JPH08320283A - 高温曲げ試験炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン発熱体を熱源とする高温曲げ試験炉
では、試験温度制御性確保の面から極めて低熱慣性型の
炉壁構造を有している。このため、炉壁の劣化が著しい
ことや、サンプル入替え時の炉温低下が著しいため、発
熱体の熱衝撃損傷が大きく、また次回の試験開始までの
昇温時間が長いなどの問題が指摘されていた。このた
め、炉壁の耐久性を向上し、かつ試験時間を大幅に短縮
できる高温曲げ試験炉を考案した。 【構成】 耐久性を向上させるとともに高熱慣性型の炉
壁とするため、炉壁の耐火ライニング構成を断熱れんが
と耐火れんがの２層構成とした。一方、高熱慣性にする
ことによって本来の試験温度制御性が損なわれるため、
冷却ガスの吹き込み口やガス排気口を設けて、炉内温度
を制御しやすい構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐火れんがなどの高温
用耐久性材料の高温状態での物理的強度特性を評価・解
析する試験装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】昨今、鉄鋼用装置を始め、多くの産業装
置で耐火物、耐熱鋼あるいはセラミックスなどの高温耐
久性材料が使用されている。一方、これらの材料の多く
は、高温でその物理的強度が低下することはよく知られ
たことである。したがって、高温材料を効率的に使用す
るためには、実際の使用条件を想定した高温条件での物
理的強度特性を評価することが重要である。高温曲げ試
験炉はこのような目的で使用される装置である。一方、
鉄鋼を始めこれら高温材料の使用条件は年々過酷にな
り、したがって高温曲げ試験炉での試験条件もより高温
・長時間になりつつある。さらにセラミックス材料や複
合材料の開発と発展は、前記高温曲げ試験炉の必要性を
高めることになり、試験需要は年々増加する一方であ
る。

【０００３】従来の高温曲げ試験炉は、図６に示すよう
に、通常鉄皮１の内側に耐火炉壁２を構築してなる箱型
の加熱炉であり、前記耐火炉壁を貫通して炉内に差し込
まれたシリコン発熱体３を熱源としている。前記耐火炉
壁２には、通常熱伝導率が極めて低い断熱れんがを使用
することが普通である。これは試験開始時の昇温速度を
高めることおよび試験温度制御性を高めることが目的で
あり、前記耐火炉壁への蓄熱量を極力小さくするよう設
計されている。

【０００４】該試験炉を用いた試験操作は通常次のよう
に行われる。図に示していないサンプル口より試験用サ
ンプル４を装入し、シリコン発熱体３に通電して炉内温
度を所定の温度まで上昇させる。所定温度に達した後、
サンプル台５上に設置されているサンプル４を押し棒６
で押圧し、破壊までの応力変化を前記サンプル台５の下
部に設けられたロードセル７で計量・記録する。押圧終
了後、破壊もしくは変形したサンプル４は、前記サンプ
ル口を介して試験操作者が除去し、次の試験サンプルを
所定のサンプル台５の上へセットする。その後、さらに
試験温度まで炉内温度を上昇させる操作を行う。以上の
操作を所定の試験本数が終了するまで繰り返す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる構造を有する従
来の高温曲げ試験炉では、昨今の試験条件の過酷さと試
験作業生産性向上のニーズ拡大の中で、以下に述べるよ
うな問題が頻発しつつある。 （１）従来の炉壁構造では該炉壁への蓄熱量が小さいた
め、１回の試験操作終了後のサンプル口開閉に伴う炉内
温度低下が著しい。そのため、２回目以降の試験開始ま
での昇温時間が長くなり、試験効率は極めて低いもので
あった。 （２）試験温度の高温化にともない、耐火性が著しく劣
る断熱れんがの損耗、損壊が著しく、耐火炉壁の補修頻
度が増大し、設備休止時間の増大（稼働率の低下）や補
修費用の増大を招いていた。 （３）試験温度の高温化は、冷却速度との相乗効果で、
シリコン発熱体の熱衝撃損傷を増大させている。また、
従来の試験時間の中で、より高温、より多数の試験を行
うため、シリコン発熱体に過負荷をかける試験操作をす
る必要が増大し、同シリコン発熱体の損傷による取り替
え頻度の増大を招いていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの問題を
解決して、高稼働率で整備コストが安い高温曲げ試験炉
を提供しようとするものであり、そのために、従来の高
温曲げ試験炉の構造を大幅に改良し、鉄皮側から炉内側
へ断熱れんがと耐火れんがの順序で構築された耐火炉壁
を有し、該炉壁の一部に該炉壁を貫通して炉内温度制御
用冷却ガス吹込み口を設置するとともに、炉内ガス排気
口を設けた高温曲げ試験炉を考案した。

