JP6686981B2 - 金属帯の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属帯の冷却装置、特に、金属帯の一種の鋼帯の連続焼鈍設備、連続式溶融亜鉛めっき設備、樹脂コーティング設備等において、連続して走行する鋼帯を冷却する装置に関する。

連続焼鈍設備は良く知られているように、金属帯の一種である鋼帯を連続的に加熱・均熱および冷却し、必要により過時効処理する工程を備えている。ところで、鋼帯の特性を所望のものにするためには、加熱温度や均熱温度のほかに、その鋼帯を均一急速冷却することが重要である。鋼帯の冷却方法として、現状各種の冷媒が採用されており、この冷媒の選択によって鋼帯の冷却速度も異なってくる。

ここで、ガス（気体）を冷媒とする冷却方法が実用化され、多くの実績を挙げている。この方法は、比較的鋼帯の幅方向の均一な冷却が可能である。このガス冷却の一般的な課題は、水を冷媒とする冷却方法等と比べて冷却速度が遅いことである。冷却速度が遅いと、鋼帯の特性が所望のものとならない。冷却速度を上げるため、従来においては、例えば、ガスを噴射するノズルの先端を鋼帯に極力近づけて熱伝達率を上げて冷却速度を上げるものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に示す連続焼鈍路におけるストリップ冷却装置は、ストリップとノズル先端との距離Ｚを７０ｍｍ以下とし、冷却ガス室前面からのノズルの突出長さを（１００−Ｚ）ｍｍ以上として、ノズルの先端とストリップとの距離を小さくして効率よい冷却を可能としている。
また、高冷却速度を得るためにノズルからのガス噴出速度を速くし、ノズルの抵抗係数を小さくて、ガス循環設備をコンパクトにしつつ、ノズルから噴出する冷媒による熱伝達率を上げて均一冷却を行うことができる鋼帯の冷却装置として、従来、例えば、特許文献２に示すものも提案されている。

特許文献２に示す鋼帯の冷却装置は、冷却箱の表面に突出ノズルを配置し、この突出ノズルから冷媒を噴出させて走行する鋼帯を冷却する鋼帯の冷却装置において、ノズル先端から鋼帯面までの距離を３０〜１００ｍｍに保持した複数の突出ノズルを冷却箱の表面から突出させ、突出ノズルのＡ／ａを２≦Ａ／ａ≦９（Ａ：ノズル基部の開口断面積、ａ：ノズル先端部の開口断面積）とし、冷却箱の表面から突出ノズルのノズル先端部までの距離を１５０〜２００ｍｍとし、ノズル先端部の開口断面の扁平率ａ１／ａ２を１＜ａ１／ａ２＜９（ａ１：ノズル先端部の開口断面の長辺、ａ２：ノズル先端部の開口断面の短辺）としたものである。

この特許文献２に示す鋼帯の冷却装置によれば、冷却における熱伝達率を上げ、且つ鋼帯を均一に冷却することが可能になる。また、高冷却速度を得るためにノズルからのガス噴出速度を速くしても、ノズルの抵抗係数を小さくすることができ、ガス循環設備をコンパクトにすることができる。

特公平２−１６３７５号公報 特開２００６−２７４３７９号公報

しかしながら、これら従来の特許文献１に示すストリップ冷却装置及び特許文献２に示す鋼帯の冷却装置にあっては、以下の問題点があった。
即ち、特許文献１に示すストリップ冷却装置の場合、ノズルが冷媒が流れる冷却ガス室前面から突出長さ（１００−Ｚ）ｍｍ以上突出しているため、冷却ガス室とノズルとを合わせた冷媒の噴出方向の長さが長く、設備をコンパクト化することができない。

