(57)【要約】【課題】高冷却速度化が望まれる冷却装置において、ノズル部の抵抗係数を下げ、冷却設備のコンパクト化を実現する。【解決手段】冷却箱の表面に、ノズルの先端から鋼帯面までの距離を５０〜１００ｍｍに保持する複数のノズルを突出させ、このノズルから冷媒を噴出させて走行する鋼帯を冷却する鋼帯の冷却装置において、吐出するノズルのＤ／ｄを１．５≦Ｄ／ｄ≦３．０としたことを特徴とする鋼帯の急速冷却装置。ここで、ｄはノズル先端内径（鋼帯側）。Ｄはノズル基部内径（冷却箱側）である。【選択図】    図３
2004162167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却箱の表面に、ノズルの先端から鋼帯面までの距離を５０〜１００ｍｍに保持する複数のノズルを突出させ、このノズルから冷媒を噴出させて走行する鋼帯を冷却する鋼帯の冷却装置において、吐出するノズルのＤ／ｄを１．５≦Ｄ／ｄ≦３．０としたことを特徴とする鋼帯の冷却装置。
ここで、ｄ：ノズル先端内径（鋼帯側）
Ｄ：ノズル基部内径（冷却箱側）
【請求項２】
前記ノズルは、ノズル基部を冷却箱に設けた取付け孔に拡管接合により固定してなることを特徴とする請求項１記載の鋼帯の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却箱に設けるノズル取付け用孔径は、［ノズル全長Ｌ−１０ｍｍ（ノズル基部から先端側に１０ｍｍの位置）±３ｍｍ］の範囲のところを孔径とすることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼帯の冷却装置。
【請求項４】
前記ノズルは、そのノズル基部が冷却箱内面より突出しないように取り付けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼帯の冷却装置。
【請求項５】
冷媒として、Ｎ2 およびＨ2 その他の不活性ガスからなる混合ガスとし、Ｈ2 濃度を０〜１００％残りをＮ2 またはその他の不活性ガスとしたことを特徴とする請求項１に記載の鋼帯の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、鋼帯の連続焼鈍設備、連続式溶融亜鉛めっき設備、カラーコーティングラインおよびステンレス酸洗焼鈍ライン等において、連続して走行する鋼帯を冷却する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続焼鈍炉設備は良く知られているように、鋼帯を連続的に加熱・均熱および冷却し、必要により過時効処理する工程を備えている。ところで、鋼帯の特性を所望のものにするためには、加熱温度や均熱時間のほかに、その鋼帯を均一急速冷却することが重要である。鋼帯の冷却方法として、現状各種の冷却媒体が採用されており、この冷媒の選択によって鋼帯の冷却速度も異なってくる。
【０００３】
このうち、水を冷媒として用いる場合、かなり高い冷却速度が得られ超急冷域までの冷却が司能であるが、焼き入れ歪によってクーリングバックルといわれる鋼帯の形状変化が発生することが最大の難点である。また、水との接触により鋼帯の表面に酸化膜が生じ、これを除去するための設備が別に必要となり、経済的に有利な設備とはいえない。
【０００４】
この問題を解決するため、ロールの内部に水またはその他の冷却媒体を通し、この冷却されたロール表面に鋼帯を接触させて冷却するロール冷却方法がある。
この方法は次のような問題がある。すなわち、連続焼鈍炉を通過する鋼帯はすべて平坦度を保っているとは限らない。従って、冷却ロールに接する際に、局部的に非接触となる場合があり、この非接触により鋼帯の幅方向の冷却が不均一となり、鋼帯の形状が変形する原因となる。そのため、冷却ロールヘの接触前に鋼帯の平坦化を行う手段が必要となり、これが設備費をアップさせていた。
