JP6413794B2 - 加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼製造におけるスラブその他の鋼材、もしくは各種金属の加熱や熱処理に用いられる加熱炉に関するものである。

鉄鋼製造においては、例えば、熱延工程の前工程においてスラブを均一加熱や熱処理するために、従来から加熱炉や熱処理炉が用いられている。その炉壁には例えば特許文献１に示されるように、鉄皮の内側に耐火ブロックをスタッドで固定し、さらにその内面にセラミックファイバーブランケットを接着した構造が用いられてきた。

しかし、永年の使用により耐火ブロックに亀裂が発生し、次第に断熱性が低下することが避けられなかった。また、スラブの加熱は基本的には連続的に行われるものの、定期検査の際などには数日間運転を休止することがある。従来の炉壁は蓄熱性が乏しいため運転休止期間中に温度が急速に低下してしまい、運転開始時の昇温に日数がかるという問題があった。

また特許文献２に示されるように、鉄皮の内側に耐熱断熱層を構成し、その表面を金属板で覆った炉壁構造も提案されている。しかし、加熱炉の炉内は１３００℃以上の高温となるためにステンレス製金属板が劣化し易いうえ、長期使用の際には板が加熱⇔冷却で変形し、炉内に張り出し、最終的に割れを生じる可能性がある。定期検査の際などに変形した金属板に手を触れて怪我をする可能性があった。

実開昭５８−６８９４６号公報 特開２００４−２０５１６２号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、断熱性と蓄熱性に優れた炉壁構造を持つ加熱炉を提供することである。また本発明の他の目的は、施工性に優れた炉壁構造を持つ加熱炉を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、炉壁の少なくとも一部が、鉄皮の内側に、微細多孔構造を持つ断熱材からなる第１断熱層と、耐火物層と、微細多孔構造を持つ断熱材からなる第２断熱層と、耐火繊維からなる耐火層とを順次形成した炉壁構造であることを特徴とするものである。実施形態において用いられる微細多孔構造を持つ断熱材は、静止空気よりも低い熱伝導度を持つものである。また耐火物層の層厚を２００ｍｍ以上とし、蓄熱効果を持たせた。

好ましい実施形態においては、第２断熱層と耐火繊維からなる耐火層とが一体化された炉壁ブロックを、耐火物層の表面に施工した構造が採用される。この耐火繊維は、長尺のファイバーブランケットを炉壁の厚さ方向に繰り返し屈曲させた折り畳み構造体であることが好ましい更に、第２断熱層に屈曲が自在な断熱シートをブランケットと一緒に折り畳んだ機構も採用できる。
またこの炉壁ブロックが、第２断熱層側に保形用の硬質断熱ボードを備えたものであることが好ましい。これらの炉壁ブロックは、セラミックロッドによって鉄皮に固定される。

本発明の炉体は少なくともその一部に、耐火物層の両側面を、微細多孔構造を持つ断熱材からなる第１及び第２の断熱層で挟んだ炉壁構造を備える。この耐火物層の層厚を２００ｍｍ以上とし、２つの第１、第２断熱層を設けることにより、炉壁に蓄熱効果と断熱性とを持たせることができる。

また本発明では、第２断熱層の表面には耐火繊維からなる耐火層がさらに形成されている。従って断熱性と耐久性を更に向上させることができる。後述する実施形態のように、第２断熱層と耐火繊維からなる耐火層とが一体化された炉壁ブロックを耐火物層の表面にセラミックロッドにより固定する構造とすれば、施工性を高めることができる。

本発明の加熱炉の側壁の断面図である。 微細多孔構造を持つ断熱材のセル構造を示す模式図である。 炉壁ブロックの斜視図である。 炉体の側壁構造を示す断面図である。 炉体の天井構造を示す断面図である。 側壁の炉壁ブロックの断熱層と耐火層をあわせた構造を示す断面図である。

以下に本発明の実施形態を、鉄鋼製造におけるスラブの加熱炉を例に説明する。
図１は本発明の加熱炉の側壁の断面図であり、１は炉体の外郭を構成する鉄皮、２は鉄皮１の内側に位置する第１断熱層、３は断熱耐火物層、４は耐火物層、５は第２断熱層、６は耐火繊維からなる耐火層である。鉄皮１にはロッドホルダ７が溶接されており、セラミックロッド８の基端がこのロッドホルダ７に固定されている。

