WO2022107237A1 - 冷却ロール装置 - Google Patents

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安彦 大久保
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat

Definitions

  • the present invention relates to a cooling roll device used for a metal thin plate foil band manufacturing device, a continuous casting device, a resin plate, a resin film manufacturing device, and the like.
  • metal cooling rolls have been used for various purposes such as continuous metal casting, hot rolling, and intermediate annealing.
  • the amount of heat possessed by the molten metal is transferred to a metal roll, and the molten metal is continuously cooled by cooling the metal roll to produce a thin plate foil band.
  • This roll gets hot and needs to be cooled.
  • Rolls are also frequently used in the production of resin films and the like, and require cooling. These cooling rolls may be air-cooled if the temperature does not rise so much, but in most cases they are water-cooled. However, if the temperature of the roll is very high, even water cooling causes a difficult problem.
  • the single roll liquid quenching method when manufacturing a thin sheet metal strip of amorphous metal, the single roll liquid quenching method is used. Conventionally, it has been considered to use an iron-based amorphous alloy with a small power loss for the iron core of a transformer or a motor, and the cooling roll used when manufacturing an amorphous metal thin plate foil band is a thin plate foil band. It is one of the hottest cooling rolls used in the equipment. In the single-roll liquid quenching method, high-temperature molten metal is ejected from a metal discharge nozzle provided on the upper part of the cooling roll onto a cooling roll that rotates at high speed, and the metal is cooled and solidified by the cooling roll to obtain a thin plate metal.
  • the roll is cooled by supplying a large amount of water into the cooling roll, and a large amount of water is supplied into the cooling roll by a high-pressure pump. Need to be circulated.
  • water is supplied into the cooling roll and the heated water is discharged.
  • the cooling roll rotates, water touches the high temperature part on the inner surface of the cooling roll, the temperature of the water rises, and the heat corresponding to the temperature rise is deheated from the high temperature part as sensible heat and exhausted.
  • the heat capacity to be exhausted is the average temperature of the discharged water minus the average temperature of the supplied water multiplied by the specific heat of the water and the amount of water.
  • it is generally done by flowing a large amount of water.
  • the contact time between the inner surface of the cooling roll and the water becomes shorter and the average temperature on the discharge side is less likely to rise. Even if the amount of water supplied is increased significantly, the specific heat does not change, so the cooling efficiency does not increase.
  • the thickness of many industrially realized iron-based amorphous foil strips is about 0.025 mm. If this thickness is doubled to 0.05 mm, the productivity is doubled and the cost can be greatly reduced. If it becomes 0.1 mm, the productivity will increase four times. However, since the heat capacity of the molten alloy is also doubled or quadrupled, cooling cannot keep up, and the conventional methods have limited the thickness to about 0.05 mm and the width to about 50 mm. Amorphous metal is used for iron cores of motors and transformers, but the width is insufficient and amorphous foil strips of this thickness have not yet been commercialized.
  • the biggest problem with this latent heat cooling method is that a large amount of steam is generated, which spouts out from inside the cooling roll body at high speed. This speed becomes the same as that of a typhoon due to expansion during evaporation.
  • the treatment method is to release the steam into the atmosphere as it is, or to cool the steam and return it to hot water, and circulate this hot water in the furnace for reuse. It is a waste of water and energy to release all the steam to the atmosphere, and the method of cooling and recovering the steam has a problem that the cooling device requires a large installation space and cost.
  • the cooling roll device has a hollow roll body for cooling a high-temperature object in contact with the outer peripheral portion, a water supply pipe that supplies water or hot water in a liquid state in the roll body, and a roll body.
  • a first cooling roll having a discharge port for discharging the generated water vapor, receiving the water vapor from the discharge port, exchanging heat with a medium having a boiling point lower than that of water, and returning the water vapor to the inside of the roll body as a liquid.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram which shows an example of the thin plate foil band manufacturing apparatus which uses the cooling roll apparatus by one Embodiment of this invention. It is an axial sectional view which shows the structure of the cooling roll part in the cooling roll apparatus by one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the structure of the cooling roll apparatus by one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an amorphous metal thin plate foil band manufacturing apparatus by a single roll liquid quenching method in which a cooling roll apparatus according to the present invention is used.
