JP6411195B2 - ヒーターチューブ - Google Patents

Description

本発明は、浸漬ヒーターを保護するヒーターチューブに関するものである。

例えばアルミニウム、亜鉛、銅、鉛などの非鉄金属を溶融して保持する炉においては、熱効率の良さから溶融金属を内部から加熱する浸漬ヒーターが用いられており、その場合には、浸漬ヒーターを保護するために有底筒状のヒーターチューブが使用されている。

ヒーターチューブは、内部に浸漬ヒーターを収容した状態で溶融金属に浸漬され、浸漬ヒーターで発生した熱を外部の溶融金属に伝達する。よって、ヒーターチューブとしては、熱を効率よく溶融金属に伝達する熱伝導性が要求される。また、溶融金属の加熱時において、溶融金属の液面近傍では、ヒーターチューブの外周面に接する溶融金属が酸化して酸化物が生成され、この酸化物が溶融金属とともにヒーターチューブの外周面に固着する。この固着物とヒーターチューブとでは熱膨張率が大きく相違するため、ヒーターチューブを繰り返し加熱・冷却する時の温度変化に伴い、固着物が大きく収縮し、この収縮力によりヒーターチューブに亀裂を生じさせてヒーターチューブを破損させることで、ヒーターチューブの耐久性を低下させるという問題がある。加えて、溶融金属上に浮遊するスラグがヒーターチューブと反応してヒーターチューブの表面を浸食することで、ヒーターチューブの耐久性を低下させるという問題もある。そのため、従来のヒーターチューブとしては、耐熱性・耐食性に優れるとともに、耐酸化性に優れ、表面に酸化物などかなる固着物が固着、堆積するのを防止できる炭化珪素質セラミックスからなるものが用いられている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００２−０８８４５７号公報

しかし、ヒーターチューブは、上述したように、浸漬ヒーターからの熱を溶融金属により効率よく伝達できるのが好ましいが、単なる有底筒状の炭化珪素質セラミックスからなる浸漬ヒーターチューブでは、耐久性には優れているものの、熱伝導性の点においてさらに改良の余地がある。

本発明は、上記した問題に着目してなされたもので、高い熱伝導性及び耐久性を有するヒーターチューブを提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、溶融金属を内部から加熱する浸漬ヒーターを保護する有底筒状のヒーターチューブであって、上部に開口を有する筒状の胴部を備え、前記胴部は、前記開口側の上側胴部と底側の下側胴部とからなり、前記上側胴部は、炭化珪素を主成分とした材料により形成され、溶融金属中に浸漬した際に液面と接触するようにその高さが設定されており、前記下側胴部は、カーボンを主成分とした材料により形成され、外周面に軸方向に延びる凹状の溝部が周方向に沿って間隔をあけて複数設けられているヒーターチューブにより達成される。

上記構成のヒーターチューブにおいて、前記下側胴部は、前記溝部が設けられることで、前記溝部がない場合と比べて単位長さあたりの表面積が１．５倍〜２．５倍であることが好ましい。

また、前記溝部の軸方向と直交する方向の断面視形状が台形状であることが好ましい。

また、前記上側胴部の高さは前記胴部の高さに対する比率で３０％〜６０％であることが好ましい。

また、前記上側胴部の熱膨張率と前記下側胴部の熱膨張率との差が０．３％以下であることが好ましい。

本発明のヒーターチューブによれば、溶融金属中に浸漬される胴部の下側胴部が高い熱伝導性を有するので、内部に収容される浸漬ヒーターの熱を効率よく溶融金属に伝達することができる。さらに、溶融金属の液面にあたる胴部の上側胴部が優れた耐熱性、耐酸化性、耐食性を有するので、溶融金属の酸化物などの固着・堆積や溶融金属上に浮遊するスラグの浸食によりヒーターチューブが破損することを抑制できる。

本発明の一実施形態に係るヒーターチューブの斜視図である。 図１のヒーターチューブの正面図である。 図１のヒーターチューブの上面図である。 図１のヒーターチューブの底面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 溝部を拡大して示す断面図である。 ヒーターチューブの使用状態を示す概略図である。

