(57)【要約】  本発明は、幅広面及び４００℃より高い温度を有する平らな金属製品を固体粒子の流動床に接触させる熱伝達方法であって、前記固体粒子が循環の方向（Ｄ）を有し、前記平らな金属製品を、その幅広面が前記固体粒子の前記循環の方向（Ｄ）に平行になるように、前記固体粒子と接触させ、前記固体粒子がバブリング方式にあるように気体を注入し、前記固体粒子が前記金属製品によって放出された熱を捕捉し、並びに前記捕捉した熱を伝達媒体に伝達する、熱伝達方法（Ｄ）に関する。関連装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅広面及び４００℃より高い温度を有する平らな金属製品を固体粒子の流動床に接触させる熱伝達方法であって、前記固体粒子が循環の方向（Ｄ）を有し、前記平らな金属製品を、その幅広面が前記固体粒子の前記循環の方向（Ｄ）に平行になるように、前記固体粒子と接触させ、前記固体粒子がバブリング方式にあるように気体を注入し、前記固体粒子が前記金属製品によって放出された熱を捕捉し、並びに前記捕捉した熱を伝達媒体に伝達する、方法。
【請求項２】
前記伝達媒体が水である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記伝達媒体が溶融塩である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水が蒸気を生成するために用いられる、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
蒸気ネットワークを有するプラント内で実施され、前記生成された蒸気が前記蒸気ネットワーク内に注入される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記平らな金属製品がスラブ又は板である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記金属製品が鋼製品である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記固体粒子が５００〜２０００Ｊ／ｋｇ／Ｋの間に含まれる熱容量を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記流体床中の前記固体粒子の密度が１４００〜４０００ｋｇ／ｍ３の間に含まれる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記固体粒子がアルミナ、ＳｉＣ又は鋼スラグで作られている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記固形粒子が３０〜３００μｍの間に含まれる平均サイズを有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属製品の冷却経路を監視するために前記気体の注入流量を制御する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記気体を５〜３０ｃｍ／秒の間の速度で注入する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記気体が空気である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属製品がスラブであり、そのふちが前記床に平行になるように前記流動床内の支持体上に配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
金属製品がその表面上にスケール粒子を含み、前記固体粒子によって前記スケール粒子が除去され、除去されたスケール粒子が流動床から規則的に抜き出される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記伝達媒体がナノ粒子を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属製品が６０分未満で８００から４００℃にまで冷却される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
熱伝達用装置であって、
ａ．  固体粒子の流動床５を含むチャンバー２であって、前記固体粒子が、幅広面３ａ及び４００℃より高い温度を有する平らな金属製品３によって放出された熱を捕捉し、前記固体粒子が循環方向（Ｄ）に沿って循環する、チャンバー、
ｂ．  前記チャンバー２内に気体を注入するための気体注入手段４、
ｃ．  伝達媒体が循環する熱交換器６であって、前記固体粒子が捕捉した熱を前記伝達媒体に伝達するように流動床と接触している、熱交換器、
ｄ．  前記平らな金属製品３の幅広面３ａが前記固体粒子の循環方向（Ｄ）に平行になるように前記平らな金属製品３を支持する支持手段
を含む装置。
【請求項２０】
前記熱交換器内を循環する伝達媒体が水である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