また、特許文献２に示す鋼帯の冷却装置の場合も同様に、突出ノズルが冷媒が流れる冷却箱の表面から突出しており、冷却箱と突出ノズルとを合わせた冷媒の噴出方向の長さが長く、設備をコンパクト化することができない。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、冷媒が流れるヘッダ管と冷媒を噴出するノズルとを合わせた冷媒の噴出方向の長さを短くして冷却設備をコンパクトにしつつ、ノズルからの冷媒噴出速度を金属帯に当るまで極力高速を維持して金属帯の冷却速度を向上させて均一冷却を行うことができる金属帯の冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る金属帯の冷却装置は、冷媒が流れるヘッダ管と、該ヘッダ管に設けられ、前記ヘッダ管からの冷媒を噴出させるノズルとを備え、該ノズルから噴出した冷媒によって、走行する金属帯を冷却する金属帯の冷却装置であって、前記ノズルは、前記ヘッダ管に形成された開口に前記ヘッダ管に内蔵されるように取り付けられており、前記ヘッダ管の内部からの冷媒を助走させる冷媒助走区間形成部と、前記冷媒助走区間形成部の出口に形成され、前記冷媒助走区間形成部の内部を助走した冷媒を前記ヘッダ管の外部に噴出させる開口部とを備えていることを要旨とする。

本発明に係る金属帯の冷却装置によれば、冷媒が流れるヘッダ管と冷媒を噴出するノズルとを合わせた冷媒の噴出方向の長さを短くして冷却設備をコンパクトにしつつ、ノズルからの冷媒噴出速度を金属帯に当るまで極力高速を維持して金属帯の冷却速度を向上させて均一冷却を行うことができる金属帯の冷却装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る金属帯の冷却装置の概略構成図である。 図１に示す冷却装置において、ヘッダ管及びノズルの部分を鋼帯Ｓとともに概略的に示す断面図である。 図１に示す冷却装置において、ヘッダ管及びノズルの部分を概略的に示す断面鳥瞰図である。 図２及び図３に示すヘッダ管及びノズルの部分をヘッダ管の内部から見た展開図である。 図４における５−５線に沿う断面及び冷媒の吐出流速分布を説明するための図である。 第１参考例に係る冷却装置のヘッダ管及びノズルの部分をヘッダ管の内部から見た展開図である。 図６における７−７線に沿う断面及び冷媒の吐出流速分布を説明するための図である。 第２参考例に係る冷却装置のヘッダ管及びノズルの部分をヘッダ管の内部から見た展開図である。 図８における９−９線に沿う断面及び冷媒の吐出流速分布を説明するための図である。 第１変形例に係る冷却装置のヘッダ管及びノズルの断面図である。 第２変形例に係る冷却装置のヘッダ管及びノズルの断面鳥瞰図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に示す金属帯の冷却装置１は、金属帯としての鋼帯Ｓの連続焼鈍設備において、連続して走行する鋼帯（図１においては、上から下に向けて連続的に走行する鋼帯）Ｓを冷却するものであり、走行する鋼帯Ｓの表面側（図１においては左側）及び裏面側から冷媒としての空気を噴出するように、各々が複数のノズル１１を設けた複数対のヘッダ管１０を鋼帯Ｓの表面側及び裏面側に備えている。鋼帯Ｓの表面側及び裏面側のそれぞれのヘッダ管１０は、上下方向に所定ピッチで配置されている。

ここで、冷媒としての空気は、各ヘッダ管１０内を流れて各ノズル１１から噴出されて走行する鋼帯Ｓの表面及び裏面を冷却し、更に循環系を介して再利用される。
つまり、鋼帯Ｓの表面及び裏面を冷却した空気は、熱交換器２０の冷媒用通路２０ａに導入されて水用通路２０ｂを流れる工場用水にて冷却され、冷媒第１導入管２１を介してブロワ２２によって吸引され、ブロワ２２に接続された冷媒第２導入管２３を介して冷媒分岐管２４に至る。冷媒分岐管２４に至った空気は、冷媒分岐管２４によってヘッダ管１０の延びる方向に二手に分岐される。二手に分岐された空気は、それぞれ配管２５を介して垂直管２６に至り、各垂直管２６から表側導入管２７を介して表面側のヘッダ管１０の両端からヘッダ管１０内を流れるとともに、各垂直管２６から配管２８及び裏側導入管２９を介して裏面側のヘッダ管１０の両端からヘッダ管１０内を流れる。そして、表面側及び裏面側のヘッダ管１０内を流れる空気は、各ヘッダ管１０に設けられた各ノズル１１から鋼帯Ｓの表面及び裏面に向けて噴出される。

