JP2018123354A - 鋼材の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却する鋼材の円周方向の冷却ムラを無くし、冷却効率を高めることができる鋼材の冷却装置を提供する。【解決手段】冷却パイプ２と、冷却水噴射ノズル３とを備えている。冷却水噴射ノズルは、冷却パイプの外周の一部に形成された環状タンク５と、環状タンクに冷却水を供給する供給口６と、環状タンクに貯留された冷却水を冷却パイプの内部に噴射させる噴射スリット７とを備えている。環状タンクは第１貯留空間８及び第２貯留空間９を備えている。供給口は、第１貯留空間に前記軸線に直交する方向から連通している。噴射スリットは、第２貯留空間で環状の入側開口部７ａが開口し、冷却パイプの内部で環状の出側開口部７ｂが開口している。第２貯留空間の外径側壁面は、第１貯留空間から流れてきた冷却水に対して噴射スリットの前記入側開口部に向かう流れを発生させる円弧壁面として形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、棒鋼、線材などの鋼材を連続的に冷却する鋼材の冷却装置に関する。

鋼材を連続的に冷却する冷却装置として、例えば特許文献１の装置が知られている。
この特許文献１の装置は、環状のタンク内部を軸方向に２分するように隔壁を配置し、供給管を接続した軸方向の一方の空間を分流室とし、ノズルを設けた軸方向の他方の空間に、周方向に所定間隔をあけて仕切り壁を設けることで複数の分圧室を形成している。なお、仕切り壁には、分流室と各分圧室とを連通させる流体通過穴（特許文献１では通路と記載している）が形成されている。
そして、供給管から供給された冷却水は、一旦分流室内に溜まって流量調整され、仕切り壁の流体通過穴を通過して各分圧室に流れる。各分圧室は仕切り壁によって区画形成されているので、ノズルから噴射される冷却水には静圧差が発生せず、ノズル全周から整流された均一な噴射条件で冷却水が噴射して鋼材が冷却される。

特開昭５９−１１０７１８号公報

ところで、特許文献１の冷却装置は、供給管からノズル全周まで流れる冷却水の圧力損失が大きくなるので、鋼材に噴射される冷却水の圧力が小さくなり、鋼材に対する冷却効率が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、冷却する鋼材の円周方向の冷却ムラを無くし、冷却効率を高めることができる鋼材の冷却装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る鋼材の冷却装置は、鋼管、鋼棒などの鋼材が内部を通過する直線状の冷却パイプと、冷却パイプの内部に冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルと、を備え、冷却水噴射ノズルは、冷却パイプの外周の一部に形成された環状タンクと、環状タンクに冷却水を供給する供給口と、環状タンクに貯留された冷却水を冷却パイプの内部に噴射させる噴射スリットと、を備えており、環状タンクは、冷却パイプの外周に冷却パイプの軸線に沿って連続に形成した第１貯留空間及び第２貯留空間を備え、供給口は、第１貯留空間に前記軸線に直交する方向から連通し、噴射スリットは、第２貯留空間の内径側壁面を形成している冷却パイプに、第２貯留空間で環状の入側開口部が開口し、冷却パイプの内部で環状の出側開口部が開口して形成され、第２貯留空間の外径側壁面は、第１貯留空間から流れてきた冷却水に対して噴射スリットの入側開口部に向かう流れを発生させる円弧壁面として形成されている。

本発明に係る鋼材の冷却装置によれば、環状タンクの内部を流れる冷却水が第１貯留空間から第２貯留空間の噴射スリットの入側開口部に流れる際に、流れの障害となるものがなく第２貯留空間の円弧壁面に沿ってスムーズに流れて噴射スリットの入側開口部側で整流されていき、環状の出側開口部の全周から均一な圧力の冷却水が冷却パイプの内部に向けて噴射するので、冷却パイプに進入してきた鋼材の外周全域に対して均一の圧力、流速の冷却水が噴射され、鋼材に対して冷却ムラを発生することがなく、高い効率で鋼材を冷却することができる。

本発明に係る第１実施形態の構造の冷却装置を示す軸方向に沿う断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視図である。 本発明に係る第１実施形態の噴射スリットの形状を拡大して示した図である。 本発明に係る第１実施形態の冷却水噴射ノズルが冷却水を噴射する動作を示した図である。 本発明に係る冷却装置と参考例の冷却装置の軸方向に沿う断面図を示す図であり、図５（ａ）が本発明に係る本発明２の装置であり、図５（ｂ）が参考例１の装置であり、図５（ｃ）が参考例２の装置である。

