(57)【要約】【課題】冷却管について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備える。【解決手段】ノズル１と、ノズル１の炉内に向いた先端１ａ側を開放してノズル１の外表面を囲むように覆う外筒２と、外筒２の周りに巻回された冷却管３と、少なくとも、ノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の巻回の内周方向表面３ａに、界面反応層を介して外筒２が接合された合金皮膜４と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナノズルと、
前記バーナノズルの炉内に向いた先端側を開放して前記バーナノズルの外表面を囲むように覆う外筒と、
前記外筒の周りに巻回された冷却管と、
少なくとも、前記バーナノズルの先端側に配置された前記冷却管の巻回の内周方向表面に、界面反応層を介して前記外筒が接合された合金皮膜と、を有するバーナ。
【請求項２】
前記界面反応層は、冷却管の金属と前記合金皮膜の金属とが混在した領域である請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記合金皮膜は、前記冷却管の全表面に設けられる請求項１または２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記合金皮膜は、巻回により隣接する各前記冷却管の隙間を埋めて設けられる請求項１から３のいずれか１つに記載のバーナ。
【請求項５】
前記合金皮膜は、前記外筒の外側表面に面で接触する請求項１から４のいずれか１つに記載のバーナ。
【請求項６】
前記合金皮膜は、少なくとも前記冷却管の巻回の内側表面に界面反応層を介して接合されると共に、前記外筒の外側表面に界面反応層を介して接合されて、前記冷却管と前記外筒とを結合する請求項１から４のいずれか１つに記載のバーナ。
【請求項７】
前記冷却管は、巻回の内側表面に前記外筒の外側表面に沿って対面する対向面が形成されている請求項６に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化装置などの燃焼炉に用いられるバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、バーナが示されている。このバーナは燃料となる石炭チャーや微粉炭を燃焼するものである。バーナは、バーナ二次管（外筒）の内側にバーナ一次管（ノズル）が配置されている。このバーナは、バーナ二次管の周囲に冷却管が巻回されている。冷却管は、冷却水が流され、バーナを冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１５２９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示すようなバーナにおいては、冷却管について、ステンレス鋼では冷却管の内面と外面の温度差により、管内外面の熱伸び差が生じ、熱応力が作用する。つまり、冷却管の内面が冷たく、外面が熱いと外面の伸びが大きくなる状態になり、この状態が繰り替えされると疲労事象が生じる。熱伸び差が生じて熱応力の作用が繰り返し生じる理由としては、冷却管の表面のスラグ脱着や管外面側の温度変動によるものが挙げられる。このような熱応力が作用することで生じる熱疲労に対する疲労強度に課題があり、低合金鋼では硫化水素に対して耐食性が不足している課題がある。このため、熱伝導性および耐食性に優れるＮｉ基合金（例えば、インコネル６２５やインコネル６００）が採用される。ただし、Ｎｉ基合金の冷却管を採用した場合でも、バーナ噴流（チャーや微粉炭）の衝突による摩耗が懸念されるため、バーナ噴流の衝突対象範囲に長寿命化のための対策が必要となる。バーナ噴流の衝突の対策としては、例えば、肉盛溶接、溶射皮膜施工またはプロテクタの設置が挙げられる。しかし、肉盛溶接は、冷却管の肉厚が薄いため施工が難しく、溶射皮膜は、冷却管と皮膜の熱伸び差により剥離の課題がある。また、プロテクタの設置については、耐熱性の点で対応が難しい。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、冷却管について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることのできるバーナ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】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るバーナは、バーナノズルと、前記バーナノズルの炉内に向いた先端側を開放して前記バーナノズルの外表面を囲むように覆う外筒と、前記外筒の周りに巻回された冷却管と、少なくとも、前記バーナノズルの先端側に配置された前記冷却管の巻回の内周方向表面に、界面反応層を介して前記外筒が接合された合金皮膜と、を有する。
