JPH0828810A

JPH0828810A - ラジアントチューブ型加熱装置および加熱方法

Info

Publication number: JPH0828810A
Application number: JP18407694A
Authority: JP
Inventors: Koji Kanda; 浩司神田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1994-07-12
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】ラジアントチューブの長さ方向の温度分布を
均一化し、寿命の延長を図る。【構成】ラジアントチューブ１のバーナ３では空気不
足で燃焼させ、ラジアントチューブ１の途中まで排ガス
の流れに沿って設けたノズル７より２次燃焼用空気を吹
き込み、バーナ３での未燃分の燃料を燃焼させる。【効果】ラジアントチューブの寿命延長、被加熱物の
温度の均一化ならびに排ガス中のＮＯｘの低減を図るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ラジアントチューブ
型熱処理炉のラジアントチューブの長さ方向の温度分布
を均一化し、延命を図るラジアントチューブ型加熱装置
および加熱方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続式亜鉛メッキ鋼板、電磁鋼板、一般
冷延鋼板を製造や、厚鋼板および鋼管の製造に使用され
る雰囲気を調整しながら熱処理する雰囲気熱処理炉に
は、放射管端に取り付けられたバーナへ燃料と空気を供
給し、高温燃焼ガスを発生させ、その熱を放射管を経
て、炉内の被加熱物へ伝熱させるラジアントチューブを
用いた加熱装置が一般に使用されている。

【０００３】前記ラジアントチューブの一般的な構造
は、図６に示すとおり、（ａ）図のストレート型６１、
（ｂ）図のＵ字型６２および（ｃ）図のＷ字型６３のも
のがあり、どのラジアントチューブの場合も開口部の片
端にはバーナが取り付けられ、燃料および空気がこのバ
ーナに供給され、ラジアントチューブ内で燃焼し、被加
熱物に熱を与え、ラジアントチューブの他方の開口部よ
り排ガスが排出される構造となっている。

【０００４】Ｕ字型ラジアントチューブの片側３箇所合
計６箇所（ａ〜ｆ）の長さ方向のチューブ表面温度分布
は、図７に示すとおり、バーナの火炎（以下フレームと
いう）がショートフレームではｂ点付近に、ロングフレ
ームではｅ点付近にピーク温度を持った山形の温度分布
を呈する。ラジアントチューブの寿命は、このピーク温
度と温度分布に大きく左右される。ピーク温度が高けれ
ば、クリープ破断強度は小さくなり、ラジアントチュー
ブの寿命は短くなる。また、長さ方向の温度分布が急勾
配になれば、熱応力が大きくなり、寿命は短くなる。こ
のため、ラジアントチューブの寿命延長は、ピークをな
くしかつ長さ方向の温度分布を平坦化する技術が研究さ
れてきている。温度分布の平坦化は、簡単にはバーナの
フレームをロングフレームにすることによりピーク点を
後方に移行してピーク温度の値を下げる方法があるが、
図７に示すとおり、ピーク温度の下がりは少ないのが実
状である。

【０００５】また、他の方法としては、ラジアントチュ
ーブの基部を囲むように複数個のノズルを配置し、前記
複数個のノズルから雰囲気ガスをラジアントチューブの
局部高温部に吹き付けて冷却し、前記ラジアントチュー
ブの長さ方向の温度分布を均一に加熱する方法（特開平
２−４９２７号公報）、少なくとも基部近傍にフィンを
有するラジアントチューブの基部を囲むように複数個の
ノズルもしくは円筒状のスリットを配置し、前記ノズル
から雰囲気ガスをラジアントチューブの局部高温部に吹
き付けて冷却し、前記ラジアントチューブの長さ方向の
温度分布を均一にすることによって、鋼帯を均一に加熱
する方法（特開平３−８７３２１号公報）、ラジアント
チーブの入口にバーナで空気過剰の燃焼を行い、前記ラ
ジアントチーブの途中に設けた燃料ノズルから、該チュ
ーブ内を流れる排ガスの流れに沿ってチューブ内に燃料
を吹込む方法（特開平５−２４８６０５号公報）等が提
案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平２−４９２
７号公報、特開平３−８７３２１号公報に開示の方法
は、いずれもラジアントチーブの温度分布を均一化でき
るものの、ピーク温度部分を冷却のためにこれまで不必
要であった大量の雰囲気ガスを使用するため、エネルギ
ー原単位が悪化し、不経済であるばかりでなく、装置が
複雑となり高価となる欠点を有している。また、特開平
５−２４８６０５号公報に開示の方法は、燃料吹き込み
ノズルを炉外からラジアントチューブ内に挿入する二段
燃焼方式で、炉壁およびラジアントチューブに開口部を
設けなければならず、炉壁部およびラジアントチューブ
開口部のシール性が大きな問題となり、炉内への大気お
よび排ガスの侵入が懸念されると共に、燃料吹込みノズ
ルの熱膨張の逃がし方の問題もあった。

