宜選択されれば良い。燃料ガスの種類としては、例えば、コークス炉ガス、天然ガス等が挙げられる。また、燃料ガスノズル２０に導入される燃料ガスの流量（より詳細には、単位時間当りの流量）は、例えば、ラジアントチューブ１００から発生する総熱量が目標熱量に到達するために必要な流量、すなわち目標流量とされる。目標熱量が大きいほど、加熱対象物の温度を高くすることができる。燃料ガスノズル２０には、燃焼可能温度（すなわち、支燃ガスと混合された際に発火する程度の温度）以上の温度を有する燃料ガスが供給されても良いし、燃焼可能温度未満の（例えば、室温程度の）燃料ガスが供給されても良い。ここで、燃焼可能温度は、使用される燃料ガスの種類に応じて異なる。例えば、燃料ガスがコークス炉ガスとなる場合、燃焼可能温度は５００℃程度となる。
The
支燃ガスノズル３０は、加熱用バーナ１０の中心部分に設けられ、ラジアントチューブ１００内に支燃ガスを噴出可能となっている。支燃ガスノズル３０は、所謂ラバールノズルとなっている。すなわち、支燃ガスノズル３０は、基端部３１と、スロート部３２と、先端部３３とを備える。基端部３１の開口面３１ａは支燃ガスノズル３０の入口となっている。開口面３１ａにおける支燃ガスの圧力はいわゆる入口圧力となる。ここで、支燃ガスは、酸素を含むガスであり、例えば空気、酸素ガスである。支燃ガスノズル３０には、燃焼可能温度以上の支燃ガスが供給されても良いし、燃焼可能温度未満（例えば、室温程度）の支燃ガスが供給されても良い。
The combustion
スロート部３２は、流路断面積が小さくなる領域である。ここで、流路断面積は、支燃ガスの流路に垂直な断面の面積である。図１の例では、流路断面積は、支燃ガスノズル３０の長さ方向に垂直な断面の面積となる。スロート部３２では、基端部３１からスロート部３２に向かって流路断面積が減少し、スロート部３２から先端部３３に向かって流路断面積が増大する。したがって、スロート部３２内で流路断面積が最小となる。先端部３３の開口面３３ａは支燃ガスの出口となっている。すなわち、先端部３３の開口面３３ａから支燃ガスがラジアントチューブ１００内に噴出される。開口面３３ａにおける支燃ガスの圧力はいわゆる出口圧力となる。
The
本実施形態では、支燃ガスノズル３０がラバールノズルとなっているので、支燃ガスを支燃ガスノズル３０内で適正膨張させることができる。支燃ガスノズル３０に導入される支燃ガスの流量（より詳細には、単位時間当りの流量）は、ラジアントチューブ１００から発生する総熱量が目標熱量に到達するために必要な流量、すなわち目標流量とされる。そして、本実施形態では、目標流量の支燃ガスが支燃ガスノズル３０に供給された際に、支燃ガスノズル３０内の支燃ガスが適正膨張する。
In the present embodiment, since the fuel-supporting
すなわち、目標流量の支燃ガスが支燃ガスノズル３０の基端部３１に導入された場合、支燃ガスはスロート部３２内で圧縮される。そして、スロート部３２で支燃ガスの流速が音速（Ｍ＝１）に到達する。その後、支燃ガスは、先端部３３内で断熱膨張しながらさらに加速し、先端部３３の開口面３３ａからラジアントチューブ１００内に噴出される。この時、開口面３３ａにおける支燃ガスの圧力は大気圧にほぼ一致しており、支燃ガスの噴流はきれいな超音速噴流となる。すなわち、支燃ガスは適正膨張し、超音速でラジアントチューブ１００内に噴出される。したがって、開口面３３ａにおける支燃ガスの流速は、適正マッハ数（Ｍｐ）となっており、支燃ガスの入口圧力はいわゆる適正入口圧力（Ｐｐ）となっている。
That is, when the target flow rate of the supporting gas is introduced into the
また、支燃ガスノズル３０の流路断面の最小面積（すなわち、スロート部３２の最小面積）Ａｔに対する出口面積（すなわち、開口面３３ａの流路断面積）Ａｅの比Ａｅ／Ａｔは、以下の数式（１）の条件を満たす。図１のｄｔはスロート部３２の最小面積の直径（いわゆるスロート径）（ｍｍ）である。図１のｄｅは、出口面積の直径、いわゆる出口径（ｍｍ）である。
Further, the ratio Ae / At of the outlet area (that is, the flow path cross section of the opening
数式（１）中、Ｘは以下の数式（２）で示される。 In the mathematical formula (1), X is represented by the following mathematical formula (2).
