1.前言

冷轧钢板或冷轧镀锌钢板广泛应用作汽车、家电和建筑用材料。在20世纪90年代前期连续退火炉朝着大型化方向发展，但到了后期由于环保的要求，因此提高热效率、减少CO2排放量作为一种社会责任，至今仍被列为重要的课题。

作为连续退火炉用还原加热烧嘴，日本至今已开发了具有很高的还原能力和热流束的预混合燃烧式对冲喷流烧嘴，应用于不锈钢冷轧钢板退火炉。近年来，为适应减少CO2排放量的要求，提高烧嘴的热效率已成为一个紧迫的课题。在这种情况下，如果采用以往的预混合燃烧方式，会出现回火的问题，为此提出了能采用预热空气的独特的预混合燃烧烧嘴结构的想法，开发出了高效对冲喷流式烧嘴(简称MID烧嘴)。这种高性能、高效率MID烧嘴以燃烧用空气作为预热的热源，通过回收炉内的废气显热，能够减少能源单耗。

2.直焰加热法的特征

所谓采用MID烧嘴的直焰加热法是一种将对冲喷流式烧嘴所形成的高温火焰直接对冲到钢板，对钢板进行加热的技术。与以往的采用辐射管的间接辐射加热方式相比，它具有许多设备上的优势。直焰加热法以对流传热为主，尤其是对于冷轧钢板等表面辐射率小的被加热物体，它能获得很高的热流束。另外，与间接式加热法相比，其加热炉本体的炉内有效长度可以缩短20％，由于热惯性小、应答控制速度快，因此能对板温进行动态控制。

由于炉子长度的大幅度缩短，同时能在钢板的坡口焊接时改变钢板的厚度，因此即使在加热负荷迅速改变的情况下，它也能实现高的应答性。尤其是，由于火焰具有稳定的还原性能，因此能够大幅度减少以往采用间接辐射加热时供给炉子的还原性保护气氛的使用量。

3.MID烧嘴的开发技术参数及其构造

燃烧方式采用钢板的还原能力高的预混合燃烧。燃烧空气的预热温度设定在400℃，比丙烷的自然着火温度低大约100℃。由于使用了预热空气，因此退火炉的最高使用温度为1500℃，比以往设备高大约300℃。另外，为灵活应对炉子负荷的变化，将燃烧设备的最大输出与最小输出之比(以下简称TDR)设定在100％～25％。

为获得高的热流束，将火焰形成喷流用的陶瓷燃烧筒的前端设计成锥形状，在额定燃烧时可以获得大约125m／s的喷出速度。根据设备的规模，烧嘴的燃烧容量可选择70kW或140kW。另外，燃料可相应地选择炼铁厂的副产气体——COG或LNG及LPG。对MID烧嘴所采用喷嘴的基本想法如下。　　

1)考虑到预混合气体的温度，根据燃烧速度确定了气体流速，以便即使在低燃烧负荷时(最小TDR25％)，喷嘴内也不会发生回火。另外，在高燃烧负荷时，应将气体流速控制在火焰不会向上窜的范围内。

2)为准确点火，将预混合气体的一部分引出，在燃烧筒内利用点火电极进行直接点火。所形成的火焰在燃烧过程中起控制火焰的作用。

3)烧嘴前端受炉内和火焰热辐射的作用会被加热到1500℃以上的高温。由于喷嘴前端热传导的作用，烧嘴本体和喷嘴前端的内壁表面温度会升高，因此对加热面进行了隔热设计，以使加热面不会发生自然着火(发热反应)。另外，将喷嘴设计成多孔圆筒形状，它通过确定喷嘴的最佳轴向长度，利用喷嘴上部的预混合气体在入口处停滞区的作用，可将喷嘴壁面的温度降低到预混合气体的着火温度以下。

4)为提高喷嘴前端、燃烧筒和点火电极在高温下的耐用性，使用了耐热温度高、耐热冲击性好的精密陶瓷作材质。

对使用开发的MID烧嘴来预热空气后的炉效率进行了计算。将空气从常温加热至400℃时，炉效率为59％，平均燃料单耗的生产率是不使用预热空气的以往设备的1．2倍，热效率提高了20％。由此可以减少能源单耗和CO2排放量20％。　　

