JPH10323710A

JPH10323710A - 剥離洗浄用液体ジェットのノズルおよびその形成方法

Info

Publication number: JPH10323710A
Application number: JP13887797A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Iida; 真一郎飯田; Yoshiaki Takeishi; 芳明武石; Seiji Okada; 誠司岡田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】熱間鋼材の脱スケールような高圧液体による
表面洗浄または剥離除去を効率よく、また安価に行うこ
とができるノズルと液体ジェットの形成方法を提供す
る。【解決手段】液体ジェットの周囲に高圧気体ジェット
を平行して噴出する。気体ジェットの噴出速度を液体ジ
ェットの噴出速度以上とするとさらに望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼板や鋼管などの
鋼材の製造過程で発生する酸化スケールの剥離除去、鉄
鋼構造物やコンクリート構造物の表面付着物の剥離、洗
浄、建造物の内外壁、床、天井等の洗浄、構造物のコー
ティング材の剥離、船舶の付着物の剥離、土砂や岩盤の
掘削等に用いられる液体ジェットのノズルと液体ジェッ
トの形成方法に関する。以下、鋼材の酸化スケールの剥
離除去を例にとって本発明を説明する。

【０００２】

【従来の技術】鋼板、鋼管、条鋼あるいは型鋼等の鋼材
の熱間製造工程においては鋼材表面に酸化スケールが発
生するが、この酸化スケールは圧延工程で鋼材に押し込
まれて表面疵の原因となるので圧延前には除去しなけれ
ばならない。鋼材の製造工程で発生する酸化スケール
（以下、単にスケールという）には、加熱炉内で発生す
る一次スケール、および一次スケールを除去後、熱間圧
延中に発生する二次スケールに大別される。一次スケー
ルは鋼材の成分や在炉時間によっても異なるが、一般に
厚さ数mmである。二次スケールは圧延速度や圧延温度に
よっても異なるが一般的に一次スケールより薄く数十〜
数百μm 程度である。

【０００３】一次あるいは二次スケールを除去するには
従来から高圧水ジェットを噴射する方法が用いられてい
る。一次スケールの場合、加熱炉から出た直後の材料
（スラブと言う）の温度が1000℃以上あり、搬送速度も
10〜100 m/min と遅いため、高圧水の供給圧力（以下、
デスケーリング圧と言う）が比較的低くても剥離除去が
可能である。この場合のデスケーリング圧は一般的に10
0 〜150 kgf/cm²である。

【０００４】二次スケールの場合、鋼材の搬送速度も10
0 〜1200 m/minと高速であること、および鋼材温度が低
下しているため、冷却水による熱衝撃効果によってスケ
ールが破砕される効果がなくなるため、デスケーリング
圧は 150〜250 kgf/cm²程度が必要と言われている。

【０００５】近年、鋼材の多様化、高機能化、高性能化
が進み種々の元素が添加された合金鋼が多用されはじめ
た。特にＳｉを含有する鋼材では粘性の高いスケール
（ファイアライト：２ＦｅＯ・ＳｉＯ₂）が生成するな
ど、合金鋼のスケールの鋼材表面層付近の構造は、従来
の一般炭素鋼と異なり、地鉄への付着力が大きい。従っ
て、上述したデスケーリング圧ではスケールが完全には
除去されず、そのまま圧延されるためにスケール疵の問
題がおきている。

【０００６】このため、デスケーリング圧の強化が順次
すすめられているが、合金鋼のスケールを完全に除去す
るには400 〜700 kgf/cm²以上のデスケーリング圧が必
要になる。このような高圧化には、設備（高圧ポンプ、
配管、アキュムレータ、ヘッダー、ノズル等）の大改造
またはリプレースが必要であり、設備コストの上昇は言
うまでもなく、メンテナンスコストも大幅に上昇する。
したがって、低いデスケーリング圧で効率の高い脱スケ
ール法が強く望まれている。

【０００７】低いデスケーリング圧で効率よく脱スケー
ルする方法として、特開昭５９−７６６１５号公報には
ノズルを鋼材に25〜100 mmまで接近させて鋼材面への衝
突力を増加させる方法が開示されている。

【０００８】また、特開昭６１−１１９３２２号公報に
は高圧水流量に対して2.0 〜2.5 倍の研掃材スラリーを
噴射混入せしめデスケーリングする方法が開示されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記特開昭５９−７６
６１５号公報に記載の方法は、ノズルを鋼材に25〜100m
mまで接近させるため、鋼材走行時の接触・衝突による
ノズル損傷が頻発し実用化は困難である。