ここで、各ヘッダ管１０は、図２及び図３に示すように、断面二重円形の円筒管状部材であり、図１に示すように、走行する鋼帯Ｓの幅方向と同一方向に細長く延びている。そして、図２乃至図５に示すように、各ヘッダ管１０の鋼帯Ｓに対向する側の側面には、各ヘッダ管１０が延びる方向に沿って複数の開口１０ａが所定ピッチで形成されている。各開口１０ａは、ヘッダ管１０を貫通する丸孔で形成される。

また、各ノズル１１は、図２乃至図５に示すように、各ヘッダ管１０に形成された各開口１０ａを構成する丸孔にヘッダ管１０に内蔵されるように取り付けられる。各ノズル１１は、円筒管状部材であり、ヘッダ管１０の内部からの冷媒を助走させる冷媒助走区間形成部１１ａと、冷媒助走区間形成部１１ａの出口に形成され、冷媒助走区間形成部１１ａの内部を助走した冷媒としての空気をヘッダ管１０の外部に噴出させる開口部１１ｂとを備えている。

このように、各ノズル１１が冷媒助走区間形成部１１ａを備えていることにより、ノズル１１内の乱流が発達し、ノズル１１から噴出する噴流の直進性が増加し、ポテンシャルコア（噴流の中心部の高速流領域）の持続距離が長くなる。図５には、空気（冷媒）の吐出流速分布が示されており、ノズル１１から吐出した空気の流速は、ノズル１１から鋼帯Ｓに向けてノズル１１から遠くなるにつれて遅くなり、噴流の中心部の流速はＶ_１からＶ_２、Ｖ_３、Ｖ_４と少しずつ遅くなる。しかし、各ノズル１１が冷媒助走区間形成部１１ａを備えていることにより、ノズル１１から噴出する噴流の直進性が増加しているため、噴流の中心部の流速Ｖ_１とＶ_４とは異なるが、流速の減速量は少ない。これにより、冷却する鋼帯Ｓの表裏面の熱伝達率が増加する。つまり、各ノズル１１からの冷媒噴出速度を鋼帯Ｓに当るまで極力高速を維持して鋼帯Ｓの冷却速度が向上する。これにより、鋼帯Ｓの均一冷却を行うことができる。

一方、各ノズル１１は、ヘッダ管１０に内蔵されているから、冷媒としての空気が流れるヘッダ管１０と空気を噴出するノズル１１とを合わせた空気の噴出方向の長さを短くして冷却設備をコンパクトにすることができる。
従って、本実施形態に係る冷却装置１によれば、空気が流れるヘッダ管１０と空気を噴出するノズル１１とを合わせた空気の噴出方向の長さを短くして冷却設備をコンパクトにしつつ、ノズル１１からの冷媒噴出速度を鋼帯Ｓに当るまで極力高速を維持して鋼帯Ｓの冷却速度を向上させて均一冷却を行うことができる。

なお、ノズル１１の開口部１１ｂの直径Ｄ（図５参照）の大きさについては特に規定するものではなく、ノズル１１の、ヘッダ管１０の内面から内方への長さＬは０よりも長ければよい。
次に、図６及び図７を参照して第１参考例に係る冷却装置による空気の吐出流速分布について説明する。

第１参考例に係る冷却装置のヘッダ管１００は、図６及び図７に示すように、断面二重円形の円筒管状部材であり、走行する鋼帯Ｓの幅方向と同一方向に細長く延びている。そして、図６及び図７に示すように、ヘッダ管１００の鋼帯Ｓに対向する側の側面には、ヘッダ管１００が延びる方向に沿って複数のノズル（開口）１０１が所定ピッチで形成されている。各ノズル１０１は、ヘッダ管１００を貫通する丸孔で形成される。各ノズル１０１の直径の大きさは図２乃至図５に示すノズル１１の開口部１１ｂの直径Ｄと同じ大きさである。また、ヘッダ管１００の外径及び内径の大きさは、図２乃至図５に示すヘッダ管１０の外径及び内径の大きさと同じである。各ノズル１０１の直径の大きさは図２乃至図５に示すノズル１１の開口部１１ｂの直径Ｄと同じ大きさである。また、ヘッダ管１００の外径及び内径の大きさは、図２乃至図５に示すヘッダ管１０の外径及び内径の大きさと同じである。