スケール粒子を抜き出すための装置をさらに含む、請求項１９又は２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記スケール粒子を抜き出す装置が、可動式金属グリッドである、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記熱交換器６が、
ａ．  前記熱交換器に前記伝達媒体を運ぶための少なくとも第１のパイプ６１、
ｂ．  前記チャンバー２の出口で前記伝達媒体を回収するための少なくとも１本の第２のパイプ６２、並びに
ｃ．  前記少なくとも第１のパイプ６１及び前記少なくとも１本の第２のパイプ６２に接続され、前記固体粒子の流動床層と接触している、少なくとも１本の第３のパイプ６３
を含む、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１本の第２のパイプ６２が蒸気生成ユニット７に接続されている、請求項２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温の平らな金属製品から媒体への熱伝達方法及び関連する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼生産では、より一般的には金属生産では、溶銑製品が製造され、次いで周囲の空気で冷却されるいくつかのプラントがある。これらの製品からの放出された熱は全て捕捉されず、大気中に大量のエネルギーが失われる。これは、例えば９００℃付近の温度を持つ鋼スラブを製造し、さらなる加工又は輸送を待っている間周囲の空気中で冷却する鋳造プラントでは当てはまる。他の製品、例えば板、又はより一般的に言えば幅広な面と小さな面を持つ平らな製品が該当する。このような溶銑製品によって放出される熱を捕捉することを可能にする方法が必要とされている。
【０００３】
米国特許第４，３５１，６３３号は、スラブを積み重ねて冷却チャンバーに送り、そこでは空気が循環しており、スラブによって放出された熱を熱の対流により捕捉する方法を記載している。次いで、熱せられた空気は、さらなる用途のために蒸気を生成するように設計された一連の熱交換器に送られる。対流手段は、ファンのような、多くのエネルギーを消費し、従って、方法の収率を低下させる空気循環装置を必要とする。また、この方法は、必然的に大きな装置、及び空気とスラブとの間の熱交換係数が低いために装置内でのスラブの長い滞留時間を意味する。
【０００４】
英国特許第１５２８８６３号は、水が循環しているボイラーチューブで作られた２つの冷却壁の間のスロット内にスラブが配置される鋼製品の冷却方法を記載している。主に放射によりスラブから放出される熱は、ボイラーチューブ内の循環水を熱し、チューブの端部で蒸気にする。適切な温度に達すると、スラブはスロットから取り外され、次の処理ステップに搬送される。この方法は、長い冷却時間を必要とし、熱損失が多く、熱回収率は極めて低い。
【０００５】
仏国特許第２９９６４７０号は、伝導による熱捕捉方法を記載しており、ここで、スラブは断熱されたチャンバー内を連続的に移動しており、チャンバーは、水が循環する銅パイプのような、スラブによって放出される加熱を回収するための放射及び伝導手段を含み、これらの手段は、スラブの上及び下に配置される。この方法は完全に断熱されたチャンバーを得るために、大きなサイズの装置及び大きな投資を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４３５１６３３号明細書
【特許文献２】英国特許第１５２８８６３号明細書
【特許文献３】仏国特許発明第２９９６４７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の欠点を克服する方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による方法は、熱を高温の平らな金属製品から熱回収率の高い媒体に、製品に有害な影響を与えることなく、例えば、その平坦度に有害な影響を与えることなく、短縮された時間で伝達することを可能にする。また、本発明の方法は、少ない投資で既存のプラントに容易に設置できる装置を必要とする。
【０００９】
本発明による方法は、金属製品の均一な冷却を行うことを可能にし、金属製品の品質に影響を及ぼさない。本発明による方法は、例えば金属製品に有害な化学的影響を及ぼすことはなく、表面欠陥を生じる可能性のある物理的影響もその表面に及ぼさない。
【００１０】
この問題は、幅広面及び４００℃より高い温度を有する平らな金属製品を固体粒子の流動床に接触させる熱伝達方法であって、前記固体粒子が循環の方向（Ｄ）を有し、前記平らな金属製品を、その幅広面が前記固体粒子の前記循環の方向（Ｄ）に平行になるように、前記固体粒子と接触させ、前記固体粒子がバブリング方式にあるように気体を注入し、前記固体粒子が前記金属製品によって放出された熱を捕捉し、並びに前記捕捉した熱を伝達媒体に伝達する、本発明に係る熱伝達の方法によって解決される。
【００１１】
