WO1996017215A1

WO1996017215A1 - Procede de chauffage non oxidant et appareil afferent

Info

Publication number: WO1996017215A1
Application number: PCT/JP1995/002470
Authority: WO
Inventors: Tsuguhiko Nakagawa; Ryosuke Yamaguchi; Hisashi Osanai; Junichi Hasunuma; Takemi Yamamoto
Original assignee: Kawasaki Steel Corporation
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-12-04
Publication date: 1996-06-06
Also published as: CA2173587A1; EP0750170A1; DE69529459T2; AU3994495A; AU692954B2; TW304983B; CN1140490A; EP0750170B1; BR9506724A; KR970700854A; KR100193160B1; DE69529459D1; CA2173587C; US5700420A; EP0750170A4; CN1091870C

Description

明細書無酸化加熱方法及び装置技術分野

本発明は、無酸化加熱方法及び装置に関し、特に、取鍋，タンディッシュ等の製鋼 ·連統踌造分野における各種の炉ならびに金属（非鉄金属を含む）材料の加熱等の加熱 ·熱処理分野における各種の炉において有効な無酸化性ガスを用いた無酸化加熱技術に関する。背景技術

従来、鋼材等の金属材料を加熱炉にて無酸化伏態で加熱する方法としては、（ 1 ) ラジアン卜チューブ加熱法（曰本鉄鋼協会編：最近の実用燃焼技術，（1983)， P31) 、 ( 2 ) 直火還元加法（第 8 8回西山記念技術講座，（1983)， P75) 、 ( 3 ) 2層雰囲気燃焼法（日本鋼管技法， No. 120 (1988) , P24) などがある。

( 1 ) の方法は、加熱炉内に配設したラジアントチューブ内を、バーナ一の燃焼によつて加熱し、このチューブの外表面から放射する熱を利用して鋼材を加熱する方法である。このため、鋼材と接触する炉内雰囲気を自由に設定できるから、炉內雰囲気を容易に無酸化伏態にできる。 ( 2 ) の方法は、バーナー火炎のうちの外炎部分に形成される還元炎を、鋼材に直接衝突させて還元雰囲気下で加熱する方法である。

( 3 ) の方法は、鋼材を不完全燃焼によって得られる無酸化雰囲気で包みこみ、同時に、その無酸化棼囲気の外側部分にある未燃ガス域で二次燃焼させる 2層雰囲気調整によつて加熱する方法である。

なお、以上は鋼材に関するものであるが、 A l , C u等の非鉄金属の加熱においても上記各方法が採られる。

しかしながら、上記従来の金属材料の無酸化加熱技術には、それぞれに次のような種々の問題点があつた。

( 1 ) ラジアントチューブ加熱

この方法は、燃焼により生成する H ₂0や燃焼時の余剰 0₂ などを含む酸化性の燃焼ガスを炉内雰囲気と完全に隔離できる点は非常に優れている。し力、し、 ①炉温が 1 2 0 0 °C以上の高温では、この温度に耐えうる有効なチューブが無い、 ②チューブ内の狭い空間で燃焼させるため、バーナーの燃焼容量（炉の加熟能力）に限界がある。このような理由から、熱処理炉としてはともかく、炉温が 1 2 0 0 °Cを超えるような鋼材圧延用加熱炉では従来使われてこなかつた。

( 2 ) 直火還元加熱

この方法は、鋼材の近傍で還元雰囲気を形成する必要のため、 ①鋼材の表面温度（9 0 0 °C以下）、燃焼条件（負荷，空気比，バーナー容量 ) などの操業上の制約がある、 ②鋼材表面〜バーナー間の距離などに設備的な制約がある、 ③燃料の持つ燃焼熱の一部しか使わないため熟効率力 <良くない、などの理由から、鋼材の圧延用加熱炉（熱延，厚板および条鋼などの加熱炉）では使われてこなかつた。 ( 3 ) 2層雰囲気燃焼

この方法は、 ① 2雇雰囲気を形成するために、炉内のバーナー配置に制約がある（例えば、ルーフバーナーとサイドバーナーとの併用は困難 ) ため、大型の鋼材を加熱する場合には、加熱温度の均一性に問題がある、 ②加熱能力炉容積が従来のバーナーに比べて小さいため、炉が大型になる、 ③燃焼負荷変動時には無酸化雰囲気がくずれやすく、負荷変動の大きい炉には適用がむずかしい、などの理由から、熱延，厚板および条鋼などの大型鋼材の圧延用加熱炉には適用されていなかった。なお、上記（2 ) や（3 ) の方法のように、燃焼によって無酸化雰囲気を得る方法は、炉温ゃ燃焼条件（例えば、鋼材温度 > 1 1 0 0 において無酸化雰囲気を得るためには、燃焼ガスの組成を C OZC 0₂ 〉3. 1 および H ₂ZH ₂0〉1. 2 にする必要があり、コークス炉ガスを燃料とする場合には、空気比 < 0. 5で燃焼しなければならない）が制限されるため、操業上の制約が多く、鋼材表面近傍を完全に無酸化な雰囲気にして、しかもその無酸化雰囲気を安定して継続することが困難であり、酸化を充分に防止できていなかった。

続いて、連続铸造分野における炉の一つであるタンディッシュの加熱に関する背景技術について述べる。

タンディッシュそれ自体は発熱体を有しないから、使用に際しては铸込み可能温度を確保するために別途に加熱手段で加熱してやる必要がある。また、複数台のタンディッシュを用いて交換しながら連続铸造する場合は、例えば鋼種変更などのとき待機中のタンディッシュと交換し、現使用していたものは次の再使用まで待機させるが、その再使用タンデイツシュについても同じく踌込み可能温度への加熱が必要である。いずれの場合も、従来のタンディッシュでは、一般にタンディッシュの予熟カバーに設けたガスバーナを加熱手段として^いて予熱が行われる。具体的には、そのガスバーナーに、例えばコークスガスのような燃料ガスに理論必要量の 1 1 0〜1 2 0 %の空気を混入したものを送ってタンディッシュ内で燃焼させ、夕ンディッシュ内面を 1 2 0 0〜 1 3 0 0 °Cに予め加熱している。ところがこの場合、燃焼ガス中には過剰の酸素が混入するから、予熱されたタンディッシュを連続再使用する場合には、先の使用（前チャ一ジ）時の残鋼 ·残滓が次チャ一ジ時の予熱の際に酸化され、 F e Oが生成する（いわゆる、 F e Oピックアップと称する現象 ) 。すると、この生成 F e◦が鋼中成分の A 1 と反応して A 1 2 0 ₃ が生成され、鋼中に介在物として存在することになり、その結果、下流ェ程においてその A 1 2 0 3 に起因したへゲ. フクレ等の品質欠陥を生じるに至る。

