金属材料の冷却装置及び金属材料の冷却方法
【課題】 被冷却材の形状やサイズの変更時でもスプレイ装置を交換せずに金属材料を均一に冷却することが可能な金属材料の冷却装置、及び当該冷却装置を用いる金属材料の冷却方法を提供する。
【解決手段】 気液混合スプレイノズル１、１、…を備えるヘッダー２、を備え、ヘッダー２へと供給される気体及び液体は、当該ヘッダー２内の個別の空間を介して、気液混合スプレイノズル１、１、…へと個別に供給され、ヘッダー２は筒状であるとともに、気液混合スプレイノズル１、１、…はヘッダー２の内周面６側に配置されている、金属材料の冷却装置５とする。
【解決手段】 気液混合スプレイノズル１、１、…を備えるヘッダー２、を備え、ヘッダー２へと供給される気体及び液体は、当該ヘッダー２内の個別の空間を介して、気液混合スプレイノズル１、１、…へと個別に供給され、ヘッダー２は筒状であるとともに、気液混合スプレイノズル１、１、…はヘッダー２の内周面６側に配置されている、金属材料の冷却装置５とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の冷却装置及び金属材料の冷却方法に関し、特に、角形、丸形、Ｈ形、あるいはＩ形等の断面形状を有する、ビレット、ブルーム、又は形鋼等の高温鋼片又は高温鋼材を均一にかつ急速に冷却し得る、金属材料の冷却装置、及び当該冷却装置を用いる金属材料の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼工程の連続鋳造工程では、成分調整後の溶けた鋼が、連続的に、厚みのある鋼片へと固められ、鋼材の形状に応じて、ビレットやブルーム等の中間素材が製造される。このビレットやブルームは、モールド内で一次冷却されて半凝固状態となった後、モールド直下のビレットやブルームの引抜通路内で２次冷却される。ビレットやブルームの２次冷却では、通常、水噴射によるスプレイ冷却が行われており、ビレットやブルームの表面にスプレイノズルから冷却水が吹き付けられることで、引抜通路を通過するうちに徐々に冷却されて凝固したビレットやブルームとなる。
【０００３】
従来、上記２次冷却では、４方向からビレットやブルームの表面へと水が噴射され、当該２次冷却で使用される冷却装置（以下において、「スプレイ装置」と記述することがある。）は、各サイズのビレットやブルームに対する専用の装置となっていた。そのため、ビレットやブルームのサイズが変わる毎に、モールドを一旦オフラインに吊り出してスプレイ装置を交換する必要があり、かかる交換時の作業が製鋼工程の生産性を低下させる一因となっていた。
【０００４】
一方、ビレットやブルームの断面形状は正方形や矩形であり、４方向からの冷却のみでは、ビレットやブルームに温度ムラが生じやすい。ここに、ビレットやブルームに温度ムラが生じると、その熱応力により反りや曲がりが発生しやすい。また、温度ムラに起因するひずみがビレットやブルームの内部に残留すると、製品へと切断した時にひずみが開放されて製品が変形するという不具合が生じやすい。そのため、鋼材の品質を向上させるためには、ビレットやブルームを均一に冷却することが重要である。
【０００５】
これまでに、ビレットやブルームの２次冷却に関する技術、及び当該２次冷却に適用可能な技術が、いくつか開示されてきている。ビレットの２次冷却に関する技術として、例えば、特許文献１には、ビレットサイズの変更時でも、スプレイ装置を交換せずにビレットを冷却し得る、スプレイ冷却方法およびスプレイ冷却装置に関する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術によれば、ビレット面とこれに対峙する各スプレイノズルとの距離を等しく変更し得る構成とすることで、スプレイ装置を交換せずに冷却することが可能になるとしている。また、特許文献１に開示されている技術では、円環状や８角形状の供給管にスプレイノズルが設けられる形態にも適用可能であるとされており、多方向から水が噴射される形態も考慮されている。他方、上記２次冷却に適用可能な技術として、例えば、特許文献２には、液とエアとを対向して衝突混合させるための混合アダプタを備える気液噴霧装置に関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３１２９５４号公報
【特許文献２】特開平７−１６４１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術で使用されているスプレイノズルは、サイズが大きいため、ノズルの配置密度（以下において、単に「ノズル密度」と記述する。）を十分に高くすることが困難である。したがって、上記構成を有するスプレイ冷却方法およびスプレイ冷却装置により多方向から水を噴射したとしても、ビレットを均一に冷却することは難しく、ビレットには温度ムラが生じやすいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術でも、大きなサイズのノズルが使用されているため、当該ノズルを有する気液噴霧装置を上記２次冷却に適用したとしても、ビレットやブルームを均一に冷却することは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、被冷却材の形状やサイズの変更時でもスプレイ装置を交換せずに金属材料を均一に冷却することが可能な金属材料の冷却装置、及び当該冷却装置を用いる金属材料の冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る技術につき、鋭意研究を行なった結果、以下の知見を得た。
１）気液混合スプレイノズルを備える冷却装置を用い、当該ノズルから噴射される気液混合物の気液比を変化させることで、被冷却材の形状やサイズが変更された場合であっても、冷却装置を交換することなく、被冷却材を冷却することが可能になる。
２）気液混合スプレイノズルにおいて、気体と液体とが個別に供給されるタイプの気液混合スプレイノズルを用いると、当該ノズルを小型化することが可能になる。そのため、冷却装置内におけるノズル密度を十分に高くすることが可能になり、被冷却材を均一に冷却することが可能になる。
【０００９】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
第１の本発明は、気液混合スプレイノズル（１、１、…）を備えるヘッダー（２）、を備え、ヘッダー（２）へと供給される気体及び液体は、当該ヘッダー（２）内の個別の空間（２０、２１）を介して、気液混合スプレイノズル（１、１、…）へと個別に供給され、ヘッダー（２）は筒状であるとともに、気液混合スプレイノズル（１、１、…）はヘッダー（２）の内周面（６）側に配置されていることを特徴とする、金属材料の冷却装置（５）により、上記課題を解決する。
ここに、「筒状」とは、ヘッダー（２）の内側を搬送される被冷却材（３）の側面を囲い込み得る形状を意味しており、その断面形状は特に限定されるものではない。本発明にかかる筒状のヘッダー（２）の断面形状例としては、三角形、矩形、円形、楕円形等を挙げることができる。
また、上記第１の本発明において、金属材料の冷却装置（５）は、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比を制御する、気液比制御手段を備えていることが好ましい。ここに、本発明及び以下に示す発明において、気液比とは、１個のノズル（１）から噴射される気体流量と液体流量との比率を意味し、ノズル（１）から噴射される気体の流量をＱｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、液体の流量をＱｗ（Ｌ／ｍｉｎ）とするとき、気液比Ｒは以下の式で与えられる。
Ｒ＝Ｑｇ／Ｑｗ
【００１１】
さらに、上記第１の本発明において、ヘッダー（２）が、少なくとも２つ以上に分割可能であることが好ましい。
【００１２】
加えて、上記第１の本発明において、ヘッダー（２、２）の少なくとも一部に、間隙（７、７、…）が設けられていることが好ましい。
【００１３】
第２の本発明は、上記第１の本発明にかかる金属材料の冷却装置（５）を用いる、金属材料の冷却方法であって、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比が、３以上であることを特徴とする、金属材料の冷却方法により、上記課題を解決する。
【００１４】
