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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024125061
(43)【公開日】2024-09-13
(54)【発明の名称】金属材の冷却方法
(51)【国際特許分類】
C21D 1/00 20060101AFI20240906BHJP
C21D 1/56 20060101ALI20240906BHJP
C21D 9/08 20060101ALI20240906BHJP
C21D 9/00 20060101ALI20240906BHJP
【ＦＩ】
C21D1/00 121
C21D1/56
C21D9/08 A
C21D9/00 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023033139
(22)【出願日】2023-03-03
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001553
【氏名又は名称】アセンド弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】小西 剛嗣
(72)【発明者】
【氏名】富田 和馬
(72)【発明者】
【氏名】藤田 夏生
(72)【発明者】
【氏名】西岡 達矢
【テーマコード（参考）】
4K034
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K034BA02
4K034BA06
4K034CA01
4K034DA05
4K034DA06
4K034DB03
4K034FA05
4K034FA06
4K034FB11
4K034FB15
4K042AA06
4K042AA14
4K042DD03
4K042DE02
(57)【要約】
【課題】冷却速度を向上可能な金属材の冷却方法を提供する。
【解決手段】本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に加熱された金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の冷却を開始する。マイクロバブルを含有する浸漬冷却を、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で実施することにより、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却と比較して、金属材に対する冷却速度が顕著に高まる。
【選択図】図２
【解決手段】本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に加熱された金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の冷却を開始する。マイクロバブルを含有する浸漬冷却を、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で実施することにより、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却と比較して、金属材に対する冷却速度が顕著に高まる。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材の冷却方法であって、
マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された前記金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で前記金属材の冷却を開始する、
金属材の冷却方法。
マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された前記金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で前記金属材の冷却を開始する、
金属材の冷却方法。
【請求項2】
請求項１に記載の金属材の冷却方法であって、
０．１０ｍ／秒以上２０．００ｍ／秒以下の浸漬速度で前記金属材を前記浴槽に浸漬する、
金属材の冷却方法。
０．１０ｍ／秒以上２０．００ｍ／秒以下の浸漬速度で前記金属材を前記浴槽に浸漬する、
金属材の冷却方法。
【請求項3】
請求項２に記載の金属材の冷却方法であって、
前記浸漬速度は０．３０ｍ／秒以上である、
金属材の冷却方法。
前記浸漬速度は０．３０ｍ／秒以上である、
金属材の冷却方法。
【請求項4】
請求項２に記載の金属材の冷却方法であって、
前記浸漬速度は１０．００ｍ／秒以下である、
金属材の冷却方法。
前記浸漬速度は１０．００ｍ／秒以下である、
金属材の冷却方法。
【請求項5】
請求項１に記載の金属材の冷却方法であって、
