专利名称：无氧化加热方法及装置的制作方法
技术范围本发明涉及无氧化加热方法及装置，特别是涉及在钢包、中间包等炼钢、连续浇铸领域的各种炉子以及加热金属(包括有色金属)材料等加热、热处理领域的各种炉子内采用有效的无氧化性气体进行无氧化加热的技术。
背景技术：
以往，在加热炉中在无氧化状态下加热钢材等的加热方法包括有(1)辐射管加热法(日本钢铁协会编最新实用燃烧技术，P31，(1983))、(2)直焰还原加热法(第88届西山纪念技术讲座，P75(1983))、(3)双层气氛燃烧法(日本钢管技术报，No.120，P24(1988))等。
(1)辐射管加热法，它是藉燃烧器的燃烧加热配置在加热炉内的辐射管内部，利用从辐射管外表面散发的热来加热钢材的方法。这种方法由于能够自由地设定与钢材接触的炉内气氛，故容易将炉内气氛控制在无氧化状态。
(2)直焰还原加热法，它是使在燃烧器火焰中的外焰部分形成的还原火焰直接对准钢材以实现在还原气氛下加热的方法。
(3)双层气氛燃烧法，它是通过不完全燃烧得到的无氧化气氛包围钢材，同时在无氧化气氛外侧的未燃气体区域内通过调节二次燃烧的双层气氛进行加热的方法。
以上各种方法尽管都是涉及钢材的加热，但对AL、Cu等有色金属加热时也可采用。
然而，上述以往的各种金属材料的无氧化加热技术分别存在下列种种问题。其中(1)辐射管加热这种方法使含有燃烧生成的H2O和燃烧时剩余的O2等的氧化性燃烧气体与炉内气氛完全隔离，这方面是非常出色的。但是，①对于炉温高达1200℃以上的高温情况。还没有能耐受高温的有效的管子材料；②由于燃烧是在狭小的管子空间内进行的。因此，燃烧器的燃烧容量(炉子的加热能力)受到限制。鉴于这些原因，作为热处理炉姑且不论、炉温超过1200℃的钢材轧制用的加热炉从未使用过这种加热方法。
(2)直焰还原加热这种方法，因为必须要在钢材附近形成还原气氛，故①受到钢材表面温度(900℃以下)、燃烧条件(负荷、空气比、燃烧器容量)等操作方面的限制；②钢材表面与燃烧器之间的距离等受到设备的限制；③燃料具有的燃烧热量只有一部分被利用，热效率不高等。鉴于上述原因，轧制钢材用的加热炉(热轧、厚板和条钢等加热炉)从未使用过这种加热方法。
(3)双层气氛燃烧这种方法，由于①为了形成双层气氛，炉内燃烧器的配置受到限制(如，炉顶燃烧器和侧面燃烧器难于并用)、在加热大型钢材情况下，加热温度的均匀性有问题；②加热能力/炉容积之比较原来的燃烧器要小，因此炉子大；③燃烧负荷变动时，无氧化气氛易遭破坏，对负荷变动大的炉子难于适用等原因，故热轧、厚板以及条钢等大型钢材轧制用的加热炉还未曾用过这种加热方法。
另外，象上述(2)和(3)那种靠燃烧获得无氧化气氛的方法，由于炉温和燃烧条件(如，钢材温度＞1200℃时为获得无氧化气氛，必须使燃烧气体的成分达到CO/CO2＞3.1、H2/H2O＞1.2，在以焦炉煤气为燃料时，必须以空气比＜0.5进行燃烧)受到限制，操作上的制约也多，难以在钢材表面附近完全形成无氧化的气氛，而且长时间稳定保持无氧化气氛，故不能充分防止氧化。
下面，就涉及连续浇铸中的一种加热炉的中间包加热作为技术背景加以说明。
中间包本身由于没有发热体，在使用的时候，为要确保钢水可能浇铸的温度，必须采用另外的手段进行加热。另外，采用多个中间包边交换边连浇的场合，例如，在变更钢种的时候，同等待上机的中间包交换，为了使使用过的中间包在下次使用之前处于等待上机的状态，同样也必须将其加热到可能浇铸的温度。无论哪种情况，在以往的中间包上，一般都采用在中间包预热盖上设置气体燃烧器作为加热手段进行预热。具体地说，在气体燃烧器中，例如使用焦炉煤气之类燃料气体时要送入混入理论需要量的110-120％的空气，使之在中间包内燃烧，从而把中间包的内表面预热到1200～1300℃。但是，这种场合，由于在燃烧气体中混入了过多的氧，在连续重复使用预热的中间包时，先前使用(上次浇铸)后的残钢、残渣，在下次浇铸预热时要被氧化，生成FeO(所谓FeO增加现象)。而这种生成的FeO与钢中AL反应将生成Al2O3，它将以夹杂物的形式存在于钢中，结果在下游工序中会导致生成起因于Al2O3的重皮、起泡等质量缺陷。
很久以来，为寻求防止FeO增加的技术，提出了各种方案。例如，日本的平4-22,567专利公报中，就公开了一种中间包预热方法。即在重复使用连铸用中间包时，把供给预热用气体燃烧器的空气量控制到相当于气体供给量的理论需要量的70～100％，结果使中间包内气氛中的氧浓度比以往要低，从而抑制了残钢的氧化。
