JP2017225985A - セラミックスの取付方法及びバーナ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】輻射熱の影響を受けず、セラミックスの脱落を防止することができるセラミックスの取付方法及びバーナ構造体の提供。
【解決手段】バーナノズル１０にセラミックスライナー３０を取り付けるセラミックスの取付方法であって、セラミックスライナー３０に縮径部３１ｂを有する貫通孔３１を設け、貫通孔３１に縮径部３１ｂと係合する係合部４１を有するスタッド４０を挿入し、スタッド４０をスタッド溶接によりバーナノズル１０に接合させ、貫通孔３１から突出しているスタッド４０のヘッド部４４を除去することにより、セラミックスライナー３０の表面３０ａに連続的に連なる連続面４０ａを形成する、という手法を採用する。
【選択図】図５

Description

本実施形態は、セラミックスの取付方法及びバーナ構造体に関するものである。

石炭焚ボイラに取り付けられる微粉炭バーナでは、石炭粉砕機で石炭を粉砕して微粉炭としたものを燃焼用空気と混合させ、この混合流体をバーナノズルから火炉に噴出して微粉炭を燃焼させる。この微粉炭バーナは、バーナノズルの内面の接線方向に微粉炭を流入させ、ノズル内部での旋回流によって微粉炭の濃度の濃い部分を形成することで、微粉炭の着火性を向上させている。

しかしながら、微粉炭入口管及びバーナノズルの内面は、微粉炭によって摩耗する。このため、従来では、肉盛り補修を何度も繰り返す必要があった。このようなメンテナンス負荷を低減するため、微粉炭入口管及びバーナノズルの内面にセラミックスライナーを取り付け、耐摩耗性を向上させることが検討されている。しかしながら、セラミックスは、溶接によって金属（母材）に接合することは不可能である。

下記特許文献１には、金属部材に、平板のセラミックスを重ね合せ、両者を取り付けるセラミックスの取付方法が開示されている（特許文献１の図３参照）。この手法は、セラミックスの厚さ方向に貫通し、表面へ開口した複数個のテーパ穴を設け、この穴の底部にろう材を装着し、このろう材を加熱、冷却して両部材の離脱を防止すると共に、その上にテーパ穴を覆うための栓をするものである。

特開昭６０−１０３０８３号公報

しかしながら、上記手法を採用した場合、テーパ穴を塞ぐ栓は、溶接不可のセラミックスに対しては接着剤貼り付けとなる。このようにテーパ穴を塞ぐ栓を接着剤貼り付けとすると、ボイラ火炉内からの輻射熱によって接着剤が剥がれ、栓が脱落し、穴のあいた接合部分が微粉炭によって顕著に摩耗され、これによってセラミックスが脱落してしまう虞があった。

本実施形態は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、輻射熱の影響を受けず、セラミックスの脱落を防止することができるセラミックスの取付方法及びバーナ構造体の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態は、金属にセラミックスを取り付けるセラミックスの取付方法であって、前記セラミックスに縮径部を有する貫通孔を設け、前記貫通孔に前記縮径部と係合する係合部を有するスタッドを挿入し、前記スタッドをスタッド溶接により前記金属に接合させ、前記貫通孔から突出している前記スタッドの突出部を除去することにより、前記セラミックスの表面に連続的に連なる連続面を形成する、という手法を採用する。

また、本実施形態においては、前記縮径部は、漸次縮径するテーパ部である、という手法を採用する。

また、本実施形態においては、前記スタッドに括れ部を設け、該括れ部を起点として前記突出部を除去する、という手法を採用する。

また、本実施形態においては、前記セラミックスの前記金属に接触する接触面に、前記貫通孔を拡径させる拡径溝を設け、該拡径溝に前記スタッド溶接によって形成される接合部を収容させる、という手法を採用する。

