JPH07807B2 - 焼なまし加熱炉用ラジアントチューブ - Google Patents

焼なまし加熱炉用ラジアントチューブ

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JPH07807B2
JPH07807B2 JP3344642A JP34464291A JPH07807B2 JP H07807 B2 JPH07807 B2 JP H07807B2 JP 3344642 A JP3344642 A JP 3344642A JP 34464291 A JP34464291 A JP 34464291A JP H07807 B2 JPH07807 B2 JP H07807B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃焼ガスの燃焼熱を用
いて、間接加熱によって熱処理を行う焼なまし加熱炉用
ラジアントチューブバーナのラジアントチューブに関す
るものであり、より詳しくは、高温酸化腐食が防止され
るラジアントチューブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】焼なまし加熱用のラジアントチューブバ
ーナの構成品であるラジアントチューブは、高温の燃焼
ガスに露出されているので、燃焼ガスの通るラジアント
チューブ内面が、高温酸化腐食によるラジアントチュー
ブの厚さの減少が著しく発生することによって、寿命の
短縮を招く。
【０００３】従来、上記のような高温酸化腐食を抑える
ため、母材の表面にＣｒ2 Ｏ3 保護酸化膜が設けられる
ように２０重量％のＣｒと、１０〜１３重量％のＮｉが
含まれているＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉの耐熱鋳造合金を用いた
ラジアントチューブが記載されている(J.J.Jones,"Deve
lopment in Heat resisting Ailoys for Petroshemical
Plant", Research and Development of High Temperat
ure Materials for Industry,Elsevier Applied Scienc
e,P.31,1989)。
【０００４】しかし、Ｃｒ2 Ｏ3 酸化物は、９００℃以
上の高温では、ＣｒＯ3 として蒸発してしまうので、Ｃ
ｒ2 Ｏ3 を高温の燃焼ガス雰囲気中に露出されるラジア
ントチューブ用材料の保護酸化被膜として利用するには
限界がある。
【０００５】上記のようなＣｒ2 Ｏ3 保護被膜が設けら
れるＦｅＣｒＡｌの合金が開発され、さらにＦｅＣｒＡ
ｌＸ合金のように、Ａｌ2 Ｏ3 酸化物の接着力を向上さ
せたのが開発されている（スウェーデン特許ＳＥ８７
４，８５９）。
【０００６】また、表面にＡｌ2 Ｏ3 保護被膜を持速的
に、形成させるように拡散被覆方法でＡｌを拡散させる
方法も利用している（米国特許ＵＳ３，７６２，８８
４）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ラジアント
チューブが、図１に示したような”Ｗ”字形の場合、図
１のバーナ１から燃焼し始めた燃焼ガスが、第１直管部
２を通るとき、燃焼ガスの流れが、チューブ内の壁面と
平行であるが、第１曲管部３を通るときは、曲管部内部
において、曲率半径の長い曲管部と、曲率半径の短い曲
管部でガス移動距離が異なっているし、それによる流速
の差が生じることにより、第２直管部４の先端では燃焼
ガスの流れが、それ以上チューブ内の壁面とは平行とな
っておらず、第２直管部４の先端に燃焼ガス炎が衝突す
る部分５が生じる。しかも、バーナ１に供給される燃料
ガスと空気比調節の不安定性によって、燃焼ガス炎の衝
突が、第１直管部２でも生じたりもする。
【０００８】このように、燃焼ガス炎の衝突が発生する
部分は、高温に晒されると共に、甚だしい熱疲労を受け
るようになり、チューブ内面に設けられたＣｒ2 Ｏ3 、
またはＡｌ2 Ｏ3 の保護被膜が破壊しやすくなることに
よって、高温酸化腐食による厚さの減少が相当進み、結
