JP2017032254A

JP2017032254A - バーナー

Info

Publication number: JP2017032254A
Application number: JP2015155513A
Authority: JP
Inventors: 岡田　裕二; Yuji Okada; 裕二岡田; 公勇谷山; Kimitake Taniyama; 伊藤　貴之; Takayuki Ito; 貴之伊藤
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09

Abstract

【課題】簡易な設備で安全に使用できる酸素燃焼方式のバーナーを提供することである。【解決手段】バーナー１は、燃料ガスを放出する燃料ガス放出口１５ａと、実質的な純酸素からなる支燃ガスを放出する支燃ガス放出口１５ｂとを有するノズル１５を備え、燃料ガス放出口１５ａ及び支燃ガス放出口１５ｂの外部に火炎による燃焼領域１７が形成され、ノズル１５内に、冷却ガスを流通させて燃焼領域１７へ放出することのない流路１３１、１３２を設ける構成とする。【選択図】図３

Description

本発明は、支燃ガスに純酸素を用いるバーナーに関する。

アルミニウム鋳造において、アルミニウムインゴットを予熱する手段としてバーナーが用いられている。ここで、一般的な空気燃焼方式のバーナーを用いた場合、空気に含まれる窒素分が多いため、排熱ロスが大きく、短時間で予熱することができない。そこで、酸素燃焼方式のバーナーを用いることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−８１７８０号公報

酸素燃焼方式のバーナーは、高火力が得られる反面、バーナー自身が高温になり、ノズルの溶損やガスケット類の損傷が生じるという問題がある。この問題への対処法として、特許文献１では、バーナーを水冷構造としている。

しかしながら、水冷構造のバーナーを使用する場合、その冷却水が漏れ、溶解したアルミニウムの保持炉へ冷却水が入ると水蒸気爆発を起こすため、バーナーを保持炉から離して設置する必要がある。この場合、予熱後のアルミニウムインゴットを通常の搬送装置で保持炉まで搬送すると、搬送中にアルミニウムインゴットの温度が低下してしまうので、保持炉まで高温のまま搬送可能な高温物搬送装置が必要となる。したがって、水冷構造のバーナーを安全に使用するには、大掛かりな設備を必要とする。

本発明の解決しようとする課題は、簡易な設備で安全に使用できる酸素燃焼方式のバーナーを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、燃料ガスを放出する燃料ガス放出口と、実質的な純酸素からなる支燃ガスを放出する支燃ガス放出口とを有するノズルを備え、前記燃料ガス放出口及び前記支燃ガス放出口の外部に火炎による燃焼領域が形成されるバーナーであって、前記ノズル内に、冷却ガスを流通させて前記燃焼領域へ放出することのない冷却ガス流路を設けることを特徴とする。

本発明によれば、ノズル内に冷却ガスの流路を設けることによって、水冷構造では実現できない、簡易な設備で安全に使用できる酸素燃焼方式のバーナーを提供することができる。

本発明の一実施形態におけるバーナーの側面図である。本発明の一実施形態におけるバーナーの正面図である。本発明の一実施形態におけるバーナーのノズル部分の拡大断面図である。本発明の一実施形態におけるインゴット予熱・溶解装置の正面図である。図４のＡ−Ａ線断面図である。図４のＢ−Ｂ線断面図である。

以下の実施形態では、アルミニウム鋳造において、アルミニウムインゴットを予熱するための予熱炉に設置できる形態に設計したバーナーを例に説明する。

図１はバーナーの側面図、図２はバーナーの正面図、図３はバーナーのノズル部分の拡大断面図である。以下では、火炎が発生するバーナーの先端側を前側、その反対側を後側、予熱炉に設置された状態のバーナーの上下方向を上下方向として説明する。

バーナー１は、支燃ガスに純酸素を用いて燃料ガスを燃焼させる酸素燃焼方式のバーナーである。バーナー１は、燃料ガス管１１と、支燃ガス管１２と、冷却ガス管１３と、炉体取付フランジ１４と、ノズル１５とを備えている。

燃料ガス管１１は、その内側に燃料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）の流路１１１を形成する円筒状の管である。燃料ガス管１１の一部はノズル１５に設けられている。燃料ガスはバーナー１で利用可能なガスであれば特に限定はなく、例えば、天然ガスや石油ガスなどであってもよい。