鉄皮１は炉体の外側に位置するもので、例えば厚さが６ｍｍの鋼板を使用することができる。なお鉄皮１の温度が１００℃以下では結露による鉄皮腐食のおそれがある。また３００℃以上となると青熱脆性により耐衝撃強度が低下するうえ、外部への放射熱量が増大する。このため、鉄皮１の温度は１５０〜２００℃程度に維持されるように、以下の断熱構造を設計するものとする。

第１断熱層２と第２断熱層５とは、ともに孔径が０.１μｍ以下の微細多孔構造を持つ断熱材の層である。この断熱材はシリカ６０〜６５％（質量％、以下同じ）、チタニア３０〜３５％、アルミナ２〜３％の化学組成を持ち、シリカ粒子によって図２に模式的に示されるような非常に微細なセル構造が形成されている。その孔径は０.１μｍ以下であって空気分子の平均自由工程よりも小さいため、内部で空気分子の移動が行われず、対流による熱移動が生じない。

このためこの断熱材は、静止空気の熱伝導率を下回る非常に低い熱伝導度を持つ。その具体的な数値を表１に示す。低温では空気分子の平均自由工程が短いため、静止空気の熱伝導率との差は小さいが、高温になると空気分子の平均自由工程が長くなるため、静止空気の熱伝導率との差が大きくなる。なおこの微細多孔構造を持つ断熱材は、プロマットジャパン株式会社から超断熱材の名称で市販されているものを用いることができる。

耐火物層４は比重の大きい耐火物からなり、その合計層厚を２００ｍｍ以上、好ましくは２００〜４００ｍｍとする。このように層厚を２００ｍｍ以上として熱容量を大きくするとともに、その両面を微細多孔構造を持つ断熱材からなる第１断熱層２と第２断熱層５とによってサンドイッチ状に挟むことにより、炉の休止期間中の放熱を抑制し、大きな蓄熱効果を持たせてある。このため２〜３日の運転休止期間中にも炉壁温度の低下は緩やかであり、運転再開時の昇温を従来よりも短期間で行うことができる。同時に耐火物への熱衝撃減少する方向となり、耐火物全体の寿命向上に寄与できる。本実施形態では断熱耐火物層３は、例えば層厚が５０ｍｍの断熱不定形耐火物であり、常用耐熱温度１０００℃〜１４００℃の耐熱性を有する断熱材で、常用温度１３００℃程度で耐熱性を発揮するものが好ましい。化学組成としてアルミナ−シリカを主成分として、アルミナを３０〜７０%含有し、吹きつけ、断熱ボード、ファイバー形態で用いられるが、吹きつけが施工上好ましい。耐火物層４は層厚が２００ｍｍの粘土を含有する耐火物である。尚、耐火物層４にはプラスチック耐火物、吹付け材、耐火キャスタブル、耐火れんがなどが使用されるが、施工上プラスチック耐火物が好ましい。

上記した第２断熱層５を構成する微細多孔構造を持つ断熱材の使用温度は、約１０００℃である。このため炉内温度が１３００℃の場合には炉内雰囲気と直接接触すると劣化するおそれがある。そこで第２断熱層５の炉内側には、耐火繊維からなる耐火層６が形成されている。本実施形態では、この耐火層６は２０％のシリカを含むアルミナ繊維である。本実施形態の耐火層６は図１に示すように、長尺のブランケットを炉壁の厚さ方向に繰り返し屈曲させた折り畳み構造体である。また施工性を考慮して、第２断熱層５と耐火繊維からなる耐火層６とは一体化されて炉壁ブロックを形成している。

この炉壁ブロックは図３に示すように、第２断熱層５の炉内側に形状保持用の硬質断熱ボード９を重ね、その表面に長尺のブランケットを屈曲させた折り畳み構造体を形成して耐火層６としたものである。ブランケットを炉壁の厚さ方向に屈曲させたことにより、大きな層厚を付与することができ、本実施形態では１２０ｍｍの層厚とした。

この炉壁ブロックは、施工前の段階では図３に示すように結束バンド１０によってやや圧縮された状態で結束されている。そのサイズは、本実施形態では縦横ともに３００〜５００ｍｍである。なお硬質断熱ボード９の性状は特に限定されるものではないが、本実施形態では、アルミナ−ジルコニア系のセラミック板を使用している。

