WO2012101932A1 - 鋼板のスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法 - Google Patents

鋼板のスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法 Download PDF

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建太 苅部
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Definitions

  • a steel material rolling line steel material is charged into a heating furnace in an oxidizing atmosphere and heated in a temperature range of 1100 to 1300 ° C. for several hours, followed by hot rolling.
  • a primary scale generated during heating and a secondary scale generated after extraction from the heating furnace are generated.
  • the scale bites into the surface of the steel plate as a product, and remains as scale wrinkles. Scale wrinkles significantly deteriorate the surface properties of the steel sheet and have a significant effect on product quality because they become the starting point for cracks during bending.
  • an antioxidant is applied to the surface of the steel material (see, for example, Patent Document 1), and (2) the heating temperature of the steel material is set below the melting point of firelight (about 1170 ° C.). (See, for example, Patent Document 2), (3) Rolling in a completely oxygen-free state (see, for example, Patent Document 3), (4) The temperature before rolling and the temperature during rolling are set to high temperatures (about 1000 ° C. or higher). (5) A proposal has been made to completely remove the generated scale (see, for example, Patent Document 4).
  • the means (1) not only increases the complicated application work, but also increases the manufacturing cost due to the cost of the treatment agent.
  • (2) since the steel material is heated at a low temperature, the burden on the rolling mill increases, and there is a standard that cannot be applied from the viewpoint of securing material properties depending on the steel type. Further, (3) is not realistic because the equipment cost becomes enormous. Moreover, since (4) is extracted from the heating furnace at a high temperature, the fuel unit price increases, and the scale loss increases.
  • a scale removal nozzle used in a scale removal apparatus that performs descaling normally injects high-pressure water onto the surface of a steel sheet, and peels and removes the scale of the steel sheet by the impact force of the injected water.
  • the technique described in Patent Document 4 is to review the internal structure of the nozzle for scale removal, and the orifice (discharge hole) at the tip of the nozzle and the taper angle 30 ⁇ from this orifice.
  • a nozzle having a taper portion extending at 80 ° and a large diameter portion connected to the taper portion, wherein the ratio of the inner diameter D1 of the large diameter portion to the short diameter D2 of the orifice (D1 / D2) is 3 or more.
  • the technique described in Patent Document 4 is a technique that optimizes the internal structure of a conventional scale removal nozzle, there is a limit in greatly improving the descaling capability.
  • the present inventor has paid attention to such problems, and has repeatedly studied to provide a steel plate scale removal nozzle, a steel plate scale removal device, and a steel plate scale removal method that can remove scale more efficiently.
  • the water jet discharged from the scaling nozzle became droplets, and attention was paid to cavitation generated on the steel plate scale surface (see FIG. 1).
  • FIG. 2 the phenomenon that the pressure generated when the bubble generated by cavitation disappears becomes significantly larger than the impact force generated when the droplet collides depending on the conditions.
  • the descaling ability could be improved if cavitation could be positively imparted to the water jet.
  • the steel plate scale removal nozzle according to one aspect of the present invention sprays water onto the surface of the steel plate, and removes the scale of the steel plate by the impact of the sprayed water.
  • the nozzle discharge portion has a main flow orifice and a branch flow orifice provided in communication with a large diameter portion forming a cylindrical flow path, and the branch flow orifice has the large diameter portion. A part of the internal water flow is discharged so as to generate cavitation at the boundary with the water flow discharged from the main flow orifice.
  • Conventional scale removal nozzles form a droplet flow by discharging a water flow (main flow) jet from a single orifice as a continuous jet.
  • the discharge portion at the tip of the nozzle is connected to the large-diameter portion forming the cylindrical flow path, and the main flow orifice and the branch flow orifice are provided.
  • the branch flow orifice discharges a part of the water flow inside the large-diameter portion so as to generate cavitation at the boundary with the water flow discharged from the main flow orifice.
  • the descaling capability can be greatly improved as compared with the conventional nozzle.
  • the water flow (main flow) jet discharged from the main flow orifice of the nozzle is discharged from the branch flow orifice (discharged via the branch water channel). It is preferable that the flow surrounds the outer periphery. Thereby, cavitation can be suitably generated at the boundary between the water flow (main flow) jet discharged from the main flow orifice and the water flow. Therefore, the descaling capability can be further improved as compared with the conventional nozzle. Further, in the steel plate scale removal nozzle according to an aspect of the present invention, a ratio of a part of the water flow inside the large-diameter portion into the branch flow orifice is greater than 0% and 50% or less. It is preferable.
  • a steel plate scale removing apparatus includes a plurality of scale removing nozzles arranged above and below a steel plate that is a rolled material in a rolling process, and each scale removing device.
  • a scale removing device that removes scale on the surface of a rolled material by spraying high-pressure water onto the surface of the rolled material from a nozzle for use in a steel sheet, wherein the scale removing nozzle is used as the scale removing nozzle.
  • the scale removal nozzle according to any one of the above is mounted.
  • each scale removing nozzle is based on the scale removing nozzle according to any one of the scale removing nozzles for the steel sheet according to one aspect of the present invention. Since the effect is exhibited, the scale can be efficiently removed by the above-described action mechanism.
