TWI833473B - 加熱爐 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種加熱爐，其包括：爐體；形成於該爐體上的開口；設置於該開口之周緣以便圍繞該開口的密封元件；及沿垂直方向升降以打開及關閉該開口的爐門，其中該爐門包括框架元件，該框架元件包括當該開口關閉時與該密封元件接觸的第一表面，及在該第一表面的內側上在與該第一表面相交之方向上延伸的第二表面，且該第二表面經第一絕熱體覆蓋，該第一絕熱體的至少一些部分由具有可撓性的毯覆絕熱體構成，該毯覆絕熱體係經設置成與該第一表面齊平。
Description
本發明係關於一種加熱爐，明確而言，一種特徵在於用於抑制設置於開口周圍之密封元件熱劣化之技術手段的加熱爐。
在鋼鐵工業使用的加熱爐中，存在用來防止散熱之爐門設有形成於爐體上且用來送入及/或送出待熱處理工件之開口的情況。在此情況下，在開口周圍使用與爐門接觸以使爐內部保持氣密的密封元件。然而，存在密封元件因爐內部之熱而容易劣化的問題。
作為保護密封元件免受熱影響的方法，存在一種利用冷卻水(冷卻劑)直接或間接冷卻密封元件的方法(參見，例如，專利文件1)。然而，利用冷卻水冷卻密封元件的方法存在極大量問題，例如，冷卻水管道發生洩漏導致爐溫下降及設置在管道周圍的裝置故障，冷卻水管道堵塞導致水流量減少及最終導致爐操作停止，及冷卻水在寒冷地區結凍。此外，冷卻水係爐子熱效率降低的原因。
[專利文件1] JP-A-2020-169735
在該等情勢下，本發明的一目的係要提供一種新穎結構的加熱爐，其能夠抑制設置於開口周圍的密封元件免於熱劣化。
根據第一態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，一種加熱爐包括：
爐體；
開口，其形成於該爐體上；
密封元件，其設置於該開口的周緣，以便圍繞該開口；及
爐門，其沿垂直方向升降以打開及關閉該開口，
其中該爐門包括框架元件，該框架元件包括當該開口關閉時與該密封元件接觸的第一表面，及在該第一表面的內側上在與該第一表面相交之方向上延伸的第二表面，且
該第二表面經第一絕熱體覆蓋，該第一絕熱體之至少一些部分由具有可撓性的毯覆絕熱體構成，該毯覆絕熱體係經設置成與該第一表面齊平。
在經如此明確說明之根據第一態樣的加熱爐中，由於在框架元件上與密封元件接觸的第二表面經第一絕熱體覆蓋，因此抑制了經由爐之框架元件將爐中之熱傳送至密封元件而提高之密封元件的溫度。因此，可抑制設置於開口周圍的密封元件免於熱劣化。
在將第一絕熱體設置在爐門上以便與第一表面齊平的情況下，爐門之第一絕熱體與爐體之爐殼元件(與爐門相對)之間的間隙減小。因此，在根據第一態樣的加熱爐中，具有可撓性之毯覆絕熱體係經設置成與第一表面齊平，以致即使當爐門的第一絕熱體在爐門升降期間與爐體的爐殼元件接觸時，絕熱體較不易損壞。
根據第二態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，根據第一態樣之加熱爐，
其中該第二表面經具有在600℃下0.045 W/m/K或更小之導熱性的低導熱性絕熱體覆蓋，該低導熱性絕熱體係設置在設置於爐門上之毯覆絕熱體的背側上，該背側係開口側的相對側。
在經如此明確說明之根據第二態樣的加熱爐中，密封元件可藉由低導熱性絕熱體的作用更有效地抑制溫度升高。
根據第三態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，根據第二態樣之加熱爐，
其中該開口包括設置於該開口之下側上的下部密封元件，
該爐門包括與該下部密封元件接觸的下部框架元件，
