JPS62503115A - ガスバ−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】 ガスバーナ 本発明は、炎の安定性が向上した高速ガスバーナに関する。

特に、本発明は、広い使用範囲に亘って炎の安定性が向上し、溶解炉等にて使用 可能な高速ガスバーナに関する。

加熱および溶解を効率的に行なうバーナの必要性は、エネルギコストが増大し、 燃料の供給量の減少しつつある今日、特に、極めて重要な産業界の関心事である 。これと共に、出銑量の多い場合および少ない場合の操業時共使用可能であると 同時に、商業的に許容し得る溶解金属製品、即ち、汚染物質を含有しない製品を 生産し得るバーナが要請されている。

不発明によって提供される型式のガスバーナは、高い熱レベルを必要とする幾つ かの異なる炉または装置内にて使用することができるっこのガスバーナは、１９ ６５年８月１０日付にて、アルバート・ジエー・フィリップス（Ａｌｂｅｒｔ　 Ｊ、　Ｐｈ１ｌｌｉｐｓ　）等に付与でれた米国特許第３，１９９，９７７号に 記載されている直立溶解炉のような溶解炉にて効果のあることが確認されている 。上記発明において、ガスバーナは、各側壁孔に挿入され、ボルトによって適宜 位置に保持され、このボルトは、各バーナ本体の取付は板を炉本体にタイトに保 持し、略気密の取付は状態としている。この特許は、他の関連特許と同様、炉ま たはその他の高熱レイル装置に取付けたバーナの炎の安定性を向上させるための 手段は示役していない。例えば、米国特許第３．７０１，５１７号、第３，７１ ５，２０３号、第３，７８８，６２３号、および引用文献として引用したさらに 別の従来技術を参照するとよい。これら引用文献には、幾つかのガスバーナ型式 が開示されており、その他のバーナ燃焼室システムは、米国特許第３．２９９， ９４０号、第４，２１１，５５５号、ｇ４，３０１，９９７号、第４，３０９， １７０号、および第４，３１１，５１９号、カナダ特許第１Ｊ　ＯＯ，０２９号 および***特許公開第２９４６１２０号に記載されている。

バーナ装置において困難な点、特に、フィリップス等の直立溶解炉のような炉内 で使用する場合の困雅な点は、広範囲の操業状態に亘って、安定した炎を提供す ることである。本発明の形態によるバーナにおいて、炎は燃焼室の内外にて燃焼 し、燃焼室内の炎形状は、室の形状によって決定され、燃焼室外の炎形状は、略 円錐状となる。バーナは一般的に、点火部分に点火バーを備えておシ、燃焼室の 径は、点火部分の出口よシ大きくしである。炎は、点火バーの直ぐ下流側に保持 され通過する未燃焼混合体に広がる。点火部と燃焼室の接続部のショルダ部によ って形成された環状領域によシ追加的な炎保持が為される。

このように、１方は点火バーから広がり他方は環状のショルダ型長保持具から広 がる２つの炎フロントが形成される。

しかし、環状ショルダ部から広がる炎は、不安定でちゃ、ショルダ部上にて完全 には形成されず、従って、ショルダ部上の該部分に暗部または低温部を形成する 。この種炎は、ゆらゆらし、バタバタする不安定な炎を生じ、また銅を溶解させ る堅形炉の場合、金属含有鋼が溶着するショルダ部に冷温部が生じる。

燃焼室内に銅が溶着することおよび不安定な炎、またはその何れか１万は、炉の 操業に悪影響を及ぼし、溶解した鋼中に不純物を生じ、掃除するだめ炉の運転音 一時休止しなければならないことに々る。炎の不安定性は、炉およびバーナ共温 度が低いバーナ始動時において特に著しいが、定常状態時においてもまた望まし くない程の状態となる。

この問題点は、例えば、穏当な容量、すなわち毎時約２５米トン（ＳＴＰＨ）程 度の容量の竪型炉を設計する場合に、特に顕著となる。すなわち、バーナ内で安 定した炎を維持する間は２．５乃至ダ１の割合でターンダウンする。ここで使用 する「ターンダウン」とはバーナに供給する燃料−酸素混合株の量を減少させる ことによって、炉の溶解速度を遅くすることを意味すて低下する。即ち、２０／ ２．５＝８となる。かかる広い操業範囲に亘って炉を適切に運転するためには、 バーナは、ターンダウン７６囲に亘って安定した炎を維持しなければならない。

