JP2001182912A - 三重管式シングルエンド型ラジアントチューブ、及びこれを用いた加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、シングルエンド型ラジアントチュ
ーブにおいて、液状被加熱物と接しているラジアントチ
ューブ外管の下部と、外管の上部の間で生じる熱勾配を
緩和して、熱勾配により生じる熱応力を低減化すること
により、外管の破壊を防止することを目的とする。 【解決手段】 本発明は、セラミック製の一端が閉塞さ
れた有底円筒状の外管、及び本体部より該外管内に延設
されるセラミック製の円筒状内管を備え、該外管と該内
管の間にこれらより長手方向の長さが短いセラミック製
の円筒状短尺管を設けた三重管式シングルエンド型ラジ
アントチューブとすることにより、外管に生じる熱勾配
を緩和するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，加熱処理分野など
に用いられているラジアントチューブに関し、特に溶融
金属を加熱するためのシングルエンド型ラジアントチュ
ーブの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム等の非鉄金属の鋳造装置
（ダイカストマシン、低圧鋳造装置、重量鋳造装置等）
の保持炉に供給された溶融金属等を所定温度に加熱保持
するヒーターとして、従来、浸漬型電熱ヒーターである
セラミックヒーターが使用されてきた。これは、セラミ
ック焼成品である有底中空筒形状のチューブを電熱線保
護管とし、チューブ内にニクロム等の電熱線を収納して
抵抗発熱によりチューブの内壁面を輻射加熱し、外部に
対する熱の伝達を行う構造を有するものである。このよ
うな浸漬型電熱ヒーターは、電気を使用するため比較的
制御が容易であるという長所を備えている反面、ランニ
ングコストが非常に高価であるという欠点を持ってい
る。

【０００３】そこで、加熱源として電熱に代えて、より
ランニングコストの安いガスの燃焼熱や蒸気を使用する
ラジアントチューブが用いられるようになってきてい
る。浸漬熱処理炉等で間接加熱用に使用されるラジアン
トチューブは、２重管構造になっており、内管内にてガ
スを燃焼させ、内管と外管の間に炎を流し、チューブの
外管内面を加熱し外部に対する輻射熱の伝達を行う構造
を有している。

【０００４】この一端が閉塞されたいわゆるシングルエ
ンド型のラジアントチューブの例を、図２に示す。この
ラジアントチューブは、有底円筒状の外管１２と円筒状
の内管１３からなっており、内管の内部に配置されたバ
ーナー１４の開口部から可燃性ガスを供給して燃焼さ
せ、燃焼によって生じた炎を外管と内管との間隙を通過
させて外管を加熱し、その輻射熱で炉体内部を加熱する
ものである。

【０００５】一般的には、ラジアントチューブの材質と
しては、金属、セラミック等が用いられるが、溶融金属
等の加熱対象物との難反応性や高温での耐熱特性などか
ら、セラミック製のラジアントチューブが使用されるよ
うになってきた。

【０００６】ところで、この従来のセラミック製ラジア
ントチューブを、溶融金属の加熱用に使用する場合、ラ
ジアントチューブは溶融金属より高温に加熱されるが、
このラジアントチューブを、そのまま溶融金属等の溶融
槽に浸漬すると、溶融金属に浸漬している液面より下に
位置する外管外面は、熱伝達率の高い溶融金属と接して
いるため、高温に加熱された外管の熱は、速やかに放熱
されていくが、液面より上に位置する外管の外面では熱
伝達率の低い空気と接しているため、放熱されにくく、
この部分で温度が高くなる状態となってしまう。その結
果、溶融金属面を境にして外管外面の上下方向で温度差
による熱応力（引っ張り応力）が発生し、外管が破壊さ
れ易い。特に外管の直胴部とフランジ部分の接合部分に
応力が集中しやすく、この接合部分において、クラック
が発生し破壊に至ることが多かった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、溶融
金属の加熱などに用いるシングルエンド型ラジアントチ
ューブにおいて、溶融金属のような液状被加熱物と接し
ているラジアントチューブ外管の下部と、液状被加熱物
より熱伝達率の低い気体と接するラジアントチューブ外
管上部の間で生じる熱勾配及びそれによって生じる熱応
力を緩和し、外管の破壊を効果的に防止することを目的
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このようなシ
ングルエンド型ラジアントチューブの課題を解決するた
めになされたもので、シングルエンド型ラジアントチュ
ーブにおいて、炉壁に取り付けられる基端側のバーナー
本体部より炉内に延設されるセラミック製の一端が閉塞
された有底円筒状の外管、及び本体部より該外管内に延
設される円筒状内管を備え、該外管と該内管の間にこれ
らより長手方向の長さが短い円筒状短尺管をバーナー本
体部に固定して設けることを特徴とする三重管式シング
ルエンド型ラジアントチューブである。

【０００９】また、第２の本発明は、上記三重管式シン
グルエンド型ラジアントチューブにおいて、該外管と該
短尺管とで囲繞される空間にセラミックファイバーを充
填することを特徴とする三重管式シングルエンド型ラジ
アントチューブである。