由于燃烧空气温度从常温空气温度加热到400℃，因此在常温空气为30℃时，丙烷气体的隔热火焰温度为2200℃左右，在预热空气为400℃时，丙烷气体的隔热火焰温度能达到2500℃。有研究表明，当火焰温度超过大约1800℃时，燃烧过程中的生成物质如OH－等会短时间存在，它也称离子团物质(热分解物质)。另外，由于离子团物质内能的作用，实际的火焰温度为2000～2300℃。

有文献介绍说，这种离子团物质与钢板的还原加热有关，预混合且高温预热空气的燃烧可以大幅度地改善钢板的还原能力。在与铁的氧化还原中，如果根据空气比为0．9左右的燃烧生成气体的分压比H2气／H2O气，还有CO气体／CO2气体等对铁的氧化还原平衡状态图来考虑，通常只能认为它是一种氧化反应环境。但是，许多研究报告表明，燃烧废气对钢板具有很强的还原能力，可以认为这与热分离的离子团物质有关。但是，能对离子团物质与钢板的还原过程进行定量解说的研究报告几乎没有。

通过此次实验已明确了如何稳定钢板的还原反应，将离子团物质供到钢板周围取决于还原烧嘴的优劣。此次开发的MID烧嘴采用预混合燃烧，并使用高温预热空气，因此能将离子团物质稳定供给钢板，在降低单耗的同时，作为还原加热烧嘴还能获得很高的燃烧性能(根据前面所说的铁对氧化还原的平衡状态图，为获得还原所需的燃烧生成气体，要求燃烧生成气体的空气比必须在0．5以下。在这种空气比为0．5以下的燃烧过程中，与燃烧的发热反应相反，由于未燃气体的热分解所需的吸热反应能大，因此火焰温度会降低，在预混合燃烧时难以持续燃烧)。

4.燃烧及其性能试验

4．1燃烧实验装置

在试验炉上安装了两只容量140kW的供试验用烧嘴，假设即使在低燃烧负荷时，也能将炉内的气体温度维持在1500℃，与实际设备的相同。使用分别独立的空气预热器，能将燃烧用空气最高预热到500℃。

关于烧嘴各部位的温度和热应力，先采用普通的热传导温度解析代码对温度分布和热应力分布进行了解析，然后选择出烧嘴各部位的形状和材质。实验时，为验证计算结果和调查有无发生回火，对MID烧嘴各部位的温度进行了测定。

4．2燃烧实验结果

燃烧实验结果表明，当测定点在非正常值时，即使金属喷嘴前端温度超过1000℃，空气预热温度的上升也缓慢，看不到正常值。这是因为陶瓷喷嘴受炉子热辐射的影响，在喷嘴前端部产生了发热反应，出现了热反应开始点慢慢向上移动现象的缘故。另一方面，当测定点在正常值时，它或是一种喷嘴前端部没有出现发热反应的状态，或是一种发热反应位置固定下来后的正常值，即从炉内高温部朝烧嘴喷嘴前端传递的辐射热和使用预热空气的喷嘴对流冷却达到了平衡，使发热反应位置固定下来。随着空气预热温度的上升，金属喷嘴前端的正常温度也升高了。

对于各种空气预热温度，在低TDR区域中出现了供给压力趋于增大的现象。可以认为这是因为当喷嘴内表面温度升高时，预混合气体的一部分在陶瓷喷嘴前端部发生了发热反应，由于气体温度的上升，从而使供给压力增大。另外，即使在空气预热温度正常的情况下，当TDR在30％以下时，也有出现供给压力增大的现象，同样可经认为这是由于陶瓷喷嘴出现发热反应所致。由于金属喷嘴前端温度的绝对值低，因此可以认为发热反应的发生起点会稳定地固定在陶瓷喷嘴前端部。

