JP4873325B2 - 加熱炉の炉内雰囲気制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材を加熱する加熱炉の炉内雰囲気（酸素濃度）を制御する方法に関する。特に、本発明は、速やかに炉温を低下させる場合であっても、炉内雰囲気を安定化させることができ、ひいては鋼材の品質を維持したり、発煙を防止することが可能な加熱炉の炉内雰囲気制御方法に関する。

従来より、鋳片や鋼片等の鋼材の加熱炉は、鋼材を分塊圧延したり熱間圧延する場合に、それら圧延に適した温度に鋼材を加熱するために用いられている。

加熱炉は、一般的に、鋼材の装入側から順に予熱帯、加熱帯及び均熱帯を有する。加熱炉は、生産性を重視して速やかに鋼材の温度を上昇させる必要があるため、熱処理炉のようにラジアントチューブを用いるのではなく、少なくとも加熱帯及び均熱帯にバーナーが設けられている。そして、この設置されたバーナーで燃料と燃焼用空気とを直接混合させて燃焼させることにより、炉内を所定温度に加熱保持している。装入扉から予熱帯に導入された鋼材は、搬送路上を移動し、加熱帯、均熱帯を経て、均熱帯出側の抽出扉から炉外へ搬出される間に、所定温度に加熱される。なお、バーナーでの燃焼によって生じた排ガスは、予熱帯の入側に設けられた煙道から炉外に排出される。その際、煙道に設けたレキュペレータによって、バーナーに供給する燃焼用空気の予熱を行って排ガス中の熱を回収している。さらに、煙道には、炉圧を制御するためのダンパーも配置されている。

ここで、加熱炉の炉圧が低下すると、炉外から空気が流入して、炉内の酸素濃度が上昇することにより、鋼材の表面に形成される脱炭層や酸化スケール層が増加したり、表面肌が荒れるといった鋼材の品質低下を招く虞がある。このため、従来より、炉圧を適切に制御する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、加熱炉の炉温は、バーナーに供給される燃料の流量によって制御される。また、バーナーに供給される燃焼用空気の流量は、バーナーに供給される燃料の流量と、燃焼効率等の観点から決定された空燃比（バーナーに供給される燃焼用空気の流量と燃料の流量との比率）とに応じて調整される。より具体的には、バーナーに対して燃焼用空気を供給するための配管に流量調整弁を設け、この流量調整弁の開度を調整することにより、燃焼用空気の流量を調整している。この空燃比が変動して燃焼用空気の流量が過剰になった場合には、炉内の酸素濃度が上昇するため、前述した炉圧が低下する場合と同様に、鋼材の表面に形成される脱炭層や酸化スケール層が増加したり、表面肌が荒れるといった鋼材の品質低下を招く虞がある。一方、空燃比が変動して燃焼用空気の流量が過少になった場合には、不完全燃焼により、発煙が生じる虞がある。このため、従来より、空燃比を適切に制御する方法が種々提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２２０６２０号公報 特開昭６０−１２９５９４号公報

しかしながら、従来の炉圧や空燃比を制御する方法では、鋼材の品質低下や発煙が生じる虞を回避できない場合がある。

例えば、鋼材の圧延操業の状況に応じて鋼材の在炉時間が長くなった場合、脱炭層や酸化スケール層が増加して、鋼材の品質が低下する虞がある。これを回避するために、速やかに炉温を低下させなければならない場合がある。また、鋼材の材質によっては、加熱温度を低めに保たなければならない場合がある。このため、昨今の生産量が拡大する状況において、同じ加熱炉を用いて、多種の鋼材を生産性を低下させずに処理するには、速やかに炉温を変更する必要がある。このようなケースにおいて、速やかに炉温を低下させるには、バーナーに供給する燃料の流量を低下させればよいが、適切な空燃比が得られるように、これに応じてバーナーに供給する燃焼用空気の流量も低下させなければならない。

