JP7091386B2 - 酸素バーナ - Google Patents

Description

本発明は、超音速で酸素を噴出し、火炎を形成する酸素バーナに関するものである。

従来から、工業炉における炉内の加熱には、例えば、燃料ガスと酸化剤とによって火炎を発生させるバーナが用いられている。バーナに供給する酸化剤としては、一般的には空気が用いられるが、加熱効率の向上や省エネルギー等の観点から、空気に酸素を混合した酸素富化空気、あるいは、酸素からなる支燃性ガスが用いられることがある。

例えば、製鋼分野における電気炉を用いたプロセスでは、鉄屑等の冷鉄源からなる原料をアークで加熱して溶解させるにあたり、これを補助するために、炉内に酸素を噴出させるか、あるいは、酸素バーナによる火炎を噴出させることで、原料の加熱溶解を促進している。このとき、酸素の噴出速度は、できる限り高い方が加熱効果を高められることから、従来から、酸素を超音速で炉内に吹き込む処理等が行われている。

一般に、酸素を超音速で噴出させる場合には、例えば、流路の断面を一旦収縮させた後、再び断面が拡大するように構成した、所謂ラバールノズルと呼ばれるものが広く用いられている（例えば、特許文献１，２を参照）。

ここで、ラバールノズルによる流体の速度（マッハ数Ｍ）は、ノズルの一次圧力Ｐ_１、二次圧力Ｐ_２及び比熱比γで表され、下記（１）式で表される関係を有する。

上記（１）式中、Ｍ：マッハ数（－）、γ：酸素ガスの比熱比（－）、Ｐ_１：ノズルの一次圧力（供給側の酸素ガスの圧力：Ｐａ）、Ｐ_２：ノズルの一次圧力（供給側の酸素ガスの圧力：Ｐａ）である。

また、酸素のマッハ数、及び、噴出先の圧力が既知である場合には、必要な供給圧力が一義的に求められる。ここで、音速α（ｍ／ｓ）は、気体定数Ｒ、ガス温度Ｔを用いて、下記（２）式で求められる。

上記（２）式中、α：音速（ｍ／ｓ）、γ：酸素ガスの比熱比（－）、Ｒ：気体定数（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｔ：酸素ガス温度（Ｋ）である。

図５に、一般的なラバールノズルの構造を示す。
図５中において、ガスの流れ方向は、図５の横幅方向で右側から左側となる（図５中の矢印を参照）。図５に示すようなラバールノズルにおいては、流路断面積を収縮させることにより、速度を音速まで上昇させ、その後、流路断面積を拡大させることで、断熱膨張現象を利用して酸素の超音速流を生成する。図５に示すラバールノズルにおいて、最も流路が絞られる内径Ｄ_１の位置がスロートと呼ばれ、その下流側における膨張したガスの圧力が、ノズルの出口における雰囲気圧力と等しくなる位置の径をＤ_２とすると、このＤ_２の位置における膨張の度合いを適正膨張と呼ぶ。そして、Ｄ_１の位置の断面積をＡ_１＝πＤ_１ ^２／４、Ｄ_２の位置の断面積をＡ_２＝πＤ_２ ^２／４とすると、各断面積の関係は、マッハ数Ｍ及び比熱比γを用いて、下記（３）式で表される。

上記（３）式中、Ａ_１：図５中に示すＤ_１の位置の断面積（ｍ^２）、Ａ_２：図５中に示すＤ_２の位置の断面積（ｍ^２）、Ｍ：マッハ数（－）、γ：酸素ガスの比熱比（－）である。

また、このときの質量流量ｍは、ガス流入時の圧力Ｐ_０及び温度Ｔ_０から、下記（４）式で求められる。

上記（４）式中、ｍ：質量流量（ｋｇ／ｓ）、Ａ_１：図５中に示すＤ_１の位置の断面積（ｍ^２）、Ｐ_０：酸素ガス流入時の圧力（Ｐａ）、Ｒ：気体定数（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｔ：酸素ガス温度（Ｋ）、γ：酸素ガスの比熱比（－）である。