また、本実施形態においては、金属製の筒状部材と、前記筒状部材の内面に取り付けられたセラミックスライナーと、を備えるバーナ構造体であって、前記セラミックスライナーには、縮径部を有する貫通孔が設けられており、前記貫通孔に挿入されたスタッドと、前記スタッドと前記筒状部材とを接合させる接合部と、を備え、前記スタッドは、前記縮径部と係合する係合部と、前記セラミックスライナーの表面に連続的に連なる連続面と、を有する、という構成を採用する。

また、本実施形態においては、前記連続面には、円形の加工痕が形成されている、という構成を採用する。

本実施形態では、セラミックスに縮径部を有する貫通孔を設け、その貫通孔に縮径部と係合する係合部を有するスタッドを挿入し、そのスタッドをスタッド溶接により金属に接合させる。これにより、セラミックスが機械的に固定されるため、セラミックスの脱落が防止される。また、スタッド溶接後、貫通孔から突出しているスタッドの突出部を除去することにより、セラミックスの表面に連続的に連なる連続面を形成する。これにより、貫通孔を塞ぐ栓が不要となり、接着剤の固定箇所が無くなるため、輻射熱の影響を受なくなる。
したがって、本実施形態では、輻射熱の影響を受けず、セラミックスの脱落を防止することができる。

本実施形態の実施形態におけるバーナ構造体の側面図である。 図１における矢視Ａ−Ａ断面図である。 本実施形態の実施形態におけるセラミックスライナーの取付方法に用いるセラミックスライナー及びスタッドの斜視図である。 本実施形態の実施形態におけるセラミックスライナーの取付方法を経時的に示す工程図である。 本実施形態の実施形態におけるセラミックスライナーの取付方法を経時的に示す工程図である。

以下、本実施形態のセラミックスの取付方法及びバーナ構造体について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、微粉炭バーナを構成するバーナ構造体、及び、そのバーナ構造体へのセラミックスライナーの取付方法を例示する。

図１は、本発明の実施形態におけるバーナ構造体１の側面図である。
図１に示すバーナ構造体１は、微粉炭（粉体）と燃焼用空気（気体）との混合流体を不図示のボイラ火炉内に噴出し、微粉炭を燃焼させるバーナノズル１０と、そのバーナノズル１０に混合流体を供給する微粉炭入口管２０と、を備える。バーナノズル１０及び微粉炭入口管２０は、いずれも金属製の筒状部材である。

バーナノズル１０は、その先端に混合流体を噴出する噴出口１１を有する。バーナノズル１０は、中心軸Ｃに同心で設けられた図示しないバーナ内筒とバーナ外筒とを有する二重筒構造となっている。バーナ内筒とバーナ外筒は、略相似形状を有する。このバーナノズル１０は、直径が略一定の円筒部１２と、円筒部１２から先端側へ向かって直径が漸減する第１絞り部１３と、第１絞り部１３から先端側へ向かってさらに直径が急減する第２絞り部１４と、を有する。

微粉炭入口管２０は、バーナノズル１０の側部に接続されている。微粉炭入口管２０は、バーナノズル１０の円筒部１２に混合流体を供給する。微粉炭入口管２０は、円筒部１２の内面に沿って接線方向に混合流体を供給し、混合流体の旋回流を形成するようになっている。微粉炭入口管２０の上流側には、不図示の微粉炭供給装置及び送風装置が設けられており、微粉炭と燃焼用空気とが予め混合された混合流体が導入されてくる。

図示しない石炭粉砕機で粉砕された微粉炭は、燃焼用空気と混合され、微粉炭入口管２０を介してバーナノズル１０に供給される。微粉炭と燃焼用空気の混合流体は、バーナノズル１０の後端側の円筒部１２において内面の接線方向に供給されて旋回流となり、バーナ内筒とバーナ外筒との間を旋回しながら先端側へ流動し、リング状に開口する噴出口１１から噴出される。そして、噴出口１１から噴出された混合流体は、図示しないボイラ火炉内で燃焼する。

