JPH08278001A - ラジアントチューブの取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱炉に用いるラジアントチューブの軸方向
および高さ方向の熱膨張を自由にして、安定性に優れ、
長寿命化を可能とする取付構造を提供する。 【構成】 Ｗ型又はＵ型のラジアントチューブの排ガス
側をバンク１４に固定し、このラジアントチューブのバ
ーナー側直管３の下部を、バンクに取り付けたトーショ
ンバー３６を介した台座３５によって支えるとともに、
バーナー側端部はバンク１４より間隙をあけて炉外へ貫
通させ、バンクとバーナー側端部の間に伸縮自在な炉内
ガスシール用のベローズ３２を取り付けたラジアントチ
ューブの取付構造である。 【効果】 チューブ取り付け部品の破損を防止して支持
の安定化と長寿命化を達成でき、安定した操業とメンテ
ナンス費用の節減を図り得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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型又はＵ型のラジア
ントチューブの取付構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の典型的なＷ型ラジアントチューブ
の構造を図８に示す。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、バーナー１７側の端
部２，およびレキュペレータ１８側の端部１０はともに
バンク１４に溶接され、さらにバンク１４は、炉壁１５
に溶接されそれぞれ固定されている。

【０００３】また炉内においては、第３ベンド８の先端
の支持受け部１３は、バーナーとは反対側の炉壁からの
支持治具１６によって支えられており、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の上部との間にサドル１１が、また第２ベ
ンド６あるいは第３直管７と第４直管９の間にサドル１
２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り付け構造
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。

【０００５】この熱応力と変形について図９及び図１０
により詳しく説明する。ラジアントチューブへの熱負荷
状態として、炉昇温時と通常操業時の２つを考える。

【０００６】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。バーナー１７の燃焼により、第１直管
３の温度は急激に上昇し、第１ベンド４以降の部分との
温度差が大きく開く。この温度差は、第１直管３と第４
直管９では瞬時的には数１００℃に達することがある。

【０００７】この場合、第１直管３は急激に軸方向１９
に熱膨張を始める。例えば、ラジアントチューブの第１
直管から第４直管に到る各直管の代表温度を６００℃，
４００℃，３００℃，２００℃，長さを２０００ｍｍ，
１６００ｍｍ，１６００ｍｍ，２０００ｍｍとし、チュ
ーブの線膨張率を１７×１０^-6と仮定すると、レキュペ
レータ側端部１０が固定されている場合のバーナー側端
部２は、炉外側へ約１１ｍｍ移動しようとする。

【０００８】この熱膨張に対して、バーナー側端部２が
バンク１４に固定されている場合、バンクと第１ベンド
４以降との間で熱膨張の拘束を受けるため、第１直管３
には大きな圧縮力２１が発生し、ベンド部によって曲げ
モーメント２２が発生する。この結果、第１直管に大き
な応力が発生する。

【０００９】またサドル１１による変形拘束により、第
１ベンド４には大きな曲げモーメント２３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。

【００１０】通常炉修のため、定期的に炉の昇降温を繰
り返すが、材質の経年劣化や酸化減肉，さらに熱疲労の
蓄積や、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直管バーナー側に亀裂２４
が、あるいは第１ベンド側面に亀裂２５が発生する。

【００１１】図１０は通常の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１０℃以上高くなる。この時バ
ンク１４の温度は、通常１００℃から２００℃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の先端の炉壁の支持治
具１６を起点とし、第３ベンド８，サドル１１，第１ベ
ンド４に到る高さ方向２０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。

【００１２】例えば、第１直管と第４直管の軸芯間距離
が９００ｍｍのラジアントチューブの場合、バンクの温
度を１５０℃，炉内のラジアントチューブの温度を９５
０℃，ラジアントチューブの熱膨張率を１７×１０^-6と
仮定すると、バンク部分の垂直方向伸びは約２．３ｍ
ｍ，先端部分の垂直方向伸びは約１４．５ｍｍであり、
１０ｍｍ以上の差がある。

