加熱炉入門：原理、種類、用途

加熱炉は、正確な温度制御が重要な晶析・加工分野をはじめとする様々な産業で不可欠なものです。これらの加熱炉は様々なエネルギーを熱に変換し、熱放射や対流を利用して材料に伝達します。結晶成長や表面析出などのプロセスにおける温度制御は、製品の品質に直接影響します。この記事では、加熱炉の基本原理について述べるとともに、加熱炉のさまざまなタイプについて説明し、それぞれの特徴や用途を紹介します。これらのタイプを理解することで、特定の産業ニーズに最適な加熱炉を選択することができます。

加熱炉の基本原理

加熱炉の基本原理は以下の通りです：1)抵抗加熱、誘導加熱、放射加熱を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換する、または2)燃料の燃焼プロセスによって化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、被加熱物に熱を均一に伝達する。

加熱炉は、燃料を燃焼させて高温の排ガスを発生させるための内燃装置を備えている。排ガスは煙道を通して排出されるが、排ガスの廃熱は、燃焼室に入る空気を予熱して熱効率を向上させるために利用することができる。加熱炉には、加熱プロセスの温度と時間を正確に制御するための自動制御・監視システムが装備されることもある。連続加熱炉は通常、ガス燃料、重油、微粉炭を使用し、塊炭を燃焼するものもある。排ガスの熱を有効利用するため、煙道内に空気やガスを予熱する熱交換器を設置したり、排熱ボイラーを設置したりする。

鍛造や圧延製造では、ビレットは一般に完全燃焼炎による酸化性雰囲気で加熱される。還元性火炎の不完全燃焼（すなわち「自己保 護雰囲気」）を利用して金属を直接加熱すると、酸化を伴わない か、酸化が少ない加熱が可能である。このタイプの加熱は開放炎または開放炎非酸化加熱と呼ばれ、回転底炉やチャンバー炉でうまく利用されています。

一般的な加熱炉の構造は、炉の温度分布、予熱部、加熱部、均熱部の方向に沿った炉の長さによって決まります。予熱部は炉の温度が低いが、原料の供給端でもあり、その役割は炉のガス熱を利用し、炉の熱効率を向上させる。加熱セクションは主要な加熱セクション、炉のガス温度は急速な暖房の実現を促進するために高いです。偶数熱セクションは排出端にあり、炉ガスと金属材料温度の温度差は非常に小さく、炉から出るビレットのセクション温度が均一であることを保証します。

図1 真空加熱炉の構造と原理

加熱炉の種類と特徴

現在、より広く普及している分類は加熱炉の形状とプロセス用途に基づいており、連続加熱炉とチャンバー加熱炉に分けられます。それぞれの分類はさらに特定のタイプに分けられます。

連続加熱炉

連続加熱炉の多くは圧延前の金属ビレットを加熱するために使用され、一部は鍛造や熱処理にも使用されます。主な特徴は、圧延のリズムに従って炉内のビレットが連続的に移動し、炉内の炉ガスも連続的に流れることです。一般に、装入物の断面寸法、鋼種、歩留まりは不変で、炉内の各部分の温度と炉内の金属材料の温度は経時変化せず、炉の長さに沿ってのみ変化する。

図2 スタックサガーの連続加熱炉

連続加熱炉には、プッシュ式炉、ステップ炉、回転炉、チャンバー炉などがある。このうちプッシュ式炉は、連続加熱炉を論じる際に特に言及されることが多い。

1.プッシャー式連続加熱炉

プッシャー式連続加熱炉は、鉄鋼機械を押して炉内の材料を搬送し、炉内を連続的に加熱する作業を行う。ビレットは炉底をスライドさせるか、水冷パイプで支持されたスライドに乗せられ、後者の場合、ビレットは両側から加熱されます。後者の場合、ビレットは両面で加熱されます。炉底の水管は通常、熱損失を最小限に抑えるために断熱材で覆われます。耐火石積み壁に支えられたビレットの下部「ブラックマーク」による水冷スライドを最小限に抑えるため、この炉は「水冷炉」と呼ばれます。

2.段階式連続加熱炉

段階式連続加熱炉は、炉底または水冷金属梁を頼りに材料ビレットを段階的に前進させます。この 加熱炉には主に2つのタイプがある：

• ステップボトム炉：固定底とステップ底を特徴とする。
• ステップビーム炉：固定ビームとステップビームを装備。

プッシュ式炉と比較して、次のような利点があります：1) 炉材の搬送が柔軟で、必要に応じて炉材をすべて炉外に排出することができる。2) 炉底またはビームに間隔をあけてビレットを入れることで、より速く均一に加熱することができる。3) プッシュ式炉のアーチや固着の欠点がなくなり、炉の長さがこれらの要因による制約を受けない。