  • the scale removal method of the steel plate which concerns on 1 aspect of this invention WHEREIN:
  • the high-pressure water is supplied from the scale removal nozzle to the scale of the surface of the steel plate which is a rolling material in a rolling process.
  • removing the scale by using the scale removal nozzle according to any one of the scale removal nozzles of the steel sheet according to one aspect of the present invention as the scale removal nozzle.
  • a plurality of nozzles are arranged above and below the rolled material in the rolling step, and high-pressure water is sprayed from the scale removing nozzles onto the surface of the rolled material to remove the scale on the surface of the rolled material.
  • the scale removal nozzle to be used is the scale removal nozzle according to any one of the scale removal nozzles for a steel sheet according to the aspect of the present invention.
  • the scale can be efficiently removed by the above-described action mechanism.
  • the scale on the surface of the rolled material can be efficiently removed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an image of a state in which cavitation occurs when a water jet discharged from a descaling nozzle becomes droplets and collides with a steel plate scale surface.
  • FIG. 2 is a diagram showing an image of a state in which pressure is generated when bubbles generated by cavitation shown in FIG. 1 disappear, and a relationship between the bubble radius at the time of disappearance / the radius at the time of occurrence and the pressure generated in the vicinity of the bubble. .
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a rolling line equipped with a steel sheet scale removing device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of the scale removing nozzle of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the axial direction on the plane of the YY line in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a schematic front view of the nozzle discharge section of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a discharge portion of a conventional scale removal nozzle used in the comparative example.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing a collision model of water droplets on a steel plate in scale removal by spray water.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the state of a water flow (mainstream) jet.
  • FIG. 9A is an example of the scale removal nozzle of the present invention
  • FIG. 9B is an example of a conventional scale removal nozzle. It is.
  • the rolling process of the steel plate includes a heating furnace 50 for heating the material to be rolled (steel plate) K and a heating furnace 50 for removing scale from the material to be rolled K taken out from the heating furnace 50.
  • a heating furnace outlet-side deskeler 60 installed on the side (HSB), followed by a rough rolling mill 70 for performing rough rolling, and a finish rolling mill 80 for subsequent finish rolling.
  • the scale removing device of the present invention is arranged in each rolling process. That is, the heating furnace outlet-side descaler 60 has the heating furnace outlet-side scale removal nozzle mounting adapters 61 arranged above and below the material K to be rolled. Similarly, a scale removal nozzle mounting adapter 62 is provided on the rough rolling entry side (RSB) of the rough rolling mill 70, and a scale removal nozzle attachment adapter 63 is provided on the finishing rolling entry side (FSB) of the finish rolling mill 80. Are arranged above and below the material to be rolled K, respectively. Each of the scale removal nozzle mounting adapters 61, 62, 63 is equipped with a scale removal nozzle 1 (hereinafter also simply referred to as “nozzle”).
  • nozzle scale removal nozzle 1
  • the scale removal nozzle 1 attached to the adapter 61, 62, 63 for attaching the scale removal nozzle is connected to the pump 30 and the accumulator 40 through piping, and sprays high-pressure water onto the surface of the material K to be rolled. Can do. In this facility, the pressure and the discharge amount of the high-pressure water to be injected can be always stably secured by the plurality of pumps 30 and the accumulator 40.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the nozzle 1
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view cut along the axial direction on the plane of the YY line in FIG. 4
  • FIG. 6 is a schematic of the discharge portion at the nozzle tip in FIG. It is a front view.
  • the nozzle 1 mainly includes a casing 2, a nozzle case 11, and a nozzle tip 12.
  • a flow path (or nozzle hole) is formed in the axial direction of the nozzle 1 by these members.
  • the casing 2 has a substantially cylindrical shape and is provided with a flow path (or nozzle hole) therein so that water can flow into the flow path from one end on the upstream side of the nozzle 1.
  • the nozzle case 11 is attached to the other end of the casing 2.
  • the nozzle case 11 has a substantially cylindrical shape, and a nozzle tip 12 is mounted on the tip end side of the nozzle 1.
  • the nozzle tip 12 is made of cemented carbide, and ejects a discharge flow therefrom.
  • the casing 2 includes a first casing 2a that can be fixed to the nozzle case 11 with screws, and a second casing 2b that can be fixed to the first casing 2a with screws.
  • a plurality of slits (or inlets) 3 extending in the axial direction are formed at predetermined intervals in the circumferential direction on the circumferential surface and the end surface (flat surface) at the upstream end of the second casing 2b.
  • the plurality of slits 3 serve as filters for allowing water to flow in while restricting the inflow of impurities.
  • a rectifying unit (or rectifier or stabilizer) 4 is disposed in the flow path in the second casing 2b.
  • the rectifying unit 4 is for guiding the water flowing in from the slit 3 to the nozzle hole, and includes a plurality of rectifying plates (rectifying blades) 5 extending in the radial direction from the core, and upstream and downstream of the core. It is provided with acute cone portions (conical portions tapered on the upstream side or the downstream side) 6a and 6b that are formed coaxially and are respectively formed with their tip portions directed in the upstream and downstream directions.
  • the casing 2 that constitutes such a filter and includes the rectifying unit can also be referred to as a filter unit or a rectifying casing.
