JP5150260B2 - 炉壁構成材 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、熱処理炉の炉壁を構成するために用いられる炉壁構成材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の炉壁構成材としては、炉内側面および炉外側面を有する断熱ブロックを備えており、断熱ブロックの全体が、セラミックファイバーによって形成されているものが知られている。
【０００３】
熱処理炉用の断熱材としては、一般的に、安価で熱伝導率の低いセラミックファイバー製のものが使用されている（例えば、１２６０℃級）。断熱材の厚み方向を貫通する熱放散（以下、シェルロスという）を削減するには、断熱材自体の厚みを増加させる事で対応されてきた。
【０００４】
しかし、省エネへの要求が大きくなるにつれ、一般のセラミックファイバーによって形成された断熱ブロックだけでの対応が困難になっている。
【０００５】
この問題を解決するため、上記炉壁構成材の改良タイプとして、断熱ブロックが、高断熱性芯材と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材とを備えており、皮材は、セラミックファイバーであるが、芯材が、シリカエアロゲル等の微孔性材料によって形成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この改良型の炉壁構成材を使用した熱処理炉では、芯材を境として、炉内側では高温になり、炉外側では低温になることによって、その温度差が大きく、これにより、セラミックファイバーの熱収縮率の差が生じ、炉壁が変形して、割れなどが発生し、破損する恐れがあった。
【特許文献１】
特開２０００−３５１６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができ、炉壁の熱変形による割れなどの破損を防止し、長期間の使用を可能とする炉壁構成材を提供することにある。
課題を解決するための手段
この発明による炉壁構成材は、セラミックファイバーによって形成され、炉内側面および炉外側面を有する断熱ブロックを備えており、炉外側面にスリットが形成されているものである。
この発明による炉壁構成材では、内外の温度差によって炉壁構成材が変形して破損するのを、スリットが効果的に防止する。したがって、炉壁の熱変形による破損を防止することができる。
さらに、断熱ブロックが、高断熱性芯材と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材とを備えていると、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができる。
また、皮材が、炉内側面を占有する内側ブロックと、内側ブロックと相対させられかつ炉外側面を占有する複数の外側ブロックとを備えており、複数の外側ブロックが、これらの双方間にスリットを形成する隙間をあけて炉外側面に沿う方向に並べられていると、複数の外側ブロックによってスリットを容易かつ確実に形成することができる。
また、芯材が、中央ブロックを備えており、内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面中央部の一方に嵌合凸部が、その他方に嵌合凹部がそれぞれ設けられており、嵌合凹部に中央ブロックを収容した状態で、嵌合凸部および嵌合凹部が嵌合されており、内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面の、嵌合凸部および嵌合凹部の外側の部分同士が当接させられてその当接部の所要部分が接合されていると、炉壁構成材を簡単に組み立てることができる。
また、炉内側面に発熱体の少なくとも一部が埋設されていることが好ましい。
発明の効果
この発明によれば、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができ、炉壁の熱変形による破損を防止し、長期間の使用を可能とする炉壁構成材が提供される。
発明を実施するための最良の形態
この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。
以下の説明において、図１に矢印Ｘで示す方向を前、これと反対側を後、矢印Ｙで示す方向を左、これと反対側を右、矢印Ｚで示す方向を上、これと反対側を下というものとする。
【００１７】
図１に組立前の炉壁構成材が、図２に組立後の炉壁構成材がそれぞれ示されている。
【００１８】
炉壁構成材は、断熱ブロック11を備えている。断熱ブロック11は、左右方向に長く、上下方向を厚みとする直方体状のもので、下面を炉内側面21とし、上面を炉外側面22とするものである。断熱ブロック11の左右方向長さ、前後方向幅、上下方向厚みは、例えば、３７５ｍｍ、２２５ｍｍ、１２５ｍｍである。
【００１９】
炉内側面21には複数の前後方向発熱体用溝23が左右方向に並んで形成されている。各発熱体用溝23には蛇行状発熱体素子24が各屈曲部を発熱体用溝23の両側面に埋め込むように装備されている。全ての発熱体素子24は直列に接続されている。左右両端の発熱体素子24には板状端子25が接続されている。端子25は、発熱体素子24の接続端から断熱ブロック11内を上向きにのびて、その上方に突出させられている。
