JP5841247B2 - 金属ストリップを被覆する被覆工程でガス噴射を生成する装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属ストリップ用の高温被覆工程でガス流を生成する装置を示す。係る装置は、一般に、エアナイフとしても知られている。

既知のように、高温亜鉛めっき工程は、タンクに収容された溶融亜鉛（４５０℃〜４７０℃）の槽内に鋼ストリップを浸し、鋼ストリップの両面に、最終用途に応じて厚みの異なる被覆を有する亜鉛を被覆する。この工程は、連続タイプであり、鋼ストリップは、標準化され、その両面は、地金に亜鉛を完全に接着させ、きわめて薄く均一な亜鉛層を形成するように適切に作成される。

亜鉛被覆厚の調整は、エアナイフシステムによって行われ、エアナイフシステムは、ストリップの両面の長さ全体にわたって被覆を一様に分散させることを可能にする。エアナイフのシステムは、本質的には、２つのリップで構成され、これらのリップは、他と比べて正確な寸法を有しかつ平坦な噴射を生成するように適応されたノズルを規定し、平坦な噴射は、ストリップが亜鉛タンクから出るときにストリップの幅全体と各側面にエア噴射を送る。

被覆される金属ストリップに付着する液体材料の性質に関係なく、金属ストリップを被覆する工程一般に同じ手順が使用される。亜鉛合金の他に、実際には、液体は、アルミニウム合金又は塗料でよい。

各側面で異なることがある必要な被覆厚を形成するために、調整システムは２つのリップを互いに傾け離間させることができる。

得られた亜鉛被覆の厚さを測定するシステムに基づき閉ループ制御システムは、亜鉛の量を最適化し、これにより被覆厚を最適化する。

鋼ストリップの最終用途に応じて、両面の亜鉛被覆全体の質量／面積比（ｇ／ｍ²）の最小値、又は面上の最小被覆厚（マイクロメートル）は規格で決まる。

このことは、時間の経過による材料の耐蝕性が、金属ストリップに塗布された亜鉛厚に正比例することにより説明される。

したがって、エアナイフによって作成される噴射の品質は、高温亜鉛めっき工程の基本的要因の１つである。

被覆厚の公称値からの逸脱を最小にするには、ストリップの両面に空気流を空間的と時間的に均一に分散させることが望ましい。

前述の空間的と時間的な空気分散の均一性を得るために、ノズルを通る前に、エアナイフは、ストリップの幅全体に広がり、乱流をそこに制限する。

圧力分布を均一にしかつ空気流の渦度を最小にするには、装置内の負荷損失（load loss）がかなり高めることになるが、これは大きな制限である。したがって、適度の負荷損失にもかかわらず空気流の十分な均一性を保証する解決策を発見する試みが行われてきた。

エアナイフは、送出マニホールドとしても知られ、一種の環状室に空気を注入する円筒管を有する装置である。円筒管の外側面には、加圧空気用の出口孔に設けられ、これらの出口孔は、円筒の全長にわたって整列される。環状室内の空気流を均一にするために、１つ又は複数の有孔隔壁が配置されることがある。円筒管は、一般に、両端からプレナム（plenum）内に通される。

ノズルはガス圧力の起こり得る不均一性の一部分しか回復できないので、理論的には、給送の均一性は、エアナイフ本体によって得なければならない。

特許文献１では、例えば、第１の変形例は、円筒管の対称軸と平行に配置され整列された孔を有する円筒管を示す。別の変形例では、円筒管は、互いに平行で円筒管の経線にしたがって配置された溝を有する。第３の変形例は、互いに平行で円筒管の経線にしたがって配置され整列された孔を有する円筒管を示す。第１の有孔隔壁は、垂直方向、即ち環状室の断面の展開軸（development axis）に対して垂直に配置される。第２のすぐ後続の隔壁は、時計回りのガスの動きに従い、環状室の実質的に接線方向でかつ平坦ノズルで最高点になる出口管の展開面に対してほぼ垂直に開いた孔とほぼ水平である。

