JP7350441B2

JP7350441B2 - 被冷却部材の冷却方法および冷却装置

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Publication number: JP7350441B2
Application number: JP2019191869A
Authority: JP
Inventors: 数馬齊藤; 幸義小林
Original assignee: Japan Steel Works M&E Inc
Current assignee: Japan Steel Works M&E Inc
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN114616350A; EP4049764A1; EP4049764A4; WO2021079806A1; KR20220085041A; JP2021066915A

Description

この発明は、高温に加熱された被冷却部材を液滴群の噴射により冷却する被冷却部材の冷却方法および冷却装置に関するものである。

鋼材の油焼入れは、フェライト析出温度域である高温域を速く冷却しつつ、マルテンサイト変態が起こる低温域を徐冷するという冷却特性を持っており、鋼材の品質を確保しながら焼割れを防止できるといったメリットがある。一方、油焼入れは火災の危険や油煙による作業環境悪化といったデメリットもある。そこで、油焼入れに代わる冷却方法が検討されており、噴霧（ミスト）冷却による方法が提案されている。噴霧（ミスト）冷却とは、微粒化した液滴群を高温面に衝突させ、顕熱および潜熱移動により鋼材を冷却する方法である。

噴霧（ミスト）冷却中に、噴射流量密度を増減させることで鋼材の冷却を制御することはすでに多くの文献で報告されている。
例えば、特許文献１では、複数の噴射ノズルを設け、冷却中に使用する噴射ノズルの本数を変更することで噴射流量の調整を行うことを可能にしている。

特開平６－３２２４４９号公報

ところで、油焼入れでは、５００℃程度の中温域において冷却カーブを急激に変化させるような冷却状態を得ており、液滴群の噴射を利用した場合も、油冷に変わる冷却方法としては、同様の冷却状態が求められる。
しかし、この状態を、ミスト冷却中の噴射流量密度低減により得ようとすると、ある一定量未満の噴射流量密度（Ｌ／ｍ^２・ｍｉｎ）においては、微粒化した液滴群が鋼材の高温面に衝突する前に蒸発し、空冷と同じような冷却状態になり、油焼入れの特性がミスト冷却においては得られないという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、液滴群の噴射によって、所望とする冷却状態を得ることを可能にする被冷却部材の冷却方法および冷却装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の被冷却部材の冷却方法のうち、第１の形態は、
加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却する冷却方法であって、
前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行い、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせ、
前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整し、前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの液滴群の平均噴射流量を決定し、
前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる噴射流量以上に設定し、パルスの大きさを小さくする際には、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを小さくすることを特徴とする。

第２の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、少なくとも、冷却性能を最も大きくする初期の第１工程と、前記第１工程後に前記第１工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第２工程と、前記第２工程後に前記第２工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第３工程とを有し、
前記第１工程では、前記パルスの大きさおよび前記パルス幅を、相対的に最も大きい、第１のパルス大きさおよび第１のパルス幅とし、前記第２工程では、前記パルスの大きさを第１のパルスの大きさよりも小さい第２のパルスの大きさとし、前記パルス幅を前記第１のパルス幅よりも小さい第２のパルス幅とし、パルス間隔は第２のパルス間隔とし、前記第３工程では、前記パルスの大きさと前記パルス幅を前記第２のパルス大きさ以下および前記第２のパルス幅以下である第３のパルス大きさと第３のパルス幅とし、パルス間隔を前記第２のパルス間隔よりも小さい第３のパルス間隔に設定することを特徴とする。

第３の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記液滴群を一流体ノズルにより噴射することを特徴とする。

第４の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記被冷却部材が、肉厚２００ｍｍ以上の鋼材であることを特徴とする。

第５の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、液滴群による冷却が、油冷による冷却と同等の冷却状態を得るものであることを特徴とする。

本発明の被冷却部材の冷却装置のうち、第１の形態は、
加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却するための複数の噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射される液滴群の噴射量を調整する噴射調整部と、
前記噴射ノズルからの液滴群の噴射を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、設定値に応じて、前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行うとともに、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過ともに変化させて液滴群の噴射を制御し、
さらに、前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整し、前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの液滴群の平均噴射流量を決定し、
前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる噴射流量以上に設定し、パルスの大きさを小さくする際には、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを小さくする制御を行うことを特徴とする。

第２の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射ノズルが複数の種別からなることを特徴とする。

第３の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射調整部は、使用する噴射ノズルの種別の切り替えが可能であることを特徴とする。

