(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁側から炉内に突出した筒状のラジアントチューブを備え、当該ラジアントチューブの内部に内挿された筒状のバーナノズルの内部を流通する燃料を、前記バーナノズルの一方の端部に形成された噴出口から噴出させて燃焼させ炉内を加熱する加熱炉用バーナであって、
前記バーナノズルが、前記噴出口を一方の端部に形成したセラミック製のセラミック筒部と、前記セラミック筒部の他方の端部に一方の端部が接着剤を介して勘合され、他方の端部から燃料が供給される金属筒部とを備えて構成され、
前記ラジアントチューブと前記バーナノズルとの間に内筒を備え、
前記内筒と前記ラジアントチューブとの間に燃焼ガスを流通する燃焼ガス流路が形成されると共に、前記内筒と前記バーナノズルとの間に燃焼用酸素含有ガスを流通する酸素含有ガス流路が形成され、
前記酸素含有ガス流路が前記燃焼ガス流路を外囲する前記燃焼用酸素含有ガスの上流側流路と連通するように構成し、
前記セラミック筒部と前記金属筒部とを前記接着剤により勘合した勘合部が、前記ラジアントチューブの軸方向において、前記上流側流路と重なるように配置されている加熱炉用バーナ。
【請求項２】
前記接着剤が、耐熱接着剤である請求項１に記載の加熱炉用バーナ。
【請求項３】
前記請求項１に記載の加熱炉用バーナの構造決定方法であって、
前記バーナノズルの前記セラミック筒部と前記金属筒部との勘合部の、前記ラジアントチューブの軸方向である前記燃料の流れ方向における位置を、前記勘合部の温度が前記接着剤の許容温度以下となるように位置づける加熱炉用バーナの構造決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状のバーナノズルの内部に流通する燃料を、前記バーナノズルの一方の端部に形成された噴出口から噴出させて燃焼させ、炉内の加熱対象物を加熱する加熱炉用バーナ及びその加熱炉用バーナの構造決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような加熱炉用バーナは、炉内の加熱対象物を、燃料を燃焼させた燃焼ガスによって直接的若しくは間接的に加熱するものであり、特に間接的に加熱するものとして、炉壁側から前記炉内に突出した筒状のラジアントチューブを備え、前記バーナノズルの前記噴出口が、前記炉壁側から前記ラジアントチューブの内部に内挿され、前記ラジアントチューブの内部に形成された燃焼ガス流路に燃料を噴出させて燃焼させるラジアントチューブバーナとして構成されるものがある。
このような加熱炉用バーナにおいて、バーナノズルの先端に形成された噴出口から燃料を噴出して燃焼させるため、噴出口付近の温度が非常に高温となるので、一般的なバーナノズルの材質として耐熱鋼やＮｉ基金属が利用される。しかし、近年、炉における加熱対象物の加熱温度の上昇の要望に伴い、バーナノズルの耐熱性等を向上させ長期間安定して使用することを可能にするために、バーナノズルの材質として、ＳｉＣ（炭化珪素）やＳｉ3Ｎ4（窒化珪素）等の耐熱性の高いセラミックの利用が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセラミック製のバーナノズルは、内部に燃料が供給するために一方の端部の形状を燃料配管と接続可能に形成したり、そのバーナノズルを固定するための固定部を設ける必要があるので、形状が複雑化し、セラミックの加工が困難なことから、多大なコスト高の原因となったり、さらには加工不可能となる場合がある。
また、このようなバーナノズルは、噴出口側と反対側の端部のみにおいて片持支持され、その支持部の位置は加熱炉用バーナの構造に制約されるので、噴出口から離れた位置になる場合が多いが、靭性が低いセラミック製のバーナノズルを長くしすぎると、バーナノズルの破損等の問題が発生する。
【０００４】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、加熱炉用バーナにおいて、バーナノズルの形状をできるだけ簡素化して、バーナノズルのセラミック化に伴うコスト高を抑制すると共に、前記セラミックの破損等を防止することができる技術を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る加熱炉用バーナは、請求項１に記載したごとく、炉壁側から炉内に突出した筒状のラジアントチューブを備え、当該ラジアントチューブの内部に内挿された筒状のバーナノズルの内部を流通する燃料を、前記バーナノズルの一方の端部に形成された噴出口から噴出させて燃焼させ炉内を加熱する加熱炉用バーナであって、
