JP3665407B2 - 工業用炉のラジアントチューブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に工業用炉のラジアントチューブ（radiant tube）であって、端側がフランジ部分のとこでシール装置を介してシールされている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業用炉の間接的な加熱または冷却には、しばしば、いわゆるラジアントチューブが利用される。このラジアントチューブは、炉壁の孔を貫通して組付けられ、孔のところが密封される。熱供給にはバーナまたは電気加熱装置が用いられ、放熱にはラジアントチューブに組付けられた冷却装置が用いられる。ラジアントチューブの材料としては、耐熱鋼を用いることが多いが、温度限界値がより高いため、セラミックも次第に多用されるようになってきた。
【０００３】
炉壁内にセラミック製ラジアントチューブを固定し、シールするため、セラミック製フランジ延長部が、ラジアントチューブのところで２つの金属製フランジの間に挟み付けられ、この金属製フランジの一方が、ガス密に炉ハウジングと結合されている。約２５０°Ｃまでは、金属製およびセラミック製のフランジの異なる膨張を吸収する弾性シールを利用できる。押圧力は、ばね部材により調達されることが多い。
【０００４】
フランジの温度が２５０°Ｃを超える場合は、比較的剛性の材料製シール、例えば金属リングを用いなければならない。金属リングの場合、セラミック製フランジ延長部には一定の表面状態が必要である。言い換えると、延長部製作時に高価な研削作業が必要である。加えて、セラミックに応力亀裂が生じるおそれがある。剛性シールの場合、押圧力が高くなければならないからである。
【０００５】
ラジアントチューブには５０Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導性を有するＳＩＣ‐セラミックが特に適しているが、この種のセラミックの場合、フランジのところの温度は、通例、２５０°Ｃを超える。特に、この箇所をバーナ又は冷却装置の高温ガスが通過する場合に、そう言える。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許第特許第４１３２２３６号明細書により公知の、セラミック製ラジアントチューブを有する工業用バーナの場合、セラミック製フランジ延長部を備えた当該のチューブが、シールリングを間挿されて、管状ハウジング部分の内側肩に対して押圧される。固定し、更にシールするために、もう１つのシールリングが用いられ、このシールリングが、管状ハウジング部分とセラミック製ラジアントチューブとにより仕切られた環状間隙に配置される。バーナヘッド内に配置されたばねにより、セラミック製フランジ延長部を有するセラミック製ラジアントチューブが、内側肩に支えられたシールリングに押し付けられ、シールが行われる。
【０００７】
熱負荷が２５０°Ｃを超える場合、シールリングとして金属リングを用いれさいには、フランジ延長部を研削する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の事情から生じてくる本発明の課題は、改良され、簡単化されたシールを有する堅固な、工業用炉のラジアントチューブを製造することである。
【０００９】
【課題を解決する手段】
この課題は、次のようにすることによって解決された。すなわち、シール装置を、セラミック製ラジアントチューブに焼きばめされた第１部分を有する薄壁の金属製スリーブとして構成し、この第１部分を、第２部分を介して、より直径の大きいフランジ部分と結合するようにしたのである。
【００１０】
ラジアントチューブに、金属製フランジ部分を備えるようにし、このフランジ部分を、炉壁に設けられたフランジと、容易にねじ結合できるようにした。フランジ部分とラジアントチューブとの間に配置したスリーブは、シール装置にもなれば、軸方向力に対する固定装置にもなるようにされている。セラミック製ラジアントチューブの当該端部に焼きばめされた部分は、ラジアントチューブと、事実上ガス密の結合部を形成する。スリーブは薄壁であり、言い換えると、ラジアントチューブよりはるかに壁厚が薄い。これに対し、４ｍｍ〜１０ｍｍの壁厚を有するラジアントチューブは剛性である。このため、金属スリーブは、焼きばめ時にラジアントチューブの外形に適合し、この結果、ラジアントチューブの研削加工を省略することができる。ラジアントチューブの表面の比較的小さな凹凸は、スリーブがこれに適合するため、許容される。ラジアントチューブの直径公差又は円形度の偏差も、ある程度まで補償できる。セラミックは、相応の壁厚にすれば、焼きばめ時に生じる圧縮応力に十分耐えることができる。
