JP2766437B2 - 耐熱複合セラミック管の製法 - Google Patents
耐熱複合セラミック管の製法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、間接加熱炉用ラジアン
トチューブ等の耐熱セラミック管の製造方法に関するも
のである。
トチューブ等の耐熱セラミック管の製造方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来加熱炉の加熱温度は１３００℃を越
える高温に達しており、加熱炉中に配設された間接加熱
用のラジアントチューブには、高温燃焼ガスに対する耐
熱、耐腐食性の厳しい条件が要求されている。この条件
に適合する材料としてはセラミックしかないため、ラジ
アントチューブは専らセラミック材料によって作られて
いる。
える高温に達しており、加熱炉中に配設された間接加熱
用のラジアントチューブには、高温燃焼ガスに対する耐
熱、耐腐食性の厳しい条件が要求されている。この条件
に適合する材料としてはセラミックしかないため、ラジ
アントチューブは専らセラミック材料によって作られて
いる。
【０００３】
【解決すべき課題】ラジアントチューブは、加熱炉を横
断するストレート管、加熱炉中にてベンドするＵ字管、
Ｗ字管等のタイプがあるが、何れも両端を加熱炉の炉壁
を貫通させ、炉外部のフランジ管と接続せねばならな
い。しかしながら、セラミック管へ直接に溶接を施すこ
とはできないため、炉壁の貫通部及び外部のフランジと
の接続は困難であり、セラミック管の取付けは複雑でし
かも不完全な構造とならざるを得ない問題があった。
断するストレート管、加熱炉中にてベンドするＵ字管、
Ｗ字管等のタイプがあるが、何れも両端を加熱炉の炉壁
を貫通させ、炉外部のフランジ管と接続せねばならな
い。しかしながら、セラミック管へ直接に溶接を施すこ
とはできないため、炉壁の貫通部及び外部のフランジと
の接続は困難であり、セラミック管の取付けは複雑でし
かも不完全な構造とならざるを得ない問題があった。
【０００４】ラジアントチューブは、加熱炉中では１３
００℃を越える高温の燃焼ガスにさらされるが、炉壁の
貫通部では燃焼ガスの温度分布は比較的低く、且つ炉壁
からの冷却によって約１０００℃に温度低下しているか
ら、ラジアントチューブが炉壁を貫通する部分までセラ
ミック材料によって一体に構成する必要はない。しかし
セラミック材料の端部に金属を直接にネジ接続して、セ
ラミック管の端部を構成すると、セラミックの線熱膨脹
係数（４.３×１０-6 １／℃）と金属の線熱膨脹係数
（１７×１０-6 １／℃）との極端な違いにより、接続
箇所に熱応力が生じて、セラミックは短期間で破損する
問題がある。
００℃を越える高温の燃焼ガスにさらされるが、炉壁の
貫通部では燃焼ガスの温度分布は比較的低く、且つ炉壁
からの冷却によって約１０００℃に温度低下しているか
ら、ラジアントチューブが炉壁を貫通する部分までセラ
ミック材料によって一体に構成する必要はない。しかし
セラミック材料の端部に金属を直接にネジ接続して、セ
ラミック管の端部を構成すると、セラミックの線熱膨脹
係数（４.３×１０-6 １／℃）と金属の線熱膨脹係数
（１７×１０-6 １／℃）との極端な違いにより、接続
箇所に熱応力が生じて、セラミックは短期間で破損する
問題がある。
【０００５】本発明は、高温度、腐食性のガスにさらさ
れ耐熱及び耐腐食性を必要とする中央部分と、炉壁を貫
通する両端部分を、それぞれの条件にあった最適材料に
よって一体的に形成し、しかも線熱膨脹係数の違いを緩
和して厳しい高温度の環境に耐え得る複合セラミック管
及びその製法を明らかにするものである。
れ耐熱及び耐腐食性を必要とする中央部分と、炉壁を貫
通する両端部分を、それぞれの条件にあった最適材料に
よって一体的に形成し、しかも線熱膨脹係数の違いを緩
和して厳しい高温度の環境に耐え得る複合セラミック管
