JP2799862B2 - High-temperature flange fastening structure - Google Patents
High-temperature flange fastening structureInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、フラ
ンジ軸継手、あるいは構造物の板接合部分などのうち、
締結後に温度上昇のあるフランジの締結構造に関するも
のであり、とくに、フランジとともに締結用ボルトなど
の温度が上昇する場合にも締結力が低下しない高温フラ
ンジの締結構造に関するものである。
(従来の技術)
一般に、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、フランジ
軸継手、あるいは構造物の板接合部分などのフランジを
ボルト・ナットによって締結する場合には、締結力の低
下を防止するよう処置する必要がある。締結した当初
は、ボルトには弾性的伸びが生じ、締結されたフランジ
や座金には弾性的縮みが生じるとともに、かみ合ったナ
ットのねじ山には接触圧力が作用してゆるまず、十分な
締結力が存在するが、場合によっては、ボルトあるいは
フランジなどが塑性的に伸縮したり、衝撃力が外部から
作用した瞬間にねじ山の接触圧力が減少してナット(ま
たはボルト)が回転したりしてゆるみ、締結力が減少す
るからである。
そこで、上記のようなフランジには、従来、つぎの締
結構造によって締結力の低下を防止していた。
a)二つのナットを重ねる(いわゆるダブルナットとす
る)、みぞ付きナットを用いたうえみぞとボルトの貫通
口に止めピンを通す、または、ゆるみ止め用特殊ナット
を用いる、などの締結構造。これらは、主としてナット
が回転しないようにして、締結力の低下を防止する。
b)ばね座金、歯つき座金などを挟装した締結構造。こ
れらは主として、ボルトやフランジの前記した塑性的伸
縮量を座金の弾性的変位によって補うことにより、前記
ねじ山の接触圧力を確保するものである。
こうした構造は、ボルト・ナットによる接合個所に広
く適用されており、前記したように締結後に温度上昇の
あるフランジの締結部分にも、同様に採用されていた。
(発明が解決しようとする問題点)
上記した従来のフランジの締結構造a)およびb)
は、フランジやボルトを含む締結部分が、締結したのち
に温度上昇する場合には、つぎのような点で問題があっ
た。すなわち、締結部分が温度上昇する際、熱膨張によ
るボルトの伸びが、フランジ、座金およびガスケットな
どからなる被締結物の厚さ方向の伸びよりも大きくなれ
ば、前記のいずれの締結構造によっても締結力が低下、
もしくはゼロになる。前記a)の構造では、ナットが回
転することはなくとも、熱膨張によって上記のように延
びが生じると同時に締結力がほぼゼロになり、ボルト・
ナットに挟まれた被締結物間にすき間ができる。一方、
前記b)の構造では、上記のように伸びが生じても、座
金の弾性的変位の範囲内ならば締結力が直ちになくなる
ことはないが、締結力は大幅に低下するので、フランジ
に外力が作用すれば被締結物間にすき間ができ、あるい
は締結部分が振動すればナット(またはボルト)が回転
して締結力がゼロになることもある。こういった現象が
引き起こされるのは、前記したようにボルトの熱膨張に
よる伸びが被締結物のそれを上回るときであり、詳しく
は、たとえばボルトの線膨張係数がフランジや座金のそ
れよりも大きい場合、あるいは締結部分の温度分布が不
均一でボルトの温度がフランジや座金の温度よりも高く
なることがある場合などである。
フランジの締結力が低下すると、フランジにかかる外
力が偏荷重としてボルトに作用するのでボルトが折損す
ることがある、容器や管路においてはシール性が悪くな
って内部の流体が漏出する、あるいは極端な場合、ナッ
トの回転が進行しボルトが抜けてフランジが外れてしま
うなど、重大な事故につながることがある。
(発明の目的)
この発明は、上記の問題点を解消するためになされた
もので、簡単な部品を追加してフランジを締結するだけ
で、フランジやボルトを含む締結部分が締結後に温度上
昇する場合にも締結力が低下しない、高温フランジの締
結構造を提供しようとするものである。
(問題点を解決するための手段)
上記の問題点を解決するためのこの発明の要旨とする
ところは、締結後に温度上昇のあるフランジの締結構造
について、締結用ボルトの頭部とナットとの間に、締結
すべきフランジやガスケットとともに、前記ボルトより
も線膨張係数が大きいステンレス鋼またはニッケル鋼か
らなるスリーブ、およびガス切断が容易な低炭素鋼から
なるスリーブを挟持し、締結用ボルトの頭部を、当該ボ
ルトの軸長方向と直角な方向に長い(つまり横長の)形
状とし、かつ、その頭部が係合される側のフランジに
は、その通部が一定向きにあるときにのみ挿通されるボ
ルト穴を設けていることである。
(作 用)
この発明の高温フランジの締結構造によれば、被締結
物として、線膨張係数の大きいスリーブをフランジ、座
金およびガスケットなどとともに締結用ボルトの頭部と
ナットとの間に挟装するので、締結したのち締結部分の
温度が上昇する場合、熱膨張による締結ボルトの伸び以
上に、被締結物が厚さ方向に熱膨張し、したがってボル
トによるフランジの締結力が低下することがない。ま
た、ガス切断の容易な材料からなるスリーブを併せて挟
装するうえ、ボルトの頭部とそれが係合される側のフラ
ンジのボルト穴との間に、頭部が一定向きにあるときの
みボルト穴に挿通される関係を与えているため、ねじ部
に異物が噛み込むこと等によってナットが回らなくなっ
たときにも、容易に締結を解除することができる。その
(後者の)スリーブをガス切断したのち、ボルトを(ナ
ットとともに)少し回してその頭部の向きをボルト穴に
挿通される向きに合わせれば、ボルト穴をもつフランジ
と当該頭部との係合が解かれるからである。なお、上に
いう線膨張係数の大きいスリーブとしてはステンレス鋼
またはニッケル鋼製のものを使用し、ガス切断の容易な
スリーブとして低炭素鋼製のものを使用している。これ
