(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼片、鋼板又は条鋼線材を熱処理する熱処理炉に複数配置されたラジアントチューブであって、
各ラジアントチューブは、一端に燃焼バーナが接続されると共に他端が第１ベントに接続された第１直管と、一端が炉外に連通すると共に他端が第３ベントに接続される第４直管とが平行に配置され、第２直管及び第３直管が、前記第１直管及び前記第４直管と平行となるように配置されると共に第２ベントで接続され、前記第２直管は前記第１ベントに、前記第３直管は前記第２ベントにそれぞれ接続されて構成されており、
前記第１直管、第２直管、第３直管、及び第４直管が、以下の式を満たすように配置されていると共に、前記第１直管と第３直管が配置される平面と、第２直管と第４直管が配置される平面とが、異なる位置で且つ互いに平行となるように配置されていることを特徴とするラジアントチューブ。
【数２】
0005441864.tif 000003
Ｌ１２：第１直管の中心軸と第２直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ２３：第２直管の中心軸と第３直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ３４：第３直管の中心軸と第４直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ１３：第１直管の中心軸と第３直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ２４：第２直管の中心軸と第４直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
ｄ１：第１直管の直径
ｄ２：第２直管の直径
ｄ３：第３直管の直径
ｄ４：第３直管の直径
【請求項２】
前記第１直管の中心軸と前記第２直管の中心軸を結ぶ直線と、前記第２直管の中心軸と前記第３直管の中心軸を結ぶ直線とのなす仰角をθａとし、
前記第３直管の中心軸と前記第４直管の中心軸を結ぶ直線と、前記第２直管の中心軸と前記第３直管の中心軸を結ぶ直線とのなす仰角をθｂとしたときに、
θａ及びθｂが所定の角度に設定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】
２０°≦θａ，θｂ≦１１５°であることを特徴とする請求項２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、放射管式の熱処理炉等で使用されるラジアントチューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板や条鋼線材などを熱処理する熱処理炉には、直火式と放射管（ラジアントチューブ）式とがある。直火式の熱処理炉では、炉内に燃焼バーナを設置し、鋼片は直接燃焼雰囲気中にさらされる。放射管式の熱処理炉では、炉内にラジアントチューブを配置し、ラジアントチューブからの輻射熱により鋼板や条鋼線材を加熱する。
このような、放射管式の熱処理炉で使用されるラジアントチューブとして、一端に燃焼バーナを内装し、他端にＵ字型のベントを接続した第１直管と、一端に炉外排ガス接続管と他端にＵ字型ベントを接続した第２直管と、を連通接続して構成されたＵチューブ型ラジアントチューブがある。特許文献１は、このようなラジアントチューブの一例を開示している。
【０００３】
また、熱処理炉において、Ｗ型ラジアントチューブも一般的に用いられている。このＷ型ラジアントチューブでは、一端に燃焼バーナが内装され且つ他端にＵ字型の第１ベントが接続された第１直管と、一端に炉外排ガス接続管が接続され且つ他端にＵ字型の第３ベントが接続された第４直管と、が平行に配置されている。さらに、第１直管及び第４直管より短い第２直管と第３直管が設けられ、第２直管と第３直管とがＵ字型の第２ベントで接続されると共に、第２直管は前記第１ベントに、第３直管は前記第２ベントにそれぞれ接続されている。さらに、第１〜第４直管が連通接続し、同一平面上に配置されている。特許文献２は、このようなラジアントチューブの一例を開示している。
【０００４】
近年、このような熱処理炉における急速加熱や高応答性を実現するために、抵抗加熱や誘導加熱等の電気加熱方式を用いることが提案されている。しかし、製造コストや省エネルギー化の観点から、ガス燃焼によるラジアントチューブを使用したいという要望が、依然高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５５３６号公報
