JPH08278002A - ラジアントチューブの取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱炉に用いるラジアントチューブの軸方向
および高さ方向の熱膨張を自由にして、安定性に優れ、
長寿命化を可能とする取付構造を提供する。 【構成】 Ｗ型又はＵ型のラジアントチューブの排ガス
側をバンク１４に固定し、このラジアントチューブのバ
ーナー側直管３の下部を、バンクに取り付けたバネ３４
を介した台座３５によって支えるとともに、バーナー側
端部はバンク１４より間隙をあけて炉外へ貫通させ、バ
ンクとバーナー側端部の間に伸縮自在な炉内ガスシール
用のベローズ３２を取り付けたラジアントチューブの取
付構造である。 【効果】 チューブ取り付け部品の破損を防止して支持
の安定化と長寿命化を達成でき、安定した操業とメンテ
ナンス費用の節減を図り得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続焼鈍炉、連続亜鉛
メッキなどの加熱炉に用いられるＷ型又はＵ型のラジア
ントチューブの取付構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の典型的なＷ型ラジアントチューブ
の構造を図９に示す。ラジアントチューブ１は、炉内に
酸素が侵入するのを防止するため、バーナー１７側の端
部２，およびレキュペレータ１８側の端部１０はともに
バンク１４に溶接され、さらにバンク１４は、炉壁１５
に溶接されそれぞれ固定されている。

【０００３】また炉内においては、第３ベンド８の先端
の支持受け部１３は、バーナーとは反対側の炉壁からの
支持治具１６によって支えられており、さらに第１ベン
ド４あるいは第２直管５の下部と、第３ベンド８あるい
は第３直管７の上部との間にサドル１１が、また第２ベ
ンド６あるいは第３直管７と第４直管９の間にサドル１
２が設けられている。

【０００４】ところで、ラジアントチューブは高温加熱
により、熱膨張に対して上述した支持及び取り付け構造
による拘束を受け、熱応力と変形が発生し、長期間の使
用によるチューブ材質の強度劣化に伴い、亀裂や板に接
触するような変形が発生して使用不能となるので、その
都度取り替える必要がある。

【０００５】この熱応力と変形について図１０及び図１
１により詳しく説明する。ラジアントチューブへの熱負
荷状態として、炉昇温時と通常操業時の２つを考える。

【０００６】図１０は常温から通常操業状態までの炉昇
温時の状態を示す。バーナー１７の燃焼により、第１直
管３の温度は急激に上昇し、第１ベンド４以降の部分と
の温度差が大きく開く。この温度差は、第１直管３と第
４直管９では瞬時的には数１００℃に達することがあ
る。

【０００７】この場合、第１直管３は急激に軸方向１９
に熱膨張を始める。例えば、ラジアントチューブの第１
直管から第４直管に到る各直管の代表温度を６００℃，
４００℃，３００℃，２００℃，長さを２０００ｍｍ，
１６００ｍｍ，１６００ｍｍ，２０００ｍｍとし、チュ
ーブの線膨張率を１７×１０^-6と仮定すると、レキュペ
レータ側端部１０が固定されている場合のバーナー側端
部２は、炉外側へ約１１ｍｍ移動しようとする。

【０００８】この熱膨張に対して、バーナー側端部２が
バンク１４に固定されている場合、バンクと第１ベンド
４以降との間で熱膨張の拘束を受けるため、第１直管３
には大きな圧縮力２１が発生し、ベンド部によって曲げ
モーメント２２が発生する。この結果、第１直管に大き
な応力が発生する。

【０００９】またサドル１１による変形拘束により、第
１ベンド４には大きな曲げモーメント２３が発生する。
これによってベンド部側面に応力集中が発生し、またサ
ドルの上部は大きな力を受ける。

【００１０】通常炉修のため、定期的に炉の昇降温を繰
り返すが、材質の経年劣化や酸化減肉，さらに熱疲労の
蓄積や、スケールの発生等による温度偏差が加わり、前
述の大きな応力発生時に第１直管バーナー側に亀裂２４
が、あるいは第１ベンド側面に亀裂２５が発生する。

