JP4234879B2 - ラジアントチューブ式加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼帯、ステンレス鋼帯、電磁鋼板およびアルミ薄帯等の帯状体の連続式熱処理設備において、帯状体の被加熱材料を間接加熱するラジアントチューブ式加熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、鋼帯やステンレス鋼板などの帯状体を炉内還元雰囲気中で連続的に熱処理する連続式熱処理炉の加熱装置においては、炉内還元雰囲気を汚染することなく間接加熱することができるラジアントチューブ式加熱装置が利用されている。ラジアントチューブの形状は、従来U字形状をしたUチューブやW型ラジアントチューブが使用されている。W型ラジアントチューブは、チューブ1本当たりの表面積が大きく、竪型式連続熱処理炉などによく利用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のラジアントチューブは、炉内の高温雰囲気ガス中において使用され、しかも、内部の燃焼ガスは、バーナー付近で最高温度域を形成し、バーナー付近から下流側に向かって流れることによりチューブの長手方向に大きな温度勾配を生じせしめる。このような過酷な使用条件のもとで、ラジアントチューブはやがて高温熱変形による亀裂やつぶれ現象を生じ、そのために定期的に取替える必要があった。
【0004】
一方、高温変形を抑制し、ラジアントチューブの寿命を延長させるには、高温強度の優れた材料をラジアントチューブに使用するものも一つの方法であるが、使用条件下での熱変位による応力を緩和することが重要な要素である。このように、使用中のラジアントチューブの熱変位に起因する熱応力を緩和する目的で、ラジアントチューブと炉体との接続部の一端に、軸方向のチューブ熱膨張による変位を吸収し軸方向の変位を許容する伸縮部材を用いる方法が提唱されている。
【0005】
しかしながら、これの方法においても定常温度状態でのチューブの熱応力を緩和する効果は得られるものの、炉昇温時など冷間状態から過渡的に温度が上昇してゆく過程で、チューブ長手方向での非定常温度分布による局所熱応力の増大とそれに起因する局部熱変形を防止することは出来ず、従って、チューブ寿命も大幅に改善することはできないという問題があった。
【0006】
一方、W型ラジアントチューブは熱効率を向上させるために、バーナー排気側に熱交換器を設置し排ガス顕熱により燃焼空気を予熱させるレキュペレーティブタイプが多く使用されている。従来のレキュペレーティブタイプのW型ラジアントチューブでは、バーナー側と他端の排気口側に設けられた熱交換器が離れて位置する構造であるため、これらの両者を接続する連結管は長くならざるを得ず、従って、この連結管の表面からの熱放散量は多大であり、一旦熱交換器で予熱された燃焼用空気の予熱温度がバーナーに導入されるまでの間に温度低下を生じ、その結果熱効率が向上しないという問題に加えて、バーナー燃焼状態点検の目的でバーナー前へ近寄るオペレーターにとっての作業環境を悪化させる原因となっていた。その対策として、連結管外部を断熱保温することによって熱損失の低減を計るという手段もあるが、相当分のコストが掛かることは避けられなかった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述したような従来の問題を解消するために、本発明では、一端にバーナーを装着し、他端にU字形の第1ベンドを接続した第1直管と、それぞれ両端にU字形の第3ベンドおよび第4ベンドを接続した第4直管とを、炉幅方向に、かつ両直管を平行に配設し、第1直管と第4直管の間に、該直管より短い第2直管および第3直管、第5直管および第6直管を設け、第2直管と第3直管をU字形の第2ベンドで接続すると共に、第2直管は前記第1ベンドと、第3直管は前記第3ベンドとそれぞれ接続し、一方第5直管と第6直管をU字形の第5ベンドで接続するとともに、第5直管は前記第4ベンドと、第6直管は炉外排ガス管にそれぞれ接続し、第2ベンドと第5ベンドが炉幅方向において相対するように配置したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置にある。
【0008】
【実施例】
以下、本発明について図面に従って実施例をもって具体的に説明する。
本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置は、図1に示すように、6本の直管と5本のベンドを接続して全体が構成されている。すなわち、図1は本発明に係るラジアントチューブバーナーの全体構成図である。この図に示すように、一端にバーナー1を装着し、他端にU字形の第1ベンド4を接続した第1直管3と、それぞれ両端にU字形の第3ベンド8と第4ベンド10を接続した第4直管9とを、炉幅方向に、なお、かつ両直管3、9が平行になるように配置している。そして、この第1直管3と第4直管9の間に囲まれるようにして、これら両直管3、9よりも短い第2直管5および第3直管7、第5直管11および第6直管13を配置している。
