(57)【要約】【課題】炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生を抑制して、Ｗ型ラジアントチューブの長寿命化を可能にするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造を提供する。【解決手段】第１直管、第１曲管、第２直管、第２曲管、第３直管、第３曲管、第４直管を備えているＷ型ラジアントチューブを炉内で支持するための炉内支持構造であって、前記第１曲管に設置された第１曲管サポートと、前記第３曲管に設置された第３曲管サポートと、炉壁に取付けられて前記第３曲管サポートを支持する受金具と、前記第１曲管サポートと前記第３曲管サポートとの間を連結する連結ロッドとを有し、前記第３曲管から受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する回転モーメントを、前記連結ロッドから受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する逆方向の回転モーメントで打ち消すようにしていることを特徴とするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。【選択図】図１
2020101339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方から下方に向かって順に、第１直管、第１曲管、第２直管、第２曲管、第３直管、第３曲管、第４直管を備えていて、前記第１直管がバーナ側、前記第４直管が排ガス側に位置しているＷ型ラジアントチューブを炉内で支持するための炉内支持構造であって、
前記第１曲管に設置された第１曲管サポートと、前記第３曲管に設置された第３曲管サポートと、炉壁に取付けられて前記第３曲管サポートを支持する受金具と、前記第１曲管サポートと前記第３曲管サポートとの間を連結する連結ロッドとを有し、
前記第３曲管から前記第３曲管サポートが受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する回転モーメントを、前記連結ロッドから前記第３曲管サポートが受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する逆方向の回転モーメントで打ち消すようにしていることを特徴とするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【請求項２】
前記連結ロッドを複数本有していることを特徴とする請求項１に記載のＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【請求項３】
前記第１直管、前記第２直管、前記第３直管、前記第４直管、前記第１曲管、前記第２曲管、前記第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用加熱炉に用いられるＷ型ラジアントチューブを炉内で支持する炉内支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
ここでは、Ｗ型のラジアントチューブを用いたラジアントチューブバーナを対象にしており、その代表例を図４に示す。
【０００４】
図４に示すように、このラジアントチューブバーナに用いられているＷ型ラジアントチューブ（以下、単に「ラジアントチューブ」ともいう）１は、４本の円形断面の直管（第１直管２、第２直管３、第３直管４、第４直管５）と３本の円形断面の曲管（第１曲管６、第２曲管７、第３曲管８）を備えた構造となっている。
【０００５】
そして、ラジアントチューブ１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２〜５の側面が対向するように配置されている。炉壁１１ｂに設置されたバーナ（バーナ本体）から噴射された燃焼ガス９は、ラジアントチューブ１の内部を通過し、排ガス１０として系外に排出される。
【０００６】
言い換えれば、上方から下方に向かって順に、第１直管２、第１曲管６、第２直管３、第２曲管７、第３直管４、第３曲管８、第４直管５を備えていて、第１直管２がバーナ側、第４直管５が排ガス側に位置している。
【０００７】
その際に、燃焼ガス９の温度が１０００°Ｃ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１の各管２〜８はそれぞれ管軸方向に熱伸びする。そこで、炉壁１１ａに設置された受金具１２と第３曲管８に設けられた第３曲管サポート１３によってラジアントチューブ１が支持されるようにして、受金具１２と第３曲管サポート１３の間の摺動部１４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１に熱拘束力が生じない構造にしている。また、第２直管３と第３直管４との間には、上部直管（第１直管２、第２直管３）の荷重（自重）を下部直管（第３直管４、第４直管５）に受け渡すための荷重受け渡し部材１７が設置されている。
【０００８】
ただし、上記のようなラジアントチューブ１は、直管２〜５が曲げ荷重によって垂れ下がりするという問題があった。すなわち、ラジアントチューブ１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２、３、４、５が等しくは熱伸びしないため、ラジアントチューブ１全体が歪んで曲げ荷重が作用し、直管２〜５が垂れ下がりに至ることになる。このような直管の垂れ下がりが大きくなると、垂れ下がった第４直管が当該ラジアントチューブの下方に隣接するラジアントチューブの第１直管に接触して、ラジアントチューブの損傷や操業トラブルを招くことになる。
【０００９】
この問題に対して、断面形状が楕円形である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）。なお、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、楕円形断面の直管を用いることによって、上記の円形断面の直管２〜５に比べて断面性能が向上するので、曲げ荷重による垂れ下がりを低減させることができる。
【００１０】