従来から、このような F e〇ピックアツプを防止する技術の確立が求められ、種々の提案がなされている。例えば、特開平 4— 2 2 5 6 7号公報には、連続铸造用タンディッシュを再使用するときに、予熱用ガスバーナーに供給する空気量を、供給ガス量に対する理論必要量の 7 0〜 1 0 0 %'とすることにより、タンディッシュ内の雰囲気酸素濃度を従来より低くして残鋼の酸化を抑制するというタンディッシュ予熱方法が開示されている。

また、特開平 2 - 3 7 9 4 9号公報には、夕ンディッシュ内の予熱終了に伴い、燃料の送給をストップすると同時に不活性ガスである A rガスでバーナー内の残燃料を追い出して予熱カバー内で燃焼せしめ、同時にガス置換専用 A r配管により置換用 A rガスを送って置換を行い、タンディッシュ内の燃焼ガスを短時間で A rガスで置換させて残鋼の酸化を抑制するタンディッシュ内のガス置換技術が開示されている。

しかしながら、上記特開平 2— 3 7 9 4 9号公報，特開平 4一 2 2 5 6 7号公報に開示されているものは、いずれも、タンディッシュの使用に際して铸込み可能温度を確保するのに、空気と混合した燃料ガスを夕ンディッシュ内部で燃焼させて内壁を 1 2 0 0 ~ 1 3 0 0 °Cまで予熱するという従来方法を基本的に前提としている。そして、その前提の下に、前記特開平 2— 3 7 9 4 9号公報の技術では、特に再使用夕ンディッシュを用いた場合の予熱時における残鋼の酸化という問題を極力抑制するため、予熱終了後にわざわざ不活性ガスをタンディッシュ内に吹き込んで燃焼ガスと残存酸素をノ一ジして非酸化雰囲気に置換するという方法をとつている。確かに、不活性ガスにより強制的にパージすることで、燃焼ガスと酸素の残存を改善して予熱後のガス置換完了までの時間を多少短縮することはできる。しかし、加熱中の過剰酸素による残滓の酸化までも防止することはできないし、また、ガスパージによりタンディッシュ内壁温度が低下して熱損失が生じるという問題点がある。

これに対して、後者の特開平 4 - 2 2 5 6 7号公報の技術は、予熱ガスバーナーへの空気量を理論必要量以下にすることにより、不活性ガスパージを行わずに残鋼の酸化を抑制するものであるから、前者のような問題は生じない。しかし、酸化を完全に防止するためにはバーナーの理論空気量を 5 0 %以下にする必要があるので、燃焼時の酸素不足による不完全燃焼という問題が発生し、加熱コストが非常に高くなる。そのうえ、未燃ガスの処置に防爆や C O中毒などの安全対策を講じる必要があるなどの問題が生じている。本発明は、金属材料の加熱 ·熱処理分野や製鋼 ·連続踌造分野において無酸化雰囲気での加熱を必要とする各種の炉の加熱に関し、上述した従来技術の有する問題点に着目してなされたものであり、高温の無酸化性ガスを連続的に送り込んで加熱することにより、被加熱物の酸化を完全に防止でき、力、つ熱の有効利用も可能であり、また不完全燃焼や中毒のおそれもな L、無酸化加熱方法及び装置を提供することを第 1の目的としている。

また、本発明は、上記各従来技術が抱えているそれぞれの問題を個別に克服できる技術の確立を目指すものであつて、加熱時の酸化を防止ないしは抑制することによって、スケールロスの低減を図り、歩留りを向上させ、しかも酸化の抑制を通じてデスケーリング処理が容易になり、もってコストに反映させ得る無酸化加熱方法及び装置を提供することを第 2の目的としている。

また、本発明は、高温の無酸化性ガスを発生させる有効な手段を提供し、特に炉内燃焼ガスとの熱交換により加熱中の鋼材温度以上または炉温と略等しレ、温度に予熱された無酸化性ガスを得て鋼材加熱雰囲気を形成することで、低コス卜の無酸化加熱操業を実現することを第 3の目的としている。発明の開示上記の目的を達成する本発明の請求の範囲第 1〜第 1 1項記載の発明は、無酸化加熱方法に関するものである。

本発明の無酸化加熱方法は、無酸化雰囲気を必要とする炉内を高温の無酸化性ガスで加熱するに当たり、複数台の蓄熱式加熱器を交互に切り替えつつ無酸化性ガスを所定温度に加熱する操作を繰り返し、かくして高温の無酸化性ガスを連続的に発生させる（請求項 1 ) 。このことにより、僅かな酸化性ガスの存在も排除して高温の無酸化性ガスを途切れることなく炉内に供給し、被加熱物の酸化を完全に防止する。

ここで、炉内に供給した高温の無酸化性ガスの一部を再循環して炉内の加熱に再使用するものとすることで（請求項 2 ) 、熱の有効利用を図ることも可能である。

また、炉内に供給する高温の無酸化性ガスを、蓄熱式加熱器を介して行う炉內燃焼ガスとの熱交換によつて発生させるものとすることで（請求項 3 ) 、従来は無駄に排出していた炉内燃焼ガスの廃熱の積極的利用を図り、より低コストの無酸化加熱操業を実現する。

