JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）p. 34-39

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響
Effect of Scale Thickness on Spray Cooling福田啓之

FUKUDA Hiroyuki

JFE スチール

スチール研究所

圧延・加工プロセス研究部

主任研究員（課長）上岡悟史

UEOKA Satoshi

JFE スチール

スチール研究所

圧延・加工プロセス研究部

主任研究員（副部長）

中田直樹

NAKATA Naoki

JFE テクノリサーチ

取締役西日本ソリューション本部長・博士（工学）要旨
スケール厚さがスプレー冷却特性および衝風冷却特性に及ぼす影響を実験的に調査した。厚さ 20 mm の SUS304
鋼を母材として用い，人工スケールとして，Al2O3 の粉末を溶射した。Al2O3 の皮膜厚さは 50～210 μ m である。
実験結果として，スプレー冷却時および衝風冷却時に人工スケールは熱抵抗層として作用した。スプレー冷却では，表面温度に依存する特性である膜沸騰時の冷却速度および界面での見かけのクエンチ点温度が Al2O3 の皮膜厚さとともに増大した。

Abstract:
The influence of surface conditions such as scale thickness on water spray cooling and air jet cooling characteristics
was investigated by laboratory experiment. SUS304 stainless steel with the thickness of 20 mm was used as a sample.
An artificial scale layer was formed on the sample surface by thermal-spraying using Al2O3 powder. The thickness ofthe Al2O3 layer varied from 50 μ m to 210 μ m.
The artificial scale layer showed a thermal resistance function in both water spray cooling and air jet cooling. In
water spray cooling, the cooling rate during film boiling, which depends on surface temperature, and the apparent
quench point temperature at the interface increased with Al2O3 scale thickness.

1． はじめにる熱量が加速度的に増大するため，冷却水量や水冷時間を調節して鋼材を所定の温度まで高精度で均一に冷却するた

近年の自動車の燃費向上および衝突安全性に対する規制

めには，膜沸騰，遷移沸騰，核沸騰それぞれの冷却能力，強化から，各自動車メーカーは，車体に使用する鋼板へのすなわち水冷熱伝達率や，膜沸騰から遷移沸騰に移行する高張力鋼板の適用拡大を進めている。また，エネルギー資温度（以下，クエンチ点温度と呼ぶ）を正確に把握するこ源需要の増大から，パイプラインにおいては，高圧操業化，とが重要となる。

高深海化に伴う厚板の高強度化が進んでいる。海外鉄鋼メー

こうした背景から，鋼材の水冷において，膜沸騰から遷カーとの競争が激化している中で，国内鉄鋼メーカーは価移沸騰に移行する現象についての研究は，これまで数多く格 競 争 力 を 維 持 す る た め に TMCP（Thermo Mechanical

なされてきた1-7）。三塚らは，炭素鋼を用いたスプレー冷却Control Process）技術を開発，適用している。所望の材質実験を行い，冷却能力の指標である水冷熱伝達率を流量密を得るためには，熱延のランアウト冷却や厚板の加速冷却度と鋼板表面温度で整理した式で表せることを明らかにしなどの製造プロセスにおいて，水冷による温度制御が重要たが ，スケール厚さや表面粗さの影響は定量的に示してはとなる。冷却方法としては，熱延ランアウトの上面に使用さいなかった。

1）

れるラミナー冷却や下面のスプレー冷却などがある。

その後，スケール厚さの影響を調査するために，玉利ら

熱延後の鋼板を水冷して造り込むミクロ組織は，多くのは炭素鋼の加熱時間を，また加藤らは炭素鋼の Ni 含有率を場合，フェライト-パーライト組織である。近年は，ベイナイ変えてスケール厚さを変化させ，スプレー冷却実験を行っ

ト組織や複合的な組織を持つ高張力鋼板を造り込む技術のた。いずれの実験でも，スケールが厚いほどクエンチ点温進歩が著しい。例えばベイナイト組織からなる熱延鋼板で度が高くなるという結果になったは，ランアウトテーブルで 450～500℃程度まで水冷して造では，スケール厚さが異なるとそれにともなって表面粗さもり込むが，膜沸騰の途中で遷移沸騰に移行する場合がある。