【０００７】この発明の目的は、簡便にラジアントチュ
ーブの局部的な高温部の発生を防止し、ラジアントチュ
ーブの長さ方向の温度分布を均一化して、ラジアントチ
ューブの寿命の延長、被加熱物の温度の均一化および排
ガス中のＮＯｘ低減を図るラジアントチューブ型加熱装
置および加熱方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく種々試験研究を重ねた。その結果、ラジア
ントチーブのバーナで空気不足で燃焼させ、ラジアント
チーブの途中まで排ガスの流れに沿って設けたノズルか
ら２次燃焼用空気を供給し、バーナでの空気不足による
未燃分をラジアントチーブの出口までに燃焼させること
によって、燃焼効率を低下させることなくラジアントチ
ーブの長さ方向の温度分布を均一化できること、ピーク
温度が低下して排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる
ことを確認し、この発明に到達した。

【０００９】すなわち本願の第１発明は、ラジアントチ
ューブの入口に設けたバーナ部より、ラジアントチュー
ブの途中まで排ガスの流れに沿って空気吹込みノズルを
設けたことを特徴とするラジアントチューブ型加熱装置
である。

【００１０】また、本願の第２発明は、ラジアントチュ
ーブのバーナでは空気不足で燃焼させ、ラジアントチュ
ーブの途中まで排ガスの流れに沿って設けたノズルより
２次燃焼用空気を吹き込み、バーナでの未燃分の燃料を
燃焼させることを特徴とするラジアントチューブ型熱処
理炉における加熱方法である。

【００１１】さらに、本願の第３発明は、ラジアントチ
ューブのバーナでの空気比を０．５〜１．０とし燃焼さ
せ、ラジアントチューブの途中まで排ガスの流れに沿っ
て設けたノズルより２次燃焼用空気を、トータルの空気
比が１．０５〜１．３となるよう吹き込んでバーナでの
未燃分の燃料を燃焼させることを特徴とするラジアント
チューブ型熱処理炉における加熱方法である。

【００１２】

【作用】本願の第１発明においては、ラジアントチュー
ブの入口に設けたバーナ部より、ラジアントチューブの
途中まで排ガスの流れに沿って空気吹込みノズルを設け
たことによって、ラジアントチューブの途中において２
次燃焼用空気を吹き込みでき、バーナでは空気不足で燃
焼させることができ、バーナ前の局部高温部が無くなる
と共に、排ガス中の未燃分をラジアントチューブの出口
までに燃焼させることができ、燃焼効率を低下させるこ
となく、ラジアントチューブの長さ方向の温度分布の均
一化を図ることができる。

【００１３】本願の第２発明においては、ラジアントチ
ューブのバーナでは空気不足で燃焼させ、ラジアントチ
ューブの途中まで排ガスの流れに沿って設けたノズルよ
り２次燃焼用空気を吹き込み、バーナでの未燃分の燃料
を燃焼させることによって、バーナ前の局部高温部が無
くなると共に、燃焼効率を低下させることなく、ラジア
ントチューブの長さ方向の温度分布の均一化を図ること
ができ、ピーク温度が低下して、低ＮＯｘも可能とな
る。また、ピーク温度を抑制することによりクリープ破
断強度が大きくなり、ラジアントチューブの長寿命化を
図ることができる。

【００１４】本願の第３発明においては、ラジアントチ
ューブのバーナでの空気比を０．５〜１．０未満として
燃焼させ、ラジアントチューブの途中まで排ガスの流れ
に沿って設けたノズルより２次燃焼用空気を、トータル
の空気比が１．０５〜１．３となるよう吹き込んでバー
ナでの未燃分の燃料を燃焼させることによって、バーナ
前の局部高温部が無くなると共に、燃焼効率を低下させ
ずにラジアントチューブの長さ方向の温度分布の均一化
を図ることができ、ピーク温度が低下して、低ＮＯｘも
可能となる。また、ピーク温度を抑制することによりク
リープ破断強度が大きくなり、ラジアントチューブの長
寿命化を図ることができる。