  • an alloy molten metal 4 heated by a high-frequency coil 3 in a crucible 2 and in a molten state is held above a cooling roll 1 made of copper or a copper alloy having good thermal conductivity.
  • the alloy molten metal 4 receives pressure such as atmospheric pressure in the direction of the arrow 5 and is extruded to the upper surface of the cooling roll 1 through the metal discharge nozzle 6 to form a hot water pool, and the heat of the alloy molten metal 4 is metal.
  • the molten alloy 4 is cooled and solidified by moving to the cooling roll 1 made of the above-made metal.
  • the cooling roll 1 By rotating the cooling roll 1 around the roll shaft 7 in the direction of arrow 8 by a drive device (not shown), the molten alloy 4 is cooled to form a thin alloy foil band 9, and the peeling gas is directed in the direction of arrow 10.
  • the alloy foil band 9 is peeled off from the outer surface of the cooling roll 1 by spraying on.
  • FIG. 2 is an axial sectional view showing a schematic configuration of a cooling roll 1 used in a cooling roll device according to an embodiment of the present invention.
  • a hollow roll shaft 7 is provided on one end side of a hollow cylindrical cooling roll 1, and a water supply pipe 11 penetrates the hollow portion of the roll shaft 7 and extends downward to the hollow portion of the cooling roll 1. It is provided to spout out.
  • the alloy molten metal 4 comes into contact with the upper part of the outer surface of the roll body 13, and the temperature of the roll body 13 becomes high, causing the water in the roll body 13 to evaporate. When the water evaporates, it takes heat from the roll body 13 as latent heat and cools the cooling roll 1.
  • the generated steam is discharged from the steam discharge port 15 in the direction of the arrow 18 through the hollow portion of the steam ejection cylinder 14. 16 represents the water level when rotated at high speed.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a cooling roll device 100 according to an embodiment of the present invention, and is configured by incidentally connecting a binary power generation device 200 to the cooling roll 1 in FIG.
  • the water vapor generated in the body of the cooling roll 1 is guided to the inside of the preheater 19 by the pipe 25, and preheats the liquid medium in the medium pipe 29 arranged in the preheater 19. After that, it is guided by the pipe 26 into the evaporator 20 arranged next to the preheater 19 to evaporate the medium in the medium pipe 29.
  • the pipe 25 is actually configured to connect the steam blowout cylinder 14 of the cooling roll 1 and the steam inlet (not shown) of the preheater 19, but in FIG. 3, in order to show the direction of the steam flow. It is schematically illustrated by an arrow.
  • the pipe 26 is also configured to actually connect the steam outlet (not shown) of the preheater 19 and the steam inlet (not shown) of the evaporator 20, but in FIG. 3, in order to show the direction of the steam flow. It is schematically illustrated by an arrow.
  • the medium When the medium evaporates, it takes the heat of steam as latent heat and returns the steam to hot water. At this time, the volume of water vapor shrinks to the volume when the water evaporates. Due to this contraction, the expansion pressure at the time of evaporation of water is absorbed and no particular problem occurs.
  • the returned hot water passes through the pipe 27, is combined with the hot water partially returned to the hot water by the preheater, passes through the pipe 28, and is returned to the inside of the body of the cooling roll 1. In this way, the thermal cycle of the steam system is configured.
  • the pipe 27 is actually configured to connect the hot water outlet (not shown) of the evaporator 20 and the hot water inlet (not shown) of the preheater 19, but in FIG. 3, in order to show the direction of the hot water flow. It is schematically illustrated by an arrow.
  • the pipe 28 is also actually configured to connect the hot water outlet of the preheater 19 and the water supply pipe 11 of the cooling roll 1, but in FIG. 3, in order to show the direction of steam flow. It is schematically illustrated by an arrow.
  • the medium preheated by the preheater 19 is completely evaporated by the evaporator 20, is guided to the medium turbine 21 by the medium pipe 29, rotates the medium turbine at high speed, and generates electricity by the generator 22.
  • the medium that has rotated the medium turbine passes through the medium pipe 30, is cooled by the cooling water 31 in the condenser 23, returns to the liquid medium, and is sent to the preheater 19 by the medium pump 24. In this way, the thermal cycle of the medium system is configured.
