(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、被冷却面に相対して開孔したノズルを有する管状のノズルヘッダを用い、該ノズルヘッダをノズルヘッダの軸芯を中心として回転し、ノズル噴霧水を噴霧すると共に、該ノズルヘッダの回転の角速度を被冷却面の位置に応じて経時的に制御することによって熱伝達係数が被冷却面である耐火物の各個所で一定となるように制御しつつ、該冷却時に、被冷却面温度の経時的変化に応じてノズル噴霧水の液滴径が下記の式(7) を満足するように制御することを特徴とする耐火物構造物の冷却方法。
Ｒmax ＜−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(7) 
Ｒmax ：噴霧水の水滴の最大粒径（μｍ）
Ｔ    ：被冷却面温度（℃）
【請求項２】
耐火物の冷却に際し、被冷却面温度＞200 ℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いた直接冷却を行い、200 ℃≧被冷却面温度＞50℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いた直接冷却を行い、50℃≧被冷却面温度の時は、空気冷却を行うことを特徴とする請求項１記載の耐火物構造物の冷却方法。
【請求項３】
耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすることを特徴とする請求項１または２記載の耐火物構造物の冷却方法。
【請求項４】
耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水吐出孔の外周部から噴霧水吐出方向に空気を吐出せしめることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の耐火物構造物の冷却方法。
【請求項５】
耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、ノズルから噴霧される水滴粒子の粒径分布および水滴粒子の被冷却面における衝突速度の両者から導かれる破壊水滴の水量密度と、被冷却面温度との両者に応じた空気をノズル噴霧水吐出孔の後方から噴霧水吐出方向に吐出せしめることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の耐火物構造物の冷却方法。
【請求項６】
耐火物の被冷却面に相対して開孔した水噴霧ノズルと、該水噴霧ノズルのノズル空気圧力およびノズル水量の制御装置と、該水噴霧ノズルを有する管状のノズルヘッダと、該ノズルヘッダをノズルヘッダの軸芯を中心として回転せしめるノズルヘッダ回転装置と、ノズルヘッダの回転軸方向における位置を経時的に検出する検出装置と、該検出装置の検出値に基づきノズルヘッダの回転の角速度を経時的に制御する制御装置とを有することを特徴とする耐火物構造物の冷却装置。
【請求項７】
前記水噴霧ノズルが、空気噴霧式のノズルチップの外周にさらに噴霧水吐出方向に開口した空気吐出口を設けたノズルであることを特徴とする請求項６記載の耐火物構造物の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却面を乾燥状態に維持しつつ耐火物の短時間冷却が可能で、さらには被冷却面全面を均一に冷却することが可能な耐火物構造物の冷却技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所におけるトピード、転炉など溶銑、溶鋼を取り扱う装置、設備を補修する際には、これらの装置、設備（以下、耐火物構造物と記す）の内部の耐火物を冷却する必要がある。
この場合、耐火物の寿命延長および工程の短縮のために、▲１▼冷却時および冷却後の耐火物表面を極力乾燥状態に保つ（以下ドライ冷却とも記す）こと、▲２▼短時間での冷却、および▲３▼耐火物の各箇所における均一な冷却が必要となる。
【０００３】
従来、耐火物構造物の冷却方法としては、(1) 直接水を吹き付ける方法、(2) 空冷法が用いられ、また、(3) 耐火物構造物の内部に、水滴群を添加した空気の気流を吹き込む方法（特開昭61−159251号公報参照）が開示されている。
しかし、(1) の方法は、冷却時の耐火物の濡れおよび不均一冷却が避けられず、耐火物の寿命上問題があり、また(2) の方法は、冷却に長時間を要するという問題があった。
【０００４】