第４の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射ノズルが複数の種別からなり、前記噴射調整部は、冷却途中に使用する噴射ノズルの種別の切り替えが可能であることを特徴とする。

第５の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、冷却を行っている被冷却部材の温度を測定し、その測定結果に基づいて液滴群の噴射流量を調整することを特徴とする。

第６の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射ノズルが一流体ノズルであることを特徴とする。

なお、パルスの大きさはパルスの高さを示し、本願では液滴群の量を指す。パルス幅はパルスの幅を示し、本願では液滴群を噴射する時間を示す。パルス間隔はパルスとパルスの間隔を示し、本願では噴霧終了から次の噴霧開始までの時間を示す。

すなわち、本発明によれば、液滴群のパルス噴射を用いて所望の冷却状態で被冷却部材の冷却を行うことが可能になる。
例えば、鋼材の噴霧（ミスト）焼入れにおいて、冷却途中の噴射ＯＮ／ＯＦＦ時間間隔をパルス幅変調制御により任意に決定することで、ある一定時間あたりの平均噴射流量を決定することができ、これにより、ミスト粒子が高温面に衝突できない低噴射流量密度でのミスト冷却を可能とし、５００℃程度の中温域において冷却カーブを急激に変化させる油焼入れによる冷却状態をミスト冷却によって得ることができる。

本発明の一実施形態の冷却装置の正面図である。同じく平面図である。油冷における冷却状態の実測値と解析結果を示す図である。ＦＥＭ解析で逆計算して求めた油冷時の熱伝達率である。鋼材の冷却において必要とされるミスト噴射流量の時間変化を示す図である。鋼材の冷却においてミストの噴射流量のみを変化させて冷却した際の鋼材の温度変化を示す図である。ミストのパルス噴射によってミストの噴射流量を時間変化させる図である。本実施形態の冷却方法によって鋼材を冷却した際の温度変化と、油冷によって鋼材を冷却した際の温度変化を示す図である。同じく、噴射流量と鋼材の温度変化を示すグラフである。

以下に、本発明の冷却装置の一実施形態を図１、２に基づいて説明する。
冷却装置１は、鋼材１００の周囲に配置する複数の噴射ノズル２（例えば４８個）を有しており、該噴射ノズル２は、鋼材１００の周囲４個所で縦列に配置されている。鋼材は、本発明の被冷却部材に相当する。被冷却部材としては、鋼材以外の金属部材や、その他の非金属部材などを対象とすることができる。
なお、噴射ノズルの配置位置は上記に限定されるものではなく、被冷却部材の種別や形状などに合わせて適宜の位置や数を変更することができる。

噴射ノズル２には、配管３が接続されており、配管３は、噴射調整部４に接続されている。噴射調整部４には、図示しない水源が接続されて液滴群となる水が供給される。水源には、水タンクなどを有し加圧部により加圧して水を供給する他、水道水経路に接続されて、これを水源とするものであってもよく、この際に加圧部を介して加圧するものであってもよい。なお、この実施形態では、液滴部の材料として水を使用するものとして説明するが、本発明としては、水以外の液体を用いるものとしてもよい。

噴射ノズルは、所望の液滴群が得られるものであればよく、その構造が特定のものに限定されるものではない。液滴は、適度な大きさを有するのが望ましく、例えば、１００μｍ以上で１５００μｍ以下のものが望ましい。ただし、本発明としては、液滴の大きさが特定のものに限定されるものではない。
この実施形態では、噴射ノズル２には、一流体ノズルが用いられている。本発明としては噴射ノズルが一流体ノズルに限定されるものではなく、エアなどを用いた二流体ノズルを用いることも可能である。しかし、二流体ノズルでは、エアーブローにより液滴（水蒸気）が広範囲に拡散し、作業環境を悪化させ、周辺設備の維持管理に支障をきたす可能性があり、また、設備投資をする上でコストが掛かる。したがって、本実施形態では、一流体ノズルが望ましいものとして使用されている。

また、この実施形態では、各噴射ノズル２が同じ配管３に接続されているものとして説明したが、各噴射ノズル毎、または特定のグループの噴射ノズル毎にそれぞれ配管を用いるものであってもよい。
また、噴射ノズル２では、同一の符号を付して説明しているが、液滴の大きさや噴射量などが異なる、種別の異なる噴射ノズルを有するものとしてもよい。種別の異なる噴射ノズルは、設置個所が固定的としているものでもよく、また、冷却途中に使用する噴射ノズルを同じ位置や異なる位置で切り替えて使用できるようにしてもよい。

