JPH0569029A - 高温金属の冷却方法および冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温金属を水で冷却するに際し、冷却能力を
向上させると共に冷却速度が容易に制御できる方法およ
び装置を提供すること。 【構成】 高温金属を冷却水を用いて冷却するに際し、
電極を該冷却水を介して高温金属の表裏もしくは周囲に
配置し、かつ高温金属をも電極として蒸気膜発生領域に
電圧１００〜２０００Ｖの電場を掛け、高温金属面に発
生する蒸気膜を破壊しつつ冷却する。 【効果】 電場によって蒸気膜が破壊されるので金属と
冷媒の固液接触頻度が増加できるので冷却能力を格段に
向上させることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温金属の冷却方法およ
び冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄鋼分野において鉄鋼材料の高級
化、低コスト化を背景に材質造り込みのためのオンライ
ン調質冷却が盛んに採用されている。この場合、冷却能
力を増加させる目的から一般的に行われている単に冷媒
としての冷却水を増加させる方法のみでは、図４に示す
ように限界があった。図４は高温の被冷却鋼材表面温度
と冷却能力、即ち熱伝達係数の関係を示したもので、表
面温度の上昇とともに冷媒量一定では冷却能力が低下す
る現象がある。この理由は図中に示すように表面温度の
上昇とともに伝熱形態が核沸騰領域から膜沸騰領域にな
るためで現象的には図５に示すように、鋼材表面温度上
昇に伴って被冷却鋼材１表面と冷媒５との間に蒸気膜１
１が多く発生するためであって、この蒸気膜が被冷却鋼
材１表面と冷媒５との直接接触を妨げて冷却能力低下の
原因となっていた。

【０００３】この対策として特開昭６２−２８９３１
５，特開昭６１−１１９６１７，実開昭６１−２４４２
号公報の提案の如くスプレージェット、ラミナーフロー
等冷媒の被冷却鋼材表面への衝突力を上げて、前記蒸気
膜を破壊して冷却能力を向上させる試みがなされていた
が図６に示すようにまず前記冷媒５が直接衝突しない部
分は、結局蒸気膜１１が発生してしまい、また、冷媒５
の直接衝突域においても、冷媒量の増加に伴って被冷却
鋼材１上の冷媒層厚が厚くなり、結果として衝突力増加
の効果が薄れて冷却能力が大きくならない問題がある。

【０００４】即ち図７に示すように冷媒量を増加しても
冷却能力が増加しなくなり、特に調質冷却温度域となる
高温領域では伝熱形態が膜沸騰領域のため、急速冷却を
させるためには自ずと限界があったのである。対策とし
て冷媒供給ノズルのピッチを短縮したり、冷媒供給速度
を上げる方法が考えられるが、設備費、設備レイアウ
ト、ランニングコストなどから、この方法も限界があ
り、有効な対策になりえなかった。

【０００５】この状況を改善する方法として、特開平２
−１０１１１１号公報の提案の如く、超音波を利用して
蒸気膜を破壊する方法があるが、これは超音波発生機の
寿命などの課題があり実用に供するのは困難であった。
一方、電場を用いて冷却能力を上げる試みが１９８９年
日本伝熱シンポジウムにて、フロンＲ１１３を用いた試
験結果があるが、冷媒として水を用いた例はなく、その
適用方法、効果についても未知であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来冷却
では、特に被冷却鋼材の高温領域では、膜沸騰領域にな
るため、冷媒と被冷却鋼材表面に発生する蒸気膜が冷却
能力低下を招いていたため何らかの方法でこの蒸気膜の
影響をなくし、冷媒と被冷却鋼材表面の直接接触を促進
し、且つ、連続稼動に耐えうる寿命を持つ、冷却能力を
向上する手段が必要であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前述した課題に
鑑みてなされたものであり、その要旨とするところは、 （１）高温金属を冷却水を用いて冷却するに際し、電極
を該冷却水を介して高温金属の表裏もしくは周囲に配置
し、かつ高温金属をも電極として蒸気膜発生領域に電圧
１００〜２０００Ｖの電場を掛け、高温金属面に発生す
る蒸気膜を破壊しつつ冷却することを特徴とする高温金
属の冷却方法。 （２）前記電極として２〜３０mmのメッシュ状の電極板
を用いる第１項記載の方法。 （３）前記電極と高温金属との面間距離を２０〜２００
０mmとする第１項又は第２項記載の方法。 （４）高温金属を冷却水を用いて冷却する冷却装置にお
いて、電極を該冷却水を介して蒸気膜発生領域に配置
し、かつ高温金属をも電極として通電するように構成し
たことを特徴とする高温金属の冷却装置。