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１〜図４は、本発明の一実施形態に係るヒーターチューブ１の外観構成を示し、図５及び図６は、ヒーターチューブ１の内部構成を示している。

このヒーターチューブ１は、図８に示すように、内部にガスバーナーや電熱式の発熱体などの浸漬ヒーター６を収容した状態で炉１０に貯留されるアルミニウム、亜鉛などの溶融した金属（溶融金属）Ｍ中に浸漬されることで、浸漬ヒーター６を保護するとともに、浸漬ヒーター６で発生した熱を外部の溶融金属Ｌに伝達するものである。なお、浸漬ヒーター６及びヒーターチューブ１を炉１０に固定する方法については、従来からある方法を用いることができるので、ここでは詳細な説明は省略する。また、浸漬ヒーター６としてガスバーナーを用いる場合には、ヒーターチューブ１内に、内管７を収容し、この内管の内部にガスバーナーを収容するようにしてもよい。

ヒーターチューブ１は、図１〜図４に示すように、底部２及び上部に開口４を有する有底筒状をなしており、底部２を下にして溶融金属Ｍ中に浸漬される。ヒーターチューブ１の上端部となる上部開口４の周縁には、外方に延出するフランジ部５が全周にわたって設けられている。

ヒーターチューブ１の胴部３は、上部開口４側の上側胴部３０と、上側胴部３０に接合された底部２側の下側胴部３１とからなる。上側胴部３０の高さｈ（上部開口４からの軸方向の長さ）は、ヒーターチューブ１を炉１０内の溶融金属Ｍに浸漬させた状態で、溶融金属Ｍの液面ｌが、上側胴部３０と接触する、つまりは、上側胴部３０及び下側胴部３１の接合部よりも上方に位置するような高さに設定されている。より具体的には、炉１０内の溶融金属Ｍの液面ｌの標準の高さ位置よりも下方に上側胴部３０及び下側胴部３１の接合部が位置している必要があるが、溶融金属Ｍの液面ｌの下方への変動に対応できる範囲で幅をもたせることが好ましく、上側胴部３０及び下側胴部３１の接合部が溶融金属Ｍの液面ｌの最低高さ位置よりも僅かでも下方に位置していればよい。上側胴部３０の高さｈの好ましい例としては、胴部３全体の高さＨに対する比率が３０％〜６０％であり、より好ましくは３０％〜４０％である。

上側胴部３０は、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とする材料で形成されており、優れた耐酸化性、耐熱性、物理的強度、スラグや溶融金属Ｍなどの化学的浸食に対する耐食性、熱伝導性などを有している。なお、主成分とは、材料中の含有量が最も多いこと（好ましくは、含有量が５５重量％を超えること）を意味する。上側胴部３０を形成する材料としては、炭化珪素以外に、例えば、ホウ化物、ＳｉＯ_２（例えばシリカや石英）、アルミナやムライトなどの金属酸化物、カーボン（例えば黒鉛やカーボンブラック）などを含むことができ、これにより、耐熱衝撃性（耐スポール性）、耐酸化性や熱伝導性などを向上させることができる。

下側胴部３１は、カーボン（例えば黒鉛やカーボンブラック）を主成分とする材料で形成されており、優れた熱伝導性、耐熱衝撃性（耐スポール性）などを有している。なお、主成分とは、材料中の含有量が最も多いこと（好ましくは、含有量が３０重量％を超えること）を意味する。下側胴部３１を形成する材料としては、カーボン以外に、例えば、炭化珪素、ホウ化物、ＳｉＯ_２（例えばシリカや石英）、アルミナやムライトなどの金属酸化物などを含むことができ、これにより、耐食性や耐熱性、物理的強度などを向上させることができる。なお、ヒーターチューブ１の底部２も、下側胴部３１と同材料で形成される。