噴射調整部４には、制御部５が接続されており、噴射調整部４による液滴群の噴射を制御する。
噴射調整部４には、噴射のオンオフを行うための開閉弁、流量調整弁や流量計（いずれも図示していない）を有しており、流量計の測定結果は制御部５に送信される。さらに、水が供給される噴射ノズルを切り替えるための切替部を設けることができる。

上記構成では、開閉弁の動作により噴射ノズル２から噴射される液滴群のパルス噴射を行うことができ、開閉弁のオンオフの動作時期によりパルス幅やパルス間隔を調整することができる。また、流量調整弁の流量調整によりパルスの大きさを調整することができる。
さらに切替部を有する場合は、水が供給される配管を切り替えることで使用する噴射ノズルを変更することができる。切替部は、手動で行うものでもよく、また、制御部５の制御により行われるものであってもよい。

制御部５は、ＣＰＵ、ＣＰＵ上で動作するプログラム、プログラムを格納するＲＯＭ、作業領域となるＲＡＭ、プログラムや動作パラメータなどを格納する記憶部などから構成される。また、パルスの大きさや、パルス幅、パルス間隔などを時間経過とともに設定することができる操作部などを備えるものとしてもよい。操作部においてはこれらのパラメータを変更可能にすることができる。
制御部５は、噴射調整部４を制御して、開閉弁の開閉動作、流量調整弁の開度、切替部の切り替え動作などを制御することができる。
噴射ノズル２から噴射された液滴群１０は、鋼材１００に噴射されて鋼材１００の冷却を行うことができる。

次に、上記冷却装置１を用いた冷却方法について説明する。
先ず、試験に用いる鋼材１００を用意する。
この例では、鋼材１００は、ＮｉＣｒＭｏ鋼からなり、円柱形状で、重量６７０ｋｇ、径が３００ｍｍ、長さが１２００ｍｍとする。
なお、本発明としては、対象となる被冷却部材の大きさなどが限定されるものではないが、鋼材としては、最低重量：少なくとも１００ｋｇ以上、最低寸法：少なくともφ２００ｍｍ以上のものにおいて好適に使用することができる。

次に、油冷時の冷却カーブ実測値をもとに、ＦＥＭ解析で油冷時の熱伝達係数を逆計算して求めた。冷却カーブの実測値と解析値を合わせた結果を図３に示し、得られた熱伝達係数を図４に示した。さらに、液滴群の流量と熱伝達の関係を文献値等から求め、油冷時の熱伝達率に対応したミスト流量密度を温度毎に求めた。

図５は連続噴霧にて噴射流量の下限を考慮することなく図３の温度変化が得られるように液滴群を用いて冷却する際に必要な流量変化線図を示す。この流量でそのまま流量変化させてミストを８００℃以上に加熱された鋼材に噴射すると、図６に示すように、微粒化した液滴群が高温面に衝突する前に蒸発し、空冷と同じような冷却状態になり、適正な冷却を行うことが困難になる。

このため、ある一定量未満の噴射流量密度（Ｌ／ｍ^２・ｍｉｎ）においては、微粒化したミストが高温面に衝突する前に蒸発することを回避するために、ミスト流量密度をこの数値以上のものにし、かつ、適正な熱伝導係数が得られるようにミスト噴射をパルス化する。
なお、鋼材の位置、形状によっては、同一時期に、異なる噴射流量密度が必要とされる場合には、各噴射ノズルの噴射の制御を変えたり、異なる種別の噴射ノズルを使用したりするようにしてもよい。

図７は、図５の流量変化が得られるようにミストの噴射をパルス化したものである。
いま、ミスト粒子が高温面に衝突可能な最小噴射流量密度が１０Ｌ／ｍ^２・ｍｉｎ．であり、金属部材の表面積を１ｍ^２、ノズルから噴射されたミストはすべて冷却に寄与するものと仮定する。この場合、最初の２ｍｉｎ．を４０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射し、次の段階で１０Ｌ／ｍｉｎ．に流量を低減させると同時に電磁弁に取り付けたタイマーなどでＯＮ／ＯＦＦ時間間隔を１：１（Ｄｕｔｙｒａｔｉｏ：１／２）に設定し、１ｍｉｎ．間冷却する。その後ＯＮ／ＯＦＦ時間間隔を１：４（Ｄｕｔｙｒａｔｉｏ：１／５）として目標とする噴射流量を達成する。