数式（２）中、Ｐｅは大気圧（ａｔｍ）であり、Ｐ０は支燃ガスノズル３０に目標流量の支燃ガスが供給された際の支燃ガスノズルの入口圧力、すなわち適正入口圧力（ａｔｍ）である。なお、適正マッハ数Ｍｐは、以下の数式（３）で示される。
In the formula (2), Pe is the atmospheric pressure (atm), and P 0 is the inlet pressure of the supporting gas nozzle when the target flow rate of the supporting gas is supplied to the supporting
したがって、数式（１）の条件が満たされるように支燃ガスノズル３０を設計することで、支燃ガスを適正膨張させることができる。支燃ガスノズル３０の具体的な設計方法は以下のとおりである。
Therefore, by designing the combustion
すなわち、ラジアントチューブ１００に求められる目標熱量は予め決まっていることが多い。したがって、支燃ガスの目標流量も予め決まっていることが多い。そして、支燃ガスの入口圧力は、支燃ガスの目標流量およびスロート部３２の最小面積Ａｔが決まれば一義的に決まる。そこで、まず、スロート部３２の最小面積Ａｔを決定する。これにより、支燃ガスの入口圧力が決まる。ついで、支燃ガスの入口圧力が適正入口圧力となるように、すなわち、数式（１）の条件が満たされるように、支燃ガスノズル３０の出口面積Ａｅを決めれば良い。
That is, the target amount of heat required for the
このように、本実施形態では、支燃ガスは、きれいな超音速噴流を形成しながらラジアントチューブ１００内に噴出される。このため、支燃ガスの噴流は、図１に示すように、ポテンシャルコア領域Ａ１を形成する。ポテンシャルコア領域Ａ１では、支燃ガスは超音速で流動するので、燃料ガスをほとんど巻き込まない。すなわち、ポテンシャルコア領域Ａ１では燃料ガスはほとんど燃焼しない。支燃ガスの流速は、支燃ガスがある程度の長さ（ここではＨｐ）だけ流動した後に、ポテンシャルコア領域Ａ１の外縁から減衰していき、亜音速となる。したがって、ポテンシャルコア領域Ａ１を通過した支燃ガスは、ジェットコア領域Ａ２を形成する。流路断面Ｑ１は、ポテンシャルコア領域Ａ１とジェットコア領域Ａ２との境界面を示す。
As described above, in the present embodiment, the combustion support gas is ejected into the
ジェットコア領域Ａ２は、流速が超音速となる超音速領域Ａ２１と、流速が亜音速となる自由噴流領域Ａ２２とを含む。超音速領域Ａ２１の流路断面積は、支燃ガスが進行するにしたがって小さくなる。つまり、支燃ガスの流束の中心軸（ジェットコア領域Ａ２の流路断面の中心を通る軸）を通る支燃ガスの流速（いわゆる中心速度）が最も高い。自由噴流領域Ａ２２は、支燃ガスの流速が亜音速となっている領域である。自由噴流領域Ａ２２内では、支燃ガスと燃料ガスとが混合される。したがって、自由噴流領域Ａ２２内の混合ガスの温度が燃焼可能温度以上となっている場合、燃焼ガスが燃焼する。すなわち、自由噴流領域Ａ２２の起点Ｒから燃料ガスの燃焼が開始される。すなわち、起点Ｒが燃焼開始位置となる。このように、本実施形態では、燃焼開始位置を開口面３３ａから流路断面Ｑ１までの距離（すなわち、ポテンシャルコア長）Ｈｐ分だけ加熱用バーナ１０から離すことができる。したがって、開口端部１００ａからの輻射熱をより大きく低減することが可能となる。
The jet core region A2 includes a supersonic region A21 in which the flow velocity is supersonic and a free jet region A22 in which the flow velocity is subsonic. The cross-section of the flow path in the supersonic region A21 becomes smaller as the fuel-supporting gas progresses. That is, the flow velocity (so-called central velocity) of the supporting gas passing through the central axis of the flux of the supporting gas (the axis passing through the center of the cross section of the flow path of the jet core region A2) is the highest. The free jet region A22 is a region where the flow velocity of the supporting gas is subsonic. In the free jet region A22, the combustion support gas and the fuel gas are mixed. Therefore, when the temperature of the mixed gas in the free jet region A22 is equal to or higher than the combustible temperature, the combustion gas burns. That is, the combustion of the fuel gas is started from the starting point R of the free jet region A22. That is, the starting point R is the combustion start position. As described above, in the present embodiment, the combustion start position can be separated from the
