JP4388499B2 - パイプの冷却設備および冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は，パイプの熱処理プロセスに関して，同一の設備にて種々のサイズのパイプを等しく冷却するための冷却設備および冷却方法に関するものである。

パイプを熱処理するにあたっては，高温状態のパイプを水等の冷媒の中に浸漬する方法やスプレー等により周りから冷媒をかける方法がある。前者は設備化が簡便であるという点があるものの，冷却速度のコントロールが困難であり，冷却速度をコントロールする場合には一般に後者の方法が用いられる。たとえば図１に示すように，ローラーテーブル４にてパイプ３を搬送し，加熱炉１にてパイプ３を加熱し，冷却設備２にて冷却するというレイアウト，あるいは，加熱炉１が無く圧延後高温のまま冷却設備２に搬送し冷却するというレイアウトを基本とする。さてここで，この冷却設備については，これまで噴射ノズルによるパイプの冷却方法として，たとえば特許文献１，特許文献２にあるように，冷媒の噴射ノズルが取り付けられたヘッダーへの供冷媒供給量を制御することにより冷却速度を制御するという方法がとられていた。

特許第１３０９０５５号公報 特開平０５−３３０５８公報

しかし，これらの方法では，冷媒の流量を制御するために流量調整設備が必要であり，また，冷媒の供給元であるポンプから各ヘッダーにいたる各流路毎の流動抵抗の差が無視できないほど設備が大規模である場合には，たとえばポンプからヘッダーまでの流路の長さに比例していくつかにグループ分けされたヘッダー群のそれぞれのグループ毎に流量調整設備が必要であり，さらに，それぞれの流量調整設備の設定は相互に影響しあうことから，それを制御する制御機構も必要となる。その上，流体力学の原理から各ノズルでの噴出流量はノズルでの圧力の１／２乗に比例することから，流量制御範囲に対して，その範囲のさらに２乗倍の範囲の圧力を制御する設備であることが必要となり，流量制御範囲が広い場合には設備費用が多大となる。以上のようにヘッダーへの冷媒供給量を制御することは原理的には可能であるが，設備費の増大を招くという問題があった。

そこで本発明はパイプを冷却する熱処理プロセスでの冷却速度制御において，簡便で廉価な冷却設備および冷却方法を提供することを課題とする。

本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり，その要旨とするところは下記内容である。

本発明によれば，熱処理をおこなうパイプ外表面の複数点のそれぞれにパイプに向かって冷媒を噴射できるようにノズルを配置した冷却設備において，少なくとも２系統以上の独立に開閉可能な冷媒供給系統と，当該冷却供給系統のいずれかに接続された複数のヘッダーと，当該冷却供給系統からヘッダーを経て冷媒を噴出するノズルを有し，隣接して並ぶ複数のヘッダーがヘッダー群を成し，当該ヘッダー群の中で前記２系統以上の冷媒供給系統のいずれかと組み合わせて接続されたヘッダーが所定のパターンで配列され，前記ヘッダー群がパイプ搬送方向に一個以上直列に配置されていることを特徴とする冷却設備が提供される。

この冷却設備をパイプ搬送方向に複数台直列に並べても良い。また，前記ノズルからでる冷媒噴流が，パイプに到達する以前に相互に干渉しないノズルの捻り角度および間隔で配置されていることが好ましい。

また本発明によれば，前記冷却設備を用い，冷却設備内をパイプが通過しながらおこなわれる冷却において，前記２系統以上の冷媒供給系統それぞれの開閉の組み合わせによりパイプの冷却速度を制御することを特徴とする冷却方法が提供される。

この冷却方法において，パイプの搬送速度を制御することにより，冷却速度，冷却停止温度を制御するようにしても良い。

本発明の冷却設備では，冷媒供給系統が独立に開閉可能であり，ヘッダー群の中で２系統以上の冷媒供給系統のいずれかと組み合わせて接続されたヘッダーが所定のパターンで配列されているので，各冷媒供給系統の開閉の組み合わせにより複数個配置されたヘッダー（ヘッダー群）での冷却速度を簡単に選択することができる。本発明の冷却設備をパイプ搬送方向に複数台直列に並べることにより，パイプ搬送方向によりきめこまかい冷却速度の設定が可能となる。また，ノズルからでる冷媒噴流がパイプに到達する以前に相互に干渉しないノズル捻り角度および間隔で配置されていることにより，噴流同士で冷却能力を弱めあうことがなく，冷媒を噴出させているノズルの性能，数に対応した冷却能力を見込むことができる。