3.ターンボトム式加熱炉

ターンボトム式加熱炉は、炉底が回転する固定炉体です。回転底に置かれた原料ビレットは、底の回転に伴って入口から出口へと移動します。炉底の形状により、以下のタイプに分類されます：

• リング炉：冶金工場でよく使用される。
• 円盤型炉

回転底型リング炉の生産能力は1時間当たり約75トンです。このタイプの炉は、丸ビレット、ホイールおよびリムビレット、予備成形された金型鍛造ビレット、その他様々なビレットの種類や長さなど、プッシュ式や段差式では搬送できない材料の加熱に適しています。

しかし、欠点として炉底の面積利用率が低く、単位面積の生産量は通常1時間当たり350～400kg/m²程度です。

4.チャンバー式急速加熱炉

チャンバー式急速加熱炉は、複数の加熱室をライン状に配置したものです。各チャンバーはビレットローラーを備えた搬送室で仕切られています。シングルまたはダブルのビレットは、これらの加熱室と加熱室を通過し、プロセス全体で熱を受けます。各加熱室とその隣の室を合わせて「炉セクション」を形成するため、セクション炉とも呼ばれます。

短時間で加熱でき、酸化や脱炭が少なく、丸ビレットや鋼管の加熱に適しています。プラネタリーミルとの組み合わせにより、連続鋳造スラブの加熱にも使用できます。

欠点は単位炉長の生産能力が低く、炉の熱効率が低いことです。

チャンバー式加熱炉

チャンバー式加熱炉は鍛造前の金属ビレットまたはインゴットの加熱に使用されます。材料加熱は移動せず、炉は分割されず、どこでも均一な温度が要求されるため、循環式温度システム（すなわち、炉の温度を時間による予熱期間、加熱期間、均熱期間などに分ける）を使用した大型インゴット加熱に使用される。

図3 大型チャンバー加熱炉の一例

室型加熱炉には、室底固定式炉と車底式炉の2種類がある。

1.固定底式室内炉

炉底面積は一般的に 1 ~ 10 m 2.手または簡単な機械でより多くの装入；大型ワーク室炉の加熱、特別に装入機を装備したものもある。燃料は石炭、重油、ガス。炉壁のいくつかの炉はギャップを開き、ギャップから炉の加熱にビレットは、しばしば末端またはローカル加熱で加熱または長いビレットの小片で使用される「シーム炉」と呼ばれています。このタイプの炉底単位面積の生産は通常300から400キログラム/（メートル2 -時間）であり、鋼のトンあたりの単位熱消費量は約（1.0〜1.5）×106 kcalです。

2.車底式炉

加熱前の鍛造で重量10トン以上〜数百トンの大型インゴットに使用され、室炉型、トンネル型がある。加熱対象物を台車に載せて炉外に搬出入し、作業場のクレーンまたは他の牽引装置で台車を炉内に引き込むか、または炉外に引きずり出す。炉の温度分布が均一であるため、車底式炉は分散加熱と分散排煙（バーナーと排ガス出口を炉側壁に分散配置）によく使用される。

その他の分類要因

加熱炉は、基本的な連続式とチャンバー式以外にも様々な要因に基づいて分類することができる。これらの分類には以下が含まれます：

1.炉の構造：炉の外形に基づき、箱型炉、傾斜上部炉、円筒炉、縦型炉などがあります。

2.プロセス用途：特定の産業用途に基づくもので、大気炉、減圧炉、触媒炉、コークス炉、水素炉、アスファルト炉などが含まれます。

3.熱伝達の方法： 純放射炉、純対流炉、対流-放射炉など、熱の伝達方法に基づく。

4.加熱方法： 片面輻射炉、両面輻射炉など、使用される加熱方法に基づく。

5.燃焼および給気の形態：底面燃焼炉、側面燃焼炉、強制給気炉、自然給気炉など、燃焼および給気方法に基づく。

6.使用燃料： 使用燃料：オイルバーナー、ガスバーナー、デュアルフューエルバーナーなど、使用燃料の種類に基づく。

7: 特殊なタイプ： リフト加熱炉、熱処理炉、真空炉、雰囲気炉など、特殊な目的や作業環境に基づく。

まとめ

加熱炉は、晶析や各種加工産業など、精密な温度制御を必要とする産業に不可欠なものです。加熱炉の基本原理、種類、特性を理解することで、特定の用途に適した装置を選択することができます。連続式加熱炉であれチャンバー式加熱炉であれ、炉の選択は加熱プロセスの効率と品質に影響を与えます。詳細なガイダンスや専門知識については、Stanford Advanced Materials (SAM)のようなコンサルティングの専門家が、十分な情報に基づいた決定を下す上で貴重な支援を提供します。

参考文献

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