及びその製法を明らかにするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明が製造しようとす
る耐熱複合セラミック管は、セラミック材によって形成
されたセラミック管部(1)と、該セラミック管部(1)の両
端に配設された金属製管体(3)(3)と、セラミック材と金
属材の混合材料を加熱溶融して形成された管体であっ
て、前記セラミック管部(1)と金属製管体(3)との間に配
設された傾斜部(2)とによって構成し、該傾斜部(2)は、
セラミック材と金属材の混合比は軸方向に制御されて変
化し、セラミック管部(1)の端部に結合する部分はセラ
ミック成分１００％、金属成分０％であり、先端に向っ
て金属成分の混合比を増し、先端ではセラミック成分０
％、金属成分１００％であって金属製管体(3)と一体に
結合している。
る耐熱複合セラミック管は、セラミック材によって形成
されたセラミック管部(1)と、該セラミック管部(1)の両
端に配設された金属製管体(3)(3)と、セラミック材と金
属材の混合材料を加熱溶融して形成された管体であっ
て、前記セラミック管部(1)と金属製管体(3)との間に配
設された傾斜部(2)とによって構成し、該傾斜部(2)は、
セラミック材と金属材の混合比は軸方向に制御されて変
化し、セラミック管部(1)の端部に結合する部分はセラ
ミック成分１００％、金属成分０％であり、先端に向っ
て金属成分の混合比を増し、先端ではセラミック成分０
％、金属成分１００％であって金属製管体(3)と一体に
結合している。
【０００７】上記セラミック管は、同心円に配置された
内型(７)と外型(８)の間にセラミック管部形成用の所定
厚さの型空間(73)を形成し、該型空間(73)の底部にセラ
ミック成分粉体と金属成分粉体の混合比を高さ方向に制
御した傾斜層（21）を所定高さに充填し、傾斜層（21）
の上へセラミック成分粉体層（14）を所定高さに充填
し、傾斜層（21）の成分は底先端はセラミック０％、金
属成分１００％であり、高さ方向に沿ってセラミック成
分の混合比を増し、傾斜層上端はセラミック成分１００
％、金属成分０％とし、外型(８)の外側から高周波誘導
加熱を加え、型空間(61)へ充填したセラミック層の上端
から傾斜層(21)下端へ向って加熱溶融位置を移動させ、
セラミック管部(１)の下端に傾斜部(２)を連続して形成
することによって製られる。
内型(７)と外型(８)の間にセラミック管部形成用の所定
厚さの型空間(73)を形成し、該型空間(73)の底部にセラ
ミック成分粉体と金属成分粉体の混合比を高さ方向に制
御した傾斜層（21）を所定高さに充填し、傾斜層（21）
の上へセラミック成分粉体層（14）を所定高さに充填
し、傾斜層（21）の成分は底先端はセラミック０％、金
属成分１００％であり、高さ方向に沿ってセラミック成
分の混合比を増し、傾斜層上端はセラミック成分１００
％、金属成分０％とし、外型(８)の外側から高周波誘導
加熱を加え、型空間(61)へ充填したセラミック層の上端
から傾斜層(21)下端へ向って加熱溶融位置を移動させ、
セラミック管部(１)の下端に傾斜部(２)を連続して形成
することによって製られる。
【０００８】
【作用】本発明の複合セラミック管は、炉壁(６)に開設
された取付け孔を貫通して両端の金属製管体(３)(３)を
炉外へ突出させ、金属製管体(３)の先端にフランジ(４)
を溶接（43）（44）によって取り付ける。
された取付け孔を貫通して両端の金属製管体(３)(３)を
炉外へ突出させ、金属製管体(３)の先端にフランジ(４)
を溶接（43）（44）によって取り付ける。
【０００９】金属製管体(３)とセラミック管部(１)の間
は、金属成分とセラミック成分の混合比が連続的に変化
する傾斜部(２)(２)を介在させているから、明確な境界
を形成することなく、金属製管体(３)(３)をセラミック
管部(１)へ一体的に接続できる。しかも傾斜部(２)は線
熱膨張率の違いを吸収して熱応力を緩和する。複合セラ