局、炎の衝突部分に穴が開いてしまうという問題点を有
している。
【０００９】したがって、酸化物保護被膜を利用して高
温耐食性を向上させる耐熱合金や保護被膜の形成能力を
一段と高めるために行う金属拡散被膜としては、燃焼ガ
ス炎の衝突による高温酸化腐食の防止には限界がある。
【００１０】そこで本発明の目的は、高温酸化腐食を防
止できる、より改善した焼なまし加熱炉用ラジアントチ
ューブを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記のような、本発明の
目的は、ラジアントチューブにおいて高温の燃焼ガス雰
囲気に露出されることによって、高温酸化腐食による厚
さの減少が急速に進むところをＡｌ拡散被覆処理し、燃
焼ガス炎の衝突が生じている部分にはセラミックス被覆
処理を行うことにより達成する。すなわち、本発明は、
間接加熱によって熱処理を行うラジアントチューブバー
ナのラジアントチューブにおいて、前記ラジアントチュ
ーブの高温酸化腐食雰囲気に接している部分の少なくと
もチューブ内面に、アルミニウム拡散被覆処理によって
形成されたアルミニウム拡散層と、該アルミニウム拡散
層の上に形成されたアルミナイド層とを有し、前記ラジ
アントチューブ内面の燃焼ガス炎の衝突が発生する部分
の前記アルミナイド層と前記アルミニウム拡散層とを除
去した部分に、プラズマ溶射被覆によって形成されたＭ
ＣｒＡｌＹ（ただし、式中ＭはＮｉ、ＦｅまたはＣｏを
表す）被覆層と、該ＭＣｒＡｌＹ（ただし、式中ＭはＮ
ｉ、ＦｅまたはＣｏを表す）被覆層上にセラミック被覆
層とを有し、前記アルミナイド層の表面と前記セラミッ
ク被覆層の表面が同一平面になるように設けられている
ことを特徴とする焼なまし加熱炉用ラジアントチューブ
である。
【００１２】
【作用】本発明によると、高温酸化腐食によって厚さの
減少が急速に進む第１直管部、第１曲管部、第２直管部
の少なくとも燃焼ガスの通るチューブ内面はＡｌ拡散被
覆処理によってアルミニウム拡散層と、その上にアルミ
ナイド層が形成され、燃焼ガス炎の衝突が生じる部分は
ＭＣｒＡｌＹ（ただし、式中ＭはＮｉ、ＦｅまたはＣｏ
を表す）被覆層による被覆後、該ＭＣｒＡｌＹ被覆層上
にセラミックスが被覆された曲げ形のラジアントチュー
ブが提供される。
【００１３】Ａｌ拡散被覆は、焼結防止剤のＡｌ2 Ｏ3
粉末とＡｌまたはＡｌ合金粉末、ＮＨ4 かＮＨ4 Ｆのよ
うな活性剤粉末が混ぜられた混合粉末中に、被処理ラジ
アントチューブを挿入して不活性、あるいは還元性の雰
囲気ガスを流し込みながら８００〜１１００℃の温度
で、熱処理することによって行われる。
【００１４】図２は、ラジアントチューブの母材４´の
表面、すなわち、チューブ内面と外面の両方をアルミニ
ウム拡散被覆によって設けられた（Ｎｉ，Ｆｅ）Ａｌか
らなるアルミナイド層９とＡｌ相互拡散層１０を示して
いる。
【００１５】ここで、アルミナイド層９とＡｌ相互拡散
層１０は、いずれもＡｌ拡散によって形成されているも
のであるが、その微細な組織構造に著しい差があるので
区別しており、アルミナイド層９は塩化セシウム型の結
晶構造であり、Ａｌ相互拡散層１０は体心立方型の結晶
構造で、フェライト層にアルミナイドが微細に析出され
ている状態である。
【００１６】このようなＡｌ拡散被覆層が母材４´の表
面に設けられると、該被覆層によって、９００℃以上の
高温でも安定したＡｌ2 Ｏ3 保護被膜を形成するに必要
なＡｌが、持続的に供給できるため、高温酸化腐食によ
る厚さの減少が低下されるだけでなく、高温腐食によっ
て生じたスケールが曲管部を通って、直管部の入り口に
積み重なること（以下、体積スケールという）を防ぐこ
とによって、体積スケールによる熱の遮断効果として発
生される上部への熱集積現象を防止できる。
【００１７】一方、Ａｌ拡散被覆は、ラジアントチュー
ブの内面だけで行うこともできる。また、本発明では上
記のように、金属材料だけとしては限界のある燃焼ガス
炎の衝突によるラジアントチューブの高温酸化腐食によ
る破損を防ぐため、プラズマ溶射セラミックス被覆を利
用した。
【００１８】プラズマ溶射法によるセラミックス被覆の