【０００７】以下に、本発明の具体的な構成について図
面に基づいて説明する。図１，２は本発明による高温曲
げ試験炉の一構成例を示す縦断面図および横断面図であ
る。図１，２において、該高温曲げ試験炉を構成する耐
火炉壁２は、鉄皮１の内側に断熱れんが２１を構築し、
その内側に耐火れんが２２を構築した２層構造である。
発熱体３は上部炉壁と下部炉壁を貫通するように設置さ
れている。また、ガス吹込み口８は、下部炉壁を貫通し
て設置するようにした。

【０００８】断熱れんが２１は、珪藻土類を原料とする
軽量断熱れんがや発砲アルミナを用いた耐火断熱れんが
などの中から任意に選択できるが、通常熱伝導率０．３
〜１．０の範囲で選択することが望ましい。また、耐火
れんが２２は、アルミナ、シリカ、マグネシアあるいは
シリカ質の単一酸化物やこれらを組み合わせた複合酸化
物あるいはカーボンなどを添加したカーボン含有複合酸
化物などの中から任意に選択できるが、通常熱伝導率１
〜５程度のものの中から選択することが望ましい。

【０００９】断熱れんが２１の熱伝導率を０．３〜１．
０に限定する理由は、０３未満では、鉄皮温度は低下す
るものの、炉内側耐火れんが２２の平均温度が著しく上
昇し、該耐火れんが２２の耐久性を著しく損なうためで
あり、また１．０超では鉄皮温度の上昇を招くためであ
る。一方、耐火れんが２２の熱伝導率を１から５に限定
する理由は、１未満になるとれんがの耐火性が著しく低
下し、高温試験の繰り返しによる劣化で補修頻度が高く
なるためであり、また５超では炉壁貫流熱量が大幅に増
大し、前記断熱れんが２１を設けても鉄皮温度が著しく
上昇するためである。

【００１０】図３に、前記温度調整用冷却ガス吹込み口
８周辺を斜視構造図で示す。温度調整用冷却ガス吹込み
口（以下単に吹き込み口と記述する）８は、鉄皮１と前
記断熱れんが２１と耐火れんが２２からなる耐火炉壁２
に貫通孔を設け、炉外側から吹き込み連結管９を介して
任意のガスを吹き込めるようにしたものである。吹き込
み口８は、前記耐火炉壁２の任意の位置に設けることも
できるが、吹き込みガスが直接シリコン発熱体３に衝突
して、該シリコン発熱体３の熱衝撃損傷を助長しないこ
と、および吹き込みガスが前記サンプル口に直接吹き出
さないよう配慮する必要があることから、サンプル台５
の下方の下部炉壁に設けることが望ましい。また、下部
炉壁に設けることによって、吹き込みガスが、前記サン
プル４とサンプル台５を干渉板として炉内に均一拡散
し、炉内温度の均一化という効果も得られることが発明
者らによって確認できた。吹き込みガスは、ガス組成が
サンプル４の物理的特性に影響を与えないものの中から
任意に選択できるが、通常は、空気、窒素、その他の不
活性ガスなど、工業的に大量に生産され、比較的安価に
入手できるガスを用いれば良い。

【００１１】炉内ガス排気口１０は、耐火炉壁２の任意
の位置に、炉壁を貫通するように設けた。さらに、図示
していない煙道管を介して、建屋の外部へ高温ガスを導
くようにすることもできる。排気口１０は、前記鉄皮１
および耐火炉壁２に貫通孔を設けることと、貫通孔の径
にほぼ同等の内径を有する排出管１０ａを、前記鉄皮１
に接合してなり、前記耐火炉壁の貫通孔と排出管１０ａ
が同軸の貫通孔を形成するように構成されている。鋼製
パイプ１０ａや前記煙道管は、通常鋼製のものを用いる
が、排出されるガス温度に応じて内側に耐火ライニング
を施工することも可能である。

【００１２】また、図２に示すようにサンプル４は、サ
ンプル台５に試験操作のために設置される前にサンプル
台５に隣接した炉底部に適当な中敷を介し予熱サンプル
４ａとして複数個積載され、シリコン発熱体３で炉内お
よびサンプルが所定温度まで昇温される際の熱を利用し
て予熱することは試験効率向上の観点から望ましいこと
である。

【００１３】

【作用】かかる高温曲げ試験炉では、耐火炉壁の蓄熱量
が増加し、試験終了後、次回試験開始までの温度低下が
小さく、次回試験時の昇温時間が大幅に短縮される。こ
のため、シリコン発熱体に過負荷をかけることなく、試
験時間の大幅な短縮が可能となる。また、シリコン発熱
体に過負荷をかけないため、該シリコン発熱体の耐用も
大幅に延長することが可能となる。さらにガス吹込み口
を試験体下部の炉壁にもうけることによって、炉内温度
の均一化が図れ、またガス排気口との相乗効果によっ
て、試験体抽出入扉部への熱風吹き出しの危険性も著し
く低下するし、安全に試験作業することが可能となる。

