JP4793055B2 - 加熱炉の炉壁構造 - Google Patents

Description

本発明は、金属工業や窯業などの技術分野において、材料の加熱、熱処理、焼成などのために用いられる加熱炉の炉壁構造に関する。

金属工業や窯業などの技術分野において、材料の加熱、熱処理、焼成などを目的とした種々の加熱炉が用いられている。この種の加熱炉は、炉壁からの熱損失が少ないことが望まれるが、近年、地球温暖化が問題となるなかで、炉壁からの熱損失をより効果的に抑制して更なる省エネルギー化、省ＣＯ_２化を実現できる加熱炉が望まれている。

従来、加熱炉の炉壁には、耐火煉瓦、キャスタブル、プラスチック耐火物などが用いられていたが、最近では断熱性が良好でかつ蓄熱量の小さいセラミックファイバやアルミナファイバが断熱材として用いられている（例えば、特許文献１）。
一方、炉壁からの熱損失抑制を目的とした炉壁構造として、例えば、特許文献２には、内側に耐火物製内張り層を有する内殻と、この内殻外側に離間して設けられた外殻と、内殻・外殻間の空間に充填された断熱材を備えるとともに、内殻・外殻間の空間を減圧できるようにしたものが示されている。

また、特許文献３には、耐火断熱材の表面に耐火材料を水プラズマ装置により溶射して溶射被覆層を形成し、炉壁の蓄熱量や放散熱量の低減を図るようにした炉壁用の耐火断熱材が示されている。
特開２０００−２４１０８１号公報 特公昭６３−４３６７３号公報 特開昭５８−１３９８６号公報

しかし、特許文献２の炉壁構造は設備コストが高く、特に大型炉には不向きである。また、特許文献３の耐火断熱材は、水プラズマ装置はガスプラズマ装置によりも格段に溶射能力が大きいため、低コストで施工が可能であるとは言え、通常のライニング施工よりも設備コストが高くなる。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、少ない設備コストで炉壁からの熱損失を効果的に抑制することができる炉壁構造を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］加熱炉の炉外殻の外面側に、該炉外殻との間で空間（４）を設けて遮蔽板（Ｓ）を設置するとともに、遮蔽板（Ｓ）と炉外殻間の前記空間（４）内での気体の流動が抑制されるように、前記空間（４）を遮蔽板（Ｓ）の端部で塞ぐ構造とし、且つ前記空間（４）の厚さを５０ｍｍ以下とし、
遮蔽板（Ｓ）の外側に、さらに、遮蔽板間で空間を設けて１層の遮蔽板（Ｓn）を設置するとともに、遮蔽板間の前記空間（４a）内での気体の流動が抑制されるように、前記空間（４a）を遮蔽板（Ｓn）の端部で塞ぐ構造とし、且つ前記空間（４a）の厚さを５０ｍｍ以下とし、
遮蔽板（Ｓ）及び遮蔽板（Ｓn）が熱放射率が０．３以下の金属からなることを特徴とする加熱炉の炉壁構造。

［2］上記［1］の炉壁構造において、遮蔽板（Ｓ）又は／及び（Ｓn）がアルミニウム板又はアルミニウム合金板からなることを特徴とする加熱炉の炉壁構造。
［3］上記［1］又は［2］の炉壁構造において、遮蔽板（Ｓ）又は／及び（Ｓn）の表面に熱放射率が０．３以下の塗膜を形成したことを特徴とする加熱炉の炉壁構造。

本発明の炉壁構造によれば、炉からの熱損失を効果的に抑制でき、加熱炉の省エネルギー化、省ＣＯ_２化が達成できる。しかも、炉外殻の外面側に遮蔽板を設置するだけの簡易な構造であるため設備コストが少なくて済み、特に、既設の加熱炉であっても比較的簡単に且つ安価に実現することができる。

図１は、本発明の炉壁構造の一実施形態を示すもので、１は炉外殻（鉄皮）、２はその内側に配される断熱材、３はさらにその内側に配される耐火断熱材であり、これら炉外殻１、断熱材２及び耐火断熱材３により、炉壁Ｘが構成されている。
前記炉外殻１の外面側には、複数の支持部材５により支持されることで、炉外殻１との間に空間４を設けて遮蔽板Ｓが設置されている。この遮蔽板Ｓは炉外殻面とほぼ同面積であり、炉外殻１のほぼ全体を覆うように設置されている。