したがって，本発明によれば多大な費用を要することなく多様な冷却制御の可能なパイプ冷却設備を設置可能であり，またその構造が単純であることから当該設備のメンテナンスも極めて容易である。これらのように産業上有用な著しい効果が発揮される。

以下，本発明の効果を発揮するための最良の実施形態を，図面を参照にして説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

一般的な冷却方法としてたとえば図２に示すような，内側に複数のノズル５（フラットスプレーノズル）を等間隔で取り付けた円形（リング形状）のヘッダー６を，円の中心が同軸上にくるように複数並べ，冷媒導入口６’からヘッダー６内に冷媒を注入して，各ノズル５からヘッダー６の中心に向けて冷媒を噴出しつつパイプ３を中心軸に沿って搬送し，冷却する方法がある。なお，ノズル５は，パイプ３外表面の垂直線上に配置される。冷却の際ヘッダー直下のパイプ３表面上では，図３に示すようにパイプ３表面へ向かってノズル５から噴射された冷媒の衝突部８が表面上で合成され，冷却帯７が形成される。

図３の冷媒の衝突部８に示すように，ノズル５から噴射された冷媒は，パイプ表面上に到達するまでに他のノズルからの冷媒と干渉しないことが望ましい。そのためには，ノズル５（フラットスプレーノズル）の捻り角度とリング形状のヘッダー６の内側に取付けられるノズル５の個数，間隔を適宜調整することが必要である。このように各ノズル５から出る冷媒噴流がパイプ３に到達する以前に相互に干渉しないように設定すれば，各ノズル５から出た冷媒の噴流同士で冷却能力を弱めあうことがなく，冷媒を噴出させているノズル５の性能，数に対応した冷却能力を見込むことができるようになる。

図４には本発明の方法に則り，円形ヘッダー６ａ，６ｂ，６ｃを合計で９本並べたヘッダー群の中をパイプ３が搬送される場合の側面図を模式的に示す。ヘッダー６ａ，６ｂ，６ｃはいずれもリング形状をなし，その内側には，図２，３で説明したように，噴出した冷媒同士がパイプ３に到達する以前に相互に干渉しないように設定された複数のノズル５が取付けられている。この例では，ヘッダー６ａへ冷媒を供給する冷媒供給系統１１，ヘッダー６ｂへ冷媒を供給する冷媒供給系統１２，ヘッダー６ｃへ冷媒を供給する冷媒供給系統１３の３系統を有している。各冷媒供給系統１１，１２，１３は，互いに独立して開閉され，各ヘッダー６ａ，６ｂ，６ｃに，互いに独立して冷媒を供給して，それぞれの内側に配置された複数のノズル５からパイプ３の表面に冷媒をすることが可能である。なお，冷媒には例えば水が使用される。

図４に示す実施の形態では，パイプ３の搬送方向に沿って，冷媒供給系統１１から冷媒供給されるヘッダー６ａ，冷媒供給系統１２から冷媒供給されるヘッダー６ｂ，冷媒供給系統１３から冷媒供給されるヘッダー６ｃの順に，１つずつ３回繰り返して等間隔に並べることにより，合計で９本のヘッダーをパターン配列させたヘッダー群を構成している。そして，このように各ヘッダー６ａ，６ｂ，６ｃを並べて構成されたヘッダー群の中心部をパイプ３が搬送されるようになっている。

図５に，この冷却設備を使って冷却をおこなう場合のパイプ３の表面に形成される各冷却帯１７の状況を模式的に示す。各冷却帯１７の部分はその部分を取り囲むヘッダーへの冷媒供給系統からの冷媒供給が開となり，ヘッダー内側のノズル５から噴出された冷媒がパイプ３外表面に衝突していることを示す。冷媒供給が閉となっているヘッダーについては冷媒が噴出されず，直下のパイプ３外表面上に冷却帯が形成されないので空白としている。冷媒供給系統１１，冷媒供給系統１２，冷媒供給系統１３のすべてを開にした場合が１４，冷媒供給系統１３のみ閉にした場合が１５，冷媒供給系統１２，冷媒供給系統１３を閉にした場合が１６である。この模式図より，各冷媒供給系統１１，１２，１３の開閉の組み合わせにより冷却帯の密度，つまり冷却能力が容易に変更されることがわかる。この例では１４，１５，１６の冷却能力が３：２：１の比率となる。