変化してしまった可能性があり，スケール厚さや表面粗さな膜沸騰から遷移沸騰に移行すると，鋼材表面から流出すどの影響が複合的に現れた結果を示したものと考えられる。

6, 7）。しかし，これらの実験

本研究では，スケール厚さのみを単独に変化するパラメー
2018 年 2 月 13 日受付

タとした冷却実験を行い，膜沸騰，遷移沸騰および核沸騰－ 34 －

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スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響での熱伝達率やクエンチ点温度などの冷却特性に及ぼす影響を個別に評価した。
SUS304 鋼を母材として，Al2O3 粉末を表面に溶射して厚さの異なる擬似的なスケール層を形成させた試料を用いて，スプレー冷却を行った。
また，水の沸騰現象を伴わない衝風冷却を行い，スプレー冷却での結果と比較することで，スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼすメカニズムについて検討を行った。
図 1 スプレー実験装置概略
Fig. 1

2． 実験方法および実験条件
2.1冷却実験試料

13)

Experimental apparatus of spray cooling
表 2 スプレー冷却実験条件

Table 2

表 1 に，実験に使用した試料の一覧を示す。母材は，実13）

13）
13)

Experimental conditions in spray cooling tests

験時の変態やスケール生成・剥離による不安定要素を排除

Reheating temperature

620˚Cするために SUS304 鋼とした。 寸 法 は 板 厚 20 mm，板 幅

Cooling start temperature

560˚C140 mm，長さ 130 mm とした。

Water temperature

30˚C

スケール厚さの影響を調査するため，SUS304 鋼の母材表

Water flow rate

面に Al2O3 の粉末を溶射して，厚さの異なる擬似スケールが0.00167, 0.00667,
320.0117 m /m s

Injection distance

530, 265, 200 mm

Mean droplet diameter

330 µmMean droplet velocity

10 m/s

付着した試料を作製した。擬似スケール厚さは，溶射時間を変更することで 50～210 μ m の範囲で変化させた。溶射後，表面粗さが 1.5 μ mRa 程度にそろうように研磨を施した。
試料には加熱温度や冷却時の温度変化を測定するために，175 mm，長さ 175 mm の領域（広がり角 37°に相当）で均冷却面中央の表層から 2 mm の深さに ϕ 0.5 の K シース熱電一であることを確認している。位相ドップラー法によりノズ対を埋め込んだ。

ルから 200 mm 離れた位置で測定したスプレー冷却水のザ

2.2

ウター平均粒子径は 330 μ m，平均流速は 10 m/s であった。

スプレー冷却実験

電気炉内を窒素封入しながら試料を 620℃まで加熱した後

図 1 にスプレー冷却実験装置を，表 2 に実験条件を示す。に，炉から取り出して架台に固定した。この後，シャッター水温を 30℃に保った貯水槽から冷却水をポンプで供給し，を閉じた状態でスプレーノズルから冷却水を噴射し，熱電試料上方に取り付けた広がり角 50°で噴射領域がほぼ正方形

対が示す試料温度が 560℃になった時点でシャッターを開放となるスプレーノズルから，所定の流量密度で冷却面全面し，ほぼ常温になるまで冷却した。に噴射した。冷却水温はスプレーノズル出口で 30℃であっ2.3

たが，試料表面に衝突する時点では 28～29℃に低下してい衝風冷却実験

た。スプレー液滴の大きさおよび噴射速度を同じ条件とする

図 2 に衝風冷却実験装置を示す。コンプレッサにて加圧た め，ノ ズ ル 流 量 は 24 L/min で 一 定 とし， 噴 射 距 離 をしたエアをヘッダに供給し，幅 150 mm，長さ 250 mm のヘッ2530 mm とし，流量密度を 100 L/m min に調整した。流量

ダ噴射面に幅方向 20 mm，長手方向 17 mm ピッチ，直径

密度は，ノズル流量を広がり角度 50°で計算される正方形のϕ 2.5 の噴射孔から 20℃のエアを放出した。エアの噴射距離噴射面積で除した値として算出した。なお，このノズルの流は 15 mm とし，バルブの開度を調整することで流量密度は

量密度分布は，噴射距離 265 mm の条件で，20 mm 角の正方 形 の 受 水 口 を も つ 桝 を 幅 方 向 に 並 べ て 測 定 し， 幅
表 1 試料の表面性状
Table 1Coating layer

13）
13)

Surface conditions of specimen
Thickness (μ m)Roughness (μ mRa)

Al2O350

1.61001.51701.32101.4

図 2 衝風実験装置概略

Base material: SUS304 20 ×140 ×130 mm
tWLFig. 2－ 35 －13）
13)

Experimental apparatus of air jet cooling

JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響

表 3 衝風冷却実験条件
Table 313）
13)