  • the medium pipe 29 is actually configured to connect the medium outlet (not shown) of the condenser 23 and the medium inlet (not shown) of the medium turbine 21, but in FIG. 3, the direction of the flow of the medium is shown. Therefore, it is schematically illustrated by an arrow.
  • the medium pipe 30 is also configured to actually connect the medium outlet (not shown) of the medium turbine 21 and the medium inlet (not shown) of the condenser 23, but in FIG. 3, the direction of the flow of the medium is shown. Therefore, it is schematically illustrated by an arrow.
  • the binary power generator 200 heats and evaporates a medium having a boiling point lower than that of water by steam as a heating source, and turns the medium turbine with the steam. It is called binary cycle power generation because it uses two thermal cycles, a steam system and a medium system, to generate electricity.
  • a medium having a boiling point lower than that of water used here for example, an organic medium such as CFC substitute, a mixed solution of water and ammonia, or the like can be used.
  • the generated electric power can be used for melting the metal supplied to the cooling roll 1 and can also be used for the electric power supplied to the binary power generation device 200. In either case, a significant portion of the enormous amount of energy used for melting can be recovered as electricity, resulting in significant energy savings compared to a simple water cooling system and compared to releasing water vapor into the atmosphere. The amount of water used will also be significantly reduced,
  • the cooling roll 1 slowly starts to rotate in the direction of the arrow 8, and when the predetermined rotation speed is reached, the cooling roll 1 continues to rotate while maintaining this rotation speed.
  • the molten alloy 4 is ejected from the metal discharge nozzle 6 above the cooling roll 1 onto the outer surface of the cooling roll 1 rotating at high speed, the ejected molten alloy 4 comes into contact with the outer surface of the cooling roll 1 and the molten alloy 4 is ejected.
  • the heat is transferred to a cooling roll 1 made of copper or a copper alloy having good thermal conductivity, and this heat is rapidly transferred from the outer peripheral portion of the cooling roll 1 to the inner peripheral portion having a low temperature, and the rapidly cooled thin plate is made of an alloy foil. It becomes a band 9 and is discharged.
  • the heat of the inner peripheral portion of the cooling roll 1 transfers heat to the water adhering to the inner wall surface, raises the temperature of the water when the temperature of the water is low, and raises the temperature of the water when the temperature of the water is high, for example, 99.9 ° C. At that time, the temperature exceeds 100 ° C immediately and the water evaporates instantly.
  • water takes a large amount of heat from the metal on the inner surface of the cooling roll 1 as latent heat.
  • the latent heat is 539 times the sensible heat per 1 ° C.
  • this cooling phenomenon is instantaneously performed on the inner wall surface of the cooling roll, and is continuously performed in accordance with the rotation of the cooling roll 1.
  • This evaporation phenomenon is proportional to the amount of heat supplied to the inner wall of the cooling roll 1. As the amount of heat supplied increases, the amount of evaporation increases proportionally, and when it is evaporating, the temperature at that point is maintained at approximately 100 ° C. When the production starts, the temperature of the water accumulated in the inner circumference of the roll reaches almost 100 ° C. When the temperature reaches 100 ° C., evaporation starts from the entire inner peripheral wall surface of the roll and the temperature of the entire cooling roll is lowered.
  • the material of the alloy molten metal 4 is manufactured when the iron-based amorphous alloy, the plate thickness of the alloy foil band 9 is 0.1 mm, the plate width is 250 mm, the production speed is 25 m / sec, the cooling start temperature is 1300 ° C, and the cooling end temperature is 300 ° C.
  • the weight of the amorphous alloy foil band is about 4.5 kg / sec.
  • the amount of water required by the conventional technique by water circulation is 72 kg / sec when the inlet temperature of the cooling roll is 30 ° C and the outlet temperature is 40 ° C.
  • the required amount of water is only 1.3 kg / sec.
  • the amount of water is about 1.8% compared to the conventional technique.
  • the amount of water used is significantly small, and even on the discharge side, the steam at 100 ° C is only returned to the hot water at 100 ° C, so the equipment is relatively simple. It's fine.
