JP2019505627A - 非金属又は金属品の熱伝達の方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、非金属又は金属品の熱処理の方法であって、Ａ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）であって、熱伝達流体が、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＡ）を少なくとも１つと、Ｂ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）であって、熱伝達流体Ｂ’は、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＢ）を少なくとも１つとを含み、前記熱伝達流体Ａ’及びＢ’は異なる、方法に関する。
Description
本発明は、非金属又は金属品の熱伝達の方法に関する。特に、方法は、鋼、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材、ニッケルの各産業、又はプラスチック等の非金属産業に適している。
エネルギー消費の削減を目的として、熱交換器システムの性能を改善し、様々な熱伝達向上技術を導入することが可能である。いくつかの技術は、電場又は磁場の印加に重点を置いている。エネルギー効率の改善はそのような観点から可能であるが、熱伝達流体に関しても改善は実現され得る。通常、水、エンジンオイル、エチレングリコール等の流体が、熱伝達流体として使用される。しかしながら、それらは、熱伝達性能が低く、したがって、必要とされる熱伝達を達成するためには、熱伝達システムの高い緻密性及び有効性が必要である。熱伝達の向上のための取組みのうち、液体への添加剤の適用がより顕著である。
例えば、ポリオキシエチレンモノ−及びジ−グリセリドであるＬＥＶＥＮＯＬ Ｃ−４２１等の界面活性剤が、熱伝達係数又は少なくとも熱伝導率を改善するために、水に添加され得る。しかしながら、いくつかの場合には伝導率は向上するものの、界面活性剤の存在は、泡の形成をもたらす。泡は、特に工業規模において除去するのが実に困難であるため、泡の存在は大きな問題である。さらに、界面活性剤の存在は、熱伝達システム、特に熱伝達流体が流動するパイプの腐食を増加させる。最後に、特に熱伝達システム内にスケールが形成され得る。
製鋼産業において、例えば、特許出願ＵＳ２００３０６２１４７は、電気用鋼を製造するための方法を開示している。連続鋳造後、鋳造帯から粒界配向電気用鋼を製造するために、粒成長阻害相の析出を制御するように鋳造帯の急速な二次冷却が実現される。
具体的には、この特許出願は、粒界配向電気用帯鋼を製造するための方法であって、
（ａ）約１０ｍｍ以下の厚さを有する連続鋳造電気用帯鋼を成形するステップと、（ｂ）前記帯を、固化するように約１５℃／秒の速度で約１１５０〜約１２５０℃の温度まで空気により徐冷するステップと、
（ｃ）その後、前記帯鋼に対して急速な二次冷却を実行するステップであって、帯は、約６５〜約１５０℃／秒の速度で約９５０℃以下の温度まで冷却されるステップとを含む方法を説明している。
（ａ）約１０ｍｍ以下の厚さを有する連続鋳造電気用帯鋼を成形するステップと、（ｂ）前記帯を、固化するように約１５℃／秒の速度で約１１５０〜約１２５０℃の温度まで空気により徐冷するステップと、
（ｃ）その後、前記帯鋼に対して急速な二次冷却を実行するステップであって、帯は、約６５〜約１５０℃／秒の速度で約９５０℃以下の温度まで冷却されるステップとを含む方法を説明している。
冷却工程は、冷却スプレー、指向性冷却空気／水ミストの直接の適用、又は鋳造帯の固体媒体への、例えば金属ベルト若しくはシートへの衝突冷却により達成され得る。
しかしながら、そのような冷却工程では、望ましい急速冷却に到達しない可能性がある。実際に、指向性冷却空気／水ミストは、工業規模において制御するのが困難な冷却である。さらに、鋳造帯と冷却流体又は冷却固体との間の熱伝達流量が低すぎるため、冷却工程は両方とも長すぎる。
別の例は、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｏｔ−Ｒｏｌｌｅｄ Ｎｂ Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ」（Ｄｏｎｇ−ｓｈｅｎｇ ＺＨＥＮＧ，Ｆｕ−ｘｉａｎ ＺＨＵ，Ｙａｎ−ｍｅｉ ＬＩ，Ｂｉｎｇ−ｚｈａｎｇ ＣＨＥＮ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌｕｍｅ １８，Ｉｓｓｕｅ ８，Ａｕｇｕｓｔ ２０１１，Ｐａｇｅｓ ４６−５２）という科学者向け出版物において開示されている。この出版物は、熱間圧延実験により調査された、Ｎｂマイクロ合金鋼板の微細構造及び機械的特性に対するランアウトテーブル冷却パターンの効果を説明している。結果は、同じ熱間圧延条件下でのランアウトテーブル上の３種類の冷却パターンにより、フェライト、ベイナイト及び大量の残留オーステナイトを含有する混合微細構造を得ることができることを示した。例えば、熱間圧延工程における冷却工程の間、ランアウトテーブルは、以下のステップにより帯鋼を冷却することができる：
