JP7526575B2 - Water-cooling spray nozzles, spray nozzle tip components - Google Patents
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Description
本発明は、鋳片、鋼板、鋼管等の製造に用いられる水冷用の冷却スプレーノズルに関する。 The present invention relates to a water-cooling spray nozzle used in the production of cast slabs, steel plates, steel pipes, etc.
例えば、鋳片、鋼片、鋼板又は鋼管等の製造工程におけるこれら材料の冷却は、適切な表面性状や組織を得るため、及び、均質化や安定した操業を確保する観点から重要である。 For example, cooling of materials during the manufacturing process of slabs, steel billets, steel plates, steel pipes, etc. is important from the viewpoint of obtaining appropriate surface properties and structure, as well as ensuring homogenization and stable operation.
この冷却のために、冷却水を材料に供給する手段として水冷用スプレーノズルが用いられる。水冷用スプレーノズルは、細いノズル吐出孔から冷却水を材料に向けて噴射するため、特にノズル吐出孔に詰まりが生じやすい。そして詰まりが生じると材料の冷却ができなくなり、上記品質に影響を与えてしまう。 To achieve this cooling, a water-cooling spray nozzle is used as a means of supplying cooling water to the material. Water-cooling spray nozzles spray cooling water toward the material from a thin nozzle outlet, so the nozzle outlet is particularly susceptible to clogging. If clogging occurs, the material cannot be cooled, which affects the quality mentioned above.
特許文献1には、スプレーノズルのチップ部に金属の表面被膜を施すことが記載され、具体的にはCr、Niによる表面被膜が開示されている。これによりスプレーノズルの詰まりを防止することができるとされている。 Patent document 1 describes the application of a metal surface coating to the tip of a spray nozzle, specifically disclosing a surface coating made of Cr and Ni. This is said to prevent clogging of the spray nozzle.
しかしながら、従来の被膜では十分に詰まりを防止することができるとは言えなかった。 However, it cannot be said that conventional coatings are sufficient to prevent clogging.
そこで本発明は、詰まりをより確実に抑制することができる水冷用スプレーノズルを提供することを課題とする。また、そのための先端部材を提供する。 The present invention aims to provide a water-cooling spray nozzle that can more reliably prevent clogging. It also provides a tip member for this purpose.
本発明の1つの態様は、水冷用スプレーノズル又はそのための先端部材であって、少なくともノズル吐出孔の内面の一部にAu又はAu合金による被膜が形成されている。 One aspect of the present invention is a water-cooling spray nozzle or a tip member therefor, in which at least a portion of the inner surface of the nozzle discharge hole is coated with Au or an Au alloy.
Au合金は、質量%で、Kを0.01質量%以上1.0質量%以下、Cを0.01質量%以上0.5質量%以下、Hを0.01質量%以上1.0質量%以下、Oを0.01質量%以上1.0質量%以下、Nを0.01質量%以上1.0質量%以下、Coを0.1質量%以上8.0質量%以下、Niを0.1質量%以上8.0質量%以下、Cuを0.001質量%以上8.0質量%以下、及び、Feを0.001質量%以上8.0質量%以下、から選ばれる少なくとも1つを含み、残部はAu及び不可避的不純物とすることができる。 The Au alloy may contain, by mass%, at least one selected from K 0.01% to 1.0%, C 0.01% to 0.5%, H 0.01% to 1.0%, O 0.01% to 1.0%, N 0.01% to 1.0%, Co 0.1% to 8.0%, Ni 0.1% to 8.0%, Cu 0.001% to 8.0%, and Fe 0.001% to 8.0%, with the remainder being Au and unavoidable impurities.
被膜の表面粗さは、最大高さRzで0.01μm以上10μm以下としてもよい。 The surface roughness of the coating may be 0.01 μm or more and 10 μm or less in maximum height Rz.
本発明によれば、より確実にスプレーノズルの詰まりを抑制することができる。 The present invention makes it possible to more reliably prevent clogging of the spray nozzle.