Experimental conditions in air jet cooling tests

Cooling area

150 mm×250 mm

Injector hole

ϕ 2.5 20×17 mm pitch

Reheating temperature

620˚C

Cooling start temperature

560˚C

Air temperature

20˚C

Air flow rate230 Nm /m min

Injection distance

15 mmTransferring speed

0.05 m/s

3322

230 Nm /m min とした。噴射孔出口でのエアの平均噴射速度は 243 m/s である。実験中は，冷却の強弱が平滑化されるようにヘッダの噴射範囲内で試料を長手方向にオシレーションした。
表 3 に実験条件を示す。加熱は 2.2 節で示した条件と同じとした。試料は，炉から取り出して搬送台車に固定した後，速度 0.05 m/s，ストローク 120 mm ，周期 4.8 秒でヘッダの噴射範囲内をオシレーションさせ，熱電対温度が 560℃になった時点でバルブを開放してエアを噴射し，ほぼ常温になるまで冷却した。

2.4

母材表面での温度履歴の解析

表面性状が冷却特性に及ぼす影響を定量的に把握するため，熱電対で測定したデータをもとに温度解析を行い，母材表面での温度履歴を求めた。
試料の搬送方向および幅方向ではある程度均一な冷却が行われていると考え，板厚方向の一次元の伝熱問題として

図 3 スケール厚さが界面でのスプレー冷却特性に及ぼす影響

13）

Fig. 3 Effects of scale thickness of spray cooling characteristics
13)
at interface

解析した。母材内部の温度 T は，板厚中心からの距離を Y（m）
2

ここで，qrad は輻射熱流束（W/m ），q1 は放冷，水冷およとして，熱伝導方程式（1）で表せる

2び衝風冷却の熱流束（W/m ），σ はステファン・ボルツマ

2∂T
λ ∂T=∂tc ρ ∂Y 2………………………………… （1）－8ン定数（5.67×10W/m K ），ε は輻射率，α は放冷，水冷
23（J/kg K），ρ は密度（kg/m ）である。熱伝導率，比熱およ

温度（K），Ta は冷却媒体（エアまたは水）の温度（K）である。
上記のモデルを用いて，冷却面表層 2 mm の温度履歴がび密度には，母材である SUS304 鋼について報告されている
8）

熱電対で測定した値と一致するように，門出らの非定常熱を用いた。

板 厚 h（mm） の 母 材 表 裏 面（Y＝±h/2） で の 熱 流 束2

∂T∂Y

伝導逆問題解析法

9）を用いた伝熱計算を行った。スケール

層が極めて薄く，その熱伝導率も明らかになっていないため，

q（W/m ）は（2）式で表せる。
q = −λ4および衝風冷却での熱伝達係数（W/m K），Ts は母材表面

ここで，t は時間（s），λ は熱伝導率（W/m K），c は比熱値2

加藤らが行ったのと同じように，スケール層を無視して計算…………………………………… （2）放冷，水冷および衝風冷却での q は（3）～（5）式で与えた。

7）を行い ，冷却面での熱伝達率を求めた。

3． 実験結果
3.1

q = q rad + q1 …………………………………… （3）q rad = σε T s4 − Ta4() …………………………… （4）q1 = α ( T s − Ta )……………………………… （5）JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

スプレー冷却実験結果
2

図 3 に，流量密度 100 L/m min における Al2O3 の擬似スケールの厚さを変化させた場合の結果を示す。図 3（a）に，解析で求めた母材表面とスケール層との界面の温度履歴を－ 36 －

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響

図 4 スケール厚さが界面での衝風冷却特性に及ぼす影響
13)

Fig. 4 Effects of scale thickness of air jet cooling13)characteristics at interface示す。例えば，スケール厚さが 50 μ m の場合，冷却開始後36s の間は膜沸騰が発生し，365℃までは緩やかな温度降下となった。その後，遷移沸騰へ移行して急激な温度降下と13）なり，130℃程度で再び緩やかな温度降下へと変化した。膜

図 5 クエンチ時の温度分布概略

沸騰から遷移沸騰へ移行する温度，すなわち母材表面でのFig. 5 Schematic illustration of temperature distribution at13)
quench point

見かけのクエンチ点温度はスケールが厚いほど高くなり，その値は 365～485℃の範囲で変化した。図 3（b）に，クエンチ点温度の比較を示す。クエンチ点は，スケール厚さに対して線形的に表され，加藤らが行った実験の結果

7）

4． 考察と同じ傾向を示した。図 3（c）に，膜沸騰初期の 530℃から 490℃まで冷却される間での母材表面の冷却速度の比較を示す。

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼすメカニズムを衝風冷却特性と比較して考察する。

膜沸騰初期の冷却速度は，ほぼ一定か，スケール厚さとと図 3（b）に示したように，母材-スケール界面（以下，単もにごくわずかに上昇した。この結果は，玉利らが行った実に界面と呼ぶ）での見かけのクエンチ点温度はスケールの験の結果