また、前記した(3) の方法は、▲１▼タンディッシュである耐火物構造物の外部から耐火物構造物内部に向けて吹き込んだ空気気流中に水滴を添加するため、耐火物の被冷却面に水滴が衝突する確率が低く、水滴の蒸発潜熱を有効に利用できず冷却に長時間を要する、▲２▼水滴の移動経路が、空気の流れに依存するため、均一冷却が困難である、▲３▼水滴によって耐火物を濡らし、耐火物品質の劣化や、補修後の乾燥時の爆裂の危険性があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記した従来技術の問題点を解決し、高温状態の耐火物を、耐火物を濡らすことなく、短時間で、さらには耐火物の被冷却面を均一に冷却することが可能な耐火物構造物の冷却方法および冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、被冷却面に相対して開孔したノズルを有する管状のノズルヘッダを用い、該ノズルヘッダをノズルヘッダの軸芯を中心として回転し、ノズル噴霧水を噴霧すると共に、該ノズルヘッダの回転の角速度を被冷却面の位置に応じて経時的に制御することによって、熱伝達係数が被冷却面である耐火物の各個所で一定となるように制御しつつ、該冷却時に、被冷却面温度の経時的変化に応じてノズル噴霧水の液滴径が下記の式(7) を満足するように制御することを特徴とする耐火物構造物の冷却方法である。
Ｒmax ＜−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(7) 
Ｒmax ：噴霧水の水滴の最大粒径（μｍ）
Ｔ    ：被冷却面温度（℃）
【０００７】
前記した第１の発明においては、被冷却面温度が200 ℃以下の冷却時に、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いることが好ましい。
【０００８】
前記した第１の発明および第１の発明の好適態様においては、前記したノズル噴霧水による直接冷却を行った後、空気冷却を行うことが好ましい。
なお、上記した空気冷却は、送風機を用いた強制空気冷却であることが好ましい。
第２の発明は、耐火物の冷却に際し、被冷却面温度＞200 ℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いた直接冷却を行い、200 ℃≧被冷却面温度＞50℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いた直接冷却を行い、50℃≧被冷却面温度の時は、空気冷却を行うことを特徴とする第１の発明記載の耐火物構造物の冷却方法である。
【０００９】
なお、前記した第２の発明においては、前記した空気冷却が、送風機を用いた強制空気冷却であることが好ましい。
第３の発明は、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすることを特徴とする第１の発明または第２の発明記載の耐火物構造物の冷却方法である。
【００１０】
なお、前記第３の発明においては、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度の被冷却面に対する垂直ベクトルを、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすればよい。
第４の発明は、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水吐出孔の外周部から噴霧水吐出方向に空気を吐出せしめることを特徴とする第１の発明〜第３の発明のいずれか記載の耐火物構造物の冷却方法である。
【００１１】
第５の発明は、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、ノズルから噴霧される水滴粒子の粒径分布および水滴粒子の被冷却面における衝突速度の両者から導かれる破壊水滴の水量密度と、被冷却面温度との両者に応じた空気をノズル噴霧水吐出孔の後方から噴霧水吐出方向に吐出せしめることを特徴とする第１の発明〜第４の発明のいずれか記載の耐火物構造物の冷却方法である。
【００１２】
第６の発明は、耐火物の被冷却面に相対して開孔した水噴霧ノズルと、該水噴霧ノズルのノズル空気圧力およびノズル水量の制御装置と、該水噴霧ノズルを有する管状のノズルヘッダと、該ノズルヘッダをノズルヘッダの軸芯を中心として回転せしめるノズルヘッダ回転装置と、ノズルヘッダの回転軸方向における位置を経時的に検出する検出装置と、該検出装置の検出値に基づきノズルヘッダの回転の角速度を経時的に制御する制御装置とを有することを特徴とする耐火物構造物の冷却装置である。
【００１３】
前記第６の発明においては、前記水噴霧ノズルが、空気噴霧式のノズルチップの外周にさらに噴霧水吐出方向に開口した空気吐出口を設けたノズルであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、製鉄所におけるトピード、転炉、取鍋、脱ガス槽、タンディッシュ、加熱炉、熱風炉など耐火物構造物の耐火物の冷却に適用され、さらには、これら耐火物構造物以外の耐火物構造物の耐火物の冷却にも広く適用可能である。
【００１５】
本発明者らは、前記した従来技術の問題点を解決するために鋭意検討した結果、下記(1) 〜(8) の新たな技術を開発し本発明に至った。
〔均一冷却：〕
(1) 耐火物構造物を冷却する際に、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、被冷却面に噴霧水が直接衝突するようにノズルを取り付けた回転式のノズルヘッダを用い、該ノズルヘッダの回転の角速度を、噴霧水が衝突する被冷却面の位置に応じて経時的に制御することによって、被冷却面全面を均一に冷却する。
【００１６】