本発明の無酸化加熱方法を、無酸化雰囲気を必要とする炉としての夕ンディッシュの加熱に適用する（請求項 4 ) 。このことにより、従来、とくに内壁に残鋼を生じた夕ンディッシュを再使用するに際して行っている予熱バーナーを使用してのタンディッシュ内燃焼ガスによる予熱を省き、タンディッシュ内の残鋼の酸化を完全に防止していわゆる F e 0 ピックアップを防止し、ひいては製品鋼の品質欠陥の発生を防止する。この場合、タンディッシュの外部の加熱手段で少なくとも 8 5 0 °C以上に加熱した無酸化性ガスを用いて当該タンディッシュ内を保熱し、次回使用に供するものとすることで（請求項 5 ) 、タンディッシュ再使用時の待機可能時間を従来より大幅に延長させて、連々数を増加させる。また、本発明の無酸化加熱方法を、無酸化雰囲気を必要とする炉としての鋼材の加熱炉に適用する（請求項 6 ) 。このことにより、燃焼条件等の制約が多くて充分な酸化防止は困難であつたラジアン卜チューブ法 , 直下還元加熱法， 2騸雰囲気燃焼法などの従来の加熱炉無酸化加熱法を省き、加熱炉内での鋼材面の雰囲気を安定して完全な無酸化雰囲気に保持し、スケール口スの低減ひ、ては製品歩留りの向上を実現する。その場合、加熱炉内の彼加熱鋼材まわりに、加熱中の鋼材温度以上または炉温と略等し、温度に予熱した高温の無酸化性ガスを供給する（請求項 7 ) ことで、炉温ゃ鋼材温度の低下を防止して加熱効率を向上させる。

また、その場台、鋼材表面温度が 7 0 0 °Cを超える加熱帯もしくは均熱帯において、被加熱鋼材を包囲するように高温の無酸化性ガスを当該鋼材の近傍に吹き込むか、またはその吹き込みによって炉内酸化性ガスと置換させるかのいずれかの方法を用いる（請求項 8 ) ことにより、被加熱鋼材を加熱炉内の酸化性ガス雰囲気から遮断して、鋼材のスケールロス低減による歩留り向上を促進させる。

また、本発明の無酸化加熱方法は、無酸化雰囲気を必要とする炉としての焼鈍炉にも適用する（請求項 9 ) 。このことにより、従来のラジアントチューブバーナーによる間接加熱の代わりに高温ガスジエツ卜による対流伝熱加熱を行い、例えばス卜リップなどの被加熱材の板温度制御性を飛躍的に向上せしめる。

本発明の無酸化加熱方法にあっては、無酸化性ガスとして不活性ガスまたは不活性ガスに可燃限界以下の微量の還元性ガスを混ぜた混合ガスを使用し、これを炉内に導入することにより、炉内雰囲気を無酸化または還元棼囲気にする。その場合、不活性ガスとしては N ₂ , A rを単独または混台して用い、前記還元性ガスとしては H ₂ ， C Oを単独または混合して用いる（請求項 1 0 , 1 1 ) 。炉内雰囲気を可燃限界以下の還元雰囲気とすることにより、酸化防止作用をより完全にする一方、酸化物の還元も可能とすると共に、炉内ガスのリーク等による爆発のおそれを排除する。

本発明の請求の範囲第 1 2〜第 1 6項記載の発明は、無酸化加熱装置に関するものである。

本発明の無酸化加熱装置は、無酸化雰囲気を必要とする炉内に供給する無酸化性ガスを加熱する蓄熱式の無酸化加熱装置であり、蓄熱体とその加熱手段とを有すると共に少なくとも 2個で 1組をなす熱交換器と、該熱交換器及び未加熱無酸化性ガス供給ラインを接続する切替弁とを備え、前記熱交換器のいずれか一方を蓄熱体を加熱する蓄熱系とし他方を無酸化性ガスを加熱して送風する送風系として、両系を前記切替弁で切り替えつつ熱交換にて高温の無酸化性ガスを連続的に発生させるようにしてある（請求項 1 2 ) 。このことによって、熱交換してなる高温の無酸化性ガスを確実に連続して炉内に供給し、被加熱物の酸化を防止するこの蓄熟式の無酸化加熱装置に、ガス循環用ファンを併設し、その吸引側を炉内に接続すると共に吐出側を前記未加熱無酸化性ガス供給ラィンに接続してなる加熱ガスの循環経路を設けることで（請求項 1 3 ) 、加熱ガスのリサイクルを可能とし、熱の有効利用を促進する。

本発明の無酸化加熱装置における蓄熱体の加熱手段は、ガス燃料バーナ一，液体燃料バーナー. 電気抵ぉ加熱器. 誘導加熱器，プラズマトーチのいずれか一つから選定する（請求項 1 4 ) 。このことにより、装置を被加熱体の条件に応じて最適に適応させる。また、これらのものとは異なり、蓄熱体の加熱手段として炉内燃焼ガスを用いることにより（請求項 1 5 ) 、廃熱を有効利用してエネルギー消費を節約する。

また、本発明の無酸化加熱装置にあっては、無酸化性ガスのみの他、これに爆発限界以下の微量の還元性ガスを混合した混合ガスを用いることもできる（請求項 1 6 , 1 7 ) 。このことにより、炉内の雰囲気を還元性にして、被加熱物の酸化防止をより完全なものにする。図面の簡単な説明

図 1は、本発明をタンデイツシュの無酸化加熱に適用した一実施例を示す概念図である。

図 2は、図 1の夕ンディッシュ無酸化加熱における当該夕ンディッシュの待機可能時間の延長効果を、従来と比較して示すグラフである。図 3は、タンディッシュ無酸化加熱の他の実施例を示す概念図である。図 4は、夕ンディッシュ無酸化加熱におけるタンディッシュ温度の推移を表したグラフである。

図 5は、タンディッシュ無酸化加熱において、タンディッシュ内の高温無酸化性ガスをリサイクル使用する実施例の概念図である。

図 6は、本発明を焼鈍炉の無酸化加熱に適用した実施例を示す概念図である。

図 7は、鋼材の加熱'炉における鋼材表面温度とスケール生成厚との関係を示すグラフである。

図 8は、ウォーキングビーム型連続加熱炉における各ゾーンでの鋼材表面温度の変化を示すグラフである。図 9は、本発明を鋼材の加熱伊の無酸化加熱に適用した実施例を示す概念図である。