前記バーナノズルが、前記噴出口を一方の端部に形成したセラミック製のセラミック筒部と、前記セラミック筒部の他方の端部に一方の端部が接着剤を介して勘合され、他方の端部から燃料が供給される金属筒部とを備えて構成され、
前記ラジアントチューブと前記バーナノズルとの間に内筒を備え、
前記内筒と前記ラジアントチューブとの間に燃焼ガスを流通する燃焼ガス流路が形成されると共に、前記内筒と前記バーナノズルとの間に燃焼用酸素含有ガスを流通する酸素含有ガス流路が形成され、
前記酸素含有ガス流路が前記燃焼ガス流路を外囲する前記燃焼用酸素含有ガスの上流側流路と連通するように構成し、
前記セラミック筒部と前記金属筒部とを前記接着剤により勘合した勘合部が、前記ラジアントチューブの軸方向において、前記上流側流路と重なるように配置されていることを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
本構成のごとく、加熱炉用バーナにおいて、特に高温になる噴出口を一方の端部に形成する耐熱性に優れたセラミック製のセラミック筒部と、前記セラミック筒部の噴出口と反対側の端部に、一方の端部を接着剤を隙間部に充填して勘合接合される前記金属筒部とによってバーナノズルを構成することで、金属筒部の前記勘合部と反対側の端部から内部に供給された燃料を、前記勘合部の内部を介して、前記セラミック筒部の内部に供給して、前記噴出口から噴出させることができると共に、前記勘合部のセラミック筒部側の形状は筒状で構わず、金属筒部を例えば炉壁の外側に固設することで、バーナノズルの位置が保持されるので、セラミック製のバーナノズルに別の固定部を設ける必要が無く、バーナノズルの形状を簡素化でき、セラミック化によるコスト高を抑制することができる。また、セラミック筒部と金属筒部を勘合するに、隙間を設けて接着剤を充填することで、異種材料の熱膨張率の違いによる勘合部に発生する応力を接着剤の弾性によって緩和し、セラミック筒部の破損や脱落を抑制することができる。
また、勘合部の位置を、できるだけ噴出口に近く、その勘合部の温度が接着剤の許容温度以下となる位置にすることができるので、セラミック筒部の長さを短くして、一層セラミックの破損を抑制することができる。
よって、セラミック筒部の形状をできるだけ簡素化して、バーナノズルのセラミック化に伴うコスト高を抑制すると共に、セラミックの破損等を防止することができる加熱炉用バーナを実現することができる。
【０００７】
さらに、本発明の加熱炉用バーナを、所謂ラジアントチューブバーナとして構成することで、ラジアントチューブの内部に形成された燃焼ガス流路に燃料を噴出させ、特に噴出口付近が高温となるバーナノズルの噴出口を単純な形状のセラミック筒部によって形成して耐熱性を向上すると共に、コスト高を抑制し、靭性が低いセラミックの破損を抑制することができる。
【０００８】
さらに、所謂ラジアントチューブバーナとして構成した本発明の加熱炉用バーナにおいて、本構成のごとく、炉内側の端部を封止した筒状の前記ラジアントチューブと、前記ラジアントチューブに内挿されると共に、内部にバーナノズルの少なくとも噴出口を内挿する前記内筒とによって構成し、噴出口から内筒の内部に噴出された燃料を、内筒とバーナノズルとの間に形成された空気流路（酸素含有ガス流路）を介して噴出口側に供給される空気（酸素含有ガス）を利用して燃焼させ、その燃焼ガスを、内筒のラジアントチューブの封止部側の端部から、前記ラジアントチューブと内筒との間に形成された燃焼ガス流路に流通させて、前記ラジアントチューブの炉壁側の端部開口から外部へ排出させるように構成することができる。このように構成することで、バーナノズルの外周部においては、燃焼ガス流路から内筒を介して予熱される燃焼用空気のみが流通することになるので、バーナノズルの昇温が抑制されるため、勘合部の位置を噴出口に近いものとして、セラミック筒部の長さを短くすることができ、セラミック化によるコスト高及びセラミックの破損等を一層抑制することができる。
【０００９】