【００１３】以上の結果及びサドル１１による変形拘束
のため、第１直管にきわめて大きな曲げモーメント２６
が発生するとともに、第１ベンド３にも大きな曲げモー
メント２７が発生する。これによりベンド部側面に応力
集中が発生し、またサドル上部は大きな力を受ける。

【００１４】この時、各直管の軸方向１９の熱膨張差は
小さく昇温時ほど問題にならない。ラジアントチューブ
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１０の２４と同様の第１直管の亀裂２
８，あるいは第１ベンド下の座屈２９と、これによるチ
ューブの断面剛性の極端な低下が第２直管の座屈３０に
つながり、ラジアントチューブの使用寿命末期に到る。

【００１５】以上のように、ラジアントチューブ，特に
第１直管及び第１ベンドは、炉壁からの支持部，チュー
ブ間のサドル，チューブ自身の剛性によって拘束を受
け、昇温時には軸力と曲げモーメントの、また通常操業
時には曲げモーメントの作用を大きく受ける。従って拘
束力を緩和することが、ラジアントチューブの寿命を延
ばすことになる。

【００１６】この拘束を緩和する手段として、バーナー
側端部を炉壁部分にベローズを介してしゅう動可能に取
付ける構造が特開平０５−２７２７０８号公報，ならび
に実開平０１−３８４１５号公報に開示されている。

【００１７】特開平０５−２７２７０８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示している。また実開平０
１−３８４１５号公報では、チューブの片端部をバンク
には固定せず、チューブの軸方向ならびに高さ方向の熱
膨張が自由となるように間隙を設け、また酸素が炉内に
侵入しないように、チューブとバンクとの間にベローズ
を設けて炉内をシールするとともに、バーナー及びチュ
ーブ自重の一部を、バーナーとレキュペレータの間に取
り付けたベローズと併設したバネで支えるようにしたも
のである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平０
５−２７２７０８号公報の構造では、チューブに生じる
垂直方向の伸びを吸収することはできない。また実開平
０１−３８４１５号公報の構造では、チューブは基本的
にレキュペレータ側端部と第３ベンド先端と炉壁間の支
持装置で支持されているだけであり、バネならびにバー
ナーを介した第１直管の支持は不安定である。

【００１９】従って、チューブの傾動等によってベロー
ズに大きな変位がかかり、また、チューブの上方への変
位によっては第１ベンドにバーナーや第１直管の自重が
負荷され、クリープ変形が進展する。

【００２０】本発明は上記の問題点を解決するために提
案されたものであり、チューブの軸方向および高さ方向
の熱膨張を自由にして、チューブに発生する亀裂や変形
を低減するとともに、バーナーやチューブの自重も受け
る構造により、安定性に優れ、長寿命化を可能にするラ
ジアントチューブの取付構造を提供するものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｗ型又はＵ型
のラジアントチューブの排ガス側をバンクに固定し、該
ラジアントチューブのバーナー側直管の下部を、バンク
に取り付けたトーションバーを介した台座によって支え
るとともに、バーナー側端部はバンクより間隙をあけて
炉外へ貫通させ、バンクと該バーナー側端部の間に伸縮
自在な炉内ガスシール用のベローズを取り付けたことを
特徴とするラジアントチューブの取付構造である。

【００２２】

【作用】本発明の作用について、以下に説明する。

【００２３】図１は本発明の構造例を示す図面である。
図示のようにラジアントチューブ１のレキュペレータ１
８側端部１０はバンク１４に溶接され、一方バーナー１
７側端部は、バンク１４より間隙３１をあけて炉外へ貫
通させ、バンクとチューブ間に伸縮自在なシールを目的
としたベローズ３２を取り付ける。

【００２４】なお、炉内の支持構造は従来と相違なく、
即ち、第３ベンド８の先端の支持受け部１３は、バーナ
ーとは反対側の炉壁からの支持治具１６によって支えら
れており、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
サドル１１が、また第２ベンド６あるいは第３直間７と
第４直管９の間にサドル１２が設けられている。バーナ
ー側直管下部は、バンク１４に取り付けたバネ固定用治
具３３に取り付けられた、バネ３４ならびにバネ上の台
座３５により支えられている。