燃料ガス管１１は、バーナー１の後端に位置する燃料ガスの入口１１ａと、バーナー１の前端近傍に位置する燃料ガスの出口１１ｂとを有し、バーナー１の最内殻に配置される。入口１１ａはホース（不図示）を介して商用のガス栓（不図示）に接続されている。出口１１ｂは環状に配置された８個の貫通孔で構成され、各出口１１ｂが後述する各燃料ガス放出口１５ａに連通している。

この構成により、ガス栓からホースを介して入口１１ａに供給された燃料ガスは、バーナー１の後端から前端へ向けて燃料ガス管１１内の流路１１１を流れ、各出口１１ｂから燃料ガス放出口１５ａに供給され、燃料ガス放出口１５ａの前端からバーナー１の外部空間（本実施形態では予熱炉内）に放出（吐出）され、燃焼する。以下では、この燃焼により、バーナー１の外部空間に生じる火炎で形成される領域を燃焼領域１７と呼ぶ（図１参照）。

支燃ガス管１２は、支燃ガスである純酸素の流路１２１を形成する管である。支燃ガス管１２の一部はノズル１５に設けられている。ここでいう純酸素とは実質的な純酸素であり、９８ｖｏｌ％以上の酸素を指す。例えば、ＪＩＳＫ−１１０１で規定された工業用酸素などを用いることができる。

支燃ガス管１２は、燃料ガス管１１の外周を覆い、その内側に支燃ガスの流路１２１を形成する円筒状の第１管１２ａを有する。つまり、流路１２１は第１管１２ａの内周面と燃料ガス管１１の外周面との空隙によって形成される。第１管１２ａは、バーナー１の前端近傍に位置する支燃ガスの出口１２ｂを有する。出口１２ｂは環状に配置された１０個の貫通孔で構成され、各出口１２ｂが後述する各支燃ガス放出口１５ｂに連通している。

支燃ガス管１２は、第１管１２ａの後端付近から下方へ延出し、第１管１２ａに連通する円筒状の第２管１２ｃを有する。第２管１２ｃの内側は流路１２１を形成する。そして、第２管１２ｃの下端が支燃ガスの入口１２ｄとなっている。入口１２ｄはホース（不図示）を介して酸素ボンベ（不図示）に接続されている。

この構成により、酸素ボンベからホースを介して入口１２ｄに供給された支燃ガスは、第２管１２ｃ及び第１管１２ａ内の流路１２１を流れ、各出口１２ｂから支燃ガス放出口１５ｂに供給され、支燃ガス放出口１５ｂの前端から燃焼領域１７に放出（吐出）され、燃料ガスの燃焼を助ける。

冷却ガス管１３は、冷却ガス（例えば、空気）の流路１３１、１３２を形成する管である。冷却ガス管１３の一部はノズル１５に設けられており、冷却ガス管１３のノズル１５に設けられた部分は二重管になっている。冷却ガスはバーナー１を冷却可能な取り扱いが容易なガスであれば特に限定はなく、例えば、窒素や二酸化炭素などであってもよい。

冷却ガス管１３は、支燃ガス管１２の第１管１２ａの外周を覆い、その内側に冷却ガスの往路となる流路（内側流路）１３１を形成する円筒状の第１管１３ａを有する。つまり、内側流路１３１は第１管１３ａの内周面と支燃ガス管１１の第１管１２ａの外周面との空隙によって形成される。

冷却ガス管１３は、第１管１３ａの外周を覆い、その内側に冷却ガスの復路となる流路（外側流路）１３２を形成する円筒状の第２管１３ｂを有する。つまり、外側流路１３２は第２管１３ｂの内周面と第１管１３ａの外周面との空隙によって形成される。なお、第２管１３ｂの外周面はノズル１５の外周面でもある。第２管１３ｂの後端は炉体取付フランジ１４の前面に接続されている。図１に示すように、外側流路１３２の後端は冷却ガスの出口１３ｅとなっており、後述する炉体取付フランジ１４の冷却ガス放出口１４ｂに連通している。

そして、冷却ガス管１３の第２管１３ｂの内周面の前端と、支燃ガス管１２の第１管１２ａの外周面の前端とは、ノズル１５の前端付近で繋がっている。つまり、冷却ガス管１３の第１管１３ａと、支燃ガス管１２の第１管１２ａとの間に形成される空隙の前端は、ノズル１５の前端部の壁面１５ｃで封止されている。この壁面１５ｃは、冷却ガス管１３の第１管１３ａの前端とは空隙を有している。この空隙によって、内側流路１３１と外側流路１３２とが連通される。