【００１０】また、前記特開昭６１−１１９３２２号公
報に記載の研掃材投射方法は、高効率でスケール除去が
可能であるが、スケール除去後に研掃材のクリーニング
を十分に行わないと研掃材による押し込み疵が発生しや
すい。また、跳ね返った研掃材による周辺機器設備の摩
耗が発生するため、防護設備が必要であるとともに、メ
ンテナンスの問題もある。

【００１１】本発明の課題は、熱間鋼材の脱スケールの
ような表面の付着物の剥離、洗浄を高効率で、かつメン
テナンスフリーで行うことのできる液体ジェット用のノ
ズルと液体ジェットの形成方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題点
に鑑み、高圧水ジェットの壊食特性に関し種々の調査と
実験を行った結果、以下の知見を得た。

【００１３】(1) ノズルから噴出した液体の流速は大気
（静止状態の周囲気体）による粘性抵抗のため、徐々に
減速し運動エネルギーを失う。

【００１４】(2) 周囲の気体が液体ジェットと同一方向
に運動していれば、その運動速度に依存して液体ジェッ
トの減速が抑制される。

【００１５】(3) 液体と気体を同一箇所から同一方向に
噴出する場合、気体ジェットの流速が液体ジェットの流
速以上であれば、液体ジェットの減速が完全に抑制でき
る。

【００１６】これらの知見に基づき、本発明者らは加圧
噴出した液体ジェットに沿って噴出した気体ジェットに
より、液体ジェットの減速を抑制し、洗浄効率を向上す
るノズルとその使用方法を想到するに至った。

【００１７】本発明の要旨は以下の液体ジェットのノズ
ルおよびその形成方法にある。

【００１８】(1) 液体ジェットと気体ジェットを平行に
噴出することを特徴とする剥離洗浄用液体ジェットのノ
ズル。

【００１９】(2) 気体ジェットを液体ジェットの周囲か
ら噴出することを特徴とする前記(1)項に記載の剥離洗
浄用液体ジェットのノズル。

【００２０】(3) 面状に噴出する液体ジェットを挟んで
面状の気体ジェットを噴出することを特徴とする前記
(1) 項に記載の剥離洗浄用液体ジェットのノズル。

【００２１】(4) 前記(1) 項から(3) 項までのいずれか
１項のノズルを用い、気体ジェットの噴出速度を液体ジ
ェットの噴出速度以上とすることを特徴とする剥離洗浄
用液体ジェットの形成方法。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明者らはまず、円筒ノズルか
ら高圧液体（水）を大気中に噴出させる実験を行った。
（実験１）図１はノズル１の出口からの液体ジェット１１の噴出状
況を説明する模式図である。ノズル内径ｄは2 mmとし
た。

【００２３】同図において、ノズル出口から距離ｘ₀mm
までは出口流速Ｕ₀を維持するポテンシャルコア１３と
呼ばれる流束が存在する領域がある。これを展開領域５
１と言う。ポテンシャルコア１３の周囲には静止気体１
４との間に大きな速度勾配を有するせん断層１５が存在
し、速度勾配に起因する摩擦力が高速液体ジェット１１
と静止気体１４との境界に生ずる。この摩擦力によって
ジェットの乱れが生じ、気体は加速され、逆に液体ジェ
ット１１は減速される。

【００２４】ポテンシャルコアがなくなると液体ジェッ
ト１１の全域にわたって乱れが生じ、中心の速度Ｕ_mは
徐々に減少する。これを完全発達領域６１と言う。完全
発達領域６１では前述の摩擦力により液体ジェットの噴
霧化が起こる。

【００２５】図２に液体ジェットの流速の測定結果を示
す。同図の縦軸は液体ジェットの初速Ｕ₀に対する中心
部の流速Ｕ_mの比Ｕ_m／Ｕ₀、横軸はノズル径ｄに対す
る噴出距離ｘの比ｘ／ｄを表す。同図のグラフ左端の平
坦部が展開領域である。展開領域ではノズル出口の流速
Ｕ₀を維持しているが、ｘ／ｄ＝50近傍の完全発達領域
になると、流速は急激に減速する。

【００２６】次に円筒ノズルから高圧気体（空気）を大
気中に噴出させる実験を行った。（実験２）図３は円筒状のノズル２の出口からのの気体ジェット１
２の噴出状況を説明する模式図である。ノズル内径ｄは
2 mmとした。流線は投影法で観察した。気体ジェットの
場合も液体ジェットと同じようにポテンシャルコア１３
があり、展開領域５２、完全発達領域６２がある。