  • the rectifying plate 5 of the rectifying unit 4 is in contact with the inner wall of the second casing 2b, and the rectifying unit 4 is restricted from moving downstream by fixing means (for example, locking, welding, fixing, etc.). ing.
  • the flow path of the casing 2 extends from the upstream end (inlet) of the second casing 2b to the downstream end of the rectifying unit 4, and has substantially the same inner diameter (that is, the inner diameter of the upstream end of the casing 2b).
  • a cylindrical flow path P1 having the same inner diameter, and an inclined flow path (annular inclination) that reaches a middle portion of the first casing 2a from the downstream end of the rectifying unit 4 toward the downstream direction and narrows in a tapered shape with a gentle inclination.
  • the inclined wall (tapered portion) forming the inclined channel (annular inclined channel) P2 has a taper angle of about 5 to 10 °, for example.
  • a cemented carbide nozzle tip 12 and a flow path having substantially the same inner diameter as the downstream end of the first casing 2a are formed from the tip of the nozzle 1 toward the upstream direction.
  • Bushings (or annular side walls) 17 are sequentially attached.
  • the nozzle tip 12 is regulated by the latching step portion 13 in the direction toward the tip.
  • the nozzle 1 includes a nozzle tip 12 serving as a discharge portion at the tip thereof, a large-diameter portion 18 that forms a cylindrical flow path, a tapered portion 16 that is provided continuously to the large-diameter portion 18, and an output from the tapered portion 16.
  • An elliptical discharge hole 15 provided continuously on the side is formed.
  • the tip surface of the nozzle tip 12 is formed with a U-shaped curved groove 14 in the radial direction, and an elliptical discharge hole 15 is formed on the curved concave surface of the curved groove 14 as shown in FIG. Are provided continuously.
  • the bottom surface of the curved groove 14 may be a curved bottom surface with both end portions raised as it extends in the extending direction (or radial direction) with the discharge hole 15 as the lowermost portion.
  • the nozzle 1 has two branch holes (branch flow orifices) 19 provided between the nozzle tip 12 and the nozzle case 11 so as to communicate with the large diameter portion 18 forming the cylindrical flow path.
  • Each branch hole 19 has an arc shape along the circumferential direction of the nozzle tip 12 (in this example, the center of the arc coincides with the axis), and a part of the water flow inside the nozzle is used as a discharge hole of the nozzle tip 12.
  • 15 is formed so as to discharge the water flow so as to generate cavitation C at the boundary with the water flow discharged from 15 (see FIG. 9A).
  • each branch hole 19 is formed in an arc shape along the circumferential direction of the nozzle chip 12, so that the water flow to be discharged is a flow surrounding the outer periphery of the water flow discharged from the discharge hole 15.
  • the flow path (nozzle hole) of the nozzle extending in the axial direction of the nozzle 1 is a taper portion extending linearly from the discharge hole 15 opened in an elliptical shape in the curved groove 14 toward the upstream direction of the axial line.
  • (Or conical inclined wall) 16 is formed by a conical flow path P5 formed by 16; a branch flow path P6 composed of a branch hole 19 formed between the nozzle tip 12 and the nozzle case 11; And a cylindrical flow path P4 extending in the upstream direction along the axial direction from the upstream end of the tapered portion 16 and a large cylindrical flow extending from the upstream end of the cylindrical flow path P4 with substantially the same inner diameter.
  • Path flow path from the upstream end of the cylindrical flow path P4 to the upstream end of the rectifying unit 4) P3 to P1.
  • the flow path in this example, the cylindrical flow paths P3 and P4 from the upstream end of the taper part 16 to the downstream end of the gently inclined flow path P2 extends from the upstream end of the taper part 16 with substantially the same inner diameter.
  • the large diameter portion 18 can be obtained.
  • each of the elliptical discharge holes 15 has a major axis D3 / minor axis D2 ratio of about 1.5 to 1.8. Further, regarding the relationship between the discharge hole 15 and the large diameter portion 18, in order to reduce the size of the nozzle, the large diameter portion 18 (the cylindrical flow paths P3 and P4 or the rectifying unit downstream from the short diameter D2 of the discharge hole 15).
  • the ratio (D1 / D2) of the inner diameter D1 (downstream end of the inclined flow path P2) extends to about 4.5 to 6.9.
  • the angle (taper angle) ⁇ of the tapered portion 16 is set to about 45 to 55 ° in order to increase the impact force even at a low pressure and / or a low flow rate.
  • a flange for attaching the nozzle 1 to a conduit (not shown) using an adapter (not shown) at an appropriate place (in this example, the nozzle case 2) of the nozzle case 11 and the casing 2 ) 24 and the like can be formed.
  • the nozzle case 11 may be provided with a positioning convex portion 25 for the conduit in order to increase the positioning accuracy and inject the discharge flow in a flat or strip shape in a predetermined direction.
  • the nozzle 1 is attached to the adapters 61, 62, and 64 for attaching the scale removing nozzle of the scale removing device.
  • the nozzle 1 has the discharge portion at the tip of the nozzle continuously provided on the tapered portion 16 continuously provided on the large diameter portion 18 forming the cylindrical flow path and on the outlet side of the tapered portion 16.