【００２０】
炉外側面22にスリット31が形成されている。スリット31は、炉外側面22を横断して前後方向にのびている。スリット31の前後両端は、断熱ブロック11の前後両面の高さの中程まで達している。
【００２１】
断熱ブロック11は、高断熱性芯材41と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材42とを備えている。
【００２２】
芯材41は、中央ブロック51を備えている。中央ブロック51は、シリカエアロゲル等の微孔性材料を、上下方向を厚みとする薄平板状に成型したものである。中央ブロック51の前縁部と左右両縁部とが交わる角には、端子25の逃げとなる切欠52が形成されている。中央ブロック51の厚みは、例えば、２５ｍｍである。
【００２３】
皮材42は、炉内側面21を占有する内側ブロック61と、内側ブロック61と相対させられかつ炉外側面22を占有する左右２つの外側ブロック62とを備えている。
【００２４】
内側ブロック61は、セラミックファイバー等を、上下方向を厚みとする厚平板状に成型したものである。内側ブロック61の上面の外周部の内側には隆起状嵌合凸部63が設けられている。嵌合凸部63の先端は、平坦面であって、中央ブロック51の外径よりも大きく形成されている。嵌合凸部63の高さは、例えば、１０ｍｍである。
【００２５】
両外側ブロック62は、左右の向きは逆であるが、同一構造のものである。各外側ブロック62は、内側ブロック61を成型した材料と同じ材料によって、内側ブロック61よりもやや薄い上下方向を厚みとする厚平板状のものである。右側の外側ブロック62の下面には左方を開放した凹所64が設けられている。凹所64底壁の前右角には端子25を挿通させる長孔65が形成されている。左側の外側ブロック62の下面には右方を開放した凹所64が設けられている。両外側ブロック62は、スリット31を形成する隙間をあけて内側ブロック61の上面に左右方向に並べられている。両外側ブロック62の凹所64は連通させられて１つの嵌合凹部66を形成している。嵌合凹部66は、嵌合凸部63の周面にぴったしはめ被せられる形状をなしている。
【００２６】
中央ブロック51、内側ブロック61および外側ブロック62は、別々に成型されたものである。これを断熱ブロック11として組立てる手順は、以下の通りである。
【００２７】
内側ブロック61の嵌合凸部63より外側の部分は、方形枠状の面をなしているが、これが接合面となる。接合のためにはコーティングセメントを使用する。接合面の短辺には全体にコーティングセメントを塗布する。接合面の長辺には、その全体のうち、長辺の左右両端から、長辺の長さの１／４程度の部分にだけコーティングセメントを塗布する。接合面にコーティングセメントを塗布した部分にはハッチングを施している。
【００２８】
コーティングセメントを塗布すると、嵌合凸部63の先端上面に中央ブロック51をのせる。中央ブロック51の切欠52の底面が端子25を臨む形となる。そして、嵌合凸部63に２つの外側ブロック62の嵌合凹部66が嵌合されるように内側ブロック61の上に外側ブロック62をのせる。このときに、端子25は長孔65に通される。嵌合深さは、嵌合凸部63の高さである１０ｍｍである。コーティングセメントが固化すると、断熱ブロック11の組立作業が完了する。
【００２９】
図３を参照すると、断熱ブロック11が組立てられた状態で、２つの外側ブロック62の間にはスリット31が形成され、その幅Ｗは、例えば、５ｍｍである。また、中央ブロック51上面と嵌合凹部66底面との間には３ｍｍ程度の隙間C1が生じ、中央ブロック51周面と嵌合凹部66周面の間に２ｍｍ程度の隙間C2が生じている。これらの隙間C1、Ｃ2により、各ブロック51、61、62の熱収縮量の違いが吸収される。
【００３０】
以上で説明した炉壁構成材を用いて、図５に示す実験炉を作製し、温度測定実験を行った。炉壁構成材は、実験炉の側壁を構成している。図５における右側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の内側の温度を測定し、これを温度１とする。同じように、左側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の内側の温度を測定し、これを温度２とする。さらに、右側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の外側側の温度を測定し、これを温度３とする。試験結果を図６に示す。炉内温度を１１００℃まで上昇させると、温度１および温度２は、ともに約８００℃となり、温度３は約１８０℃となる。約６２０℃の温度差が生じる。
【００３１】
つぎに、内側ブロック61および外側ブロック62の材質として用いる通常のセラミックファイバー（１２６０℃級）および焼成バルクファイバーの熱収縮率を測定する実験を行った。焼成バルクファイバーとは、通常のセラミックファイバーを焼成して、結晶化させたものである。その実験結果を図７に示す。図７中、通常のセラミックファイバーは、「レギュラー」、焼成バルクファイバーは、「ＲＳＬ」と表示している。通常のセラミックファイバーと比較して、焼成バルクファイバーの収縮率は相当に小さい。例えば、発熱体の材質をカンタルＡ１とした場合、加熱炉として使用される最高温度は、１１００℃程度であるが、この温度以下では焼成バルクファイバーの収縮率は、１％以下である。したがって、焼成バルクファイバーを採用することは極めて有効であることが分かる。