【特許文献２】実開昭６０−１０２２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の放射管式熱処理炉における急速加熱や高応答性を実現するには、特許文献２に開示されるようなＷ型ラジアントチューブにおいて、第１〜第４直管間のそれぞれの離間距離をできるだけ小さくすることが望まれる。しかし、第１〜第４直管間のそれぞれの離間距離を単純に小さくすると、以下のような問題が生じる。
Ｗ型ラジアントチューブにおいて、同一平面上に配置された第１〜第４直管のそれぞれの離間距離を小さくするためには、各直管をつなぐＵ字管の曲率半径を小さくすればよい。しかし、Ｕ字管は鋳造品であることが多く、曲率半径が小さい製品を作るのは困難である。
【０００７】
また、Ｗ型ラジアントチューブにおいて曲率半径の小さなＵ字管を用いると、Ｕ字管内火炎の偏りが大きくなる。この火炎の偏りによってＵ字管が局所的に加熱され、局所的に高温となる。この局所的高温は、Ｕ字管の熱破損や高温腐食等を引き起こしラジアントチューブの寿命を短くする。
さらに、単純にＵ字管の曲率半径を小さくするだけで連接する直管同士の離間距離を小さくすると、Ｕ字管内で火炎が偏って上述のような問題が起こるだけでなく、燃焼側の直管部と排気側の直管とで熱膨張量に差が生じる。その熱膨張量の差による応力がＵ字管で良好に緩和できず、Ｕ字管もしくはその近傍で応力集中による破損が生じやすくなる。
【０００８】
第１〜第４直管間のそれぞれの離間距離を小さくするには、上記以外の問題もある。
１方向燃焼方式の燃焼バーナを持つＷ字型ラジアントチューブにおいては、排気側直管（第４直管）と燃焼側管(第１直管)との間に、熱交換部、燃焼用空気ダクト、排ガス循環ガス調整用弁等を連接しなければならず、第１直管と第４直管の間の離間距離をある程度確保しなければならず、単純には離間距離を小さくできない。
【０００９】
また、燃焼バーナが蓄熱式バーナのような交互燃焼方式のバーナを有するＷ字型ラジアントチューブにおいては、排気側直管（第４直管）と燃焼側管(第１直管)の内部に蓄熱レンガを有するだけでなく、排気側直管（第４直管）と燃焼側管(第１直管)との間に燃焼用空気ダクト及び排ガスと燃焼空気との切替弁等を連接しなければならない。１方向燃焼方式の燃焼バーナを持つＷ字型ラジアントチューブを同じく、第１直管と第４直管の間の離間距離をある程度確保しなければならず、単純には離間距離を小さくできない。
【００１０】
加えて、放射管式熱処理炉において、急速加熱や高応答性を実現するためにラジアントチューブを複数台設置する場合、ラジアントチューブ毎にラジアントチューブと燃焼バーナ及び燃焼用空気及び排ガス循環ガス調整用弁等を固定するプレート(バンク)を用いる。ラジアントチューブを交換する場合は、バンクと炉体とを溶断・溶接して取替える。このような事情から、熱処理炉の急速加熱や高応答性を実現するためにラジアントチューブを多数増設すると、ラジアントチューブの取付部であるバンクの数も増加し、ラジアントチューブの更新費用が大きくなってしまう。
【００１１】
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、Ｕ字管の局所的な加熱を防止しながら、熱処理炉における急速加熱や高応答性を実現するラジアントチューブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明のラジアントチューブは、一端に燃焼バーナが接続されると共に他端が第１ベントに接続された第１直管と、一端が炉外に連通すると共に他端が第３ベントに接続される第４直管とが平行に配置され、第２直管及び第３直管が、前記第１直管及び前記第４直管と平行となるように配置されると共に第２ベントで接続され、前記第２直管は前記第１ベントに、前記第３直管は前記第２ベントにそれぞれ接続されるものであって、前記第１直管、第２直管、第３直管、及び第４直管が、以下の式を満たすように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
【数１】
0005441864.tif 000002
Ｌ１２：第１直管の中心軸と第２直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ２３：第２直管の中心軸と第３直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ３４：第３直管の中心軸と第４直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ１３：第１直管の中心軸と第３直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