【０００７】
このバーナは、冷却管と外筒との間に合金皮膜を配置することで、冷却管と外筒とを合金皮膜を介して接触させることができる。これにより、冷却管と外筒とが点で接している場合よりも、熱が伝達する領域をより大きくすることができる。つまり、冷却管と外筒との間の燃焼用空気が通過する部分を合金皮膜で埋めることができ、合金皮膜を介して冷却管と外筒との間で熱を伝達することができる。これにより、冷却管で外筒をより高い効率で冷却することができ、外筒の温度上昇を抑制することができる。これにより、外筒の特に炉内に向いたバーナノズルの先端側が炉内の高温燃焼ガスまたは高温ガス化ガスにさらされることにより生じる高温腐食の発生を抑制することができる。冷却管と外筒が一体化することで炉に対するバーナおよび外筒に対する冷却管の取り付け位置に対する設置精度の向上を図ることができる。
【０００８】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記界面反応層は、冷却管の金属と前記合金皮膜の金属とが混在した領域である。
【０００９】
このバーナは、界面反応層が冷却管の金属と前記合金皮膜の金属とが混在した領域であり、界面反応により合金皮膜および冷却管の構成元素が拡散し固溶することで冶金的に冷却管と合金皮膜とを面状に接合し連結している。これにより、冶金的に結合することで、１つの金属となり、隙間や空隙などの断熱層がなくなるため、熱伝達率が向上する。
【００１０】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、前記冷却管の全表面に設けられることが好ましい。
【００１１】
このバーナは、冷却管の全表面に耐食性および耐摩耗性を有する合金皮膜を設けることで、冷却管の全表面での耐食性、耐摩耗性の低下を抑制できるため、冷却管の母材に比較的安価な金属を採用することができる。
【００１２】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、巻回により隣接する各前記冷却管の隙間を埋めて設けられることが好ましい。
【００１３】
このバーナは、巻回により隣接する各冷却管の隙間を合金皮膜で埋めることで、冷却管と合金皮膜が一体化し、従来の点接触かつ隙間が有る構造に対して、合金被膜を介して、冷却管同士の熱伝導性が向上するため、外筒に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、前記外筒の外側表面に面で接触することが好ましい。
【００１５】
このバーナは、合金皮膜が外筒の外側表面に面で接触することで、熱伝達性が向上し、より効果的な冷却が可能になる。
【００１６】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、少なくとも前記冷却管の巻回の内側表面に界面反応層を介して接合されると共に、前記外筒の外側表面に界面反応層を介して接合されて、前記冷却管と前記外筒とを結合することが好ましい。
【００１７】
このバーナは、合金皮膜が冷却管と外筒との両方と界面反応層で介して接合される。これにより、冷却管と外筒とが、合金皮膜を通じて面接触となるため、外筒と冷却管との間の熱の伝達をより効率よく行うことができ、外筒をより効果的に冷却することができる。この結果、外筒２の先端２ａの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
【００１８】
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記冷却管は、巻回の内側表面に前記外筒の外側表面に沿って対面する対向面が形成されていることが好ましい。
【００１９】
