(57)【要約】  耐熱金属製のラジアントチューブは、直管２Ａ，２Ｂ（２Ｃ，２Ｄ）どうしを接続する少なくとも一つのベンド管３Ａ（３Ｃ）を備え、直管２Ａ，２Ｂ（２Ｃ，２Ｄ）の一方からバーナー５の燃焼ガスが吹き込まれ、その特徴として、少なくともバーナー５に最も近接したベンド管３Ａ（３Ｃ）として外径が１５０〜２１０ｍｍで肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体を用いている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直管どうしを接続する少なくとも一つのベンド管を備え、前記直管の一方からバーナーの燃焼ガスが吹き込まれる耐熱金属製のラジアントチューブであって、
少なくとも前記バーナーに最も近接したベンド管として外径が１５０〜２１０ｍｍで肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられていることを特徴とするラジアントチューブ。
【請求項２】
前記ベンド管の前記直管との接続近傍部の肉厚が前記ベンド管の他の部位よりも薄くされてい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。
【請求項３】
前記ベンド管を複数備え、これら複数の前記ベンド管の全てについて肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられていることを特徴とする請求項１または２に記載のラジアントチューブ。
【請求項４】
前記直管の肉厚が７ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のラジアントチューブ。
【請求項５】
前記直管の前記ベンド管との接続近傍部の肉厚が前記直管の他の部位よりも薄くされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のラジアントチューブ。
【請求項６】
前記直管として肉厚が前記ベンド管の肉厚を上回る鋳造体が用いられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のラジアントチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造された金属管からなり、少なくとも一つのベンド管と同ベンド管の両端に接続された一対の直管とを備え、一対の直管の一方からバーナーの燃焼ガスが吹き込まれるラジアントチューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のラジアントチューブに関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１には、ベンド管の２つの開放端に所要長さで直線状に延びるネック部を設けたラジアントチューブが開示されており、この構成では、ベンド管と直管との溶接部に、ベンド管側の圧縮応力と直管側の圧縮応力とが均等に作用するため、溶接部に生じる熱膨張による応力が均等化されて、溶接部に亀裂が生じ難くなったと記されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２７４２０号公報（０００７段落、００１５−１６段落、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記されたラジアントチューブでは、ベンド管が、ベンド管の円弧状の中心軸に関して外周側の大径部分と同中心軸に関して内周側の小径部分とで分割されており、これらの大径部分と小径部分とを互いに対向させた状態で溶接した構成を備えている。したがって、ベンド管と直管との溶接部の問題とは別に、ベンド管の軸心に沿って延びる２つの溶接箇所に、熱膨張などによる亀裂が生じる虞があった。【０００５】
そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術によるラジアントチューブが与える課題に鑑み、バーナーによって吹き込まれる燃焼ガスからの過酷な熱的な条件に対する耐久性が高く、より長期間に亘って使用可能なラジアントチューブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるラジアントチューブの特徴構成は、
一対の直管どうしを接続する少なくとも一つのベンド管を備え、前記一対の直管の一方からバーナーの燃焼ガスが吹き込まれる耐熱金属製のラジアントチューブであって、
少なくとも前記バーナーに最も近接したベンド管として外径が１５０〜２１０ｍｍで肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられている点にある。【０００７】
