JPH0499122A

JPH0499122A - 鋼材の無酸化加熱法

Info

Publication number: JPH0499122A
Application number: JP20472690A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Suzuki; 豊鈴木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1990-08-01
Publication date: 1992-03-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉この発明は、鋼材を高温にまで高速で無酸化加熱する方
法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉従来から、鋼材を高温にまで無酸化加熱する方法の１つ
として、バーナから高温の燃焼ガスを噴射して加熱する
“直火無酸化加熱法“が良く知られている。

第２図は、従来の直火無酸化加熱法の一例を説明した概
念図である。第２図において、垂直方向に移動する薄鋼
板（１）の通路両側の炉壁（２）には適切に設計された
バーナ（３）が設置されているが、このバーナ（３）に
より空気比−０，９〜０．９５の条件で燃料ガスを燃焼
させて還元火炎（４）を形成させ、これを被加熱薄鋼板
＋１１に衝突させる。これにより、還元火炎（４）の作
用で表面が酸化されることなく薄鋼板（１）の加熱がな
される訳である。

そして、この直火加熱法は「還元性ガスにより雰囲気調
整した加熱炉内でラジアントチューブ等を用いて間接加
熱する方法」に比べて鋼材の加熱速度を著しく速くでき
ると言う大きな特徴を有していた。ただ、この方法の場
合、無酸化加熱を実現する必須の条件として“燃料ガス
燃焼時の空気比を１より小さくしても良好な燃焼性が保
証できるバーナ”を用いることが挙げられるが、米国特
許第３３２００８５号明細書には上記目的で使用される
性能の良好なラジアントカップバーナが示されており、
また特公昭６４−４４０８号として同様目的の空気比７
０．８５〜０．９５で燃焼させる直火還元加熱バーナが
提案されている。

しかしながら、このような従来の直火加熱法には次のよ
うな問題があった。即ち、１つには、ガス燃焼時の空気
比を１よりも小さくすると無酸化性能は良好になるもの
の、燃焼加熱効率が落ちてしまい、無酸化性能を維持す
るためには加熱効率を犠牲にしなければならないと言う
問題である。

更に、２つ目として、還元炎を利用した無酸化加熱では
鋼材の加熱温度に限界があって高々８００〜９００℃が
上限となり、これ以上に加熱するとどうしても被加熱鋼
材の表面が酸化さてしまうと言う問題が指摘される。

そこで、無酸化加熱性能向上のために火炎温度を上昇さ
せる手段として、超高温のプラズマガスを火炎中にイン
ジェクションする方法が提案された（特開昭６２−５０
４１６号）。これは、鋼材に衝突する際の火炎温度が高
いほど無酸化加熱限界温度が高くなると言う経験を踏ま
え、超高温のプラズマガスを火炎中にインジェクション
して火炎温度を高めようとしたものである。

第３図は、上記特開昭６２−５０４１６号公報に示され
た「プラズマガスをインジェクションして火炎温度を高
める実験結果からの“火炎温度と無酸化加熱限界温度”
との関係を示したグラフ」である。この第３図によれば
、火炎温度を４００℃引き上げることにより無酸化加熱
限界（上限）温度も２００〜２５０℃上昇することが窺
える。

しかし、この火炎温度上昇型の無酸化加熱性能向上策に
も、次のような問題点が指摘された。

例えば、上述したように、第３図によれば無酸化加熱限
界温度を９００℃から１１００℃まで上昇させるには火
炎温度を１６００℃から２０００℃にまで上昇させる必
要がある。従って、このためには火炎の含熱量をそのま
ま上昇させることが要され、（２０００℃−１６００℃）／１６００℃＝０．２５な
る計算式から明らかなように少なくとも２５％の入熱増
が必要であり、プラズマガスのインジェクションでこれ
に対処するためには該プラズマガスの顕熱量が燃焼ガス
の２５％以上大きいことが条件となる。ところが、プラ
ズマガスのインジェクション法では上記入熱増を電気エ
ネルギーで賄わなければならず、しかも上記値に相応す
るプラズマの発生に要する電気エネルギはバーナー入熱
の３０％以上大きいものとなることから、これはエネル
ギコストの著しい上昇につながる。

しかも、火炎温度を上昇させるとバーナの耐久性が著し
く低下するとの事実もあり、設備技術的には決して好ま
しい手段とは言えない上、被加熱鋼材の溶損事故の可能
性も高まる恐れがあった。