【００２５】図２はトーションバーを用いた取付構造の
詳細図である。トーションバー３６は、バンク１４に取
り付けた固定用治具３３に固定されており、トーション
バーより突設したレバー３４には、ピン３７により回転
可能な治具３８を介して、第１直管３を下から支える台
座３５が取り付けられている。

【００２６】図中位置Ａは、ラジアントチューブが取り
付けられていない状態での台座の位置であり、トーショ
ンバーにはトルクがかかっていない。位置Ｃはラジアン
トチューブが取り付けられた初期の台座の位置であり、
トーションバーにはレバーを介して初期の回転が与えら
れており、トルクが発生している。この位置では、第１
直管３は台座３５によって垂直方向に押し上げられた状
態となる。

【００２７】ラジアントチューブ昇温時には、第１直管
３の軸方向に熱膨張４０が生じ、チューブは台座の上を
スライドする。この時点では第１直管３の垂直方向の変
位は顕著でなく、チューブは台座との摩擦に打ち勝つ必
要がある。通常、バーナー側を固定した場合、バンクが
受ける力は２〜３ｔｏｎ程度に達するので、摩擦力に対
して十分高く問題はない。以上のように水平方向ならび
に垂直方向に変形が自由であり、かつバーナーやチュー
ブの一部の自重を常に受けるような構造が実現できる。

【００２８】通常操業時には、熱膨張によって第１直管
に上向きの変位３９が生じ、トーションバーはトルクが
開放される方向に回転し、レバー３４が回転し、台座３
５は第１直管の変位に追従して上昇する。位置Ｂは、稼
働後の上向きの最大変位時を示しており、この位置にお
いてもバーナーやチューブの一部の自重を受けるよう
に、無負荷時の位置Ａよりトルクがかかった状態になる
ようにトーションバーを設計しておく必要がある。

【００２９】次に図３を用いて、実際の設計手順につい
て説明する。ここでトーションバーのレバーの長さを
Ｒ，無負荷状態でのレバーの角度をθ_A ，上向き最大変
位時のレバーの角度をθ_B ，昇温前取り付け初期のレバ
ーの角度をθ_C を仮定する。

【００３０】前記θ_A ，θ_B ，θ_C は、取り付け初期か
らの熱膨張による上向きの変位δ_BCが最大変位を満足す
るとともに、最大変位時にも台座に押し上げ力がかかる
必要がある。即ち下記（１），（２）式が成り立つ必要
がある。

【００３１】

【数１】 θ_A ≧θ_B ≧θ_C …………（１）

【００３２】

【数２】 δ_BC＝Ｒ・（ｓｉｎθ_B −ｓｉｎθ_C ） …………（２）

【００３３】一例として、δ_BCは下記（３）式で決定す
ればよい。

【００３４】

【数３】 δ_BC＝Ｈ・α・（Ｔ_T −Ｔ_R ） …………（３）

【００３５】ここで、Ｈは第１直管と第４直管の軸芯間
距離，αはチューブ材質の線膨張率，Ｔ_T はチューブ平
均温度，Ｔ_R は昇温前のチューブ温度である。

【００３６】次に、上向き最大変位時の台座による第１
直管の押し上げ力Ｆ_B を仮定する。Ｆ_B は最大変位時に
おいても台座の押し上げ力はバーナー自重及びチューブ
の自重の一部を支える必要がある。一例として下記
（４）式で決めればよい。

