(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部が上下位置になるように炉壁に取り付けられたＷ型又はＵ型のラジアントチューブの取付方法において、ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部を稼働後における炉内のチューブの高さ方向の熱膨張量に合わせて上下方向に開いた位置に予め固定して初期応力を与えることを特徴とするラジアントチューブの取付方法。
【請求項２】
ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部を予め上下方向に開く量δを次式数１により定めることを特徴とする請求項１記載のラジアントチューブの取付方法。
【数１】
δ＝ｋＬ０  （ＴＲ  ・αＲ  ／ＴＢ  ・αＢ  −１）    （ただし、０＜ｋ≦１）
ここに、ＴＲ  、αＲ  はラジアントチューブの炉内部分の平均温度と線膨張率、ＴＢ  、αＢ  はバンクの平均温度と線膨張率、Ｌ０  はラジアントチューブのバーナー中心とレキュペレータ中心間距離、ｋは定数とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続焼鈍炉、連続亜鉛メッキなどの加熱炉に用いられるＷ型又はＵ型のラジアントチューブの取付方法に関するものであり、詳しくは、稼働中の熱応力を低減して寿命を延ばすことのできるラジアントチューブの取付方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の典型的なＷ型ラジアントチューブの構造を図６に示す。ラジアントチューブ１は、炉内に酸素が侵入するのを防止するため、バーナー２２側のバーナー側端部２、及びレキュペレータ２３側のレキュペレータ側端部１０はともにバンク１５に溶接され、さらに、バンク１５は加熱炉炉壁２４に溶接され、それぞれ固定されている。また、炉内においては、第３ベンド８の先端の第３ベンド先端支持受け部１３が、バーナー２２とは反対側の加熱炉炉壁１９からの炉壁支持治具１８によって支えられており、さらに、第２直管５の第１ベンド側下部と第３直管７上部との間にラジアントチューブ間サドル１１が、第３直管７の第２ベンド側下部と第４直管９の上部との間にラジアントチューブ間サドル１２が設けられている。
【０００３】
ところで、ラジアントチューブ１は高温加熱により、熱膨張に対して上述した支持及び取付構造による拘束を受け、熱応力と変形が発生し、長期間の使用によるチューブ材質の強度劣化に伴い、亀裂や板に接触するような変形が発生して使用不能となるので、その都度取り替える必要がある。この熱応力と変形について図７及び図８により詳しく説明する。なお、ラジアントチューブへの熱負荷状態として、炉昇温時と通常操業時の２つの状態を考える。
【０００４】
図７は、常温から通常操業状態までの炉昇温時の状態を示す。バーナー２２の燃焼により、第１直管３の温度は急激に上昇し、第１ベンド４以降の部分との温度差が大きく開く。この温度差は、第１直管３と第４直管９では一時的には数百℃に達することがある。この場合、第１直管３は急激に軸方向（水平方向）２５に熱膨張を始める。例えば、ラジアントチューブの第１直管３から第４直管９に到る各直管の代表温度を６００℃、４００℃、３００℃、２００℃、長さを２０００ｍｍ、１６００ｍｍ、１６００ｍｍ、２０００ｍｍとし、チューブの線膨張率を１７×１０−６と仮定すると、レキュペレータ側端部１０が固定されている場合には、バーナー側端部２は炉外側へ約１１ｍｍ移動しようとする。
【０００５】
この熱膨張に対して、バーナー側端部２がバンク１５に固定されている場合、バンク１５と第１ベンド４以降との間で熱膨張の拘束を受けるため、第１直管３には大きな圧縮力である第１直管軸方向力２６が発生し、ベンド部によって第１直管曲げモーメント（昇温時）２７が発生する。この結果、第１直管３に大きな応力が発生する。また、第１ベンド４は下方に変形しようとし、サドル１１による拘束により、第１ベンド側面に第１ベンド曲げモーメント（昇温時）２８が発生するとともに、サドル近傍の直管部は大きな上下方向の力であるサドル部近傍の直管への垂直荷重（昇温時）２９を受ける。また、第１ベンド４の下方への変形は、第２ベンド６の下方への変形を引き起こし、サドル１２による拘束により、サドル近傍の直管部は大きな上下方向の力であるサドル部近傍の直管への垂直荷重（昇温時）３０を受ける。
【０００６】
通常、炉修のため定期的に炉の昇降温を繰り返すが、材質の経年劣化や酸化減肉、さらに熱疲労の蓄積や、スケールの発生等による温度偏差が加わり、前述の荷重発生時に第１直管バーナー側に第１直管亀裂（昇温時）３１が、あるいは第１ベンド側面に第１ベンド亀裂（昇温時）３２が発生する。また、サドル１１近傍の第２直管５及び第３直管７、あるいはサドル１２近傍の第３直管７及び第４直管９に座屈が発生することがある。