【００１５】この発明におけるバーナでの空気比は、バ
ーナでの燃焼の安定する０．５から未燃物が残留する
１．０未満が望ましい。また、２次燃焼用空気吹き込み
ノズルからの２次燃焼用空気量とバーナからの空気量と
合わせて空気比が１．０５〜１．３とするのが良い。空
気比が１．３を超えるとラジアントチューブ内のガス温
度は低くなり、ラジアントチューブ表面からの発熱量が
小さくなってしまう。この発明において使用する燃料と
しては、コークス炉ガス、高炉ガスあるいはコークス炉
ガスと高炉ガスとの混合ガス、プロパンガス、液化天然
ガス、重油等を使用することができる。また、この発明
は、投入熱量が経時的に変化する場合にも適用可能であ
り、この場合にもバーナでの空気比を０．５〜１．０未
満とし、２次燃焼用空気吹き込みノズルより２次燃焼用
空気を吹き込み、バーナでの空気量と吹き込んだ空気量
の和でトータル空気比を１．０５〜１．３とする。さら
に、２次燃焼用空気吹き込み位置は、直管型ラジアント
チューブでは、中間部前後、Ｕ字型ラジアントチュー
ブ、Ｗ字型ラジアントチューブでは、第一直管部から第
一曲管部後端の範囲であれば良い。

【００１６】空気吹き込みノズル内径は、ラジアントチ
ューブ内径の５％以上が良い。これより小さいと必要な
空気量が流れなくなる。また、空気吹き込みノズルの外
径は、ラジアントチューブ内径の３０％以下が良い。こ
れより大きくなると、バーナでの燃焼を阻害してしま
い、ラジアントチューブの表面温度は目標温度まで達し
なくなる。なお、２次燃焼用空気吹き込みノズルの材質
は、ＳＣＨ２４、耐熱鋳鋼、耐火物、炭化珪素、窒化珪
素等を用いることができる。

【００１７】

【実施例】

実施例１以下にこの発明の詳細を実施の一例を示す図１ないし図
２に基づいて説明する。図１はＵ字型ラジアントチュー
ブに実施した場合の水平断面図、図２は他の型式のラジ
アントチューブに実施した場合を示すもので、（ａ）図
はＷ字型ラジアントチューブに実施した場合の水平断面
図、（ｂ）図はストレート型ラジアントチューブに実施
した場合の水平断面図である。図１において、１は加熱
炉の炉壁２を貫通して設置したＵ字型ラジアントチュー
ブ、３はＵ字型ラジアントチューブ１のバーナで、バー
ナ３の側部に燃焼用空気供給管４が、バーナ３の正面に
燃料吹き込み管５が設けられ、燃料吹き込み管５から吹
き込まれる燃料を燃焼用空気供給管４から供給される燃
焼用空気によって燃焼させるよう構成されている。６は
バーナ部３の燃料吹き込み管５近傍に設けた２次燃焼用
空気供給管で、バーナ３を貫通して排ガスの流れに沿っ
てＵ字型ラジアントチューブ１の途中まで延伸し、Ｕ字
型ラジアントチューブ１の途中に開口したノズル７から
２次燃焼用空気を吹き込むよう構成されている。

【００１８】図２（ａ）において、１１は加熱炉の炉壁
１２を貫通して設置したＷ字型ラジアントチューブ、１
３はＷ字型ラジアントチューブ１１のバーナで、バーナ
１３の側部に燃焼用空気供給管１４が、バーナ部１３の
正面に燃料吹き込み管１５が設けられ、燃料吹き込み管
１５から吹き込まれる燃料を燃焼用空気供給管１４から
供給される燃焼用空気によって燃焼させるよう構成され
ている。１６はバーナ１３の燃料吹き込み管１５近傍に
設けた２次燃焼用空気供給管で、バーナ１３を貫通して
排ガスの流れに沿ってＷ字型ラジアントチューブ１１の
途中まで延伸し、Ｗ字型ラジアントチューブ１１の途中
に開口したノズル１７から２次燃焼用空気を吹き込むよ
う構成されている。

【００１９】図２（ｂ）において、２１は加熱炉の炉壁
２２を貫通して設置したストレート型ラジアントチュー
ブ、２３はストレート型ラジアントチューブ２１のバー
ナで、バーナ２３の側部に燃焼用空気供給管２４が、バ
ーナ２３の正面に燃料吹き込み管２５が設けられ、燃料
吹き込み管２５から吹き込まれる燃料を燃焼用空気供給
管２４から供給される燃焼用空気によって燃焼させるよ
う構成されている。２６はバーナ２３の燃料吹き込み管
２５近傍に設けた２次燃焼用空気供給管で、バーナ２３
を貫通して排ガスの流れに沿ってストレート型ラジアン
トチューブ２１の途中まで延伸し、ストレート型ラジア
ントチューブ２１の途中に開口したノズル２７から２次
燃焼用空気を吹き込むよう構成されている。

