JP6323366B2

JP6323366B2 - ラジアントチューブ

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Publication number: JP6323366B2
Application number: JP2015040941A
Authority: JP
Inventors: 和也瀬尾; 今関　敏夫; 敏夫今関; 祐治古川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: JP2016161221A

Description

本発明は、工業用加熱炉に用いられるラジアントチューブに関するものである。

従来から、工業用加熱炉における金属帯等の加熱装置として、ラジアントチューブを用いたバーナ（ラジアントチューブバーナ）が設置されることが多い（例えば、特許文献１）。

ラジアントチューブには、その形状によって、Ｕ型、Ｗ型、Ｚ型などがあるが、ここでは、Ｗ型のラジアントチューブを例にして述べる。

そのような従来のラジアントチューブの一例を図５に示す。図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＰ断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）におけるＱ断面図である。

図５に示すように、このラジアントチューブ８０は、４本の円形断面の直管（第１直管８１、第２直管８２、第３直管８３、第４直管８４）と３本の円形断面の曲管（第１曲管８５、第２曲管８６、第３曲管８７）を備えた構造となっている。

そして、ラジアントチューブ８０は加熱炉内に設置されて、加熱炉内を上下方向に走行する金属帯等の被加熱材（図示せず）の表面に直管８１〜８４の側面が対向するように配置されている。バーナ本体（図示せず）から噴射された燃焼ガス７は、ラジアントチューブ８０の内部を通過し、排ガス８として系外に排出される。

その際に、燃焼ガス７の温度が１０００℃以上となる極めて高温で操業する場合があり、そのためにラジアントチューブ８０の各管８１〜８７（特に、直管８１〜８４）はそれぞれ管軸方向に熱伸びする。そこで、炉壁１に設置された炉側サポート２とラジアントチューブ８０側に設けられた管側サポート３によってラジアントチューブ８０が支持されるようにし、炉側サポート２と管側サポート３の間の摺動部４にて、上記の熱伸び分だけ摺動することで、ラジアントチューブ８０に熱拘束力が生じない構造にしている。

従来、このようなラジアントチューブ８０は、鋳造によって一体的に製造されるのが一般的であったが、鋳造特有の引き巣とよばれる鋳造欠陥が生じるため、溶湯が満遍なくいきわたるように、ある程度の肉厚（例えば、８ｍｍ程度）で鋳造する必要があった。その結果、重量が大きくなり、加熱炉内で自重によるクリープ変形が大きくなることが問題であった。

そこで、近年は、耐熱金属板を成形して溶接接合した溶接管をラジアントチューブ８０の直管８１〜８４と曲管８５〜８７に用い、それらの各管８１〜８７を溶接で接続する構造（溶接構造）とするのが主流となっている。これによって、ラジアントチューブ８０の各管８１〜８７の薄肉化（例えば、３ｍｍ程度）・軽量化が可能となり、自重によるクリープ変形は防止できるようになった。

しかしながら、ラジアントチューブ８０の各管８１〜８７を薄肉化したことに伴って、ラジアントチューブ８０の各管８１〜８７の断面性能が著しく低下し、特に、直管８１〜８４が曲げ荷重によって割損するという問題があった。すなわち、ラジアントチューブ８０内のガス温度は、ガス流れ方向の下流ほど温度が低くなるので、直管部８１、８２、８３、８４が等しくは熱伸びしない。そのため、上述した摺動部４での熱伸び吸収作用が適切に機能しなくなり、ラジアントチューブ８０全体が歪んで曲げ荷重が作用し、直管８１〜８４が割損に至ることになる。

この問題に対して、図６に示すようなラジアントチューブが提案されている（例えば、特許文献２）。ここで、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＲ断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）におけるＳ断面図である。

図６に示すように、このラジアントチューブ９０は、４本の楕円形断面の直管（第１直管９１、第２直管９２、第３直管９３、第４直管９４）と３本の円形断面の曲管（第１曲管９５、第２曲管９６、第３曲管９７）が接続されて構成されている。なお、直管９１〜９４の断面の楕円形は、上下方向（被加熱材の走行方向）を長軸としている。

このように、楕円形断面の直管９１〜９４を用いることによって、上記の円形断面の直管８１〜８４に比べて断面性能が向上するので、曲げ荷重による割損を低減させることができる。

特開平９−３０３７１１号公報特開平５−２８５５３３号公報

しかしながら、最近、工業製品に対する高性能・高品質の要求が強くなり、工業用加熱炉における加熱条件も厳しくなったため、ラジアントチューブの熱負荷もますます大きくなってきた。

