JP2014176884A - デスケーリングノズルおよびデスケーリング装置並びにデスケーリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去する、デスケーリングノズルおよびデスケーリング装置並びにデスケーリング方法を提供する。
【解決手段】デスケーリングノズル１０の吐出口３から噴射した液滴の平均粒子径を、２００μｍ以上の大きさにすることでスケール除去能力を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去する、デスケーリングノズルおよびデスケーリング装置並びにデスケーリング方法に関する。

従来のデスケーリング装置においては、スケール除去能力を向上させるために、水の噴射圧力から鉄鋼製品（鋼板）表面に対する水の衝撃力を推定する式を基にして、スケールを除去するために必要な衝撃力を決定している（例えば特許文献１参照）。また、Ｐ（リン）やＳｉ（シリコン）の重量％を基にして、スケールを除去するために必要な衝撃力を決定している（例えば特許文献２参照）。また、デスケーリング装置を変更することなく、スケール除去能力を向上させるためには、鋼板とデスケーリングノズルとの距離を短くすることが必要であった（例えば特許文献３参照）。

特開平６−３１５７１３号公報 特開平６−１９０４３３号公報 特開２００５−３４９０８号公報

高速高圧噴霧の大きさについて 機械学会論文集 １５（５２） ９−１４頁 １９４９年

しかしながら、従来のスケール除去能力を向上させる方策は、酸化被膜を除去するために必要な衝撃力を得るためには、デスケーリング水として用いる水の高圧化および流量の増大を実施する必要がある。そのため、デスケーリング装置を駆動するモータのランニングコストの上昇、およびポンプなどの周辺機器を巨大化させる必要があった。また、鋼板とデスケーリングノズルとの距離は、鋼板の反りや対象とする鋼板の厚みの変動などがあることから理想的な距離に近づけることが必ずしもできない。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、周辺設備のランニングコストを増大させずに、デスケーリング能力を向上させ得るデスケーリングノズルおよびデスケーリング装置並びにデスケーリング方法を提供することを目的とする。

本発明者は、スケール除去能力を向上させる方策として、デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の大きさに着目した。
ところで、液滴がスケール表面に衝突するときの衝撃力は、一般的に、ρを液滴密度、Ｃを音速、Ｕを液滴速度とするとき、ρＣＵからなる水撃の式から求められる。この水撃の式によると、１３０ｍ／ｓの液滴が、鋼板のスケール表面に衝突する場合、２００ＭＰａの応力が発生する。これにより、普通鋼の疲労限度に近い応力を発生させて、スケールを効果的に剥離させることができる。

ここで、図１に示すように、デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が２００μｍ未満と小さい場合、デスケーリングノズルから噴射された液滴は、噴射された直後に、静止空気中において空気抵抗を受け急激に減速する。そのため、減速した状態で鋼板のスケール表面に衝突して所望の衝撃力を得ることが難しい。

これに対し、液滴の平均粒子径が２００μｍ以上と大きい場合、図１に示すように、液滴が１００ｍｍ進んだときにおける液滴の速度は１３０ｍ／ｓ（以上）となるため、平均粒子径が２００μｍ以上の大きさであれば減速量の変化が少ない。本発明者は、この結果から、噴射した液滴の平均粒子径を２００μｍよりも大きくすることで、スケール除去能力を向上させることができることを見出した。なお、衝撃回数を稼ぐためにも可及的に２００μｍに近い粒子径の液滴を生成させることが望ましい。