該加熱爐進一步包括用於輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子，並且
該下部密封元件及該下部框架元件位於用於輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子之間。
在使用低導熱性絕熱體的情況下，絕熱效果高且爐門可經組構為精簡型。此容易實現下部密封元件及爐門的下部框架元件位於用於輸送待熱處理工件之兩個相鄰輥子之間的配置。
根據第四態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，根據第一至第三態樣中任一項之加熱爐，
其中該爐門進一步包括具有凹陷形狀的開關表面，其中未設置毯覆絕熱體的中心區域凹陷。
在經如此明確說明之根據第四態樣的加熱爐中，抑制密封元件溫度升高之作用相當低之爐門的中心區域可經製成為確保其自身與爐體之爐殼元件之間的間隙且可防止此中心區域與爐體的爐殼元件接觸。
根據第五態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，根據第一至第四態樣中任一項之加熱爐，
其中該爐門進一步包括鋼殼，
該毯覆絕熱體經由螺栓連接至該鋼殼，並且
該毯覆絕熱體具有形成於其中之凹陷，以致該螺栓的前端位於該凹陷內。
在經如此明確說明之根據第五態樣的加熱爐中，可防止螺栓的前端與爐體的爐殼元件接觸。
根據第六態樣之加熱爐明確說明如下。
亦即，根據第一至第五態樣中任一項之加熱爐，
其中該爐體進一步包括位於該密封元件與該開口之間的第二絕熱體，及附接該密封元件的密封元件附接表面，且
其中該第二絕熱體朝該爐門側比朝該密封元件附接表面突出得更多，以致第二絕熱體在爐門關閉的狀態中與爐門接觸。
在經如此明確說明之根據第六態樣的加熱爐中，用於阻擋開口與密封元件間之間的空間的第二絕熱體可做成在爐門處於關閉狀態時不留下(或留下極少)間隙。 因此，可再更有效地抑制密封元件的溫度升高。
以下詳細描述本發明的具體例。
圖1繪示根據本發明之一具體例之輥底式加熱爐的組構輪廓。在圖1中，數字1表示輥底式加熱爐(以下通常簡稱為「加熱爐」)，其係用於熱處理呈置於托盤上之狀態之待熱處理工件，諸如鋼或陶瓷工件。
在以下的解說中，垂直向上方向稱為向上方向，垂直向下方向稱為向下方向，沿待熱處理工件W被運送(加料)至加熱爐1中之方向的下游側稱為向前方向，及沿待熱處理工件W被運送至加熱爐1中之方向的上游側稱為向後方向，如圖1所示。
如圖1顯示，加熱爐1包括鋼製爐體5。爐體5內部包括耐熱性第三絕熱體6，且第三絕熱體6構成絕熱壁7。絕熱壁7的內部係待熱處理工件W引入的加熱室10。加熱室10包括作為加熱裝置的燃燒器12及攪拌葉片14。爐體5包括形成於圖中右手側部分的開口9，待熱處理工件W通過該開口進出。待熱處理工件W通過開口9引入至加熱室10中並進行熱處理。
在加熱室10內及開口9附近的爐外，存在複數個沿向前及向後方向(其為輸送方向)成列設置的輸送輥20。在圖1中，數字21表示用來轉動輥子20的驅動馬達。經由以正常方向轉動驅動馬達21，待熱處理工件W被送入爐內，及經由以相反方向轉動驅動馬達21，待熱處理工件W被送出爐外。
開口9設有爐門25，其藉由開關裝置24沿垂直方向升降，以打開及關閉開口9。在圖1中，以實線指示處於關閉狀態的爐門25，及以交替的長及兩短虛線指示處於打開狀態的爐門25。
數字17表示設置在爐門25附近的推桿。基於來自馬達或類似裝置 (未繪示)的驅動力，連桿17b環繞旋轉軸17a擺動並將處於關閉狀態的爐門25推向開口9。
