JPH0920919A

JPH0920919A - 鋼材の無酸化加熱方法

Info

Publication number: JPH0920919A
Application number: JP16620795A
Authority: JP
Inventors: Futahiko Nakagawa; 二彦中川
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】鋼材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
させること。【構成】加熱炉内の鋼材まわりに対し、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無酸
化性ガスを供給すること、そして、予熱した高温無酸化
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
発生させたものを用いることが特徴である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼材の無酸化加熱方法
に関し、とくに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することによって歩留りの
向上を目指す上で有効な、鋼材の加熱方法を提案する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼材を加熱炉にて無酸化状態で加
熱する方法としては、以下に列記するような技術があっ
た。 (1) ラジアントチューブ加熱法（日本鉄鋼協会編：最近
の実用燃焼技術,(1983), p31 ）この方法は、加熱炉内に配設したラジアントチューブ内
を、バーナーの燃焼によって加熱し、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、炉内雰囲気を容易に無酸化状態にできる。 (2) 直火還元加熱法（第88回西山記念技術講座, (198
3), p75 ) この方法は、バーナ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) ２層雰囲気燃焼法（日本鋼管技報, No.120 (1988),
p24 ) この方法は、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、その無酸化雰囲気の外側部
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
よって加熱する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

(1) ラジアントチューブ加熱この方法では、燃焼により生成するH₂Ｏや燃焼時の余剰
O₂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すぐれている。しかし、炉温が
1200℃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、チューブ内の狭い空間で燃焼させるた
め、バーナの燃焼容量( 炉の加熱能力) 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1200℃を超えるような鋼材圧延用加熱炉では従来、使
われてこなかった。 (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、鋼材の表面温度（900 ℃以下）、燃焼条件 (負
荷、空気比、バーナ容量) などの操業上の制約がある、
鋼材表面〜バーナ間の距離などに設備的な制約があ
る、燃料の持つ燃焼熱の一部しか使わないため熱効率
が良くない、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
なかった。 (3) ２層雰囲気燃焼この方法は、２層雰囲気を形成するために、炉内のバ
ーナ配置に制約がある（例えば、ルーフバーナとサイド
バーナの併用は困難）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、加熱能力／炉
容積が従来のバーナに比べて小さいため、炉が大型にな
る、燃焼負荷変動時には無酸化雰囲気がくずれ易く、
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。

【０００４】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、炉温や燃焼条件
（例えば、鋼材温度＞1200℃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CO/CO₂＞3.1 およびH₂
/H₂O＞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安定して継続することが
難しく、酸化を充分に防止できていなかった。

【０００５】この発明は、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
ものであって、その主たる目的は、鋼材加熱時の酸化を
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、もってコストに反映させ
ることにある。しかも、こうした酸化の抑制を通じて、
デスケーリング処理が容易になる加熱方法を提案するこ
とにある。

【０００６】また、この発明の他の目的は、高温の無酸
化性ガスを発生させる有効な手段を提案することにあ
り、とくに炉内燃焼ガスとの熱交換によって、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された不
活性ガス等を得て、鋼材加熱雰囲気を形成することで、
低コストの無酸化加熱操業を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を実現するた
めの新たな加熱方法につき鋭意研究した結果、発明者ら
は、以下に述べるような鋼材加熱方法を開発した。即
ち、本発明の基本的な構成は、加熱炉内の鋼材まわりに
対し、加熱中の鋼材温度以上または、炉温と略等しい温
度に予熱した高温無酸化性ガスを供給することを特徴と
する鋼材の無酸化加熱方法である。

【０００８】本発明の加熱方法において、予熱した高温
無酸化性ガスとしては、 700℃以上のN₂もしくはアルゴ
ンの如き不活性ガス、可燃限界温度以下のH₂もしくはCO
を含む 700℃以上の還元性ガス、またはこれらの混合ガ
スを用いる。

【０００９】上記加熱方法において、無酸化性ガスの供
給は、鋼材表面温度が 700℃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その近傍に吹き込
むか、またはこれらの吹込みによって炉内酸化性ガスと
置換させるいずれかの方法を用いる。

【００１０】上記加熱方法において、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
せたものを用いる。上記加熱方法において、無酸化性ガ
ス予熱装置は、少なくとも２個で１組をなす蓄熱体を有
する熱交換器であって、その蓄熱体のいずれか一方を加
熱炉燃焼ガスを導入する蓄熱系とし、その他方を無酸化
性ガスの送風系として、これらの切換えによる熱交換に
て高温無酸化性ガスを発生させるものを用いる。

【００１１】

【作用】本発明の考え方の特徴は、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、N₂やArなどの不活性ガス、または可燃限界
以下のH₂やCOガスを含む還元性ガスなどの高温無酸化性
ガスを、この鋼材のまわりに吹付けることにより、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、炉温と略等しいかまたは鋼材温度以上に予
熱したものを供給するようにした。

【００１２】図１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すものであり、鋼材
表面温度が 800℃を超えると酸化が急激に進行し、スケ
ール厚は 0.1mm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
ールロスも多くなって歩留りの低下が顕著になる。従っ
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 800℃以上, より好ましくは酸化が急激に
進行する手前の 700℃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、直接吹付けるか、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。

