JP4301776B2 - ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はノズルに関し、特に、鉄鋼の連続鋳造機等に用いて高温の鋼板の冷却を均一に行うことができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鋼板製造の連続鋳造機では、国際競争の激化に伴い、コストダウンと高品質が同時に求められている。従来は、その連続鋳造機で高温の鋼板を冷却する際には、２流体スプレーノズルによりミストを噴霧して冷却を行っているのが通常である。
このようなノズルとして図１４に示すようなノズル１が使用されている。
ノズル１は、中心軸線上に穿設された独立孔２の先端にオリフィス３を形成し、該オリフィス３に連通する切欠部４を噴射側より設けることで、噴口を形成している。
【０００３】
あるいは、図１５に示す特公平３−１５４９３号公報に開示されたノズル５は、液体と気体とが混合して流入するアダプタ９の先端にノズルチップ６を取り付けている。
ノズルチップ６は、断面円形の撹拌室７を設けると共に、該撹拌室７の前面開口で離反方向に傾斜する噴口ソワセ部６ａを設け、撹拌室７の側壁には、対向して２つの流入孔８を穿設している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１台の連続鋳造機により、噴射流量を変化させて急冷却から緩冷却までの幅の広い冷却範囲が求められているにも関わらず、図１４に示すノズル１では、流量が変化すると、噴霧厚さ方向の噴角θｎも変動してしまい、冷却ムラができて鋼板の品質低下に繋がる恐れがあり、特に、液体に対する気体の流量比を下げて液体のみの噴射とすると、図７の従来例１に示すように噴霧厚さ方向Ｔの噴角θｎは小さくなってしまう問題がある。
また、図１５に示すノズル５でも、流量が変化すると、噴霧幅方向の噴角θｗが変動し、冷却ムラができてしまう恐れがある。特に、液体に対する気体の流量比を下げて液体のみの噴射とすると、図７の従来例２に示すように噴霧幅方向の流量分布形状が不安定となってしまう問題がある。
【０００５】
コストダウンの要請より、気体を供給するコンプレッサーの電力消費量を押えて省エネ化を図るために、液体に対する気体の流量比を下げる（あるいは液体のみにする）ことが望まれているが、そのためには、気体の流量比を下げても安定した噴霧パターンが得られることが必要となり、ノズル１、５ではそのニーズに十分に応えることができない。
【０００６】
また、連続鋳造機の高速化の要請より、ノズルによる冷却能力の向上が所望されており、そのためには、噴射面積の拡大および液体流量の増大に対応できるノズルが必要となる。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、流量を変化させても噴射厚さおよび噴射幅の変動量が小さく安定した噴射パターンをもち、さらに、噴射面積および噴射流量の大きいノズルを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、ボディの中心軸線に沿った大径の流入孔を設け、該流入孔の先端に複数の独立孔を連通させ、これら複数の独立孔は上記中心軸線に位置する隔壁を介して対称位置に形成し、２個または中心軸線を挟んで点対称の位置に４つ設けており、各独立孔の噴射側は流路面積を漸次縮小して先端を閉鎖している一方、
ボディの噴射側端面に直径方向に切込部を設け、該切込部は、その底面を曲率半径４〜５０ｍｍの円弧形状あるいはテーパ状の所要幅を有するものとし、かつ、該底面を挟む両側面を前記中心軸線と平行または開口先端が離反方向に拡がるように傾斜させ、
上記切込部により上記各独立孔の先端閉鎖部より離れた中心軸線側の側面を切り欠いて上記切込部の側面と底面に開口する直角方向のＬ字状の噴口を設け、各独立孔の先端閉鎖部から上記噴口へと流体が戻るようにし、
上記切込部の両側に対向して形成される各噴口より噴出する流体同士の衝突で噴霧厚さを拡げていると共に、この切込部の内部で上記各噴口から噴射される流体を上記切込部によりガイドして噴霧幅を規制し、供給する液体流量を１〜２５Ｌ／ｍｉｎの範囲で調節しても噴霧幅を均一に出来ることを特徴とするノズルを提供している。
【０００９】
上記構成とすると、上記各独立孔の対向する噴口より流出した流体が衝突して拡散することにより、噴霧厚さを厚くすることができる。また、該厚さ方向の噴霧は、上記切込部の側面にガイドされて噴射するので、流量が変動しても安定した噴霧厚さを提供することを可能としている。