【0009】
この第2直管5と第3直管7とは平行に配置しており、第2直管5と第3直管7はU字形の第2ベンド6で接続すると共に、第2直管5は第1ベンド4と、第3直管7は第3ベンド8とそれぞれ接続している。また、第5直管11と第6直管13は平行に配置しており、第5直管11と第6直管13とはU字形の第5ベンド12で接続すると共に、第5直管11は第4ベンド10と、第6直管13は炉外の排ガス管25と接続している。さらに、第2ベンド6と第5ベンド12は炉幅方向において相対するように配置されている。
【0010】
本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置は、一端にバーナー1を装着し、排気口側には燃焼空気予熱用の熱交換器2を備えている。また、このラジアントチューブ式加熱装置は、全体として前述したような形状となっているため、バーナー1と、熱交換器2とが近接した位置となっている。燃焼空気は、燃焼空気導入口24から供給され熱交換器2によって、排ガスとの間で熱交換されることにより予熱された後、連結管26を通ってバーナー1側へ送られ、燃料導入口23から供給される燃料ガスと混合して、バーナー1で燃焼用として供される。
【0011】
バーナー1での燃焼ガスは、第1直管3から順次下流側へ向かって、第1ベンド4、第2直管5、第2ベンド6、第3直管7、第3ベンド8、第4直管9、第4ベンド10、第5直管11、第5ベンド12を経て第6直管13へ至り、排ガス管25から排出される。本発明におけるラジアントチューブ式加熱装置では、連結管26を従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置に比べてかなり短くすることが可能となるため、連結管26の表面からの熱放散量を最小に抑えることができる。
【0012】
また、第1直管3と第6直管13の間、第1直管3と第2直管5の間、および第2直管5と第3直管7の間にはサポート14、15、16がそれぞれ設けられており、チューブの鉛直方向および水平方向の変位があらかじめ隙間として設定された値を超えた際には、互いの直管部がその変位を拘束し合う構造になっている。また、第3ベンド8に接続したブラケット17、第4ベンド10に接続したブラケット19は、炉殻21に固定されたチューブ受け18および20によって、それぞれスライド支持されている。
【0013】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置の各部分の寸法関係は、炉殻のサイズ、被加熱材料の幅、バーナー燃焼容量およびラジアントチューブ表面温度などの諸因子を考慮して最適に計画され、図1において、第2直管5は第3直管7より短く示されているが、これも最適設計の範囲で決定されるもので、同じ長さとすることもある。
【0014】
図2は、従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置(a)と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置(b)におけるチューブの変形状態を示す図である。この図に示すように、高温操業時におけるそれぞれのチューブの熱変形の形態を破線で示している。すなわち、従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置(a)においては、熱変形の拘束点はシュミレーション解析の結果実質上、A2の点となっており、また、バーナー側の固定点A1との二点拘束状態の元で熱変形が行われている。一方、本発明のラジアントチューブ式加熱装置(b)では、バーナー側の固定点B1と実質拘束点B2の間で熱変形が行われている。このために、本発明においては、第1直管、第1ベンド、第2直管、第2ベンド、第3直管、第3ベンドおよび第4直管の各部に分散され、熱変形が特定部に集中することが緩和され最大変形量が抑制されることが判る。
【0015】
