JP7006579B2 - Ｗ型ラジアントチューブ - Google Patents

Description

本発明は、工業用加熱炉に用いられるＷ型ラジアントチューブに関するものである。

従来から、工業用加熱炉における金属帯等の加熱装置として、ラジアントチューブを用いたバーナ（ラジアントチューブバーナ）が設置されることが多い（例えば、特許文献１）。

ここでは、Ｗ型のラジアントチューブを用いたラジアントチューブバーナを対象にしており、その代表例を図５、図６に示す。図６は図５におけるＢ－Ｂ断面図である。

図５、図６に示すように、このラジアントチューブバーナに用いられているＷ型ラジアントチューブ（以下、単に「ラジアントチューブ」ともいう）１Ｘは、４本の円形断面の直管（第１直管２、第２直管３、第３直管４、第４直管５）と３本の円形断面の曲管（第１曲管６、第２曲管７、第３曲管８）を備えた構造となっている。

そして、ラジアントチューブ１Ｘは、加熱炉内に設置されて、加熱炉内を上下方向に走行する金属帯等の被加熱材（図示せず）の表面に直管２～５の側面が対向するように配置されている。炉壁１１ｂに設置されたバーナ（バーナ本体）から噴射された燃焼ガス９は、ラジアントチューブ１Ｘの内部を通過し、排ガス１０として系外に排出される。

言い換えれば、上方から下方に向かって順に、第１直管２、第１曲管６、第２直管３、第２曲管７、第３直管４、第３曲管８、第４直管５を備えていて、第１直管２がバーナ側、第４直管５が排ガス側に位置している。

その際に、燃焼ガス９の温度が１０００°Ｃ以上となる極めて高温で操業する場合があり、そのためにラジアントチューブ１Ｘの各管２～８はそれぞれ管軸方向に熱伸びする。そこで、炉壁１１ａに設置された受金具１２と第３曲管８に設けられた第３曲管サポート１３によってラジアントチューブ１Ｘが支持されるようにして、受金具１２と第３曲管サポート１３の間の摺動部１４にて、上記の熱伸び分だけ摺動することで、ラジアントチューブ１Ｘに熱拘束力が生じない構造にしている。また、第２直管３と第３直管４との間には、上部直管３１（第１直管２、第２直管３）の荷重（自重）を下部直管３２（第３直管４、第４直管５）に受け渡すための荷重受け渡し部材１７が設置されている。

ただし、上記のようなラジアントチューブ１Ｘは、直管２～５が曲げ荷重によって垂れ下がりするという問題があった。すなわち、ラジアントチューブ１Ｘ内のガス温度は、ガス流れ方向の下流ほど温度が低くなるので、直管２、３、４、５が等しくは熱伸びしないため、ラジアントチューブ１Ｘ全体が歪んで曲げ荷重が作用し、直管２～５が垂れ下がりに至ることになる。このような直管の垂れ下がりが大きくなると、垂れ下がった第４直管が当該ラジアントチューブの下方に隣接するラジアントチューブの第１直管に接触して、ラジアントチューブの損傷や操業トラブルを招くことになる。

この問題に対して、断面形状が楕円形であるようなラジアントチューブが提案されている（例えば、特許文献２）。なお、断面の楕円形は、上下方向（被加熱材の走行方向）を長軸としている。このように、楕円形断面の直管を用いることによって、上記の円形断面の直管２～５に比べて断面性能が向上するので、曲げ荷重による垂れ下がりを低減させることができる。

また、最近、工業製品に対する高性能・高品質の要求が強くなり、工業用加熱炉における加熱条件も厳しくなったため、ラジアントチューブの熱負荷もますます大きくなってきた。そこで、特許文献３では、楕円形断面の直管の内部に曲がり防止用の補強材を配置して、ラジアントチューブの高強度化と長寿命化を図っている。

特開平９－３０３７１１号公報 特開平５－２８５５３３号公報 特開２０１６－１６１２２１号公報

上述した従来技術によって、ラジアントチューブ自体の強度不足に起因する管の垂れ下がりは抑制できるようになったが、それ以外の原因で管の垂れ下がりが発生する可能性がある。例えば、管断面の楕円化や管内への補強材設置等によってラジアントチューブの自重が増加していることから、ラジアントチューブの炉内支持構造が適切でないと、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりが発生する可能性がある。

ここで、図５、図６に示したラジアントチューブバーナを例にして、炉内支持構造に起因する管の垂れ下がりの発生状況を図７に示している。

図７に示すように、第３曲管８に設けられた第３曲管サポート１３が、第３曲管８との接続部を起点にして斜め上方に折れ曲がって、上反り変形し、サポート機能が損なわれて、管（特に第４直管）の垂れ下がりが発生している。

上述したように、管（特に第４直管）の垂れ下がりが大きくなると、垂れ下がった第４直管が当該ラジアントチューブの下方に隣接する別のラジアントチューブの第１直管に接触して、ラジアントチューブの損傷や操業トラブルを招くことになる。