由于炉子向喷嘴的热辐射和传热损失及发热反应形成了平衡，因此可以认为在陶瓷喷嘴前端部发热反应的火焰面稳定。另外，金属喷嘴温度慢慢上升是由于发热反应基点慢慢上移而产生的现象，它与喷嘴流速在火焰传播速度以下时的发生的回火是不同的现象。

因此，作为抑制火焰从陶瓷喷嘴向上传热的隔热结构，采取了在陶瓷喷嘴和金属喷嘴之间的隔热材料使用铝纤维系FRP复合隔热材料的办法进行了燃烧实验。结果可知，即使TDR为25％，也能将金属喷嘴的温度抑制在950℃左右，能使用Ni－Cr系耐热钢作为金属喷嘴部的材质。另外，在TDR为100％～40％的情况下，即使将空气预热温度升高至470℃，也没有发生回火问题。

根据以上燃烧实验结果表明，低燃烧负荷时的回火问题和金属喷嘴耐热性的问题是可以解决的。

另一方面，使用高温预热空气时火焰温度会升高，结果估计NOx发生量会增大，但在炉内燃烧气体温度1450℃左右时，NOx浓度在75ppm以下(换算成氧浓度值为11％)，比以往退火炉所采用的直焰式烧嘴的100～120ppm低。

4．3还原加热特性

对冲喷流式还原烧嘴不仅具有高速加热能力，而且在还原状态下具有对钢带表面进行加热的功能。为验证本烧嘴的还原加热特性，采用试验炉对钢板的还原加热特性进行了验证试验。使用烧嘴的容量为140kW，燃料为丙烷气体，钢带和烧嘴之间的距离为450mm。将表面贴上热电偶的钢板送入炉内加热到所规定的温度后，移送到炉下侧的冷却室，用惰性气体——氮气冷却至常温。冷却后，取出钢板，根据表面氧化皮膜状态对钢板的氧化和还原特性进行了评价。

空气比为0．75～1．0、钢带温度在530～700℃范围内的氧化还原特性等实验结果显示：在空气比为0．8以下且钢带温度超过650℃时，为还原区域。当钢带温度在530℃以下的低温区域时，钢板的表面有被氧化的趋势，这与空气比无关。这是因为MID烧嘴所获得的高温燃烧生成气体中具有还原能力的离子团物质(OH－等)对冲到钢板时，离子团物质的能量被钢板吸收，造成钢板界面中生成的物质最终变成废气生成物质，使烧嘴火焰在钢板界面中变成非活化的结果。

5.高效MID烧嘴在实机上的应用

开发的MID烧嘴于2000年5月作为连续热镀锌设备(设备名称HCGL)的前段加热装置应用于新日铁东预制作所。至2004年为止，该HCGL设备已达月产6万t左右的生产能力，创国内外最高生产能力记录。该设备的连续热镀锌设备(下称CGL)的生产单耗在800MJ／t以下，它是1990年以后日本国内所建最先进CGL生产线中(包括配置竖型直焰炉的镀锌作业线和全部间接加热辐射管式加热炉作业线在内的11条镀锌作业线中)单耗最低的CGL设备。

开发的MID烧嘴采用了以下控制系统：

①采用了适合MID烧嘴的预混合烧嘴燃烧负荷控制系统和空气比控制系统。

②采用了利用板温预测控制模型的预调控制系统。

③根据钢板的厚度和在炉内的通过速度的变化，采用了预调模型和前馈控制系统。

④除了采用利用MID烧嘴的高速负荷应答来预测炉压变化的炉压预调系统和高速前馈控制系统外，还确立了许多采用最新控制技术的燃烧系统。

6.结束语

与以往的辐射加热法相比，对冲喷流式直焰加热法具有很高的加热能力和负荷应答性，可以认为今后其应用范围将进一步扩大。另外，为进一步满足节能和减少CO2 排放量的需要，要求进一步提高炉效率。因此，能够使用预热空气的混合燃烧式对冲喷流MID烧嘴及其燃烧控制系统将成为一种有助于环保和提高生产率的技术。