従って、上記（１）～（４）式を用いて、設計マッハ数、設計流量、ガス種、流入温度を決定すると、ラバールノズルの内径Ｄ_１，Ｄ_２が決定する。

特開２００４－０９３１１０号公報 特開２００３－１９４３０７号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたようなラバールノズルを用いた場合、ノズルの内径が上記各式で決定されると、設計時の定格流量及び設計圧力以外では、適正膨張を達成することができないという問題がある。即ち、設計値よりも流量が小さいか、あるいは、雰囲気圧力が低い場合には、ノズル内においてガスが膨張し過ぎる、所謂過膨張の状態になるという問題があった。一方、設計値よりも流量が大きいか、あるいは、雰囲気圧力が高い場合には、ガスが十分に膨張しないままで噴出する、所謂不足膨張の状態となり、エネルギーロスが生じるという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、設計値とは異なるガスの流量や圧力で運転条件が変動した場合であっても、エネルギーロスを抑制しながら超音速噴流を達成でき、且つ、噴流速度が減衰するのを抑制することが可能な酸素バーナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。
即ち、請求項１に係る発明は、少なくとも、中心軸と同軸で配置され、下流端側に設けられた支燃性ガス噴出口から酸素を含む支燃性ガスを噴出する支燃性ガス流路と、前記支燃性ガス流路よりも外周側に、該支燃性ガス流路を取り囲むように平行に配置され、前記下流端側に設けられた燃料ガス噴出口から燃料ガスを噴出する複数の燃料ガス流路とを備える酸素バーナであって、前記支燃性ガス流路の内部に、前記支燃性ガス流路と同軸となるように配置されたプラグを有し、前記プラグは、前記支燃性ガスの噴出方向における下流側の少なくとも一部に、前記支燃性ガスの噴出方向に向かうに従って外径が漸次縮小する第１テーパ部が設けられ、前記支燃性ガス噴出口は、前記支燃性ガス流路の内面と前記プラグとの隙間からなり、且つ、前記下流端側から見た平面視形状が環状である、酸素バーナである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の酸素バーナであって、前記プラグは、さらに、前記支燃性ガスの噴出方向における上流側に、下流側に向かうに従って外径が漸次拡大する第２テーパ部が設けられており、前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間が、外径が一定の直胴部とされている、酸素バーナである。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の酸素バーナであって、前記支燃性ガス流路における内面は、前記支燃性ガスの噴出方向における下流側が、該下流側に向かうに従って内径が漸次縮小する縮径部とされるとともに、前記支燃性ガスの噴出方向における上流側が、下流側に向かうに従って内径が漸次拡大する拡径部とされ、さらに、前記縮径部と前記拡径部との間が、内径が一定の大径部とされている、酸素バーナである。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の酸素バーナであって、前記支燃性ガス流路と前記プラグとは、前記縮径部と前記第１テーパ部とが対向するように配置されるとともに、前記拡径部と前記第２テーパ部とが対向するように配置され、さらに、前記大径部と前記直胴部とが対向するように配置されている、酸素バーナである。

また、請求項５に係る発明は、請求項１～請求項４の何れかに記載の酸素バーナであって、前記支燃性ガス噴出口は、前記支燃性ガスを超音速で噴出する、酸素バーナである。

また、請求項６に係る発明は、請求項１～請求項５の何れかに記載の酸素バーナであって、前記燃料ガス噴出口は、前記下流端側から見た平面視で前記支燃性ガス噴出口を取り囲むように複数で配置されている、酸素バーナである。

また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の酸素バーナであって、さらに、前記複数の燃料ガス流路よりも外周側に、該複数の燃料ガス流路を取り囲むように平行に配置され、前記下流端側に設けられた周囲支燃性ガス噴出口から前記支燃性ガスを噴出する複数の周囲支燃性ガス流路を備え、前記周囲支燃性ガス噴出口は、前記下流端側から見た平面視で前記燃料ガス噴出口を取り囲むように複数で配置されている、酸素バーナである。

また、請求項８に係る発明は、請求項１～請求項７の何れかに記載の酸素バーナであって、前記プラグは、前記第１テーパ部が前記中心軸に対してなす角度θが３０°未満である、酸素バーナである。

本発明に係る酸素バーナによれば、上記のように、支燃性ガス流路の内部に、支燃性ガスの噴出方向に向かうに従って外径が漸次縮小する第１テーパ部を有するプラグを配置し、支燃性ガス流路の内面と前記プラグとの隙間からなる支燃性ガス噴出口から支燃性ガスを噴出する構成を採用している。これにより、超音速で酸素を含む支燃性ガスを噴出させる際、設計値とは異なるガスの流量や圧力で運転条件が変動した場合であっても、従来のラバーノズルを使用した場合と比較して、エネルギーロスを抑制しながら超音速噴流を達成できる。また、エネルギーロスを抑制することで、噴流速度が減衰することも抑制できる。
従って、工業炉内を加熱する用途、例えば、鉄屑等の冷鉄源からなる原料を加熱して溶解させるプロセス等において、炉内に酸素を噴出させるか、あるいは、酸素バーナによる火炎を噴出させる際、安定した超音速噴流によって原料の加熱溶解を効果的に促進することが可能になる。

本発明に係る酸素バーナの作用について説明するための模式図であり、酸素バーナの中心軸を含むエアロスパイクノズルの基本構造の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態である酸素バーナについて模式的に説明する図であり、図２（ａ）は燃焼ガス流路を備えた酸素バーナの一例を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中に示したＡ－Ａ断面図、図２（ｃ）は燃焼ガス流路を含まない例の酸素バーナの断面図、図２（ｄ），（ｅ）は支燃性ガス流路内に設けられるプラグの形状の一例を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態である酸素バーナについて模式的に説明する図であり、酸素バーナの他の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態である酸素バーナについて模式的に説明する図であり、図４（ａ）は燃焼ガス流路及び周囲支燃性ガス流路を備えた酸素バーナの一例を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中に示したＢ－Ｂ断面図である。 従来からバーナに用いられているラバールノズルの構造について説明する断面図である。 従来からバーナ用いられているラバールノズルの構造について説明する断面図である。 本発明に係る酸素バーナの実施例について説明する図であり、酸素バーナの各噴出口からの距離をノズルの口径で除した値と、支燃性ガスの噴流のマッハ数との関係を示すグラフである。 本発明に係るバーナの実施例について説明する図であり、支燃性ガスの流量と火炎長との関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した一実施形態である酸素バーナについて、図１～図４を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本発明に係る酸素バーナは、例えば、転炉や電気炉等の金属の溶解・製錬炉において、金属を加熱用途等に適用することが可能なものである。