（ａ’）中間的冷却速度での８２０℃から７００℃への冷却（冷却剤として使用される水は、層流型である。）
（ｂ’）遅い冷却速度での７００℃から６４０℃への冷却（冷却剤として空気が使用される。）、及び
（ｃ’）超高速冷却速度での６４０℃から４４０〜４６０℃への冷却（冷却剤として水が使用される。）。
（ａ’）中間的冷却速度での８２０℃から７００℃への冷却（冷却剤として使用される水は、層流型である。）
（ｂ’）遅い冷却速度での７００℃から６４０℃への冷却（冷却剤として空気が使用される。）、及び
（ｃ’）超高速冷却速度での６４０℃から４４０〜４６０℃への冷却（冷却剤として水が使用される。）。
しかしながら、所望の冷却速度に達するには、ステップ（ａ’）及び（ｃ’）を実行するために大量の水が必要である。さらに、水を使用した冷却ステップは、工業規模においてあまりにも時間がかかりすぎるリスクがある。実際に、水の熱伝達係数は、中間的又は超高速冷却速度を迅速に得るのに十分な高さではない。したがって、高い熱伝達係数を有する熱伝達流体が必要である。
ナノテクノロジーにおける最近の調査により、ナノ粒子を含む熱伝達流体の新たなカテゴリーの開発が可能となった。「ナノ流体」とも呼ばれるそのような流体は、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子を含有する液体懸濁液である。これらの熱伝達流体は、通常、増加した熱伝達係数を有する。これらの流体は、通常、冷却流体として使用される。
そのような流体は、非金属又は金属と熱伝達流体との間の熱伝達、例えば冷却を加速するために使用され得る。例えば、製鋼産業において、熱間圧延における冷却工程の間、ランアウトテーブルは、帯鋼を、入口での約８００〜９５０℃から、出口での４５０〜６００℃まで冷却する。したがって、いくつかの鋼種に対しては、高い熱伝達係数を有する熱伝達流体が必要である。
しかしながら、時折、冷却は、２つ以上のステップで実行され、各ステップの冷却速度は、速いが等しくはない。したがって、いくつかの冷却ステップを含むそのような方法が必要である。
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｏｔ−Ｒｏｌｌｅｄ Ｎｂ Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ」（Ｄｏｎｇ−ｓｈｅｎｇ ＺＨＥＮＧ，Ｆｕ−ｘｉａｎ ＺＨＵ，Ｙａｎ−ｍｅｉ ＬＩ，Ｂｉｎｇ−ｚｈａｎｇ ＣＨＥＮ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌｕｍｅ １８，Ｉｓｓｕｅ ８，Ａｕｇｕｓｔ ２０１１，Ｐａｇｅｓ ４６−５２
本発明の目的は、非金属又は金属品の熱処理の実行が容易な方法であって、前記品と、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する熱伝達流体との間の少なくとも２つの熱伝達を含む方法を提供することである。特に、熱伝達が速く制御され得る方法を提供することが必要とされている。
これは、請求項１〜２６に記載の、金属又は非金属品と熱伝達流体との間の熱伝達の方法を提供することにより達成される。
以下の用語が定義される：
−ナノ粒子を含む熱伝達流体（いわゆるナノ流体）は、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子を含有する液体懸濁液を意味し、
−層流は、約２３００の臨界値未満のレイノルズ数を有する流動を意味し、
−乱流は、約４０００の臨界値を超えるレイノルズ数を有する流動を意味し、
−パーコレーション閾値濃度は、それを超えるとナノ粒子が接続して長距離ネットワークを形成するナノ粒子の濃度である。熱伝達用途において、そのようなネットワークが、流体の最も熱い部分、すなわち熱が流動し始める部分、及び流体の最も冷たい部分、すなわち熱が排出される部分を接続することが適している。換言すれば、パーコレーション閾値濃度未満では、ナノ粒子は接続されない。パーコレーション閾値濃度が得られる場合、流体媒体よりも高い熱伝導率を有するナノ粒子で形成されたネットワークにより、熱媒は、はるかに低い熱抵抗を有する経路をとり、したがって流体の熱伝導率、ひいては熱伝達係数を向上させることができ、
−ｗｔ．％は、重量パーセントを意味し、
−グラファイトナノプレートレットは、約５〜２０ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
