高温物体的冷却方法及其冷却装置.pdf

下面，用附图说明本发明的第一至第六发明。
[第一发明]

第一发明是，在耐火材料的结构物件冷却时，使用安装喷雾水直接冲击耐火材
料的冷却面的喷嘴的旋转式喷嘴头，使被冷却面全部均等冷却。而且，根据喷雾水
冲击被冷却面即耐火材料表面的位置，随时控制该喷嘴头旋转的角速度。

图1示出了本发明的用于鱼雷形铁水罐车的耐火材料的冷却装置的一例的侧
视图。

在图1中，1表示鱼雷形铁水罐车，2表示鱼雷形铁水罐车耐火材料，3表示喷雾
喷嘴，4表示喷嘴头，5表示喷雾水，6是表示喷雾用水配管(软管)(系统6)，7
表示喷雾用压缩空气配管(软管)，8表示加速喷雾水的水滴用或空气冷却用的空
气配管，9表示加速喷雾水水滴用或空气冷却用的空气送风机，10表示由电机、电
路等构成的喷嘴头的旋转装置11表示喷嘴头的升降装置，12表示绞车，13表示支
持辊，14表示滑车，15表示伸缩的波纹管，16表示钢丝绳，17、18、19表示台架，20
表示随时检测喷嘴头4旋转方向中角度位置的检测装置(下文称喷嘴头旋转方向
角度位置检测装置)，21表示随时控制喷嘴头4角速度的控制装置(下文称喷嘴
头旋转角速度控制装置)，f_R示出了喷嘴头的旋转方向，f_NH示出了喷嘴头的升降方
向。

如图1所示，鱼雷形铁水罐车1的耐火材料2冷却时，由喷嘴头4、绞车12、
支持辊13、滑车14等构成的喷嘴的升降装置11设置在鱼雷形铁水罐车1的内部。

喷嘴头4因喷嘴头旋转装置10，而在水平面内，使得沿包括的喷嘴头旋转方向
f_R旋转，与此同时从水喷雾喷嘴3的尖端喷出的喷雾水直接喷射耐火材料2的被冷
却表面，耐火材料被直接冷却。

喷嘴头4，用检测装置20和控制装置21，根据各被冷却面随时改变、控制喷嘴
头4旋转角速度。包含下面的喷嘴头的旋转的实际效果的传热系数α_A(θ＝θ₁)在被
冷却面的耐火材料的各处是一定的。

一方面，从水喷雾喷嘴3的喷嘴尖端的外周部由送风机9与喷雾水同时独立地
喷出空气，用这种空气加速鱼雷形铁水罐车1内的喷雾水5的流速，促进被冷却面
上喷雾水水滴的破坏、蒸发，提高冷却速度以完成急骤冷却。

图2示出了图1中水喷雾喷嘴3的详细图。

图2(a)是水喷雾喷嘴的平面图，在与纸面平行的平面内旋转(方向用f_R表
示)。图2(b)是图2(a)的A-A剖视的正视图，图2(c)是图2(a)的b-b剖
视的侧视图。

再者，在图2中，3表示水喷雾喷嘴，3a表示空气-水喷雾式喷嘴尖端，3b表示空
气喷出口，30表示喷雾用水流路，31表示水喷雾用的压缩空气流路，32表示喷雾水
用压缩空气流路，33表示喷雾水加速用空气(下文称喷雾水加速用空气)配管，34
表示喷嘴喷雾水，35表示喷雾水加速用空气，f_Nw表示喷嘴喷雾水的喷出方向，f_A表
示喷雾水加速用空气喷出的方向。

如图2所示，水喷雾喷嘴3，在空气-水喷雾式喷嘴的尖端3a的外周部处，在与
喷雾水喷出的方向实质相同的方向上设置开口的空气喷出口3b。

还如图2所示，喷雾水加速用空气从喷嘴的后方喷出。由此，(1)喷雾水水
滴在被冷却面上的冲击速度就大于水滴的破坏冲击速度，因此，促进水的蒸发，提
高了冷却能力。(2)导入对应蒸发水量的饱和空气量以上的空气，进行耐火材料
的干冷却。在本说明书中，这里所说的喷雾水加速用空气，有时称为搅拌用空气。