技術は、航空機用タービンの燃焼筒に用いられている
が、燃焼筒の内面にプラズマ溶射被覆法としてセラミッ
クスの断熱被覆を行うことによってエンジンの性能を大
幅に向上させている（特開昭６３−１１８，０５９、米
国特許ＵＳ６８６，４４９およびＵＳ４，８６１６１
８）。
【００１９】しかしながら、タービンの燃焼筒に行われ
ているセラミックスのプラズマ溶射被服は燃焼筒の全面
に亙って行うため、別に問題はないが、本発明に関わる
ラジアントチューブでは、部分的な燃焼ガス炎の衝突部
だけを部分的に被覆する場合、セラミックス被覆層が被
処理剤の表面から突き出されることによって、熱疲労の
負荷を受けると、被覆層の端から急に剥離する問題点を
有している。
【００２０】このような問題点は、図１の燃焼バーナ
１、第１直管部２、第１曲管部３、第２直管部４だけと
なる”Ｕ”字形のラジアントチューブでも生じる。
【００２１】したがって、本発明では、セラミックス被
覆層と母材の結合力を増大させるために、セラミックス
層を形成する前に、１次的にＭＣｒＡｌＹ被覆層を形成
させて、セラミックス被覆層が該被覆層の端から剥離さ
れることを防ぐために、被覆層の高さをラジアントチュ
ーブの内面と一致させる。
【００２２】これをより詳しく説明すれば、Ａｌ拡散被
覆されたラジアントチューブをプラズマ溶射による被覆
実施によって被覆すべきラジアントチューブの内部をＡ
ｌ粉末の噴射研磨を行い、この場合に研磨の深さはプラ
ズマ溶射被覆層がラジアントチューブの表面から突出さ
れず、Ａｌ拡散被覆層の高さとラジアントチューブ内面
と一致するように、すなわち、Ａｌ拡散被覆層の表面と
なるアルミナイド層表面とプラズマ溶射被覆によるセラ
ミックス被覆層の表面が同一平面となるように被覆を行
う。
【００２３】このように、Ａｌ粉末を利用して被覆すべ
き表面部分の前処理をすれば、機械的な結合によって、
被覆層の結合力を増加させるだけでなく、端から始まる
セラミックス被覆層の剥離が防げる。そして、噴射研磨
用のＡｌ粉末はＭＣｒＡｌＹ被覆粉末の粒度が１５０〜
１１０μｍであるものを使う。
【００２４】ＭＣｒＡｌＹ被覆は、１０〜９０μｍ粒度
のＭＣｒＡｌＹ粉末をプラズマ溶射として行い、ＭＣｒ
ＡｌＹ粉末を利用するにあたって、各元素の組成比率の
限定はしない。
【００２５】セラミックス被覆は、１０−７５μｍの粒
度分布のセラミックス粉末をプラズマ溶射によって実施
し、セラミックス粉末として、安定化剤であるＹ
2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等によって安定化されたＺｒＯ
2 を利用するが、各々安定化剤の組成比率を限定するわ
けではない。
【００２６】図１のように溶接によって曲管部とつなが
る溶接施行部６の近くに燃焼ガス炎の衝突部５が発生す
る場合、プラズマ溶射被覆を行う範囲は、プラズマ溶射
後、曲管部との溶接に支障がないように、図２のように
直管部先端８から始める曲管部との溶接施行部１３は、
プラズマ溶射の時、札をしてから行い、溶接施行部１３
の長さは、１０〜２０ｍｍとするのが望ましい。
【００２７】上記のように、高温酸化腐食によっての厚
さの減少が急速に起こるラジアントチューブの少なくと
も内面をＡｌ拡散被覆処理をすれば、高温の燃焼ガスに
よる高温酸化腐食を抑え、腐食スケールによる上部への
熱集積減少が防げる。燃焼ガス炎の衝突が生じる所に対
しては、Ａｌ粉末の噴射研磨を行った後、プラズマ溶射
によりＭＣｒＡｌＹ被覆とセラミックス被覆を行うこと
によって、燃焼ガス炎の衝突が生じてもセラミックス被
覆層の断熱効果によって、ラジアントチューブの温度が
低くなるだけでなく、熱疲労によるセラミックス被覆層
の剥離が抑えられることによって、ラジアントチューブ
の甚だしい高温酸化腐食によって発生される局部的な破
損を効果的に防げる。
【００２８】ここで、ＭＣｒＡｌＹ被覆層の厚さは１０
〜１００μｍとし、セラミックス層は５０〜２５０の厚
さで被覆するのが望ましい。
【００２９】本発明の一つの例である”Ｗ”字形の焼な
まし加熱炉用ラジアントチューブを製作する場合、図１