【００２０】上記のとおり構成したことによって、各ラ
ジアントチューブ１、１１、２１の各バーナ３、１３、
２３では、各燃料吹き込み管５、１５、２５から燃料を
定格量投入し、各燃焼用空気供給管４、１４、２４から
各バーナ３、１３、２３での空気比０．５〜１．０未満
で燃焼用空気を供給して燃焼させ、さらに、各２次燃焼
用空気供給管６、１６、２６から２次燃焼用空気を各ラ
ジアントチューブ１、１１、２１の途中に開口したノズ
ル７、１７、２７からトータルの空気比が１．０５〜
１．３となるよう供給し、各バーナ３、１３、２３で未
燃焼の燃料を燃焼させることができる。上記のとおり各
ラジアントチューブ１、１１、２１で２段燃焼させるこ
とによって、各ラジアントチューブ１、１１、２１の長
さ方向の表面温度分布は均一化され、局部高温のピーク
温度も従来に比較し３０℃程度低下させることができ
る。また、各ラジアントチューブ１、１１、２１出口で
の排ガス中のＮＯｘ値も約２０％の低下が見られ、未燃
焼物は確認されなかった。

【００２１】実施例２図１に示す外径１７３ｍｍ、肉厚８ｍｍ、総長さ３，８
６０ｍｍのＵ字型ラジアントチューブを用い、燃料とし
て発熱量４，６００Ｋｃａｌ／Ｎｍ³のコークス炉ガス
（以下ＣＯＧという）を理論空気量４．７１Ｎｍ³／Ｎ
ｍ³で燃焼させるに際し、バーナの定格は、５５，００
０Ｋｃａｌ／Ｈ（ＣＯＧ：約１２Ｎｍ³／Ｈ）である。
バーナでは燃料を定格量投入し、空気量を空気比換算に
して０．９である５１Ｎｍ³／Ｈで供給し、空気不足で
燃焼してバーナ前の局部高温部の発生を抑えると共に、
この空気不足で燃焼した排ガス中の残留燃料に、Ｕ字型
ラジアントチューブの第一曲管部直前に排ガス流れに沿
って設けた内径２１．６ｍｍの空気吹き込みノズルか
ら、１１．３Ｎｍ³／Ｈの２次燃焼用空気を吹き込み燃
焼させた。この時のバーナでの空気とラジアントチュー
ブ途中に設けた空気吹き込みノズルからの空気を合わせ
ての空気比は１．１とした。この場合におけるラジアン
トチューブの長さ方向の表面温度分布を測定した。その
結果を図３に示す。なお、ラジアントチューブ長さ方向
位置のａ〜ｆは、図１のａ〜ｆ位置に対応するものであ
る。図３に示すとおり、ラジアントチューブの長さ方向
の表面温度分布は、均一化され、局部高温の値も従来の
値より３０℃程度低下させることができた。また、ラジ
アントチューブ出口でのＮＯｘの値も約２０％の低下が
みられ、未燃物は確認されなかった。さらに、本発明を
連続焼鈍炉のラジアントチューブに適用したところ、ラ
ジアントチューブの寿命を３年から４年まで延長するこ
とが可能となった。また、２次燃焼用の空気吹き込みノ
ズルは、高温の排ガスにさらされるものの、内部に比較
的低温の２次燃焼用空気が流れ、これにより冷却される
ため破損等の問題は無かった。

【００２２】実施例３また、上記Ｕ字型ラジアントチューブを用い、バーナで
は燃料を定格量投入し、バーナでの空気比を０．４、
０．５、０．９、１．０とし、２次燃焼用空気吹き込み
ノズルから、トータル空気比が１．１となるよう２次燃
焼用空気を吹き込んで燃焼させ、炉内温度９００℃とし
た場合のラジアントチューブの長さ方向の表面温度分布
を測定した。その結果をバーナでの空気比を１．１とし
た従来例と比較して図４に示す。なお、図４中のａはバ
ーナでの空気比０．４、ｂはバーナでの空気比０．５、
ｃはバーナでの空気比０．９、ｄはバーナでの空気比
１．０、ｘは従来例を示す。また、ラジアントチューブ
長さ方向位置のａ〜ｆは、図１のａ〜ｆ位置に対応する
ものである。図４に示すとおり、バーナでの空気比を
０．５〜１．０未満、トータル空気比を１．１とするこ
とによって、従来例に比較してピーク温度を低下できる
と共に、ラジアントチューブの長さ方向の表面温度分布
が均一化できている。しかし、バーナでの空気比が０．
４のａの場合は、ピーク温度が従来例よりも高くなると
共に、ラジアントチューブの長さ方向の表面温度分布の
差が大きくなっている。