下面，说明第一发明中的原理。

图3示出了图1的鱼雷形铁水罐车的耐火材料的冷却装置中鱼雷形铁水罐车
的主要部分的剖视图(平面图)。

在图3中，θ是鱼雷形铁水罐车的中心轴(旋转轴)lT与喷雾水的喷出方向的
中心线f_NWC所成的角，s(θ＝90°)，s(θ＝0°)分别表示θ＝90°、θ＝0°时耐火材料冷却面
的单位面积，其它符号与图1和图2所示的内容相同。

在图3中，喷嘴头4以一定的旋转角速度随时旋转的情况下，被冷却面的耐火
材料表面的传热系数随时间的变化示于图4，

即与角度θ相当处的耐火材料表面的传热系数α用下式(1)表示。

α＝f(θ)＝g(因水量密度、冲击速度、粒径分布、空气强制对流造成的气相
传热系数)……(1)

这是因为，在与角度(θ)相当处，根据冲击被冷却面的喷雾水的粒径和冲击
速度决定的被冷却面的破坏水量密度(被冷却面单位面积冲击破坏喷雾水的量)
和空气强制对流的气相传热系数随角度θ变化，传热系数α随离喷嘴头的距离变
化。

传热系数α可以根据实验测量的喷嘴喷雾水的水量、液滴直径、喷嘴喷雾水
的喷射角度(立体角)、喷嘴到被冷却面的距离、被冷却面的温度和喷雾水的冲
击速度求出。

角度θ_i处的耐火物体的被冷却面的单位面积S(θ＝θ_i)的喷雾水的喷雾时间设
为t_I，喷嘴头旋转180°所要求的时间设为T，则单位面积S(θ＝θ_i)表观传热系数K_i
用下式(2)、(3)表示，图5示出了冷却时间率(t_i/T)关系。

K_i＝h×(t_i/T)           ……(2)

h＝α＝f(θ_i)            ……(3)

结果，与角度θ_i相当处的耐火材料的冷却面的单位面积S(θ＝θ_i)中的包含喷嘴
头的回转的实际有效传热系数α_A(θ＝θ_i)用下式(4)表示。

α_A(θ＝θ_i)＝[f(θ_i)]×(t_i/T)      ……(4)

但是，为了使α_A(θ＝θ₁)＝α_A(θ＝θ₂)＝…＝α_A(θ＝θ_i)＝…＝α_A
(θ＝θ_n)，只要控制角度θ₁、θ₂…θ_i…θ_n的相当处的喷雾水的喷雾时间
t_i，就能使各处的冷却均等。

上述控制可以根据喷嘴头旋转时的旋转角速度对的角度θ的变化来进行，例如，
在图3的情况下，可以对应角度θ的增减，而增减旋转的角速度。
[第二发明]

第二发明是，喷嘴喷雾水直接冷却耐火材料时，根据冷却面的温度随时地变化
控制喷雾水的液滴直径，借此完成耐火材料的干冷却。

根据第二发明，完成耐火物体的干冷却，同时在被冷却面的温度高时用液滴直
径大的喷嘴喷雾水，而在被冷却面的温度低时，用液滴直径小的喷嘴喷雾水，由此
可以减少喷嘴喷雾水用压缩空气制成喷雾对所必需的电力的使用量。

图6示出了喷雾水的水滴的最大粒径与被冷却面的温度和润湿状态的关系。

如图6所示，被冷却面的湿润状态与喷雾水的水滴的最大粒径和被冷却面的温
度相关。

图6示出了被冷却面的干态与湿态的边界线(5)和湿态与润湿态的边界线(6)，
各自用下式(5)和(6)表示。

R_max＝-0.002933×T²+1.200T-22.67     ……(5)

R_max＝-0.002597×T²+1.442T-23.51(6)  ……(6)

在上述式中，T表示被冷却面温度(℃)，R_max表示喷雾水的水滴的最大粒径。

即，喷雾水的水滴最大粒径R_max满足下式(7)的情况下，被冷却面是干燥状态，
满足下式(8)的情况下，被冷却面是湿状。

R_max＜-0.002933×T²+1.200T-22.67      ……(7)

-0.002933×T²+1.200T-22.67＜R_max＜-0.002597×T²+1.442T-23.51…(8)