換言すれば、このような内側流路１３１と外側流路１３２とで構成される冷却ガスの流路は、ノズル１５内で冷却ガスを流通させて燃焼領域１７へ放出することのない流路であるともいえる。

冷却ガス管１３は、第１管１３ａの後端付近から上方へ延出し、第１管１３ａに連通する円筒状の第３管１３ｃを有する。第３管１３ｃの内側は冷却ガスの往路となる流路１３１を形成する。そして、第３管１３ｃの上端が冷却ガスの入口１３ｄとなっている。入口１３ｄはホース（不図示）を介してコンプレッサー（不図示）に接続されている。

この構成により、コンプレッサーからホースを介して入口１３ｄに供給された冷却ガスは、第３管１３ｃ及び第１管１３ａ内の流路１３１を流れ、冷却ガス管１３の第１管１３ａの前端と壁面１５ｃとの間の空隙を通って折り返す（図３の矢印参照）。折り返した冷却ガスは、流路１３２を前から後に向かって流れ、出口１３ｅから冷却ガス放出口１４ｂに供給され、冷却ガス放出口１４ｂの後端からバーナー１の外部空間に放出される。このとき、冷却ガスは、支燃ガス管１２の第１管１２ａ、冷却ガス管１３の第１管１３ａ及び第２管１３ｂから熱を奪う。これにより、ノズル１５の温度が下がる。

なお、冷却ガスは閉回路によって循環させるようにしてもよい。例えば、冷却ガス放出口１４ｂを外部空間に開放せずに冷却器等を介してコンプレッサーに戻す構成とすることができる。

炉体取付フランジ１４は、バーナー１を予熱炉に固定するための部材である。炉体取付フランジ１４は、ノズル１５の後端に設けられ、ノズル１５の径よりも大きな外形を有する。炉体取付フランジ１４には４個の取付穴１４ａが形成されている。バーナー１は、予熱炉の炉壁に形成された穴にノズル１５が挿入され、炉体取付フランジ１４の前面が炉壁の外面に当接した状態で取付穴１４ａを用いてボルト等で炉壁に固定される。

炉体取付フランジ１４は、炉体取付フランジ１４の前面から後面に貫通する冷却ガス放出口１４ｂを有する。冷却ガス放出口１４ｂの前端が冷却ガスの入口、後端が冷却ガスの出口となっている。冷却ガス放出口１４ｂの入口は流路１３２と連通し、冷却ガス放出口１４ｂ内に冷却ガスの流路１４１が形成される。

この構成により、冷却ガスは炉体取付フランジ１４の後端面から放出（排気）されるので、バーナー１が予熱炉に取り付けられた状態においては冷却ガスが予熱炉の外部に放出される。よって、冷却ガスに空気を用いた場合、予熱炉内へ空気が放出されないので、燃焼によるＮＯｘ等の有害な排気ガスの発生を防止できる。

ノズル１５は、炉体取付フランジ１４から前方へ延び、先端が絞り込まれた形状を有する。ノズル１５は内部に、燃料ガス管１１と、支燃ガス管１２と、冷却ガス管１３と、燃料ガス放出口１５ａと、支燃ガス放出口１５ｂとを有する。

燃料ガス放出口１５ａは、燃料ガスを外部（予熱炉内）に放出するための貫通孔であり、図２に示すように、環状に配置された８個の貫通孔で構成される。燃料ガス放出口１５ａの後端は燃料ガス管１１の各出口１１ｂに連通し、前端はノズル１５の先端において外部空間に連通している。

支燃ガス放出口１５ｂは、支燃ガスを外部（予熱炉内）に放出するための貫通孔であり、図２に示すように、燃料ガス放出口１５ａを囲むように環状に配置された１０個の貫通孔で構成される。支燃ガス放出口１５ｂの後端は支燃ガス管１２の各出口１２ｂに連通し、前端はノズル１５の先端において外部空間に連通している。

図３に示すように、燃料ガス放出口１５ａと支燃ガス放出口１５ｂとは、平行に配置されている。なお、支燃ガス放出口１５ｂは平行に配置されることが望ましいが、燃料ガス放出口１５ａは支燃ガス放出口１５ｂに対して４５°の範囲内であれば、前方へ向かうに従って広がるように傾斜させて配置してもよいし、前方へ向かうに従って狭まるように傾斜させて配置してもよい。燃料ガス放出口１５ａの支燃ガス放出口１５ｂに対する傾斜角度が４５°を超えると、燃焼領域１７において燃料ガスと支燃ガスとの混合バランスが悪化し、不安定な燃焼となる。