Ｌ２４：第２直管の中心軸と第４直管の中心軸を結ぶ直線の長さ
ｄ１：第１直管の直径
ｄ２：第２直管の直径
ｄ３：第３直管の直径
ｄ４：第３直管の直径
【００１４】
また、前記第１直管の中心軸と前記第２直管の中心軸を結ぶ直線と、前記第２直管の中心軸と前記第３直管の中心軸を結ぶ直線とのなす仰角をθａとし、前記第３直管の中心軸と前記第４直管の中心軸を結ぶ直線と、前記第２直管の中心軸と前記第３直管の中心軸を結ぶ直線とのなす仰角をθｂとしたときに、θａ及びθｂが所定の角度に設定されていてもよい。
【００１５】
さらに、２０°≦θａ，θｂ≦１１５°であってもよい。
なお、本発明のラジアントチューブの最も好ましい形態は、鋼片、鋼板又は条鋼線材を熱処理する熱処理炉に複数配置されたラジアントチューブであって、各ラジアントチューブは、一端に燃焼バーナが接続されると共に他端が第１ベントに接続された第１直管と、一端が炉外に連通すると共に他端が第３ベントに接続される第４直管とが平行に配置され、第２直管及び第３直管が、前記第１直管及び前記第４直管と平行となるように配置されると共に第２ベントで接続され、前記第２直管は前記第１ベントに、前記第３直管は前記第２ベントにそれぞれ接続されて構成されており、前記第１直管、第２直管、第３直管、及び第４直管が、上記の式を満たすように配置されていると共に、前記第１直管と第３直管が配置される平面と、第２直管と第４直管が配置される平面とが、異なる位置で且つ互いに平行となるように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るラジアントチューブによれば、Ｕ字管の局所的な加熱を防止しながら、熱処理炉等における急速加熱や高応答性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】放射管（ラジアントチューブ）式の熱処理炉の全体を示す図である。
【図２】（ａ）は、ラジアントチューブの上面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図３】（ａ）は、ラジアントチューブの斜視図、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれラジアントチューブの２段配置を示す図である。
【図５】２段配置のラジアントチューブの熱流束比を、従来配置のラジアントチューブの熱流束比と比較したグラフである。
【図６】Ｌ／ｄ＝３．０のときの、ラジアントチューブの直管の配置角度と熱流束比との関係を表すグラフである。
【図７】Ｌ／ｄが様々な値をとるときのラジアントチューブの直管の配置角度の範囲を示したグラフである。
【図８】ラジアントチューブの有効伝熱量の計測結果を示すグラフである。
【図９】ラジアントチューブの第１直管〜第４直管の温度を計測した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
スラブやビレット等の鋼片を圧延し、鋼板や条鋼線材などを製造する熱間圧延装置は、上流側から、熱処理炉、粗圧延機、仕上げ圧延機が順番に配置されており、この内の熱処理炉では、鋼片を熱間圧延可能な温度にまで均一に加熱する。
一般的に熱処理炉には、直火式と放射管式とがある。本発明の実施形態による放射管式熱処理炉１では、炉内にラジアントチューブ２ａを多数配置し、ラジアントチューブ２ａからの輻射熱により鋼片を加熱する。
【００１９】
図１を参照して、本発明の実施形態における放射管式熱処理炉１の構成について説明する。図１（ａ）は、放射管式熱処理炉１のうち、加熱帯３と均熱帯４の概略構成を示す図である。図１（ｂ）は、放射管式熱処理炉１のラジアントチューブ２ａの概略構成を、図１（ａ）における矢印Ａで示す方向から見た図である。
本実施形態による放射管式熱処理炉（連続焼鈍炉）１は、鋼板が搬送される方向の上流側から下流側に向かって順に、予熱帯、加熱帯３、均熱帯４、急冷帯、再加熱帯、過時効帯、最終冷却帯などの区分を備えている。予熱帯、加熱帯３、均熱帯４、及び再加熱帯には、鋼板を加熱するためのラジアントチューブ（放射管）２ａが多数配備されている。
【００２０】
