JP2022552551A - 金属ストリップを冷却するためのディストリビュータチューブ - Google Patents

Abstract

本発明は、金属又は類似の製品、特に鋼帯を冷却するためのディストリビュータチューブ（４００）であって、ディストリビュータチューブ（４００）の長手延長方向に沿って設けられ、冷却流体を噴射可能な複数の出口開口部（４０６）;ディストリビュータチューブ（４００）の端に位置する入口部（４０２）及び閉止部（４０４）；並びに冷却流体の供給源に接続し、ディストリビュータチューブに前記冷却流体を供給するための接続部;を備えるディストリビュータチューブに関する。少なくともディストリビュータチューブの入口部（４０２）の側には、小径のセクターから大径のセクターまで流れの方向に従ってチューブの直径が変化するゾーンが存在する。複数の出口開口部（４０６）の上流側の流れ部の領域にはオリフィス（４１４）が存在する。更に関連する熱間圧延プラント及びディストリビュータチューブの使用にも言及する。

Description

本発明は、金属又は類似の製品、特に熱間圧延プラントから出される鋼帯を冷却するためのディストリビュータチューブであって、
ａ）ディストリビュータチューブの長手延長方向に沿って設けられた、冷却流体を噴射可能な複数の出口開口部;
ｂ）前記ディストリビュータチューブの一端に位置する前記冷却流体のための入口部、及び前記ディストリビュータチューブの他端に位置する閉止部；並びに
ｃ）冷却流体の供給源に接続し、前記ディストリビュータチューブに前記冷却流体を供給するための接続部;を備え、ここで、少なくとも前記ディストリビュータチューブの前記入口部の側には、小径のセクターから大径のセクターまで流れの方向に従ってチューブの直径が変化するゾーンが存在する、ディストリビュータチューブに関する。

熱間圧延の終了時には、圧延プラントから出される金属ストリップを冷却する必要がある。ストリップは上面及び下面の両方で冷却される。特に、その下部の冷却には、通常は一列に配置された複数の噴霧ノズルが設けられたディストリビュータチューブが用いられている。ストリップをその長さ方向及び幅方向の両方で均一に冷却することのみが、ストリップの優れた幾何学的及び機械的品質を保証する。従来の技術として、金属ストリップをほぼ均一に冷却するよう適合された様々なディストリビュータチューブが提供されている。米国特許第２０１８／０３６９８８７に記載された発明の発明者らは、金属ストリップの平坦度計から受信したデータに基づいて、冷却チューブによる冷却を調整することを提案している。韓国特許ＫＲ１００７９７２４７Ｂでは、バルブアセンブリを使用して、冷却中の冷却ジェットの圧力を変化させている。国際特許出願公開ＷＯ２０１８／１９２９６８Ａ１では、ダイヤフラム又はスラットを用いることで、チューブの長手延長方向に沿ってノズルパイプ部の面積を減少させる解決策が提案されている。ノズルの閉止を制御するには複雑な提案を含む。日本（特開昭６１－１６２２２３）では、２つのチューブの双方に複数の孔を設け、一方のチューブに対し他方のチューブを同軸回転させることで、出口開口部のサイズを調整する二重チューブが開発された。ＧＢ２５２９０７２Ａに記載される、もうひとつの複雑なディストリビュータチューブは、二重チャンバを有するものとして開示されている。追加の回転チューブは、文献ＫＰ１０１４３１０３３Ｂにより公知である。特開昭６３－５８１０及び中国特許第１０９０９２９１１Ｂは、チューブの長手延長方向に沿って配置されたオリフィスを有する冷却ヘッダーを開示する。

従来技術のディストリビュータチューブは、多くの場合、入口部領域において縮径している。一般的なレイアウトは、ある直径と、ストリップ付近の他の直径との間にこのような遷移ゾーンを含む。しかし、この遷移は、クリティカルな面もあり、流れの望ましくない分布をもたらす可能性がある。この問題を克服するために、特に、ディストリビュータチューブの入口部側で、小径のセクター及び大径のセクター間に急峻エッジを設けること、一方のセクターと他方のセクターとの間を漸進的に拡大すること、又は、第２のチューブの挿入、すなわち全圧力を若干偏移させ、それにより良好な均一性を保証する二重チューブといった、いくつかの解決策が提案されている。