ここで、支燃ガスが適正膨張することは上述した効果を得る上で非常に重要である。例えば、支燃ガスの出口圧力が大気圧よりも高くなる場合にも、支燃ガスの流速は超音速になる。しかし、支燃ガスは支燃ガスノズル３０から噴出された直後に膨張波を発生する。そして、その反動で圧縮波（衝撃波）が発生する。そして、このような現象が繰り返し発生する。したがって、支燃ガスの噴流は不安定となる。なお、このような支燃ガスの状態は不足膨張状態と称される。この結果、一部の支燃ガスは、支燃ガスノズル３０から噴出された直後から亜音速まで減速する。そして、亜音速まで減速した支燃ガスは、燃焼ガスと混合されてしまう。燃焼ガスは、支燃ガスと混合されると発火する。したがって、上述した効果が十分に得られない。
Here, it is very important for the combustion support gas to expand properly in order to obtain the above-mentioned effect. For example, even when the outlet pressure of the supporting gas becomes higher than the atmospheric pressure, the flow velocity of the supporting gas becomes supersonic. However, the combustion support gas generates an expansion wave immediately after being ejected from the combustion
また、支燃ガスの出口圧力が大気圧よりも低くなる場合にも、入口圧力が十分に高ければ（このときの入口圧力はいわゆる臨界圧力とも称される）、支燃ガスの流速は超音速になる。しかし、支燃ガスは支燃ガスノズル３０から噴出された直後に衝撃波を発生する。そして、その反動で膨張波が発生する。そして、このような現象が繰り返し発生する。したがって、支燃ガスの噴流は不安定となる。なお、このような支燃ガスの状態は過膨張状態と称される。この結果、一部の支燃ガスは、支燃ガスノズル３０から噴出された直後から亜音速まで減速する。そして、亜音速まで減速した支燃ガスは、燃焼ガスと混合されてしまう。燃焼ガスは、支燃ガスと混合されると発火する。したがって、上述した効果が十分に得られない。したがって、支燃ガスが不足膨張する場合、過膨張する場合のいずれも上述したポテンシャルコア領域Ａ１が形成されず、ひいては、加熱用バーナ１０の出口近傍で燃焼火炎が発生してしまう。
Even when the outlet pressure of the supporting gas is lower than the atmospheric pressure, if the inlet pressure is sufficiently high (the inlet pressure at this time is also called the so-called critical pressure), the flow velocity of the supporting gas is supersonic. become. However, the combustion support gas generates a shock wave immediately after being ejected from the combustion
ジェットコア領域Ａ２を通過した支燃ガスは、自由噴流領域Ａ３を形成する。流路断面Ｑ２は、ジェットコア領域Ａ２と自由噴流領域Ａ３との境界面を示す。また、ジェットコア領域Ａ２の先端点Ｐは流路断面Ｑ２上に存在し、この先端点Ｐでの支燃ガスの流速はマッハ１（Ｍ＝１）となっている。 The combustion-supporting gas that has passed through the jet core region A2 forms the free jet region A3. The flow path cross section Q2 shows the boundary surface between the jet core region A2 and the free jet region A3. Further, the tip point P of the jet core region A2 exists on the flow path cross section Q2, and the flow velocity of the fuel-supporting gas at this tip point P is Mach 1 (M = 1).