図 1 0は、鋼材の加熱炉の概略を示す略線図である。

図 1 1は、鋼材の加熱炉の加熱帯及び均熱帯における無酸化性ガス吹き付けのもようを示す略線図である。

図 1 2は、鋼材の加熱炉の無酸化加熱における実施例と従来の加熱法とのスケール低減効果を比較して示すグラフである。

符号の説明： 1. . . タンディッシュ， 2. . . 熱交換器， 3. . . 切替弁， 5. . . 蓄熱体， 1 0. . . 未加熱無酸化性ガス供給ライン , 1 2. . . ガス循環用ファン発明を実施するための最良の状態

本発明者らは、無酸化雰囲気を必要とする炉の加熱をテーマとするに当たって、先ず、再使用タンディッシュの踌込み可能温度確保に関する従来の問題点を解決することを目指した。タンディッシュの加熱につ L、て、従来の問題点を解決するには、タンディッシュ内で燃焼を行わずにタンディッシュを再使用する、すなわち無予熱無酸化再使用プロセスの実現が必要であると考え、その実現に向けて種々の実験を重ねつつ検討を続けてきた。

本発明者の実験によると、通常、铸造中のタンディッシュ内表面温度は溶鋼温度とほぼ等しい 1 5 4 0~1 5 7 0°C程度まで上昇するが、铸造終了と同時に温度降下が始まり、そのまま待機させると例えば 7 0 t のタンディッシュの場合におよそ 6時間経過後は 1 1 0 0°Cを割り、 1 4時間経過後は 85 0 °C以下になつてしまう。 8 5 0 °C未満の温度では、取鍋からタンディッシュに移した溶鋼を夕ンディッシュ底部のノズルから踌型に注入することは、たとえノズル下方から酸素吹き込みバブリング（いわゆる淀腸）を行っても困難である。また、待機中のタンディッシュの温度が低下すると、タンディッシュに溶鋼を注入した際の溶鋼温度の降下量が大きくなるので、铸造初期の溶鋼温度を確保するためには注入時の溶鋼温度を高くする必要がある。しかし、铸造後半ではタンディッシュの温度が上昇するため必要以上に溶鋼温度が高くなりすぎ、铸造速度を低下させたりブレークアウトの原因になる。このため、実際上 8 5 0 °Cが待機中のタンディッシュの再使用時の温度の下限といえることも同時に実験で確認された。

しかも、温度低下に伴ってタンディッシュ内圧が減少して、外部の空気（酸素）が侵入するとタンディッシュ内酸素濃度が増大することになる。タンディッシュの再使用にあたって残鋼の酸化を防止するには、待機中のタンディッシュ内酸素濃度を 1 %以下にする必要があることがわかっている。そのため、無酸化性ガスによるタンディッシュ内ガスのパージをしないで待機中のタンディッシュ温度低下に伴う酸素侵入を防止するには、タンディッシュをほぼ完全密閉にしておかねばならない。前記の待機中のタンディッシュの温度降下のデータはこの密閉状態での値である。

しかし、完全密閉といっても、例えばタンディッシュ内の気体が温度降下とともに収縮すること、またタンディッシュ内が高温のためドラフト作用が働くことにより、外部からの空気の侵入が生じ、空気侵入を零にできない。かくの如くにタンディッシュ内への外部からの空気の侵入を零にすることは実際問題として不可能であるから、密閉のみでの完全無酸化の達成は困難である。その対応策としては、無酸化性ガス（例えば N ₂ ガス）の連続パージでタンディッシュ外部からの酸素侵入を防止することが考えられる。その可能性を検討するべく同じく 7 0 tタンディッシュについて行った本発明者らの実験によると、 1 2 0 N m³ /H の割合で連続的に N ₂ ガスをタンディッシュ内に供給しながら待機させた場合の温度降下は、先のパージ無しの場合よりも急激であり、およそ 3時間で 1 1 0 0 °C、 8〜 9時間後には 8 5 0 °Cに低下してしまうことが判明した。

こうした結果を踏まえて、本発明者らは、タンディッシュを再使用するに当たり、タンディッシュ外で加熱した無酸化性ガスでタンディッシュ内表面温度を铸込み可能温度の下限である 8 5 0 °C以上に保てば、従来のタンディッシュ内燃焼ガスによる予熱を省いて、無予熱で酸化を防止しつつタンディッシュを再使用に供することが可能なことを見い出し、本発明を完成するに至った。

無酸化性ガスの加熱手段は特に限定されないが、例えばガスバーナーで加熱した蓄熱体をガスの加熱源とする蓄熱式予熱器とか、電気抵抗加熱や誘導加熱あるいはプラズマ卜ーチを利用する電気加熱を用いるのが好適である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図 1は、この発明のタンデイツシュの無酸化保熱方法を実施する装置の一実施を示す概念図である。

図 1において、 1は容量 7 0 tの 4連銪タンディッシュ（T/D ) である。なお、タンディッシュ底部のスライディングノズル，浸漬ノズルは図示を省略している。そのタンディッシュ 1の蓋 1 aの開口 1 b , 1 cにそれぞれ無酸化性ガスの加熱手段である蓄熱式予熱器 2， 2が接続されている。これら二台の蓄熱式予熱器 2， 2は切替弁 3を介して連結されている。

各蓄熱式予熱器 2は、例えば伝熱面積を大きくするためボールやパイプ状にしたセラミックスや金属などからなる蓄熱体を充塡した蓄熱室 5 及びその蓄熱体を加熱するための燃料ガスの燃焼室 6と、この燃焼室 6 に配したバーナー 7と、このバーナー 7への燃料供給ライン 8及び空気供給ライン 9とを備えている。

切替弁 3は、無酸化性ガス供給ライン 1 0から供給される無酸化性ガス（例えば N ₂ , A r ) を一方の蓄熱式予熱器 2又は他方の蓄熱式予熱器 2へと切り替えてタンディッシュ内へ送り込む経路、タンディッシュ内から、ずれかの蓄熱式予熱器 2を経て取り出されたガス及び燃焼排ガスを排気フアン 1 1を経て外部に排気する経路を自在に切り替える機能を有している。