另外，在日本的平2-37,949号专利公报中还公开了一种中间包内气体置换技术。即随着中间包内的预热结束，中止供给燃料，同时用惰性气体Ar气体驱出燃烧器内残存的燃料并使其在预热盖内燃烧，与此同时，通过气体置换专用的Ar气管道送入置换用Ar气体进行置换，使中间包内的燃烧气体在短时间内被Ar气体置换，从而抑制了残钢的氧化。
但是，上述日本的平2-37,949号专利公报和日本的平4-22,567号专利公报中公开的方法，虽然都能确保中间包使用时可能浇铸的温度，但都是用与空气混合的气体燃料在中间包内燃烧，把中间包内壁预热到1200～1300℃的以往方法为基本前提。而且，在这种前提下，上述日本的平2-37,949号公报的技术中，尤其在重复使用中间包而进行预热时，为了充分抑制残钢氧化的问题，在预热结束之后特意向中间包内吹入惰性气体以便清除包内燃烧气体和残存氧气，置换成非氧化气氛。的确，在用惰性气体强制清扫的方法中，由于解决了燃烧气体和氧气在包内的残存问题，故多少可缩短预热后到气体置换结束的时间。但是，仍不能防止加热过程中由于过多的氧而使残渣氧化，而且由于用气体清扫，又有降低中间包内壁温度造成热损失的问题。
为此，后来的日本的平4-22,567号专利公报提出的技术，是藉把供给预热气体燃烧器的空气量控制在理论需要量以下，不必进行惰性气体清扫来抑制残钢的氧化，从而不会产生先前日本的平2,37,949专利公报技术中所发生的那种问题。但是，为要完全防止氧化，必须将燃烧器的理论空气量控制在50％以下，这又引起由于燃烧时氧气不足而发生不完全燃烧的问题，从而使加热成本非常高。而且，在处理未燃气体时又有必要采取防爆和CO中毒等安全措施等问题。
本发明涉及在金属材料加热、热处理领域和炼钢、连铸领域中必须要求在无氧化气氛中加热的各种炉子的加热技术，并着重解决上述先有技术所存在的主要问题。本发明的一第一目的是提供一种无氧化加热方法和装置、即通过连续地向炉子内送入高温无氧化性气体进行加热，可以完全防止被加热物的氧化，同时又有效地利用热量，而不必担心燃料不完全燃烧和中毒等问题。
本发明的一第二个目的是提供一种无氧化加热方法和装置，即以确立能个别解决上述以往各种技术存在的各种各样问题的技术为目标，通过防止或抑制加热时的氧化，以降低铁皮损失，提高回收率，而且藉抑制氧化可使除鳞处理变得容易，因此能降低成本。
本发明的一第三目的是实现低成本的无氧化加热操作，即提供一种产生高温无氧化性气体的有效手段，特别是藉与炉内燃烧气体进行热交换，获得预热到高于加热中的钢材温度或几乎等于炉温的无氧化性气体来形成钢材的加热气氛。
发明的公开达到上述目的的本发明的权利要求第1～第11项所述的发明内容涉及的是无氧化加热方法。
本发明的无氧化加热方法是在要求无氧化气氛的炉内以高温无氧化性气体进行加热时，通过交替切换多台蓄热式加热器，同时反复进行把无氧化性气体加热到规定温度的操作，从而连续生成高温无氧化性气体(权利要求1)。由此，即便存在少量的氧化性气体也能排出，使高温无氧化性气体不间断地向炉内送入，从而可完全防止被加热物的氧化。
这里，若把送入炉内的高温无氧化性气体的一部分再循环、再用于炉内的加热(权利要求2)、可实现热的有效利用。
另外，由于送入炉内的高温无氧化性气体是通过蓄热式加热器与炉内燃烧气体进行热交换生成的(权利要求3)，因此，原来作为废气排出的炉内燃烧气体中的余热得到积极的利用，从而实现更低成本的无氧化加热操作。
本发明的无氧化加热方法适用于作为要求无氧化气氛炉子的连铸中间包的加热(权利要求4)。采用这种方法，可以省掉原来当重复使用内壁有残钢的中间包时用预热燃烧器藉中间包内燃烧气体进行的预热，从而完全防止中间包内残钢的氧化即防止所谓FeO的增加，进而防止成品钢材质量缺陷的发生。
这种场合下，中间包外部的加热手段是采用至少加热到850℃以上的无氧化性气体，对该中间包内部进行保温以供下次再用(权利要求5)，这样就可使再用中间包时的最大等待上机时间比以往大幅度延长，从而增加多炉连续浇铸的次数。
本发明的无氧化加热方法还适合于用在要求无氧化气氛的钢材加热炉(权利要求6)。采用本发明的方法，可以省去燃烧条件限制多，难以充分防止氧化的辐射管加热法，直焰还原加热法和双层气氛燃烧法等以往加热炉无氧化加热方式，可以稳定加热炉内钢材表面的气氛并使其保持完全无氧化的气氛，从而降低铁皮损失、提高产品收得率。