に示したように第１直管部２、第１曲管部３、第２直管
部４と第２曲管部７を溶接によって接合するが、この溶
接部６を施行する前に図２のように高温酸化腐食によっ
て厚さの減少が急に進むラジアントチューブの第１直管
部２、第１直管部３、第１曲管部３、第２直管部４の母
材の両表面（内面と外面）、あるいは内面にアルミナイ
ド層９とＡｌ相互拡散層１０を形成させて、燃焼ガス炎
の衝突が生じる部分５にＭＣｒＡｌＹ被覆層１１および
セラミックス被覆層１２を形成させるようになる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を実施例によって、より詳しく
説明する。
【００３１】実施例１次の表１の構成成分からなる被処
理金属材料を、厚さ４ｍｍ×横５０ｍｍ×縦５０ｍｍの
寸法として試験片を作製した。
【００３２】
【表１】
【００３３】（１）Ａｌ拡散被覆処理Ａｌ拡散被覆用の
混合粉末は、３％ＮＨ4 Ｃｌ、５％Ａｌ粉末、９２％Ａ
ｌ2 Ｏ3 粉末を混合して使用し、拡散熱処理はＡｒガス
雰囲気の炉内で９００℃で１０時間保持しながら行っ
た。
【００３４】（２）Ａｌ粉末噴射研磨処理上記のような
Ａｌ拡散被覆処理された試験片に対して、一部は、プラ
ズマ溶射処理の前にＡｌ2 Ｏ3 粉末噴射研磨処理を行っ
たが、プラズマ被覆層がラジアントチューブの表面から
突出されないように被処理試験片の両面を横４５ｍｍ×
縦４５ｍｍの面積の程、１２０μｍの深さまで、Ａｌ粉
末で噴射研磨処理した。
【００３５】Ａｌ2 Ｏ3 粉末の噴射研磨条件 Ａｌ2 Ｏ3 粉末の粒度：５００μｍ、 空気の圧力：５〜１０ｋｇ／ｃｍ２、 表面照度：Ｒｍａｘ６０。
【００３６】（３）プラズマ溶射被覆処理上記のＡｌ2
Ｏ3 粉末の噴射研磨処理の後、次のような条件として、
プラズマ溶射の被覆処理を行った。そして、プラズマ溶
射の時、Ａｌ2 Ｏ3 粉末で噴射研磨された部分だけが、
被覆されるように補助の札を使用した。
【００３７】プラズマ溶射の条件 プラズマガス：１次ガス Ａｒ，３５−４７ＳＬＰＭ(S
tandard Liter/Minute) ，５ｋｇ／ｃｍ２、粉末ガス：
Ａｒ，２．３−２．６ＳＬＰＭ，５ｋｇ／ｃｍ２ 供給速度 １０％ｒｐｍ、 溶射距離：１００−１２５ｍｍ、 余熱：５０−８０℃、 被覆の厚さ：１次被覆 ２０μｍ，２次被覆 １００μ
ｍ、溶射材料：溶射材料は表２に示した３種類を使っ
た。
【００３８】
【表２】
【００３９】実施例２Ａｌ拡散被覆処理しただけのもの
およびＡｌ拡散被覆後、それにプラズマ溶射被覆された
ものに対しての高温耐食性の試験を行った。
【００４０】（１）Ａｌ拡散被覆処理したものの高温耐
食性試験未被覆の試験片と被覆の試験片をＣＯＧ(Cokes
Oven Gas)と空気の比率が１：１．１の燃焼排ガス組成
の雰囲気の中で、１１００℃温度で４５分間保持した
後、室温で１５分間保持することを繰り返して、実験を
８５０回実施した後、試験前後の重量の変化から高温耐
食性を評価した。その結果を表３に示した。
【００４１】
【表３】
【００４２】表３からＡｌ拡散被覆のものの高温耐食性
が優れたことが分かるし、耐熱材料だけでは、防止しに
くい燃焼ガスによる高温酸化腐食を効果的に防げること
が分かる。
【００４３】（２）Ａｌ拡散被覆後、プラズマ溶射被覆
したものの高温耐食性試験 ＣＯＧと空気の比率を１：１．１として設けられた燃焼
ガス炎が、被覆された試験片表面と被覆されていない試
験片の表面に５００時間かけて垂直に衝突するように保
持した後、試験前後の重量の変化から高温耐食性を評価
した。結果を表４に示す。
【００４４】
【表４】
【００４５】表４からＡｌ拡散被覆処理されたものに、
被覆の厚さのため、Ａｌ2 Ｏ3 粉末の噴射研磨を行った
後、プラズマ溶射処理されたものは燃焼炎の衝突のと
き、受けた熱衝撃によって剥離されないことによって高
温酸化腐食を効果的に防ぐことが分かる。
【００４６】
【発明の効果】上述したように、本発明法によって製造
した焼なまし加熱炉用ラジアントチューブは、少なくと
もチューブ内面をＡｌ拡散被覆処理することによって高
温酸化腐食を抑えると共に、腐食堆積物の生成を防い
