溶融炉

【課題】バーナーから噴射される燃焼ガスを極力炉心に向かわせることで、装入材の効率的な加熱と炉壁の過熱防止とを両立可能な溶融炉を提供する。
【解決手段】溶融炉は、装入材を載置可能な炉床１ａと、その炉床から直立した円筒状の炉壁１ｂとを有する。炉床１ａから所定高さには、複数の主バーナー２が炉壁１ｂの周方向に沿って間隔を隔てて配列されている。炉床１ａから前記所定高さ又はそれ以上の位置には、複数の補助バーナー３が炉壁１ｂの周方向に沿って配列されている。そして、前記複数の主バーナー２のうちの隣り合う二つの主バーナー２間には、二以上の補助バーナー３が配列されている。これら二以上の補助バーナー３の配列ピッチ（Ｌ）は、補助バーナー３から噴射される燃焼ガスの火炎半径（Ｒ）の２倍以下に設定されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉内に装入された装入材（例えば金属スクラップ材など）をバーナーから噴射する燃焼ガスの熱で溶融する溶融炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶融炉の一種であるガスキュポラでは、炉体内下部に火格子や耐火物ベッドを設け、その上に装入材（溶融対象物）を配置することで、装入材に対して均等に高温の燃焼ガスを供給可能としている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、火格子や耐火物ベッドを用いる限り、それらの構成材料の耐火性能がボトルネックとなって燃焼温度（ひいては溶融能力や出湯温度）を高めることが難しい。
【０００３】
このため、装入材を炉床上に直接置くと共にその周囲を取り囲む円筒状炉壁に複数のバーナーを配列し、各バーナーから噴射される火炎（着火状態の高温燃焼ガス）を装入材にあてて溶融する方式が提案されている。例えば、図１及び図２に示す溶融炉のように、炉床１ａから所定高さの位置にて円筒状の炉壁１ｂに対し、３つのバーナー２を炉壁１ｂの周方向に沿って等間隔（即ち１２０°間隔）で設置する。各バーナー２を炉床１ａよりも若干高所に設置するのは、装入材の溶融物がバーナー２に侵入したりバーナー２を塞いだりするのを回避するためである。また、バーナー２の火力を、各バーナー２からの燃焼ガスが炉体の中心（即ち炉心軸ｚ）に到達し得るように設定する。
【０００４】
かかる溶融炉にあっては、３つのバーナー２の各々から水平噴射された燃焼ガス流２１が炉心で衝突する結果、主として炉心軸ｚに沿った上昇流２２と、二種類の下降流２３，２４とを生じさせる。特に二種類の下降流のうち、噴射元のバーナー２に向かって回帰する第１の下降流２３は、噴射元バーナー２からの水平燃焼ガス流２１により炉壁１ｂに沿った上昇を遮られて再び炉心に誘導されるため、水平燃焼ガス流２１の下側において炉心軸ｚと噴射元バーナー２との間で渦を巻くように循環する。これに対し、噴射元バーナー２と反対側に流れる第２の下降流２４は、炉床１ａに沿って噴射元バーナー２と反対側の炉壁１ｂに達し、その炉壁１ｂに沿って垂直に上昇する燃焼ガス流２５（壁面上昇流）を生み出す。
【０００５】
この炉壁１ｂに沿って垂直上昇する壁面上昇流２５は、その垂直上昇を遮るものがないためそのまま炉壁１ｂに沿って上昇するのみであり、装入材が置かれた炉床１ａの中心には向かわない。つまり、壁面上昇流２５は、装入材の溶融のために有効利用されないまま炉の上部に逃がされる。そればかりか、高温の燃焼ガスが炉壁１ｂに沿って流れることで、炉壁１ｂが過熱傾向となる。このため、炉壁１ｂを熱から保護するためには、炉壁１ｂの耐熱限界を考慮して燃焼温度（ひいては溶融能力や出湯温度）をある程度抑制せざるを得えないというジレンマがあった。
【０００６】