さらに、上記独立孔には噴口の手前位置に流路面積が縮小された先端閉鎖部を設けているので、上記流体の衝突が高速・高圧で行われ、噴霧の拡散効果が高められている。
【００１０】
また、上記切込部の底面を噴射側に開いた円弧状あるいはテーパー状に凹設していることで、噴射される流体の噴霧幅方向が、上記切込部の底面にガイドされるので、流量が変動しても安定した噴霧幅を提供することを可能としている。特に、円弧状とした場合には噴霧が滑らかにガイドされ損失の少ない噴霧を可能としている。しかも、上述のように噴霧の拡散は十分に行われているので、流量が変動しても噴霧幅方向の流量分布を均一に保つこともできる。
【００１１】
さらに、上記噴口は、切込部の底面と側面とが直交する断面Ｌ形状としているので、例えば断面を直線状や曲線状とした場合に比べ、噴口の開口を大きくすることができ、流量の上限値を拡げることができる。また、ボディサイズを変えずに噴口が大きくできることで、ノズルの小型化を図ることも可能となる。
【００１２】
上記した事項より、本発明のノズルによると、流量の変動があっても噴射パターンが安定しているので、例えば、液体と気体の２流体を供給している場合に、液体に対する気体の流量比（気水比）を下げても、ノズルを交換することなく上記ノズルを用いることができる。よって、上記ボディの流入孔の流入口に、１流体あるいは２流体を供給する流体供給管を連通させ、上記噴口より１流体あるいは２流体を噴霧できる構成とすることができる。
また、安定した噴射パターンを維持しながら気水比を下げることができるので、気体供給用のコンプレッサーの電力消費量も抑制され、省エネ化を図ることもできる。
【００１３】
上記各独立孔の噴口は、各独立孔の先端閉鎖部より離れた中心軸線側の側面が切り欠かれて形成され、各独立孔の先端閉鎖部から上記隔壁側へと流体が戻る構成としている。
【００１４】
上記構成とすると、対向する各噴口から噴出する流体が若干Ｕターンして戻り方向に流れることで、流れの撹拌が行われると共に、２つの流れの衝突を増進でき、流量が小さい場合でも噴霧面積を十分に確保することができる。
【００１５】
また、上記のように、切込部の両側面は、上記中心軸線と平行または開口先端が離反方向に拡がるように傾斜させている。
【００１６】
上記構成とすると、流量の大小に関わらず上記切込部の側面間で安定化された噴霧厚さを、上記傾斜したテーパー部分でガイドして拡大させることができる。
【００１７】
上記独立孔は、中心軸線を挟んで対称位置に２個設け、あるいは中心軸線を挟んで点対称の位置に４つ設けている。
【００１８】
特に、中心軸線を挟んで点対称位置に計４つの独立孔を形成した場合には、ノズル全体として流量の上限値を増大することができると共に、対向する各独立孔の上記噴口より噴出する流体の衝突が２箇所で行われ、噴霧厚さおよび噴霧幅を増大させることができる。
【００１９】
さらに、上記複数の独立孔の中心軸線はボディの中心軸線と平行あるいは、切込部の一側面に２個の独立孔を並設している場合には、これら独立孔の中心軸線をボディの中心軸線を挟んで先端を離反方向に傾斜させれば、噴霧幅方向に拡散するように流れを形成することができるので、噴霧幅を増大することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図６は第１実施形態を示す。
図１（Ａ）（Ｂ）はノズル１０の接続態様を示し、アダプタ１１の先端にノズル１０を外嵌羅着すると共に、アダプタ１１の側面に液パイプ１２を取り付け、該液パイプ１２とＬ形状のエルボー１３を介してチェックバルブ１４を取り付けており、チェックバルブ１４を液体の供給口とする一方、アダプタ１１の後端を気体の供給口としている。
【００２１】
ノズル１０は、図２乃至図５に示すように、ボディ１５の後端側に円筒状の流入孔１６を凹設し、該流入孔１６の先端面よりノズル１０の軸芯上の隔壁１９を介して夫々独立した独立孔１７、１８をノズル１０軸芯に沿って設けている。
各独立孔１７、１８の先端部は流路面積を漸次縮小する先細りの先端閉鎖部１７ａ、１８ａを形成すると共に、ボディ１５の噴射側の先端より切込部２２を凹設し、各先端閉鎖部１７ａ、１８ａの対向する一側部に連通させている。そして、切込部２２により連通された先端閉鎖部１７ａ、１８ａの開口を噴口２０、２１としている。
【００２２】