圖2係繪示爐體5之開口周圍部分及爐門25(其彼此分離)的傾斜視圖。圖3係繪示爐體5之開口周圍部分及爐門25(其彼此分離)的橫截面圖。
如圖2顯示，密封元件16(其用於經由與爐門25接觸來保持爐內的氣密性)附接至圍繞形成於爐體5上之開口9周邊的部分，從而圍繞開口9。明確言之，密封元件16係附接至設置於開口9周圍之金屬爐殼元件41的密封元件附接表面41a，如圖3所示。
在本實例中，使用包括耐熱陶瓷纖維及橡膠黏合劑的繩狀密封元件作為密封元件16。密封元件16具有約500℃之耐熱溫度。
接下來，說明用來關閉開口9之爐門25的組構。爐門25包括框架元件27、鋼殼28及絕熱元件(第一絕熱體)30，並且整體具有如圖2所示的近似四邊形板形狀。在爐門25的側視圖中，位於靠近框架元件27之下部(下部框架元件34)之鋼殼28的部分成錐形，以便不干擾位在後方的輥子20(見圖1及圖5)。
框架元件27係使用矩形金屬管製造的四邊形框架形環形物體，並且整體結合至鋼殼28的周邊部分。如圖3所示，框架元件27包括第一表面27a，其面向爐體側密封元件16並與密封元件16接觸；及第二表面27b，其在第一表面27a的內側上(即，在面向爐門25中心的側上)與第一表面27a正交。
如圖3顯示，絕熱元件(第一絕熱體)30係由框架元件27及鋼殼28界定，並且包括複數個絕熱體30a、30b、30c及30d，其堆疊在向爐體5之開口9之側敞開的殼體空間29中。當爐門處於關閉狀態時，絕熱元件30關閉爐體5的開口9。
此等絕熱體的材料並無特定限制，並且可使用具高孔隙度的耐火材料或經由將陶瓷纖維或陶瓷顆粒成型成板狀或可撓性毯狀而獲得的材料。
如圖3顯示，絕熱元件(第一絕熱體)30係經設置成在框架元件27附近的周邊區域31中覆蓋框架元件27的第二表面27b。明確言之，第一絕熱體係經設置至與第一表面27a齊平的高度，從而覆蓋第二表面27b與框架元件27之第一表面27a會合的拐角處。此係因為如框架元件27之第二表面27b的一些部分經暴露，則框架元件27會通過暴露部分被加熱，且此會不期望地升高與框架元件27接觸之密封元件16的溫度。
在本具體例中，使用具有在600℃下0.045 W/m/K或更低之導熱性的低導熱性絕熱體30a作為覆蓋框架元件27之第二表面27b的絕熱體。此組態可令人滿意地抑制加熱室10之溫度被傳導至框架元件27。除低導熱性絕熱體30a外，本具體例中使用的絕熱體30b、30c及30d各較佳具有在600℃下0.15 W/m/K至0.25 W/m/K的導熱性。
關於低導熱性絕熱體30a，例如，可使用具有減小粒子間間隙尺寸之微孔結構的絕熱體，其例如通過使用具有微米級或更小尺寸的陶瓷粒子來獲得。與其他絕熱體相比，具有微孔結構的低導熱性絕熱體存在易脆且易龜裂的問題。因此，在本具體例中，低導熱性絕熱體30a的表面經毯覆絕熱體30b覆蓋，從而防止低導熱性絕熱體30a被損壞。
同時，在位於比低導熱性絕熱體30a更朝向內側(更靠近中心)的區域中，堆疊毯覆絕熱體30d，並在其表面上重疊板狀絕熱體30c。板狀絕熱體30c係經重疊成與低導熱性絕熱體30a齊平。板狀絕熱體30c的周邊部分進一步經毯覆絕熱體30b覆蓋。結果，爐門25的開關表面26具有凹陷形狀，其中未設置毯覆絕熱體30b的中心區域32相對於設置毯覆絕緣體30b的周邊區域31凹陷。
如圖3顯示，此等堆疊的絕熱體30a、30b、30c、及30d通過螺栓35連接至鋼殼28，每個螺栓中的一端結合至鋼殼28。明確言之，將軸環狀元件36旋至每個螺栓35的前端35b，其朝爐體5延伸，並且絕熱體固持在鋼殼28與軸環狀元件36之間。在本具體例中，毯覆絕熱體30b具有形成於其中的凹陷37並且螺栓35的前端35b位於凹陷37內。此係為了防止螺栓35的前端35b在爐門升降時干擾爐殼元件。