図1には、1つの形態にかかる水冷用スプレーノズル10の構造を示した。この水冷用スプレーノズル10は連続鋳造工程における鋳片の二次冷却用スプレーノズルである。ただしこれは例示であり、他の工程の冷却に用いる水冷用スプレーノズルについても同様に考えることができる。他の工程としては例えば、鋳片の分塊圧延、形鋼圧延工程、熱間圧延工程等を挙げることができる。
Figure 1 shows the structure of one embodiment of a water-
水冷用スプレーノズル10は、内側に中空部を有する混合器11、導管12、及び先端部材としてのノズルチップ13を有して構成されている。
図1からわかるように、空気の流路であるエア配管1及び冷却水の流路である水配管2が混合器11に接続され、その中空部で空気と冷却水とが混合するように構成されている。また、導管12の一端が混合器11に接続されており、導管12の他端にノズルチップ13が配置されている。
従って、エア配管1により供給された空気及び水配管2により供給された冷却水は、混合器11の中空部にて混合され、導管12を流れてノズルチップ13に達し、ノズルチップ13に設けられたノズル吐出孔14から材料(冷却対象)に向けて噴射される。
The water-
As can be seen from Fig. 1, an air pipe 1, which is an air passage, and a
Therefore, the air supplied through the air pipe 1 and the cooling water supplied through the
図2には図1のうち、ノズルチップ13に注目した部位を拡大して表した。また、図3(a)にはノズルチップ13の外観図で、平面図及び右側面図、図3(b)にはA-A断面図を示し、図4には図3(b)のうちノズル吐出孔14の部分を拡大して表した。
図2乃至図4よりわかるように、ノズルチップ13はスプレーノズル用先端部材として機能し、外形が六角の筒状であり、その一方側の端部に底13aを有し、他方側の端部が開口している。底13aには、底13aを貫通するようスリット状の孔が設けられ、これがノズル吐出孔14とされている。本形態ではノズル吐出孔14はスリット状の孔であるが、これに限らず必要な形状であればよい。
一方、開口する他方側の端部から、ノズルチップ13の内側に導管12の端部が挿入されて固定されることでノズルチップ13が導管12に取り付けられている。
本形態では導管12とノズルチップ13とが異なる部材で固定されている態様であるが、これに限らず導管とノズルチップとが一体であり、区別することができない形態であってもよい。この場合には導管の先端にノズル吐出孔が設けられた態様となる。
Fig. 2 shows an enlarged view of the
2 to 4, the
On the other hand, the
In this embodiment, the
図4からわかるように、ノズルチップ13は、被膜15により少なくとも一部が覆われている。具体的には、少なくともノズル吐出孔14の内面の一部に被膜15が設けられている。本形態では吐出孔14の内面の全部、ノズルチップ13の底13aのうちの外側面13b及び内側面13c、特にその中でもノズル吐出孔14の周囲部分に被膜15が設けられている。
スプレーノズルの詰まりの原因はノズル吐出孔14の詰まりであることが多いので、ノズル吐出孔14の内面及びその周囲に被膜15を形成することにより当該詰まりを抑制することができる。
ただし、これはノズルチップ13の全部、又は、上記以外の一部にも合わせて被膜が形成されることを妨げるものではない。例えば成膜の観点からノズルチップ13の全部に被膜を形成した方が効率的であることもある。
4, the
Since clogging of the spray nozzle is often caused by clogging of the
However, this does not prevent the coating from being formed on the
被膜15はAu又はAu合金により構成されている。これによりスプレーノズルの詰まりをより確実に抑制することができる。その理由は必ずしも明確でないが、次のように考えることもできる。
すなわち、Au、又は、Au合金による被覆は、これにより被覆された部分の腐食が抑制され、腐食により表面が粗くなること(粗面化)が抑制される。表面の粗面化が顕著になると、冷却水中の異物が表面に引っかかるようにして堆積しやすくなる。また、粗面化した表面に冷却水中のカルシウム成分が析出すると、平滑な表面と比較してアンカー効果により析出したカルシウム成分が剥離し難くなる。更に、析出したカルシウム成分は金属表面より親水性が高いため、一度析出すると加速度的に異物を捕捉しやすくなる。
このように、粗面化は、その原因の種類によらず表面への異物の堆積を助長し、スプレーノズルの詰まりの原因となる。これに対してAu又はAu合金の被膜によれば、このような粗面化が抑制され、異物の堆積を抑えることで詰まりを抑制する。
The
That is, the coating with Au or Au alloy suppresses the corrosion of the coated portion and suppresses the surface from becoming rough (roughened) due to corrosion. When the surface becomes significantly rough, foreign matter in the cooling water becomes more likely to be caught on the surface and accumulate. In addition, when calcium components in the cooling water precipitate on the roughened surface, the precipitated calcium components are more difficult to peel off due to the anchor effect compared to a smooth surface. Furthermore, since the precipitated calcium components are more hydrophilic than metal surfaces, once precipitated, they tend to capture foreign matter at an accelerated rate.