このバーナは、冷却管が外筒に面接触するため、冷却管と外筒とが直接する面積が向上し、また、接触しやすい状態とすることができる。これにより、密着性向上や冷却面積の向上が図れ、より効果的な冷却が可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、冷却管について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本実施形態に係るバーナを有するガス化装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るバーナの側断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るバーナの合金皮膜部分の模式拡大断面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。
【図６】図６は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。
【図７】図７は、本実施形態に係るバーナの他の例の合金皮膜部分の模式拡大断面図である。
【図８】図８は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。以下の実施形態では、バーナをガス化装置のガス化炉に配置した場合として説明するが、ガス化炉以外の燃焼機器のバーナとしても用いることができる。
【００２３】
まず、図１を用いて、本実施形態に係るバーナを有するガス化装置について説明する。図１は、本実施形態に係るバーナを有するガス化装置の概略構成を示す模式図である。ガス化装置１００は、供給された固形燃料をガス化する。ガス化装置１００に供給する燃料としては、例えば、石炭などの炭素含有固体燃料が用いられる。ガス化装置１００は、例えば石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ：Integrated  Coal  Gasification  Combined  Cycle）に適用される。石炭ガス化複合発電設備は、空気を酸化剤として用いており、ガス化装置１００において、燃料から生成ガスを生成する空気燃焼方式を採用している。そして、石炭ガス化複合発電設備は、ガス化装置１００で生成した生成ガスを、ガス精製装置で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン設備に供給して発電を行っている。すなわち、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備は、空気燃焼方式（空気吹き）の発電設備となっている。
【００２４】
ガス化装置１００は、給炭装置で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収装置で回収されたチャー（石炭の未反応分および灰分）が戻されて再利用可能に供給されている。イナートガスとは、酸素含有率が約５体積％以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約５％以下に制限されるものではない。
【００２５】
このガス化装置１００は、図には明示しないが、ガスタービン設備（圧縮機）からの圧縮空気供給ラインが接続され、ガスタービン設備で圧縮された圧縮空気が供給可能となっている。また、ガス化装置１００は、空気分離装置が接続されている。空気分離装置は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第１窒素供給ラインと酸素供給ラインとが接続されている。第１窒素供給ラインは、ガス化装置１００に接続されている。また、第１窒素供給ラインは、その途中に第２窒素供給ラインが分岐して接続され、さらにガス化装置１００寄りに給炭装置からの給炭ラインが接続されている。第１窒素供給ラインから分岐した第２窒素供給ラインもガス化装置１００に接続されている。第２窒素供給ラインは、その途中にチャー回収装置からのチャー戻しラインが接続されている。酸素供給ラインは、圧縮空気供給ラインを介してガス化装置１００に接続されている。そして、空気分離装置によって分離された窒素は、第１窒素供給ラインおよび第２窒素供給ラインを流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離装置によって分離された酸素は、酸素供給ラインおよび圧縮空気供給ラインを流通することで、ガス化装置１００において酸化剤として利用される。さらに、空気分離装置は、酸素供給ラインによって、圧縮空気供給ラインと接続されている。
【００２６】