らの材料の機械的強度や耐熱特性に基づいて、発明の締
結構造は相当に高い締結力を発揮し、かつ熱的負荷に耐
える。
(実施例)
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例に関するフランジの締結構
造をもつ、転炉およびフードの縦断面図である。転炉A
は、高炉などで得られた銑鉄を精錬して鋼にするための
溶融金属容器であり、精錬にともなって多量の高温ガス
(COが主成分)が発生するので、これを回収するために
炉口部にフードBが着座して排ガスダクトB11に連通し
ている。フードBは炉口上に懸架される主フードB1と、
昇降可能なスカートB2とから構成され、スカートB2の下
部フランジB21は、ガスケットA4を挟んで転炉Aの炉口
フランジA1に締結される。精錬中は、排ガスダクトB11
の接続部を除いて、転炉AとフードBの内部空間A2は密
閉され、主フードB1とスカートB2とは離間しないように
連結(図示せず)されているので、内部空間A2の圧力が
上がるとフードBには上向きの力(浮揚力)が生じ、こ
の浮揚力は前記下部フランジB21と炉口フランジA1との
締結部分に作用する。
この締結部分の詳細を第2図(a)に示す。下部フラ
ンジB21は、上部フランジB23、可撓スリーブ体B22およ
び連結具B24とともにスカートB2として、主フードB1側
の部材からシリンダ(図示せず)によって吊設され昇降
するが、転炉Aが精錬を開始する前には、図のように下
降させられ、炉口フランジA1上に装着したガスケットA4
を挟み、締結用ボルト1およびナット2を用いて炉口フ
ランジA1と締結される。本実施例では、あらかじめこの
ボルト1に、ボルト1よりも線膨張係数が大きい材料か
らなるスリーブ3と、ガス切断が容易な材料からなるス
リーブ4とを遊嵌しておき、締結する際にはこれらが、
上記二つのフランジA1、B21およびガスケットA4ととも
に、頭部1aとナット2との間に挟まれるよう構成してい
る。なお、第2図(b)に示すように、ボルト1の頭部
1aは横長の矩形状に形成されており、この頭部1aよりも
やや大きく矩形状に穿設されたボルト穴A1aに挿通し、9
0゜回せば炉口フランジA1に係止することができる。
第2図(a)に示す符号10は、ボルト1の締結装置
で、ボルト1の常時保持して昇降および回転させること
ができ、したがって遠隔操作により迅速にフランジA1、
B21を締結(または解除)するための装置である。すな
わち締結装置10は、ナット2を嵌合・回転させるととも
に止めナット5を係止してボルト1を保持するソケット
11、ユニバーサルジョイント12および油圧モータ13を具
備し、これらを台板14とともに、下部フランジB21上に
載設された昇降装置(図示せず)によって昇降させる機
能をもっている。
転炉Aが精錬を開始する前には、前記のように、ガス
ケットA4を挟んで下部フランジB21と炉口フランジA1と
を、ボルト1により締結するが、この手順はつぎのとお
りである。下部フランジB21が上昇している間には、ボ
ルト1は締結装置10によって上昇しており、頭部1aが矩
形凹部B21aに収容されているが、下部フランジB21が第
2図(a)の位置に下降すると、締結装置10によってボ
ルト1を下降させ、頭部1aを炉口フランジA1の矩形ボル
ト穴A1aに挿通する。こののち、締結装置10のモータ13
を回転させてナット2を回せば、ボルト1は共回りして
炉口フランジA1下面の止め板A11の凸部A11aに頭部1aが
当接し、続いてナット2が回転・下降して、締結が完了
する。このとき、ボルト1に遊嵌された前記スリーブ3
および4は、下部フランジB21のスリーブ座B21bの上面
とナット2の下面とに挟まれるので、ボルト1およびナ
ット2による締結力は、炉口フランジA1、ガスケットA
4、下部フランジB21、スリーブ3および4に作用するこ
とになる。
上記した締結を常温(20℃)下で行っても、転炉Aお
よびフードBは精錬中に炉内の溶銑(溶鋼)および排ガ
スから輻射熱と伝導熱を受けるので、締結部の構成部
品、すなわち炉口フランジA1、ガスケットA4、下部フラ
ンジB21、スリーブ3、4、ボルト1およびナット2は
いずれもほぼ均一に100℃程度にまで温度が上昇する。
こうした温度上昇によって上記構成部品はそれぞれ熱膨
張するが、ボルト1の頭部1aとナット2との間に挟装し
たスリーブ3は、ボルト1よりも線膨張係数が大きいの
で、この場合に被締結物間にすき間が生じたり締結力が
低下したりすることはない。一方、転炉Aが何回かの精
錬を行ったのちで、締結時からすでに構成部品の温度が
100℃程度になっている場合には、締結後にこれ以上の
熱膨張が発生しないので、もちろん締結力は低下しな
い。
ここで、上記の温度上昇にともなう締結力の変化を、
定量的に検討してみる。なお、本実施例においては、初
期締結を常温下で、ボルト1の張力(締結力)が6000kg
になるように行い、転炉Aの精錬中には、締結部分が10
0℃に温度上昇するとともに、炉内ガス圧力によるフー
ドBの最大浮揚力によって1本のボルト1に2000kgの張
力が作用する。
締結部の構成部品については、スリーブ3を18−8ス
テンレス鋼とし、ガスケットA4をセラミックファイバー
含有の複合材とする以外は、すべて低炭素鋼を用いてい
る。それらの厚さ(軸方向寸法。t:mm。第2図(a)参
照)および線膨張係数(α:1/℃。20〜100℃の平均値)
を以下に示す。
炉口フランジA1:t1=60、α1=1.21×10-5
ガスケットA4:t2=20、α2≒0
下部フランジB21:t3=65、α3=1.21×10-5
スリーブ3:t′1=185、α′1=1.67×10-5
スリーブ4:t′2=70、α′2=1.21×10-5
また、ボルト1の頭部1aとナット2との面間距離l
0(mm)、ボルト1の縦弾性係数E0(kg/mm2)、有効断
面積A0(mm2)、線膨張係数α0(1/℃)については、
下記のとおりである。
l0=t1+t2+t3+t′1+t′2=400、
E0=2.1×104、A0=2000、
α0=1.21×10-5
この締結部が、締結後に温度幅ΔT=100−20=80