【００２７】図４に気体ジェットの流速の測定結果を示
す。気体ジェットの場合もｘ／ｄ＝17近傍の展開領域ま
でポテンシャルコアを維持した後、完全発達領域からは
速度が急激に減速している。図２の液体ジェットの場合
と比較して展開領域は短く、減速率も大きいが、さらに
先では減速率が液体ジェットの場合よりむしろ小さくな
っている。

【００２８】次に、環状ノズルから高圧気体（空気）を
大気中に噴出させる実験を行った。（実験３）図５は環状ノズル３の出口からの気体ジェット１２の噴
出状況を説明する模式図である。ノズル内筒４は内径ｄ
＝2 mm、肉厚0.5 mm、ノズル外筒５の内径は5mm、肉厚1
mm、スリット６の幅ｂ＝1 mmとした。内筒の先端は外
側に1/5 のテーパをつけており、その突端部はＲ0.05mm
のエッジを形成した。また、内筒の内側１６は大気開放
とした。これはエジェクター効果による負圧によって環
状流が内径側に引き込まれないようにするためである。

【００２９】図６に環状ノズルから噴出する気体ジェッ
トの流速の測定結果を示す。同図において、横軸は噴出
口からの距離ｘをスリット幅ｂで除した値ｘ／ｂであ
る。環状ノズルの場合も、ｘ／ｂ＝20近傍までポテンシ
ャル・コアを維持した後、急激に減速している。

【００３０】図６を図４と比較すると、展開領域は若干
長くなり、完全発達領域における減速率も円筒ノズルの
場合よりも若干小さい。これは環状ノズルの内周側では
外周側に比べてエジェクター効果よる周囲気体の加速が
大きく、噴出流の減速が小さくなったものと考えられ
る。

【００３１】以上の予備実験のもと、本発明の効果を確
認するため、以下の実験を行った。

【００３２】まず２重管ノズルの実験を行った（実験
４）。

【００３３】図７に２重管ノズル７の液体ジェット１１
と気体ジェッ１２トの噴出状態を示す。このノズル７に
は内筒８から液体（水など）、内外筒の間のスリット１
０から気体（空気など）を供給する。

【００３４】この２重管ノズル７では外周から噴出する
気体流１２によって、展開領域５１に続いて液体と気体
とが混合を開始する遷移領域７１が形成されている。遷
移領域７１ではポテンシャルコア１３が崩れ、大きな液
滴が形成されている。大きな液滴はさらに細分化され、
すべて霧化した領域が完全発達領域６１である。

【００３５】液体ジェット１１は気体ジェット１２によ
って周囲を保護されているため減速が抑制され、液体ジ
ェット１１の展開領域５１は長くなり、更に遷移領域７
１が形成されることによって、完全発達領域６１までの
距離が長くなる。

【００３６】図８に実験４の流速の測定結果を示す。同
図中ｃは液体ジェット、ｄは気体ジェットの速度を示
す。また、液体単独での実験１、および気体単独の環状
ノズルでの実験３の結果に基づいて、同図中にａ、およ
びｂとして書き加えた。

【００３７】同図において、外周の気体ジェット流によ
って、液体ジェットの減速は抑制され、外周の気体ジェ
ットも液体ジェットに吸引されて減速率が小さくなって
いることがわかる。

【００３８】次に気体ジェットの流速が、液体ジェット
の減速抑制にどのように影響するかを調べるため、給気
圧を変化させて実験を行った。（実験５）図９に実験５
の測定結果を示す。同図の縦軸は液体の噴出速度に対す
る気体の噴出速度の比、および液体の展開領域長さと遷
移領域長さの２重目盛りとし、横軸には給気圧を示す。

【００３９】同図では、気体ジェットを液体ジェットと
平行に噴出させれば、液体ジェットの展開領域を伸ばす
効果があるが、同図のＢ点、すなわち、気体ジェットの
噴出速度が気体ジェットの噴出速度を上回るところから
展開領域が伸びはじめている。さらに2.5 kgf/cm²を超
えるところ（Ｃ点）から、遷移領域が伸びてくる。

【００４０】図１０(a) 〜(d) に前記Ａ〜Ｄ点の各状態
における液体ジェットと気体ジェットの流速を示す。同
図(a) に示すＡ点の状態は気体の流速が液体の流速を下
回っている状態に相当し、同図(b) に示すＢ点の状態は
気体の噴出流速が液体の噴出流速と等しくなる状態に相
当する。同図(c) に示すＣ点の状態は気体の噴出速度は
液体の噴出速度より大きく、液体のポテンシャルコアが
終わる所で気体流速が液体流速と等しくなる状態に相当
し、同図(d) に示す状態は気体の流速が液体の流速を上
回っている状態に相当する。