上記第２の本発明において、気液混合物（８、８、…）の気液比が、被冷却材（３）の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、筒状のヘッダー（２）内で個別に仕切られた空間（２０、２１）へと供給される気体及び液体が、気液混合スプレイノズル（１、１、…）へと個別に供給され、当該スプレイノズル（１、１、…）内で混合された気液混合物（８、８、…）が当該スプレイノズル（１、１、…）から噴射される、金属材料の冷却装置（５）とすることができる。かかる構成とすることで、上記ノズル（１、１、…）を小型化することが可能になり、冷却装置（５）内に備えられる上記ノズル（１、１、…）の間隔を短くすることが可能になる結果、ノズル密度を十分に高くすることが可能になる。したがって、第１の本発明によれば、被冷却材（３）の側面全体を均一に冷却することが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。なお、第１の本発明にかかる金属材料の冷却装置（５）によれば、ノズル密度を十分に高くすることが可能であるので、当該冷却装置（５）を用いれば、被冷却材（３）を急冷することも可能になる。
また、第１の本発明において、さらに、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比を制御する気液比制御手段が備えられていれば、冷却装置（５）の冷却能を変化させることが容易になり、装置交換をせずとも様々な形状やサイズの被冷却材を冷却し得る冷却装置（５）とすることが容易になる。したがって、かかる構成とすることで、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却装置（５）を提供することが容易になる。すなわち、第１の本発明によれば、装置交換を不要にすることが可能になるため、装置交換に要していた時間やコスト等を低減することが可能になる結果、被冷却材の生産性を向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することも可能になる。
【００１６】
さらに、上記第１の本発明において、ヘッダー（２）が少なくとも２つ以上に分割可能であれば、例えば、被冷却材（３）が冷却装置（５）内で突っ掛かった様な場合であっても、筒状のヘッダー（２）を分割することで、冷却装置（５）全体を移動させることなく、その突っ掛かりを復旧することが可能になるため、メンテナンス性が向上する。したがって、かかる構成とすることで、被冷却材（３）を均一に冷却することが可能であるとともに、生産性を一層向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。
【００１７】
加えて、上記第１の本発明において、ヘッダー（２、２）の少なくとも一部に間隙（７、７、…）が設けられていれば、筒状のヘッダー（２）の内周面（６）側に存在する液体を当該間隙（７、７、…）から排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、さらに、液体の排出性を向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。
【００１８】
第２の本発明によれば、気液混合物（８、８、…）の気液比を３以上とすることで、被冷却材（３）の温度ムラを容易に低減することが可能になる。また、気液混合物（８、８、…）の気液比を変更することで、冷却装置（５）の冷却能を適宜変化させることが可能になる。したがって、第２の本発明によれば、被冷却材の形状やサイズにかかわらず装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却方法を提供することが可能になる。
【００１９】
上記第２の本発明において、気液混合物（８、８、…）の気液比が、被冷却材（３）の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されれば、被冷却材の形状やサイズに応じて冷却能を適宜制御し得る、金属材料の冷却方法を提供することが可能になり、様々な形状やサイズの被冷却材を均一に冷却することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明に理解を容易にするため、従来の冷却装置と本発明の冷却装置との差異を、図を用いて概説する。図１は、本発明の冷却装置、及び従来の冷却装置の一部を示す外観図である。図１（ａ）は、第１実施形態にかかる本発明の冷却装置の一部を、また、図１（ｂ）は、従来の冷却装置の一部を、それぞれ概略的に示している。なお、以下の説明では、冷却媒体として水を使用した場合について記述する。以下において、「気液比」は「気水比」ということがある。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、第１実施形態にかかる本発明の冷却装置５は、気液混合スプレイノズル（以下において、単に「ノズル」と記述することがある。）１、１、…を備えている。当該ノズル１、１、…は、半円筒状のヘッダー２、２の内周面６側に配置されており、これら２つのヘッダー２、２により、円筒状のヘッダーが形成されている。上下二つに分割されているヘッダー２、２の内側を通る棒状の被冷却材３は、図示されていないライン上に配置され、図の奥から手前へと向かう方向に搬送されており、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物８、８、…により、冷却されている。ここに、本発明にかかる冷却装置５において、ヘッダー２、２には、別々の配管４ａ、４ｂを介して気体（以下において、「空気」と記述する。）と水とが供給され、当該ヘッダー２、２へと個別に供給された空気及び水は、それぞれ、ヘッダー２、２内に設けられている別々の空間へと供給される。一方、冷却装置５に備えられているノズル１、１、…には、気液混合物８、８、…を噴射する出側流路と複数の流路とが設けられており、ヘッダー２、２へと供給された空気及び水は、各ノズル１、１、…に設けられている別々の流路を介してノズル１、１、…へと供給される。そして、上記空気及び水は、当該ノズル１、１、…内で気液混合物８、８、…となり、ノズル１、１、…の出側流路から、被冷却材３へ向けて噴射される。なお、本発明にかかるヘッダー２、２には、複数の間隙７、７、…が設けられており、ヘッダー２、２の内周面６、６側に溜まった水は、当該間隙７、７、…を通ってヘッダー２、２の外側へと排出される。また、図１（ａ）に示す上下のヘッダー２、２は、複数のネジ９、９、…を介して固定されている。加えて、第１実施形態にかかる冷却装置５は、図示されていない気液比制御手段により、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物の気液比を適宜変更可能な構成となっている。さらに便宜上、図１（ａ）では、図の最手前側に配置されているノズル１、１、…及び間隙７、７、…のみを示しているが、当該ノズル１、１、…は一定の間隔で千鳥状に配置されている一方、間隙７、７、…は被冷却材３の進行方向（図１の奥から手前へと向かう方向）に、例えば溝状等の形態で形成されているものとする。
【００２２】
これに対し、図１（ｂ）に示すように、従来の冷却装置５５は、気液混合スプレイノズル（以下において、単に「ノズル」と記述することがある。）５１、５１、…が備えられたリング状のヘッダー５２、５２、…を複数備えている。図１（ｂ）に示すように、従来の冷却装置５５では、通常、ヘッダー５２、５２、…の４箇所にノズル５１、５１、…が備えられ、かかるノズル５１、５１、…から噴射される気液混合物により、被冷却材５３は冷却される。なお、図１（ｂ）におけるヘッダー５２、５２、…、及びノズル５１、５１、…には、気体供給管５４ａ、５４ａ、…、及び液体供給管５４ｂ、５４ｂ、…を介して、気体及び液体が供給されている。また、図１（ｂ）における被冷却材５３は、図示されていないライン上に配置されているものとする。
なお、図７に、上記従来のノズル５１を概略的に拡大して示す。図７に示すように、従来のノズル５１の内部へと供給された空気と混合促進手段５１ｂに衝突して微粒化された水とは混合室５１ｃにおいて混合されて気液混合物となり、当該気液混合物は、ノズルチップ５１ａから被冷却材に向けて噴射される。図１（ｂ）にかかるノズル５１は、図７にかかるノズル５１を簡略化して示したものである。
【００２３】
図１（ｂ）に示す従来の冷却装置５５によっても、各ヘッダー５２、５２、…に備えられるノズル５１、５１、…の数を増やすことにより、被冷却材５３における温度ムラをある程度まで低減し得る冷却を行うことは可能であるとも考えられる。しかし、従来の冷却装置５５に備えられるノズル５１、５１、…は、例えば「こぶし大」程度の大きさを有しており、ヘッダー５２、５２、…に備えられるノズル５１、５１、…の密度を十分に高めることは困難であるため、各ヘッダー５２、５２、…に備え得るノズル５１、５１、…が少数に留まる結果、被冷却材５３の温度ムラを低減し難いという問題があった。