  • the generated steam can be recovered as electricity by binary power generation, a considerable amount of the power required to melt the alloy can be recovered, which enables very energy-saving production and costs. Can lead to a significant reduction in electricity.
  • the steam can be cooled and returned to hot water, and this hot water can also be recirculated for roll cooling, which also saves a large amount of water.
  • the heat capacity of the medium used for binary power generation is smaller than that of water, the amount of cooling water for returning the evaporated medium to a liquid can be smaller than that for returning water vapor to a liquid. Since the structure of the cooling roll 1 is very simple as shown in FIG. 2, it can be manufactured at low cost. Since the pressure inside the pipe does not become so high, maintenance is easy.
  • the inside of the cooling roll 1 is shown by a simple structure, but if it is desired to increase the evaporation area, a structure having irregularities inside the body portion 13 may be used. Further, although the water supply and the steam discharge port are provided on opposite sides, water may be supplied from the steam discharge port side.
  • liquid quenching method an example of the liquid quenching method is shown, but the same principle can be used for a cooling roll or the like used in a continuous casting machine or the like.
  • medium turbine 21 and the generator 22 are shown as separate devices, but an integrated turbine generator can also be used.
  • the cooling roll device used in the amorphous metal thin plate foil band manufacturing device, the resin plate, the resin film manufacturing device, etc. according to the embodiment of the present invention effectively cools the molten material such as the molten alloy and the molten resin. Allows you to continue.