前記浴槽内の前記冷却液に含有される前記マイクロバブルの平均粒径は５μｍ以上１００μｍ未満である、
金属材の冷却方法。
前記浴槽内の前記冷却液に含有される前記マイクロバブルの平均粒径は５μｍ以上１００μｍ未満である、
金属材の冷却方法。
【請求項6】
請求項５に記載の金属材の冷却方法であって、
前記マイクロバブルの平均粒径は１０μｍ以上である、
金属材の冷却方法。
前記マイクロバブルの平均粒径は１０μｍ以上である、
金属材の冷却方法。
【請求項7】
請求項５に記載の金属材の冷却方法であって、
前記マイクロバブルの平均粒径は５０μｍ以下である、
金属材の冷却方法。
前記マイクロバブルの平均粒径は５０μｍ以下である、
金属材の冷却方法。
【請求項8】
請求項１に記載の金属材の冷却方法であって、
前記浴槽内の前記冷却液に含有される前記マイクロバブルの個数密度は１０個／ｍＬ以上１０００００個／ｍＬ以下である、
金属材の冷却方法。
前記浴槽内の前記冷却液に含有される前記マイクロバブルの個数密度は１０個／ｍＬ以上１０００００個／ｍＬ以下である、
金属材の冷却方法。
【請求項9】
請求項８に記載の金属材の冷却方法であって、
前記マイクロバブルの個数密度は１００個／ｍＬ以上である、
金属材の冷却方法。
前記マイクロバブルの個数密度は１００個／ｍＬ以上である、
金属材の冷却方法。
【請求項10】
請求項８に記載の金属材の冷却方法であって、
前記マイクロバブルの個数密度は５００００個／ｍＬ以下である、
金属材の冷却方法。
前記マイクロバブルの個数密度は５００００個／ｍＬ以下である、
金属材の冷却方法。
【請求項11】
請求項１に記載の金属材の冷却方法であって、
前記金属材は鋼材である、
金属材の冷却方法。
前記金属材は鋼材である、
金属材の冷却方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の金属材の冷却方法であって、
前記浴槽に浸漬する直前の前記金属材の表面温度は１００℃以上１０００℃以下である、
金属材の冷却方法。
前記浴槽に浸漬する直前の前記金属材の表面温度は１００℃以上１０００℃以下である、
金属材の冷却方法。
【請求項13】
請求項１に記載の金属材の冷却方法であってさらに、
前記浴槽内で前記金属材を冷却しているとき、式（１）で定義される、前記浴槽内の前記冷却液のレイノルズ数Ｒｅが、１０よりも大きく５００００００以下である、
金属材の冷却方法。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、式（１）中のρは前記冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは前記冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）であり、Ｕは前記浴槽内の前記冷却液の液面での平均流速（ｍ／秒）であり、Ｌは前記浴槽の液面からの深さ（ｍ）である。
前記浴槽内で前記金属材を冷却しているとき、式（１）で定義される、前記浴槽内の前記冷却液のレイノルズ数Ｒｅが、１０よりも大きく５００００００以下である、
金属材の冷却方法。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、式（１）中のρは前記冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは前記冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）であり、Ｕは前記浴槽内の前記冷却液の液面での平均流速（ｍ／秒）であり、Ｌは前記浴槽の液面からの深さ（ｍ）である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属材の冷却方法であって、さらに詳しくは、冷却液を貯留する浴槽に金属材を浸漬して浸漬冷却する金属材の冷却方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属材の製造工程において、熱間で加工された金属材、又は、熱処理後の金属材を冷却する工程が存在する。冷却工程では、冷却速度の向上が求められる場合がある。そこで、冷却速度を向上可能な金属材の冷却方法が複数提案されている。
【0003】
例えば、国際公開第２０１８／０３７９１６号公報（特許文献１）では、３４０～５５０℃程度の鋼板の表面に、マイクロバブルを含有する冷却液をミストとして噴霧する。このようなミスト冷却の場合、３４０～５５０℃の温度域での冷却は、膜沸騰領域での冷却に相当する。膜沸騰領域において、マイクロバブルを含有するミスト冷却を実施すれば、マイクロバブルの圧壊現象により、鋼板の表面に形成されている蒸気膜が破壊される。そのため、冷却速度が向上する、と特許文献１には記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０１８／０３７９１６号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】白岩ら、「沸騰冷却における熱流束」、鉄と鋼、日本鉄鋼協会、第５７号、１９７１年、第３号、第４８５～４９７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１では、ミスト冷却を前提とした冷却方法を提案する。しかしながら、他の方法を採用することにより、金属材の冷却速度を高めてもよい。