以上使用圖3中繪示之爐門25的上部分及下部分作為實例來描述爐門25的結構，且圖4C中顯示之爐門25的左手邊部分及右手邊部分亦具有相似特徵。
接下來，說明位於爐體5上之開口9附近的第二絕熱體。如圖3顯示，於爐體5上設置第二絕熱體，以便阻擋密封元件16所附接之爐殼元件41與加熱室10之間的間隙以及爐殼元件41與開口9之間的間隙。如在爐門25中，一些第二絕熱體係低導熱性絕熱體42a，其具有在600℃下0.045 W/m/K或更低的導熱性。第二絕緣體包括低導熱性絕熱體42a、毯覆絕熱體42b及42c。
在位於開口9上方的爐殼元件中，低導熱性絕熱體42a具有在開口9與爐殼元件41之間水平(向前及向後方向)延伸的板狀橫截面形狀。同時，在位於開口9下方的爐殼元件中，低導熱性絕熱體42a具有近似T形橫截面，其中絕熱體42a在爐殼元件41與加熱室10之間沿垂直方向延伸及在開口9與爐殼元件41之間水平(向前及向後方向)延伸。在本具體例中，就絕熱體42c的厚度差而言，位於開口9上方之低導熱性絕熱體42a的橫截面形狀不同於位於開口9下方之低導熱性絕熱體42a的橫截面形狀。然而，如圖3之部分放大圖顯示，位在開口9上方的低導熱性絕熱體42a可經製成為具有類似於位於開口9下方之低導熱性絕熱體42a的近似T形橫截面。在一些情況下，兩種低導熱性絕熱體42a皆可經製成為具有板狀橫截面形狀。
低導熱性絕熱體42a與包括毯覆絕熱體42b及42c的其他絕熱體堆疊在一起並藉由螺栓35連接至鋼殼(未繪示)。
圖5及6係用於繪示在加熱爐1中打開及關閉爐門25之操作的視圖。
如圖5顯示，在本具體例的加熱爐1中，設置在開口9下側的下部密封元件19位於用來輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子20、20之間。
當待熱處理工件W被送入及送出時，爐門25暫時上升至圖5中由交替的長及兩短虛線指示的位置，並且在待熱處理工件W通過開口9後，爐門25向下下降至爐門25之開關表面26面向開口9的給定位置。此時，與下部密封元件19接觸之爐門25的下部框架元件34位於用來輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子20、20之間。
其後，藉由推桿17之連桿17b的推動動作(見圖1)，爐門25被推向開口9，如圖6所示。爐門25上之框架元件27的第一表面27a因此與密封元件16接觸，以確保爐內的氣密性。在此階段，除間隙δ外，密封元件16與加熱室10及開口9之間的空間被絕熱體阻擋。因此，抑制密封元件16被來自爐內的熱加熱至高溫。
接下來，說明對加熱爐1中密封元件溫度的檢查結果及於加熱室中熱處理之工件W的溫度分佈。
在密封元件溫度的檢查中，根據圖7A中顯示的加熱模式對處於N
2氛圍下之加熱室10的內部進行加熱，以針對密封元件16被加熱至之溫度來檢查密封元件16。測量點P係圖7B中以實心圓指示的八個部分。溫度測量係使用護套熱電偶來進行。
根據檢查結果，測得測量部分處的最高溫度為149℃至234℃，其遠低於密封元件16之500℃的耐熱溫度 。
在對經熱處理工件W之溫度分佈的檢查中，將已堆疊於兩個平台中的總共十個待熱處理工件W(線圈)放入加熱室10中，如圖8所示，及根據圖7A中顯示的加熱模式對處於N
2氛圍下之加熱室進行加熱。在加熱結束時(其中將工件W保持於900℃下)，檢查工件W的溫度分佈。測量點P係圖8中以實心圓指示的12個部分。溫度測量係使用護套熱電偶來進行。