本发明，使用图6所示的喷雾水的水滴最大粒径和被冷却面的温度与被冷却面
湿状的关系，根据被冷却面温度随时间的变化，控制喷雾水的液滴直径，完成了耐
火材料的干冷却。

上述第二发明的优选方案(1)，被冷却面在200℃以下冷却时，使用水滴的最大
粒径为100μm以下或水滴的平均粒径为85μm以下的水喷雾。

如上述的图6所示，在被冷却面的温度在200℃的情况下，使用水滴的最大粒
径超过100μm或水滴的平均粒径超过85μm的喷雾水进行冷却，保持被冷却面的湿
状或润湿态。

下面描述用水滴的最大粒径超过100μm或水滴的平均粒径超过85μm的喷雾水
直接冷却(喷雾冷却)，用水滴的最大粒径为100μm以下或水滴的平均粒径为85μm
以下的喷雾水直接冷却(雾冷却)，使用送风机的空气的空气冷却(吹风冷却)。

在上述第二发明及其优选方案(1)中，在用上述的喷嘴喷雾水进行直接冷却
后，优选进行空气冷却，所述的空气冷却是吹风冷却。

上述的第二发明的优选方案(2)中，耐火材料冷却时，被冷却面温度大于200
℃时，使用水滴的最大粒径超过100μm或水滴的平均粒径超过85μm的喷雾水进行
直接冷却，被冷却材料的温度高于50℃小于等于200℃时，用水滴的最大粒径为
100μm以下或水滴的平均粒径为85μm以下的的喷雾水进行直冷却，被冷却材料温
度小于等于50℃时，进行空气冷却。这样效果更佳。

在空气冷却情况下，优选吹风冷却。

根据被冷却面的温度选择冷却方法，其理由为(a)～(c)。

(a)被冷却面温度高于200℃时，发生被冷却面的润湿，因此使用冲击速度小
的液滴直径大的喷雾水，但是可以有效地利用水的蒸发潜热，急速冷却是可能的。

(b)被冷却面温度大于50℃小于等于200℃时，被冷却面易润湿，虽然因液滴
直径小限制了破坏的水量，但是，由于未被破坏的液滴载带在气流中进行排气，可
以提高冷却能力和确保被冷却面的干条件。

(c)被冷却面的温度大于50℃时，被冷却面非常易润湿，可能防止液滴润湿和
使部分湿状处干燥。

图7模式地示出了按照第二发明的优选方案(2)的冷却方法的一个实例。图
7(a)示出了水滴的平均粒径＝120μm的烟雾冷却，图7(b)示出了水滴平均粒径
＝30μm的雾冷却，图7(c)示出了吹风冷却各个喷雾水的喷雾状况和空气喷出情况，
图7(d)示出了耐火材料的冷却曲线。

图7(a)-(c)中，36表示烟雾，37表示雾，38表示空气。

即，根据第二发明的优选方案(2)，耐火物体的表面温度超过200℃的情况下，
例如进行平粒径为120μm的烟雾冷却，耐火物体表面温度达到200℃后，例如进行
平均粒径为30μm的雾冷却，耐火物体表面的温度达到50℃后，进行吹风冷却，完成
耐火材料的完全干冷却。

上述第二发明的优选方案(3)，是被冷却面温度T大于50℃，小于等于200℃
时，使喷雾水水滴的最大粒径R_max满足下式(7)，根据被冷却面的温度随时间的变
化控制喷嘴喷雾水的液滴直径进行冷却后，在被冷却面的温度小于等于50℃时，用
送风机进行空气冷却更佳。

R_max＜-0.002933×T²+1.200T-22.67     ……(7)

下面，描述第二发明的的具体方法的一例。

图8示出了喷雾水量和向水喷雾用压缩空气喷嘴供给压力与喷雾水的液滴直
径之间的关系。

如图8所示，用同一喷嘴，调节水喷雾用压缩空气的供给压力和喷雾水量，可能
选择烟雾冷却和吹风冷却。

图9示出了冷却前的耐火材料表面温度(被冷却面温度)为900℃的情况的冷
却图的一个实例。

按照图9所示的方法，在被却面温度超过200℃时的时刻，调节喷嘴空气的压
力＝1.0kg/cm²，喷嘴水量＝1.28t/h，进行平均粒径为120μm的烟雾冷却，被冷却面
的温度达到200℃后，调节喷嘴空气压力＝2.0kg/cm²，喷嘴的水量＝0.47t/h，进行平
均粒径为30μm的雾冷却，被冷却面温度达到50℃后，进行吹风冷却，可以进行耐火
材料的全干冷却。