図１（ａ）に示す放射管式熱処理炉１の加熱帯３は、複数個の搬送ロール５を有しており、これら搬送ロール５によって紙面に向かって上下方向に鋼板を搬送しながら、先の予熱帯で予熱された鋼板を加熱する。加熱帯３を構成する炉側壁には多数のラジアントチューブ２ａが配備されており、各搬送ロール５間で搬送される鋼板はその両面がラジアントチューブ２ａに面していて、ラジアントチューブ２ａからの輻射熱を受ける。
【００２１】
一方、加熱帯３に続く均熱帯４も加熱帯３と略同様の構成を有しており、炉内には多数のラジアントチューブ２ａが配備されていて、搬送ロール５間で搬送される鋼板は、ラジアントチューブ２ａからの輻射熱を受ける。
図１（ｂ）は、上述したラジアントチューブ２ａの拡大図を示している。ラジアントチューブ２ａは、熱処理炉１の側壁に設置され、ラジアントチューブ２ａの端部が熱処理炉１の外に露出している。炉外に露出した２つの端部のうち、１つの端部には燃焼バーナ６が取り付けられ、他の端部には炉外排ガス接続管７が取り付けられている。燃焼バーナ６と炉外排ガス接続管７は、排気熱を燃焼用空気に伝達するとともに燃焼空気に排気ガスを一定割合加える熱交換部を介してつながっている。
【００２２】
図２を参照して、上述の放射管式熱処理炉１で用いられる、本発明の実施形態によるラジアントチューブ２ａの構成をさらに詳しく説明する。図２は、ラジアントチューブ２ａの構成を示す図であり、図２（ａ）は、ラジアントチューブ２ａの上面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のラジアントチューブ２ａにおけるＡ−Ａ断面を示している。
図２（ａ）を参照すると、ラジアントチューブ２ａは、第１直管８ａ、第２直管９ａ、第３直管１０ａ、及び第４直管１１ａを有する。さらに、ラジアントチューブ２ａは、第１直管８ａと第２直管９ａとを接続する第１Ｕ字管（第１ベント）１２、第２直管９ａと第３直管１０ａとを接続する第２Ｕ字管（第２ベント）１３、及び第３直管１０ａと第４直管１１ａとを接続する第３Ｕ字管（第３ベント）１４を有している。
【００２３】
第１直管８ａ〜第４直管１１ａは、例えば、耐酸化特性及び耐高温クリープ特性に優れた鉄、ニッケル、及びクロムを含む耐熱鋳鋼で形成されており、互いに平行となるように配置されると共に、それぞれほぼ同一の直径（第１直管〜第４直管の肉厚が小さいので、各直管の内径と考えてもよい）を有する直線状の円筒である。
第１直管８ａと第４直管１１ａはほぼ同じ長さであり、第２直管９ａと第３直管１０ａはほぼ同じ長さである。第１直管８ａ及び第４直管１１ａと比較して、第２直管９ａ及び第３直管１０ａは、第２Ｕ字管１３の開口部（第２直管９ａ又は第３直管１０ａとの接続部）から第２Ｕ字管１３の曲部の頂点までの距離だけ短い。
【００２４】
第１Ｕ字管１２〜第３Ｕ字管１４は、ほぼ同じ曲率半径を有する曲管であり、第１直管８ａ〜第４直管１１ａとほぼ同一の直径を有する。また、第１Ｕ字管１２〜第３Ｕ字管１４は、第１直管８ａ〜第４直管１１ａと同じく、耐酸化特性及び耐高温クリープ特性に優れた鉄、ニッケル、及びクロムを含む耐熱鋳鋼で形成されている。
第１Ｕ字管１２〜第３Ｕ字管１４は、ほぼ同じ曲率半径を有するので、ラジアントチューブ２ａにおいて、第１直管８ａと第２直管９ａの間隔、第２直管９ａと第３直管１０ａの間隔、第３直管１０ａと第４直管１１ａの間隔は、それぞれほぼ等しくなる。このように構成されたラジアントチューブ２ａの第１直管８ａに燃焼バーナ６が接続されると共に第４直管１１ａに炉外排ガス接続管７が接続され、ラジアントチューブ２ａが加熱される。
【００２５】
図２（ｂ）を参照して、第１直管８ａ〜第４直管１１ａの配置についてさらに詳細に説明する。図２（ｂ）は、２（ａ）におけるラジアントチューブ２ａのＡ−Ａ断面図を示している。図２（ｂ）において、一点鎖線の交点は、それぞれ第１直管８ａ〜第４直管１１ａの中心軸（軸芯）の位置を示している。
図２（ｂ）において、第１直管８ａ〜第４直管１１ａは、第１直管８ａの中心軸と第３直管１０ａの中心軸を結ぶ直線と、第２直管９ａの中心軸と第４直管１１ａの中心軸を結ぶ直線とが略平行となるように配置されている。つまり、本実施形態によるラジアントチューブ２ａの第１直管８ａ〜第４直管１１ａは、単一平面上には配置されておらず、第１直管８ａと第３直管１０ａが配置される平面と、第２直管９ａと第４直管１１ａが配置される平面とが異なる。このとき、第１直管８ａの中心軸と第３直管１０ａの中心軸を結ぶ直線は、第２直管９ａの中心軸と第４直管１１ａの中心軸を結ぶ直線とほぼ同じ長さである。
【００２６】