そして、本発明者は、上記知見に基づいて鋭意検討した結果、デスケーリングノズルの内部において、流体は非常に速い流速を有して乱流状態にあるところ、乱流強度を低下させて液滴の粒子径を大きくすると、デスケーリング能力が向上するという知見を得て、液滴の平均粒子径を２００μｍよりも大きくするためには、デスケーリングノズルの吐出口の開口側端部から所定の範囲内に整流器を設けることが特に有効であり、また、デスケーリング水として用いる水の粘度を上げることが特に有効であることを見出したのである。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明のうち、本発明の一態様に係るデスケーリングノズルは、高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するためのデスケーリングノズルであって、自身内部のデスケーリング水のノズル流路に、前記デスケーリング水の吐出口の開口側端部から前記ノズル流路の直径の３倍以下の位置に整流器を有し、該整流器を経て前記デスケーリング水の吐出口から噴射したときの液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさとされていることを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係るデスケーリングノズルにおいて、前記整流器が、２５０メッシュ以上の一枚の金網であることは好ましい。また、前記整流器が、一枚以上のパンチングメタルであることは好ましい。また、前記整流器が、２５０メッシュ以上のハニカム構造を有することは好ましい。
さらに、本発明のうち、本発明の一態様に係るデスケーリング装置は、デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するデスケーリング装置であって、前記デスケーリングノズルとして、本発明の一態様に係るデスケーリングノズルを備え、該デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさであることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るデスケーリング装置は、鉄鋼製品の表面にノズルから高圧のデスケーリング水を噴射して前記鉄鋼製品表面の酸化被膜を除去するデスケーリング装置において、前記ノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、前記デスケーリング水として用いる水の粘度を高めることにより２００μｍ以上の大きさとされていることを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係るデスケーリング装置において、前記デスケーリング水として用いる水の粘度を２００ｍＰａ・s以上に高めて前記吐出口から噴射した液滴の平均粒子径を２００μｍ以上の大きさにすることは好ましい。また、前記デスケーリング水として用いる水の粘度を調整する増粘剤として、ポリアクリロニトリルを質量濃度で０．２％以上使用することは好ましい。

さらに、本発明のうち、本発明の一態様に係るデスケーリング方法は、デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するデスケーリング方法であって、デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさであるデスケーリング水により前記鉄鋼製品の酸化被膜を除去することを特徴とする。

本発明によれば、デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径を２００μｍ以上の大きさとしたデスケーリング水により鉄鋼製品の酸化被膜を除去するので、デスケーリング水の水量や水圧を増加させなくとも、鉄鋼製品の酸化被膜を一層確実に除去することができる。そのため、圧延ロールへの噛み込みによる欠陥を減らすことができる。また、鋼板表面に対する水の衝撃力を現状に維持する場合には、デスケーリング水として供給する液体の圧力や流量を減少させることができる。そのため、ポンプの動力を減らすことができる。したがって、本発明によれば、周辺設備のランニングコストを増大させずに、デスケーリング能力を向上させることができる。

静止空気中を１００ｍｍ飛んだときの、液滴の速度と粒子径との関係を示すグラフである。 本発明に係るデスケーリング装置を備える圧延ラインの一例を示す概略構成図である。 本発明に係るデスケーリングノズルの一例を示す図であり、同図(ａ)は、ノズルの軸線を含む断面図であり、同図(ｂ)は(ａ)でのＡ矢視図、同図(ｃ)は(ａ)でのＢ−Ｂ断面図である。 整流器内レイノルズ数と液滴の平均粒子径との関係を示すグラフである。 整流器〜吐出口端部の距離Ｘとノズル内径（ノズル流路の直径）Ｄとの比（Ｘ／Ｄ）に対する粒子径の関係を示すグラフである。

以下、本発明の一態様に係るデスケーリングノズルを備えるデスケーリング装置の一実施形態について説明する。
図２に示すように、鉄鋼製品の圧延工程は、圧延材（鉄鋼製品）Ｋを加熱する加熱炉５０と、この加熱炉５０から取り出された圧延材Ｋからスケールを除去するために加熱炉５０出側（ＨＳＢ）に設置された加熱炉出側デスケラ６０と、それに続いて粗圧延を行なう粗圧延機７０と、それに続いて仕上げ圧延を行なう仕上げ圧延機８０とから構成されている。

