(57)【要約】【課題】スキッドボタンによる被加熱材から吸熱をより効果的に抑制する。【解決手段】冷却されるスキッドビーム３に設けられ、上端部が鋼材２に当接するスキッドボタン４である。上下方向への熱移動を抑制するための断熱層４Ａを設け、その断熱層４Ａを多孔質金属で構成した。断熱層は上下方向に沿って２層以上あってもよい。【選択図】        図２
2019099855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却されるスキッドビームに設けられ、上端部が被加熱材に当接するスキッドボタンであって、
上下方向への熱移動を抑制するための断熱層を設け、
上記断熱層を多孔質金属で構成したことを特徴とするスキッドボタン。
【請求項２】
上記断熱層は、スキッドボタンの上下方向中央位置よりもスキッドビーム側に設けられることを特徴とする請求項１に記載したスキッドボタン。
【請求項３】
上記多孔質金属は、ステンレス製若しくは耐熱合金製であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したスキッドボタン。
【請求項４】
上記断熱層の気孔率は、上記被加熱材側から上記スキッドビーム側に向かうにつれて、連続的若しくは断続的に大きくなっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したスキッドボタン。
【請求項５】
上記断熱層は、上記多孔質金属の母材の熱伝導率をＫ［ｋｃａｌ／ｍＨｒＫ］、気孔率をＸ［％］、層厚をＹ［ｍｍ］とした場合、下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したスキッドボタン。
【数１】
2019099855.tif 000004
【請求項６】
冷却されるスキッドビームに設けられ、上端部が被加熱材に当接するスキッドボタンであって、
内部に球換算で直径１ｍｍ以下の空孔を複数設け、その複数の空孔で上下方向への熱移動に対する断熱効果が付与されたスキッドボタン。
【請求項７】
上記請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のスキッドボタンを備える加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォーキングビーム式加熱炉等で使用されるスキッドボタンに関する。
【背景技術】
【０００２】
加熱炉では、炉内に装入された被加熱材である鋼材を、スキッドボタンによって下側から保持する。このスキッドボタンは、耐熱性及び支持強度を鑑みて、例えば、耐熱合金で構成される（特許文献１）。このスキッドボタンは、下端部がウォーキングビームや固定スキッドに接続されている。ウォーキングビームや固定スキッド（以下、単にスキッドビームと言う）は、内部が水冷されながら、スキッドボタンを介して被加熱材を支持する。
【０００３】
スキッドビームは、水冷されていることから炉内の抜熱源となるため、スキッドビームの外周は耐火物により断熱される。ただし、耐熱合金からなるスキッドボタンは、水冷パイプなどからなるスキッドビームに直接接続される。
また、スキッドビームは、加熱対象である鋼材に対し、炉壁から影を作り周囲の輻射熱を阻害する。このため、スキッド周辺にはスキッドマークと呼ばれる局所的な低温部が存在していることが、明らかになっている。鋼材の加熱温度は最も温度が低いスキッド周辺の温度で判定されることから、スキッド周辺の鋼材温度を上げることができれば、加熱炉の燃料原単位を低減することができるため、非常にメリットが大きい。
【０００４】
これに対し、従来、スキッドボタンに、加熱炉内部において十分強度を持つ耐熱鋼を使用し、スキッドボタンの高さをなるべく確保することで、スキッドによる影の影響を小さくすることが提案されている（特許文献２等）。
また特許文献３のように、スキッドボタンを千鳥状に配置させてスキッドマークを低減させる方法も提案されている。しかし、スキッドボタンを支持するスキッドビームを構成するパイプの径は１５０ｍｍ程度のため、スキッドボタンをパイプ幅方向に大きくずらすことは難しく、千鳥状に配置する効果は限定的である。