このように、第１直管８ａと第３直管１０ａが配置される平面と、第２直管９ａと第４直管１１ａが配置される平面とは、互いに平行となると共に段形状を構成していると見ることもできる。以下、図２（ｂ）に示すような、第１直管８ａと第３直管１０ａが配置される平面と、第２直管９ａと第４直管１１ａが配置される平面とが異なるような配置を、２段配置と呼ぶ。
【００２７】
尚、ラジアントチューブ２ａは、第１直管８ａと第３直管１０ａが配置される平面が、被加熱体に対向するように熱処理炉１に配備される。
以上の説明で、本実施形態によるラジアントチューブの第１直管８ａ〜第４直管１１ａが、互いにほぼ平行となるように配置されており、且つその配置が２段配置を形成していることを述べた。
【００２８】
以下に、図３を参照して、ラジアントチューブ２ａにおける第１直管８ａ〜第４直管１１ａの２段配置を特徴づけるパラメータについて説明する。図３（ａ）は、図２に示すラジアントチューブ２ａとは異なる別のラジアントチューブ２ｂを表す斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すラジアントチューブ２ｂのＢ−Ｂ断面図である。図３（ｂ）右上の白抜き矢印は、図３（ａ）に示すラジアントチューブ２ｂの観察方向を示している。図３（ａ）に示すラジアントチューブ２ｂでは、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの配置が、互いにほぼ平行な２段配置となっている。
【００２９】
このような２段配置を特徴づけるパラメータについて、以下に説明する。
図３（ｂ）において、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの中心軸の位置である各中心が破線で結ばれている。各中心を結ぶ破線の長さは、各直管の中心軸の間隔を表しているので、それぞれを間隔Ｌで表すこととし、かつ各直管に付した序数を用いて、第１直管８ｂの中心軸と第２直管９ｂの中心軸の間隔を間隔Ｌ１２と表し、第１直管８ｂの中心軸と第３直管１０ｂの中心軸の間隔を間隔Ｌ１３と表し、同様に他の間隔も、各直管に付した序数を用いて、間隔Ｌ１４、間隔Ｌ２３、間隔Ｌ２４、間隔Ｌ３４と表す。
【００３０】
次に、第１直管８ｂの中心と第２直管９ｂの中心を結ぶ破線と、第２直管９ｂの中心と第３直管１０ｂの中心を結ぶ破線とがなす角度を角度θａと表し、第２直管９ｂの中心と第３直管１０ｂの中心を結ぶ破線と、第３直管１０ｂの中心と第４直管１１ｂの中心を結ぶ破線とがなす角度を角度θｂと表す。
さらに、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの各直径を直径ｄとし、各直管に付した序数を用いて、それぞれ直径ｄ１〜直径ｄ４と表す。
【００３１】
このように定めたパラメータを変化させることで、様々な２段配置を実現することができる。本実施形態では、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの直径である直径ｄ１〜直径ｄ４をそれぞれ一定値とし、間隔Ｌ１２〜間隔Ｌ３４と、角度θａ及び角度θｂとを変化させることで、様々な２段配置を実現する。
ここでは、それぞれの２段配置を説明するために、間隔Ｌと直径ｄの比（Ｌ／ｄ）を導入する。さらに本実施形態では、直径ｄ１〜直径ｄ４を同一であると仮定して、各直径を直径ｄで代表して表す。具体的には、直径ｄに対する間隔Ｌ１２又は間隔Ｌ３４の比を、比Ｌ１２／ｄ又は比Ｌ３４／ｄと表し、直径ｄに対する間隔Ｌ１３又は間隔Ｌ２４の比を、比Ｌ１３／ｄ又は比Ｌ２４／ｄと表す。また、間隔Ｌ１２、間隔Ｌ１３、間隔Ｌ２４、及び間隔Ｌ３４が同一の値である場合、各間隔を間隔Ｌで代表して表す。この場合、直径ｄに対する間隔Ｌの比を、比Ｌ／ｄと表す。
【００３２】
図４は、２段配置の構成例を５つ示している。図４は、図３（ｂ）に示す断面図と同様の、ラジアントチューブ２ｂの断面図を示している。図４（ａ）は、比Ｌ／ｄの値が１．２で、角度θａ及び角度θｂが共に６０°であるときの２段配置を示している。
また、図４（ｂ）は、比Ｌ／ｄの値が２．０で、角度θａ及び角度θｂが共に６０°であるときの２段配置を示している。
【００３３】
図４（ｃ）は、比Ｌ／ｄの値が３．０で、角度θａ及び角度θｂが共に６０°であるときの２段配置を示している。
つまり、図４（ａ）〜図４（ｃ）において、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの中心軸をつないで得られる四辺形は、互いに相似なひし形である。