図１は、本発明に係る酸素バーナの作用について説明するための模式図であり、酸素バーナの中心軸を含むエアロスパイクノズル１を示す断面図である。
図２（ａ）～（ｅ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態である酸素バーナ１Ａの構造を説明する図であり、図１に示したエアロスパイクノズル１に対し、さらに燃焼ガス流路を備えたバーナの例を示す図である。
図３は、本発明の第１実施形態において、燃焼ガス流路を備えた他の例の酸素バーナ１Ｂの構造を説明する断面図である。
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態である酸素バーナ１Ｃの構造を説明する図であり、さらに周囲支燃性ガス流路を備えた例の構造を示す断面図である。

なお、本明細書において参照する各図面は、それぞれ、各ガス流路及び噴出口の配置関係等を示すための模式図であることから、バーナノズルとしての構成の図示を一部省略している。また、以下の説明においては、酸素バーナを構成する各部の位置関係を規定するにあたり、バーナ中を流れる流体（ガス）の流れる方向を利用する。即ち、例えば、下流側といえば、バーナの先端側（下流端側）のことをいう。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る第１実施形態の酸素バーナの構成について詳述する。
以下の説明においては、まず、図２（ａ），（ｂ）に示すような酸素バーナ１Ａ内に備えられる、図１に示したエアロスパイクノズル１を参照して、本発明に係る酸素バーナで採用する、所謂エアロスパイクノズルの構成及び作用について説明する。

図１に示すエアロスパイクノズル１は、少なくとも、中心軸Ｊと同軸で配置され、下流端１ａ側に設けられた支燃性ガス噴出口２１から酸素を含む支燃性ガスＧ２を噴出する支燃性ガス流路２を備える。また、エアロスパイクノズル１は、支燃性ガス流路２の内部に、この支燃性ガス流路２と同軸となるように配置されたプラグ３を有している。このプラグ３は、支燃性ガスＧ２の噴出方向における下流側の少なくとも一部に、支燃性ガスＧ２の噴出方向に向かうに従って外径が漸次縮小する第１テーパ部３１が設けられている。そして、本実施形態のエアロスパイクノズル１は、支燃性ガス噴出口２１が、支燃性ガス流路２の内面２２とプラグ３との隙間からなり、且つ、下流端１ａ側から見た平面視形状が環状とされている。

図１に示すエアロスパイクノズル１は、上記構成を備えることで、下流端１ａ側に設けられた支燃性ガス噴出口２１から酸素を含む支燃性ガスＧ２を超音速噴流で噴出するものであり、エアロスパイクノズル構造としての最も基本的な構造を有するものである。

エアロスパイクノズルとは、上述したようなエネルギーロスを抑制するため、特に航空宇宙分野で研究が続けられてきたノズル形状であり、図１に示す例のエアロスパイクノズル１のように、流路（支燃性ガス流路２）内の中央（中心軸Ｊと同軸）に、プラグ（プラグ３）と称され、突起を有する構造部材を有する。

そして、図示例のエアロスパイクノズル１は、図５に示した従来から用いられているラバールノズルの場合と同様、下記（１）～（４）式を満たすものである。

上記（１）式中、Ｍ：マッハ数（－）、γ：酸素ガスの比熱比（－）、Ｐ_１：ノズルの一次圧力（供給側の酸素ガスの圧力：Ｐａ）、Ｐ_２：ノズルの一次圧力（供給側の酸素ガスの圧力：Ｐａ）である。
また、上記（２）式中、α：音速（ｍ／ｓ）、γ：酸素ガスの比熱比（－）、Ｒ：気体定数（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｔ：酸素ガス温度（Ｋ）である。
また、上記（３）式中、Ａ_１：図１中に示すＡ_１の位置の断面積（ｍ^２）、Ａ_２：図１中に示すＡ_２の位置の断面積（ｍ^２）、Ｍ：マッハ数（－）、γ：酸素ガスの比熱比（－）である。
また、上記（４）式中、ｍ：質量流量（ｋｇ／ｓ）、Ａ_１：図１中に示すＡ_１の位置の断面積（ｍ^２）、Ｐ_０：酸素ガス流入時の圧力（Ｐａ）、Ｒ：気体定数（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、Ｔ：酸素ガス温度（Ｋ）、γ：酸素ガスの比熱比（－）である。

図１に例示するようなエアロスパイクノズル１によれば、支燃性ガスＧ２がプラグ３の表面３ａに沿って流れながら膨張し、流速が加速的に増大し、支燃性ガス噴出口２１から外部に向けて支燃性ガスＧ２を超音速噴流で噴出する。これにより、仮に、支燃性ガスＧ２の流量が変化するか、あるいは、支燃性ガスＧ２は一定で雰囲気圧力が変化した場合であっても、常に、適正膨張を保持できる超音速噴流が形成される。

より詳細には、本実施形態のエアロスパイクノズル１によれば、まず、支燃性ガスＧ２がプラグ３における第１テーパ部３１の表面３ａ近傍で膨張するとともに、この支燃性ガスＧ２のジェットの圧力が低下し、雰囲気圧とジェットの内圧が等しくなったところで、支燃性ガス噴出口２１における支燃性ガス流路２側の先端部からジェットが離れる。そして、支燃性ガス噴出口２１から噴出した環状のジェットがプラグ３の先端３２近傍で合流することで、中実のジェットからなる支燃性ガスＧ２が外部に噴出される。このようなジェットの噴出速度は、支燃性ガスＧ２の流量が変化した場合でも何ら影響を受けず、また、支燃性ガスＧ２の流量が一定で雰囲気圧力が変化した場合も何ら影響を受けない。つまり、従来から用いられているラバールノズルは、ガス流体を末広がり形態で強制拡大する構造であるのに対し、本実施形態の酸素バーナ１Ａに用いられるエアロスパイクノズル１においては、支燃性ガスＧ２が自由に拡大可能な構造、即ち、雰囲気圧力等に応じて膨張し、支燃性ガスＧ２の流速が加速される構造とされている。