それにともなって、図６に示したような、楕円形断面の直管９１〜９４を有するラジアントチューブ９０であっても、曲げ荷重による割損が増加するようになってきた。

しかも、このラジアントチューブ９０は、図６に示したように、楕円形断面の直管９１〜９４と円形断面の曲管９５〜９７の接続部が断面急変部９９となるので、この断面急変部９９を起点とした割損も生じるようになってきた。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、工業用加熱炉に用いられる溶接構造のラジアントチューブとして、高強度で長寿命のラジアントチューブを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］溶接管からなる直管と曲管を溶接で接続した溶接構造のラジアントチューブにおいて、前記直管と前記曲管の断面形状が同一の楕円形であるとともに、直管の曲がり防止用の補強材を有することを特徴とするラジアントチューブ。

［２］前記補強材が、前記直管の内部において前記楕円形の長軸または／および短軸に配置された補強材である前記［１］に記載のラジアントチューブ。

［３］前記直管の内部に熱伝達用のフィンを有することを特徴とする前記［１］または［２］に記載のラジアントチューブ。

なお、本発明において、直管あるいは曲管の断面形状とは、当該直管あるいは曲管の管軸に垂直な断面の形状を意味している。

本発明によれば、工業用加熱炉に用いられる溶接構造のラジアントチューブとして、高強度で長寿命のラジアントチューブを提供することができる。

本発明の実施形態１に係るラジアントチューブを示す図である。本発明の実施形態２に係るラジアントチューブを示す図である。本発明の実施例１における断面性能の比較図である。本発明の実施例２における温度変化（熱効率）の比較図である。従来のラジアントチューブ（直管が円形断面）を示す図である。従来のラジアントチューブ（直管が楕円形断面）を示す図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係るラジアントチューブ１０を示す図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ断面図である。

図１に示すように、このラジアントチューブ１０は、４本の楕円形断面の直管（第１直管１１、第２直管１２、第３直管１３、第４直管１４）と３本の楕円形断面の曲管（第１曲管１５、第２曲管１６、第３曲管１７）が溶接で接続されて構成されている。

ここで、直管１１〜１４と曲管１５〜１７は断面形状が同一の溶接管であり、直管１１〜１４の断面の楕円形は、上下方向（金属帯等の被加熱材の走行方向）を長軸としていて、曲管１５〜１７は直管１１〜１４との間で断面急変部が生じないように接続されている。なお、上記の断面の楕円形については、隣接する直管同士の干渉等を考慮して、長径と短径の比を１．２〜１．４程度にするのが好ましい。

そして、それに加えて、このラジアントチューブ１０は、図１（ｂ）に直管１１を代表させて示すように、直管１１〜１４の内部に、直管１１〜１４の曲がり防止用の補強材３１、３２が配置されている。ここでは、補強材３１は直管１１〜１４の楕円形断面の長軸に配置され、補強材３２は直管１１〜１４の楕円形断面の短軸に配置されている。なお、補強材３１、３２は、直管１１〜１４の管軸方向全体にわたって配置されていてもよいし、場合によっては、直管１１〜１４の管軸方向に所定の間隔をおいて配置されていてもよい。

このようにして、この実施形態１に係るラジアントチューブ１０においては、直管１１〜１４が曲がり防止用の補強材３１、３２を備えているので、断面性能が向上して、曲げ荷重による直管１１〜１４の割損が抑制されるとともに、直管１１〜１４と曲管１５〜１７の間に断面急変部がないので、断面急変による割損は生じない。

したがって、この実施形態１に係るラジアントチューブ１０は、高強度で長寿命のラジアントチューブとなっている。

なお、補強材３１、３２の材質は、直管１１〜１４、曲管１５〜１７の材質（例えば、耐熱鋼）と同じものにすればよい。また、補強材３１、３２の厚さは、５〜１０ｍｍ程度にすればよい。

そして、上記のように、直管１１〜１４の内部に補強材３１、３２を配置する際には、予め、直管１１〜１４を管軸に沿って２分割しておき、そこに補強材３１、３２を配置した後、２分割した個所を溶接接合すればよい。

その際に、補強材３１、３２は、直管１１〜１４に接合されていなくとも、直管１１〜１４の曲がり防止機能は発揮できるので、直管１１〜１４に対して、管軸方向の位置決めをする程度に溶接接合をされていればよい。

また、補強材３１、３２を直管１１〜１４の管軸方向全体にわたって配置する場合には、直管１１〜１４の管端から補強材３１、３２を差し込むようにしてもよい。

なお、この実施形態１では、楕円形の長軸側の補強材３１と楕円形の短軸側の補強材３２を配置しているが、補強材３１、３０のいずれか一方だけを配置することでもよい。また、直管１１〜１４の楕円形の他の個所に補強材を配置してもよい。さらに、直管１１〜１４の外部に補強材を配置してもよい。