上記の特徴構成によるラジアントチューブでは、最も熱的条件の過酷な、バーナーに最も近接したベンド管として肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられているので、板材のプレス加工によって得られた管体の端面どうしを溶接して得たベンド管などに比べて、管の肉厚がより均一となり、また、ベンド管の長手方向に延びた溶接部のような応力集中箇所もなくなる。したがって、バーナーの燃焼ガスによる急激な温度上昇や急激な温度降下によるヒートクラックなどが生じ難くなり、結果として、耐熱性が高く長期使用に耐えるラジアントチューブが得られた。【０００８】
また、鋳造体の肉厚が３〜８ｍｍと薄肉化されているために、鋳造時の冷却速度の増大に基づいて金属組織の緻密性が高められている。したがって、最も熱的条件の過酷なバーナーに最も近接したベンド管の耐熱性及び耐熱衝撃性が高められ、より長期使用に耐えるラジアントチューブが得られた。【０００９】
さらに、最も熱的条件の過酷なベンド管の部分が薄肉化されたことで、応力による変形が生じ易くなる。その結果、熱応力を吸収し易くなり、バーナーの燃焼ガスによる急激な温度上昇によってもヒートクラックが生じ難くなった。【００１０】
さらに、バーナーに最も近接したベンド管を薄肉化したことによって、バーナーの燃焼ガスによるベンド管の温度上昇速度が高くなり、且つ、肉厚方向での温度ドロップが小さくなるので、燃料の消費量も従来よりも抑えられた。
また、バーナーに最も近接したベンド管の薄肉化によって、ラジアントチューブが全体として軽量化されるため、取替え工事に要する労力の負担も減少した。【００１１】
本発明の他の特徴構成は、前記ベンド管の前記直管との接続近傍部の肉厚が前記ベンド管の他の部位よりも薄くされている点にある。【００１２】
ベンド管における直管との接合箇所は、管端面に近いという構造的な強度不足や接続のための溶接時に受ける熱による材料の脆弱化などによって、使用中に特に強度的な不足を生じ易い部位となる。しかし、本構成であれば、接続近傍部の肉厚がベンド管の他の部位よりも薄くされているので、鋳造時の冷却速度の増大に基づいて金属組織の緻密性が特に高められており、燃焼ガスからの過酷な熱的条件に対して接続近傍部を除くベンド管の一般部に匹敵する耐久性が確保される。【００１３】
本発明の他の特徴構成は、前記ベンド管を複数備え、これら複数の前記ベンド管の全てについて肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられている点にある。【００１４】
バーナーに最も近接したベンド管のみに肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体を用いてもよいが、本構成であれば、複数のベンド管の全てについて肉厚が３〜８ｍｍの鋳造体が用いられているため、耐熱性の信頼性がさらに高く長期使用に耐えるラジアントチューブが得られた。
また、ラジアントチューブ全体としての軽量化がさらに高められるため、取替え工事に要する労力の負担も更に減少した。【００１５】
本発明の他の特徴構成は、前記直管の肉厚が７ｍｍ以下とされている点にある。【００１６】
本構成のように、直管もベンド管と匹敵する薄肉とすることで、直管のみを厚肉のままとした構成と比べて、ベンド管と直管との接続部の強度を高く保つことができる。【００１７】
本発明の他の特徴構成は、前記直管の前記ベンド管との接続近傍部の肉厚が前記直管の他の部位よりも薄くされている点にある。【００１８】
直管におけるベンド管との接合箇所は、管端面に近いという構造的な強度不足や接続のための溶接時に受ける熱による材料の脆弱化などによって、使用中に特に強度的な不足を生じ易い部位となる。しかし、本構成であれば、接続近傍部の肉厚が直管の他の部位よりも薄くされているので、鋳造時の冷却速度の増大に基づいて金属組織の緻密性が特に高められており、燃焼ガスからの過酷な熱的条件に対して接続近傍部を除く直管の一般部に匹敵する耐久性が確保される。【００１９】
本発明の他の特徴構成は、前記直管として肉厚が前記ベンド管の肉厚を上回る鋳造体が用いられている点にある。【００２０】
本構成であれば、前記ベンド管の肉厚と同等の肉厚を備えた直管を用いている構成よりも、さらに耐熱性が高く長期使用に耐えるラジアントチューブが得られ易い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るラジアントチューブを模式的に示す一部破断側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の一実施形態について図を参照しながら説明する。しかし、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施し得るものである。
【００２３】