図４（ｄ）は、比Ｌ１２／ｄ及び比Ｌ３４／ｄの値が共に１．２、比Ｌ１３／ｄ及び比Ｌ２４／ｄの値が共に２．０であって、角度θａ及び角度θｂが共に４０°であるときの２段配置を示している。
【００３４】
また図４（ｅ）は、比Ｌ１２／ｄ及び比Ｌ３４／ｄの値が共に１．５、比Ｌ１３／ｄ及び比Ｌ２４／ｄの値が共に３．０であって、角度θａ及び角度θｂが共に３５°であるときの２段配置を示している。比Ｌ１２／ｄ及び比Ｌ３４／ｄを同一の値とすると共に、比Ｌ１３／ｄ及び比Ｌ２４／ｄを同一の値とし、角度θａ及び角度θｂを同一の角度とすれば、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂの中心をつないで得られる四角形は、平行四辺形となる。
【００３５】
このように、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂは、様々な２段配置に構成することができる。第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂを上述のような２段配置に構成し、第１直管８ｂと第３直管１０ｂが配置される平面が被加熱体に向くようにラジアントチューブ２ｂを配備すると、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂを同一平面上で平行に配置した従来配置（１段配置）のラジアントチューブに比較して、ラジアントチューブ２ｂから被加熱体に向かう輻射熱の熱流束値が大きくなる。
【００３６】
図５のグラフに、その比較結果を示している。図５は、ラジアントチューブ２ｂの比Ｌ／ｄに対する熱流束比の変化を示すグラフである。グラフ中、２点鎖線は、従来配置（１段配置）のラジアントチューブにおける熱流束比の変化を示し、実線は、２段配置のラジアントチューブ２ｂにおける熱流束比の変化を示している。この結果は、被加熱面が、各ラジアントチューブに対して無限平行平面である場合を想定して得られたものであり、１段配置のラジアントチューブの比Ｌ／ｄが２．００となるとき（直管同士の間隔が直管の直径に等しいとき）の熱流束値に対する、各熱流束値の比を示している。
【００３７】
図５のグラフによると、２段配置において比Ｌ／ｄが３．４０以下であれば、熱流束比は１．０以上となり、実用上有効な熱流束比が得られる。しかし、比Ｌ／ｄが１．２０以下では、１段配置のラジアントチューブが示す熱流束比とほぼ同等の値となり、１段配置に対する有用性がほとんどない。このことから、比Ｌ／ｄは、実用上、１．２０以上３．４０以下とするのがよい。特に、比Ｌ／ｄを、１．２０以上３．０以下とするとよいことを本願発明者らは知見している。
【００３８】
図５のグラフは、比Ｌ／ｄだけを決めた時の熱流束比を示すものであるが、実際の２段配置の構成においては、比Ｌ／ｄを決定して各直管間の間隔を決定すると共に、角度θａ及び角度θｂも決定することができる。今、比Ｌ／ｄの値に３．０を採用し、角度θａと角度θｂが等しいとして、それぞれの角度を角度θで代表して表す。
図６に示すグラフは、比Ｌ／ｄを３．０とした場合において、１段配置のラジアントチューブの熱流束値に対する２段配置のラジアントチューブ２ｂの熱流束値の比を、角度θごとに示すグラフである。
【００３９】
図６において、角度θが１１０°以下であれば、熱流束比が１．０以上となり、実用上有用な熱流束比が得られる。しかし、角度θが３５°以下であれば、熱流束比はほぼ一定となり、角度θが３５°以下となるような曲率半径の小さなＵ字管を製造することが困難であるため、実用上の有用性がほとんどない。このことから、比Ｌ／ｄ＝３．０においては、角度θを３５°以上１１０°以下とするのが好ましいと判断できる。
【００４０】
図５及び図６を用いた説明では、比Ｌ１２／ｄ、比Ｌ２４／ｄ、比Ｌ３４／ｄ、及び比Ｌ１３／ｄが等しい値である場合（各直管の中心軸がひし形又は平行四辺形の頂点に配置される場合）を前提としている。しかし、比Ｌ１２／ｄ、比Ｌ２４／ｄ、比Ｌ３４／ｄ、及び比Ｌ１３／ｄの値を様々に変化させても２段配置を実現することができる。
そこで、本願発明者らは、ラジアントチューブ２ｂからの熱伝達を伝熱シュミレーションすることにより、Ｌ１２／ｄを１．２〜３．０の間で可変とした際に、熱流束比が１．０以上（従来の１段配置以上）となり、実用上有用な熱流束比が得られる直管の配置角度の範囲を明らかにした。図７にその結果を示す。
【００４１】
