JP4234879B2 - ラジアントチューブ式加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼帯、ステンレス鋼帯、電磁鋼板およびアルミ薄帯等の帯状体の連続式熱処理設備において、帯状体の被加熱材料を間接加熱するラジアントチューブ式加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼帯やステンレス鋼板などの帯状体を炉内還元雰囲気中で連続的に熱処理する連続式熱処理炉の加熱装置においては、炉内還元雰囲気を汚染することなく間接加熱することができるラジアントチューブ式加熱装置が利用されている。ラジアントチューブの形状は、従来Ｕ字形状をしたＵチューブやＷ型ラジアントチューブが使用されている。Ｗ型ラジアントチューブは、チューブ１本当たりの表面積が大きく、竪型式連続熱処理炉などによく利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のラジアントチューブは、炉内の高温雰囲気ガス中において使用され、しかも、内部の燃焼ガスは、バーナー付近で最高温度域を形成し、バーナー付近から下流側に向かって流れることによりチューブの長手方向に大きな温度勾配を生じせしめる。このような過酷な使用条件のもとで、ラジアントチューブはやがて高温熱変形による亀裂やつぶれ現象を生じ、そのために定期的に取替える必要があった。
【０００４】
一方、高温変形を抑制し、ラジアントチューブの寿命を延長させるには、高温強度の優れた材料をラジアントチューブに使用するものも一つの方法であるが、使用条件下での熱変位による応力を緩和することが重要な要素である。このように、使用中のラジアントチューブの熱変位に起因する熱応力を緩和する目的で、ラジアントチューブと炉体との接続部の一端に、軸方向のチューブ熱膨張による変位を吸収し軸方向の変位を許容する伸縮部材を用いる方法が提唱されている。
【０００５】
しかしながら、これの方法においても定常温度状態でのチューブの熱応力を緩和する効果は得られるものの、炉昇温時など冷間状態から過渡的に温度が上昇してゆく過程で、チューブ長手方向での非定常温度分布による局所熱応力の増大とそれに起因する局部熱変形を防止することは出来ず、従って、チューブ寿命も大幅に改善することはできないという問題があった。
【０００６】
一方、Ｗ型ラジアントチューブは熱効率を向上させるために、バーナー排気側に熱交換器を設置し排ガス顕熱により燃焼空気を予熱させるレキュペレーティブタイプが多く使用されている。従来のレキュペレーティブタイプのＷ型ラジアントチューブでは、バーナー側と他端の排気口側に設けられた熱交換器が離れて位置する構造であるため、これらの両者を接続する連結管は長くならざるを得ず、従って、この連結管の表面からの熱放散量は多大であり、一旦熱交換器で予熱された燃焼用空気の予熱温度がバーナーに導入されるまでの間に温度低下を生じ、その結果熱効率が向上しないという問題に加えて、バーナー燃焼状態点検の目的でバーナー前へ近寄るオペレーターにとっての作業環境を悪化させる原因となっていた。その対策として、連結管外部を断熱保温することによって熱損失の低減を計るという手段もあるが、相当分のコストが掛かることは避けられなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述したような従来の問題を解消するために、本発明では、一端にバーナーを装着し、他端にＵ字形の第１ベンドを接続した第１直管と、それぞれ両端にＵ字形の第３ベンドおよび第４ベンドを接続した第４直管とを、炉幅方向に、かつ両直管を平行に配設し、第１直管と第４直管の間に、該直管より短い第２直管および第３直管、第５直管および第６直管を設け、第２直管と第３直管をＵ字形の第２ベンドで接続すると共に、第２直管は前記第１ベンドと、第３直管は前記第３ベンドとそれぞれ接続し、一方第５直管と第６直管をＵ字形の第５ベンドで接続するとともに、第５直管は前記第４ベンドと、第６直管は炉外排ガス管にそれぞれ接続し、第２ベンドと第５ベンドが炉幅方向において相対するように配置したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置にある。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明について図面に従って実施例をもって具体的に説明する。
本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置は、図１に示すように、６本の直管と５本のベンドを接続して全体が構成されている。すなわち、図１は本発明に係るラジアントチューブバーナーの全体構成図である。この図に示すように、一端にバーナー１を装着し、他端にＵ字形の第１ベンド４を接続した第１直管３と、それぞれ両端にＵ字形の第３ベンド８と第４ベンド１０を接続した第４直管９とを、炉幅方向に、なお、かつ両直管３、９が平行になるように配置している。そして、この第１直管３と第４直管９の間に囲まれるようにして、これら両直管３、９よりも短い第２直管５および第３直管７、第５直管１１および第６直管１３を配置している。