コスト及び効率の点で、これまでに開示された解決策は、特に、チューブ内の流量及び圧力分布の不均一性の故に、まだ完全に満足できるものではない。更に、この種の解決策では、冷却システムの生産コストを削減するために、できるだけ少ない数の部品が望まれる。

本発明の目的は、上述の欠点を克服し、構造的に簡素であって安価であると同時に、流体力学の観点、特に、チューブ内の均一な流量及び圧力における効率を最適化し、金属ストリップの冷却中にストリップに到達する冷却流体の量、温度、速度及び圧力に関して、金属ストリップの均一な冷却を得る、代替のディストリビュータチューブを提案することである。

この目的は、複数の出口開口部の上流側の流れ部の領域にオリフィスを設けたことを特徴とする、最初に述べたディストリビュータチューブにより達成される。有利には、オリフィスは、ディストリビュータチューブの全セクションにわたり延在している。

本発明の好ましい実施形態において、オリフィスは、大径のセクターに位置している。

二重チューブによる解決策、すなわち好ましくはスプレーノズルの形態により出口開口部間の流れ分布を改善し、それによりストリップのより均一な冷却を実現する二重チューブに比較して、本発明による解決策は、広範囲の異なるプラントに適用でき、より簡素で安価に、そして非常に効率的な設計を用いて最適化される。実験的研究及び流れシミュレーション（計算流体力学（ＣＦＤ）法）において、小径から大径の間の遷移ゾーン近くに導入されたオリフィスは、非常に満足できる流れ分布プロファイルを示す。

オリフィスは、直近の出口開口部から少なくとも１０ｃｍの距離に位置していることが好ましい。このような配置は、流体の流れの均一性を更に改善する。

本発明の好ましい実施形態において、オリフィスは、複数の孔を備えたプレートである。このプレートは、好ましくはディストリビュータチューブのセクションの形状を有し、通常は円形であるが、他の形状も想定される。有利には、この孔は、５～１０ｍｍの範囲の直径を有している。この孔の直径がメインマニホールドをブロックしない程度に十分な大きさであるということが重要なのは明らかである。孔の三角ピッチにより優れた結果が得られている。有利には、ある孔とそれに最も近い孔との間のピッチが７．５～１５ｍｍの間で選択される。ピッチという用語は、隣接する２つの孔の中心間の距離を意味する。

好ましくは、個々の冷却流体流路孔の自由面積つまり面積の総和（前記総和は、孔の数と１つの孔の面積との積に相当する）は、大径のゾーンにおけるディストリビュータチューブの内側の面積に対し３０～４０％の範囲にある。

本発明の有利な実施形態において、チューブ及びオリフィスは同じ材料で製造される。ほとんどの用途において、例えば、ＡＳＭＥコードＢ３１．３に従ったオリフィス厚さ≦３ｍｍで十分であり、いずれの場合にも、より厚みを有するオリフィスが適している。例えば、 ７つの孔を有する５ｍｍ厚のオリフィスが良好な結果を示した。オリフィスの直径は、チューブの直径の関数として変わることは明らかである。

好ましくは、ディストリビュータチューブにおいて離間する開口部は、直線上に配置される。本発明のいくつかの実施形態において、前記開口部は小さなチューブを備えており、有利には、それら小さなチューブが、ディストリビュータチューブの長手延長方向に対して実質的に直交する角度でメインマニホールドからの冷却流体を導く。しかしながら、チューブに対して傾く開口部、すなわち９０°よりも小さい角度も想定される。

それらは、すなわち圧力降下Δｐが大きいノズルである開口部の流れの均一性という点で有利である。ノズルにおける圧力降下を増加及び集中させることで、マニホールドの入口部での圧力は大きくなるが、ノズル間の流れの変動は小さくなる。