および、被冷却物である耐火物を乾燥状態で冷却する、いわゆるドライ冷却を行うため、以下の冷却形態をとる。
〔ドライ冷却：〕
(2) 耐火物を冷却する際に、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、被冷却面温度の経時的変化に応じてノズル噴霧水の液滴径が下記の式(7) を満足するように制御することによって、耐火物を濡らすことなく冷却する（以上が請求項１記載の第１の発明）。
Ｒmax ＜−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(7) 
Ｒmax ：噴霧水の水滴の最大粒径（μｍ）
Ｔ    ：被冷却面温度（℃）
なお、前記した第１の発明の好適態様として、被冷却面温度が200 ℃以下の冷却時に、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いる冷却方法が挙げられる。
【００１７】
また、前記した第１の発明においては、前記したノズル噴霧水による直接冷却を行った後、好ましくは送風機を用いた空気冷却を行うことによって、耐火物のより完全なドライ冷却を行うことができる。
(3) 前記した第１の発明の好適態様であり、耐火物の冷却に際し、被冷却面温度が200 ℃超えの時点で、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いた直接冷却を行い、被冷却面温度が200 ℃以下、50℃超えの時点で、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いた直接冷却を行い、被冷却面温度が50℃以下の時点で、好ましくは送風機を用いた空気冷却を行うことによって、耐火物の完全なドライ冷却を行う（請求項２記載の第２の発明）。
【００１８】
なお、前記した第１の発明の好適態様、第２の発明において水滴の粒径を最大粒径または平均粒径で規定した理由は、水滴の最大粒径が100 μm の噴霧水の水滴の平均粒径が85μm に対応するためである。
〔短時間冷却およびドライ冷却：〕
(4) 耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすることによって、水の蒸発を促進し、水の蒸発潜熱を有効に活用し、耐火物の短時間冷却およびドライ冷却の両者を達成する（請求項３記載の第３の発明）。
【００１９】
(5) 前記第３の発明の好適な方法であり、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水吐出孔の外周部から噴霧水吐出方向に空気を吐出せしめることによって噴霧水の水滴の気流中における移動速度を増加し、被冷却面における噴霧水の水滴の破壊を促進し、水の蒸発潜熱の有効活用による耐火物の短時間冷却およびドライ冷却の両者を達成する（請求項４記載の第４の発明）。
【００２０】
(6) 耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、ノズルから噴霧される水滴粒子の粒径分布および水滴粒子の被冷却面における衝突速度の両者から導かれる破壊水滴の水量密度と、被冷却面温度との両者に応じた空気をノズル噴霧水吐出孔の後方から噴霧水吐出方向に吐出せしめることによって、耐火物の短時間冷却およびドライ冷却の両者を達成する（請求項５記載の第５の発明）。
【００２１】
〔均一冷却、ドライ冷却および短時間冷却を達成するための冷却装置：〕
(7) 前記第１の発明の冷却方法に好ましく用いられる冷却装置であり、水噴霧ノズルと、該水噴霧ノズルのノズル空気圧力およびノズル水量の制御装置と、該水噴霧ノズルを有する管状のノズルヘッダと、該ノズルヘッダを軸芯を中心として回転せしめるノズルヘッダ回転装置と、ノズルヘッダの回転軸方向における位置を経時的に検出する検出装置と、該検出装置の検出値に基づきノズルヘッダの回転の角速度を経時的に制御する制御装置とを有する耐火物の均一冷却が可能な冷却装置（請求項６記載の第６の発明）。
【００２２】
(8) 前記第６の発明のより好適な態様である第７の発明は、前記水噴霧ノズルとして、空気噴霧式のノズルチップの外周にさらに噴霧水吐出方向に開口した空気吐出口を設けたノズルを用いることによって、耐火物の均一冷却、ドライ冷却および短時間冷却を達成する（請求項７記載の第７の発明）。
以下、第１の発明〜第７の発明について、図面を用いて説明する。
【００２３】
〔第１の発明：〕
第１の発明は、耐火物構造物を冷却する際に、耐火物である被冷却面に噴霧水が直接衝突するようにノズルを取り付けた回転式のノズルヘッダを用い、該ノズルヘッダの回転時の角速度を、噴霧水が衝突する被冷却面である耐火物表面の位置に応じて経時的に制御することによって、被冷却面全面を均一に冷却することおよび冷却時の噴霧水の液滴径を制御することにより耐火構造物を乾燥状態で冷却するものである。
【００２４】
図１に、本発明をトピードの耐火物の冷却装置に適用した一例を側面図により示す。
