(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーバンクへの取付位置が上下になるように配置されたＷ型の蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造において、水平方向のスリットを有する固定治具を、該スリットがラジアントチューブの上下中心軸上に位置するようにバ−ナ−バンクとは反対側の炉壁に突設し、前記スリット上を移動可能なピンと、第１ベンド先端に突設した受け治具に設けたピンとの間を、ロッドで連結して両端が回転ジョイントとなるようにしつつ第１ベンドを支持するとともに、前記スリット上を移動可能な前記ピンと、第３ベンド先端に突設した受け治具に設けたピンとの間を、ロッドで連結して両端が回転ジョイントとなるようにしつつ第３ベンドを吊る構造とし、さらに、水平方向のスリットを有する固定治具を、該スリットがラジアントチューブの上下中心軸上に位置するようにバ−ナ−バンクに突設し、前記スリットと第２ベンド先端に突設した受け治具とを前記スリット上を移動可能なピンを介して連結し、回転ジョイントとなるようにしつつ第２ベンドを支持する構造として、支持構造を上下対称としたことを特徴とする蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造。
【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型の蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、バーナーが上下位置になるように炉壁に取り付けられたＷ型の蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブを、従来の典型的なＷ型のラジアントチューブの支持構造により支持した状態を示す。上バーナー４３、下バーナー４４には、それぞれ燃焼空気を予熱するための上バーナー蓄熱帯４５、下バーナー蓄熱帯４６が設置され、２つのバーナーが交互に燃焼、蓄熱を繰り返す。従って、従来のラジアントチューブではバーナー側とレキュペレータ側の温度差が大きく開くのに対して、この場合、燃焼条件がチューブ上下方向に対して対称となり、チューブの温度分布も上下対称となると同時に温度偏差も極めて小さくなるなど、Ｗ型の蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブは極めて高い加熱及び燃焼効率を実現する。
【０００３】
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、上バーナー４３、下バーナー４４側のバーナー側端部（上部）２、バーナー側端部（下部）１０はともにバーナーバンク１１に溶接され、さらに、バーナーバンク１１は炉壁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４１は、バーナーとは反対側の炉壁１３からの炉壁支持治具４２によって支えられている。さらに、第１ベンド４あるいは第２直管５の下部と、第３ベンド８あるいは第３直管７の上部との間にラジアントチューブ間サドル３９が、また、第２ベンド６あるいは第３直管７と第４直管９の間にラジアントチューブ間サドル４０が設けられている。
【０００４】
ところで、ラジアントチューブは高温加熱により、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〜図９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、通常操業時と炉昇温時の２つの状態を考える。
【０００５】
図７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、バーナーバンク１１の温度は通常２００℃から３００℃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の先端の炉壁支持治具４２を起点とし、第３ベンド８、サドル３９、第１ベンド４に到る高さ方向（垂直方向）４７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、バーナーバンクの温度を２５０℃、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、バーナーバンク部分の垂直方向伸びは約３．８ｍｍ、先端部分の垂直方向伸びは約１４．５ｍｍであり、１０ｍｍ以上の差を生じる。