【００１４】

【実施例】本発明を、炉殻外形寸法が巾７００mm、高さ
６００mm、長さ８００mmの熱間曲げ試験炉に適用した。
同試験炉は、最高１５００℃までの高温曲げ試験が可能
である。断熱れんが２１の厚みは６５mmで、熱伝導率
０．３kcal／ｍ／ｈ／℃の珪藻土質断熱れんがを用い
た。耐火れんが２２の厚みは６５mmで、上部水平壁に
は、熱伝導率３．５kcal／ｍ／ｈ／℃の炭化珪素質れん
がを、また、上部水平壁以外の炉壁には熱伝導率２．３
kcal／ｍ／ｈ／℃のアルミナ質耐火れんがを使用した。
ガス吹き込み口８は内径１０mmのキリ孔を下部炉壁に３
ヶ所設けた。ガス連結管９は、炉壁に近い高温部ではア
ルミナ質セラミックス管を用い、炉壁から遠い低温部で
は普通鋼鋼管を用いた。セラミックス管は内径は８mm・
外径１０mmのものを用いた。また、前記鋼管は内径１０
mm・外径１２mmのものを用い、前記セラミックス管を該
鋼管に嵌合して連結する構造とした。かかる構造の高温
曲げ試験炉を用いて試験操作を実施したところ、以下に
述べるような効果が得られた。

【００１５】図４は、高温曲げ試験操作中の炉内の温度
変化について従来方式と本発明方式を比較したものであ
り、図４ａは従来方式のものを、図４ｂは本発明の方式
によるものを示している。この場合の所定試験温度は１
５００℃であり、本発明の方式では吹き込みガスとして
窒素を用い、毎分２５Ｎｌを炉内に吹き込んだ。図４ａ
に示すように、従来方式ではサンプル入替え時に炉内温
度が最低１４００℃まで低下し、次の試験に向け１５０
０℃の所定温度まで昇温するのに１５ないし２０分を要
している。一方、図４ｂに示すように、本発明の方式で
は、サンプル入替え時でも炉内温度は１４５０℃までし
か下がらず、しかも次の試験に向けて所定の１５００℃
まで昇温するのにわずか１分程度しかかかっていない。
このように、本発明はサンプル入替えに伴う炉内温度低
下が抑制され、また所定温度までの昇温時間が大幅に短
縮でき、試験効率が大幅に向上することとなった。さら
に、最大電力を投入する昇温時間が短縮されることによ
ってシリコン発熱体の負荷が大幅に軽減されることもわ
かった。

【００１６】図５は、本発明の実施対象となった高温曲
げ試験炉のシリコン発熱体の寿命に関し、同発熱体の交
換周期の推移を示したものである。図５に示すように、
従来方式では５ないし６回の試験でシリコン発熱体を交
換していたが、本発明による方式を適用した後は、シリ
コン発熱体交換まで２０ないし２５回の試験が可能とな
った。シリコン発熱体の劣化による交換周期が約４倍以
上になり、整備コストの大幅な低下が可能となった。さ
らに、試験時間の短縮によって、試験１回あたりの運転
電力費も節減することができた。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、本発明による高温曲げ試
験炉は、従来技術による同型曲げ試験炉に比べると、運
転電力費や補修費が極めて安く、しかも安全性に優れた
ものである。また、本発明は、これまでに述べてきた高
温曲げ試験炉だけでなく、シリコン発熱体を熱源とする
同形式の電気的加熱・焼成試験炉にも適用でき、工業的
に極めて価値が高い発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に基づく高温曲げ試験炉の縦断
面図である。

【図２】図２は、本発明に基づく高温曲げ試験炉の横断
面図である。

【図３】図３は、本発明に基づく冷却ガス吹込み口斜視
構造図である。

【図４】図４は、高温曲げ試験操作中の炉内の温度変化
を示すもので、図４ａは従来方式による場合、また、図
４ｂは本発明方式による場合を示した図である。

【図５】図５は、熱間試験炉発熱体の寿命を示した図で
ある。

【図６】図６は、従来方式による高温曲げ試験炉の縦断
面図である。

【符号の説明】

１…鉄皮 ２…耐火炉壁 ３…シリコン発熱体 ４…サンプル ４ａ…予熱サンプル ５…サンプル台 ６…押し棒 ７…ロードセル ８…冷却ガス吹込み口 ９…ガス吹き込み連結管 １０…ガス排気口 １０ａ…ガス排出管 ２１…断熱れんが ２２…耐火れんが

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山田 豊 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 高橋 等 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン発熱体を熱源とする高温曲げ試
   験炉において、鉄皮側から炉内側へ、断熱れんがと耐火
   れんがの順序で構築された耐火炉壁を有し、該耐火炉壁
   の一部には該炉壁を貫通して炉内温度制御用冷却ガス吹
   込み口を設置するとともに、炉内ガス排気口を設けたこ
   とを特徴とする高温曲げ試験炉。