チューブの各開口部の数は、ストリップの幅に応じて変えることができる。有利な数は、チューブの長さが１．５～２ｍである場合に２２～３２の間である；開口部の数がより多い設計の採用も支障がない。試験したマニホールドの中での最良の設計を特定するために、ノズル入口への流量及び全圧力の均一性をその評価基準として適用した。

本発明のさらなる態様は、熱間圧延プラント、好ましくは平坦な製品に関するものであり、その冷却ゾーンに冷却する製品を移送するためのローラーコンベアを備え、このローラー間に本発明による少なくとも１つのディストリビュータチューブが配置される。このような配置構成では、ストリップはその底部で冷却される。

本発明の別の態様において、本発明による方法は、特に本発明に係るプラントにおいてディストリビュータチューブに冷却液を供給し、チューブに沿って配置された複数の開口部から冷却液を流出することで、新たに圧延された金属製品に噴霧してその底部から冷却する。

本発明の最後の態様において、２０００～７５の範囲の幅／厚さ比を有する冷却ストリップのための、本発明によるディストリビュータチューブ又はプラントの使用が含まれる。この長さの単位（通常はｍｍ）の２つの寸法の比率は無次元である。

本発明の一態様について説明された特徴は、本発明の他の態様にも準用することができる。

説明された本発明の実施形態は、本発明の予定された目的に到達する。提案したディストリビュータチューブは、そのオリフィスにより、冷却の均一性の点でこれまで最良の解決策と考えられてきた二重チューブと同様の性能を達成し、これはそれよりも複雑ではなく、より経済的である。このオリフィスによって下流側の流れが均一化され、過剰でなく十分な圧力降下が生じる。

上述の目的及び利点は、限定されない例として考慮される、本発明の好ましい実施形態の説明の中で更に強調される。

本発明の実施形態は、従属クレームの対象である。ディストリビュータチューブ、熱間圧延プラント、金属ストリップの冷却プロセス及びある寸法のストリップのためのディストリビュータチューブの使用についての好ましい実施形態を、添付図面を参照して、例として説明するが、これらに限定されるものではない。

実際には、使用される材料並びに寸法、数及び形状は、それらが特定の用途に適合するように与えられ、他に特定されない限り、要請に従って異なるようにしてもよい。更に、すべての細部は、技術的に等価な他の要素で置き換えることができる。

図１は、ａ）、ｂ）及びｃ）に従来技術のディストリビュータチューブを示し、ｄ）に本発明によるディストリビュータチューブを示す。 図２は、図１に示した様々なタイプのディストリビュータチューブの流れ分布の比較を２つの図で示す。 図３は、図１の異なるタイプのディストリビュータチューブにおける流れ分布の比較を示す。 図４は、図１の異なるタイプのディストリビュータチューブにおける静圧分布の比較を示す。

図３及び図４において、ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）で示されるチューブは、図１の関連する文字ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）で規定される関連するチューブに対応している。

図１は、ａ）、ｂ）及びｃ）に従来技術のディストリビュータチューブ１００、２００、３００を示し、ｄ）に本発明によるディストリビュータチューブ４００を示している。表示された各チューブは、入口部１０４、２０４、３０４、４０４をそれぞれ有している。各ディストリビュータチューブ１００、２００、３００、４００の長手延長方向に沿って、複数のノズル１０６、２０６、３０６、４０６が直線上に沿って設けられている。チューブの入口部側の小径から大径へ遷移する間のゾーンに、それぞれ異なる解決策が提供される。従来の技術は、急峻エッジ１０８若しくは漸進的拡大２１０、又はメインマニホールド全体に延びる二重チューブ３１２の形成を提供し、この場合、流体は、最初に内側チューブ３１２を通り移動し、次いで外側チューブ３００及び内側チューブ３１２の間に空間に沿って内部で上昇しノズル３０６から放出される。一方、本発明による解決策は、ディストリビュータチューブの大径を有するゾーン内にオリフィス４１４を挿入する。