【００１１】図１１は通常の操業時の状態を示す。炉内
の温度は９００℃付近に達し、またラジアントチューブ
１の温度は、それより数１０℃以上高くなる。この時バ
ンク１４の温度は、通常１００℃から２００℃であるの
に対し、炉内のラジアントチューブ１は９５０℃を越え
る高温であるため、第３ベンド８の先端の炉壁の支持治
具１６を起点とし、第３ベンド８，サドル１１，第１ベ
ンド４に到る高さ方向２０の熱膨張により、第１直管３
の先端部はかなり上向きの変形を余儀無くされる。

【００１２】例えば、第１直管と第４直管の軸芯間距離
が９００ｍｍのラジアントチューブの場合、バンクの温
度を１５０℃，炉内のラジアントチューブの温度を９５
０℃，ラジアントチューブの熱膨張率を１７×１０^-6と
仮定すると、バンク部分の垂直方向伸びは約２．３ｍ
ｍ，先端部分の垂直方向伸びは約１４．５ｍｍであり、
１０ｍｍ以上の差がある。

【００１３】以上の結果及びサドル１１による変形拘束
のため、第１直管にきわめて大きな曲げモーメント２６
が発生するとともに、第１ベンド３にも大きな曲げモー
メント２７が発生する。これによりベンド部側面に応力
集中が発生し、またサドル上部は大きな力を受ける。

【００１４】この時、各直管の軸方向１９の熱膨張差は
小さく昇温時ほど問題にならない。ラジアントチューブ
は高温にさらされている時間が長く、前述の応力，さら
には自重の影響によりクリープ変形し、また材質の経年
劣化や酸化減肉、さらにはスケールの発生等による温度
偏差が加わり、図１０の２４と同様の第１直管の亀裂２
８，あるいは第１ベンド下の座屈２９と、これによるチ
ューブの断面剛性の極端な低下が第２直管の座屈３０に
つながり、ラジアントチューブの使用寿命末期に到る。

【００１５】以上のように、ラジアントチューブ，特に
第１直管及び第１ベンドは、炉壁からの支持部，チュー
ブ間のサドル，チューブ自身の剛性によって拘束を受
け、昇温時には軸力と曲げモーメントの、また通常操業
時には曲げモーメントの作用を大きく受ける。従って拘
束力を緩和することが、ラジアントチューブの寿命を延
ばすことになる。

【００１６】この拘束を緩和する手段として、バーナー
側端部を炉壁部分にベローズを介してしゅう動可能に取
付ける構造が特開平０５−２７２７０８号公報，ならび
に実開平０１−３８４１５号公報に開示されている。

【００１７】特開平０５−２７２７０８号公報では、バ
ーナー側端部にバーナー側直管の軸方向伸びを吸収する
ベローズを取り付けた構造を示している。また実開平０
１−３８４１５号公報では、チューブの片端部をバンク
には固定せず、チューブの軸方向ならびに高さ方向の熱
膨張が自由となるように間隙を設け、また酸素が炉内に
侵入しないように、チューブとバンクとの間にベローズ
を設けて炉内をシールするとともに、バーナー及びチュ
ーブ自重の一部を、バーナーとレキュペレータの間に取
り付けたベローズと併設したバネで支えるようにしたも
のである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平０
５−２７２７０８号公報の構造では、チューブに生じる
垂直方向の伸びを吸収することはできない。また実開平
０１−３８４１５号公報の構造では、チューブは基本的
にレキュペレータ側端部と第３ベンド先端と炉壁間の支
持装置で支持されているだけであり、バネならびにバー
ナーを介した第１直管の支持は不安定である。

【００１９】従って、チューブの傾動等によってベロー
ズに大きな変位がかかり、また、チューブの上方への変
位によっては第１ベンドにバーナーや第１直管の自重が
負荷され、クリープ変形が進展する。

【００２０】本発明は上記の課題を解決するために提案
されたものであり、チューブの軸方向および高さ方向の
熱膨張を自由にして、チューブに発生する亀裂や変形を
低減するとともに、バーナーやチューブの自重も受ける
構造により、安定性に優れ、長寿命化を可能にするラジ
アントチューブの取付構造を提供するものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｗ型又はＵ型
のラジアントチューブの排ガス側をバンクに固定し、該
ラジアントチューブのバーナー側直管の下部を、バンク
に取り付けたバネを介した台座によって支えるととも
に、バーナー側端部はバンクより間隙をあけて炉外へ貫
通させ、バンクと該バーナー側端部の間に伸縮自在な炉
内ガスシール用のベローズを取り付けたことを特徴とす
るラジアントチューブの取付構造である。