本発明のデスケーリング装置は各圧延工程に配置される。すなわち、加熱炉出側デスケラ６０には、加熱炉出側に、デスケーリングノズル（以下、単に「ノズル」ともいう）の装着用アダプター６１が圧延材Ｋの上下に配置される。同様に、粗圧延機７０の粗圧延入側（ＲＳＢ）にはノズルの装着用アダプター６２が、仕上げ圧延機８０の仕上げ圧延入側（ＦＳＢ）にはノズルの装着用アダプター６３がそれぞれ圧延材Ｋの上下に配置される。各装着用アダプター６１、６２、６３のそれぞれには、後述するデスケーリングノズル１０が装着されている。装着用アダプター６１、６２、６３に装着されたノズル１０は、ポンプ３０、アキュムレータ４０に配管を通して接続されており、高圧のデスケーリング水を圧延材Ｋの表面に噴射することができる。なお、このデスケーリング装置は、複数台のポンプ３０とアキュムレータ４０とを有するため、噴射される高圧水の圧力と吐出量とを常に安定して確保することができる。

次に、上記ノズル１０について詳しく説明する。
図３に示すように、このノズル１０は、軸方向に延びる略円筒状のケーシング２を有する。ケーシング２の内部には、ノズル１０の軸線方向に沿って円筒状のノズル流路７が形成されている。ケーシング２は、ノズル１０の上流側となる一端に、凸の半球状をなす流入口１を有する。流入口１には、径方向に放射状に延びる複数のスリットが周方向に所定の間隔でフィルタ４として形成されている（同図(ｂ)参照）。複数のフィルタ４は、不純物の流入を規制しつつ水をノズル流路７に流入させるようになっている。

ケーシング２内のノズル流路７の途中部分には、整流羽根（又はスタビライザ）５が配設されている。整流羽根５は、中心から放射方向に延びる複数の整流板５ａを有し、隣り合う整流板５ａ同士の間が整流羽根内流路６となっている（同図(ｃ)参照）。整流羽根５は、複数の整流羽根内流路６により、流入口１から流入した水を整流羽根５よりも下流側のノズル流路７に導いて吐出口３に案内する。なお、ノズル流路７は、ケーシング２の上流側端部（流入口１）から整流羽根５の下流端に至り、かつ実質的に同じ内径（つまり、ケーシング２の上流側端部の内径と同じ内径）Ｄをもつ円筒状流路である。

ケーシング２の他端には、ノズル流路７に連続してテーパ部８が形成されている。テーパ部８のテーパ角θは、噴射された水が低圧及び／又は低流量であっても衝撃力を高めるため、４５〜５５°程度に設定されている。そして、このテーパ部８の出側に連続してデスケーリング水の吐出口３が形成されている。吐出口３は超硬合金製であり、ここからデスケーリング水を噴射する。吐出口３は平面視（不図示）が楕円形状をなし、その長径／短径比が、１．５〜１．８程度に形成される。

ここで、本実施形態のノズル１０は、ケーシング２内部のノズル流路７に整流器９を設けている。以下、この整流器９について詳しく説明する。
ところで、この種のデスケーリングノズルの内部において、流体は非常に速い流速を有して乱流状態にある。乱流は以下の式であらわされる（但し、Ｒｅはレイノルズ数、Ｕは代表速度、Ｌは代表長さ、νは拡散係数）。
Ｒｅ＝ＵＬ／ν＞２０００

通常、ノズル内部では流体はレイノルズ数で１５００００程度であり、層流と乱流の境界である２０００を大きく超える範囲である。これに対し、従来から存在している羽根型の整流装置（例えば整流羽根５）によれば、レイノルズ数を３５０００程度まで低減させられる。しかし、依然としてノズル内で流体は乱流状態である。ここで、図４に示すように、層流化した流体は、ノズル１０の吐出口３から噴射されるときに微細な液滴を発生させ難くすることができる。