ガス化装置１００は、図１に示すように、ガス化炉１０１と、熱交換器１０２と、を備えている。ガス化炉１０１は、鉛直方向に延びて形成されており、鉛直方向の下方側に微粉炭および酸素が供給され、部分燃焼させてガス化した可燃性ガス（生成ガス）が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通している。ガス化炉１０１は、圧力容器１１０と、圧力容器１１０の内部に設けられるガス化炉壁１１１とを有している。そして、ガス化炉１０１は、圧力容器１１０とガス化炉壁１１１との間の空間にアニュラス部１１５を形成している。また、ガス化炉１０１は、ガス化炉壁１１１の内部の空間において、鉛直方向の下方側（つまり、生成ガスの流通方向の上流側）から順に、コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７、リダクタ部１１８を形成している。
【００２７】
圧力容器１１０は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、上端部にガス排出口１２１が形成される一方、下端部（底部）にスラグホッパ１２２が形成されている。ガス化炉壁１１１は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、その壁面が圧力容器１１０の内面と対向して設けられている。本実施形態では圧力容器１１０は、円筒形状で、ガス化炉壁１１１は、多角筒形状や円筒形状に形成されている。そして、ガス化炉壁１１１は、図示しない支持部材により圧力容器１１０内面に連結されている。
【００２８】
ガス化炉壁１１１は、圧力容器１１０の内部を内部空間１５４と外部空間１５６に分離する筒状の部材である。ガス化炉壁１１１は、断面形状が変わらない筒ではなく、一部に凹凸や絞りが設けられている。ガス化炉壁１１１は、その上端部が、圧力容器１１０のガス排出口１２１に接続され、その下端部が圧力容器１１０の底部と隙間を空けて設けられている。そして、圧力容器１１０の底部に形成されるスラグホッパ１２２には、貯留水が溜められており、ガス化炉壁１１１の下端部が貯留水に浸水することで、ガス化炉壁１１１の内外を封止している。ガス化炉壁１１１には、バーナ１２６、１２７が挿入され、内部空間１５４に熱交換器１０２が配置されている。バーナ１２６、１２７の構造については後述する。
【００２９】
アニュラス部１１５は、圧力容器１１０の内側とガス化炉壁１１１の外側に形成された空間、つまり外部空間１５６であり、上述したように空気分離装置で分離された不活性ガスである窒素が、第１窒素供給ラインおよび第２窒素供給ラインを通って供給される。このため、アニュラス部１１５は、窒素が充満する空間となる。なお、このアニュラス部１１５の鉛直方向の上部付近には、ガス化炉１０１内を均圧にするための図示しない炉内均圧管が設けられている。炉内均圧管は、ガス化炉壁１１１の内外を連通して設けられ、ガス化炉壁１１１の内部（コンバスタ部１１６、ディフューザ部１１７およびリダクタ部１１８）と外部（アニュラス部１１５）とを均圧にしている。
【００３０】
コンバスタ部１１６は、微粉炭およびチャーと空気とを一部燃焼させる空間となっており、コンバスタ部１１６におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２６からなる燃焼装置が配置されている。コンバスタ部１１６で微粉炭およびチャーの一部を燃焼した高温の燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通過してリダクタ部１１８に流入する。
【００３１】
リダクタ部１１８は、ガス化反応に必要な高温状態に維持されコンバスタ部１１６からの燃焼ガスに微粉炭を供給して、微粉炭を揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素など）へと熱分解してガス化されて可燃性ガスを生成する空間となっており、リダクタ部１１８におけるガス化炉壁１１１には、複数のバーナ１２７からなる燃焼装置が配置されている。
【００３２】
熱交換器１０２は、ガス化炉壁１１１の内部に設けられると共に、リダクタ部１１８のバーナ１２７の鉛直方向の上方側に設けられている。熱交換器１０２は、ガス化炉壁１１１の鉛直方向の下方側（生成ガスの流通方向の上流側）から順に、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４が配置されている。これらの熱交換器１０２は、リダクタ部１１８において生成された生成ガスと熱交換を行うことで、生成ガスを冷却する。また、蒸発器（エバポレータ）１３１、過熱器（スーパーヒータ）１３２、節炭器（エコノマイザ）１３４は、図に記載されたその数量を限定するものではない。