【００２４】
ここで、図２及び図３に、本発明の冷却装置５に備えられ得るノズル１及びヘッダー２の形態例を概略的に示す。図２及び図３において、図の上下方向が鉛直方向である。
【００２５】
図２は、ノズル１の形態例を概略的に示す断面図であり、図２（ａ）は、一定の空間を有する混合部１３を備えるノズル１の断面図、図２（ｂ）は、単なる合流部である混合部１３を備えるノズル１の断面図、図２（ｃ）は、副流路を含まない鉛直方向断面を示す図である。
【００２６】
本発明にかかるノズル１は、上述の本発明にかかる冷却装置５等に使用されるチップ状のノズル（以下において、単に「ノズル」と記述する。）１であって、入り側流路１１、混合部１３、及び出側流路１２がこの順に配置されてノズル１を貫通する主流路１８と、ノズルの側面１９から混合部１３へと通じるとともに流れ方向が主流路１８に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路１４、１４、…とを備え、入り側流路１１はその入口側開口が混合部側開口より小であるとともに、流路側面１５の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている。
【００２７】
一方、図３は、ノズル１を備えるヘッダー２の鉛直方向断面の一部を概略的に示す図であり、ノズル１が設置されているヘッダー２の箇所、及びその周辺のみを拡大して示す断面図である。
【００２８】
本発明にかかるヘッダー２は、上記ノズル１を備え、入り側流路１１の入口側開口に通じる第１流体供給部２０と、副流路１４、１４のノズル側側面開口に通じる第２流体供給部２１と、これら流体供給部を仕切る第１隔壁３０と、第２流体供給部２１と被噴射面側とを仕切る第２隔壁３１とを備え、ノズル１は、第１隔壁３０及び第２隔壁３１に固定されるとともに、出側流路１２は、第２隔壁３１の被噴射面側に開口している。なお、本発明にかかるヘッダー２では、例えば、第１流体供給部２０内に空気が、第２流体供給部２１内に水が、それぞれ供給されている。第１流体供給部２０内の空気は、入り側流路１１を通ってノズル１内へと供給されるとともに、第２流体供給部２１内の水は、副流路１４、１４を通ってノズル１内へと供給され、ノズル１の混合部１３において混合された後、かかる気液混合物は、出側流路１２を通って、出口側開口より図３の下方へと噴射される。
【００２９】
図２及び図３に示すように、本発明の冷却装置５に備えられるノズル１は、当該ノズル１に設けられている複数の流路を介して、空気と水とが個別に供給される構造を有している。そのため、従来よりも小型（例えば、１／３程度の大きさ）のノズル１、１、…とすることが可能になり、当該ノズル１を備えるヘッダー２では、ノズル密度を十分に高くすることが可能になる。したがって、当該ヘッダー２を備える本発明にかかる冷却装置５では、被冷却材３を均一に冷却することが可能になるため、被冷却材３の温度ムラを低減することが可能になる。さらに、本発明にかかる冷却装置５は、各種ノズルの中でも冷却能の高い気液混合スプレイノズル１、１、…を備えているため、被冷却材３の温度ムラを容易に低減することが可能になるとともに、被冷却材３を急冷することも可能になる。なお、本発明において、冷却装置５に備えられるノズル１、１、…のノズル密度は、被冷却材３を均一に冷却し得る密度であれば特に限定されるものではないが、例えば、１００個／ｍ２以上とすることが好ましく、かかる密度にて配置されるノズル１、１、…の配置形態は、千鳥状とすることが好ましい。
【００３０】
また、本発明の冷却装置５では、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物の気液比を、被冷却材の形状やサイズに応じて適宜変更することが好ましい。気液比を変更することで、冷却装置５の冷却能を変更することが可能になるため、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却装置５とすることが容易になる。
【００３１】
ここに、気液比とは、１個のノズルから噴射される気体流量と液体流量との比率を意味し、ノズル１から噴射される空気の流量をＱｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、水の流量をＱｗ（Ｌ／ｍｉｎ）とするとき、気液比（気水比）Ｒは以下の式で与えられる。
Ｒ＝Ｑｇ／Ｑｗ
【００３２】
上述のように、本発明にかかる冷却装置５は、高い冷却能を有する気液混合スプレイノズル１を高密度で配置可能である。そのため、後述するように、例えば、本発明において気液比を３とすれば、従来の冷却装置において気液比を４０とした場合の冷却能に到達することが可能になり、被冷却材３の温度ムラを容易に低減することが可能になる。したがって、本発明にかかる冷却装置５を用いて金属材料を冷却する場合、ノズル１から噴射される気液混合物の気液比は、３以上とする。一般に、気液比を高くすれば冷却能を高くすることが可能であるとされているが、気液比を高くすると冷却装置５のランニングコストが増加する。そのため、ランニングコストを低減しつつ十分な冷却能を確保するという観点から、より好ましい気液比は、５以上１０以下である。
【００３３】
本発明にかかる冷却装置５を用いて金属材料を冷却する場合、当該装置５から噴射される気液混合物の気液比は、被冷却材３の形状、搬送速度、及び材質にあわせて適宜設定する。このようにすることで、空気及び水の浪費を抑えつつ、被冷却材３を均一に冷却することが可能になる。以下に、被冷却材３の形状、搬送速度、及び材質にあわせた気液比の設定例について説明する。
【００３４】
＜形状に応じた設定＞
被冷却材とノズルとの距離（以下において、「冷却面距離」と記述する。）が遠くなると、気液混合物の衝突速度が小さくなるため被冷却材は冷やされ難くなり、反対に冷却面距離が近くなると、気液混合物の衝突速度が大きくなるため被冷却材は冷やされやすくなる。したがって、例えば、異なる２つの被冷却材の断面が相似形である場合には、断面積が大きくなるほど気液比を小さくする。このようにすることで、被冷却材３のサイズにかかわらず被冷却材に対する冷却能を一定に保つことが可能になる。このほか、異なる２つの被冷却材の断面が相似形である場合には、断面積が大きくなるほど当該被冷却材の熱容量が大きくなるため、被冷却材の搬送速度が一定の場合には、断面積が大きくなるほど気液比を大きくすることで、被冷却材の冷却停止温度を一定に保つことが可能になる。また、例えば、被冷却材がＨ形鋼やＩ形鋼である場合には、同一の被冷却材内であっても、当該被冷却材の部位によって上記冷却面距離にばらつきが生じやすい。したがって、かかる被冷却材を冷却する場合には、冷却面距離が近いノズルから噴射される気液混合物の気液比を小さくする一方、上記距離が遠いノズルから噴射される気液混合物の気液比を大きくすることが好ましい。このように制御することで、各被冷却面を均一に冷却することが可能になる。
【００３５】
＜搬送速度に応じた設定＞
被冷却材の搬送速度が速くなると、当該被冷却材が本発明にかかる冷却装置内に留まる時間が短くなるため、被冷却材は冷やされ難くなる一方、上記搬送速度が遅くなると、冷却装置内に留まる時間が長くなるため、被冷却材は冷却されやすくなる。したがって、本発明において、被冷却材３の搬送速度が速い場合には気液比を大きくする一方、同搬送速度が遅い場合には気液比を小さくすることが好ましい。
【００３６】
＜材質に応じた設定＞
例えば、ＭｎやＳｉを多く含有する鋼材を冷却すると、当該鋼材の表面に、厚みが厚くて剥がれ難いスケールが形成されやすい。ここに、かかるスケールは、鋼材の冷却を促進する効果を有することが知られている。そのため、上記鋼材を冷却する場合には、気液比を小さくすることが好ましい。このほか、冷却されやすい被冷却材を冷却する場合には気液比を小さくし、冷却され難い被冷却材を冷却する場合には気液比を大きくすることで、他の条件（搬送速度、形状、冷却時間等）が同一であれば、本発明にかかる冷却装置によって冷却された被冷却材の温度を一定にすることも可能になる。
【００３７】
便宜上、上記説明では、空気と水との気液混合物が噴射される形態について記述したが、本発明にかかるヘッダー並びにノズルに供給される気体及び液体は、空気及び水のみに限定されるものではない。本発明では、被冷却材を十分に冷却することが可能であるとともに、環境に与える負荷が小さく、ランニングコストを抑制することが可能な気体及び液体であれば、好適に用いることができる。
【００３８】