ミック管の製造は、内型(７)と外型(８)の間の型空間へ
傾斜層(21)及びセラミック層(14)を充填した後、外側か
ら誘導加熱によって一連に溶融し、溶融位置を上方から
下方へ移動することによって、セラミック管部(１)及び
傾斜部(２)が一体に繋がって境界層を形成することな
く、一体化できる。
は、金属成分とセラミック成分の混合比が連続的に変化
する傾斜部(２)(２)を介在させているから、明確な境界
を形成することなく、金属製管体(３)(３)をセラミック
管部(１)へ一体的に接続できる。しかも傾斜部(２)は線
熱膨張率の違いを吸収して熱応力を緩和する。複合セラ
ミック管の製造は、内型(７)と外型(８)の間の型空間へ
傾斜層(21)及びセラミック層(14)を充填した後、外側か
ら誘導加熱によって一連に溶融し、溶融位置を上方から
下方へ移動することによって、セラミック管部(１)及び
傾斜部(２)が一体に繋がって境界層を形成することな
く、一体化できる。
【００１０】
【実施例】図面及び以下の説明は本発明の理解を容易に
するためのものであって、発明の範囲を狭めるために用
いるべきではない。
するためのものであって、発明の範囲を狭めるために用
いるべきではない。
【００１１】図１は加熱炉の炉壁(６)に開設した取付け
孔へ両端を貫通し、固定したストレートタイプのラジア
ントチューブを示しているが、本発明はこれに限定され
るのではなく、Ｕ字型或いはＷ字型のラジアントチュー
ブにも実施できることは勿論である。ラジアントチュー
ブは、直径２０ｃｍ、長さ２ｍ、管厚５〜１０ｍｍの長
尺の管体であるが、両端の２０ｍｍを金属製管体(３)と
し、該金属製管体(３)に連続する１０ｍｍを傾斜部(２)
とし、残りをセラミック管部(１)によって構成する。
孔へ両端を貫通し、固定したストレートタイプのラジア
ントチューブを示しているが、本発明はこれに限定され
るのではなく、Ｕ字型或いはＷ字型のラジアントチュー
ブにも実施できることは勿論である。ラジアントチュー
ブは、直径２０ｃｍ、長さ２ｍ、管厚５〜１０ｍｍの長
尺の管体であるが、両端の２０ｍｍを金属製管体(３)と
し、該金属製管体(３)に連続する１０ｍｍを傾斜部(２)
とし、残りをセラミック管部(１)によって構成する。
【００１２】セラミック管部(１)はケイ素（Ｓｉ）の粉
体と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉体を混合し、加熱溶融さ
せてＳｉＣマトリックス内部にＳｉが浸透した耐熱、耐
腐食性の構造である。
体と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉体を混合し、加熱溶融さ
せてＳｉＣマトリックス内部にＳｉが浸透した耐熱、耐
腐食性の構造である。
【００１３】その他、チタン、アルミナ等の公知のセラ
ミック材料粉末が使用できる。金属製管体(３)は、ＨＫ
材（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）その他の耐熱合金を材料とす
る管体であって、鋳造、切削加工、焼結成形等によって
形成される。
ミック材料粉末が使用できる。金属製管体(３)は、ＨＫ
材（２５Ｃｒ−２０Ｎｉ）その他の耐熱合金を材料とす
る管体であって、鋳造、切削加工、焼結成形等によって
形成される。
【００１４】傾斜部(２)は金属成分とセラミック成分を
混合し、混合比を軸方向に沿って制御した成分傾斜構造
であって、図３に示す如くセラミック管部(１)側はセラ
ミック成分１００％、金属成分０％であり、軸方向に沿
って金属成分の混合比を増し、先端ではセラミック成分
０％、金属成分１００％の成分構造となっている。傾斜
部(２)の成分制御は、理想的には軸方向に沿って連続的
に行うことが望ましいが、実際上は８〜１０段階の階段
状の成分比として構成されている。傾斜部(２)の先端
は、金属成分１００％であるから、ＨＫ材の如き耐熱合
金の金属製管体(３)を約０.５ｍｍの幅で、例えばＣｕ
