JPH0368932B2

JPH0368932B2 -

Info

Publication number: JPH0368932B2
Application number: JP19260485A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Fukuda; Masahiro Abe; Shiro Fukunaka; Michio Nakayama
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1985-08-31
Filing date: 1985-08-31
Publication date: 1991-10-30
Also published as: JPS6254031A

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例え
ば特公昭59−29651号の如き方法でも1000Å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
題点がある。

［問題を解決するための手段及び実施例］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（中間イオン、ラジ
カル等）が存在し且つ未反応酸素が存在しない領
域を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
することにより鋼帯を無酸化加熱できることを見
い出した。すなわち本発明は、燃焼中間生成物を
有し且つ未反応酸素を有しない非平衡領域を火炎
中に形成し、火炎を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
る加熱バーナを、ライン方向で（バーナ内径）／
（バーナピツチ）が0.3以上となるよう間隔的に配
置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未反応酸素（酸素イオ
ン、酸素ラジカル）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、この火炎を鋼帯に対し略直角
に、しかも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
用空気の旋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、その外方はほぼ反応を完了
した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。

本発明では、このような加熱バーナをライン方
向で（バーナ内径）／（バーナピツチ）が0.3以
上となよう間隔的に配置する。上記したような加
熱バーナは、その火炎中の非平衡領域により鋼帯
表面で無酸化・還元状態で加熱し得ることは上述
した通りである。しかし、本発明者等が検討した
ところによれば、加熱バーナをライン方向でまば
らに配置したのではバーナ間に存在する燃焼ガス
（準平衡ガス）により鋼帯が酸化されてしまうこ
とが判つた。そこで本発明者等は、加熱バーナの
火炎によつて還元され、且つ加熱バーナ間の燃焼
ガスによつて酸化される鋼帯が、全体として還元
状態を維持するための条件を加熱バーナの内径と
ライン方向での加熱バーナピツチとの関係で検討
した。まず、加熱バーナの火炎における非平衡領
域と直面している鋼帯の還元速度Ａ（Ｔ）と、加
熱バーナ間の酸化性燃焼ガスに直面している鋼帯
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（K°）そして、加熱バーナの内径をｄ、ライン方向で
加熱バーナのピツチＰ、γ＝ｄ／ｐとすると、ラ
イン方向で間隔に配置される加熱バーナによつて
加熱される鋼帯が、還元状態を維持するために
は、下式が成立する必要がある。

γ・Ａ（Ｔ）−（１−γ）・Ｂ（Ｔ）０ ……(1) ここで、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ）は温度の関係である
が、これに基づき(1)式を解くと、下記の通りＢ
（Ｔ）／（Ａ（Ｔ）＋Ｂ（Ｔ））は０〜1000℃の温度
範囲においてほぼ0.3となる。

γＢ（Ｔ）／Ａ（Ｔ）＋Ｂ（Ｔ）≒0.3 第１図及び第２図は本発明加熱炉における加熱
バーナ(a)の配置例を示すもので、第１図は千鳥配
列、第２図は並列配列の場合を示している。そし
ていずれの場合にも、加熱バーナ(a)は、そのバー
ナ内径ｄとライン方向におけるバーナピツチｐと
の比ｄ／ｐが0.3以上となるよう配置される。

なお、本発明で用いられる還元型加熱バーナ
は、その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に配置され
る。従来の直火加熱炉、例えばNOF等に用いら
れる加熱バーナでは、上記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
形成されない。従つて、目視しうる火炎が鋼帯に
直接接触すると、鋼帯表面が著しく酸化される。
この為に、一般的には、火炎が直接鋼帯に触れな
いように、火炎が鋼帯幅方向と平行に形成される
ように配置されている。これに対し本発明で用い
る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旋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、この
未反応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い、バ
ーナタイル内端壁のSiCの保護上＋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、未反応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、未反応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SiC
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か形成されず
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
とバーナ出口から非平衡領域の末端（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
には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、
燃焼ガス吐出孔３を、その噴射方向が燃焼ノズル
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。

［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、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図及び第２図はそれぞれ本発明加熱炉にお
ける加熱バーナの配列例を示す説明図である。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と未
反応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濃度及びイオン強
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。図において、Ａは加熱バーナを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

１燃焼中間生成物を有し且つ未反応酸素を有し
ない非平衡領域を火炎中に形成し、火炎を鋼帯に
対し略直角に、しかもその非平衡領域が鋼帯面に
衝突するよう配設される加熱バーナを、ライン方
向で（バーナ内径）／（バーナピツチ）が0.3以
上となるよう間隔的に配置してなる鋼帯の連続焼
鈍設備における直火加熱炉。