【００４１】図９および図１０から、気体ジェットの噴
出流速が液体の噴出流速以上であれば（Ｂ点の状態）、
ポテンシャルコア長さを増大させる効果があり、さらに
展開領域で気体ジェットの流速が液体ジェット流速以上
なら（Ｃ点の状態）、遷移領域の長さを増大させる効果
があることがわかる。

【００４２】図１１はフラットタイプの液体ノズルに平
行して気体ジェットのノズルを配置した本発明例のノズ
ル２０の概要図である。同図(a) はノズルチップ２３の
中心線での断面図、同図(b) は正面図、同図(C) は断面
ＡＡでの断面図、同図(d) は断面ＢＢでの断面図であ
る。

【００４３】ノズルチップ２３の液体噴出口２４の前面
にはＶ字状の切り込み２６があり、これによってフラッ
トな液体ジェット（図示せず）が得られる。ノズルチッ
プは超硬合金、セラミックなど、耐摩耗性材で製作す
る。気体は噴出口２５から噴出し、液体のフラットジェ
ットの減速を抑制する。同図例では気体噴出口１３は多
数の円孔ノズルとしているが、スリット形状でもよい。

【００４４】気体噴出口２４は液体噴出口の両側に平行
に配置されるが、気体噴出口のノズル幅は同ノズル間隔
に対して大きいほど気体ジェットが液体ジェットを包み
込む形となり、液体ジェットの流速低下を抑制するので
より好ましいが、概ね２倍以上であればよい。

【００４５】

【実施例】本発明のノズルを用いて鋼材の脱スケール試
験を行った。以下に従来法と比較しながら述べる。

【００４６】供試材として、表１に示すSiキルド鋼のブ
ロック（幅400 mm×長さ1000mm×厚さ30mm）を用いた。
この鋼種は高温酸化するとファイヤライト（2FeO・Si
0₂）が生成するため、スケールの剥離性が非常に悪く
なる。このブロックを電気炉により大気雰囲気下で1200
℃に加熱し、およそ2 mm厚の一次スケールを生成させ
た。さらに、前記一次スケールを通常のデスケーリング
ノズル（デスケーリング圧150 kgf/cm²）を用いて除去
し、約３分放冷して表面におよそ0.15mm厚の二次スケー
ルを生成させた。表面温度はおよそ900 ℃であった。こ
の供試材を用いて、以下の試験を行った。

【００４７】

【表１】

【００４８】本発明による図７に示す２重管ノズルと、
比較用として図１に示す円筒ノズルを用いて、表２に示
す条件で脱スケール試験を行った。

【００４９】

【表２】

【００５０】この脱スケール試験結果を表３に示す。

【００５１】

【表３】

【００５２】表３に示すように、本発明の２重管ノズル
を用いると、比較例の円筒ノズルに対して同じ脱スケー
ル効果を得るのに、噴射距離を２〜４倍まで大きくする
ことができることがわかった。

【００５３】前記の表３に示す試験では本発明の２重管
ノズルで満足すべき脱スケール効果（◎：スケール残存
率２％以下）が得られたのは、試験No. ４の噴射距離40
0 mm以下で、デスケーリング圧は150 kgf/cm²であっ
た。

【００５４】同じ距離条件（400 mm）で比較例の円筒ノ
ズルではデスケーリング圧をどの程度まで増圧すればよ
いのかを見極めるため、デスケーリング圧を変化させる
試験を行った。供試材の条件は表１に示す供試材に実施
例１と同様の二次スケールを生成させたものを用いた。
その結果を表４に示す。

【００５５】

【表４】

【００５６】表４に示すように、本発明の２重管ノズル
と同等の脱スケール効果を得るには、比較例の円筒ノズ
ルではデスケーリング圧を400 kgf/cm²程度まで高くし
なければならない。

【００５７】一方、本発明の２重管ノズルを用いればデ
スケーリングが圧150 kgf/cm²で同様の結果を得ること
ができ、この程度であれば現有設備を大改造する必要は
ないことが確認できた。

【００５８】図１１は前述した本発明例のフラットジェ
ットのノズルの構造図である。

【００５９】このノズルの水ジェット部は従来型のフラ
ットノズルと同じ構造である。従って、比較例として本
発明のノズルと同じものを、高圧空気を供給せずに用い
た。

【００６０】本フラットノズルの脱スケール試験では、
前記実施例１の２重管ノズルの試験と同じく、表１に示
す供試材に実施例１と同様の二次スケールを生成させた
ものを用いた。また、脱スケール条件は表２と同じであ
るが、噴射距離は600 mmで一定とした。これは、鋼材の
圧延ラインで通常必要な間隔に基づいている。