図１において、１はトピード、２はトピードの耐火物、３は水噴霧ノズル、４はノズルヘッダ、５は噴霧水、６は噴霧用の水の配管（：フレキシブルホース）（６系統）、７は水噴霧用の圧縮空気の配管（：フレキシブルホース）、８は噴霧水の水滴加速用もしくは空気冷却用の空気の配管、９は噴霧水の水滴加速用もしくは空気冷却用の空気の送風機であり、10はモータ、チェーンなどから構成されるノズルヘッダ回転装置、11はノズルヘッダ昇降装置、12はウインチ、13は支持ロール、14は滑車、15は伸縮ジャバラ、16はワイヤ、17、18、19は架台、20はノズルヘッダ４の回転軸方向における位置を経時的に検出する検出装置（以下、ノズルヘッダ回転軸方向位置検出装置とも記す）、21はノズルヘッダ４の回転の角速度を経時的に制御する制御装置（以下、ノズルヘッダ回転角速度制御装置とも記す）、ｆR はノズルヘッダ回転方向、ｆNHはノズルヘッダの昇降方向を示す。
【００２５】
図１に示されるように、トピード１の耐火物２の冷却に際しては、ノズルヘッダ４が、ウインチ12、支持ロール13、滑車14などから構成されるノズルヘッダ昇降装置11によってトピード１内に配設される。
次に、ノズルヘッダ４が、ノズルヘッダ回転装置10によって水平面内に包括されるノズルヘッダ回転方向ｆR に回転すると共に、水噴霧ノズル３のノズルチップからの噴霧水が耐火物２である被冷却面に直接噴射され、耐火物は直接冷却される。
【００２６】
ノズルヘッダ４は、検出装置20および制御装置21によって、後記するノズルヘッダの回転を含めた実効の熱伝達係数αA （θ＝θi ）が被冷却面である耐火物の各箇所において一定となるように、ノズルヘッダ４の回転角速度が各被冷却面に対応して経時的に変化、制御される。
一方、水噴霧ノズル３のノズルチップの外周から、噴霧水と同時に送風機９からの空気が吐出し、この空気によってトピード１内の噴霧水５の流速が加速され、被冷却面における噴霧水の水滴の破壊、蒸発が促進され冷却速度の向上によって急速冷却が達成される。
【００２７】
図２に、図１における水噴霧ノズル３の詳細図を示す。
図２(a) は、水噴霧ノズルの平面図、図２(b) は、図２(a) のＡ−Ａ部矢視図（正面図）、図２(c) は、図２(a) のＢ−Ｂ部矢視図（側面図）を示す。
また、図２において、３は水噴霧ノズル、3aは空気噴霧式のノズルチップ、3bは空気吐出口、30は噴霧用の水の配管、31は水噴霧用の圧縮空気の配管、32は噴霧水加速用の空気（以下噴霧水加速用空気とも記す）の配管、33は噴霧水加速用空気の流路、34はノズル噴霧水、35は噴霧水加速用空気、ｆNWはノズル噴霧水の吐出方向、ｆA は噴霧水加速用空気の吐出方向を示す。
【００２８】
図２に示されるように、水噴霧ノズル３は、空気噴霧式のノズルチップ3aの外周にさらに噴霧水吐出方向に開口した空気吐出口3bが設けられている。
また、図２に示されるように、図１の耐火物の冷却装置においては、噴霧水加速用空気をノズルの後方から吐出せしめることによって、噴霧水の水滴の被冷却面における衝突流速を水滴の破壊衝突速度以上とすることによって、水の蒸発を促進し、冷却能力を向上すると共に、蒸発水量に対応する飽和空気量以上の空気を導入することによって、耐火物のドライ冷却を行う。
【００２９】
次に、第１の発明の原理について説明する。
図３は、図１のトピードの耐火物の冷却装置におけるトピードの要部分割図（平面図）を示す。
また、図３において、θはトピードの中心軸（：回転軸）ｌT と噴霧水の吐出方向の中心線ｆNWC との成す角度、Ｓ（θ＝90°）、Ｓ（θ＝０°）は各々θ＝90°、θ＝０°における耐火物被冷却面の単位面積を示し、その他の符号は図１、図２と同様の内容を示す。
【００３０】
図３において、ノズルヘッダ４が経時的に一定の回転角速度で回転した場合の、被冷却面である耐火物表面の熱伝達係数αは図４のとおりとなる。
すなわち、角度θに相当する箇所の耐火物表面の熱伝達係数αは下記式(1) で与えられる。
α＝ｆ（θ）＝ｇ（水量密度、衝突速度、粒径分布、空気の強制対流による気相の熱伝達係数）………(1)
これは、角度θに相当する箇所において、被冷却面に衝突する噴霧水の粒径と衝突速度によって決まる被冷却面での破壊水量密度（：被冷却面単位面積当たりに衝突し破壊する噴霧水の水量）と空気の強制対流による気相の熱伝達係数が、角度θに対応して変化し、ノズルヘッダからの距離によって熱伝達係数αが変化するためである。
【００３１】
なお、熱伝達係数αは、ノズル噴霧水の水量、液滴径、ノズル噴霧水の噴射角度（立体角）、ノズルから被冷却面迄の距離、被冷却面温度、噴霧水の衝突速度によって実験的に求めることができる。
次に、角度θi に相当する箇所の耐火物の被冷却面の単位面積Ｓ（θ＝θi ）における噴霧水の噴霧時間をｔi 、ノズルヘッダが180 °回転するために要する時間をＴとした時の、単位面積Ｓ（θ＝θi ）における見かけの熱伝達係数率Ｋi は下記式(2) 、(3) で与えられ、図５に示すように冷却時間率（ｔi ／Ｔ）に依存する。
【００３２】
Ｋi ＝ｈ×（ｔi ／Ｔ）…………(2)
ｈ  ＝α＝ｆ（θi ）……………(3)
この結果、角度θi に相当する箇所の耐火物の被冷却面の単位面積Ｓ（θ＝θi ）における、ノズルヘッダの回転を含めた実効の熱伝達係数αA ( θ＝θi ）は、下記式(4) で与えられる。