(℃)にわたって上昇する。熱膨張によるボルト1の面
間距離l0の自由伸長量Δlは、
Δl=ΔT×l0×α0=0.3872(mm)
一方、熱膨張による、炉口フランジA1、ガスケットA4
および下部フランジB21の合計厚さの自由膨張量Δt
は、
Δt=ΔT×Σ(ti・αi)=0.121(mm)
スリーブ3および4の合計厚さのそれΔt′は、
Δt′=ΔT×Σ(t′i・α′i)=0.31492(m
m)
になるので、
Δt+Δt′=0.43592≧Δl=0.3872
となる。すなわち、自由膨張による被締結物の厚さ方向
の伸びが、ボルト1の伸び以上になるため、ボルト1に
よる締結力は低下することはなく、むしろ増加する。こ
の場合、ボルト1で拘束された被締結物は自由伸長を一
部妨げられ、ボルト1は逆に引き伸ばされて、両者はつ
ぎのような共通の伸び量Δλをもつことになる。
Δl≦Δλ≦Δt+Δt′
締結部の温度上昇によってボルト1の締結力が増加す
る場合には、ボルト1に過剰な張力が発生しないように
考慮し、その破断などを防止する必要がある。本実施例
では、フランジ部をボルト1で締結したのち転炉Aが精
錬を開始すると、炉内空間A2のガス圧力が上昇して変動
するので、ボルト1にはフードBの浮揚力による張力も
作用する。したがって、温度上昇によって初期締結力が
低下せず、しかもボルト1が安全に使用できる条件は、
0≦ΔF ……
F0+ΔF+F1≦A0×σa ……
の2式を同時に満たすことである。ここで、
F0:ボルト1(1本当たり)の初期(20℃における)締
結力(張力)(kg)、
ΔF:温度上昇によるボルト1の張力の増加分(kg)、す
なわち応力・歪みの関係から、
ΔF=A0×E0×(Δλ−Δl)/l0
F1:炉口フランジA1と下部フランジB21との間に作用する
外力(ここではフードBの浮揚力。最大値を適用する)
によって生じるボルト1の張力(kg)、
σa:ボルト1の許容応力(kg/mm2。ボルト1の材料がも
つ降伏点応力に安全率を見込んだ値)、である。
式については、前に述べたΔl≦Δλと上のΔFの
式から、明らかに満たされる。
Δλの値は、正確には、ボルト1のほか被締結物それ
ぞれの縦弾性係数および断面積にも関係して決まるが、
前記のように、
Δλ≦Δt+Δt′
であるため、ΔFの値はどんな場合にも、
A0×E0(Δt+Δt′−Δl)/l0
を超えることはない。すなわち、
ΔF≦2000×2.1×104
×(0.121+0.31492−0.3872)/400
=5120(kg)
の範囲の値である。
本実施例においては、低炭素鋼からなるボルト1の許
容応力σaは10(kg/mm2)であり、初期締結力F0は6000
(kg)、ガス圧力によるフードBの最大浮揚力によって
1本のボルト1に作用する張力F1は2000(kg)であるた
め、式の左辺F0+ΔF+F1は、
6000+5120+2000=13210(kg)
を超えることがなく、右辺A0×σaは、
2000×10=20000(kg)
なので、式が満たされる。
以上検討したように、本実施例のフランジ締結構造で
は、温度上昇によって初期締結力が低下することはな
く、しかもボルト1が許容応力内で安全に使用すること
が確認される。
転炉Aが精錬を終了すると、転炉Aは出鋼のために炉
体を傾動するので、下部フランジB21を炉口フランジA1
から分離し、スカートB2を上昇させる必要がある。下部
フランジB21と炉口フランジA1との締結を解除するに
は、締結装置10を用いて、締結時とは逆の向きにナット
2を回してゆるめたのち、ボルト1をもとの位置へ引き
上げておけばよい。ナット2がゆるんだ際には、ボルト
1の頭部1aは止め板A11の凸部A11aに当接し、炉口フラ
ンジA1の矩形穴A1aと合致する向きになって回転が止ま
るので、共回りせず、引き上げ時にも支障がない。万
一、ねじ山が異物を噛み込むなどにより、ナット2の回
転が不能になった場合には、ガス切断が容易なスリーブ
4を焼き切れば、締結を解除することができる。
なお、この発明の高温フランジの締結構造は、以上の
実施例に限るものではなく、たとえばつぎのように実施
することもできる。すなわち、イ)実施例に示したスリ
ーブ3の材料は18−8ステンレス鋼でなくとも、締結用
ボルトよりも線膨張係数の大きいものであればよい(線
膨張係数が比較的大きい金属材料としては、ステンレス
鋼のほかに、ニッケル鋼、銅合金、アルミ合金などがあ
る)。ロ)もちろん、転炉とフードの各フランジを締結
する場合に限らず、容器や管路のフランジ継ぎ手部分、
フランジ軸継手、あるいは構造物の板接合部分などに広
く適用できる(こうした場合には、ガス切断用のスリー
ブ4や締結装置10は不要なことが多い。また、締結すべ
きフランジとスリーブとの間に座金を挟むと、フランジ
を傷めないので好ましい場合がある)。ハ)締結後の温
度上昇は、実施例に示した範囲に限らず、スリーブの材
料がもつ降伏点が極端に低下しない温度までの範囲なら
問題ない。ニ)フランジ間にガスケットのない締結部分
にも、同様に適用できる。ホ)2個以上のフランジを締
結する場合に限らず、台座上に1個のフランジをボルト
によって締着する場合にも適用できる。
実施例に示した、温度上昇によって初期締結力が低下
せず、しかも締結用ボルトが安全に使用できる条件を整
理し、一般のフランジ締結部分にあてはまる条件として
表すと、つぎのようになる。
まず式は、前記のように、Δl≦ΔλなるΔλが生
じればよいので、
Δt+Δt′≧Δl ……′
に置きかえられる。ΔFも前記のように、
A0・E0(Δt+Δt′−Δl)/l0
を超えることはないので、式は
A0・E0(Δt+Δt′−Δl)/l0
≦A0・σa−F0−F1 ……′
を満たせば十分である。′、′を合わせると
0≦Δt+Δt′−Δl
≦(A0・σa−F0−F1)l0/A0E0
∴Δl−Δt≦Δt′
≦(A0・σa−F0−F1)l0/A0E0
+Δl−Δt ……
となるが、この式を、合計m個のフランジ、ガスケッ
トおよび座金などとともに、合計n個のスリーブを挟持
して締結する場合にあてはめると、
となる。つまり、この式が、フランジやボルトを含む