In this way, regardless of the type of cause, surface roughening promotes the accumulation of foreign matter on the surface, which leads to clogging of the spray nozzle. In contrast, a coating of Au or an Au alloy prevents such surface roughening and prevents the accumulation of foreign matter, thereby preventing clogging.
被膜をAu合金で構成した場合には、Au及び不可避的不純物以外の成分として次のものを少なくとも1つ含ませることができる。 When the coating is made of an Au alloy, it can contain at least one of the following components other than Au and unavoidable impurities:
Kを0.01質量%以上1.0質量%以下で含むことができる。0.01質量%以上とすることで、被膜の強度を向上させることができる。一方、1.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Cを0.01質量%以上0.5質量%以下で含むことができる。0.01質量%以上とすることで、被膜の耐摩耗性を向上させることができる。一方、0.5質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Hを0.01質量%以上1.0質量%以下で含むことができる。0.01質量%以上とすることで、被膜の強度を向上させることができる。一方、1.0質量%を超えると、被膜が脆化する傾向にあり、被膜の割れの原因となる虞がある。
Oを0.01質量%以上1.0質量%以下で含むことができる。0.01質量%以上とすることで、被膜の強度を向上させることができる。一方、1.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Nを0.01質量%以上1.0質量%以下で含むことができる。0.01質量%以上とすることで、被膜の耐摩耗性を向上させることができる。一方、1.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Coを0.1質量%以上8.0質量%以下で含むことができる。0.1質量%以上とすることで、被膜の硬さを向上させることができる。一方、8.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Niを0.1質量%以上8.0質量%以下で含むことができる。0.1質量%以上とすることで、被膜の硬さを向上させることができる。一方、8.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Cuを0.001質量%以上8.0質量%以下で含むことができる。0.001質量%以上で、被膜の硬さを向上させることができる。一方、8.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
Feを0.001質量%以上8.0質量%以下で含むことができる。0.001質量%以上で、被膜の硬さを向上させることができる。一方、8.0質量%を超えると被膜の割れの原因となる虞がある。
The K content may be 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. By making the content 0.01% by mass or more, the strength of the coating can be improved. On the other hand, if the content exceeds 1.0% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The C content may be 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less. By making the C content 0.01% by mass or more, the abrasion resistance of the coating can be improved. On the other hand, if the C content exceeds 0.5% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The H content may be 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. By making the H content 0.01% by mass or more, the strength of the coating can be improved. On the other hand, if the H content exceeds 1.0% by mass, the coating tends to become brittle, which may cause cracking of the coating.
The O content may be 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. By making the O content 0.01% by mass or more, the strength of the coating can be improved. On the other hand, if the O content exceeds 1.0% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The N content may be 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. By making the N content 0.01% by mass or more, the abrasion resistance of the coating can be improved. On the other hand, if the N content exceeds 1.0% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The Co content may be 0.1% by mass or more and 8.0% by mass or less. By making the Co content 0.1% by mass or more, the hardness of the coating can be improved. On the other hand, if the Co content exceeds 8.0% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The Ni content may be 0.1% by mass or more and 8.0% by mass or less. By making the Ni content 0.1% by mass or more, the hardness of the coating can be improved. On the other hand, if the Ni content exceeds 8.0% by mass, there is a risk that the coating may crack.