図２は、図１に示した様々なタイプのディストリビュータチューブの流れ分布の比較を２つの図で示している。ｘ軸は、ディストリビュータチューブに沿ったノズルの番号を表し、ｙ軸は平均体積流量（１００％は全マニホールド流量をノズルの総数で割ったものである）に対する当該ノズルの体積流量を％で表している。図２ａ）の曲線ａ、ｂ及びｃは、第１のタイプのマニホールドについて、それぞれ従来技術ａ）～ｃ）のチューブにおける全体的な傾向を示し、一方、曲線ｄは、本発明のオリフィスによる解決策についての体積流量の対比的な傾向に関する。図における流量は最小二乗法で減衰させた。漸進的拡大とオリフィスチューブのプロファイルは、本発明によるチューブのほうが若干優位ではあるが近似しており、急峻エッジ及び二重チューブよりは良好な体積流量分布を提供する。図２ｂ）には、別のタイプのマニホールドについて、二重チューブ（曲線ｃ）と本発明によるディストリビュータチューブ（曲線ｄ）との相対比較が示され、オリフィスによる解決策は、二重チューブと同様か又は若干良好である。二重チューブは、第１のノズルについてより均一であり、オリフィスチューブは、最後のノズルについてより均一である。この場合、圧力降下に関する利点はそれほど重要ではなく、簡素な設計及び良好な流量分布の点で、オリフィスによる解決策のほうが良好である。図２ａ）及び図２ｂ）に示されるタイプｃのマニホールドについてのプロファイルの相違は、末端部の条件の差によるものである。図２ａ）の場合、小径のチューブの流速は比較的遅く、流れが大径のチューブの閉止端に到達する前に停止し逆流する。図２ｂ）の場合、小径のチューブの流速は比較的速く、流れが大径のチューブの閉止端に当たり集中する。小径のチューブでの流速が速いほど、閉じたチューブの端部付近の流れ分布が悪くなり、逆に、小径のチューブでの流速が遅いほど、マニホールド内全体（特に閉じたチューブの端部付近）の分布が良くなると仮定することができる。急峻エッジのノズルには圧力のむらがあるが、他のチューブでは全く均一である。

図３は、図２ａ）の構造に対応する、図１の異なるタイプのディストリビュータチューブにおける流れ分布の比較を示している。本発明によるチューブにおける流れ分布は、急峻エッジチューブのものに近似して次第に拡大しているが、一方で、冷却液の殆どが内側チューブを直線的に通過するように強制される二重チューブのそれとは異なっている。流れの速度は、特に高速であるほど明るいグレースケールで表されている。急峻エッジチューブ及び漸進的拡大チューブの場合、速度は最初から最後のノズルまで減少し、一方、二重チューブでの流速は、内側チューブ内よりも２つのチューブ間の空間内のほうが遅いが、内側チューブの長手方向に沿って比較的均一である。急峻エッジの場合、エッジ近くに再循環ゾーンが生成され、第１のノズルのゾーンでの流れ分布は非常によくない。オリフィスチューブでは、チューブ全体を通し、速度がかなり均一である。

図４は、図２ａ）の結果の基礎となった同じ構造における、図１の異なるタイプのディストリビュータチューブにおける静圧分布の比較を示している。より暗い色はより高い圧力に対応している。急峻エッジチューブの場合、チューブ内の圧力は、第１のノズルで増加した後、残りのノズルについてはかなり一定に保たれる。漸進的拡大チューブの場合、圧力は、上述のチューブよりも低く、チューブの始まりから終わりまでのゾーンによって分割されるように低くなっている。二重チューブの場合、圧力は、内側チューブの中では僅かに減少し、内側チューブと外側チューブとの間の領域では低いが均一である。最後に、オリフィスチューブでは、圧力はオリフィス直後にかなり低下し、第１のノズルの後は一定値で安定する。

