JP2005274042A - ラジアントチューブの取付構造及びラジアントチューブバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブ１と、炉壁に固定されラジアントチューブ１を保持する保持部６とを備えたラジアントチューブバーナにおいて、ラジアントチューブ１とスリーブ２との接合強度が低下した場合であっても、ラジアントチューブ１がスリーブ２から脱落することを防止できるラジアントチューブ１の取付構造及びラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。
【解決手段】 接着剤が充填された接着剤層４を介して前記ラジアントチューブ１の後端側外面を外囲する筒状のスリーブを保持部６に固設して備えると共に、スリーブ２の先端部の内径が、ラジアントチューブ１の後端部の外径より小さく形成してある。
【選択図】 図３

Description

本発明は、炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブと、炉壁に固定され前記ラジアントチューブを保持する保持部とを備えたラジアントチューブバーナ、及びそのラジアントチューブバーナにおけるラジアントチューブの取付技術に関する。

上記のラジアントチューブバーナは、加熱炉や熱処理炉等の間接的な加熱に利用される。
このようなラジアントチューブバーナにおいて、最も一般的なものは、炉壁を貫通して炉内に露出されるラジアントチューブが金属製のものであった。しかし、近年、炉内における処理温度の上昇の要望に伴い、ラジアントチューブの耐熱性等を向上させ長期間安定して使用することを可能にするためにラジアントチューブの材質として、ＳｉＣ（炭化珪素）やＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の耐熱性等に優れたセラミックスの利用が検討、実用化されている。

このようなラジアントチューブの炉壁に固定される保持部としてのフランジ等への取付構造において、難切削材であるセラミックス製のラジアントチューブの形状及び取付け構造の単純化や、及び既存の金属製のラジアントチューブとの互換性を図るために、セラミックス製のラジアントチューブをつば無しの直管型とし、そのラジアントチューブの後端側（フランジ側）外面を外囲するスリーブを炉壁に固定される金属製の後端側に設け、そのスリーブ内面とラジアントチューブの後端側外面との間に形成された空間に耐熱性接着剤を充填して接着剤層を形成することで、ラジアントチューブをフランジに取り付ける場合がある（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、上記の改良技術として、炉壁に固定される保持部にラジアントチューブの後端側端面が当接する当接面を設けて、ラジアントチューブから接着剤層との界面にかかるせん断応力を低減させる技術（例えば、特許文献２参照。）や、ラジアントチューブと保持部との隙間の接着剤層を耐熱シール剤でシールしたもの（例えば、特許文献３参照。）が知られている。

このようなラジアントチューブの取付構造により、フランジ及びそのスリーブを従来通りの金属製としたまま、ラジアントチューブのみをセラミックス製とし、両者を耐熱接着剤を利用して簡便に固定接合することができる。

特開平１１−２９４７１７号公報（第４図） 特開２００２−３６４８０８号公報（第１−４図） 特開２００２−３６４８０９号公報（第１−４図）

しかし、従来のラジアントチューブの取付構造において、スリーブと接着剤層との夫々の熱膨張率が互いに異なることにより、高温環境下において、スリーブが接着剤層から剥離して、スリーブと接着剤層との間に隙間が発生する恐れがある。特に、浸炭炉等の炭素成分を多量に含む雰囲気中で、ラジアントチューブバーナを用いる場合には、上記のように発生した隙間に、炉内の煤等の異物が浸入及び堆積して、ラジアントチューブの接合強度が低下し、ラジアントチューブが脱落する恐れがある。

また、上記の保持部に当接面を設けた取付構造では、ラジアントチューブから接着剤層との界面にかかるせん断応力を容易に接着剤層の許容応力以下とすることができ、接着剤層の剥離やラジアントチューブのずれ等を防止することができる。しかし、スリーブと接着剤層との熱膨張率の差異に基づくスリーブの接着剤層からの剥離や接着剤層の経年劣化によっては、従来の取付構造と同様に接合強度が低下する。このため、ラジアントチューブが脱落する問題は依然として残る。また、ラジアントチューブの先端部を鉛直下方に保持する状態で使用する場合には、前記当接面で前記せん断応力を低減することは困難である。

ラジアントチューブと保持部との隙間の接着剤層を耐熱シール剤でシールしたものでは、接着剤層の一部が剥離した場合であっても、隙間のシール性を確保することができるため、隙間に炉内の煤等の異物が浸入及び堆積することを防止し、接合強度の低下を抑えることができる。しかし、接着剤層の一部が剥離したことのみによっても接合強度は低下するためラジアントチューブが脱落する恐れがある。特にラジアントチューブの先端部を鉛直下方に保持する状態で使用する場合には、ラジアントチューブの自重が加わるためより脱落し易くなる。