【０００５】
また特許文献４に記載のように、水冷パイプ内部を断熱化することで同様の効果を得ることも可能と思われるが、パイプ内部を断熱したとき、鋼材の支持部材であるパイプの温度を上昇させることになるため、スキッドビームの強度が低下する。
また、特許文献５には、低温部に局所的な加熱源を設置することで提言させる方法が提案されている。しかし、加熱炉内の高温の環境において加熟装置を維持するのが困難であり、現実的ではない。
このように、従来から、さまざまな方法でスキッドマーク低減を図る方法が模索されてきたが、現在においても、スキッドマークの低減がうまく行われていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１４００３１号公報
【特許文献２】特開２０１１−５８０１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２２０４１９号公報
【特許文献４】特開平１０−１８３２３３号公報
【特許文献５】特開２００５−２６４３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らが、スキッド周辺の抜熱について調査を行ったところ、スキッドの影による影響よりも、スキッドボタン自身の熱伝導率によって直接冷却水に抜熱される熱量が非常に大きいことが判明した。
ここで、従来用いられてきた耐熱合金製のスキッドボタンは、通常の鉄鋼部材とほぼ同じ熱伝導率を持っている。このため、従来のスキッドボタンは、スキッドビームの断熱に用いられている耐火物と比較すると、約１００倍以上の熱伝導率を持っている。
【０００８】
特許文献２のように、スキッドボタンの高さを高くすることでも鋼材からスキッドビームまでの熱抵抗を上げることができるものの、スキッドボタンの高さは、２００ｍｍ程度が限度であり、現状以上の効果を得ることは困難な状況である。
本発明は、スキッドボタンによる被加熱材から吸熱をより効果的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決するために、本発明の一態様は、冷却されるスキッドビームに設けられ、上端部が被加熱材に当接するスキッドボタンであって、上下方向への熱移動を抑制するための断熱層を設け、上記断熱層を多孔質金属で構成したことを特徴とする。
断熱層は上下方向に沿って２層以上あってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、スキッドボタンに対し、熱伝導率の低い多孔質金属からなる断熱層を設けることで、スキッド全体の上下方向の熱伝導率を低下させ、鋼材等の被加熱材から冷却されているスキッドビームに直接伝えられる熱を低減する。
また、断熱層を多孔質金属（ポーラス金属）とすることで、断熱層内部に断熱用の空孔を確保しつつ被加熱材を支持する支持強度を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る加熱炉を示す模式的断面図である。
【図２】本発明に基づく実施形態に係るスキッドボタンを説明する図である。
【図３】本発明に基づく実施形態に係る他のスキッドボタンを説明する図である。
【図４】本発明に基づく実施形態に係る他のスキッドボタンを説明する図である。
【図５】断熱層の評価指数Ｈと抜熱量Ｑとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
ここで、従来、影の影響（シャドー効果）が大きいとしてスキッドボタンの高さを高くする傾向があるが、スキッドおよび鋼材を詳細に考慮した伝熱計算により、輻射による影響よりも、熱伝導による影響が大きいとの知見を得た。
また、スキッドビーム外周を覆う耐火物は、完全に新規な状態で用いられることが無いため、冷却水の抜熱は一部計算と異なることが分かっていたものの、実際の冷却水抜熱と計算との差異は耐火物の損傷によるものとして考えられてきた。しかしながら、スキッド耐火物を一式全てまとめて交換し、その交換前後の冷却水抜熱の変化は、計算による推定と一致しており、またスキッドボタンによる抜熱が大きいことが示唆されたことが分かった。