なお、上側胴部３０と下側胴部３１とは、熱膨張率の差が小さいことが好ましい。上側胴部３０と下側胴部３１とで熱膨張率の差が大きいと、上側胴部３０及び下側胴部３１の接合部では、ヒーターチューブ１の繰り返しの加熱及び冷却に伴う応力を受けて亀裂などの損傷を生じやすい。よって、上側胴部３０と下側胴部３１との熱膨張率の差をできる限り小さくすることで、上側胴部３０及び下側胴部３１の接合部で亀裂などの損傷が生じることを防止できる。なお、上側胴部３０の熱膨張率と下側胴部３１の熱膨張率との差は、０．３％以下であることが好ましい。熱膨張率とは、温度変化に対して物質が膨張する割合であり、温度の上昇によって物体の体積が膨張する割合を示したものである。本実施形態では、常温から１０００℃までの間の変位が使用される。熱膨張率の測定は、例えば、ＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により測定することができる。

上述した上側胴部３０と下側胴部３１の組成としては以下の表１の例を好適にあげることができる。

下側胴部３１の外周面には、軸方向に延びる凹状の溝部３２が周方向に沿って間隔をあけて複数設けられている。下側胴部３１の外周面に溝部３２を形成すると、外周面が平滑である場合に比べて表面積が増大する。下側胴部３１は、ヒーターチューブ１を炉１０内の溶融金属Ｍに浸漬させた状態では、溶融金属Ｍの液面ｌ下に位置する。よって、下側胴部３１の表面積が増大して溶融金属Ｍと接触する接触面積が増大すれば、浸漬ヒーター６からの熱を溶融金属Ｍへ伝達する伝熱効率が向上し、溶融金属を効率よく加熱・保温することができる。なお、溝部３２は、必ずしも下側胴部３１の上端から下端の全長にわたって延びている必要はない。

溝部３２の形状は、特に限定されるものではなく、軸方向と直交する方向の断面視形状を種々の形状とすることができ、例えば、先の尖った或いは丸い山形状、正方形状や長方形状などの矩形状、多角形状、台形状、半円形状、半楕円形状などとすることができる。ただし、図７に示すように、溝部３２の両側面３２Ａが、下側胴部３１の外周側に向かうに連れて互いに離間する傾斜面に形成されているのが好ましい。これにより、溝部３２は、底面３２Ｂ側に向かうにしたがって漸次外形が小さくなるので、溝部３２に溶融金属Ｍや溶融金属Ｍの酸化物などが詰まったとしても、これを掻き取りやすく、容易に清掃することができる。なお、本実施形態では、溝部３２の断面視形状が台形状に形成されている。

溝部３２の深さｄは、特に限定されるものではないが、浅いと下側胴部３１の表面積の増大による伝熱効果がさほど向上せず、深いと下側胴部３１の伝熱効果が向上するが、隣接する溝部３２の間の凸部３３の高さが高くなって溝部３２（凸部３３）が破損しやすくなるという問題がある。また、溝部３２の間隔（凸部３３の横幅）Ｄ１は、大きいと下側胴部３１の伝熱効果がさほど向上せず、小さいと多数の溝部３２が形成されて下側胴部３１の伝熱効果が向上するが、その分、凸部３３が破損しやすくなるうえ、製造しにくいという問題がある。よって、溝部３２の深さｄや溝部３２の間隔（凸部３３の横幅）Ｄ１は、伝熱効果や溝部３２（凸部３３）の強度、製造上の都合を考慮して決定されることが好ましく、溝部３２の深さｄとしては５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、溝部３２の間隔（凸部３３の横幅）Ｄ１としては３ｍｍ〜１１ｍｍ程度であることが好ましい。また、溝部３２の横幅（開口幅）Ｄ２としては４ｍｍ〜１３ｍｍ程度であることが好ましい。これらの点を考慮すれば、下側胴部３１は、外周面に溝部３２が設けられることで、外周面に溝部３２がない平滑な場合と比べて、単位長さあたりの表面積が１．５倍〜２．５倍であることが好ましい。これにより、下側胴部３１の伝熱効果を良好に向上させたうえで下側胴部３１の耐久性を向上させることができる。なお、下側胴部３２の単位長さあたりの表面積とは、下側胴部３１の溝部３２が設けられている部分の単位長さあたりの表面積のことである。また、表面積とは、幾何学的な表面積のことであり、ミクロレベルの凹凸まで含まれる表面積ではなく、下側胴部３１及び溝部３２の形状から測定される数値により計算した表面積である。