根據檢查結果，在12個測量點處的溫度變化範圍為6.6℃。
附帶一提，在於相同條件下採用水冷系統的情況下，其中水通過與密封元件16接觸之爐門25上之框架元件27的內部，以冷卻密封元件16，在12個測量點處的溫度變化範圍為8.1℃至9.2℃。因此，可看出，本具體例的組態(在沒有水冷卻的情況下抑制密封元件16之溫度上升)在溫度均勻性方面亦係優異的。
如上所述，在根據本具體例的加熱爐1中，由於與密封元件16接觸之框架元件27上的第二表面27b經第一絕熱體覆蓋，因此抑制爐內的熱經由爐門25上的框架元件27傳導至密封元件16及藉此抑制密封元件16的溫度升高。因此，可抑制設置於開口9周圍的密封元件16熱劣化。
由於在本具體例中，第一絕熱體係在爐門25上設置成與第一表面27a齊平，因此在第一絕熱體與相對的爐體的爐殼元件之間的間隙減小。因此，在本具體例中，具有可撓性的毯覆絕熱體30b係經設置成與第一表面27a齊平，以致即使當爐門25在爐門升降期間與爐體的爐殼元件接觸時，絕熱體較不易損壞。
在根據本具體例的加熱爐中，將在600℃下之導熱性為0.045 W/m/K或更低的低導熱性絕熱體30a設置在設置於爐門25上之毯覆絕熱體30b之背側(其是開口的相對側)上，使得低導熱性絕熱體30a覆蓋第二表面27b。由於此低導熱性絕熱體30a，可更有效地抑制密封元件16的溫度升高。
在使用低導熱性絕熱體30a的情況下，絕熱效果高且爐門25可經組構為精簡型。此容易使得能夠獲得下部密封元件19及爐門25的下部框架元件34設置在用於輸送待熱處理工件之兩個相鄰輥子20、20之間的配置。
在根據本具體例的加熱爐中，爐門25的開關表面26具有凹陷形狀，其中未設置毯覆絕熱體30b之中心區域32凹陷，如圖3所示。因此，中心區域32(其抑制密封元件16溫度升高之效果相當低)可經製成為確保其自身與爐體5之爐殼元件之間的間隙且可防止此中心區域32與爐體的爐殼元件接觸。
圖9A及9B各自繪示上述具體例的修改實例。
在本具體例中，位於密封元件16與開口9間之爐體5的絕熱體42a及42b(第二絕熱體)朝爐門25側比朝附接密封元件16的密封元件附接表面41a突出更多，如圖9A所示，使得絕熱體42a及42b的邊緣表面50在爐門關閉的狀態下能夠與爐門25接觸，如圖9B所示。
此組態可消除開口9之末端與爐門25之間的間隙δ(見圖6)，該間隙δ係存在於上述具體例中。因此，可甚至更有效地抑制密封元件16的溫度升高。
儘管已詳細描述本發明的具體例，但此等具體例僅係實例。例如，關於與密封元件接觸的爐門框架元件，可使用實心方棒、摺疊成L形的板或其類似者來替代四邊形管狀元件。此外，儘管上述具體例各具有一個提供給爐體的開口，但本發明適用於包括兩個分別用於送入及送出之開口的連續加熱爐。本發明可經組構成包括此等及其他各種修改，除非該等修改背離本發明的精神。
本申請案係基於2021年12月2日提出申請的日本專利申請案第2021-196301號，該案的內容以引用的方式併入本文。
1:輥底式加熱爐
5:爐體
6:耐熱性第三絕熱體
7:絕熱壁
9:開口
10:加熱室
12:燃燒器
14:攪拌葉片
16:密封元件
17:推桿
17a:旋轉軸
17b:連桿
19:下部密封元件
20:輸送待熱處理工件的輥子
21:驅動馬達
24:開關裝置
25:爐門
26:開關表面
27:框架元件
27a:第一表面
27b:第二表面
28:鋼殼
29:殼體空間
30:絕熱元件
30a:低導熱性絕熱體
30b:毯覆絕熱體
30c:絕熱體
30d:絕熱體
31:周邊區域
32:中心區域
34:下部框架元件
35:螺栓
35b:前端