また、上記説明では、図１に示すように、円筒状のヘッダーを有する冷却装置について記述したが、本発明にかかるヘッダーの断面形状は、円形に限定されるものではない。本発明にかかる筒状のヘッダーが備える他の断面形状の具体例としては、図４に示すように、矩形等を挙げることができる。ここに、図４は、ヘッダー及び被冷却材の形状が異なるのみで、図４に示す冷却装置１５の機能は、図１に示す冷却装置と何ら変わりはない。そのため、図４において、図１と対応する部位に図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
なお、本発明にかかる金属材料の冷却装置及び冷却方法によって冷却され得る金属材料は、特に限定されるものではなく、その形状も特に限定されるものではない。本発明にかかる金属材料の冷却装置及び冷却方法によって冷却され得る金属材料の具体例としては、四角形、円形、又は、Ｈ形、Ｉ形等の断面形状を有するビレットやブルーム、又は形鋼等の鋼材を挙げることができる。ここに、例えば、鋼材が冷却される場合、冷却装置によりその一部が過冷却されると、過冷却された部分の表面組織はマルテンサイト変態し、機械試験の強度や降伏強度が非常に大きくなり、圧延加工等をする際に割れや形状不良が生じやすくなる。かかる不具合は、被冷却材の温度ムラを１５℃以下に収めることで、低減することが可能になる。したがって、本発明において、鋼材を冷却する場合には、当該被冷却材の温度ムラが１５℃以下に収まるように、上記各種条件を設定することが好ましい。
【実施例】
【００４０】
本発明にかかる冷却装置及び冷却方法について、実施例を参照しつつ、さらに具体的に説明する。なお、本発明にかかる冷却装置に備えられるノズルについては、適宜、図２で使用した符号を付して説明する。
【００４１】
１．試験条件
本発明にかかる冷却装置（実施例）に備えられるノズル１は、入り側流路１１の直径が１〜１．６ｍｍ、副流路１４の直径が３〜６ｍｍ、出側流路１２の直径が３〜１２ｍｍであり、ノズル１の鉛直方向長さは２０ｍｍであった。これに対し、従来の冷却装置（比較例）に備えられるノズルは、気体用の入口穴直径が６ｍｍ、液体用の入口穴直径が５．５ｍｍ、出口穴直径が６〜７ｍｍであり、比較例にかかるノズルの鉛直方向長さは１２０ｍｍであった。なお、比較例にかかるノズルの気体用の入口穴は実施例にかかる入り側流路１１と、比較例にかかるノズルの粒態様の入口穴は実施例にかかる副流路１４と、比較例にかかる出口穴は実施例にかかる出側流路１２と、それぞれ対応している。
比較例にかかるノズルは、実施例にかかるノズルの先端と同程度に細い先端を有するものの、比較例にかかるノズルの根元（本体ヘッダー側）には空気と水とを混合させるための混合室が備えられていた。そのため、ノズル全体としての大きさは、比較例にかかるノズルが実施例にかかるノズルの５〜６倍程度となり、本比較例にかかるヘッダー１個に設けることが可能なノズルの最大数は、４個であった。
【００４２】
本実施例及び本比較例における試験条件を、表１にあわせて示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
ここに、表１において、周方向のノズル間隔とは、略円形の断面形状を有するヘッダーの周方向に備えられているノズルの間隔を意味し、４５度の場合（実施例）は円筒状のヘッダーの同一円周上に８個のノズルが、９０度の場合（比較例）はリング状のヘッダーの同一円周上に４個のノズルが、それぞれ配置されていることを意味している。また、進行方向のノズル間隔とは、被冷却材の進行方向に備えられているノズルの間隔を意味している。さらに、ノズル流量とは、ノズルから噴射される気液混合物の流量を意味している。加えて、冷却ゾーン長さとは、被冷却材の進行方向において本発明にかかるノズル及びヘッダーが配置されている長さを意味している。なお、表１に示すように、本実施例では気水比を３〜１５の範囲で変化させたのに対し、本比較例では、１５〜４０の範囲で気水比を変化させた。
【００４５】
２．試験結果
上記試験条件に基づいて、１２０ｍｍ径の棒鋼を８００℃から５００℃まで冷却した。当該冷却時における冷却能比と気水比との関係を、図５に示す。図５において、実線及び破線は、それぞれ、実施例及び比較例の結果を示している。図５は、本実施例にかかる冷却装置で気水比を１５に設定した場合における冷却能を１（基準）として、本実施例において他の気水比（３、５、７、１０）とした場合の冷却能、及び本比較例において各気水比（１５、２０、２５、３０、４０）とした場合の冷却能の程度をそれぞれ計算し、その計算結果を示したものである。なお、本実施例において、気水比を１５よりも大きくすれば、気水比が１５である場合よりも冷却能自体はさらに高くなると考えられるが、あわせてランニングコストも増加する。したがって、便宜上、本実施例にかかる気水比は１５を上限とした。
【００４６】
図５に示すように、気水比を大きくして空気の流量を増加させると、被冷却材である棒鋼に衝突する液滴の流速が増加するため、冷却能は増加する。しかし、空気の流量がある量を超えると（比較例の気水比４０）、液滴の径が小さくなりすぎるとともに液滴の流速増加の効果も頭打ちになる結果、蒸気膜を貫通する運動量が得られず、冷却能はやや低下する。そのため、本比較例にかかる冷却装置の冷却能比は、最大でも０．７以下に留まった。これに対し、本実施例にかかる冷却装置では、気水比を３としても、０．９以上の冷却能比を確保することができた。したがって、本実施例及び本比較例の結果から、本発明にかかる冷却装置は、少なくとも気水比を３以上とすることで、従来の冷却装置よりも高い冷却能を有することが確認された。
【００４７】
図５にかかる結果が得られた際と同様の試験条件下で上記棒鋼を冷却した場合における、棒鋼の温度ムラを調べた結果を図６に示す。図６において、実線及び破線は、それぞれ、実施例及び比較例の結果を示している。なお、図６における温度ムラは、１次元の熱伝導方程式を用いて算出した。
図６に示すように、本実施例にかかる冷却装置では、気水比を３以上に設定することで、温度ムラを１５℃以下に抑えることができた。これに対し、比較例にかかる冷却装置では、気水比を４０に設定すれば、温度ムラを約１５℃とすることができたが、気水比を３０以下に設定すると温度ムラが１５℃を超え、比較例にかかる冷却装置において気水比を１５に設定すると、温度ムラは４０℃となった。したがって、本実施例にかかる冷却装置において気水比を３以上に設定すれば、棒鋼の温度ムラを１５℃以下に抑えることが可能であることから、本発明によれば、被冷却材を均一に冷却し得ることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の冷却装置及び従来の冷却装置の一部を概略的に示す外観図である。
【図２】ノズルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図３】ヘッダー及びノズルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の冷却装置に備えられるヘッダーの形態例を概略的に示す外観図である。
【図５】気水比と冷却能比との関係を示す図である。
【図６】気水比と温度ムラとの関係を示す図である。
【図７】従来のノズルを概略的に示す外観図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、５１ ノズル
２、５２ ヘッダー
３、５３ 被冷却材（金属材料）
４ａ 空気供給配管
４ｂ 水供給配管
５、１５、５５ 冷却装置
６ 内周面
７ 間隙
２０ 第１流体（空気）供給部
２１ 第２流体（水）供給部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の冷却装置及び金属材料の冷却方法に関し、特に、角形、丸形、Ｈ形、あるいはＩ形等の断面形状を有する、ビレット、ブルーム、又は形鋼等の高温鋼片又は高温鋼材を均一にかつ急速に冷却し得る、金属材料の冷却装置、及び当該冷却装置を用いる金属材料の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼工程の連続鋳造工程では、成分調整後の溶けた鋼が、連続的に、厚みのある鋼片へと固められ、鋼材の形状に応じて、ビレットやブルーム等の中間素材が製造される。このビレットやブルームは、モールド内で一次冷却されて半凝固状態となった後、モールド直下のビレットやブルームの引抜通路内で２次冷却される。ビレットやブルームの２次冷却では、通常、水噴射によるスプレイ冷却が行われており、ビレットやブルームの表面にスプレイノズルから冷却水が吹き付けられることで、引抜通路を通過するうちに徐々に冷却されて凝固したビレットやブルームとなる。