上記構成のヒーターチューブ１は、例えば加圧成形法（例えば冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ））により製造することができる。まず、ヒーターチューブ１の内周面の形状に対応する金属製の芯型を、ヒーターチューブ１の外周面の形状に対応するフレキシブルで弾力性があるゴム製の型材より隙間を設けて被覆する。この型材は、ヒーターチューブ１の下側胴部３１の外周面に延びる溝部３２を形成するために、それに対応する成形用凸部（図示せず）を内側表面に有している。そして、芯型と型材との間の空間に、底部２及び下側胴部３１を形成するための材料及び上側胴部３０を形成するための材料を順次充填して積層状態とし、材料の上に金属製の芯型を被せて、高圧で成形した後、乾燥させ、高温（例えば１０００℃以上）で焼成して必要な強度を付与することで、ヒーターチューブ１が得られる。

上記構成のヒーターチューブ１では、炉１０に貯留された溶融金属Ｍに浸漬される胴部３の下側胴部３１が、優れた熱伝導性を有するカーボンを主成分とした材料で形成されているので、効率よく溶融金属Ｍを加熱・保温することができる。加えて、下側胴部３１の外周面には、軸方向に延びる溝部３２が周方向に沿って間隔をあけて複数設けられているので、外周面が平滑である場合に比べて表面積が増大することにより、伝熱効率が向上する。よって、さらに効率よく溶融金属Ｍを加熱・保温することができる。

また、ヒーターチューブ１が溶融金属Ｍに浸漬された際に、溶融金属Ｍの液面ｌがあたる胴部３の上側胴部３０が、優れた耐酸化性、耐熱性、スラグや溶融金属Ｍ（非鉄金属）などによる化学的浸食に対する耐食性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とする材料で形成されている。よって、溶融金属Ｍの加熱時において、溶融金属Ｍの液面ｌ近傍で、溶融金属Ｍが酸化して酸化物が生成されても、この酸化物がヒーターチューブの外周面に固着して堆積することを抑制できるうえ、溶融金属Ｍ上に浮遊するスラグがヒーターチューブ１と反応してヒーターチューブ１の表面を浸食することを抑制できる。その結果、ヒーターチューブ１が破損することを抑制でき、ヒーターチューブ１の耐久性を向上させることができる。

このように、本発明のヒーターチューブ１によれば、高い熱伝導性を実現できるとともに、耐久性も向上できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ヒーターチューブ１の外形が円筒状であるが、角筒状に形成することができる。また、ヒーターチューブ１を冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ）により、上側胴部３０と下側胴部３１（さらに底部２）とを一体に成形しているが、それぞれ別個に成形し、両者を接合することで形成してもよい。また、ヒーターチューブ１をその他の加圧成形法により成形してもよく、また、流し込み法により成形しても構わない。

１ ヒーターチューブ
２ 底部
３ 胴部
４ 上部開口
６ 浸漬ヒーター
３０ 上側胴部
３１ 下側胴部
３２ 溝部

Claims (4)

1. 溶融金属を内部から加熱する浸漬ヒーターを保護する有底筒状のヒーターチューブであって、
   上部に開口を有する筒状の胴部を備え、
   前記胴部は、前記開口側の上側胴部と底側の下側胴部とからなり、
   前記上側胴部は、炭化珪素を主成分とした材料により形成され、溶融金属中に浸漬した際に液面と接触するようにその高さが設定されており、
   前記下側胴部は、カーボンを主成分とした材料により形成され、外周面に軸方向に延びる凹状の溝部が周方向に沿って間隔をあけて複数設けられているヒーターチューブ。
2. 前記下側胴部は、前記溝部が設けられることで、前記溝部がない場合と比べて単位長さあたりの表面積が１．５倍〜２．５倍である請求項１に記載のヒーターチューブ。
3. 前記溝部の軸方向と直交する方向の断面視形状が台形状である請求項１又は２に記載のヒーターチューブ。
4. 前記上側胴部の高さは前記胴部の高さに対する比率で３０％〜６０％である請求項１〜３のいずれかに記載のヒーターチューブ。