低い例えば、低容量の炉は従来、周縁に沿って間隔を置いて配設した単一列のバ ーナで操業していたつこれは、２列にすれば必要以上の溶解性能を備えることに なシ、よって、炉の溶解速度が遅くなるようにターンダウンする場合、金属のス ランプおよび凝固を回避することができず、問題が生じる。小形の炉において、 単一列のバーナから熱を均一に分布させるということは大きな問題点であった。

こうした単一列バーナの炉においては、最高加熱速度時、金属は、容易にバーナ 列の上方に浮遊し、未溶解装入物が炉の大径上部から縮径下部まで降下しなかっ た場合、金属の棚吊りという問題が生じる。かかる現象の結果、金属中の酸素値 が高くなり、温度は不均一となり、炉は「スクリーシング」ｆ：火す。さらに、 この不均一な熱分布によって、炉底部に炉の装入金属が存在しない現象でちる「 ボイディング」が生じ、耐火物は過熱し、溶解金属の温度は大きく変動し、最高 熱入力付近にて操業した場合、金属流量は大きく変動する。

２列炉の場合、さらに１列炉の場合であっても、長期に亘るターンダウンによっ て、燃料の供給量の減少に伴なって、金属は「軟かくなり」、従って、熱入力は 減少し、結局、金属は炉内でスランプすることになる。

不発明の目的は、広い操業範囲に亘って、炎の安定性を向上させた高速ガスバー ナを提供することである。他の目的は、次の説明から明らかになるであろう。

発明の要約 本発明は、気体（空気）を含んだ有効な醒素流を供給し且つバーナに有効な燃料 流を供給し得るようにした入口と、酸素を含んだ気体と燃料流を一体にする混合 部と、混合体に点火する炎保持部と、および燃焼状態を維持し、燃焼を促進する 略円筒状の燃焼室とを備える炉ガスバーナにおいて、燃焼室の径をバーナの他の 寸法と相関させ、約２１／２　：　１のターンダウン能力を備えるバーナを提供 する一方、この範囲に亘って均−且つ完全に燃焼させることで、就中、安定した 炎を維持し、バーナタイルの寿命を長くし、燃焼室内の「低温」部分に起因する 融解金属の汚染を最小にし得るように改良したことを特徴とする炉ガスバーナを 提供するものである。

燃焼室は、略円筒状であシ、バーナタイルの全長り０、「有効長さ」ＬＦ、、即 ち、燃焼室と炎保持部（ショルダ部）の交差点から室の他端まで測定したタイル ライニングの長さ、および室全体を通じて略一定である径Ｄ８を備えている。室 は、燃焼気体入口（ＤＦ）および出口（ＤＳ）の各端部にて略円形であることが 望ましい開口部を有する外側耐火タイルハウジングを備え、通常、適当な高温耐 火物質、最も望ましくはＳｉＣで製造する。燃焼室は、さらに、室の有効長さに 沿って、所定温度、望ましくは２８００下の均一な温度勾配を継続的に維持する 一方、供給される燃料と眩素含有気体を略燃焼させ得るようにしである。かかる 性能は、筬つかの重要が関係を基にして燃焼室を設計することにより得られる。

（１）燃焼室の径Ｄ８　と隣接する炎保持具部の出口の径ＤＦ間の比は、約１， ３５乃至１．７０とし、最も望ましくは約１．４３とする。および（２）有効長 さＬ８　と燃焼室の径ＤＳ間の比は、約１．２乃至約３．７０とし、望ましくは 約１．５６または３．００とする。好適実施態様において、バーナ組立体の設計 は、燃焼室タイルの全長り、と室の「有効長さ」ＬＦ２、即ち、灸保持具部との 交差点から室の出口端まで測定した室タイルライニングの長さの比は、約１．２ ０乃至約２．００、望ましくは約１６４７とする。