９５％、Ｍｎ，Ｍｏ又はＴｉ５％のろう材を用いて、ろ
う接(31)して一体に接続し、或いは後で述べるようにセ
ラミック管部(１)及び傾斜部(２)の製作と同時に金属粉
末を加熱溶融して金属製管体(３)を形成し、傾斜部(２)
へ結合させることもできる。
混合し、混合比を軸方向に沿って制御した成分傾斜構造
であって、図３に示す如くセラミック管部(１)側はセラ
ミック成分１００％、金属成分０％であり、軸方向に沿
って金属成分の混合比を増し、先端ではセラミック成分
０％、金属成分１００％の成分構造となっている。傾斜
部(２)の成分制御は、理想的には軸方向に沿って連続的
に行うことが望ましいが、実際上は８〜１０段階の階段
状の成分比として構成されている。傾斜部(２)の先端
は、金属成分１００％であるから、ＨＫ材の如き耐熱合
金の金属製管体(３)を約０.５ｍｍの幅で、例えばＣｕ
９５％、Ｍｎ，Ｍｏ又はＴｉ５％のろう材を用いて、ろ
う接(31)して一体に接続し、或いは後で述べるようにセ
ラミック管部(１)及び傾斜部(２)の製作と同時に金属粉
末を加熱溶融して金属製管体(３)を形成し、傾斜部(２)
へ結合させることもできる。
【００１５】上記複合セラミック管の製造は、図４に示
すグラファイト製の内型(７)、外型(８)、誘導加熱コイ
ル(９)を用いて製造できる。内型(７)は下端にフランジ
(71)を具え、金属製管体(３)をフランジ上に嵌め、管体
(３)とほぼ等しい高さにショルダー(72)を形成してい
る。外型(８)は内型(７)と同心に嵌め、下端をフランジ
(71)に当て、内型の外面と外型(８)の内面の間に型空間
(73)を形成している。型空間(73)の下部には金属成分と
セラミック成分を所定の混合比に混合し、８乃至１０段
階に混合比を変えて型空間(73)の下部に充填し、傾斜層
(21)を形成する。傾斜層(21)の成分の混合比は、最下部
(21b)は金属成分１００％、セラミック成分０％であ
り、高さ方向に沿ってセラミック成分の混合比を高め、
最上部(21a)ではセラミック成分１００％、金属成分０
％とする。傾斜層(21)の上方の型空間には、内型(７)側
には細かく融点の低いＳｉ(13)の粉末原料(13)、外型
(８)側には粗く融点の高いＳｉＣの粉末原料(12)を約
１：１の体積としたセラミック層（14）を充填する。外
型(８)の外側には、誘導加熱コイル(９)を上下動可能に
配備し、セラミック層(14)に対し上端から加熱を開始す
る。
すグラファイト製の内型(７)、外型(８)、誘導加熱コイ
ル(９)を用いて製造できる。内型(７)は下端にフランジ
(71)を具え、金属製管体(３)をフランジ上に嵌め、管体
(３)とほぼ等しい高さにショルダー(72)を形成してい
る。外型(８)は内型(７)と同心に嵌め、下端をフランジ
(71)に当て、内型の外面と外型(８)の内面の間に型空間
(73)を形成している。型空間(73)の下部には金属成分と
セラミック成分を所定の混合比に混合し、８乃至１０段
階に混合比を変えて型空間(73)の下部に充填し、傾斜層
(21)を形成する。傾斜層(21)の成分の混合比は、最下部
(21b)は金属成分１００％、セラミック成分０％であ
り、高さ方向に沿ってセラミック成分の混合比を高め、
最上部(21a)ではセラミック成分１００％、金属成分０
％とする。傾斜層(21)の上方の型空間には、内型(７)側
には細かく融点の低いＳｉ(13)の粉末原料(13)、外型
(８)側には粗く融点の高いＳｉＣの粉末原料(12)を約
１：１の体積としたセラミック層（14）を充填する。外
型(８)の外側には、誘導加熱コイル(９)を上下動可能に
配備し、セラミック層(14)に対し上端から加熱を開始す
る。
【００１６】セラミック層(14)は加熱によって溶融し、
溶融したＳｉ(13)はＳｉＣ(12)粉末の粒子間の隙間へ浸
透して体積を縮小し、セラミック管部(1)を形成する。
誘導加熱コイル(9)はセラミック層(14)の上端から下方
へ向って徐々に移動し、セラミック層(14)を加熱溶融さ