【０００５】
別の冷却手段としてガスを冷媒とする冷却方法が実用化され、多くの実績を上げている。この方法は、前記した水冷却やロール冷却に比べて冷却速度が遅いが、比較的鋼帯の幅方向の均一な冷却が可能である。このガス冷却の最大の難点である、冷却速度を上げるため、ガスを噴射するノズルの先端を鋼帯に極力近づけて熱伝達率を上げて冷却速度を上げるものや、冷却媒体として水素ガスの濃度を上げて熱伝達率を上げたものを採用したものが開示されている。
【０００６】
噴射するノズルの先端を鋼帯に近接させて熱伝達率を上げるものとして、特許文献１がある。この技術は、ノズルの先端と鋼帯との距離を小さくして効率よい冷却を可能にしたものである。具体的には、冷却ガス室に設けられた冷却ガス室表面から突出する突出ノズルの長さを１００ｍｍ−Ｚ以上とし、突出ノズルから噴射されたガスが鋼帯に当たって背部に逃げる部分が設けられている。これにより、噴射されたガスが鋼帯表面に滞留することを減少し、鋼帯の幅方向における冷却均一性を向上させることが開示されている。なお、Ｚは突出ノズル先端と鋼帯との距離を示す。
【０００７】
【特許文献１】
特公平２−１６３７５号公報
【０００８】
また、ノズルの突出高さを５０ｍｍ−Ｚから２００ｍｍ−Ｚまで種々変えて熱伝達係数の最適点を導き出す実験を行っている。そして、連続焼鈍炉の冷却帯に用いられる冷却装置として、この実験から効率的冷却能力を持つ冷却装置を提案している。この冷却装置により、通常１００ｋｃａｌ／ｍ2 ｈ℃であった熱伝達係数が４００ｋｃａ１／ｍ2 ｈ℃まで上げることが出来るようになった。
【０００９】
しかし、さらなる冷却速度の向上が望まれるようになり、通常の冷却媒体としてＮ2 ：９５％程度＋Ｈ2 ：５％程度の雰囲気ガスを循環させる既存の冷却装置では限界があった。
この問題を解決するため、冷却媒体として水素ガスを使用することが考えられた。水素ガスを採用することにより冷却能力が向上することは、古くから知られていたが、水素ガスの危険性から実機への適用はされていなかった。
【００１０】
この水素ガス濃度を上げて急速冷却する技術が特許文献２に開示されている。この技術は急速冷却帯において、冷却ガスの水素濃度を３０％〜６０％、その吹き付け速度を１００ｍ／秒〜１５０ｍ／秒として鋼帯に吹きつけて冷却速度である。このように、水素ガスを採用するための具体的技術が開発され、実機化されようとしている。
【００１１】
【特許文献２】
特開平９−２３５６２６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
通常、Ｎ2 ガス主体の雰囲気ガスによる冷却からＨ2 濃度を上げて、かつ、ノズルからの吐出流速を１００ｍ／秒〜１５０ｍ／秒必要なため、鋼帯に吹き付けられるガスの量も多量のガスが必要となる。また、１００ｍ／秒〜１５０ｍ／秒をノズルから噴出させるための圧力も必要となる。一般にこれらの冷却装置は、鋼帯の吹きつけた冷却媒体をダクトを介して循環させ、再度吹き付ける循環式冷却装置を採用している。この循環式冷却装置では、鋼帯に吹き付けた冷却媒体が炉内に排出され、炉体に設けた吸い込みダクトとから循環ブロワによって吸引される。循環ブロワの前には、鋼帯の吹き付けて温度上昇した冷却媒体を吹き付け温度に冷却する熱交換機が設置されており、これらの装置により循環を行いながら鋼帯を冷却するようになっている。
【００１３】
これら循環装置での必要圧力はノズルからの噴出する際に必要な圧力が一番高く、このノズル部の圧損を極力低くすることが望まれていた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、