【０００７】
図８は通常操業時の状態を示す。炉内の温度は９００℃付近に達し、また、ラジアントチューブ１の温度はそれより数十℃以上高くなる。この時、バンク１５の温度は通常１００℃から２００℃であるのに対し、炉内のラジアントチューブ１は９５０℃を越える高温であるため、第３ベンド８の先端の支持受け部１３を起点とし、第３ベンド８、サドル１１、第１ベンド４に到る高さ方向（垂直方向）３３の熱膨張により第１直管３の先端部はかなり上向きの変形を余儀無くされる。例えば、第１直管３と第４直管９の軸芯間距離が９００ｍｍのラジアントチューブの場合、バンクの温度を１５０℃、炉内のラジアントチューブの温度を９５０℃、ラジアントチューブの熱膨張率を１７×１０−６と仮定すると、バンク部分の垂直方向伸びは約２．３ｍｍ、先端部分の垂直方向伸びは約１４．５ｍｍであり、１０ｍｍ以上の差がある。
【０００８】
この熱膨張による第１直管３の先端部の上向きの変形とサドル１１による変形拘束のため、第１直管３にきわめて大きな第１直管曲げモーメント（通常操業時）３４が発生する。また、第１ベンド４にも大きな第１ベンド曲げモーメント（通常操業時）３５が発生するとともに、サドル１１近傍の直管部は大きな上下方向の力であるサドル部近傍の直管への垂直荷重（通常操業時）３６を受ける。また、高温下においてはサドル１１、１２はチューブの自重の一部を受持ち、第３直管７、及び第４直管９のサドル近傍は上下の力である垂直荷重３６、３７を恒常的に受ける。この時、各直管の軸方向２５の熱膨張差は小さく、昇温時ほど問題にならない。
【０００９】
ラジアントチューブは高温にさらされている時間が長く、前述の応力、さらには自重の影響によりクリープ変形し、また、材質の経年劣化や酸化減肉、さらにはスケールの発生等による温度偏差が加わり、サドル１１近傍の第２直管５及び第３直管７に第２直管座屈３８、第３直管座屈３９が、サドル１２近傍の第３直管７及び第４直管９に第３直管座屈４０、第４直管座屈４１が発生する。さらに、座屈３８と、これによるチューブの断面剛性の極端な低下が第２直管垂れ４２につながり、ラジアントチューブの使用寿命末期に到る。
【００１０】
以上のように、ラジアントチューブ、特に、第１直管及び第１ベンドは炉壁からの支持部、サドルによって拘束を受け、昇温時には軸力と曲げモーメントの、また、通常操業時には曲げモーメントの作用を大きく受ける。また、サドルの拘束によりサドル近傍の直管部には大きな圧縮力が作用する。これらにより、ラジアントチューブは亀裂や変形、座屈を起こし、寿命に到る。従って、膨張に伴う曲げモーメントを低減し、サドルによる拘束力を緩和して座屈の発生を阻止することが、ラジアントチューブの寿命を大きく延ばすことになる。
【００１１】
この変形や亀裂の発生を防止する手段として、特開平５−２７２７０８号公報では、バーナー側端部にバーナー側直管の軸方向伸びを吸収するベローズを取り付けた構造を、また、実開平１−３８４１５号公報では、バーナー側端部にチューブの軸方向にベローズを、さらに、高さ方向にはバーナー及びチューブ自重の一部を支持するバネを併設したベローズを有し、熱膨張を自由にする構造を提示している。また、第１直管あるいは第１及び第２直管の直径を他の部分より大きくし、第１ベンド先端を炉壁から支持する方法が、特開平３−２２６５１９号公報で報告されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−２７２７０８号公報及び実開平１−３８４１５号公報の構造では、ベローズが応力緩和に効果があるものの、ベローズの設置はコストを上げ、また、ベローズの耐久性にも問題があった。また、特開平３−２２６５１９号公報において、第１ベンド先端を炉壁から支持する方法は、既設の炉に新たに設置する場合、炉壁の改造を伴うため、長期間の炉休止や相当額の改造費を必要とするため現実的ではない。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであり、昇温時ならびに通常操業時におけるチューブの熱応力を大幅に緩和し、亀裂やクリープ変形、座屈を阻止することにより、チューブの長寿命化に優れた効果を奏するラジアントチューブの取付方法を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部が上下位置になるように炉壁に取り付けられたＷ型又はＵ型のラジアントチューブの取付方法において、ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部を稼働後における炉内のチューブの高さ方向の熱膨張量に合わせて上下方向に開いた位置に予め固定して初期応力を与えることを特徴とするラジアントチューブの取付方法である。ラジアントチューブのバーナー側端部及び排ガス側端部を予め上下方向に開く量δは、次式数２により定めることが好ましい。