【０００８】

【作用】本発明において、電場を付与することにより蒸
気膜が破壊される理由は、電場により生じた冷媒と伝熱
面の引力で冷媒と被冷却鋼材との固液接触を引き起こ
す、あるいは気液界面に生ずる界面波の波長を短くする
ことにより、気泡の離脱を促進させ、気泡離脱に伴う固
液の接触を促進する。このように被冷却鋼材と冷媒との
接触頻度が増大するため、冷却能力が向上する。

【０００９】しかして本発明の実施に際し電極の設置条
件としては図６に示すように、ノズル３から冷媒５を表
裏面に（図では表面側のみ示し裏面側は省略）供給して
冷却する板状材の場合は、冷媒衝突域に隣接した蒸気膜
発生領域に冷媒を介して電場を付与するように設けるこ
とが重要である。また、塊状材を対象としたドブ漬冷却
のような場合は被冷却鋼材の全面に電場を付与するよう
に設置する必要がある。

【００１０】そして何れの場合にも被冷却鋼材自身にも
通電して電極とする。これによって蒸気膜が破壊され冷
却能力が大幅に向上できる。そしてこの効果を最大に発
揮するために次の数値限定を行う。

【００１１】電圧１００〜２０００Ｖの電場 １００Ｖ未満では冷媒と被冷却鋼材との接触頻度が少な
く蒸気膜破壊作用が小さい。２０００Ｖ超では冷媒と被
冷却鋼材間に流れる電流が過大となり、周辺機器との絶
縁を行うのが困難となり好ましくない。このため１００
〜２０００Ｖに限定する。

【００１２】電極のメッシュの大きさ２〜３０mm 電極をメッシュ状にするのは、図３（ｂ）に示すよう
に、電極９と被冷却鋼材１間距離が小さい場合、電極板
として、単板を用いると発生した蒸気泡１２が電極９と
被冷却鋼材１の間に対流が生ずるにも拘らず滞留し、冷
却効率が低下するため、図３（ａ）のようにメッシュ状
にしてこの気泡を除去するためである。また、電極をメ
ッシュ状にすることにより不均一電場を蒸気膜に掛ける
ことができ、気液界面の破壊をより大きくし、冷却効率
が上昇するためである。

【００１３】しかしてメッシュサイズが２mm未満では気
泡の通過量が少なく滞留分が多く気泡の除去が不十分と
なり好ましくない。しかし３０mm超では、気液界面の不
安定波長より、かかる電場の波長が大きくなり蒸気膜破
壊の効果が不十分となり好ましくない。このためメッシ
ュの大きさを２〜３０mmとする。

【００１４】次に電極と被冷却鋼材の面間距離を２０〜
２０００mmとしたのは、その使用電力を小さく抑えるた
めであり、電極と被冷却鋼材の距離をできる限り離すの
がよい。この理由は、電極と被冷却鋼材の距離を離し、
その間の冷媒量を多くして、電気抵抗を増大させるため
である。２０mm未満では電極と被冷却鋼材間の冷媒量が
少なく電気抵抗の増大が不十分である。一方、２０００
mm超では冷却装置のコンパクト化が達成できず好ましく
ない。このため面間距離を２０〜２０００mmとする。

【００１５】以上示した条件のもとに冷却装置に電場付
加装置を設置することにより、冷却中高温金属界面に発
生する蒸気膜を効率的に破壊することが可能となり冷媒
との接触が良好に維持されることになり、著しい冷却能
力向上効果が得られる。なお、説明するまでもなく、電
場の性質から、被冷却鋼材と冷媒が作る蒸気膜に掛ける
電場を最小にするためには、電極と冷媒間には空気層を
形成しないことは当然のことである。

【００１６】

【実施例】本発明にもとずく冷却装置を図１に示す。図
１は上下ロールで拘束しかつ搬送しながら冷却する厚板
のオンライン調質冷却装置の一部分を示すもので、図中
１は熱間圧延直後の高温の被冷却鋼材、２ａはテーブル
ローラ、２ｂはテーブルローラ２ａの直上に対向して設
けられた拘束ローラ、３，４はそれぞれ被冷却鋼材１の
上下面に冷媒を供給する冷却水ノズル、５は冷媒
（水）、６，７はそれぞれ上ノズル３、下ノズル４のガ
イド、８は前記ガイド６，７と被冷却鋼材１間に滞留す
る板上水で板幅方向（紙面に垂直方向）より順次排水さ
れる。９ａ，９ｂはそれぞれ上，下ノズル３，４から供
給される冷却水供給地点に隣接し蒸気膜発生領域を指向
して設けた１２mmメッシュの電極板、１０は面間距離を
示し、１００〜２００mmの間隔である。そして被冷却鋼
材１にも通電し被冷却鋼材１自身を電極化している。