次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す第１実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［第１実施形態の冷却装置］
図１から図３は、本発明に係る第１実施形態の鋼材の冷却装置１を示すものである。
第１実施形態の鋼材の冷却装置１（以下、単に冷却装置１と称する）は、図１に示すように、円筒部を有する第１構成部材１ａと、第１構成部材１ａの円筒部の開口部に対向しながら外周を覆った状態で一体に固定されている第２構成部材１ｂとで形成されており、冷却パイプ２と、冷却水噴射ノズル３と、を備えている。

冷却パイプ２は、直線状に延在する円筒部材であり、端部に向かうに従い拡径形状とした一端開口部２ａが鋼管、鋼棒などの鋼材４が進入する入口であり、他端開口部２ｂが鋼材４の出口である。以下、鋼材入口２ａ、鋼材出口２ｂと称する。
冷却水噴射ノズル３は、冷却パイプ２の鋼材出口２ｂ側の外周を囲んで形成されている環状タンク５と、環状タンク５に冷却水を供給する供給口６と、環状タンク５及び冷却パイプ２の内部に連通している噴射スリット７と、を備えている。

環状タンク５は、冷却パイプ２の軸線Ｐに沿って鋼材入口２ａ側に第１貯留空間８が形成され、この第１貯留空間８に連続して第２貯留空間９が形成されている。
第１貯留空間８及び第２貯留空間９を形成している内径側壁面１０は、冷却パイプ２の外周面である。
第１貯留空間８を形成している外径側壁面１１は、内径側壁面１０の軸線Ｐと同軸の円筒面である。

また、第２貯留空間９を形成している外径側壁面は、第１貯留空間８の外径側壁面１１に連続する位置から鋼材出口２ｂ側に向かうに従い径方向外方（軸線Ｐに直交する外方向）に膨らんだ後に径方向内方（軸線Ｐに直交する内方向）に縮む状態で湾曲している凹状の円弧壁面１２として形成されている。
環状タンク５に冷却水を供給する供給口６は、図２に示すように、環状タンク５の径方向外方から接続されて第１貯留空間８の外径側壁面１１で開口している。

噴射スリット７は、一端が第２貯留空間９を形成している内径側壁面１０で環状に開口し、他端が冷却パイプ２の内壁で環状に開口しているスリットである。
この噴射スリット７は、図１に示すように、内径側壁面１０に形成された環状の入側開口部７ａが鋼材出口２ｂ側に位置し、冷却パイプ２の内壁に形成された環状の出側開口部７ｂが鋼材入口２ａ側で開口して直線状に延在し、鋼材４の進入方向に向かって冷却水が噴射するように形成されている。

すなわち、噴射スリット７は、図３に示すように、噴射スリット７の幅方向中間を通るスリット線Ｓ１が冷却パイプ２の軸線Ｐに対して所定の角θで交差し、鋼材出口２ｂ側に傾いた状態で形成されている。
また、噴射スリット７の入側開口部７ａの周縁、冷却パイプ２の内壁側の出側開口部７ｂの周縁の角部を１〜２０mm程度の曲率半径で面取り加工を行うことで、面取り部１３ａ〜１３ｄが形成されている。

また、第２貯留空間９を形成している内径側壁面１０には、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くで鋼材入口２ａに寄った位置に、径方向外方に突出する環状の突起部１４が形成されている。なお、環状の突起部１４の内径側壁面１０からの高さは、第１貯留空間８から第２貯留空間９に流れる冷却水に圧力損失を発生させない程度の高さ、例えば第１貯留空間８の内径側壁面１０及び外径側壁面１１の間の距離の５０％以下に設定されている。

［冷却水噴射ノズルの冷却水噴射動作］
次に、冷却水噴射ノズル３が冷却水を噴射する動作について、図４を参照しながら説明する。
冷却水噴射ノズル３の供給口６から供給された冷却水は、環状タンク５の第１貯留空間８に溜まる。

第１貯留空間８に溜まった冷却水が第２貯留空間９に流れる際には、図４の実線で示すように、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って円弧状の冷却水の流れが発生する。この円弧状の冷却水の流れは、噴射スリット７の入側開口部７ａに向かって流れていく。
ここで第１貯留空間８に溜まっている冷却水の一部は、内径側壁面１０に沿って第２貯留空間９側に流れていこうとするが、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くで鋼材入口２ａに寄った位置に配置されている環状の突起部１４が、内径側壁面１０に沿って第２貯留空間９側へ流れようとする冷却水の流れを阻止する。

また、環状の突起部１４は、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って流れてきた冷却水が、第１貯留空間８側に向かって流れようとするのを阻止し、噴射スリット７の入側開口部７ａに向かう流れに修正する。
また、噴射スリット７の入側開口部７ａ、出側開口部７ｂの周縁に面取り部１３ａ〜１３ｄを設けたことで、冷却水は圧力損失が最小限となるように噴射スリット７の内部を通過する。