締結部分が締結後にΔTだけ温度上昇する場合に挟装す
べきスリーブの、厚さt′iと線膨張係数α′iの条件
である。
(発明の効果)
以上のように構成した本発明の高温フランジの締結構
造によれば、つぎの効果がもたらされる。すなわち、フ
ランジやボルトを含む締結部分が締結後に温度上昇する
場合にも、締結力が低下しないので、容器や管路内の流
体が漏出したり、ボルトが偏荷重を受けて折損したりす
ることがない。しかも、スリーブという簡単な部品を挟
むだけでよく、特別なコストや手間を必要としない。ま
た、異物の噛み込み等によってナットが回らなくなった
ときにも、フランジ間の締結を容易に解除することがで
きる。締結力が高く耐熱性がすぐれるという効果もあ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial application field) The present invention relates to a flange joint portion of a container or a pipeline, a flange joint, or a plate joint portion of a structure.
The present invention relates to a fastening structure of a flange whose temperature rises after fastening, and more particularly to a fastening structure of a high-temperature flange whose fastening force does not decrease even when the temperature of a fastening bolt or the like together with the flange rises. (Prior Art) Generally, when a flange such as a flange joint portion of a container or a pipeline, a flange joint, or a plate joint portion of a structure is fastened by bolts and nuts, measures are taken to prevent a decrease in fastening force. There is a need to. At the beginning of the fastening, the bolt is elastically stretched, the fastened flange and washer are elastically compressed, and the contact pressure is not applied to the thread of the meshed nut. However, in some cases, bolts or flanges may expand or contract plastically, or at the moment an impact force is applied from the outside, the contact pressure of the threads may decrease and the nut (or bolt) may rotate. This is because the loosening and the fastening force are reduced. Therefore, conventionally, a reduction in the fastening force has been prevented by using the following fastening structure for the above-described flange. a) A fastening structure in which two nuts are overlapped (a so-called double nut), a locking pin is passed through a slot of a bolt using a nut with a groove, or a special nut for locking is used. These mainly prevent the nut from rotating, thereby preventing a decrease in the fastening force. b) A fastening structure in which spring washers, toothed washers and the like are sandwiched. These mainly secure the contact pressure of the thread by compensating for the above-mentioned plastic expansion and contraction of the bolt and flange by the elastic displacement of the washer. Such a structure has been widely applied to a joint portion by a bolt and a nut, and has been similarly employed in a fastening portion of a flange where the temperature rises after fastening as described above. (Problems to be Solved by the Invention) The conventional flange fastening structures a) and b) described above.