自由噴流領域Ａ３は、支燃ガスの流速が亜音速となっている領域である。したがって、自由噴流領域Ａ３内での支燃ガスおよび燃焼ガスの挙動は自由噴流領域Ａ２２と同様である。すなわち、自由噴流領域Ａ３内では、支燃ガスと燃料ガスとが混合される。したがって、自由噴流領域Ａ３内の混合ガスの温度が燃焼可能温度以上となっている場合、燃焼ガスが燃焼する。 The free jet region A3 is a region where the flow velocity of the supporting gas is subsonic. Therefore, the behavior of the combustion support gas and the combustion gas in the free jet region A3 is the same as that in the free jet region A22. That is, in the free jet region A3, the fuel supporting gas and the fuel gas are mixed. Therefore, when the temperature of the mixed gas in the free jet region A3 is equal to or higher than the combustible temperature, the combustion gas burns.
ここで、本発明者がラジアントチューブ１００の外壁温度について鋭意検討したところ、本発明者は、支燃ガスの中心速度が３０ｍ／ｓとなる流路断面Ｑ３での燃焼温度が最大となることを知見した。ここで、距離Ｈｐ、Ｈｃ、Ｈｍは以下の数式（４）〜（６）で示される。距離Ｈｃは、開口面３３ａから流路断面Ｑ２までの距離であり、ポテンシャルコア領域Ａ１およびジェットコア領域Ａ２の合計長さに相当する。距離Ｈｍは、開口面３３ａから流路断面Ｑ３までの距離である。
Here, when the present inventor diligently studied the outer wall temperature of the
数式（６）において、ｃは室温（２５℃）での音速（３４６．８ｍ／ｓ）であり、数値３０は３０ｍ／ｓを意味する。
In formula (6), c is the speed of sound (346.8 m / s) at room temperature (25 ° C.), and the
数式（４）中のＭｐは、数式（３）によれば、適正入口圧力に応じて変動し、適正入口圧力は、スロート部３２の最小面積Ａｔに応じて変動する。したがって、スロート部３２の最小面積Ａｔを調整することで、燃焼開始位置および流路断面Ｑ３の位置（すなわち、最高温度位置）を調整することができる。したがって、これらの位置を、加熱対象物の大きさ、加熱用バーナ１０から加熱対象物までの距離に応じて調整しても良い。なお、加熱用バーナ１０から加熱対象物までの距離とは、ラジアントチューブ１００を加熱対象物の上側もしくは下側に配置した場合、加熱用バーナ１０から加熱対象物までの水平方向の距離を意味する。
According to the mathematical formula (3), the Mp in the mathematical formula (4) fluctuates according to the proper inlet pressure, and the proper inlet pressure fluctuates according to the minimum area At of the
このように、本実施形態によれば、単に燃焼開始位置を加熱用バーナ１０から離すだけでなく、燃焼開始位置および最高温度位置を任意に調整することができる。
As described above, according to the present embodiment, not only the combustion start position can be separated from the
なお、本実施形態では支燃ガスノズル３０をラバールノズルとしたが、支燃ガスノズル３０はラバールノズルに限られない。すなわち、支燃ガスノズル３０は、支燃ガスノズル３０に目標流量の支燃ガスが供給された際に支燃ガスを適正膨張させることができればどのようなノズルであってもよい。つまり、数式（１）の条件を満たすノズルであればよい。例えば、後述する実施例６で示されるように、ストレートノズルであっても、数式（１）の条件を満たすノズルが存在しうる。
Although the de Laval nozzle is used as the de Laval nozzle in the present embodiment, the
スパークプラグ４０は、燃料ガスおよび支燃ガスの混合ガスに着火することが可能なプラグである。スパークプラグ４０は、例えばラジアントチューブ１００の外壁温度の最低温度が燃料ガスの燃焼可能温度未満であり、かつ、燃焼可能温度未満の支燃ガスおよび燃料ガスが加熱用バーナ１０に供給される場合に使用される。なお、最低温度は、ラジアントチューブ１００の外壁温度のうち、加熱用バーナ１０からラジアントチューブ１００の長さ方向に最も離れた部分の温度である。この場合、ラジアントチューブ１００内で支燃ガスと燃料ガスとが混合されても、着火しない。そこで、スパークプラグ４０により混合ガスを強制的に着火する。なお、加熱用バーナ１０の出口近傍から燃焼を開始する必要があるので、支燃ガスノズル３０から噴出される支燃ガスの流速を少なくとも亜音速まで減じる必要がある。したがって、支燃ガスの流量を目標流量未満として、入口圧力を適正入口圧力未満とする。好ましくは、入口圧力を臨界圧力未満とする。なお、燃焼可能温度以上の燃料ガスおよび支燃ガスを加熱用バーナ１０に供給する場合、スパークプラグ４０による着火は不要である。したがって、この場合、スパークプラグ４０は省略されても良い。外壁部５０は加熱用バーナ１０の他の構成要素を収納する部材である。