−数層グラフェンは、１〜５ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
−グラフェンは、六角形配列の結合した炭素原子の単原子厚のシートを意味し、通常１ｎｍ未満の厚さを示す。
−ナノ粒子を含む熱伝達流体（いわゆるナノ流体）は、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子を含有する液体懸濁液を意味し、
−層流は、約２３００の臨界値未満のレイノルズ数を有する流動を意味し、
−乱流は、約４０００の臨界値を超えるレイノルズ数を有する流動を意味し、
−パーコレーション閾値濃度は、それを超えるとナノ粒子が接続して長距離ネットワークを形成するナノ粒子の濃度である。熱伝達用途において、そのようなネットワークが、流体の最も熱い部分、すなわち熱が流動し始める部分、及び流体の最も冷たい部分、すなわち熱が排出される部分を接続することが適している。換言すれば、パーコレーション閾値濃度未満では、ナノ粒子は接続されない。パーコレーション閾値濃度が得られる場合、流体媒体よりも高い熱伝導率を有するナノ粒子で形成されたネットワークにより、熱媒は、はるかに低い熱抵抗を有する経路をとり、したがって流体の熱伝導率、ひいては熱伝達係数を向上させることができ、
−ｗｔ．％は、重量パーセントを意味し、
−グラファイトナノプレートレットは、約５〜２０ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
−数層グラフェンは、１〜５ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
−グラフェンは、六角形配列の結合した炭素原子の単原子厚のシートを意味し、通常１ｎｍ未満の厚さを示す。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の発明を実施するための形態から明らかとなる。
本発明を例示するために、様々な実施形態及び限定されない実施例の試験対象が、特に以下の図を参照して説明される。
本発明は、非金属又は金属品の熱処理の方法であって、
Ａ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）であって、熱伝達流体は、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＡ）を少なくとも１つと、
Ｂ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）であって、熱伝達流体Ｂ’は、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＢ）を少なくとも１つと
を含み、前記熱伝達流体Ａ’及びＢ’は異なる、方法に関する。
Ａ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）であって、熱伝達流体は、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＡ）を少なくとも１つと、
Ｂ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）であって、熱伝達流体Ｂ’は、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＢ）を少なくとも１つと
を含み、前記熱伝達流体Ａ’及びＢ’は異なる、方法に関する。
より好ましくは、本方法はまた、前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｃ’との間の熱伝達ステップＣ）を少なくとも１つさらに含み、熱伝達流体Ｃ’は、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する。
有利には、本方法はまた、前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｄ’との間の熱伝達ステップＤ）を少なくとも１つ含み、熱伝達流体Ｄ’は、Ｃ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する。
本発明によれば、ステップＡ）、Ｂ）、Ｃ）、Ｄ）は、任意の順番で実行されてもよく、ステップＣ及びＤは、任意選択的である。好ましい実施形態において、本発明による熱伝達の方法は、連続して実行されるステップＡ）及びＢ）を含む。別の好ましい実施形態において、ステップＢ）は、ステップＡ）の前に実行される。有利には、本発明による熱処理の方法は、連続して実行されるステップＡ）、Ｂ）及びＣ）を含む。それらはまた、Ｂ）、Ｃ）及びＡ）又はＣ）、Ａ）及びＢ）の順番で実行されてもよい。好ましくは、本発明による熱処理の方法は、連続して実行されるステップＡ）、Ｂ）、Ｃ）及びＤ）を含む。それらはまた、Ｂ）、Ｃ）、Ａ）及びＤ）、又はＡ）、Ｃ）、Ｄ）及びＢ）の順番で実行されてもよい。