図１に示すラジアントチューブ１は、上下に概して等間隔で並置された４つの横向きの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有し、上下に隣接する２つの直管２どうしが合計３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃによって接続されており、全体として概して横向きのＷ字を呈している。
【００２４】
ラジアントチューブ１は、最上段の直管２Ａと最下段の直管２Ｄとによって、乾燥炉や焼成炉その他の熱処理炉の炉壁１０に支持されており、これらの直管２Ａ，２Ｄの端部には、セラミックハニカム等からなる熱回収効率の高い蓄熱体４を間に挟む状態でバーナー５が連接されている。
【００２５】
これらのバーナー５は、例えば最上段の直管２Ａに連接されたバーナー５を燃焼させるときは、最下段の直管２Ｄから排気を行いつつ排熱を下方の蓄熱体４で回収し、最下段の直管２Ｄに連接されたバーナー５に燃焼を切り替えた際に、下方の蓄熱体４で回収した排熱を利用して燃焼空気を予熱することで、バーナー燃焼に要する燃料の使用量を低減できるリジェネレーティブ型となっている。
【００２６】
燃焼空気を供給する燃焼空気ファン７と各バーナー５の間に介装された切り替え弁６によって、燃焼空気を最上段の直管２Ａに連接されたバーナー５で燃焼させて、その排熱を最下段の直管２Ｄに連接された蓄熱体４で回収する状態（実線で示す）と、燃焼空気を最下段の直管２Ｄに連接されたバーナー５で燃焼させて、その排熱を最上段の直管２Ａに連接された蓄熱体４で回収する状態（破線で示す）との間で切り換えることができる。
蓄熱体４を通過した排ガスは切り替え弁６及び排ガス処理装置（不図示）などを介して外気に放出することができる。
【００２７】
ラジアントチューブ１を構成する４つの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ及び３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃはいずれも外径が１８０ｍｍで、２０〜３５重量％のクロム及び３０〜５０重量％のニッケルを含む鋳鋼（耐熱金属製の鋳造体の一例）で形成されている。
直管２とベンド管３との接続は、各管の端面どうしを付き合わせた状態で外周側から行う溶接によって実現されている。
【００２８】
３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃの中で、バーナー５に最も近接した第１ベンド管３Ａと第３ベンド管３Ｃとしては肉厚が３〜８ｍｍの薄肉鋳造体が用いられている。
バーナー５から比較的離間した第２ベンド管３Ｂ、及び、４つの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄとしては肉厚が５ｍｍまたは１０ｍｍの鋳造体が用いられている。
尚、ここで用いている離間や近接という語句は、バーナー５から発されてラジアントチューブ１の内部を移動する火炎または燃焼ガスの経路上におけるバーナー５との距離の長短を意味する。
【００２９】
このように、バーナー５に最も近接したベンド管３に肉厚が３〜８ｍｍの薄肉鋳造体を用いることによって、耐熱性が高く、より長期使用に耐えるラジアントチューブ１が得られる。
これは、鋳造による一体成形によるベンド管では、板材のプレス加工によって得られた左右の管体の端面どうしを管の軸芯に沿って溶接して得たベンド管などに比べて、肉厚がより均一となり、また、ベンド管の長手方向に延びた溶接部のような応力集中箇所もなくなるため、バーナーの燃焼ガスによる急激な温度上昇や急激な温度降下によるヒートクラックなどが生じ難くなるためと考えられる。
【００３０】
また、鋳造体の肉厚が３〜８ｍｍと薄肉化されているために、鋳造後の冷却速度の増大に基づいて金属組織の緻密性が高まることで、耐熱性及び耐熱衝撃性が高められたと考えられる。
さらに、薄肉化されたことで、応力による変形が生じ易くなるので、熱応力を吸収し易くなり、バーナーの燃焼ガスによる急激な温度上昇によってもヒートクラックが生じ難くなったと考えられる。
【００３１】
さらに、バーナー５に最も近接したベンド管３を薄肉化したことによって、バーナーの燃焼ガスによるベンド管の温度上昇速度が高くなり、且つ、肉厚方向での温度ドロップが小さくなるので、燃料の消費量も従来よりも抑えられた。
また、ラジアントチューブ全体として軽量化されるため、取替え工事に要する労力の負担も減少した。
【００３２】
ラジアントチューブ１を構成する４つの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは遠心鋳造法を用いて製造されている。