［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係るラジアントチューブ２０を示す図である。図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＣ断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＤ断面図である。

図２に示すように、このラジアントチューブ２０の基本的な構成は、上記のラジアントチューブ１０と同じである。

すなわち、このラジアントチューブ２０は、４本の楕円形断面の直管（第１直管２１、第２直管２２、第３直管２３、第４直管２４）と３本の楕円形断面の曲管（第１曲管２５、第２曲管２６、第３曲管２７）が溶接で接続されて構成されている。

ここで、直管２１〜２４と曲管２５〜２７は断面形状が同一の溶接管であり、直管２１〜２４の断面の楕円形は、上下方向（金属帯等の被加熱材の走行方向）を長軸としていて、曲管２５〜２７は直管２１〜２４との間で断面急変部が生じないように接続されている。

そして、図２（ｂ）に直管２１を代表させて示すように、直管２１〜２４の内部に、直管２１〜２４の曲がり防止用の補強材３１、３２が配置されている。ここで、補強材３１は直管２１〜２４の楕円形断面の長軸に配置され、補強材３２は直管２１〜２４の楕円形断面の短軸に配置されている。なお、補強材３１、３２は、直管２１〜２４の管軸方向全体にわたって配置されていてもよいし、場合によっては、直管２１〜２４の管軸方向に所定の間隔をおいて配置されていてもよい。

その上で、このラジアントチューブ２０は、上記のラジアントチューブ１０と異なり、図２（ｂ）に直管２１を代表させて示すように、直管２１〜２４の内部に、熱伝達用のフィン３３が配置されている。

その理由は、次の如くである。すなわち、直管２１〜２４の断面を楕円形にすることで、被加熱材（金属帯）の表面と対向する表面積が大きくなるために、輻射効率は上昇するが、一方で、燃焼ガスの流路面積が大きくなるために、燃焼ガスの流速が小さくなり、燃焼ガスから管内面への熱伝達量が小さくなり、全体としては熱効率が低下する可能性がある。そこで、直管２１〜２４の内部に、熱伝達用のフィン３３を配置することによって、燃焼ガスと管内面との接触面積を増加させて、燃焼ガスから管内面への熱伝達量を大きくし、熱効率を向上させている。

なお、フィン３３は、直管２１〜２４の管軸方向全体にわたって配置されているのが好ましいが、場合によっては、直管２１〜２４の管軸方向に所定の間隔をおいて配置されていてもよい。

このようにして、この実施形態２に係るラジアントチューブ２０においては、直管２１〜２４が曲がり防止用の補強材３１、３２を備えているので、断面性能が向上して、曲げ荷重による直管２１〜２４の割損が抑制されるとともに、直管２１〜２４と曲管２５〜２７の間に断面急変部がないので、断面急変による割損は生じない。さらに、直管２１〜２４が熱伝達用のフィン３３を備えているので、熱効率を向上させることができる。

したがって、この実施形態２に係るラジアントチューブ２０は、高強度で長寿命で高効率のラジアントチューブとなっている。

なお、フィン３１の材質は、補強材３１、３２と同様に、直管２１〜２４、曲管２５〜２７の材質（例えば、耐熱鋼）と同じものにすればよい。また、フィン３１の寸法は、厚さが２〜４ｍｍ程度、幅（管径方向の長さ）が１０〜２０ｍｍ程度にすればよい。

また、上記のように、直管２１〜２４の内部に補強材３１、３２とフィン３３を配置する際には、予め、直管２１〜２４を管軸に沿って２分割しておき、そこに補強材３１、３２とフィン３３を配置した後、２分割した個所を溶接接合すればよい。

その際に、補強材３１、３２は、直管２１〜２４に接合されていなくとも、直管２１〜２４の曲がり防止機能は発揮できるので、直管２１〜２４に対して、管軸方向の位置決めをする程度の溶接接合をされていればよい。

また、補強材３１、３２を直管２１〜２４の管軸方向全体にわたって配置する場合には、直管２１〜２４の管端から補強材３１、３２を差し込むようにしてもよい。

一方、フィン３３は、その熱伝達向上機能を充分に発揮できるように、直管２１〜２４と溶接接合によって一体化する。

なお、この実施形態２では、楕円形の長軸側の補強材３１と楕円形の短軸側の補強材３２を配置しているが、補強材３１、３０のいずれか一方だけを配置することでもよい。また、直管２１〜２４の楕円形の他の個所に補強材を配置してもよい。さらに、直管２１〜２４の外部に補強材を配置してもよい。