【０００３】
従来、上記２次冷却では、４方向からビレットやブルームの表面へと水が噴射され、当該２次冷却で使用される冷却装置（以下において、「スプレイ装置」と記述することがある。）は、各サイズのビレットやブルームに対する専用の装置となっていた。そのため、ビレットやブルームのサイズが変わる毎に、モールドを一旦オフラインに吊り出してスプレイ装置を交換する必要があり、かかる交換時の作業が製鋼工程の生産性を低下させる一因となっていた。
【０００４】
一方、ビレットやブルームの断面形状は正方形や矩形であり、４方向からの冷却のみでは、ビレットやブルームに温度ムラが生じやすい。ここに、ビレットやブルームに温度ムラが生じると、その熱応力により反りや曲がりが発生しやすい。また、温度ムラに起因するひずみがビレットやブルームの内部に残留すると、製品へと切断した時にひずみが開放されて製品が変形するという不具合が生じやすい。そのため、鋼材の品質を向上させるためには、ビレットやブルームを均一に冷却することが重要である。
【０００５】
これまでに、ビレットやブルームの２次冷却に関する技術、及び当該２次冷却に適用可能な技術が、いくつか開示されてきている。ビレットの２次冷却に関する技術として、例えば、特許文献１には、ビレットサイズの変更時でも、スプレイ装置を交換せずにビレットを冷却し得る、スプレイ冷却方法およびスプレイ冷却装置に関する技術が開示されている。特許文献１に開示されている技術によれば、ビレット面とこれに対峙する各スプレイノズルとの距離を等しく変更し得る構成とすることで、スプレイ装置を交換せずに冷却することが可能になるとしている。また、特許文献１に開示されている技術では、円環状や８角形状の供給管にスプレイノズルが設けられる形態にも適用可能であるとされており、多方向から水が噴射される形態も考慮されている。他方、上記２次冷却に適用可能な技術として、例えば、特許文献２には、液とエアとを対向して衝突混合させるための混合アダプタを備える気液噴霧装置に関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３１２９５４号公報
【特許文献２】特開平７−１６４１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術で使用されているスプレイノズルは、サイズが大きいため、ノズルの配置密度（以下において、単に「ノズル密度」と記述する。）を十分に高くすることが困難である。したがって、上記構成を有するスプレイ冷却方法およびスプレイ冷却装置により多方向から水を噴射したとしても、ビレットを均一に冷却することは難しく、ビレットには温度ムラが生じやすいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術でも、大きなサイズのノズルが使用されているため、当該ノズルを有する気液噴霧装置を上記２次冷却に適用したとしても、ビレットやブルームを均一に冷却することは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、被冷却材の形状やサイズの変更時でもスプレイ装置を交換せずに金属材料を均一に冷却することが可能な金属材料の冷却装置、及び当該冷却装置を用いる金属材料の冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る技術につき、鋭意研究を行なった結果、以下の知見を得た。
１）気液混合スプレイノズルを備える冷却装置を用い、当該ノズルから噴射される気液混合物の気液比を変化させることで、被冷却材の形状やサイズが変更された場合であっても、冷却装置を交換することなく、被冷却材を冷却することが可能になる。
２）気液混合スプレイノズルにおいて、気体と液体とが個別に供給されるタイプの気液混合スプレイノズルを用いると、当該ノズルを小型化することが可能になる。そのため、冷却装置内におけるノズル密度を十分に高くすることが可能になり、被冷却材を均一に冷却することが可能になる。
【０００９】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
第１の本発明は、気液混合スプレイノズル（１、１、…）を備えるヘッダー（２）、を備え、ヘッダー（２）へと供給される気体及び液体は、当該ヘッダー（２）内の個別の空間（２０、２１）を介して、気液混合スプレイノズル（１、１、…）へと個別に供給され、ヘッダー（２）は筒状であるとともに、気液混合スプレイノズル（１、１、…）はヘッダー（２）の内周面（６）側に配置されていることを特徴とする、金属材料の冷却装置（５）により、上記課題を解決する。
ここに、「筒状」とは、ヘッダー（２）の内側を搬送される被冷却材（３）の側面を囲い込み得る形状を意味しており、その断面形状は特に限定されるものではない。本発明にかかる筒状のヘッダー（２）の断面形状例としては、三角形、矩形、円形、楕円形等を挙げることができる。
また、上記第１の本発明において、金属材料の冷却装置（５）は、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比を制御する、気液比制御手段を備えていることが好ましい。ここに、本発明及び以下に示す発明において、気液比とは、１個のノズル（１）から噴射される気体流量と液体流量との比率を意味し、ノズル（１）から噴射される気体の流量をＱｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、液体の流量をＱｗ（Ｌ／ｍｉｎ）とするとき、気液比Ｒは以下の式で与えられる。
Ｒ＝Ｑｇ／Ｑｗ
【００１１】
さらに、上記第１の本発明において、ヘッダー（２）が、少なくとも２つ以上に分割可能であることが好ましい。
【００１２】
加えて、上記第１の本発明において、ヘッダー（２、２）の少なくとも一部に、間隙（７、７、…）が設けられていることが好ましい。
【００１３】
第２の本発明は、上記第１の本発明にかかる金属材料の冷却装置（５）を用いる、金属材料の冷却方法であって、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比が、３以上であることを特徴とする、金属材料の冷却方法により、上記課題を解決する。
【００１４】
上記第２の本発明において、気液混合物（８、８、…）の気液比が、被冷却材（３）の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、筒状のヘッダー（２）内で個別に仕切られた空間（２０、２１）へと供給される気体及び液体が、気液混合スプレイノズル（１、１、…）へと個別に供給され、当該スプレイノズル（１、１、…）内で混合された気液混合物（８、８、…）が当該スプレイノズル（１、１、…）から噴射される、金属材料の冷却装置（５）とすることができる。かかる構成とすることで、上記ノズル（１、１、…）を小型化することが可能になり、冷却装置（５）内に備えられる上記ノズル（１、１、…）の間隔を短くすることが可能になる結果、ノズル密度を十分に高くすることが可能になる。したがって、第１の本発明によれば、被冷却材（３）の側面全体を均一に冷却することが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。なお、第１の本発明にかかる金属材料の冷却装置（５）によれば、ノズル密度を十分に高くすることが可能であるので、当該冷却装置（５）を用いれば、被冷却材（３）を急冷することも可能になる。
また、第１の本発明において、さらに、気液混合スプレイノズル（１、１、…）から噴射される気液混合物（８、８、…）の気液比を制御する気液比制御手段が備えられていれば、冷却装置（５）の冷却能を変化させることが容易になり、装置交換をせずとも様々な形状やサイズの被冷却材を冷却し得る冷却装置（５）とすることが容易になる。したがって、かかる構成とすることで、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却装置（５）を提供することが容易になる。すなわち、第１の本発明によれば、装置交換を不要にすることが可能になるため、装置交換に要していた時間やコスト等を低減することが可能になる結果、被冷却材の生産性を向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することも可能になる。
【００１６】
さらに、上記第１の本発明において、ヘッダー（２）が少なくとも２つ以上に分割可能であれば、例えば、被冷却材（３）が冷却装置（５）内で突っ掛かった様な場合であっても、筒状のヘッダー（２）を分割することで、冷却装置（５）全体を移動させることなく、その突っ掛かりを復旧することが可能になるため、メンテナンス性が向上する。したがって、かかる構成とすることで、被冷却材（３）を均一に冷却することが可能であるとともに、生産性を一層向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。