这种场合下，在加热炉内被加热钢材的周围，由于供给的是预热到高于加热中钢材温度或大致与炉温相同温度的高温无氧化性气体(权利要求7)，因此可防止炉温和钢材温度降低，从而提高加热效率。
另外，这种场合下，在钢材表面温度超过700℃的加热带或均热带内，藉把高温无氧化性气体吹到钢材附近使其包围被加热钢材或者用吹入的高温无氧化性气体与炉内氧化性气体置换(权利要求8)，这样，可把被加热钢材与加热炉内氧化性气体气氛隔开，从而，因降低铁皮损失而促进钢材收得率的提高。
本发明的无氧化加热方法还适用于要求无氧化气氛的退火炉(权利要求9)。采用本发明的方法，可以通过喷吹高温气体进行对流传热加热，取代以往用辐射管燃烧器进行间接加热的方法，从而显著提高如带钢等被加热材料的板温可控性。
在本发明的无氧化加热方法中，作为无氧化性气体使用的是惰性气体或将微量可燃界限以下的还原性气体混入惰性气体的混合气体，将无氧化性气体导入炉内，使炉内气氛变为无氧化或还原气氛。在这种场合，可以单独或混合使用作为惰性气体的N2和Ar气体，也可以单独或混合使用上面所说的还原性气体H2和CO气体(权利要求10、11)。通过把炉内气氛变成可燃界限以下的还原气氛，一方面能使防止氧化的作用更充分，另一方面，也能进行氧化物还原，同时，排除因炉内气体泄漏而引起爆炸的问题。
本发明权利要求中第12～第16项所述的发明涉及的是无氧化加热装置。
本发明的无氧化加热装置，是对向要求无氧化气氛的炉内供给的无氧化性气体进行加热的蓄热式加热装置，它配备有蓄热体及其加热装置并且至少两个为一组的热交换器，以及连接热交换器和未加热的无氧化性气体供给管线的切换阀，把上述热交换器的任意一个作为加热蓄热体的蓄热系统，而另一个作为加热无氧化性气体并进行送风的送风系统，用上述切换阀切换这两个系统同时通过热交换连续地产生高温无氧化性气体(权利要求12)。采用这种装置，可以确保热交换产生的高温无氧化性气体连续地供给炉内，从而防止被加热物的氧化。
在这种蓄热式无氧化加热装置中，还设有气体循环用风机，其吸风侧接到炉内，其排风侧与上述未加热无氧化性气体供给管线相连，从而构成加热气体的循环路径(权利要求13)，这样，可以使加热气体反复循环使用，促进热的有效利用。
本发明的无氧化加热装置中的蓄热体的加热装置，可从气体燃料燃烧器、液体燃料燃烧器、电阻加热器、感应加热器、等离子枪中任选一种(权利要求14)。这样，根据被加热体的条件，使装置最佳地适应被加热体。
另外，与上述这些加热装置不同，使用炉内燃烧气体作为蓄热体的加热装置(权利要求15)，可以有效利用余热，从而节省能源消费量。
还有，在本发明的无氧化加热装置中，除了无氧化性气体之外，还可以使用混有燃爆界限以下的微量还原性气体的混合气体(权利要求16，17)。因此，可将炉内气氛保持还原性，从而更充分地防止被加热物的氧化。
附图的简要说明
图1是表示在中间包无氧化加热中应用本发明的一个实施例的原理图；图2是表示图1所示的中间包无氧化加热中，该中间包最大等待上机时间与先有方法相比的延长效果曲线；图3是表示中间包无氧化加热的其它实施例的原理图4是表示在中间包无氧化加热时中间包温度的变化曲线；图5是中间包无氧化加热中，循环使用中间包内高温无氧化性气体的实施例的原理图；图6是表示在退火炉的无氧化加热中应用本发明的实施例的原理图；图7是表示钢材加热炉中，钢材表面温度与生成铁皮厚度之间关系的曲线；图8是表示步进梁式连续加热炉中各段内钢材表面温度的变化曲线；图9是表示在钢材加热炉的无氧化加热中应用本发明的实施例的原理图；图10是表示钢材加热炉概况的简略视图；图11是表示在钢材加热炉的加热段和均热段内喷吹无氧化性气体情况的简略视图；图12是表示钢材加热炉的无氧化加热的实施例与先有加热法相比，铁皮降低效果曲线。
标号说明1.中间色；2.热交换器；3.切换阀；5.蓄热体，10.供给未加热无氧化性气体的管线；12.气体循环用风机。
应用本发明的优选实施例本发明人以解决要求无氧化气氛的炉子的加热为目标，首先着重解决以往关于确保反复使用的中间包的可能浇铸温度存在的问题。关于中间包加热，为要解决以往存在的问题，考虑到必须实现不在中间包内进行燃烧情况下反复使用中间包，即实现无预热、无氧化的反复使用作业，为此，反复进行各种实验不断进行研究。
