JPH0979755A - 溶解炉の燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶解炉内の燃焼ガスと被溶解原材料間の化学
反応を有効利用して熱効率を上げ、溶解時間を短縮する
燃焼制御方法を求めること。 【解決手段】 鉄原材料材及び成分調整材を予め装入し
て燃料ガス及び酸素ガスバーナー燃焼にて加熱溶解する
溶解炉において、加熱バーナーの燃焼を、炉内あるいは
排ガス中の一酸化炭素濃度を検出し、一酸化炭素濃度が
零あるいは極小となるように、バーナーの上流側に接続
されている燃料ガスあるいは酸素ガスバルブの開度を制
御するバーナーの燃焼制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶解炉における燃焼
制御方法に関するものであり、特に酸素ガスと燃料ガス
を炉内で燃焼し、その燃焼熱にて炉内に装入した被溶解
原材料を加熱溶解する回転溶解炉の燃焼制御方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、溶解炉として、エネルギー効率向
上、排ガスの問題、原材料の制約低減の観点からプロパ
ン等の流体燃料を純酸素で燃焼する回転溶解炉の導入が
進みつつある。この回転溶解炉におけるバーナーの燃焼
調整方法として、原材料を装入したのち、溶湯が目標の
成分範囲と出湯温度となるように、バーナーに接続され
ている燃料ガス又は酸素ガスバルブの開度を調節するこ
とが行なわれている。鋳鉄用溶湯の場合、従来は装入す
る被溶解原材料、すなわち鉄原材料及び副資材の配合割
合から、操業を通じて経験的に得た流量となるように燃
料ガスと酸素ガスの各バルブ開度を調整していた。ここ
で副資材とは、溶湯の成分および炉内雰囲気を調整する
ために鉄原材料と共に装入するものである。燃料ガスと
酸素ガスの各流量の調整は、全溶解過程を通じて一定と
する場合もあれば、変化させる場合もあるが、変化させ
ても数段階であり、予め定めた状態にステップ的に変化
させるものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図３に本発明の対象で
ある回転溶解炉における、装入鉄原材料および副資材全
体に含まれていたＦｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ各成分の重量
と、溶解完了後の溶湯内に残ったこれら成分ならびに損
失した重量の例を示す。図３にてＣの装入重量２１ｋｇ
は、鉄原材料に含まれているＣ成分量８ｋｇと、副資材
の一つである加炭材に含まれているＣ成分量１３ｋｇか
ら成っている。そして溶解の結果、溶湯に含まれていた
Ｃは７ｋｇであり、残り１４ｋｇが損失したことを示し
ている。図３から明らかなように、本発明の対象である
回転溶解炉では、特にＣの損失割合が大きく、前述した
ようにほぼ装入した加炭材の全量に匹敵する重量が損失
する。関連する化学反応については後で詳述するが、損
失分は一酸化炭素あるいは二酸化炭素として排出され、
関連反応の吸熱量と発熱量が溶解効率に大きな影響を与
える。したがって、この加炭材の反応を考慮して燃料ガ
ス又は酸素ガスの流量を調整し、バーナーの燃焼を調整
する必要がある。しかし、反応形態と反応速度は温度や
炉内雰囲気ガスの組成で大きく変化するため、従来の燃
焼調整方法では、次のような問題点があった。 基準の燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素ガス
の流量と、実際に供給する酸素ガスの流量比（以下混合
比と称する）が１．０以下の酸素が不足する雰囲気で
は、加炭材は燃焼ガス成分の二酸化炭素および水蒸気と
吸熱反応するため熱効率が低下し、溶解時間が長くな
る。 逆に、ただ単に混合比を高めて酸素を過剰に与える
と、酸素の一部は反応することなく無駄に加温されて排
出されてしまい、その分熱損失となる。また、被溶解原
材料の酸化損失が増え、被溶解原材料の歩留まりが低下
する。 そこで、本発明は酸素不足による熱効率の低下、あるい
は酸素過多からくる同じく熱効率の低下と被溶解原材料
の酸化損失を極力少なくする溶解炉の燃焼制御方法を提
供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、鉄原材料材及
び成分調整材を予め装入して燃料ガス及び酸素ガスで燃
焼して加熱溶解する溶解炉の燃焼制御方法において、燃
焼により発生する一酸化炭素濃度を検出し、前記一酸化
炭素濃度が極小となるように、燃料ガスあるいは酸素ガ
スの少なくとも一方の供給量を制御することを特徴とす
る。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施例を詳説する。図１は、本発明の実施に係る溶解炉の
横断面とガスバーナーの燃焼制御系を示しており、この
溶解炉は各種鋳鉄溶湯の製造に用いられる。図１に示し
た溶解炉は円筒状胴部１及びその両端に連設された円錐
状部２、３を有する炉体５と、酸素で流体燃料を燃焼さ
せて炉体５内に装入された被溶解原材料を溶解させるバ
ーナー６と、燃焼排ガスを外部に逃がす煙突状排気路７
と、炉体５内に被溶解原材料８等を装入する投入機（図
示せず）を備えている。バーナー燃料は、本実施例では
プロパンと酸素であるが、プロパンの代わりにメタン、
ブタン、灯油でも良い。

