JPS5823104Y2 - heat exchange tube - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はチューブ内側が酸化性雰囲気でチューブ外側が
還元性雰囲気であり、かつ約 ８００〜１３００℃の温度条件下において長期間使用可
能な熱交換チューブに関する。[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a heat exchange tube that has an oxidizing atmosphere inside the tube and a reducing atmosphere outside the tube, and can be used for a long period of time under a temperature condition of about 800 to 1300°C.

弱酸化性雰囲気または不活性雰囲気あるいは弱還元性雰
囲気に使用される熱交換チューブ、たとえは輻射管加熱
炉のラジアントチューブとしてはクロム、ニッケル合金
耐熱鋼（ＨＫ、ＨＨなと）が多く使用されているが、こ
の場合のチューブ温度は１０００℃程度が最高で、これ
以上の温度では強度が急速に低下し、変形、たわみなど
が発生する。Heat exchange tubes used in weakly oxidizing atmospheres, inert atmospheres, or weakly reducing atmospheres, such as radiant tubes in radiation tube heating furnaces, are often made of chromium and nickel alloy heat-resistant steels (HK, HH, etc.). However, the maximum temperature of the tube in this case is about 1000°C; at temperatures higher than this, the strength rapidly decreases and deformation and deflection occur.

また、９００〜１０００℃での使用においても、この現
象はあられれる。This phenomenon also occurs when used at temperatures of 900 to 1000°C.

さらに、雰囲気が少なくともＣまたはＣＯを含む還元性
雰囲気の場合は浸炭の問題が生ずるため、耐熱合金鋼は
適しない。Furthermore, if the atmosphere is a reducing atmosphere containing at least C or CO, carburization problems will occur, so heat-resistant alloy steel is not suitable.

従って、還元性雰囲気に対しては炭化珪素の不定形耐火
物の使用が考慮される（実願昭５３−１６６８２８号明
細書参照）。Therefore, for reducing atmospheres, the use of monolithic silicon carbide refractories is considered (see specification of Utility Model Application No. 166828/1983).

この炭化珪素系材質は浮遊層式還元プロセスの場合のよ
うにチューブ外側の還元性雰囲気に対しては非常に安定
したものであるが、上記ラジアントチューブとして使用
する場合などはチューブ内側は酸化性または弱酸化性雰
囲気となり、炭化珪素が劣化し、ふくれ現象が生じ、寿
命を縮めるという欠点がある。This silicon carbide material is very stable against the reducing atmosphere on the outside of the tube, as in the case of floating bed reduction process, but when used as the radiant tube mentioned above, the inside of the tube is oxidizing or This has the drawback of creating a weakly oxidizing atmosphere, deteriorating silicon carbide, causing blistering, and shortening the service life.

すなわち、炭化珪素は酸化性雰囲気では次の酸化反応を
受けて劣化し、その特性を損うことがあり、特に９００
℃以上ではその傾向が強くあられれる。In other words, in an oxidizing atmosphere, silicon carbide undergoes the following oxidation reaction and deteriorates, which may impair its properties.
This tendency becomes stronger at temperatures above ℃.

ＳｉＣ＋２０２＝ＳｉＯ２＋ＣＯ２ ＳｉＣ＋２ＣＯ２＋＋０２＝ＳｉＯ２＋３ＣＯ３ＩＣ＋
０２ ＝ ＳｉＣ＋Ｃ０ ３ｉＣ＋２Ｈ２０−３ｉＯ２＋ＣＨ４ この酸化劣化を防止する方法として耐火材ＳｉＣ表面に
おいて上記酸化反応によって生じたＳｉＯ２を吸収して
ガラス化して表面を被覆するような適当な結合材を使用
する方法が提案されている。SiC+202=SiO2+CO2 SiC+2CO2++02=SiO2+3CO3IC+
02 = SiC+C0 3iC+2H20-3iO2+CH4 As a method to prevent this oxidative deterioration, a method has been proposed in which a suitable bonding material is used to absorb SiO2 generated by the above oxidation reaction on the surface of the refractory material SiC, vitrify it, and cover the surface. ing.