  • Cooling roll 2 Crucible 3 High frequency coil 4 Alloy molten metal 5 Pressure direction 6 Metal discharge nozzle 7 Roll shaft 8 Cooling roll rotation direction 9 Alloy foil band 10 Gas spraying direction for peeling 11 Water supply pipe 12 Water supply port 13 Roll body 14 Steam outlet 15 Steam outlet 16 Water level 17 Water supply direction 18 Steam ejection direction 19 Preheater 20 Evaporator 21 Medium turbine 22 Generator 23 Condensator 24 Medium pump 25 Piping 26 Piping 27 Piping 28 Piping 29 Medium piping 30 Medium piping 31 Cooling water 100 Cooling roll device 200 Binary power generator

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Abstract

【課題】　溶融した金属などの高温物体の有効な冷却を省エネルギーで実現できる冷却ロール装置を提供する。 【解決手段】 外周部に高温物体を接触させて冷却するための中空のロール胴部、このロール胴部内に水または湯を液体の状態で供給する給水管、およびロール胴部内で発生した水蒸気を排出するための排出口を有する冷却ロールに、その発生蒸気でバイナリー発電を行い、冷えて回収された湯を冷却ロール胴部内に還流させる装置を備えた冷却ロール装置である。

Description

冷却ロール装置
　本発明は、金属薄板箔帯の製造装置、連続鋳造装置などや樹脂板、樹脂フィルムの製造装置などに使用される冷却ロール装置に関する。
　従来、金属の連続鋳造、熱間圧延、中間焼鈍などの様々な用途に、金属製の冷却ロールが使用されている。金属薄板の超急冷製造は溶湯金属の持つ熱量を金属製のロールに移し、この金属ロールを冷却することにより溶湯金属の冷却を継続的に行い、薄板箔帯の生産を行うものである。このロールは高温になるので冷却する必要がある。また樹脂フィルムなどを製造する際にもロールは多用され、冷却を必要としている。これらの冷却ロールは、それほど温度が上がらない場合には、空冷が使われることもあるが、ほとんどの場合水冷される。しかし、ロールの温度が非常に高い場合には、水冷でも難しい問題が生じてくる。
　例えば、非晶質金属の薄板箔帯を製造する場合に、単ロール液体急冷法が使用される。従来、トランスやモータの鉄心に電力損失が少ない鉄基非晶質合金を用いることが検討されており、非晶質金属薄板箔帯を製造する時に使用される冷却ロールは、薄板箔帯の製造装置に使用される冷却ロールの中で最も高温となる冷却ロールの一つである。単ロール液体急冷法は、冷却ロール上部に設けた金属吐出ノズルから高温の溶湯金属を、高速回転する冷却ロール上に噴き出し、冷却ロールにより金属を冷却固化させ、薄板金属を得るというものである。
　この最も厳しい高温にさらされるロールの冷却が可能であれば、双ロール式連続鋳造機や熱間圧延ロールなど、ここまで温度が上昇しないロールの冷却についても同様に冷却は可能である。溶湯金属を瞬時に冷却固化するためには非常に大きな熱を脱熱しなければならない。
　従来の冷却方法では、特許文献１～３に記載されているように、大量の水を冷却ロール内に供給することによりロールの冷却を行っており、大量の水を高圧ポンプで冷却ロールの中を循環させる必要がある。従来の冷却方法は、水を冷却ロール内に供給し温度の上がった水を排出する。冷却ロールが回転すると水が冷却ロール内面の高温部分に触れ、水の温度が上昇し、温度上昇分だけの熱を高温部分から顕熱として脱熱し、排熱する。
　排熱される熱容量は、排出される水の平均温度から供給される水の平均温度を引いたものに水の比熱と水量をかけた物になる。排熱の熱容量を大きくするためには、一般には水を大量に流すということで行われる。水の供給量を増やすと冷却ロール内面と水の接触時間が短くなり排出側の平均温度は上がりにくくなり、供給量を大幅に増やしたとしても、比熱が変わらないので、冷却効率は上がらない。
　多くの工業的に実現されている鉄基アモルファス箔帯の厚みは、約０．０２５ｍｍである。この厚みが２倍の０．０５ｍｍになれば、その生産性は倍になり、コストを大きく引き下げることができる。０．１ｍｍになれば生産性は４倍に上がる。しかし、合金溶湯の熱容量も２倍ないしは４倍となるため冷却が追いつかず、今までの方法では厚み０．０５ｍｍ、幅５０ｍｍ程度が限界であった。非晶質金属の用途は、モータやトランスの鉄心であるが、幅が足りずこの厚さのアモルファス箔帯はまだ商用化には至っていない。
特開２００２－４５９５１号公報 ＷＯ２０１６／０３０９２９公報 特開２０１５－２０５２９０ 特開昭５８－２９５５６号公報