【００３２】
さらに、収縮率の小さい断熱材として、ムライトファイバー等が知られている。これは、アルミナとシリカの化合物（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２〜２Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２ ）からなるファイバーであるが、これは、焼成バルクファイバーよりも収縮率がさらに小さく、ムライトファイバー等の採用も考慮される。
【００３３】
本実施形態の開示内容に限定されず、本発明の構成により、目的とする効果が発現できる限り、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明による炉壁構成材は、熱処理炉の炉壁を構成するために用いられることを達成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明のよる炉壁構成材の組立前の分解斜視図である。
【図２】同炉壁構成材の組立後の斜視図である。
【図３】同炉壁構成材の縦断面図である。
【図４】同炉壁構成材の内側面の方向から見た側面図である。
【図５】同炉壁構成材を用いた実験炉の断面図である。
【図６】実験炉による温度測定結果を示すグラフである。
【図７】同炉壁構成材の材料の熱収縮率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
11 断熱ブロック
21 炉内側面
22 炉外側面
31 スリット
41 芯材
42 皮材
61 内側ブロック
62 外側ブロック
【０００１】
この発明は、例えば、熱処理炉の炉壁を構成するために用いられる炉壁構成材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の炉壁構成材としては、炉内側面および炉外側面を有する断熱ブロックを備えており、断熱ブロックの全体が、セラミックファイバーによって形成されているものが知られている。
【０００３】
熱処理炉用の断熱材としては、一般的に、安価で熱伝導率の低いセラミックファイバー製のものが使用されている（例えば、１２６０℃級）。断熱材の厚み方向を貫通する熱放散（以下、シェルロスという）を削減するには、断熱材自体の厚みを増加させる事で対応されてきた。
【０００４】
しかし、省エネへの要求が大きくなるにつれ、一般のセラミックファイバーによって形成された断熱ブロックだけでの対応が困難になっている。
【０００５】
この問題を解決するため、上記炉壁構成材の改良タイプとして、断熱ブロックが、高断熱性芯材と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材とを備えており、皮材は、セラミックファイバーであるが、芯材が、シリカエアロゲル等の微孔性材料によって形成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この改良型の炉壁構成材を使用した熱処理炉では、芯材を境として、炉内側では高温になり、炉外側では低温になることによって、その温度差が大きく、これにより、セラミックファイバーの熱収縮率の差が生じ、炉壁が変形して、割れなどが発生し、破損する恐れがあった。
【特許文献１】
特開２０００−３５１６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができ、炉壁の熱変形による割れなどの破損を防止し、長期間の使用を可能とする炉壁構成材を提供することにある。
課題を解決するための手段
この発明による炉壁構成材は、セラミックファイバーによって形成され、炉内側面および炉外側面を有する断熱ブロックを備えており、炉外側面にスリットが形成されているものである。
この発明による炉壁構成材では、内外の温度差によって炉壁構成材が変形して破損するのを、スリットが効果的に防止する。したがって、炉壁の熱変形による破損を防止することができる。
さらに、断熱ブロックが、高断熱性芯材と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材とを備えていると、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができる。
また、皮材が、炉内側面を占有する内側ブロックと、内側ブロックと相対させられかつ炉外側面を占有する複数の外側ブロックとを備えており、複数の外側ブロックが、これらの双方間にスリットを形成する隙間をあけて炉外側面に沿う方向に並べられていると、複数の外側ブロックによってスリットを容易かつ確実に形成することができる。
また、芯材が、中央ブロックを備えており、内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面中央部の一方に嵌合凸部が、その他方に嵌合凹部がそれぞれ設けられており、嵌合凹部に中央ブロックを収容した状態で、嵌合凸部および嵌合凹部が嵌合されており、内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面の、嵌合凸部および嵌合凹部の外側の部分同士が当接させられてその当接部の所要部分が接合されていると、炉壁構成材を簡単に組み立てることができる。