そして、上記の実施形態１、２では、Ｗ型のラジアントチューブについて説明したが、本発明は、Ｕ型やＺ型等の他のラジアントチューブについても同じように適用することができる。

本発明の実施例１として、ラジアントチューブの断面性能について調べた。

その際に、本発明例１として、図１に示した、本発明の実施形態１に係るラジアントチューブ１０を用いた。直管１１〜１４と曲管１５〜１７は、楕円形断面の長径と短径の比が１．３であり、肉厚が３ｍｍであった。そして、補強材３１、３２は、厚さが６ｍｍで、直管１１〜１４の全長にわたって配置した。

一方、比較のために、従来例１として、図５に示した、従来のラジアントチューブ８０を用いた。直管８１〜８４、曲管８５〜８７は、円形断面の直径が本発明例１の短径と同じであり、肉厚が３ｍｍであった。

また、従来例２として、図６に示した、従来のラジアントチューブ９０を用いた。直管９１〜９４は、楕円形断面の長径と短径の比が１．３であり、肉厚が３ｍｍであった。曲管９５〜９７は、円形断面の直径が本発明例１の短径と同じであり、肉厚が３ｍｍであった。

図３に、本発明例１と従来例１、２の断面性能（断面係数）の比較を示す。なお、図３では、従来例１の断面係数を１．０としている。

図３に示すように、本発明例１では、従来例１、２に比べて、断面性能（断面係数）が大幅に向上している。

本発明の実施例２として、ラジアントチューブの熱効率について調べた。

その際に、本発明例２として、図２に示した、本発明の実施形態２に係るラジアントチューブ２０を用いた。直管２１〜２４と曲管２５〜２７は、楕円形断面の長径と短径の比が１．３であり、肉厚が３ｍｍであった。そして、補強材３１、３２は、厚さが６ｍｍで、直管２１〜２４の全長にわたって配置した。また、フィン３３は、厚さが３ｍｍ、幅（管径方向の長さ）が１５ｍｍで、直管２１〜２４の全長にわたって配置した。

一方、比較のために、従来例３として、図５に示した、従来のラジアントチューブ８０を用いた。直管８１〜８４、曲管８５〜８７は、円形断面の直径が本発明例２の短径と同じであり、肉厚が３ｍｍであった。

同じく、従来例４として、図６に示した、従来のラジアントチューブ９０を用いた。直管９１〜９４は、楕円形断面の長径と短径の比が１．３であり、肉厚が３ｍｍであった。曲管９５〜９７は、円形断面の直径が本発明例２の短径と同じであり、肉厚が３ｍｍであった。

図４に、本発明例２と従来例３、４における第１直管〜第４直管の表面温度と排ガス温度を示す。

図４に示すように、本発明例２では、従来例３、４に比べて、第１直管、第２直管、第３直管、第４直管となるにつれて表面温度の低下量が大きくなり、最終的に排ガス温度が従来例３、４に比べて大幅に低くなっている。

これは、本発明例２においては、従来例３、４に比べて、燃焼ガスから直管への熱伝達量が増加していることを意味しており、熱効率がよいことを示している。

１炉壁
２炉側サポート
３管側サポート
４摺動部
７燃焼ガス
８排ガス
１０ラジアントチューブ
１１第１直管
１２第２直管
１３第３直管
１４第４直管
１５第１曲管
１６第２曲管
１７第３曲管
２０ラジアントチューブ
２１第１直管
２２第２直管
２３第３直管
２４第４直管
２５第１曲管
２６第２曲管
２７第３曲管
３１長軸側の補強材
３２短軸側の補強材
３３フィン
８０ラジアントチューブ
８１第１直管
８２第２直管
８３第３直管
８４第４直管
８５第１曲管
８６第２曲管
８７第３曲管
９０ラジアントチューブ
９１第１直管
９２第２直管
９３第３直管
９４第４直管
９５第１曲管
９６第２曲管
９７第３曲管
９９断面急変部

Claims

溶接管からなる直管と曲管を溶接で接続した溶接構造のラジアントチューブにおいて、前記直管と前記曲管の断面形状が同一の楕円形であるとともに、前記直管の内部において前記楕円形の長軸または／および短軸に配置され、前記直管の管軸方向全体にわたって、または、管軸方向に所定の間隔をおいて配置される直管の曲がり防止用の補強材を有し、予め前記管軸を管軸に沿って２分割して、そこに前記直管の曲がり防止用の補強材を配置して、前記２分割した箇所を溶接接合し直管とすることを特徴とするラジアントチューブ。
前記直管の内部に熱伝達用のフィンを有することを特徴とする請求項１に記載のラジアントチューブ。