However, when the temperature of the fastening portion including the flange and the bolt rises after the fastening, there is a problem in the following points. That is, when the temperature of the fastening portion rises, if the elongation of the bolt due to thermal expansion is greater than the thickness direction of the workpiece, such as a flange, a washer, and a gasket, the fastening is performed by any of the fastening structures described above. Weakness,
Or it becomes zero. In the structure a), even if the nut is not rotated, the expansion is performed as described above due to the thermal expansion, and at the same time, the fastening force becomes almost zero.
There is a gap between the objects to be fastened between the nuts. on the other hand,
In the structure b), even if the elongation occurs as described above, the fastening force does not immediately disappear within the range of the elastic displacement of the washer, but the fastening force is greatly reduced. When acting, a gap is formed between the objects to be fastened, or when the fastening portion vibrates, the nut (or bolt) rotates and the fastening force may become zero. Such a phenomenon is caused when the expansion due to the thermal expansion of the bolt exceeds that of the work to be fastened, as described above. Specifically, for example, the linear expansion coefficient of the bolt is larger than that of the flange or the washer. In some cases, the temperature distribution of the fastening portion is not uniform, and the temperature of the bolt may be higher than the temperature of the flange or the washer. If the fastening force of the flange decreases, the external force applied to the flange acts on the bolt as an eccentric load, which may cause the bolt to break.In containers and pipelines, the sealing performance will deteriorate, and the internal fluid will leak, or extremely In such a case, the rotation of the nut may progress, the bolt may come off, and the flange may come off, leading to a serious accident. (Object of the Invention) The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the temperature of a fastening portion including a flange and a bolt rises after fastening by simply adding a simple part and fastening the flange. It is an object of the present invention to provide a high-temperature flange fastening structure in which the fastening force does not decrease even in such a case. (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention for solving the above-mentioned problems is that, for a fastening structure of a flange having a temperature rise after fastening, a structure of a head of a fastening bolt and a nut is used. Between the flange and the gasket to be fastened, a sleeve made of stainless steel or nickel steel having a larger linear expansion coefficient than the bolt, and a sleeve made of low-carbon steel, which is easy to cut gas, are sandwiched between the heads of the fastening bolts. Part is long in the direction perpendicular to the axial direction of the bolt (that is, horizontally long), and the flange on which the head is engaged is provided only when the through part is in a certain direction. That is, a bolt hole to be inserted is provided. (Operation) According to the high-temperature flange fastening structure of the present invention, a sleeve having a large linear expansion coefficient is sandwiched between the head of the fastening bolt and the nut together with the flange, washer, gasket, and the like as the workpiece. Therefore, when the temperature of the fastening portion rises after the fastening, the object to be fastened expands in the thickness direction more than the elongation of the fastening bolt due to thermal expansion, so that the fastening force of the flange by the bolt does not decrease. In addition, a sleeve made of a material that is easy to cut gas is inserted between the bolt head and the bolt hole of the flange on which the bolt is engaged. Since the bolts are inserted into the bolt holes, the fastening can be easily released even when the nut cannot be turned due to foreign matter biting into the screw portion or the like. After gas cutting the latter sleeve, the bolt is slightly turned (along with the nut) so that the head is oriented so that it can be inserted into the bolt hole. This is because the union is broken. Note that a sleeve made of stainless steel or nickel steel is used as a sleeve having a large linear expansion coefficient, and a sleeve made of low carbon steel is used as a sleeve that is easy to cut gas. Based on the mechanical strength and heat resistance properties of these materials, the fastening structure of the invention exhibits a considerably high fastening force and withstands thermal loads. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical sectional view of a converter and a hood having a flange fastening structure according to an embodiment of the present invention. Converter A
Is a molten metal container for refining pig iron obtained in a blast furnace or the like into steel. A large amount of high-temperature gas (mainly CO) is generated during refining. The hood B is seated at the mouth and communicates with the exhaust gas duct B11. Hood B is a main hood B1 suspended above the furnace opening,
The lower flange B21 of the skirt B2 is fastened to the furnace opening flange A1 of the converter A with the gasket A4 interposed therebetween. During refining, exhaust gas duct B11
Except for the connection part, the internal space A2 of the converter A and the hood B is sealed, and the main hood B1 and the skirt B2 are connected so as not to be separated (not shown). When the hood B is raised, an upward force (levitation force) is generated in the hood B, and the levitation force acts on a fastening portion between the lower flange B21 and the furnace port flange A1. FIG. 2 (a) shows the details of the fastening portion. The lower flange B21 is suspended by a cylinder (not shown) from a member on the main hood B1 side as a skirt B2 together with the upper flange B23, the flexible sleeve body B22, and the connecting tool B24 as a skirt B2. Before starting, the gasket A4 is lowered as shown and mounted on the furnace opening flange A1.
Is fastened to the furnace opening flange A1 using the fastening bolt 1 and the nut 2. In this embodiment, a sleeve 3 made of a material having a larger linear expansion coefficient than the bolt 1 and a sleeve 4 made of a material easy to cut gas are loosely fitted to the bolt 1 in advance, and when fastening, These are
Together with the two flanges A1 and B21 and the gasket A4, it is configured to be sandwiched between the head 1a and the nut 2. In addition, as shown in FIG.