（１）冷却箱の表面に、ノズルの先端から鋼帯面までの距離を５０〜１００ｍｍに保持する複数のノズルを突出させ、このノズルから冷媒を噴出させて走行する鋼帯を冷却する鋼帯の冷却装置において、吐出するノズルのＤ／ｄを１．５≦Ｄ／ｄ≦３．０としたことを特徴とするる鋼帯の冷却装置。
ここで、ｄはノズル先端内径（鋼帯側）
Ｄはノズル基部内径（冷却箱側）
【００１５】
（２）前記ノズルは、ノズル基部を冷却箱に設けた取付け孔に拡管接合により固定してなることを特徴とする前記（１）記載の鋼帯の冷却装置。
【００１６】
（３）前記冷却箱に設けるノズル取付け用孔径は、［ノズル全長Ｌ−１０ｍｍ（ノズル基部から先端側に１０ｍｍ）±３ｍｍ］の範囲のところを孔径とすることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の鋼帯の冷却装置。
【００１７】
（４）前記ノズルは、そのノズル基部が冷却箱内面より突出しないように取り付けたことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼帯の冷却装置。
【００１８】
（５）冷媒として、Ｎ2 およびＨ2 その他の不活性ガスからなる混合ガスとし、Ｈ2 濃度を０〜１００％残りをＮまたはその他の不活性ガスとしたことを特徴とする前記（１）記載の鋼帯の冷却装置。
【００１９】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を図に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明を適用した連続焼鈍設備の冷却装置の側部断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図、図３は本発明のノズルの詳細図、図４は本発明のノズルの取り付け要領を示す図、図５はノズルの抵抗係数を示すグラフ、図６は連続式塗装ラインに本発明の冷却装置を適用した概略図、図７、図８は連続溶融亜鉛めっき設備のめっき後を鋼帯を冷却する冷却装置に本発明例を適用した概略図である。
【００２０】
図１において、鋼帯１２を搬送する上下ロール９，１１間に設置され、このロール間に、ガスを噴出する冷却装置２の一対を鋼帯１２の面に対向して設け、この冷却装置２を鋼帯１２の流れに沿って複数段配置している。そしてこの冷却装置２の上下間には鋼帯のバタツキを防止する押さえロール１０を鋼帯１２を挟持するように配置している。
【００２１】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、冷却装置２により鋼帯１２に吹き付けられたガスは循環系を介して冷却ガスとして再利用される。すなわち、吹き付けられたガスは、炉体１に設けられたガス吸い込み口から吸い込まれ、吸引側ダクト５、熱交換機６、循環ブロワ７および吐出側ダクト８を介し、さらに、炉体内の冷却箱３に連結された循環系により、冷却箱３の鋼帯１２面側に設けられたノズルから鋼帯１２に向けて再び噴出される。このように、鋼帯１２に吹き付けられた炉内のガスを循環して使用する。
【００２２】
冷却装置２は、冷却箱３とこの冷却箱３の鋼帯１２面側に設けた突出ノズル４からなっている。この突出ノズル４は基部Ｂ側ノズル内径Ｄと先端Ａ側ノズル内径ｄの比（Ｄ／ｄ）が１．５〜３．０となるようなノズルを選定し、配置している。また、先端ノズルの開口面積が冷却箱表面積の２〜４％となるように配置している。
【００２３】
図３には、本発明のノズル形状を示し、Ｄはノズル基部Ｂ側の内径（ここで、ノズル基部Ｂ側とは冷却箱３に取付け側をいう）、Ｄ0 はノズル基部Ｂ側の外径で、ｄはノズル先端Ａ側の内径、Ｌはノズルの全長、ＤＮはノズル基部Ｂを機転として、（ノズル全長Ｌ）−（１０ｍｍ±３ｍｍ）の範囲、言い換えると、ノズル基部Ｂ側より先端Ｂ側１０ｍｍ±３ｍｍの範囲におけるノズルの外径を差している。ノズル４は円錐形状となるため、ＳＵＳ（ステンレス鋼）のプレートを板巻きして製作した。ノズルは板巻きのほか、引き抜き鋼管や削り出し、また、鋳造で製作することも可能である。ノズル全長Ｌは２００ｍｍとしてＤ／ｄが種々のものを製作して実験を行った。