【０００６】
このように、熱膨張による第１直管３の先端部の上向きの変形により、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）４８が発生する。また、サドル３９による拘束のため、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）４９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近傍上下荷重５０を受ける。さらに、全体の約１／３の自重を支える第３ベンド８の先端の支持受け部４１には、大きな第３ベンド先端支持受け部曲げモーメント５１がかかる。また、高温下においては、サドル３９、４０はチューブの自重の一部を受持つため、第３直管７及び第４直管９のサドル近傍は、上下方向の力である上下荷重５０、５２を恒常的に受ける。
【０００７】
ラジアントチューブ１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、図８に示すように、サドル３９近傍の第２直管５及び第３直管７にサドル上部直管座屈５３、サドル下部直管座屈５４が、また、サドル４０近傍の第３直管７及び第４直管９にサドル上部直管座屈５５、サドル下部直管座屈５６が発生する。また、第２直管５の座屈５３に伴う断面剛性の低下のため、第２直管垂れ５７を引き起こす。また、第３ベンド８先端の支持受け部４１は、曲げモーメント５１に伴い、上向きの変形である第３ベンド先端支持受け部回転変形５８を発生させる。この回転変形５８と第４直管９の座屈５６に伴い、第４直管垂れ５９も引き起こされ、ラジアントチューブの使用寿命に到る。
【０００８】
図９は、常温から通常操業状態までの炉昇温時の状態を示す。ただし、ラジアントチューブが経年的変形を受け、第３ベンド８先端の支持受け部４１が上向きに変形している。この状態で昇温した場合、第３ベンド８先端の熱膨張が阻害されることにより、第１直管３には大きな圧縮力である第１直管軸力（昇温時）６０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）６１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、サドル３９による変形拘束により、第１ベンド４には大きな第１ベンド曲げモーメント（昇温時）６２が発生する。これによって、ベンド部側面に応力集中が発生し、また、サドルの上部は大きな力を受ける。さらに、材質の経年劣化や酸化減肉、熱疲労の蓄積、スケールの発生等による温度偏差が加わり、前述の大きな応力発生時に、第１直管バーナー側に第１直管バーナー側亀裂６３が、あるいは第１ベンド側面に第１ベンド側面亀裂６４が発生する。
【０００９】
以上のように、蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブを従来の支持構造により支持した場合、温度分布が上下対称であるにもかかわらず、支持構造が上下非対称であるため様々な問題を生じ、亀裂や変形、座屈を起こし寿命に到る。従って、熱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。
【００１０】
このような蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの問題点に対して、変形や亀裂の発生を防止する手段はこれまで例がない。応力緩和の方法としては、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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブでは燃焼条件や温度分布が上下対称となるのに、従来の支持構造は上下対称ではなく、変形や拘束に伴う熱応力を低減する効果はない。また、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、蓄熱帯を含むバーナーのかなりの重量を同時に支える必要があるばかりでなく、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る。