【０００９】
この第２直管５と第３直管７とは平行に配置しており、第２直管５と第３直管７はＵ字形の第２ベンド６で接続すると共に、第２直管５は第１ベンド４と、第３直管７は第３ベンド８とそれぞれ接続している。また、第５直管１１と第６直管１３は平行に配置しており、第５直管１１と第６直管１３とはＵ字形の第５ベンド１２で接続すると共に、第５直管１１は第４ベンド１０と、第６直管１３は炉外の排ガス管２５と接続している。さらに、第２ベンド６と第５ベンド１２は炉幅方向において相対するように配置されている。
【００１０】
本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置は、一端にバーナー１を装着し、排気口側には燃焼空気予熱用の熱交換器２を備えている。また、このラジアントチューブ式加熱装置は、全体として前述したような形状となっているため、バーナー１と、熱交換器２とが近接した位置となっている。燃焼空気は、燃焼空気導入口２４から供給され熱交換器２によって、排ガスとの間で熱交換されることにより予熱された後、連結管２６を通ってバーナー１側へ送られ、燃料導入口２３から供給される燃料ガスと混合して、バーナー１で燃焼用として供される。
【００１１】
バーナー１での燃焼ガスは、第１直管３から順次下流側へ向かって、第１ベンド４、第２直管５、第２ベンド６、第３直管７、第３ベンド８、第４直管９、第４ベンド１０、第５直管１１、第５ベンド１２を経て第６直管１３へ至り、排ガス管２５から排出される。本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置では、連結管２６を従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置に比べてかなり短くすることが可能となるため、連結管２６の表面からの熱放散量を最小に抑えることができる。
【００１２】
また、第１直管３と第６直管１３の間、第１直管３と第２直管５の間、および第２直管５と第３直管７の間にはサポート１４、１５、１６がそれぞれ設けられており、チューブの鉛直方向および水平方向の変位があらかじめ隙間として設定された値を超えた際には、互いの直管部がその変位を拘束し合う構造になっている。また、第３ベンド８に接続したブラケット１７、第４ベンド１０に接続したブラケット１９は、炉殻２１に固定されたチューブ受け１８および２０によって、それぞれスライド支持されている。
【００１３】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置の各部分の寸法関係は、炉殻のサイズ、被加熱材料の幅、バーナー燃焼容量およびラジアントチューブ表面温度などの諸因子を考慮して最適に計画され、図１において、第２直管５は第３直管７より短く示されているが、これも最適設計の範囲で決定されるもので、同じ長さとすることもある。
【００１４】
図２は、従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置（ａ）と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置（ｂ）におけるチューブの変形状態を示す図である。この図に示すように、高温操業時におけるそれぞれのチューブの熱変形の形態を破線で示している。すなわち、従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置（ａ）においては、熱変形の拘束点はシュミレーション解析の結果実質上、Ａ２の点となっており、また、バーナー側の固定点Ａ１との二点拘束状態の元で熱変形が行われている。一方、本発明のラジアントチューブ式加熱装置（ｂ）では、バーナー側の固定点Ｂ１と実質拘束点Ｂ２の間で熱変形が行われている。このために、本発明においては、第１直管、第１ベンド、第２直管、第２ベンド、第３直管、第３ベンドおよび第４直管の各部に分散され、熱変形が特定部に集中することが緩和され最大変形量が抑制されることが判る。
【００１５】
