(57)【要約】  【課題】鋼材熱処理設備の炉内ロール等に冷却水を循環流通させるポンプ動力コスト等を削減しながら冷却水の循環流通を行う冷却装置を提供する。  【解決手段】  冷却水ピット（10）から冷却水を水ポンプ（12）で汲み上げて炉内のハースロール(14１)等に通水し、該ロール等から排出される冷却水（冷却排水）を冷却水ピット(10)に返送する冷却水循環系路を有する鋼材熱処理設備において、ハースロール等から排出される冷却排水を一次的に貯留する冷却排水貯留槽（17）、ハースロール等から貯留槽（17）に冷却排水を導く導水管路（16）、貯留槽(17)内の冷却排水を流下させて冷却水ピットに導く放水管路（18）、放水管路(18)を流下する冷却排水により回転する水車（22）およびこれに連結された水車発電機（23）とを備え、水車発電機（23）で発電した電力を冷却水ポンプ（12）の駆動用電源(25)に供給するようにしている。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を熱処理する堅型加熱炉の炉内に設置されたハースロール及び機器類に、冷却水ピットから冷却水ポンプで汲み上げられる冷却水を通水すると共に、前記ハースロール及び機器類から排出される冷却水（以下「冷却排水」）を前記冷却水ピットに返送する冷却水循環系路を備えた鋼材熱処理設備において、
炉内の高所に位置するハースロール及び機器類から排出される冷却排水を一次的に集積貯留するための、該ハースロール及び機器類より低く、かつ冷却水ピットより高い位置に設置された冷却排水貯留槽と、
前記ハースロール及び機器類からの冷却排水を前記冷却排水貯留槽に導くための、前記ハースロール及び機器類の各冷却排水出口と該冷却排水貯留槽との間に設けられた導水ラインと、
前記冷却排水貯留槽に貯留された冷却排水を流下させて前記冷却水ピットに導くための、止水弁を介して該冷却排水貯留槽に接続された放水ラインと、
前記放水ラインの途中に設けられ、該放水ライン内を流下する冷却排水により回転する水車および該水車に連結された水車発電機とを備え、
前記水車発電機により発電した電力を、前記冷却水ポンプの駆動用電源に供給するように構成されていることを特徴とする鋼材熱処理設備における冷却水循環通水冷却装置。
【請求項２】
前記冷却排水貯留槽は、前記導水ラインに導かれた冷却排水を上部から散水し、空気との向流ないし直向流接触により冷却させ、冷却した冷却排水を下部の貯水部に貯留するようにしたクーリングタワー構造を有する請求項１に記載の鋼材熱処理設備における冷却水循環通水冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材を熱処理する堅型加熱炉の炉内ハースロール,機器類を炉内の高温雰囲気から保護するための冷却水を冷却水ピットからポンプアップして連続的に通水すると共に、前記ハースロール,機器類を通って排出される冷却水を前記冷却水ピットに返戻する冷却水循環系路を有する鋼材熱処理設備の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材を熱処理する加熱炉には、ハースロール,サイトホール,測温機器等の炉内・炉壁等に設置された部材・機器類を、高温雰囲気から保護するための冷却水循環系路が設けられている。図３は、鋼板の連続焼鈍等が行われる堅型加熱炉を示している。炉内に導入される被熱処理材（鋼板）(Ｓ)は、炉底側と炉頂側とに並列設置されたハースロール（１４）に架け渡されて上下方向に蛇行しつつ炉内を通過することにより熱処理される。
加熱炉が稼動している間、炉内のハースロール(１４)等は常時、冷却水ピット（１０）からポンプアップされる冷却水（Ｗ）の循環通水により冷却される。炉頂側のハースロール（１４１）に対する冷却水の送給は、電源（２５）に接続されたモーター（１１１）で駆動するポンプ（１２１）により送給管路 (１３１)を介して行われ、ロール内部を通過して排出された冷却水（冷却排水）は、冷却水返戻管路 (１５１)内を流下して冷却水ピット（１０）に返戻される。炉底側のハースロール(１４２)も同じように、冷却水はモーター（１１２）で駆動されるポンプ(１２２)により送給管路 (１３２)を通って送給され、該ロールから排出される冷却水は返戻管路 (１５２)を流下して冷却水ピット（１０）に戻る。