36:軸環狀元件
37:凹陷
41:金屬爐殼元件
41a:密封元件附接表面
42a:低導熱性絕熱體
42b:毯覆絕熱體
42c:毯覆絕熱體
50:邊緣表面
P:測量點
W:待熱處理工件
δ:間隙
圖1係繪示根據本發明之一具體例之輥底式(roller hearth type)加熱爐之組構輪廓的視圖。
圖2係繪示爐體之開口周圍部分及加熱爐之爐門的傾斜視圖，該開口周圍部分及該爐門彼此分離。
圖3係繪示爐體之開口周圍部分及加熱爐之爐門的橫截面圖，該開口周圍部分及該爐門彼此分離。
圖4A至4C係單獨繪示爐門的視圖；
圖4A係從開關表面側觀察的爐門前視圖，
圖4B係圖4A的B-B橫截面圖，及
圖4C係圖4A的C-C橫截面圖。
圖5係用於繪示在加熱爐中打開及關閉爐門之操作的視圖。
圖6係繪示圖5之後打開及關閉爐門之操作的視圖。
圖7A係用於檢視密封元件之溫度及待熱處理工件之溫度分佈的加熱模式。
圖7B係顯示當檢視密封元件之溫度時測量溫度之部分的圖解。
圖8係顯示檢視待熱處理工件之溫度分佈之部分的圖解。
圖9A及圖9B係繪示具體例之修改實例的視圖。
5:爐體
9:開口
10:加熱室
16:密封元件
20:輸送待熱處理工件的輥子
25:爐門
26:開關表面
27:框架元件
27a:第一表面
27b:第二表面
28:鋼殼
29:殼體空間
30:絕熱元件
30a:低導熱性絕熱體
30b:毯覆絕熱體
30c:絕熱體
30d:絕熱體
31:周邊區域
32:中心區域
34:下部框架元件
35:螺栓
35b:前端
36:軸環狀元件
37:凹陷
41:金屬爐殼元件
41a:密封元件附接表面
42a:低導熱性絕熱體
42b:毯覆絕熱體
42c:毯覆絕熱體
Claims (6)
- 一種加熱爐，其包括：爐體；開口，其形成於該爐體上，且用來送入及/或送出待熱處理工件；密封元件，其設置於該開口的周緣，以便圍繞該開口；及爐門，其沿垂直方向升降以打開及關閉該開口，其中，該爐門包括框架元件，其包括當該開口關閉時與該密封元件接觸的第一表面，及在該第一表面的內側上在與該第一表面相交之方向上延伸的第二表面，且該第二表面經第一絕熱體覆蓋，該第一絕熱體之至少一些部分由具有可撓性的毯覆絕熱體構成，該毯覆絕熱體係經設置成與該第一表面齊平。
- 如請求項1之加熱爐，其中，該第二表面係經具有在600℃下0.045W/m/K或更小之導熱性的低導熱性絕熱體覆蓋，該低導熱性絕熱體係設置在設置於爐門上之毯覆絕熱體的背側上，該背側係開口側的相對側。
- 如請求項2之加熱爐，其中，該開口包括設置於該開口之下側上的下部密封元件，該爐門包括與該下部密封元件接觸的下部框架元件，該加熱爐進一步包括用於輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子，並且該下部密封元件及該下部框架元件位於用於輸送待熱處理工件的兩個相鄰輥子之間。
- 如請求項1至3中任一項之加熱爐，其中，該爐門進一步包括具有凹陷形狀的開關表面，其中未設置毯覆絕熱體的中心區域凹陷。
- 如請求項1至3中任一項之加熱爐，其中，該爐門進一步包括鋼殼，該毯覆絕熱體經由螺栓連接至該鋼殼，並且該毯覆絕熱體具有形成於其中之凹陷，以致該螺栓的前端位於該凹陷內。
- 如請求項1至3中任一項之加熱爐，其中，該爐體進一步包括位於該密封元件與該開口之間的第二絕熱體，及附接該密封元件的密封元件附接表面，且其中，該第二絕熱體朝該爐門側比朝該密封元件附接表面突出得更多，以致該第二絕熱體在爐門關閉的狀態中與爐門接觸。
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