【特許文献１】特公平１−４５５５４号公報（耐火物ベッドを有するキュポラ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、バーナーから噴射される燃焼ガスを極力炉心に向かわせることで、装入材の効率的な加熱と炉壁の過熱防止とを両立可能な溶融炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、溶融対象物たる装入材を載置可能な炉床及びその炉床から略直立した略円筒状の炉壁を有する炉体と、炉床から所定高さ（ｈ１）の位置にて、炉壁の周方向に沿って間隔を隔てて配列された複数の第１バーナーと、炉床から前記所定高さ又はそれ以上の位置にて、前記複数の第１バーナーのうちの隣り合う二つの第１バーナー間に少なくとも一つが存在するように炉壁の周方向に沿って配列された複数の第２バーナーとを備えることを特徴とする溶融炉である。
【０００９】
この溶融炉では、各第１バーナーから炉体の中心（炉心）に向かって噴射された燃焼ガスのうちの少なくとも一部は、炉心付近で向きを変え、炉床に沿って炉心から炉壁に向かって流れ、更には炉壁に沿って上昇しようとする。しかし、第１バーナーと同じ高さ又はそれ以上の高さで炉壁の周方向に配列された各第２バーナーは、その燃焼ガス噴射流によって、前記炉壁に沿った燃焼ガスの上昇流を炉心に向けて偏向させる。特に隣り合う二つの第１バーナー間には少なくとも一つの第２バーナーが存在するため、当該隣り合う二つの第１バーナー間に位置する炉壁に沿った燃焼ガスの上昇流が確実に炉心に向けられる。従って、この溶融炉によれば、第２バーナーからの燃焼ガス噴射により、第１バーナーから噴射される燃焼ガスの多くを炉心に向かわせて炉床上の装入材を効率的に加熱できると共に、炉壁に沿った燃焼ガスの上昇流に起因する炉壁の過熱を防止することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の溶融炉において、前記複数の第１バーナーのうちの隣り合う二つの第１バーナー間には、二以上の第２バーナーが炉壁の周方向に沿って配列されており、これら二以上の第２バーナーの配列ピッチ（Ｌ）は、第２バーナーから噴射される燃焼ガスの火炎半径（Ｒ）の２倍以下となるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、隣り合う二つの第１バーナー間にあって炉壁の周方向に配列された二以上の第２バーナーの配列ピッチ（Ｌ）が、第２バーナーから噴射される燃焼ガスの火炎半径（Ｒ）の２倍以下に設定されている。このため、第２バーナーの燃焼ガス噴射時には、ある一つの第２バーナーの燃焼ガスと、その隣の第２バーナーの燃焼ガスとが、それぞれの燃焼ガス流の最外周域において接触し又は重なり合う。その結果、二以上の第２バーナーから噴射される燃焼ガス流が隣同士で隙間無く連続して、炉壁に沿った下から上へのガス流通を遮断するような燃焼ガス流群が形成される。それ故、前述の炉壁に沿った燃焼ガスの上昇流が第２バーナーからの噴射流の間をすり抜けてそのまま炉壁に沿って上昇する事態が効果的に防止される。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の溶融炉において、前記複数の第１バーナーの各々は、これら第１バーナー群の設置高における仮想水平面（Ｐ１）に対して水平又は俯角（θ１）となる方向を指向するように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
第１バーナーが仮想水平面（Ｐ１）に対して水平又は俯角（θ１）となる方向を指向するように設けられている場合には、各第１バーナーから炉体の中心（炉心）に向かって噴射された燃焼ガスの少なくとも一部が、炉心付近で向きを変え、炉床に沿って炉心から炉壁に向かって流れ、更には炉壁に沿って上昇するような燃焼ガスの流れを炉内に生じさせる蓋然性が高い。それ故、本発明によって解決する必要性が大きい。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３に記載の溶融炉において、前記複数の第２バーナーの各々は、これら第２バーナー群の設置高における仮想水平面（Ｐ２）に対して水平又は仰角（θ２）となる方向を指向するように設けられていることを特徴とする。
【００１５】