【００１７】
加えて、上記第１の本発明において、ヘッダー（２、２）の少なくとも一部に間隙（７、７、…）が設けられていれば、筒状のヘッダー（２）の内周面（６）側に存在する液体を当該間隙（７、７、…）から排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、さらに、液体の排出性を向上させることが可能な、金属材料の冷却装置（５）を提供することが可能になる。
【００１８】
第２の本発明によれば、気液混合物（８、８、…）の気液比を３以上とすることで、被冷却材（３）の温度ムラを容易に低減することが可能になる。また、気液混合物（８、８、…）の気液比を変更することで、冷却装置（５）の冷却能を適宜変化させることが可能になる。したがって、第２の本発明によれば、被冷却材の形状やサイズにかかわらず装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却方法を提供することが可能になる。
【００１９】
上記第２の本発明において、気液混合物（８、８、…）の気液比が、被冷却材（３）の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されれば、被冷却材の形状やサイズに応じて冷却能を適宜制御し得る、金属材料の冷却方法を提供することが可能になり、様々な形状やサイズの被冷却材を均一に冷却することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明に理解を容易にするため、従来の冷却装置と本発明の冷却装置との差異を、図を用いて概説する。図１は、本発明の冷却装置、及び従来の冷却装置の一部を示す外観図である。図１（ａ）は、第１実施形態にかかる本発明の冷却装置の一部を、また、図１（ｂ）は、従来の冷却装置の一部を、それぞれ概略的に示している。なお、以下の説明では、冷却媒体として水を使用した場合について記述する。以下において、「気液比」は「気水比」ということがある。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、第１実施形態にかかる本発明の冷却装置５は、気液混合スプレイノズル（以下において、単に「ノズル」と記述することがある。）１、１、…を備えている。当該ノズル１、１、…は、半円筒状のヘッダー２、２の内周面６側に配置されており、これら２つのヘッダー２、２により、円筒状のヘッダーが形成されている。上下二つに分割されているヘッダー２、２の内側を通る棒状の被冷却材３は、図示されていないライン上に配置され、図の奥から手前へと向かう方向に搬送されており、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物８、８、…により、冷却されている。ここに、本発明にかかる冷却装置５において、ヘッダー２、２には、別々の配管４ａ、４ｂを介して気体（以下において、「空気」と記述する。）と水とが供給され、当該ヘッダー２、２へと個別に供給された空気及び水は、それぞれ、ヘッダー２、２内に設けられている別々の空間へと供給される。一方、冷却装置５に備えられているノズル１、１、…には、気液混合物８、８、…を噴射する出側流路と複数の流路とが設けられており、ヘッダー２、２へと供給された空気及び水は、各ノズル１、１、…に設けられている別々の流路を介してノズル１、１、…へと供給される。そして、上記空気及び水は、当該ノズル１、１、…内で気液混合物８、８、…となり、ノズル１、１、…の出側流路から、被冷却材３へ向けて噴射される。なお、本発明にかかるヘッダー２、２には、複数の間隙７、７、…が設けられており、ヘッダー２、２の内周面６、６側に溜まった水は、当該間隙７、７、…を通ってヘッダー２、２の外側へと排出される。また、図１（ａ）に示す上下のヘッダー２、２は、複数のネジ９、９、…を介して固定されている。加えて、第１実施形態にかかる冷却装置５は、図示されていない気液比制御手段により、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物の気液比を適宜変更可能な構成となっている。さらに便宜上、図１（ａ）では、図の最手前側に配置されているノズル１、１、…及び間隙７、７、…のみを示しているが、当該ノズル１、１、…は一定の間隔で千鳥状に配置されている一方、間隙７、７、…は被冷却材３の進行方向（図１の奥から手前へと向かう方向）に、例えば溝状等の形態で形成されているものとする。
【００２２】
これに対し、図１（ｂ）に示すように、従来の冷却装置５５は、気液混合スプレイノズル（以下において、単に「ノズル」と記述することがある。）５１、５１、…が備えられたリング状のヘッダー５２、５２、…を複数備えている。図１（ｂ）に示すように、従来の冷却装置５５では、通常、ヘッダー５２、５２、…の４箇所にノズル５１、５１、…が備えられ、かかるノズル５１、５１、…から噴射される気液混合物により、被冷却材５３は冷却される。なお、図１（ｂ）におけるヘッダー５２、５２、…、及びノズル５１、５１、…には、気体供給管５４ａ、５４ａ、…、及び液体供給管５４ｂ、５４ｂ、…を介して、気体及び液体が供給されている。また、図１（ｂ）における被冷却材５３は、図示されていないライン上に配置されているものとする。
なお、図７に、上記従来のノズル５１を概略的に拡大して示す。図７に示すように、従来のノズル５１の内部へと供給された空気と混合促進手段５１ｂに衝突して微粒化された水とは混合室５１ｃにおいて混合されて気液混合物となり、当該気液混合物は、ノズルチップ５１ａから被冷却材に向けて噴射される。図１（ｂ）にかかるノズル５１は、図７にかかるノズル５１を簡略化して示したものである。
【００２３】
図１（ｂ）に示す従来の冷却装置５５によっても、各ヘッダー５２、５２、…に備えられるノズル５１、５１、…の数を増やすことにより、被冷却材５３における温度ムラをある程度まで低減し得る冷却を行うことは可能であるとも考えられる。しかし、従来の冷却装置５５に備えられるノズル５１、５１、…は、例えば「こぶし大」程度の大きさを有しており、ヘッダー５２、５２、…に備えられるノズル５１、５１、…の密度を十分に高めることは困難であるため、各ヘッダー５２、５２、…に備え得るノズル５１、５１、…が少数に留まる結果、被冷却材５３の温度ムラを低減し難いという問題があった。
【００２４】
ここで、図２及び図３に、本発明の冷却装置５に備えられ得るノズル１及びヘッダー２の形態例を概略的に示す。図２及び図３において、図の上下方向が鉛直方向である。
【００２５】
図２は、ノズル１の形態例を概略的に示す断面図であり、図２（ａ）は、一定の空間を有する混合部１３を備えるノズル１の断面図、図２（ｂ）は、単なる合流部である混合部１３を備えるノズル１の断面図、図２（ｃ）は、副流路を含まない鉛直方向断面を示す図である。
【００２６】
本発明にかかるノズル１は、上述の本発明にかかる冷却装置５等に使用されるチップ状のノズル（以下において、単に「ノズル」と記述する。）１であって、入り側流路１１、混合部１３、及び出側流路１２がこの順に配置されてノズル１を貫通する主流路１８と、ノズルの側面１９から混合部１３へと通じるとともに流れ方向が主流路１８に対して３０〜６０度の角度をなす複数の副流路１４、１４、…とを備え、入り側流路１１はその入口側開口が混合部側開口より小であるとともに、流路側面１５の流れ方向に対する傾斜が５〜２５度の角度をなしている。
【００２７】
一方、図３は、ノズル１を備えるヘッダー２の鉛直方向断面の一部を概略的に示す図であり、ノズル１が設置されているヘッダー２の箇所、及びその周辺のみを拡大して示す断面図である。
【００２８】
本発明にかかるヘッダー２は、上記ノズル１を備え、入り側流路１１の入口側開口に通じる第１流体供給部２０と、副流路１４、１４のノズル側側面開口に通じる第２流体供給部２１と、これら流体供給部を仕切る第１隔壁３０と、第２流体供給部２１と被噴射面側とを仕切る第２隔壁３１とを備え、ノズル１は、第１隔壁３０及び第２隔壁３１に固定されるとともに、出側流路１２は、第２隔壁３１の被噴射面側に開口している。なお、本発明にかかるヘッダー２では、例えば、第１流体供給部２０内に空気が、第２流体供給部２１内に水が、それぞれ供給されている。第１流体供給部２０内の空気は、入り側流路１１を通ってノズル１内へと供給されるとともに、第２流体供給部２１内の水は、副流路１４、１４を通ってノズル１内へと供給され、ノズル１の混合部１３において混合された後、かかる気液混合物は、出側流路１２を通って、出口側開口より図３の下方へと噴射される。