切込部２２は、その底面２２ａを噴射側に開いた円弧状に凹設していると共に、その側面２２ｂはノズル１０軸芯方向に平行としている。なお、底面２２ａの円弧の曲率半径Ｒは４〜５０ｍｍの範囲で、ボディサイズや要求される噴霧幅に応じて決定されている。
【００２３】
噴口２０、２１は、切込部２２の底面２２ａと側面２２ｂとが直交する断面Ｌ形状としている。
先端閉鎖部１７ａ、１８ａは、図６（Ａ）に示すように、独立孔１７、１８の先端から噴口２０、２１にかけて流体を隔壁１９側にＵターンして戻す形状となるＵ字部１７ｂ、１８ｂを設けている。
また、切込部２２の側面２２ｂの噴射側先端に連続して、離反方向に拡がるテーパー部２３を設けている。
【００２４】
次に、ノズル１０での流体の噴射プロセスについて説明する。
図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、アダプタ１１でミキシングされた気液２相流（以下、流体と称す）が、ノズル１０の流入孔１６に供給され、２つの独立孔１７、１８に夫々分かれて流入する。
独立孔１７、１８へ流入した流体は、先端閉鎖部１７ａ、１８ａでの流路面積の縮小に伴って流速を上昇させながら、対向する噴口２０、２１より夫々流出する流体同士が切込部２２内で衝突する。
【００２５】
この衝突により、噴霧厚さ方向Ｔと噴霧幅方向Ｗへの流体の拡散を促進している。この際、独立孔１７、１８の先端から噴口２０、２１にかけて流体を隔壁１９側に戻す形状となるＵ字部１７ｂ、１８ｂを若干設けているので、各噴口２０、２１から噴出する流体が若干戻り方向に流れて、流れの撹拌が行われると共に、２つの流れの衝突を増進でき、流量が小さい場合でも噴霧厚さ方向Ｔの噴角θｎおよび噴霧幅方向Ｗの噴角θｗを十分に確保することができる。
【００２６】
そして、上記衝突した流体は、噴霧厚さ方向Ｔが切込部２２の側面２２ｂでガイドされると共に、噴霧幅方向Ｗが切込部２２の円弧状の底面２２ａで滑らかにガイドされる。したがって、流量が変動しても安定した噴霧厚さ方向Ｔの噴角θｎと噴霧幅方向Ｗの噴角θｗを提供することを可能としている。
特に、噴霧幅方向Ｗに関しては、ガイド壁となる切込部２２の底面２２ａが円弧状となっているので、エネルギー損失の少ない噴霧を可能としている。
【００２７】
最後に、流量の大小に関わらず切込部２２の側面２２ｂ間で安定化された噴霧厚さ方向Ｔの噴霧を、切込部２２の側面２２ｂより先端側に連続したテーパー部２３によりガイドして噴角θｎを拡大させている。
【００２８】
上記のように噴霧の拡散は十分に行われているので、流量が変動しても噴霧幅方向Ｗの流量分布も均一に保つことができる。
さらに、噴口２０、２１は、切込部２２の底面２２ａと側面２２ｂとが直交する断面Ｌ形状としているので、噴口２０、２１の開口を大きくすることができ、流量の上限値を上げることが可能となり、また、ボディ１５のサイズを変えずに噴口２０、２１を大きくできることから、ノズル１０の小型化を図ることもできる。
【００２９】
しかも、本発明のノズル１０によると、流量の変動があっても噴射パターンが安定しているので、液体に対する気体の流量比（気水比）を下げることができ、気体供給用のコンプレッサーの電力消費量も抑制され、省エネ化を図ることもできる。
例えば、噴射パターンを維持したまま液体流量を増減できる範囲であるターンダウン比は、従来の２流体ノズルで１：１５（ｅｘ．液流量１〜１５Ｌ／ｍｉｎ）程度、従来の１流体ノズルで１：３程度であるところ、本発明の１流体・２流体兼用のノズル１０では１：２５とターンダウン比を大きくすることができる。
【００３０】
また、液体に対する気体の流量比（気水比）を下げても噴射パターンが安定しているので、ノズルを交換することなく本ノズル１０だけで対応することができ、１流体用ノズル（液体のみ）として兼用できる。
【００３１】
次に、本発明の第１実施形態のノズル１０と従来例１（図１４）・従来例２（図１５）のノズル１、５との噴射パターンを比較考察する。
図７は本発明の第１実施形態のノズル１０と従来例１、２との流量分布を比較した表である。
【００３２】
従来例１のノズル１による噴射厚さ方向Ｔの噴角θｎは、水と空気の２流体とした場合にはθｎ＝２０°であるが、水のみの１流体とした場合に、θｎ＝６°と変動し、気水比を大きく変動させた場合に安定した噴射パターンが得られない。