【００３３】
αA ( θ＝θi ）＝〔ｆ（θi ）〕×（ｔi ／Ｔ）………(4)
したがって、αA ( θ＝θ1 ）＝αA ( θ＝θ2 ）＝・・・＝αA ( θ＝θi ）＝・・・＝αA ( θ＝θn ）となるように、角度θ1、θ2、・・・θi 、 ・・・θn に相当する箇所における噴霧水の噴霧時間ｔi を制御すれば、各箇所における冷却が均一となる。
【００３４】
上記制御は、ノズルヘッダ回転時の回転角速度を角度θに対応して変化することによって行うことができ、例えば、図３の場合は角度θの増減に対応して回転角速度を増減せしめればよい。
第１の発明は、さらに加えて、ノズル噴霧水による耐火物の直接冷却に際し、被冷却面温度の経時的変化に応じてノズル噴霧水の液滴径を制御することによって、耐火物のドライ冷却を達成するものである。
【００３５】
以上述べた第１の発明によれば、耐火物のドライ冷却が達成されると共に、被冷却面温度が高い時には液滴径が大きなノズル噴霧水を用い、被冷却面温度が低い時には液滴径が小さなノズル噴霧水を用いることによって、ノズル噴霧水の噴霧用圧縮空気の製造に必要な電力使用量を低減することが可能となった。
図６に、噴霧水の水滴の最大粒径および被冷却面温度と、被冷却面の湿潤状態との関係を示す。
【００３６】
図６に示すように、被冷却面の湿潤状態は、噴霧水の水滴の最大粒径および被冷却面温度に依存する。
なお、図６に示す被冷却面が乾き状態と湿り状態の境界線(5) および湿り状態と濡れ状態の境界線(6) は、それぞれ下記式(5) および(6) で表される。
Ｒmax ＝−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(5)
Ｒmax ＝−0.002597×Ｔ2 ＋ 1.442Ｔ−23.51 ………(6)
上記式中、Ｔは被冷却面温度（℃）、Ｒmax は噴霧水の水滴の最大粒径を示す。
【００３７】
すわち、噴霧水の水滴の最大粒径Ｒmax が下記式(7) を満足する場合は、被冷却面は乾き状態であり、下記式(8) を満足する場合は、被冷却面は湿り状態となる。
Ｒmax ＜−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(7)
−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ＜Ｒmax ＜−0.002597×Ｔ2 ＋ 1.442Ｔ−23.51 ………(8)
本発明は、図６に例示した噴霧水の水滴の最大粒径および被冷却面温度と、被冷却面の湿潤状態との関係を用い、被冷却面温度の経時的変化に応じて噴霧水の液滴径を制御することによって、耐火物のドライ冷却を達成するものである。
【００３８】
前記した第１の発明の好適態様としては、被冷却面温度が200 ℃以下の冷却時に、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いることが好ましい。
これは、前記した図６に示すように、冷却面温度が200 ℃以下の場合、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いて冷却を行った場合、被冷却面は湿った状態もしくは濡れた状態となるためである。
【００３９】
なお、以下、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いた直接冷却を「ミスト冷却」、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いた噴霧水による直接冷却を「フォグ冷却」、送風機からの空気を用いた空気冷却を「ファン冷却」と記す。
なお、前記した第２の発明および第２の発明の好適態様(I) においては、前記したノズル噴霧水による直接冷却を行った後、空気冷却を行うことが好ましく、空気冷却は、ファン冷却であることが好ましい。
【００４０】
また、前記した第１の発明の好適態様である請求項２記載の(II)としては、耐火物の冷却に際し、被冷却面温度＞200 ℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 超えまたは水滴の平均粒径が85μm 超えの噴霧水を用いた直接冷却を行い、200 ℃≧被冷却面温度＞50℃の時は、水滴の最大粒径が100 μm 以下または水滴の平均粒径が85μm 以下の噴霧水を用いた直接冷却を行い、50℃≧被冷却面温度の時は、空気冷却を行うことが、より好ましい。
【００４１】
また、この場合の空気冷却は、ファン冷却であることが好ましい。
これは、下記理由▲１▼〜▲３▼による。
▲１▼：被冷却面温度＞200 ℃の時は、被冷却面の濡れは発生しにくいため、破壊衝突速度の小さい液滴径の大きい噴霧水を用いる方が、有効に水の蒸発潜熱を利用できるため急速冷却が可能である。
【００４２】
▲２▼：200 ℃≧被冷却面温度＞50℃の時は、被冷却面が濡れ易いため、液滴径を小さくすることで破壊される水量を制限しつつ、破壊されない液滴は気流にのせて排気することで冷却能力の向上と被冷却面のドライ条件の確保が可能である。