また、燃料ガス放出口１５ａを支燃ガス放出口１５ｂの外周側に設けてもよいが、安定した火炎を得るには、上記のように燃料ガス放出口１５ａを支燃ガス放出口１５ｂの内周側に設けることが望ましい。

また、燃料ガス放出口１５ａ及び支燃ガス放出口１５ｂの数には特に限定はないが、安定した火炎を得るためには、燃料ガス放出口１５ａが４個以上であって、燃料ガス放出口１５ａよりも支燃ガス放出口１５ｂを多く設けることが望ましい。例えば、上記の組み合わせ以外にも、燃料ガス放出口１５ａを４個と支燃ガス放出口１５ｂを６個との組み合わせ、燃料ガス放出口１５ａを６個と支燃ガス放出口１５ｂを８個との組み合わせ、燃料ガス放出口１５ａを１０個と支燃ガス放出口１５ｂを１２個との組み合わせ、などとすることもできる。

上記の燃料ガス管１１、支燃ガス管１２、冷却ガス管１３及び炉体取付フランジ１４の材料としては、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）等を用いることができる。また、ノズル１５の材料としては、銅等を用いることができる。バーナー１のこれらの部材は、ろう付け等の溶接によって接合される。図３に示すように、溶接部１６は、部材の接合部を埋めるように、全周に亘って環状に形成されている。

バーナーの形態は上記の実施形態に限定されることはなく、燃料ガスを放出する燃料ガス放出口と、実質的な純酸素からなる支燃ガスを放出する支燃ガス放出口とを有するノズルを備え、燃料ガス放出口及び支燃ガス放出口の外部に火炎による燃焼領域が形成されるバーナーであって、ノズル内に、冷却ガスを流通させて燃焼領域へ放出することのない冷却ガス流路を設けた構成であればよい。

したがって、バーナーの用途に限定はなく、用途に合わせて炉体取付フランジのような構成を適宜追加したり、各部の形状を適宜変更したりすることができる。また、バーナー内には適宜ガスケットを設けることができる。

このような構成によれば、ノズル内に冷却ガスの流路を設けることによって、水冷構造では実現できない、簡易な設備（高温物搬送装置等のない設備）で安全に使用できる酸素燃焼方式のバーナーを提供することができる。

上述した都市ガス１３Ａを燃料ガスに用いた場合、一般的な空気燃焼方式のバーナーでは、火炎温度が約２０００℃であるのに対し、上記の酸素燃焼方式のバーナー１では、火炎温度が約２８００℃となる。さらに、空気燃焼方式のバーナーでは、空気中の約８０％を占める窒素が全て排気ガスとなるのに対し、上記の酸素燃焼方式のバーナー１では、純酸素を用いているため全て燃焼に使用され、排気ガスの体積は約１／５以下となる。よって、上記の酸素燃焼方式のバーナー１を用いた予熱炉によれば、熱回収装置や排気ガス流出装置や煙突等が不要であり、簡易な設備とすることができる。また、支燃ガスに窒素が含まれないため、燃焼によるＮＯｘ等の有害な排気ガスの発生を防止できる。

したがって、上記の酸素燃焼方式のバーナー１は、火炎温度が高く排気ガスが少ないので、経済性に優れ環境負荷が小さいバーナーであるといえる。

次に、上記のバーナー１を用いた予熱炉を含むアルミニウムインゴットの予熱・溶解装置の一例について説明する。図４はインゴット予熱・溶解装置の正面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図、図６は図４のＢ−Ｂ線断面図である。図の簡略化のため、図４から図６においてバーナー１に接続される各ホースは省略している。図４及び図５における矢印はアルミニウムインゴット３の搬送方向を示している。

インゴット予熱・溶解装置２は、工程順に、第１搬送装置２１と、予熱炉２２と、第２搬送装置２３と、保持炉２４とを備えている。第１搬送装置２１は、予熱前のアルミニウムインゴット３を予熱炉２２へ搬送する。予熱炉２２は、第１搬送装置２１によって搬送されたアルミニウムインゴット３を予熱する。第２搬送装置２３は、予熱されたアルミニウムインゴット３を予熱炉２２から保持炉２４へ搬送する。保持炉２４は、第２搬送装置２３によって搬送されたアルミニウムインゴット３を溶解して保持する。

