JPH0121853B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は鋼帯の連続焼鈍設備における直火式加
熱炉に関する。 ［従来の技術及びその問題点］ 従来の連続焼鈍炉では、ラジアントチユーブに
よる間接加熱方式が一般に採用されている。しか
しこの加熱方式は、一般の直火加熱方式のような
鋼帯酸化というような問題を生じさせない反面、
加熱能力が低い等の難点があり、直火方式に較べ
その分設備的負担を増大させる。 このような間接加熱方式に対し、無酸化直火加
熱方式と呼ばれる方式が知られている。この方式
は鋼帯温度の上昇に応じ各燃焼ゾーンの空気比を
低減させることにより鋼帯の酸化を抑えるという
ものである。 しかし、この方式は無酸化とはいうものの1000
Å以下程度の酸化膜を生じることは避けられず、
直火炉出側のロール等においてロールピツクアツ
プを生じ、製品表面の品質を悪化させてしまうと
いう問題がある。 ［問題を解決するための手段］ 本発明者はこのような従来の問題に鑑み検討を
重ねたものであり、この結果、火炎中に非平衡領
域、すなわち燃焼中間生成物が存在し且つ遊離酸
素が存在しない領域を広く且つ安定して形成し得
る加熱バーナが鋼帯無酸化加熱に極めて有効であ
り、これを加熱炉に所定条件で配置することによ
り鋼置を効率的に無酸化加熱できることを見い出
した。すなわち本発明は、全有効炉長に亘つて複
数の加熱バーナを配置し、これら加熱バーナのう
ち、有効炉長に対し、 γ＝［（T_OUT−T^*）／（T_OUT−T_IN）］ ×100 但し、 T_IN：加熱炉入口鋼帯温度（〓） T_OUT：加熱炉出口鋼帯温度（〓） Ａ（Ｔ）：鋼帯還元速度（Å／sec）

【式】 Ｂ（Ｔ）：鋼帯酸化速度（Å／sec）

【式】 T^*：非還元型加熱バーナ設置領域と還元型加熱
バーナ設置領域との境界部における鋼帯板温
（〓） Ｆ（Ｔ）：加熱速度（〓／sec）［＝dT／dt］ で求められるγ％以上の炉出側炉長部分の加熱バ
ーナを、火炎中に燃焼中間生成物を有し且つ遊離
酸素を有しない非平衡領域を形成し、火炎が鋼帯
に対し略直角にしかもその非平衡領域で鋼帯面に
衝突するよう配設される還元型加熱バーナとし、
残炉長部分の加熱バーナを、非還元型加熱バーナ
としたことをその基本的特徴とする。 本発明では、火炎中に非平衡領域、すなわち燃
焼中間生成物が存在し且つ遊離酸素が存在しない
領域が形成され得る還元型加熱バーナが所定の条
件で用いられる。このような加熱バーナでは、火
炎中ほぼ燃焼反応が完了しCO₂、H₂O、N₂、H₂、
CO等を含む領域、すなわち準平衡領域が酸化性
であるのに対し、中間イオン、ラジカル等を含む
上記非平衡領域は還元性を示し、この火炎を非平
衡領域で鋼帯に衝突させることにより鋼帯を酸化
させることなく加熱することができる。 第３図及び第４図はそのような加熱バーナの一
例を示すもので、円筒形のバーナタイル１の内壁
６に、周方向で間隔をおいて複数の燃焼用空気吐
出孔２を設けるとともに、バーナ内方中心部に燃
料ガス吐出孔３を設け、しかも燃焼用空気吐出孔
２及び燃料ガス吐出孔３を次のような構成とした
ものである。 (イ) 空気吐出孔２の空気供給方向に前記バーナタ
イル内周に関する接線に対して60゜以下の角度
θを付する。 (ロ) 燃料ガス吐出孔３と空気吐出孔２のバーナ軸
方向距離Ｎを、燃料ガス吐出孔が空気吐出孔よ
りもバーナタイル出口側にある場合を（−）、
その逆を（＋）とした場合、−0.1D〜＋0.25D
（Ｄ：バーナ内口径）に設定する。 (ハ) 空気吐出孔２からバーナタイル出口５までの
距離Ｌを0.6D〜3Dとする。 このように構成された加熱バーナは、空気比
1.0以下で使用されることにより、火炎中に所定
の範囲で非平衡領域が形成される。すなわち、こ