しかしながら、流量調整弁の機械的特性上の問題により、所定値未満の低流量域では燃焼用空気の流量を適切に制御できないという問題がある。例えば、本発明者らが行った試験では、流量調整弁の開度を１０％未満にすると、流量調整弁の開度と流量とが比例しないため、燃焼用空気の流量を適切に制御することができなかった。このため、供給する燃料の流量に対して燃焼用空気の流量が過剰になり、その結果、脱炭層や酸化スケール層の生成が顕著となって、鋼材の品質低下を招いたり、逆に供給する燃料の流量に対して燃焼用空気の流量が過少になって発煙が生じる虞がある。従って、速やかに炉温を変更するには、限界があった。

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、速やかに炉温を低下させる場合であっても、炉内雰囲気を安定化させることができ、ひいては鋼材の品質を維持したり、発煙を防止することが可能な加熱炉の炉内雰囲気制御方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、予熱帯、加熱帯及び均熱帯を有する加熱炉の炉内雰囲気を制御する方法であって、少なくとも均熱帯に設けたバーナーに対して燃焼用空気を供給するための主配管に第１の流量調整弁を設けると共に、前記主配管に連通し前記主配管よりも小径のバイパス配管に第２の流量調整弁を設け、前記バーナーに供給する燃焼用空気の流量を所定値未満に制御する場合、前記第１の流量調整弁の開度を０％に設定し、前記第２の流量調整弁の開度調整のみで前記燃焼用空気の流量を制御することを特徴とする加熱炉の炉内雰囲気制御方法を提供する。

本発明に係る方法によれば、少なくとも均熱帯に設けたバーナーに対して燃焼用空気を供給するための主配管に第１の流量調整弁が設けられると共に、主配管に連通し主配管よりも小径のバイパス配管に第２の流量調整弁が設けられる。従って、少なくとも高温であるために脱炭層や酸化スケール層の増加に影響を及ぼし易い均熱帯に設けたバーナーに対して供給される燃焼用空気の流量は、第１及び第２の流量調整弁の開度をそれぞれ調整することによって調整可能である。例えば、小径のバイパス配管に設けられた第２の流量調整弁の開度を０％にして、主配管に設けられた第１の流量調整弁の開度のみを調整するのであれば、主配管のみを用いた従来方法と同様になる。すなわち、第１の流量調整弁の開度を所定値未満（例えば、１０％未満）にすると、第１の流量調整弁の開度と主配管を流れる燃焼用空気の流量とが比例しないため、燃焼用空気の流量を適切に制御することができない。

そこで、本発明に係る方法は、バーナーに供給する燃焼用空気の流量を所定値未満に制御する場合、第１の流量調整弁の開度を０％に設定し、第２の流量調整弁の開度調整のみで燃焼用空気の流量を制御することを特徴としている。バイパス配管に設けられた第２の流量調整弁の開度を所定値未満にすると、第１の流量調整弁の場合と同様に、第２の流量調整弁の開度とバイパス配管を流れる燃焼用空気の流量とは比例しなくなる。しかしながら、バイパス配管は主配管よりも小径であるため、たとえ第２の流量調整弁が第１の流量調整弁と同程度の開度で燃焼用空気の流量を適切に制御できなくなるとしても、制御可能な燃焼用空気の流量の下限は、主配管よりも小さくなる。従って、本発明によれば、低流量域でも燃焼用空気の流量を適切に制御することができる。

本発明に係る加熱炉の炉内雰囲気制御方法によれば、低流量域でも燃焼用空気の流量を適切に制御することができるため、速やかに炉温を低下させる場合であっても、炉内雰囲気を安定化させることができ、ひいては鋼材の品質を維持したり、発煙を防止することが可能である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る炉内雰囲気制御方法を適用する加熱炉及びその付帯設備の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す構成の一部（図１のＡで示す部分）を拡大して示す模式図である。図１に示すように、加熱炉１００は、鋼材Ｍの装入側から順に予熱帯、加熱帯及び均熱帯を有する。一般的に、予熱帯の炉温は５００〜７００℃、加熱帯の炉温は９００〜１１５０℃、均熱帯の炉温は１０５０〜１２５０℃に制御される。