本発明の方法はまた、別々に、又は全ての可能な技術的組み合わせに従って考えられる以下の任意の特徴を含むことができる。
−  伝達媒体は水である、
−  伝達媒体は溶融塩である、
−  水は蒸気を生成するために使用される、
−  この方法は蒸気ネットワークを有するプラント内で行われ、生成された蒸気は前記蒸気ネットワークで注入される、
−  金属製品はスラブ又は平板である、
−  金属製品は鋼製品である、
−  固体粒子は５００〜２０００Ｊ／ｋｇ／Ｋの間の熱容量を有する、
−  流動床中の固体粒子の密度は１４００〜４０００ｋｇ／ｍ３の間に含まれる、
−  固体粒子はアルミナ、ＳｉＣ又は鋼スラグでできている、
−  固体粒子は３０〜３００μｍの間に含まれる平均サイズを有する、
−  気体の注入流量は金属製品の冷却経路を監視するために制御される、
−  気体は５〜３０ｃｍ／秒の間の速度で注入される、
−  気体は空気である、
−  金属製品はスラブであり、スラブは、そのふちが床に平行になるように流動床内の支持体上に置かれる、
−  金属製品はその表面にスケール粒子を含み、スケール粒子は固体粒子によって除去され、除去されたスケール粒子は流動床から規則的に取り出される、
−  伝達媒体はナノ粒子を含む、
−  金属製品は６０分未満で９００から３５０℃に冷却される。
【００１２】
また、本発明は、固体粒子（固体粒子は、幅広面を有し、かつ温度が４００℃より上の平らな金属製品によって放出された熱を捕捉し、循環方向（Ｄ）に沿って循環する）の流動床を含むチャンバーと、前記チャンバー内に気体を注入する気体注入手段と、伝達媒体が循環しており、固体粒子が捕捉された熱を伝達媒体に伝達する熱交換器と、平らな金属製品の前記幅広面が前記固体粒子の循環方向（Ｄ）に平行になるように平らな金属製品を支持する支持手段とを備えることを特徴とする、熱伝達装置に関する。
【００１３】
本発明の装置はまた、別々に又は全ての可能な技術的組み合わせに従って考えられる以下の任意の特徴を含むことができる。
−  熱交換器内を循環する伝達媒体は水である、
−  前記装置は、スケール粒子を取り出す装置をさらに備える、
−  スケール粒子を取り出す装置は、可動式の金属グリッドである、
−  熱交換器は、
・  伝達媒体を熱交換器に運ぶための少なくとも第１のパイプ、
・  チャンバーの出口で伝達媒体を回収するための少なくとも１本の第２のパイプ、
・  少なくとも第１のパイプ及び少なくとも１本の第２のパイプに接続され、固体粒子の流動床に接触する少なくとも１本の第３のパイプ、
を含む、
−  少なくとも１本の第２のパイプは蒸気生産ユニットに接続される。
【００１４】
本発明は、以下の添付図を参照して以下の記述を読むとよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】スラブを示す。
【図２】本発明による熱伝達方法を実施するための装置の実施形態を示す。
【図３】異なる流動化方式を示す。
【図４】先行技術による方法及び本発明による方法を用いてスラブの表面及び中心の熱挙動をシミュレーションする曲線である。
【図５】本発明による方法及び先行技術による方法を用いてスラブ表面の垂直方向変位をシミュレーションした曲線及びその画像表現である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１には、平らな金属製品の一例であるスラブ３が示されている。前記スラブ３は、平行六面体形状を有し、上部３ａ及び底部の幅広面、２つの小さな面３ｂ及び２つのふち３ｃを含む。幅広面は、スラブの幅Ｗ及び長さＬを規定し、幅Ｗは、通常７００〜２５００ｍｍの間に含まれ、長さＬは通常５０００〜１５０００ｍｍの間に含まれ、スラブの厚さＴは、通常１５０〜３５０ｍｍの間に含まれる。より一般的には、平らな製品は、最小寸法（例えば厚さＴ）が他の寸法（例えば長さＬ）と比較して無視できる程度であり、例えば最小寸法が最大寸法の少なくとも１５分の１より小さい平行六面体として定義することができる。平行六面体の幅広面は最小寸法を含まない面である。平らな製品の別の例は、平板又は厚板である。
【００１７】
これらの平らな製品は通常半完成品であり、このことは販売前にさらなる製造ステップを経ることになることを意味する。その後のステップでは、製品が欠陥を含まず、特にその平坦性が保証されていることが重要である。例えばスラブが垂直方向に数ミリメートル曲がっている場合、そのようなスラブはさらなる圧延の間に問題を生じるか、又は、圧延ができなくなることさえあり得、このことはこのスラブが廃棄されることを意味するであろう。
【００１８】
図２には、本発明に係る熱伝達方法を実施する装置１が示されている。この装置１は、スラブ３のような高温の平らな金属製品が配置されるチャンバー２を含む。チャンバー２は、閉鎖可能な開口部を有する閉鎖チャンバーであってよく、該開口部を通って高温の平らな金属製品を搬送することができるが、チャンバーは開閉式の屋根又は高温の平らな金属製品を搬送するのに適した任意の構成を有することもできる。高温の平らな金属製品３は、ローリングコンベアによってチャンバー２の内部に搬送されるか、若しくは、クレーン又は任意の適切なピックアップ手段などのピックアップ手段によってチャンバー２の内部に配置されてもよい。チャンバー２は、複数の平らな製品３を優先的に受け取ることができる。