前記遮蔽板Ｓの材質は特に限定されないが、なるべく熱放射率の小さい低熱放射率の金属で構成することが好ましい。炉外殻１と遮蔽板Ｓ間での熱移動は、主に熱放射によるものであることから、これらの間での熱移動を抑制するためには遮蔽板Ｓの熱放射率は低い方が望ましいからである。したがって、遮蔽板Ｓは鉄板（通常、表面が酸化した鉄板の熱放射率は０．７程度）でもよいが、より熱放射率の低い金属、具体的には熱放射率が０．３以下の金属で構成されることが好ましい。このような金属としては、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金板（通常の熱放射率：０．１〜０．２程度）、ステンレス鋼板（通常の熱放射率：０．２〜０．３程度）などが挙げられる。これらの金属板であれば施工時の取扱も容易であり、設置後の破損等のおそれも少ない。

また、遮蔽板Ｓの表面に低熱放射率の塗膜を形成することができ、例えば、遮蔽板Ｓに鉄板などを使用する場合であっても、そのような塗膜を形成すれば、熱放射による熱移動を抑制して断熱性を向上させることができる。具体的には熱放射率が０．３以下の塗膜が好ましく、このような低熱放射率の塗料としては、通常市販されている遮熱塗料（放射率：０．２以下）などを使用できる。
炉外殻１と遮蔽板Ｓ間での熱放射による熱移動を抑制するためには、炉外殻１と遮蔽板Ｓとの間の空間４は、熱対流が発生しにくい厚さ（炉外殻１と遮蔽板Ｓの間隔）にすることが好ましく、このため空間４の厚さｔ_１は５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

前記複数の支持部材５は適当な間隔で配置され、炉外殻１に対して遮蔽板Ｓを連結支持する。支持部材５の構成や材質なども特に限定されず、適宜な金属材で構成すればよい。
炉外殻１からの熱移動は、遮蔽板Ｓを設けない炉壁構造では炉周囲外部との熱放射及び熱伝達によるものであるのに対し、以上説明したような本発明の炉壁構造では、炉外殻１外面と遮蔽板Ｓとの熱放射が主体となるので、炉壁の断熱性が高められ、炉壁からの熱貫流率を低くすることができる。

遮蔽板は２層以上設けることができる。図２は、本発明の炉壁構造において遮蔽板を２層設ける場合の一実施形態を示すもので、図１に示すような遮蔽板Ｓの外側に、さらに、その遮蔽板Ｓとの間で空間４ａを設けて第２の遮蔽板Ｓnを設置したものである。すなわち、遮蔽板Ｓの外面側には、複数の支持部材５ａにより支持されることで、遮蔽板Ｓとの間に空間４ａを設けて遮蔽板Ｓnが設置されている。この遮蔽板Ｓnは炉外殻面とほぼ同面積であり、遮蔽板Ｓとともに炉外殻１のほぼ全体を覆うように設置されている。

このように遮蔽板を２層以上設けた場合も、遮蔽板Ｓ，Ｓnの材質は特に限定されないが、図１の場合と同様に、なるべく熱放射率の小さい低熱放射率の金属（好ましくは熱放射率が０．３以下の金属）で構成することが好ましい。炉外殻１と遮蔽板Ｓ間及び遮蔽板Ｓと遮蔽板Ｓn間での熱移動は、主に熱放射によるものであることから、これらの間での熱移動を抑制するためには遮蔽板Ｓ，Ｓnの熱放射率は低い方が望ましいからである。したがって、遮蔽板Ｓ，Ｓnの材質については、さきに図１の実施形態で述べたと同様である。なお、特に外層側の遮蔽板Ｓnについて、低熱放射率の金属で構成することが有効である。

また、遮蔽板Ｓ，Ｓnの表面には低熱放射率の塗膜（好ましくは熱放射率が０．３以下の塗膜）を形成してもよい。この塗膜については、さきに図１の実施形態で述べたと同様である。なお、特に外層側の遮蔽板Ｓnについて、低熱放射率の塗膜を形成することが有効である。
さらに、遮蔽板Ｓと遮蔽板Ｓn間での熱放射による熱移動を抑制するためには、遮蔽板Ｓと遮蔽板Ｓnとの間の空間４ａは、熱対流が発生しにくい厚さ（遮蔽板Ｓと遮蔽板Ｓnとの間隔）にすることが好ましく、このため空間４ａの厚さｔ_２は５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