なお、支燃性ガスＧ２がプラグ３の表面３ａに沿って流れながら膨張する作用を得るためには、支燃性ガス流路２（支燃性ガス噴出口２１）は、径方向で内側、即ち、中心軸Ｊ側に向かうように開口していることがより好ましい。
より具体的には、プラグ３における第１テーパ部３１が、中心軸Ｊに対してなす角度θが３０°未満となるように構成されていることがより好ましい。

上記のように、第１テーパ部３１と中心軸Ｊとがなす角度θを３０°未満とすることにより、支燃性ガスＧ２がプラグ３の表面３ａに沿って断熱膨張する際の、流れの剥離や不要な乱れが生じるのを抑制できる。また、エアロスパイクノズル１の製作過程で生じる誤差等に起因する、流速の理論値からのずれが生じるのを抑制することが可能となる。これにより、支燃性ガスＧ２の噴流が乱れることなく超音速化する作用が安定的に得られる。

一方、第１テーパ部３１と中心軸Ｊとがなす角度θが３０°以上だと、支燃性ガスＧ２の流路が急激に広がるため、計算上で意図した超音速流が得られ難くなる場合がある。また、軸方向における僅かな製作過程で生じる誤差等により、支燃性ガス噴出口２１の断面積に大きなずれが生じるおそれがあるため、実用上好ましくない。

なお、第１テーパ部３１が中心軸Ｊに対してなす角度θの下限は、支燃性ガスＧ２の流れの観点からは、特に設定すべきものではない。しかしながら、プラグ３の長さ等を考慮した場合、上記角度θの下限値は、例えば、５°であり、好ましくは１０°とすることができる。一方、上記角度θが大きめである方が、プラグ３の軸方向長さを短く設計でき、エアロスパイクノズルを有する酸素バーナの全体長さをコンパクトにできるだけでなく、プラグ３がバーナの火炎や炉からの熱の影響を受け難くなる観点から好ましい。

但し、支燃性ガスＧ２がプラグ３の表面３ａで膨張できるようであれば、第１テーパ部３１と中心軸Ｊとがなす角度θ、即ち、支燃性ガス噴出口２１の開口方向は上記には限定されず、例えば、支燃性ガスＧ２の噴出方向が中心軸Ｊと平行となるように開口していても構わない。

なお、支燃性ガス流路２は、図示例のようなスリット状（円筒状）であることが好ましい。即ち、下流端１ａ側から支燃性ガス噴出口２１を見た時の形状が円管状であることが好ましい。これにより、酸素を含む支燃性ガスＧ２がプラグ３の表面３ａ上で膨張し、超音速で流れやすくなる。
一方、支燃性ガス流路は、上記のような構成には限定されず、例えば、複数の孔から支燃性ガス流路を構成してもよい。この場合、プラグ３に発生する熱は、エアロスパイクノズル１における支燃性ガス流路２の無い部分を効果的に伝播してゆくので、プラグ３が劣化し難くい。
なお、支燃性ガス流路２（支燃性ガス噴出口２１）の数、口径及び配置形態は、エアロスパイクノズルが備えられる酸素バーナのサイズ等に応じて適宜決定すればよい。

図１に示すエアロスパイクノズルによれば、プラグ３に上記のような第１テーパ部３１が設けられていることで、上記のような、支燃性ガスＧ２の流量や雰囲気圧力の変化に影響を受けることなく、超音速噴流で支燃性ガスＧ２を噴出することが可能となる。
一方、本実施形態では、図示例のように、プラグ３として、支燃性ガスＧ２の噴出方向における下流側に第１テーパ部３１が設けられるとともに、さらに、支燃性ガスＧ２の噴出方向における上流側に、下流側に向かうに従って外径が漸次拡大する第２テーパ部３３が設けられ、第１テーパ部３１と第２テーパ部３３との間が、外径が一定の直胴部３４とされたものを採用することがより好ましい。このような構成を採用することにより、上述したようなエアロスパイクノズル構造による、支燃性ガスＧ２の流量や雰囲気圧力の変化に影響を受けることなく、超音速噴流で支燃性ガスＧ２を噴出できる効果がより顕著に得られる。

また、図示例のエアロスパイクノズル１は、支燃性ガス流路２における内面２２は、支燃性ガスＧ２の噴出方向で下流側が、この下流側に向かうに従って内径が漸次縮小する縮径部２３とされるとともに、支燃性ガスＧ２の噴出方向で上流側が、下流側に向かうに従って内径が漸次拡大する拡径部２５とされ、さらに、縮径部２３と拡径部２５との間が、内径が一定の大径部２４とされている。
さらに、図示例のエアロスパイクノズル１は、支燃性ガス流路２とプラグ３とが、縮径部２３と第１テーパ部３１とが対向するように配置されるとともに、拡径部２５と第２テーパ部３３とが対向するように配置され、さらに、大径部と直胴部３４とが対向するように配置されている。
本実施形態のエアロスパイクノズル１は、上記構成を採用することで、上述したエアロスパイクノズル構造によって得られる効果がさらに顕著となる。