なお、切替弁（装置）は、説明したような経路の切替機能を満足していれば、図中 3のような 4方切替弁でなくて、開閉弁の組み合わせでも良い。

図 1に示した装置を用い、無酸化性ガスには N ₂ ガスを使用してタンディッシュ 1の無酸化加熱実験を次のように実施した。

( 1 ) 初回の使用に供した後のタンディッシュ 1に蓋 1 aを取り付け、二台の蓄熱式予熱器 2 , 2を交互に切り替え使用して 1 3 0 0 °Cに加熱した高温加熱 N ₂ ガスをタンディッシュ 1内に連続的に供給して、夕ンディッシュ内を保熱する実験：

このとき、蓄熱式予熱器 2のバーナー 7に燃料供給ライン 8から燃料ガスを、空気供給ライン 9から空気を供給しつつ燃焼室 6で燃焼させることにより 7 0 X 1 0⁴ Kc a 1 ZH rの熱を発生させて、先ず蓄熱室 5の蓄熱体を加熱した。その後、バーナー 7を止め、外部から切替弁 3 を介して 1 80 ONm³ ZH rの流量で N₂ ガスを送り、加熱された蓄熱体に通して 1 300°C以上の温度に加熱し、この高温加熱 N₂ ガスをタンディッシュ 1内に送り込んだ。一方の蓄熱式予熱器 2を N ₂ ガスの加熱に使用中、他方の蓄熱式予熱器 2は蓄熱体の加熱を行う。

この蓄熱体加熱工程では、燃焼室 6の燃焼済ガスを蓄熱室 5, 切替弁 3を通して排気ファン 1 1により吸引排気する。例えば、燃焼排ガスと夕ンディッシュから吸引した N₂ ガスとの合計 1 600〜 2000 Nm^Λ ' のガスは、蓄熱体を加熱した後、蓄熱体出側で 200〜300°C に低下し、強制排気される。

夕ンディッシュ 1内に送り込んだ高温加熱 N₂ ガスは、タンディッシュの蓋 1 aのすきまや開口部 1 b, 1 c等から外部に吹き出して漏出するが、タンディッシュ 1内の内圧は外気圧より若干高く保持されてタンディッシュ内への外気侵入が防止される。また、前述の外部からタンディッシュ内へ供給する 1 80 ONm³ /H rの N₂ ガス量の 20〜60 %を 2 aのノズルを経由してリサイクルし、バ一ナ一 7の火焰温度（通常 1 900°C位ある）を低減させて燃焼室 5内の異常昇温を防止する温度制御に使用すると共に、 N₂ ガスの廃熱を回収した。

この N₂ ガス加熱を二台の蓄熱式予熱器 2, 2を用いて 60秒毎に交互に繰り返すことで、 1 300°C以上の高温 N₂ ガスをタンディッシュ 1内に連続的に供給して、タンディッシュ 1の内表面を 850°C以上の温度に保熱しながら夕ンディッシュ内を無酸化雰囲気に保持して再使用開始までタンディッシュ 1を待機させることができた。

なお、蓄熱式予熱器 2を切り替える際に、一方の蓄熱式予熱器 2のバーナー 7を消火した後も、一定時間の間排気ファン 1 1により当該燃焼室 6内の強制排気を続行することにより、タンディッシュ 1内部にあるガスの一部が蓄熱式予熱器 2の高温 N ₂ ガス挿入管 2 aから燃焼室 G , 蓄熱室 5 , 切替弁 3を通り排出されるから、蓄熱式予熱器 2の燃焼室 6 , 蓄熱室 5 , 切替弁 3内に残留している燃焼ガスを無酸化性ガスでパージして置換することができる。こうして、切り替え使用時の初期に発生する残留燃焼ガスのタンディッシュ内混入を防止すれば、タンディッシュ 1内を完全に無酸化雰囲気に保持することも可能になる。

( 2 ) 無酸化保熱したタンデイツシュの待機可能時間延長効果：次に、図 1の装置を用いて、当初 1 3 0 0 °C以上の内表面温度を有する使用直後のタンディッシュに 8 5 0での加熟1^ 2 ガスを連続的に送り込みつつ無酸化保熱したときの当該タンデイツシュの待機可能時間の延長効果を、従来と比較して求めた。

その結果を図 2のグラフに示す。

現状パージ有りの曲線は、内表面温度 1 3 5 0 °Cのタンディッシュに蓋をし、常温の N ₂ ガスを 1 2 O N m ³ ZHの流量で供給してタンディッシュ内をパージしつつ待機した場合の夕ンデイツシュ内表面温度の推移を示している。铸込可能下限温度 8 5 0 °Cになるまでの待機時間は 8 ~ 9時間である。

これに対して、本発明の方法によれば、内表面温度 1 3 5 0 °Cのタンディッシュに 1 3 0 0 °Cの無酸化性ガスを供給しつつ保熱することにより、待機時間を 2 4時間と大幅に延長でき、連々数を增加させることができた。

( 3 ) 微量の還元性ガス導入を伴う無酸化保熱：

図 1の装置において、無酸化性ガス供給ライン 1 0に図示しない還元性ガス供給ラインを接続し、無酸化性ガスと共に H ₂ , CO, などの還元性ガス（LPGT等で代用してもよい）のいずれかをタンディッシュ 1内に微量を導入することにより、タンディッシュ内の雰囲気を還元性にして保熱した。ここで、微量とは、当該還元性ガスがタンディッシュの外部に漏出した際の爆発を阻止し得る量であり、すなわち当該還元性ガスの可燃限界以内の量であり、例えば H₂ の場合は濃度 4%以下， COの場合 1 2. 5%以下の量を無酸化性ガスに混合してタンディッシュ 1内を保熱するものとする。