遮蔽板Ｓnを支持する前記複数の支持部材５ａは適当な間隔で配置され、遮蔽板Ｓに対して遮蔽板Ｓnを連結支持する。支持部材５ａの構成や材質なども特に限定されず、適宜な金属材で構成すればよい。
なお、遮蔽板は３層以上設置することもできるが、遮蔽板を３層以上設置すると、炉からの熱損失を抑制する効果は高まるものの、炉外殻１（鉄皮）の温度が上昇し、場合によっては３００℃以上になり、長期間使用する上で問題となるので、炉外殻１の耐久性の観点からは、一般には遮蔽板の設置層数は２層以下とするのが望ましい。

本発明の炉壁構造では、遮蔽板Ｓと炉外殻１との間の空間４は遮蔽板Ｓの端部で塞がれている構造であることが好ましい。図３は、そのような構造の一実施形態を示すもので、遮蔽板Ｓの端部には炉外殻１側に延出して空間４を塞ぐ塞ぎ板６が設けられている。
このように遮蔽板Ｓと炉外殻１との間の空間４を遮蔽板Ｓの端部で塞ぐ構造とすることにより、空間４内での気体の流動を抑制し、気体の流動により発生する炉外殻１表面からの対流熱移動を抑えることができ、遮蔽板Ｓを設置したことによる断熱効果をさらに高めることができる。

また、図２に示すように遮蔽板Ｓの外側に、さらに空間４ａを設けて１層以上の遮蔽板Ｓnを設置した場合には、遮蔽板Ｓ，Ｓn間の空間４ａは外層側の遮蔽板Ｓnの端部で塞がれている構造であることが好ましい。
例えば、図２に示すように遮蔽板Ｓの外側に１層の遮蔽板Ｓnを設ける場合には、遮蔽板Ｓnの端部に遮蔽板Ｓ側に延出して空間４ａを塞ぐ塞ぎ板が取付けられる。

このように遮蔽板Ｓ，Ｓn間の空間４ａを外層側の遮蔽板Ｓnの端部で塞ぐ構造とすることにより、図３で説明したと同様、空間４ａ内での気体の流動を抑制し、気体の流動により発生する遮蔽板Ｓ表面からの対流熱移動を抑えることができ、遮蔽板Ｓnを設置したことによる断熱効果をさらに高めることができる。
以上のような本発明の炉壁構造は、炉外殻１の外面側に遮蔽板Ｓ，Ｓnを設置するだけでよいので、既設の加熱炉であっても比較的簡単にかつ安価に設置することができる。

次に、本発明の炉壁構造において、遮蔽板の層数や材質が断熱効果、炉外殻温度に及ぼす影響を調べた結果を示す。
炉壁が厚さ３００ｍｍの耐火断熱材と厚さ１５ｍｍの鉄皮（炉外殻）からなる加熱炉（炉内温度１２５０℃）において、炉壁（炉外殻）の外側に図１、図２等に準じた構造で１層又は２層以上の遮蔽板Ｓ，Ｓnを設けた。

図４は、遮蔽板として鉄板（熱放射率０．７）を用いた場合において、遮蔽板の設置層数と断熱効果（熱損失割合）との関係を示したものであり、遮蔽板なしの場合（設置層数：０）の炉壁からの熱流束（単位時間及び単位面積当たりの熱量）を基準として、遮蔽板を設置した場合の炉壁からの熱流束（炉壁からの熱損失割合）を示している。また、図５は、同じく遮蔽板として鉄板（熱放射率０．７）を用いた場合において、遮蔽板の設置層数と炉外殻（鉄皮）外面の表面温度との関係を示したものである。

図４によれば、遮蔽板の設置層数が多いほど熱損失は少なくなっている。一方、図５によれば、遮蔽板なしの場合には約１１０℃であった炉外殻表面温度は、遮蔽板の設置層数が１層の場合には約１９０℃、２層の場合には約２４０℃となり、３層以上の場合には３００℃近傍或いは３００℃以上となっている。
このように、遮蔽板の設置層数を増やすと熱損失は少なくなるが、遮蔽板をあまり多層に設置すると炉外殻表面温度が３００℃以上に上昇するので、長期的な炉体寿命を考慮すると望ましくない。したがって、このような観点から遮蔽板の設置層数を決定することが好ましい。