【０００３】
近年、環境保全，電力需給バランス確保等の観点から、エネルギーの有効利用、消費電力の節減対策等が大きな社会問題となり、太陽光発電設備や、燃焼排ガス等の熱エネルギーを利用した蒸気タービンによる発電等が普及しつつある。また、蒸気タービンに連結された復水器から排出される冷却排水の水力で水車発電機を駆動しプラント内の補助電源として利用する（特許文献１）、灌漑用水・河川水等で水車発電機を駆動して発電し、家庭用電力負荷等に供給する（特許文献２）、高層建物の屋上に降り注いだ雨水や建物内の雑排水を排出する際の落差を利用して水車発電し、建物内の電気負荷側に供給する（特許文献３）、廃棄物の焼却・熱分解処理装置に熱水利用施設を連結し、燃焼排ガスとの熱交換で加熱水を得ると共に、加熱水の水力で水車発電機を駆動して発電を行なう（特許文献４）等の提案がなされている。
【特許文献１】特開昭６３−０１６１０５号公報
【特許文献２】特開平０５−１６８２９８号公報
【特許文献３】特開平０８−２３７９９７号公報
【特許文献４】特開２００２−３０３２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記熱処理設備の炉内のハースロール(１４)等に対する冷却水のポンプアップによる供給は、炉が稼動している間、常時連続的に行うことを要する。炉内の高所（炉頂側）に配置されたハースロール（１４１）の高さや配置本数等は、設備規模により、例えば冷却水ピット水面からの高さは約２０ｍ前後ないしそれ以上となり、ロール本数も数十本ないしそれ以上の多数に及ぶ。図では、冷却対象としてハースロール（１４）のみを示しているが、この他にサイトホール,各種計測機器類等、冷却対象物は多数にのぼり、冷却水のポンプアップに多量の電力を必要とする。
ハースロール（１４）等から排出された冷却排水は、前記のようにそのまま冷却排水返戻管路(１５)を流下させて冷却水ピット（１０）に戻すというのが従来の通念であり、冷却排水の水力を利用して発電することはこれまで考慮されることがなかった。そこで、本発明は、堅型加熱炉内の高所に配置されたハースロール等からの冷却排水の落差を利用して電気エネルギーを得、これを冷却水ポンプの駆動電源に供給することにより、ポンプ動力コストを削減しつつ冷却水の循環流通による連続冷却運転を安定して行うことことができるようにした鋼材熱処理設備の冷却装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、鋼材を熱処理する堅型加熱炉の炉内に設置されたハースロール及び機器類に、冷却水ピット（10）から冷却水ポンプ（12）で汲み上げられる冷却水を通水すると共に、前記ハースロール及び機器類から排出される冷却水（冷却排水）を前記冷却水ピットに返送する冷却水循環系路を備えた鋼材熱処理設備において、
炉内の高所に位置するハースロール及び機器類から排出される冷却排水を一次的に集積貯留するための、該ハースロール及び機器類より低く、かつ冷却水ピット（10）より高い位置に設置された冷却排水貯留槽（17）と、
前記ハースロール及び機器類からの冷却排水を前記冷却排水貯留槽（17）に導くための、前記ハースロール及び機器類の冷却排水出口と該冷却排水貯留槽（17）との間に設けられた導水管路（16）と、
前記冷却排水貯留槽(17)に貯留された冷却排水を流下させて前記冷却水ピットに導く放水管路（18）と、
前記放水管路（18）の途中に設けられ、該放水管路内を流下する冷却排水により回転する水車（22）および該水車に連結された水車発電機（23）とを備え、
前記水車発電機（23）により発電した電力を、前記冷却水ポンプ（12）の駆動用電源(25)に供給するように構成されている。
【発明の効果】
【０００６】