根据本发明人的实验，通常，尽管浇铸中的中间包内衬表面温度上升到几乎和钢水温度相等的1540～1570℃左右，但当浇铸结束时温度开始下降，若将该包原封不动地等待上机，例如一个70吨的中间包，大约经过6小时之后就要低于1100℃，而经过14小时之后就要下降到850℃以下。
在中间包不到850℃的温度下，若将由钢包注入到中间包内的钢水从中间至底部的水口再注入到结晶器，即便从水口下方吹入氧气搅动也很困难。另外，等待上机的中间包温度若低的话，在把钢水注入到中间包时，钢水温降加大，为了确保浇铸初期的钢水温度，必须提高注入中间包时的钢水温度。但是，在浇铸后半期，由于中间包温度上升，钢水温度提高并超过了必要值以上，因此不得不降低浇铸速度并成为泄漏事故的原因。因此，把850℃定为实际上中间包再使用时的温度下限也通过实验确定了下来。
另外，随着温度下降，中间包内压力减小，外部空气(氧气)侵入，则中间包内氧浓度增大。在中间包再使用时，为了防止残钢氧化，显然必须把等待上机中的中间包内的氧浓度降到1％以下。因此，在不用无氧化性气体清扫中间包内气体时，为防止随着等待上机的中间包温度下降而发生的氧气侵入，必须将中间包几乎完全密封起来。上述等待上机中的中间包温降数据就是在这种密封状态下的数值。
不过，即便是完全密封，例如中间包内气体随着温度下降也要收缩，而且中间包内由于温度高而产生气体流动，这样，外来空气就会侵入，因此，空气的侵入不可能避免。由于实际上杜绝外来空气侵入中间包是不可能的，因此，仅靠密封要达到完全无氧化是很困难的。作为对策，提出用无氧化性气体(如N2气体)连续清扫的办法来防止从中间包外部来的氧气侵入。为检验这种办法的可能性，在70吨中间包内进行实验，以120Nm3/h的流量，将N2气体连续送入中间包内，同时观察待机状态下中间包的温度降，发现比原来不用N2气体清扫时，温度降更快，大约经3小时，温度降到1100℃，而经8-9小时后，温度降到850℃以下。
根据上述实验结果，本发明人为了重复使用中间包，开发出一种用在中间包外面加热的无氧化性气体使中间包的内表面温度保持在可能浇铸的温度，即850℃以上，又能省去原来用燃烧气体在中间包内的预热操作，在无预热情况下防止氧化，同时使中间包能够重复使用的方法，从而构成了本发明。
无氧化性气体的加热手段并无特殊的限制，例如，采用把用气体燃烧器加热的蓄热体作为气体加热源的蓄热式预热器，或者电阻加热和感应加热或等离子枪等加热方式都是适用的。
下面参照附图对本发明的实施例加以说明。
图1是表示实施本发明的中间包无氧化保温方法的装置一个实施例的原理图。
在图1中，标号1是容量70吨的四流连铸中间包(T/D)。另外，中间包的底部的滑动水口、浸入式水口的图示已被省略。无氧化性气体的加热手段的蓄热式预热器2、2分别接到这个中间包1的蓄1a的开口1b和1c上。这两台蓄热式预热器2、2是通过切换阀3连接起来的。
各蓄热式预热器2装备有蓄热室5、燃烧室6、燃烧器7，向燃烧器7供给燃料的管线8和供给空气的管线9。为了加大传热面积。在蓄热室5内充填有由球状和管状的陶瓷和金属材料构成的蓄热体。燃烧室6内有加热蓄热体的燃料气体。燃烧器7是装设在燃烧室6内的。
切换阀3具有自由切换进气和排气通路的功能。在进气时，它是将由无氧化性气体供给管线10供给的气体切入任意一个蓄热式预热器2，以便向中间包内送入无氧化性气体；在排气时是将从中间包出来并经两个蓄热式预热器2中的任一个取出的气体和燃烧废气经排气风机11排放到外部。
另外，切换阀(装置)只要满足上面所说的切换通路的功能，不用图中标号3表示的那种四通切换阀，而采用组合开关阀也是可以的。
采用图1所示的装置，还可进行使用N2气体作为无氧化性气体对中间包1进行下面的无氧化加热实验。
(1)在第一次使用后的中间包1上要装上包盖1a，交替切换两台蓄热式预热器2、2，连续向中间包1内送入加热到1300℃的高温N2气体、进行中间包保温实验。
这时，将由燃料供给管线8来的燃料气体供入蓄热式预热器2中的燃烧器7，同时供入由空气进气管线9来的空气，使在燃烧室6内燃烧产生70×104大卡/小时的热量，先把蓄热室5的蓄热体加热。然后，关闭燃烧器7，从外部通过切换阀3送入流量为1800Nm3/小时的N2气体，当通过被加热的蓄热体后，送入的N2气体被加热到1300℃以上的温度，再将该高温的N2气体送入中间包1内。使用一个蓄热式预热器2加热N2气体时，另一个蓄热式预热器2进行蓄热体的加热。