すなわち、冷却性能を最も大きくする初期の第１工程では、３５～４０Ｌ／ｍｉｎの流量が必要であり、一定量、この例では４０Ｌ／ｍｉｎ（大きさ）の液滴群を２分間噴射する。
次に、第１工程後に第１工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第２工程では、４～５Ｌ／ｍｉｎの流量が必要であり、１０Ｌ／ｍｉｎ（大きさ）のミストをパルス状にして、１分間に、１０秒のパルス間隔、１０秒のパルス幅でパルス噴射する。
さらに、第２工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第３工程では、１．５～２Ｌ／ｍｉｎの流量が必要であり、１０Ｌ／ｍｉｎ（大きさ）のミストを鋼材が５０℃以下になるまでの３０分間で、パルス間隔を４０秒以上にして、１０秒のパルス幅でパルス噴射する。
上記パルス噴射により、ミストが蒸気化して鋼材に到着しない現象を抑えて鋼材を適正に冷却することが可能になる。

図８は、ミストをパルス化して噴射し、鋼材を冷却した冷却試験結果を示している。油冷によって冷却した際の温度変化とほぼ同じ結果が得られており、ミストの噴射によって適正な冷却結果が得られている。

上記したように、目標の流量を予め想定し、かつ実際の温度変化をモニターしながら流量調整を行うことで、油冷と同等の冷却状態をミストでえることができる。すなわち、上記の例では、５００℃程度の中温域で冷却カーブを急激に変化させることができている。

なお、上記説明では、冷却状態を油冷と同等にすることを目的に液滴群のパルス噴射を行うものとしたが、本発明は、この目的に沿うことを前提とするものではなく、任意の冷却状態を得るために、パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせて液滴群のパルス噴射を行うことを可能にする。
また、前記実施形態では、パルスの噴射をオンオフにより行うものとしたが、パルスがＬＯＷの際に、噴射流量を０にしないでパルス噴射を行うものとしてもよい。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲が上記実施形態の説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは本実施形態に対する適宜の変更が可能である。

１冷却装置
２噴射ノズル
３配管
４噴射調整部
５制御部
１０液滴群
１００鋼材

Claims

加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却する冷却方法であって、
前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行い、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせ、
前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整し、前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの液滴群の平均噴射流量を決定し、
前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる噴射流量以上に設定し、パルスの大きさを小さくする際には、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを小さくすることを特徴とする被冷却部材の冷却方法。
少なくとも、冷却性能を最も大きくする初期の第１工程と、前記第１工程後に前記第１工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第２工程と、前記第２工程後に前記第２工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第３工程とを有し、
前記第１工程では、前記パルスの大きさおよび前記パルス幅を、相対的に最も大きい、第１のパルス大きさおよび第１のパルス幅とし、前記第２工程では、前記パルスの大きさを第１のパルスの大きさよりも小さい第２のパルスの大きさとし、前記パルス幅を前記第１のパルス幅よりも小さい第２のパルス幅とし、パルス間隔は第２のパルス間隔とし、前記第３工程では、前記パルスの大きさと前記パルス幅を前記第２のパルス大きさ以下および前記第２のパルス幅以下である第３のパルス大きさと第３のパルス幅とし、パルス間隔を前記第２のパルス間隔よりも小さい第３のパルス間隔に設定することを特徴とする請求項１に記載の被冷却部材の冷却方法。
前記液滴群を一流体ノズルにより噴射することを特徴とする請求項１または２に記載の被冷却部材の冷却方法。
前記被冷却部材が、肉厚２００ｍｍ以上の鋼材であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
液滴群による冷却が、油冷による冷却と同等の冷却状態を得るものであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却するための複数の噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射される液滴群の噴射量を調整する噴射調整部と、
前記噴射ノズルからの液滴群の噴射を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、設定値に応じて、前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行うとともに、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過ともに変化させて液滴群の噴射を制御し、
さらに、前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整し、前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの液滴群の平均噴射流量を決定し、
前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる噴射流量以上に設定し、パルスの大きさを小さくする際には、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを小さくする制御を行うことを特徴とする被冷却部材の冷却装置。
前記噴射ノズルが複数の種別からなることを特徴とする請求項６に記載の被冷却部材の冷却装置。
前記噴射調整部は、使用する噴射ノズルの種別の切り替えが可能であることを特徴とする請求項６または７に記載の被冷却部材の冷却装置。
前記制御部は、冷却を行っている被冷却部材の温度を測定し、その測定結果に基づいて液滴群の噴射流量を調整することを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却装置。
前記噴射ノズルが一流体ノズルであることを特徴とする請求項６～９のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却装置。