次に、本発明を適用した一実施形態として、図２（ａ）～（ｅ）に示すような、火炎を生成する酸素バーナ１Ａについて説明する。
図２（ａ），（ｂ）に示す酸素バーナ１Ａは、図１に示したエアロスパイクノズル１、即ち、酸素を含む支燃性ガスＧ２を超音速噴流で噴出するエアロスパイクノズル構造を、火炎を生成する酸素バーナに適用したものである。

即ち、図２（ａ），（ｂ）に示す酸素バーナ１Ａは、図１に示したエアロスパイクノズル１に対し、さらに、支燃性ガス流路２よりも外周側に、この支燃性ガス流路２を取り囲むように平行に配置され、下流端１ａ側に設けられた燃料ガス噴出口４１から燃料ガスＧ１を噴出する複数の燃料ガス流路４を備えている。また、図示例の燃料ガス噴出口４１は、下流端１ａ側から見た平面視で支燃性ガス噴出口２１を取り囲むように複数で配置されており、図示例では、燃料ガス噴出口４１が、１６箇所で均等な間隔で環状に配置されている。
図示例の酸素バーナ１Ａは、上記構成を備えることにより、下流端１ａ側に設けられた支燃性ガス噴出口２１から支燃性ガスＧ２を噴出するとともに、複数の燃料ガス噴出口４１から燃料ガスＧ１を噴出することで、火炎を形成させる。

図２（ａ），（ｂ）に示す例の酸素バーナ１Ａによれば、酸素を含む支燃性ガスＧ２が支燃性ガス噴出口２１から超音速で噴出するのと同時に、この支燃性ガスＧ２を外周側から包み込むように、燃料ガス噴出口４１から燃料ガスＧ１が噴出することにより、火炎に包まれた酸素噴流が形成される。これにより、より安定して火炎を維持できる。

燃料ガス流路４は、酸素バーナ内部の冷却効率の観点から、図示例のように複数で設けられていることが好ましい。これは、酸素バーナ１Ａにおいて熱が伝導するのは、貫通孔からなる燃料ガス流路４が無い部分となるため、このような部分ができるだけ少ないことが好ましいためである。一方、燃料ガス流路４は、支燃性ガス流路２と同様、スリット状（円筒状）に構成してもよい。
なお、燃料ガス流路４（燃料ガス噴出口４１）の数、口径及び配置形態は、酸素バーナのサイズ等に応じて適宜決定すればよい。

なお、支燃性ガス流路２内においてプラグ３を固定する方法としては、特に限定されない。例えば、図２（ｃ）の部分図面に示すように、支燃性ガス流路２の上流端１ｂ側において、プラグ３の他端３５がフランジ状とされ、この他端３５が支燃性ガス流路２の内面２２に接合されることで、プラグ３が固定される構成を採用してもよい。
また、図２（ｃ）に示す例では、フランジ状とされた他端３５に、支燃性ガスＧ２を流通させるための孔部３５ａが複数で設けられている。

また、図２（ｂ），（ｃ）中に示すプラグ３は、表面３ａ（第１テーパ部３１）が先端３２に向けて直線的に縮径する円錐形状とされており、加工性の観点からはこのような形状がこのましいが、プラグの先端形状は、このような形状には限定されない。
例えば、図２（ｄ）に示すプラグ３Ａのように、表面３ａが凹むような断面円弧状の曲面からなる第１テーパ部３１Ａを有した形状であってもよい。あるいは、図２（ｅ）に示すプラグ３Ｂのように、表面３ａが膨らむような断面円弧状の曲面からなる第１テーパ部３１Ｂを有した形状であってもよい。
中でも、図２（ｄ）に示す表面形状のプラグ３Ａだと、支燃性ガスＧ２の噴流がプラグ３Ａの表面３ａから流れ出すときに、噴流の向きが軸方向に揃うと考えられることから、特に好ましい。

あるいは、本実施形態においては、図３に示す例の酸素バーナ１Ｂのように、プラグ３Ｃの先端３２Ｃが、鋭角な部分が切り落とされた平坦形状を有するものであってもよい。このような形状のプラグ３Ｃを採用した場合においても、上述したエアロスパイクノズル構造による作用が効果的に得られる。

また、安全性や酸素バーナの設置の自由度等の観点からは、図３中に示す例のプラグ３Ｃのように、先端３２Ｃが平坦形状であることが好ましい。即ち、酸素バーナ１Ｂに備えられるプラグ３Ｃは、先端３２Ｃが鋭利な形状ではないため、安全に取り扱うことが可能である。
一般的に、本実施形態で説明するような酸素バーナを、例えば、電気炉等の補助熱源として設置する場合、電気炉の熱源（電極）からの一定の距離を確保しながら酸素バーナを設置する必要がある。図３に示す酸素バーナ１Ｂのように、プラグ３Ｃの先端３２Ｃが平坦であると、先端が鋭利な形状である場合に比べて軸方向の寸法が短いため、炉内における設置自由性が高められるというメリットがある。

なお、支燃性ガス流路２及び燃料ガス流路４の横断面形状、並びに、支燃性ガス噴出口２１及び燃料ガス噴出口４１の平面視形状は、超音速噴流を得る観点から円形状であることが好ましいが、これに限定されるものではない。即ち、プラグに上述した第１テーパ部が設けられていれば、支燃性ガス流路及び燃料ガス流路の横断面形状、並びに、支燃性ガス噴出口及び燃料ガス噴出口の平面視形状は、例えば矩形状等であってもよい。