The
＜２．適用例＞
次に、図４に基づいて、ラジアントチューブ１００の適用例について説明する。この例では、ラジアントチューブ１００を用いて鋼板２００を加熱する。また、加熱用バーナ１０には燃焼可能温度未満の（具体的には、室温の）支燃ガスおよび燃料ガスが供給されるものとする。鋼板２００は、矢印Ｓ方向に搬送される。ラジアントチューブ１００は、鋼板２００の厚さ方向の上下に配置される。図４では、鋼板２００の上方に配置されるラジアントチューブ１００のみ示す。ラジアントチューブ１００は、鋼板２００の搬送方向に沿って等間隔に配置される。
<2. Application example>
Next, an application example of the
ラジアントチューブ１００はＭ字型となっており、２つの開口端部１００ａ、１００ｂのうち、開口端部１００ａに加熱用バーナ１０が設けられる。他方の開口端部１００ｂからは排気ガスが排出される。なお、排気ガスの顕熱を再利用しても良い。
The
ラジアントチューブ１００を用いて鋼板２００を加熱する場合、まず、目標流量未満の燃料ガスおよび支燃ガスが加熱用バーナ１０に供給される。燃料ガスの流量は目標流量であってもよいし、目標流量未満であってもよい。この場合、支燃ガスは、超音速未満の流速、例えば亜流速でラジアントチューブ１００内に噴出される。したがって、支燃ガスは、ラジアントチューブ１００内に噴出された直後に燃料ガスと混合される。そして、スパークプラグ４０が混合ガスを着火する。これにより、混合ガスが燃焼する。一旦混合ガスが燃焼を開始した後は、スパークプラグ４０を停止する。その後、目標流量の支燃ガスおよび燃料ガスを加熱用バーナ１０に供給する。支燃ガスは、支燃ガスノズル３０内で適正膨張し、超音速でラジアントチューブ１００内に噴出される。これにより、ラジアントチューブ１００内に上述したポテンシャルコア領域Ａ１、ジェットコア領域Ａ２、および自由噴流領域Ａ３が形成される。したがって、燃焼開始位置が加熱用バーナ１０の出口付近から距離Ｈｐだけ離れる。これにより、ラジアントチューブ１００の開口端部１００ａからの輻射熱が低減し、ひいては、鋼板２００の端部の過剰な加熱を抑制することができる。
When the
つぎに、本発明者は、本実施形態の効果を確認するために以下の実施例を行った。本実施例では、支燃ガスとして空気を使用し、燃料ガスとしてコークス炉ガスを使用した。また、これらのガスの温度を室温とした。また、支燃ガスの目標流量を２００Ｎｍ３／ｈとした。そして、スロート径を表１のように設定した。そして、数式（１）、（２）に基づいて出口径および適正入口圧力を算出した。なお、数式（１）において、Ａｅ／Ａｔ＝１．００Ｘが成立するように、出口径および適正入口圧力を算出した。さらに、数式（３）〜（６）に基づいて、適正マッハ数および距離Ｈｐ、Ｈｃ、Ｈｍを算出した。なお、数式（６）において、音速は表１に示す値とした。結果を表１に示す。 Next, the present inventor performed the following examples in order to confirm the effect of the present embodiment. In this embodiment, air was used as the fuel supporting gas, and coke oven gas was used as the fuel gas. The temperature of these gases was set to room temperature. The target flow rate of the combustion support gas was set to 200 Nm 3 / h. Then, the throat diameter was set as shown in Table 1. Then, the outlet diameter and the appropriate inlet pressure were calculated based on the formulas (1) and (2). In addition, in the formula (1), the outlet diameter and the appropriate inlet pressure were calculated so that Ae / At = 1.00X was established. Further, the appropriate Mach number and distances Hp, Hc, and Hm were calculated based on the mathematical formulas (3) to (6). In the mathematical formula (6), the speed of sound is the value shown in Table 1. The results are shown in Table 1.