この炉壁ブロックの中央部には図３に示すように全体を貫通する固定孔１１が形成されており、施工時にはセラミックロッド８をこの固定孔１１に挿入する。セラミックロッド８の炉内側端部には大径の固定板１２が設けられており、セラミックロッド８の他端を鉄皮１に溶接されたロッドホルダ７にねじ込み固定することによって、プラスチック耐火物層４の表面に固定される。

このように結束バンド１０で結束された状態のまま炉壁ブロックを炉壁に固定したうえで結束バンド１０を切断して取り外せば、折り畳み構造体はそれ自体の弾性によって膨張し、隣接する炉壁ブロックと密着する。これによって図４に示すように、隙間のない耐火層６を容易に形成することができる。

なお、図４に示す１３は断熱耐火物層３，耐火物層４の間に配置された耐火性のアンカーレンガであり、鉄皮１の内面にロッドホルダ７とともに固定しておき、断熱耐火物層３，耐火物層４のアンカーとして機能させるものである。

なお従来の炉壁構造では、セラミック断熱材をブロツク状に加工して炉壁の内面に取付けていたが長期使用に伴い、セラミックファイバー内の繊維硬化が進み、最終的にはセラミック断熱材が炉壁から脱落してしまう可能性がある。

これに対し、図１に示した本発明の構造によれば、炉壁ブロックは高温の炉内表面側でセラミックロッド８と固定板１２とによって支持されているので、仮に低温部において金属銅が析出した場合にも、炉壁ブロックが脱落するおそれがない。

図４は以上に説明した炉壁構造を持つ垂直な炉壁を示すが、図５に示すように炉体の天井部にも同様の炉壁構造を用いることができる。
図６は図１とは別の第２断熱層５の施工方法をしめす。特徴としては、第２断熱層５を長尺のブランケットからなる耐火層６と一緒に折り畳んだ構造であり、断熱面積が増えるために、断熱効率が向上する。

上記の炉壁構造は、加熱炉の予熱室、加熱室、均熱室の何れにも用いることができるが、炉内温度が低温の予熱室よりも炉内温度が高温となる加熱室や均熱室に使用すると、より大きな断熱効果、蓄熱効果を発揮させることができる。

以上に説明した実施形態では、加熱炉は鉄鋼製造におけるスラブの加熱炉であるが、本発明は鉄鋼製造やその他の金属製造の各種加熱炉、熱処理、焼鈍炉にも適用できることはいうまでもない。

１ 鉄皮
２ 第１断熱層
３ 断熱耐火物層
４ 耐火物層
５ 第２断熱層
６ 耐火層
７ ロッドホルダ
８ セラミックロッド
９ 硬質断熱ボード
１０ 結束バンド
１１ 固定孔
１２ 固定板
１３ アンカーレンガ

Claims (9)

1. 鉄皮の内側に、微細多孔構造を持つ断熱材からなる第１断熱層と、耐火物層と、微細多孔構造を持つ断熱材からなる第２断熱層と、耐火繊維からなる耐火層とを順次形成した炉壁構造を、炉壁の少なくとも一部に有することを特徴とする加熱炉。
2. 第２断熱層と耐火繊維からなる耐火層とが一体化された炉壁ブロックを、耐火物層の表面に施工したことを特徴とする請求項１記載の加熱炉。
3. 耐火繊維が、長尺のブランケットを炉壁の厚さ方向に繰り返し屈曲させた折り畳み構造体であることを特徴とする請求項２記載の加熱炉。
4. 炉壁ブロックが、第２断熱層側に保形用の硬質断熱ボードを備えたものであることを特徴とする請求項３記載の加熱炉。
5. 炉壁ブロックを、セラミックロッドによって鉄皮に固定したことを特徴とする請求項３記載の加熱炉。
6. 微細多孔構造を持つ断熱材が、静止空気よりも低い熱伝導度を持つものであることを特徴とする請求項１記載の加熱炉。
7. 第２断熱層を長尺のブランケットからなる耐火層と一緒に折り畳んだ構造であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項記載の加熱炉。
8. 耐火物層の層厚を２００〜４００ｍｍとし、蓄熱効果を持たせたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の加熱炉。
9. 耐火物層がプラスチック耐火物からなることを特徴とする請求項８記載の加熱炉。