【００１５】
【数２】
δ＝ｋＬ０  （ＴＲ  ・αＲ  ／ＴＢ  ・αＢ  −１）    （ただし、０＜ｋ≦１）
【００１６】
ここに、ＴＲ  、αＲ  はラジアントチューブの炉内部分の平均温度と線膨張率、ＴＢ  、αＢ  はバンクの平均温度と線膨張率、Ｌ０  はラジアントチューブのバーナー中心とレキュペレータ中心間距離、ｋは定数とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示すように、従来のバンクへのバーナー側端部取付部１６、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７に対し、本発明では、ラジアントチューブ１のバンク１５への取付位置を上下に開くようにオフセットし、バーナー側端部２、レキュペレータ側端部１０をそれぞれバンクへのバーナー側端部取付部１６’、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７’に固定することにより、第１直管３と第４直管９にオフセット時初期曲げモーメント（第１直管側）２０、オフセット時初期曲げモーメント（第４直管側）２１を与えて熱間における応力を低減させる。
【００１９】
図２（ａ）は、昇温前における従来のラジアントチューブの取付位置をバンク１５の外側より見たものである。バーナー側端部２とレキュペレータ側端部１０がバンクへのバーナー側端部取付部１６、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７に取り付けられており、この間の距離をＬ０  とする。通常操業時のバンク１５の温度をＴＢ  、バンク１５の線膨張率をαＢ  とすると、図２（ｂ）に示すように熱膨張によりバンクへのバーナー側端部取付部１６、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７間の距離はＬ０  ・ＴＢ  ・αＢ  となる。一方、同図に示すように、炉内においては、ラジアントチューブ１は上下方向にも熱膨張し、その量が第１ベンド４と第３ベンド８付近で最大となり、第１直管３と第４直管９の中心軸間距離は、チューブの平均温度をＴＲ  、線膨張率をαＲ  とすると、Ｌ０  ・ＴＲ  ・αＲ  となる。炉内の温度は、バンクに比べて数百℃以上高く、
Ｌ０  ・ＴＢ  ・αＢ  ＜Ｌ０  ・ＴＲ  ・αＲ  
となり、この熱膨張差が様々な損傷の原因となる。
【００２０】
本発明では、図２（ｃ）に示すように、昇温前にバーナー側端部２とレキュペレータ側端部１０をδだけ上下に広げたバンクへのバーナー側端部取付部１６’、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７’にオフセットする。オフセット量δは、図２（ｄ）に示すように、通常操業時におけるバンク１５におけるバンクへのバーナー側端部取付部１６’、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７’間の熱膨張量が、炉内におけるラジアントチューブ１の上下方向の熱膨張量の最大値Ｌ０  ・ＴＲ  ・αＲ  以下になるように、即ち、以下の式数３を満たすようにとる。
【００２１】
【数３】
（Ｌ０  ＋δ）・ＴＢ  ・αＢ    ≦  Ｌ０  ・ＴＲ  ・αＲ  
【００２２】
以上により、初期のオフセット量δは、以下の式数４で定義できる。
【００２３】
【数４】
δ＝ｋＬ０  （ＴＲ  ・αＲ  ／ＴＢ  ・αＢ  −１）    （ただし、０＜ｋ≦１）
【００２４】
上式において、ｋ＝１としてオフセット量δを決定した場合、通常操業時では、図２（ｄ）に示すように、熱間におけるラジアントチューブ１の上下方向の熱膨張変位とバンクへのバーナー側端部取付部１６’、バンクへのレキュペレータ側端部取付部１７’の熱膨張変位がほぼ等しくなり、図８に示したようなチューブの曲げ変形がほぼなくなり、これに起因する様々な損傷を軽減することができる。ｋの値は必ずしも１である必要はなく、０から１の間であればよい。しかしながら、熱応力低減効果を発揮させるためには０．５以上が望ましい。例えば、熱応力を半減するためにはｋ＝０．５近傍でよい。なお、ｋ＝０とすると従来の取付方法と等しくなる。
【００２５】
