JPH06182425A - 高温鋼材の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スリットノズルの出口間隔を高精度かつ均一
に維持でき、かつ、ノズル長手方向の流量分布を正確に
均一化する。 【構成】 給水管に接続される給水ヘッダー１１の、長
手方向に所定の間隔を存して送水管１２を接続する。内
部に整流板１５を設けた整流室Ｂを備えてなるノズルヘ
ッダー１３を、送水管１２に着脱可能に取り付ける。ノ
ズルヘッダー１３の反整流室側にノズルスペーサ１６を
介してノズル支持板１８を着脱可能に取り付ける。ノズ
ルヘッダー１３とノズル支持板１８に取り付けた対をな
すノズルプレート１９ａ・１９ｂにより所定のスリット
ノズルを形成する。ノズルヘッダー１３の頂部に所定の
間隔を存して通気管２０を接続する。通気管２０の途中
に開閉弁２１を介設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼板等の高温鋼材を所
定の温度まで均一かつ高精度に制御冷却する装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、幅広の高温鋼材を冷媒で冷却す
るに際し、冷媒吐出用ノズルとして、スリットノズルを
用いてラミナーフローを生じさせた方が、パイプノズル
を用いた場合よりも冷却能力が高くなり、しかも被冷却
材幅方向の冷却均一性にも優れていることは周知である
ので、近年、例えば熱延ホットランテーブルにおいても
スリットラミナーによる冷却法が多用されるようになっ
てきた。

【０００３】しかしながら、最近では、高温鋼材の冷却
にも一段と微妙な制御が要求されるようになってきたこ
ともあり、スリットノズルを用いた場合であっても、冷
却能力の均一性確保に関して様々な問題が指摘されてい
る。

【０００４】例えばオンラインにて鋼板を熱処理する場
合には、長年にわたって使用し続けるうちにノズル内の
水圧負荷、熱鋼板から受ける放射熱による熱歪、鋼板搬
送時に発生する振動や自重による撓み変形等、種々の使
用環境条件による影響を受けて、スリットノズルが徐々
に変形してゆき、スリットギャップが初期の設定値から
大きくずれてしまうことがしばしば発生する。このた
め、板幅方向の流量分布ムラや水膜切れが生じてスリッ
トノズルを使用した場合の最大の特徴である均一冷却性
が大きく損なわれるばかりでなく、ラミナー流が乱され
て冷却能力が低下してしまうという問題が生じていた。

【０００５】そこで、スリットノズルのスリット出口部
において間隔調整ボルトを取り付け、メンテナンス時に
間隔を調整する等の手段が採られることもあった。しか
しながら、ノズルを構成する部材は変形をできるだけ防
ぐために、高剛性のものを使用することが多いので、一
旦変形が生じてしまうと間隔調整ボルトでは均一なスリ
ット出口部の間隔を復元することは非常に困難であっ
た。

【０００６】また、図８・９に示すようなヘッダー密閉
タイプのスリットラミナーノズルでは、ノズルヘッダー
１部分の内圧を負圧とすることができるので、整流度の
高いラミナーフローが得られるが、ノズルヘッダー１内
への給水は、ノズルヘッダー１の片端または両端から行
われているので、ノズルヘッダー１内で給水側の方の圧
力が低下して圧力勾配が生じ、板幅方向の流量分布を均
一にできないという問題が生じていた。なお、図８・９
において、２はノズルヘッダー１内に挿入された整流
管、３は同じく整流板、４は整流管２からノズルヘッダ
ー１内に供給され、整流板３を通って流出してきた冷却
水を被冷却材に案内するノズル側板、５はこのノズル側
板４の出口部のスリット間隔を調整するシリンダであ
る。

【０００７】そこで、上記した問題を解決するために、
スリットノズル側板の一方を移動可能な構造としてメン
テナンス性やスリット間隔のばらつきを防止したり、あ
るいは、ノズル側を水冷することにより熱変形を防止す
る等の提案がなされるようになってきた。