【００３７】

【数４】 Ｆ_B ＝Ｗ_V ＋Ｗ_T …………（４）

【００３８】ここで、Ｗ_V はバーナーの自重，Ｗ_T は第
１直管の自重である。

【００３９】前記の仮定により、上向き最大変位時のト
ーションバーに作用するトルクは（５）式となり、従っ
てトーションバーの直径は（６）式で決定できる。

【００４０】

【数５】 Ｔ_B ＝Ｆ_B ・Ｒ・ｃｏｓθ_B …………（５）

【００４１】

【数６】 Ｄ＝〔３２・Ｔ_B ・Ｌ／｛（θ_A −θ_B ）・π・Ｇ｝〕^1/4 …（６）

【００４２】ここで、Ｌはトーションバーの長さ，Ｇは
トーションバー材質の横弾性係数である。

【００４３】前記（６）式で決定されたトーションバー
には、ラジアントチューブがバンクに取り付けられた時
点Ｃでは、下記（７）式で定まるトルクが作用する。

【００４４】

【数７】 Ｔ_C ＝（θ_A −θ_C ）・π・Ｄ⁴ ・Ｇ／（３２・Ｌ）……（７）

【００４５】従って第１直管は、台座より（８）式で定
まる力を受けることになる。

【００４６】

【数８】 Ｆ_C ＝Ｔ_C ／Ｒ・ｃｏｎθ_C …………（８）

【００４７】前記の（１）〜（８）式を用いて最適なト
ーションバーを設計できるが、制約条件として、昇温前
の初期トルク負荷時に、トーションバーに働く剪断応力
と押し上げ力を限界以内とするものとする。

【００４８】前者の剪断応力は（９）式で表され、許容
剪断応力に対し、（１０）式を満足する必要がある。な
お、最大変位時にトーションバーに働く剪断応力τ_B は
τ_Cに比べてかなり小さくなるようにθ_A とθ_B の差を
小さくする。

【００４９】

【数９】 τ_C ＝１６・Ｔ_C ／（π・Ｄ³ ） …………（９）

【００５０】

【数１０】 τ_C ≦τ_S ………（１０）

【００５１】また、初期トルク負荷時の押し上げ荷重Ｆ
_C は必然的にＦ_B より高くなるが、極力小さくする必要
がある。一例として（１１）式の制約内で考えるとよ
い。

【００５２】

【数１１】 Ｆ_C ＜２×Ｆ_B ………（１１）

【００５３】以上の制約条件を満足するようにトーショ
ンバーの仕様を決定する。なお、本トーションバーによ
ってラジアントチューブ本体が受ける力は、バーナー重
量とラジアントチューブの自重の一部を差し引いた大き
さとなる。

【００５４】バーナー側のベローズ３２は、単にシール
のみを目的にすればよく、また変形は、長手方向で約２
０ｍｍ，高さ方向で約１５ｍｍ変動できればよく、容易
に一般的なシール兼用のベローズを用いることができ、
なおかつ、メンテナンス性は非常によい。

【００５５】

【実施例】本発明の実施例を図１，及びその要部拡大詳
細図を図４に示す。

【００５６】ラジアントチューブは連続焼鈍炉に用いる
もので、第１直管及び第４直管の長さは２５００ｍｍ，
第２直管及び第３直管は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 Ｇ５
１２２・ＳＣＨ２２である。

【００５７】トーションバーを用いた支持構造は、図４
（ａ），（ｂ）に示すようにトーションバー２本３６
ａ，３６ｂを用いた構造とした。トーションバーの長さ
Ｌを２００ｍｍ，レバーの長さＲを２００ｍｍ，無負荷
時のレバーの位置θ_A を３４°，最大熱負荷時のレバー
の位置θ_B を３０°，その時の台座による押し上げ力を
１５０ｋｇ（トーションバー１本当たりは７５ｋｇ），
トーションバー材質の横弾性係数を８０００ｋｇ／ｍｍ
² とすると、トーションバーの直径は１５ｍｍとなる。

【００５８】また最大熱負荷時の垂直方向の最大変位を
１２ｍｍ，と仮定すると、初期のレバーの位置θ_C は２
６°となり、その時の台座による押し上げ力は２９０ｋ
ｇとなる（トーションバー１本当たりは１４５ｋｇ）。
なおトーションバーに発生する剪断応力は、初期に４１
ｋｇ／ｍｍ² ，最大熱負荷時に２１ｋｇ／ｍｍ² とな
り、強度的に問題はない。