【０００６】炉体５の一端開口部９は、バーナー取付口
となり、炉体５の他端開口部１０は、被溶解原材料８の
装入口、排ガス出口となる。１１は、炉体５の円錐状部
３に設けられた出湯孔であり、出湯時以外は閉栓されて
いる。排ガス出口には、一酸化炭素濃度検出端子１５が
挿入されている。また、炉体壁面には温度検出端子１６
が埋め込まれており、後述する燃焼制御装置２０と信号
線１７、１８で接続されている。

【０００７】ここでは、バーナー６としては、中央に燃
料吹き込み口を有し、外周に酸素供給口を設けた構造の
ものを使用している。バーナー６の上流側に燃料及び酸
素の供給系統が接続されており、各々酸素供給系統の酸
素用バルブ３０と燃料供給系統の燃料用バルブ３１とが
接続されている。酸素用バルブ３０の上流側には酸素供
給源３２が、燃料用バルブ３１の上流側には燃料供給源
３３が接続されている。そして酸素用バルブ３０、燃料
用バルブ３１には各々流量制御バルブ調整器３４、３５
が接続されており、各流量制御バルブ調整器には燃焼制
御装置２０からの流量指示信号線３６、３７が接続され
ている。

【０００８】流量制御バルブ調整器３４、３５は、燃焼
制御装置２０からの流量指令値に対し、各流量検出器３
８、３９で酸素配管４０と燃料ガス配管４１内の実際の
流量値をフィードバックし、酸素用バルブ３０及び燃料
用バルブ３１の開度を制御している。そして、かかる開
度の制御によって、バーナー６へ供給する酸素量及び燃
料ガス量を高精度に制御し、ひいては炉内のバーナーの
燃焼発熱量と燃焼ガス組成を制御しているのである。燃
焼制御装置２０は、燃焼制御に必要なパラメータ設定
や、溶解炉の操業モード切り換えを行うためのスイッチ
類およびディスプレイを有している。

【０００９】次に本発明の燃焼制御で鋳鉄用溶湯を得る
溶解工程について説明する。最初に所定量の鋳鉄や鋼屑
等の鉄原材料及び副資材を炉体５内に装入する。例えば
３トン溶解では、配合比が鋳鉄６０％、鋼屑３０％、銑
鉄１０％の鉄原材料が３トン、副資材として加炭材１６
０ｋｇ、加珪材３５ｋｇ、加Ｍｎ材５ｋｇ、加硫材２．
４ｋｇが装入される。そして炉体５の一端の開口部９に
バーナー６をセットして点火し、溶解を開始する。

【００１０】鉄原材料はバーナー６で加熱された耐火材
１２からの伝熱と輻射熱、バーナー火炎からの輻射熱で
加熱されることにより溶解する。基本的なバーナー発熱
量の設定は、燃料ガスの流量パターンを与えることで行
う。

【００１１】バーナー燃焼制御では以下に述べるよう
に、一酸化炭素濃度が極小となるように混合比を制御す
る。燃料ガスがプロパンでは、混合比が１．０の完全燃
焼の場合、燃料ガスと酸素ガスの反応は数１で表され
る。

【数１】Ｃ3Ｈ8＋５Ｏ2＝３ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏ［＋Ｑ１］ ここで［ ］内は反応熱を示し、＋は発熱反応、−は吸
熱反応であることを示す。また、3のような半角アンダ
ーラインの文字は下付き文字であることを示す。