また、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。そこで、特許文献３では、楕円形断面の直管の内部に曲がり防止用の補強材を配置して、ラジアントチューブの高強度化と長寿命化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−３０３７１１号公報
【特許文献２】特開平５−２８５５３３号公報
【特許文献３】特開２０１６−１６１２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した従来技術によって、ラジアントチューブ自体の強度不足に起因する管の垂れ下がりは抑制できるようになったが、管断面の楕円化や管内への補強材設置等によってラジアントチューブの自重が増加していることから、ラジアントチューブの炉内支持構造が適切でないと、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりが発生するという問題が生じる。
【００１３】
ここで、図４に示したラジアントチューブバーナを例にして、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生状況を図５に示す。
【００１４】
図５に示すように、第３曲管８に設けられた第３曲管サポート１３が、第３曲管８との接続部を起点にして斜め上方に折れ曲がって、上反り変形し、サポート機能が損なわれて、管（特に第４直管）の垂れ下がりが発生している。
【００１５】
上述したように、管（特に第４直管）の垂れ下がりが大きくなると、垂れ下がった第４直管が当該ラジアントチューブの下方に隣接するラジアントチューブの第１直管に接触して、ラジアントチューブの損傷や操業トラブルを招くことになる。
【００１６】
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、ラジアントチューブバーナに用いられるＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造として、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生を抑制して、Ｗ型ラジアントチューブの長寿命化を可能にするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、まず、Ｗ型ラジアントチューブの炉内支持構造において、図５に示したような、第３曲管サポート１３の上反り変形が発生するメカニズムについて検討した。
【００１８】
その結果、図６に示すように、第３曲管８から第３曲管サポート１３が受ける荷重によって、第３曲管サポート１３に回転モーメントが作用して、第３曲管サポート１３に上反り変形が生じていると考えられた。ここで、この回転モーメントは、受金具１２の先端の上面が第３曲管サポート１３の下面に接している個所を回転中心２１として回転する回転モーメント（図６では、反時計回りに回転する回転モーメント）である。
【００１９】
そこで、第３曲管サポート１３の上反り変形を抑止するためには、第３曲管８からの荷重によって第３曲管サポート１３に作用する回転モーメント（反時計回りに回転する回転モーメント）を、逆方向に回転する回転モーメント（時計回りに回転する回転モーメント）によって打ち消せばよいと考えた。
【００２０】
本発明は上記のような考えに基づいており、以下のような特徴を有している。
【００２１】
［１］上方から下方に向かって順に、第１直管、第１曲管、第２直管、第２曲管、第３直管、第３曲管、第４直管を備えていて、前記第１直管がバーナ側、前記第４直管が排ガス側に位置しているＷ型ラジアントチューブを炉内で支持するための炉内支持構造であって、
前記第１曲管に設置された第１曲管サポートと、前記第３曲管に設置された第３曲管サポートと、炉壁に取付けられて前記第３曲管サポートを支持する受金具と、前記第１曲管サポートと前記第３曲管サポートとの間を連結する連結ロッドとを有し、
前記第３曲管から前記第３曲管サポートが受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する回転モーメントを、前記連結ロッドから前記第３曲管サポートが受ける荷重によって前記第３曲管サポートに作用する逆方向の回転モーメントで打ち消すようにしていることを特徴とするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【００２２】
［２］前記連結ロッドを複数本有していることを特徴とする前記［１］に記載のＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【００２３】
［３］前記第１直管、前記第２直管、前記第３直管、前記第４直管、前記第１曲管、前記第２曲管、前記第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ラジアントチューブバーナに用いられるＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造として、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生を抑制して、Ｗ型ラジアントチューブの長寿命化を可能にするＷ型ラジアントチューブの炉内支持構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態１を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１における作用効果を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２を示す図である。
【図４】従来技術を示す図である。
【図５】従来技術において、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生を示す図である。
【図６】従来技術において、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりが発生するメカニズムを示す図である。
【図７】実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１を示す図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の実施形態におけるＷ型ラジアントチューブ１は、図４に示したＷ型ラジアントチューブ１と同様に、４本の円形断面の直管（第１直管２、第２直管３、第３直管４、第４直管５）と３本の円形断面の曲管（第１曲管６、第２曲管７、第３曲管８）を備えた構造となっている。