のような加熱バーナでは空気吐出孔２からの燃焼
用空気の施回流とバーナ中央から吐出される燃料
ガスとにより急速燃焼が実現され、バーナ出口外
方の所定の範囲に亘つて、燃焼中間生成物を多量
に含み且つ未反応の遊離酸素を含まない領域、す
なわち非平衡領域を形成する。第５図は、このよ
うな加熱バーナによつて形成される火炎中非平衡
領域のイオン検出プローブによる一測定例を示す
もので、プローブによる測定電流値が高いのはイ
オン強度が大きく、したがつて燃焼中間生成物が
多量に存在していることを意味している。これに
よれば、バーナ出口外方の所定の範囲に亘つて非
平衡領域が形成され、その外方はCO₂、H₂O、
N₂等を含む準平衡領域となつている。 第６図はこのような加熱バーナの還元加熱特
性、すなわち、無酸化で加熱し得る限界温度（普
通鋼の薄板に関する限界温度）を示すものであ
り、空気比0.85〜0.95の範囲において鋼帯を約
900℃まで加熱できることが示されている。 また、本発明は以上のような加熱バーナ以外
に、例えば所謂ラジアントカツプバーナを還元型
バーナとして用いることができる。このバーナは
急速燃焼反応を行なわせるため、空気と燃料ガス
とを予め混合した混合気体を、バーナタイルの半
球状凹部で急速燃焼させ、バーナタイル内面を高
温化して、放射伝熱を主として加熱するもので、
被加熱物温度が高温度の領域で高い熱流束が得ら
れる特性を有している。そしてこのバーナで、空
気比を1.0以下で燃焼させることにより、火炎中
に非平衡領域が形成される。 但し、このラジアントバーナは燃焼用空気と燃
料ガスの予混合方式であるため燃焼用空気の予熱
ができないこと、及びこのように空気の予熱がで
きないため無酸化加熱は750℃程度が限度であり、
より高温域での加熱を必要とするような場合には
適用できないこと等の難点がある。この点、第３
図に示すような加熱バーナでは、予熱空気を利用
できることから900℃程度まで無酸化加熱が可能
であり、またこのように予熱空気を利用すること
により火炎温度が高められるため、ラジアントバ
ーナに較べ中間反応生成物による還元作用そのも
のも効果的に向上させることができる。 以上のような還元型加熱バーナは、加熱炉の全
有効炉長に亘つて配置することにより鋼帯を終始
無酸化状態で加熱することが可能であるが、この
種のバーナは一般に使用されている非還元型バー
ナ（拡散型バーナ）に較べ熱容量が小さく、これ
を全有効炉長に亘つて配置する場合、その配置間
隔を密にして多数のバーナを用いなければ必要な
熱量を確保できない。 このようなことから本発明では、加熱炉の出側
の所定範囲にのみ上記還元型加熱バーナを配置
し、残りの炉長部分には従来の非還元型加熱バー
ナを配置する基本的なバーナ配置形態を採り、加
熱炉入側に配置された非還元型加熱バーナによ
り、出側に配置された還元型加熱バーナの熱量不
足を補い、且つ非還元型加熱バーナにより鋼帯表
面に形成された酸化膜を出側の還元型加熱バーナ
により還元し、鋼帯を無酸化状態で加熱炉から送
り出すようにするものである。 そして、本発明では加熱バーナの火炎の還元領
域たる非平衡領域（還元型加熱バーナ）及び酸化
領域たる準平衡領域（非還元型加熱バーナ）にお
ける還元速度Ａ（Ｔ）及び酸化速度Ｂ（Ｔ）を利用
し、酸化膜厚が０となるように、還元型加熱バー
ナの配置範囲を決めるようにしたものである。す
なわち、直火炉内での鋼帯酸化量は鋼帯の上記両
領域との接触時間によつて決まる。一方、本発明
者らが検得したところによれば、上記非平衡領域
の還元速度Ａ（Ｔ）及び準平衡領域の酸化速度Ｂ
（Ｔ）は下式により求め得ることが判つた。この
各速度は低位発熱量2000Kcal／Ｎm³以上の燃焼
ガスに適用できるものである。 但し、Ｔ：鋼帯温度（〓） したがつて、炉長方向において非還元型加熱バ