上記構成のバーナ構造体１は、微粉炭による摩耗を抑制するため、バーナノズル１０及び微粉炭入口管２０の内面に、セラミックスライナー３０を取り付けている。具体的に、セラミックスライナー３０は、バーナノズル１０の円筒部１２の内面の全域及び第１絞り部１３の内面の一部に取り付けられている。また、セラミックスライナー３０は、微粉炭入口管２０の内面の全域に取り付けられている。

図２は、図１における矢視Ａ−Ａ断面図である。なお、図２では、バーナノズル１０に対するセラミックスライナー３０の取り付け構造を図示しているが、微粉炭入口管２０に対しても同様の取り付け構造となっている。
図２に示すように、セラミックスライナー３０は、スタッド４０を介してバーナノズル１０に機械的に取り付けられている。

セラミックスライナー３０は、微粉炭が衝突する表面３０ａと、バーナノズル１０に接触する接触面３０ｂと、表面３０ａから接触面３０ｂまで貫通する貫通孔３１と、を有する。セラミックスライナー３０は、表面３０ａと接触面２０ｂが平行な板状に形成されている。また、セラミックスライナー３０は、バーナノズル１０の長手方向に長い平面視長方形状を有しており、その平面視中央部に貫通孔３１が設けられている（後述する図３参照）。

貫通孔３１は、図２に示すように、第１孔部３１ａと、縮径部３１ｂと、第２孔部３１ｃと、を有する。第１孔部３１ａは、セラミックスライナー３０の表面３０ａから接触面３０ｂに向かって一定の直径で形成されている。縮径部３１ｂは、第１孔部３１ａの下端から接触面３０ｂに向かって漸次縮径するテーパ部である。第２孔部３１ｃは、縮径部３１ｂの下端から接触面３０ｂに向かって一定の直径で形成されている。すなわち、第２孔部３１ｃの直径は、第１孔部３１ａの直径よりも小さくなっている。

接触面３０ｂには、貫通孔３１を拡径させる拡径溝３２が形成されている。拡径溝３２は、接触面３０ｂから表面３０ａに向かって貫通孔３１の周囲に形成された円環状の溝である。この拡径溝３２は、縮径部３１ｂによって縮径した貫通孔３１の直径を、第２孔部３１ｃの直径より大きく拡径させる。拡径溝３２の直径は、第２孔部３１ｃの直径より大きく、第１孔部３１ａの直径よりも小さい。この拡径溝３２には、スタッド４０とバーナノズル１０との接合部５０（溶接溶け込み部）が収容されている。

スタッド４０は、係合部４１と、先端部４２と、加工痕４３と、を有する。係合部４１は、貫通孔３１の縮径部３１ｂに係合する逆立ち円錐形状を有する。すなわち、係合部４１は、先端部４２に向かうに従って漸次縮径した形状を有する。この係合部４１の最大直径は、第１孔部３１ａよりも僅かに小さく形成されている。先端部４２は、バーナノズル１０の内面１０ａに向かって一定の直径で形成されている。この先端部４２の直径は、第２孔部３１ｃの直径よりも僅かに小さく形成されている。

スタッド４０は、セラミックスライナー３０の表面３０ａに連続的に連なる連続面４０ａを有する。連続面４０ａは、逆立ち円錐形状の係合部４１の円形の底面に形成されている。連続面４０ａは、表面３０ａと略同一面を形成する。また、連続面４０ａと表面３０ａとの間には、係合部４１と第１孔部３１ａとの嵌め合い隙間による微小な環状隙間が形成されている。この連続面４０ａの中央部には、平面視で円形の加工痕４３が形成されている。この加工痕４３は、微粉炭の衝突により徐々に削られていくものであるが、ある程度削られても加工痕４３の円形の紋様は確認できる。