本実施形態の酸素バーナのように、酸素を含む支燃性流体が供給される支燃性ガス流路の軸心に、プラグのような先細り形状の構造物を備え、この構造物の外周部の隙間から支燃性ガスを噴出することにより、噴出速度を超音速とする場合に、従来から用いられているラバールノズルと比較して、定格よりも流量が低い場合や、雰囲気圧力が変動する条件において、エネルギーロスの小さな超音速噴流を形成できる。このように、超音速噴流を形成する際のエネルギーロスを抑制することで、噴流の速度が減衰することも抑制できる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明に係る第２実施形態の酸素バーナの構成について、主として図４（ａ），（ｂ）を参照しながら詳述する。

図４（ａ），（ｂ）に示す酸素バーナ１Ｃは、図２（ａ），（ｂ）に示した酸素バーナ１Ａに対し、さらに、複数の燃料ガス流路４よりも外周側に、これら複数の燃料ガス流路４を取り囲むように平行に配置され、下流端１ａ側に設けられた周囲支燃性ガス噴出口５１から支燃性ガスＧ２を噴出する複数の周囲支燃性ガス流路５を備えている。また、周囲支燃性ガス噴出口５１は、下流端１ａ側から見た平面視で燃料ガス噴出口４１を取り囲むように複数で配置されている。

また、周囲支燃性ガス噴出口５１は、下流端１ａ側から見た平面視で、燃料ガス噴出口４１及び支燃性ガス噴出口２１を取り囲むように複数で配置されており、図示例では、周囲支燃性ガス噴出口５１が、燃料ガス噴出口４１と対応するように、１６箇所で均等な間隔で環状に配置されている。
図示例の酸素バーナ１Ｃは、上記構成を備えることにより、下流端１ａ側に設けられた支燃性ガス噴出口２１から支燃性ガスＧ２を噴出するとともに、複数の燃料ガス噴出口４１から燃料ガスＧ１を噴出し、さらに、複数の周囲支燃性ガス噴出口５１から支燃性ガスＧ２を噴出することで、火炎を形成させる。

図４（ａ），（ｂ）に示す例の酸素バーナ１Ｃによれば、酸素を含む支燃性ガスＧ２が支燃性ガス噴出口２１から超音速で噴出するのと同時に、この支燃性ガスＧ２を外周側から包み込むように、複数の燃料ガス噴出口４１から燃料ガスＧ１が噴出する。さらに、燃料ガスＧ１を外周側から包み込むように、複数の周囲支燃性ガス噴出口５１から酸素を含む支燃性ガスＧ２を噴出させることにより、支燃性ガスＧ２によって燃料ガスＧ１を両側から包み込むような（挟み込むような）ガス流れを形成させることで、さらに安定して火炎を維持できる。

さらに、図示例の酸素バーナ１Ｃは、酸素バーナ１Ｃ全体を冷却することが可能な冷却ジャケット６を備えている。
冷却ジャケット６は、図示例においては円筒状とされており、上述した周囲支燃性ガス流路５を、環状空間を介して覆う二重管構造とされている。そして、この環状空間は、冷却水Ｗが通水される冷却水流路６ａとされており、冷却水Ｗの通水によって酸素バーナ１Ｃ全体を冷却可能に構成されている。

図示例の冷却ジャケット６は、入口６１側から冷却水Ｗが通水され、この冷却水Ｗが冷却水流路６ａを通過して出口６２から排出される。本実施形態の酸素バーナ１Ｃにおいては、冷却水Ｗが冷却水流路６ａを通過する際に酸素バーナ１Ｃを冷却することで、酸素バーナ１Ｃ全体を冷却できるように構成されている。
冷却ジャケット６は、例えば、溶銑又は溶鋼からの輻射熱等の負荷の大きさを考慮して設けられるものであり、この輻射熱や、火炎による高温雰囲気から酸素バーナ１Ｃの各構成部品を保護するとともに、形成される火炎による過渡な加熱を抑制する。

ここで、一般に、流体（ガス）の速度が超音速で大きい場合、火炎を維持することが難しくなるが、燃料ガス流路４の外周側に配置した周囲支燃性ガス流路５から酸素を含む支燃性ガスＧ２を噴出することにより、安定して火炎を形成し続けることが可能になる。このような作用が得られるメカニズムとしては、以下のような点が挙げられる。

一般的に、火炎面は、燃え広がる速度と、流体（ガス）自体が流れる速度とが釣り合う位置に形成される。ここで、火炎が燃え広がる速度が流体自体の速度よりも高速である場合、火炎は流体の上流側に燃え広がってゆく。一方、火炎が燃え広がる速度よりも流体自体の速度の方が大きい場合、流体の下流側に火炎面が移動してゆき、最終的には火炎を保持できなくなり失火する。このような現象は、通常、火炎が浮き上がる、等と呼ばれることがある。