【０００８】たとえば、実公昭６２−３９８４６号で
は、上端がヘッダーに固定される固定側ノズルプレート
と、これに対抗し上端が可動自在に支持される可動側ノ
ズルプレートとの連結部に、ノズル間隔に対応した厚さ
のパッキンを介設した構造のスリットノズルによって、
メンテナンス性の向上を図ろうとする冷却装置が提案さ
れている。

【０００９】また、実開昭５８−４２１０号では、ヘッ
ダー管とは独立に構成した板状ノズル部をフランジ等に
よって支持して装着し、板状ノズル部を水冷可能なボッ
クス構造として、製作精度を向上すると共に、外力・熱
歪等による経時変化に対する剛性をボックス部に受け持
たせることにより、メンテナンス性の向上を図ろうとす
る冷却装置が提案されている。

【００１０】また、実公昭５９−３５２９３号では、ノ
ズル部を有するヘッダー外管内に略等間隔で開口する多
数の水流出孔を有し、かつ、給水端と反対側の端部を閉
塞した給水管を備え、さらに、給水管内に給水端側の冷
却水の一部を閉塞端側に導く導管を装備することによ
り、片側に給水した場合でもノズル長手方向に均一な流
量分布を得ようとする冷却装置が提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ノズ
ル側壁の片側を移動自在に支持することにより（実公昭
６２−３９８４６号）、或いは、ノズル側板を水冷ボッ
クス構造とすることにより（実開昭５８−４２１０
号）、或いは、ヘッダー外管内に挿入する給水管を二重
管構造とすることにより（実公昭５９−３５２９３
号）、メンテナンス性や均一冷却性は一段と改善される
ようになったが、それでも実際には、まだ以下のような
問題がある。

【００１２】すなわち、実公昭６２−３９８４６号のよ
うに、ノズル側板を可動側と固定側とで構成した場合、
固定側ノズルプレートで変形が生じた場合、ノズル全体
を補修する必要が生じ、メンテナンスの費用が増大する
という問題がある。

【００１３】また、実開昭５８−４２１０号のように、
ノズル側板を水冷可能なボックス構造とした場合、ノズ
ル側板自体の熱歪等による変形はほぼ解消できるが、ノ
ズルギャップを維持する機構がないので、特に厚鋼板の
広幅材の制御冷却に適用した場合、５ｍ幅のスリットノ
ズルの出口間隔を全体にわたって高精度に維持管理する
ことは依然として困難である。

【００１４】また、実公昭５９−３５２９３号のよう
に、給水管を二重管として流量分布の均一化を図った場
合には、中央部に比べて両端部のヘッダー圧が低くなる
ので、流量分布を十分に均一化することはできない。

【００１５】本発明は従来の冷却装置にあった上記した
問題を払拭し、熱歪や外力等の影響を受けてもスリット
ノズルの出口間隔を高精度かつ均一に維持できてメンテ
ナンス性に優れると共に、ノズル長手方向の流量分布を
正確に均一化できて被冷却材の幅方向に均一な冷却が実
現できる高温鋼材の冷却装置を提供することを目的とし
ている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の高温鋼材の冷却装置は、給水管に接続
されかつ長手方向に所定の間隔を存して送水管を接続し
た給水ヘッダーと、前記送水管に着脱可能に取り付けら
れ、かつ、内部に整流板を設けた整流室を備えてなるノ
ズルヘッダーと、このノズルヘッダーの反整流室側にノ
ズルスペーサを介して着脱可能に取り付けられ、かつ、
取り付けた際、それぞれに取り付けた対をなすノズルプ
レートにより所定のスリットノズルを形成するノズル支
持板と、前記ノズルヘッダーの頂部に所定の間隔を存し
て接続され、その途中に開閉弁を介設した通気管を具備
させているのである。