特許文献１に示された装置では、
ノズルに至る直線的範囲は、環状室に隣接し、環状室と直線的最終範囲によって構成された全管の中間展開面に不連続点を規定する。
最後の隔壁は、ノズルに至る直線的範囲の展開とほぼ平行である。
時計回り方向に回転するガスの一部分は、垂直隔壁を通過し、一方、反時計回り方向に回転する残りの部分は、最後の隔壁だけを通過し、この結果、装置の環状容器に２つの平行室が収容される。

係る文書に示された装置によって、加圧ガスは、最後の直線的範囲の下側壁に当たって跳ね返り、装置内の乱流がかなり大きくなる。更に、２つのガス部分が、最後の隔壁を通過する前に衝突し、それにより更に乱流が生じる。

ドイツ特許公報１９９５４２３１

本発明の目的は、特に金属ストリップの高温被覆工程に適した平坦な噴射を生成するように適応されたノズルに沿ったガス流を均一化し、またノズルの長さ全体にわたるガス分布の均一性を改善するように適応された装置を提供することである。

本発明の目的は、特に金属ストリップ用の高温被覆工程において平坦な層状ガス噴射を生成する装置であり、請求項１によれば、
第１の孔を有する周辺壁を有する長手方向の送出マニホールドと、
前記第１の孔を介して前記長手方向送出マニホールドと連通する均一化予室と、
第１端で前記均一化予室と連通する均一化管と、
平坦なガス噴射を生成するように適応されたノズルとを有し、
前記均一化管が、その第２端で前記ノズルと連通し前記第２端は前記第１端と反対側で前記第１端より小さい断面を有してテーパ形状とされ、前記均一化予室からノズルまでのガス流経路を形成し、前記経路が湾曲中間展開面を規定し、
前記均一化管内に前記湾曲中間展開面に垂直に配置され、それにより、互いに接続された均一化管の少なくとも２つの連続し隣接する部分が規定される少なくとも２つの有孔隔壁を有し、
第１の孔が、送出マニホールドの周辺壁の第１の長手方向セクタ内にだけ設けられ、前記均一化予室が、少なくとも前記第１の長手方向セクタのまわりに外方に延び、
均一化管の第１の部分が、第１の長手方向セクタと隣接した送出マニホールドの周辺壁の第２の長手方向セクタのまわりに外方に延び、
均一化管の第２の部分が、前記第２の長手方向セクタの下流で送出マニホールドに対して実質的に接線方向に配置され、
それにより、前記湾曲中間展開面が角のない理想的な連続湾曲面にされて、均一化管の第１端での乱流から第２端での層流へのガス流の変換を最適化する。

好ましい変形例では、均一化予室は前記第１の長手方向セクタのまわりの外部に巻き付けられ、均一化管の第１の部分は前記第２の長手方向セクタのまわりの外部に巻き付けられていることが好ましい。

均一化管の第１の部分は、送出マニホールドの前記第２のセクタ又は長手方向部分のまわりに３０°〜１８０°の角度範囲（例えば、約９０°）にわたって巻き付けられていることが好ましい。

好ましい変形例では、均一化予室は、好ましいが必須ではない約９０°の角度範囲を有する前記第１の長手方向セクタのまわりだけに巻き付けられる。

装置は、送出マニホールドから出るガス流が、第１の孔を通り、単一回転方向に均一化予室を横切って均一化管に達するように構成される。

湾曲中間展開面の第１の範囲は実質的に半円筒の外側面の少なくとも一部分であり、前記第１の範囲と隣接した前記湾曲中間展開面の第２の範囲は実質的に平坦面である。

本発明は、ノズルに、ノズルの全体にわたって均一でかつ特に経時的に均一（即ち、不安定でない）流れを供給する問題を有利に解決する。詳細には、連続的で角のない均一化管の展開面は、ガス流の方向における管の任意の点で管の展開面に関して計算された一次導関数が連続的であることを示唆する。それにより、流れが管の壁に斜めに当たって乱流を引き起こす領域がなくなる。更に、これにより、均一化隔壁を、ガス流に対して（つまり均一化管の展開面に）垂直な面と、前記隔壁が配置された位置に応じてガス流の方向に平行な孔軸を有するように挿入することができる。