第２バーナーが仮想水平面（Ｐ２）に対して水平又は仰角（θ２）となる方向を指向するように設けられることで、各第２バーナーが噴射する燃焼ガスによって、前記炉壁に沿った燃焼ガスの上昇流を炉心に向けて偏向させる作用が有効に発揮される。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の溶融炉において、前記各第１バーナーから炉体の中心に向かって噴射されたのち炉床に沿って向きを変え更には隣り合う二つの第１バーナー間にある炉壁に沿って上昇する燃焼ガスの流れを、前記各第２バーナーから噴射される燃焼ガスによって炉体の中心に向けて偏向させることを特徴とする。これは、本発明の作用又は機能を表現したものである。
【発明の効果】
【００１７】
各請求項に記載の溶融炉によれば、第１バーナーから噴射される燃焼ガスに由来する炉壁に沿って上昇しようとする燃焼ガスを、第２バーナーから噴射される燃焼ガスによって極力炉心に向かわせることができるため、装入材の効率的な加熱と炉壁の過熱防止とを見事に両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のいくつかの実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図３〜図５は一実施形態に従う溶融炉を示す。この溶融炉は、直立円筒状の炉体１と、第１バーナーとしての３本の主バーナー２と、第２バーナーとしての１５本の補助バーナー３とを有している。本実施形態におけるバーナー２，３は、気体又は液体の燃料と助燃気体（例えば空気）とに基づいて着火状態の高温燃焼ガス（つまり火炎）を噴射する燃焼ガス噴射管である。なお、主バーナー２の火力は、補助バーナー３の火力よりも大きく設定されており、各主バーナー２が単独で火炎を噴射した場合の火炎長が炉体１の半径（Ｄ／２）よりも長くなるような火力に設定されている。
【００１９】
炉体１は、溶融対象物たる装入材（図示略）を載置可能なほぼ水平な炉床１ａと、その炉床１ａから直立した円筒状の炉壁１ｂと、炉体内に装入材を搬入するための搬入口（図示略）と、装入材の溶融物を炉床１ａから炉体外へ搬出するための搬出口（図示略）とを少なくとも備えている。尚、直立円筒状炉体１の直径Ｄは、例えば２００〜８００ｍｍに設定される。炉床１ａの中心において鉛直方向に延びる炉心軸ｚから炉壁１ｂまでの距離（Ｄ／２）は、全周にわたり一様に等しいことは言うまでもない。
【００２０】
３本の主バーナー２は、炉床１ａから高さｈ１の位置において、炉壁１ｂの周方向に沿って等角度間隔（即ち炉心軸ｚを中心として１２０°間隔）で配列されている。通常、高さｈ１は炉体１の半径（Ｄ／２）よりも小さい。他方、１５本の補助バーナー３は、炉床１ａから高さｈ２の位置において、炉壁１ｂの周方向に沿って配列されている。高さｈ２は、前記高さｈ１に等しい（ｈ１＝ｈ２）か又はそれよりも大きい（ｈ１＜ｈ２）。図３〜図５の溶融炉では、主バーナー２と補助バーナー３とを合わせた合計１８本のバーナーが炉壁１ｂの周方向に沿って等角度間隔（即ち炉心軸ｚを中心として２０°間隔）で配列されている。つまり、炉壁１ｂの周方向に沿って隣り合う二つの主バーナー２間には、それぞれ５本の補助バーナー３が存在し、これら補助バーナー３は２０°間隔で配列されている。
【００２１】
主バーナー２及び補助バーナー３はいずれも、それぞれの噴射口が炉心軸ｚを指向するように平面視放射状に設置されているが、各バーナーの鉛直方向における取り付け角度は若干異なっている。即ち、主バーナー２の各々は、これら主バーナー群の取付け高さｈ１における仮想水平面Ｐ１に対して水平方向又は俯角θ１方向を指向するように設置されている（図４に示す主バーナー２は水平方向、即ちθ１＝０°の方向を指向する）。俯角θ１の最大値は、好ましくは、ｔａｎθ１＝２・ｈ１／Ｄとなる値である。
【００２２】
他方、補助バーナー３の各々は、これら補助バーナー群の取付け高さｈ２における仮想水平面Ｐ２に対して水平方向又は仰角θ２方向を指向するように設置されている（図４に示す補助バーナー３は水平方向、即ちθ２＝０°の方向を指向する）。仰角θ２の好ましい角度範囲は、０°〜３０°である。仰角θ２が０°よりも小さいと、補助バーナー３から噴射される燃焼ガスが、炉壁１ｂに沿って垂直に上昇しようとする燃焼ガス流と真っ向衝突する関係となり、炉内でのガス流を乱す原因となる。仰角θ２が３０°よりも大きいと、補助バーナー３から噴射される燃焼ガスによって、炉壁１ｂに沿って垂直に上昇しようとする燃焼ガス流を炉心軸ｚに偏向させる効果が弱まり好ましくない。