图10示出了优选地适用于第二发明的耐火材料构件冷却装置的配管系统的一
个实例的模式图。

在图10中，4表示喷嘴头，41a、41b、42a、42b、43a、43b、44a、44b、45a、
45b、46a、46b表示水喷雾喷嘴， 47表示水泵，9表示送风机，49表示过滤器，50表
示空气过滤器，51表示压力计，52表示流量计，53表示流量调节阀，54表示选择
阀，55表示减压阀。

在图10中，喷嘴头4附设没示出的密封机构，以垂直轴作为喷嘴头旋转方向f_R
的旋转中心线，第一段的水喷雾喷嘴为41a和41b等，各段的水喷雾嘴是4ia和4ib，
各自在对面设置，将水喷雾。

图10所示的耐火材料结构材料的冷却装置的配管系统中，水的配管、压缩空
气的配管的两系统的支管配管系统的上段是烟雾冷却用，下段是雾冷却用配管系
统。

根据图10的配管系统，喷雾用水和喷雾用压缩空气的配管系统各个有烟雾冷
却用和雾冷却用的两个系统，可以用同一水喷雾喷嘴进行烟雾冷却和雾冷却。

在图10所示的配管系统中，送风机9的空气，可用作下述第三发明-第四发明
中(1)喷雾水的最大粒径的水滴在被冷却面上的冲击速度超过该最大粒径水滴破
坏冲击速度的喷雾水加速用空气和/或(2)保持喷雾水生成的水蒸气在饱和水蒸
气压以下用的空气。
[第三发明]

第三发明是，由于喷雾水的流速被取作水滴在被冷却面上冲击时破坏的流速
以上，水的蒸发潜热被有效地利用，提了冷却效果。

即，按照第三发明，耐火物体冷却时，进和喷嘴喷雾水直接冷却，这种冷却进行
时，使喷雾水的最大粒径水滴在被冷却面上的冲击速度超过该最大粒径水滴的破
坏冲击速度，借此可促进水的蒸发，完成短时间冷却。

在上述的第三发明中，作为喷雾水水滴在被冷却面上冲击速度的提高方法的
优选方案，是从喷嘴的外周部喷出水滴加速用空气(＝喷雾水加速用空气)。

即，水喷雾用压缩空气各个是独立的，在喷嘴尖端处喷雾水喷出口的外周部的
喷雾水的喷出方向喷出空气。由于高速空气，使喷雾水的最大粒径的水滴在被冷却
面上的冲击速度超过该最大粒径的水滴的破坏冲击速度，从而促进水的蒸发，完成
短时间冷却。

图11示出了平均粒径30μm的水滴在固体面上，以冲击时的流速(＝冲击速
度)2.5m/秒冲击时水滴破坏的比例

图12示出了液滴直径与破坏冲击速度之间的关系。

如图12所示，在上述图11所示的粒径分布的喷雾水的情况下，最大粒径的水
滴即45μm的水滴，在冲击速度2.2m/秒以上破坏，最小粒径的水滴即15μm的水滴，
在冲击速度为3.6m/秒以上破坏。

结果，对被水滴向被冷却面的冲击速度和被冷却面的传热系数的关系示于图
13。

即，在喷雾水的最大粒径水滴的冲击速度达到超过最大粒径的水滴的破坏冲
击速度的时刻，水的蒸发潜热有效地利用，被冷却面的传热系数β急剧上升，是满足
最小粒径的水滴大体完全破坏的冲击速度阶段。传热系数β的上升大体饱和。

即，如图13所示，通过使喷雾水的最大粒径的水滴的冲击速度超过最大粒径的
水滴的破坏冲击速度的第三发明及其优选的方案，完成了耐火材料短时间冷却。
[第三发明的改进]

