(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の鋼材に、空気と水の混合冷媒を噴霧し、該鋼材を常温まで冷却するに際し、
前記水の水滴径を、被冷却面温度＞２００℃の時は、最大粒径が１００μｍ超えとし、２００℃≧被冷却面温度≧５０℃の時は、最大粒径が１００μｍ以下とすると共に、最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度をその破壊衝突速度超えとして前記噴霧を行い、被冷却面温度が５０℃未満では空気のみで冷却することを特徴とする鋼材の冷却方法。
【請求項２】
前記混合冷媒を別途に圧縮空気で加速することを特徴とする請求項１記載の鋼材の冷却方法。
【請求項３】
前記鋼材が、製造ラインを鉛直方向に走行中の鋼板あるいは鋼帯であることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼材の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の冷却方法に係わり、特に、鋼材の被冷却面に水分が残らない所謂「乾燥状態」に維持しつつ、短時間で冷却が可能な冷却技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所では、連続鋳造された鋳片を品質良く凝固したり、熱間圧延された鋼帯を所望通りに熱処理したり、あるいは常温まで冷却したりするため、鋼種やサイズの種々異なる鋼材（この場合、鋳片、鋼帯、形鋼、鋼板等の全てを指す）を水で冷却することが多い。従って、従来より、冷却に使用する水噴射ノズルや冷却方法に関して多くの研究がなされ、公表されたものも数えきれない。
【０００３】
ノズルの構造についてみると、最近は、従来から用いられている高圧水のみを噴射させる単相流体噴霧ノズルに代わり、冷却能力を適宜調整可能とするために、水と圧縮気体（主として空気）とを、それぞれの量比を変えて混合し、冷媒とする二流体噴霧ノズルが一般に用いられるようになってきた。例えば、特開昭５９−２９０５５号公報は、連続鋳造された鋳片の幅方向で水量分布をできるだけ均一にするため、「ノズルチップの内側端面を凹んだ球面状にすると共に、該先端部に開設された先端開口部の入側部に凹んだ混合流体の流入ガイド面を設けた」ことを特徴とする気水ノズルを提案している。また、特開昭６２−７４００号公報は、製造ラインを走行中の鋼帯の幅方向で均一な冷却を行なうため、気体と水の混合状態をノズル内の流路を広くしたり、狭くすることで改良することを開示している。さらに、特開平３−２３８０６２号公報は、「気体導入部並びに液体導入部を有する混合器に噴出オリフィスを有するノズル部が装着され、混合器内において気体導入部から導入された気体と液体導入部から導入された液体とが混合されてノズル部の噴出オリフィスから気液が噴出される噴霧用ノズルにおいて、噴出オリフィスからの気液の噴霧角をミストの噴霧状態、分布を損なうことなく調整可能な空気流を噴出する調整オリフィスを別途設けた」ことを特徴とするノズルを開示している。つまり、気液流に加え、該気液流を加速する空気をも同時に吹ける構造のノズルである。
【０００４】
熱延鋼帯の冷却方法については、ノズルの他、特開平２−１９７３１２号公報に開示されたように、走行中の熱延鋼帯に注水された冷却水が膜沸騰する高温域では、鋼帯搬送路の上下両側に設けた冷却水ヘッダから両面に注水し、冷却水の沸騰が膜沸騰から核沸騰に移行する遷移沸騰領域では、下面に冷却水を注水する」技術が開示されている。
【０００５】
ところで、かかる従来の技術は、鋼鋳片、鋼板等、鋼材の幅方向あるいは全体の均一冷却に主眼がある。しかしながら、鋼材の冷却では、例えば熱処理、表面処理のように、冷却に用いた冷媒（水が多いが）を冷却後にいつまでも該鋼材に保持しておきたくない場合もある。つまり、残留した水が鋼材の熱処理条件に影響を与えたり、錆や冷却ムラの発生等が生じ、製品の品質を損なう恐れがあるからである。かかる問題を解消するには、冷却時及び冷却後の鋼材表面が極力乾燥状態（以下、ドライ状態ともいい、噴霧した水が被冷却面に残らない状態をいう）で、且つ短時間での冷却が必要である。しかしながら、このような観点での研究、開発は従来見られず、鋼材の冷却方法は、もっと改良する余地があるのが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、高温状態の鋼材を、水で濡らすことなく短時間で冷却可能な鋼材の冷却方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するたのの手段】
発明者は、上記目的を達成するため、鋼材の冷却について鋭意研究し、その成果を本発明に具現化した。
【０００８】
すなわち、本発明は、高温の鋼材に、空気と水の混合冷媒を噴霧し、該鋼材を常温まで冷却するに際し、前記水の水滴径を、被冷却面温度＞２００℃の時は、最大粒径が１００μｍ超えとし、２００℃≧被冷却面温度≧５０℃の時は、最大粒径が１００μｍ以下とすると共に、最大粒径の水滴の被冷却面における衝突速度をその破壊衝突速度超えとして前記噴霧を行い、被冷却面温度が５０℃未満では空気のみで冷却することを特徴とする鋼材の冷却方法である。
【００１０】
また、本発明は、前記混合冷媒を別途に圧縮空気で加速することを特徴とする鋼材の冷却方法である。
【００１１】
さらに、本発明は、前記鋼材が、製造ラインを鉛直方向に走行中の鋼板あるいは鋼帯であることを特徴とする鋼材の冷却方法である。
【００１２】