他方、３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃはいずれも、溶融金属を注入後のキャビティ内を真空ポンプなどによって負圧化する吸引鋳造法を用いているので、薄肉化を実現しながらも、一般には溶融金属の凝固時に生じ易い引け巣や引け緩みが無く、表面の地肌も良好なベンド管が得られている。
尚、更なる軽量化などの目的で、直管においても吸引鋳造法を用いて薄肉化を図ってもよい。
【００３３】
尚、ラジアントチューブ１を構成する４つの横向きの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ及び３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃの外径は１８０ｍｍに限らず、１５０〜２１０ｍｍの範囲であればよく、この範囲であればベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃの肉厚を３〜８ｍｍとすることによる効果が得られ易い。
【実施例１】
【００３４】
下記の表１は、図１に示すラジアントチューブ１を実際に使用した場合に、第３ベンド管３Ｃが受けた熱応力に関する諸特性をシミュレーションによって解析した結果を示す。
このシミュレーションでは、リジェネレーティブ型としての使用を模して、一定の期間に亘って各バーナー５から燃焼ガスが交互に供給され、燃焼された。【００３５】
表１に示すように、各ベンド管３と各直管２の肉厚を種々変更することで、これらの肉厚と、一定の期間に亘って各バーナー５から燃焼ガスを交互に供給した後で第３ベンド管３Ｃが受けた熱応力に関する諸特性との関係を求めた。
表中に記したベンド管肉厚の数値は、３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃの全てに適用されており、同様に、直管肉厚の数値は４つの直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの全てに適用されている。【００３６】
鋳造用の材料としてはＫＨＲ−４８Ｎを用いた。ＫＨＲ−４８Ｎは、１２００℃まで耐酸化性とクリープ破断強度に優れるオ−ステナイト系超耐熱合金とされ、２７重量％のクロムと、４７重量％のニッケルと、５重量％のタングステンを含む。【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示された１０００℃におけるベンド管材料の０．２％耐力（MPa）の測定結果から次の事柄が理解される。
ベンド管３の肉厚を８ｍｍ以下とすることで１００MPaを上回る数値が確保できること、また、８ｍｍ以下よりも７ｍｍ以下が好ましく、６ｍｍ以下がさらに好ましく、ベンド管３の肉厚が薄いほど同数値が高くなる傾向がある。
また、最大応力の測定結果についても、同様に、ベンド管３の肉厚を８ｍｍ以下とすることで、５５MPa以下の低い数値を確保できるという傾向がある。【００３９】
尚、上述した各傾向は、直管２の部位の肉厚が５ｍｍの場合と１０ｍｍの場合とのいずれにおいても基本的に一貫して見られ、直管２の肉厚によってあまり左右されないことが理解される。
但し、直管肉厚を５ｍｍとした例においてベンド管０．２％耐力の測定値を見る限り、直管の肉厚がベンド管の肉厚を上回るラジアントチューブ１の方が高い数値を示す傾向が見られる。
【実施例２】
【００４０】
実施例２では、ＫＨＲ−４８Ｎ以外の材料として、Ａｌｌｏｙ２３０及びＫＨＲ−３５Ｈを用いて、実施例１と同様に、図１に示すラジアントチューブ１を実際に使用した場合に、第３ベンド管３Ｃが受けた熱応力に関する諸特性をシミュレーションによって解析した。【００４１】
ここでも、各ベンド管３と各直管２の肉厚を変更することで、これらの肉厚と、一定の期間に亘って各バーナー５から燃焼ガスを交互に供給した後で第３ベンド管３Ｃが受けた熱応力に関する諸特性との関係を求めた。【００４２】
表２は、Ａｌｌｏｙ２３０（２２重量％のクロムと、５７重量％のニッケルと、２重量％のモリブデンと、１４重量％のタングステンとを含む）についての結果を示し、表３は、ＫＨＲ−３５Ｈ（２５重量％のクロムと、３５重量％のニッケルを含む）についての結果を示す。【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
表２及び表３に示された１０００℃におけるベンド管材料の０．２％耐力（MPa）の測定結果から、ＫＨＲ−４８Ｎ以外の鋼材でもベンド管３の肉厚が小さい方が高い数値が得られている。
最大応力の測定結果についても、ベンド管３の肉厚が小さい方が低い数値が得られるという同様の傾向が得られている。【００４６】
尚、上記の各表中で評価結果を示す記号として用いた「×」は、特にベンド管を中心として、加熱手段としてのラジアントチューブの機能が損なわれるレベルでの割れまたは変形が発生したことを意味する。【００４７】