このような知見により、本発明者は、上記ノズル１０において、デスケーリング水の吐出口３の近傍に整流器９を設けたところ、図５に示すように、整流器９と吐出口３の開口側端部からの距離Ｘが、ノズル流路７のノズル内径（ノズル流路の直径）Ｄと比較して大きくなると（換言すると、整流器〜吐出口の距離Ｘとノズル内径Ｄとの比Ｘ／Ｄが大きくなると）、乱流強度が増加することから液滴の粒子径が小さくなり、デスケーリング能力が低下するという知見を得た。

そこで、本実施形態では、ノズル１０において、吐出口３の開口側端部からノズル内径（ノズル流路の直径）Ｄの３倍以下（Ｘ／Ｄ≦３）の位置に整流器９を設けている。この整流器９としては、表１に示すように、２５０メッシュ以上の一枚の金網、または、一枚以上のパンチングメタルであることは好ましい。また、２５０メッシュ以上のハニカム構造を有することは好ましい。なお、表１において、試験番号１〜６のうち、試験番号１が従来例（整流器９なし）、試験番号２が比較例（整流器が２５０メッシュ未満（２００メッシュ）により平均粒子径が２００μｍ未満）、試験番号３，４が本発明例、試験番号５，６が比較例（整流器の装着位置がノズル内径（ノズル流路の直径）Ｄの３倍を超えており平均粒子径が２００μｍ未満）である。

次に、上述した鉄鋼製品のデスケーリング装置およびこれに装着されたデスケーリングノズル１０、並びにこのノズル１０を用いた鉄鋼製品のスケール除去方法の作用・効果について説明する。
上記デスケーリング装置の装着用アダプター６１、６２、６４には、上述したノズル１０がそれぞれ装着され、このノズル１０によれば、ノズル流路７に、吐出口３の開口側端部からノズル内径Ｄの３倍以下の位置に整流器９を設けているので、レイノルズ数を２０００未満にまで低減させることができ、吐出直前の流体が層流化される。図４に示したように、層流化した流体は、ノズル１０の吐出口３から噴射されるときに微細な液滴を発生させ難い。

そのため、このノズル１０によれば、整流器９を経て吐出口３から噴射したときの液滴の平均粒子径を、２００μｍ以上の大きさにすることができる。平均粒子径が２００μｍ以上の大きさの液滴であると、図１に示したように、液滴が１００ｍｍ進んだときにおける、液滴の速度が１３０ｍ／ｓ以上となるので、速度の速い状態で鉄鋼製品のスケール表面に衝突させることができる。したがって、このデスケーリングノズル１０およびこれを備えたデスケーリング装置、並びにこのノズル１０を用いてその吐出口３から噴射した液滴の平均粒子径が２００μｍ以上の大きさであるデスケーリング水により鉄鋼製品の酸化被膜を除去するスケール除去方法であれば、上述したように、普通鋼の疲労限度に近い応力を好適に発生させ、スケールを効率良く剥離させることができる。

なお、本発明に係るデスケーリングノズルおよびデスケーリング装置並びにデスケーリング方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、平均粒子径が２００μｍ以上の大きさの液滴を得るために、デスケーリング水のノズル流路７の所定位置に整流器９を設けた例で説明したが、本発明に係るデスケーリング装置およびデスケーリング方法は、これに限定されず、デスケーリング水として用いる水の粘度を高めることによっても実現することができる。

すなわち、液滴径（ｄ）の大きさは、非特許文献１によると、以下の式により推定することができる（但し、Ｄはノズル径（ｍｍ）、Ｖは液滴速度（ｍ／ｓ）、σは表面張力（ｋｇ／ｍ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、γは液体の比重（ｋｇ／ｍ^３）、μは粘性係数（ｋｇ／ｍ^２）である。）。
ｄ＝４．７２×１０^３（Ｄ／Ｖ）×√（（σｇ／γ）×（１＋０．０３４×１０^６（μｇ／γ））
したがって、液滴径を大きくするためには、デスケーリング水として用いる水の粘度を調整することによっても達成することができる（以下、第二実施形態ともいう）。