さらに、前記酸素含有ガス流路が前記燃焼ガス流路を外囲する前記燃焼用酸素含有ガスの上流側流路と連通するように構成し、前記セラミック筒部と前記金属筒部とを前記接着剤により勘合した勘合部が、前記ラジアントチューブの軸方向において、前記上流側流路と重なるように配置することで、勘合部を接着剤の許容温度以下とすることができる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係る加熱炉用バーナは、請求項２に記載したごとく、上記構成１の加熱炉用バーナの構成に加えて、前記接着剤が、耐熱接着剤であることを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
本構成のごとく、接着剤として、例えば許容温度が６００℃程度の耐熱接着剤を利用することが好ましく、勘合部の位置を一層噴出口に近いものとして、セラミック筒部の長さを短くすることができ、セラミック化によるコスト高及びセラミックの破損等を一層抑制することができる。
また、許容温度が６００℃の接着剤としては、アルミナを骨材とした耐熱性無機接着剤を使用することが最も好ましい。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係る加熱炉用バーナの構造決定方法は、請求項３に記載したごとく、前記請求項１に記載の加熱炉用バーナの構造決定方法であって、
前記バーナノズルの前記セラミック筒部と前記金属筒部との勘合部の、前記ラジアントチューブの軸方向である前記燃料の流れ方向における位置を、前記勘合部の温度が前記接着剤の許容温度以下となるように位置づける。
【００１３】
〔作用効果〕
請求項１の加熱炉用バーナにおいて、前記勘合部の位置を決定するに、勘合部が噴出口にできるだけ近づけて、セラミック筒部の長さを短いものとすることが好ましいが、前記勘合部を高温となる噴出口に近づけると、勘合部に設けられた接着剤が高温となり破損等の虞があるので、本構成のごとく、前記ラジアントチューブの軸方向である燃料の流れ方向における勘合部の位置を、前記接着剤の許容温度以下となるように位置づけることが好ましく、このように構造決定された加熱炉用バーナは、勘合部の接合状態を常に好ましいものに維持することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の加熱炉用バーナの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す加熱炉用バーナは、筒状のバーナノズル２０の内部に流通する天然ガス系都市ガスである燃料ガスを、バーナノズル２０の一方の端部に形成された噴出口２３から噴出させて燃焼させ、炉内１０を加熱するものであり、詳しくは、炉内１０側の端部を封止したＳｉＣセラミック製の筒状のラジアントチューブ１と、ラジアントチューブ１に内挿されると共に、内部にバーナノズル２０を内挿するＳｉＣセラミック製の内筒７とによって構成され、噴出口２３から内筒７の内部に噴出された燃料ガスを、内筒７とバーナノズル２０との間に形成された空気流路２（酸素含有ガス流路の一例）を介して噴出口２３側に供給される空気（酸素含有ガスの一例）を利用して燃焼させ、その燃焼ガスを、内筒１のラジアントチューブ１の封止部側の端部から、ラジアントチューブ１と内筒７との間に形成された燃焼ガス流路８に流通させて、ラジアントチューブ１を加熱して、炉内１０を間接的に加熱するラジアントチューブバーナ１００として構成されている。また、ラジアントチューブ１を加熱後の排ガスは、ラジアントチューブ１の他端側から排出され、熱交換器１２において燃焼用空気の予熱に利用される。
【００１５】
即ち、熱交換器１２は、フランジ部１２ａにおいて、ラジアントチューブ１の炉壁１１の外側に設けられたフランジ部１ａと共に、ガスケット１７を挟んで壁部１１にボルト（図示せず）により固設される。また、外側に設けられた外ケーシング１３と内側に設けられた内ケーシング１４とを有し、内筒７と内ケーシング１４との間に、ラジアントチューブ１の燃焼ガス流路８から供給される排ガスを流通させ排出口１６ａから排出する流路１６と、内ケーシング１４と外ケーシング１３との間に、空気口１５ａから供給される空気を流通させ空気流路２に供給する流路１５とが形成されている。このような熱交換器１２において、燃焼ガス流路８及び流路１６に流通する燃焼ガスによって、流路１５及び空気流路２２を流通する燃焼用の空気を、内ケーシング１４及び内筒７を介して予熱することができる。