　これを改善するため、特許文献４に記載されたような沸騰伝熱を利用する方法があり、また、水の潜熱を利用することにより、より少ない水量で、高速にかつ低コストでロールの冷却を行うという考え方がある。しかしこの方法は、まだ量産に使用された実例はない。
　この潜熱による冷却方法での最大の問題は、大量の蒸気が発生し、これが高速で冷却ロール胴部内から噴き出してくることである。この速度は蒸発時の膨張により、台風並みの速度となる。処理方法としては、蒸気をこのまま大気中に放出するか、この蒸気を冷却し湯に戻して、この湯を炉内に循環させて再使用するかである。蒸気を全量大気に放出するのは水とエネルギーの無駄であり、蒸気を冷やして回収する方法は、冷却装置に広い設置場所と費用が掛かるという問題があった。
　本発明による冷却ロール装置は、外周部に高温物体を接触させて冷却するための中空のロール胴部、このロール胴部内に水または湯を液体の状態で供給する給水管、およびロール胴部内で発生した水蒸気を排出するための排出口を有する冷却ロールと、排出口からの水蒸気を受け入れ、水よりも沸点の低い媒体との熱交換を行ない、水蒸気を液体としてロール胴部内に戻す第１のループ中に配置される予熱器および蒸発器と、予熱器および蒸発器により気体となった媒体を供給されるタービン、およびこのタービンからの排気を液体として予熱器および蒸発器にもどす第２のループ中に配置される凝縮器と、タービンに接続された発電機とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、非晶質金属薄板箔帯の製造装置、樹脂板、樹脂フィルムの製造装置などに使用される冷却ロールによる溶融物の有効な冷却を省エネルギーで実現できる。
本発明の一実施形態による冷却ロール装置が使用される薄板箔帯製造装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態による冷却ロール装置のうち冷却ロール部分の構成を示すを示す軸方向断面図である。 本発明の一実施形態による冷却ロール装置の構成を示す模式図である。
　以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明による冷却ロール装置が使用される単ロール液体急冷法による非晶質金属の薄板箔帯製造装置の一例を示す概略構成図である。図１において、熱伝導性の良い銅または銅合金からなる冷却ロール１の上方に、坩堝２中で高周波コイル３により加熱され溶融状態となった合金溶湯４が保持されている。
　この合金溶湯４は、大気圧などの圧力を矢印５の方向に受けて、金属吐出ノズル６を通して、冷却ロール１の上表面に押し出され、湯溜りを形成し、合金溶湯４がもつ熱が金属製の冷却ロール１に移り、合金溶湯４が冷却固化される。
　冷却ロール１をロール軸７を中心に図示しない駆動装置により矢印８の方向に回転させることにより、合金溶湯４が冷却されて薄板の合金箔帯９が形成され、剥離用ガスを矢印１０の方向に吹き付けることによって、合金箔帯９が冷却ロール１の外表面から剥離される。
　図２は、本発明の一実施形態による冷却ロール装置に使用される冷却ロール１の概略構成を示す軸方向断面図である。図２において、中空の円筒状の冷却ロール１の一端側に中空のロール軸７が設けられており、給水管１１がロール軸７の中空部を貫通し、冷却ロール１の中空部に延び下向きに噴き出すように設けられている。
　ロール胴部１３の外表面上部に合金溶湯４が接触してロール胴部１３は高温となり、ロール胴部１３内の水を蒸発させる。水は蒸発時に潜熱としてロール胴部１３から熱を奪い冷却ロール１を冷却する。発生した水蒸気は、蒸気排出口１５から矢印１８の方向に蒸気噴き出し筒１４の中空部を通して排出される。１６は高速回転させた場合の水位を表している。
　図３は、本発明の一実施形態による冷却ロール装置１００の概略構成を示す模式図であり、図２中の冷却ロール１にバイナリー発電装置２００を付帯接続して構成されている。図３に示すように、冷却ロール１の胴部内で発生した水蒸気は配管２５により予熱器１９の内部に導かれ、予熱器１９内に配置されている媒体配管２９内の液体の媒体を予熱し、その後、予熱器１９の次に配置された蒸発器２０内に配管２６により導かれ、媒体配管２９中の媒体を蒸発させる。冷却ロール１から排出されたときの蒸気の発生圧力は高く、速度は速いが、蒸気は予熱器１９及び蒸発器２０を通過するときには、媒体の蒸発により急激に冷やされその体積は収縮し、元の体積に戻るので問題は起こらない。
　配管２５は、実際には、冷却ロール１の蒸気吹き出し筒１４と予熱器１９の図示しない蒸気入口とを連結するように構成されているが、図３中では、蒸気の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。配管２６も、実際には、予熱器１９の図示しない蒸気出口と蒸発器２０の図示しない蒸気入口とを連結するように構成されているが、図３中では、蒸気の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。
