JPS6252312A - 直火還元加熱バ−ナ - Google Patents

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］ 本発明は、鋼材、連続焼鈍炉（ＣＡＬ）、連続溶融亜鉛
メッキ設備（ＣＧＬ）等の薄鋼板の連続加熱？（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ｖ／４］ 銅帯の連続焼鈍炉、連続溶融亜鉛メッキ設備等における
直火式無酸化加熱の従来方法としては、一般的な拡散バ
ーナ或いは高速ジェットバーナを使用し、火炎を銅帯へ
衝突させ対流伝熱を主とし　　　・て加熱する方法及び
ラジアントカップバーナを使用し、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。

高速ジェットバーナは、第１９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
ジェットを噴出せしめて、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銅
帯に直接衝突するので、その中に存在する０２　、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２０図に示す如く、バーナタイルの半球状凹部（１
０）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Ｉ
Ｘ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Ｇｏ、８２等の還元性の未燃
成分が含まれるので、この燃焼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、銅帯に生じた酸化膜
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然回収に別
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、１−１２等による還元作
用に効果的である。従っ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
壁体内に、バーナ周方向に沿った燃焼用空気の旋回流路
を設けるとともに、該旋回流路をバーナ内部と連通させ
る複数の燃焼用空気吐出孔を設け、バーナタイル内方中
心部に燃料ガス吐出孔を設け、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、−０，１［）〜＋０．２５０　（Ｄ　：バ
ーナ内径）に設定する。

（ｂ）燃焼用空気吐出孔からバーナタイル開口までの距
離りを０．６Ｄ〜３０（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、空気吐出孔がらノ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って、燃焼中間生成物
（中間イオン、ラジカル等）を多回に含み且つ未反応の
遊１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１２図は、この
ような加熱バーナによって形−成される火炎中非平衡領
域のイオン検出プローブにょる一測定例を示ずもので、
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、したがって燃焼中間生酸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、バーナ出口外方の所定の範囲に亘って非
平衡領域が形成され、その外方はＣＯ２。

Ｈ２０，Ｎ２等を含む準平衡領域となっている。

第１３図はこのような加熱バーナの還元加熱特性、すな
わら、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ｗＡＶＪ５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１ 第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すもので、（
１）はバー九本体たる筒状（円筒状）のバーナタイルで
ある。

バーナタイル（１）の壁体内にはバーナ周方向に沿った
燃焼用空気の旋回流路（４）が形成されている。本実施
例では周方向で対向するように２つの旋回流路（４）が
形成されている。各旋回流路（４）は、その幅がバーナ
の周方向（第２図において時計回り方向）で先細り状に
構成され、その先端にバーナタイルの内部と連通ずる燃
焼用空気吐出孔（２）が形成されている。一方各旋回流
路（４）の後端はバーナタイル後端に設けられた空気室
（ａ）に開放しており、旋回流路（４）への空気導入口
（４１）を構成している。

第３図及び第４図は他の実施例を示すもので、バーナ周
方向に上記実施例と同様の４つの旋回流路（４）を上下
で一部オーバーラップするように設け、各旋回流路（４
）の末端位置に燃焼用空気吐出孔（２）を設けたもので
ある。

なお、以上の第１図及び第２図、第３図及び第４図の各
実施例において、燃焼用空気吐出孔（２）は旋回流路（
４）途中の位置にも形成し得る。

また、第５図及び第６図は他の実施例を示すもので、旋
回流路（４）をバーナ周方向に設けられる１本の螺旋状
流路に構成し、この螺旋状の旋回流路（４）の長さ方向
に間隔をおいて燃焼用空気吐出孔（２）を形成させたも
のである。なお、本実施例では、流路内の各燃焼用空気
吐出孔（２）の位置に整流用のガイド板（Ｐ）が設けら
れている。

燃焼用空気は、上述したような旋回流路（４）を流れる
ことにより、バーナ周方向での旋回力が付与され、燃焼
用空気吐出孔から吐出された空気はバーナ内部で旋回流
となる。そしてこの旋回流によりバーナ内側に負圧領域
が形成され、この負圧によってガスが再循環することに
より燃焼が促。