1a is formed in a horizontally elongated rectangular shape, and is inserted through a bolt hole A1a drilled in a rectangular shape slightly larger than the head 1a, and 9
If it is turned 0 °, it can be locked to the furnace opening flange A1. Reference numeral 10 shown in FIG. 2 (a) is a fastening device for the bolt 1, which can hold the bolt 1 at all times, move up and down, and rotate, so that the flange A1,
It is a device for fastening (or releasing) B21. That is, the fastening device 10 is a socket that holds the bolt 1 by fitting and rotating the nut 2 and locking the lock nut 5.
11, a universal joint 12 and a hydraulic motor 13, which have a function of being moved up and down together with the base plate 14 by an elevating device (not shown) mounted on the lower flange B21. Before the converter A starts refining, as described above, the lower flange B21 and the furnace port flange A1 are fastened by the bolt 1 with the gasket A4 interposed therebetween, and the procedure is as follows. While the lower flange B21 is raised, the bolt 1 is raised by the fastening device 10, and the head 1a is housed in the rectangular recess B21a, but the lower flange B21 is in the position shown in FIG. Then, the bolt 1 is lowered by the fastening device 10, and the head 1a is inserted into the rectangular bolt hole A1a of the furnace opening flange A1. After this, the motor 13 of the fastening device 10
When the nut 2 is turned to rotate the bolt 2, the bolt 1 rotates together and the head 1a comes into contact with the convex portion A11a of the stopper plate A11 on the lower surface of the furnace port flange A1, and the nut 2 subsequently rotates and descends, thereby fastening. Is completed. At this time, the sleeve 3 loosely fitted to the bolt 1
And 4 are sandwiched between the upper surface of the sleeve seat B21b of the lower flange B21 and the lower surface of the nut 2, so that the fastening force by the bolt 1 and the nut 2 is reduced by the furnace port flange A1 and the gasket A.
4, acting on the lower flange B21, the sleeves 3 and 4. Even if the above-mentioned fastening is performed at normal temperature (20 ° C.), the converter A and the hood B receive radiant heat and conductive heat from the hot metal (molten steel) and exhaust gas in the furnace during refining. The temperatures of the furnace port flange A1, the gasket A4, the lower flange B21, the sleeves 3, 4, the bolts 1 and the nuts 2 all rise almost uniformly to about 100 ° C.
The above components thermally expand due to such temperature rise. However, since the sleeve 3 sandwiched between the head 1a of the bolt 1 and the nut 2 has a higher linear expansion coefficient than the bolt 1, There is no gap between the objects and no reduction in the fastening force. On the other hand, after converter A refined several times, the temperature of the components
When the temperature is about 100 ° C., no further thermal expansion occurs after the fastening, so that the fastening force does not decrease. Here, the change in the fastening force due to the above temperature rise is
Let's examine it quantitatively. In this embodiment, the initial fastening is performed at room temperature, and the tension of the bolt 1 (fastening force) is 6000 kg.
During the refining of converter A,
As the temperature rises to 0 ° C., 2000 kg of tension acts on one bolt 1 due to the maximum buoyancy of the hood B due to the gas pressure in the furnace. All components of the fastening portion are made of low carbon steel except that the sleeve 3 is made of 18-8 stainless steel and the gasket A4 is made of a composite material containing ceramic fiber. Their thickness (axial dimension; t: mm; see Fig. 2 (a)) and coefficient of linear expansion (α: 1 / ° C; average value of 20 to 100 ° C)
Is shown below. Furnace opening flange A1: t 1 = 60, α 1 = 1.21 × 10 -5 Gasket A4: t 2 = 20, α 2 ≒ 0 lower flange B21: t 3 = 65, α 3 = 1.21 × 10 -5 Sleeve 3: t ′ 1 = 185, α ′ 1 = 1.67 × 10 -5 Sleeve 4: t ′ 2 = 70, α ′ 2 = 1.21 × 10 -5 Also, the distance l between the head 1a of the bolt 1 and the nut 2
0 (mm), the modulus of longitudinal elasticity E 0 (kg / mm 2 ), effective area A 0 (mm 2 ), and coefficient of linear expansion α 0 (1 / ° C.)
