JPS644090B2 - - Google Patents

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
融亜鉛メツキ設備（CGL）等の薄鋼板の連続加
熱炉（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。

［従来の技術］ 鋼帯の連続焼鈍炉、連続溶融亜鉛メツキ設備等
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エツトバーナを
使用し、火炎を鋼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ツプバーナを使
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。

高速ジエツトバーナは、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
のガスジエツトを噴出せしめて、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鋼帯に直接衝突するの
で、その中に存在するO₂，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１０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、被加熱物温度が高温度の領域で高い
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CO，H₂等の還元性の未燃成分
が含まれるので、この燃料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、鋼帯に生じ
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熱回収に別途の
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，H₂等による
還元作用に効果的である。従つて空気予熱ができ
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、バーナ周方向に沿つた燃焼用
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、−0.1D〜＋
0.25D（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。

［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、空気吐出孔からノ燃焼
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つて、燃焼中間生成物（中間
イオン、ラジカル等）を多量に含み且つ未反応の
遊離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つ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よる一測定例
を示すもので、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、したがつて燃焼中間生
成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
つて非平衡領域が形成され、その外方はCO₂，
H₂O，N₂等を含む準平衡領域となつている。

第１３図はこのような加熱バーナの還元加熱特
性、すなわち、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の範囲において鋼帯を約900℃まで無酸化
加熱できるものである。

［実施例］ 第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すも
ので、１はバーナ本体たる筒状（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
つ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
イルの内部と連通す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ツプするように設
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
よつてガスが再循環することにより燃焼が促進さ
れ、もつ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〜＋
0.25D（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Ｌ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、反面遊離O₂（未反応O₂）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、この遊離
O₂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＋0.25D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−0.25D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、O₂濃度及びイオン強度
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O₂の
軸方向における残存距離L₀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O₂の軸方向残存距離L₀との
関係を示すもので、これによればＮが−0.1Dよ
りも（−）側に大きくなると、L₀が急激に大き
くなつており、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とし
た場合の、バーナ開口からのバーナ軸方向距離と
O₂濃度、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、O₂濃度にも問題がなく、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。

然しながら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１７図
の距離Ｎ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、＋0.25D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、＋0.25D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Ｎに関して
は、−0.1D〜0.25Dの範囲と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Ｌ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。従つて0.6D〜3.0D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、100mm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。したがつて、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
鋼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１８図は距離Ｌ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）までの距離L_R
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までの距離Ｌ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つて噴射させた場合、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。前述したように本発明の加熱
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によつ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つて吐出
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
が判つた。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）に沿つて輻射し得
るようバーナタイルの内方位置に形成したもので
ある。

このように燃料ガスを軸方向に沿つて噴射する
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するよう
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
α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゜以下の範囲とするこ
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囲に亘つて
形成させることができる。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せる
ことができ、安定且つ確実な無酸化・還元加熱を
加能ならしめる。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、鋼帯等の連続熱処
理において、鋼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、バーナと鋼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図は第５図中−線に沿う
断面図ある。第７図は本発明加熱バーナの他の実
施例を示す水平断面図である。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
性を示すものである。第１４図ないし第１８図は
加熱バーナの特性を示すものであり、第１４図
は、燃料ガス吐出孔と空気吐出孔とのバーナ軸方
向における距離Ｎを−0.25Dとした場合のバーナ
出口からの距離とガス温度、O₂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O₂の
バーナ軸方向残存距離L₀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
距離Ｌとガス温度、O₂濃度、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１
８図は空気吐出孔からバーナ出口までの距離Ｌと
非平衡領域の末端までの距離L_Rとの関係を各示
すものである。第１９図は従来の高速ジエツトバ
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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端が開口した筒状バーナタイルの壁体内
   に、バーナ周方向に沿つ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〜＋
   0.25D（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 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 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つて複数の燃焼用空
   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。