進され、もって適切な非平衡領域を形成せしめることが
できる。特に本発明では、吐出前の段階で旋回流路（４
）により旋回流を形成でき、これを空気吐出孔からその
ままバーナ内部に導入できるためバーナ内側に運動エネ
ルギーの大きい空気旋回流を形成できる。

さらに本発明の加熱バーナでは、バーナタイル内方中心
部に燃料ガス吐出孔（３）が設けられている。上記した
各実施例ではバーナタイル内端壁、　　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、噴射方向がバーナタイル径方向であ
る複数の燃料ガス吐出孔（３）が形成されている。

そしてさらに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
．２５０（Ｄ＝バーナ内径）に設定する。

（ｂ）　　燃焼用空気吐出孔（２）からバーナタイル開
口までの距離りを０．６Ｄ〜３Ｄ（Ｄ：バーナ内径）に
設定する。

かかる内容について具体的に説明すると、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１
１１１ｉ０２　（未反応０２）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１１ｔＯ２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＋０．２５０が限界となる。第１４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−０，２５０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、
０？Ｉｆｆ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０２の軸方向における残存距離ＬＯが大きく存在
することが示されている。

第１５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０２の軸方向残存距離ＬＯとの関係を示すも
ので、これによればＮが−０，１［）よりも（−）側に
大きくなると、ＬＯが急激に大きくなっており、このた
め（−）側では−０，１Ｄが限界となる。一方、第１６
図はＮを＋０．１Ｄとじた場合の、バーナ開口からのバ
ーナ軸方向距離と０２１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１５図及び第１６図によれば、Ｎが（＋）側であ
れば、０２ａｉ１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。

然しなから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１１図の距ＩＮ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、＋　０．２５０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、＋　０．２５　［）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１　Ｎ　ＧＣＩＩＩ　Ｌ／　ｉ”　
Ｇｅｔ、−０，１［）　〜０．２５　Ｄ（７）範囲トす
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
離り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。従って０．６［）〜３．Ｏ
Ｄ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、１１００ａ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。したがって、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銅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１
８図は距離り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１６図中のＡ点）までの距１ｌ
ＩｉＬＲ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１！１ｔＬは
０．６Ｄ〜３．０Ｄの範囲とすることが望ましい。

第７図ないし第１１図は本発明のいくつかの実施例を示
すものである。これらのうち第７図に示すものは、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）を、その燃料ガス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したものである。

燃料ガス吐出孔（３）をこのような構成とするのは、燃
焼用空気に旋回力を付与し、燃料ガスを単にバーナ径方
向に沿って噴萌させた場合、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場
合があるためであり、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Ｊ：うに本発明の加熱バ
ーナはバーナ内部を流れる空気流を旋回流とすることに
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、旋回流路
（４）によって空気に旋回力を付与し、燃料ガスをガス
ノズルからバーナ径方向に向って吐出させた場合、バー
ナ内に空気の強力な旋回流を生じて火炎中に強い負圧領
域を生じ、この結果、火炎温度分布に偏差を生じるよう
な場合があることが判った。そこで本実施例は、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８図は同様の目的を有する他の実施例を示すもので、
上述した各実施例では、燃料ガス吐出孔（３）をバーナ
タイル内端壁に突設された燃料ガスノズルの周方向に間
隔的に設けたものであるのに対し、これをガスノズル前
面に設け、燃料ガス　゛をバーナ軸方向（バーナ出口方
向）に沿って輻射し得るようバーナタイルの内方位置に
形成したちのである。

このように燃料ガスを軸方向に沿って噴射することによ
り空気流の旋回力が緩和され、第７図に示す実施例と同
様の効果が得られる。

なお、燃料ガスバーナ（７）の燃料ガス吐出孔（３）は
、例えば第９図及び第１０図に示すようにそのガス噴射
方向をバーナ軸方向に対し適当な角度外向きに傾斜させ
ることができる。またこのような構成において、この燃
料ガス吐出孔（３）の噴射方向に第７図に示されるよう
な角度を付し、その燃料ガス流を、空気旋回流と逆向き
から衝突づるような旋回流となすことができる。