バーナは、混合部５０を有するものとして説明したが、当業者なら燃料と空気を バーナ外で混合させ、点火部または炎保持部５１を経て、燃焼室５２内まで送る ことができることが理解できよう。この構造を備えた本バーナは、同一の方法に て機能する、即ち、広い操業範囲に亘って安定した掛金提供することができる。

本発明のバーナは、小容量の垂直堅形炉、即ち、約２゜５ＴＰＨ以下の金属、即 ち、銅を製造する炉への適用に最適である。かかる炉は、各々、通常、約０．７ 乃至約１．８Ｘ１０６Ｅ　Ｔ　Ｕ／　ｈ　ｒの十分な量のエネルギを供給し得る ようにした複数の円周に沿って間隔を置いて配設したバーナを炉の下方至端の周 囲に間隔を置いた状態にて位置決めし、略円筒状の耐火物全ライニングしたレン ガ室で構成されている。これら炉は、炉の詰まりおよび金属の凝固を生じさせる ことなく、熱全効果的に分布させ、降下する固形装入物、即ち、望ましくは銅カ ソードおよびスクラップを均一に溶解σせ得るように構成されている。

大容量の炉には、大形のバーナを使用するのが適していようっ５０　Ｘ　１０　 ＢＴＵ／ｈｒ以上、望ましくは約２Ｘ１０”乃至約２０×１０６の範囲内、例工 Ｉｒ！　３０　Ｘ　１０６ＢＴＵ／ｈｒノｘ　ネルギ値に対して、広い操業＠囲 に亘って安定した炎を提供するその他のバーナも本発明によシ提供される。好適 な範囲は、０．７乃至１０　Ｘ　１０　ＢＴＵ／ｈｒ　、　ｉたは５　Ｘ　１０ 　ＢＴＵ／ｈｒ第１図は、バーナ組立体を示す、拡大縦断面図、第２図は、本発 明に使用するのに好適な燃焼室の断面図、第３図は、竪形溶解炉の装置を示す図 、第４図は、バーナ組立体の部品および燃料供給管を省略した、第３図に示した 炉および煙突の１部の縦断面図である。

発明の詳細な説明 第１図から明らかなように、バーナ本体１は、燃料流と酸素含有気体（空気）を 一体にし、単一流全形成し、この単一流を炎保持具部分５１に導入する混合部５ ０ｉ備えている。バーナ本体に（−１：、また、炎保持具部５１のショルダ部５ ４に対して、フランジ５３上に取付けた、第２図により詳細に示す燃焼室部５２ が設けられている。点火バー５８をスロート部に配設することができ、単一流に 点火する従来の電気励起式点火プラグ５９を部分５１の片側に取付け、この点火 プラグの内端がバー５８に隣接して配設されている。スロート部とバー５８を組 合せたことは特に、燃料が高速時、燃焼室内での単一流の燃焼を維持する上で有 効である。部分５１には、また、単一流の標本全採取するための開口部６９．７ ０が形成されている。

部分５０は、環状多岐管部６０．スリーブ６１、ベントまたはエルボ部６２、オ リフィス板６３および透明なアイプレート６５を設けた観察孔６４全備えている 。ショルダ部６６および部分５０の左端部に当接するスリーブ６１は、環状部６ ｏと協働して、単一にしようとする２つの流れの内小さい方（通常燃料流）を管 ３６から単−化室６８まで開口部６７を経て導入する多岐管を提供する。スリー ブの周縁全中心とする開口部の寸法および配置は、室に流入する流体？制御し得 るように選択する。大きい方の流れは、管２９からオリフィス板６３のオリフィ スおよびベント部６２を経て、室６８まで導入される。

バーナ本体を作動させる場合、単一にしようとする２つの流れの内大きい方の流 れは、オリフィスを経て、バーナ本体まで流動し、インド部に達し、羊−化室ま で流入する。この流れの正確な組成は、米国特許＝３，１９９，９７７号に開示 された方法にて測定できる。

第２図は、耐火炉壁の適宜位置に取付けたときのバーナ燃焼室の好適な構造を詳 細に示す図である。気体燃料と空気の羊−流は、炎保持具部５１を経て、点火バ ー５８を通過し、直ちに混合体は点火プラグ５９、または別の効果的な着火手段 によって点火され、バーナ燃焼室に入る。