【００６１】表５に本試験の結果を示す。

【００６２】

【表５】

【００６３】表５に示すように、本発明のノズルは比較
例に比べて著しく残存スケールが減少し、顕著な効果を
持つことがわかった。

【００６４】以上の説明は、鋼材の脱スケールを例に述
べたが、本発明は例えば、船舶の喫水線下に付着するフ
ジツボなどの海洋生物の除去にも適用することができ
る。従来はスパチェラで掻き落とす等の手段にて除去し
ていたが、本発明の高圧水洗浄装置を用いることによっ
て、作業能率は格段に向上し、しかも均一に剥離するこ
とができる。

【００６５】

【発明の効果】本発明を、鋼材の熱間圧延ラインの脱ス
ケールに用いる場合、現有設備の大幅改造を伴うデスケ
ーリングポンプの強化をせずに、脱スケール力を強める
ので、スケールの取れにくい鋼種に対しても品質の向上
を図ることができる。また、他の条件が同じなら、ノズ
ルと鋼材との距離を離すことができ、設備故障を減少す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来型円筒ノズル出口の液体ジェットの噴出状
況を説明する模式図である。

【図２】円筒ノズルから噴出した液体ジェットの速度と
ノズル出口からの距離との関係を表すグラフである。

【図３】従来型円筒ノズルの高圧気体ジェットの噴出状
態の模式図である。

【図４】円筒ノズルから噴出した気体ジェットの速度と
ノズル出口からの距離との関係を表すグラフである。

【図５】環状ノズルの高圧気体ジェットの噴出状態の模
式図である。

【図６】環状ノズルから噴出した気体ジェットの速度と
ノズル出口からの距離との関係を表すグラフである。

【図７】本発明の高圧水洗浄装置のノズルから噴出した
液体と気体のジェットの模式図である。

【図８】本発明の２重管ノズルでの液体と気体ジェット
の速度の説明図である。

【図９】本発明の２重管ノズルで気体の供給圧を変化さ
せたときの展開領域および遷移領域長さを表す概要図で
ある。

【図１０】本発明の２重管ノズルで気体の供給圧を変化
させたときの、液体と気体ジェットの速度の関係を表す
説明図である。(a) は気体流速が液体流速より小さい場
合、(b) は気体噴出速度と液体噴出速度が等しい場合、
(c) は気体噴出速度が液体噴出速度より大きく、液体の
展開領域で液体と気体の流速が等しくなる場合、(d) は
気体の速度が液体の展開領域全体で液体速度より大きい
場合である。

【図１１】本発明によるフラットタイプのノズルの構造
図の一例である。同図(a) はノズルチップ中心線での断
面図、同図(b) は正面図、同図(C) は断面ＡＡでの断面
図、同図(d) は断面ＢＢでの断面図である。

【符号の説明】

１：液体円筒ノズル２：気体円筒ノズル３：気体環状ノズル４：気体環状ノズル内筒５：気体環状ノズル外筒６：気体環状ノズルのスリット７：２重管ノズル８：２重管ノズル内筒９：２重管ノズル外筒１０：２重管ノズルのスリット１１：液体ジェット１２：気体ジェット１３：ポテンシャルコア１４：静止気体（大気）１５：せん断層１６：気体環状ノズル内面２０：フラットジェットノズル２１：高圧水供給口２２：空気供給口２３：ノズルチップ２４：液体噴出口２５：多孔管（気体噴出口）２６：Ｖ字状切り込み５１：展開領域（液体）５２：展開領域（気体）６１：完全発達領域（液体）６２：完全発達領域（気体）７１：遷移領域（液体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体ジェットと気体ジェットを平行に噴
出することを特徴とする剥離洗浄用液体ジェットのノズ
ル。
【請求項２】気体ジェットを液体ジェットの周囲から
噴出することを特徴とする請求項１に記載の剥離洗浄用
液体ジェットのノズル。
【請求項３】面状に噴出する液体ジェットを挟んで面
状の気体ジェットを噴出することを特徴とする請求項１
に記載の剥離洗浄用液体ジェットのノズル。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項のノズルを用い、気体ジェットの噴出速度を液体ジェ
ットの噴出速度以上とすることを特徴とする剥離洗浄用
液体ジェットの形成方法。