バーナー１は水冷構造を有さないので、漏れた冷却水が保持炉２４へ入って水蒸気爆発を起こす心配がない。そのため、バーナー１を保持炉２４に近づけて配置することができ、第２搬送装置２３を短くすることができる。よって、予熱後のアルミニウムインゴット３は第２搬送装置２３での搬送中にその温度が低下することなく、保持炉２４まで高温のまま搬送される。したがって、高温物搬送装置等の大掛かりな設備を必要としない。

本実施形態の予熱炉２２は、アルミニウムインゴット３として、長手方向の長さが７００ｍｍで５ｋｇの四角錐台のＡＤＣ１０を用いることを前提に設計した。また、バーナー１の燃料ガスには都市ガス１３Ａを用い、その流量は０．３〜５．０ｍ^３／ｈとする。バーナー１の支燃ガスには純酸素を用い、その流量は０．６〜１７．５ｍ^３／ｈとする。バーナー１の冷却ガスには空気を用い、その流量は２．０〜８．０ｍ^３／ｈとする。なお、流量は全てノーマル流量（０℃、１気圧換算値）である。

予熱炉２２は、四方が炉壁２２１で囲まれた、アルミニウムインゴットを予熱するための空間である予熱部２２ａを有する。予熱部２２ａには、第１搬送装置２１に繋がる入口から第２搬送装置２３に繋がる出口まで、アルミニウムインゴットを搬送する搬送路２２２が設けられている。

予熱炉２２の正面及び背面の炉壁２２１におけるアルミニウムインゴット側面と対向する位置には、それぞれ予熱部２２ａと外部空間とを連通する穴２２ｂが６個ずつ形成されている。そして、各穴２２ｂにバーナー１のノズル１５部分が挿入され、炉体取付フランジ１４の前面が炉壁２２１の外面に当接した状態で取付穴１４ａを用いてボルト等で炉壁２２１に固定されている。

バーナー１の設置ピッチは１００ｍｍであり、図５に示すように、正面側と背面側とに配置され互いに対向するバーナー１どうしは千鳥状に配置されている。予熱炉２２内に複数のバーナー１をまんべんなく配置するのは、ＡＤＣ１０の熱伝導率が約９６ｗ／ｍ・ｋと低いため、局部的に加熱するとその部位のみ溶けてしまうためである。

なお、予熱炉２２に設けられるバーナー１は、複数であればその数には特に限定はないが、本実施形態のアルミニウムインゴット３であれば５個以上設置することが望ましい。また、バーナー１の設置ピッチは１００ｍｍ以下であることが望ましい。また、バーナー１による入熱は０．０５〜０．３ｋＷ／ｍｍ^２であることが望ましい。

このような予熱炉２２において、各バーナー１から得られる熱量が１５ｋＷ（１２８７０ｋｃａｌ／ｈ）となるように、燃料ガスの流量を１．３ｍ^３／ｈ、支燃ガスの流量を３．０ｍ^３／ｈ、冷却ガスの流量を５．０ｍ^３／ｈ、バーナー１からアルミニウムインゴット３までの距離を３０ｍｍとして試験した。

その結果、アルミニウムインゴット３は約３０秒で約４５０〜５００℃に達した。このときのノズル１５の表面温度は２５０℃以下であった。また、バーナー１内に設けられたガスケットの損傷も見られなかった。よって、バーナー１は冷却ガスによる冷却効果により、自身の輻射熱や燃焼ガスによる高温度化が抑制されているといえる。

また、予熱炉２２において、上記の試験と同様の条件にてアルミニウムインゴット３を約５０秒加熱する試験を行った。その結果、アルミニウムインゴット３は約５８０℃に達し、溶融状態となった。よって、バーナー１はアルミニウムインゴット３を溶解可能なバーナー１としても使用できるといえる。

また、予熱炉２２を１日に８時間以上稼働させても耐久性及び燃焼安定性に問題は生じなかった。

１バーナー
１５ノズル
１５ａ燃料ガス放出口
１５ｂ支燃ガス放出口
１３１内側流路（冷却ガス流路）
１３２外側流路（冷却ガス流路）

Claims

燃料ガスを放出する燃料ガス放出口と、実質的な純酸素からなる支燃ガスを放出する支燃ガス放出口とを有するノズルを備え、前記燃料ガス放出口及び前記支燃ガス放出口の外部に火炎による燃焼領域が形成されるバーナーであって、
前記ノズル内に、冷却ガスを流通させて前記燃焼領域へ放出することのない冷却ガス流路を設けることを特徴とするバーナー。