【００１１】
スリーブは、フランジ部分に堅固に結合できる。加えて、この結合部は、ある程度までたわみ可能なので、ラジアントチューブとフランジ部分との熱膨張度が異なっても、応力亀裂又は漏れが生じることはない。特に、どのような温度差が発生しても、ラジアントチューブには、あまり大きい引っ張り応力が加わることはない。
【００１２】
スリーブの第１及び第２の部分は、それぞれ管状に構成されており、しかも、第２部分は、第１部分のところから拡大されている。第２部分は、その直径拡大部が、より大きい内径を有するフランジ部分への移行部を形成している。ラジアントチューブとフランジ部分との膨張係数の差は、第２部分を少なくとも区域的に円錐形に構成しておくことにより、第２部分によって十分に補償される。
【００１３】
スリーブの第２部分がフランジ部分から離れた位置を占めるようにすることにより、配置を簡単にできる。全長を短縮するために、フランジ部分と結合されるスリーブ第２部分を、ラジアントチューブに焼きばめされるスリーブ第１部分の周囲に折り返すようにすることもできる。その場合には、第２部分が、第１部分と同心的となる。
【００１４】
大抵の用途の場合、ラジアントチューブは、炭化珪素‐セラミック製とするのが有利である。このセラミックは耐熱性が高い。もちろん、このセラミックは、比較的高い熱伝導性を有しているので、スリーブが取付けられた端部は、比較的高温に加熱される。しかし、スリーブとラジアントチューブとの焼きばめ結合部は、この加熱に問題なく耐えることができる。通常、５０ｍｍ〜２５０ｍｍの直径を有するラジアントチューブは、４ｍｍ〜７ｍｍの壁厚を有している。これに対し、スリーブは、壁厚が１ｍｍ以下なので、ラジアントチューブに比して弾性的に構成されており、ばね部材として機能する。
【００１５】
スリーブの膨張係数は、当該温度域で、使用セラミックのそれと等しいか、それ以下とするのが有利である。その場合、焼きばめ結合部は、どのような温度にも等しく耐えられるか、ないしは、高温になるほど強度が増大する。特に有利な材料は、膨張係数の低い鉄・ニッケル合金である。
【００１６】
スリーブとラジアントチューブとの間のガス密性を更に高めるためには、第２部分とラジアントチューブとの間にシール手段を施すことができる。この目的のためには、特に、グラファイト等の高温用のシール手段、又はろう材が好適である。
【００１７】
スリーブは、ラジアントチューブを軸方向に固定する。特に、垂直線から外れるラジアントチューブ配置の場合に発生する曲げ応力から保護するため、付加的に支持管を備えるようにすることができる。この支持管は、スリーブと溶接ないしは他の形式で結合されたフランジ部分から始まって、ラジアントチューブと同心的に配置しておく。その場合、支持管とラジアントチューブとの間に環状間隙が設けられるようにして、一定の半径方向遊びが形成されるようにするのが、有利である。この遊びによって、ラジアントチューブを破壊する恐れのある応力が、ラジアントチューブに加わるのが防止される。その場合、スリーブから離れるにつれて、この環状間隙が狭まるようにし、支持管が、その開口区域でラジアントチューブと接触する部分を有するようにするのが有利である。それによって、ラジアントチューブに作用する曲げモーメントを、支持管開口区域とスリーブとの間にそらすことができる。その場合、支持管のほぼ全長をレバーアームとして利用可能であり、それによって、ラジアントチューブに作用する合力に耐えることができる。特に、これら合力は、セラミック製ラジアントチューブの固定時には、もっぱらその開口のところに発生する反動力より小さくなる。
【００１８】
このラジアントチューブは、有利には、保護ガス雰囲気を有する炉室の加熱に使用可能である。また、そのフランジ部分は、２つのガス室、炉室、周囲を分離するのに役立っている。この目的のために、ラジアントチューブのフランジ部分は、相応の炉壁に形成された、ラジアントチューブの貫通する孔のところに設けられているフランジとねじ結合されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、図示の実施例につき、本発明を説明する。
【００２０】