【００１７】本装置はこのように構成したので、冷媒衝
突域外の蒸気膜発生領域に電場を付加して蒸気膜を破壊
することができるので、広い領域に亘って蒸気膜による
冷却阻害を防止でき冷却能力の飛躍的向上が可能であ
る。

【００１８】次に本発明冷却方法の実施例を挙げる。拘
束ロールピッチ１０００mm、拘束ロール本数２１本を有
し、図１と同一の機器配置によって構成される厚板オン
ライン調質冷却装置に電圧８００Ｖの電極板（メッシュ
１２mm）９ａ，９ｂを冷却すべき厚板の幅方向に連続し
かつ冷却長の全長に亘って配置した。併せて厚板１にも
通電して電極とした。このときの面間距離１０は１００
mm一定とした。その他の冷却条件を下記に示す。 冷却温度域：８００〜５００℃ 冷媒種類：水温２５℃の淡水 水量密度：４ｍ³ ／ｍ² ・min 冷却装置内搬送速度：６０〜１２０ｍ／min 被冷却材寸法：厚さ６〜５０mm、幅１５００〜４５００
mm

【００１９】しかして上記の条件で冷却した結果と電場
を付加しない従来の冷却結果および電場を生じさせる電
圧を変化させた時の冷却特性を併せて図２に示す。これ
は前記図１に示した厚板調質冷却設備において、被冷却
材の肉厚方向（冷却方向）に温度計を取付け、冷却によ
る被冷却材の温度推移から冷却能力を逆算しまとめた結
果である。電場付加のない蒸気膜発生板上水域の冷却能
力Ｃはノズルからの冷却水衝突域での冷却能力Ａに比し
て約１／２程度の能力となっているが、電場を付加した
場合の冷却能力Ｂは電圧の増加とともに向上し、６００
Ｖ以上では冷却能力が冷却水衝突域以上に向上し、結果
として電場を付加しない時に比して上記の冷却条件では
水量密度同一のもとで冷却能力は約２倍に向上した。

【００２０】尚、本実施例は厚板調質冷却についてであ
るが、全く同形態設備であるホットストリップミル仕上
げ圧延出側のランナウトテーブル冷却や、電縫管溶接部
熱処理冷却装置などについても、以上に示した本発明方
法を適用することですぐれた冷却能力向上効果を発揮す
る。

【００２１】

【発明の効果】以上詳細に説明した如く本発明によれ
ば、冷媒と高温金属の界面に発生し冷却を阻害していた
蒸気膜が効果的に破壊され、冷媒と高温金属の接触が良
好になされるため冷却能力を著しく向上できる。また、
均一冷却を目的として、相対的に冷却能力が劣る部位に
本発明を適用し、冷却の均一化を図ることなど産業上応
用範囲は極めて広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明冷却装置の構成を示す部分図。

【図２】本発明方法の実施例を示し、冷却能力を比較し
て示すグラフ。

【図３】電極形状の差による気泡滞留差を示す説明図。

【図４】冷却時の高温金属温度と冷却能力の関係を示す
説明図。

【図５】蒸気膜の発生を示す説明図。

【図６】従来冷却において冷媒が直接衝突しない領域に
蒸気膜が発生することを示す説明図。

【図７】従来冷却における冷媒流量と冷却能力の関係を
示す説明図。

【符号の説明】

１ 被冷却材 ２ａ 拘束ローラ ２ｂ テーブルローラ ３ 上ノズル ４ 下ノズル ５ 冷媒 ６ 上ノズルガイド ７ 下ノズルガイド ８ 板上水 ９ 電極 １０ 面間距離 １１ 蒸気膜 １２ 気泡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 茂文 東京都港区六本木７−22−１ 東京大学生 産技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温金属を冷却水を用いて冷却するに際
   し、電極を該冷却水を介して高温金属の表裏もしくは周
   囲に配置し、かつ高温金属をも電極として蒸気膜発生領
   域に電圧１００〜２０００Ｖの電場を掛け、高温金属面
   に発生する蒸気膜を破壊しつつ冷却することを特徴とす
   る高温金属の冷却方法。
2. 【請求項２】 前記電極として２〜３０mmのメッシュ状
   の電極板を用いる第１項記載の方法。
3. 【請求項３】 前記電極と高温金属との面間距離を２０
   〜２０００mmとする第１項又は第２項記載の方法。
4. 【請求項４】 高温金属を冷却水を用いて冷却する冷却
   装置において、電極を該冷却水を介して蒸気膜発生領域
   に配置し、かつ高温金属をも電極として通電するように
   構成したことを特徴とする高温金属の冷却装置。