The Cu content may be 0.001% by mass or more and 8.0% by mass or less. If the Cu content is 0.001% by mass or more, the hardness of the coating can be improved. On the other hand, if the Cu content exceeds 8.0% by mass, the coating may crack.
The Fe content may be 0.001% by mass or more and 8.0% by mass or less. If the Fe content is 0.001% by mass or more, the hardness of the coating can be improved. On the other hand, if the Fe content exceeds 8.0% by mass, the coating may crack.
また、被膜の表面粗さは、最大高さRz(JIS B 0601-2001)で0.01μm以上10μm以下であることが好ましい。表面粗さをこの範囲にすることで、さらに効果的にスプレーノズルの詰まりを抑制することができる。 The surface roughness of the coating is preferably 0.01 μm or more and 10 μm or less in maximum height Rz (JIS B 0601-2001). By keeping the surface roughness within this range, clogging of the spray nozzle can be more effectively suppressed.
被膜の厚さは特に限定されることはないが、形成される被膜が厚すぎると製膜時における被膜内の割れ(クラック)の可能性が高くなるため、厚さは50μm以下であることが好ましい。また、薄すぎると被膜に期待される効果や、摩耗による被膜の減少に対して寿命が短くなるため、これを担保する厚さが必要である観点から10μm以上であることが好ましい。 There are no particular limitations on the thickness of the coating, but if the coating is too thick, there is a high possibility of cracks occurring in the coating during film formation, so the thickness is preferably 50 μm or less. Also, if the coating is too thin, the expected effects of the coating will be lost and the lifespan of the coating will be shortened due to wear, so a thickness of 10 μm or more is preferable in view of the need for a thickness that can guarantee this.
ノズルチップ13の母材は特に限定されることはないが耐食性の観点からステンレス鋼であることが好ましく、切削加工性が高いことがさらに好ましい。
なお、被膜15の表面粗さRzを上記のように好ましい範囲にする際には、被膜15が配置される部位における母材の表面粗さRzを、所望する被膜の表面粗さよりも小さくしておくことが好ましい。これにより被膜の表面粗さを所望の大きさに調整しやすくなる。
The base material of the
When the surface roughness Rz of the
また、ノズルチップは、その全てが一体構造であってもよく、複数に分割された部材を後で組み合わせたものであってもよい。被膜15の形成の観点からは後者が好ましい。
The nozzle tip may be an integral structure, or may be made up of multiple separate components that are later assembled. The latter is preferred from the viewpoint of forming the
以上のような水冷用スプレーノズル10の被膜15以外については、従来公知の方法により作製することができる。また被膜15の形成(成膜)もその方法は特に限定されることはなく、例えば電解めっき、無電解めっきを挙げることができる。
「電解めっき」とは、外部から電流を流し、電解作用により金属陽イオンを電子と反応させて金属とし、陰極を形成する被めっき体の表面に析出させて被膜を形成する方法を意味する。一方、「無電解めっき」とは、外部から電流を流すことなく、化学還元剤を用いて溶液中の金属イオンを還元析出させ、被めっき体の表面に被膜を形成する方法を意味する。
The components of the water-cooling
"Electrolytic plating" refers to a method in which an electric current is applied from the outside, and metal cations are reacted with electrons by electrolysis to form a metal, which is then deposited on the surface of the plated body that forms the cathode, forming a coating. On the other hand, "electroless plating" refers to a method in which metal ions in a solution are reduced and deposited using a chemical reducing agent, without applying an electric current from the outside, to form a coating on the surface of the plated body.