この第１参考例に係る冷却装置によれば、図７に示すように、ノズル１０１から吐出した空気の流速は、ノズル１０１から鋼帯Ｓに向けてノズル１０１から遠くなるにつれて遅くなり、噴流の中心部の流速はＶ_５からＶ_６、Ｖ_７、Ｖ_８と少しずつ遅くなる。この流速Ｖ_５からＶ_６、Ｖ_７、Ｖ_８への減速の仕方は、本実施形態の場合の流速Ｖ_１からＶ_２、Ｖ_３、Ｖ_４への減速の仕方よりも大きく、流速の減速量は大きい。このため、ポテンシャルコアの持続距離が短く、冷却する鋼帯Ｓの表裏面の熱伝達率が低く、鋼帯Ｓの冷却速度が遅い。このため、鋼帯Ｓの均一冷却を行うことが難しい。

これに対して、本実施形態に係る冷却装置１によれば、前述したように、各ノズル１１が冷媒助走区間形成部１１ａを備えていることにより、ノズル１１内の乱流が発達し、ノズル１１から噴出する噴流の直進性が増加し、ポテンシャルコアの持続距離が長くなり、冷却する鋼帯Ｓの表裏面の熱伝達率が増加し、各ノズル１１からの冷媒噴出速度を鋼帯Ｓに当るまで極力高速を維持して鋼帯Ｓの冷却速度が向上する。これにより、鋼帯Ｓの均一冷却を行うことができる。

次に、図８及び図９を参照して第２参考例に係る冷却装置について説明する。
第２参考例に係る冷却装置のヘッダ管２００は、図８及び図９に示すように、断面二重円形の円筒管状部材であり、走行する鋼帯Ｓの幅方向と同一方向に細長く延びている。そして、図８及び図９に示すように、ヘッダ管２００の鋼帯Ｓに対向する側の側面には、ヘッダ管２００が延びる方向に沿って複数の開口２００ａが所定ピッチで形成されている。各開口２０２ａは、ヘッダ管２００を貫通する丸孔で形成される。

また、各ノズル２０１は、図８及び図９に示すように、ヘッダ管２００に形成された各開口２００ａを構成する丸孔にヘッダ管２００から外部に突出するように取り付けられる。各ノズル２０１は、円筒管状部材であり、ヘッダ管２００の内部からの冷媒を助走させる冷媒助走区間形成部と、冷媒助走区間形成部の出口に形成され、冷媒助走区間形成部の内部を助走した冷媒としての空気を噴出させる開口部とを備えている。ノズル２０１の開口部の直径の大きさは図２乃至図５に示すノズル１１の開口部１１ｂの直径Ｄと同じ大きさである。また、ノズル２０１の、ヘッダ管２００の外面から外方への突出長さは、図２乃至図５に示すノズル１１の、ヘッダ管１０の内面から内方への長さＬと同じである。また、ヘッダ管２００の外径及び内径の大きさは、図２乃至図５に示すヘッダ管１０の外径及び内径の大きさと同じである。

この第２参考例に係る冷却装置によれば、各ノズル２０１が冷媒助走区間形成部を備えていることにより、ノズル２０１内の乱流が発達し、ノズル２０１から噴出する噴流の直進性が増加し、ポテンシャルコアの持続距離が長くなる。図９には、空気（冷媒）の吐出流速分布が示されており、ノズル２０１から吐出した空気の流速は、ノズル２０１から鋼帯Ｓに向けてノズル２０１から遠くなるにつれて遅くなり、噴流の中心部の流速はＶ_９からＶ_１０、Ｖ_１１、Ｖ_１２と少しずつ遅くなる。しかし、各ノズル２０１が冷媒助走区間形成部を備えていることにより、ノズル２０１から噴出する噴流の直進性が増加しているため、噴流の中心部の流速Ｖ_９とＶ_１２とは異なるが、流速の減速量は少ない。これにより、冷却する鋼帯Ｓの表裏面の熱伝達率が増加する。