本考案は上記の従来技術の欠点を解決し、チューブの内
側が酸化性雰囲気でチューブ外側が還元性雰囲気であり
、かつ約８００〜１３００℃の温度条件下で長期間使用
可能な熱交換チューブを提供するもので゛、その要旨と
するところは、チューブ内側の酸化性雰囲気側からチュ
ーブ外側の還元性雰囲気側に熱移動させる熱交換チュー
ブにおいて、炭化珪素または炭化珪素相当の熱伝導率を
有するセラミック材よりなる外側チューブと該外側チュ
ーブに内張すされかつエキスパンションジヨイントを気
密構造で取りつけた耐熱合金鋼よりなる内側チューブと
の二重管構造よりなることを特徴とする熱交換チューブ
、にあや。The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, and provides a heat exchange tube that has an oxidizing atmosphere inside the tube and a reducing atmosphere outside the tube, and can be used for a long period of time under a temperature condition of about 800 to 1300 degrees Celsius. The gist is that silicon carbide or a ceramic having a thermal conductivity equivalent to silicon carbide is used in heat exchange tubes that transfer heat from the oxidizing atmosphere inside the tube to the reducing atmosphere outside the tube. A heat exchange tube characterized by having a double-tube structure consisting of an outer tube made of steel and an inner tube made of heat-resistant alloy steel, which is lined with a lining and an expansion joint is attached in an airtight structure to the outer tube. .

次に、本考案を図面によって説明する。Next, the present invention will be explained with reference to the drawings.

第１図は本考案の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
のＡ−Ａ断面図、第３図ａは第１図の実施例の内側チュ
ーブに対するエキスパンションジヨイントの取付けを示
す一例の断面図、同じくｂとＣはいずれもａの変形例で
ある。Fig. 1 is a longitudinal sectional view of one embodiment of the present invention, Fig. 2 is a sectional view taken along line A-A in Fig. 1, and Fig. 3a shows the attachment of the expansion joint to the inner tube of the embodiment of Fig. 1. In the cross-sectional view of the example shown, b and C are both modified examples of a.

第１図および第２図において、本実施例は炭化珪素また
は炭化珪素相当の熱伝導率を有するセラミック材はりな
る外側チューブ１と外側チューブ１に内張すされかつエ
キスパンションジヨイント３を溶接で取り付けた耐熱合
金鋼よりなる内側チューブ２との二重管構造よりなりか
つ外側チューブ１は少なくとも炭素または一酸化炭素を
含む還元性雰囲気に接触し、内側チューブ２は上記還元
性雰囲気より高温の、少なくとも酸素、炭酸ガス、水蒸
気のいずれかを含む酸化性雰囲気に接触する構成である
。1 and 2, this embodiment shows an outer tube 1 made of silicon carbide or a ceramic material having a thermal conductivity equivalent to silicon carbide, and an expansion joint 3 that is lined with the outer tube 1 and attached by welding. The outer tube 1 is in contact with a reducing atmosphere containing at least carbon or carbon monoxide, and the inner tube 2 is in contact with at least a reducing atmosphere containing at least carbon or carbon monoxide. The structure is such that it comes into contact with an oxidizing atmosphere containing oxygen, carbon dioxide, or water vapor.

第２図において、外側チューブ１のＸ面は還元性雰囲気
に触れており、内側チューブ２のＹ面は酸化性雰囲気に
触れている。In FIG. 2, the X-plane of the outer tube 1 is in contact with a reducing atmosphere, and the Y-plane of the inner tube 2 is in contact with an oxidizing atmosphere.

通常炭化珪素のごとき熱交換セラミック材の熱膨張率は
０．４〜０．６Ｘ１０−であり、耐熱合金鋼のそれは１
３．０〜２２．ＯＸ １０”である。Normally, the coefficient of thermal expansion of heat exchange ceramic materials such as silicon carbide is 0.4 to 0.6X10-, and that of heat-resistant alloy steel is 1
3.0-22. OX 10”.

いま、単純に上記材質でそれぞれ製作した２００ ｍｍ
φチューブを１０００℃まで加熱した場合、両チューブ
の膨張差は、熱膨張率をそれぞれセラミック材製チュー
ブで０．５Ｘ１０＝、耐熱合金鋼製チューブで１８ Ｘ
１０−とじて比較すると、 （１８−０゜５） ＸＩＯ’Ｘ１０３Ｘ２００＝３．５
ｍｍとなる。Now, 200 mm each was simply made from the above materials.
When a φ tube is heated to 1000℃, the difference in expansion between both tubes is 0.5X10 for the ceramic tube and 18X for the heat-resistant alloy steel tube.
Comparing 10-, (18-0゜5) XIO'X103X200=3.5
It becomes mm.

