JP4700023B2 - エアアシスト噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、一般的に噴射ノズルに関し、より詳細には、金属鋳造作業中に液体冷却材を噴射する場合に特有の効用を有するエアアシスト噴射ノズルに関する。

金属鋳造作業中、特に鋼スラブ、ビレット、又は他の金属異形材が鋳型から押し出される連続金属鋳造システムでは、急速熱除去のために、出現する金属に液体冷却材すなわち水を噴射する必要がある。噴射は微細に噴霧化され、均等な冷却のために金属上に均等に向けられることが望まれる。液体冷却材の一様でない分配は結果的に金属の不均等な冷却を生じ、それは亀裂、高応力、ならびに表面及びエッジの品質低下を招くおそれがある。液体粒子の分解及び配分を促進するために、加圧エアアシスト液体噴射システムを使用することが知られている。本願と同一譲受人に譲渡された米国特許第４，５９１，０９９号は、連続鋳造作業で効果的に使用されてきたエアアシスト噴射ノズルアッセンブリを開示している。

連続金属鋳造システムでは、鋳造金属異形材が一般的に垂直方向に向けられた鋳型で形成され、次いで一連の密に間隔配置された支持ローラを通して引き出され、そこでその方向が垂直から水平へ変化する。複数の冷却材方向付けノズルが各対のローラ間に配設される。そのような冷却システムでは使用しなければならない多数の噴射ノズルのため、大量の加圧エアが消費され、それは高価な高容量エアコンプレッサを必要とする。これまでのところ、エア消費量を低減するための努力は、冷却液の噴霧化及び鋳造金属の表面に対するその適用の均一性に悪影響を与えてきた。

鋳造金属支持ローラの密な間隔配置は、そのような液体冷却材噴射システムにさらなる問題を生じる。出願人の上記特許第４，５９１，０９９号に開示されたような従来の噴射ノズルアッセンブリは、偏平噴射パターンが支持ローラの間に平行に正確に方向付けられるように、密に間隔配置された支持ローラの間に移動する鋳造金属に近接して噴射先端を支持する細長い胴又は管を持つノズル本体を有する。偏平噴射パターンの適切な方向付けを達成するために、噴射先端は正確に方向付けなければならないので、細長い噴射先端支持胴を製造中に溶接などによってノズル本体に固定することは、面倒であり、かつ高価となるおそれがある。さらに、ノズルアッセンブリの部分が使用中に破損するか過度に摩耗した場合、噴射ノズルアッセンブリ全体を交換する必要があり、それもまた高価となるおそれがある。

本発明の目的は、より効率的かつ経済的な使用のために適応させたエアアシスト噴射ノズルを有する鋳造金属液体冷却材噴射システムを提供することである。

さらなる目的は、必要とするエア消費量を実質的に低減しながら、高度の噴霧化及び均一な分配の平坦な放出噴射パターンを生成するように作動できるエアアシスト噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

さらなる目的は、細長い胴及び下流の噴射先端に方向付ける前に液体粒子をより効率的かつ効果的に分解するために設計された予備噴霧化部分を有する、上記の特徴を持つ噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

さらに別の目的は、加圧エア及び液体の流れを収束させることによる液体の予備噴霧化中に渦流損失を最小化する予備噴霧化部分を有する、上記の型の噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

さらに別の目的は、構造が比較的簡単であり、経済的な製造及び現場修理に役立つ、上記の種類の噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

関連する目的は、噴射先端の適切な方向付け及びしたがって平坦な放出噴射パターンの適切な方向付けを確実にしながら、細長い噴射先端支持胴を容易にノズル本体に組み立てることができるような噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

別の目的は、噴射先端支持胴が容易に現場修理又は交換ができるように適応された、そのような型の噴射ノズルアッセンブリを提供することである。

本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を読み、かつ図面を参照することにより、明らかになるであろう。

本発明は様々な変形及び代替的構成が可能であるが、その特定の実施の形態を図面に示し、以下で詳細に説明する。しかし、本発明を開示する特定の形態に限定する意図はなく、むしろ、本発明は発明の思想及び範囲内に入る全ての変形、代替的構成、及び等価物を含むものであることを理解されたい。

ここで、図面をさらに詳しく参照すると、本発明の実施の形態によるエアアシスト液体噴射ノズルアッセンブリ１２付き噴射システム１０を有する連続金属鋳造装置が示されている。連続鋳造装置は、金属異形材がこの場合はスラブ１４の形でそこから押し出される連続鋳型（図示せず）を含む、既知の型とすることができる。この場合スラブ１４が連続鋳造機から出現し、出現する金属異形材の両面を回転可能に支持する平行な組のガイドローラ１５、１６によって、垂直から水平方向に転換される。複数の噴射ノズルアッセンブリ１２が、冷却材すなわち水の偏平噴射パターンを移動する金属異形材１４の両面に方向付けるために、各対のローラ間１５、１６にそれぞれの列に支持される。当該技術で既知の通り、噴射ノズルアッセンブリ１２は適切な手段によって支持することができ、それはそれらの動作のために必要な加圧エア及び水を供給するための適切な配管を含むことができる。各噴射ノズルアッセンブリ１２は同様の構造であるので、１つを詳細に説明するだけでよい。