で、熱集積現象が防止できる。
【００４７】そして、プラズマ溶射被覆の前に行うＡｌ
2 Ｏ3 粉末の噴射研磨のとき、プラズマ被覆層がラジア
ントチューブ内面の面から突出されず、内面の高さと一
致するように、噴射研磨の深さの調節で、熱衝撃による
プラズマ溶射被覆の剥離が防げる。
【００４８】このような、プラズマ溶射法によって部分
的なＭＣｒＡｌＹおよびセラミックス被覆を採用して、
燃焼炎の衝突によって生じる局部的な破損を防止するこ
とによってラジアントチューブの寿命が向上される。
【００４９】一方、ラジアントチューブ用の合金開発と
しては防げない燃焼ガス炎の衝突で、局部的なラジアン
トチューブの破損を部分的なプラズマ溶射被覆によって
効果的に防げるため、経済的に高温腐食性の優れたラジ
アントチューブが製造できる。
【００５０】そして、本発明は、被金属材料の組成と化
学成分に影響されず、優れた耐食性の効果がある発明で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、Ｗ字形のラジアントチューブを示し
た概略図である。
【図２】 図２は、図１中のＡ−Ａ´線の断面拡大図
で、第２直管部の燃焼ガス炎の衝突が生じるチューブの
部分を示す。
【符号の説明】
１…燃焼ガスバーナ、 ２…第１直管部、 ３…第１曲管部、 ４…第２直管部、 ５…燃焼ガス炎の衝突部、 ９…アルミナイド層、 １０…Ａｌ相互拡散層、 １１…ＭＣｒＡｌＹ被
覆層、 １２…セラミックス被覆層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジン ファ ソン 大韓民国キョンサンブクード、ポハンシテ ィ、サンドドン630ビョンジ、ヒョンリム アパート205ホ (72)発明者 ビョン グン サン 大韓民国キョンサンブクード、ポハンシテ ィ、ジコクドン、インファアパート27ドン 207ホ (72)発明者 スン ヨン ファン 大韓民国ソウルシティ、ガンボング、ミョ ンイルドン、サンイクグリンアパート508 ドン1606ホ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 間接加熱によって熱処理を行うラジアン
    トチューブバーナのラジアントチューブにおいて、前記
    ラジアントチューブの高温酸化腐食雰囲気に接している
    部分の少なくともチューブ内面に、アルミニウム拡散被
    覆処理によって形成されたアルミニウム拡散層と、該ア
    ルミニウム拡散層の上に形成されたアルミナイド層とを
    有し、前記ラジアントチューブ内面の燃焼ガス炎の衝突
    が発生する部分の前記アルミナイド層と前記アルミニウ
    ム拡散層とを除去した部分に、プラズマ溶射被覆によっ
    て形成されたＭＣｒＡｌＹ（ただし、式中ＭはＮｉ、Ｆ
    ｅまたはＣｏを表す）被覆層と、該ＭＣｒＡｌＹ（ただ
    し、式中ＭはＮｉ、ＦｅまたはＣｏを表す）被覆層上に
    セラミック被覆層とを有し、前記アルミナイド層の表面
    と前記セラミック被覆層の表面が同一平面になるように
    設けられていることを特徴とする焼なまし加熱炉用ラジ
    アントチューブ。
  2. 【請求項２】 アルミナイド層が（Ｎｉ，Ｆｅ）Ａｌか
    らなることを特徴とする請求項１に記載の焼なまし加熱
    炉用ラジアントチューブ。
  3. 【請求項３】 前記ＭＣｒＡｌＹ（ただし、式中ＭはＮ
    ｉ、ＦｅまたはＣｏを表す）被覆層の厚さが、１０〜１
    ００μｍあり、前記セラミック被覆層の厚さが、５０〜
    ２５０μｍあることを特徴とする請求項１または請求項
    ２に記載の焼なまし加熱炉用ラジアントチューブ。
  4. 【請求項４】 ラジアントチューブが、Ｕ字形またはＷ
    字形であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいず
    れか一つに記載の焼なまし加熱炉用ラジアントチュー
    ブ。
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