漸進的拡大チューブと比較して、オリフィスチューブの重要な利点は、提案した解決策が、メインディストリビュータの入力速度には比較的依存しないことである。漸進的拡大チューブでは、入力速度が速いと、特にメインディストリビュータの初期ゾーンにおいて好ましくない分布をもたらす可能性がある。二重チューブに対するオリフィスチューブの優位性は、以下の表１に示すように、計算された入口圧力及び圧力損失の比較からも得られる。

二重チューブとオリフィスチューブ解決策との経済的な比較では、オリフィスチューブのほうが優位である。図２ｂ）に関するマニホールドでは、オリフィスを使用すると、ＡＳＴＭ Ａ３１２ ＴＰ３０４鋼を２，０００ｋｇ以上（二重チューブと比較して）節約することが見込まれる。これらチューブで示される価格を５ユーロ／ｋｇと仮定すると、オリフィスの使用により１０，０００．００ユーロ以上の材料費の節約となり得る。

本発明は、均一な流れ分布、より簡素な設計、経済的優位性及び過剰でなく十分な圧力降下を有するディストリビュータチューブの提案という目的を達成した。

実施を通し、本発明の対象であるディストリビュータチューブ、熱間圧延プラント及び冷却プロセスの、ここには記載されていない更なる変更又は変形された実施形態が行われ得る。そのような変更又は変形が、以下の請求項の範囲内にある場合には、それらは全て本特許によって保護されるとみなされる。

Claims (12)

1. 金属又は類似の製品、特に熱間圧延機から出される鋼帯を冷却するためのディストリビュータチューブ（４００）であって、
   ａ）ディストリビュータチューブ（４００）の長手延長方向に沿って設けられた、冷却流体を噴射可能な複数の出口開口部（４０６）;
   ｂ）前記ディストリビュータチューブ（４００）の一端に位置する前記冷却流体のための入口部（４０２）、及び前記ディストリビュータチューブの他端に位置する閉止部（４０４）；並びに
   ｃ）冷却流体の供給源に接続し、前記ディストリビュータチューブ（４００）に前記冷却流体を供給するための接続部;を備え、
   ここで、少なくとも前記ディストリビュータチューブ（４００）の前記入口部（４０２）の側には、小径のセクターから大径のセクターまで流れの方向に従ってチューブの直径が変化するゾーンが存在し、
   前記複数の出口開口部（４０６）の上流側の流れ部の領域にオリフィス（４１４）が存在することを特徴とする、ディストリビュータチューブ（４００）。
2. 前記オリフィス（４１４）が、複数の孔を有するプレート、好ましくは円形のプレートであることを特徴とする、請求項１に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
3. 前記孔が５～１０ｍｍの範囲の直径を有していることを特徴とする、請求項２に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
4. 前記孔が三角ピッチで配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
5. 隣接する前記孔の間のピッチが７．５～１５ｍｍの間であることを特徴とする、請求項４に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
6. 前記冷却流体の流路の個々の前記孔の自由面積つまり面積の総和が、前記大径の領域におけるディストリビュータチューブの内側の面積と比較して３０～４０％の範囲にあることを特徴とする、請求項２～５の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
7. 前記出口開口部（４０６）が直線上に配置されていることを特徴とする、請求項１～６の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
8. 前記オリフィスが、前記大径のセクターに位置していることを特徴とする、請求項１～７の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
9. 前記出口開口部（４０６）の数が、チューブの長さが１．５～２ｍである場合に２２～３２の間であることを特徴とする、請求項１～８の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
10. 前記オリフィスが、直近の前記出口開口部から少なくとも１０ｃｍの距離に位置していることを特徴とする、請求項１～９の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）。
11. 冷却する製品を移送するためのローラーコンベアを冷却ゾーンに備えた熱間圧延プラントであって、ローラー間に請求項１～１０の何れか１項に記載のディストリビュータチューブが配置されている、熱間圧延プラント。
12. ２０００～７５の範囲の幅／厚さ比を有する冷却ストリップのために使用される、請求項１～１０の何れか１項に記載のディストリビュータチューブ（４００）又は請求項１１に記載の熱間圧延プラント。

Images