各噴射ノズルアッセンブリ１２は、図３に最もよく示す通り、予備液体噴霧化ヘッド又は部分２０と、上流端を噴霧化ヘッド２０に接続された細長い管状胴２１と、胴２１の下流端に接続された噴射先端２２とを含む。噴霧化ヘッド２０は、軸方向に伸長する細長い膨張チャンバ２５を有する中空体２４と、中空体２４の上流端の軸方向内径２９に螺合したオリフィス取付具２８によって画定される加圧エア入口２６と、中空体２４の側壁内に伸長する半径方向内径３２に螺合したオリフィス取付具３１によって画定される膨張チャンバと横方向に連通する液体冷却材入口３０とを含む。エア入口オリフィス取付具２８は加圧エア供給管路３４に接続され、液体入口オリフィス取付具３１は、液体冷却材、好ましくは水の供給管路３５に結合される。噴霧化ヘッド２０はさらに、液体入口３０とは直径方向に対向する関係に半径方向内径３９内にプレス嵌めなどによって固定された衝突柱３８を含む。衝突柱３８は、外端４０をほぼ中空体２４の長手軸上に置いた状態で、チャンバ２５内に伸長する。液体及びエア入口２６、３０からそれぞれ導入された加圧エア及び液体エアの流れは加圧ヘッド内で収束し、胴２１内を進み噴射先端２２から放出されるように液体を予備噴霧化する。

開示内容を参照してここに組み入れる上述した米国特許第４，５９１，０９９号に開示された型のものとすることができる噴射先端２２は、予備噴霧化ヘッド２０から胴２１を介して受け取った予備噴霧化された液体を、予め定められた偏平噴射パターンに分配するように適応される。図示した噴射先端２２は、オリフィス画定端４５及び上流中空ステム４６を含む。オリフィス画定端４５は、横方向に向けられた円筒形混合チャンバ４９と連通する端を貫通する交差スロットによって形成される細長い放出アパーチャ４８を有し、混合チャンバ４９は次に中空ステム４６と連通する。

胴２１と予め定められた角度関係の細長い放出穴４８を噴射先端２２に装着するために、噴射先端ステム４６には、胴２１の下流端で対応する凹部５１との位置合せのために、上流方向に伸長する一対の直径方向に対向する位置決めラグ５０が形成される（図６）。図示した胴２１は、相互に９０°偏位した２対のラグ受容凹部５１を有し、それは、特定の噴射用途のために相互に９０°偏位した２つの位置のいずれかに方向付けられた放出オリフィス４８を、噴射先端２２に装着することを可能にする。

噴射先端２２を胴２１に開放自在に固定するために、噴射先端ステム４６は、回転して軸方向に移動するように胴２１の下流端に支持された雌ねじ付き環状保持部材５４によって螺合するための雄ねじ付き上流端を有する。保持器５４の回転による保持器５４と噴射先端ステム４６の螺合は、ラグ５０及び凹部５１が適切に位置合わせした状態で、噴射先端２２の上流端を胴２１の下流端と不動に係合させる。この場合保持器５４の上流スリーブ部分５５の低減された直径は、胴２１の周りにその下流端に隣接して固定された止め輪に対抗して引かれる。

当該技術で既知の通り、移動する鋳造金属の均等な冷却を促進するために、ローラ１５、１６に平行に方向付けられた平坦な放射噴射パターンが両端でわずかに重なるように、複数の噴射ノズルアッセンブリ１２を支持ローラ１５、１６の列の間に並列に支持することができる。先行技術のエアアシスト噴射ノズルは、上で指摘した通り、連続鋳造金属ようの冷却システムで効果的に使用されてきたが、そのような冷却システムで使用しなければならない多数のノズルのために、適切な液体噴霧化及び配分のために、これまでは大量の加圧エアが必要とされてきた。

本発明の重要な態様では、本発明の噴射ノズルアッセンブリの予備噴霧化ヘッドは、要求されるエア消費量を実質的に低減しながら、高度の液体予備噴霧化を達成するように設計されている。より詳細には、本発明の噴射ノズルアッセンブリは、加圧エア所要量を３０％も低減して、効果的に使用することができる。この目的のために、エア噴霧化ヘッドは比較的小さいサイズの加圧エア入口を持ち、衝突柱は加圧エア流と液体の混合を増強するために独自に構成された衝突面を持ち、膨張チャンバは膨張チャンバ内における効率的な液体の予備噴霧化を損じる渦流を除去するように構成されている。その複合効果が実質的により効率的な液体噴霧化である。