図７の伝熱シミュレーションにおいて、Ｌ１２／ｄとＬ３４／ｄは等しく、Ｌ１３／ｄとＬ２４／ｄは等しいと仮定している。また、角度θａと角度θｂが等しいと仮定して、それぞれの角度をθで代表して表している。
図７の横軸はＬ１２／ｄの値を示しており、縦軸は角度θの値を示している。パラメータとしてＬ１３／ｄの値を１．２〜３．０の間で設定（Ｌ１３／ｄ＝１．２，１．５，２．０，２．５，３．０）し、Ｌ１３／ｄの各値においてＬ１２／ｄの値を変化させたときに、従来の１段配置に対する熱流束比が１．０以上となる角度θを示している。
【００４２】
Ｌ１３／ｄの値が３．０の場合、Ｌ１２／ｄの値を１．２０とすると、角度θが約２０度のとき熱流束比が１．０以上となる。同様に、Ｌ１３／ｄの値が３．０の場合、Ｌ１２／ｄの値を順に１．５０，２．００，２．５０，３．００とすると、角度θがそれぞれ約３０度、約４０度、約５０度、約６０度のとき熱流束比が１．０以上となる。
同様に、Ｌ１３／ｄの値が２．５，２．０，１．５，１．２の場合も、それぞれＬ１２／ｄの値を１．２０，１．５０，２．００，２．５０，３．００として熱流束比が１．０以上となる角度θをプロットすると、図７に示す結果より、θ（θａ，θｂ）が２０°以上１１５°以下の場合には、実用上有用な熱流束比が得られることが明らかとなった。
【００４３】
本願発明者らは、更に検証を行っており、５０°≦θ／（Ｌ１２／Ｌ１３)≦７０°の関係を満たす場合、つまり、Ｌ１２／Ｌ１３の値が決まれば、上記関係を満たす角度θの範囲で熱流束比が１．０以上（従来の１段配置の熱流束以上）となり、実用上有用な熱流束比が得られるラジアントチューブ２ｂの構成となることをも知見している。
［実施例］
図８及び図９を参照しつつ、上述の実施形態による２段配置のラジアントチューブ（ＲＴ）２ｂを用いた有効伝熱量の計測結果と、第１直管８ｂ〜第４直管１１ｂのチューブ温度の計測結果について、従来の１段配置のラジアントチューブ（ＲＴ）と比較しながら説明する。
【００４４】
図８は、ラジアントチューブの有効伝熱量の計測結果を示すグラフであって、本実施例におけるラジアントチューブ２ｂの結果と従来の１段配置のラジアントチューブの結果を示している。
図９は、ラジアントチューブの第１直管〜第４直管の温度を計測した結果を示すグラフであり、ラジアントチューブの形状に沿って第１直管の燃焼バーナが取り付けられた位置からの各距離における直管のチューブ温度を示している。
【００４５】
図８及び図９に示す計測結果を説明する前に、本計測で用いた２段配置のラジアントチューブ２ｂ及び１段配置のラジアントチューブ、及び各ラジアントチューブを設置して有効伝熱量を計測した計測炉の構成について説明する。
従来の１段配置のラジアントチューブは、第１直管〜第４直管が同一平面上で互いに平行となるように配置されるとともにそれぞれＵ字管でつながれて構成されており、各直管の内径（ｄ）は１９４ｍｍである。隣接する直管の中心軸（軸芯）間の距離（Ｌ）の内径（ｄ）に対する比であるＬ／ｄは１．６７である。このとき、１段配置のラジアントチューブの、第１直管から第４直管にわたる幅は、約１２００ｍｍである。
【００４６】
一方、本発明に係る２段配置のラジアントチューブ２ｂは、図３（ｂ）に示すパラメータのうち、ｄ１〜ｄ４は１９４ｍｍ、Ｌ１３／ｄは１．３９、θａ及びθｂは６７°である。このような２段配置のラジアントチューブ２ｂを２基用意する。これら２基のラジアントチューブを、それぞれの第１直管と第３直管が同一平面上で互いに平行且つ等間隔となるように後述する計測炉のバンクに取り付ける。このとき、一方のラジアントチューブの第１直管から他方のラジアントチューブの第３直管の背後にある第４直管にわたる幅は、約１２００ｍｍである。
【００４７】
実験を行った計測炉は、６面からなる略直方体の外形を有しており、そのうちの１側面に、上述の各ラジアントチューブが保持されている。この計測炉は、計測炉内で保持されたラジアントチューブを挟み込むように設けられた平行な２面の伝熱計測パネル有しており、これら２面の伝熱計測パネルは、ラジアントチューブから所定間隔（約３００ｍｍ程度）離れている。この伝熱計測パネルの内部には冷却水が供給されるので、その水温の上昇量を基にしてラジアントチューブから伝熱計測パネルへの有効伝熱量を得ることができる。
【００４８】
詳しくは、従来の１段配置のラジアントチューブの場合は、第１直管〜第４直管がそれぞれ２面の伝熱計測パネルと平行になるように、従来の１段配置のラジアントチューブは、計測炉内で保持される。また、２段配置のラジアントチューブ２ｂの場合は、２基のラジアントチューブ２ｂの第１直管と第３直管が、一方の伝熱計測パネルと対向しつつ平行になるように、且つ、第２直管と第４直管が、他方の伝熱計測パネルと対向しつつ平行になるように２基のラジアントチューブ２ｂは計測炉内で保持される。