せ、セラミック管部(1)を形成しながら下降する。傾斜
層(21)に達すると傾斜層成分を加熱溶融させ、最上端(2
1a)はセラミック成分１００％であるから、セラミック
層(14)と完全一体化する。傾斜層(21)の加熱溶融によっ
て傾斜部(2)が形成される。傾斜層(21)の最下部(21b)が
加熱溶融すると、誘導コイル(9)をその高さで暫らく保
持することにより、予め別個に配置した金属管体(3)の
一部が加熱溶融し、傾斜層(21)の最下部(21b)と一体化
し、複合セラミック管が形成されるのである。
溶融したＳｉ(13)はＳｉＣ(12)粉末の粒子間の隙間へ浸
透して体積を縮小し、セラミック管部(1)を形成する。
誘導加熱コイル(9)はセラミック層(14)の上端から下方
へ向って徐々に移動し、セラミック層(14)を加熱溶融さ
せ、セラミック管部(1)を形成しながら下降する。傾斜
層(21)に達すると傾斜層成分を加熱溶融させ、最上端(2
1a)はセラミック成分１００％であるから、セラミック
層(14)と完全一体化する。傾斜層(21)の加熱溶融によっ
て傾斜部(2)が形成される。傾斜層(21)の最下部(21b)が
加熱溶融すると、誘導コイル(9)をその高さで暫らく保
持することにより、予め別個に配置した金属管体(3)の
一部が加熱溶融し、傾斜層(21)の最下部(21b)と一体化
し、複合セラミック管が形成されるのである。
【００１７】Ｕ型或いはＷ型ラジアントチューブの場
合、予め製造した半円状のセラミック管を、複合セラミ
ック管のセラミック管部(１)先端へ接続することによっ
て形成される。また、傾斜層(21)の最下部(21b)を長く
延長することにより、金属製管体(３)を別個に配置する
代りに、金属成分の加熱溶融により金属製管体(３)を一
体に形成できる。
合、予め製造した半円状のセラミック管を、複合セラミ
ック管のセラミック管部(１)先端へ接続することによっ
て形成される。また、傾斜層(21)の最下部(21b)を長く
延長することにより、金属製管体(３)を別個に配置する
代りに、金属成分の加熱溶融により金属製管体(３)を一
体に形成できる。
【００１８】上記複合フランジ管は、両端を炉壁(６)に
開設した取付孔を貫通して、炉外へ突出し、端部の金属
製管体(３)に対してベローズ（41）を溶接（43）し、ベ
ローズ先端をＨＫ材のフランジ(４)へ溶接（44）し、該
フランジ(４)を取付管（42）を介して炉壁へ溶接固定す
る。バーナ(５)はフランジ(４)を貫通し、金属製管体
(３)中にて開口している。
開設した取付孔を貫通して、炉外へ突出し、端部の金属
製管体(３)に対してベローズ（41）を溶接（43）し、ベ
ローズ先端をＨＫ材のフランジ(４)へ溶接（44）し、該
フランジ(４)を取付管（42）を介して炉壁へ溶接固定す
る。バーナ(５)はフランジ(４)を貫通し、金属製管体
(３)中にて開口している。
【００１９】
【効果】複合セラミック管は端部に傾斜部(２)を介して
金属製管体(３)を配備しているから、端部に機械加工を
施すことが可能であり、従来極めて困難であったラジア
ントチューブの端部を炉壁へ容易に取り付けできる。ま
た、傾斜部(２)はセラミック管部(１)と金属製管体(３)
の熱膨脹の違いを吸収し、仮令セラミック管部が高温に
さらされても炉壁の取付部への影響は軽減できる。ま
た、内型(７)と外型(８)の間に傾斜層(21)、セラミック
層(14)の成分粉末を充填することによって、セラミック
管部(１)及び傾斜部(２)を一体化し、しかも成分が連続
的に変化する複合セラミック管を一挙に製造できる。
金属製管体(３)を配備しているから、端部に機械加工を
施すことが可能であり、従来極めて困難であったラジア
ントチューブの端部を炉壁へ容易に取り付けできる。ま
た、傾斜部(２)はセラミック管部(１)と金属製管体(３)
の熱膨脹の違いを吸収し、仮令セラミック管部が高温に
さらされても炉壁の取付部への影響は軽減できる。ま
た、内型(７)と外型(８)の間に傾斜層(21)、セラミック