[試験片]
試験のためのノズルチップを図3の形状に倣って作製した。その母材はステンレス鋼(SUS303)である。ノズルチップ形状の母材に対して無電解めっきにより被膜することでノズルチップとした(実施例1、参考例2、実施例3)。より具体的には、金塩としてKAu(CN)2を8g/L、緩衝塩としてクエン酸ナトリウムを200g/L、pHを6以上7以下の範囲内に調整した70℃のめっき液を作製し、このめっき液をマグネティックスターラを用いて撹拌しながらめっき液にノズルチップ形状の母材を入れ、めっき処理を行った。実施例1と参考例2とはめっき液への浸漬時間を変えることにより被膜の膜厚を調整した。実施例3については、めっき液にクエン酸コバルトを添加したものを用いた。従って実施例3の被膜はCoを含むAu合金である。
また、比較例1として被膜をしない例のノズルチップを準備した。
さらに、比較例2としてNi合金による被膜を有する例のノズルチップを準備した。このノズルチップは、実施例と同じ形状及び材質の母材に対して無電解めっきをすることによりNi-P合金により製膜することにより得た。具体的にはノズルチップ形状の母材を、硫酸ニッケルを0.2mol/L、クエン酸を0.2mol/L、硫酸アンモニウムを0.5mol/L、次亜リン酸ナトリウムを0.15mol/Lで含むめっき液に浸漬した。めっき液のpHはNaOHにより10.0に調整した。
[Test pieces]
A nozzle tip for testing was made according to the shape shown in FIG. 3. The base material was stainless steel (SUS303). A nozzle tip was made by coating a base material having a nozzle tip shape by electroless plating (Example 1, Reference Example 2, Example 3). More specifically, a plating solution was prepared at 70° C., containing 8 g/L of KAu(CN)2 as a gold salt, 200 g/L of sodium citrate as a buffer salt, and adjusted to a pH range of 6 to 7. The plating solution was stirred using a magnetic stirrer while the base material having a nozzle tip shape was placed in the plating solution, and plating was performed. In Example 1 and Reference Example 2, the thickness of the coating was adjusted by changing the immersion time in the plating solution. For Example 3, a plating solution containing cobalt citrate was used. Therefore, the coating in Example 3 is an Au alloy containing Co.
As Comparative Example 1, a nozzle tip without any coating was prepared.
Furthermore, a nozzle tip having a coating of Ni alloy was prepared as Comparative Example 2. This nozzle tip was obtained by forming a film of Ni-P alloy by electroless plating on a base material having the same shape and material as the Example. Specifically, the base material having the nozzle tip shape was immersed in a plating solution containing 0.2 mol/L of nickel sulfate, 0.2 mol/L of citric acid, 0.5 mol/L of ammonium sulfate, and 0.15 mol/L of sodium hypophosphite. The pH of the plating solution was adjusted to 10.0 with NaOH.
[試験]
乾湿繰り返しサイクルによる加速試験を行った。具体的には、200℃以上500℃以下の範囲内に調整した乾燥機内に、蓋付きのビーカーを設置し、その中にカルシウム硬度が60mg/L以上120mg/L以下の範囲にある冷却水を3L入れ、この冷却水に各例のノズルチップを一定時間浸漬後、一定時間取り出して完全に乾燥させることを1サイクルとし、これを150サイクル繰り返した。
[test]
An accelerated test was carried out by repeated wet-dry cycles. Specifically, a beaker with a lid was placed in a dryer adjusted to a temperature range of 200° C. to 500° C., and 3 L of cooling water with a calcium hardness range of 60 mg/L to 120 mg/L was poured into the beaker. The nozzle tip of each example was immersed in the cooling water for a certain period of time, then taken out for a certain period of time and completely dried. This cycle was repeated 150 times.