【００２３】
更に図５に示すように、炉壁１ｂの周方向における補助バーナー３の配列ピッチＬは、各補助バーナー３から噴射される燃焼ガスの火炎半径Ｒ（破線で示す）の２倍以下となるように設定されている。バーナーから噴射される燃焼ガスの火炎半径Ｒは燃料等の噴射量や噴射圧によって変化するため、火炎半径Ｒとバーナー噴射口の半径との関係を一義的に定めることは難しいが、一般には、火炎半径Ｒはバーナー噴射口半径の２〜４倍程度の広がりを持つ。
【００２４】
さて、本実施形態の溶融炉においても、３つの主バーナー２から噴射された燃焼ガス流２１が炉心で衝突する結果、炉心軸ｚに沿った上昇流２２と、二種類の下降流２３，２４とが生じる（図４参照）。二種類の下降流のうち、噴射元の主バーナー２に向かって回帰する第１の下降流２３は、噴射元主バーナー２からの燃焼ガス流２１により炉壁１ｂに沿った上昇を遮られて再び炉心に誘導されるため、燃焼ガス流２１の下側において炉心軸ｚと噴射元バーナー２との間で渦を巻くように循環する。これに対し、噴射元主バーナー２と反対側に流れる第２の下降流２４は、炉床１ａに沿って噴射元主バーナー２と反対側の炉壁１ｂに達し、その炉壁１ｂに沿って垂直に上昇しようとする。
【００２５】
しかしながら本実施形態では、高さｈ２にて炉壁１ｂの周方向に配列された各補助バーナー３が、その燃焼ガス噴射流によって、前記炉壁１ｂに沿って上昇しようとする燃焼ガス流を、炉壁１ｂから引き離すと共に炉心軸ｚに向けて偏向させる。特に、隣り合う二つの主バーナー２間には五つの補助バーナー３が存在すること、更にはこれら五つの補助バーナー３の配列ピッチＬが補助バーナー３から噴射される燃焼ガスの火炎半径Ｒの２倍以下に設定されていることのために、隣り合う補助バーナー３の燃焼ガスが、それぞれの燃焼ガス流の最外周域において接触し又は重なり合う。その結果、五つの補助バーナー３から噴射される燃焼ガス流が隣同士で隙間無く連続して、炉壁１ｂに沿った下から上へのガス流通を遮断するような燃焼ガス流群が形成される。このため、二つの主バーナー２間に位置する炉壁１ｂに沿って上昇しようとする燃焼ガス流がそのまま炉壁１ｂに沿って上昇する事態が防止されると共に、各補助バーナー３から噴射される燃焼ガスの誘導作用により、炉壁１ｂに沿った燃焼ガス流が確実に炉心軸ｚに向けられる。
【００２６】
このように本実施形態によれば、主バーナー２から噴射される燃焼ガスに由来する炉壁１ｂに沿って上昇しようとする燃焼ガスを、補助バーナー３から噴射される燃焼ガスによって極力炉心に向かわせることができる。このため、炉床１ａ上の装入材を効率的に加熱できると共に、炉壁１ｂに沿った燃焼ガスの上昇流に起因する炉壁１ｂの過熱を防止することができる。
【００２７】
また本実施形態によれば、炉壁１ｂに沿った燃焼ガスの上昇を阻止できるため、炉壁１ｂの耐熱限界を考慮して燃焼温度（ひいては溶融能力や出湯温度）を抑制する必要があまりない。それ故、主バーナー２等の助燃気体として高濃度酸素ガス（例えば１００％濃度の酸素）を用いて燃焼温度の向上を図ることもでき、空気燃焼炉では溶融が難しいとされるスチールスクラップ等の装入材をも溶融可能となる。
【００２８】
（変更例）本発明の実施形態を以下のように変更してもよい。
補助バーナー３の配置高さを多段階に設定してもよい。例えば図６に示すように、二つの主バーナー２間に並んだ五つの補助バーナー３のうち、三つを高さｈ２に設置し、残り二つを高さｈ３に設置する（ｈ２＜ｈ３）。このように隣り合う補助バーナー３の高さが異なっても、各補助バーナー３から噴射される燃焼ガスの火炎直径（２Ｒ）がほぼ重なるような関係にあれば、補助バーナー３からの燃焼ガス流群による、炉壁１ｂに沿った上昇流の遮蔽効果及び炉心軸ｚへの誘導効果が十分に発揮される。
【００２９】