続いて、上記構成のバーナノズル１０にセラミックスライナー３０を取り付けるセラミックスライナー３０の取付方法（以下、本手法と称することがある）について、図３〜図５を参照しつつ説明する。
図３は、本発明の実施形態におけるセラミックスライナー３０の取付方法に用いるセラミックスライナー３０及びスタッド４０の斜視図である。図４及び図５は、本発明の実施形態におけるセラミックスライナー３０の取付方法を経時的に示す工程図である。

本手法では、図３に示すように、セラミックスライナー３０に縮径部３１ｂを有する貫通孔３１を設ける。貫通孔３１は、例えば、セラミックスライナー３０の鋳込み成形のときに、同時に形成することができる。貫通孔３１は、漸次縮径するテーパ部であるため、金型が抜き易く、成形が容易である。次に、セラミックスライナー３０の接触面３０ｂに、貫通孔３１を拡径させる拡径溝３２を形成する。拡径溝３２は、例えば、切削等の機械加工により形成することができる。なお、拡径溝３２も鋳込み成形により同時に形成してもよい。また、貫通孔３１も切削等の機械加工により形成してもよい。

施工前のスタッド４０には、ヘッド部４４（突出部）が設けられている。ヘッド部４４は、図４に示すように、溶接機６０がスタッド４０を把持（チャック）する部位である。このヘッド部４４は、一定の直径の円柱状に形成されている。本実施形態のヘッド部４４の直径は、係合部４１の最大直径と略同一に形成されている。ヘッド部４４と係合部４１との間には、括れ部４５が形成されている。括れ部４５は、ヘッド部４４及び係合部４１より直径が小さい円柱状に形成されている。本実施形態の括れ部４５は、先端部４２の直径よりも小さく形成され、スタッド４０の最小直径を有する。

次に、本手法では、図４に示すように、セラミックスライナー３０をバーナノズル１０の適所に配置し、貫通孔３１にスタッド４０を挿入する。そして、スタッド４０のヘッド部４４を溶接機６０に把持させ、スタッド溶接を開始する。溶接機６０は、バーナノズル１０の内面１０ａに先端部４２を接触させたスタッド４０を引き上げてアークを発生させ、所定時間電流を流し、バーナノズル１０（母材）とスタッド４０との溶融池（接合部５０となる）が形成されたところでスタッド４０の先端部４２をバーナノズル１０の内面１０ａに圧入して両者を接合させる。

ここで、貫通孔３１の縮径部３１ｂは漸次縮径するテーパ部であるため、スタッド４０の圧入により係合部４１が縮径部３１ｂに密着し、セラミックスライナー３０のガタ付きが防止される。また、スタッド４０の係合部４１が、貫通孔３１の縮径部３１ｂに係合することで、セラミックスライナー３０がスタッド４０を介してバーナノズル１０に機械的に固定され、セラミックスライナー３０の脱落が防止される。また、セラミックスライナー３０の接触面３０ｂに拡径溝３２を設け、その逃がし空間に接合部５０を収容させることで、セラミックスライナー３０の盛り上がりによる割れの発生を防止することができる。

そして、本手法では、図５に示すように、貫通孔３１から突出しているスタッド４０のヘッド部４４を除去することにより、セラミックスライナー３０の表面３０ａに連続的に連なる連続面４０ａを形成する。ヘッド部４４は、ハンマーによる打撃や、鉄パイプをヘッド部４４に差し込んで折り曲げる等することで容易に除去できる。スタッド４０には、括れ部４５を設けており、該括れ部４５を起点としてヘッド部４４を除去することで、ヘッド部４４の除去を容易に行うことができる。このようにして、ヘッド部４４を除去すると、括れ部４５があった場所に円形の加工痕４３が形成される。

ヘッド部４４を除去することにより形成される連続面４０ａは、微粉炭が衝突するセラミックスライナー３０の表面３０ａと、略同一の面を形成する。これにより、セラミックスライナー３０を固定するスタッド４０が、微粉炭により顕著に摩耗されることがなくなる。また、この構成によれば、貫通孔３１がスタッド４０単体で塞がれるため、貫通孔３１を塞ぐ栓が不要となる。このため、溶接不可のセラミックスライナー３０に対して接着剤を使用して栓を固定する固定箇所無くなり、ボイラ火炉内からの輻射熱の影響を受けなくなる。