また、特開平３−２２６５１９号公報の第１ベンド先端を炉壁から支持する方法は、支持部の変形が生じた時点で、炉修等により降温・昇温を繰り返した場合に熱膨張を阻害して座屈を引き起こす恐れがある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブにおいて、低コストで通常操業時や炉昇温時における熱応力と変形を大幅に緩和し、支持部近傍の直管の座屈や支持部変形に伴うチューブの熱膨張阻害による全体の座屈を防止して、従来のラジアントチューブよりも長寿命化を図れる蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、バーナーバンクへの取付位置が上下になるように配置されたＷ型の蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造において、水平方向のスリットを有する固定治具を、該スリットがラジアントチューブの上下中心軸上に位置するようにバ−ナ−バンクとは反対側の炉壁に突設し、前記スリット上を移動可能なピンと、第１ベンド先端に突設した受け治具に設けたピンとの間を、ロッドで連結して両端が回転ジョイントとなるようにしつつ第１ベンドを支持するとともに、前記スリット上を移動可能な前記ピンと、第３ベンド先端に突設した受け治具に設けたピンとの間を、ロッドで連結して両端が回転ジョイントとなるようにしつつ第３ベンドを吊る構造とし、さらに、水平方向のスリットを有する固定治具を、該スリットがラジアントチューブの上下中心軸上に位置するようにバ−ナ−バンクに突設し、前記スリットと第２ベンド先端に突設した受け治具とを前記スリット上を移動可能なピンを介して連結し、回転ジョイントとなるようにしつつ第２ベンドを支持する構造として、支持構造を上下対称としたことを特徴とする蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの炉内支持構造である。
【００１４】
本発明においては、炉壁ならびバーナーバンクからの支持位置をラジアントチューブの上下中心軸とすることにより、上下対称な炉内支持構造を実現するとともに、第１、第２、第３各ベンド部先端を回転ジョイントとして支持することにより、支持部の変形によるチューブの熱膨張を阻害することがない。また、直管部に支持部がないので座屈も生じない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について実施例に基づいて説明する。
【００１６】
図１は実施例の全体を示す図、図２及び図３はその詳細図である。
【００１７】
まず、バーナーバンク１１とは反対側の炉壁１３に水平方向の炉壁側固定治具上スリット１５を有する炉壁側固定治具１４を突設する。スリット１５の高さ中心位置は、ラジアントアントチューブの上下中心軸１６上とする。次に、ピン穴１８を有する第１ベンド先端受け治具１７を第１ベンド４の先端に、ピン穴２３を有する第３ベンド先端受け治具２２を第３ベンド８の先端にそれぞれ突設する。ピン穴１８とピン穴２３の中心は、上下中心軸１６に対し上下対称に位置する。
【００１８】
第１ベンド支持ロッド１９は両端に第１ベンド側ピン穴２０、炉壁側固定治具側ピン穴２１を有する。ロッド１９のピン穴２０と受け治具１７に設けられたピン穴１８は、第１ベンド先端ピン２７を介して連結され、ピン穴２１は、炉壁側固定治具ピン２９を介して、スリット１５上を移動できる。さらに、第３ベンド吊りロッド２４は両端に第３ベンド側ピン穴２５、炉壁側固定治具側ピン穴２６を有する。ロッド２４のピン穴２５と受け治具２２に設けられたピン穴２３は、第３ベンド先端ピン２８を介して連結され、ピン穴２６はピン２９に連結し、スリット１５上を移動できる。ピン２９は、ピン２７、ピン２８よりも炉壁１３側に位置させる。ラジアントチューブ加熱前のピン２９の位置からのスリット１５の奥行Ｌ１は、チューブの軸方向の熱膨張の最大値にほぼ等しくとる。
【００１９】
バーナーバンク１１には、水平方向のバーナーバンク側固定治具上スリット３１を有するバーナーバンク側固定治具３０を突設する。スリット３１の高さ中心位置は、上下中心軸１６上とする。次に、第２ベンド６の先端にピン穴３３を有する第２ベンド先端受け治具３２を突設する。ピン穴３３は、第２ベンド先端ピン３４を介してスリット３１の上を移動可能とする。ラジアントチューブ加熱前のピン３４の位置からのスリット３１の奥行Ｌ２はチューブの軸方向の熱膨張の最大値に等しくとる。
【００２０】
ピン２７の直径は、第１ベンド４が変形を拘束されてもピンが曲げ変形しないように決定する。ピン２８の直径はピン２７と同じとする。炉壁１３に突設した炉壁側固定治具１４上のピン２９の直径は、第１ベンド４と第３ベンド８にかかる荷重すべてを考慮して決定する。ピン３４の直径は第２ベンド６が変形を拘束されてもピンが曲げ変形しないように決定する。また、それぞれのピンの入るピン穴のサイズはピン直径の熱膨張を考えて決定する。