図７に示すように、主バーナー２の噴射口が炉床１ａの中心点を指向するように、主バーナー２を下向きの取付け角度（俯角θ１）で設置してもよい。このとき、ｔａｎθ１＝２・ｈ１／Ｄの関係がほぼ成り立つ。主バーナー２から噴射された斜め下向きの燃焼ガス流２１は、炉床１ａに沿って噴射元の主バーナー２と反対側に位置する炉壁１ｂに達し、炉壁１ｂに沿って垂直に上昇する燃焼ガス流２５となるが、この場合も前記同様、補助バーナー３から噴射される燃焼ガスにより、燃焼ガス流２５は炉心軸ｚに向けて偏向させられる。
【００３０】
図８に示すように、炉壁１ｂの周方向に沿って配列されるバーナーの全てが、主バーナー２であってもよい。つまり、主バーナー２が第１バーナーと第２バーナーとを兼ねる、又は役割分担するような設計であってもよい。図８では、合計１６本の主バーナー２が等角度間隔（即ち２２．５°間隔）で配列されているが、例えば９０°間隔で配置されている４本の主バーナー２（２Ａ）を第１バーナーとみなす場合には、２２．５°間隔で配置されている残りの１２本の主バーナー２（２Ｂ）を第２バーナーとみなし得る。図８の構成の溶融炉でも、上記実施形態と同様の作用及び効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来例における溶融炉のバーナー配置の概略を示す平面図。
【図２】従来例における溶融炉の下部の径方向縦断面図。
【図３】一実施形態における溶融炉のバーナー配置の概略を示す平面図。
【図４】図３に示す溶融炉の下部の径方向縦断面図。
【図５】図３に示す溶融炉の炉壁の一部を展開した状態で示す図。
【図６】変更例における炉壁の一部を展開した状態で示す図。
【図７】変更例における溶融炉の下部の径方向縦断面図。
【図８】変更例における溶融炉のバーナー配置の概略を示す平面図。
【符号の説明】
【００３２】
１…炉体、１ａ…炉床、１ｂ…炉壁、２…主バーナー（第１バーナー）、３…補助バーナー（第２バーナー）、２Ａ…主バーナー（第１バーナー）、２Ｂ…主バーナー（第２バーナー）、ｚ…炉心軸。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融対象物たる装入材を載置可能な炉床及びその炉床から略直立した略円筒状の炉壁を有する炉体と、
炉床から所定高さ（ｈ１）の位置にて、炉壁の周方向に沿って間隔を隔てて配列された複数の第１バーナーと、
炉床から前記所定高さ又はそれ以上の位置にて、前記複数の第１バーナーのうちの隣り合う二つの第１バーナー間に少なくとも一つが存在するように炉壁の周方向に沿って配列された複数の第２バーナーとを備えることを特徴とする溶融炉。
【請求項２】
前記複数の第１バーナーのうちの隣り合う二つの第１バーナー間には、二以上の第２バーナーが炉壁の周方向に沿って配列されており、これら二以上の第２バーナーの配列ピッチ（Ｌ）は、第２バーナーから噴射される燃焼ガスの火炎半径（Ｒ）の２倍以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融炉。
【請求項３】
前記複数の第１バーナーの各々は、これら第１バーナー群の設置高における仮想水平面（Ｐ１）に対して水平又は俯角（θ１）となる方向を指向するように設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融炉。
【請求項４】
前記複数の第２バーナーの各々は、これら第２バーナー群の設置高における仮想水平面（Ｐ２）に対して水平又は仰角（θ２）となる方向を指向するように設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の溶融炉。
【請求項５】
前記各第１バーナーから炉体の中心に向かって噴射されたのち炉床に沿って向きを変え更には隣り合う二つの第１バーナー間にある炉壁に沿って上昇する燃焼ガスの流れを、前記各第２バーナーから噴射される燃焼ガスによって炉体の中心に向けて偏向させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶融炉。

【図１】