したがって、ひとつの有孔隔壁と次の有孔隔壁の間に、加圧ガス流均一化管の一部分が規定される。したがって、均一化管の範囲は、予室の下流に、互いに連続又は段階的に配列され、ガス流の漸進的な均質化が提供される。

均一化管は、均一化管の前記漸進的範囲を含み、ノズルに近づくほど次第に小さくなる面積を有するガス流に直角の断面を有し、その結果、送出マニホールドの一部分に巻き付けられた均一化管の部分に乱流を生じさせない。更に、均一化管の第１と第２の部分は、第２の部分の対応する中間展開面と平行な第２の部分に流れが導入されるように接続される。

更に、流体が通される隔壁孔は、直径が次第に小さくなり、同時に、ガス流の方向の展開に沿ったそれぞれの隔壁の位置によって数が増え、したがって、流体の流れが管の壁と平行になり、ガス流の動きが乱流から直線的になる。更に他の利点は、特に乱流率が既に著しく低下した均一化管のほぼ直線部分に隔壁が配置され、その結果、乱流が更に決定的に減少し、ほとんど空気力学に理想的な直線に近づくことである。

従属クレームは、本発明の好ましい実施形態について述べ、この説明の一体部分を構成する。

本発明の更に他の特徴及び利点は、添付図面の支援により非限定的な例として示された、例えば亜鉛合金又はアルミニウム合金による、特に金属ストリップの高温被覆工程のために、平坦な噴射を生成するように適応されたノズルに沿ったガス流を均一化する装置の好ましいが排他的でない実施形態の詳細な説明を参照して明らかになる。

図の同じ参照番号と文字は、同じ要素又は構成要素を示す。

装置の概略断面図である。 図１の装置のガス流の方向に垂直な断面を表わす図である。 図１の装置のガス流の方向に垂直な断面を表わす図である。 図１の装置のガス流の方向に垂直な断面を表わす図である。

図１を参照すると、本発明によるガス流を均一化する装置は、長手方向の送出マニホールド１と、ガスを送出マニホールド１から均一化管３に導く均一化予室２とを有し、均一化管３にはノズル１０が係合される。送出マニホールドの周辺壁は、約９０°の角度範囲の第１の長手方向セクタ１１に、前記マニホールドの全長さ又は長手方向範囲にわたって、ガスを通すための第１の孔１２を有する。図１と図２ａでは、例えば、３個の行の第１の孔１２が提供される。他の変形例では、第１の孔１２の行数は、３と異なってもよい。均一化予室２は、孔１２が開いた第１の長手方向セクタ１１に重なり、均一化管３に接続され、均一化管３は、第２の長手方向セクタのまわりに好ましくは約９０°にわたって送出マニホールド１に巻き付けられた第１の範囲又は部分３ａと、送出マニホールド１に対して実質的に接線方向に延在する第２の範囲又は部分３ｂとに分割される。均一化管３の２つの部分は、均一化管全体に沿った縁の存在を回避し、隣接し互いに完全に接続される。

長手方向の送出マニホールド１は、円形や楕円などの断面を有してもよく、その外側面は、等しいか又は異なる角度範囲の長手方向セクタに分割されてもよい。均一化管３の第１の部分３ａは、好ましくは３０°〜１８０°の角度で、送出マニホールド１の一部分又は長手方向セクタのまわりに延在してもよい。