炉内のハースロール等から排出された冷却排水は一旦貯留槽に集積貯留され、水車を回転できる量の冷却排水が貯留されると、止水弁が解放されて冷却排水は放水配管内を流下し、水車を回転させながらそこを通過して冷却水ピット内に流れ落ちる。冷却排水の流下による水車の回転力は発電機に伝達されて発電され、その電力は冷却水を汲み上げるポンプの駆動電源に供給される。加熱炉が稼動している間、常時炉内ハースロール等から貯留槽に一定流量の冷却排水が導入されるので、上記水車発電機による発電と冷却水ポンプ駆動用電源に対する水車電力の供給が安定して継続される。従って冷却水を循環通水する電力コストを削減しながら、冷却水の循環流通による炉内冷却運転を安定して行うことができる。また、冷却排水貯留槽としてクーリングタワー構造を採用して冷却排水（炉内を通過する間の熱交換により高温に加熱されている）の水温を下げてやれば、冷却排水の降温に伴う比重の増加および飽和水蒸気圧の降下等により水車発電効率及び電力コスト削減効果は更に高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明について実施例を示す図面を参照して説明する。
本発明の冷却装置は、冷却水ピットからハースロール（１４）等の炉内冷却対象物に冷却水を送る冷却水送給ライン（Ａ）と該冷却対象物を通過した冷却排水を冷却水ピットに戻す冷却排水返戻ライン（Ｂ）とを有する。冷却水送給ライン（Ａ）は、電源（２５）から電力を供給されるモーター（１１）（11１, 11２）、該モーター（11１, 11２）により駆動する冷却水ポンプ（１２）（12１, 12２）、および該冷却水ポンプ（12１, 12２）と炉内ハースロール（１４）（14１, 14２）を結ぶ冷却水送給管路（１３）（13１, 13２）等からなる。冷却水ポンプ（１２１）で汲み上げられた冷却水は、送給管路（１３１）を通って炉頂側のハースロール（１４１）に送られ、冷却水ポンプ（１２２）で汲み上げられた冷却水は送給管路（１３２）を通って炉底側のハースロール（１４２）に送給される。この冷却水送給ライン（Ａ）の構成及び動作は、前記図３に示した従来のそれと異ならない。
【０００８】
冷却水返戻ライン（Ｂ）は、炉内高所のハースロール（１４１）から排出される冷却排水を一時的に集積貯留する冷却排水貯留槽（２１）、前記ハースロール（１４１）の冷却排水出口（ロール軸受け部に位置し炉外に開口している）と冷却排水貯留槽（１７）との間に設けられた冷却排水導水管路（１６）、冷却排水貯留槽（１７）に貯留された冷却排水を冷却水ピット（１０）に戻すための、該貯留槽（１７）の底部に接続された放水管路（１８）、該放水管路（１８）の途中であってハースロール（１４１）より低く、かつ冷却水ピット（１０）より高い位置に設けられた水車（２２）及びこれに連結された水車発電機（２３）等を有する。
【０００９】
冷却排水貯留槽（１７）及び水車（２２）の設置位置は、冷却排水による水車発電のための有効落差ができるだけ大きくなるように、冷却排水貯留槽（１７）については、ハースロール（１４１）から貯留槽（１７）への冷却排水の導入を妨げない範囲内でできるだけ高くし、水車（２２）は、そこを通過した冷却排水の冷却水ピット（１０）への流下が妨げられない範囲内でできるだけ冷却水ピット（１０）の水面高さに近い位置に設置する。
【００１０】
ハースロール（１４）から導水管（１６）を通って貯留槽（１７）に流れ込む冷却排水には気泡が混入している。気泡の混入は冷却排水の見掛け比重を小さくし、それだけ水車（２２）に対する冷却排水の水力が減じる。冷却排水を一旦貯留槽（１７）に貯留することにより混入気泡が抜去され、水力の損失が回避される。
【００１１】
冷却排水貯留槽（１７）は、所定量の冷却排水が集積貯留されるまでの間、その底部の放水管路（１８）を閉じておく。このために、該貯留槽（１７）に貯留量を検出する液面計（１９）を設けると共に、放水管路（１８）に止水弁（２０）及び前記液面計（１９）の検出信号で駆動する止水弁駆動体（２１）を設けておき、液面計（１９）からの信号により止水弁（２０）の開閉を行うようにするのがよい。貯留槽（１７）に所定量の冷却排水が溜まると、液面計（１９）の信号により止水弁（２０）を開いて貯留槽（１７）から放水管路（１８）に冷却排水を流す。放水管路（１８）は、そこを流下する冷却排水の流量が、前記導水管路（１６）を通って前記貯留槽（１７）に流れ込む冷却排水の流量と均衡するように、配管抵抗，水車抵抗，及び貯留槽（１７）から受ける水圧等を考慮して設計されている。