【００２９】
そして、ラジアントチューブ１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２〜５の側面が対向するように配置されている。炉壁１１ｂに設置されたバーナ（バーナ本体）から噴射された燃焼ガス９は、ラジアントチューブ１の内部を通過し、排ガス１０として系外に排出される。
【００３０】
言い換えれば、上方から下方に向かって順に、第１直管２、第１曲管６、第２直管３、第２曲管７、第３直管４、第３曲管８、第４直管５を備えていて、第１直管２がバーナ側、第４直管５が排ガス側に位置している。
【００３１】
その上で、この実施形態１においては、Ｗ型ラジアントチューブ１を炉内で支持するための炉内支持構造として、第１曲管２に設置された第１曲管サポート１８と、第３曲管８に設置された第３曲管サポート１３と、炉壁１１ａに取付けられて第３曲管サポート１３を支持する受金具１２と、第１曲管サポート１８と第３曲管サポート１２との間を連結する連結ロッド１９とを有している。なお、ここでは、第１曲管サポート１８に設けたピン２０ａと第３曲管サポート１３に設けたピン２０ｂの間を連結ロッド１９で連結して両端が回転ジョイントとなるようにして、管の熱変形を吸収するようにしている。
【００３２】
これによって、この実施形態１では、まず、第３曲管サポート１３が受ける荷重が第３曲管８からと連結ロッド１９からとに分散するので、第３曲管８から第３曲管サポート１３が受ける荷重とそれによる回転モーメントが減少する。その上で、図２に示すように、第３曲管８から第３曲管サポート１３が受ける荷重によって第３曲管サポート１３に作用する回転モーメントが、連結ロッド１９から第３曲管サポート１３が受ける荷重によって第３曲管サポート１３に作用する逆方向の回転モーメントで打ち消される。
【００３３】
なお、第３曲管８から第３曲管サポート１３が受ける荷重によって第３曲管サポート１３に作用する回転モーメントは、受金具１２の先端の上面が第３曲管サポート１３の下面に接している個所を回転中心２１として回転する回転モーメント（図２では、反時計回りに回転する回転モーメント）である。これに対して、連結ロッド１９から第３曲管サポート１３が受ける荷重によって第３曲管サポート１３に作用する逆方向の回転モーメントは、受金具１２の先端の上面が第３曲管サポート１３の下面に接している個所を回転中心２１として逆方向に回転する回転モーメント（図２では、時計回りに回転する回転モーメント）である。
【００３４】
この結果、この実施形態１においては、第３曲管サポート１３の上反り変形が抑制され、第３曲管サポート１３を受金具１２に安定して接触させることができるようになり、管（特に第４直管５）の垂れ下がりが減少して、Ｗ型ラジアントチューブ１の長寿命化を可能になる。
【００３５】
なお、図１では、管の熱変形を吸収するために、連結ロッド１９の両端が回転ジョイントになるようにしているが、場合によっては、連結ロッド１９の片端のみが回転ジョイントになるようにしてもよい。また、長孔を用いた回転ジョイントにしてもよい。さらに、第３曲管サポート１３と受金具１２の間にコロを設けたり、耐熱塗料を塗布したりしてもよい。
【００３６】
［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２を示す図である。
【００３７】
上記の図１に示した本発明の実施形態１では、第１曲管サポート１８と第３曲管サポーとト１２との間を連結する連結ロッド１９が１本であるが、連結ロッド１９に掛かる荷重が大きくなった場合、連結ロッド１９が座屈して充分な機能を果たせなくなる可能性がある。
【００３８】
そこで、この実施形態２では、基本的な構成は、図１に示した本発明の実施形態１と同じであるが、図３に示すように、連結ロッド１９を複数本有している（図３では、連結ロッド１９ａ、１９ｂの２本）。
【００３９】
これによって、それぞれの連結ロッド１９ａ、１９ｂに掛かる荷重が小さくなり、連結ロッド１９ａ、１９ｂの座屈が回避される。
【００４０】
なお、上記の実施形態１、２は、Ｗ型ラジアントチューブであれば適用することができる。特に、高重量になってしまう楕円形断面の管を用いたＷ型ラジアントチューブ（例えば、第１直管、第２直管、第３直管、第４直管、第１曲管、第２曲管、第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形であるＷ型ラジアントチューブ）に適用すれば、より一層効果を発揮する。また、管内に伝熱促進体を設置して高重量になったＷ型ラジアントチューブにも適用することもよい。
【実施例１】
【００４１】
本発明の効果を検証するために、有限要素法による解析を行った。
【００４２】
その際に、従来例として、図４に示した従来技術に基づく解析モデルを用い、これに対して、本発明例として、図１に示した本発明の実施形態１に基づく解析モデルを用いた。なお、管の断面形状はいずれも楕円形とした。
【００４３】
その解析結果を図７に示す。第３曲管と第３曲管サポートとの接続点における垂下り量を比較したところ、本発明例では従来例の６０％以下の垂下り量になることが示されている。
【００４４】
これによって、本発明の有効性が確認された。
【符号の説明】
【００４５】
１  Ｗ型ラジアントチューブ
２  第１直管
３  第２直管
４  第３直管
５  第４直管
６  第１曲管
７  第２曲管
８  第３曲管
９  燃焼ガス
１０  排ガス
１１ａ  炉壁
１１ｂ  炉壁
１２  受金具
１３  第３曲管サポート
１４  摺動部
１７  荷重受け渡し部材
１８  第１曲管サポート
１９  連結ロッド
２０ａ  ピン
２０ｂ  ピン
２１  回転中心
【図１】
2020101339.tif 000003
【図２】
2020101339.tif 000004
【図３】
2020101339.tif 000005
【図４】
2020101339.tif 000006
【図５】
2020101339.tif 000007
【図６】
2020101339.tif 000008
【図７】
2020101339.tif 000009