図3は、従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置(a)と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置(b)におけるチューブ長手方向の温度分布を示す図である。上述したように、従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置(a)においては、熱変形の拘束点はシュミレーション解析の結果実質上、A2の点となっており、また、バーナー側の固定点A1との二点拘束状態の元で、チューブ長手方向の温度偏差は最大△Taとなり、変形が第1直管、第1ベンド、第2直管、第2ベンドに集中している。これに対し、本発明のラジアントチューブ式加熱装置(b)では、チューブ長手方向の温度偏差は最大△Tbと比較的小さく、従って、各部の熱応力が分散により低く抑えられ、その結果ラジアントチューブの高温クリープ変形が大幅に抑制されるので、チューブの変形や亀裂の発生などが小さく、従来に比べ、ラジアントチューブの寿命延長が可能となる。
【0016】
図4は、チューブ熱変形に対する断面性能の違いを説明する概念図である。すなわち、それぞれのラジアントチューブ式加熱装置における横変位の状況を示しており、従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置(a)における断面a−aでは、第1ベンドと第2ベンドが離れて位置しているため、第1直管、第1ベンドおよび第2直管により形成される断面の性能が単独化してしまうことにより、その断面性能自体が小さくなっており、チューブ長手方向の温度分布に起因する熱変形に対してその抵抗が小さく、大きな横変形δaを生じていることが判る。そのため、チューブに一旦横変形が生じると、チューブ内の燃焼排ガス流れに影響が発生し、チューブ外周方向の温度差がさらに助長されることになり、その結果横変形δaは益々おおきくなる。一方、本発明によるラジアントチューブ式加熱装置(b)では、断面b−bに示すように断面性能が大きくなっており、チューブの熱による横変形δbを小さくすることが出来る。
【0017】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のような形状のラジアントチューブ式加熱装置にすることにより、ラジアントチューブ長手方向での温度勾配による高温クリープ変形や熱変形を抑制することができ、従って、亀裂やつぶれ現象の発生を防止しつつラジアントチューブの寿命を飛躍的に向上させることが可能となる。特に、定常使用時の熱変形抑制に加えて、炉昇温時等における冷間からの過渡的温度上昇過程でのチューブ長手方向温度差に起因する熱変形をもラジアントチューブの各部が分散負担することによって軽減できるため、ラジアントチューブの寿命延長に果たす効果は大きい。また、本発明では従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置のようにバーナーと他端に設けられた熱交換器を接続する予熱空気の連結管が殆ど必要でなくなるため、連結管からの熱放散が殆どなくなり、相当分の熱効率向上効果が得られる。同時にバーナー前の作業環境を改善することができ、バーナーの燃焼状況の点検作業などがやり易くなる等極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るラジアントチューブバーナーの全体構成図、
【図2】従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置におけるチューブの変形状態を示す図、
【図3】従来のW型ラジアントチューブ式加熱装置と本発明によるラジアントチューブ式加熱装置におけるチューブ長手方向の温度分布を示す図、
【図4】チューブ熱変形に対する断面性能の違いを説明する概念図である。
【符号の説明】
1 バーナー
2 熱交換器
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 第4ベンド
11 第5直管
12 第5ベンド
13 第6直管
14、15、16 サポート
17、19 ブラケット
18、20 チューブ受け
21 炉殻
22 耐火物
23 燃料導入口
24 燃焼空気導入口
25 排ガス管
26 連結管
Claims (1)
- 一端にバーナーを装着し、他端にU字形の第1ベンドを接続した第1直管と、それぞれ両端にU字形の第3ベンドおよび第4ベンドを接続した第4直管とを、炉幅方向に、かつ両直管を平行に配設し、第1直管と第4直管の間に、該直管より短い第2直管および第3直管、第5直管および第6直管を設け、第2直管と第3直管をU字形の第2ベンドで接続すると共に、第2直管は前記第1ベンドと、第3直管は前記第3ベンドとそれぞれ接続し、一方第5直管と第6直管をU字形の第5ベンドで接続するとともに、第5直管は前記第4ベンドと、第6直管は炉外排ガス管にそれぞれ接続し、第2ベンドと第5ベンドが炉幅方向において相対するように配置したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
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