加熱炉１００には、少なくとも加熱帯及び均熱帯にバーナー１が設けられている。図１に示す例では、加熱帯の上部域にバーナー１ａ、加熱帯の下部域にバーナー１ｂ、均熱帯の上部域にバーナー１ｃ、均熱帯の下部域にバーナー１ｄが設けられている。そして、この設置されたバーナー１（１ａ〜１ｄ）で燃料と燃焼用空気とを直接混合させて燃焼させることにより、加熱炉１００の炉内を前述したような所定温度に加熱保持している。装入扉（図示せず）から予熱帯に導入された鋼材Ｍは、搬送路２上を矢符Ｘの方向に移動し、加熱帯、均熱帯を経て、均熱帯出側の抽出扉（図示せず）から炉外へ搬出される間に、所定温度に加熱される。

なお、バーナー１での燃焼によって生じた排ガスは、予熱帯の入側に設けられた煙道３から炉外に排出される。その際、煙道３に設けたレキュペレータ４によって、バーナー１に供給する燃焼用空気の予熱を行って排ガス中の熱を回収している。煙道３には炉圧を制御するためのダンパー５が配置され、予熱帯には炉圧計６が配置されている。炉圧計６による炉圧測定値に基づきダンパー５を開閉することにより、加熱炉１００の炉圧が制御される。すなわち、炉圧計６による炉圧測定値が、予め設定した目標炉圧よりも低い場合にはダンパー５を閉じ、目標炉圧よりも高い場合にはダンパー５を開くように制御される。

図１及び図２に示すように、本発明に係る炉内雰囲気制御方法は、以上に説明した構成を有する加熱炉１００の少なくとも均熱帯（本実施形態では、均熱帯及び加熱帯の双方）に設けたバーナー１に対して燃焼用空気を供給するための主配管１０（１０ａ〜１０ｄ）に第１の流量調整弁１１を設けると共に、主配管１０に連通し主配管１０よりも小径のバイパス配管２０（２０ａ〜２０ｄ）に第２の流量調整弁２１を設けることを特徴としている。本実施形態では、バイパス配管２０の内径は主配管１０の内径の３／７、すなわちバイパス配管２０の断面積は主配管１０の断面積の１８％とされている。

ここで、主配管１０に対するバイパス配管２０の断面積が小さすぎると、主配管１０に設けた第１の流量調節弁１１の開度が小さくなり、燃焼用空気の流量を第１の流量調節弁１１の開度調整によって適切に制御できなくなったときに、バイパス配管２０に設けた第２の流量調節弁２１の開度調整による制御へ円滑に且つ連続的に移行できない。一方、主配管１０に対するバイパス配管２０の断面積が大きすぎると、バイパス配管２０に設けた第２の流量調節弁２１の開度調整によって制御可能な燃焼用空気の流量の下限が大きくなる（主配管１０に設けた第１の流量調節弁１１の開度調整によって制御可能な燃焼用空気の流量の下限との差が縮まる）ため、低流量域での燃焼用空気の流量を適切に制御できない。よって、バイパス配管２０の断面積は、主配管１０の断面積の１５〜２５％とするのが望ましい。

なお、燃焼用空気は、ブロア（図示せず）より供給され、レキュペレータ４によって煙道を流れる排ガスから回収された熱で予熱された後、元配管３０より分岐した主配管１０（１０ａ〜１０ｄ）に送られる。

そして、本発明に係る炉内雰囲気制御方法は、バーナー１に供給する燃焼用空気の流量を所定値未満に制御する場合、第１の流量調整弁１１の開度を０％に設定し、第２の流量調整弁２１の開度調整のみで燃焼用空気の流量を制御することを特徴としている。