従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、上記のラジアントチューブバーナにおいて、ラジアントチューブとスリーブとの接合強度が低下した場合であっても、ラジアントチューブがスリーブから脱落することを防止できるラジアントチューブの取付構造及びラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るラジアントチューブの取付構造の第１特徴構成は、炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブと、炉壁に固定され前記ラジアントチューブを保持する保持部とを備えたラジアントチューブバーナにおける前記ラジアントチューブの前記保持部への取付構造であって、
接着剤が充填された接着剤層を介して前記ラジアントチューブの後端側外面を外囲する筒状のスリーブを前記保持部に固設して備えると共に、
前記スリーブの先端部の内径が、前記ラジアントチューブの後端部の外径より小さく形成してある点にある。

つまり、この構成によれば、スリーブの接着層からの剥離や接着剤層の経年劣化によって接合強度が低下した場合であっても、ラジアントチューブの後端部が少なくともスリーブの先端部よりも先端側へ移動することが阻止されるので、ラジアントチューブがスリーブから脱落することを防止できる。

本発明に係るラジアントチューブの取付構造の第２特徴構成は、前記ラジアントチューブの外面及び前記スリーブの内面が先端に近づくほど縮径するコーン状に形成する点にある。

つまり、この構成によれば、ラジアントチューブの後端側の外面は、先端側に向かってスリーブの内面と接着剤層を介して当接させることができるため、接合強度の低下によってラジアントチューブが先端側へ移動することを極力抑制することができる。
また、ラジアントチューブの外面をコーン状に形成するため、難切削材であるセラミック製のラジアントチューブであっても、容易に加工することができる。

本発明に係るラジアントチューブの取付構造の第３特徴構成は、前記保持部は、前記ラジアントチューブの先端部が鉛直下方に位置するように保持する点にある。

ラジアントチューブの先端部が鉛直下方に位置するように保持する場合では、本発明のラジアントチューブの取付構造は、スリーブがラジアントチューブの先端側への移動を阻止する構造とすることができるためラジアントチューブが重力により下方へ脱落することを防止できる。

本発明に係るラジアントチューブバーナの特徴構成は、炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブと、炉壁に固定され前記ラジアントチューブを保持する保持部材とを備え、上記第１から第３のいずれかの特徴構成を有するラジアントチューブの取付構造を有して構成されている点にある。

つまり、この構成によれば、上記第１乃至第３特徴構成のラジアントチューブの取付構造と同様の作用効果を発揮し、耐久性に優れたラジアントチューブバーナを構成することができる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
ラジアントチューブバーナ１００は、図１に示すように、炉内１０が炭素成分を多量に含む雰囲気となる浸炭炉で用いられるものであり、先端部を封止した筒状のＳｉＣセラミック製のラジアントチューブ１と、ラジアントチューブ１を保持し、厚さ３００ｍｍ程度の炉壁１１にネジ等により固定されるＳＵＳ３１０Ｓ製のフランジ６（保持部の一例）とを備えて構成されている。また、ラジアントチューブ１は、その先端部が鉛直下方に位置するように炉内１０に露出されている。

そして、ラジアントチューブ１内には、同じくＳｉＣセラミック製の内管１３と、その内管１３内に設けられたバーナ部１２とが備えられており、フランジ６の後方に設けられたバーナ本体（図示せず）から、バーナ部１２内に燃料を供給すると共に、バーナ部１２と内管１３との間に燃焼用空気を供給して、内管１３内に形成された燃焼室１４内において燃料を燃焼させ、ラジアントチューブ１を加熱することで、炉内１０の加熱対象物（図示せず）を間接的に加熱することができる。また、ラジアントチューブ１内の排ガスは、ラジアントチューブ１と内管１３との間の空間を通過した後に、ラジアントチューブ１の後端側から排出され、バーナ本体において熱交換器を通じて燃焼用空気の予熱に利用される。

ラジアントチューブ１は、直管部１ａとテーパ部１ｂとから構成されている。直管部１aは、外径１１６ｍｍ、内径１０２ｍｍ、肉厚７ｍｍ程度の筒状となっている。テーパ部１ｂの内径は直管部１ａと同様に１０２ｍｍ程度であり、テーパ部１ｂの外面は、後端側の外径１３０ｍｍ、先端側の外径１１６ｍｍ、長さ２２０ｍｍ、テーパ角２°程度で後端側から先端側に近づくほど縮径するコーン状に形成されている。ラジアントチューブ１は、外径１９０ｍｍ且つ厚さ８ｍｍ程度のフランジ６に取付けられ、その取付構造を以下に説明する。尚、上記のラジアントチューブ１のテーパ部１ｂは、例えば、焼結時において、テーパ部１ｂとなり得る部分の肉厚を１４ｍｍ程度となるように作製しておき、漸次、円錐台状に加工することにより容易にテーパ状とすることが可能である。