ーナ設置領域と還元型加熱バーナ設置領域との境
界部におおける鋼帯板温をT^*とした場合、加熱
炉出口における酸化膜厚は、 但し、 T_IN：加熱炉入口鋼帯温度（〓） T_OUT：加熱炉出口鋼帯温度（〓） Ｆ（Ｔ）：加熱速度（〓／sec）［dT／dt］ で求められる。したがつて、下記(1)式によりこの
酸化膜厚が零となるような境界部鋼帯板温度T^*
を求めることができ、鋼帯は加熱炉全有効炉長範
囲においてほぼ一定の割合で昇温すると考えられ
ることから、上記境界部鋼帯板温T^*により下記
(2)式により、全有効炉長に対する酸化皮膜を零と
するための還元領域、すなわち還元型加熱バーナ
を配置すべき炉長領域の必要割合γ％が求められ
る。 γ＝［（T_OUT−T^*）／（T_OUT−T_IN）］ ×100 …(2) 本発明ではこのようにして算定されたγに基づ
き、還元型加熱バーナを、全有効炉長に対しγ％
以上の炉出側炉長部分に配置し、残炉長部分に非
還元型加熱バーナを配置する。 上記還元型加熱バーナはその火炎が鋼帯（Ｓ）
に対し略直角に、しかもその非平衡領域で鋼帯面
に衝突するよう配置される。加熱炉入側に配置さ
れる非還元型加熱バーナは、還元型加熱バーナの
ような非平衡領域が他の領域と明確に区別される
ような形では形成されず、したがつて火炎が鋼帯
に直接衝突すると鋼帯表面の酸化が著しく、この
ため通常バーナは火炎が鋼帯幅方向と平行に形成
されるよう配置される。これに対し還元型加熱バ
ーナは、バーナ火炎の長手方向中間に形成される
非平衡領域により鋼帯を加熱するために設けられ
るものであり、このため火炎が鋼帯面に対し略直
角に、しかもその非平衡領域で衝突するようバー
ナを配置するものである。 なお、上記第３図及び第４図に示す加熱バーナ
の構成を具体的に説明する。 図において、７はバーナタイル内端壁４に突設
された燃料ガスノズルであり、本実施例ではこの
燃料ガスノズル７の周方向に間隔をおいて燃料ガ
ス吐出孔３が形成されている。 このような加熱バーナにおいて、その空気吐出
孔２に空気供給角θを持たせるのは、バーナタイ
ル内で燃焼用空気に施回流を生じさせるためで、
この旋回流によりバーナ内側に負圧領域が形成さ
れ、この負圧によつてガスが再循環することによ
り燃焼が促進され、もつて適切な非平衡領域を形
成せしめることができる。この空気供給角θは最
大60゜、好ましくは20〜40゜とすることにより空気
流の旋回性が安定して得られる。 燃料ガス吐出孔３と空気吐出孔２のバーナ軸方
向距離Ｎは、これが（−）側にある場合、ガス温
度が高く、しかも燃焼中間生成物も広範囲に高い
分布状態にあるが、反面遊離O₂（未反応O₂）が軸
方向に長く分布する傾向にある。本発明が目的と
する非平衡領域を適切に形成せしめるには、その
遊離O₂のバーナ軸方向残存距離を最小にする必
要があり、その限界を求めると−0.1Dとなる。 Ｎが（＋）側にあれば適正な非平衡領域が形成
されるが、余り大きくなるとバーナタイル内端壁
が1400℃以上に加熱されるため好ましくなく、バ
ーナタイル内端壁のSi Ｃ保護上＋0.25Dが限界と
なる。第７図は、燃料ガス吐出孔３と空気吐出孔
２のバーナ軸方向距離Ｎを−0.25Dとした場合
の、バーナ出口からのバーナ軸方向距離とバーナ
タイル内のガス温度、O₂濃度及びイオン強度と
の各関係を調べたものであり、これによれば、Ｎ
がこのような（−）側にある場合、遊離O₂の軸
方向における残存距離L₀が大きく存在すること
が示されている。 第８図は燃料ガス孔と空気吐出孔のバーナ軸方
向距離Ｎと、遊離O₂の軸方向残存距離L₀との関
係を示すもので、これによればＮが−0.1Dより
も（−）側に大きくなると、L₀が急激に大きく
なつており、このため（−）側では−0.1Dが限