本発明によれば、鋼材の被冷却面にかかった水を速やかに蒸発するようにしたので、高温状態の鋼材を、水で濡らすことなく短時間で常温まで冷却できるようになる。その結果、冷却ムラ、錆等のない品質に優れた製品鋼材が製造できるようになった。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明は、製鉄所において鋼材を連続的に冷却する工程で利用される。例えば、図６に示すような溶鋼を連続鋳造する際の鋳片の二次冷却、図７に示すような表面処理工程で溶融亜鉛めっきを合金化した後の鋼帯の冷却等が挙げられ、鋼材の進行方向に沿って複数の水噴射ノズルを配列して行なわれる。これらの冷却は、鋼材を水平に走行させて水をかける場合と、図６及び７に示したように、鉛直方向に走行させた場合とがあるが、本発明では、後者への適用がより好ましい。
【００１５】
発明者は、被冷却面にかかった水を速やかに蒸発することが、乾燥状態を維持した冷却の要件と考え、その要件を達成するための具体的手段について鋭意研究した。そして、噴霧する水の水滴径を適正にすること（第１要件）及び水滴の被冷却面に衝突した際の破壊程度を増加させること（第２要件）で、目的を達成させたのである。
【００１６】
まず、第１の要件である噴霧する水の水滴径の適正化について説明する。
【００１７】
それは、水の蒸発速度が温度に依存していることに着眼し、鋼材の被冷却面温度が高い時には、水滴が大きく、低い時には、水滴が小さなるように水を噴霧することである。鋼材はある一定速度で走行しているので、進行方向の位置に沿って温度が低下して行く。従って、具体的には、進行方向に沿い離隔して多段に配列した各ノズルの噴霧する水の水滴径（実際には径分布）を調整することでこの要件を達成する。
【００１８】
図１に、発明者が試験で得た噴霧水の水滴の最大粒径及び被冷却面温度と鋼材被冷却面の湿潤状態との関係を示す。図１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及び被冷却面温度に依存していることが明らかである。
【００１９】
なお、図１に示す被冷却面が乾き状態と湿り状態の境界線（１）及び湿り状態と濡れ状態の境界線（２）は、それぞれ下記（１）式及び（２）式で表される。
【００２０】
Ｒmax ＝−０．００２９３３×Ｔ2＋１．２００Ｔ−２２．６７……（１）
Ｒmax ＝−０．００２５９７×Ｔ2＋１．４２２Ｔ−２３．５１……（２）
ここで、Ｔは被冷却面温度（℃）、Ｒmaxは噴霧水の水滴の最大粒径を示す。また、水滴の粒径の測定は、公知の所謂「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ている。
【００２１】
図１より、（１）式より上方になるように噴霧水の水滴の最大粒径Ｒmaxを調整すれば、被冷却面を乾き状態に維持できる。つまり、各ノズル毎に上記関係を満足させるように、水を噴霧させるのである。
【００２２】
しかしながら、実用に際しては、各ノズル毎に水滴径を調整するのは、煩雑でわずらわしい。そこで、本発明では、前記水の水滴径を、被冷却面温度＞２００℃の時は、最大粒径が１００μｍ超え又は平均粒径が８５μｍ超えとし、２００℃≧被冷却面温度≧５０℃の時は、最大粒径が１００μｍ以下又は平均粒径が８５μｍ以下として、最低２種類の水滴径の利用でも良いように簡略化した。
【００２３】
これは、図１に基づいた下記の考えによるものである。
【００２４】
（ａ）：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。
【００２５】
（ｂ）：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。
【００２６】
つまり、図１から明らかなように、冷却面温度が２００℃以下の場合、水滴の最大粒径が１００μｍ超え又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。
そして、最終的に、５０℃＞被冷却面温度になったら、被冷却面が非常に濡れ易いので、空気のみの冷却によって、水滴による濡れの防止と一部湿り状態となっている箇所の乾燥を行なうのである。
【００２７】
なお、以下、水滴の最大粒径が１００μｍ超え又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１００μｍ以下又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。
【００２８】
本発明では、この水滴径の調整を実際に行なうには、鋼材の温度が５０℃になるまでは、空気と水の混合冷媒を噴霧するノズルを、５０℃未満では送風機を使用する。そして、ノズルからの噴霧水の水滴径を噴霧水の量と圧縮空気のノズルへの供給圧力とを変更して調整する。発明者は、このノズルからの噴霧水の水滴径と、噴霧水の量及び圧縮空気のノズルへの供給圧力との関係を別途求め、それを図２に示す。図２から明らかなように、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とを変更することで、噴霧水の水滴径が調整できる、つまり、ミスト冷却とフォグ冷却の両者が選択可能である。
【００２９】
次に、第２の要件である噴霧水の流速について説明する。それは、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である。発明者が衝突流速について検討した結果を図３に示す。図３は、平均粒径３０μｍの水滴を固体面に衝突させた場合の例であるが、流速が２．５ｍ／ｓｅｃであると、噴霧水のうち水滴径が３０μｍ以上の水滴が破壊される。また、図４に、水滴径と破壊衝突速度との関係を示す。図４によれば、平均粒径３０μｍの噴霧水では、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とが明らかである。