図２、図３に示すように、本ラジアントチューブ１の取付構造において、第一スリーブ２が、ラジアントチューブ１のテーパ部１ｂの外面を２ｍｍ程度離間して外囲するように、ラジアントチューブ１の外側に嵌め込まれている。第一スリーブ２は、その内面がラジアントチューブ１のテーパ部１ｂの外面に対応するテーパ状に構成されており、先端側の外径１２２ｍｍ、先端側の内径１２０ｍｍ、後端側の外径１３６ｍｍ、後端側の内径１３４ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ２２０ｍｍ程度のＳＵＳ３１０Ｓ製筒状のものである。第一スリーブ２は、ラジアントチューブ１の先端側から嵌め込まれる。そして、第一スリーブ２のフランジ６の前面に当接した後端側端面の全周がフランジ６の前面に溶接されて、第一スリーブ２がフランジ６に固設されている。

また、その第一スリーブ２の内面２ａとラジアントチューブ１のテーパ部１ｂの外面との間に形成された２ｍｍ程度の空間には、耐熱接着剤が充填され、その充填された接着剤により接着剤層４が形成されている。

そして、第一スリーブ２の内面２ａがラジアントチューブ１のテーパ部１ｂの外面を接着剤層４を介して外囲するように、フランジ６に第一スリーブ２を固設することにより、ラジアントチューブ１をフランジ６に確実に保持させることができる。
また、第一スリーブ２の先端部の内径（約１２０ｍｍ）がラジアントチューブ１の後端部の外径（約１３０ｍｍ）より小さくしてあるため、例え、経年劣化等により耐熱接着剤の接合強度が低下した場合であっても、ラジアントチューブ１が第一スリーブ２から脱落することを防止できる。特にラジアントチューブ１のテーパ部１ｂの外面は、第一スリーブ２の内面と先端側に向かって接着剤層を介して当接しているため、ラジアントチューブ１の先端側への移動をも極力抑えることができる。

上記第一スリーブ２は、径３ｍｍの円形の穿設口２ｃの複数が、第一スリーブ２の外面における開口面積率が３３％程度となるように形成された所謂パンチング板を筒状にして継ぎ目を溶接したものであり、この複数の穿設口２ｃが第一スリーブ２に形成されていることにより、第一スリーブ２の内側の接着剤層４における接着剤の乾燥を促進し、良好な接着強度を確保することができる。

更に、先端側の外径１２４ｍｍ、先端側の内径１２２ｍｍ、後端側の外径１３８ｍｍ、後端側の内径１３６ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ１８０ｍｍ程度のＳＵＳ３１０Ｓ製筒状の第二スリーブ３が、第一スリーブ２の外面２ｂを覆うように、第一スリーブ２の外側に嵌め込まれている。第二スリーブ３は、上記第一スリーブ２に形成されているような穿設口２ｃが形成されていない所謂通常鋼板を筒状にして継ぎ目を溶接したものである。

また、この第二スリーブ３は、接着剤層４の接着剤が十分に乾燥した後に、第一スリーブ２の外側に嵌め込まれる。そして、第二スリーブ３のフランジ６の前面に当接した後端側端面の全周がフランジ６の前面に溶接され、更に、第一スリーブ２の先端側端面よりも後退している第二スリーブ３の先端側端面の全周が、第一スリーブ２の先端側外面に溶接されて、第二スリーブ３がフランジ６及び第一スリーブ２に固設されている。

そして、複数の穿設口２ｃを形成した第一スリーブ２の外面を覆う第二スリーブ３を設けることで、炉内１０の煤等の異物が上記第一スリーブ２に形成した穿設口２ｃを介して接着剤層４側に侵入することを抑制することができる。
また、第二スリーブ３は、第一スリーブ２の外面を覆うように設けられているため、複数の穿設口２ｃが形成されていることにより比較的変形しやすい第一スリーブの変形を抑制することができる。

上記第二スリーブ３の後端側端面の全周をフランジ６の前面に溶接し、更に、上記第二スリーブ３の先端側端面の全周を第一スリーブ２の外面に溶接してあるので、第二スリーブ３と第一スリーブ２との間に、煤等の異物が浸入することを確実に防止することができる。

また、接着剤層４に使用する耐熱接着剤としては、アルミナ−シリカベースの耐熱接着剤が最も望ましいが、ジルコニアベース、マグネシアベースの耐熱接着剤を使用することもできる。また、接着剤層４に対して要求される温度条件が低い場合には、ステンレスベース、アルミニウムベース、銅ベース等の耐熱パテを接着剤として使用しても構わない。