（解析方法について）
実施例１、２で行った第３ベンド管３Ｃが受けた熱応力に関する諸特性の解析では、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ社製ソフトウェア：ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎを用い、モデルタイプとしては、バーナー入熱側端部２箇所（図１における直管２Ａ，２Ｄの右側端部）を炉の壁面に完全拘束した状態での線形等方性弾性モデルを適用した。【００４８】
解析対象とするラジアントチューブ１の寸法条件としては、幅（壁面に拘束した直管２Ａ，２Ｄの基端からベンド管３Ａ，３Ｃの湾曲した先端部までの長さ）：２２７６ｍｍ×高さ（最上段の直管２Ａの上面から最下段の直管２Ｄの下面までの長さ）：１０８７ｍｍとし、管の外径は直管２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ及び３つのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃの全てに関して１８７ｍｍとした。
解析に用いた各鋼材の諸物性を下記の表４に示す。【００４９】
【表４】
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【００５０】
尚、ベンド管及び直管における互いの被溶接箇所（溶接時に突き合わされる各端面から１０〜３０ｍｍまでの範囲）は、管端面に近いという構造的な強度不足や溶接時に受ける熱による材料の脆弱化などによって、使用中に特に強度的な不足を生じ易い部位となる。したがって、これらの被溶接箇所については、燃焼ガスからの過酷な熱的条件に対する耐久性を確保する目的で、更に薄く、具体的には他の部位よりも１〜２ｍｍ薄く形成されている。【００５１】
また、ラジアントチューブ１を実機に適用する場合は、物理的な負荷を受ける手段として、隣接するベンド管どうしや、ベンド管の一部と直管の一部とを別体の連結片を介して相互支持させる場合が多く、この場合は、ベンド管および直管のうちで連結片を溶接するための被支持箇所は局部的に特別に厚く（約１０ｍｍなど）形成されている。被支持箇所の具体的な例としては、図１に示すベンド管３Ａ，３Ｃの基端部のうちで互いに上下方向で対向する箇所や、ベンド管３Ｂの下方側の基端部の下面及び最も近い直管２Ｄの上面部位などである。【００５２】
本発明の請求項などで規定し、明細書で述べているベンド管及び直管の肉厚の値はこれらの被溶接箇所及び被支持箇所を除く一般箇所に適用されるものである。【００５３】
本発明におけるベンド管は、管の延びる方向の調整、１つの管から複数の管への分岐、或いは、複数の管を１つの管に集約する等の目的で、複数の管部どうしを接続するために用いられ、湾曲部または屈曲部を有するものであればよく、図１に示すＵ字型の管に限らず任意の形状の継手管が含まれる。【００５４】
〔別実施形態〕
〈１〉バーナー５から比較的離間した第２ベンド管３Ｂも含めて、全てのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃを３〜８ｍｍの薄肉鋳造体としてもよい。【００５５】
〈２〉リジェネレーティブ型のバーナー５ではなく、例えば、常に最上段の直管２Ａに連接されたバーナー５から燃焼ガスが供給される非リジェネレーティブ型として用いられる場合、この常用のバーナー５から最も近接した第１ベンド管３Ａのみを３〜８ｍｍの薄肉鋳造体としてもよい。但し、全てのベンド管３Ａ，３Ｂ，３Ｃを３〜８ｍｍの薄肉鋳造体としてもよい。【００５６】
〈３〉ラジアントチューブ１の形状は前述したＷ字状に限らずトライデント型でもよい。【００５７】
〈４〉ラジアントチューブ１を構成するベンド管及び直管の数は前述した例に限らず、構成の一部に少なくとも一つのベンド管を備えていれば、例えば一対の直管と、一対の直管どうしを接続する一つのベンド管のみで構成されたＵ字型などのラジアントチューブとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
一対の直管どうしを接続する少なくとも一つのベンド管を備え、これら一対の直管の一方からバーナーの燃焼ガスが吹き込まれる耐熱金属製のラジアントチューブに関する技術として利用できる。
【符号の説明】
【００５９】
２  直管（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ｄ）
３  ベンド管（３Ａ，３Ｃ）
５  バーナー
【図１】
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【国際調査報告】
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