JPS644091B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、鋼材、連続焼鈍炉（CAL）、連続溶
融亜鉛メツキ設備（CGL）等の薄鋼板の連続加
熱炉（直火加熱方式）において用いられる直火還
元加熱バーナに関するものである。

［従来の技術］ 鋼帯の連続焼鈍炉、連続溶融亜鉛メツキ設備等
における直火式無酸化加熱の従来方法としては、
一般的な拡散バーナ或いは高速ジエツトバーナを
使用し、火炎を鋼帯へ衝突させ対流伝熱を主とし
て加熱する方法及びラジアントカツプバーナを使
用、バーナタイル内面を高温化することにより、
この面からの放射伝熱を主体として加熱する方法
がある。

高速ジエツトバーナは、第１６図に示す如く、
燃焼室８で燃焼させ、絞られた吐出孔９から高温
のガスジエツトを噴出せしめて、対流伝熱を主と
して加熱するもので、被加熱物温度が比較的低い
範囲で高熱流束が得られる特性を有している。一
方燃焼反応途中の火炎が鋼帯に直接衝突するの
で、その中に存在するO₂，Ｏ，OH等により、無
酸化と言えども微酸化は避けられない。

一方ラジアントカツプバーナは、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、第１７図に示す如く、バーナタ
イルの半球状凹部１０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。一方このバ
ーナで、空気比を1.0以下で燃焼させることによ
り、燃焼ガス中にCO，H₂等の還元性の未燃成分
が含まれるので、この燃料ガスが鋼帯に接して無
酸化加熱することができるのは勿論、鋼帯に生じ
た酸化膜を還元することができる。

このようにラジアントバーナは無酸化加熱に好
適なバーナであるが、このバーナは予混合方式で
あり、高温に予熱した空気を燃料ガスに予め混合
することは危険であるため燃焼用空気の予熱がで
きないという欠点がある。このため空気予熱によ
る排ガスの顕熱回収を行なうことができないの
で、省エネルギのための排ガス顕熱回収に別途の
手段を講じなければならない。また空気を予熱す
ることは火炎温度を高めるのに有効であり、一方
火炎温度を高めることは上述のCO，H₂等による
還元作用に効果的である。従つて空気予熱ができ
ないことは無酸化加熱の観点からも好ましいもの
ではない。更に予備混合器、安全装置としての逆
火防止器等が不可欠となり、設備費が高くなる問
題がある。

加えて、この種のバーナは燃焼用空気の予熱が
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
には適用できない欠点もある。

本発明はこのような従来の問題に鑑みなされた
もので、予熱空気を用いることができ、しかも鋼
材を無酸化・還元状態で加熱することができる直
火還元加熱バーナを提供せんとするものである。

［問題を解決するための手段］ このため本発明は、先端が開口した筒状バーナ
タイルの内壁周方向に間隔をおいて複数の燃焼用
空気吐出孔を設けるとともに、バーナタイル内方
中心部に、周方向に間隔をおいて複数の燃料ガス
吐出孔が設けられた燃料ガスノズルを突設し、且
つ燃焼用空気吐出孔及び燃焼ガス吐出孔を以下の
ように構成したことをその基本的特徴とする。

(a) 燃焼用空気吐出孔を、その空気噴射方向がバ
ーナタイル内周に関する接線に対し60゜以下の
角度をもつよう形成する。

(b) 燃料ガス吐出孔を、その燃料ガス噴射方向が
燃料ガスノズル外周に関する接線に対し非直角
で、しかもこれによる燃料ガス流が燃焼用空気
吐出孔からの空気流と逆向きの旋回流となるよ
う形成する。

(c) 燃料ガス吐出孔と燃焼用空気吐出孔のバーナ
軸方向距離Ｎを燃料ガス吐出孔が燃焼用空気吐
出孔よりもバーナタイル開口側にある場合を
（−）、その逆を（＋）とした場合、−0.1D〜＋
0.25D（Ｄ：バーナ内径）に設定する。

(d) 燃焼用空気吐出孔からバーナタイル開口まで
の距離Ｌを0.6D〜3D（Ｄ：バーナ内径）に設定
する。

［作用］ 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、バーナ開口外
方の所定の範囲に亘つて、燃焼中間生成物（中間
イオン、ラジカル等）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
広範囲にしかも安定して形成する。第８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、バーナ出口に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９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、このように本発明の加熱バーナは空気比0.85
〜0.95の範囲において鋼帯を約900℃まで無酸化
加熱できるものである。

［実施例］ 第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すも
のである。

図において１はバーナ本体たる筒状（円筒状）
のバーナタイルであり、該バーナタイル内壁６の
周方向には間隔をおいて複数の燃焼用空気吐出孔
２が設けられるとともに、バーナタイル内端壁４
の中央に燃料ガスノズル７が突設され、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。