【００３３】
ここで、上述した本実施形態のガス化装置１００の作動について説明する。ガス化装置１００ガス化炉１０１において、リダクタ部１１８のバーナ１２７により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、コンバスタ部１１６のバーナ１２６により微粉炭およびチャーと圧縮空気（酸素）が投入されて点火される。すると、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温燃焼ガスが発生する。また、コンバスタ部１１６では、微粉炭とチャーの燃焼により高温ガス中で溶融スラグが生成され、この溶融スラグがガス化炉壁１１１へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ１２２内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部１１６で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部１１７を通ってリダクタ部１１８に上昇する。このリダクタ部１１８では、ガス化反応に必要な高温状態に維持されて、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気場において微粉炭を揮発分（一酸化炭素、水素、低級炭化水素など）へと熱分解してガス化反応が行われ、可燃性ガス（生成ガス）が生成される。ガス化した可燃性ガス（生成ガス）が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通する。
【００３４】
次に、図１に加え、図２から図４を用いて、バーナの構造について説明する。ここで、バーナ１２６と、バーナ１２７は、同様の構造であるので、以下バーナ１０として説明する。図２は、本実施形態に係るバーナの側断面図である。図３は、本実施形態に係るバーナの合金皮膜部分の模式拡大断面図である。図４は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図である。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態のバーナ１０は、上述したように、圧力容器１１０およびガス化炉壁１１１（図１参照）を貫通して、内部が高温になる炉Ｈの内側に挿入されている。バーナ１０は、ノズル（バーナノズル）１と、外筒（二次空気管）２と、冷却管３と、合金皮膜４と、旋回羽根５と、を有する。
【００３６】
ノズル１は、一次空気および燃料（チャーや微粉炭）を噴射する。ノズル１は、噴射口である先端１ａ側が炉Ｈの内部に向いた向きで配置されている。外筒２は、二次空気を供給するもので、ノズル１の先端１ａ側を開放しノズル１の外側を覆うように設けられている。外筒２は、ノズル１の周囲を囲むように配置されている。つまり、バーナ１０は、ノズル１と外筒２とが二重管となる。本実施形態のバーナ１０は、ノズル１と外筒２とが互いの中心線ＣＬを一致させるように配置された二重の円筒管となる。外筒２は、炉Ｈ内側の端部である先端２ａが、ノズル１の先端１ａよりも長く形成されている。旋回羽根５は、ノズル１と外筒２との間に設けられている。旋回羽根５は、外筒２により供給される二次空気を旋回流とする。そして、バーナは、ノズル１および外筒２により供給される燃料および空気（一次空気および二次空気）によって炉Ｈ内にて火炎を形成する。
【００３７】
冷却管３は、内部に冷却水（冷却媒体）が流通する。冷却管３は、外筒２の周りを取り囲むように渦巻き（螺旋）状に巻回されている。冷却管３は、１本の管が外筒２の延在方向に沿って並設されるように外筒２の周りに巻回されていても、複数の管が外筒２の延在方向に沿って並設されるように外筒２の周りに巻回されていてもよい。冷却管３は、外筒２の先端２ａから基端（図示せず）に至り並設し炉Ｈ外に通じている。そして、炉Ｈ外から供給された冷却水が冷却管３に流通することで、炉Ｈ内から外筒２への熱を遮蔽すると共に、外筒２を冷却することでノズル１の先端１ａ側の高熱から外筒２を保護できる。冷却管３は、例えば、熱伝導性および耐食性に優れるＮｉ基合金（例えば、インコネル（登録商標）６２５）により形成されている。
【００３８】