このように、上述の本実施形態によれば、バーナノズル１０にセラミックスライナー３０を取り付けるセラミックスライナー３０の取付方法であって、セラミックスライナー３０に縮径部３１ｂを有する貫通孔３１を設け、貫通孔３１に縮径部３１ｂと係合する係合部４１を有するスタッド４０を挿入し、スタッド４０をスタッド溶接によりバーナノズル１０に接合させ、貫通孔３１から突出しているスタッド４０のヘッド部４４を除去することにより、セラミックスライナー３０の表面３０ａに連続的に連なる連続面４０ａを形成する、という手法を採用することによって、輻射熱の影響を受けず、セラミックスライナー３０の脱落を防止することができる。

以上、図面を参照しながら本実施形態の好適な実施形態について説明したが、本実施形態は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本実施形態の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、縮径部３１ｂがテーパ状に縮径する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、縮径部４１ｂが段差状に縮径する形態であってもよい。なお、セラミックスライナー３０に対する加工性を考慮すると、上述したように、縮径部３１ｂをテーパ状に設けることが好ましい。

また、例えば、上記実施形態では、スタッド４０に括れ部４５を設け、該括れ部４５を起点としてヘッド部４４を除去する形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、括れ部４５が無い形態であってもよい。この形態では、切断工具等を使用してヘッド部４４を切除することとなる。

また、例えば、上記実施形態では、本発明をバーナ構造体１に適用した形態を例示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。本発明は、他の用途で用いられる構造体の一部または全部に、耐熱、耐摩耗及び断熱等の目的でセラミックスを取り付けるための手法として、広く使用することができる。

１ バーナ構造体
１０ バーナノズル（筒状部材、金属）
２０ 微粉炭入口管（筒状部材、金属）
３０ セラミックスライナー（セラミックス）
３０ａ 表面
３０ｂ 接触面
３１ 貫通孔
３１ｂ 縮径部
３２ 拡径溝
４０ スタッド
４０ａ 連続面
４１ 係合部
４３ 加工痕
４４ ヘッド部（突出部）
４５ 括れ部
５０ 接合部

Claims (6)

1. 金属にセラミックスを取り付けるセラミックスの取付方法であって、
   前記セラミックスに縮径部を有する貫通孔を設け、
   前記貫通孔に前記縮径部と係合する係合部を有するスタッドを挿入し、
   前記スタッドをスタッド溶接により前記金属に接合させ、
   前記貫通孔から突出している前記スタッドの突出部を除去することにより、前記セラミックスの表面に連続的に連なる連続面を形成する、ことを特徴とするセラミックスの取付方法。
2. 前記縮径部は、漸次縮径するテーパ部である、ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックスの取付方法。
3. 前記スタッドに括れ部を設け、該括れ部を起点として前記突出部を除去する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックスの取付方法。
4. 前記セラミックスの前記金属に接触する接触面に、前記貫通孔を拡径させる拡径溝を設け、該拡径溝に前記スタッド溶接によって形成される接合部を収容させる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックスの取付方法。
5. 金属製の筒状部材と、前記筒状部材の内面に取り付けられたセラミックスライナーと、を備えるバーナ構造体であって、
   前記セラミックスライナーには、縮径部を有する貫通孔が設けられており、
   前記貫通孔に挿入されたスタッドと、
   前記スタッドと前記筒状部材とを接合させる接合部と、を備え、
   前記スタッドは、前記縮径部と係合する係合部と、前記セラミックスライナーの表面に連続的に連なる連続面と、を有する、ことを特徴とするバーナ構造体。
6. 前記連続面には、円形の加工痕が形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載のバーナ構造体。

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