【００４９】
伝熱計測パネル以外の残りの面は、耐火レンガなどで構成され、２面の伝熱計測パネルとともにラジアントチューブを包囲して密閉している。
このように計測炉で保持されたラジアントチューブの第１直管にバーナを取り付けて燃焼させ、計測を行った。この計測において、入熱、出熱、及びＲＴ（ラジアントチューブ）温度を計測評価項目とした。入熱としては、排ガスから廃熱として回収された熱エネルギーとしての空気顕熱と、コークス炉ガス（Ｃｏｋｅ  Ｏｖｅｎ  Ｇａｓ）燃焼熱とを計測した。出熱としては、２面の伝熱計測パネルへの伝熱量である有効伝熱量と、炉壁放熱量と、排ガス顕熱量とを計測した。ＲＴ温度としては、ラジアントチューブの形状に沿って第１直管の燃焼バーナが取り付けられた位置からの各距離における直管のチューブ温度を計測した。
【００５０】
燃焼ガスは、コークス炉ガス（ＣＯＧ）であり、空気比は、１．２とした。ラジアントチューブ１基あたりの燃焼量を、６０ｋＷ〜１８０ｋＷの間で変化させた。排ガスからの廃熱回収率は、２５％であった。
図８は、このように計測された計測評価項目のうち、１段配置ＲＴ（従来）及び２段配置ＲＴ（本実施例）における有効伝熱量を、近似直線で示している。１段配置ＲＴ（従来）及び２段配置ＲＴ（本実施例）共に、ラジアントチューブ１基あたりの燃焼量の変化に対して、有効伝熱量の変化はほぼ比例している。
【００５１】
例えば、ラジアントチューブ１基あたりの燃焼量が約１６０ｋＷのとき、１段配置ＲＴの有効伝熱率は約１００ｋＷであるのに対し２段配置ＲＴの有効伝熱率は約１４５ｋＷとなっている。これにより、本実施例における２段配置ＲＴの加熱能力は、従来の２段配置ＲＴの加熱能力の約１．５倍であることがわかる。
図９は、上述の計測された計測評価項目のうち、１段配置ＲＴ（従来）及び２段配置ＲＴ（本実施例）におけるＲＴ（ラジアントチューブ）温度を、近似曲線で示している。図９において、２段配置ＲＴのチューブ温度は、異なるバーナを用いて計測された２通りの結果が示されており、一方を２段配置ＲＴ１、他方を２段配置ＲＴ２として示している。
【００５２】
１段配置ＲＴ、２段配置ＲＴ１、及び２段配置ＲＴ２において、チューブ温度は、第１直管から第２直管にかけて１７００ｍｍから２２００ｍｍあたりの距離でピークを示すが、第３直管から第４直管にかけて順に低下する傾向にある。しかし、１段配置ＲＴに比べて、２段配置ＲＴ１及び２段配置ＲＴ２の低下の程度は低く抑えられており、このことは、図８における結果の裏付けとなっている。例えば、１段配置ＲＴにおいて、距離６０００ｍｍ付近での温度は約４５０°であるが、２段配置ＲＴ１、及び２段配置ＲＴ２において、距離６０００ｍｍ付近での温度は約６２０°〜６３０°である。その差は、１７０°〜１８０°にも及ぶ。
【００５３】
なお、２段配置ＲＴ１と２段配置ＲＴ２とでは、用いられたバーナが異なるため、図９における温度変化が若干異なるが、温度変化の特性は非常に似ているといえる。よって、図９に示された計測結果は、ラジアントチューブの形状に依存したものであると考えることができる。
以上のとおり、２段配置ラジアントチューブを用いれば、ラジアントチューブの稠密化を実現することができ、従来では１段配置ラジアントチューブが１基だけ取り付けられていたバンクに、２基の２段配置ラジアントチューブを取り付けることができる。
【００５４】
これによって本願発明は、ラジアントチューブの稠密化による熱流束の増加を実現できると共に、バッチ式熱処理炉や連続式熱処理炉などの熱設備に設置することのできるラジアントチューブの数を増加させることができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５５】
１    放射管式熱処理炉
２ａ，２ｂ    ラジアントチューブ
３    加熱帯
４    均熱帯
５    搬送ロール
６    燃焼バーナ
７    炉外排ガス接続管
８ａ，８ｂ    第１直管
９ａ，９ｂ    第２直管
１０ａ，１０ｂ    第３直管
１１ａ，１１ｂ    第４直管
１２    第１Ｕ字管
１３    第２Ｕ字管
１４    第３Ｕ字管
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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