フランジ６には、ラジアントチューブ１の後端側端面に沿って内側に延出し、上記後端側端面が当接する当接面としての環状面７ａをラジアントチューブ１側に形成した厚さ３ｍｍ程度の延出部７が設けられている。この環状面７ａとラジアントチューブ１の後端側端面との間には、上記の耐熱接着剤が若干充填されているので、フランジ６は上記ラジアントチューブ１を一層強固に保持することができ、さらに、ラジアントチューブ１とフランジ６との間に形成される接着剤層の面積を増大させて、炉内１０のガスがラジアントチューブ１とフランジ６との間を介してリークすることを良好に抑制することができる。

また、炉内１０のガスが接着剤層４を介してリークする懸念がある場合には、第一スリーブ２の先端側端面とラジアントチューブ１の外面との角部に耐熱シール剤が肉盛りされたシール層１５を形成することができる。
また、この環状面７ａとラジアントチューブ１の後端側端面との間に、耐熱接着剤の代わりに上記のような耐熱シール剤を充填したり、フランジ６の延出部７を一層ラジアントチューブ１の内側に向けて延出させ、その延出部７とラジアントチューブ１の内面との角部に耐熱シール剤が肉盛りされたシール層１６を形成して、炉内１０ガスのリークを一層抑制することもできる。

尚、本実施形態では、ラジアントチューブバーナ１００の外管としてのラジアントチューブ１の取付構造について説明してきたが、本発明に係る取付構造を、ラジアントチューブバーナ１００の内管１３の取付構造として適用しても構わない。また、本実施形態のような直管部１ａを有するラジアントチューブ１だけでなく、本発明に係る取付構造は、Ｕ型又はＷ型等の曲管部を有するラジアントチューブの取り付け構造として適用することもできる。

本実施形態において、ラジアントチューブ１と第一スリーブ２との接合部をテーパ状に構成したが、別に、接合部は段階的に縮径する階段状に構成しても構わない。

本実施形態において、第一スリーブ２及び第二スリーブ３をフランジ６と別体とし、夫々をフランジ６に溶接して一体化したが、別に、第一スリーブ２又は第二スリーブ３をフランジ６と一体で構成しても構わない。また、第一スリーブ２には、複数の穿設口２ｃが形成された所謂パンチング板を筒状にしたものを適用したが、別に、第二スリーブ３と同様に穿設口が形成されていない所謂通常鋼板を筒状にしたものを用いても構わない。

本実施形態において、第二スリーブ３の長さを、第一スリーブ２の外面のほぼ全域を覆うようなものとしたが、別に、第一スリーブ２の筒軸心方向において煤等が堆積することにより接合強度の低下を引き起こす恐れがある領域を含む部分を、上記第二スリーブで覆うように、上記第二スリーブの長さ及び設置場所を決定しても構わない。また、第二スリーブ３を使用せず、第一スリーブ２のみで構成しても構わない。

本発明に係るラジアントチューブバーナ及びラジアントチューブの取付構造は、様々な加熱炉、熱処理炉等に適用することができる。

ラジアントチューブバーナの全体構成図 ラジアントチューブの取付構造の実施の形態を示す部分断面図 ラジアントチューブの取付構造の斜視図

符号の説明

１ ラジアントチューブ
２ 第一スリーブ
３ 第二スリーブ
４ 接着剤層
６ フランジ（保持部）
１０ 炉内
１１ 炉壁
１４ 燃焼室
１００ ラジアントチューブバーナ

Claims (4)

1. 炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブと、炉壁に固定され前記ラジアントチューブを保持する保持部とを備えたラジアントチューブバーナにおける前記ラジアントチューブの前記保持部への取付構造であって、
   接着剤が充填された接着剤層を介して前記ラジアントチューブの後端側外面を外囲する筒状のスリーブを前記保持部に固設して備えると共に、
   前記スリーブの先端部の内径が、前記ラジアントチューブの後端部の外径より小さく形成してあるラジアントチューブの取付構造。
2. 前記ラジアントチューブの外面及び前記スリーブの内面が先端に近づくほど縮径するコーン状に形成してある請求項１に記載のラジアントチューブの取付構造。
3. 前記保持部は、前記ラジアントチューブの先端部が鉛直下方に位置するように保持する請求項１又は２に記載のラジアントチューブの取付構造。
4. 炉内に露出され内部に燃焼室が形成されたセラミックス製のラジアントチューブと、炉壁に固定され前記ラジアントチューブを保持する保持部材とを備え、請求項１から３のいずれかに記載のラジアントチューブの取付構造を有して構成されているラジアントチューブバーナ。

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