燃焼室５２は、略完全な円筒形で、燃焼室５２と隣接する炎保持具部５１の交差 部により形成されたショルダ部９９から伸長することが望ましく、室は、距離９ ４だけ出口流路９６の開始部分まで伸長し、この箇所にて、燃焼した燃料気体は 炉中に入り、金属装入物を溶解させる。室５２は、炭化けい素で製造することが 望ましいバーナタイル４９および２８００７程度の温度に長時間耐えることので きる硬質で稠密な耐減暦性耐火物質、望ましくはＳＩＣで製造した通常約りイン チ厚の所定の均一寸法の薄い円筒状スリーブ９０にて形成した状態が示しである 。着脱可能−ｔｌ　Ｓ１Ｃスリーブを使用することが望ましいが、本発明の最も 広範囲の実施態様においては、構造体が上述した比および寸法に適合する限り、 全体のバーナタイル構造体およびスリーブを単品の鋳造品として形成した場合も おそらく同様の結果が得られるであろう。スリーブを使用することにより、腐肚 または磨耗部分を容易に交侠することがでさると共に、異なる出銑量にて操業す る必要性の生じた場合、燃焼室の寸法を変化させることができる。スリーブの所 定の寸法とは、スリーブ壁の特別の略均−な厚みを意味するものとする。このス ＩＪ−ズは、室の孔径９２内にて軸方向に中心が定めてあり、酸化接合により隣 接する耐火物タイル４９に接合することが望ましい。

スリーブ９０を備えるバーナタイル４９が、（１）燃焼室（Ｄｓ）の直径９５と 炎保持具出口（ＤＦ）の直径９７の比、および［有効長さＪ　（Ｌ、）とスリー ブ直径（Ｄｓ）の比といった室の幾つかの重要なパラメータに適合し得る寸法を 備えるときに操業状態の範囲に亘るバーナの性能が実現されることが分かった。

好適実施＠様において、バーナは、タイル入口からの中心線に沿って、燃焼室タ イル４９の出口面における位相の交差点まで測定したタイルの全長（ＬＴ）１０ ０と燃焼室の「有効長さＪ　（、ＬＥ）９４、即ち灸保持具部（ショルダ部９９ ）との交差点から室出口のスリーブライニング端部まで測定したタイルライニン グの長さとの比に適合し得るように設計しである。これら特定のパラメータおよ び比が重要でめる理由は、完全に把握していないが、次の理論を述べることがで きる。但し、当量願人はこれらに拘束されることを望むものではない。

この構造上の関係Ｄ　Ｂ　／Ｄ　Ｆは、燃料混合体が灸保持具部を出て、燃ｉ尭 室に入る際の膨張程度全制御する作用をする。この制御された膨張によって、点 火が行われ、炎は、炎株持具部と燃焼室部によって形成されたショルダ部上に着 座する。従来技術のバーナに２いて、燃焼反動は、多くの場合、室の略中間まで 進む前には行われない。この反動状態は、高速の燃料流が燃焼室に入る時に急激 に膨張することによって生じるものと考えられる。驚くべきことに、適正な寸法 とした燃現室対点火部（Ｄｓ／ＤＦ）は、安定した歪音形成し且つ維持し、よっ て、ノξ−すの溶解性能は最適値に維持され、主として、対流機構によって金属 を溶解させる灸が形成されることが分かった。

不安定な長炎ば、燃料と酸素の燃焼程度が比較的低いことを示すものであるから 、安定した炎を維持することが特に望ましい。かかる長炎では、よυ多量の銅が 室内に溶着し、銅の酸素含有量は、望ましくない値にまで増大する。