  • the branch hole 19 discharges a part of the water flow inside the nozzle so as to generate cavitation at the boundary with the water flow discharged from the discharge hole 15 of the nozzle tip 12. Thereby, cavitation can be generated at the boundary between the water flow (main flow) jet discharged from the nozzle orifice and the water flow.
  • the descaling capability is greatly improved as compared with the conventional nozzle. Therefore, according to the scale removing device, the scale removing nozzle 1 attached thereto, and the steel plate scale removing method using the nozzle 1, both the descaling performance and efficiency can be greatly improved.
  • the standard plate width is 1.2 m
  • the standard plate thickness is 220 mm for the outlet side 220 mm of the heating furnace 50
  • the rough rolling inlet side (RSB) 62 is 220 to 70 mm
  • the finishing rolling inlet side (FSB) 63 is 60 to 40 mm was used.
  • the results of comparison experiments with the conventional type are shown in Table 1 below.
  • the ratio of the total amount of water that introduces a part of the water flow inside the nozzle into the branch hole according to the injection pressure P0 [Pa], the descaling flow rate [l / min], and the spray distance H [m]. Is adjusted in the range of more than 0% and 50% or less.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a collision model of water droplets on a steel plate in scale removal by jet water.
  • the total impact force (F) and the unit impact force (S) can be expressed by the following equations.
  • F total impact force of water sprayed on the steel sheet surface [N]
  • S unit impact force of water sprayed on the steel sheet surface [Pa]
  • P0 spray pressure [Pa]
  • a orifice area [M 2 ]
  • C sound velocity [m / s]
  • d particle size [m] of water droplet
  • ⁇ coefficient
  • t time [s] for the shock wave to travel through the droplet.
  • the descaling capability is 1.3 to 1.5 times the improvement of the descaling capability in any process compared to the conventional one, the power consumption at the pump 30 is 70%, and The possibility of reducing the flow rate by improving the descaling capability is reduced by 30%, and the occurrence rate of quality defects due to the descaling capability is less than 50% compared to the conventional one. Therefore, according to the scale removal nozzle 1, it can be seen that both the descaling performance and efficiency are greatly improved.

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Abstract

スケールを効率よく除去できる鋼板のスケール除去用ノズルを提供する。スケール除去用ノズル１は、ノズル先端の吐出部２０は、円筒状流路を形成する径大部１８に連通して設けられた吐出孔（主流オリフィス）１５および分岐孔（分岐流オリフィス）１９を有し、分岐孔１９は、径大部内部の水流の一部を、吐出孔１５から吐出した水流との境界部にキャビテーションを発生させるように吐出する。