また、炉内側面に発熱体の少なくとも一部が埋設されていることが好ましい。
発明の効果
この発明によれば、断熱材の厚みを増やさずにシェルロスを削減することができ、炉壁の熱変形による破損を防止し、長期間の使用を可能とする炉壁構成材が提供される。
発明を実施するための最良の形態
この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。
以下の説明において、図１に矢印Ｘで示す方向を前、これと反対側を後、矢印Ｙで示す方向を左、これと反対側を右、矢印Ｚで示す方向を上、これと反対側を下というものとする。
【００１７】
図１に組立前の炉壁構成材が、図２に組立後の炉壁構成材がそれぞれ示されている。
【００１８】
炉壁構成材は、断熱ブロック11を備えている。断熱ブロック11は、左右方向に長く、上下方向を厚みとする直方体状のもので、下面を炉内側面21とし、上面を炉外側面22とするものである。断熱ブロック11の左右方向長さ、前後方向幅、上下方向厚みは、例えば、３７５ｍｍ、２２５ｍｍ、１２５ｍｍである。
【００１９】
炉内側面21には複数の前後方向発熱体用溝23が左右方向に並んで形成されている。各発熱体用溝23には蛇行状発熱体素子24が各屈曲部を発熱体用溝23の両側面に埋め込むように装備されている。全ての発熱体素子24は直列に接続されている。左右両端の発熱体素子24には板状端子25が接続されている。端子25は、発熱体素子24の接続端から断熱ブロック11内を上向きにのびて、その上方に突出させられている。
【００２０】
炉外側面22にスリット31が形成されている。スリット31は、炉外側面22を横断して前後方向にのびている。スリット31の前後両端は、断熱ブロック11の前後両面の高さの中程まで達している。
【００２１】
断熱ブロック11は、高断熱性芯材41と、芯材を被覆している耐火断熱性皮材42とを備えている。
【００２２】
芯材41は、中央ブロック51を備えている。中央ブロック51は、シリカエアロゲル等の微孔性材料を、上下方向を厚みとする薄平板状に成型したものである。中央ブロック51の前縁部と左右両縁部とが交わる角には、端子25の逃げとなる切欠52が形成されている。中央ブロック51の厚みは、例えば、２５ｍｍである。
【００２３】
皮材42は、炉内側面21を占有する内側ブロック61と、内側ブロック61と相対させられかつ炉外側面22を占有する左右２つの外側ブロック62とを備えている。
【００２４】
内側ブロック61は、セラミックファイバー等を、上下方向を厚みとする厚平板状に成型したものである。内側ブロック61の上面の外周部の内側には隆起状嵌合凸部63が設けられている。嵌合凸部63の先端は、平坦面であって、中央ブロック51の外径よりも大きく形成されている。嵌合凸部63の高さは、例えば、１０ｍｍである。
【００２５】
両外側ブロック62は、左右の向きは逆であるが、同一構造のものである。各外側ブロック62は、内側ブロック61を成型した材料と同じ材料によって、内側ブロック61よりもやや薄い上下方向を厚みとする厚平板状のものである。右側の外側ブロック62の下面には左方を開放した凹所64が設けられている。凹所64底壁の前右角には端子25を挿通させる長孔65が形成されている。左側の外側ブロック62の下面には右方を開放した凹所64が設けられている。両外側ブロック62は、スリット31を形成する隙間をあけて内側ブロック61の上面に左右方向に並べられている。両外側ブロック62の凹所64は連通させられて１つの嵌合凹部66を形成している。嵌合凹部66は、嵌合凸部63の周面にぴったしはめ被せられる形状をなしている。
【００２６】
中央ブロック51、内側ブロック61および外側ブロック62は、別々に成型されたものである。これを断熱ブロック11として組立てる手順は、以下の通りである。
【００２７】
内側ブロック61の嵌合凸部63より外側の部分は、方形枠状の面をなしているが、これが接合面となる。接合のためにはコーティングセメントを使用する。接合面の短辺には全体にコーティングセメントを塗布する。接合面の長辺には、その全体のうち、長辺の左右両端から、長辺の長さの１／４程度の部分にだけコーティングセメントを塗布する。接合面にコーティングセメントを塗布した部分にはハッチングを施している。
【００２８】
コーティングセメントを塗布すると、嵌合凸部63の先端上面に中央ブロック51をのせる。中央ブロック51の切欠52の底面が端子25を臨む形となる。そして、嵌合凸部63に２つの外側ブロック62の嵌合凹部66が嵌合されるように内側ブロック61の上に外側ブロック62をのせる。このときに、端子25は長孔65に通される。嵌合深さは、嵌合凸部63の高さである１０ｍｍである。コーティングセメントが固化すると、断熱ブロック11の組立作業が完了する。
【００２９】
図３を参照すると、断熱ブロック11が組立てられた状態で、２つの外側ブロック62の間にはスリット31が形成され、その幅Ｗは、例えば、５ｍｍである。また、中央ブロック51上面と嵌合凹部66底面との間には３ｍｍ程度の隙間C1が生じ、中央ブロック51周面と嵌合凹部66周面の間に２ｍｍ程度の隙間C2が生じている。これらの隙間C1、Ｃ2により、各ブロック51、61、62の熱収縮量の違いが吸収される。