界となる。一方、第９図はＮを＋0.1Dとした場
合の、バーナ出口からのバーナ軸方向距離とO₂
濃度、イオン強度及びガス温度との各関係を調べ
たものである。 この第８図及び第９図によれば、Ｎが（＋）側
であれば、O₂濃度にも問題がなく、バーナ出口
からの距離が0.5D以上のところに適正な非平衡
領域が形成されている。 然しながらＮを（＋）側に大きくすると、バー
ナタイル内端壁４が加熱されるために、第１０図
の距離Ｎとバーナタイル内端壁４の温度Tbとの
関係グラフに示されるように、＋0.25DでTbが
1400℃以上となり、このため内端壁の材質がSi
Ｃであることを考慮し、＋0.25D以下とするのが
耐熱限界上好ましい。以上のことから燃焼ガス吐
出孔と空気吐出孔のバーナ中心軸距離Ｎに関して
は、−0.1D〜0.25Dの範囲とすることが好ましい。 空気吐出孔２からバーナタイル出口５までの距
離Ｌは非平衡領域の形成範囲と密接な関係を有し
ている。すなわちＬが3Dを超えると非平衡領域
がバーナタイル出口直後の部分にした形成されず
好ましくない。一方、Ｌが0.6D未満の場合は火
炎がバーナタイル出口直後で花びら状の火炎とな
りバーナ中心軸上に適正な非平衡領域が安定して
得られない。従つて0.6D〜3.0Dの範囲にＬを定
めることが好ましい。 薄鋼板を連続加熱する場合、バーナタイル出口
５と鋼板との距離を一定以上（通常、100mm程度
以上）とならないと、通板中に、鋼板がバーナに
接触する恐れがある。したがつて、火炎中の非平
衡領域は、バーナ出口側から所定の距離に位置す
る鋼帯通板位置を含むなるべく広い範囲に形成さ
せることが好ましいことになる。第１１図は距離
Ｌとバーナ出口から必平衡領域の末端（反バーナ
側の末端、例えば第９図中のＡ点）までの距離
L_Rとの関係について調べたものである。これに
よれば、Ｌが3Dを越えると非平衡領域の形成は
バーナタイル出口直後のみとなり、それよりも前
方側にほとんど形成されない。Ｌが小さくなるに
したがい非平衡領域の形成範囲は拡大するが、Ｌ
が0.6D未満の領域（Ｘ）では、火炎はバーナタ
イル出口直後で、花びら状の放射状の火炎とな
り、バーナ軸心上に適正な非平衡領域が安定して
形成されない。以上のことから、空気吐出孔２か
らバーナタイル出口５までの距離Ｌは0.6D〜
3.0Dの範囲とすることが望ましい。 なお、以上のような加熱バーナの構造におい
て、燃焼用空気吐出孔２から吐出される空気の旋
回流が強過ぎるとバーナ出側の燃焼ガスのバーナ
径方向での温度分布が不均一になり、この結果、
安定した広範囲の非平衡領域が形成されにくくな
るような場合がある。このような場合には、空気
旋回流を緩和して温度分布の均一化を図るため、
燃料ガス吐出孔３を、その噴射方向が燃料ノズル
外周に関する接線に対して非直角で、しかもこれ
による燃料ガス流が燃焼用空気吐出孔２からの空
気流と逆向きの旋回流、すなわち空気旋回流と逆
向きから衝突するような旋回流となるよう形成す
る構造、或いは、燃料ガス吐出孔３を、その噴射
方向がバーナ軸線方向またはバーナ軸線方向に対
して傾斜した方向となるようにする構造、さらに
は空気吐出孔２にバーナタイル径方向に対しバー
ナ開口方向への傾斜角（ねじれ角）を付与するよ
うな構造等を単独または、それぞれを組み合せた
形で採用することができる。 またバーナによる加熱面積を拡大するため、バ
ーナタイル１の少なくとも燃焼用空気吐出孔形成
部位より先端開口側の内壁に、バーナ内口径が先
端開口側に拡径するような広がり角を付した構
造、さらには空気吐出孔２の形成を容易にするた
め、筒状バーナタイルの壁体内に、バーナ周方向
に沿つた燃焼用空気の旋回流路を設け、該旋回流
路をバーナ内部と連通させる複数の燃焼用空気吐