【００２３】実施例４さらに、上記Ｕ字型ラジアントチューブを用い、バーナ
では燃料を定格量投入し、バーナでの空気比を０．９一
定とし、２次燃焼用空気吹き込みノズルから、トータル
空気比が１．１、１．３、１．４となるよう２次燃焼用
空気を吹き込んで燃焼させ、炉内温度９００℃とした場
合のラジアントチューブの長さ方向の表面温度分布を測
定した。その結果をバーナでの空気比を１．１とした従
来例と比較して図５に示す。なお、図５中のｅはトータ
ル空気比１．１、ｆはトータル空気比１．３、ｇはトー
タル空気比１．４、ｘは従来例を示す。また、ラジアン
トチューブ長さ方向位置のａ〜ｆは、図１のａ〜ｆ位置
に対応するものである。図５に示すとおり、トータル空
気比を１．１、１．３としたｅ、ｆの場合は、従来例に
比較してピーク温度を低下できると共に、ラジアントチ
ューブの長さ方向の表面温度分布が均一化できている。
しかし、トータル空気比を１．４のｇの場合は、ラジア
ントチューブの長さ方向の表面温度分布を均一化できる
が、ラジアントチューブ表面温度が全体的に低くなって
いる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明によれば、
ラジアントチューブの局部的な高温部の発生を防止して
長さ方向の温度分布を均一化でき、ラジアントチューブ
の寿命延長、被加熱物の温度の均一化ならびに排ガス中
のＮＯｘの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｕ字型ラジアントチューブに実施した場合の水
平断面図である。

【図２】他の型式のラジアントチューブに実施した場合
を示すもので、（ａ）図はＷ字型ラジアントチューブに
実施した場合の水平断面図、（ｂ）図は直管型ラジアン
トチューブに実施した場合の水平断面図である。

【図３】実施例２におけるＵ字型ラジアントチューブ長
さ方向位置とチューブ表面温度との関係を示すグラフで
ある。

【図４】実施例３におけるバーナ空気比とＵ字型ラジア
ントチューブ長さ方向位置とチューブ表面温度との関係
を示すグラフである。

【図５】実施例４におけるトータル空気比とＵ字型ラジ
アントチューブ長さ方向位置とチューブ表面温度との関
係を示すグラフである。

【図６】ラジアントチューブの型式を示すもので、
（ａ）図は直管型、（ｂ）図はＵ字型、（ｃ）図はＷ字
型の平面図である。

【図７】従来の燃焼方式によるショートフレーム、ロン
グフレームの場合のＵ字型ラジアントチューブ長さ方向
位置とチューブ表面温度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１、６２Ｕ字型ラジアントチューブ２、１２、２２炉壁３、１３、２３バーナ４、１４、２４燃焼用空気供給管５、１５、２５燃料吹き込み管６、１６、２６２次燃焼用空気供給管７、１７、２７ノズル１１、６３Ｗ字型ラジアントチューブ２１、６１ストレート型ラジアントチューブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ラジアントチューブの入口に設けたバー
ナ部より、ラジアントチューブの途中まで排ガスの流れ
に沿って空気吹込みノズルを設けたことを特徴とするラ
ジアントチューブ型加熱装置。
【請求項２】ラジアントチューブのバーナでは空気不
足で燃焼させ、ラジアントチューブの途中まで排ガスの
流れに沿って設けたノズルより２次燃焼用空気を吹き込
み、バーナでの未燃分の燃料を燃焼させることを特徴と
するラジアントチューブ型熱処理炉における加熱方法。
【請求項３】ラジアントチューブのバーナでの空気比
を０．５〜１．０未満として燃焼させ、ラジアントチュ
ーブの途中まで排ガスの流れに沿って設けたノズルより
２次燃焼用空気を、トータルの空気比が１．０５〜１．
３となるよう吹き込んでバーナでの未燃分の燃料を燃焼
させることを特徴とするラジアントチューブ型熱処理炉
における加熱方法。