【００５９】本構造によるラジアントチューブを、図８
に示す従来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。燃焼テストで得られたラジアント
チューブの温度からチューブに発生する軸力と曲げモー
メントを試算した結果を図５及び図６に示し、また最大
熱負荷時の第１直管の垂直方向の変位の実測値を図７に
示す。

【００６０】これらの図より、本発明による取り付け構
造の場合、軸力と曲げモーメントともに大幅に低減して
いること、及び第１直管が全体的に平行移動しており、
曲げ変形が小さくなっているのが判る。

【００６１】本発明によるラジアントチューブを実炉に
入れて６年を経過するが、異常なく稼働している。従来
構造は平均的に３〜４年であり、長寿命化が実現でき
た。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ラジアン
トチューブのバーナー側直管の下部をトーションバーを
介した台座によって支え、またバーナー側端部はバンク
より炉外へ貫通させてバンクとの間に伸縮自在なシール
用のベローズを取り付けた取付構造とすることにより、
熱歪みや熱膨張によりチューブに発生する亀裂や変形を
低減するとともに、チューブの取り付け部品の破損を防
止し、ラジアントチューブ支持の安定化と長寿命化を図
ることができ、安定した操業が維持され、またメンテナ
ンス費用が節減できる等、優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であり、取付構造例を示す側
断面図である。

【図２】本発明の取付構造の作用を説明する図面であ
る。

【図３】本発明の設計方法を説明する図面である。

【図４】図１に示す実施例の要部詳細図であり、（ａ）
は側断面図，（ｂ）は正面図である。

【図５】チューブに発生する軸力の試算結果を示す図面
である。

【図６】チューブに発生する曲げモーメントの試算結果
を示す図面である。

【図７】燃焼テストにおける第１直管の変位測定結果を
示した図面である。

【図８】従来の一般的なＷ型ラジアントチューブの構造
を示す側断面図である。

【図９】従来のラジアントチューブの昇温時における変
形及び損傷形態を説明する図面である。

【図１０】従来のラジアントチューブの通常操業時にお
ける変形及び損傷形態を説明する図面である。

【符号の説明】

１ ラジアントチューブ ２ ラジアントチューブのバーナー側端部 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 ラジアントチューブのレキュペレータ側端部 １１ ラジアントチューブ間サドル １２ ラジアントチューブ間サドル １３ 第３ベンド先端支持受け部 １４ バンク １５ 加熱炉炉壁 １６ 炉壁支持治具 １７ バーナー １８ レキュペレータ １９ 軸方向（水平方向） ２０ 高さ方向（垂直方向） ２１ 第１直管軸方向力 ２２ 第１直管曲げモーメント（昇温時） ２３ 第１ベンド曲げモーメント（昇温時） ２４ 第１ベンド亀裂（例） ２５ 第１ベンド下部座屈（昇温時） ２６ 第１直管曲げモーメント（通常操業時） ２７ 第１ベンド曲げモーメント（通常操業時） ２８ 第１直管亀裂（通常操業時） ２９ 第１ベンド下部座屈（通常操業時） ３０ 第２直管座屈 ３１ バーナー側間隙 ３２ 炉内ガスシール用ベローズ ３３ バンク側トーションバー取り付け治具 ３４ トーションバーのレバー ３５ 台座 ３６ トーションバー ３７ ピン ３８ 台座側レバー取り付け治具 ３９ 第１直管垂直方向変位 ４０ 第１直管水平方向変位 ４１ バンクに取り付けられた耐火物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｗ型又はＵ型のラジアントチューブの排
   ガス側をバンクに固定し、該ラジアントチューブのバー
   ナー側直管の下部を、バンクに取り付けたトーションバ
   ーを介した台座によって支えるとともに、バーナー側端
   部はバンクより間隙をあけて炉外へ貫通させ、バンクと
   該バーナー側端部の間に伸縮自在な炉内ガスシール用の
   ベローズを取り付けたことを特徴とするラジアントチュ
   ーブの取付構造。