【0007】
本発明の目的は、冷却速度を向上可能な金属材の冷却方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の冷却を開始する。
【発明の効果】
【0009】
本実施形態の金属材の冷却方法では、マイクロバブルを含有する浸漬冷却を、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で開始する。そのため、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却と比較して、金属材に対する冷却速度が顕著に高まる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明者らは、金属材の冷却速度を高める冷却方法について、検討を行った。検討に際して、本発明者はまず、マイクロバブルを含有するミスト冷却及びスプレー冷却でのマイクロバブルの冷却速度への影響を検討した。
【0012】
図１は、冷却液を用いて金属材を冷却する場合の沸騰曲線の一例を示すグラフである。加熱された金属材を、冷却液を用いて冷却する場合、一般的に、熱流束は図１に示すような沸騰曲線の挙動を示すことが知られている。図１の横軸は過熱度ΔＴ（＝Ｔｗ－Ｔｓａｔ）を示す。Ｔｗは金属材の伝熱面（表面）の温度（℃）を意味する。Ｔｓａｔは冷却液の飽和温度（℃）を意味する。図１の縦軸は熱流束（Ｗ／ｍ２）を示す。なお、図１の横軸は対数軸である。
【0013】
図１に示すとおり、沸騰曲線は一般的に、過熱度ΔＴが大きくなるに従い、自然対流領域Ａ１、核沸騰領域Ａ２、遷移沸騰領域Ａ３、膜沸騰領域Ａ４に区分される。核沸騰領域Ａ２は沸騰開始点Ｐ１と最大流速点Ｐ２との間の領域である。遷移沸騰領域Ａ３は、最大流速点Ｐ２と最小流速点Ｐ３との間の領域である。膜沸騰領域Ａ４は、最小流速点Ｐ３以上の過熱度ΔＴの領域である。
【0014】
自然対流領域Ａ１では、冷却液に沸騰は発生せず、自然対流による熱伝導が行われる。核沸騰領域Ａ２では、発泡点を核として蒸気泡が発生する。膜沸騰領域Ａ４では、沸騰した蒸気が蒸気膜として金属材の全面を覆う。遷移沸騰領域Ａ３は、発泡点を核とした蒸気泡が発生しつつ、部分的に蒸気膜が形成される。
【0015】
ミスト冷却及びスプレー冷却では、冷却液が液滴として、冷却対象である金属材の伝熱面（表面）に接触する。液滴は表面積が小さいため、金属材の表面に接触すると蒸発しやすい。したがって、ミスト冷却及びスプレー冷却の場合、金属材の表面が３００℃程度以上であれば膜沸騰領域となりやすい。上述のとおり、膜沸騰領域では、金属材の表面に蒸気膜が形成される。液滴中のマイクロバブルの直径は１００μｍ未満であり、膜沸騰領域で金属材の伝熱面に形成される蒸気膜の膜厚よりもはるかに小さい。そのため、蒸気膜をマイクロバブルが破壊することによる冷却速度の向上代は極めて小さいと本発明者らは考えた。
【0016】
さらに、ミスト冷却及びスプレー冷却では、マイクロバブルを含有する冷却液をスプレーノズルで液滴化する。この液滴化のときに、冷却液中のマイクロバブルが破壊されてしまう。したがって、ミスト冷却及びスプレー冷却の場合、そもそも、液滴中にマイクロバブルを含有させることが困難である。
【0017】
以上の検討のとおり、冷却開始時が膜沸騰領域であり、かつ、ミスト冷却やスプレー冷却といった液滴化した冷却液による冷却を実施する場合、冷却液にマイクロバブルを含有しても、冷却速度の向上代は小さい。
【0018】
一方、本発明者らの検討の結果、マイクロバブルを含有する冷却液を用いて、加熱した金属材を浸漬冷却した場合、マイクロバブルを含有しない冷却液を用いた浸漬冷却と比較して、冷却速度が顕著に向上することが判明した。ここで、浸漬冷却とは、冷却液を貯留している浴槽に金属材を浸漬させて冷却する方法である。
【0019】
図２は冷却液として２０℃の冷却水を用いて、鋼材を浸漬冷却して得られた沸騰曲線である。図２を参照して、実線Ｃ１は、マイクロバブルを含有した冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線である。破線Ｃ２は、マイクロバブルを含有しない冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線である。図２の横軸は鋼材の表面温度（℃）であり、縦軸は熱流束（Ｗ／ｍ２）である。図２は次の試験を実施して作成した。水槽に冷却液（冷却水）を貯留し、水槽中の冷却液を２０℃に保持した。２０℃に保持した冷却液中に１０００℃に加熱した直径５０ｍｍの鋼球である試験片を浸漬した。試験片の表面から当該表面の法線方向にｘ座標をとり、表面からの距離ｘ１＝２ｍｍ深さ位置及びｘ２＝４ｍｍ深さ位置に熱電対を配置し、浸漬した鋼球の温度変化を測定した。以降の説明では、ｘ１位置の温度をθ１とし、ｘ２位置の温度をθ２とする。各深さ位置での温度変化に基づいて、試験片の表面上の各温度での熱流束を求めた。求めた熱流束を用いて、図２を作成した。