本発明を実行するにあたり、図示した噴射ノズルアッセンブリ１２の予備噴霧化ヘッド２０は、液体入口３０より実質的に小さいサイズの加圧エア入口２６を有する。加圧エア入口は、液体入口３０の直径の約０．８０から０．９３の間程度であることが好ましい。混合及び膨張チャンバ２５は、エア入口オリフィスの直径より少なくとも４倍大きく、好ましくはエア入口オリフィスの直径より約４．５倍ないし９．０倍大きい直径を有する。所定の入口エア圧では、エア入口のサイズを小さくすること自体が、噴霧化ヘッド内に導入される加圧エア流の速度を増加しながらエア消費量を低減することは理解されるであろう。

さらに本発明の説明を続けると、衝突柱３８は、エア入口２６及びエア入口２６から軸方向に膨張チャンバ２５内に方向付けられた加圧エア流に対して直角な関係に、衝突柱の端に伸長する半円柱形凹部５８の形状に内側に丸みを有する、すなわち凹湾した端面を有する。この場合、凹湾部５８は、中空体２４のほぼ長手軸上に位置する曲率中心、及び液体入口３０の直径よりわずかに大きい幅を有する。凹部５８は、液体入口と直接対向する関係に、衝突柱３８の端に外向きに向けられたＵ字形衝突面を効果的に画定する。液体入口３０を通して導入された加圧液体はＵ字形衝突面に衝突し、解体し、液体粒子の分解及び加圧エア流との混合を増強するために衝突柱の端を横切るように方向付けられた加圧エア流と接触するように方向を反転する。

さらに本発明を実行すると、噴霧化ヘッド２０の膨張チャンバ２５にはエア入口２６と衝突柱３８との間を連通するテーパ付き入口が形成され、それは、到来する加圧エア流の効率的な利用を損じるおそれのある膨張チャンバの上流端の渦流を除去する。この場合、膨張チャンバ２５は、中空体の長手軸に対して約２５°の比較的浅い角度Φで、エア入口２６に隣接する位置から衝突柱３８に隣接する位置まで伸長する、円錐台形の壁５９によって画定される上流端を有する。円錐台形の壁５９は、導入された加圧液体とエアの流れの混合を効果的に増強しない渦流が発生し得る、膨張チャンバ２５の上流端の角領域を実質的に除去する。代わりに、最大限の相互作用及び液体の分解のために、液体とエアの乱流混合が、主として衝突柱３８に近接して発生する。図示したテーパ付き入口は円錐台形の壁５９を含むが、膨張チャンバの上流の角が除去される限り、代替的にテーパ付き入口は内向き又は外向きに湾曲した壁を持つこともできることは理解されるであろう。

本発明のさらなる態様を実施すると、胴２１は、噴射先端２２を適切に受容し支持するために下流位置決め凹部５１をその長手軸を中心に予め定められた回転方向に向けた状態で、予備噴霧化ヘッド２０に容易に装着できるように適応される。図示した実施の形態では、胴２１の上流端は膨張チャンバ２５と連通するように噴霧化ヘッド２２の下流端内に配置される。胴２１を組み立られた位置に着脱自在に維持するために、噴霧化ヘッド２０は、摺動自在に胴体２１上に配置されるように取り付けられた雌ねじ付き環状リテーナキャップ６１によって係合可能な雄ねじ付きハブ６０をその下流端に有する。リテーナキャップ６１は低減された直径の穴を持ち、それは環状保持フランジ６２を画定する、リテーナキャップ６１は、リテーナキャップ６１をハブ６０上にねじ込みながら前進させるときに、ハブの端に隣接して胴２１の周りに装着された環状フェルール６４に対抗して引かれる環状フランジ６２を画定する、低減された直径の穴を有する。この場合、ハブ６０は、それらの間に液封を形成するためにフェルール６４のテーパ付き上流端を受容する外方に広がった下流開口６５を有する。