【００１０】更に第３の本発明は、一端が閉塞された有
底円筒状体からなる外管と、その内部に配置されている
円筒状体の内管と、該外管と該内管の間に配置されこれ
らより長手方向の長さが短い円筒状の短尺管からなるシ
ングルエンド型ラジアントチューブを、炉体の上部から
挿設し液状被加熱物に浸漬する加熱方法において、ラジ
アントチューブの短尺管の下端面が、被加熱物の液面よ
り下方に位置するように配置することを特徴とする三重
管式シングルエンド型ラジアントチューブを用いた加熱
方法である。この場合、上記液状被加熱物としては、ア
ルミニウムなどの溶融金属が適している。

【００１１】更に第４の本発明は、該外管と該短尺管と
で囲繞される空間にセラミックファイバーを充填したラ
ジアントチューブを用いることを特徴とする三重管式シ
ングルエンド型ラジアントチューブを用いた加熱方法で
ある。

【００１２】このような本発明は、シングルエンド型ラ
ジアントチューブにおいて、外管と内管の間に短尺管を
配置したため、短尺管の遮熱作用により外管への熱伝達
が妨げられ、外管表面の熱勾配が緩和され、上下方向の
熱応力が低減されることによって外管の破壊が防止でき
る。また、この作用は、外管と短尺管との間にセラミッ
クファイバーを挟持すること及び短尺部の下端面が液面
より下に位置するように設置することで、さらに強化さ
れ、外管の破壊を効果的に阻止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面に基づき、本発明をさら
に詳細に説明する。図１は、本発明の三重管式ラジアン
トチューブの一例を示す断面図である。図中８は、バー
ナー本体部であり、図示していないが可燃性ガス供給
部、空気供給部、及び排ガス処理部などのラジアントチ
ューブを作動させ制御する機能を備えている。このバー
ナー本体部に接してフランジ６が設けられている。この
フランジ６は、外管１と短尺管３の先端にあり、ラジア
ントチューブを炉壁９に固定する際に使用される。

【００１４】上記フランジ６から下方にセラミック製の
外管１が延設されている。この外管１のフランジの反対
側端部は封じられ、有底円筒状をなしている。この外管
１は外部被加熱物と直接接触するため該被加熱物とは化
学的に不活性な材料である必要がある。また、熱伝導率
及び高温機械強度が高いことが望ましく、このような材
料として、ＳｉＣ質焼結体が適しており、焼結助剤とし
てボロンを添加したＳｉＣ焼結体が特に好ましい材料で
ある。

【００１５】上記外管１の内部に、円筒状の内管２が配
置され、この内管の内部に更に可燃性ガスを燃焼させる
ためのバーナーヘッド５が配置されている。このバーナ
ーヘッド５は、バーナー本体部から供給される可燃性ガ
スを燃焼させて、ラジアントチューブの外管１と内管２
との間を加熱する。この内管２は、高温の酸化雰囲気に
さらされるため、耐熱性、耐酸化性が必要であり、好ま
しい材料としては、ＳｉＣ焼結体や耐熱鋳鋼などがあげ
られる。

【００１６】相離間して配置されている外管１及び内管
２の間に、短尺管３が配置されている。この短尺管は、
フランジ６から外管１の閉塞端部に向けて延設されてい
る。該短尺管の長手方向の長さは、外管及び内管のいず
れよりも短い方が熱効率がよい。該短尺管の外面は、外
管の内面から離間して配置されていてもよいが、密接し
て配置されていてもよい。しかしながら、外管内面と短
尺管外面とが離間していた方が、断熱効果が発揮される
ため好ましい。また、外管と短尺管によって囲繞される
空間を通してバーナーヘッド５によって発生した炎が通
過しないように、フランジ部で閉塞していることが必要
である。短尺管をこのように配置することによって、外
管の温度勾配を緩和し、熱応力を低減化することができ
る。

【００１７】本発明では、上記外管１及び短尺管３とで
囲繞される空間に、セラミックファイバー４を充填する
ことにより、熱遮断性を向上させ、外管の温度勾配を更
に緩和することができる。

【００１８】本発明で用いるセラミックファイバーは、
アルミナ・シリカ質などの無機材料から製造される無機
質繊維の集合体である。ファイバーを構成する無機質繊
維としては、アルミナ・シリカ質の場合、繊維径が２〜
４μｍ、長さ０．５〜８０ｍｍのものが好ましい。この
セラミックファイバーは十分な断熱性を発揮させるた
め、その密度はアルミナ・シリカ質の場合、０．１〜
０．５ｇ／ｃｍ^３程度、厚さは１〜５ｃｍのものが望ま
しい。