好ましい実施形態において、熱伝達流体は、グラファイトナノプレートレット、グラフェン、数層グラフェン、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＺｎＯ、ホウ素−ニトリド、銅、シリカ、モンモリロナイト、ゼオライト、クリノプチロライト、珪灰石、雲母、ゼオライト４Ａ、Ａｌ２Ｏ３、シリケート、軽石、酸化カルシウム又はカーボンナノチューブから選択されるナノ粒子を含む。好ましくは、ナノ粒子は、カーボンナノチューブを含まない。
例えば、ナノ粒子は、球状、楕円形又はナノプレートレットであってもよい。
図１は、本発明の熱伝達流体において使用され得る１つのナノプレートレットの例を示す。この例において、横方向サイズは、Ｘ軸に沿ったナノプレートレットの最大長さを意味し、厚さは、Ｚ軸に沿ったナノプレートレットの高さを意味する。ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸に沿って示されている。
図２は、本発明の熱伝達流体において使用され得る多層ナノプレートレットの例を示す。この例において、横方向サイズは、Ｘ軸に沿ったナノプレートレットの最大長さを意味し、厚さは、Ｚ軸に沿った全ての積層されたナノプレートレットの全高さを意味する。ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸に沿って示されている。
図３は、本発明の熱伝達流体において使用され得る球状ナノ粒子の例を示す。この例において、横方向サイズは、ナノ粒子の直径を意味し、厚さは、ナノ粒子の高さを意味する。
図４は、本発明の熱伝達流体において使用され得る楕円形ナノ粒子の例を示す。この例において、横方向サイズは、ナノ粒子の最大長さを意味し、厚さは、ナノ粒子の高さを意味する。
ナノ粒子の横方向サイズ及び厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定され得る。
好ましくは、ナノ粒子は、多層ナノプレートレットである。実際に、いかなる理論にも束縛されることを意図するものではないが、ナノプレートレット形態を得るためには、ナノ粒子は、層間の弱い相互作用、すなわちファンデルワールス力、水素結合、機械的結合、ハロゲン結合、π積層、カチオン／アニオン−π結合、インターカレーション、塩橋及び極性−πを有する多層構造を有するべきであると思われる。この弱い結合は、ナノプレートレットの良好な熱伝導率と共に、流体の熱伝達係数を改善する可能性を増加させる。
有利には、ナノ粒子の厚さは、１〜９９．９９ｎｍの間、好ましくは５から５０ｎｍまでの間、より好ましくは５から１５ｎｍまでの間である。
好ましくは、ナノ粒子の横方向サイズは、２６〜５０μｍの間、有利には３５〜４５μｍの間である。
好ましくは、ナノ粒子濃度は、０．０１ｗｔ．％〜１２ｗｔ．％の間、有利には２〜８ｗｔ．％の間、より好ましくは４〜７ｗｔ．％の間である。
好ましい実施形態において、熱伝達流体は、非表面活性ポリマー、界面活性剤又はそれらの混合物である分散剤を有する。界面活性剤は、カチオン性、アニオン性、両性又は非イオン性であってもよい。
例えば、前記分散薬剤は、ポリビニルピロリドン、ポリサッカリド、硫酸化ポリサッカリド、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、リグニンスルホネート、ジアルキルスルホサクシネート、四級アンモニウム化合物、ステアリン酸ナトリウム又はそれらの混合物であってもよい。
好ましくは、重量でのナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、３〜１８の間である。より好ましくは、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、４〜１５の間、有利には４〜８の間、好ましくは４〜６の間である。
いかなる理論にも束縛されることを意図するものではないが、上記の比が制御されてパーコレーション閾値濃度に達すると、本発明による熱伝達流体は、層流において、より高い熱伝導率、ひいてはより高い熱伝達係数を可能にすると思われる。実際に、分散剤は、ナノ粒子の堆積及び凝集を回避することができる。例えば、分散剤が界面活性剤である場合、ナノ粒子は、疎水性分子のコア及び親水性分子のシェルで構成されるミセルにより封入される。そのようなミセル構造は、流体内のナノ粒子の分散を可能にする。しかしながら、パーコレーション、換言すればナノ粒子により形成された長距離ネットワークの形成を得るためには、ナノ粒子の分散度が制限されなければならない。