【0020】
（熱流束の算定方法）
試験片の表面の熱流束は、非特許文献１に記載された熱流束の算定方法に基づいて、試験片内部の温度を用いて求めた。具体的には、試験片内の熱流束が一次元であるとすれば、温度分布θ（ｘ，ｔ）は次式（Ａ）で示される。
試験片の表面の熱流束は、非特許文献１に記載された熱流束の算定方法に基づいて、試験片内部の温度を用いて求めた。具体的には、試験片内の熱流束が一次元であるとすれば、温度分布θ（ｘ，ｔ）は次式（Ａ）で示される。
【0021】
【数1】
【0022】
熱常数であるλ、Ｃρが温度及び位置によらず一定と仮定すれば、式（Ａ）は式（Ｂ）に変形できる。
【0023】
【数2】
【0024】
【数3】
【0025】
【数4】
【0026】
ここで、試験片の表面から法線方向をｘ座標とした場合、θ（ｎΔｘ，ｔ）をθｎ（ｔ）と示すこととすれば、式（Ｄ）でｘ＝Δｘとすることで、式（Ｄ）は式（Ｅ）となる。
【0027】
【数5】
式（Ｅ）から式（Ｆ）が求められる。
【0028】
【数6】
【0029】
【数7】
【0030】
式（Ｇ）は試験片内部の温度θ１（ｔ）、θ２（ｔ）に基づいて、試験片の表面温度θ０（ｔ）を求めることができることを示している。そこで、上述の実験では、式（Ｇ）を用いて表面温度θ０（ｔ）を求めた。
さらに、試験片の表面の熱流束ｑは、式（Ｈ）で示される。
さらに、試験片の表面の熱流束ｑは、式（Ｈ）で示される。
【0031】
【数8】
【0032】
【数9】
【0033】
図２を参照して、２０℃の冷却液を用いて浸漬冷却を実施した場合、マイクロバブルを含有した冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ１及びマイクロバブルを含有しない冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ２共に、６５０℃近傍に最大流速点が確認された。そのため、表面温度が１００～９００℃程度までの範囲は核沸騰領域Ａ２又は遷移沸騰領域Ａ３であり、膜沸騰領域は確認されなかった。冷却液（冷却水）の飽和温度は１００℃であることを考慮すれば、浸漬冷却の場合、金属材の伝熱面が１００～１０００℃程度であれば、膜沸騰領域での冷却ではなく、核沸騰領域Ａ２又は遷移沸騰領域Ａ３での冷却となる。つまり、１０００℃以下の金属材を浸漬冷却により冷却する場合、ミスト冷却やスプレー冷却とは異なり、核沸騰領域Ａ２又は遷移沸騰領域Ａ３での冷却となる。
【0034】
さらに、図２を参照して、核沸騰領域Ａ２及び遷移沸騰領域Ａ３において、マイクロバブルを含有する浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ１は、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ２と比較して、表面温度のどの範囲においても、熱流束が顕著に増大している。つまり、核沸騰領域Ａ２及び遷移沸騰領域Ａ３において、マイクロバブルを含有する浸漬冷却は、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却よりも冷却速度が顕著に高くなる。
【0035】
本発明者らはさらに、浸漬冷却における膜沸騰領域でのマイクロバブルの冷却速度への影響についても調査を行った。
【0036】
図３は冷却液として９０℃の冷却水を用いて、鋼材を浸漬冷却して得られた沸騰曲線である。図３を参照して、実線Ｃ３は、マイクロバブルを含有した冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線である。破線Ｃ４は、マイクロバブルを含有しない冷却液を用いた浸漬冷却で得られた沸騰曲線である。図３は図２と同様の試験を実施して作成した。
【0037】
図３を参照して、９０℃の冷却水を冷却液として浸漬冷却を実施した場合、過熱度ΔＴが１０～８００℃程度までの範囲において、沸騰曲線には、最大流速点と最小流速点とが確認された。その結果、沸騰曲線には、核沸騰領域Ａ２、遷移沸騰領域Ａ３だけでなく、膜沸騰領域Ａ４も確認された。核沸騰領域Ａ２及び遷移沸騰領域Ａ３では、図２と同様に、マイクロバブルを含有する浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ３の熱流束が、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ４の熱流束よりも顕著に上昇し、冷却速度が顕著に高くなる。一方、膜沸騰領域Ａ４では、マイクロバブルを含有する浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ３の熱流束が、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却で得られた沸騰曲線Ｃ４の熱流束と実質的に同じである。つまり、浸漬冷却の場合、膜沸騰領域Ａ４では、マイクロバブルは冷却速度の向上にほとんど寄与しない。