Description

鋼板のスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法
　本発明は、鋼板表面のスケールを除去するためのスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法に関する。
　鋼材の圧延ラインでは、鋼材を酸化性雰囲気の加熱炉に装入し、通常１１００~１３００℃の温度域で数時間加熱した後に熱間圧延する。熱間圧延の際には、加熱時に生成した一次スケールおよび加熱炉から抽出後に生成する二次スケールが生じる。このようなスケールが除去されずに鋼材が圧延されると、スケールが製品である鋼板表面に食い込み、スケール疵となって残る。スケール疵は、鋼板の表面性状を著しく損なうとともに、曲げ加工時にクラック発生の起点となるため、製品品質に重大な影響を及ぼす。
　そのため、上記の問題の解決手段として、（１）鋼材表面に酸化防止材を塗布する（例えば特許文献１参照）、（２）鋼材の加熱温度をファイアライトの融点（約１１７０℃）以下にする（例えば特許文献２参照）、（３）完全無酸素化状態で圧延を行なう（例えば特許文献３参照）、（４）圧延前の温度、圧延中の温度を高温（約１０００℃以上）とする、（５）生成したスケールを完全に除去する（例えば特許文献４参照）、といった提案がされている。
　しかし、（１）の手段は、煩雑な塗布作業が増えるのみならず、処理剤の費用がかかるため製造コストが高くなる。また、（２）は、鋼材を低温で加熱するため、圧延機の負担が増大するとともに、鋼種によっては材料特性を確保する観点から適用できない規格が存在する。また、（３）は、設備コストが莫大となるので現実的ではない。また、（４）は、加熱炉から高温で抽出となるため、燃料の原単価が増加し、スケールロスが増大する。
　そこで、次なる解決手段として、（５）生成したスケールを完全に除去するという、いわゆるデスケーリングを行なう方策が有効である。デスケーリングを行うスケール除去装置に用いられるスケール除去用ノズルは、通常、鋼板の表面に高圧の水を噴射し、その噴射された水の衝撃力によって鋼板のスケールを剥離して除去する。
特開平１−２４９２１４号公報 特公昭５８−１１６７号公報 特公昭６０−１５６８４号公報 特許第４０８４２９５号公報
　ここで、（５）の解決手段に関し、特許文献４記載の技術は、スケール除去用ノズルの内部構造を見直すものであり、ノズル先端部のオリフィス（吐出孔）と、このオリフィスからテーパ角３０~８０°で延びるテーパ部と、このテーパ部に連なる径大部とを有する構成とし、オリフィスの短径Ｄ２に対する径大部の内径Ｄ１の割合（Ｄ１／Ｄ２）を３以上とするノズルが開示されている。
　しかしながら、特許文献４に記載の技術は、従来のスケール除去用ノズルの内部構造を最適化した技術なので、デスケーリング能力を大幅に向上させる上では限界があった。
　本発明者は、このような問題点に着目し、スケールを一層効率よく除去できる鋼板のスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法を提供すべく検討を重ねたところ、デスケーリング用ノズルから吐出した水流ジェットが液滴となり、鋼板スケール表面に発生するキャビテーションに着目した（図１参照）。そして、図２に示すように、キャビテーションにより発生した気泡が消滅する際に発生する圧力が、条件によっては同液滴が衝突する際に発生する衝撃力に比して格段に大きくなるという事象を捉え、上記水流ジェットにキャビテーションを積極的に付与することができればデスケーリング能力を向上できると考えた。そこで、種々のノズルを試作して鋭意研究を行なった結果、ノズルを所定の形状とすることにより、デスケーリング能力が大幅に向上することを見いだし、一層優れたスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法を発明するに至った。
　すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルは、鋼板の表面に水を噴射し、その噴射された水の衝撃によって鋼板のスケールを除去するスケール除去用ノズルであって、ノズル先端の吐出部は、円筒状流路を形成する径大部に連通して設けられた主流オリフィスおよび分岐流オリフィスを有し、前記分岐流オリフィスは、前記径大部内部の水流の一部を、前記主流オリフィスから吐出した水流との境界部にキャビテーションを発生させるように吐出することを特徴とする。
　従来のスケール除去用ノズルは、単一のオリフィスからの水流（主流）ジェットを連続噴流として吐出して液滴流を形成していた。しかし、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルによれば、ノズル先端の吐出部を、円筒状流路を形成する径大部に連通して設けられた主流オリフィスと分岐流オリフィスとから構成し、分岐流オリフィスは、径大部内部の水流の一部を、主流オリフィスから吐出した水流との境界部にキャビテーションを発生させるように吐出する。そのため、ノズル内部の水流の一部を、分岐流オリフィスによる分岐水路を経由して吐出させ、ノズルの主流オリフィスから吐出した水流（主流）ジェットの水流との境界部にキャビテーションを発生させることができる。この結果、従来ノズルに比べてデスケーリング能力を大幅に向上させることができる。
　ここで、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルにおいて、分岐流オリフィスから吐出する（分岐水路を経由して吐出させた）水流を、ノズルの主流オリフィスから吐出した水流（主流）ジェットの外周を囲む流れとすることが好ましい。これにより、主流オリフィスから吐出した水流（主流）ジェットの水流との境界部にキャビテーションを好適に発生させることができる。そのため、従来ノズルに比べてデスケーリング能力を一層向上させることができる。