好ましくは、熱伝達流体は、水、エチレングリコール、エタノール、油、メタノール、シリコーン、プロピレングリコール、アルキル化芳香族化合物、液体Ｇａ、液体Ｉｎ、液体Ｓｎ、ギ酸カリウム又はそれらの混合物から選択される流体媒体を含む。ガリウム、インジウム及びスズは、特に金属品の冷却のための熱伝達流体として使用され得る。実際に、ガリウムの融点は３０℃であり、インジウムの融点は１５７℃であり、スズの融点は２３２℃である。例えば、それらは、コンピュータチップ又は実験機器、例えば中性子源を冷却するために使用され得る。
熱伝達流体は、好ましくは、以下のステップにより製造される：
Ａ．本発明によるナノ粒子の提供、
Ｂ．流体媒体の提供、
Ｃ．パーコレーションを達成するためのナノ粒子濃度の調節、及び
Ｄ．ナノ粒子と流体媒体との混合。
Ａ．本発明によるナノ粒子の提供、
Ｂ．流体媒体の提供、
Ｃ．パーコレーションを達成するためのナノ粒子濃度の調節、及び
Ｄ．ナノ粒子と流体媒体との混合。
本発明によれば、熱伝達流体の流動は、層流又は乱流型であってもよい。層流型では、熱伝達係数は、熱伝導率に比例する。一方、乱流型では、熱伝達係数は、粘度等の１組の熱物理特性に依存する。
本発明によれば、熱伝達ステップは、金属又は非金属品と熱伝達流体との間である。好ましくは、例えば金属基板である金属品は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材、ニッケルでできており、非金属はプラスチックでできている。
従来技術において、流体媒体として水を使用した熱伝達は、通常、１つの様式で実現され得る。この様式は「接触水」と呼ばれ、これは、物体と直接接触することにより物体を冷却又は加熱するために水が使用されることを意味する。
本発明の好ましい実施形態によれば、金属である前記品は金属基板であり、熱伝達流体はそれに直接接触する。この場合、熱伝達は、ジェット衝突冷却、プール沸騰、噴霧冷却又はマイクロチャネル冷却により実現され得る。
例えば、製鋼産業において、接触水冷却による熱伝達は、
−連続鋳造機及び熱間圧延工程、例えばランアウトテーブル上での冷却工程の噴霧チャンバ内、
−ガス処理及びコークスの急冷のためのコークス炉内、
−溶鉱炉、塩基性酸素転炉及び電気アーク炉内でのスラグ急冷の間
に実行され得る。
−連続鋳造機及び熱間圧延工程、例えばランアウトテーブル上での冷却工程の噴霧チャンバ内、
−ガス処理及びコークスの急冷のためのコークス炉内、
−溶鉱炉、塩基性酸素転炉及び電気アーク炉内でのスラグ急冷の間
に実行され得る。
好ましくは、本発明による熱処理の方法は、少なくとも１つの加熱ステップをさらに含む。例えば、加熱ステップは、０から１２００℃までの間の温度で行われる。
本発明による方法は、例えばＮｂマイクロ合金鋼板としての多相鋼の製造のための方法において、フェライト、ベイナイト及び大量の残留オーステナイトを含有する混合微細構造を得るために、熱間圧延中に使用され得る。そのような微細構造は、ランアウトテーブル上で１つの冷却工程により得ることができる。例えば、熱間圧延工程における冷却工程の間、ランアウトテーブルは、以下の連続するステップにより帯鋼を冷却することができる：
Ａ．水、及び０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体Ａ’）を用いた、帯鋼の冷却ステップを１つ（ナノ粒子濃度は、５ｗｔ．％である。水の熱伝達に対する熱伝達の向上は、乱流型において２０３％である。）、
Ｃ．流体媒体としての水、並びに４０μｍの横方向サイズ及び１０ｎｍの厚さ、すなわち０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体Ｃ’）を用いた、冷却ステップを１つ（ナノ粒子の濃度は、７ｗｔ．％である。流体は、１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含み、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は７である。水の熱伝達に対する熱伝達の低減は、２５℃での乱流型流動において−５３％である。）、並びに
Ｂ．０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体を用いた、冷却ステップを１つ（ナノ粒子濃度は、７ｗｔ．％である。流体は、分散剤として１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含み、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は７である。水の熱伝達に対する熱伝達の向上は、乱流型において２８６％である。）。
Ａ．水、及び０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体Ａ’）を用いた、帯鋼の冷却ステップを１つ（ナノ粒子濃度は、５ｗｔ．％である。水の熱伝達に対する熱伝達の向上は、乱流型において２０３％である。）、