It is as follows. l 0 = t 1 + t 2 + t 3 + t ' 1 + t' 2 = 400, E 0 = 2.1 × 10 4 , A 0 = 2000, α 0 = 1.21 × 10 -5 The temperature range ΔT = 100−20 = 80
(° C.). The free extension amount Δl of the bolt-to-face distance l 0 of the bolt 1 due to thermal expansion is: Δl = ΔT × 10 × α 0 = 0.3872 (mm) On the other hand, the furnace port flange A1 and gasket A4 due to thermal expansion
Expansion amount Δt of the total thickness of the lower and lower flanges B21
Δt = ΔT × Σ (t i · α i ) = 0.121 (mm) That of the total thickness of the sleeves 3 and 4 Δt ′ is: Δt ′ = ΔT × Σ (t ′ i · α ′ i ) = 0.31492 (M
m), so that Δt + Δt ′ = 0.35992 ≧ Δl = 0.3882. That is, since the elongation in the thickness direction of the object to be fastened due to the free expansion is equal to or greater than the elongation of the bolt 1, the fastening force by the bolt 1 does not decrease but rather increases. In this case, the object to be fastened restrained by the bolt 1 is partially prevented from free extension, and the bolt 1 is stretched in the opposite direction, and both have the following common extension Δλ. Δl ≦ Δλ ≦ Δt + Δt ′ When the fastening force of the bolt 1 increases due to a rise in the temperature of the fastening portion, it is necessary to prevent the occurrence of excessive tension in the bolt 1 and to prevent the bolt 1 from breaking. In this embodiment, when the converter A starts refining after the flange portion is fastened with the bolt 1, the gas pressure in the furnace space A2 rises and fluctuates. Works. Therefore, the condition under which the initial fastening force does not decrease due to the temperature rise and the bolt 1 can be used safely is that the following two expressions are simultaneously satisfied: 0 ≦ ΔF... F 0 + ΔF + F 1 ≦ A 0 × σ a. . Here, F 0 : initial fastening force (tensile force) (at 20 ° C.) (at 20 ° C.) of bolt 1 (per bolt) (ΔF): increase in tension of bolt 1 due to temperature rise (kg), ie, stress / strain From the relationship, ΔF = A 0 × E 0 × (Δλ−Δl) / l 0 F 1 : An external force acting between the furnace opening flange A1 and the lower flange B21 (here, the lifting force of the hood B. The maximum value is applied. Do)
Σ a is the allowable stress of the bolt 1 (kg / mm 2 , a value that takes into account the yield point stress of the material of the bolt 1 and the safety factor). The equation is clearly satisfied from the above-described equation of ΔF ≦ Δλ and ΔF described above. The value of Δλ is determined accurately in connection with not only the bolt 1 but also the longitudinal modulus of elasticity and the cross-sectional area of each workpiece.
As described above, since Δλ ≦ Δt + Δt ′, the value of ΔF does not exceed A 0 × E 0 (Δt + Δt′−Δl) / l 0 in any case. That is, a value in the range of ΔF ≦ 2000 × 2.1 × 10 4 × (0.121 + 0.31492−0.3872) / 400 = 5120 (kg). In the present embodiment, the allowable stress sigma a of the bolt 1 made of a low carbon steel is 10 (kg / mm 2), the initial fastening force F 0 6000
(Kg), because the tension F 1 acting on one bolt 1 by the maximum buoyancy of the food B by gas pressure is 2000 (kg), the left side F 0 + [Delta] F + F 1 expression, 6000 + 5120 + 2000 = 13210 The (kg) Since the right side A 0 × σ a is 2000 × 10 = 20000 (kg), the expression is satisfied. As discussed above, in the flange fastening structure of this embodiment, it is confirmed that the initial fastening force does not decrease due to the temperature rise, and that the bolt 1 is used safely within the allowable stress. When the converter A finishes the refining, the converter A tilts the furnace body for tapping, so the lower flange B21 is connected to the furnace port flange A1.
And the skirt B2 needs to be raised. To release the fastening between the lower flange B21 and the furnace opening flange A1, use the fastening device 10 to loosen the nut 2 by turning the nut 2 in the opposite direction to that at the time of fastening, and then pull up the bolt 1 to the original position. It should be left. When the nut 2 is loosened, the head 1a of the bolt 1 comes into contact with the protrusion A11a of the stopper plate A11, and the rotation stops in the direction matching the rectangular hole A1a of the furnace opening flange A1. No problem when lifting. In the event that rotation of the nut 2 becomes impossible due to, for example, a thread caught by a foreign matter, the fastening can be released by burning off the sleeve 4 that is easy to cut gas. The fastening structure of the high-temperature flange according to the present invention is not limited to the above embodiment, but may be implemented as follows, for example. That is, a) The material of the sleeve 3 shown in the embodiment is not limited to 18-8 stainless steel as long as it has a larger linear expansion coefficient than the fastening bolt. , Stainless steel, nickel steel, copper alloy, aluminum alloy, etc.). B) Of course, not only when the flanges of the converter and the hood are fastened, but also the flange joints of vessels and pipelines,