【００２２】

【作用】本発明の作用について、以下に説明する。

【００２３】図１は本発明の構造例を示す図面である。
図示のようにラジアントチューブ１のレキュペレータ１
８側端部１０はバンク１４に溶接され、一方バーナー１
７側端部は、バンク１４より間隙３１をあけて炉外へ貫
通させ、バンクと後述するバネ固定用治具３３との間に
伸縮自在なシールを目的としたベローズ３２を取り付け
る。

【００２４】なお、炉内の支持構造は従来と相違なく、
即ち、第３ベンド８の先端の支持受け部１３は、バーナ
ーとは反対側の炉壁からの支持治具１６によって支えら
れており、さらに第１ベンド４あるいは第２直管５の下
部と、第３ベンド８あるいは第３直管７の上部との間に
サドル１１が、また第２ベンド６あるいは第３直間７と
第４直管９の間にサドル１２が設けられている。バーナ
ー側直管下部は、バンク１４に取り付けたバネ固定用治
具３３に取り付けられた、バネ３４ならびにバネ上の台
座３５により支えられている。

【００２５】図２はバネを用いた取付構造の詳細図であ
る。バネ３４は、バンク１４に取り付けた固定用治具３
３に固定されており、バネ３４は台座３５を介して第１
直管を下から支える構造となっている。

【００２６】図中位置Ａは、ラジアントチューブが取り
付けられていない状態での台座の位置であり、バネには
圧縮力がかかっていない。位置Ｃはラジアントチューブ
が取り付けられた初期の台座の位置であり、バネには初
期の変位が与えられており台座に対して第１直管３に対
して押し上げ力が発生している。

【００２７】ラジアントチューブ昇温時には、第１直管
３の軸方向に熱膨張３７が生じ、チューブは台座の上を
スライドする。この時点では第１直管３の垂直方向の変
位は顕著でなく、チューブは台座との摩擦に打ち勝つ必
要がある。通常第１直管のバーナー側を固定した場合、
バンクが受ける力は２〜３ｔｏｎ程度に達するので、摩
擦力を越えた力であり問題はない。以上のように水平方
向ならびに垂直方向に変形が自由であり、かつバーナー
やチューブの一部の自重を常に受けるような構造が実現
できる。

【００２８】通常操業時には、熱膨張によって第１直管
に上向きの変位３６が生じ、バネは圧縮力が開放される
方向に伸び、台座３５は第１直管の変位に追従して上昇
する。位置Ｂは、稼働後の上向きの最大変位時を示して
おり、この位置においてもバーナーやチューブの一部の
自重を受けるように、無負荷時の位置Ａより圧縮力がか
かった状態になるようにバネ設計しておく必要がある。

【００２９】次に図３を用いて、実際の設計手順につい
て説明する。ここでバネの初期の長さをＬ_A ，上向き最
大変位時のバネの長さをＬ_B ，昇温前取り付け初期のバ
ネの長さをＬ_C を仮定する。

【００３０】前記Ｌ_A ，Ｌ_B ，Ｌ_C は、取り付け初期か
らの熱膨張による上向きの変位δ_BCが最大変位を満足す
るとともに、最大変位時にも台座に押し上げ力がかかる
必要がある。即ち下記（１），（２）式が成り立つ必要
がある。

【００３１】

【数１】 Ｌ_A ≧Ｌ_B ≧Ｌ_C …………（１）

【００３２】

【数２】 δ_BC＝Ｌ_B −Ｌ_C …………（２）

【００３３】一例として、δ_BCは下記（３）式で決定す
ればよい。

【００３４】

【数３】 δ_BC＝Ｈ・α・（Ｔ_T −Ｔ_R ） …………（３）

【００３５】ここで、Ｈは第１直管と第４直管の軸芯間
距離，αはチューブ材質の線膨張率，Ｔ_T はチューブ平
均温度，Ｔ_R は昇温前のチューブ温度である。

【００３６】次に、上向き最大変位時の台座による第１
直管の押し上げ力Ｆ_B を仮定する。Ｆ_B は最大変位時に
おいても台座の押し上げ力はバーナー自重及びチューブ
の自重の一部を支える必要がある。一例として下記
（４）式で決めればよい。