図６には，同様に３系統の冷媒供給系統１１，１２，１３を持つ場合に，図４と異なるように各ヘッダー６ａ，６ｂ，６ｃを配置したヘッダー群の例を，図４，５と同様の模式図にて示す。この図６示す実施の形態では，パイプ３の搬送方向に沿って，冷媒給系統１１から冷媒供給される３つのヘッダー６ａ，冷媒供給系統１２から冷媒供給される２つのヘッダー６ｂ，冷媒供給系統１３から冷媒供給される１つのヘッダー６ｃの順に，２回繰り返して等間隔に並べることにより，合計で１２本のヘッダーをパターン配列させたヘッダー群を構成している。このヘッダー群において，すべての冷媒供給系統１１，１２，１３を開にした場合が１８，冷媒供給系統１３のみ閉にした場合が１９，冷媒供給系統１２のみ閉にした場合が２０，冷媒供給系統１１のみ閉にした場合が２１，冷媒供給系統１１と冷媒供給系統１３を閉にした場合が２２，冷媒供給系統１１と冷媒供給系統１２を閉にした場合が２３である。この例では１８，１９，２０，２１，２２，２３の冷却能力が，６：５：４：３：２：１の比率となり，図５の例と比較してより多彩な冷却能力の変更が，同じ３系統の冷媒供給系統１１，１２，１３の開閉の組み合わせにより実現できる。

次に，図７〜９において，ヘッダーを直管にした実施の形態を説明する。図７は，直管のヘッダー２４，２５，２６をそれぞれ示している。ヘッダー２４には，冷媒給系統１１から冷媒供給され，ヘッダー２５には，冷媒供給系統１２から冷媒供給され，ヘッダー２６には，冷媒供給系統１３から冷媒供給される。図８は，各ヘッダー２４，２５，２６毎にパイプ３の搬送方向からみた状態を示している。図９は，各ヘッダー２４，２５，２６全部をパイプ３の搬送方向からみた状態を示している。この実施の形態では，各ヘッダー２４，２５，２６を８本ずつ備えており，合計で２４本のヘッダー２４，２５，２６をパイプ３の周囲に配置している。各ヘッダー２４，２５，２６はパイプ３の中心軸と平行に配置され，かつ，パイプ３の中心軸を中心として，パイプ３の外表面から所定の距離だけ離れた同一円周状にそれぞれ配置されている。この実施の形態では，図９において時計回転方向に向って，冷媒給系統１１から冷媒供給されるヘッダー２４，冷媒給系統１２から冷媒供給されるヘッダー２５，冷媒給系統１３から冷媒供給されるヘッダー２６の順に，中心角が１５°となる間隔で１本ずつ８回繰り返して並べることにより，合計で２４本のヘッダーをパイプ３の周囲にパターン配列させたヘッダー群を構成している。なお，ヘッダー２４，２５，２６それぞれは，いずれも中心角が４５°となる間隔で８本ずつ等間隔に配置されることになる。

ヘッダー２４の内側には，パイプ３の表面に向って冷媒を噴射するノズル２４ａ（フラットスプレーノズル）が等間隔で配置され，ヘッダー２５の内側には，パイプ３の表面に向って冷媒を噴射するノズル２５ａ（フラットスプレーノズル）が等間隔で配置され，ヘッダー２６の内側には，パイプ３の表面に向って冷媒を噴射するノズル２６ａ（フラットスプレーノズル）が等間隔で配置されている。前述のように各ヘッダー２４，２５，２６は，中心角４５°の間隔でそれぞれ８本ずつ配置されるが，これら８本の各ヘッダー２４，２５，２６にノズル２４ａ，２５ａ，２６ａがそれぞれ３つずつ取り付けられている。そして，パイプ３の搬送方向において，各ヘッダー２４に取付けられたノズル２４ａが互いに同じ位置となり，各ヘッダー２５に取付けられたノズル２５ａが互いに同じ位置となり，各ヘッダー２６に取付けられたノズル２６ａが互いに同じ位置となるように設定されている。これにより，図８に示すように，パイプ３の表面に向って８ヶ所の各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａからそれぞれ冷媒が噴射され，各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの位置において，パイプ３の表面全体を円周状に包み込むように環状の冷却帯が形成される。なお，このように冷却帯が形成される際に，各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａから出る冷媒噴流がパイプ３に到達する以前に相互に干渉しないように，各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの捻り角度，設置間隔などが設定されている。