さらに、噴射スリット７のスリット流路（入側開口部７ａから出側開口部７ｂまでの流路）は、冷却パイプ２の軸線Ｐに直交する方向には形成されておらず、鋼材出口２ｂ側に傾いた状態で形成されていることで、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って流れてきた冷却水の流れに沿う方向に一致しているので、第２貯留空間９の冷却水は、圧力損失を発生せずに噴射スリット７を通過する。

このように、第１貯留空間８から第２貯留空間９の噴射スリット７の入側開口部７ａに向かう冷却水は、円弧壁面１２に沿って流れていき、噴射スリット７の入側開口部７ａ側で整流される。また、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くに環状の突起部１４を配置し、噴射スリット７の入側開口部７ａ、出側開口部７ｂの周縁に面取り部１３ａ〜１３ｄを設け、噴射スリット７の入側開口部７ａに流れてきた冷却水の流れに沿う方向に噴射スリット７のスリット流路が形成されていることで、噴射スリット７を通過する冷却水は圧力損失が最小限となる。
このため、噴射スリット７の環状の入側開口部７ａの全周で整流された冷却水が、圧力損失を最小限として環状の出側開口部７ｂの全周から均一な圧力の冷却水として、冷却パイプ２の内部に向けて噴射される。

［第１実施形態の効果］
次に、第１実施形態の冷却装置１の効果について説明する。
第１実施形態の冷却装置１は、環状タンク５の内部を流れる冷却水が第１貯留空間８から第２貯留空間９の噴射スリット７の入側開口部７ａに流れる際に、流れの障害となるものがなく円弧壁面１２に沿ってスムーズに流れて噴射スリット７の入側開口部７ａ側で整流されており、環状の出側開口部７ｂの全周から均一な圧力の冷却水が冷却パイプ２の内部に向けて噴射するので、冷却パイプ２に進入してきた鋼材４の外周全域に対して均一の圧力、流速の冷却水が噴射され、鋼材４に対して冷却ムラを発生することがなく、高い効率で鋼材４を冷却することができる。

また、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くに配置した環状の突起部１４は、内径側壁面１０に沿って第２貯留空間９側へ流れようとする冷却水の流れを阻止するとともに、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って流れてきた冷却水が、第１貯留空間８側に向かって流れようとするのを阻止し、噴射スリット７の入側開口部７ａに向かう流れに修正するので、噴射スリット７の入側開口部７ａ側の冷却水の整流化を促進することができる。

さらに、噴射スリット７の入側開口部７ａ、出側開口部７ｂの周縁に面取り部１３ａ〜１３ｄを設けることで、噴射スリット７を通過する冷却水の圧力損失を最小限とし、環状の出側開口部７ｂの全周から噴射する冷却水の圧力均一化を促進することができる。
さらにまた、噴射スリット７は、噴射スリット７の入側開口部７ａに流れてきた冷却水の流れに沿う方向にスリット流路が形成されているので、噴射スリット７を通過する冷却水の圧力損失をさらに小さくすることができる。

次に、本発明に係る実施例の冷却装置と、本発明とは異なる形状の参考例の冷却装置とについて、各形状特性のパラメータを取って流動解析を行った。なお、流動解析には、Ｓolid works flow simulation （Ｓolid Ｗorks社製）を使用した。また、境界条件として、静圧で冷却水入口部に１０Kg/cm^２の圧力を付与し、噴射スリットの出側開口部を大気開放に設定した。
流動解析の結果を表１に示す。

この表１は、本発明１、２、参考例１、２に対して、圧力損失比ΔＲｅ、圧力差比ΔＰ比及び流量差比ΔＶ比の比較を行ったものである。
本発明１は、図１で示した第１実施形態の冷却装置１である。また、本発明２は、図５の（ａ）で示す冷却装置であり、図１で示した第１実施形態の冷却装置１と異なる構造は、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くに環状の突起部１４が形成されていないことである。

一方、参考例１は、図５の（ｂ）で示す冷却装置であり、図１で示した第１実施形態の冷却装置１と異なる構造は、環状タンクが一つの貯留空間２０で形成されており、冷却パイプ２の同一軸線Ｐ位置に供給口２１と噴射スリット２２が形成されていることである。
さらに、参考例２は、図５の（ｃ）で示す冷却装置であり、図１で示した第１実施形態の冷却装置１と異なる構造は、噴射スリット２３の環状の入側開口部２３ａが鋼材入口２ａ側に位置し、環状の出側開口部２３ｂが鋼材出口２ｂ側に位置しており、噴射スリット２３のスリット流路が、噴射スリット２３の入側開口部２３ａに向けて流れてきた冷却水の流れに沿う方向に形成されていない。