本実施形態の酸素バーナ１Ｃは、支燃性ガスＧ２が超音速で噴出するため、この支燃性ガスＧ２自体が流れる速度が大きいことから、火炎を保持しにくいバーナとも言える。このような問題を解決するためには、例えば、支燃性ガスの流れを意図的に淀ませる領域が形成可能な構造を採用するか、あるいは、別途、支燃性ガスを供給する方法等が考えられる。本実施形態においては、上記のように、周囲支燃性ガス流路５を設け、支燃性ガス流路２から供給するガスとは別に、支燃性ガスＧ２を供給することで、安定的に火炎を保持できる。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の酸素バーナ１Ａ，１Ｂ，１Ｃによれば、支燃性ガス流路２の内部に、支燃性ガスＧ２の噴出方向に向かうに従って外径が漸次縮小する第１テーパ部３１を有するプラグ３を配置し、支燃性ガス流路２の内面２２とプラグ３との隙間からなる支燃性ガス噴出口２１から支燃性ガスＧ２を噴出する構成を採用している。これにより、超音速で酸素を含む支燃性ガスＧ２噴出させる際、設計値とは異なるガスの流量や圧力で運転条件が変動した場合であっても、従来のラバーノズルを使用した場合と比較して、エネルギーロスを抑制しながら超音速噴流を達成できる。また、エネルギーロスを抑制することで、噴流速度が減衰することも抑制できる。
従って、工業炉内を加熱する用途、例えば、鉄屑等の冷鉄源からなる原料を加熱して溶解させるプロセス等において、炉内に酸素を噴出させるか、あるいは、酸素バーナによる火炎を噴出させる際、安定した超音速噴流によって原料の加熱溶解を効果的に促進することが可能になる。

以下、本発明の酸素バーナの実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
本実施例においては、図４に示すような、支燃性ガス流路２と、支燃性ガス流路の内部に配置され、第１テーパ部３１が設けられたプラグ３と、支燃性ガス流路２を取り囲むように配置された複数の燃料ガス流路４と、燃料ガス流路４を取り囲むように配置された複数の周囲支燃性ガス流路５と、火炎の熱からバーナノズルを保護する冷却ジャケット６とを有する、本発明に係る構成を備えた酸素バーナ１Ｃを準備し、以下に示す条件で燃焼試験を行った。ここで、プラグ３の第１テーパ部３１と中心軸Ｊとの角度θは２０°とした。また、この酸素バーナ１Ｃの定格噴出速度はマッハ２である。

そして、本実施例では、支燃性ガスＧ２の流量を定格流量に対して１００％の条件とし、また、支燃性ガスＧ２から噴出される支燃性ガスＧ２の速度をマッハ２として火炎を形成して挙動（燃焼状態）を観察し、結果を下記表１に示した。
なお、火炎の安定性については、定常的に燃焼が継続するか、又は、火炎が安定して保持し続ける状態が「安定」と定義され、また、運転を継続した際に失火するか、又は、バーナが損傷するおそれがある状態が「不安定」と定義される。
上記に基づき、本実施例では、下記表１において、火炎の安定性について以下の定義に基づいて示した。
（１）安定：火炎面のゆらぎ及び酸素バーナ内部での燃焼等がほとんど見えない。
（２）不安定：火炎面のゆらぎ及び酸素バーナ内部での燃焼等が見える。
（３）失火：火炎が消える。

また、酸素バーナ１Ｃの各噴出口からの距離をノズルの口径で除した値と、支燃性ガスＧ２のマッハ数との関係を図７のグラフに示した。

なお、本実施例においては、燃料ガスＧ１として天然ガスを用いた。
また、支燃性ガスＧ２として酸素ガスを用いた。

さらに、本実施例においては、支燃性ガスＧ２の流量を定格流量の条件から段階的に減らし、８０％、６０％、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％及び２５％としたときの燃焼状態を観察し、このときの支燃性ガスＧ２の流量と火炎長との関係を図８のグラフに示した。
この際、燃料ガスＧ１の流量は、支燃性ガスＧ２に含まれる酸素に比例するように調整し、上記、支燃性ガスＧ２の流量の１／１０となるように調整した。
また、燃焼に供される酸素を含む支燃性ガスＧ２の流量は、支燃性ガス流路２の定格流量に対して２．５％の流量で常時一定とした。

［比較例］
比較例においては、図６に示すような構造のラバールノズル１３０を有する従来の構成の酸素バーナ１００を用い、実施例と同様の条件で燃焼試験を実施して火炎の挙動を観察し、結果を下記表１に示した。
これとともに、比較例における、酸素バーナ１００の各噴出口からの距離をノズルの口径で除した値と、支燃性ガスのマッハ数との関係についても、図７のグラフに示した。
なお、比較例で用いた酸素バーナ１００は、中央の支燃性ガス流路がラバールノズル構造とされている点を除き、図４に示した酸素バーナ１Ｃと同様の構造を有するものである。

［参考例１，２］
プラグの第１テーパ部と中心軸Ｊとの角度θを下記表２に示す角度とした点を除き、実施例と同様の構成を有する酸素バーナを用い、実施例と同様に燃焼試験を実施した。即ち、参考例１，２においては、支燃性ガスの流量を定格流量の条件から段階的に減らし、８０％、６０％、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％及び２５％としたときの燃焼状態を観察し、このときの支燃性ガスの流量と火炎長との関係を図８のグラフに示した。

［評価結果］
表１及び図７のグラフに示すように、従来のラバールノズル構造からなる酸素バーナを用いた比較例においては、流量が定格の４５％以下になると、中央の支燃性ガス流路からの支燃性ガス（酸素ガス）の流れが不安定となり、また、燃焼状態も不安定になった。また、流量が定格の４０％以下では失火してしまうことから、それ以下の試験は未実施であった。