図８に、管（第４直管）の垂れ下がりが操業トラブルに至る状況を示す。

まず、図８（１）に示すように、ラジアントチューブが健全な状態であれば、当該ラジアントチューブの第４直管５ａと下方に隣接する別のラジアントチューブの第１直管２ｂとの間には所定の間隔が保たれている。

次に、図８（２）に示すように、第４直管５ａに垂れ下がりが発生し、垂れ下がり量が大きくなると、第４直管５ａが第１直管２ｂに接触するようになる。

そして、図８（３）に示すように、第４直管５ａに横曲がり（管の側面方向への曲がり）が発生し、被加熱材４０に接触して、操業トラブルを招く。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ラジアントチューブバーナに用いられるＷ型ラジアントチューブとして、管の垂れ下がりが発生した場合でも、管の横曲がりの発生を防止して、被加熱材との接触による操業トラブルを回避することができるＷ型ラジアントチューブを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、まず、Ｗ型ラジアントチューブ１Ｘにおいて、図８に示したような、第４直管５の横曲がりが発生する要因について検討した。

その結果、図５、図６に示したＷ型ラジアントチューブ１Ｘでは、管の横方向（管軸と直交する水平方向）の変位を拘束しているのは、管自体の横剛性と、第１直管２に対する炉壁１１ｂからの拘束と、第４直管５に対する炉壁１１ｂからの拘束だけなので、ラジアントチューブ１Ｘ全体にみて、管の横曲がりに対する拘束力（抵抗力）が弱いためであると考えられた。なお、荷重受け渡し部材１７は上部直管３１（第１直管２、第２直管３）の荷重（自重）を下部直管３２（第３直管４、第４直管５）に受け渡すためのものであり、管の横曲がりに対する拘束力には寄与していない。

そこで、管の横曲がりに対する充分な拘束力（抵抗力）を確保するためには、横方向の相対的な変位が自由になっている第２直管３と第３直管４の間を拘束すれは、上部直管３１（第１直管２、第２直管３）と下部直管３２（第３直管４、第４直管５）とが一体となって横方向の変位に抵抗できるようになり、管の横曲がりに対する充分な拘束力（抵抗力）が得られると考えた。

本発明は上記のような考えに基づいており、以下のような特徴を有している。

［１］上方から下方に向かって順に、第１直管、第１曲管、第２直管、第２曲管、第３直管、第３曲管、第４直管を備えているＷ型ラジアントチューブであって、
前記第２直管と前記第３直管との間に、前記第２直管と前記第３直管との横方向の相対的な変位を拘束する横変位拘束部材を備えていることを特徴とするＷ型ラジアントチューブ。

［２］前記横変位拘束部材は、前記第２直管に取付けられた第２直管取付け部材と、前記第３直管に取付けられた第３直管取付け部材と、前記第２直管取付け部材と前記第３直管取付け部材とを連結する連結ロッドとを備えていることを特徴とする前記［１］に記載のＷ型ラジアントチューブ。

［３］前記第１直管、前記第２直管、前記第３直管、前記第４直管、前記第１曲管、前記第２曲管、前記第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のＷ型ラジアントチューブ。

本発明によれば、ラジアントチューブバーナに用いられるＷ型ラジアントチューブとして、管の垂れ下がりが発生した場合でも、管の横曲がりの発生を防止して、被加熱材との接触による操業トラブルを回避することができるＷ型ラジアントチューブを得ることができる。

本発明の一実施形態を示す図である。 図１におけるＡ－Ａ断面図である。 本発明の一実施形態において、管の垂れ下がりの発生を示す図である。 本発明の一実施形態において、管の横曲がりが防止されていることを示す図である。 従来技術を示す図である。 図５におけるＢ－Ｂ断面図である。 従来技術において、管の垂れ下がりの発生を示す図である。 従来技術において、管の横曲がりが発生することを示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１、図２は、本発明の一実施形態１を示す図である。図２は図１におけるＡ－Ａ断面図である。

図１、図２に示すように、本発明の一実施形態におけるＷ型ラジアントチューブ（以下、単に「ラジアントチューブ」ともいう）１Ａは、図５に示したＷ型ラジアントチューブ１Ｘと同様に、４本の円形断面の直管（第１直管２、第２直管３、第３直管４、第４直管５）と３本の円形断面の曲管（第１曲管６、第２曲管７、第３曲管８）を備えた構造となっている。

そして、ラジアントチューブ１Ａは、加熱炉内に設置されて、加熱炉内を上下方向に走行する金属帯等の被加熱材（図示せず）の表面に直管２～５の側面が対向するように配置されている。炉壁１１ｂに設置されたバーナ（バーナ本体）から噴射された燃焼ガス９は、ラジアントチューブ１Ａの内部を通過し、排ガス１０として系外に排出される。