これにより、タンディッシュ内雰囲気が還元雰囲気となり、リーク時の爆発のおそれがなくなると共に、残鋼酸化もより完全に防止することができた。

図 3に、タンディッシュ無酸化保熱用の無酸化性ガスの加熱手段の更に他の実施例を示す。

これは、無酸化性ガスの加熱手段としてノントランスファータイプのプラズマトーチ 20を用いている。このタイプのプラズマトーチ 20は、陰極 2 1と共にトーチ自体に陽極 22を有しており、陰極 2 1を経てトーチに供給される無酸化性ガス流を両電極 2 1. 22の放電によりプラズマ化し、これにより得られた高温のプラズマ 23によりタンディッシュ 1の内壁表面を加熱する。プラズマガスとしては A r, N₂ 等を用い、 HNガス（H₂ と N₂ の混合ガス）を併用することも可能である。一般的なプラズマジヱッ卜加熱にあってはプラズマ温度 3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 °Cが用いられているが、本発明ではプラズマ噴流にタンディッシュ内の雰囲気ガスを巻き込ませることにより、 2 0 0 0 °C以下まで温度を下げた高温噴流ガスにして使用し、無酸化雰囲気での 1 0 0 0 ~ 1 3 0 0 °Cの加熱を行うものである。すなわち、タンディッシュ 1の蓋 1 aに取り付けたプラズマトーチ 2 0でタンディッシュ 1内に送り込む無酸化性ガスをプラズマ化してタンディッシュ 1の底部に吹きつける。この加熱時の熱移動は、高温ガス流からの対流伝達とそれによつて加熱されたタンディッシュ底面から他面への放射熱伝達の形態をとる。

ただし、ブラズマジエツ卜加熱の場台は、ランニングコスト低減のため、タンディッシュの再使用前にタンディッシュ内表面温度 1 3 0 0 °C を確保するのに必要な時間だけ加熱するものとし、それ以外の待機時間中は無予熱待機とした。

図 4に、プラズマトーチ 2 0によるタンディッシュの無酸化保熱実験を実施した結果を示す。

铸造中 1 5 7 0 °Cの温度であったタンディッシュを無予熱待機させたところ、待機時間 7時間で夕ンデイツシュ内表面温度が 1 1 0 0 °C以下に低下した。続いてプラズマトーチ 2 0を用いた N ₂ ガスプラズマジェットによるタンディッシュ内無酸化加熱を開始し、 4時間後にタンディッシュ内表面温度が目標の 1 3 0 0 °Cに到達して再使用可能になった。合計待機時間は 1 1時間であり、その間に他の夕ンディッシュで 1チヤージ 4 0分の踌造を 1 6チャージ行うことができた。

なお、上記実施例では、タンディッシュの無酸化保熱方法における無酸化性ガスの電気加熱の手段として、プラズマトーチを用いた場合を説明したが、その他に電気誘導加熱器や電気抵抗加熱器を用いても良い。図 5に他の実施例を示す。

この実施例は、加熱ガスの一部再循環使用によるタンディッシュの無酸化加熱の例である。

図 1と同様の設備に、図 5に示すように、タンディッシュ 1内の高温 N ₂ ガスを循環させる循環用ファン 1 2を配設した。そして、その吸引側配管 1 3をタンディッシュの蓋 1 aに差し込むとともに、吐出側配管 1 4を N ₂ ガス供給ライン 1 0に接続した。

こうしてタンディッシュ 1内の高温 N ₂ ガスの一部を循環用ファン 1 2で取り出して N ₂ ガス供給ライン 1 0に送り込みリサイクルさせる。これにより廃熱の一部を回収することができ、系の熱効率を向上させることができた。

なお、循環用ファン 1 2の吸引側配管 1 3を夕ンディッシュ 1の底部の図示しないノズルに接続してもよい。その場合には高温 N ₂ ガスの一部がノズルを通過することにより、ノズル保熱も同時に行えるという利点がある。

図 6に更に他の実施例を示す。

この実施例は、ストリツプ焼鈍炉の無酸化加熱源に蓄熱式予熱器 2を適用した例である。

従来の焼鈍炉の加熱は、ラジアン卜チューブバ一ナによる間接加熱であつたが、本発明の複数台の蓄熱式予熱器 2を交互に切り替えて使用する方法を適用し高温の H Nガスで加熱することにより、高温ガスジヱットによる対流伝熱加熱が可能になった。その結果、板温制御性が飛躍的に向上した。今回は、チャンスフリ一帯で使用したが、加熱帯の一部で使用しても良い。

なお、上記各実施例では、無酸化加熱の被加熱体がタンディッシュ及び焼鈍炉の場合を述べたが、上記実施例における N ₂ ガスにかえて H N ガス（H ₂ と Ν ₂ の混合ガス）を用いることにより、被加熱体が鋼材の加熱炉の場合にも同様に適用可能である。

そこで、続いて、加熱炉による鋼材加熱時の酸化によって発生するスケールロスを抑制し、歩留りを向上させ得る本発明の鋼材の無酸化加熱技術について説明する。

この場合の技術的特徴は、加熱炉内に装入された鋼材まわりに、局所的な無酸化性雰囲気を作ること、そのために、 Ν ₂や A rなどの不活性ガス又は可燃限界以下の H ₂や C 0ガスを含む還元性ガス又は前記不活性ガスと還元性ガスとの混合ガスである高温無酸化性ガスを鋼材のまわりに吹き付けて当該鋼材を炉内の酸化性燃焼ガスから隔離することにある。そして、この鋼材に対して吹き付ける上記高温無酸化性ガスとしては、炉温の低下と加熱途中での鋼材の冷却を防止するために、炉温と略等し、か又は鋼材温度以上に予熱したものを供給するようにした。図 7は、鋼材用加熱炉内における鋼材表面温度とスケール生成厚との関係を示したもので、鋼材表面温度が 8 0 0 を超えると酸化が急激に進行し、スケール厚は 0. 1 mm以上となる。このスケール厚のレベルではデスケーリング処理の負荷が増大すると共に、スケールも多くなつて歩留りの低下が顕著になる。

したがって、本発明において鋼材表面を覆う無酸化性ガスの噴射は、鋼材が 8 0 0 °C以上より好ましくは酸化が急激に進行する手前の 7 0 0 °C以上の領域において、上述したように炉内雰囲気温度（炉温）以上に予熱した上記の無酸化性ガスを鋼材に対し直接吹き付ける力、、もしくは炉内に生成した酸化性燃焼ガスと置換できる程度に供給する。

図 8は、ウォーキングビーム型連続加熱炉における各ゾーン（第 1加熱帯. 第 2加熱帯，均熱帯）における鋼材表面温度の変化を示すものである力スケールの発生量が多くなる 8 0 0 °Cを超えるゾーンというのな第 2加熱帯以降であり、この意味において、上記高温無酸化性ガスの供袷位置は鋼材表面温度が 8 0 0 °Cを超える第 2加熱帯以降均熱帯出側までの間において行うことが好ましい。