　媒体は蒸発する際に水蒸気の熱を潜熱として奪い、水蒸気を湯に戻す。この時水蒸気の体積は水が蒸発した時の体積まで収縮する。この収縮により水の蒸発時の膨張圧力は吸収され特段の問題は発生しない。戻った湯は配管２７を通り、予熱器で一部湯に戻った湯と合わせて、配管２８を通って、冷却ロール１の胴部内に還流される。このように、水蒸気系統の熱サイクルが構成されている。
　配管２７は、実際には、蒸発器２０の図示しない湯出口と予熱器１９の図示しない湯入口とを連結するように構成されているが、図３中では、湯の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。配管２８も、実際には、予熱器１９の図示しない湯出口と冷却ロール１の給水管１１とを連結するように構成されているが、図３中では、蒸気の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。
　一方、予熱器1９で予熱された媒体は蒸発器２０で完全に蒸発し、媒体配管２９により、媒体タービン２１に導かれ、媒体タービンを高速回転させ、発電機２２で発電を行う。媒体タービンを回した媒体は媒体配管３０を通り、凝縮器２３で冷却水３１により冷やされ液体媒体に戻り、媒体ポンプ２４で予熱器１９に送られる。このように、媒体系統の熱サイクルが構成されている。
　媒体配管２９は、実際には、凝縮器２３の図示しない媒体出口と媒体タービン２１の図示しない媒体入口とを連結するように構成されているが、図３中では、媒体の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。媒体配管３０も、実際には、媒体タービン２１の図示しない媒体出口と凝縮器２３の図示しない媒体入口とを連結するように構成されているが、図３中では、媒体の流れの方向を示すために矢印で模式的に図示している。
　バイナリー発電装置２００は、加熱源としての水蒸気により、水より沸点の低い媒体を加熱・蒸発させてその蒸気で媒体タービンを回す。水蒸気系統と媒体系統の二つの熱サイクルを利用して発電することから、バイナリーサイクル発電と呼ばれている。ここで使用される水よりも沸点の低い媒体として、たとえば代替フロンなどの有機媒体、水とアンモニアの混合液などが使用できる。発電された電力は、冷却ロール１に供給される金属の溶解に使用することができ、またバイナリー発電装置２００に供給される電力に使用することもできる。いずれの場合も、溶解に使用される膨大なエネルギーのかなりの部分が電気として回収できるので、単なる水冷方式に比べて大幅な省エネルギーが達成でき、また水蒸気を大気中に放出する場合に比べて、水の使用量も大幅に減らせることになる、
　次に、以上のように構成された冷却ロール装置１００の作用を説明する。図１において、製造開始時、冷却ロール１は矢印８の方向にゆっくりと回り始め、所定の回転数に達したらこの回転数を維持しながら回転を続ける。冷却ロール１上方にある金属吐出ノズル６から高速回転する冷却ロール１の外表面上に合金溶湯４を噴き出すと、噴き出された合金溶湯４は冷却ロール１の外表面に接触し、合金溶湯４の熱は熱伝導性の良い銅または銅合金からなる冷却ロール１に伝達され、この熱は冷却ロール１の外周部から温度の低い内周部に急速に伝達され、急冷された薄板は合金箔帯９となり排出される。
　冷却ロール１の内周部の熱は、内壁面に付着している水に熱を伝え、水の温度が低い時は水の温度を上昇させ、水の温度が高い時、例えば９９．９℃の時はすぐに１００℃を超え、瞬時に水を蒸発させる。蒸発する時、水は潜熱として冷却ロール１内面の金属から大量の熱を奪う。潜熱は１℃あたり顕熱の５３９倍ある。しかも、この冷却現象は冷却ロール内壁面で瞬時に行われ、冷却ロール１の回転に合わせて連続して行われる。
　この蒸発現象は冷却ロール１の内壁への熱の供給量に比例する。熱の供給量が増えると、それに比例して蒸発量が増え、蒸発している時はその点の温度はほぼ１００℃を維持する。製造が始まると、ロール内周部にたまっている水の温度はほぼ１００℃に達する。１００℃に達している場合には、ロール内周壁面全体から蒸発が始まり冷却ロール全体の温度を下げる。
　合金溶湯４からの熱の供給が非常に大きい場合には、冷却ロール１の内壁面全体から沸騰が始まる。こうした場合には蒸発する面積を増やすと好都合である。ロール内面に凹凸をつければ接触面積が広がり冷却能力が強化される。ロール内面と水の接触面積が増えるのであれば、凹凸の形状はどのようなもので良い。