【００１９】次に、上記した三重管式ラジアントチュー
ブを用いて加熱を行う方法について説明する。本発明の
三重管式ラジアントチューブは、加熱物を収容する炉体
内に配置された比較的熱伝導のよい液状被加熱物に浸漬
して用いる場合にもっともその効果を発揮する。具体例
としては例えば、炉体内に配置した溶融金属槽に本発明
のラジアントチューブを一部浸漬して加熱する場合が挙
げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２０】溶融金属槽を加熱する例について述べる
と、上記した三重管式ラジアントチューブは、溶融金属
槽を配置した炉体の上部炉壁から挿設され、三重管式ラ
ジアントチューブの閉塞端部側が溶融金属内に浸漬さ
れ、ラジアントチューブの基端側の一部は炉内雰囲気に
露出されている。この際、短尺管３の開放端下端面が、
溶融金属の液面より少なくとも下方に位置するように配
置する。短尺管３の下端面と溶融金属液面との距離は、
操業時の溶融金属液面の位置の変動を考慮して５０ｍｍ
程度確保すればよいが、下端面が溶融金属液面より上に
位置しなければこの距離に拘泥する必要はない。

【００２１】

【実施例】（実施例１）ＳｉＣ質焼結体で作成した外
管、内管及び短尺管を用いて、図１に示す形状のラジア
ントチューブを作成した。短尺管は、その下端面が溶融
金属液面より５０ｍｍ下に位置する様に長さを調整し
た。また、短尺管と外管の間には厚さ５ｍｍの無機材質
（アルミナ・シリカ質）のセラミックファイバーを短尺
管に巻き付け、外管で挟持するように組み立てて充填し
た。このラジアントチューブをアルミニウムの溶融槽に
浸漬し、ＬＰガスを燃焼させて７００℃に加熱し３ヶ月
間放置した後、装置を分解し、クラックの発生を検査し
たが、クラック発生は全く見られなかった。また、同様
の条件で、電熱ヒータ加熱を行った場合と比較して、ラ
ンニングコストは１／２以下であった。

【００２２】（比較例１）従来の二重管式シングルエン
ド型ラジアントチューブを、アルミニウムの溶融槽に１
時間浸漬使用したところ、溶融金属の液面付近のラジア
ントチューブ外管の外周で水平方向に亀裂が発生した。

【００２３】（比較例２）短尺管と外管の間にセラミッ
クファイバーを充填しないで、かつ、短尺管をその下端
面が加熱対象物液面と同じ位置になるように設けた三重
管式シングルエンド型ラジアントチューブにおいてアル
ミニウムの溶融槽に５時間浸漬使用したところ、溶融金
属の液面付近のラジアントチューブ外管の外周で水平方
向に亀裂が発生した。これは液面より上の部分の外管の
温度が上昇したためと考えられる。

【００２４】

【発明の効果】このような本発明によれば、非加熱体で
ある溶融金属液面より上部の外管表面への熱伝達が阻止
され、温度勾配が緩和されることから、ラジアントチュ
ーブの上下方向の熱応力が低減されることとなり、特に
外管の円筒部分とフランジ部分の接合部分におけるクラ
ック発生から破壊に至る現象が効果的に阻止でき、その
耐用寿命が大幅に改善されるという効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の三重管式ラジアントチューブを示す
断面図である。

【図２】 従来の二重管式ラジアントチューブを示す断
面図である。

【符号の説明】

１ セラミック製外管 ２ セラミック製内管 ３ セラミック製短尺管 ４ セラミックファイバー ５ バーナーヘッド ６ フランジ ７ 被加熱物 ８ バーナー本体部 ９ 炉壁

フロントページの続き (72)発明者 太田 一雄 愛知県刈谷市小垣江町１番地 東芝セラミ ックス株式会社刈谷製造所内 Ｆターム(参考） 3K017 BA07 BB05 BB09 BB10 BC05 BE11 BE12 BE13 BG03 BH03 3K091 AA18 BB08 BB26 CC06 CC22 DD10 4K001 AA02 BA22 FA14 GA03 4K061 AA02 BA02 DA03 DA09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シングルエンド型ラジアントチューブにお
   いて、炉壁に取り付けられる基端側のバーナー本体部よ
   り炉内に延設される一端が閉塞された有底円筒状の外
   管、及びバーナー本体部より該外管内に延設され該外管
   とは離間して設けられた円筒状の内管を備え、該外管と
   該内管の間にこれらよりは長手方向の長さが短い短尺管
   を該バーナー本体部に固定して設けることを特徴とする
   三重管式シングルエンド型ラジアントチューブ。
2. 【請求項２】前記外管と前記短尺管とで囲繞される空間
   にセラミックファイバーを充填することを特徴とする請
   求項１記載の三重管式シングルエンド型ラジアントチュ
   ーブ。
3. 【請求項３】一端が閉塞された有底円筒状の外管と、そ
   の内部に配置されている円筒状の内管と、該外管と該内
   管の間に配置されたこれらよりは長手方向の長さが短い
   短尺管を備えたシングルエンド型ラジアントチューブ
   を、炉体上部から挿設して液状被加熱物に浸漬する加熱
   方法において、ラジアントチューブの短尺管の下端面
   が、液状被加熱物の液面より下方に位置するように配置
   することを特徴とする三重管式シングルエンド型ラジア
   ントチューブを用いた加熱方法。
4. 【請求項４】該外管と該短尺管とで囲繞される空間にセ
   ラミックファイバーを充填したラジアントチューブを用
   いることを特徴とする請求項３記載の三重管式シングル
   エンド型ラジアントチューブを用いた加熱方法。