図３は、従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置（ａ）と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置（ｂ）におけるチューブ長手方向の温度分布を示す図である。上述したように、従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置（ａ）においては、熱変形の拘束点はシュミレーション解析の結果実質上、Ａ２の点となっており、また、バーナー側の固定点Ａ１との二点拘束状態の元で、チューブ長手方向の温度偏差は最大△Ｔａとなり、変形が第１直管、第１ベンド、第２直管、第２ベンドに集中している。これに対し、本発明のラジアントチューブ式加熱装置（ｂ）では、チューブ長手方向の温度偏差は最大△Ｔｂと比較的小さく、従って、各部の熱応力が分散により低く抑えられ、その結果ラジアントチューブの高温クリープ変形が大幅に抑制されるので、チューブの変形や亀裂の発生などが小さく、従来に比べ、ラジアントチューブの寿命延長が可能となる。
【００１６】
図４は、チューブ熱変形に対する断面性能の違いを説明する概念図である。すなわち、それぞれのラジアントチューブ式加熱装置における横変位の状況を示しており、従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置（ａ）における断面ａ−ａでは、第１ベンドと第２ベンドが離れて位置しているため、第１直管、第１ベンドおよび第２直管により形成される断面の性能が単独化してしまうことにより、その断面性能自体が小さくなっており、チューブ長手方向の温度分布に起因する熱変形に対してその抵抗が小さく、大きな横変形δａを生じていることが判る。そのため、チューブに一旦横変形が生じると、チューブ内の燃焼排ガス流れに影響が発生し、チューブ外周方向の温度差がさらに助長されることになり、その結果横変形δａは益々おおきくなる。一方、本発明によるラジアントチューブ式加熱装置（ｂ）では、断面ｂ−ｂに示すように断面性能が大きくなっており、チューブの熱による横変形δｂを小さくすることが出来る。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のような形状のラジアントチューブ式加熱装置にすることにより、ラジアントチューブ長手方向での温度勾配による高温クリープ変形や熱変形を抑制することができ、従って、亀裂やつぶれ現象の発生を防止しつつラジアントチューブの寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。特に、定常使用時の熱変形抑制に加えて、炉昇温時等における冷間からの過渡的温度上昇過程でのチューブ長手方向温度差に起因する熱変形をもラジアントチューブの各部が分散負担することによって軽減できるため、ラジアントチューブの寿命延長に果たす効果は大きい。また、本発明では従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置のようにバーナーと他端に設けられた熱交換器を接続する予熱空気の連結管が殆ど必要でなくなるため、連結管からの熱放散が殆どなくなり、相当分の熱効率向上効果が得られる。同時にバーナー前の作業環境を改善することができ、バーナーの燃焼状況の点検作業などがやり易くなる等極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るラジアントチューブバーナーの全体構成図、
【図２】従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置におけるチューブの変形状態を示す図、
【図３】従来のＷ型ラジアントチューブ式加熱装置と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置におけるチューブ長手方向の温度分布を示す図、
【図４】チューブ熱変形に対する断面性能の違いを説明する概念図である。
【符号の説明】
１ バーナー
２ 熱交換器
３ 第１直管
４ 第１ベンド
５ 第２直管
６ 第２ベンド
７ 第３直管
８ 第３ベンド
９ 第４直管
１０ 第４ベンド
１１ 第５直管
１２ 第５ベンド
１３ 第６直管
１４、１５、１６ サポート
１７、１９ ブラケット
１８、２０ チューブ受け
２１ 炉殻
２２ 耐火物
２３ 燃料導入口
２４ 燃焼空気導入口
２５ 排ガス管
２６ 連結管

Claims (1)

1. 一端にバーナーを装着し、他端にＵ字形の第１ベンドを接続した第１直管と、それぞれ両端にＵ字形の第３ベンドおよび第４ベンドを接続した第４直管とを、炉幅方向に、かつ両直管を平行に配設し、第１直管と第４直管の間に、該直管より短い第２直管および第３直管、第５直管および第６直管を設け、第２直管と第３直管をＵ字形の第２ベンドで接続すると共に、第２直管は前記第１ベンドと、第３直管は前記第３ベンドとそれぞれ接続し、一方第５直管と第６直管をＵ字形の第５ベンドで接続するとともに、第５直管は前記第４ベンドと、第６直管は炉外排ガス管にそれぞれ接続し、第２ベンドと第５ベンドが炉幅方向において相対するように配置したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。

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