[評価項目]
<表面粗さ>
表面粗さは、試験前と試験後において最大高さRz(JIS B 0601-2001)を測定することで評価した。最大高さRzは、断面において水平方向に50μmの基準長さにおいて、最大山高さと最大谷深さとの和で表した。粗さ曲線は、SEMを用いてノズルチップの一部の断面を観察することにより得た。断面観察の位置は、ノズルチップの内面のうち、ノズル吐出孔とその反対側の開口との間の中央部分の任意の位置とした。
[Evaluation item]
<Surface roughness>
The surface roughness was evaluated by measuring the maximum height Rz (JIS B 0601-2001) before and after the test. The maximum height Rz was expressed as the sum of the maximum peak height and the maximum valley depth in a reference length of 50 μm in the horizontal direction in the cross section. The roughness curve was obtained by observing a cross section of a part of the nozzle tip using a SEM. The position for observing the cross section was an arbitrary position in the central part between the nozzle discharge hole and the opening on the opposite side of the inner surface of the nozzle tip.
<固着物厚さ>
固着物(堆積物)の厚さを評価した。固着物の厚さが小さいほどスプレーノズルの詰まりが生じ難いと考えることができる。
固着物厚さは、画像解析により膜厚を測定することで行った。ノズルチップ最表面において、EDS(エネルギー分散型X線分光器)分析でO(酸素)が検出された表面をスケール(固着物)と定義した。厚さは、画像解析ソフト(WinROOFver.7.4、三谷商事株式会社製)を用い、50μmの範囲の視野における厚さをデータ点数270点で平均化して得た。計測した位置は表面粗さ測定と同じ位置である。
<Thickness of Adherent Material>
The thickness of the deposits was evaluated. It is believed that the smaller the thickness of the deposits, the less likely the spray nozzle will become clogged.
The thickness of the deposit was measured by measuring the film thickness by image analysis. The surface on the outermost surface of the nozzle tip where O (oxygen) was detected by EDS (energy dispersive X-ray spectrometry) analysis was defined as scale (deposit). The thickness was obtained by averaging the thickness in a field of view of 50 μm at 270 data points using image analysis software (WinROOF ver. 7.4, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.). The measurement position was the same as the surface roughness measurement position.
[結果]
表1に被膜の種類、膜厚、及び、評価結果を示した。
[result]
Table 1 shows the type of coating, the thickness, and the evaluation results.
表1の実施例1、参考例2、実施例3と比較例1、比較例2との対比からわかるように、Au被膜の存在により固着物厚さを抑えることができることがわかる。
また、Au被膜でも表面粗さが小さいほうが固着物の厚さも薄いこと、Au合金被膜の方がAu被膜よりも固着物の発生を少なくできることもわかる。
As can be seen from a comparison of Examples 1, 2, and 3 with Comparative Examples 1 and 2 in Table 1, it is understood that the presence of the Au coating can suppress the thickness of the deposits.
It is also clear that smaller surface roughness of an Au coating results in thinner deposits, and that an Au alloy coating can produce less deposits than an Au coating.
10 水冷用スプレーノズル
11 混合器
12 導管
13 ノズルチップ(先端部材)
14 ノズル吐出孔
15 被膜
10 Water-cooling spray nozzle 11
14
Claims (4)
少なくともノズル吐出孔の内面の一部にAu又はAu合金による被膜が形成されており、
前記被膜の表面粗さは、最大高さRzで0.01μm以上0.68μm以下である、
水冷用スプレーノズル。 A water-cooling spray nozzle that ejects cooling water to cool steel ,
a coating of Au or an Au alloy is formed on at least a part of the inner surface of the nozzle ejection hole ;
The surface roughness of the coating is 0.01 μm or more and 0.68 μm or less in terms of maximum height Rz.
Water cooling spray nozzle.
少なくともノズル吐出孔の内面の一部にAu又はAu合金による被膜が形成されており、
前記被膜の表面粗さは、最大高さRzで0.01μm以上0.68μm以下である、
スプレーノズル用先端部材。 A tip member for a water-cooling spray nozzle that ejects cooling water for cooling steel , comprising:
a coating of Au or an Au alloy is formed on at least a part of the inner surface of the nozzle ejection hole;
The surface roughness of the coating is 0.01 μm or more and 0.68 μm or less in terms of maximum height Rz.
Tip component for spray nozzles.
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