言い換えれば、上方から下方に向かって順に、第１直管２、第１曲管６、第２直管３、第２曲管７、第３直管４、第３曲管８、第４直管５を備えていて、第１直管２がバーナ側、第４直管５が排ガス側に位置している。

そして、Ｗ型ラジアントチューブ１Ａを炉内で支持するための炉内支持構造として、第３曲管８に設置された第３曲管サポート１３と、炉壁１１ａに取付けられて第３曲管サポート１３を支持する受金具１２とを有している。

その上で、この実施形態においては、第２直管３と第３直管４との間に、第２直管３と第３直管４との横方向の相対的な変位を拘束する横変位拘束部材２０を備えている。この横変位拘束部材２０は、第２直管３に取付けられた第２直管取付け部材２１と、第３直管４に取付けられた第３直管取付け部材２２と、第２直管取付け部材２１と第３直管取付け部材２２とを連結する複数本の連結ロッド２３とを備えている。なお、ここでは、第２直管取付け部材２１に設けたピンと第３直管取付け部材２２に設けたピンの間を連結ロッド２３で連結して両端が回転ジョイントとなるようにして、管の熱変形を吸収するようにしている。

これによって、この実施形態では、横変位拘束部材２０（第２直管取付け部材２１、第３直管取付け部材２２、連結ロッド２３）によって、第２直管３と第３直管４の間の相対的な横方向の変位を拘束するようにしているので、上部直管３１（第１直管２、第２直管３）と下部直管３２（第３直管４、第４直管５）とが一体となって横方向の変位に抵抗できるようになり、管の横曲がりに対する充分な拘束力（抵抗力）が得られる。

その結果、このＷ型ラジアントチューブ１Ａに、図３に示すような管の垂れ下がりが発生した場合でも、図４に示すように、管（第４直管５ｂ）の横曲がりの発生を防止して、被加熱材４０との接触による操業トラブルを回避することができる。

なお、図１では、管の熱変形を吸収するために、連結ロッド２３の両端が回転ジョイントになるようにしているが、場合によっては、連結ロッド２３の片端のみが回転ジョイントになるようにしてもよい。また、長孔を用いた回転ジョイントにしてもよい。

また、図１では、第３曲管８に第３曲管サポート１３を設置し、それを受金具１２で支持しているが、それに替えて、第１曲管６に第３曲管サポートを設置し、それを受金具で支持するようにしてもよい。あるいは、その両方を備えるようにしてもよい。

そして、上記の実施形態は、Ｗ型ラジアントチューブであれば適用することができる。特に、重量が重い上に横剛性が低い上下方向が長軸の楕円形断面の管を用いたＷ型ラジアントチューブ（例えば、第１直管、第２直管、第３直管、第４直管、第１曲管、第２曲管、第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形（上下方向が長軸）であるＷ型ラジアントチューブ）に適用すれば、より一層効果を発揮する。

さらに言えば、上記の実施形態では、管の垂れ下がりに起因する管の横曲がりを念頭においているが、他の原因によって発生する管の横曲がりに対しても有効である。

１Ａ Ｗ型ラジアントチューブ
１Ｘ Ｗ型ラジアントチューブ
２ 第１直管
２ｂ 下方に隣接する別のＷ型ラジアントチューブの第１直管
３ 第２直管
４ 第３直管
５ 第４直管
５ｂ 当該Ｗ型ラジアントチューブの第４直管
６ 第１曲管
７ 第２曲管
８ 第３曲管
９ 燃焼ガス
１０ 排ガス
１１ａ 炉壁
１１ｂ 炉壁
１２ 受金具
１３ 第３曲管サポート
１４ 摺動部
１７ 荷重受け渡し部材
２０ 横変位拘束部材
２１ 第２直管取付け部材
２２ 第３直管取付け部材
２３ 連結ロッド
３１ 上部直管
３２ 下部直管
４０ 被加熱材

Claims (2)

1. 上方から下方に向かって順に、第１直管、第１曲管、第２直管、第２曲管、第３直管、第３曲管、第４直管を備えているＷ型ラジアントチューブであって、
   前記第２直管と前記第３直管との間に、前記第２直管と前記第３直管との横方向の相対的な変位を拘束する横変位拘束部材を備え、
   前記横変位拘束部材は、前記第２直管に取付けられた第２直管取付け部材と、前記第３直管に取付けられた第３直管取付け部材と、前記第２直管取付け部材と前記第３直管取付け部材とを連結する複数本の連結ロッドとを有し、
   前記複数本の連結ロッドを前記第２直管及び前記第３直管の管軸と直交する水平方向である前記横方向における一端側及び他端側に設けたこと、
   を特徴とするＷ型ラジアントチューブ。
2. 前記第１直管、前記第２直管、前記第３直管、前記第４直管、前記第１曲管、前記第２曲管、前記第３曲管のそれぞれの断面形状が全て同一の楕円形であることを特徴とする請求項１に記載のＷ型ラジアントチューブ。

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