【００２１】
さらに、ピン２７、２８、２９、３４は抜け落ちたり、横に大きくずれたりすることのないようにしなければならない。特に、ピン２９は、ラジアントチューブ据え付け時に、炉壁１３からの炉壁側固定治具１４上のスリット１５に確実に挿入される必要があり、ピン２９に大きな横ずれがおきないようにする。例えば、図２（ｃ）に第１ベンド先端部のピン溶接固定部３５、炉壁からの固定支持部のピン溶接固定部３６、第３ベンド尖端部のピン溶接固定部３７を示すように、ピン穴２０とピン２７、ピン穴２１とピン２９、ピン穴２５とピン２８の間を、また、図３（ｃ）に第２ベンド尖端部のピン溶接固定部３８を示すように、ピン穴３３とピン３４の間を溶接により固定する。
【００２２】
第１ベンド４と炉壁１３に突設した炉壁側固定治具１４を連結するロッド１９の断面積は、ピン２９がスリット１５の最奥に達し、変形がロックされた時に発生する圧縮力、ならびに第１直管３から第２直管５の自重に対してクリープ座屈に耐えるサイズとする。第３ベンド８と炉壁１３に突設した炉壁側固定治具１４を連結するロッド２４の断面積は、第３直管７から第４直管９以降のチューブの重量を勘案してクリープ変形しないように決定する。
【００２３】
本発明の炉内支持構造により、炉昇温前の冷間では、第１ベンド４と第３ベンド８が、ロッド１９とロッド２４、及びピン２９を介して連結され、かつピン２９がスリット１５にあるため、第１ベンド４を下から支え、第３ベンド８を上から吊る構造となる。昇温時には第１直管３と第４直管９の温度が急激に上がるため、全体的に軸方向の熱膨張が起きる。この時、ロッド１９、ロッド２４を介してピン２９がスリット１５上を移動することにより、第１ベンド４と第３ベンド８の移動を拘束することはない。また、通常操業時においては、ピン２９がスリット１５の最奥まで移動し、ロッド１９が突っ張った状態となり、第１ベンド４を支えるので、自重によるクリープによる垂れを防ぐことができる。また、第３ベンド８はロッド２４を介して常に吊り上げる状態となり、クリープによる垂れを防ぐことができる。
【００２４】
さらに第２ベンド６はピン３４を介してスリット３１上を移動可能であり、軸方向には自由だが、上下方向は拘束しているため、第２ベンド６の上下に伴うチューブ全体の剛性低下を防ぐことができ、自重による垂れを低く押さえることが可能である。
【００２５】
【実施例】
図１に本発明の一実施例を示す。ラジアントチューブ１は連続焼鈍炉に用いるもので、第１直管３と第４直管９の長さは２５００ｍｍ、第２直管５及び第３直管７はそれぞれ１４５０ｍｍ、１６５０ｍｍである。各直管の軸芯間距離はそれぞれ３００ｍｍ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。
【００２６】
ピン２７、及びピン２８の直径は３０ｍｍ、ピン２９の直径は４５ｍｍ、ピン３４の直径は３０ｍｍとした。また、ピン穴２０とピン２７、ピン穴２１とピン２９、ピン穴２５とピン２８、ピン穴３３とピン３４の間は溶接により固定した。回転する受け治具１７上のピン穴１８、及び受け治具２２上のピン穴２３の直径はそれぞれピン２７、ピン２８の熱膨張を考えて３１ｍｍ、ロッド２４のピン２９側のピン穴２６の直径は同じくピン２９の熱膨張を考えて４６ｍｍとした。
【００２７】
スリット１５の幅は、ピン２９の熱膨張を考えて４６ｍｍとした。また、バ−ナ−バンク１１から突設した固定治具３０上のスリット３１の幅は、ピン３４の熱膨張を考えて３１ｍｍとした。また、スリット１５の奥行Ｌ１は第１ベンド４あるいは第３ベンド８の軸方向の最大熱変形量を考えて４２ｍｍ、スリット３１の奥行Ｌ２は第２ベンド６の最大熱変形量を考えて２３ｍｍとした。
【００２８】
第１ベンド４と炉壁１３に突設した炉壁側固定治具１４を連結するロッド１９の断面積は、ピン２９がスリット１５の最奥に達し、変形がロックされた時に発生する圧縮力ならびに第１直管３から第２直管５の自重に対するクリープ座屈を勘案して６０ｃｍ２  、第３ベンド８と炉壁１３に突設した炉壁側固定治具１４を連結するロッド２４の断面積は、第３直管７から第４直管９以降のチューブの重量によるクリープ変形を勘案して３０ｃｍ２  とした。
【００２９】
本発明により炉内支持したラジアントチューブを、図６に示す従来支持構造のラジアントチューブとともに製作し、燃焼テストを行った。そして、両者の温度分布に差がないことを確認した上でチューブの変形（第１直管の上下変形のみ）を実測した。
【００３０】