また、燃料ガス吐出孔（３）は第１図、第８図、第９図
に各示すものを適当に組み合せた形で形成し得るもので
あることは言うまでもなく、例′えば燃料ガスノズルの
周方向に複数、ノズル前面に１または複数吐出孔を設け
たような構造とすることもできる。

第１１図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０番を付したものであ
り、このように広がり角α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α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°以下の範囲とけることが好しい。

［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。特に本発
明では、燃焼用空気の旋回流を吐出前の段階でバーナ周
方向の旋回流路内で形成させ、これを空気吐出孔からそ
のままバーナ内部に導入できるためバーナ内側に運動エ
ネルギーの大きい空気旋回流を形成でき、この結果温度
分布の均一化が図られつつ効果的な急速燃焼が実現し、
安定且つ強力な還元領域を広範面に亘って形成ざ仕るこ
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けることができ、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、銅
帯等の連続熱処理において、銅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°と銅帯との間隔を比較的大きく取れる
ため、形状不良の鋼板等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。

また本発明の加熱バーナはバーナタイル内壁に傾斜した
燃焼用空気吐出孔を穿孔するなどという必要がないため
工作が極めて容易であり、また工作上の制約がないため
空気吐出孔を大きくすることができ、このため空気供給
圧を下げることも可能である等の利点を有する。

【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図及び第４図は本発明加熱バ
ーナの他の実施例を示すもので、第３図は縦断面図、第
４図は第３図中■−■線に沿う断面図である。第５図及
び第６図は本発明加熱バーナの他の実施例を示すもので
、第５図は縦断面図、第６図はｆＪ１５図中Ｖｌ　−Ｖ
ｌ線に沿う断面図である。第７図は本発明加熱バーナの
他の実施例を示ず水平断面図である。第８図は同じく本
発明加熱バーナの他の実施例を示す縦断面図である。第
９図及び第１０図は本発明加熱バーナにおける燃料ガス
ノズルの他の実施例を示すもので、第９図は縦断面図、
第１０図は正面図である。第１１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１２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１３図は同じく加熱バーナの還元加熱
特性を空気吐出孔とのバーナ軸方向における距離Ｎを−
０，２５０とした場合のバーナ出口からの距離とガス温
度、０２濃度、イオン強度との関係、第１５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０２のバーナ軸方向残存距離ＬＯとの関係、第１６
図は距離Ｎを＋０．１Ｄとした場合のバーナ出口からの
距ＩＬとガス温度、０２１度、イオン強度との関係、第
１７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１８図は空気吐出孔か
らバーナ出口までの距ＩＩＩＬと非平衡領域の末端まで
の距離ＬＲとの関係を各示すものである。第１９図は従
来の高速ジェットバーナを示す断面図、第２０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、（４）は旋回流路
、（５）はバーナタイル開口、（６）はバーナタイル内
壁を各示す。 第　　１　　　図 第２図 第　　７　　ｚ 第８図 第　　９　　、図　　　　第　１０　間第１１　図 第１２図 第１３図 霊気ル 第１４図 ＩＩ　１５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）先端が開口した筒状バーナタイルの壁体内に、バ
   ーナ周方向に沿った燃焼用空気の旋回流路を設けるとと
   もに、該旋回流路をバーナ内部と連通させる複数の燃焼
   用空気吐出孔を設け、バーナタイル内方中心部に燃料ガ
   ス吐出孔を設け、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てなる直火還元加熱バーナ。 （ａ）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〜＋０．２
   ５Ｄ（Ｄ：バーナ内径）に設定する。 （ｂ）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。
2. （２）旋回流路が複数設けられ、少なくとも各旋回流路
   の末端位置に燃焼用空気吐出孔が形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲（１）記載の直火還元加熱バ
   ーナ。
3. （３）旋回流路がバーナ周方向で螺旋状に形成され、該
   旋回流路長手方向に沿って複数の燃焼用空気吐出孔が形
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲（１）記
   載の直火還元加熱バーナ。