本発明は、上記のような知見に基づきなされたものである。
ここで、本実施形態では、被加熱材として鋼材を例に挙げて説明する。
【００１３】
（構成）
本実施形態の加熱炉１は、図１に示すように、ウォーキングビームや固定スキッドからなるスキッドビーム３が炉内に配置され、スキッドビーム３は、炉の装入扉１ａ側から抽出扉１ｂ側に向けて延びて鋼材を支持する鋼材支持部分を有する。鋼材支持部分は、適宜、不図示の支持柱等によって支持されている。
【００１４】
スキッドビーム３は、例えば鋼管からなり、内部に冷却用の水冷水が流れることで冷却される。
図２に示すように、スキッドビーム３の外周は耐火物５で被覆されていると共に、鋼材支持部分の上部にスキッドボタン４が設けられている。
スキッドボタン４は、図２に示すように、スキッドビーム３側の外周が上記の耐火物５で覆われていると共に、当該耐火物５よりも上方に突出している。
【００１５】
スキッドボタン４は、例えばステンレス製若しくは耐熱合金製である。
本実施形態のスキッドボタン４は、スキッドビーム３側の第１の支持金物４Ａと、第１の支持金物４Ａの上に設けられた第２の支持金物４Ｂとからなる。
第２の支持金物４Ｂは、例えば中実（緻密材料）からなる耐熱合金製である。
第１の支持金物４Ａは、多孔質金属（ポーラス金属）からなる。
【００１６】
多孔質金属は、内部に多数の空孔（セル）を有する金属である。空孔は、例えば球換算で直径１０ｍｍ以下であり、一般には数十μｍの微細空孔から数ｍｍの範囲の空孔となっている。セルによる構造体はオープンセル型でもクローズセル型でもよい。加熱による空孔の膨張を考慮すれば、オープンセル型が好ましい。
多孔質金属の製造方法としては、セル形成のためのスペース材料を利用した精密鋳造法や粉末冶金法がある。この方法では主としてオープンセル型の構造体となる。このほかにも、溶融金属にガスを吹き込んだり、溶融金属にガス発生助剤を添加したりする方法、または粉末金属にガス発生助剤を混合成形して加熱発泡させる方法などがある。この方法では、主としてクローズセル型の構造体となる。
【００１７】
この多孔質金属からなる第１の支持金物４Ａが断熱層を構成する。
多孔質金属の気孔率は、要求される耐熱強度が確保出来る範囲において、高いほど好ましく、例えば８０［％］以上の範囲で要求される耐熱強度が確保な値とする。
気孔率は、単位体積当たりの空孔全体の体積割合を指す。
ここで、気孔率を９０［％］に設定した場合、母材の熱伝導率の数％まで熱伝導率を低下させることができる。
断熱層の厚さ（高さ）は、特に限定は無いが、５［ｍｍ］以上が好ましく、１０［ｍｍ］以上がより好ましい。
【００１８】
（作用その他）
スキッドボタン４に断熱層を設け、その断熱層に多孔質金属を使用することで、スキッドボタン４全体の上下方向の熱伝導率を非常に低く抑えることができる。
また、多孔質金属からなる断熱層の強度は気孔率に比例するが、スキッドボタン４においては最も高温である鋼材２との接触面において、許容圧縮応力となるように面圧が設定される。このため、断熱層を高さ方向中央位置よりもスキッドビーム３側に設置することで、多孔質金属の温度上昇を最小限に抑え、多孔質化による強度低下がネックにならないように設計することが可能である。すなわち、断熱層をスキッドボタン４の高さ方向中央位置よりもスキッドビーム３側に配置することで、要求する支持強度を確保しつつ気孔率を大きく設定できて、より断熱効果を大きくすることができる。本実施形態は、最下部に断熱層を設けた例である。
【００１９】
またこの考えから、断熱層の気孔率を、加熱される鋼材２側からスキッドビーム３側に向かうにつれて、連続的若しくは断続的に大きくなるように設定することが好ましい。例えば、図３に示すように、多孔質金属からなる第１の支持金物４Ａの下側に、第３の支持金物４Ｃを配置し、その第３の支持金物を、第１の支持金物４Ａよりも気孔率が大きな多孔質金属で構成する。このようにすることで、より効果的に断熱効果を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、断熱層を多孔質金属で構成することで、断熱層をセラミックスや耐火物で構成する場合と異なり、割れ、欠けなどの影響を発生させないようにした。