合金皮膜４は、冷却管３の巻回の内側表面３ａに設けられている。合金皮膜４は、冷却管３と一体で形成され、外筒２と接している。合金皮膜４は、図２に示すように、ノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の巻回の内側表面３ａに設けられている。具体的には、図２に示す合金皮膜４は、ノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の巻回の内側表面３ａのみに設けられている形態を示す。また、合金皮膜４は、冷却管３が外筒２の先端２ａから突出するように設けられ、この突出した部分において巻回の内側表面３ａに合金皮膜４が設けられている。
【００３９】
合金皮膜４は、自溶性合金皮膜であって、材料組成は、一例として、Ｎｉ−１８〜３０ｗｔ％、Ｃｒ−５〜１０ｗｔ％、Ｍｏ−１．５〜３．０ｗｔ％、Ｆｅ−１〜６ｗｔ％、Ｂ−１〜５ｗｔ％、Ｓｉ−１〜５ｗｔ％とである。
【００４０】
合金皮膜４の合金は、外筒２の耐食性および硬度を向上させる組成である。合金皮膜４の合金の耐食性は、冷却管３の金属、例えばインコネル６２５と類似組成を採用する。また、合金皮膜４の合金は、ＢおよびＳｉの成分を調整することで、硬度や、融点を調整することができる。合金皮膜４は、耐食性、耐摩耗性、熱伝導性、耐熱疲労性（線膨張率）に優れる。また、合金皮膜４は、皮膜厚さを１００μｍ以上５０００μｍ以下とすることが好ましい。
【００４１】
バーナ１０は、図３に示すように、合金皮膜４と冷却管３との間に界面反応層６を有する。界面反応層６は、冷却管３の表面と合金皮膜４とを接合している。界面反応層６は、冷却管３の金属と合金皮膜４の金属とが混在した領域である。界面反応層６は、界面反応により合金皮膜４および冷却管３の構成元素が拡散し固溶することで冶金的に冷却管３と合金皮膜４とを面状に接合し連結している。これにより、冶金的に結合することで、１つの金属となり、隙間や空隙などの断熱層がなくなるため、熱伝達率が向上する。
【００４２】
本実施形態のバーナ１０は、図２に示すように、少なくともノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の巻回の内側表面３ａに界面反応層６を介して接合された合金皮膜４を有する。バーナ１０は、冷却管３と外筒２との間に合金皮膜４を配置することで、冷却管３と外筒２とを合金皮膜４を介して接触させることができる。これにより、冷却管３と外筒２とが点で接している場合よりも、熱が伝達する領域をより大きくすることができる。つまり、冷却管３と外筒２との間の燃焼用空気が通過する部分を合金皮膜４で埋めることができ、合金皮膜４を介して冷却管３と外筒２との間で熱を伝達することができる。これにより、冷却管３で外筒２をより高い効率で冷却することができ、外筒２の温度上昇を抑制することができる。これにより、外筒２の特に炉内に向いたバーナノズルの先端２ａ側が炉内の高温燃焼ガスまたは高温ガス化ガスにさらされることにより生じる高温腐食の発生を抑制することができる。冷却管３と外筒２が一体化することで炉Ｈに対するバーナ１０および外筒２に対する冷却管３の取り付け位置に対する設置精度の向上を図ることができる。
【００４３】
また、バーナ１０は、摩耗や高温腐食や耐熱性が懸念されるノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の巻回の内側表面３ａに合金皮膜４を設けることで、ノズル１からの粒子流れによる摩耗および高温腐食に対して冷却管３を保護することができる。これにより、バーナ１０の耐摩耗性および耐食性を高くすることができ、バーナ１０の寿命を長くすることができる。また、合金皮膜４は、界面反応層６を介して冷却管３に接合された冶金的な接合であるため、耐熱性を向上し、冷却管３との熱延び差に起因する剥離を抑止することができ、耐熱疲労性を備えることができる。この結果、冷却管３について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることができる。
【００４４】
本実施形態のバーナ１０は、図２に示すように、合金皮膜４が、巻回により隣接する各冷却管３の隙間を埋めて設けられることが好ましい。バーナ１０は、巻回により隣接する各冷却管３の隙間を合金皮膜４で埋めることで、冷却管３と合金皮膜４が一体化し、従来の点接触かつ隙間が有る構造に対して、合金被膜４を介して、冷却管３同士の熱伝導性が向上するため、外筒２に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。
【００４５】