本実施形態では、下記の表１に示すように、バーナー１に供給する燃焼用空気の流量（すなわち、第１の流量調整弁１１出側の流量Ｖ１と、第２の流量調整弁２１出側の流量Ｖ２との和）をその最大流量（すなわち、第１の流量調整弁１１及び第２の流量調整弁２１の双方を全開した場合に得られる流量であり、表１において１００％で示す）の１０％未満とする場合に、第１の流量調整弁１１の開度を０％に設定し、第２の流量調整弁２１の開度調整のみで燃焼用空気の流量を制御している。なお、流量調整弁の開度は、この流量調整弁を設けた配管を流れ得る燃焼用空気の最大流量（流量調整弁を全開したときに得られる流量）に対して、実際に流そうとする燃焼用空気の流量の比率を意味する。例えば、第１の流量調整弁１１の開度を１００％にするとは、第１の流量調整弁１１を全開した状態であり、第１の流量調整弁１１出側の流量Ｖ１が最大になることを意味する。第１の流量調整弁１１の開度を０％にするとは、第１の流量調整弁１１を全閉した状態であり、第１の流量調整弁１１出側の流量Ｖ１が０になることを意味する。第１の流量調整弁１１の開度を１０％にするとは、第１の流量調整弁１１出側の流量Ｖ１をその最大流量に対して１０％にすることを意味する。

本実施形態では、前述のように、バイパス配管２０の内径を主配管１０の内径の３／７とすることにより、第１の流量調整弁１１出側の燃焼用空気の最大流量を１６０００Ｎｍ^３／ｈとし、第２の流量調整弁２１出側の燃焼用空気の最大流量を２９００Ｎｍ^３／ｈとしている。そして、上記の表１に示す制御方法を適用することにより、バーナー１に供給する燃焼用空気の流量をおよそ２９０Ｎｍ^３／ｈ程度（第２の流量調整弁２１近傍に設けたオリフィス流量計で確認）の低流量域まで狙い通りの流量に制御可能であることが分かった。そして、均熱帯に配置した酸素濃度計７で炉内の酸素濃度を確認したところ、バーナー１に供給する燃焼用空気の流量を低流量域とした場合に、１〜２％程度にまで酸素濃度を調整可能であることが分かった。

これに対し、主配管１０に設けた第１の流量調整弁１１のみを用いた従来方法による調整（この際、第１の流量調整弁１１出側の燃焼用空気の最大流量を１６０００Ｎｍ^３／ｈとした）では、およそ１６００Ｎｍ^３／ｈ程度（第１の流量調整弁１１近傍に設けたオリフィス流量計で確認）の流量域までしか狙い通りの流量に制御できなかった。そして、均熱帯に配置した酸素濃度計７で炉内の酸素濃度を確認したところ、バーナー１に供給する燃焼用空気の流量を低流量域とした場合に、酸素濃度が４％以上に上昇することがあり、酸素濃度を安定して低く調整できないことが分かった。

以上に説明したように、本発明に係る加熱炉の炉内雰囲気制御方法によれば、低流量域でも燃焼用空気の流量を適切に制御することができるため、速やかに炉温を低下させる場合であっても、炉内雰囲気（酸素濃度）を安定化させることができる。この結果、鋼材Ｍの品質を維持したり、発煙を防止することが可能である。

図１は、本発明に係る炉内雰囲気制御方法を適用する加熱炉及びその付帯設備の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す構成の一部を拡大して示す模式図である。

符号の説明

１・・・バーナー
２・・・搬送路
３・・・煙道
４・・・レキュペレータ
５・・・ダンパー
６・・・炉圧計
７・・・酸素濃度計
１０・・・主配管
１１・・・第１の流量調整弁
２０・・・バイパス配管
２１・・・第２の流量調整弁
３０・・・ブロア
１００・・・加熱炉

Claims (1)

1. 予熱帯、加熱帯及び均熱帯を有する加熱炉の炉内雰囲気を制御する方法であって、
   少なくとも均熱帯に設けたバーナーに対して燃焼用空気を供給するための主配管に第１の流量調整弁を設けると共に、前記主配管に連通し前記主配管よりも小径のバイパス配管に第２の流量調整弁を設け、
   前記バーナーに供給する燃焼用空気の流量を所定値未満に制御する場合、前記第１の流量調整弁の開度を０％に設定し、前記第２の流量調整弁の開度調整のみで前記燃焼用空気の流量を制御することを特徴とする加熱炉の炉内雰囲気制御方法。

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