一方，図７に示すように，ヘッダー２４に取付けられた各ノズル２４ａと，ヘッダー２５に取付けられた各ノズル２５ａと，ヘッダー２６に取付けられた各ノズル２６ａは，パイプ３の搬送方向において，互いに異なる位置に配置されている。この実施の形態では，パイプ３の搬送方向において各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの位置を互いにずらすことにより，ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの順に３回繰り返して等間隔に並べて，合計で９箇所においてノズルをパイプ３の搬送方向に沿って配置させている。パイプ３の搬送方向におけるノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの間隔は，各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａから出る冷媒噴流がパイプ３に到達する以前に相互に干渉しない程度の距離に設定されている。なお，図９では，各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａから出る冷媒噴流が重なるように見えるが，実際には，パイプ３の搬送方向において各ノズル２４ａ，２５ａ，２６ａの位置が互いにずれているため，噴流同士の干渉は発生していない。

この図７〜９に示したようにヘッダーを直管にした実施の形態によっても，図５で説明した場合と同様に，各冷媒供給系統１１，１２，１３の開閉の組み合わせにより，冷却制御が可能となる。

本発明の好ましい実施の形態を例示したが，本発明は以上に説明した形態に限定されない。例えば，本発明においてヘッダー群を構成するためにヘッダーを所定のパターンで配列させる場合，その配列は図示のものに限定されないことはもちろんである。いずれにしても，異なる冷媒供給系統と，それら各冷媒供給系統から冷媒を供給される１または２以上のヘッダーがそれぞれあり，任意の冷媒供給系統から，それに接続された１または２以上のヘッダーを介してノズルからパイプ３に冷媒を噴射した場合に何らかの冷却条件を実現でき，また，他の任意の冷媒供給系統から，それに接続された別の１または２以上のヘッダーを介してノズルからパイプ３に冷媒を噴射した場合にも何らかの冷却条件を実現でき，更に，任意の２以上の冷媒供給系統から，それらに接続された１または２以上のヘッダーを介してノズルからパイプ３に冷媒を噴射した場合にも何らかの冷却条件を実現できるものであれば，異なる冷媒供給系統をそれぞれ独立して開閉させることによって，種々の冷却条件を容易に切換えて実現できるようになる。なお，パイプ３を冷却するに際し，パイプ３の搬送速度を制御することにより，冷却速度，冷却停止温度を制御することもできる。

また，本発明の冷却設備をパイプ搬送方向にならべ，それぞれを独立に設定可能な設備とすることで，パイプのさらに多彩な冷却制御が可能である。図１０には図４の例に示した９本のヘッダーの設備をパイプ搬送方向に１０台並べた例を示す。図中に図５，６と同様の表示方法で冷媒供給系統の開閉設定例２７，２８，２９，３０を模式的に示す。この例では３系統の冷媒供給系統１１，１２，１３を有する設備を１０台ならべていることから，全体で独立に開閉可能な３０系統の冷媒供給系統があり，２７，２８，２９，３０以外にもいく種もの冷却条件の設定が可能であり幅広い冷却制御が可能となる。この例では３０に示すように１０台ならべられた冷却設備のいずれかを全閉とする設定も有効となる。

以上，本発明によれば多大な費用を要することなく多様な冷却制御の可能なパイプ冷却設備を設置可能であり，またその構造が単純であることから当該設備のメンテナンスも極めて容易である。これらのように産業上有用な著しい効果が発揮される。

図１１に示すような，本発明による２系統の冷媒供給系統３１，3２を備えた冷却設備を１4台並べた設備での冷却の実施例を示す。１４台それぞれの冷却設備は9本の円形ヘッダーからなり，それぞれのヘッダーはパイプ搬送方向に一本おきに同じ冷媒供給系統３１，３２に接続されている。各ヘッダーには中心方向内側に中心を向いたノズルを設置している。使用したノズルは毎分５リットルの液を噴射するフラットスプレーノズル一種類であり，楕円形状となる噴射冷媒断面の長辺方向をパイプ搬送方向からいずれも７０度捻じった角度でとりつけている。１４台並べた冷却設備の全長は約２０ｍである。冷却の対象は外径１２５ｍｍで肉厚が８．５ｍｍ，１２．５ｍｍ，１６．５ｍｍの3種のパイプであり，いずれも８５０℃から６００℃までの板厚中心での平均冷却速度が８℃／Ｓ，冷却停止温度が約４００℃であることを冷却の狙い値としている。図１２，１３，１４にそれぞれのパイプについて設定した冷却条件を模式的に示す。模式図ではこれまでと同様の表示方法であり，冷媒供給が開となるヘッダー直下の部分のみ黒く塗りつぶしている。図１２は肉厚８．５ｍｍの場合，図１３は肉厚１２．５ｍｍの場合，図１４は肉厚１６．５ｍｍの場合の冷却条件である。実施例ではこのように設定した冷却設備の中を肉厚８．５ｍｍの場合には速度毎分０．５２ｍにて，肉厚１２．５ｍｍの場合には速度毎分０．４４ｍにて，肉厚１６．５ｍの場合には速度毎分０．５ｍにてそれぞれパイプを搬送した。その結果，いずれも板厚中心について肉厚８．５ｍｍの場合には冷却速度が８．２℃／Ｓで冷却停止温度が３８５℃，肉厚１２．５ｍｍの場合には冷却速度が８．１℃／Ｓで冷却停止温度が３９１℃，肉厚１６．５ｍｍの場合には冷却速度が８．０℃／Ｓで冷却停止温度が４０５℃といずれも目標値に極めて近い高精度冷却を実現できた。