従来例２のノズル５による噴射幅方向Ｗの噴角θｗは、水と空気の２流体とした場合にはθｗ＝７８°であるが、水のみの１流体とした場合に、θｎ＝９０°と変動すると共に、流量分布形状も波型の不均一な分布を示し、気水比を大きく変動させた場合に安定した噴射パターンが得られない。
【００３３】
本発明のノズル１０によれば、水と空気の２流体とした場合の噴射厚さ方向Ｔの噴角θｎは６０°で、水のみの１流体とした場合の噴角θｎも６０°となり、気水比が変動しても流量分布の変動が少なく安定している。
また、水と空気の２流体とした場合の噴射幅方向Ｗの噴角θｗは１１５°で、水のみの１流体とした場合の噴角θｗも１１５°となり、変動が少なく安定していると共に、流量分布形状も気水比を下げて水のみとした場合でも均一な分布形状を得ることができる。
【００３４】
図８は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、切込部２２’の底面２２ａ’を円弧形状とする代わりに、噴射側に拡がるテーパー状としている点である。
上記構成とすると、第１実施形態と同様に、噴口２０、２１を流出して衝突した流体が、切込部２２’の傾斜した底面２２ａ’でガイドされるので、流量が変動しても安定した噴霧幅方向Ｗの噴角θｗを提供することができる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３５】
図９は第３実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、隔壁１９’の先端部分に断面円弧状の凹部１９ａ’を設けている点である。
上記構成とすると、凹部１９ａ’の空間が噴口２０、２１より流出した流体の撹拌室の役割を果たし、噴霧の拡散を増進することができる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３６】
図１０は第４実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、隔壁１９”の先端部分に断面円弧状の凸部１９ａ”を突出している。
上記構成とすると、噴口２０、２１を下流側の流路が狭められて、対向する噴口２０、２１より流出した流体の衝突圧が高まり、噴霧の拡散を増進することができる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３７】
図１１は第５実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、各独立孔１７’の先端閉鎖部１７ａ’、１８ａ’となる先端がＵ字部を設けていない点である。つまり、先端閉鎖部１７ａ’、１８ａ’は、そのまま滑らかに切込部２２へと連通している。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３８】
図１２は第６実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、中心軸線を挟んで点対称位置に独立孔１７−１、１７−２、１８−１、１８−２を４つ配置している点である。
上記構成とすると、合計４つの独立孔１７−１、１７−２、１８−１、１８−２が形成されるので、ノズル１０全体として流量の上限値を増大することができると共に、対向する独立孔１７−１と１８−１および１７−２と１８−２の噴口２０−１、２１−１、２０−２、２１−２より噴出する流体の衝突が２箇所で行われ、噴霧厚さおよび噴霧幅を増大させることができる。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３９】
図１３は第７実施形態を示す。
第６実施形態との相違点は、隔壁１９に対して一側に配置された各２つの独立孔１７−１’、１７−２’の中心軸線がボディ１５の中心軸線を挟んで先端を離反方向に傾斜させている点である。
上記構成とすると、噴霧幅方向Ｔに拡散するように流体の流れを形成することができるので、噴霧幅を増大することができる。
なお、他の構成は第６実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明のノズルによれば、上記各独立孔の対向する噴口より流出した流体が衝突して拡散することにより、噴霧厚さおよび噴霧幅を厚くすることができる。また、該噴霧は、上記切込部の側面および円弧状の底面にガイドされて噴射するので、流量が変動しても安定した噴霧厚さおよび噴霧幅を得ることができると共に、流量分布も均一に保つことができる。