【0038】
以上のとおり、浸漬冷却では、冷却液に含有されたマイクロバブルは、核沸騰領域及び遷移沸騰領域での冷却速度を顕著に高める。この理由として、次の事項が考えられる。核沸騰領域及び遷移沸騰領域では、金属材の伝熱面（表面）の微細なくぼみ等が発泡点となり、発泡点を核として、気泡が発生及び成長し、十分に成長した気泡が金属材の伝熱面から離れて上昇する。気泡の発生及び成長には気化の潜熱を必要とする。そのため、気泡の発生及び成長は、周囲の冷却液の温度及び金属材の伝熱面（表面）の温度を低下させる。以上のメカニズムにより、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却が行われる。
【0039】
マイクロバブルを含有する冷却液を用いて核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却する場合、冷却液中のマイクロバブルが金属材の伝熱面に付着する。そのため、伝熱面では、発砲点を核とした気泡の発生及び成長が起こるだけでなく、伝熱面に付着したマイクロバブルを核とした気泡の発生及び成長も起こる。つまり、核沸騰領域又は遷移沸騰領域において、マイクロバブルは発砲点として機能する。その結果、マイクロバブルにより気泡の発生及び成長が促進され、冷却速度が向上する。
【0040】
以上の検討結果に基づいて、本発明者らは、マイクロバブルを含有する冷却液を用いた金属材の冷却方法について、次の結論を得た。加熱された金属材に対して、マイクロバブルを含有する冷却液を用いた浸漬冷却を実施する場合、膜沸騰領域での冷却速度はそれほど向上しない。一方、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却速度は顕著に向上する。したがって、マイクロバブルを含有する冷却液を用いて金属材に対して浸漬冷却をする場合、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却を開始すれば、冷却速度を顕著に高めることができる。
【0041】
以上の技術思想に基づいて完成した、本実施形態の金属材の冷却方法の要旨は次のとおりである。
【0042】
本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された金属材を浸漬して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の冷却を開始する。
【0043】
本実施形態の金属材の冷却方法では、マイクロバブルを含有する浸漬冷却を、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で開始する。そのため、上述のとおり、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却と比較して、金属材に対する冷却速度が顕著に高まる。
【0044】
好ましくは、０．１０ｍ／秒以上２０．００ｍ／秒以下の浸漬速度で金属材を浴槽に浸漬する。浸漬速度のさらに好ましい下限は０．３０ｍ／秒である。浸漬速度のさらに好ましい上限は１０．００ｍ／秒である。
【0045】
好ましくは、浴槽内の冷却液に含有されるマイクロバブルの平均粒径は５μｍ以上１００μｍ未満である。マイクロバブルの平均粒径のさらに好ましい下限は１０μｍである。マイクロバブルの平均粒径のさらに好ましい上限は５０μｍである。
【0046】
好ましくは、浴槽内の冷却液に含有されるマイクロバブルの個数密度は１０個／ｍＬ以上１０００００個／ｍＬ以下である。マイクロバブルの個数密度のさらに好ましい下限は１００個／ｍＬである。マイクロバブルの個数密度のさらに好ましい上限は５００００個／ｍＬである。
【0047】
好ましくは、金属材は鋼材である。
【0048】
好ましくは、浴槽に浸漬する直前の金属材の表面温度は１００℃以上１０００℃以下である。
【0049】
好ましくは、浴槽内で金属材を冷却しているとき、式（１）で定義される、浴槽内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅが、１０よりも大きく５００００００以下である。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、式（１）中のρは冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）であり、Ｕは浴槽内の冷却液の液面での平均流速（ｍ／秒）であり、Ｌは浴槽の深さ（ｍ）である。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、式（１）中のρは冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）であり、Ｕは浴槽内の冷却液の液面での平均流速（ｍ／秒）であり、Ｌは浴槽の深さ（ｍ）である。