【００１２】
放水管路（１８）の止水弁（２０）を開いて貯留槽（１７）から冷却排水を放水管路（１８）に流下させると、その水力により該管路（１８）に設けられている水車（２２）が駆動され、水車（２２）が駆動すると、これに連結された水車発電機（２３）による発電が行われる。水車発電機（２３）で発電された電力は、水車電力供給線（２５）を経て冷却水ポンプ駆動用電源（２５）に供給される。水車（２２）を通った冷却排水はそのまま下方の冷却水ピット（１０）に流れ込む。上記水車（２２）と発電機（２３）とは、主軸同士が一直線上に接続されたタイプ、水車（２２）の主軸と発電機（２３）の主軸とがベルトプーリー等で連結されたタイプのもの等が使用される。また、発電機を内蔵したビルトイン型の水車構造のものは、水車（２２）と発電機（２３）とが放流管路（１８）内に設置されるので、設置スペースが少なくて済みレイアウト上の制約が緩和される。
【００１３】
ところで鋼材加熱炉（Ｆ）において、炉内ハースロール（１４１）等から排出される冷却水は、ロール内部を通過する間の熱交換により高温に加熱されている。例えば焼鈍用加熱炉（炉内温度：約700-800℃）の炉内ハースロールを通過した冷却水は、約５０〜７０℃の熱水として排出される。水の比重は温度上昇と共に小さくなり、例えば３０℃での比重約０.９９５７に対し、６０℃のそれは約０.９８３３となる。この場合、温度約６０℃の熱水として貯留槽（１７）に回収される冷却排水を、約３０℃に冷却して放水管路（１８）を流下させることとすれば、同一体積の冷却排水で、約１.２６mass％の重量増となり、それだけ水車（２２）に対する水力が増し水車発電の発電量が高められる。
また、冷却排水が約６０℃の熱水である場合、その飽和蒸気圧は約１.９９０×１０４Ｐａであるのに対し、温度約３０℃におけるそれは約０.４２４×１０４Ｐａへと大きく低下する。このことは、放水管路（１８）を流下する冷却排水内部における気泡の発生を抑え、気泡による冷却排水の見掛け比重の低下・水力の低減を抑制し、水車発電を安定に行わせるのに有効である。
【００１４】
上記のように貯留槽（１７）に熱水として導入される冷却排水の温度を下げて水車（２２）に供給することは、水力発電の発電効率を高めるのに有効であり、そのために貯留槽（１７）としてクーリングタワー構造を適用するのが好ましい。クーリングタワーは、周知のように、冷却しようとする熱水を、空気との向流または直・向流接触により、その一部を蒸発させて冷却する装置である。これは、熱水と空気の接触方式により飛沫型, 水滴型,水膜型等に分類されるが、貯留槽（１７）として適用する場合の選択は任意である。
【００１５】
図２は、冷却排水貯留槽（１７）をクーリングタワー構造として構成した例を示している。この貯留槽（１７）は、タワー頂部に送風機（１７１）を有し、下部に貯水部（１７２）を有している。送風機（１７１）はタワー側面から空気を内側に吸引し頂部から排出する強制空気流を形成する。冷却排水導水管（１６）により導かれる冷却排水は、タワー頂部側から内部に導入され、飛沫もしくは水滴として散水され、または水膜として流下しつつ、空気流との接触により、例えば３０℃以下の水温に冷却されて下部の貯水部（１７２）に貯留される。貯水部（１７２）は、前記図１の貯留槽（１７）と同じように冷却排水の貯留量を検出する液面計（１９）を有し、底部に放水管路（１８）が接続されこれに止水弁（２１）が設けられている。貯水部（１７２）に蓄えられた冷却排水は放水管路（１８）を流下し水車（２２）及びこれに連結された水車発電機（２２）を駆動して発電する。
【００１６】
冷却排水返戻ラインの放水管路（１８）に設置された水車（２２）と水車発電機（２３）により発電される電力Ｐは次式で求められる。
Ｐ=9.8・Ｑ・Ｈ・ηr・ηg（ｋＷ）
式中、Ｑ：放水管路内の冷却排水流量（ｍ３/ｓ）
Ｈ：貯留槽と水車との間の有効落差（ｍ）
ηr：水車効率、ηg：発電機効率