これに対し、本発明に係る構成のエアロスパイクノズル構造を有する酸素バーナを用いた実施例においては、燃焼試験の酸素流量の下限である２０％まで、常時安定した燃焼状態を維持することができた。
また、図７のグラフに示すように、実施例と比較例は、支燃性ガスの流量が定格流量に対して１００％の流量の場合には、ほぼ互角のマッハ数分布を示しているが、定格流量に対して５０％の流量の場合には、実施例は、比較例に比べて高速噴流を維持できることが確認できた。
また、図８のグラフに示すように、実施例においては、支燃性ガスの流量に関わらず、一定の長さ以上の火炎長が得られることが確認できた。

さらに、プラグの第１テーパ部と中心軸Ｊとの角度θを１０°とした参考例１においては、実施例とほぼ同等の火炎長となっているものの、上記角度θを３０°とした参考例２においては、実施例に比べて火炎長が短くなる結果となった。このように、火炎長が短いと、超音速流の減衰が早くなるとともに、火炎によって加熱可能な距離が短くなることから好ましくない。
図８のグラフに示した結果より、参考例２のように上記の角度θが大きすぎると、支燃性ガスがプラグの表面に沿って断熱膨張する際に、断面積の変化が急峻となるため、不安定な状態となることが要因として考えられる。
また、上記の角度θが大きすぎると、酸素バーナの組立時に誤差が生じた場合に、図１中に示すＡ_１の断面積の設計値からのずれが大きくなることも要因として考えられる。従って、プラグの第１テーパ部の角を適切な範囲におさめることがより好ましいことが確認できた。

本発明の酸素バーナは、設計値とは異なるガスの流量や圧力で運転条件が変動した場合であっても、エネルギーロスを抑制しながら超音速噴流を達成でき、且つ、噴流速度が減衰するのを抑制できる。従って、例えば、例えば、金属を溶解・精錬する用途の他、バーナを用いて被加熱物を加熱する幅広い用途において非常に好適である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…酸素バーナ
１…エアロスパイクノズル
１ａ…下流端
１ｂ…上流端
２…支燃性ガス流路
２１…支燃性ガス噴出口
２２…内面
２３…縮径部
２４…大径部
２５…拡径部
３…プラグ
３１…第１テーパ部
３２…先端
３３…第２テーパ部
３４…直胴部
３５…他端
４…燃料ガス流路
４１…燃料ガス噴出口
５…周囲支燃性ガス流路
５１…周囲支燃性ガス噴出口
６…冷却ジャケット
６ａ…冷却水流路
６１…入口
６２…出口
Ｊ…中心軸
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…支燃性ガス
Ｗ…冷却水

Claims (7)

1. 少なくとも、中心軸と同軸で配置され、下流端側に設けられた支燃性ガス噴出口から酸素を含む支燃性ガスを噴出する支燃性ガス流路と、前記支燃性ガス流路よりも外周側に、該支燃性ガス流路を取り囲むように平行に配置され、前記下流端側に設けられた燃料ガス噴出口から燃料ガスを噴出する複数の燃料ガス流路とを備える酸素バーナであって、
   前記支燃性ガス流路の内部に、前記支燃性ガス流路と同軸となるように配置されたプラグを有し、
   前記プラグには、前記支燃性ガスの噴出方向における下流側の少なくとも一部に位置し、前記支燃性ガスの噴出方向に向かうに従って外径が漸次縮小する第１テーパ部と、
   前記第１テーパ部の上流側に位置し、前記支燃性ガスの噴出方向に向かうに従って外径が漸次拡大する第２テーパ部と、
   前記第１テーパ部と前記第２テーパ部との間に位置し、外径が一定の直胴部と、が設けられ、
   前記支燃性ガス噴出口は、前記支燃性ガス流路の内面と前記プラグとの隙間からなり、且つ、前記下流端側から見た平面視形状が環状である、酸素バーナ。
2. 前記支燃性ガス流路における内面は、前記支燃性ガスの噴出方向における下流側が、該下流側に向かうに従って内径が漸次縮小する縮径部とされるとともに、前記支燃性ガスの噴出方向における上流側が、下流側に向かうに従って内径が漸次拡大する拡径部とされ、さらに、前記縮径部と前記拡径部との間が、内径が一定の大径部とされている、請求項１に記載の酸素バーナ。
3. 前記支燃性ガス流路と前記プラグとは、前記縮径部と前記第１テーパ部とが対向するように配置されるとともに、前記拡径部と前記第２テーパ部とが対向するように配置され、さらに、前記大径部と前記直胴部とが対向するように配置されている、請求項２に記載の酸素バーナ。
4. 前記支燃性ガス噴出口は、前記支燃性ガスを超音速で噴出する、請求項１～請求項３の何れか一項に記載の酸素バーナ。
5. 前記燃料ガス噴出口は、前記下流端側から見た平面視で前記支燃性ガス噴出口を取り囲むように複数で配置されている、請求項１～請求項４の何れか一項に記載の酸素バーナ。
6. さらに、前記複数の燃料ガス流路よりも外周側に、該複数の燃料ガス流路を取り囲むように平行に配置され、前記下流端側に設けられた周囲支燃性ガス噴出口から前記支燃性ガスを噴出する複数の周囲支燃性ガス流路を備え、
   前記周囲支燃性ガス噴出口は、前記下流端側から見た平面視で前記燃料ガス噴出口を取り囲むように複数で配置されている、請求項５に記載の酸素バーナ。
7. 前記プラグは、前記第１テーパ部が前記中心軸に対してなす角度θが３０°未満である、請求項１～請求項６の何れか一項に記載の酸素バーナ。

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