参照文字Ｚは、均一化管３の理想的な中間展開面の輪郭を示し、この輪郭は、図１に示された装置の断面に従う展開軸と、実質的又は完全に線形の管範囲内のガス流の方向とに対応する。

均一化管３は、第１の部分３ａから第２の部分３ｂの方に出口管４まで先細りであり、出口管４にはノズル１０が係合される。

ノズル１０は、別個の構成要素でもよく、出口管４と１個の部品で一体的に作成されてもよい。図１に示されたノズル１０は、単に、平坦なガス噴射を生成するような幅を有するノズルの存在を図式化したものである。

孔１２は、ガスを均一化予室２に導入することを可能にする。送出管１の側壁の第１の孔１２が開いた範囲は、送出管１と均一化予室２との間で共通でもよい。

実質的に均一化予室２と均一化管３の第１の部分３ａとの間の接続点に、隔壁５が配置される。この隔壁５は、第２の貫通孔２５を有する。

実質的に、ガス流方向に対して第１の隔壁５の下流の、均一化管３の第２の部分３ｂの中間領域内に、連続隔壁６が配置される。この隔壁６は、第３の貫通孔２６を有する。

隔壁５及び６は、装置の保守と装置構成変更の両方のために脱着可能であることが好ましい。

隔壁５及び６は、湾曲中間展開面Ｚに対して垂直である。前記面Ｚは、まず実質的に半円筒状で、次に実質的に平坦なパターンとなる。即ち、湾曲中間展開面Ｚの第１の範囲は半円筒の外側面の実質的に少なくとも一部分であり、一方、前記湾曲面Ｚの第２の範囲は実質的に平坦面である。

管３の形状の場合、図１の装置の変形例を特に参照すると、隔壁５は、実質的に水平であり、隔壁６は、実質的に垂直である。より一般には、２つの隔壁５，６は、互いに直交するそれぞれの平面上に配置される。

本発明によれば、それぞれ丸められた壁を有する均一化管３の第１の部分３ａと第２の部分３ｂとの間の完全な接続が、乱流現象を引き起こすことなくガスの流出を容易にする。

更に、有孔隔壁５及び６は、常に、面Ｚと垂直であり、それぞれの孔の軸は、均一化管３に沿ったそれぞれの位置でのガス流の層運動の方向と平行である。

乱流強度と有孔隔壁５及び６の位置との間には関係がある。特に隔壁６に関して、流体が高い乱流率で有孔隔壁６に達した場合、孔２６の均一化作用が十分に活用されないことが確認された。隔壁６は前の隔壁５から離間されることが好ましく、それにより、隔壁６の入口での乱流率は、ガス流全体より少なくとも７％低く、残りの流れは層運動で移動する。

したがって、隔壁６が、７％低く、好ましくは５％低い乱流率で機能することが、特に重要である。

均一化管３の小径化は、本質的に、隔壁５と出口管４との間で生じてノズル１０で終わる。寸法が他より重要なノズルを有する装置、即ち約２〜３メートルの幅と、幅よりかなり小さい高さと長さを有するノズルを有する装置の場合には、２〜３メートルの幅を有する対応する平坦ガス噴射を生成するために、断面が４分の１に減少し、例えば断面が６０ｍｍから１５ｍｍに変化する。これは、理想面Ｚ上で測定された５００〜９００ｍｍの経路全体に提供される。

本発明の別の態様によれば、第１の孔１２、第２の孔２５、及び第３の孔２６は、互いに特定の関係を有するように寸法決めされ配置される。

第１の孔１２、第２の孔２５、及び第３の孔２６は、好ましくは丸い穴である。

図２ａ、図２ｂ及び図２ｃを参照すると、
第１の孔１２は、直径Φ１を有し、第１の方向にｄ１に相当する寸法、第１の方向に垂直な第２の方向にｓ１に相当する寸法だけ互いから離間される。
第２の孔２５は、直径Φ２を有し、第１の方向にｄ２に相当する寸法、第１の方向に垂直な第２の方向にｓ２に相当する寸法だけ互いから離間される。
第３の孔２６は、直径Φ３を有し、第１の方向にｄ３に相当する寸法、第１の方向に垂直の第２の方向にｓ３に相当する寸法だけ互いから離間される。