本実施形態のバーナ１０は、外筒２の先端２ａ側の一部を冷却管３および合金皮膜４と共に切断した断面図である図４に示すように、合金皮膜４が、外筒２の外側表面２ｂに面（内面）４ａで接触することが好ましい。具体的には、図４に示すように、合金皮膜４の内面４ａを外筒２の外側表面２ｂの形状に合わせて加工して外筒２の外側表面２ｂと面で接触できるように形成する。このため、バーナ１０は、合金皮膜２と外筒２が一体化し、合金被膜４を介して、冷却管３と外筒２との間の熱伝導性が向上するため、外筒２に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。
【００４６】
ここで、冷却管３への合金皮膜４の施工ついて説明する。まず、冷却管３は、外筒２の周りに巻回できるように渦巻き状に形成されている。合金皮膜４は、合金皮膜４と同組成で構成されるアモルファス合金粉末を用いて形成される。また、施工時は、アモルファス合金粉末をスラリー化して塗布し、その後過熱して焼結させる。ここで、アモルファス合金粉末のスラリーは、冷却管３同士の隙間に粉末が入りやすくなるよう、かつ顕著な流出が無いように、粘度を３００ｃｐ以上２３００ｃｐ以下とする。
【００４７】
合金皮膜４の形成方法をより具体的に説明する。まず、アモルファス合金粉末のスラリーを生成する（第１ステップ）。次に、基材である冷却管３の表面をブラスト処理する（第２ステップ）。なお、第１ステップと第２ステップは処理の順番が同時でも逆でもよい。次に、ブラスト処理した冷却管３の表面にアモルファス合金粉末のスラリーを塗布する（第３ステップ）。塗布方法は、スラリーに冷却管３を浸けるディッピングまたはスラリーを冷却管３に吹き付けるスプレー拭き付けやはけ塗りなどを用いることができる。次に、塗布したスラリーを乾燥させる（第４ステップ）。乾燥は、例えば、４０℃以上８０℃以下の環境に２時間から２４時間置くことで実行できる。合金皮膜４の形成方法は、第３ステップと第４ステップを繰り返し実行して、冷却管３に形成する膜の厚みを所定の厚みまで成長させる。合金皮膜４の形成方法は、膜厚を所定の厚みまで成長させた後、不活性ガス雰囲気中加熱（真空炉、環境制御電気炉、専用コイルを用いた高周波加熱など）する（第５ステップ）。加熱処理することで、アモルファス合金粉末が合金皮膜４となり、かつ、冷却管３と合金皮膜４と境界部分が界面反応層６となる。合金皮膜４を上記方法で形成することで、溶射と比較して塗布時の熱源が不要となり、更に基材との密着性を高くすることができる。
【００４８】
ここで、バーナ１０は、上記のように冷却管３の巻回の内側表面３ａに合金皮膜４を設けた後、渦巻き状の冷却管３が外筒２の周りに設置できるように、図４に示すように、合金皮膜４の内面４ａを外筒２の外側表面２ｂの形状に合わせて加工して外筒２の外側表面２ｂと面で接触できるように形成する。このように構成することで、熱伝達性が向上し、より効果的な冷却が可能になる。
【００４９】
ここで、上記実施形態のバーナ１０は、合金皮膜４をノズル１の先端１ａの冷却管３と外筒２との間にのみ設けたがこれに限定されない。図５は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。図５に示すバーナ１０の合金皮膜４は、ノズル１の先端１ａ側に配置された冷却管３の表面の全周に合金皮膜４が設けられている。バーナ１０は、合金皮膜４を冷却管３の周囲の全周に設けることで、外筒２に加え、冷却管３を保護することができる。また、冷却管３の全周に配置することで、合金皮膜４と冷却管３との密着性をより高くすることできる。
【００５０】
また、バーナ１０は、冷却管３の全表面に耐食性および耐摩耗性を有する合金皮膜４を設けることで、冷却管３の全表面での耐食性、耐摩耗性の低下を抑制できるため、冷却管３の母材に比較的安価な金属（例えば、低合金綱）を採用することができる。
【００５１】
図６は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。図６に示すバーナ１０は、冷却管３の全表面に合金皮膜４が設けられている。つまり、図６に示すバーナ１０の合金皮膜４は、バーナ１０の軸方向において、外筒２の先端２ａ付近に配置された冷却管３の周囲に加え、冷却管３の他の部分の周囲にも設けられている。ここで、合金皮膜４は、炉Ｈの内部に配置されている冷却管３の部分の全域に設けることが好ましい。バーナ１０は、合金皮膜４をバーナ１０の軸方向において、外筒２の先端２ａと対面する冷却管３の周囲に加え、外筒２の他の部分と対面する冷却管３の周囲にも設けることで、先端２ａ以外の部分の外筒２もより効率よく冷却することができる。これにより、外筒２の熱をより確実に吸収することができ、先端２ａの温度が上昇することをより確実に抑制することができ、先端２ａの高温腐食をより抑制することができる。