【００１９】
チャンバー２は、固体粒子を含み、気体注入手段４を含み、気体は固体粒子を流動化し、バブリング方式で固体粒子５の流動床を作るために注入され、この固体流動化粒子は、循環方向（Ｄ）に沿って循環する。高温の平らな金属製品３は、それらの幅広面３ａが流動化粒子の循環の方向（Ｄ）に平行になるように、支持手段上でチャンバー２内に配置される。好ましい実施形態では、方向（Ｄ）は垂直であり、スラブ３は、その幅広面３ａが垂直方向に平行になるように、そのふち３ｃに沿って支持体上に配置される。これは、熱伝達効率を高めるだけでなく、製品の変形を回避することも可能にする。高温の平らな金属製品は、チャンバー２内に配置されたとき、４００℃より高い温度を有し、例えばスラブ又は平板であり、鋼製であってもよい。
【００２０】
図３に示すように、流動化の方式はいくつかある。流動化は、固体粒子を気体又は液体中の懸濁により流動様の状態に変換する操作である。流体速度に応じて、粒子の挙動は異なる。本発明の一つとしての気体−固体系では、最小流動化を越える流速の増加と共に、バブリング及び気体のチャネリングを伴う大きな不安定な性質が観察される。より速い速度では、撹拌がより激しくなり、固体の動きがより活発になる。さらに、固体の動きがより活発になる。さらに、床は最少の流動化におけるその体積を大きく超えて拡がることはない。この段階で、流動床はバブリング方式にあり、これは固体粒子の良好な循環及び流動床の均一な温度を有するために、本発明に必要な方式である。所与の方式を得るために適用される気体速度は、使用される気体の種類、粒子のサイズ及び密度、又はチャンバー２のサイズのようないくつかのパラメータに依存する。これは当業者により容易に管理することができる。
【００２１】
気体は窒素、又はアルゴン若しくはヘリウムのような不活性気体であることができ、好ましい実施形態では空気である。気体は、少ない換気電力、ひいては低減されたエネルギー消費を必要とする、５〜３０ｃｍ／秒の間の速度で注入されることが好ましい。好ましい実施形態では、気体の注入流量は、溶銑製品３の冷却速度を監視するように制御される。これは、鋼などの、品質が冷却速度によって影響を受ける金属製品に有利であり得るだけでなく、プラントが生産を規制するのにも有利である場合がある。
【００２２】
固体粒子は、優先的に５００〜２０００Ｊ／Ｋｇ／ｋの間に含まれる熱容量を有する。それらの密度は、優先的に１４００〜４０００ｋｇ／ｍ３の間に含まれる。固体粒子は、ＳｉＣ、アルミナ又は鋼スラグのようなセラミック粒子であることができる。固体粒子はガラス又は１０００℃まで安定な他の任意の固体材料で製造されることができる。固体粒子は、３０〜３００μｍの間に含まれるサイズを有することが好ましい。これらの粒子は、溶銑製品３とのいかなる反応も防止するために不活性であることが好ましい。
【００２３】
装置１はさらに、伝達媒体が循環している少なくとも１つの熱交換器６を含み、熱交換器は流動床５と接触している。この熱交換器は、図１に示すように、冷たい伝達媒体を熱交換器に運ぶためにその中を冷たい伝達媒体１０が循環する第１のパイプ６１と、加熱された伝達媒体１１が回収される第２のパイプ６２と、第１のパイプ６１及び第２のパイプ６２を接続し、チャンバー２及び流動床５を通過し、第１のパイプ６１からの冷たい伝達媒体１１が加熱される第３のパイプ６３とから構成することができる。この装置１により、溶銑製品３は、固体粒子の流動床５に浸漬され、固体粒子は、溶銑製品３によって放出された熱を捕捉することができる。これにより、金属製品の全ての部分が流動化固体粒子と接触しているため、金属製品の均一な冷却が可能である。固体粒子は、注入手段４による気体の注入によって運動し続け、熱交換器６に接触し、熱交換器６では固体粒子が、熱交換器６内を循環する伝達媒体に、捕捉した熱を放出する。熱交換器内部の伝達媒体の流量を調節して冷却速度を制御することができ、実際、熱交換器内部でより多くの媒体が循環するほど、固体粒子から熱がより放出される。
【００２４】
好ましい実施形態において、熱交換器内を循環する伝達媒体１０は、流動化固形粒子によって放出される熱によって一旦加熱されると蒸気１１になる加圧水である。加圧水は、１〜３０Ｂａｒの間の絶対圧力を有することができる。次いで、フラッシュドラム７又は任意の他の適切な蒸気生成装置によって、加圧水を蒸気に変えてもよい。優先的には、水は熱交換器の内部で液体のままである。次に、生成された蒸気１１を、例えば水素生成のために、又は鋼線プラントの場合にはＲＨ減圧脱気装置若しくはＣＯ２気体分離ユニットのために、プラントの蒸気ネットワーク内に注入することにより、金属製造プラント内で再利用することができる。蒸気再利用プラント及び金属製品製造プラントの両方をプラントの同一のネットワーク内に有すると、前記ネットワークの全体的なエネルギー効率を改善することが可能になる。