【００２９】
図２及び図３に示すように、本発明の冷却装置５に備えられるノズル１は、当該ノズル１に設けられている複数の流路を介して、空気と水とが個別に供給される構造を有している。そのため、従来よりも小型（例えば、１／３程度の大きさ）のノズル１、１、…とすることが可能になり、当該ノズル１を備えるヘッダー２では、ノズル密度を十分に高くすることが可能になる。したがって、当該ヘッダー２を備える本発明にかかる冷却装置５では、被冷却材３を均一に冷却することが可能になるため、被冷却材３の温度ムラを低減することが可能になる。さらに、本発明にかかる冷却装置５は、各種ノズルの中でも冷却能の高い気液混合スプレイノズル１、１、…を備えているため、被冷却材３の温度ムラを容易に低減することが可能になるとともに、被冷却材３を急冷することも可能になる。なお、本発明において、冷却装置５に備えられるノズル１、１、…のノズル密度は、被冷却材３を均一に冷却し得る密度であれば特に限定されるものではないが、例えば、１００個／ｍ２以上とすることが好ましく、かかる密度にて配置されるノズル１、１、…の配置形態は、千鳥状とすることが好ましい。
【００３０】
また、本発明の冷却装置５では、ノズル１、１、…から噴射される気液混合物の気液比を、被冷却材の形状やサイズに応じて適宜変更することが好ましい。気液比を変更することで、冷却装置５の冷却能を変更することが可能になるため、被冷却材の形状やサイズにかかわらず、装置交換をせずとも被冷却材を均一に冷却し得る、金属材料の冷却装置５とすることが容易になる。
【００３１】
ここに、気液比とは、１個のノズルから噴射される気体流量と液体流量との比率を意味し、ノズル１から噴射される空気の流量をＱｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、水の流量をＱｗ（Ｌ／ｍｉｎ）とするとき、気液比（気水比）Ｒは以下の式で与えられる。
Ｒ＝Ｑｇ／Ｑｗ
【００３２】
上述のように、本発明にかかる冷却装置５は、高い冷却能を有する気液混合スプレイノズル１を高密度で配置可能である。そのため、後述するように、例えば、本発明において気液比を３とすれば、従来の冷却装置において気液比を４０とした場合の冷却能に到達することが可能になり、被冷却材３の温度ムラを容易に低減することが可能になる。したがって、本発明にかかる冷却装置５を用いて金属材料を冷却する場合、ノズル１から噴射される気液混合物の気液比は、３以上とする。一般に、気液比を高くすれば冷却能を高くすることが可能であるとされているが、気液比を高くすると冷却装置５のランニングコストが増加する。そのため、ランニングコストを低減しつつ十分な冷却能を確保するという観点から、より好ましい気液比は、５以上１０以下である。
【００３３】
本発明にかかる冷却装置５を用いて金属材料を冷却する場合、当該装置５から噴射される気液混合物の気液比は、被冷却材３の形状、搬送速度、及び材質にあわせて適宜設定する。このようにすることで、空気及び水の浪費を抑えつつ、被冷却材３を均一に冷却することが可能になる。以下に、被冷却材３の形状、搬送速度、及び材質にあわせた気液比の設定例について説明する。
【００３４】
＜形状に応じた設定＞
被冷却材とノズルとの距離（以下において、「冷却面距離」と記述する。）が遠くなると、気液混合物の衝突速度が小さくなるため被冷却材は冷やされ難くなり、反対に冷却面距離が近くなると、気液混合物の衝突速度が大きくなるため被冷却材は冷やされやすくなる。したがって、例えば、異なる２つの被冷却材の断面が相似形である場合には、断面積が大きくなるほど気液比を小さくする。このようにすることで、被冷却材３のサイズにかかわらず被冷却材に対する冷却能を一定に保つことが可能になる。このほか、異なる２つの被冷却材の断面が相似形である場合には、断面積が大きくなるほど当該被冷却材の熱容量が大きくなるため、被冷却材の搬送速度が一定の場合には、断面積が大きくなるほど気液比を大きくすることで、被冷却材の冷却停止温度を一定に保つことが可能になる。また、例えば、被冷却材がＨ形鋼やＩ形鋼である場合には、同一の被冷却材内であっても、当該被冷却材の部位によって上記冷却面距離にばらつきが生じやすい。したがって、かかる被冷却材を冷却する場合には、冷却面距離が近いノズルから噴射される気液混合物の気液比を小さくする一方、上記距離が遠いノズルから噴射される気液混合物の気液比を大きくすることが好ましい。このように制御することで、各被冷却面を均一に冷却することが可能になる。
【００３５】
＜搬送速度に応じた設定＞
被冷却材の搬送速度が速くなると、当該被冷却材が本発明にかかる冷却装置内に留まる時間が短くなるため、被冷却材は冷やされ難くなる一方、上記搬送速度が遅くなると、冷却装置内に留まる時間が長くなるため、被冷却材は冷却されやすくなる。したがって、本発明において、被冷却材３の搬送速度が速い場合には気液比を大きくする一方、同搬送速度が遅い場合には気液比を小さくすることが好ましい。
【００３６】
＜材質に応じた設定＞
例えば、ＭｎやＳｉを多く含有する鋼材を冷却すると、当該鋼材の表面に、厚みが厚くて剥がれ難いスケールが形成されやすい。ここに、かかるスケールは、鋼材の冷却を促進する効果を有することが知られている。そのため、上記鋼材を冷却する場合には、気液比を小さくすることが好ましい。このほか、冷却されやすい被冷却材を冷却する場合には気液比を小さくし、冷却され難い被冷却材を冷却する場合には気液比を大きくすることで、他の条件（搬送速度、形状、冷却時間等）が同一であれば、本発明にかかる冷却装置によって冷却された被冷却材の温度を一定にすることも可能になる。
【００３７】
便宜上、上記説明では、空気と水との気液混合物が噴射される形態について記述したが、本発明にかかるヘッダー並びにノズルに供給される気体及び液体は、空気及び水のみに限定されるものではない。本発明では、被冷却材を十分に冷却することが可能であるとともに、環境に与える負荷が小さく、ランニングコストを抑制することが可能な気体及び液体であれば、好適に用いることができる。
【００３８】
また、上記説明では、図１に示すように、円筒状のヘッダーを有する冷却装置について記述したが、本発明にかかるヘッダーの断面形状は、円形に限定されるものではない。本発明にかかる筒状のヘッダーが備える他の断面形状の具体例としては、図４に示すように、矩形等を挙げることができる。ここに、図４は、ヘッダー及び被冷却材の形状が異なるのみで、図４に示す冷却装置１５の機能は、図１に示す冷却装置と何ら変わりはない。そのため、図４において、図１と対応する部位に図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
なお、本発明にかかる金属材料の冷却装置及び冷却方法によって冷却され得る金属材料は、特に限定されるものではなく、その形状も特に限定されるものではない。本発明にかかる金属材料の冷却装置及び冷却方法によって冷却され得る金属材料の具体例としては、四角形、円形、又は、Ｈ形、Ｉ形等の断面形状を有するビレットやブルーム、又は形鋼等の鋼材を挙げることができる。ここに、例えば、鋼材が冷却される場合、冷却装置によりその一部が過冷却されると、過冷却された部分の表面組織はマルテンサイト変態し、機械試験の強度や降伏強度が非常に大きくなり、圧延加工等をする際に割れや形状不良が生じやすくなる。かかる不具合は、被冷却材の温度ムラを１５℃以下に収めることで、低減することが可能になる。したがって、本発明において、鋼材を冷却する場合には、当該被冷却材の温度ムラが１５℃以下に収まるように、上記各種条件を設定することが好ましい。
【実施例】
【００４０】
本発明にかかる冷却装置及び冷却方法について、実施例を参照しつつ、さらに具体的に説明する。なお、本発明にかかる冷却装置に備えられるノズルについては、適宜、図２で使用した符号を付して説明する。
【００４１】
１．試験条件
本発明にかかる冷却装置（実施例）に備えられるノズル１は、入り側流路１１の直径が１〜１．６ｍｍ、副流路１４の直径が３〜６ｍｍ、出側流路１２の直径が３〜１２ｍｍであり、ノズル１の鉛直方向長さは２０ｍｍであった。これに対し、従来の冷却装置（比較例）に備えられるノズルは、気体用の入口穴直径が６ｍｍ、液体用の入口穴直径が５．５ｍｍ、出口穴直径が６〜７ｍｍであり、比較例にかかるノズルの鉛直方向長さは１２０ｍｍであった。なお、比較例にかかるノズルの気体用の入口穴は実施例にかかる入り側流路１１と、比較例にかかるノズルの粒態様の入口穴は実施例にかかる副流路１４と、比較例にかかる出口穴は実施例にかかる出側流路１２と、それぞれ対応している。