第三发明的新改进，是在耐火物体冷却时，由喷嘴喷雾水进行直接冷却，这种
冷却时，根据喷嘴喷雾水滴粒子粒径的分布和水滴粒子在被冷却面上的冲击速度
导出的破坏水滴的水量密度(下文称破坏水滴水量密度)和被冷却面温度，把空气
导入被冷却部，借此伴随破坏水滴的蒸发，保持水蒸汽压为不足饱和水蒸汽压，进
行耐火物体的干冷却。

图14示出了破坏水滴水量密度及被冷却面温度，和伴随破坏水滴蒸发的水蒸
汽压保持不足饱和蒸汽压可能被冷却面每单位面积的空气量(下文称每单位面积
的搅拌空气量)的关系。

在第三发明的改进中，将相当于破坏水滴水量密度的水份的蒸气压取作不足
饱和水蒸汽压，但投入可能量的每单位面积的搅拌空气量。

加入的搅拌空气量，只少量超过可使破坏水滴在常温下饱和的量，从减少送风
机使用的电力考虑较佳。

按照改进的第三发明，加入的搅拌空气增加了喷雾水水滴对被冷却面的冲击
速度，可以完成耐火材料的干冷却和急速冷却，是耐火材料极好的冷却方法。
[第四发明]

第四发明，如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示的那样，由设置在喷嘴尖端
3a的外周部的空气喷出孔3b，使加速用空气35与水喷雾喷嘴3的喷雾水喷出的
方向实质相同的方向，即沿喷雾水的方向f_A喷出。如图2(c)，加速用空气35以
鞘状包围喷嘴喷雾水。
[第五发明]

第五发明是关于喷雾冷却用的喷嘴，其具体实例示于图2，其使用例示于图1和
3。这种构造的喷嘴可以使得与喷雾体独立地将空气、氮气、惰性气体等以所要求
的流速和流量喷射出来，增加了喷雾冷却操作条件的自由度。
[第六发明]

第六发明及其优选方案是上述图1和图2所示的耐火材料结构物件的冷却装
置，根据第六发明的装置，耐火材料可以均等冷却，而且根据六发明优选的装置，耐
火材料可以均等冷却、干冷却和短时间冷却。

[实施例]

下面根据实施例具体地描述本发明。

在本实施例中，喷雾水的水滴的粒径，用液浸法进行测定，粒径分布用
Fraunhofer法求出。
(实施例)

本发明适用于钢铁厂鱼雷形铁水罐车耐火材料的修理时所使用的冷却装置。
使用的是上述图1所示的冷却装置。

图1中的水喷雾喷嘴3是使用上述图2所示的喷嘴，冷却设备的配管系统采用
上述图10的配管系统。

鱼雷形铁水罐车冷却前的耐火材料表面温度为800℃-1000℃。

冷却方式采用图9所示的冷却方式。

用喷嘴喷雾水冷却时，与上述相同，喷嘴头旋转轴方向位置检测装置20和喷嘴
头旋转角速度控制装置21，对于各冷却面随时改变、控制喷嘴头4的旋转角速度，
使得被冷却面耐火材料体的各处，包含喷嘴头旋转的实效传热系数α_A(θ＝θ_i)的稳
定。

在雾冷却时，用水滴的平均直径为30μm的喷雾水，喷雾水的最大粒径45μm的
水滴在被冷却面上的冲击速度(面向冷却面的垂直向量)满足＞2.2m/秒，并且，与
破坏水滴的水量密度相当的水分量对应的水蒸气压成为不饱和蒸汽压的被冷却面
每单位面积的搅拌空气量由送风机向鱼雷形铁水罐车内送风。

水滴的平均粒径为85μm的喷雾水，相当于水滴的最大粒径的100μm的喷雾
水。
(比较例)

在上述的实施例中，不进行雾冷却，除进行到50℃的烟雾冷却外，其它进行与
实施例相同的鱼雷铁水罐车形的耐火材料的冷却。

实施例、比较例得到的结果示于表1。

而且，将基于所得结果的鱼雷形铁水罐车的所需台数也一并示于表1。

                       表1

根据本发明，对于高温状态的耐火材料，可在不润湿耐火材料的情况下，在短
时间而且可均等地冷却耐火材料的被冷却面，提高了耐火材料结构物件的开工率
和延长了耐火材料的寿命。