▲３▼：50℃≧被冷却面温度の時は、被冷却面が非常に濡れ易いため、ファン冷却によって、液滴による濡れ防止と一部湿り状態となっている箇所の乾燥が可能となる。
【００４３】
図７に、第１の発明の好適態様(II)に基づく冷却方法の一例を模式的に示す。
なお、図７(a) は水滴の平均粒径＝120 μm のミスト冷却、図７(b) は水滴の平均粒径＝30μm のフォグ冷却、図７(c) はファン冷却それぞれにおける噴霧水の噴霧状況および空気の吐出状況を示し、図７(d) は耐火物の冷却曲線を示す。
また、図７(a) 〜(c) において、36はミスト、37はフォグ、38は空気を示す。
【００４４】
すなわち、第１の発明の好適態様(II)によれば、耐火物表面温度が200 ℃超えの場合、例えば平均粒径が120 μm のミスト冷却を行い、耐火物表面温度が200 ℃に達した後は、例えば平均粒径が30μm のフォグ冷却を行い、耐火物表面温度が50℃に達した後はファン冷却を行うことによって、耐火物の完全なドライ冷却を達成する。
【００４５】
また、前記した第２の発明の好適態様(III) としては、200 ℃≧被冷却面温度Ｔ＞50℃において、噴霧水の水滴の最大粒径Ｒmax が下記式(7) を満足するように、被冷却面温度の経時的変化に応じてノズル噴霧水の液滴径を制御し直接冷却を行った後、50℃≧被冷却面温度Ｔにおいて、送風機を用いた空気冷却を行うことが、さらに好ましい。
【００４６】
Ｒmax ＜−0.002933×Ｔ2 ＋ 1.200Ｔ−22.67 ………(7)
次に、発明の具体的方法の一例を示す。
図８に、噴霧水量および水噴霧用の圧縮空気のノズルへの供給圧力と、噴霧水の液滴径との関係を示す。
図８に示すように、同一のノズルで、水噴霧用の圧縮空気の供給圧力と噴霧水量を調節することにより、ミスト冷却とフォグ冷却の両者が選択可能である。
【００４７】
次に、図９に、冷却前の耐火物表面温度（：被冷却面温度）が900 ℃の場合の冷却パターンの一例を示す。
図９に示す方法によれば、被冷却面温度が200 ℃超えの時点では、ノズル空気圧力＝1.0kg/cm2 、ノズル水量＝1.28t/h に調整することによって、平均粒径が120 μm のミスト冷却を行い、被冷却面温度が200 ℃に達した後は、ノズル空気圧力＝2.0kg/cm2 、ノズル水量＝0.47t/h に調整することによって、平均粒径が30μm のフォグ冷却を行い、被冷却面温度が50℃に達した後はファン冷却を行うことによって、耐火物の完全なドライ冷却を行うことができる。
【００４８】
図10に、前記した第２の発明に好ましく適用される耐火物構造物の冷却装置の配管系統の一例を模式図により示す。
図10において、40はノズルヘッダ、41a,41b,42a,42b,43a,43b,44a,44b,45a,45b,46a,46b は水噴霧ノズル、47はポンプ、９は送風機、49はストレーナ、50は圧縮空気供給配管のエアフィルタ、51は圧力計、52は流量計、53は流量調節弁、54は切替弁、55は減圧弁を示す。
【００４９】
なお、図10において、ノズルヘッダ４は、図示されないシール機構を付設することにより、鉛直軸を中心としてノズルヘッダ回転方向ｆR に回転し、また、１段目の水噴霧ノズルである41a と41b など各段の水噴霧ノズル4ia と4ib は、それぞれ反対側に水を噴霧するように配設されている。
また、図10に示される耐火物構造物の冷却装置の配管系統において、水の配管、圧縮空気の配管において２系統に分岐されている配管系統の上段はミスト冷却用、下段はフォグ冷却用の配管系統を示す。
【００５０】
図10に示される配管系統によれば、噴霧用の水および噴霧用圧縮空気の配管系統のそれぞれが、ミスト冷却用とフォグ冷却用の２つの系統を有することにより、同一の水噴霧ノズルでのミスト冷却とフォグ冷却が可能である。
なお、図10に示される配管系統における送風機９からの空気は、後記の第３の発明〜第５の発明における(1) 噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとするための噴霧水加速用空気および／または(2) 噴霧水から生じる水蒸気を飽和水蒸気圧以下に保つための空気としても用いることが可能である。
【００５１】
〔第３の発明、第４の発明：〕
第３の発明、第４の発明は、噴霧水の流速を、水滴が被冷却面に衝突した時に破壊する流速以上とすることによって、水の蒸発潜熱を有効に利用し冷却効果を高めるものである。
すなわち、第３の発明によれば、耐火物の冷却時に、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすることによって、水の蒸発を促進し、短時間冷却を達成することができる。
【００５２】
また、第４の発明は、前記第３の発明における噴霧水水滴の被冷却面における衝突速度を増す手段として、水滴加速用の空気（＝噴霧水加速用空気）をノズルの後方から吐出せしめるものである。