その高温無酸化性ガスの供給方法としては、炉の側面. 天井あるいは炳床方向から被加熱鋼材を包囲するように噴射するか、加熱帯や均熱帯の高温酸化性燃焼ガスと置換させて炉内雰囲気全体を無酸化性にするように吹き込む方法が有効である。

なお、鋼材まわりに吹き付ける高温無酸化性ガスは、炉の熱負荷によつて変動するバーナーなどの燃焼系統とは独立した系統から供給する。したがって、加熟に最適な条件と酸化防止に必要な条件を常に適値に調整し、維持することが重要である。

そして、上記の高温無酸化性ガスは、加熱炉に付帯して設けられる無酸化加熱装置としての無酸化性ガス予熱装置において、該加熱'炉燃焼ガスとの熱交換によって発生させるものを利用する。

図 9は、その無酸化性ガス予熱装置の概念図を示すものであり、少なくとも 2個で 1組をなす蓄熱体 A. Bを有する熱交換器であって、その蓄熱体 A, Bのいずれか一方の側（A) を蓄熱系とし、他方の側の高温の蓄熱体 B (上記の Aのようにして既に加熱されたもの）は無酸化性ガスを加熱して送風する送風系として、両者の役割を交互に切り替えながら使用するものとする。蓄熱系側の蓄熱体を高温にするための加熱手段としては、加熱炉で生成する高温燃焼排ガス（1 3 0 0 °C) を利用し、これを蓄熱体に導入して蓄熱体加熱を行う。一方、送風系側の蓄熱体には、例えば常温の無酸化性の混合ガス（N ₂ + H ₂、 3 0 °C) を逆方向から導入して熱交換させることにより高温の無酸化性ガス（1 2 0 0〜 1 2 5 0 °C) を発生させて逆に加熱炉内に吹き込むようにする。

両蓄熱体 A及び Bと常温の無酸化性ガスの供給ラィンとは切替弁 3を介して接続されており、その切替弁 3により蓄熱体 A. 13の¾割を切り替えながら順次熱交換して、高温の無酸化性ガスをバーナーレス構造の熱交換器にて連铳的に発生させるのである。

なお、上記の高温無酸化性ガスの加熱炉内への供給に当たっては、この高温無酸化性ガスとバーナーの燃焼火炎（酸化性ガス）との混合による本発明の作用効果の減殺を防止するために、この高温無酸化性ガスの鋼材まわりへの吹付け角度を加熱用バーナー火炎軸とできるだけ平行に吹き付けることが望ましい。また、この吹付けにあたっての流速は、加熱用バ一ナ一の火炎速度とほぼ同じにすることが望ましい。

例えば、図 1 0に示すようなバーナー配列の鋼材加熱炉の場合、第 2 加熱帯では図 1 1 ( a ) に示すように側壁から吹き付ける。また、均熱帯では図 1 1 ( b ) のように、側壁から吹き付けると共にバーナー間から吹き付ける方法が考えられるが、吹込み装置の設置スペース上の問題がなければバーナー間から吹き付ける方が望ましい。なお、吹付け用ノズルは、セラミックス製の種々の形状のものを用いることができる力、できるだけ鋼材に近づけるほうが鋼材まわりに完全な無酸化性雰囲気を作りやすく、酸化抑制効果が大きい。また、吹き込む無酸化性ガスの流量としては、均熱帯側を加熱帯側よりも大きくすることにより高温部での 0₂ 濃度が相対的に低下できるので、トータルの酸化抑制効果として大きくなる。

また、この高温無酸化性ガスの均熱帯への供給に当たっては、鋼材表面が高温に加熱されているため、仮にこの帯域内雰囲気中の 0₂濃度を低く設定しても、酸化量はそれほど减少しない。その一方で、加熱に必要な燃焼負荷が小さく、バーナー容量も小さい。このような場合には、鋼材の表面に向けて無酸化性ガスを直接吹き付けるよりも、ゾーン内全域（この場合、均熱帯全域）を高温の無酸化性ガスで置換した雰囲気にする方が良い。これは、 D H C Rなどの実施によって加熱能力が小さくて済む場台も同様である。

本発明による加熱炉内の鋼材の無酸化加熱において、炉温以上の高温無酸化性ガスを発生させるためには、上述した無酸化性ガス予熱装置によるのが好ましいといえるが、その他の方法、例えば微量の還元性ガスを含むノントランスファー型のプラズマジヱットなどを用いてもよい。ただし、装置及び加熱コストを安くするためには、炉内の燃焼排ガスを利用する蓄熱式の前記無酸化性ガス予熱装置を用 L、るのが最も好ましい方法である。

以下に、本発明による加熱炉内の鋼材の無酸化加熱法と従来の加熱法とを対比した試験例を示す。

①図 1 0に示すウォーキングビーム型熱延加熱炉にて、 1 1 5 0 °Cに加熟する熱延鋼材を加熟する試験例において、図 9に示すような無酸化性ガス予熱装置を使用して高温の無酸化性ガス（N ₂と H ₂との混合ガス）を発生させ、このガスを図 1 0 , 図 1 1に示すように、第 2加熱帯と均熱帯にそれぞれバーナー総燃焼ガス量の 1ノ 5 ~ 1 / 1 0の流量で吹き込み、鋼材の酸化厚（mm) を測定した。

②これに対し、通常加熱法. 直火還元加熱法及び 2層雰囲気燃焼法の下で加熱した場合についての鋼材の酸化厚（mm) をそれぞれ測定したこの試験^での比較を図 1 2に示す。図 1 2に示すとおり、本発明の無酸化加熱方法によって、スケール生成厚を約 4 0 %低減できた。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明の無酸化加熱技術は、複数台の蓄熱式加熱器を交互に切り替えつつ無酸化性ガスを所定温度に加熱する操作を繰り返し、得られる高温の無酸化性ガスを連铳的に供給することで、無酸化雰囲気を必要とする炉内を高温の無酸化性ガスで加熱するのを基本とする。そのため、従来のように高温の酸化性ガスが炉内に発生することがなく、被加熱体の酸化を完全に防止できることから、取鍋，タンディッシュ等の製鋼 ·連続銪造分野における各種の炉、ならびに非鉄金属を含む金属材料の加熱等の加熱 ·熱処理分野における各種の炉における無酸化加熱技術として特に有用である。