【００５２】
上述した実施形態では、渦巻き状に形成した状態の冷却管３に対して合金皮膜４を設けているが、外筒２の周りに渦巻き状に冷却管３を巻回した状態で、冷却管３の表面に合金皮膜４を設けてもよい。つまり、上記実施形態では、合金皮膜４を冷却管３との間に界面反応層６が形成される構造としたが、合金皮膜４を冷却管３と外筒２の両方と一体化して合金皮膜４と冷却管３との間、合金皮膜４を外筒２との間の両方に界面反応層６が設けられた構造としてもよい。
【００５３】
図７は、本実施形態に係るバーナの他の例の合金皮膜部分の模式拡大断面図である。図８は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図であって外筒２の先端２ａ側の一部を冷却管３および合金皮膜４と共に切断した断面図である。図７および図８に示すバーナ１０は、界面反応層６ａと、界面反応層６ｂとを含む。界面反応層６ａは、合金皮膜４と冷却管３の内側表面３ａとの間に形成される。バーナ１０は、合金皮膜４が、冷却管３の巻回の内側表面３ａに界面反応層６ａを介して接合される。また、バーナ１０は、合金皮膜４が、外筒２の外側表面２ｂに界面反応層６ｂを介して接合されて、冷却管３と外筒２とを結合する。合金皮膜４を設ける位置は、上記実施形態と同様に、外筒２の先端２ａのみとしても、外筒２の軸方向の先端２ａ以外の部分を含んでもよい。また、冷却管３の周囲の全周でも、外筒２側の面のみでもよい。
【００５４】
図７および図８に示すバーナ１０は、合金皮膜４が冷却管３と外筒２との両方と界面反応層６ａ、６ｂで介して接合される。これにより、冷却管３と外筒２とが、合金皮膜４を通じて面接触となるため、外筒２と冷却管３との間の熱の伝達をより効率よく行うことができ、外筒をより効果的に冷却することができる。この結果、外筒２の先端２ａの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
【００５５】
図９は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図であって外筒２の先端２ａ側の一部を冷却管３および合金皮膜４と共に切断した断面図である。バーナ１０は、図９に示すように、冷却管３の巻回の内側表面３ａに外筒２の外側表面２ｂに沿って対面する対向面３ａａを形成してもよい。対向面３ａａは、外筒２の軸方向において、つまり軸方向に沿った断面において、外筒２の外側表面２ｂと平行な面である。対向面３ａａは、図９に示すように、巻回した後に外筒２の外側表面２ｂに沿うよう面となるように切削したり押し潰したりして形成することができ、あるいは、巻回する前の冷却管３の成形時に予め形成してもよい。図９に示すバーナ１０は、対向面３ａａにより冷却管３が外筒２に面接触するため、冷却管３と外筒２とが直接する面積が向上し、また、接触しやすい状態とすることができる。これにより、密着性向上や冷却面積の向上が図れ、より効果的な冷却が可能となる。また、冷却管３の対向面３ａａ以外の外筒２と対面する位置には、合金皮膜４を形成することで、冷却管３と冷却管３との間に合金皮膜４を充填することができ、冷却管３と外筒２との間で熱が伝わりやすくすることができる。この結果、外筒２の先端２ａの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
【００５６】
なお、冷却管３の摩耗損傷は、ノズル１の先端１ａと外筒２の先端２ａとの位置関係や、外筒２の先端２ａと冷却管３の位置関係により決まる場合があるが、その据付精度が出難い。さらに、冷却管３の摩耗は、外筒２の先端２ａの減肉により生じる。このため、外筒２と冷却管３とを合金皮膜４で一体にすることで、据付時の位置決め精度が向上し、外筒２の先端２ａにも合金皮膜４が設けられて外筒２の耐久性向上に寄与するため、摩耗の発生時期を遅くすることが可能となり、長寿命化に繋がる。
【符号の説明】
【００５７】
１  ノズル
１ａ  先端
２  外筒
２ａ  先端
２ｂ  外側表面
３  冷却管
３ａ  内側表面
３ａａ  対向面
４  合金皮膜
４ａ  内面
６（６ａ、６ｂ）  界面反応層
１０  バーナ
【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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