　また、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルにおいて、前記径大部内部の水流の一部を前記分岐流オリフィスに導入する全体水量に対する割合を、０％を超え５０％以下とすることは好ましい。
　また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去装置は、圧延工程における圧延材である鋼板の上下に配置される複数のスケール除去用ノズルを備え、各スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して圧延材表面のスケールを除去するスケール除去装置であって、前記スケール除去用ノズルとして、上記本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルのうちいずれか一の態様のスケール除去用ノズルが装着されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去装置によれば、各スケール除去用ノズルが、上記本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルのうちいずれか一の態様のスケール除去用ノズルによる作用効果を奏するので、上述の作用機序により、スケールを効率よく除去することができる。
　また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去方法は、圧延工程における圧延材である鋼板の表面のスケールを、スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して除去する方法であって、前記スケール除去用ノズルとして、上記本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルのうちいずれか一の態様のスケール除去用ノズルを用い、当該スケール除去用ノズルを圧延工程での圧延材の上下に複数配置し、各スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して圧延材表面のスケールを除去することを特徴とする。
　本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去方法によれば、使用するスケール除去用ノズルが、上記本発明の一態様に係る鋼板のスケール除去用ノズルのうちいずれか一の態様のスケール除去用ノズルによる作用効果を奏するので、上述の作用機序により、スケールを効率よく除去することができる。
　上述のように、本発明によれば、圧延材表面のスケールを効率よく除去することができる。
図１は、デスケーリング用ノズルから吐出した水流ジェットが液滴となり、鋼板スケール表面に衝突する際にキャビテーションが発生する様子のイメージを示す模式図である。 図２は、図１に示すキャビテーションにより発生した気泡が消滅する際に圧力が発生する様子のイメージと、消滅時気泡半径／発生時半径と気泡近傍発生圧力との関係を併せて示す図である。 図３は、本発明に係る鋼板のスケール除去装置を備える圧延ラインの一例を示す概略構成図である。 図４は、本発明のスケール除去用ノズルの一例を示す概略斜視図である。 図５は、図４のＹ−Ｙ線の面で軸線方向に沿って切断した概略断面図である。 図６は、図４のノズル吐出部の概略正面図である。 図７は、比較例で使用した、従来のスケール除去用ノズルの吐出部を示す図である。 図８は、スプレー水によるスケール除去における水滴の鋼板への衝突モデルを示す説明図である。 図９は、水流（主流）ジェットの状態を説明する図であり、同図（ａ）は本発明のスケール除去用ノズルでの一例であり、（ｂ）は従来のスケール除去用ノズルでの例である。
　以下、本発明の一態様に係るスケール除去用ノズルを備える鋼板のスケール除去装置の一実施形態について説明する。
　図３に示すように、鋼板の圧延工程は、被圧延材（鋼板）Ｋを加熱する加熱炉５０と、加熱炉５０から取り出された被圧延材Ｋからスケールを除去するために加熱炉５０出側（ＨＳＢ）に設置された加熱炉出側デスケラ６０と、それに続いて粗圧延を行なう粗圧延機７０と、それに続いて仕上げ圧延を行なう仕上げ圧延機８０とから構成されている。
　本発明のスケール除去装置は各圧延工程に配置される。すなわち、加熱炉出側デスケラ６０には、加熱炉出側スケール除去用ノズルの装着用アダプター６１が被圧延材Ｋの上下に配置される。同様に、粗圧延機７０の粗圧延入側（ＲＳＢ）にはスケール除去用ノズルの装着用アダプター６２、仕上げ圧延機８０の仕上げ圧延入側（ＦＳＢ）にはスケール除去用ノズルの装着用アダプター６３がそれぞれ被圧延材Ｋの上下に配置される。各スケール除去用ノズルの装着用アダプター６１、６２、６３のそれぞれには、後述するスケール除去用ノズル１（以下、単に「ノズル」ともいう）が装着されている。スケール除去用ノズルの装着用アダプター６１、６２、６３に装着されたスケール除去用ノズル１は、ポンプ３０、アキュムレータ４０に配管を通して接続されており、高圧の水を被圧延材Ｋ表面に噴射することができる。なお、この設備では、複数台のポンプ３０とアキュムレータ４０とによって、噴射される高圧水の圧力と吐出量とを常に安定して確保することができる。
　次に、ノズル１について詳しく説明する。なお、図４は、ノズル１の概略斜視図、図５は図４のＹ−Ｙ線の面で軸線方向に沿って切断した概略断面図、図６は図４のノズル先端の吐出部の概略正面図である。
　図４~図６に示すように、ノズル１は、ケーシング２と、ノズルケース１１と、ノズルチップ１２とから主に構成されている。そして、これらの部材によってノズル１の軸線方向に流路（又はノズル孔）が形成されている。
　ケーシング２は、略円筒状をなしており内部に流路（又はノズル孔）を備え、ノズル１の上流側となる一端から水が流路内に流入可能になっている。そして、ケーシング２の他端にノズルケース１１が装着される。ノズルケース１１は略円筒状をなし、ノズルチップ１２がノズル１の先端部側に装着されている。ノズルチップ１２は超硬合金製であり、ここから吐出流を噴出させる。