Ｃ．流体媒体としての水、並びに４０μｍの横方向サイズ及び１０ｎｍの厚さ、すなわち０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体Ｃ’）を用いた、冷却ステップを１つ（ナノ粒子の濃度は、７ｗｔ．％である。流体は、１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含み、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は７である。水の熱伝達に対する熱伝達の低減は、２５℃での乱流型流動において−５３％である。）、並びに
Ｂ．０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体を用いた、冷却ステップを１つ（ナノ粒子濃度は、７ｗｔ．％である。流体は、分散剤として１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含み、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は７である。水の熱伝達に対する熱伝達の向上は、乱流型において２８６％である。）。
したがって、熱伝達流体Ａ’）及びＢ’）は、急速冷却を可能にし、ステップＢ）の冷却は、ステップＡ）の冷却と比較して超高速である。熱伝達流体Ｃ’）は、遅い冷却を可能にする。さらに、冷却ステップは全て十分に制御される。
０．０００２５の厚さ／横方向サイズ比を有するグラファイトナノプレートレットを有するナノグラファイト多層を混合することにより、試験対象１〜３を調製した。試験対象３には、分散剤としてのポリビニルピロリドンを添加した。
試験対象４は、水で構成された。
各試験対象に対して、試料の熱伝導率は、ＤＴＣ−２５熱伝導率計を使用して測定されている。熱伝導率の向上は、水の伝導率に対して計算されたが、水の伝導率は、室温、すなわち２０℃で０．６７Ｗ／ｍＫであった。
層流では、熱伝達の向上は、熱伝導率の向上と同様であり、したがって％での熱伝達の向上を得るには計算は必要ない。
乱流において、熱伝達の向上は、以下の式により計算された：
ここで、
：ナノ流体の熱伝達係数（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ２）、
：ベース流体の熱伝達係数（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ２）、
：ナノ流体の熱伝導率（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ）、
：ナノ流体の密度（ｋｇ／ｍ３）、
：ナノ流体の熱容量（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）及び
：ナノ流体の粘度（ｋｇ／ｓ・ｍ）である。
試験対象１〜３、及び水で構成される試験対象４の冷却性能を、モデル化ソフトウェアにより計算した。この試験において、７８５４ｋｇ／ｍ３の密度を有する鋼スラブを、１３秒間冷却した。長さは５メートルであり、幅は１メートルであり、スラブ厚は１０ｍｍであった。スラブの初期温度は９６８℃であった。
一方で、スラブの冷却は、以下のように試験対象１〜３を用いて連続して実行した：
−層流型における試験対象１を用いた第１の冷却ステップ、
−乱流型流動における試験対象２を用いた第２の冷却ステップ、及び
−層流型における試験対象３を用いた第３の冷却ステップ。
−層流型における試験対象１を用いた第１の冷却ステップ、
−乱流型流動における試験対象２を用いた第２の冷却ステップ、及び
−層流型における試験対象３を用いた第３の冷却ステップ。
他方で、試験対象４は、層流で使用した。
以下の表は、各試験対象を使用することによる冷却速度を示す。
試験対象１及び３は、急速冷却を可能にし、試験対象３を使用した冷却は、試験対象１による冷却よりも速い。試験対象２は、遅い冷却を可能にする。したがって、本発明による方法によって、水、すなわち試験対象４と比較して多相鋼を得ることが可能である。
Claims (26)
- 非金属又は金属品の熱処理の方法であって、
Ａ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）であって、前記熱伝達流体が、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＡ）を少なくとも１つと、
Ｂ．前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）であって、前記熱伝達流体Ｂ’が、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する、ステップＢ）を少なくとも１つと