図１には、工業用炉１が示されている。その炉室２は、炉壁３の相応の孔５に挿入されているラジアントチューブ７によって、間接加熱される。ラジアントチューブ７は、炉壁３に設けられた孔５に差し込まれ、炉壁に設けられたフランジ８に固定されている。ラジアントチューブ７は、炉室２内へ突入している端部は閉じられ、その開放端部９はバーナー１１と接続されている。バーナー１１は、燃焼ガスと空気とを供給する接続部１３，１５と、煙道ガスを排出する接続部１７とを有して入る。接続部１７は、管状ハウジング部分２１の環状排ガス室１９と接続されているため、ラジアントチューブ７により仕切られている排ガス路が、ハウジング部分２１内の排ガス室１９に開口している。ラジアントチューブ７は、供給される燃焼ガスの燃焼により、符号２２のところで加熱される。これにより、ラジアントチューブ端部９から排出される排ガスが発生する。
【００２１】
ラジアントチューブ７を炉壁３ないしフランジ８と結合するため、フランジ部分２３を有する薄壁のスリーブ２５が備えられている。スリーブ２５は、図２に詳細に示されている。フランジ部分２３は、縦中心軸線２７のに関して回転対称的に構成されたラジアントチューブ７と同心的に形成されている。フランジ部分２３は、環状ディスクの形状を有し、符号２９の箇所で縦中心軸線２７と同軸的に延びる支持管３０に移行している。支持管３０は、フランジ部分２３から始まり、始めの部分は中空円筒形で、ラジアントチューブ７の直径より明らかに大きい直径を有するように構成されている。支持管３０は、ラジアントチューブ７の端部９とは反対方向へ延び、円錐形部分３２を経て、より直径の小さい中空円筒形部分３３へ移行する。この部分３３とラジアントチューブ７との間には、狭い環状間隙が設けられている。セラミック製ラジアントチューブ７の直径は５０ｍｍ〜２５０ｍｍ、壁厚は３ｍｍ〜１０ｍｍ、大抵は４ｍｍ〜７ｍｍであるのに対し、金属製、例えば鋼製の支持管３０は、壁厚は同等だが、直径は数ミリだけ大である。
【００２２】
これに対し、ラジアントチューブ７をフランジ部分２３に結合するために配置されたスリーブ２５は、一貫して１ｍｍ以下の壁厚を有している。スリーブ２５とラジアントチューブ７との壁厚比は１対１０である。このため、スリーブ２５は、厚壁で剛性のラジアントチューブ７に対して弾性的である。ラジアントチューブ７との結合のため、スリーブ２５には、中空円筒形に構成された第１部分４０が設けられ、この部分がラジアントチューブ７に焼きばめされている。このことは、第１部分４０の内径がラジアントチューブ７の外径より小さいことを意味している。スリーブ２５は、ラジアントチューブ７の端部９の側で円錐形部４２に移行し、この円錐形部には、中空円筒形部４４と別の円錐形部４６とが続いている。スリーブ２５のこの円錐形部４６が、溶接継目４８のところでフランジ部分２３と接合されている。この溶接継目４８は、フランジ部分２３に取囲まれた開口の全内周に沿って形成されているので、スリーブ２５は、ラジアントチューブ７をフランジ部分２３に対してシールすることになる。
【００２３】
フランジ部分２３は、溶接継ぎ目４６にすぐ隣接して軸方向の環状溝４７を有している。この環状溝により、フランジ部分へのスリーブ２５の溶接が容易になる。
【００２４】
ラジアントチューブ７に比して弾性的に構成されているスリーブ２５は、鉄・ニッケル合金製である。この合金の熱膨張係数は、ラジアントチューブ７のそれと等しいか、それ以下である。このため、スリーブ２５の第１部分４０とラジアントチューブ７との焼きばめによるガス密結合部は、ラジアントチューブ７の端部９が３００°Ｃ以上の温度に加熱されても、耐えることができる。弾性的に膨張する第１部分４０は、ラジアントチューブ７の温度とは無関係に、ラジアントチューブ７に対して半径方向で内方へ圧縮力を作用させる。この圧縮力は、ラジアントチューブ７により、難なく吸収される。
【００２５】
第１部分４０とラジアントチューブ７と間のシールを改善するためには、特に、ラジアントチューブ７の表面が比較的粗面の場合には、双方の間に付加的シール手段を施すことができる。このシール手段としては、グラファイト粉末又はろう材を用いる。
【００２６】
フランジ部分２３は、炉壁３と固定結合されたフランジ８と、ハウジング部分２１に設けられたフランジ５２との間に固定されている。フランジ部分２３と、フランジ８，５２とを結合するには、図２に略示したねじ又はボルト５５を用いる。
【００２７】
炉室６に対するラジアントチューブ７のシールは、スリーブ２５により簡単に可能になり、しかもラジアントチューブ７に特別な仕上げ加工を施す必要もなければ、ラジアントチューブ７が破断する恐れもない。このシールは、信頼性が高く、確実であるから、いかなる作業温度の場合にも、排ガス又は炉の雰囲気ガスが外部へ漏出することはない。環状のフランジ部分２３とラジアントチューブ７との、温度に依存する膨張度の差は、スリーブ２５によって補償される。このフレキシブルな固定形式によって、ラジアントチューブ７の応力亀裂が十分に防止される。フランジ部分２３は、金属製、例えば鋼製であり、耐熱性シール５６，５７を間挿することにより、同じく金属製の隣接する、フランジ８，５２に対して密封可能である。