【００１７】

【作用】本発明の高温鋼材の冷却装置は、ノズルヘッダ
ーの側部に整流室を設けてスリットノズル入口部の冷媒
量を可及的に少なくするとともに、その途中に開閉弁を
介設した通気管をノズルヘッダーの頂部に所定の間隔を
存して接続しているので、特にＯＦＦ時の応答性が良く
なる。また、本発明は、ノズルスペーサによってスリッ
トノズル出口部の間隔を調整する構造であるので、ノズ
ル長手方向にわたってスリットノズル出口部の間隔を均
一にかつ高精度に保持できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を、図１〜図４に示す実施例に
基づいて説明する。図１は本発明の高温鋼材の冷却装置
の１実施例を縦断面して示す図、図２は図１の矢視Ａ−
Ａ図で、一部断面して示す図面、図３はノズルスペーサ
の形状の実施例を示す図、図４は本発明装置による均一
冷却方法の説明図である。

【００１９】図１及び図２において、１１はその片端ま
たは両端が図示しない給水管に接続された給水ヘッダー
であり、この給水ヘッダー１１の長手方向には所定の間
隔を存して送水管１２が接続されている。そして、この
送水管１２はノズルヘッダー１３の一方側部に例えばボ
ルト１４ａとナット１４ｂで着脱可能に取り付けられ、
送水管１２の先端部はノズルヘッダー１３内に設けられ
た均圧室Ａ内に位置せしめられている。

【００２０】従って、給水管より送られた冷媒は給水ヘ
ッダー１１・送水管１２内を通って、送水管１２の先端
部に開設された整流孔１２ａから、ノズルヘッダー１３
内の均圧室Ａに流れ込む。この際、給水ヘッダー１１内
では、給水口側の圧力が低くなって長手方向に圧力勾配
が生じるが、冷媒はさらに送水管１２を通って均圧室Ａ
内に圧力勾配の方向とは直角に流れ込み、均圧室Ａ内で
冷媒の流れが混じりあって長手方向に十分均圧化される
ので、片端或いは両端から給水した場合でもノズルの長
手方向に均一な流量分布を得ることができる。

【００２１】均圧室Ａ内で均圧化された冷媒の流れは、
均圧室Ａとその上部に設けられた整流室Ｂ間に介設され
た整流板１５の多数の細孔１５ａから一様に整流化され
た流れとして整流室Ｂ内に流れ込む。そして、多数の細
孔１５ａを通って整流室Ｂ内で整流化された冷媒流れ
は、整流室Ｂに続くノズルヘッダー１３内の頂部Ｃを通
ってノズルヘッダー１３の反整流室Ｂ側に形成されたス
リットノズル内に流れ込む。

【００２２】ところで、前記スリットノズルは、ノズル
ヘッダー１３にノズルスペーサ１６を介して、例えばボ
ルト１７ａとナット１７ｂで着脱可能に取り付けられる
ノズル支持板１８と、ノズルヘッダー１３の相対抗する
面にそれぞれ取り付けた対をなすノズルプレート１９ａ
・１９ｂによって形成し、スリットノズルの出口間隔Ｔ
ｏをスリットノズルの長手方向にわたって均一に一定値
を高精度に保持できるようにしている。すなわち、ノズ
ルスペーサ１６を挟んでノズル支持板１８及びノズルヘ
ッダー１３を両側から固定用ボルト１７ｃとナット１７
ｄで締めつけることで、ノズル支持板１８やノズルプレ
ート１９ａ・１９ｂの変形を防止すると共に、スリット
ノズルの出口間隔Ｔｏを常に一定に保つことができる。

【００２３】ここで、スリットノズル内での冷媒流れが
十分整流化されるためには、下記数式１で表される関係
にあるノズルヘッダー１３の頂部Ｃにおける圧力Ｐｓが
負圧（大気圧以下）となる必要があるが、一方、スリッ
トノズルの長さＬ（図１参照）は短いほうがＯＮ・ＯＦ
Ｆ応答性が良好となることから、ラミナーフローを十分
整流化して膜切れやばたつき等の発生を防いで最大限の
冷却能力を得るためには、スリットノズルの長さＬはＰ
ｓ＜０となるように決定する必要がある。

【００２４】

【数１】 Ｐｓ＝（０．５ρＶｏ² −ρｇＬ）×１０〔ｍｍＡｑ〕 但し、Ｖｏ；スリットノズルの出口流速〔ｍ／秒〕 ρ ；冷媒密度〔ｋｇ／ｍ³ 〕 ｇ ；重力加速度（９．８ｍ／秒² ）