すなわち、第４の発明によれば、水噴霧用の圧縮空気とは別個に、ノズルチップの噴霧水吐出孔の外周部から噴霧水吐出方向に空気を吐出せしめることにより、噴霧水の最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度を、該最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとし、水の蒸発を促進し、短時間冷却を達成することができる。
【００５３】
図11に、平均粒径30μm の水滴が、固体面に、衝突時の流速（＝衝突速度）2.5m/secで衝突した時の水滴の破壊割合を示す。
図11に示されるように、上記条件下で衝突した場合、噴霧水の内、液滴径が30μm 以上の水滴が破壊される。
次に、図12に、液滴径と破壊衝突速度との関係を示す。
【００５４】
図12に示されるように、前記した図11に示す粒径分布を有する噴霧水の場合、最大粒径の水滴すなわち４５μm の水滴は、衝突速度が2.2m/sec以上で破壊され、最小粒径の水滴すなわち15μm の水滴は、衝突速度が3.6m/sec以上で破壊される。
この結果、被冷却面への水滴の衝突速度と被冷却面の熱伝達係数βとの関係は、図13に示す関係となる。
【００５５】
すなわち、噴霧水の最大粒径の水滴の衝突速度が、最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えに達した時点で、水の蒸発潜熱が有効に作用し、被冷却面の熱伝達係数βが急激に上昇し、最小粒径の水滴がほぼ完全に破壊する衝突速度を満足する段階で、熱伝達係数βの上昇はほぼ飽和する。
すなわち、図13に示されるように、噴霧水の最大粒径の水滴の衝突速度を、最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとする第３の発明、第４の発明によって、耐火物の短時間冷却を達成することができる。
【００５６】
〔第５の発明：〕
第５の発明は、耐火物の冷却に際し、ノズル噴霧水による直接冷却を行い、該冷却時に、ノズルから噴霧される水滴粒子の粒径分布および水滴粒子の被冷却面における衝突速度の両者から導かれる破壊水滴の水量密度（以下、破壊水滴水量密度と記す）と、被冷却面温度との両者に応じた空気を被冷却部に導入することによって、破壊水滴の蒸発に伴う水蒸気圧を飽和水蒸気圧未満に保ち、耐火物のドライ冷却を行うものである。
【００５７】
図14に、破壊水滴水量密度および被冷却面温度と、破壊水滴の蒸発に伴う水蒸気圧を飽和水蒸気圧未満に保つことが可能な被冷却面単位面積当たりの空気量（以下、単位面積当たりの攪拌空気量と記す）との関係を示す。
本第６の発明においては、破壊水滴水量密度に相当する水分の蒸気圧を飽和水蒸気圧未満とすることが可能な量の単位面積当たりの攪拌空気量を投入する。
【００５８】
投入する攪拌空気量は、破壊水滴を常温で飽和可能な空気量の上限未満で行うことが、送風機の使用電力の削減の面から好ましい。
なお、第６の発明によれば、攪拌空気の投入によって噴霧水の水滴の被冷却面  への衝突速度を大とし、耐火物のドライ冷却および急速冷却の両者を達成することが可能であり、耐火物構造物の冷却方法として極めて好ましい。
【００５９】
〔第６の発明：〕
第６の発明および第６の発明の好適態様は、前記した図１、図２および図10に例示した耐火物構造物の冷却装置であり、第６の発明の装置によれば、耐火物の均一冷却、ドライ冷却が可能となり、さらに第６の発明の好適態様の第７の発明の装置によれば、さらにより効果的な耐火物の均一冷却、ドライ冷却および短時間冷却が可能となった。
【００６０】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。
なお、本実施例においては、噴霧水の水滴の粒径の測定は、液浸法を用いて行い、粒径分布はフラホーフェル法を用いて求めた。
（実施例）
製鉄所のトピードの耐火物の修理に際して本発明を適用した。
【００６１】
冷却装置として前記した図１に示す冷却装置を使用した。
また、図１における水噴霧ノズル３として前記した図２に示すノズルを使用し、冷却設備の配管系統は前記した図10に示す配管系統を採用した。
トピードの冷却前の耐火物表面温度は800 〜1000℃であった。
冷却方式は、前記した図９に示す冷却方式を採用した。
【００６２】
また、ノズル噴霧水による冷却時は、前記したと同様に、ノズルヘッダ回転軸方向位置検出装置20およびノズルヘッダ回転角速度制御装置21によって、ノズルヘッダの回転を含めた実効の熱伝達係数αA ( θ＝θi ）が被冷却面である耐火物の各箇所において一定となるように、ノズルヘッダ４の回転角速度を各被冷却面に対応して経時的に変化、制御した。
【００６３】
また、フォグ冷却時は、水滴の平均粒径が30μm の噴霧水を用い、噴霧水の最大粒径４５μm の水滴の被冷却面における衝突速度（：被冷却面に対する垂直ベクトル）＞2.2m/secを満足し、かつ、破壊水滴水量密度に相当する水分量に対応する水蒸気圧が飽和水蒸気圧未満となる被冷却面単位面積当たりの攪拌空気量を送風機９からトピード内に送風した。
【００６４】
なお、水滴の平均粒径が85μm の噴霧水が、水滴の最大粒径が100 μm の噴霧水に相当する。
（比較例）
前記した実施例において、フォグ冷却を行わず、50℃迄の冷却をミスト冷却によって行った以外は前記した実施例と同様にトピードの耐火物の冷却を行った。