在蓄热体加热过程中，在燃烧室6内燃烧完了的气体是通过蓄热室5，切换阀3由排气风机11抽出排掉的。例如，燃烧后排出的气体加上从中间包内抽出的N2气体合计有1600～2000Nm3/h，在加热蓄热体之后，在蓄热体的出口，温度降到200～300℃，最后被强制排出。
送入中间包内的高温加热N2气体，从中间包盖1a的缝隙和开口1b、1c逸出到外部，但由于中间包1内压力总保持比外部气压稍高，故可防止外部空气侵入到中间包内。另外，前述的从外部向中间包供入的1800Nm3/h的N2气体，利用其中的20-60％使其经2a的喷口再循环，从而降低了燃烧器7的火焰温度(通常为1900℃左右)，以便控制温度，防止燃烧室5内异常升温，与此同时，还回收了N2气体的余热。
利用两台蓄热式预热器2、2，每60秒钟交换一次进行反复加热N2气体，可把1300℃以上的高温N2气体连续供入中间包1内，在把中间包1的内表面保温在850℃以上温度的同时，还使中间包内保持住无氧化气氛，这样，可使中间包处于待机到再次开始使用状态。
另外，在切换蓄热式预热器2时，当一个蓄热式预热器2的燃烧器7熄火后，由于排气风机11仍然定期运转，继续强制排出该燃烧室6内的气体，这样，处于中间包内的一部分N2气体从蓄热式预热器2的高温N2气体插入管2a经燃烧室6、蓄热室5、切换阀3排出，而残留在蓄热式预热器2的燃烧室6、蓄热室5和切换阀3中的燃烧气体可用无氧化性气体清扫置换出来。而且，如能防止切换操作初期发生的残留燃烧气体混入中间包内，则也可使中间包1内保持完全无氧化气氛状态。
(2)无氧化保温中间包的延长最大等待上机时间的效果下面，用图1所示的装置，将加热到850℃的N2气体连续送入刚用完的而当初具有1300℃以上的内表面温度的中间包内进行无氧化保温，以便将该中间包的延长最大等待上机时间的效果与原来不采用本发明的情况作比较。
其结果如图2曲线所示。
现在用清扫的曲线表示的是在内表面温度为1350℃的中间包上加盖，通入120Nm3/h流量的常温N2气体对中间包进行清扫同时等待上机情况下，中间包的内表面温度的变化。到中间包的内表面温度降到可能浇铸的下限850℃时，其等待上机时间是8-9小时。
与此相对应的，若采用本发明的方法，将1300℃的无氧化性气体供给到内表面温度为1350℃的中间包内进行保温，则等待上机时间能大幅度地延长，达到24个小时，这样连续浇铸数也能增加。
(3)导入微量还原性气体的无氧化保温在图1的装置中，将供给无氧化性气体管线10与图中未标出的供给还原性气体管线连接起来，在供给无氧化性气体的同时，把微量的还原性气体，比如H2、CO、CH4(或LPGT等)无论哪种气体导入中间包1内，就可把中间包内气氛维持为还原性并进行保温。所谓“微量”是指当所用的还原性气体泄漏到中间包的外部时不会发生爆炸的量，也就是说，控制在可燃界限以内的还原气体的量，例如使用H2时，就要将其浓度控制在4％以下，使用CO时，控制在12.5％以下，将这种量的H2或CO混入到无氧化性气体内来对中间包1内进行保温。
采用这种方法，中间包内的气氛变成还原性气体，在发生泄漏时也不会引起爆炸，同时也能更充分地防止残钢的氧化。
图3表示中间包无氧化保温用的又一种无氧化性气体加热装置的实施例。
作为无氧化性气体加热装置，这里使用的是非传导式等离子枪20。这种型式的等离子枪20，不仅有阴极21，其枪体内还有阳极22，经阴极21供给枪体的无氧化性气流，由于两电极21和22放电而被离子化，如此得到的高温等离子23可将中间包1的内壁表面加热。等离子气体可以使用Ar或N2气体等，也可以使用H2和N2的混合气体。
在一般的等离子射流加热中，使用的等离子温度为3000～10000℃，但在本发明中，由于中间包内的气氛气体卷入到等离子射流中，因此高温射流气体的温度下降到不超过2000℃，使用这种射流气体在无氧化气氛下对中间包进行1000～1300℃的加热。即用安装在中间包1的盖1a上的等离子枪20把送入中间包1内的无氧化性气体等离子化，然后喷到中间包1的底部。这种加热时的热移动是通过高温气体流的对流传输加热中间包底面，而从底面通过辐射传热的方式向其它各侧面进行加热。
但是，等离子射流加热时，为了降低中间包衬里的费用，只在中间包再使用之前为确保中间包的内表面温度达到1300℃，仅以必要的时间进行加热，而除此之外的等待上机时间内都是不预热的。