を含み、前記熱伝達流体Ａ’及びＢ’は異なる、方法。 - 前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｃ’との間の熱伝達ステップＣ）を少なくとも１つさらに含み、前記熱伝達流体Ｃ’が、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｄ’との間の熱伝達ステップＤ）を少なくとも１つさらに含み、前記熱伝達流体Ｄ’が、Ｃ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する、請求項２に記載の方法。
- 熱伝達流体が、グラファイトナノプレートレット、グラフェン、数層グラフェン、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２、ＺｎＯ、ホウ素−ニトリド、銅、シリカ、モンモリロナイト、ゼオライトクリノプチロライト、珪灰石、雲母、ゼオライト４Ａ、Ａｌ２Ｏ３、シリケート、軽石、酸化カルシウム若しくはカーボンナノチューブ又はそれらの任意の混合物の中から選択されるナノ粒子を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子が、カーボンナノチューブを含まない、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子が、多層ナノプレートレットである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子の厚さが、１〜９９．９９ｎｍの間である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子の厚さが、５から５０ｎｍまでの間である、請求項７に記載の方法。
- ナノ粒子の厚さが、５から１５ｎｍまでの間である、請求項８に記載の方法。
- ナノ粒子の横方向サイズが、２６〜５０μｍの間である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 横方向サイズが、３５〜４５μｍの間である、請求項１０に記載の方法。
- ナノ粒子濃度が、０．０１〜１２ｗｔ．％の間である、請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子濃度が、２〜８ｗｔ．％の間である、請求項１２に記載の方法。
- ナノ粒子濃度が、４〜７ｗｔ．％の間である、請求項１３に記載の方法。
- 熱伝達流体が、分散剤をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 分散剤が、非表面活性ポリマー若しくは界面活性剤又はそれらの混合物である、請求項１５に記載の方法。
- 界面活性剤が、カチオン性、アニオン性、両性又は非イオン性界面活性剤である、請求項１６に記載の方法。
- 分散剤が、ポリビニルピロリドン、ポリサッカリド、硫酸化ポリサッカリド、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、リグニンスルホネート、ジアルキルスルホサクシネート、四級アンモニウム化合物及びステアリン酸ナトリウム又はそれらの混合物から選択される、請求項１７に記載の方法。
- 重量でのナノ粒子濃度／分散剤濃度比が、３〜１８の間である、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
- 流体媒体が、水、エチレングリコール、エタノール、油、メタノール、シリコーン、プロピレングリコール、アルキル化芳香族化合物、液体Ｇａ、液体Ｉｎ、液体Ｓｎ、ギ酸カリウム及びそれらの任意の混合物の中から選択される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
- 熱伝達流体が、層流型又は乱流型である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
- 金属である前記品が、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材又はニッケルでできている、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
- 金属品が、金属基板であり、熱伝達が、熱伝達流体が金属基板に直接接触するような熱伝達である、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
- 金属基板と熱伝達流体との間の接触が、ジェット衝突冷却、プール沸騰、噴霧冷却又はマイクロチャネル冷却により実現される、請求項２３に記載の方法。
- 非金属又は金属品の熱処理が、少なくとも１つの加熱ステップをさらに含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記１つの加熱ステップが、０〜１２００℃の間の温度で行われる、請求項２５に記載の方法。
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