図６は、遮蔽板として鉄板（熱放射率０．７）とアルミニウム板（熱放射率０．２）を用いた場合において、遮蔽板の設置層数と断熱効果（熱損失割合）との関係を比較して示したものであり、遮蔽板なしの場合（設置層数：０）の炉壁からの熱流束（単位時間及び単位面積当たりの熱量）を基準として、遮蔽板を設置した場合の炉壁からの熱流束（炉壁からの熱損失割合）を示している。また、図７は、同じく遮蔽板として鉄板（熱放射率０．７）とアルミニウム板（熱放射率０．２）を用いた場合において、遮蔽板の設置層数と炉外殻（鉄皮）外面の表面温度との関係を比較して示したものである。

図６によれば、遮蔽板としてアルミニウム板を用いると、鉄板の場合と比較して炉壁からの熱損失の減少割合が高くなる。しかし、図７に示されるように、アルミニウム板の場合には２層以上設置すると炉外殻表面温度は３００℃以上となっている。
したがって、遮蔽板としてはアルミニウム板のような低熱放射率の金属板を用いることが好ましいが、熱放射率が高い金属板を使用した場合に較べて炉外殻表面温度がより上昇しやすいので、このような観点から遮蔽板の設置層数を決定することが好ましい。

なお、一般的には、遮蔽板としてアルミニウム板、アルミニウム合金板、ステンレス鋼板などのような低熱放射率の金属板を用い、或いは低熱放射率の塗膜を形成した金属板を用いれば、遮蔽板の設置層数を２層以下として炉壁の断熱強化を達成することができる。
また、遮蔽板と炉外殻との間の空間（間隔）の厚さｔ_１を３０ｍｍとし、図３に示すように遮蔽板Ｓの端部に空間４を塞ぐ塞ぎ板６を取付けた構造にすれば、さらに断熱効果は高まり、その炉壁通過熱流束は塞ぎ板６を設けない場合の炉壁通過熱流束の約９５％であった。

本発明の炉壁構造の一実施形態を示す縦断面図 本発明の炉壁構造の他の実施形態を示す縦断面図 本発明の炉壁構造の他の実施形態を示す縦断面図 遮蔽板に鉄板を用いた本発明の炉壁構造において、遮蔽板の設置層数と断熱効果との関係を示すグラフ 遮蔽板に鉄板を用いた本発明の炉壁構造において、遮蔽板の設置層数と炉外殻表面温度との関係を示すグラフ 遮蔽板に鉄板とアルミニウム板を用いた本発明の炉壁構造において、遮蔽板の設置層数と断熱効果との関係を示すグラフ 遮蔽板に鉄板とアルミニウム板を用いた本発明の炉壁構造において、遮蔽板の設置層数と炉外殻表面温度との関係を示すグラフ

符号の説明

１ 炉外殻
２ 断熱材
３ 耐火断熱材
４，４ａ 空間
５，５ａ 支持部材
６ 塞ぎ板
Ｓ，Ｓn 遮蔽板
Ｘ 炉壁

Claims (3)

1. 加熱炉の炉外殻の外面側に、該炉外殻との間で空間（４）を設けて遮蔽板（Ｓ）を設置するとともに、遮蔽板（Ｓ）と炉外殻間の前記空間（４）内での気体の流動が抑制されるように、前記空間（４）を遮蔽板（Ｓ）の端部で塞ぐ構造とし、且つ前記空間（４）の厚さを５０ｍｍ以下とし、
   遮蔽板（Ｓ）の外側に、さらに、遮蔽板間で空間を設けて１層の遮蔽板（Ｓn）を設置するとともに、遮蔽板間の前記空間（４a）内での気体の流動が抑制されるように、前記空間（４a）を遮蔽板（Ｓn）の端部で塞ぐ構造とし、且つ前記空間（４a）の厚さを５０ｍｍ以下とし、
   遮蔽板（Ｓ）及び遮蔽板（Ｓn）が熱放射率が０．３以下の金属からなることを特徴とする加熱炉の炉壁構造。
2. 遮蔽板（Ｓ）又は／及び（Ｓn）がアルミニウム板又はアルミニウム合金板からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉の炉壁構造。
3. 遮蔽板（Ｓ）又は／及び（Ｓn）の表面に熱放射率が０．３以下の塗膜を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱炉の炉壁構造。

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