そして、このような構成において、燃焼用空気
吐出孔２と燃料ガス吐出孔３は以下のように構成
されている。

(a) 燃焼用空気吐出孔２を、空気噴射方向がバー
ナタイル内周に関する接線に対し60゜以下の角
度θを持つよう形成する。

(b) 燃料ガス吐出孔３を、その燃料ガス噴射方向
が燃料ガスノズル外周に関する接線に対し非直
角で、しかもこれによる燃料ガス流が燃焼用空
気吐出孔３からの空気流と逆向きの旋回流とな
るよう形成する。

(c) 燃料ガス吐出孔３と燃焼用空気吐出孔２のバ
ーナ軸方向距離Ｎを燃料ガス吐出孔３が燃焼用
空気吐出孔２よりもバーナタイル開口側にある
場合を（−）、その逆を（＋）とした場合、−
0.1D〜＋0.25D（Ｄ：バーナ内径）に設定する。

(d) 燃焼用空気吐出孔２からバーナタイル開口５
までの距離Ｌを0.6D〜3D（Ｄ：バーナ内径）に
設定する。

以上、上記(a)〜(d)の内容について詳細に説明す
る。

前記空気吐出孔２の空気噴射方向に、バーナタ
イル内周に関する接線に対し角度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
気噴射角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。

このような燃焼用空気吐出孔３に対し、燃料ガ
スノズル７の周方向に設けられる燃料ガス吐出孔
３は、第７図ｂに示すように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。燃料ガス吐出孔３をこのような構成
とするのは、第７図ａに示すように燃焼用空気の
噴射方向に角度θを付し、燃料ガスを単にバーナ
径方向に沿つて噴射させた場合、バーナ開口（出
口）から出た火炎の温度分布が不均一になり、こ
の結果還元特性・加熱特性ともにこの温度分布に
応じた偏差を生じ易いためであり、空気旋回流に
対し、燃料ガスに逆向きの旋回流を形成させるこ
とにより、このような偏差を適切に解消できる。

前述したように本発明の加熱バーナは空気噴射
方向に角度θを付することによりバーナタイル内
で燃焼用空気の旋回流を生じさせ、これにより急
速燃焼を実現させ、中間反応生成物を含む還元領
域を形成させるものである。しかし本発明者等が
検討したところによれば、燃焼用空気の噴射方向
に角度を付しただけの場合、空気流の旋回力が強
過ぎて火炎中に強力な負圧領域を生じ、この結
果、火炎温度分布に偏差を生じ易いことが判つ
た。そこで本発明では、空気旋回流に対し逆向き
の燃料ガス旋回流を積極的に形成させることによ
り、空気流の径方向での旋回力を弱め、火炎温度
分布の平坦化を図るものである。

第１０図は第７図ｂに示す本発明の加熱バーナ
と、第７図ａに示す比較用のバーナとのバーナ径
方向ガス温度分布の一例を示すものである。図
中、鎖線イは本発明例、実線ロは比較例をそれぞ
れ示すものであるが、これからも明らかなよう
に、比較例のバーナではバーナ中心部において負
圧によるものとみられる温度の大幅な落み込みが
あるのに対し、本発明のバーナではこのような温
度の落ち込みが改善され径方向において比較的均
一な温度分布が得られている。

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
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SiCの保護上＋0.25Dが限界
となる。第１１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、バーナ開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１２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１３図はＮを＋0.1Dとし
た場合の、バーナ開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１２図及び第１３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１４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からバーナタイル開口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
がバーナタイル開口直後の部分にしか形成されず
好しくない。一方、Ｌが0.6D未満の場合は火炎
がバーナタイル開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、バーナタイル開口
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、バーナ開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
ることが好しいことになる。第１５図は距離Ｌと
バーナ開口から非平衡領域の末端（反バーナ側の
末端、例えば第１３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
ナタイル開口直後のみとなり、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
ル開口直後で、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
ーナタイル開口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。

本発明では、以上のような構成において、燃焼
用空気吐出孔２の空気噴射方向及び、燃料ガス吐
出孔３の燃料ガス噴射方向にそれぞれ、上記傾斜
角に加え、バーナタイル径方向に対しバーナ開口
側への傾斜角を付することができ、これにより空
気旋回流をより緩和させ燃焼ガス温度分布の平坦
化を図ることができる。

第３図と、第４図及び第５図はそのような構造
の一例を示すもので、これらのうち第３図は空気
吐出孔２の噴射方向バーナ開口側への傾斜角α₁を
付したものである。また第４図及び第５図は燃料
ガス吐出孔３の噴射方向にバーナ開口側への傾斜
角を付したものである。なお、これら両構造を組
み合せた構成を採り得ることは言うまでもない。