また、バーナノズル２０は熱交換器１２の外ケーシング１３に端部が固設されている、その固設部を燃料ガスが内部に供給される燃料ガス供給部２６として構成されている。
【００１６】
以上の構成がラジアントチューブバーナ１００の一般的な構成であるが、次に本発明の特徴構成について説明する。
このようなラジアントチューブバーナ１００のバーナノズル２０は、近年の加熱温度の上昇の要望に伴い、セラミック化が検討されているが、セラミックの強度や加工の困難性から、バーナノズル２０を全体をセラミック製とすることは困難である。
そこで、本発明に係るラジアントチューブバーナ１００のバーナノズル２０は、図２に示すように、噴出口２３を一方の端部に形成したＳｉＣセラミック製のセラミック筒部２１と、燃料供給部２６から燃料ガスが供給される耐熱ステンレス製の金属筒部２２とを、勘合部２４において、０．５〜１ｍｍ程度の隙間を有すると共にセラミック筒部２１を内側として勘合させ、その隙間に耐熱接着剤２５を充填して接合しており、セラミック筒部２１の形状をできるだけ簡素化して、バーナノズル２０のセラミック化に伴うコスト高を抑制すると共に、セラミックの破損等を防止することができる。また、勘合部２４においてセラミック筒部２１を内側とするのは、金属筒部２２がセラミック筒部２１よりも熱膨張率が大きく、勘合部２４の昇温によってセラミック筒部２１を破損させないためである。
【００１７】
また、この勘合部２５の位置を決定するに、勘合部２５が噴出口２３にできるだけ近づけて、セラミック筒部２１の長さを短いものとすることが好ましいが、勘合部２５を高温となる噴出口２３に近づけると、勘合部２４に設けられた耐熱接着剤２５の昇温による破損等の虞があるので、燃料ガスの流れ方向における勘合部２４の位置を、耐熱接着剤２５の許容温度以下となるように位置づけられており、詳しくは、炉壁１１の厚さが３００ｍｍであり、バーナノズル２０の噴出口２３が炉壁１１の炉内１０側の壁面の位置にある場合、勘合部２４の位置を噴出口２３から約５００ｍｍ熱交換器１２側として、勘合部２４の接合状態を常に好ましいものに維持することができる。
また、耐熱接着剤２５のせん断強度は、図３に示すように、その温度に依存し、温度が高くなるほど低下し、例えば６００℃程度から急激にその低下率が大きくなるので、接着剤２５の許容温度は、そのせん断強度が急激に低下する温度以下、即ち６００℃以下とすることが好ましく、さらに、余裕をもって５００℃以下とすることが好ましい。
【００１８】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉  上記の実施の形態において、バーナノズルのセラミック筒部を、高強度のＳｉＣセラミック製としたが、別に、Ｓｉ3Ｎ4やＡｌ2Ｏ３等の酸化物系セラミックを利用しても構わない。
【００１９】
〈２〉  上記の実施の形態のバーナノズル２０の勘合部２４において、金属筒部２２を外側、セラミック筒部２１を内側として勘合する構成としたが、逆に、金属筒部２２を内側、セラミック筒部２１を外側として勘合しても構わず、この場合は、勘合部２４の昇温により、接着剤２５を充填した隙間が小さくなるので、その隙間を余裕をもって大き目に設定することが好ましい。
【００２０】
〈３〉  上記の実施の形態において、天然ガス系都市ガスである燃焼ガスを燃料として利用する構成を説明したが、別の燃料を利用することもでき、例えば、灯油、重油、ＬＰＧ等を燃料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態としてのラジアントチューブバーナの構成を説明する概略断面図
【図２】  図１のラジアントチューブバーナのバーナノズルの構成を示す拡大断面図
【図３】  接着剤のせん断と温度との関係を示すグラフ図
【符号の説明】
１        ラジアントチューブ
２        空気流路
７        内筒
８        燃焼ガス流路
１０      炉内
１１      炉壁
１２      熱交換器
２０      バーナノズル
２１      セラミック筒部
２２      金属筒部
２３      噴出口
２４      勘合部
２５      接着剤
２６      燃料ガス供給部
１００    ラジアントチューブバーナ（加熱炉用バーナ）
【図１】
0004132621.tif 000002
【図２】
0004132621.tif 000003
【図３】
0004132621.tif 000004