【００１２】一方、本発明の対象である回転溶解炉の場
合、燃焼ガスすなわちＣＯ2およびＨ2Ｏと、図３で示し
た副資材の１つである加炭材との間で数２〜３で示す反
応が活発に起こる。

【数２】Ｃ＋ＣＯ2＝２ＣＯ［−Ｑ２］

【数３】Ｃ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ2［−Ｑ３］ 数２、数３の反応は吸熱反応である。すなわち、周囲か
ら熱を奪うため、熱効率を低下させるように作用する。

【００１３】ここで、混合比が１．０以下の酸素不足の
場合は、一部のＣ3Ｈ8が未反応となるため、燃料ガス燃
焼の全発熱量が少なくなり、併せて燃焼ガスと加炭材が
数２、数３の吸熱反応を起こすため、さらに熱効率が低
下し、溶解時間が長くなる。

【００１４】一方、混合比を１．０以上にすると、燃料
ガスとの燃焼反応で残った余剰酸素が炉内に混流するよ
うになる。この酸素が加炭材に達すると、加炭材表面で
は前記数２、数３の反応と同時に数４に示す発熱反応が
起こるようになる。

【数４】２Ｃ＋Ｏ2＝２ＣＯ［＋Ｑ４］ さらに、高温状態の炉内では数２〜数４で発生したＣ
Ｏ、Ｈ2と酸素との間で数５、数６の発熱反応が起こ
る。

【数５】２ＣＯ＋Ｏ2＝２ＣＯ2［＋Ｑ５］

【数６】２Ｈ2＋Ｏ2＝２Ｈ2Ｏ［＋Ｑ６］

【００１５】前記数５にてＣＯがＯ2と反応してＣＯ2に
変化するときに発生する熱量Ｑ５は、数２の反応で同一
モル容積のＣＯが生成される際に吸収する熱量Ｑ２より
も大きい。また、数６にてＨ2がＨ2Ｏに変化するときに
発生する熱量Ｑ６は、数３の反応で同一モル容積のＨ2
が生成される際に吸収する熱量Ｑ３よりも大きい。した
がって、燃料ガスと酸素ガスの混合比を１．０より大き
くした場合、加炭材表面では数４の発熱反応を促し、さ
らに数２、数３、数４の反応で生成されるＣＯとＨ2が
酸素と反応し、数５、数６の発熱反応を積極的に起こ
す。

【００１６】しかし、バーナー６から反応に必要以上の
酸素を供給することは、無駄に排出される酸素の加熱に
熱を消費することになるため、混合比を高め過ぎても熱
効率は低下する。また、被溶解原材料の余分な酸化反応
が発生するため、被溶解原材料の歩留が低下することに
もなる。すなわち、炉内の状況に応じて燃料ガスと酸素
ガスの最適な混合比が存在する。数６において酸素と発
熱反応するＨ2の発生は、数３から明らかなようにＣＯ
の発生と連接しており、しかも数５、数６の反応速度は
ほぼ同一である。したがって、数２、３、４で発生した
ＣＯ及びＨ2を全て数５、６の反応で消費するように酸
素を供給すれば良い。即ち、炉内のＣＯの濃度を検出
し、理想的にはＣＯ濃度が０となるようにバーナーへの
酸素供給量を調整すればよい。

【００１７】図１に示すように、溶解炉の構造上、被溶
解原材料は回転炉の底側に偏在している。そのため、炉
底側にある加炭材から化学反応の結果発生してくるＣＯ
とＨ2を、燃焼炎が炉回転軸方向となるバーナーから供
給される酸素と完全に反応させることは難しい。そのた
め、本実施例ではＣＯ濃度が極小となるように制御する
方法を採っている。

【００１８】次に、ＣＯ濃度を検出してＣＯ濃度を極小
となるようにする酸素流量制御方法について、図２のフ
ローチャートを用いて説明する。まず開始にあたり、燃
焼制御装置２０に対し、ＣＯが検出された場合に数５、
数６の反応を起こすために増加させる酸素流量を予めａ
と設定して入力、記憶させる。自動燃焼制御をスタート
させると、燃焼制御装置２０はＣＯ濃度検出端子１５か
らのＣＯ濃度値を取り込み、ＣＯ濃度がゼロか判定する
（ステップ１０１）。ゼロでなければ、現在出力中の酸
素流量値に規定値ａだけ増加した値を新たな酸素流量値
として酸素流量制御バルブ調整器３４に出力する（ステ
ップ１０２）。ＣＯ濃度がゼロであれば、制御周期Ｔｓ
カウントする計数処理１０６にジャンプする。