また、昇温時においては、ラジアントチューブのバーナー側の高温部とレキュペレータ側の低温部の差により、図３に示すような曲げモーメント２７が一次的にかかる。この時においても、本発明の取付方法では、初期に逆の初期曲げモーメント２０がかかっているので、相殺により曲げモーメントを低下させることができる。
【００２６】
【実施例】
本発明により取り付けたラジアントチューブに発生する軸力と曲げモーメントの低減効果について試算する。対象は、図１に示すＷ型のラジアントチューブ１であり、第１直管３及び第４直管９の長さは２５００ｍｍ、第２直管５及び第３直管７の長さは１６５０ｍｍである。外径、内径はそれぞれ１９４ｍｍと１７７ｍｍ、材質はＪＩＳ  Ｇ  ５１２２記載のＳＣＨ２２である。各直管の軸芯間距離はそれぞれ３００ｍｍであり、第１直管３と第４直管９の軸中心間距離Ｌ０  は９００ｍｍである。
【００２７】
ラジアントチューブ１の通常操業時の平均温度を９５０℃、バンク１５の平均温度を２００℃、ラジアントチューブ１の線膨張率を１７×１０−６、バンク１５の線膨張率を１３×１０−６とすると、両者の熱膨張差は１２．２ｍｍとなる。そこで、オフセット量δを４ｍｍ、８ｍｍ、及び１２ｍｍにしたときのチューブに発生する軸力、及び曲げモーメントの分布を図４、図５に示す。これより、オフセットによって大幅に軸力、及び曲げモーメントが下がっていることがわかる。軸力、及び曲げモーメントが下がれば、ラジアントチューブに発生する応力も必然的に下がる。
【００２８】
本発明方法によりラジアントチューブのバーナー側端部のオフセット量を１０ｍｍとして取り付け、実炉に入れて６年を経過しても、異常なく稼働した。従来構造の寿命は、平均的に３〜４年であり、長寿命化が実現できた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、昇温時ならびに通常操業時におけるラジアントチューブの熱応力を大幅に緩和して、亀裂やクリープ変形、座屈を阻止することができ、ラジアントチューブの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の説明図である。
【図２】本発明の一実施例の詳細な説明図である。
【図３】本発明の効果の説明図である。
【図４】ラジアントチューブの軸力分布の試算結果を示す図である。
【図５】ラジアントチューブの曲げモーメント分布の試算結果を示す図である。
【図６】従来の典型的なＷ型ラジアントチューブの構造の説明図である。
【図７】従来の典型的なＷ型ラジアントチューブの昇温時における変形及び損傷形態の説明図である。
【図８】従来の典型的なＷ型ラジアントチューブの通常操業時における変形及び損傷形態の説明図である。
【符号の説明】
１    ラジアントチューブ
２    バーナー側端部
３    第１直管
４    第１ベンド
５    第２直管
６    第２ベンド
７    第３直管
８    第３ベンド
９    第４直管
１０    レキュペレータ側端部
１１    ラジアントチューブ間サドル
１２    ラジアントチューブ間サドル
１３    第３ベンド先端支持受け部
１４    耐火物
１５    バンク
１６    バンクへのバーナー側端部取付部
１６’  バンクへのバーナー側端部取付部
１７    バンクへのレキュペレータ側端部取付部
１７’  バンクへのレキュペレータ側端部取付部
１８    炉壁支持治具
１９    加熱炉炉壁
２０    オフセット時初期曲げモーメント（第１直管側）
２１    オフセット時初期曲げモーメント（第４直管側）
２２    バーナー
２３    レキュペレータ
２４    加熱炉炉壁
２５    軸方向（水平方向）
２６    第１直管軸方向力
２７    第１直管曲げモーメント（昇温時）
２８    第１ベンド曲げモーメント（昇温時）
２９    サドル部近傍の直管への垂直荷重（昇温時）
３０    サドル部近傍の直管への垂直荷重（昇温時）
３１    第１直管亀裂（昇温時）
３２    第１ベンド亀裂（昇温時）
３３    高さ方向（垂直方向）
３４    第１直管曲げモーメント（通常操業時）
３５    第１ベンド曲げモーメント（通常操業時）
３６    サドル部近傍の直管への垂直荷重（通常操業時）
３７    サドル部近傍の直管への垂直荷重（通常操業時）
３８    第２直管座屈
３９    第３直管座屈
４０    第３直管座屈
４１    第４直管座屈
４２    第２直管垂れ
【図１】
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【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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