图4表示使用等离子枪20对中间包实行无氧化保温实验的结果。
使浇铸时温度为1570℃的中间包进行无预热待机，在7个小时的待机时间内，中间包的内表面温度降到1100℃以下。接着用等离子枪20喷射等离子化的N2气体开始对中间包进行无氧化加热，4小时后中间包的内表面温度达到1300℃的目标温度就可以再使用了。总计待机时间为11个小时，在这段时间内，用另一个中间包以40分钟浇一炉，可以连续浇铸16炉。
另外，在上面的实施例中，作为中间包无氧化加热方法中采用的无氧化性气体电加热装置，尽管说的是等离子枪，但除此之外也可以使用电感应加热器和电阻加热器等。
图5表示出另一个实施例。
该实施例是通过将加热气体的一部分再循环使用对中间包进行无氧化加热的方法。
在与图1同样的设备中，如图5所示，配置有使中间包1内的高温N2气体循环的风机12。其吸入侧配管13伸入到中间包盖1a内，而排出侧配管14与N2气体供给管线10相连接。
用循环风机12抽出中间包1内的一部分高温气体送入N2气体供给管线10，使之循环使用。这样可以回收一部分余热，从而提高系统的热效率。
另外，也可以把循环风机12的吸入侧配管13连接到中间包1的底部的水口上(图中未表示)。这种场合下，由于一部分高温N2气体通过水口，故同时还有对水口进行保温的优点。
图6表示的是另一个实施例。
这是一个在带钢退火炉的无氧化加热源中使用蓄热式预热器2的实施例。
以往的退火炉加热是采用辐射管燃烧器进行间接加热的方式，而本发明由于应用交替转换数台蓄热式预热器2的方法，用高温HN气体进行加热，故能用高温气体射流进行对流传热加热。结果使炉温可控性大大改善。现在，不仅在均热段使用，而且在加热段的一部分区域内也可使用。
另外，在上述各实施例中，作为无氧化加热的被加热体例举了中间包和退火炉的情况，而在上述实施例中，如果采用HN气体(H2与N2的混合气体)代替N2气体，则被加热体是钢材的加热炉中也同样可以采用。
下面就本发明抑制加热炉加热钢材时因氧化而发生的铁皮损失，对收得率提高的钢材无氧化加热技术加以说明。
其技术特征是在装入加热炉内的钢材周围形成局部无氧化气氛，从而使钢材与炉内的氧化性燃烧气体隔开。为此，要把含N2气体和Ar气体等惰性气体或含可燃界限以下的H2和CO等的还原性气体或前面讲的惰性气体和还原性气体的混合气体等高温无氧化性气体吹到钢材的周围。而且，向钢材喷吹的上述高温无氧化性气体，为了防止其使炉温降低和加热过程中使钢材冷却，应当供给预热到与炉温略相等或高于钢材温度的高温无氧化性气体。
图7表示的是钢材加热炉内钢材表面温度与生成的铁皮厚度之间的关系，钢材表面温度一超过800℃，不产生急剧氧化现象，铁皮厚度达0.1mm以上。对如此厚的铁皮，势必加大除鳞处理的负荷，同时铁皮增多也会明显降低收得率。
因此，本发明中采用包围钢材表面的无氧化性气体的喷射，最好是在钢材温度达到氧化急剧增加的800℃以上之前的700℃以上的范围内，将预热到上述炉内气氛温度(炉温)以上的无氧化性气体直接对着钢材喷吹，或者吹入到可置换炉内生成的氧化性燃烧气体的程度。
图8表示步进梁式连续加热炉的各段(第1加热段、第2加热段和均热段)内钢材表面温度的变化，铁皮生成量增多的是800以上的第2加热段以后，从这个意义上讲，上述高温无氧化性气体的供给位置设在钢材表面温度超过800℃的第2加热段以后到均热段出口之间是合适的。
供给这种高温无氧化性气体的方法可从炉子侧面，顶部或炉床方向进行喷射以包围被加热钢材，或者喷吹无氧化性气体，置换加热段和均热段的高温氧化性燃烧气体，使炉内整个气氛变为无氧化性，这些方法都是有效的。
另外，喷吹到钢材周围的高温无氧化性气体和根据炉子热负荷变动燃烧器等的燃烧系统是由各自独立的系统供给的。因此，经常调整最佳的加热条件和防止氧化的必要条件，使之保持最佳值是非常重要的。
上述高温无氧化性气体是使用在加热炉上附设的无氧化性气体预热装置中与该加热炉燃烧气体之间通过热交换的气体。