【００２４】
図４には、本発明のノズルを冷却箱３に取り付けるときの状況を示し、冷却箱３の鋼帯１２方向の面にＤＮ径の孔を設ける。孔の数は開口面積が冷却箱表面積の２〜４％なるように設けている。
ＤＮ径は、図３に示すノズル基部Ｂから先端部Ｂ側へ１０ｍｍ±３ｍｍの範囲におけるノズル径とした。
【００２５】
詳述すると、まず、冷却箱３の表面にＤＮ径の孔を開ける。この孔に基部Ｂの外径Ｄ0 ノズルを差込み、ポンチ（図示せず）にて図４に示すように冷却箱３に打ち込む。ノズル４打ち込む際、図４のようにノズルの基部Ｂが冷却箱の内面に突出しないように打ち込む。図４ではノズル基部Ｂが冷却箱３にその面内より１０ｍｍを残して装入されるように打ち込んでいる。そして、打ち込まれたノズル４の基部Ｂ側より拡管器により基部側ノズル内径Ｄを拡管し、冷却箱３に設けた孔ＤＮ径に圧着する。拡管機により圧着することで、従来、溶接で取り付けていた場合寄りもノズル４の取り付け精度は向上する。
なお、ＤＮ径の位置を上記のように限定したのは、上限以上（１０ｍｍ＋３ｍｍを超える）とすると、冷却箱への挿入が困難となり、また下限より少ないと密着性が劣ることになる。
図４ではノズルの抵抗係数を減じるために冷却箱３の内表面からノズルの基部側の先端を埋設したが、抵抗係数を減じるものであれば、冷却箱３の内表面に合わせることも可能である。
【００２６】
このように、製作したノズルを実験装置により圧力損失を求め、それぞれの抵抗係数を算出した。その結果を図５に示す。Ｄ／ｄ＝１．０、すなわち、従来のストレートノズルに比べＤ／ｄ＝１．５〜３．０のときが抵抗係数が小さく、２．０近傍が最も小さいことが判明した。このように、従来のストレートノズルに比ベノズルの抵抗係数が３０％程度小さくなる。
【００２７】
図６に連続式塗装ラインの塗装および乾燥・焼付け炉の配置を示す。鋼帯Ｓ1は、コーター設備１４にて表面に塗装をコーティングされ、乾燥・焼付け炉１５において所定の温度パターンに沿って乾燥・焼付けされる。引き続いて冷却装置１６で常温近くまで冷却される。従来、この冷却装置１６は前段を空冷、後段を水冷することによって、冷却前段での塗料表面品質確保と後段での急速冷却を実現していた。冷却設備１６に本発明によるノズルを用いた冷却設備とすることで、水冷を用いることなく冷却効率のよい設備構成とすることができる。
【００２８】
図７は、連続式溶融亜鉛めっき設備のメッキ合金化処理後の冷却設備に本発明によるノズルを用いた冷却設備を適用する例を示す。鋼帯Ｓ2 はターンダウンセクション１７内に設けられたターンダウンロール１８を経てメッキポット１９に導入される。シンクロール２０を介して垂直に引き上げられ、メッキ機２１にて所定のメッキ厚みに調整された後、合金化加熱装置２２で合金化処理温度に加熱され、引き続き保持炉２３で保熱される。合金化を完了した鋼帯Ｓ2 は冷却装置２４及びダウンパスに設けられた冷却装置２７にて冷却され、最終冷却である浸漬冷却装置２８へ送られる。本発明よるノズルを用いた冷却設備を冷却装置２４及び冷却装置２７へ適用することで、冷却効率を高め合金化炉全体を低層化することが可能となり、また、合金化処理後の鋼帯Ｓ2 を急速冷却することで合金層の健全化を計ることが可能となる。
【００２９】
図８は、同じく連続式溶融亜鉛めっき設備のメッキ後の冷却設備に本発明によるテーパー型円孔ノズルを用いた冷却設備を適用する例を示す。鋼帯Ｓ2 は、メッキ機２１にて所定のメッキ厚みに調整された後、冷却装置２４及びダウンパスに設けられた冷却装置２７にて冷却され、最終冷却である浸漬冷却装置２８へ送られる。本発明よるノズルを用いた冷却設備を冷却装置２４及び２７へ適用することで、冷却効率を高め合金化炉全体を低層化することが可能となる。