【００２５】
熱交換器内を循環する伝達媒体１０はまた、空気、又は捕捉した熱を貯蔵することを可能にする、４００〜８００℃の間の相変化を好ましくは有する溶融塩であってもよい。伝達媒体１０は、熱伝達を促進するためにナノ粒子を含むことができる。
【００２６】
さらなる実施形態において、金属製品３は、その表面上にスケール粒子を含むことができる。固体流動化粒子との化学的又は物理的相互作用により、それらスケール粒子を金属製品３から除去し、流動床の底部に落下させることができる。このような場合、装置１には、スケール粒子を流動床から頻繁に除去するための着脱可能な金属グリッドのようなスケール除去装置が設けられる。
【００２７】
本発明の方法により、金属製品を６０分未満で８００℃から４００℃にまで冷却することができる。
【００２８】
本発明による方法は、鋳造プラントの出口、又は水平化スタンド若しくは圧延スタンドの出口で実施することができる。
【００２９】
本発明による方法は、金属製品を変形させることなく、金属製品によって放出される熱の少なくとも９０％を回収しながら、金属製品の迅速かつ均一な冷却を可能にする。また、本発明による装置はかなり小型であり、利用可能な空間に適応することができる。気密性は必要とされないので、該装置は効率性を保つために多額な投資及び高水準の保守を必要としない。
【実施例】
【００３０】
熱回収
本発明による方法で鋼スラブから回収できる熱量を評価するためにシミュレーションを実施した。
【００３１】
本発明の方法において、市販の低炭素鋼グレードで、各重量２３トンの４枚のスラブを、密度３２０ｋｇ／ｍ３、ザウター直径５０μｍの炭化ケイ素の固体粒子を含む装置に配置し、それらの粒子を５ｃｍ／秒の空気の注入を用いてバブリング方式で流動させた。
【００３２】
シミュレーションには、流体として水を用いる図１に示すような熱交換器を用いた。２つの状況、すなわち、初期スラブ温度８００℃で、４００℃まで冷却する状況と、初期温度５５０℃、最終温度２５０℃の状況を考慮した。両方の状況について、回収されたエネルギー、並びに生成した蒸気量及び圧力を評価した。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
2021529886.tif 000003
【００３４】
スラブの初期温度が同じでなく、熱交換器からの水が同じ温度で加熱されないため、蒸気圧は両状況で同じではない。
シミュレーションによれば、本発明による方法により、スラブから放出される熱のほぼ９５％を捕捉することができた。
【００３５】
製品への影響
【００３６】
先行技術に従った及び本発明に従った冷却方法の変形及び熱の影響を評価するシミュレーションを行った。
【００３７】
状況Ａ及びＢの両方において、市販の低炭素鋼グレードで作られ、長さＬが１０ｍ、幅Ｗが１ｍで、厚さＴが０．２５ｍのスラブを、密度３２０ｋｇ／ｍ３、ザウター直径５０μｍの炭化ケイ素の固体粒子を含む装置内に配置し、５ｃｍ／秒の空気の注入及び垂直方向の循環により、バブリング方式でそれらの粒子を流動化し、チャンバーの底部は水平方向である。
【００３８】
シミュレーションには、流体として水を用いる図２に示すような熱交換器を用いた。いずれの状況においても、初期スラブ温度は８００℃であり、４００℃まで冷却される。状況Ａでは、スラブは、その幅広面の１つが支持手段上に横たわるように流動床内に配置され、そのためその幅広面は流動化粒子の循環の方向に垂直であり、状況Ｂでは、その幅広面はそのふちの１つの上に配置され、そのためその幅広面は、流動化粒子の循環の方向に平行である。
【００３９】
両方の状況について、厚さＴ内の異なる深さでのスラブの温度の変化及び該スラブの変形をシミュレーションし、それぞれ図４及び図５に図示する。
【００４０】
図４では、上部幅広面、スラブ中心、底部幅広面上の１点の時間による温度の変化を示している。
【００４１】
シミュレーションから、底部及び上部幅広面は同じ熱経路をたどらないことが明らかである。これは、発明に従った方法で起こることとは反対である（両方の曲線が重なり、一本のみが見える）。
【００４２】
これは、図５に見られるように、製品への影響である。この図は、先行技術による方法及び本発明による方法で冷却したときの製品の長さに沿った垂直方向の変位の曲線を先ず表している。残りの２つの図では、この変位が製品上に直接表されており、先行技術による方法を使用したときには、初期の平坦度に戻らない製品の明確な曲がりが存在することが分かる。
【００４３】
本発明による方法は、このようにして、製品に有害な影響を及ぼすことなく、また特に前記製品の変形を伴うことなく、高温の平らな金属製品によって放出される熱を捕捉することを可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2021529886.tif 000010
2021529886.tif 000011
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