従って、上記熱交換セラミック材よりなる外側チューブ
と耐熱合金鋼よりなる内側チューブとの二重管構造より
なり、かつ内側チューブにエキスパンションジヨイント
を取り付けない２００ｍｍφの熱交換チューブを考え、
これを同様に１０００℃まで加熱した場合、第２図に示
す両チューブの境界面の２面の隙間を常温でゼロに製作
しておくと、１０００℃では上記の膨張差に相当する熱
応力をチューブに発生させ、チューブ破損の原因となる
。Therefore, we considered a 200 mm diameter heat exchange tube that has a double tube structure of an outer tube made of the above-mentioned heat exchange ceramic material and an inner tube made of heat-resistant alloy steel, and in which no expansion joint is attached to the inner tube.
If this is heated to 1000℃ in the same way, if the gap between the two interfaces of both tubes shown in Figure 2 is made zero at room temperature, the thermal stress corresponding to the above expansion difference will be reduced at 1000℃. This can occur in the tube and cause tube damage.

また、常温で２面で３．５ｍｍ相当の隙間をつくって製
作すれは゛、１０００℃では隙間はゼロとなるが、１０
００℃以下では２面に隙間を生じ、熱伝導を極端に悪く
シ、熱交換チューブとしての性能を低下させることにな
る。Also, if you create a gap equivalent to 3.5mm on two sides at room temperature, the gap will be zero at 1000℃, but 10
If the temperature is below 00°C, a gap will be formed between the two sides, resulting in extremely poor heat conduction and lowering the performance as a heat exchange tube.

さらに、内側チューブの温度分布は必ずしも一様でなく
、上記セラミック材と耐熱合金鋼の熱膨張率を正確に把
握して使用温度において上記２面の隙間をゼロとするこ
とばはとんど不可能である。Furthermore, the temperature distribution in the inner tube is not necessarily uniform, and it is almost impossible to accurately grasp the coefficient of thermal expansion of the ceramic material and heat-resistant alloy steel and to eliminate the gap between the two surfaces at the operating temperature. It is.

本考案のチューブは上記のごとく、内側チューブ２に内
側チューブ２と同一材質のエキスパンションジヨイント
３を取り付けた構成とすることによって、上記の熱膨張
差を２面に隙間を生せしめることなく吸収し、内側チュ
ーブ温度を自由に選ぶことを可能ならしめかつ外側チュ
ーブ１によって還元性雰囲気での浸炭を防止し、内側チ
ューブ２によって酸化性雰囲気に十分耐えることができ
るのである。As mentioned above, the tube of the present invention has a structure in which the expansion joint 3 made of the same material as the inner tube 2 is attached to the inner tube 2, so that the above-mentioned difference in thermal expansion can be absorbed without creating a gap between the two sides. The inner tube temperature can be freely selected, the outer tube 1 prevents carburization in a reducing atmosphere, and the inner tube 2 can sufficiently withstand an oxidizing atmosphere.

本考案のチューブの強度は内側チューブ２の材質の熱間
強度に依存するものであり、内側チューブ２に上記のよ
うに内側チューブ２と同一材質のエキスパンションジヨ
イント３を設けることは本考案のチューブの性能に対し
て何ら影響を与えるものではない。The strength of the tube of the present invention depends on the hot strength of the material of the inner tube 2, and providing the expansion joint 3 made of the same material as the inner tube 2 as described above in the tube of the present invention It has no effect on the performance.

第３図ａ、ｌ）、ｃはいずれも内側チューブ２に対する
エキスパンションジヨイント３の取付けの一例を示すも
のである。Figures 3a, l) and c all show an example of how the expansion joint 3 is attached to the inner tube 2.

通常は上述したように、エキスパンションジヨイント３
は内側チューブ２と同一材質の薄い板でつくられ、製作
上内側チューブ２の外部から取り付ける構造である。Usually, as mentioned above, the expansion joint 3
is made of a thin plate made of the same material as the inner tube 2, and has a structure in which it is attached from the outside of the inner tube 2 due to manufacturing reasons.

エキスパンションジヨイント３の形状は第３図に示すも
のに限定されるものではなく、またエキスパンション量
は数ｍｍと小さいものであり、形状は主として製作上の
容易さによって決定される。The shape of the expansion joint 3 is not limited to that shown in FIG. 3, and the amount of expansion is as small as several mm, and the shape is determined mainly by ease of manufacturing.