3.26）厚さによって変化した。西尾らは銅の表面に低熱伝導率材と同じ傾向を示した。

料を表面付加層として接着し，液体窒素プール中で浸漬冷

衝風冷却実験結果却する非定常実験を行い，付加層が薄い条件では，その厚図 4 に Al2O3 の擬似スケールの厚さが 50 μ m と 210 μ m のさの増大に伴って付加層表面でのクエンチ点温度が増大す場合で，母材表面温度の履歴（a）とその熱流束（b）を比るが，ある厚さ以上でクエンチ点温度が一定の値となること較した結果を示す。母材表面温度は，図 4（a）に示すようを示したに 緩 や か に 降 下 し た が， 冷 却 速 度 は，ス ケ ー ル が 厚 い程度厚いため，スケール表面でのクエンチ点温度はスケー10）。そこで本実験においても，スケール層がある210 μ m の条件の方が若干低かった。伝熱解析で求めた熱流

ル厚さに関わらず一定と仮定した。すなわちクエンチ開始時束は，図 4（b）に示すように，冷却開始後が最も高く，その厚さ方向温度分布の模式図として図 5（b）に示すように，の後は冷却が進むとともに減少した。また，熱流束は母材スケールが熱抵抗層として作用することで，スケール厚さの表面温度が高いほど，ほぼ線形的に増加していたことから，増大とともに界面での見かけのクエンチ点温度が上昇した

熱伝達率は表面温度によらずほぼ一定であったといえる。と考えた。このため，スケール表面や界面の温度を各条件で比較することが重要であり，スケールも含めた伝熱計算を新たに行った。
－ 37 －

JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響

図 6 表面または界面温度と熱流束の関係のモデル化

13）

Fig. 6 Modeling of relationship between surface or Interface
13)
temperature and heat flux

図 7 界面での解析と実験の熱履歴比較

図8 ス
 ケール層の熱伝導率の温度依存性を考慮した場合の
13）
界面での熱履歴の解析結果

13）

Fig. 8 Simulated results of thermal histories at the interface
13)
considering varying conductivity of scale layer

Fig. 7 Comparison of thermal histories at interface between
13)
simulations and experiments

し，192℃の時に最大となった。これを図 6 に示す細線のよ
図 4 に示した衝風冷却実験結果をもとに，Al2O3 の擬似ス

うに，スケール表面と熱流束の関係を折線近似でモデル化ケ ー ル の 熱 伝 導 率 を 同 定 し た。 冷 却 中 の 熱 伝 達 率 をし，新たに厚さ 50 μ m のスケール層も考慮して解析を行った。

2

1 100 W/m K と仮定し，Al2O3 の熱伝導率は温度およびス

このとき，界面の温度が，前述の逆問題解析の結果，すなケール厚さによらず一定とし，スケール厚さ 50 μ m，210 μ m

わち図 3（a）に示す界面温度の履歴と概ね一致するようにの条件で，冷却面表層 2 mm の温度履歴が実験結果と一致した。

するようにスケールの熱伝導率を見積もった。その結果，

図 7 に，スケール厚さ 50 μ m，210 μ m の条件で界面温度

Al2O3 の熱伝導率は 1.4 W/mK であった。文献値にある焼結履歴を求めた結果を実験結果と比較して示す。実験結果で材についての値

11）の 32 W/mK より非常に小さいが，溶射12）は，スケール厚さ 50 μ m，210 μ m でのクエンチ点が開始し皮膜についての値 （3 W/mK）にはいくらか近い。これは，た時の界面温度はそれぞれ 365℃，485℃であった。これに竹内らが述べたように，溶射皮膜中の Al2O3 粒子の結合率が対し，熱流束をモデル化して解析を行った結果では，クエ焼結材よりも低いためであり，また同じ溶射皮膜でも溶射条ンチ開始時の界面温度はそれぞれ 365℃，410℃となった。

件によって皮膜形成の状況が異なることも考えられる。本実

この時のスケール表面温度が同等であると仮定すれば，熱験の溶射皮膜の熱伝導率が竹内らの溶射皮膜の値より低い抵抗層として作用するスケール層が厚いほど，クエンチ開のは，皮膜中のポーラスの比率が異なるためであると推定さ始時の界面温度が高くなるという前述の傾向を説明できる。