　ここで、従来技術による冷却方法と本発明の一実施形態による冷却方法での冷却に必要な水量の一例を示す。合金溶湯４の材料は鉄基アモルファス合金、合金箔帯９の板厚０．１ｍｍ、板幅２５０ｍｍ、製造速度２５ｍ／ｓｅｃ、冷却開始温度１３００℃、冷却終了温度３００℃とした場合、製造されるアモルファス合金箔帯の重量は約４．５ｋｇ／ｓｅｃである。
　水循環による従来技術で必要な水量は、冷却ロールの入り口温度３０℃、出口温度４０℃とした場合に、７２ｋｇ／ｓｅｃとなる。本発明の一実施形態のように水を入れて蒸気を排出する場合には、その必要水量は１．３ｋｇ／ｓｅｃで済む。従来技術に比べて約１．８％の水量で済むことになる。
　従来の水の循環による冷却方法では、水の循環量を多くするためには、高容量のポンプを使用しなければならない。この場合、冷却ロール内に供給側から入った水は冷却ロール内面で周方向に均等に配分されて冷却に寄与するような構造にしなければならない。そのようにしなければ、供給した水はそのまま排出側に出てしまい、冷却に寄与できないことになる。水が冷却ロール内面で周方向に均等に配分されるためには、冷却ロール内に特別な配管などを設ける必要があり、冷却ロールの製造コスト増となる。また、ロール全体の回転バランスをとる必要があり、これにもコストがかかる。また、大量の水を使用するので、水の冷却設備も大きくなり、費用がかかることになる。供給側、排出側の配管は高圧にさらされるので、漏れが無いように保守整備の負担も増加する。
　一方、本実施形態の場合には、使用する水の量は大幅に少なく済み、排出側においても、１００℃の蒸気から１００℃の湯に戻すだけであるから、その設備は比較的簡単なものでよい。本実施形態では、発生した水蒸気からバイナリー発電で電気として回収することができるので、合金を溶解するために要した電力のかなり多くを回収できることになり、非常に省エネルギーでの生産が可能となり、コストの大幅低減につなげることができる。また水蒸気でバイナリ発電を行うことにより、水蒸気を冷やして湯に戻すことができ、またこの湯もロール冷却に再循環使用することができるので、これも大きな水の節約となる。バイナリー発電に使用する媒体の熱容量は水よりも小さいので、この蒸発した媒体を液体に戻す冷却水は、水蒸気を液体に戻すよりも少ない水量で済ますことができる。冷却ロール１の構造は、図２で示したように非常に単純であるから低コストで製作することができる。配管内の圧力もそれほど高圧になることはないので、保守メンテナンスも容易である。
　冷却ロール１内は単純な構造で示したが、蒸発面積を増やしたい場合には、胴部１３内に凹凸を設けた構造にしても良い。また、水の供給と水蒸気の排出口は反対側に設けたが、水蒸気の排出口側から水の供給を行ってもよい。
　ここでは液体急冷法の例で示したが、連続鋳造機などに使用される冷却ロールなどにも同様の原理で使用できる。
　また、図３に示した実施形態では、媒体タービン２１と発電機２２が別個の装置として示しているが、一体型のタービン発電機を使用することもできる。
　本発明の一実施形態による非晶質金属薄板箔帯の製造装置、樹脂板、樹脂フィルムの製造装置などに使用される冷却ロール装置は、合金溶湯、溶融樹脂などの溶融物の冷却を有効に継続することを可能にする。
１　　　冷却ロール
２　　　坩堝
３　　　高周波コイル
４　　　合金溶湯
５　　　圧力方向
６　　　金属吐出ノズル
７　　　ロール軸
８　　　冷却ロール回転方向
９　　　合金箔帯
１０　　剥離用ガス吹付方向　　　
１１　　給水管
１２　　給水口
１３　　ロール胴部
１４　　蒸気吹き出し筒
１５　　蒸気排出口
１６　　水位
１７　　水の給水方向
１８　　蒸気の噴き出し方向
１９　　予熱器
２０　　蒸発器
２１　　媒体タービン
２２　　発電機
２３　　凝縮器
２４　　媒体ポンプ
２５　　配管
２６　　配管
２７　　配管
２８　　配管
２９　　媒体配管
３０　　媒体配管
３１　　冷却水
１００　冷却ロール装置
２００　バイナリー発電装置

Claims (1)

  1. 　外周部に高温物体を接触させて冷却するための中空のロール胴部、このロール胴部内に水または湯を液体の状態で供給する給水管、および前記ロール胴部内で発生した水蒸気を排出するための排出口を有する冷却ロールと、
    　前記排出口からの水蒸気を受け入れ、水よりも沸点の低い媒体との熱交換を行ない、前記水蒸気を液体として前記ロール胴部内に戻す第１のループ中に配置される予熱器および蒸発器と、
    　前記予熱器および蒸発器により気体となった前記媒体を供給されるタービン、およびこのタービンからの排気を液体として前記予熱器および蒸発器にもどす第２のループ中に配置される凝縮器と、
    　前記タービンに接続された発電機とを備えたことを特徴とする冷却ロール装置。
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