【００３７】

【数４】 Ｆ_B ＝Ｗ_V ＋Ｗ_T …………（４）

【００３８】ここで、Ｗ_V はバーナーの自重，Ｗ_T は第
１直管の自重である。

【００３９】前記の仮定により、最大熱負荷時のバネに
発生する力は（５）式となり、従って必要なバネ剛性は
（６）式で決定できる。

【００４０】

【数５】 Ｆ_B ＝Ｋ・（Ｌ_A −Ｌ_B ） …………（５）

【００４１】

【数６】 Ｋ ＝Ｆ_B ／（Ｌ_A −Ｌ_B ） …………（６）

【００４２】前記（６）式で決定されたバネには、ラジ
アントチューブがバンクに取り付けられた時点Ｃでは、
下記（７）式で定まる圧縮力が作用する。

【００４３】

【数７】 Ｆ_C ＝Ｋ・（Ｌ_A −Ｌ_C ） …………（７）

【００４４】この初期トルク負荷時の押し上げ荷重Ｆ_C
は必然的にＦ_B より高くなるが、極力小さくする必要が
ある。一例として下記（８）式の制約内で考えるとよ
い。

【００４５】

【数８】 Ｆ_C ＜２×Ｆ_B …………（８）

【００４６】以上の制約条件を満足するようにバネの仕
様を決定する。なお、本バネによってラジアントチュー
ブ本体が受ける力は、バーナー重量とラジアントチュー
ブの自重の一部を差し引いた大きさとなる。

【００４７】バーナー側のベローズ３２は、単にシール
のみを目的にすればよく、また変形は、長手方向で約２
０ｍｍ，高さ方向で約１５ｍｍ変動できればよく、容易
に一般的なシール兼用のベローズを用いることができ、
なおかつ、メンテナンス性は非常によい。

【００４８】

【実施例】本発明の実施例を図１，及びその要部拡大詳
細図を図４に示す。

【００４９】ラジアントチューブは連続焼鈍炉に用いる
もので、第１直管及び第４直管の長さは２５００ｍｍ，
第２直管及び第３直管は１６５０ｍｍである。各直管の
軸芯間距離はそれぞれ３００ｍｍである。外径，内径は
それぞれ１９４ｍｍと１７７ｍｍ，材質はＪＩＳ Ｇ５
１２２・ＳＣＨ２２である。

【００５０】バネを用いた支持構造は、図４（ａ），
（ｂ）に示すようにバネ２本３４ａ，３４ｂを用いた構
造とした。最大熱負荷時の垂直方向の最大変位δ_BCと台
座の押し上げ力Ｆ_B （図３）を１２ｍｍおよび１５０ｋ
ｇ（バネ１本当たりは７５ｋｇ）とすると、バネ剛性は
６．２５ｋｇ／ｍｍ² となり、無負荷状態からラジアン
トチューブ初期取り付け位置までの変位は２４ｍｍ，そ
の時の台座の押し上げ力は３００ｋｇ（バネ１本当たり
１５０ｋｇ）となる。

【００５１】バネ材質の横弾性係数を８０００ｋｇ／ｍ
ｍ² として、ＪＩＳ Ｂ２７０４の円筒コイルバネ設計
基準に基づいて設計すると、一例としてバネコイル径７
０ｍｍの場合、バネ直径は１４ｍｍ，バネ巻き数は１５
となる。なおバネに発生する剪断応力は、初期に１４ｋ
ｇ／ｍｍ² ，最大熱負荷時に７ｋｇ／ｍｍ² となり、強
度的に問題はない。

【００５２】本構造によるラジアントチューブを、図９
に示す従来構造のラジアントチューブとともに製作し、
燃焼テストを行った。燃焼テストで得られたラジアント
チューブの温度からチューブに発生する軸力と曲げモー
メントを試算した結果を図５及び図６に示し、また最大
熱負荷時の第１直管の垂直方向の変位の実測値を図７に
示す。