層(14)の成分粉末を充填することによって、セラミック
管部(１)及び傾斜部(２)を一体化し、しかも成分が連続
的に変化する複合セラミック管を一挙に製造できる。
【００２０】本発明は特許請求の範囲の記載に限定され
ることはなく、当業者であれば本発明の技術的範囲に於
て多くの実施例をつくることができるのは勿論である。
ることはなく、当業者であれば本発明の技術的範囲に於
て多くの実施例をつくることができるのは勿論である。
【図１】本発明の使用状況を示す正面図である。
【図２】複合セラミック管の端部拡大図である。
【図３】複合セラミック管端部の混合比説明図である。
【図４】製造装置の断面図である。
(１) セラミック管部 (14) セラミツク層 (２) 傾斜部 (21) 傾斜層 (３) 金属製管体 (31) ろう接部 (４) フランジ (43)(44) 溶接 (７) 内型 (73) 型空間 (８) 外型 (９) 誘導加熱コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ２７Ｄ 1/00 Ｆ２７Ｄ 1/00 Ｎ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 37/02
Claims (4)
- 【請求項１】 同心円に配置された内型(7)と外型(8)の
間にセラミック管部形成用の所定厚さの型空間(73)を形
成し、該型空間(73)の底部にセラミック成分粉体と金属
成分粉体の混合比を高さ方向に制御した傾斜層(21)を所
定高さに充填し、傾斜層(21)の上へセラミック成分粉体
層(14)を所定高さに充填し、傾斜層(21)の成分は底先端
はセラミック０％、金属成分１００％であり、高さ方向
に沿ってセラミック成分の混合比を増し、傾斜層上端は
セラミック成分１００％、金属成分０％とし、外型(8)
の外側から高周波誘導加熱を加え、型空間(73)へ充填し
たセラミック層(14)の上端から傾斜層(21)下端へ向って
加熱溶融位置を移動させ、セラミック管部(1)の下端に
傾斜部(2)を連続して形成する耐熱複合セラミック管を
製造する方法。 - 【請求項２】 型空間(73)には、底部に予め金属製管体
(3)を配置し、該金属製管体(3)の上の型空間(73)内に傾
斜層(21)を充填し、傾斜層(21)の最下部(21b)が加熱溶
融すると、高周波誘導加熱を、その位置で保持し、金属
製管体(3)の一部を加熱溶融して傾斜層(21)の最下部(21
b)と一体化する請求項１の方法。 - 【請求項３】 傾斜層(21)の最下部(21b)を、型空間(7
3)の中で長く延長し、金属成分の加熱溶融により、傾斜
部(2)に金属製管体(3)を一体に形成する請求項１の方
法。 - 【請求項４】 型空間(73)には、傾斜層(21)の上へ、内
型(7)側には細かく融点の低いＳｉ(13)の粉末原料、外
型(8)側には粗く融点の高いＳｉＣの粉末原料(12)とし
たセラミック層(14)を充填し、セラミック層(14)の上端
から下方に向って、傾斜層(21)の最下部(21b)まで加熱
溶融を行ない、セラミック管部(1)の端部に傾斜部(2)を
一体に形成する請求項１乃至３の何れかに規定する方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4225509A JP2766437B2 (ja) | 1992-08-25 | 1992-08-25 | 耐熱複合セラミック管の製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4225509A JP2766437B2 (ja) | 1992-08-25 | 1992-08-25 | 耐熱複合セラミック管の製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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