ついで、表１に示すスロート径および出口径を有する支燃ガスノズル（実施例１〜５ではラバールノズル、実施例６ではストレートノズル）を作製した。そして、支燃ガスノズル３０を用いて加熱用バーナ１０を作製した。そして、この加熱用バーナ１０をＭ字型のラジアントチューブ１００の開口端部１００ａに取り付けた。そして、室温の支燃ガスを２００Ｎｍ３／ｈよりも少ない３０Ｎｍ３／ｈだけ加熱用バーナ１０の支燃ガスノズル３０に供給した。一方、燃料ガスを６Ｎｍ３／ｈだけ加熱用バーナ１０の燃料ガスノズル２０に供給した。この場合、ラジアントチューブ１００内に噴出された支燃ガスの流速は亜音速となる。したがって、ラジアントチューブ１００内に噴出された支燃ガスは、ただちに燃料ガスと混合される。そして、スパークプラグ４０を用いて混合ガスに着火した。その後はスパークプラグ４０を停止した。さらに、支燃ガスを表１に示す目標流量だけ支燃ガスノズル３０に供給した。一方、燃料ガスは４０Ｎｍ３／ｈだけ加熱用バーナ１０の燃料ガスノズル２０に供給した。そして、ラジアントチューブ１００の開口端部１００ａのチューブ外壁温度、距離Ｈｐ、Ｈｍでのチューブ外壁温度を測定した。この結果、開口端部１００ａのチューブ外壁温度（約４００℃）よりも距離Ｈｐ（すなわち、燃焼開始位置）でのチューブ外壁温度（約５００℃）の方が高いことが確認できた。また、距離Ｈｐでのチューブ外壁温度よりも距離Ｈｍ（すなわち、最高温度位置）でのチューブ外壁温度（約６５０℃）の方が高いことが確認できた。また、距離Ｈｍの前後でチューブ外壁温度を測定したところ、距離Ｈｍでのチューブ外壁温度がピークになることが確認できた。また、実施例６によれば、ストレートノズルであっても数式（１）、（２）の条件が満たされれば本実施形態の効果が得られることが明らかとなった。
Then, a combustion-supporting gas nozzle having the throat diameter and the outlet diameter shown in Table 1 (Laval nozzle in Examples 1 to 5 and straight nozzle in Example 6) was prepared. Then, a
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical ideas described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.
１０ 加熱用バーナ
２０ 燃料ガスノズル
３０ 支燃ガスノズル
３１ 基端部
３２ スロート部
３３ 先端部
１００ ラジアントチューブ
10
Claims (7)
前記ラジアントチューブ内に支燃ガスを噴出可能な支燃ガスノズルと、
前記支燃ガスノズルの周囲に設けられ、前記ラジアントチューブ内に燃料ガスを噴出可能な燃料ガスノズルと、を備え、
前記ラジアントチューブから発生する総熱量が目標熱量に到達するために必要な目標流量の支燃ガスが前記支燃ガスノズルに供給された際に、前記支燃ガスノズル内の先端部の開口面において、前記支燃ガスの圧力が大気圧にほぼ一致して前記支燃ガスの噴流が超音速噴流となることを特徴とする、加熱用バーナ。 A heating burner attached to the open end of the radiant tube.
A combustion-supporting gas nozzle capable of ejecting a combustion-supporting gas into the radiant tube,
A fuel gas nozzle provided around the fuel-supporting gas nozzle and capable of ejecting fuel gas into the radiant tube is provided.
When the fuel-supporting gas of the target flow rate required for the total heat generated from the radiant tube to reach the target heat-supporting gas is supplied to the fuel-supporting gas nozzle, the opening surface of the tip portion in the fuel-supporting gas nozzle A heating burner characterized in that the pressure of the supporting gas substantially coincides with the atmospheric pressure and the jet of the supporting gas becomes a supersonic jet .
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