れる。

ただし，スケール厚さ 210 μ m の場合には，実験結果と解析

Al2O3 の 擬 似 ス ケ ー ル に つ い て 同 定 し た 熱 伝 導 率

結果の間に大きな差があった。この誤差は，計算の仮定と1.4 W/mK を用いて，スプレー冷却におけるスケール厚さがして，スケール厚さ 50 μ m の条件での平均的な熱流束を用界面での見かけのクエンチ点温度に及ぼす影響を解析した。

いているためであると考えられる。スプレー冷却は液滴群に

図 6 に解析で使用した熱流束の条件を示す。まず，スケーよる断続的な冷却であるから，液滴が衝突する間の局所的ル厚さを 50 μ m とした時の温度測定値をもとに，スケールな熱流束は，図 6 で示した値よりもはるかに高い。したがっがないものとして逆問題解析を行った結果（以下，実験結て，クエンチ開始の温度は，そうした微視的な見方で議論果と呼ぶ）における界面温度と熱流束の関係を太線で表しする必要がある。

た。熱流束は，膜沸騰の間，微小な変動を繰り返しながら徐々また，スケール厚さ 210 μ m の解析結果での冷却速度は，に増大するが，界面温度が 365℃になった時点で急激に上昇

界面温度が 380℃となった時点でピークに達して，低下に転JFE 技報 No. 42（2018 年 8 月）

－ 38 －

スケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響じた。その後の冷却曲線は，スケール厚さ 50 μ m の条件で

参考文献
1）三塚正志．鉄と鋼．1968, vol. 14, p. 1457-1471.
2）大久保英敏，西尾茂文．日本機械学会論文集．1988, vol. 54 B, p. 934-の冷却曲線と交差している。実験では，図 3（a）に示したように，スケール厚さ 50～210 μ m の全ての条件で，界面が937.
3）大久保英敏，西尾茂文．日本機械学会論文集．1989, vol. 55 B, p. 28462851.

130℃以下となった後の冷却曲線が重なっている。実際の現象としては，スケールに空隙が存在し，その一部あるいは途

4）村田杏坪，西尾茂文．鉄と鋼．1992, vol. 79, p. 55-61.

中まで冷却水が侵入して，スケールの熱抵抗層としての作

5）Wendelstorf, R; Spitzer, K.-H; Wendelstorf, J. Int. J. Heat and MassTransfer. 2008, vol. 51, p. 4892-4901.

用が小さくなったと考えられる。これはスプレー冷却の途中

6）玉利孝徳，吉田博．CAMP-ISIJ．1995, vol. 8, p. 444.
7）加藤徹，原口洋一，川本正幸，渡部忠男．鉄と鋼．1997, vol. 83, p.

で見かけ上熱伝導率が大きくなった現象に相当する。図 8

611-616.
8）連続鋼片加熱炉における伝熱実験と計算方法．日本鉄鋼協会編．東京．に示すように，スケールの温度がある値を下回るとその熱伝導率が増大すると仮定して解析した結果は実験結果とほぼ1971.

一致する。

9）門出政則，光武雄一，志岐隆浩，西本友哉．日本機械学会論文集．

5． おわりに10）西尾茂文，芹沢良洋．日本機械学会論文集．1987, vol. 53 B, p. 10611064.
11）荒井雅嗣，有働竜二郎，古瀬宗雄．日本機械学会論文集．2006, vol. 72

2000, vol. 66 B, p. 519-527.

鋼板の表面性状として挙げられるスケール厚さがスプレー冷却特性に及ぼす影響を検討するため，スプレー冷却実験と衝風冷却実験を実施した。

A, p. 691-696.
12）竹内純一，山崎良，谷和美，高橋康夫．日本機械学会論文集．2011,vol. 77 C, p. 2932-2939.
13）福田啓之，中田直樹，木島秀夫，黒木高志，藤林晃夫，高田保之，日板厚 20 mm の SUS304 鋼を試料母材として用い，擬似ス高澄具．鉄と鋼．2014, vol. 100, p. 1514-1522.

ケールを溶射することでスケール厚さを変更して，得られた冷却特性を比較することで，以下の知見を得た。
スプレー冷却および衝風冷却とも，スケールは熱抵抗層として作用する。熱伝達率が表面温度によらずほぼ一定である衝風冷却では，スケールが厚いほど鋼板の冷却速度が低下する。しかし，熱伝達率に表面温度の依存性があるス
プレー冷却では，膜沸騰時の界面での冷却速度はスケール厚さによらずほぼ一定，もしくはごくわずかに増加する傾向福田 啓之を示し，クエンチ開始時の界面温度も高い。

－ 39 －

上岡 悟史

中田 直樹

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