出孔を設けた構造等も採用することができる。 ［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すもので、８は
予熱炉、８は本発明の直火加熱炉、１０は間接加
熱式加熱均熱炉である。 本実施例では、加熱炉の全有効炉長に配される
加熱バーナを＃１〜＃６の６つの群に分け、入側
の＃１〜＃４の加熱バーナ群を非還元型加熱バー
ナとし、出側の＃５〜＃６の加熱バーナ群を第３
図及び第４図に示すような還元型加熱バーナとし
ている。本実施例では、加熱バーナによる還元加
熱領域は全炉長の24％以上必要であり、このため
＃１〜＃６の加熱バーナ群に対し＃５〜＃６（全
有効炉長の約30％の範囲）に還元型加熱バーナを
配したものである。 第２図はこのような設備における酸化膜生成挙
動及び鋼帯温度の推移を示しており、非還元型加
熱バーナが配置された領域（弱酸化加熱領域）に
おいて生成された酸化膜は、続く還元型加熱ババ
ーナが配置された領域（還元加熱領域）において
原板ベースの酸化膜厚まで還元され、略無酸化状
態で加熱炉から送り出されていることが判る。 ［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、鋼帯を無酸化加熱
することができ、後続の均熱炉内の炉内ロールで
のロールピツクアツプを防止し優れた表面品質の
製品を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明図であ
る。第２図は第１図に示す加熱炉における酸化膜
生成挙動及び鋼帯温度の推移を示すものである。
第３図及び第４図は本発明の加熱炉に適用すべき
加熱バーナの一例を示すもので、第３図は縦断面
図、第４図は第３図中−線に沿う断面図であ
る。第５図は第３図及び第４図に示す加熱バーナ
における非平衡領域形成範囲の一測定例を示すも
のである。第６図は同じく加熱バーナの還元加熱
特性を示すものである。第７図ないし第１１図は
第３図及び第４図に示す加熱バーナの特性を示す
もので、第７図は燃料ガス吐出孔と空気吐出孔と
のバーナ軸方向における距離Ｎを−0.25Dとした
場合のバーナ出口からの距離とガス温度、O₂濃
度イオン強度との関係、第８図は燃料ガス吐出孔
と空気吐出孔のバーナ軸方向における距離Ｎと遊
離O₂のバーナ軸方向残存距離L₀との関係、第９
図は距離Ｎを＋0.1Dとした場合のバーナ出口か
らの距離Ｌとガス温度O₂濃度、イオン強度との
関係、第１０図は燃料ガス吐出孔と空気吐出孔の
距離Ｎとバーナタイル後壁温度Tbとの関係、第
１１図は空気吐出孔からバーナ出口までの距離Ｌ
と非平衡領域の末端までの距離L_Rとの関係を各
示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 全有効炉長に亘つて複数の加熱バーナを配置
   し、これら加熱バーナのうち、有効炉長に対し、 γ＝［（T_OUT−T^*）／（T_OUT−T_IN）］ ×100 但し、 T_IN：加熱炉入口鋼帯温度（〓） T_OUT：加熱炉出口鋼帯温度（〓） Ａ（Ｔ）：鋼帯還元速度（Å／sec）
   【式】 T^*：非還元型加熱バーナ設置領域と還元型加熱
   バーナ設置領域との境界部における鋼帯板温
   （〓） Ｂ（Ｔ）：鋼帯酸化速度（Å／sec）
   【式】 Ｆ（Ｔ）：加熱速度（〓／sec）［＝dT／dt］ で求められるγ％以上の炉出側炉長部分の加熱バ
   ーナを、火炎中に燃焼中間生成物を有し且つ遊離
   酸素を有しない非平衡領域を形成し、火炎が鋼帯
   に対し略直角にしかもその非平衡領域で鋼帯面に
   衝突するよう配設される還元型加熱バーナとし、
   残炉長部分の加熱バーナを、非還元型加熱バーナ
   としたことを特徴とする鋼帯の連続焼鈍設備にお
   ける直火式加熱炉。