偏平噴射パターンを適切に方向付けるように胴２１に装着された噴射先端２２の細長い放出オリフィス４８が予め定められた向きになるように、胴２１を噴霧化ヘッド２０にその長手軸を中心に予め定められた角度の向きに配置するために、胴２１の上流端には１対の整列した位置決め穴６８が形成され、その中に着脱自在な保持ピン６９が噴霧化ヘッド中空体２４の側部から配置される。この目的のために、中空体２４には１対の整列した通路７０、７１が形成される。通路７０は胴２１の片側で中空体２４の側部に連通し、ピン６６のねじ付きシャンク部７４を受容するようにねじが切られている。胴２１の反対側の通路７１は、ピン６９の非ねじ付き突出端を受容する。胴２１の整列した穴６８へのピン６９の組立は、噴霧化ヘッド２０に対して胴２１を斜めに方向付けるだけでなく、さらに胴体２１を装着された位置に保持することは理解されるであろう。さらに、ピンの取外し及び保持キャップ６１の取外しにより、胴の損傷又は摩耗のために必要になる胴２１の素早くかつ容易な現場での取外し及び交換を可能にする。

以上から、本発明に係る噴射ノズルアッセンブリを有する金属鋳造液体冷却材噴霧システムが、より効率的かつ経済的な運用に適応していることが分かる。噴射ノズルアッセンブリは、加圧エアの消費量を実質的に低減しながら、より効果的な液体粒子の分解及び平坦な放出噴射パターンの分配が達成されるように設計されている。さらに噴射ノズルアッセンブリは構成が比較的単純であり、噴射先端を支持する管状胴を噴霧化ヘッドに対して正確な角度方向に組み立てることができる一方、容易な現場修理及び交換を可能にする。

本発明による噴射ノズルアッセンブリ付き噴射システムを有する連続金属鋳造装置の側面図である。 図１の線２−２で切った横断面図である。 図示した噴射システムにおける噴射ノズルアッセンブリのうちの１つの拡大縦断面図である。 図３の線４−４の面で切った図示した噴射ノズルアッセンブリの噴射先端を示す拡大放出端面図である。 図４の線５−５の面で切った噴射先端の部分縦断面図である。 図示したノズルアッセンブリの噴射先端及び支持胴の拡大斜視図である。 支持胴上に組み立てられた噴射先端の斜視図である。

符号の説明

１０…噴射システム、１２…エアアシスト液体噴射ノズルアッセンブリ、１４…スラブ、１５…ローラ、１６…ローラ、２０…噴霧化ヘッド、２１…管状胴、２２…噴射先端、２４…中空体、２５…膨張チャンバ、２６…加圧エア入口、３０…液体冷却材入口、３８…衝突柱。

Claims (6)

1. エアアシスト噴射ノズルであって、
   混合及び噴霧化室と、加圧エア流がそこを通して前記混合及び噴霧化室内に向けられるエア入口オリフィスと、前記加圧エア流の方向に対して斜めに液体流がそこを通して前記混合及び噴霧化室内に向けられる液体入口オリフィスとを有する中空体と、
   前記混合及び噴霧化室内に伸長する衝突柱であって、前記液体入口オリフィスに対向して配置され、前記液体入口オリフィスから前記室内へ向けられる液体流が衝突する端面を有する衝突柱と、
   前記混合及び噴霧化室の中で前記衝突柱の上流にあり渦流が発生し得る角領域を除去するために、且つ、前記衝突柱付近で前記加圧エア流と液体流の混合を促進するために、前記エア入口オリフィスから前記衝突柱に隣接する位置まで伸長する円錐台形壁部分によって画定されるテーパ付き上流端を有する前記混合及び噴霧化室と、及び
   前記混合及び噴霧化室と流体連通した放出オリフィスを有し、そこを通して前記噴霧化された液体が予め定められた噴射パターンに放出される噴射先端とを備える、エアアシスト噴射ノズル。
2. 前記混合及び噴霧化室が、前記エア入口オリフィスの直径より少なくとも４倍の直径を持つ、請求項１に記載のエアアシスト噴射ノズル。
3. 前記混合及び噴霧化室と流体連通した細長い管状胴を含み、
   前記噴射先端が前記胴の下流端に予め定められた回転自在の向き付け関係に着脱自在に装着され、前記噴射先端が前記胴及び前記混合及び噴霧化室と流体連通する放出オリフィスを有し、そこを通して前記噴霧化された液体が予め定められた偏平な噴射パターンに放出され、
   前記胴に固定された噴射先端が前記中空体に対して予め定められた関係に前記噴射パターンを放出するように、前記中空体に対して予め定められた回転自在前記胴を前記中空体に着脱自在に固定するための開放自在なファスナを含む、請求項１に記載のエアアシスト噴射ノズル。
4. 前記円錐台形壁部分が、前記中空体の長手軸に対して２５°の角度に伸長する、請求項１に記載のエアアシスト噴射ノズル。
5. 前記エア入口オリフィスは、前記液体入口オリフィスの直径よりも小さい直径を有している、請求項１に記載のエアアシスト噴射ノズル。
6. 前記エア入口オリフィスが、前記液体入口オリフィスの直径の０．８０倍から０．９３倍の間の直径である、請求項５に記載のエアアシスト噴射ノズル。

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