【００１９】酸素流量値を変更した場合は、Ｔｓだけタ
イムカウントし（ステップ１０３）、再度ＣＯ濃度を検
出し、ＣＯ濃度の変化を調べる（ステップ１０４）。検
出の結果、ＣＯ濃度が減少していなければ極小点をこえ
ていたと判断して酸素流量値を２ａだけ減少する（ステ
ップ１０５）。つまり、数５、数６の反応に必要以上の
酸素を供給している状態とみなして酸素流量を減少さ
せ、次回のＣＯ濃度検出に備えて操作結果が安定するに
必要なＴｓだけタイムカウントする（ステップ１０
６）。一方ＣＯ濃度が減少していれば極小点はまだ先に
あると判断できるので、そのまま最初の処理に戻る。以
上説明した処理を、温度検出端子１６で検出される溶湯
温度が出湯可能な温度、例えば１５２０℃になるまで繰
り返す。

【００２０】タイムカウント値Ｔｓは、対象溶解炉に合
わせて例えばＴｓ＝１ｍｉｎなどとし、酸素用バルブ３
０からの酸素流量が、燃焼制御装置２０が酸素流量制御
バルブ調整器３４に与えた流量値に達し、かつＣＯ濃度
検出端子１５にＣＯ濃度制御の操作結果の反映された流
体が届く時間にする。

【００２１】次に、溶湯の一部を取り出して成分分析を
行ない、必要に応じて成分調整を行なう。そして、温度
と成分が満足されればバーナー６を停止し、出湯口１１
を開栓して出湯する。以上のようにＣＯ濃度を検出して
酸素ガスの流量を制御することにより、装入鉄原材料お
よび副資材に組成の変動があっても、炉内の複雑な化学
反応状態に合わせて最大の熱効率を実現できるバーナー
の燃焼制御ができる。

【００２２】なお、実施例ではＣＯ濃度が検出された場
合の酸素流量の規定値をａで固定して説明したが、収束
時間を短縮するため、ＣＯ濃度に応じて規定値を変化さ
せても良い。また、本実施例では制御する酸素ガスはバ
ーナーに供給しているもので説明したが、別に制御酸素
供給経路を設けてもよい。また、燃料ガス流量、あるい
は酸素ガスと燃料ガス両方を制御することもできる。さ
らに、一酸化炭素濃度は炉内のものを検出してもよい。
以上、鋳鉄溶湯を得る溶解炉の熱効率を高める燃焼制御
方法について説明した。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、副資材の加炭材が燃料
ガスの燃焼の結果発生する二酸化炭素、水蒸気と吸熱反
応しても、その結果発生する一酸化炭素及び水素と、酸
素の発熱反応を最大効率で行わせるため、総合的な熱効
率を高めることができる。その結果、溶解時間が短縮
し、原材料の余分な酸化が防止され歩留が向上する。ま
た、排ガスの一酸化炭素濃度を極めて減少させることが
できるため、環境面で有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を略示する鋳鉄用溶解炉の横
断面と燃焼制御装置の系統図

【図２】本発明の燃焼制御方法を説明するためのフロー
チャート

【図３】本発明対象の回転溶解炉での装入成分、溶湯成
分、および損失成分の重量例

【符号の説明】

５…溶解炉本体 ６…バーナー １５…一酸化炭素濃度検出端子 ２０…燃焼制御装置 ３０…酸素用バルブ ３１…燃料用バルブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄原材料材及び成分調整材を予め装入し
   て燃料ガス及び酸素ガスで燃焼して加熱溶解する溶解炉
   の燃焼制御方法において、燃焼により発生する一酸化炭
   素濃度を検出し、前記一酸化炭素濃度が極小となるよう
   に、燃料ガスあるいは酸素ガスの少なくとも一方の供給
   量を制御することを特徴とする溶解炉の燃焼制御方法。