さらに、上記独立孔には噴口の手前位置に流路面積が縮小された先端閉鎖部を設けているので、上記流体の衝突が高速・高圧で行われ、噴霧の拡散効果を高めることができる。
【００４１】
また、上記噴口は、切込部の底面と側面とが直交する断面Ｌ形状としているので、開口面積が増大し流量の上限値を拡大できると共に、ノズルの小型化も図ることができる。
さらに、流量の変動があっても噴射パターンが安定しているので、液体に対する気体の流量比（気水比）を下げても、ノズルを交換することなく使用することができ、１流体用と２流体用との兼用ノズルとすることができる。
加えて、気水比を下げることができることで、気体供給用のコンプレッサーの電力消費量も抑制され、省エネ化を図ることもできる。
【００４２】
また、上記独立孔の先端から上記噴口にかけて上記Ｕ字部を設けることで、対向する各噴口から噴出する流体が若干戻り方向に流れて撹拌が行われると共に、２つの流れの衝突を増進でき、流量が小さい場合でも噴霧面積を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明に係る第１実施形態のノズルの使用態様を示す側面図、（Ｂ）は正面図である。
【図２】 第１実施形態のノズルの断面図である。
【図３】 図２と直交方向の断面図である。
【図４】 第１実施形態のノズルの噴射側の正面図である。
【図５】 第１実施形態のノズルの流入口側の背面図である。
【図６】 （Ａ）は図２の要部拡大断面図、（Ｂ）は図３の要部拡大断面図である。
【図７】 第１実施形態のノズルと従来例との流量分布の比較を示す表である。
【図８】 第２実施形態のノズルの断面図である。
【図９】 第３実施形態のノズルの要部断面図である。
【図１０】 第４実施形態のノズルの要部断面図である。
【図１１】 第５実施形態のノズルの要部断面図である。
【図１２】 （Ａ）は第６実施形態のノズルの断面図、（Ｂ）は正面図である。
【図１３】 第７実施形態のノズルの断面図である。
【図１４】 従来例１のノズルの断面図である。
【図１５】 従来例２のノズルの断面図である。
【符号の説明】
１０ ノズル
１１ アダプタ
１２ 液パイプ
１３ エルボー
１４ チェックバルブ
１５ ボディ
１６ 流入孔
１７、１８ 独立孔
１７ａ、１８ａ 先端閉鎖部
１７ｂ、１８ｂ Ｕ字部
１９ 隔壁
２０、２１ 噴口
２２ 切込部
２２ａ 底面
２２ｂ 側面
２３ テーパー部

Claims (4)

1. ボディの中心軸線に沿った大径の流入孔を設け、該流入孔の先端に複数の独立孔を連通させ、これら複数の独立孔は上記中心軸線に位置する隔壁を介して対称位置に形成し、２個または中心軸線を挟んで点対称の位置に４つ設けており、各独立孔の噴射側は流路面積を漸次縮小して先端を閉鎖している一方、
   ボディの噴射側端面に直径方向の切込部を設け、該切込部は、その底面を曲率半径４〜５０ｍｍの円弧形状あるいはテーパー状の所要幅を有するものとし、かつ、該底面を挟む両側面を前記中心軸線と平行または開口先端が離反方向に拡がるように傾斜させ、
   上記切込部により上記各独立孔の先端閉鎖部より離れた中心軸線側の側面を切り欠いて上記切込部の側面と底面に開口する直角方向のＬ字状の噴口を設け、各独立孔の先端閉鎖部から上記噴口へと流体が戻るようにし、
   上記切込部の両側に対向して形成される各噴口より噴出する流体同士の衝突で噴霧厚さを拡げていると共に、この切込部の内部で上記各噴口から噴射される流体を上記切込部によりガイドして噴霧幅を規制し、供給する液体流量を１〜２５Ｌ／ｍｉｎの範囲で調節しても噴霧幅を均一に出来ることを特徴とするノズル。
2. 上記複数の独立孔の中心軸線はボディの中心軸線と平行あるいは、切込部の一側面に２個の独立孔を並設している場合には、これら独立孔の中心軸線をボディの中心軸線を挟んで先端を離反方向に傾斜させている請求項１に記載のノズル。
3. 前記隔壁の先端は断面円弧状の凹部、断面円弧状の凸部あるいは平坦面としている請求項１または請求項２に記載のノズル。
4. 上記ボディの流入孔の流入口に、１流体あるいは２流体を供給する流体供給管を連通させ、上記噴口より１流体あるいは２流体を噴霧できる構成としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のノズル。

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