【００２５】しかし、スリットノズルの出口流速Ｖｏ
は、通常の挿入条件では１〜１．５ｍ程度であるので、
上記数式１よりＬ＞Ｖｏ² ／２ｇ＝１２０〔ｍｍ〕とす
れば良いことがわかる。

【００２６】また、被冷却材の冷却終了目標温度を高精
度に制御するためには、給水ヘッダー１１内への冷媒供
給を開始又は停止した瞬間からラミナーフローのスリッ
トノズル出口からの吐出が完全に開始又は停止するまで
にかかる時間（ＯＮ・０ＦＦ応答時間）をできるだけ短
縮する必要があるが、そのためにはスリットノズルの入
口より上部に溜まる冷媒の量を可及的に少なくする必要
がある。そこで、本発明では、ノズルヘッダー１３の頂
部Ｃの側部に整流室Ｂを別個に設けて頂部Ｃの容積を十
分小さくしているのである。

【００２７】加えて、本発明では、ノズルヘッダー１３
の頂部Ｃに、その長手方向に所定の間隔を存して接続さ
れた通気管２０の途中に開閉弁２１を介設し、ＯＮ時に
閉、ＯＦＦ時に開操作して大気に連通させることによ
り、ＯＦＦ時の応答時間を一段と短くなるようにしてい
る。

【００２８】ところで、本発明においては、ノズルスペ
ーサ１６の形状は特に限定されないが、スリットノズル
内の冷媒流れから受ける抵抗を小さくし、ノズルスペー
サ１６を挿入したことにより発生する乱れを極力小さく
するために、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示す実施例の
ように流線型に近い形状とすることが望ましい。また、
ノズルスペーサ１６を挿入することによって生じる乱れ
を再度整流化するためには、図１に示すように、スリッ
トノズルの中間にテーパ部Ｄを形成し、入口間隔Ｔｉか
ら出口間隔Ｔｏへと狭めて冷媒流れを絞る必要がある。
この絞り率ｒ（＝Ｔｉ／Ｔｏ）は使用条件によって異な
るが、通常２〜５倍程度とすることが望ましい。なお、
本実施例では、テーパ部Ｄの下流に再び出口間隔Ｔｏの
１０〜５０倍程度の平行部を設け、吐出直後のラミナー
流に乱れが生じないようにしたものを示している。

【００２９】また、実操業ではノズルヘッダー１３を数
基〜数十基並設して使用することがあり、このような場
合、図４（ａ）に示すように、ノズル流Ｆが被冷却材Ｐ
上で衝突して生じる干渉流れＦｏが生じるが、この干渉
流れＦｏは非常に不安定でノズル間を絶えず振動させる
ので、場合によってはその一部がノズル流Ｆの被冷却材
Ｐへの衝突点にもぐり込む場合がある。このような場
合、前記衝突点の近傍における冷却能が非常に高くなる
ので、大きな冷却ムラが生じてしまう。

【００３０】そこで、図４（ｂ）に示すように、ノズル
ヘッダー１３同士の間隔を十分小さくしてノズルヘッダ
ー１３間を干渉流れＦｏで充満させることにより、冷却
ムラを防止できる。この場合、従来のノズルヘッダーで
はノズル出口間隔の調整機構を要したり、或いはノズル
側壁を熱歪の発生等から防止するために剛性をもたせる
構造としているので、どうしても大型化し、ノズルヘッ
ダーの間隔を十分小さくできず、干渉流れＦｏによる冷
却ムラを防止できなかった。しかし、本発明では、上記
したように、ノズル出口間隔の均一化はノズルスペーサ
１６によって行っているので、ノズルヘッダー１３全体
の構造を従来に比べて大幅に小さくでき、従って、干渉
流れＦｏによる不均一がなくなるまでノズルヘッダー１
３同士の間隔を小さくできる。