图9表示这种无氧化性气体预热装置的原理图，在具有至少两个为一组的蓄热体A、B的热交换器中，当蓄热体A、B中的任一个，如A作为蓄热系统时，另一侧高温的蓄热体B(同上述A一样，但已经被加热了)就作为加热无氧化性气体并送风的送风系统，两者的作用交替转换并进行使用。使蓄热系统的蓄热体变为高温的加热装置，是利用在加热炉内生成的高温燃烧排放气体(1300℃)，将它送入蓄热体来对蓄热体进行加热。而对送风系统的蓄热体，例如是把常温的无氧化性混合气体(N2＋H2，30℃)从相反方向导入并在其内进行热交换，生成高温的无氧化性气体(1200～1250℃)、然后沿相反方向吹入加热炉内。
两个蓄热体A和B同常温无氧化性气体供给管线是通过切换阀3连接起来的，藉切换阀3切换蓄热体A、B的作用并依次进行热交换，这是以无燃烧器结构的热交换器连续产生高温无氧化性气体的装置。
另外，向加热炉内供给高温无氧化性气体时，为了防止由于高温无氧化性气体与燃烧器的燃烧火焰(氧化性气体)混合而使本发明作用效果降低，要求向钢材周围喷吹高温无氧化性气体的角度尽量与加热用燃烧器火焰轴线平行的方向。而且，喷吹时的气流速度要求和加热用燃烧器的火焰速度基本相同。
如图10所示的设有燃烧器的钢材加热炉，在其第2加热段内无氧化性气体如图11(a)所示是从侧面喷吹的。而在均热段内，如图11(b)所示是从侧面喷吹并从燃烧器之间喷吹的方法，如果吹入装置的设置空间没有问题的话，最好还是采用从燃烧器之间喷吹的方法。另外，关于喷吹用的喷咀，可以使用陶瓷制的各种形状的喷嘴，喷咀要尽可能接近钢材，以易于在钢材周围形成完全的无氧化性气氛，使抑制氧化的效果大。关于吹入的无氧化性气体的流量，由于均热段侧比加热段侧要大，故高温区的O2浓度相对比较低，因此总的抑制氧化的效果增大。
另外，在向均热段供给高温无氧化性气体的时候，由于钢材表面被加热成高温，即使均热段内气氛中O2浓度控制比较低，氧化量也没多大减少。若加热所需要的燃烧负荷小，则燃烧器的容量也小。在这种情况下，与其将无氧化性气体直接喷吹到钢材表面，还不如用高温无氧化性气体置换整个均热段气氛，以形成无氧化气氛为好。这和采用DHRC等使加热能力减小的情况是相同的。
根据本发明在对加热炉内钢材进行无氧化加热中，为生成高过炉温以上的高温无氧化性气体，用上述无氧化性气体预热装置是理想的，但其它方法，例如使用含微量还原性气体的非传输型等离子射流也是可以的。但为了降低设备和加热费用，采取利用炉内的燃烧废气的蓄热式无氧化性气体预热装置应是最佳方法。
下面表述一下将本发明的加热炉内钢材无氧化加热法与原有的加热法作对比的试验实例。
(1)在图10所示的步进梁型热轧用加热炉内，在把热轧钢材加热到1150℃的试验中，采用图9所示的那种无氧化性气体预热装置，生成高温无氧化性气体(N2和H2的混合气体)，将这种气体以各个燃烧器的总燃烧气体量的1/5～1/10流量喷入图10，图11所示的第2加热段和均热段内，测定钢材的氧化铁皮厚度(mm)。
(2)相应地分别测定出采用通常加热方法，直焰还原加热法和双层气氛燃烧法加热的钢材的氧化铁皮厚度(mm)。
这个试验的比较结果示于图12。如图12所示，采用本发明的无氧化加热法，可使铁皮生成厚度减小约40％。
产业上的应用如上所述，本发明的无氧化加热技术，是交替转换多台蓄热式预热器，同时反复地进行把无氧化性气体加热到规定温度的操作，将所获得的高温无氧化性气体连续地向炉内供应，其根本目的是在要求无氧化气氛的炉子内部用高温无氧化性气体进行加热。由于在炉子内部不生成以往那样的高温氧化性气体，可以完全防止被加热体的氧化，故在钢包、中间包等炼钢，连续浇铸领域作为各种炉子，以及包括有色金属的金属材料加热用的加热、热处理领域的各种炉子的无氧化加热技术是非常有用的。
特别是，使获得的高温无氧化性气体的一部分再循环，再用于炉内加热，或者，利用炉内燃烧气体的余热预热蓄热式加热器，故可充分有效地利用热量，操作费用也能降低。这种方法还特别适用于要求无氧化气氛的中间包的加热。这种场合下，在重复使用内壁有残钢的中间包时，可以省去原来使用预热燃烧器在中间包内用燃烧气体进行预热的操作，从而可以完全防止中间包内残钢的氧化，避免钢材质量缺陷的发生。另外，中间包反复使用时的等待上机的最大时间也比原来有大幅度延长，从而增加多炉连续浇铸数。
本发明的无氧化加热技术还特别适用于钢材的加热炉。在这种场合，可以不用燃烧条件等的限制就难以完全防止钢材氧化的辐射管加热法，直焰还原加热法和双层气氛燃烧法等原来的加热炉无氧化加热法，而使加热炉内的钢材表面气氛稳定地保持为完全的无氧化气氛，从而可实现降低铁皮损失，进而提高产品收得率。