　なお、この例では、ケーシング２は、ノズルケース１１に対してねじによって固定可能な第１のケーシング２ａと、この第１のケーシング２ａに対してねじによって固定可能な第２のケーシング２ｂとから構成されている。
　第２のケーシング２ｂの上流側端部での周面及び端面（平坦面）には、軸方向に延びる複数のスリット（又は流入口）３が周方向に所定の間隔ごとに形成されている。複数のスリット３は、不純物の流入を規制しつつ水を流入させるためのフィルタとしてはたらくものである。また、第２のケーシング２ｂ内の流路には、整流ユニット（又は整流器若しくはスタビライザ）４が配設されている。
　整流ユニット４は、スリット３から流入した水をノズル孔に案内するためのものであり、芯体から放射方向に延びる複数の整流板（整流羽根）５と、芯体の上流側及び下流側に同軸に形成され、かつそれぞれ先端部を上下流方向に向けて形成された鋭角な円錐部（上流側又は下流側が先細り状態の円錐部）６ａ、６ｂとを備えている。このようなフィルタを構成し且つ整流ユニットを備えたケーシング２は、フィルタユニット又は整流ケーシングと称することもできる。なお、整流ユニット４の整流板５は第２のケーシング２ｂの内壁に当接しているとともに、整流ユニット４は固定手段（例えば、係止、溶着、固着など）により下流側への移動が規制されている。
　ケーシング２の流路は、第２のケーシング２ｂの上流側端部（流入口）から整流ユニット４の下流端に至り、かつ実質的に同じ内径（つまり、ケーシング２ｂの上流側端部の内径と同じ内径）の円筒状流路Ｐ１と、前記整流ユニット４の下流端から下流方向に向かって第１のケーシング２ａの途中部に至り、かつ緩やかな傾斜でテーパ状に狭まる傾斜流路（環状傾斜流路）Ｐ２と、この傾斜流路の下流端から下流方向に向かって延び、かつ実質的に同じ内径（つまり、傾斜流路Ｐ２の下流側端部の内径と同じ内径）の円筒状流路Ｐ３とを備えている。この例では、傾斜流路（環状傾斜流路）Ｐ２を形成する傾斜壁（テーパ部）のテーパ角は、例えば５~１０°程度に形成されている。
　ノズルケース１１内には、ノズル１の先端部から上流方向に向かって、超硬合金製のノズルチップ１２と、前記第１のケーシング２ａの下流端と実質的に同じ内径の流路が形成されたブシュ（又は環状側壁）１７とが順次装着されている。ノズルチップ１２は掛止段部１３により先端部方向への抜けが規制されている。
　ノズル１には、その先端の吐出部となるノズルチップ１２が、円筒状流路を形成する径大部１８と、径大部１８に連続して設けられたテーパ部１６と、テーパ部１６出側に連続して設けられた楕円形状の吐出孔１５とが形成されている。ノズルチップ１２の先端面は、断面Ｕ字状の湾曲溝１４が半径方向に形成されるとともに、この湾曲溝１４の湾曲凹面に、図６に示すように、楕円形状の吐出孔１５が出側に連続して設けられている。なお、湾曲溝１４の底面は、吐出孔１５を最下部として延出方向（又は半径方向）に向かうにつれて両端部が隆起した湾曲状底面であってもよい。
　ここで、ノズル１は、ノズルチップ１２とノズルケース１１との間に、円筒状流路を形成する径大部１８に連通して設けられた二つの分岐孔（分岐流オリフィス）１９を有する。各分岐孔１９は、ノズルチップ１２の周方向に沿った円弧状（この例では円弧の中心は軸芯と一致）をなしており、ノズル内部の水流の一部を、ノズルチップ１２の吐出孔１５から吐出した水流との境界部にキャビテーションＣを発生させるように水流を吐出するように形成されている（図９（ａ）参照）。また、各分岐孔１９は、ノズルチップ１２の周方向に沿った円弧状とされることにより、吐出する水流を、吐出孔１５から吐出した水流の外周を囲む流れとしている。
　これにより、ノズル１の軸線方向に延びるノズルの流路（ノズル孔）は、湾曲溝１４に楕円形状に開口した吐出孔１５から軸線の上流方向に向かって直線的に拡径して延びるテーパ部（又は円錐状傾斜壁）１６により形成された円錐状流路Ｐ５と、ノズルチップ１２とノズルケース１１との間に形成された分岐孔１９からなる分岐流路Ｐ６と、ブシュ１７内周により形成されてテーパ部１６の上流端から軸線方向に沿って実質的に同じ内径で上流方向へ連なる円筒状流路Ｐ４と、円筒状流路Ｐ４の上流端からほぼ同じ内径で延びる円筒状径大流路（円筒状流路Ｐ４の上流端から整流ユニット４の上流端に至るまでの流路）Ｐ３~Ｐ１とで構成される。なお、テーパ部１６の上流端から実質的に同じ内径で延びる流路（この例では、テーパ部１６の上流端から緩やかな傾斜流路Ｐ２の下流端までの円筒状流路Ｐ３及びＰ４）を径大部１８とすることができる。
　なお、楕円形状の吐出孔１５は、いずれもその長径Ｄ３／短径Ｄ２比が、１．５~１．８程度に形成される。また、吐出孔１５と径大部１８との関係については、ノズルを小型化するため、吐出孔１５の短径Ｄ２に対する径大部１８（円筒状流路Ｐ３及びＰ４、又は整流ユニットから下流方向に延びる傾斜流路Ｐ２の下流端）の内径Ｄ１の割合（Ｄ１／Ｄ２）を、４．５~６．９程度に設定している。さらに、低圧及び／又は低流量であっても衝撃力を高めるため、テーパ部１６の角度（テーパ角）θは、４５~５５°程度に設定している。
　なお、ノズルケース１１やケーシング２の適所（この例では、ノズルケース２）には、アダプター（図示せず）を利用して導管（図示せず）にノズル１を取り付けるための鍔部（又はフランジ）２４などの取付部を形成できる。また、ノズルケース１１には、位置決め精度を高め、所定方向にフラット又は帯状に吐出流を噴射させるため、導管に対する位置決め用凸部２５を形成してもよい。
　次に、上述した鋼板のスケール除去装置およびこれに装着されたスケール除去用ノズル１、並びにノズル１を用いた鋼板のスケール除去方法の作用・効果について説明する。