【００５３】これらの図より、本発明による取り付け構
造の場合、軸力と曲げモーメントともに大幅に低減して
いること、及び第１直管が全体的に平行移動しており、
曲げ変形が小さくなっているのが判る。

【００５４】図８は本発明の他の実施例を示し、空間的
に余裕がなければ、バネを支える治具３３，バネ３４，
台座３５をバンクの内側に配置できる。この場合、耐火
物によって保護されるため、異常な温度上昇はない。

【００５５】本発明によるラジアントチューブを実炉に
入れて６年を経過するが、異常なく稼働している。従来
構造は平均的に３〜４年であり、長寿命化が実現でき
た。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ラジアン
トチューブのバーナー側直管の下部をバネを介した台座
によって支え、またバーナー側端部はバンクより炉外へ
貫通させてバンクとの間に伸縮自在なシール用のベロー
ズを取り付けた取付構造とすることにより、熱歪みや熱
膨張によりチューブに発生する亀裂や変形を低減すると
ともに、チューブの取り付け部品の破損を防止し、ラジ
アントチューブ支持の安定化と長寿命化を図ることがで
き、安定した操業が維持され、またメンテナンス費用が
節減できる等、優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であり、取付構造例を示す側
断面図である。

【図２】本発明の取付構造の作用を説明する図面であ
る。

【図３】本発明の設計方法を説明する図面である。

【図４】図１に示す実施例の要部詳細図であり、（ａ）
は側断面図，（ｂ）は正面図である。

【図５】チューブに発生する軸力の試算結果を示す図面
である。

【図６】チューブに発生する曲げモーメントの試算結果
を示す図面である。

【図７】燃焼テストにおける第１直管の変位測定結果を
示した図面である。

【図８】本発明の他の実施例の要部詳細図であり、
（ａ）は側断面図，（ｂ）は正面図である。

【図９】従来の一般的なＷ型ラジアントチューブの構造
を示す側断面図である。

【図１０】従来のラジアントチューブの昇温時における
変形及び損傷形態を説明する図面である。

【図１１】従来のラジアントチューブの通常操業時にお
ける変形及び損傷形態を説明する図面である。

【符号の説明】

１ ラジアントチューブ ２ ラジアントチューブのバーナー側端部 ３ 第１直管 ４ 第１ベンド ５ 第２直管 ６ 第２ベンド ７ 第３直管 ８ 第３ベンド ９ 第４直管 １０ ラジアントチューブのレキュペレータ側端部 １１ ラジアントチューブ間サドル １２ ラジアントチューブ間サドル １３ 第３ベンド先端支持受け部 １４ バンク １５ 加熱炉炉壁 １６ 炉壁支持治具 １７ バーナー １８ レキュペレータ １９ 軸方向（水平方向） ２０ 高さ方向（垂直方向） ２１ 第１直管軸方向力 ２２ 第１直管曲げモーメント（昇温時） ２３ 第１ベンド曲げモーメント（昇温時） ２４ 第１ベンド亀裂（例） ２５ 第１ベンド下部座屈（昇温時） ２６ 第１直管曲げモーメント（通常操業時） ２７ 第１ベンド曲げモーメント（通常操業時） ２８ 第１直管亀裂（通常操業時） ２９ 第１ベンド下部座屈（通常操業時） ３０ 第２直管座屈 ３１ バーナー側間隙 ３２ 炉内ガスシール用ベローズ ３３ バンク側バネ取り付け治具 ３４ バネ ３５ 台座 ３６ 第１直管垂直変位方向 ３７ 第１直管水平変位方向 ３８ バンクに取り付けた耐火物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｗ型又はＵ型のラジアントチューブの排
   ガス側をバンクに固定し、該ラジアントチューブのバー
   ナー側直管の下部を、バンクに取り付けたバネを介した
   台座によって支えるとともに、バーナー側端部はバンク
   より間隙をあけて炉外へ貫通させ、バンクと該バーナー
   側端部の間に伸縮自在な炉内ガスシール用のベローズを
   取り付けたことを特徴とするラジアントチューブの取付
   構造。