本発明は，パイプの熱処理プロセスに利用できる。

一般的なパイプ冷却設備のレイアウトの説明図である。 一般的なパイプ冷却ヘッダー（円形ヘッダー）の説明図である。 円形ヘッダーでの冷却時のパイプ表面状況を示す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる冷却設備を示す側面からの模式図である。 本発明の実施の形態にかかる冷却設備を用いて冷却制御をおこなう際の設備設定例を示す模式図である。 本発明の別の実施の形態にかかる冷却設備を用いて冷却制御をおこなう際の設備設定例を示す模式図である。 直管ヘッダーを使用する本発明の実施の形態にかかる冷却設備のノズル取り付け位置を示す説明図である。 直管ヘッダーを使用する本発明の実施の形態にかかる冷却設備のヘッダー配置を示す模式図である。 直管ヘッダーを使用する本発明の実施の形態にかかる冷却設備のヘッダー配置を示す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる冷却設備（ヘッダー群）をパイプ搬送方向に直列に並べた例の模式図と当該設備での冷却設定例の説明図である。 実施例の冷却設備の模式図である。 実施例での冷却条件設定例の説明図である。 実施例での冷却条件設定例の説明図である。 実施例での冷却条件設定例の説明図である。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 冷却設備
３ パイプ
４ テーブル
５ ノズル
６ ヘッダー
６’ 冷媒導入口
６ａ 冷媒供給系統１１に接続しているヘッダー
６ｂ 冷媒供給系統１２に接続しているヘッダー
６ｃ 冷媒供給系統１３に接続しているヘッダー
７ 冷却帯
８ 噴射冷媒衝突部
１１，１２，１３ 冷媒供給系統
１４，１５，１６ 冷媒供給系統の開閉組み合わせ例
１７ 冷却帯
１８，１９，２０，２１，２２，２３ 冷媒供給系統の開閉組み合わせ例
２４，２５，２６ 直管ヘッダー
２４ａ 直管ヘッダー２４に取付けられたノズル
２５ａ 直管ヘッダー２５に取付けられたノズル
２６ａ 直管ヘッダー２６に取付けられたノズル
２７，２８，２９，３０ 冷媒供給系統の開閉組み合わせ例
３１，３２ 冷媒供給用配管

Claims (5)

1. 熱処理をおこなうパイプ外表面の複数点のそれぞれにパイプに向かって冷媒を噴射できるようにノズルを配置した冷却設備において，少なくとも２系統以上の独立に開閉可能な冷媒供給系統と，当該冷却供給系統のいずれかに接続された複数のヘッダーと，当該冷却供給系統からヘッダーを経て冷媒を噴出するノズルを有し，隣接して並ぶ複数のヘッダーがヘッダー群を成し，当該ヘッダー群の中で前記２系統以上の冷媒供給系統のいずれかと組み合わせて接続されたヘッダーが所定のパターンで配列され，前記ヘッダー群がパイプ搬送方向に一個以上直列に配置されていることを特徴とする冷却設備。
2. 請求項１に記載の冷却設備をパイプ搬送方向に複数台直列に並べたことを特徴とする冷却設備。
3. 前記ノズルからでる冷媒噴流がパイプに到達する以前に相互に干渉しないノズルの捻り角度および間隔で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却設備。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷却設備を用い，冷却設備内をパイプが通過しながらおこなわれる冷却において，前記２系統以上の冷媒供給系統それぞれの開閉の組み合わせによりパイプの冷却速度を制御することを特徴とする冷却方法。
5. パイプの搬送速度を制御することにより，冷却速度，冷却停止温度を制御することを特徴とする請求項４に記載の冷却方法。

Images