【００３０】
以上で説明した炉壁構成材を用いて、図５に示す実験炉を作製し、温度測定実験を行った。炉壁構成材は、実験炉の側壁を構成している。図５における右側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の内側の温度を測定し、これを温度１とする。同じように、左側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の内側の温度を測定し、これを温度２とする。さらに、右側の側壁を形成している断熱ブロック11の中央ブロック51の外側側の温度を測定し、これを温度３とする。試験結果を図６に示す。炉内温度を１１００℃まで上昇させると、温度１および温度２は、ともに約８００℃となり、温度３は約１８０℃となる。約６２０℃の温度差が生じる。
【００３１】
つぎに、内側ブロック61および外側ブロック62の材質として用いる通常のセラミックファイバー（１２６０℃級）および焼成バルクファイバーの熱収縮率を測定する実験を行った。焼成バルクファイバーとは、通常のセラミックファイバーを焼成して、結晶化させたものである。その実験結果を図７に示す。図７中、通常のセラミックファイバーは、「レギュラー」、焼成バルクファイバーは、「ＲＳＬ」と表示している。通常のセラミックファイバーと比較して、焼成バルクファイバーの収縮率は相当に小さい。例えば、発熱体の材質をカンタルＡ１とした場合、加熱炉として使用される最高温度は、１１００℃程度であるが、この温度以下では焼成バルクファイバーの収縮率は、１％以下である。したがって、焼成バルクファイバーを採用することは極めて有効であることが分かる。
【００３２】
さらに、収縮率の小さい断熱材として、ムライトファイバー等が知られている。これは、アルミナとシリカの化合物（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２〜２Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２ ）からなるファイバーであるが、これは、焼成バルクファイバーよりも収縮率がさらに小さく、ムライトファイバー等の採用も考慮される。
【００３３】
本実施形態の開示内容に限定されず、本発明の構成により、目的とする効果が発現できる限り、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
この発明による炉壁構成材は、熱処理炉の炉壁を構成するために用いられることを達成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明のよる炉壁構成材の組立前の分解斜視図である。
【図２】同炉壁構成材の組立後の斜視図である。
【図３】同炉壁構成材の縦断面図である。
【図４】同炉壁構成材の内側面の方向から見た側面図である。
【図５】同炉壁構成材を用いた実験炉の断面図である。
【図６】実験炉による温度測定結果を示すグラフである。
【図７】同炉壁構成材の材料の熱収縮率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
11 断熱ブロック
21 炉内側面
22 炉外側面
31 スリット
41 芯材
42 皮材
61 内側ブロック
62 外側ブロック
Claims (5)
- 高断熱性芯材と、
炉内側面を占有する内側ブロック、及び炉外側面を占有して前記内側ブロックとの間に、高断熱性芯材を覆う複数の外側ブロックを備える耐火断熱性皮材とを備え、
前記複数の外側ブロックは、これら隣り合うもの同士間に隙間をあけて配置されており、前記隙間を挟む両外側ブロックの対向縁部においてその一方の端部から他方の端部に亘り前記隙間によってスリットが形成されていることを特徴とする、炉壁構成材。 - 芯材が、中央ブロックを備えており、
内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面中央部の一方に嵌合凸部が、その他方に嵌合凹部がそれぞれ設けられており、嵌合凹部に中央ブロックを収容した状態で、嵌合凸部および嵌合凹部が嵌合されており、内側ブロックおよび複数の外側ブロックの対向面の、嵌合凸部および嵌合凹部の外側の部分同士が当接させられてその当接部の所要部分が接合されている請求項１に記載の炉壁構成材。 - 炉内側面に発熱体の少なくとも一部が埋設されている請求項１または２に記載の炉壁構成材。
- 高断熱性芯材、及び耐火断熱性皮材の少なくとも一方がセラミックファイバーによって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の炉壁構成材。
- 前記内側ブロックおよび外側ブロックが、焼成バルクファイバーによって形成されており、焼成バルクファイバーの収縮率が、１１００℃以下において、１％以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の炉壁構成材。
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