【００２８】
スリーブ２５が、ラジアントチューブ７を軸方向及び半径方向に固定するのに対し、支持管３０は、その中空円筒部３３を介して曲げモーメントの吸収に役立っている。中空円筒部３３は、ラジアントチューブ７のどのような加熱温度の場合にも、ラジアントチューブ７との間に遊びが維持されるように、寸法付けされている。したがって、中空円筒部３３が、ラジアントチューブ７に対して熱応力を生じさせることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】工業用炉の略示部分断面図で、炉壁内に、工業用バーナにより加熱されるラジアントチューブが密封保持されている様子を示した図である。
【図２】図１のラジアントチューブを有する炉壁の略示拡大部分断面図である。
【符号の説明】
１ 工業用炉
２ 炉室
３ 炉壁
５ 孔
６ 炉室
７ ラジアントチューブ
８，５２ フランジ
９ 端部
１１ バーナ
１３ 燃料ガス接続部
１５ 空気接続部
１７ 煙道ガス接続部
１９ 排ガス室
２１ ハウジング部分
２３ フランジ部分
２５ スリーブ
２７ 縦中心軸線
３０ 支持管
３２ 円錐形部分
３３ 中空円錐形部
３５ 環状間隙
４０ スリーブ第１部分
４２，４４，４６ スリーブ第２部分
４７ 環状溝
４８ 溶接継目
５５ ねじ
５６，５７ シール

Claims (10)

1. 特に工業用炉のラジアントチューブ（７）であって、端側がフランジ部分のところでシール装置を介してシールされている形式のものにおいて、前記シール装置を、セラミック製ラジアントチューブ（７）に焼きばめされた第１部分（４０）を有する薄壁の金属製スリーブ（２５）として構成し、第１部分（４０）が、第２部分（４２，４４，４６）を介して、より直径の大きいフランジ部分（２３）とシール結合されていることを特徴とする、工業用炉のラジアントチューブ。
2. 前記第２部分（４２，４４，４６）が、少なくとも区域的に円錐形状に構成されていることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
3. 前記スリーブ（２５）が、フランジ部分（２３）と溶接されていることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
4. 前記第１部分（４０）がフランジ部分（２３）とは反対側に位置するように、スリーブ（２５）がラジアントチューブ（７）に焼きばめされていることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
5. ラジアントチューブ（７）が炭化珪素‐セラミック製であることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
6. 前記スリーブ（２５）が、１ｍｍ以下の壁厚を有することを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
7. 前記スリーブ（２５）の膨張係数が、少なくとも、周囲温度から作業温度までの温度間隔において、使用セラミックの膨張係数と等しいか、それ以下であることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
8. 第１部分（４０）とラジアントチューブ（７）との間にシール手段が配置されていることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブ。
9. 前記スリーブ（２５）が支持管（３０）と結合されており、支持管（３０）が、フランジ部分（２３）と結合され、かつスリーブ（２５）から離れてラジアントチューブ（７）を取囲んで延びていることを特徴とする、請求項１記載のラジアントチューブプ。
10. ラジアントチューブ（７）が、工業用炉（１）の炉室（６）を加熱するために使用され、かつバーナによって加熱され、しかも、ラジアントチューブ（７）のフランジ部分（２３）が、フランジ（８）とネジ結合されており、このフランジ（８）が、ラジアントチューブ（７）の貫通している相応の炉壁（３）の孔（５）のところに設けられていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のラジアントチューブ。

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