比較例にかかるノズルは、実施例にかかるノズルの先端と同程度に細い先端を有するものの、比較例にかかるノズルの根元（本体ヘッダー側）には空気と水とを混合させるための混合室が備えられていた。そのため、ノズル全体としての大きさは、比較例にかかるノズルが実施例にかかるノズルの５〜６倍程度となり、本比較例にかかるヘッダー１個に設けることが可能なノズルの最大数は、４個であった。
【００４２】
本実施例及び本比較例における試験条件を、表１にあわせて示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
ここに、表１において、周方向のノズル間隔とは、略円形の断面形状を有するヘッダーの周方向に備えられているノズルの間隔を意味し、４５度の場合（実施例）は円筒状のヘッダーの同一円周上に８個のノズルが、９０度の場合（比較例）はリング状のヘッダーの同一円周上に４個のノズルが、それぞれ配置されていることを意味している。また、進行方向のノズル間隔とは、被冷却材の進行方向に備えられているノズルの間隔を意味している。さらに、ノズル流量とは、ノズルから噴射される気液混合物の流量を意味している。加えて、冷却ゾーン長さとは、被冷却材の進行方向において本発明にかかるノズル及びヘッダーが配置されている長さを意味している。なお、表１に示すように、本実施例では気水比を３〜１５の範囲で変化させたのに対し、本比較例では、１５〜４０の範囲で気水比を変化させた。
【００４５】
２．試験結果
上記試験条件に基づいて、１２０ｍｍ径の棒鋼を８００℃から５００℃まで冷却した。当該冷却時における冷却能比と気水比との関係を、図５に示す。図５において、実線及び破線は、それぞれ、実施例及び比較例の結果を示している。図５は、本実施例にかかる冷却装置で気水比を１５に設定した場合における冷却能を１（基準）として、本実施例において他の気水比（３、５、７、１０）とした場合の冷却能、及び本比較例において各気水比（１５、２０、２５、３０、４０）とした場合の冷却能の程度をそれぞれ計算し、その計算結果を示したものである。なお、本実施例において、気水比を１５よりも大きくすれば、気水比が１５である場合よりも冷却能自体はさらに高くなると考えられるが、あわせてランニングコストも増加する。したがって、便宜上、本実施例にかかる気水比は１５を上限とした。
【００４６】
図５に示すように、気水比を大きくして空気の流量を増加させると、被冷却材である棒鋼に衝突する液滴の流速が増加するため、冷却能は増加する。しかし、空気の流量がある量を超えると（比較例の気水比４０）、液滴の径が小さくなりすぎるとともに液滴の流速増加の効果も頭打ちになる結果、蒸気膜を貫通する運動量が得られず、冷却能はやや低下する。そのため、本比較例にかかる冷却装置の冷却能比は、最大でも０．７以下に留まった。これに対し、本実施例にかかる冷却装置では、気水比を３としても、０．９以上の冷却能比を確保することができた。したがって、本実施例及び本比較例の結果から、本発明にかかる冷却装置は、少なくとも気水比を３以上とすることで、従来の冷却装置よりも高い冷却能を有することが確認された。
【００４７】
図５にかかる結果が得られた際と同様の試験条件下で上記棒鋼を冷却した場合における、棒鋼の温度ムラを調べた結果を図６に示す。図６において、実線及び破線は、それぞれ、実施例及び比較例の結果を示している。なお、図６における温度ムラは、１次元の熱伝導方程式を用いて算出した。
図６に示すように、本実施例にかかる冷却装置では、気水比を３以上に設定することで、温度ムラを１５℃以下に抑えることができた。これに対し、比較例にかかる冷却装置では、気水比を４０に設定すれば、温度ムラを約１５℃とすることができたが、気水比を３０以下に設定すると温度ムラが１５℃を超え、比較例にかかる冷却装置において気水比を１５に設定すると、温度ムラは４０℃となった。したがって、本実施例にかかる冷却装置において気水比を３以上に設定すれば、棒鋼の温度ムラを１５℃以下に抑えることが可能であることから、本発明によれば、被冷却材を均一に冷却し得ることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の冷却装置及び従来の冷却装置の一部を概略的に示す外観図である。
【図２】ノズルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図３】ヘッダー及びノズルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の冷却装置に備えられるヘッダーの形態例を概略的に示す外観図である。
【図５】気水比と冷却能比との関係を示す図である。
【図６】気水比と温度ムラとの関係を示す図である。
【図７】従来のノズルを概略的に示す外観図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、５１ ノズル
２、５２ ヘッダー
３、５３ 被冷却材（金属材料）
４ａ 空気供給配管
４ｂ 水供給配管
５、１５、５５ 冷却装置
６ 内周面
７ 間隙
２０ 第１流体（空気）供給部
２１ 第２流体（水）供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液混合スプレイノズルを備えるヘッダー、を備え、
前記ヘッダーへと供給される気体及び液体は、該ヘッダー内の個別の空間を介して、前記気液混合スプレイノズルへと個別に供給され、
前記ヘッダーは筒状であるとともに、前記気液混合スプレイノズルは前記ヘッダーの内周面側に配置されていることを特徴とする、金属材料の冷却装置。
【請求項２】
前記ヘッダーが、少なくとも２つ以上に分割可能であることを特徴とする、請求項１に記載の金属材料の冷却装置。
【請求項３】
前記ヘッダーの少なくとも一部に、間隙が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属材料の冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材料の冷却装置を用いる、金属材料の冷却方法であって、
前記気液混合スプレイノズルから噴射される気液混合物の気液比が、３以上であることを特徴とする、金属材料の冷却方法。
【請求項５】
前記気液混合物の気液比が、被冷却材の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されることを特徴とする、請求項４に記載の金属材料の冷却方法。
【請求項１】
気液混合スプレイノズルを備えるヘッダー、を備え、
前記ヘッダーへと供給される気体及び液体は、該ヘッダー内の個別の空間を介して、前記気液混合スプレイノズルへと個別に供給され、
前記ヘッダーは筒状であるとともに、前記気液混合スプレイノズルは前記ヘッダーの内周面側に配置されていることを特徴とする、金属材料の冷却装置。
【請求項２】
前記ヘッダーが、少なくとも２つ以上に分割可能であることを特徴とする、請求項１に記載の金属材料の冷却装置。
【請求項３】
前記ヘッダーの少なくとも一部に、間隙が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属材料の冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材料の冷却装置を用いる、金属材料の冷却方法であって、
前記気液混合スプレイノズルから噴射される気液混合物の気液比が、３以上であることを特徴とする、金属材料の冷却方法。
【請求項５】
前記気液混合物の気液比が、被冷却材の形状、搬送速度、及び材質にあわせて設定されることを特徴とする、請求項４に記載の金属材料の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−９５５４５（Ｐ２００６−９５５４５Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８２１５３（Ｐ２００４−２８２１５３）
【出願日】平成１６年９月２８日（２００４．９．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００１０７７６７）スプレーイングシステムスジャパン株式会社 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２８日（２００４．９．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００１０７７６７）スプレーイングシステムスジャパン株式会社 (17)
【Ｆターム（参考）】
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