これに対し、安定した短炎は室内で実質上完全燃焼が行われていることを示す。

不完全焼・完の結果、さらに、耐火タイルの温度は相当に変化し、耐火物の磨耗 は不均一となシ。

耐火タイルの寿命が短かくなる。

燃焼室／炎保持具出口の径の比は、約１．３５乃至１．７０が好適な範囲であり 、約１４０乃至１．４５、例えば１．４３とすればより望ましい。

燃焼室の有効長さＬ８　と室のスリーブの直径Ｄｓの比はバーナにとって、重要 々性能上のパラメータであることが分かった。

かかる比によって、燃焼を促進し、この長さに亘って加熱された壁を維持する燃 焼室の適当な幾何学的形状が得られるためでおると考えられる。この比は、バー ナの操業エネルギ領域（ＢＴＵ／ｈｒ）如何によることが分かつておｐ、一般に 、操業エネルギ領域が増大すれば、比は小さくて済むことに々る。このようにζ 不発明において、約１．２乃至３．７の範囲が適当であり最良の結果は、比（Ｌ Ｅ／ＤＳ）が約１．８５乃至３７０の範囲内にある場合に侍られ、約１０　Ｘ　 １０　ＢＴＵ／ｈｒ以下、例えば約０．５Ｘ１０６乃至１０’ＢＴＵ／ｈｒの小 形バーナの場合、約２．５乃至３．５、例えば３．０であることが最適である。

例えば約１０Ｘ１０６ＢＴＵ／ｈｒ以上の大形バーナの場合、この比は約１．２ 乃至１．７、例えば約１．３乃至１，６の範囲とすることが望ましい。

有効長さＬ２の内、燃焼室のタイル全長（Ｌ、）の占める比（ＬＴ／ＬＥ）は、 基本的に、何れの長さ寸法であれば、スリーブが特定のバーナに対して所望の結 果を提出し得るか決定することである。上記比を約１．２０乃至２．００変化さ せ、耐火タイルの好適な形状全長さ約１１インチとし、６乃至９インチ、最も望 ましくは約７１／２インチ伸長させ、１．４７の比としたＳｉＣスリーブ全備え ることにより最良の結果が得られた。

当業者には、Ｄ６．　ＤＦ、　ＬＦ、およびり、の絶対唾は、上述した比を維持 するならば、バーナの所要寸法（ＢＴＵ／ｈｒ）如何に依ることが了知できよう 。一般に、バーナのＢＴｔＴ出力が大きければ犬さい程、Ｄ、、　ＤＦ、　ＬＥ 　およびり、の値は大きくなる。

別の重要なシステムパラメータは、燃焼ガスが室？通過する速度である。篤くべ きことに、排出されるガスの速度は、従来技術のバーナにおけるガス速度の約２ 倍以上で最良の結果が得られたことである。これは、上記比に従ってバーナの寸 法を相関させ、また、燃料ガスの燃焼が促進されたことに起因する結果によるも のと考えられる。

このように１本発明に従って、バーナの寸法全相関させ、適当な寸法の燃焼室を 提供することにより、ターンダウン比的２１／２：１に亘つで炎の安定性を向上 させ、よって、溶解銅中の不純物の匝を小さくし、燃焼室の１耗を著るしく軽減 することができる。

耳３図および第４図は、竪形溶解炉１、樋２、および円周に沿って２列に配設し た複数のバーナに対し、燃料と酸素含有気体（空気）を供給する関係配管全備え る組立体を示す。第４図に示すように、炉１の側壁および底部には、本体６によ って囲撓された耐火ライニング５が設けられておシ、本体６は、適当な金属、望 ましくは、溶接等によって適当に組立て、略気密の本体を提供する鍋で製造する 。炉側壁には、燃焼バーナ３用の複数の孔が設けられている。第４図に示すよう に、炉の下部側壁８は下方に傾斜して２シ、炉底９は、＠２に達する出銑口１０ に司けて傾斜している。

第３図全参照すると、ベロア１１からの空気は、所望の正圧にて管１２を通り、 制御弁１３に達し、多岐管１４に供給されここから、ラギング管（より、所望の 正圧にて個々のバーナ３に供給される。適当な供給源から供給された気体燃料は 、所望の正圧にて、ヒータ１６を設けた管１５全通って流動すゐ。このヒータ１ ６は、適当な方法、例えば電気熱または燃焼の高温生成物の何れかを用いる熱交 便器によって熱が供給され、燃料を予熱する。その後、予熱された燃料は、ラギ ング管および制御弁１６Ａｋ通って、個々のバーナ３に供給される。個々のバー ナ３にもラギングを施し、熱損失を防止することができる。