次に、本考案のチューブの製作法について略述する。Next, a method for manufacturing the tube of the present invention will be briefly described.

（１）耐熱合金鋼よりなる内側チューブを型枠としてセ
ラミック材を鍛造しまたは鋳込み、同時成形して二重管
構造の本考案のチューブとする。(1) Using an inner tube made of heat-resistant alloy steel as a mold, a ceramic material is forged or cast and simultaneously molded to obtain the tube of the present invention having a double tube structure.

（２）セラミック材よりなる外側チューブと耐熱合金鋼
よりなる内側チューブを別々に成形し、成形後両者を嵌
合させて二重管構造の本考案のチューブとする。(2) The outer tube made of ceramic material and the inner tube made of heat-resistant alloy steel are molded separately, and after molding, they are fitted to form the tube of the present invention having a double tube structure.

その場合の両チューブ間の隙間Ｓを次のごとくする。In that case, the gap S between both tubes is as follows.

Ｓ≦（α１−α２）×ＴｘＤｉ α１・・・・・・内側チューブの熱膨張率α２・・・・
・・外側チューブの熱膨張率Ｔ・・・・・・チューブの
使用温度 Ｄ１・・・・・・外側チューブの内径 本考案の効果は次の通りである。S≦(α1-α2)×TxDi α1... Coefficient of thermal expansion of inner tube α2...
... Coefficient of thermal expansion T of the outer tube ... Operating temperature D1 of the tube ... Inner diameter of the outer tube The effects of the present invention are as follows.

（１）本考案のチューブは酸化性雰囲気側と還元性雰囲
気側間の熱交換に対し、浸炭、変形、強度低下をひき起
こすことなく、長期間使用することができる。(1) The tube of the present invention can be used for a long period of time without causing carburization, deformation, or strength reduction during heat exchange between the oxidizing atmosphere side and the reducing atmosphere side.

（２）二重管構造における熱膨張差をエキスパンション
ジヨイントで吸収することができる。(2) The expansion joint can absorb the difference in thermal expansion in the double pipe structure.

（３）温度変化に際しても二重管境界面に隙間を生せし
めることなく、熱交換チューブの重要特性である熱伝導
率を使用温度によって下げる恐れもない。(3) Even when the temperature changes, no gap is created at the interface between the double tubes, and there is no fear that the thermal conductivity, which is an important property of heat exchange tubes, will decrease depending on the operating temperature.

本考案のチューブは浮遊層式還元プロセスの加熱装置お
よび輻射管加熱炉のラジアントチューブとして最適であ
り、約８００〜１３００℃の高温下において長期間使用
することができる。The tube of the present invention is most suitable as a heating device for a floating bed reduction process and a radiant tube for a radiant tube heating furnace, and can be used for a long period of time at high temperatures of about 800 to 1300°C.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本考案の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
のＡ−Ａ断面図、第３図ａは第１図の実施例の内側チュ
ーブに対するエキスパンションジヨイントの取付けの一
例を示す断面図、同じくｂおよびＣはいずれもａの変形
例である。 図において、１・・・・・・セラミック材製の外側チュ
ーブ、２・・・・・・耐熱合金鋼製の内側チューブ、３
・・・・・・エキスパンションジヨイント。Fig. 1 is a longitudinal cross-sectional view of one embodiment of the present invention, Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in Fig. 1, and Fig. 3a shows how the expansion joint is attached to the inner tube of the embodiment of Fig. 1. In the sectional view showing an example, b and C are both modified examples of a. In the figure, 1... Outer tube made of ceramic material, 2... Inner tube made of heat-resistant alloy steel, 3
...Expansion joint.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] チューブ内側の酸化性雰囲気側からチューブ外側の還元
性雰囲気側に熱移動させる熱交換チューブにおいて、炭
化珪素または炭化珪素相当の熱伝導率を有するセラミッ
ク材よりなる外側チューブと該外側チューブに内張すさ
れかつエキスパンションジヨイントを気密構造で取り付
けた耐熱合金鋼よりなる内側チューブとの二重管構造よ
りなることを特徴とする熱交換チューブ。In a heat exchange tube that transfers heat from the oxidizing atmosphere inside the tube to the reducing atmosphere outside the tube, an outer tube made of silicon carbide or a ceramic material having a thermal conductivity equivalent to silicon carbide and an inner lining of the outer tube are used. A heat exchange tube characterized by having a double tube structure with an inner tube made of heat-resistant alloy steel and an expansion joint attached in an airtight structure.