図４は、変形の実測結果と、燃焼試験時の温度分布を用いた有限要素法シミュレーションにより検証したものである。図４に示すように、本発明により炉内支持したチューブの変形は、従来支持構造の場合の１／３以下であり、曲げ変形が小さいことがわかる。
【００３１】
また、図５は、前記有限要素法シミュレーションにより応力分布を試算したものである。これより、本発明により炉内支持したラジアントチューブでは、最も熱的に厳しい第１直管及び第４直管の応力が従来支持構造の場合の約１／２に、またベンド部の応力も従来支持構造の場合の約１／２になっており、大幅低減していることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、支持構造が上下対称、即ち熱変形が上下対称になり、第２ベンドの上下方向拘束によりチューブ全体の剛性が上がるとともに、チューブ間にサポートがないこと、ベンド先端が回転ジョイントで接続されていることから、チューブの高さ方向及び軸方向の熱変形を拘束することがないので、熱応力を緩和してクリープ変形を低く抑えることが可能になるとともに、チューブの座屈を引き起こすことがなく、蓄熱交互燃焼式ラジアントチューブの長寿命化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】本発明の実施例の部分詳細説明図である。
【図３】本発明の実施例の別の部分の詳細説明図である。
【図４】燃焼テストにおける第１直管の変位測定結果ならびに計算結果を示す図である。
【図５】ラジアントチューブの応力分布の試算結果を示す図である。
【図６】従来の支持構造によるＷ型ラジアントチューブの説明図である。
【図７】従来の支持構造によるＷ型ラジアントチューブの通常操業初期における変形及び損傷形態の説明図である。
【図８】従来の支持構造によるＷ型ラジアントチューブの通常操業末期における変形及び損傷形態の説明図である。
【図９】従来の支持構造による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。
【符号の説明】
１    ラジアントチューブ
２    バーナー側端部（上部）
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  バーナー側端部（下部）
１１  バーナーバンク
１２  耐火物
１３  炉壁
１４  炉壁側固定治具
１５  炉壁側固定治具上スリット
１６  ラジアントチューブの上下中心軸
１７  第１ベンド先端受け治具
１８  ピン穴
１９  第１ベンド支持ロッド
２０  第１ベンド側ピン穴
２１  炉壁側固定治具側ピン穴
２２  第３ベンド先端受け治具
２３  ピン穴
２４  第３ベンド吊りロッド
２５  第３ベンド側ピン穴
２６  炉壁側固定治具側ピン穴
２７  第１ベンド先端ピン
２８  第３ベンド先端ピン
２９  炉壁側固定治具ピン
３０  バーナーバンク側固定治具
３１  バーナーバンク側固定治具上スリット
３２  第２ベンド先端受け治具
３３  ピン穴
３４  第２ベンド先端ピン
３５  第１ベンド先端部のピン溶接固定部
３６  炉壁からの固定支持部のピン溶接固定部
３７  第３ベンド尖端部のピン溶接固定部
３８  第２ベンド尖端部のピン溶接固定部
３９  ラジアントチューブ間サドル
４０  ラジアントチューブ間サドル
４１  第３ベンド先端支持受け部
４２  炉壁支持治具
４３  上バーナー
４４  下バーナー
４５  上バーナー蓄熱帯
４６  下バーナー蓄熱帯
４７  高さ方向（垂直方向）
４８  第１直管曲げモーメント（通常操業時）
４９  第１ベンド曲げモーメント（通常操業時）
５０  サドル近傍上下荷重
５１  第３ベンド先端支持受け部曲げモーメント
５２  サドル近傍上下荷重
５３  サドル上部直管座屈
５４  サドル下部直管座屈
５５  サドル上部直管座屈
５６  サドル下部直管座屈
５７  第２直管垂れ
５８  第３ベンド先端支持受け部回転変形
５９  第４直管垂れ
６０  第１直管軸力（昇温時）
６１  第１直管曲げモーメント（昇温時）
６２  第１ベンド曲げモーメント（昇温時）
６３  第１直管バーナー側亀裂
６４  第１ベンド側面亀裂
【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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【図９】
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