【００３０】
図９は、ステンレス鋼帯の連続焼鈍酸洗設備の一例を示す。ステンレス鋼帯Ｓ3 は、加熱帯２９において所定の焼鈍温度に加熱・均熱された後、冷却帯３０において所定冷却速度で終点温度まで冷却される。引き続いて脱スケール装置３１にてステンレス鋼帯Ｓ3 の上下面に配設したロール群によってステンレス鋼帯表面に生成したスケールが除去される。その後、酸洗槽３２に導入される。冷却設備３０に本発明によるノズルを用いた冷却設備を適用することで、冷却効率を高めコンパクトな装置構成とすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
このように、高冷却速度を得るため、益々、ノズルからの噴出速度を速くし、ノズルの抵抗係数を小さくして、循環設備をコンパクトにすることが最重要課題であり、これに対する本発明の効果は非常に大きい。また、従来の溶接構造から拡管機による圧着構造としたため、溶接によるノズルの歪も解消し、製作精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した連続焼鈍設備の冷却装置の側部断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】本発明のノズルの詳細図。
【図４】本発明のノズルの取り付け要領を示す図。
【図５】ノズルの抵抗係数を示すグラフ。
【図６】本発明を適用した連続式塗装ラインにの概略図。
【図７】本発明を適用した連続式溶融亜鉛メッキ設備の概略図。
【図８】本発明を適用した別の連続式溶融亜鉛メッキ設備の概略図。
【図９】本発明を適用したステンレス連続式焼鈍酸洗設備の概略図。
【符号の説明】
１：冷却帯
２：冷却装置
３：冷却箱
４：ノズル
５：吸引側ダクト
６：熱交換機
７：循環ブロワ
８：吐出側ダクト
９：トップロール
１０：押さえロール
１１：ボトムロール
１２：鋼帯
１３：仕切り壁
１４：コーター設備
１５：乾燥・焼付け炉
１６：冷却装置
１７：ターンダウンセクション
１８：ターンダウンロール
１９：メッキポット
２０：シンクロール
２１：メッキ槽
２２：加熱装置
２３：保熱炉
２４：冷却装置
２５：トップロール
２６：トップロール
２７：冷却装置
２８：浸漬冷却装置
２９：加熱帯
３０：冷却帯
３１：脱スケール装置
３２：酸洗槽
Ａ：ノズル先端
Ｂ：ノズル基端
【図１】
2004162167.tif 000003
【図２】
2004162167.tif 000004
【図３】
2004162167.tif 000005
【図４】
2004162167.tif 000006
【図５】
2004162167.tif 000007
【図６】
2004162167.tif 000008
【図７】
2004162167.tif 000009
【図８】
2004162167.tif 000010
【図９】
2004162167.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月11日(2003.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
図８は、同じく連続式溶融亜鉛めっき設備のメッキ後の冷却設備に本発明によるノズルを用いた冷却設備を適用する例を示す。鋼帯Ｓ2 は、メッキ機２１にて所定のメッキ厚みに調整された後、冷却装置２４及びダウンパスに設けられた冷却装置２７にて冷却され、最終冷却である浸漬冷却装置２８へ送られる。本発明よるノズルを用いた冷却設備を冷却装置２４及び２７へ適用することで、冷却効率を高め合金化炉全体を低層化することが可能となる。