It can be widely applied to a flange joint or a plate joint portion of a structure (in such a case, the gas cutting sleeve 4 or the fastening device 10 is often unnecessary. It is preferable that the washer be sandwiched between the flanges because the flange is not damaged. C) The temperature rise after fastening is not limited to the range shown in the embodiment, and there is no problem if the temperature rises to a temperature at which the yield point of the material of the sleeve does not extremely decrease. D) The same can be applied to a fastening portion where there is no gasket between the flanges. E) The present invention is not limited to the case where two or more flanges are fastened, but can also be applied to the case where one flange is fastened on a base with bolts. The conditions shown in the examples, under which the initial fastening force does not decrease due to the temperature rise and in which the fastening bolts can be used safely, are arranged and expressed as the conditions applicable to the general flange fastening portion. First, the equation can be replaced by Δt + Δt ′ ≧ Δl..., Because Δλ satisfying Δl ≦ Δλ needs to be generated as described above. As described above, since ΔF does not exceed A 0 · E 0 (Δt + Δt'-Δl) / l 0 , the formula is A 0 · E 0 (Δt + Δt'-Δl) / l 0 ≤A 0 · σ a It is sufficient to satisfy −F 0 −F 1 ... ′. ',' Combining 0 ≦ Δt + Δt'-Δl ≦ (A 0 · σ a -F 0 -F 1) l 0 / A 0 E 0 ∴Δl-Δt ≦ Δt '≦ (A 0 · σ a -F 0 −F 1 ) l 0 / A 0 E 0 + Δl−Δt, but this equation is applied when n total sleeves are clamped together with m total flanges, gaskets, washers, etc. When, Becomes In other words, this equation is the condition of the thickness t ′ i and the linear expansion coefficient α ′ i of the sleeve to be inserted when the temperature of the fastening portion including the flange and the bolt increases by ΔT after the fastening. (Effects of the Invention) According to the high-temperature flange fastening structure of the present invention configured as described above, the following effects are provided. That is, even if the temperature of the fastening portion including the flange and the bolt rises after fastening, the fastening force does not decrease, so that the fluid in the container or the pipeline leaks or the bolt receives an uneven load and breaks. There is no. In addition, only a simple part called a sleeve is required, and no special cost or labor is required. Further, even when the nut cannot be turned due to foreign matter biting or the like, the fastening between the flanges can be easily released. There is also an effect that the fastening force is high and the heat resistance is excellent.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に関する転炉およびフードの縦
断面図、第2図(a)は第1図のフランジ締結部分の詳
細図、第2図(b)は第2図(a)の下方平面図であ
る。
1……ボルト、2……ナット、3,4……スリーブ、10…
…締結装置、A……転炉、A1……炉口フランジ、A4……
ガスケット、B……フード、B21……下部フランジ。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a vertical sectional view of a converter and a hood according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) is a detailed view of a flange fastening portion in FIG. 1, and FIG. 2 (b) FIG. 2 is a bottom plan view of FIG. 2 (a). 1 ... bolt, 2 ... nut, 3, 4 ... sleeve, 10 ...
… Fastening device, A… Converter, A1… Furnace opening flange, A4…
Gasket, B: Hood, B21: Lower flange.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−200311(JP,A) 実開 昭60−170050(JP,U) 実開 昭57−164316(JP,U) 実開 昭60−112717(JP,U) 実開 昭59−133752(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F16B 39/01──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-200311 (JP, A) JP-A-60-170050 (JP, U) JP-A-57-164316 (JP, U) JP-A-60-160 112717 (JP, U) Actually open sho 59-133,752 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) F16B 39/01
Claims (1)
て、 締結用ボルトの頭部とナットとの間に、締結すべきフラ
ンジやガスケットとともに、前記ボルトよりも線膨張係
数が大きいステンレス鋼またはニッケル鋼からなるスリ
ーブ、およびガスが切断が容易な低炭素鋼からなるスリ
ーブを挟装し、 締結用ボルトの頭部を、当該ボルトの軸長方向と直角な
方向に長い形状とし、かつ、その頭部が係合される側の
フランジには、その頭部が一定向きにあるときにのみ挿
通されるボルト穴を設けている ことを特徴とする高温フランジの締結構造。 2.前記温度上昇幅がΔTにわたり、それぞれ線膨張係
数α1,α2,…,αm、厚さt1,t2,…,tmである合計m個
の前記フランジやガスケットとともに、それぞれ線膨張
係数α′1,α′2,…,α′n、厚さt′1,t′2,…,t′
nである前記二種を含む合計n個のスリーブを挟装し、
これらを、縦弾性係数E0、線膨張係数α0、有効断面積
A0の前記ボルトを用いて、ボルト頭部とナットとの面間
距離l0(=t1+…+tm+t′1+…+t′n)の間に締
結する場合、各スリーブの線膨張係数と厚さを、(ここで、 σa:ボルトの許容引っ張り応力、 F0:ボルト1本当たりの初期締結力、 F1:フランジに作用する外力によって生じるボルト1本
当たりの張力) の関係式を満たすようにした特許請求の範囲第1項に記
載の高温フランジの締結構造。(57) [Claims] A fastening structure of a flange having a temperature rise after fastening, between a head of a fastening bolt and a nut, together with a flange or a gasket to be fastened, and a stainless steel or nickel steel having a larger linear expansion coefficient than the bolt. And a sleeve made of low-carbon steel from which gas can be easily cut, the head of the fastening bolt is shaped to be long in the direction perpendicular to the axial direction of the bolt, and the head is A high-temperature flange fastening structure, wherein a bolt hole to be inserted only when the head is in a fixed direction is provided in the flange on the side to be engaged. 2. The temperature increase width is ΔT, and the linear expansion coefficient is m along with a total of m flanges and gaskets having a coefficient of linear expansion α 1 , α 2 ,..., Α m and thicknesses t 1 , t 2 ,. Coefficients α ' 1 , α' 2 , ..., α ' n , thicknesses t' 1 , t ' 2 , ..., t'
n total sleeves including the two types n,
These are referred to as longitudinal elastic modulus E 0 , linear expansion coefficient α 0 , effective area
Using the bolt A 0, if it enters between the inter-surface distance between the bolt head and the nut l 0 (= t 1 + ... + t m + t '1 + ... + t' n), the linear expansion of each sleeve Coefficient and thickness, (Where, σ a : allowable tensile stress of bolt, F 0 : initial fastening force per bolt, F 1 : tension per bolt generated by external force acting on the flange). The high-temperature flange fastening structure according to claim 1.
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|---|---|---|---|---|
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