一方、各ノズル２０１は、ヘッダ管２００から外部に突出しているから、冷媒としての空気が流れるヘッダ管２００と空気を噴出するノズル２０１とを合わせた空気の噴出方向の長さを短くすることができず、冷却設備が大型化してしまう。
これに対して、本実施形態に係る冷却装置１によれば、前述したように、各ノズル１１は、ヘッダ管１０に内蔵されているから、冷媒としての空気が流れるヘッダ管１０と空気を噴出するノズル１１とを合わせた空気の噴出方向の長さを短くして冷却設備をコンパクトにすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、ノズル１１は、ヘッダ管１０に形成された開口１０ａにヘッダ管１０に内蔵されるように取り付けられているとともに、ヘッダ管１０の内部からの冷媒を助走させる冷媒助走区間形成部１１ａと、冷媒助走区間形成部１１ａの出口に形成され、冷媒助走区間形成部１１ａの内部を助走した冷媒をヘッダ管１０の外部に噴出させる開口部１１ｂとを備えていればよく、ノズル１１は、開口１０ａを形成する丸孔に取り付けられる円筒管状部材である必要は必ずしもない。

例えば、開口１０ａが丸孔で形成された場合、図１０に示す第１変形例のように、ノズル１１は、開口部１１ｂから冷媒助走区間形成部１１ａの入口に向けて徐々に内径が大きくなるテーパ付円筒管状に形成されていてもよい。
また、図１１に示す第２変形例のように、開口１０ａは、ヘッダ管１０が延びる方向に細長く延びるスリットで形成されてもよく、この場合、ノズル１１は、スリットに取り付けられる、ヘッダ管１０のスリットの上縁と下縁とのそれぞれから延びる一対の平板１１ｃ、１１ｄで構成されていてのよい。

また、本発明の実施形態においては、冷媒として空気が用いられているが、冷媒が、Ｈ_２ガス、又は、Ｈ_２ガスとＮ_２ガスその他の不活性ガスとの混合ガスであってもよい。冷媒が、Ｈ_２ガス、又は、Ｈ_２ガスとＮ_２ガスその他の不活性ガスとの混合ガスであっても空気と同等の効果を得ることができる。
更に、冷媒は、水であってもよい。冷媒が水であっても空気と類似した効果を得ることができる。

１ 鋼帯（金属帯）の冷却装置
１０ ヘッダ管
１０ａ 開口
１１ ノズル
１１ａ 冷媒助走区間形成部
１１ｂ 開口部
２０ 熱交換器
２０ａ 冷媒用通路
２０ｂ 水用通路
２１ 冷媒第１導入管
２２ ブロワ
２３ 冷媒第２導入管
２４ 冷媒分岐管
２５ 配管
２６ 垂直管
２７ 表側導入管
２８ 配管
２９ 裏側導入管
１００ ヘッダ管
１０１ ノズル
２００ ヘッダ管
２００ａ 開口
２０１ ノズル
Ｓ 鋼帯（金属帯）

Claims (4)

1. 冷媒が流れるヘッダ管と、該ヘッダ管に設けられ、前記ヘッダ管からの冷媒を噴出させるノズルとを備え、該ノズルから噴出した冷媒によって、走行する金属帯を冷却する金属帯の冷却装置であって、
   前記ノズルは、前記ヘッダ管に形成された開口に前記ヘッダ管に内蔵されるように取り付けられており、前記ヘッダ管の内部からの冷媒を助走させる冷媒助走区間形成部と、前記冷媒助走区間形成部の出口に形成され、前記冷媒助走区間形成部の内部を助走した冷媒を前記ヘッダ管の外部に噴出させる開口部とを備えており、
   前記冷媒が空気であることを特徴とする金属帯の冷却装置。
2. 前記開口は、丸孔で形成され、前記ノズルは、前記丸孔に取り付けられる円筒管状部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷却装置。
3. 前記開口は、丸孔で形成され、前記ノズルは、前記開口部から前記冷媒助走区間形成部の入口に向けて徐々に内径が大きくなるテーパ付円筒管状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷却装置。
4. 前記開口は、前記ヘッダ管が延びる方向に細長く延びるスリットで形成され、前記ノズルは、前記スリットに取り付けられる、前記ヘッダ管の前記スリットの上縁と下縁とのそれぞれから延びる一対の平板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷却装置。

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