また、第６図は他の実施例を示すものである。
この実施例は、バーナタイル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α₂を付したものであり、このように広がり角α₂
を付することにより、バーナ開口からの火炎が広
がりを持ち、鋼板等に対する加熱面積を広くとる
ことができる。なお、この広がり角α₂は、これを
大きくしていくと循環領域（負圧域）がバーナの
外方に形成されるようになり、安定した急速燃焼
を行い得なくなるものであり、安定した非平衡領
域を形成させるためには、25゜以下の範囲とする
ことが好しい。

［発明の効果］ 以上述べた本発明の加熱バーナによれば、火炎
中に均一な温度分布でしかも強力な還元力を有す
る領域を安定して形成させ、鋼材を無酸化・還元
状態で適切に加熱することができる。また燃焼用
空気と燃料ガスの予混合を必要としないため燃焼
用空気として予熱空気を使用でき、排ガスの顕熱
を有効に利用して経済的な加熱炉操業を可能なら
しめる。さらに、予熱空気を利用できることか
ら、従来のラジアントバーナの無酸化加熱限界が
750℃程度であるのに対し、900℃程度まで無酸化
加熱が可能であり、高温焼鈍が必要な鋼材の加熱
にも好適な形で利用することができる。また予熱
空気を利用することにより火炎温度が高められる
ため、従来の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。さらに、火炎のバーナ径方向で
の温度分布を平坦化できるため、加熱特性及び還
元特性が安定した広範囲な非平衡領域を形成させ
ることができ、安定且つ確実な無酸化・還元加熱
を可能ならしめる。特に、このような広範囲な非
平衡領域を形成し得ることから、鋼帯等の連続熱
処理において、鋼帯をその幅方向の加熱温度や還
元性にバラツキを生ぜしめることなく加熱でき、
加えて、バーナと鋼帯との間隔を比較的大きく取
れるため、形状不良の鋼板特を加熱するような場
合でもバーナとの接触を適切に防止できる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明加熱バーナの一実施
例を示すもので、第１図は縦断面図、第２図は第
１図中−線に沿う断面図である。第３図は本
発明加熱バーナの他の実施例を示す縦断面図であ
る。第４図及び第５図は本発明加熱バーナの他の
実施例における燃料ガスノズルの構造を示すもの
で、第４図は縦断面図、第５図は正面図である。
第６図は本発明加熱バーナの他の実施例を示す縦
断面図である。第７図ａ及びｂ比較例の加熱バー
ナと本発明加熱バーナの燃焼用空気及び燃料ガス
の噴射方向をそれぞれ示すものである。第８図は
本発明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９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１０
図ないし第１５図は加熱バーナの特性を示すもの
で、第１０図は本発明加熱バーナと比較例たる他
の加熱バーナのバーナ径方向での温度分布、第１
１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１２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１３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１４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
１５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との関係を示
すものである。第１６図は従来の高速ジエツトバ
ーナを示す断面図、第１７図は従来のラジアント
バーナを示す断面図である。 図において、１はバーナタイル、２は燃焼用空
気吐出孔、３は燃料ガス吐出孔、５はバーナタイ
ル開口、６はバーナタイル内壁を各示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端が開口した筒状バーナタイルの内壁周方
   向に間隔をおいて複数の燃焼用空気吐出孔を設け
   るとともに、バーナタイル内方中心部に、周方向
   に間隔をおいて複数の燃料ガス吐出孔を設けられ
   た燃料ガスノズルを突設し、且つ燃焼用空気吐出
   孔及び燃料ガス吐出孔を以下のように構成してな
   る直火還元加熱バーナ。 (a) 燃焼用空気吐出孔を、その空気噴射方向がバ
   ーナタイル内周に関する接線に対し60゜以下の
   角度を持つよう形成する。 (b) 燃料ガス吐出孔を、その燃料ガス噴射方向が
   燃料ガスノズル外周に関する接線に対し非直角
   で、しかもこれによる燃料ガス流が燃焼用空気
   吐出孔からの空気流と逆向きの旋回流となるよ
   う形成する。 (c) 燃料ガス吐出孔と燃焼用空気吐出孔のバーナ
   軸方向距離Ｎを燃料ガス吐出孔が燃焼用空気吐
   出孔よりもバーナタイル開口側にある場合を
   （−）、その逆を（＋）とした場合、−0.1D〜＋
   0.25D（Ｄ：バーナ内径）に設定する。 (d) 燃焼用空気吐出孔からバーナタイル開口まで
   の距離Ｌを0.6D〜3D（Ｄ：バーナ内径）に設定
   する。