また、圧力損失比ΔＲｅは、噴射スリットの入側開口部と出側開口部との圧力差を、本発明１に対する本発明２、参考例１、２の比で示したものである。また、圧力差比ΔＰは、噴射スリットの出側開口部の円周方向の圧力の最大値と最小値の差を、本発明１に対する本発明２、参考例１、２の比で示したものである。さらに、流量差比ΔＶは、噴射スリットの出側開口部の円周方向の流量の最大値と最小値の差を、本発明１に対する本発明２、参考例１、２の比で示したものである。

表１の本発明１、２を比較して明らかなように、本発明１の冷却装置は、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くに環状の突起部１４を形成することで、本発明２と比較して、噴射スリット７の入側開口部７ａに向かうように冷却水の流れが修正されて整流化が図られるので、圧力損失比ΔＲｅが向上する。
また、表１の参考例１から明らかなように、本発明１のように供給口６が接続する第１貯留空間８と噴射スリット７が接続している第２貯留空間９とを備えていない参考例１の冷却装置は、噴射スリットの出側開口部の円周方向の圧力及び流量が不均一であり、鋼材４に対して冷却ムラを発生するおそれがある。

さらに、表１の参考例２から明らかなように、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って流れる冷却水の流れに沿う方向に、噴射スリット２３のスリット流路が形成されていないので、噴射スリット２３の入側開口部２３ａにおける冷却水の圧力損失が増大し、噴射スリットの出側開口部の円周方向の圧力及び流量が不均一となり、鋼材４に対して冷却ムラを発生するおそれがある。

これに対して、本発明１の冷却装置は、第１貯留空間８から第２貯留空間９の噴射スリット７の入側開口部７ａに流れる冷却水は、円弧壁面１２に沿ってスムーズに流れることで噴射スリット７の入側開口部７ａ側で整流され、噴射スリット７の入側開口部７ａの近くに配置した環状の突起部１４が、内径側壁面１０に沿って第２貯留空間９側へ流れようとする冷却水の流れを阻止するとともに、第２貯留空間９の円弧壁面１２に沿って流れてきて第１貯留空間８側に向かって流れようとするのも阻止し、噴射スリット７の入側開口部７ａに向かう流れに修正するので、環状の出側開口部７ｂの全周から均一な圧力の冷却水が冷却パイプ２の内部に向けて噴射する。これにより、冷却パイプ２に進入してきた鋼材４の外周全域に対して均一の圧力、流速の冷却水を噴射し、鋼材４に対して冷却ムラを発生することがなく、高い効率で鋼材４を冷却することができるのである。

１ 冷却装置
１ａ 第１構成部材
１ｂ 第２構成部材
２ 冷却パイプ
３ 冷却水噴射ノズル
４ 鋼材
２ａ 鋼材入口
２ｂ 鋼材出口
５ 環状タンク
６ 供給口
７ 噴射スリット
７ａ 噴射スリットの入側開口部
７ｂ 噴射スリットの出側開口部
８ 第１貯留空間
９ 第２貯留空間
１０ 内径側壁面
１１ 外径側壁面
１２ 円弧壁面
１３ａ〜１３ｄ 面取り部
１４ 環状の突起部
Ｐ 冷却パイプの軸線
Ｓ１ スリット線

Claims (4)

1. 鋼管、鋼棒などの鋼材が内部を通過する直線状の冷却パイプと、
   前記冷却パイプの内部に冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルと、を備え、
   前記冷却水噴射ノズルは、
   前記冷却パイプの外周の一部に形成された環状タンクと、
   前記環状タンクに冷却水を供給する供給口と、
   前記環状タンクに貯留された冷却水を前記冷却パイプの内部に噴射させる噴射スリットと、を備えており、
   前記環状タンクは、前記冷却パイプの外周に前記冷却パイプの軸線に沿って連続に形成した第１貯留空間及び第２貯留空間を備え、
   前記供給口は、前記第１貯留空間に前記軸線に直交する方向から連通し、
   前記噴射スリットは、前記第２貯留空間の内径側壁面を形成している前記冷却パイプに、前記第２貯留空間で環状の入側開口部が開口し、前記冷却パイプの内部で環状の出側開口部が開口して形成され、
   前記第２貯留空間の外径側壁面は、前記第１貯留空間から流れてきた冷却水に対して前記噴射スリットの前記入側開口部に向かう流れを発生させる円弧壁面として形成されていることを特徴とする鋼材の冷却装置。
2. 前記噴射スリットの前記入側開口部から前記出側開口部まで形成されたスリット流路は、前記第２貯留空間の前記円弧壁面によって発生した冷却水の流れに沿う方向に形成されていることを特徴とする請求項１記載の鋼材の冷却装置。
3. 前記第２貯留空間の前記入側開口部より前記第１貯留空間に寄った位置の前記内径側壁面に、前記軸線に直交する方向に突出した環状の突起部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼材の冷却装置。
4. 前記噴射スリットの前記入側開口部及び出側開口部の開口周縁には、面取りが施されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の鋼材の冷却装置。
   
   

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