ここで、炉内温度が１３００℃程度の場合、スキッドボタン４に断熱層を設けたとしても、第１の支持金物４Ａにおける第２の支持金物４Ｂ側での温度が５００〜８００℃程度になる可能性がある。このため、第１の支持金物４Ａの母材としては、耐熱性の高い金属であるステンレスや、それ以上の耐熱強度を持った耐熱合金を使用することが望ましい。なお、断熱層を構成する第１の支持金物４Ａの外周は耐火物５で覆われていることが好ましい。
【００２１】
以上のように、多孔質金属からなる断熱層を設けることで、スキッドボタン４全体の上下方向の熱伝導率を低下させることが出来る。また断熱層に金属を用いているため、靭性を低下させること無く断熱が可能であり、割れ、欠けの問題を回避することが出来る。
ここで、多孔質金属は気孔率が大きくなるほど強度が低下するため、上述のように断熱層を複数層として各断熱層の気孔率を変化させたり、一つの断熱層において連続的に気孔率を変化させたりした多孔質金属を用いることで、耐熱強度の観点から断熱層の温度を制御しながら、熱伝導率を低く抑えることができる。
【００２２】
各支持金物間や、支持金物とスキッドビーム３との間は溶着などによって固定しても良いが、図４のように、スキッドビーム３に設けたボタン押え金物によって固定するようにしても良い。
ここで、断熱層を構成する多孔質金属の気孔率及び断熱層の層厚は、例えば次のようにして決定すればよい。
【００２３】
すなわち、多孔質金属の母材の熱伝導率をＫ［ｋｃａｌ／ｍＨｒＫ］、多孔質金属の気孔率をＸ［％］、多孔質金属の層厚をＹ［ｍｍ］とした場合、下記（１）式を満足するように、断熱層を構成する多孔質金属の気孔率及び断熱層の層厚を設計する。
【数１】
2019099855.tif 000003
【００２４】
ここで、（１）式に記載のΣ記号は、気孔率や母材が異なる複数の多孔質金属で構成されている場合には、加算した値を使用することを意味する。平均気孔率が同じ多孔質金属からなる一層の断熱層の場合には、Σで表現される加算は不要である。
ここで、（１）式の左項を断熱層の評価指数Ｈとし、スキッドボタン４により加熱される鋼材２から冷却水への抜熱量の割合をＱ［％］とした場合、評価指数Ｈと抜熱量Ｑとの関係は、図５のようになっている。
【００２５】
表１から分かるように、評価指数Ｈ＜３００とすることで、冷却水への抜熱量を７０％未満にすることが可能となる。より好ましくは評価指数Ｈ＜２００である。
この評価指数Ｈは、複数の層からなるスキッドボタン４の総括伝熱係数を示したものである。この値が高いときは熱をより伝えやすく、低いときは熱を伝えにくい状況であることを示している。そのため、気孔率が高いほど、母材の熱伝導率が低いほど、また多孔質金属の厚みが大きいほど指標は低くなり、断熱層の総括伝熱係数が低下することがわかる。
【００２６】
ただし、気孔率の上限値は、多孔質金属に使用される母材の耐熱強度に応じて、断熱層に要求される耐熱強度（支持強度）から規定される。
ここで、上記の実施形態では、断熱層をスキッドビーム３側に設ける場合を例示しているが、加熱される鋼材２側に設けても良い。ただし、気孔率が小さくなるため、その分、断熱効果が低くなる。
【００２７】
また、上記実施形態では、スキッドボタン４に１又は２層以上の断熱層を設ける場合の例であるが、スキッドボタン全体を多孔質金属で構成して、スキッドボタン４に上下方向の断熱効果を付与しても良い。この場合、気孔率を、加熱する鋼材２側からスキッドビーム３側に向かうにつれて、連続的若しくは断続的に大きくなるように設定することが好ましい。
【符号の説明】
【００２８】
１     加熱炉
２     鋼材（被加熱材）
３     スキッドビーム
４     スキッドボタン
４Ａ   第１の支持金物（多孔質金属、断熱層）
４Ｂ   第２の支持金物
４Ｃ   第３の支持金物
５     耐火物
Ｈ     評価指数
Ｑ     抜熱量
【図１】
2019099855.tif 000005
【図２】
2019099855.tif 000006
【図３】
2019099855.tif 000007
【図４】
2019099855.tif 000008
【図５】
2019099855.tif 000009