另外，本发明还更适用于退火炉。这种场合下，用高温气体射流进行对流传热加热取代原来的用辐射管进行间接加热的方式，从而可使如带钢等被加热材料的板温可控性显著提高。
权利要求
1.一种无氧化加热方法，其特征在于，在要求无氧化气氛的炉内用高温无氧化性气体进行加热时，交替切换多个蓄热式预热器，同时反复进行把无氧化性气体加热到规定温度的操作，将所获得的高温无氧化性气体连续地供给到炉内。
2.如权利要求1所述的无氧化加热方法，其特征在于，使供给上述炉内的高温无氧化性气体的一部分再循环，然后再用于炉内加热。
3.如权利要求1或2所述的无氧化加热方法，其特征在于，供给上述炉内的高温无氧化性气体是通过上述蓄热式加热器与炉内燃烧气体进行热交换后得到的。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的无氧化加热方法，其特征在于，要求无氧化气氛的上述炉子是中间包。
5.如权利要求4所述的无氧化加热方法，其特征在于，重复使用内壁有残钢的中间包时，该中间包外部的加热装置采用至少加热到850℃以上的无氧化性气体对中间包内进行保温，以供下次使用。
6.如权利要求1至3的任意一项所述的无氧化加热方法，其特征在于，上述要求无氧化气氛的炉子是钢材的加热炉。
7.如权利要求6所述的无氧化加热方法，其特征在于，将预热到高于加热中钢材温度或大致等于炉子温度的高温无氧化性气体供给到上述加热炉内的钢材周围。
8.如权利要求7所述的无氧化加热方法，其特征在于，将向上述加热炉内供给的高温无氧化性气体吹到钢材表面温度超过700℃的加热段或均热段的钢材附近使之包围钢材，或者用吹入的高温无氧化性气体置换炉内的氧化性气体。
9.如权利要求1至3的任意一项所述的无氧化加热方法，其特征在于，上述要求无氧化气氛的炉子是退火炉。
10.如权利要求1至9的任意一项所述的无氧化加热方法，其特征在于，把爆炸界限以下的还原性气体混入上述无氧化性气体中，然后导入炉内，使炉内气氛变成无氧化或还原性气氛。
11.如权利要求10所述的无氧化加热方法，其特征在于，作为上述无氧化性气体，使用的是N2、Ar气体或两者的混合物；而上述还原性气体，使用的是H2.CO气体或两者的混合物。
12.一种无氧化加热装置，其特征在于，它是向要求无氧化气氛的炉子内部供给的无氧化性气体进行加热的蓄热式无氧化加热装置，该装置具有热交换器和切换阀，热交换器具有蓄热体及其加热装置，而且至少由两个构成一组的热交换器，切换阀是连接上述热交换器和未加热的无氧化性气体管线用的。将上述热交换器中的任一个作为加热蓄热体的蓄热系统，那么热交换器的另一个就作为加热无氧化性气体并进行送风的送风系统，将两个系统用上述切换阀切换使用，同时，通过热交换而连续地生成高温无氧化性气体。
13.如权利要求12所述的无氧化加热装置，其特征在于，在上述蓄热式的无氧化加热装置中设有气体循环用风机，其吸风侧与炉内连接，而排出侧与上述未加热的无氧化性气体供给管线相连，从而形成加热气体的循环路径。
14.如权利要求12或13所述的无氧化加热装置，作为上述蓄热体的加热手段，可以是气体燃料燃烧器、液体燃料燃烧器、电阻加热器、感应加热器和等离子枪等中的任意一种。
15.如权利要求12或13所述的无氧化加热装置，上述蓄热体的加热手段是炉内燃烧气体。
16.如权利要求12至15的任一项所述的无氧化加热装置，其特征在于，在上述无氧化性气体中加入爆炸界限以下的微量还原性气体。
17.如权利要求16所述的无氧化加热装置，其特征在于，作为上述无氧化性气体使用的是N2、Ar气体或两者混合物，而作为上述还原性气体使用的是H2、CO气体或两者的混合物。
全文摘要
本发明涉及无氧化加热方法及装置，其是交替切换复数个蓄热式加热器，一个进行蓄热，同时另一个加热无氧化性气体，并反复进行送风操作，这样，连续生成高温无氧化性气体并供给到炉内。由于能在炉内以完全无氧化气氛进行加热，故可有效地用于要求以无氧化气氛进行加热的炉子，诸如钢包、中间包等炼钢、连续浇铸领域内使用的各种炉子，以及在金属材料的加热、热处理领域内使用的各种炉子，对降低操作成本、提高产品质量和产品收得率也是有效的。
文档编号B22D41/015GK1140490SQ95191480
公开日1997年1月15日 申请日期1995年12月4日 优先权日1994年12月2日
发明者中川二彦, 山口竜介, 小山内寿, 莲沼纯一, 山本武美 申请人:川崎制铁株式会社