このようなことから、本発明が目的としたのは、従来の
無酸化加熱法に指摘される前記問題点を解消し、燃焼加
熱効率が良好で、かつ過度の熱量供給を要することなく
無酸化加熱上限温度を高め得る鋼材の無酸化加熱手段を
提供することであった。

〈課題を解決するための手段〉本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結
果、特に還元炎の性質について基礎的な検討の中から「
火炎中で鋼材が還元される領域は水素ラジカル（原子状
水素）の濃度が高い領域と対応しており、鋼材の非酸化
加熱や還元のためには“火炎中の水素ラジカル濃度が高
いこと”が条件であって、火炎温度を高めることは必ず
しも必要でない」との事実を見出したのである。

そして、更に検討を深め、「鋼材を加熱するガスの成分
として１１００ｐｐ以上の水素ラジカルが存在していれ
ば、該加熱ガス（火炎等）温度の高低に直接的には関係
なく無酸化加熱が可能となる」との知見を得ることもで
きた。

第４図は、上記知見を得るきっかけとなった簡単な実験
例で、ブンゼンバーナ（５）による空気比の小さい還元
炎（６）に表面が酸化した小径の綱線（７）を挿入し、
表面が還元される領域を火炎軸上で調べる様子を示して
いる。そして、この実験により、鋼線表面が還元される
領域は火炎軸上のａ点からｂ点に至るまでであることが
確認された。更に、この際の“火炎軸上の距離と水素ラ
ジカルの濃度及び火炎温度の関係”を調査して第５図の
結果を得たが、この調査結果から、前記“火炎軸上のａ
点からｂ点に至る領域”が“水素ラジカルの濃度が１１
００ｐｐを超えた領域”と一致すること　も明らかとな
り、鋼材の還元には火炎温度の高低は直接的に関係せず
に火炎ガスの組成（水素ラジカルの濃度）が問題であっ
て、水素ラジカルの富化が重要な要件となることを知っ
た訳である。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、「水素ラジカルを１００ｐｐ＋ｎ以上含む高温のガスを
接触させて鋼材を加熱することによって、鋼材の安定し
た無酸化加熱を実施し得るようにした点」に大きな特徴
を有している。

ここで、前記「高温のガス」とは、鋼材加熱のために適
用される一般的な温度に加熱されたガス（火炎を含む）
を意味しており、「特定の成る高い温度以上に加熱され
たガス」と言った限定的なものではない。

また、上記水素ラジカルは、例えば水素ガスを作動ガス
とするプラズマジェット発生装置により形成することが
できる。即ち、プラズマジェットでは、第６図に示した
ように、特定の温度で２原子の作動ガスが解離する現象
が起き、水素ガスを作動ガスとするプラズマジェットで
は多量の水素ラジカルが形成される。

従って、この水素ラジカルを例えば低い空気比で燃焼す
る火炎中に注入して混合し、これを吹付けて鋼材面に衝
突・接触させれば、鋼材面は還元雰囲気で覆われて酸化
から保護されると共に、火炎ガスからの伝熱によって鋼
材は所定温度に昇温することとなる。

プラズマジェット発生装置としては、第７図に示したよ
うな構造のものが一般的であるが、その作動ガスとして
“水素を含みかつ酸化性のガスを含まないガス”を用い
れば、水素をｒＨｚ−２ＨＪに従って解離させることが
でき、水素ラジカルが生成する。

勿論、水素ラジカルの生成は、高温プラズマ発生法のみ
ではなく低温プラズマ発生法によっても良いことは言う
までもない。

なお、本発明法の実施に当っては、次のような手法を採
用することができる。

（ａ）　　火炎の代わりに水素ラジカルを含む高温ガス
を鋼材に衝突させて該鋼材の加熱を行う。

（ｂ）　　火炎温度が１６００℃以下の通常燃焼火炎中
に、火炎温度を引き上げることなく　“水素ラジカルを
含むガス”を投入し、これを鋼材に接触させて該鋼材の
加熱を行う。