【００３１】なお、本発明においては、送水管１２同士
の間隔は短い程、均圧効果が増大するが、製造コスト面
を考慮すると間隔は長い方がよい。本発明者が行った実
験結果によれば、３００ｍｍ以下とすれば実用上必要な
均一性が十分得られることが判明した。

【００３２】次に本発明の効果を確認するために行った
実験結果について説明する。図５は、図１・２に示す構
成の本発明冷却装置と従来の冷却装置（スリットノズル
の出口間隔Ｔｏ＝７ｍｍ）について、ノズルヘッダーへ
の給水停止時からスリットノズル出口からの冷却水吐出
が完全に停止するまでに要した時間を調査した結果を示
す図面である。この図５から明らかなように、本発明装
置ではＯＦＦ時の応答性についても従来装置に比べて大
幅に向上するので、鋼板温度を高精度に制御できる。

【００３３】図６は図５と同じ装置を使用して板幅方向
の流量分布を測定した結果を示す図である。この図６か
ら明らかなように、従来装置の場合、もともと冷却水が
両端から給水されているために生じる中央部が高めにな
るという流量分布ムラの他に、使用中に熱歪等によって
生じた変形による局所的なムラが発生しているが、本発
明装置では、板幅方向全域にわたってほぼ完全に均一な
分布が得られ、均一冷却能及びメンテナンス性において
優れていることがわかる。

【００３４】図７は図５と同じ装置を図３（ｂ）に示す
ように高密度に配置して干渉流れの影響を排除したもの
を、厚鋼板の制御冷却ラインに使用した場合の、冷却終
了時の板幅方向の測定結果の１例である。この図７から
明らかなように、従来装置を使用した場合に比べ、本発
明装置を使用した場合は、流量分布が均一で、しかも、
干渉流れの振動現象による冷却不均一が生じないので、
板幅方向の温度分布の均一性が格段に向上することがわ
かった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温鋼板等の被冷却材を幅方向に均一に冷却でき、しか
も、ＯＮ・ＯＦＦ応答性にも優れて被冷却材の高精度な
温度制御が可能となる。また、ノズルヘッダーが従来と
比べてコンパクトであるので、被冷却材上の干渉流れに
よる不均一冷却が排除できるように間隔を短くしてノズ
ルヘッダーを配設できる。さらに、長期間実操業で使用
した場合でも、スリットノズルの出口間隔が変化せず、
メンテナンス性にも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高温鋼材の冷却装置の１実施例を縦断
面して示す図である。

【図２】図１の矢視Ａ−Ａ図で、一部断面して示す図面
である。

【図３】ノズルスペーサの形状の実施例を示す図であ
る。

【図４】本発明装置による均一冷却方法の説明図であ
る。

【図５】本発明の冷却装置と従来の冷却装置のＯＦＦ時
の応答時間を比較した図である。

【図６】本発明の冷却装置と従来の冷却装置の流量分布
の測定結果を比較した図である。

【図７】本発明の冷却装置と従来の冷却装置の冷却終了
時の温度分布を比較した図である。

【図８】従来の冷却装置の１例を示す正面図である。

【図９】図８のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１１ 給水ヘッダー １２ 送水管 １３ ノズルヘッダー １５ 整流板 １６ ノズルスペーサ １８ ノズル支持板 １９ａ ノズルプレート １９ｂ ノズルプレート ２０ 通気管 ２１ 開閉弁 Ｂ 整流室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 給水管に接続されかつ長手方向に所定の
   間隔を存して送水管を接続した給水ヘッダーと、前記送
   水管に着脱可能に取り付けられ、かつ、内部に整流板を
   設けた整流室を備えてなるノズルヘッダーと、このノズ
   ルヘッダーの反整流室側にノズルスペーサを介して着脱
   可能に取り付けられ、かつ、取り付けた際、それぞれに
   取り付けた対をなすノズルプレートにより所定のスリッ
   トノズルを形成するノズル支持板と、前記ノズルヘッダ
   ーの頂部に所定の間隔を存して接続され、その途中に開
   閉弁を介設した通気管を具備してなることを特徴とする
   高温鋼材の冷却装置。