【００６５】
実施例、比較例で得られた結果を、表１に示す。
なお、得られた結果に基づくトピードの所要台数を表１に併せて示す。
【００６６】
【表１】
0003663847.tif 000002
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、高温状態の耐火物を、耐火物を濡らすことなく、短時間で、さらには耐火物の被冷却面全面を均一に冷却することが可能となり、耐火物構造物の稼働率の向上および耐火物の寿命の延長が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をトピードの耐火物の冷却装置に適用した一例を示す側面図である。
【図２】本発明に係わる水噴霧ノズルの詳細を示す水噴霧ノズルの平面図(a) 、Ａ−Ａ部矢視図（正面図）(b) 、およびＢ−Ｂ部矢視図（側面図）(c) である。
【図３】トピードの耐火物の冷却装置におけるトピードの要部分割図（平面図）である。
【図４】角度θ〔：トピードの中心軸（回転軸）と噴霧水の吐出方向の中心線との成す角度〕と角度θに相当する箇所の耐火物表面の熱伝達係数との関係を示すグラフである。
【図５】噴霧水の噴霧時間ｔi およびノズルヘッダが180 °回転するために要する時間Ｔと見かけの熱伝達係数率との関係を示すグラフである。
【図６】噴霧水の水滴の最大粒径および被冷却面温度と、被冷却面の湿潤状態との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の好適態様に基づく冷却方法の一例を示す模式図であり、(a) はミスト冷却、(b) はフォグ冷却、(c) はファン冷却における噴霧水の噴霧状況、空気の吐出状況を示し、(d) は耐火物の冷却曲線を示す。
【図８】噴霧水量および水噴霧用の圧縮空気のノズルへの供給圧力と、噴霧水の液滴径との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の冷却パターンの一例を示すグラフである。
【図１０】本発明に好ましく適用される耐火物構造物の冷却装置の配管系統の一例を示す模式図である。
【図１１】平均粒径30μm の水滴が、衝突速度2.5m/secで固体面に衝突した時の水滴の破壊割合を示すグラフである。
【図１２】液滴径と破壊衝突速度との関係を示すグラフである。
【図１３】被冷却面への水滴の衝突速度と被冷却面の熱伝達係数との関係を示すグラフである。
【図１４】破壊水滴水量密度および被冷却面温度と、破壊水滴の蒸発に伴う水蒸気圧を飽和水蒸気圧未満に保つことが可能な被冷却面単位面積当たりの攪拌空気量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  トピード
２  トピードの耐火物
３  水噴霧ノズル
3a  ノズルチップ
3b  空気吐出口
４  ノズルヘッダ
５  ノズル噴霧水
６  噴霧用の水の配管（６系統）
７  水噴霧用の圧縮空気の配管
８  配管
９  送風機
10  ノズルヘッダ回転装置
11  ノズルヘッダ昇降装置
12  ウインチ
13  支持ロール
14  滑車
15  伸縮ジャバラ
16  ワイヤ
17、18、19  架台
20  検出装置（：ノズルヘッダ回転軸方向位置検出装置）
21  制御装置（：ノズルヘッダ回転角速度制御装置）
30  噴霧用の水の配管
31  水噴霧用の圧縮空気の配管
32  噴霧水加速用空気の配管
33  噴霧水加速用空気の流路
34  ノズル噴霧水
35  噴霧水加速用空気
36  ミスト
37  フォグ
38  空気
41a,41b,42a,42b,43a,43b,44a,44b,45a,45b,46a,46b   水噴霧ノズル
47  ポンプ
49  ストレーナ
50  エアフィルタ
51  圧力計
52  流量計
53  流量調節弁
54  切替弁
55  減圧弁
ｆR   ノズルヘッダ回転方向
ｆNH  ノズルヘッダの昇降方向
ｆNW  ノズル噴霧水の吐出方向
ｆA   加速用空気の吐出方向
θ  トピードの中心軸（回転軸）と噴霧水の吐出方向の中心線との成す角度
Ｓ（θ＝０°）  θ＝０°における耐火物の被冷却面の単位面積
Ｓ（θ＝90°）  θ＝90°における耐火物の被冷却面の単位面積
【図１】
0003663847.tif 000003
【図２】
0003663847.tif 000004
【図３】
0003663847.tif 000005
【図４】
0003663847.tif 000006
【図５】
0003663847.tif 000007
【図６】
0003663847.tif 000008
【図７】
0003663847.tif 000009
【図８】
0003663847.tif 000010
【図９】
0003663847.tif 000011
【図１０】
0003663847.tif 000012
【図１１】
0003663847.tif 000013
【図１２】
0003663847.tif 000014
【図１３】
0003663847.tif 000015
【図１４】
0003663847.tif 000016