直径Φ１とΦ２の関係と直径Φ２とΦ３との関係は、孔数の増える割合と等しいと好ましい。したがって、孔の間の距離ｓ２，ｄ２及びｓ３，ｄ３は、ガス流経路に沿って減少する。例えば、隔壁５にある第２の孔２５の直径が、第１の孔１２の直径の半分になった場合、第２の孔２５の数は、第１の孔１２の数の２倍になる。これは、均一化管３の孔が配置された部分と無関係に起こる。これは必然的に、図１の変形例の場合のような一連の３個の孔が、同じ負荷損失を表すことになる。したがって、全体的な負荷損失は、一連の３個の孔のうちの１個の負荷損失の３倍に等しい。

一連の孔において、２つの連続した行の孔は、孔が整列された場合の倍の列数を定義するように、相互にずらされる。更に、連続した列は、互いから等しく離間される。孔の寸法と位置を決めるための同じ規則は、３個以上の隔壁、例えば３個又は４個の隔壁があるときにも当てはまる。

図２ａ、図２ｂ、及び図２ｃは、上から下に、第１の一連の孔１２（図２ａ）、隔壁５（図２ｂ）、及び隔壁６（図２ｃ）を示す。２本の平行線と垂直線ａ及びｂは、２つの連続した列の孔１２の中心を通ることに注意されたい。

前記線ａ及びｂはそれぞれ、隔壁５及び６上の孔２５の中心と、更に他の孔２６の中心を通る。

線ａとｂの間に孔２５の中間行があり、この行は線と交差しない。

線ａとｂの間には孔２６の３個の中間行があり、これらの行は線と交差しない。

したがって、孔の行の数が増えるほど前記孔の直径が小さくなることに注意されたい。

本発明は、ノズル１０に、ノズルの全長にわたって均一でかつ経時的に安定した流れを供給する問題を有利に解決する。

これは、まず、均一化管３の展開面Ｚに不連続点がないことによるものであり、次に流体が通る隔壁が常に展開面Ｚに垂直に配置されることによるものである。

更なる流れの最適化は、孔が、送出マニホールドの周辺壁の孔から均一化管の最後の有孔隔壁に設けられた孔まで、数が増えるほど直径が次第に小さくなるために得られる。

更に、隔壁６は、中間展開面の対応部分が実質的に平坦な部分３ｂに配置され、これにより、均一化管３の前記部分３ｂとそこに配置された隔壁６との間に相乗効果が生じる。また、特に前記隔壁６が、乱流を２％未満の割合に更に減少させることを可能にするきわめて小さい直径の孔を有するので、出口管４にほぼ層状だけのガス流の動きが生成される。

本発明の装置は、低い損失負荷を有し、平坦ノズル１０に導かれるガス流の均一性が等しいので好都合である。この結果、ストリップに加わる噴射の剪断応力が大きくなり、過剰な亜鉛がより適切に除去される。

様々な好ましい実施形態に示された要素と機能は、本出願の保護範囲から逸脱することなく組み合わせることができる。

１ 送出マニホールド
２ 均一化予室
３ 均一化管
３ａ，３ｂ 隣接部分
５，６ 有孔隔壁
１０ ノズル
１１ 長手方向セクタ
１２ 孔
Ｚ 湾曲中間展開面

Claims (13)