　スケール除去装置の、スケール除去用ノズルの装着用アダプター６１、６２、６４には、ノズル１が装着されている。ノズル１は、上述のように、ノズル先端の吐出部が、円筒状流路を形成する径大部１８に連続して設けられたテーパ部１６と、テーパ部１６出側に連続して設けられた吐出孔１５とが形成され、さらに、ノズルチップ１２とノズルケース１１との間には、円筒状流路を形成する径大部１８に連通して設けられた分岐孔１９を有する。分岐孔１９は、ノズル内部の水流の一部を、ノズルチップ１２の吐出孔１５から吐出した水流との境界部にキャビテーションを発生させるように吐出する。これにより、ノズルのオリフィスから吐出した水流（主流）ジェットの水流との境界部にキャビテーションを発生させることができる。この結果、従来ノズルに比べてデスケーリング能力が大幅に向上する。よって、このスケール除去装置およびこれに装着されたスケール除去用ノズル１、並びにノズル１を用いた鋼板のスケール除去方法によれば、デスケーリングの性能、効率ともに大幅に改善することができる。
　以下、上記実施形態で説明したノズル１を実際の被圧延材Ｋの圧延工程に採用した例について説明する。鋼材としては、標準板幅１．２ｍ、標準板厚は、加熱炉５０の出側２２０ｍｍ、粗圧延入側（ＲＳＢ）６２が、２２０~７０ｍｍ、仕上げ圧延入側（ＦＳＢ）６３が、６０~４０ｍｍを使用した。従来型（図７参照）との比較実験の結果を次の表１に示す。なお、この例では、噴射圧力Ｐ０［Ｐａ］、デスケーリング流量［ｌ／ｍｉｎ］、およびスプレー距離Ｈ［ｍ］に応じてノズル内部の水流の一部を前記分岐孔に導入する全体水量の割合を、０％を超え５０％以下の範囲で調整している。
　評価方法としては、以前に提案したデスケーリング能力評価モデル（特許第３１２９９６７号公報参照）を用いて検討した。
　つまり、デスケーリング能力は噴射水が鋼材表面に衝突する際に発生する総衝撃力（Ｆ）および単位衝撃力（Ｓ）で評価することができる。図８は、噴射水によるスケール除去における水滴の鋼板への衝突モデルを示す図である。同図において、総衝撃力（Ｆ）および単位衝撃力（Ｓ）は、以下の式で示すことができる。
　Ｆ＝Ｐ０×ａ×Ｃ×（３／ｄ）×α×ｔ
　Ｓ＝Ｆ／Ａ
　但し、Ｆ：鋼板表面での噴射された水の総衝撃力［Ｎ］，Ｓ：鋼板表面での噴射された水の単位衝撃力［Ｐａ］，Ｐ０：噴射圧力［Ｐａ］，ａ：オリフィス面積［ｍ２］，Ｃ：音速［ｍ／ｓ］，ｄ：水滴の粒子径［ｍ］，α：係数，ｔ：衝撃波が液滴中を伝わる時間［ｓ］である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　同表から判るように、デスケーリング能力は、いずれの工程においてもデスケーリング能力の向上が従来比で１．３~１．５倍であり、ポンプ３０での電力使用量は７０％、そして、デスケーリング能力向上による流量の削減可能代は３０％減、また、デスケーリング能力に起因する品質不良発生率も従来比で５０％未満となった。したがって、スケール除去用ノズル１によれば、デスケーリングの性能、効率ともに大幅に改善されたことが判る。
　また、従来型（図７および図９（ｂ）参照）との比較実験の結果によれば、噴射圧力Ｐ０［Ｐａ］、デスケーリング流量［ｌ／ｍｉｎ］、およびスプレー距離Ｈ［ｍ］に応じてノズル内部の水流の一部を分岐孔１９に導入する全体水量の割合を、０％を超え５０％以下の範囲で調整すれば、十分な効果が得られることを確認した。
　なお、本発明に係る鋼板のスケール除去用ノズルおよび鋼板のスケール除去装置並びに鋼板のスケール除去方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。
１　（スケール除去用）ノズル
２　ケーシング
４　整流ユニット
１１　ノズルケース
１２　ノズルチップ
１４　湾曲溝
１５　吐出孔（主流オリフィス）
１６　テーパ部（又は円錐状傾斜壁）
１７　ブシュ（又は環状側壁）
１８　径大部
１９　分岐孔（分岐流オリフィス）
２０　吐出部
３０　ポンプ
４０　アキュムレータ
５０　加熱炉
６０　加熱路出側デスケラ
６１、６２、６３　スケール除去用ノズルの装着用アダプター
７０　粗圧延機
８０　仕上げ圧延機
Ｋ　被圧延材（鋼板）
Ｐ１　円筒状流路
Ｐ２　傾斜流路
Ｐ３　円筒状流路
Ｐ４　円筒状流路
Ｐ５　円錐状流路
Ｐ６　分岐流路

Claims (5)

  1. 　鋼板の表面に水を噴射し、その噴射された水の衝撃によって鋼板のスケールを除去するスケール除去用ノズルであって、
    　ノズル先端の吐出部は、円筒状流路を形成する径大部に連通して設けられた主流オリフィスおよび分岐流オリフィスを有し、前記分岐流オリフィスは、前記径大部内部の水流の一部を、前記主流オリフィスから吐出した水流との境界部にキャビテーションを発生させるように吐出することを特徴とする鋼板のスケール除去用ノズル。
  2. 　前記分岐流オリフィスから吐出する水流を、前記主流オリフィスから吐出した水流の外周を囲む流れとすることを特徴とする請求項１に記載の鋼板のスケール除去用ノズル。
  3. 　前記径大部内部の水流の一部を前記分岐流オリフィスに導入する全体水量に対する割合を、０％を超え５０％以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板のスケール除去用ノズル。
  4. 　圧延工程における圧延材である鋼板の上下に配置される複数のスケール除去用ノズルを備え、各スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して圧延材表面のスケールを除去するスケール除去装置であって、
    　前記スケール除去用ノズルとして、請求項１~３のいずれか一項に記載のスケール除去用ノズルが装着されていることを特徴とする鋼板のスケール除去装置。
  5. 　圧延工程における圧延材である鋼板の表面のスケールを、スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して除去する方法であって、
    　前記スケール除去用ノズルとして、請求項１~３のいずれか一項に記載のスケール除去用ノズルを用い、当該スケール除去用ノズルを圧延工程での圧延材の上下に複数配置し、各スケール除去用ノズルから高圧の水を圧延材表面に噴射して圧延材表面のスケールを除去することを特徴とする鋼板のスケール除去方法。
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