具体的には、例えば３０℃の水の粘度は０．８５４ｍＰａ・sであり、このときの液滴の平均粒子径は約１３０μｍ程度である。そこで、これを平均粒子径が２００μｍの液滴にするためには、液体の粘度を２００ｍＰａ・s以上に高めればよい。液滴の平均粒子径については、平均粒子径が２００μｍ以上の大きさであれば、減速量の変化が少ない（図１参照）。そのため、衝撃回数を稼ぐためにも可及的に２００μｍに近い粒子径の液滴を生成させることが望ましい。

この第二実施形態では、デスケーリング水として用いる水の粘度を２００ｍＰａ・s以上に高めるために、増粘剤として、ポリアクリロニトリルを質量濃度で０．２％以上使用した。また、質量濃度の上限としては１．０％未満が好適である。試験結果を表２に示す。なお、表２において、試験番号１〜５のうち、試験番号１が従来例（増粘剤なし）、試験番号２が比較例（質量濃度で０．２％未満（０．１％ｗｔ）により平均粒子径が２００μｍ未満）、試験番号３，４，５が本発明例である。

なお、デスケーリング水として用いる水の粘度を調整する増粘剤はポリアクリロニトリルに限定されず、液体の粘度を２００ｍＰａ・s以上に高めることができれば、その他の粘度調整剤を増粘剤として使用することができる。例えば他の増粘剤として、ＣＭＣ（セルロース）、ポリエチレングリコール、アルギン酸ナトリウム等を使用しても同様に液滴径を大きくすることができる。

１ 流入口
２ ケーシング
３ 吐出口
４ フィルタ
５ 整流羽根
６ 整流羽根内流路
７ ノズル流路
８ テーパ部
９ 整流器
１０ デスケーリングノズル

Claims (9)

1. 高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するためのデスケーリングノズルであって、
   自身内部のデスケーリング水のノズル流路に、前記デスケーリング水の吐出口の開口側端部から前記ノズル流路の直径の３倍以下の位置に整流器を有し、該整流器を経て前記デスケーリング水の吐出口から噴射したときの液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさとされていることを特徴とするデスケーリングノズル。
2. 前記整流器は、２５０メッシュ以上の一枚の金網であることを特徴とする請求項１に記載のデスケーリングノズル。
3. 前記整流器は、一枚以上のパンチングメタルであることを特徴とする請求項１に記載のデスケーリングノズル。
4. 前記整流器は、２５０メッシュ以上のハニカム構造を有することを特徴とする請求項１に記載のデスケーリングノズル。
5. デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するデスケーリング装置であって、
   前記デスケーリングノズルとして、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデスケーリングノズルを備え、該デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさであることを特徴とするデスケーリング装置。
6. 鉄鋼製品の表面にノズルから高圧のデスケーリング水を噴射して前記鉄鋼製品表面の酸化被膜を除去するデスケーリング装置において、
   前記ノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、前記デスケーリング水として用いる水の粘度を高めることにより２００μｍ以上の大きさとされていることを特徴とするデスケーリング装置。
7. 前記デスケーリング水として用いる水の粘度を２００ｍＰａ・s以上に高めて前記吐出口から噴射した液滴の平均粒子径を２００μｍ以上の大きさにすることを特徴とする請求項６に記載のデスケーリング装置。
8. 前記デスケーリング水として用いる水の粘度を調整する増粘剤として、ポリアクリロニトリルを質量濃度で０．２％以上使用することを特徴とする請求項６または７に記載のデスケーリング装置。
9. デスケーリングノズルから高圧のデスケーリング水を鉄鋼製品の表面に噴射して該表面の酸化被膜を除去するデスケーリング方法であって、
   デスケーリングノズルの吐出口から噴射した液滴の平均粒子径が、２００μｍ以上の大きさであるデスケーリング水により前記鉄鋼製品の酸化被膜を除去することを特徴とするデスケーリング方法。

Images