そして、これらによって、前述した“火炎の高温化に伴
う弊害”を受けることなく鋼材の無酸化加熱性能を向上
できる。

更に、既設の“空気比：１．０以下で燃焼させる無酸化
加熱バーナを備えた鋼材加熱炉”において火炎（排ガス
）中へ水素ラジカルをインジェクションした場合には、
水素ラジカルの濃度：１００ｐｐＨ１以上を保ちさえす
れば無酸化加熱バーナの空気比を１近くに上昇させても
鋼材の酸化を生じることが１く、従って燃焼加熱効率上
大きな利益を確保しつつ安定した無酸化加熱が可能とな
る。

ここで、水素ラジカル濃度の測定は、例えばレーザー誘
起蛍光分光分析法（ＬＩＦＳ法）や電子スピン共鳴法（
Ｅ　Ｓ　Ｒ法）等の如き周知の方法により比較的容易に
行えることは言うまでもない。

続いて、本発明を実施例によって更に具体的に説明する
。

〈実施例〉第１図で示したように、高温ガス発生装置（８）で燃料
ガス（コークス炉ガス）を燃焼させて１１００℃の燃焼
ガスを発生させ、一方、水素ラジカル発生装置（９）に
て高濃度の水素ラジカルを生成させると共に、両者を混
合して水素ラジカル富化高温ガスを得、これを加熱炉の
炉壁（２）に設けた吹き出しノズルＱＯＩから０．８ｆ
ｌ厚のｉｌ鋼板（１）に吹きつけて該鋼板の加熱を実施
した。

この際、まず水素ラジカル富化高温ガス中の水素ラジカ
ル濃度を３００ｐｐｍ＋に調整し、約１０秒で９００℃
まで加熱した結果、鋼板の酸化は無く、安定した無酸化
加熱を達成できたことが確認された。

次に、高温ガスの温度を上昇させると共に水素ラジカル
の混合割合をも高め、水素ラジカル濃度：５０００ｐｐ
ｍ以上、温度：１２５０℃とした水素ラジカル富化高温
ガスを、同様に０．８鶴厚の薄鋼板（１）に衝突させて
１１００℃にまで加熱した結果、やはり銅板表面を酸化
させることなく安定した加熱ができることを確認した。

また、これとは別に、既設の無酸化加熱バーナの火炎中
に水素ラジカルをインジェクションすると、無酸化加熱
バーナの空気比を０．９８まで上昇させても、水素ラジ
カルの濃度が１１００ｐｐ以上に保てるならば無酸化性
能上格別な問題を生じないことも確認された。更に、こ
の場合、無酸化加熱バーナの空気比を０．９〜０．９８
に上昇させたことにより、０．８ｍＨ薄鋼板を７５０℃
まで加熱する場合で、燃料使用量が１２％も低減される
ことが分かった。

（効果の総括〉以上に説明した如く、この発明によれば、エネルギコス
トの上昇や操業トラブルを生じることなく、しかも間接
加熱方式に比べて著しくコンパクトな設備でもって鋼材
の無酸化加熱を安定に実施することが可能となるなど、
産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例で採用した鋼材無酸化加熱手法の概略
説明図である。第２図は、従来の直火無酸化加熱法の一例を説明した概
念図である。第３図は、火炎温度と無酸化加熱限界温度との関係を示
したグラフである。第４図は、火炎中での酸化膜付鋼線の還元実験法を示し
た説明図である。第５図は、火炎軸上の各位置における水素ラジカルの濃
度及び火炎温度の関係を示したグラフである。第６図は、２原子ガスを作動ガスとしたプラズマ発生装
置のガス温度と熱量及びガスの状態との関係を示したグ
ラフである。第７図は、プラズマ発生装置の一例を示した概略図であ
る。図面において、１・・・薄鋼板、　　　　　　２・・・炉壁。３・・・バーナ、　　　　　　４・・・還元火炎。５・・・ブンゼンバーナ、　　６・・・火炎。７・・・鋼線、　　　　　　８・・・高温ガス発生装置
。９・・・水素ラジカル発生装置。１０・・・吹き出しノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）水素ラジカルを１００ｐｐｍ以上含む高温のガス
を接触させて鋼材を加熱することを特徴とする、鋼材の
無酸化加熱法。
（２）空気比：１．０未満での燃焼にて生じた燃焼ガス
を使用する加熱炉において、該燃焼ガス中に水素ラジカ
ルを１００ｐｐｍ以上吹き込み、これを接触させて鋼材
を加熱することを特徴とする、鋼材の無酸化加熱法。