【００１３】図２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が、スケ
ールの発生量が多くなる 800℃を超えるソーンというの
は第２加熱帯以降であり、この意味において、上記高温
無酸化性ガスの供給位置は、鋼材表面温度が 800℃を超
える第２加熱帯以降均熱帯までの間において行うことが
好ましい。

【００１４】その高温無酸化性ガスの供給方法として
は、炉の側面, 天井あるいは炉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
するように吹込む方法が有効である。なお、鋼材まわり
に吹付ける高温無酸化性ガスは、炉の熱負荷によって変
動するバーナ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、加熱に最適な条件と酸化防止に必要
な条件を常に最適値に調整し、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。

【００１５】図３は、その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）を蓄熱系として、ここに加熱炉
の高温燃焼排ガス（1300℃)を導入して蓄熱体（Ａ）を
加熱し、そしてその他方の高温蓄熱体Ｂ（上記のＡのよ
うにして既に加熱されたもの）には、無酸化性ガスの送
風系として、例えば常温の無酸化性混合ガス（H₂＋N₂）
30℃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( 1200〜1250℃) を発生させて、逆
に加熱炉内に吹込むようにする。こうした蓄熱体Ａ，Ｂ
の役割りを切換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発生させるの
である。

【００１６】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
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、加熱用バーナ火炎軸とで
きるだけ平行に吹付けることが望ましい。また、この吹
付けに当たっての流速は、加熱用バーナの火炎速度とほ
ぼ同じにすることが望ましい。

【００１７】例えば、図４に示すようなバーナ配列の鋼
材加熱炉の場合、第１加熱帯では、図５(a) に示すよう
に、側壁から吹付ける。また、第２加熱帯では、図５
(b) のように、側壁から吹付けると共にバーナ間から吹
付ける方法が考えられるが、吹き込み装置の設置スペー
ス上の問題がなければ、バーナ間から吹付ける方が望ま
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が、できるだけ鋼材
に近づける方が、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。

【００１８】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O₂濃度を低く設定して
も、酸化量はそれぼど減少しない。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、ＤＨＣＲなどの実施によって、加熱能力
が小さくて済む場合も同様である。

【００１９】本発明において、炉温以上の高温無酸化性
ガスを発生させるためには、上述した予熱装置によるこ
とが好ましい方法と言えるが、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
マジェットなどを用いてもよい。ただし、装置および加
熱コストを安くするためには、炉内の燃焼排ガスを利用
する蓄熱式の前記不活性ガス予熱装置を用いるのが最も
好ましい方法である。

【００２０】

【実施例】図４に示すウォーキングビーム型熱延加熱炉にて、
1150℃に加熱する熱延鋼材を加熱する試験例において、
図３に示すような予熱装置を使って高温の無酸化性ガス
( N₂とH₂との混合ガス) を発生させ、このガスを、図
４, 図５に示すように、第２加熱帯と均熱帯にそれぞ
れ、バーナ総燃焼ガス量の 1/5〜1/10の流量で吹き込
み、鋼材の酸化厚(mm)を測定した。これに対し、通常加熱法, 直火還元加熱法および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。この試験例での比較を
図５に示す。この図５に示すとおり、本無酸化加熱法に
よってスケール生成厚を約40％低減できた。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
加熱鋼材に対し高温の無酸化性ガスを供給することがで
きるので、スケールロスを著しく低減させることがで
き、歩留りの向上に効果がある。しかも、加熱炉内に炉
温度以上に予熱された高温の無酸化性ガスを供給できる
ので、炉温や鋼材温度の低下を招くことなく、それ故に
加熱効率の向上にもつながる。また、本発明によれば、
この高温無酸化性ガスを加熱炉燃焼ガスとの熱交換によ
って発生させるので、高温のものが得られやすいだけで
なく、操業コストの低減にも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼材表面温度とスケール生成厚との関係を示す
線図。

【図２】加熱炉内の鋼材表面温度の推移を示す線図。

【図３】高温無酸化性ガス予熱装置の模式図。

【図４】加熱炉の概略を示す略線図。

【図５】加熱帯および均熱帯における無酸化性ガス吹付
けのもようを示す略線図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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無酸
化性ガスを供給することを特徴とする加熱炉による鋼材
の無酸化加熱方法。
【請求項２】予熱した高温無酸化性ガスとして、 700
℃以上のN₂もしくはアルゴンの如き不活性ガス、可燃限
界温度以下のＨ₂ もしくはCOを含む 700℃以上の還元性
ガス、またはこれらの混合ガスを用いることを特徴とす
る請求項１に記載の加熱方法。
【請求項３】高温無酸化性ガスの供給は、鋼材表面温
度が 700℃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その近傍に吹き込むか、またはこれ
らの吹込みによって炉内酸化性ガスと置換させるいずれ
かの方法を用いることを特徴とする請求項１に記載の加
熱方法。
【請求項４】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ことを特徴とする
請求項１に記載の加熱方法。
【請求項５】上記無酸化性ガス予熱装置は、少なくと
も２個で１組をなす蓄熱体を有する熱交換器であって、
その蓄熱体のいずれか一方を加熱炉燃焼ガスを導入する
蓄熱系とし、その他方を無酸化性ガスの送風系として、
これらの切換えによる熱交換にて高温無酸化性ガスを発
生させるものである請求項４に記載の加熱方法。