とくに、得られる高温の無酸化性ガスの一部を再循環して炉内加熱に再使用すると力、、蓄熱式加熱器の予熱に炉内燃焼ガスの廃熱を利用することにより熱を効果的に有効利用でき、操業コス卜の低減に好適である。また、とくに無酸化雰囲気を必要とするタンディッシュの加熱に適している。その場台、内壁に残鋼を生じたタンディッシュを再使用するに際して従来から行っている予熱バーナーを使用しての夕ンディッシュ内燃焼ガスによる予熱を省くことができ、タンディッシュ内の残鋼の酸化を完全に防止して製品鋼の品 K欠陥の発生を防止できる。また、タンディッシュ再使用時の待機可能時間を従来より大幅に延長させて、連々数を増加させることができる。

更に、本発明の無酸化加熱技術は、鋼材の加熱炉にも適している。その場合は、燃焼条件等の制約が多くて充分な酸化防止は困難であったラジアン卜チューブ法，直下還元加熟法， 2屨雰囲気燃焼法などの従来の加熱炉無酸化加熱法を省くことができ、加熱炉内での鋼材面の雰囲気を安定して完全な無酸化雰囲気に保持し、スケール口スの低減ひ L、ては製品歩留りの向上を実現できる。

また更に、焼鈍炉にも適している。その場合は、従来のラジアントチユーブバーナーによる間接加熱の代わりに高温ガスジエツトによる対流伝熟加熱を行い、例えばス卜リップなどの被加熱材の板温度制御性を飛躍的に向上させることができる。

Claims

請求の範囲 1. 無酸化雰囲気を必要とする炉内を高温の無酸化性ガスで加熱するに当たり、複数台の蓄熱式加熱器を交互に切り替えつつ無酸化性ガスを所定温度に加熱する操作を繰り返し、得られる高温の無酸化性ガスを連続的に供給することを特徵とする無酸化加熱方法。

2. 前記炉内に供給した高温の無酸化性ガスの一部を再循環して炉内の加熟に再使用することを特徵とする請求項 1記載の無酸化加 ¾方法。

3. 前記炉内に供給する高温の無酸化性ガスは、前記蓄熱式加熱器を介して行う炉内燃焼ガスとの熱交換によって発生させることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の無酸化加熱方法。

4. 前記無酸化雰囲気を必要とする炉がタンディッシュである請求項 1 ないし 3のいずれかに記載の無酸化加熱方法。

5. 内壁に残鋼を生じた前記タンディッシュを再使用するに当たり、該タンディッシュの外部の加熱手段で少なくとも 8 5 0て以上に加熱した無酸化性ガスを用いてタンディッシュ内を保熱し、次回使用に供することを特徴とする請求項 4記載の無酸化加熱方法。

6. 前記無酸化雰囲気を必要とする炉が鋼材の加熱炉である請求項 1ないし 3のいずれかに記載の無酸化加熱方法。

7. 前記加熱炉内の鋼材まわりに、加熱中の鋼材温度以上または炉温と略等しい温度に予熱した高温の無酸化性ガスを供給することを特徵とする請求項 6記載の無酸化加熱方法。

8. 前記加熱炉内への高温の無酸化性ガスの供給は、鋼材表面温度が 7 0 0 °Cを超える加熱帯もしくは均熱帯において鋼材を包囲するように当該鋼材の近傍に吹き込むか、またはその吹き込みによつて炉内酸化性ガスと置換させるかの L、ずれかの方法を用いることを特徴とする請求項 7 記載の無酸化加熱方法。

9. 前記無酸化雰囲気を必要とする炉が焼鈍炉である請求項 1ないし 3 のいずれかに記載の無酸化加熱方法。

1 0. 前記無酸化性ガスに加えて爆発限界以下の微量の還元性ガスを炉内に導入して炉内雰囲気を無酸化または還元雰囲気にすることを特徴とする請求項 1ないし 9のいずれかに記載の無酸化加熱方法。

1 1. 前記無酸化性ガスとして N ₂ . A rを単独または混合して用い、前記還元性ガスとして H ₂ , C Oを単独または混合して用いることを特徴とする請求項 1 0記載の無酸化加熱方法。

1 2. 無酸化雰囲気を必要とする炉内に供給する無酸化性ガスを加熱する蓄熱式の無酸化加熱装置であつて、蓄熱体とその加熱手段とを有すると共に少なくとも 2個で 1組をなす熱交換器と、該熱交換器及び未加熱無酸化性ガス供給ラインを接続する切替弁とを備え、前記熱交換器のいずれか一方を蓄熟体を加熱する蓄熱系とし他方を無酸化性ガスを加熱して送風する送風系として、両系を前記切替弁で切り替えつつ熱交換にて高温の無酸化性ガスを連続的に発生させるようにした無酸化加熱装置。

1 3. 前記蓄熱式の無酸化加熱装置に、ガス循環用ファンを併設し、その吸引側を炉内に接続すると共に吐出側を前記未加熱無酸化性ガス供給ラィンに接続してなる加熱ガスの循環経路を備えた請求項 1 2記載の無酸化加熱装置。

1 4. 前記蓄熱体の加熱手段が、ガス燃料バーナー，液体燃料バーナー，電気抵抗加熱器，誘導加熱器，プラズマトーチのいずれか一つである請求項 1 2または 1 3記載の無酸化加熱装置。

1 5. 前記蓄熱体の加熱手段が、炉内燃焼ガスである請求項 1 2又は 1 3記載の無酸化加熱装置。

1 6. 前記無酸化性ガスに加えて爆発限界以下の微量の還元性ガスを用いることを特徴とする請求項 1 2ないし 1 5のいずれかに記載の無酸化加熱装置。

1 7. 前記無酸化性ガスとして N ₂ , A rを単独または混合して用い、前記還元性ガスとして H ₂ , C Oを単独または混合して用いることを特徴とする請求項 1 6記載の無酸化加熱装置。