バーナ３は、各側壁孔に挿入され、ボルト１７によって適宜位置に保持ぢれる。

ボルト１７は、各バーナの取付板１８を本体６に対してタイトに保持し、略気密 の取付状態が得らｎる。かかる取付状態に、バーナの密閉構造と相俟って、焚口 から外気が炉内に導入されるのを略防止することができる。上述したように、複 数のバーナを炉壁に位置決めし、各バーナが、炉を中心として、他のバーナに対 し所定の間隔’ｔｔいた状態となるようにすることが望ましい。

１例としての竪形溶解炉およびバーナの詳細は、ここに引用した米山％許第３， １９９，９７７号から知ることができる。

本発明に依れば、好適な高速バーナの構成は第２図に示してあり、次の如き寸法 を備えている。バーナ用の燃焼タイル４９は、１辺が９インチの正方形である。

バーナ用燃焼タイル４９のスリーブ径Ｄｓは、直径約２１／２インチでろり、炎 株待部５１の出口径ＤＰは約１．７５インチ、およびＤｓ／Ｄ、は約１．４３で るる。バーナには、早−流に点火するための電気作動式の点火プラグ５９が設け られており、燃焼室５２円での単一流の燃焼を維持する作用をする点火バー５８ が設けられている。炎保持部５１の端部から燃焼タイル４９の端部まで測定した 有効長さＬ２は、約７″／２インチである。タイルの長さり、は約１１インチで アシ、Ｌ、／ＬＦ、＝　１．４７となる。有効長さＬＥと出口スリーブ径Ｄ８の 比ＬＥ／Ｄｓ＝　３．　ＯＯである。このバーナは。

設計溶解能力約２ＱＳＴＰＨｉ備える米国特許笥３，１９９，９７７号に記載し た型式の竪形溶解炉において、ターンダウン比的２．５：１の範囲にて、安定し たＪＡ？提供するものである。

第２図全参照すると、本発明に依る１　０Ｘ　１０　ＢＴｔＪ／ｈτ以上の高性 能バーナは、スリーブ径約１０１／４インチ、出口径約７１／２インチ、有効長 さＬ６約１６インチおよびタイル長さり、約２３３／１６インチである。Ｄ８／ Ｄ、比は１．３７、ＬＥ／Ｄ８は１．５６およびり、７Ｌ、は１．４５である。

このバーナは、ターンダウン比的２．５：１に亘って、安定した炎を提供するも のである。

ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、す 国際調査報告 勧−＋＊＋ｎｌ＋ｉｏ＋ｍ＾＠０ｌｉｃｓ１６ｐＮ口ＰＣＴ／ＵＳ８５１０４０ ３９

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．酸素含有気体流と燃料流を一体にする混合部と、燃料と酸素の混合体を点火 する出力径ＤＦの炎保持部と、および燃焼を維持し、燃焼を促進する隣接燃焼室 とを備え、前記燃焼室が耐火バーナタイルで形成され、略円筒状の形状を備え、 直径ＤＳ、有効長さＬＥおよびバーナタイルの全長ＬＴを有する、約２１／２： １のターンダウン能力を提供する一方、前記範囲に亘つて均一且つ完全に燃焼す る安定した炎を維持するガスバーナにおいて、バーナ寸法を相関させ、ＤＳ／Ｄ Ｆが約１．３５乃至１．７０、およびＬＥ／ＤＳが約１．２乃至３．７であるよ うにしたことを特徴とするガスバーナ。
2. ２．燃焼室寸法を相関させ、ＬＴ／ＬＥが約１．２乃至２．０であるようにした ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載したバーナ。
3. ３．ＤＳ／ＤＦが約１．４０乃至１．４５であることを特徴とする請求の範囲第 １項または第２項に記載したバーナ。
4. ４．ＬＥ／ＤＳが約１．８５乃至３．７であることを特徴とする請求の範囲第１ 項または第２項に記載したバーナ。
5. ５．ＬＥ／ＤＳが約１．２乃至１．７であることを特徴とする請求の範囲第１項 または第２項に記載したバーナ。
6. ６．燃焼室が隣接する炎保持部との共通軸に沿つて軸方向に位置決めされること を特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の何れかの項に記載したバーナ。