1. 金属ストリップの高温被覆工程に適した平坦な層状ガス噴射を生成する装置であって、
   第１の孔（１２）を備えた周辺壁を有する長手方向の送出マニホールド（１）と、
   前記第１の孔（１２）を介して前記長手方向の送出マニホールド（１）と連通する均一化予室（２）と、
   第１端で前記均一化予室（２）と連通する均一化管（３）と、
   平坦層状ガス噴射を生成するように適応されたノズル（１０）とを有し、
   前記均一化管（３）は、その第２端で前記ノズル（１０）と連通し前記第２端は前記第１端と反対側で前記第１端より小さい断面を有してテーパ形状とされ、前記均一化予室（２）から前記ノズル（１０）までのガス流経路を作成し、前記ガス流経路が湾曲中間展開面（Ｚ）を規定し、
   前記均一化管（３）内に前記湾曲中間展開面（Ｚ）に垂直に配置され、それにより、互いに接続された前記均一化管（３）の少なくとも２個の連続し隣接する部分（３ａ，３ｂ）が規定される少なくとも２個の有孔隔壁（５，６）とを有し、
   前記第１の孔（１２）が長尺の前記送出マニホールド（１）の前記周辺壁の第１の長手方向セクタ（１１）にだけ設けられ、前記均一化予室（２）が少なくとも前記第１の長手方向セクタ（１１）のまわりの外部に延び、
   前記均一化管（３）の第１の部分（３ａ）が、前記第１の長手方向セクタ（１１）に隣接する長尺の前記送出マニホールド（１）の前記周辺壁の第２の長手方向セクタのまわりの外部に延在し、
   前記均一化管（３）の第２の部分（３ｂ）が、前記第２の長手方向セクタの下流で長尺の前記送出マニホールド（１）に対して接線方向に配置され、
   それにより、前記湾曲中間展開面（Ｚ）が角のない連続湾曲面にされて、前記均一化管（３）の前記第１端での乱流から前記第２端での層流への前記ガス流の変換を最適化する装置。
2. 前記均一化予室（２）が前記第１の長手方向セクタ（１１）の外部に巻き付けられ、前記均一化管（３）の前記第１の部分（３ａ）が前記第２の長手方向セクタの外部に巻き付けられている、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の部分（３ａ）が前記第２の長手方向セクタの回りに３０°〜１８０°の角度範囲で巻き付けられている、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の部分（３ａ）が前記第２の長手方向セクタの回りに９０°まで巻き付けられている、請求項３に記載の装置。
5. 前記均一化予室（２）が、前記第１の長手方向セクタ（１１）だけを取り囲む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記湾曲中間展開面（Ｚ）の第１の範囲が半円筒の外側面の少なくとも一部分であり、前記第１の範囲に隣接した前記湾曲中間展開面（Ｚ）の第２の範囲が平坦面である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第１の有孔隔壁（５）と、前記第１の隔壁の下流に配置された第２の有孔隔壁（６）とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第１の有孔隔壁（５）が、前記均一化予室（２）と前記均一化管（３）の前記第１の部分（３ａ）との間の接続点に配置されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記第２の有孔隔壁（６）が、前記均一化管（３）の前記第１の部分（３ａ）と前記第２の部分（３ｂ）との間の接続点に配置されている、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記第１の有孔隔壁（５）と出口管（４）との間の範囲内の前記均一化管（３）の断面が、初期値の１／４に小さくされている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記第１の有孔隔壁（５）が、第２の孔（２５）を有し、前記第２の有孔隔壁（６）が、第３の孔（２６）を有し、
    前記孔（１２，２５，２６）の直径（Φ１，Φ２，Φ３）は、孔（１２，２５，２６）の数の増加に伴って前記ガス流経路に沿って小さくなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第２の孔（２５）の直径（Φ２）が前記第１の孔（１２）の直径（Φ１）の半分であり、前記第２の孔（２５）の数が前記第１の孔（１２）の数の２倍である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第３の孔（２６）の直径（Φ３）が前記第２の孔（２５）の直径（Φ２）の半分であり、前記第３の孔（２６）の数が前記第２の孔（２５）の数の２倍である、請求項１１又は１２に記載の装置。

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