いま冷却排水貯留槽（１７）と水車（２２）との間の有効落差Ｈが２０ｍ、放水管路（１８）の冷却排水流量Ｑが０.０５ｍ３/ｓである冷却排水返戻ラインにおいて、その水車効率ηr０.９、発電機効率０.９である場合を例に挙げて、発電される電力を試算すると、約７.９ｋＷとなる。
【００１７】
熱処理設備の加熱炉は、稼動状態において常時、炉内ハースロール（１４）等に対する冷却水の循環流通が行われ、その系内を循環する冷却水の流量は略一定に保持される。従って前記放水管路（１８）に設置された水車（２２）及び水車発電機（２３）は炉が稼動している間、安定して連続駆動され、常時一定の電力が発電される。上記水車電力の試算例では、年間約６９.５４ＭＷＨの電力量となり、これを冷却水供給ラインの冷却水ポンプ駆動用電源等に供給することができる。
【００１８】
本明細書にいう「炉内高所」とは、水車発電に必要な冷却排水の有効落差が確保され得る高さを意味している。前記説明では、加熱炉内の炉頂側のハースロール（１４１）についてのみ、その冷却排水を利用して水車発電を行わせることしているが、それ以外の部材・機器（サイトホール,計測器等）等から排出される冷却排水について、水車発電に必要な冷却排水の有効落差があれば、その冷却排水を前記貯留槽（１７）に合流させ、又はこれとは別の冷却排水返戻管路を形成して水車（２２）及び水車発電機（２３）による水車発電を行うようにするとよい。炉底側のハースロール（１４１）についても、図１ではその冷却排水をそのまま返戻管路（１５２）を介して冷却水ピット（１０）に戻しているが、冷却水ピット（１０）との高さ位置関係により、水車発電に必要な有効落差が確保される配置構成であれば、前記ハースロール（１４１）のそれと同じように水車（２２）及び水車発電機（２３）を備えた冷却排水返戻管路を形成し、その位置エネルギーを水力電力として回収することができる。
【００１９】
なお上記冷却排水返戻ラインで得られる水車電力は、冷却水ピット（１０）の冷却水を汲み上げる冷却水ポンプ（１１）の駆動電源に供給されるほか、例えば冷却排水貯留槽（１７）をクーリングタワー構造（図２）とする場合に必要な送風機等の駆動力として、あるいは工場・施設内の他の個所に供給する等、その利用形態は任意である。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明によれば、鋼材熱処理設備の炉内高所のハースロール等からそのまま冷却水ピットに返戻されていた冷却排水の落差を利用した水力発電により電気エネルギーを回収することができる。炉内ハースロール等に対する冷却水の循環流通は、加熱炉の稼動状態において常時連続的に行われ、その流量は常に略一定に維持されているので、上記水車発電により常時一定の電力が安定して得られ、これを冷却水のポンプ動力として供給することにより、電力コストを削減しながら冷却水の循環流通による冷却運転を安定に維持することができる。水車発電により得られる電力は、所望により工場・施設内の他の個所に適宜供給してその電力コストの削減を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る鋼材熱処理設備の冷却装置の実施例を示す系統図である。
【図２】本発明における冷却排水貯水槽の他の例を示す正面説明図である。
【図３】従来の鋼材熱処理設備の冷却装置を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０：冷却水ピット
１１（11１,11２）：冷却水ポンプ駆動用モーター
１２（12１,12２）：冷却水ポンプ
１３（13１,13２）：冷却水供給管路
１４（14１,14２）：ハースロール
１５（15１,15２）：冷却水返戻管路
１６：冷却排水導水管路
１７：冷却排水貯留槽
１８：冷却排水放水管路
１９：液面計
２０：止水弁
２１：止水弁駆動体
２２：水車
２３：発電機
２４：水力電力供給線
２５：冷却装置駆動用電源
Ｆ：加熱炉
Ｓ：鋼材
Ｗ：冷却水
【図１】
2005249230.tif 000003
【図２】
2005249230.tif 000004
【図３】
2005249230.tif 000005