JP2005126809A - 高温金属の冷却法 - Google Patents

Abstract

【目的】例えば鍛造用加熱ヒータに於いて、後工程に送付できない加熱金属材料を急速に冷却して、短時間で加熱ヒータに再投入する事を可能とする為の、高温金属の急速冷却方法
【構成】冷却媒体を供給する為の冷却筒又は冷却管に冷却媒体を均等に高温金属表面に散布できるよう複数のノズルを設け、且つ、冷却媒体の量が適正値になるよう考慮された冷却装置である。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は、例えば熱間鍛造に使用される高温金属が、プレスの故障等によって後工程に使用されぬ時、急速に冷却して再度ヒータに再投入できるよう準備しておく必要が有り、そのような場合に使用されるものである。

例えば熱間鍛造に使用される高温金属が後工程で使用されぬ時は、自然冷却によって常温に戻るまで放置するのが通例であった。

しかしこのように自然放置による冷却では、高温金属の熱放射による冷却効果が大半で、温度が下がると熱放射損は４乗に比例して下がる為、冷却効果が極端に下がり、常温に戻るのに時間がかかり、ヒータへの再投入が間に合わなくなる等の問題が有り、又、長時間高温にさらされる為、スケールの発生が多くなる等の問題も有った。

一方高温金属を水冷等により急速に冷却しようとすれば、高温金属内の温度勾配が極端に大きくなり、熱膨張の差によってヒビや割れが発生する恐れがあり、通常はいきなりの水冷は行わない。水冷を行う時は金属温度が低温（例えば５００℃以下）になってから水冷する方法が取られるが、これでも常温に達するまでに数十分を要していた。

本発明が解決しようとする課題

本発明は、上記の問題点を解決し、高温金属の冷却に要する時間を数分程度に短縮し、短時間に再使用を可能にすると共に、スケールの発生も少なく抑えようとするものである。

課題を解決する為の手段

本発明は、上記問題点を解決する為に為されたもので、冷却の手段として熱放射に加えて、液状冷却媒体の気化の潜熱を利用して冷却効果を高めると共に、冷却媒体の供給量を制限して高温金属内の温度勾配が一定値を超えないよう考慮されている。

今、高温金属の単位表面積（ｃｍ^２）単位時間（ｓｅｃ）当たりの放熱量をＰ（Ｗ／ｃｍ^２）、高温金属の熱伝導率、比重、比熱を夫々λ（ｃａｌ／ｓｅｃ ℃ ｃｍ），γ（ｇ／ｃｍ^３），ｃ（ｃａｌ／ｇ℃）とすると高温金属内の最大温度勾配ｄθ／ｄｘ（℃／ｃｍ）は１式で表わされ
ｄθ／ｄｘ＝Ｐ／（４．１９λ） …１
又高温金属が円柱の場合その半径をａ、高温金属が平板の時その厚みをｂとすると、高温金属の平均温度降下率（℃／ｓｅｃ）は夫々２，３式で求められる。
ｄθ／ｄｔ＝２Ｐ／（４．１９γｃａ） …２
ｄθ／ｄｔ＝４Ｐ／（４．１９γｃｂ） …３
上式を基にＰをヒビ、割れが発生しないよう許容値内であり、且つｄθ／ｄｔが最大になるよう選ぶ事によって、安全にして最短時間での冷却がかのうとなる。

通常の自然冷却では、熱放射損失は絶対温度の４乗に比例する為、例えばθ＝１２５０℃に於いてはＰ＝２５Ｗであってもθ＝５００℃ではＰ＜２Ｗとなり、低温になるほど冷却効果が下がり、常温になるまでに数十分から一時間をようする。
これに風冷効果を加えても、Ｐは平均２Ｗ程度増加するに過ぎない。
一方水冷にするとＰは高温時には８００Ｗ／ｃｍ^２ともなり、温度勾配が過大となってヒビ、割れが起こる恐れが有る。

これを解決する為、本発明では液状冷却媒体の気化の潜熱による冷却を用いている。冷却媒体として水を用いると、その気化の潜熱は約２０００Ｗｓｅｃ／ｃｃである。今、高温金属内の許容最高温度勾配に対応するＰをＰ_ｍとすると、高温金属の単位面積、単位時間に気化させ得る水の量ｑは４式で表わされる。
ｑ＝Ｐ_ｍ／２０００ …４
高温金属が鉄の場合にはλ＝０．０７，γ＝７．８５，ｃ＝０．１６となり、（ｄθ／ｄｘ）_ｍａｘ＝３００とすると１式よりＰ_ｍ＝８８Ｗとなり、ｑ＝０．０４４ｃｃ／ｓｅｃとなる。
高温金属の表面に均等に冷却水を供給する為、冷却水は霧状に散布するのが良いが上記のように水量が少ない為、霧状散布は容易である。但し、冷却水が全量気化するわけではなく、又蒸気膜による冷却阻害を考慮すると供給水量は上記値より多く供給する必要が有る事は言うまでも無い。
今、高温金属が半径３ｃｍの円柱の場合を考えると、その冷却速度ｄθ／ｄｔは２式より１１℃／ｓｅｃとなり、例えば１３００℃から２００℃まで冷却するのに要する時間は１００ｓｅｃとなり、十分高速な冷却が可能となる。

以下、本発明の実施例を図を参照しながら説明する。

図１、図２に本発明の請求項１、請求項２の実施例を示す。但し図１は本装置の正面図、図２は本装置の側面断面図である。
図１、図２に於いて、１は冷却すべき高温金属、２は冷却水筒（又は冷却水管）、３は冷却媒体の散布ノズルであり高温金属表面に均等に散布できるよう均等に設けられている。４は散布された冷却媒体である。このような装置を用いて、散布ノズルの径又は水圧を調整する事によって、前記１，４式を満足するよう散布される冷却媒体の量を調整し、ヒビ、割れの発生がなく、且つ急速冷却が可能となる。

発明の効果

本発明の効果は下記の通りである。

高温金属にヒビ、割れ等が生じないよう、高温金属内での最高温度勾配を抑える事が出来る。

気化の潜熱を利用する事により、急速冷却を可能にし、例えば後工程の運転再開時、急速に金属材料をラインに再投入する事が出来る。

本発明の冷却装置の正面図である。 本発明の冷却装置の側面断面図である。

符号の説明

１ 高温金属
２ 冷却媒体用水筒
３ 冷却媒体散布用ノズル
４ 散布された冷却媒体

Claims (2)

1. 高温金属を冷却する場合において、液状の冷却媒体、例えは水を高温金属表面に均等に噴霧し、その冷却媒体の気化の潜熱によって高温金属を冷却せしめる方法。
2. 高温金属を冷却する為、液状の冷却媒体、例えば水を噴霧して、その冷却媒体の気化の潜熱によって高温金属を冷却する場合において、高温金属内部の温度勾配が所定置を超えぬよう、冷却媒体の噴霧量を設定する事を特徴とした高温金属の冷却法。

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