【００３０】
これらの検討結果から、発明者は、この程度の衝突速度は実際の冷却で実施可能であると判断し、衝突速度を水滴の破壊速度超えとする第２の要件を考えた。つまり、これによって、水の蒸発が起き易くすると共に、水滴をできるだけ破壊して水の蒸発を促進するばかりでなく、蒸発潜熟を有効に利用するようにしたのである。
【００３１】
従って、本発明は、この第２の要件を前記第１の要件と併用することで、噴霧した水を速やかに蒸発さえても（乾燥状態で）、従来より冷却効果が高まり、短時間での冷却を達成されるのである。
【００３２】
また、本発明では、前記水滴の被冷却面における衝突速度を具体的に増す手段として、別途に準備した圧縮空気を、水と圧縮空気を混合した冷媒とは別流路で、同一ノズルに供給し、吐出せしめることも考えた。すなわち、水噴霧用の圧縮空気とは別個に、ノズルチップの前記冷媒吐出孔の外周から該冷媒の吐出方向に圧縮空気を吐出せしめ、前記した冷却効果を高めるようにした。
【００３３】
なお、前記した平均粒径が３０μｍの水滴の場合、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５に示すようになる。図５より、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ことがわかる。つまり、図５の関係は、噴霧する水の最大粒径の水滴が鋼材に衝突する速度を、最大粒径の水滴の破壊衝突速度超えとすれば、鋼材の短時間冷却が達成できることを示唆している。
【００３４】
【実施例】
合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造ラインに、本発明に係る冷却方法を適用した。
【００３５】
つまり、前記図７に示した製造ラインにおいて、合金化炉から抜け出し、鉛直方向に走行している鋼帯の表面に、水と圧縮空気からなる混合冷媒に加速用空気を加えて、鋼帯に吹き付けた。その際のノズル配置状況を図８に示す。鋼帯１の表面温度は、４５０℃、走行速度は１００ｍ／ｍｉｎである。また，鋼帯１の幅は、１２００ｍｍであったので、幅方向に長いスリット状開口を有するノズル２を水平にして６５段に配置し、高さ方向における各ノズル２の間隔は、３００ｍｍとした。各ノズル２からの混合冷媒３の噴霧条件、及び圧縮空気の流量を表１に示す。つまり、表１から明らかなように、鋼帯１の進行方向に沿って鋼帯１の温度変化が生じるので、本発明に従い、その温度に応じて混合冷媒３の噴霧条件を変化させた。また、別途の圧縮空気での加速も行なっている。
【００３６】
その結果、本発明の実施中は、鋼帯１下方への水だれは一切起きなかった。鋼帯１の冷却状況を温度で評価し、図９に示す。図９より、４５０℃より１００℃まで、１２秒分という短時間で冷却ができている。
【００３７】
一方、従来通りの混合冷媒の噴霧条件（表１及び図９のミスト冷却のみに相当）で冷却した場合も、表１及び図９に同時に示すが、水だれが発生した。
【００３８】
なお、表１に示した本発明の実施条件は、フォグ冷却時（Ｎｏ．１５ノズルからＮｏ．６５ノズルまで）は、水滴の平均粒径が３０μｍの噴霧水であり、噴霧水の最大粒径４５μｍの水滴が被冷却面に速度２．２ｍ／ｓｅｃ以上で衝突することになる。
【００３９】
【表１】
0004507341.tif 000002
【００４０】
なお、上記実施例は、合金化溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却の場合であるが、本発明は、それに限らず、連続鋳造機での鋳片の二次冷却、鋼板の連続焼入れのための冷却等にも、噴霧条件を適宜選択することで適用できることは、言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、高温の鋼材を、その表面を濡らすことはく、短時間で冷却することが可能となる。その結果、冷却ムラ、錆等のない品質に優れた製品鋼材が製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】噴霧水の水滴の最大粒径及び被冷却面温度と、被冷却面の湿潤状態との関係を示す図である。
【図２】噴霧水量及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である。
【図３】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４】液滴径と破壊衝突速度との関係を示すグラフである。
【図５】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６】一般的な連続鋳造機で鋳片の二次冷却を示す図である。
【図７】一般的な合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造ラインを示す図である。
【図８】図７に示した合金化炉の下流に配置した冷却ノズル群例を示す図である。
【図９】本発明に係る鋼材の冷却方法を実施した結果としての、鋼材の温度変化を示す図である。
【符号の説明】
１  鋼帯
２  ノズル
３  混合冷媒
４  取鍋
５  タンディッシュ
６  二次冷却ノズル
７  ピンチロール
８  鋳片
９  めっき浴槽
１０  スナウト
１１  シンクロール
１２  サポートロール
１３  ワイピングノズル
１４  合金化炉
１５  送風機
１６  めっき浴
１７  空気
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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