【0050】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。
【0051】
［金属材の冷却方法］
本実施形態の金属材の冷却方法では、金属材を浸漬冷却する。本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された金属材を浸漬して、金属材を冷却する。
本実施形態の金属材の冷却方法では、金属材を浸漬冷却する。本実施形態の金属材の冷却方法は、マイクロバブルを含有する冷却液を貯留した浴槽に、加熱された金属材を浸漬して、金属材を冷却する。
【0052】
冷却の対象となる金属材は、金属からなる部材であれば特に限定されない。金属材は例えば、鋼からなる鋼材、アルミ又はアルミ合金からなるアルミ材、チタン又はチタン合金からなるチタン材である。金属材の形状は特に限定されない。金属材は、金属板であってもよいし、金属管であってもよいし、金属棒材又は金属線材であってもよい。
【0053】
また、浴槽として例えば、図４に示す浸漬冷却装置１０を用いる。図４は、浸漬冷却装置の平面図である。図４を参照して、浸漬冷却装置１０は、浴槽１１と、供給機構１２と、排出機構１３と、マイクロバブル発生機構１４と、を備える。以下、各構成について説明する。
【0054】
（浴槽１１）
浴槽１１は、冷却液を貯留する。浴槽１１は、貯留した冷却液に金属材を浸漬できるように構成されている。浸漬冷却中において、浴槽１１には、複数の金属材が浸漬していてもよい。浴槽１１は例えば、平面視で矩形状である。浴槽１１は例えば、その上面が開口している。浴槽１１の材料は、特に限定されるものではない。浴槽１１の材料は例えば、ステンレス鋼等の金属材料、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）及びポリプロピレン（ＰＰ）等のプラスチック樹脂、又は、耐酸レンガ等を挙げることができる。
浴槽１１は、冷却液を貯留する。浴槽１１は、貯留した冷却液に金属材を浸漬できるように構成されている。浸漬冷却中において、浴槽１１には、複数の金属材が浸漬していてもよい。浴槽１１は例えば、平面視で矩形状である。浴槽１１は例えば、その上面が開口している。浴槽１１の材料は、特に限定されるものではない。浴槽１１の材料は例えば、ステンレス鋼等の金属材料、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）及びポリプロピレン（ＰＰ）等のプラスチック樹脂、又は、耐酸レンガ等を挙げることができる。
【0055】
冷却液の種類は、特に限定されるものではなく、公知の冷却液から適宜選択して採用することができる。冷却液は例えば、水（水道水、工業用水）、油、クーラント液である。好ましくは、冷却液は水である。
【0056】
（供給機構１２）
供給機構１２は、浴槽１１に冷却液を供給する。供給機構１２は、少なくとも１つの供給管１２１を含む。図４では、供給機構１２は、複数の供給管１２１を含む。冷却液は、各供給管１２１を介して浴槽１１に供給される。供給管１２１が複数配置される場合、供給管１２１は間隔を空けて配置される。この場合、冷却液は、浴槽１１に対して分散して供給される。
供給機構１２は、浴槽１１に冷却液を供給する。供給機構１２は、少なくとも１つの供給管１２１を含む。図４では、供給機構１２は、複数の供給管１２１を含む。冷却液は、各供給管１２１を介して浴槽１１に供給される。供給管１２１が複数配置される場合、供給管１２１は間隔を空けて配置される。この場合、冷却液は、浴槽１１に対して分散して供給される。
【0057】
図４では、複数の供給管１２１は、浴槽１１の長手方向の一対の側壁のうち、一方の側壁に沿って設けられている。ただし、供給管１２１の位置及び数は、特に限定されるものではない。浴槽１１の長手方向の両側壁に、１つ以上の供給管１２１が設けられていてもよい。また、浴槽１１の長手方向の側壁に加えて又は代えて、浴槽１１の短手方向の側壁に、１つ以上の供給管１２１を設けることもできる。
【0058】
（排出機構１３）
排出機構１３は、浴槽１１内の冷却液の量が所定量を超えたときに、浴槽１１から冷却液を排出する。図４では、複数の排出機構１３が、間隔を空けて配置されている。このため、冷却液は、浴槽１１から分散して排出される。なお、排出機構１３は１つでもよい。
排出機構１３は、浴槽１１内の冷却液の量が所定量を超えたときに、浴槽１１から冷却液を排出する。図４では、複数の排出機構１３が、間隔を空けて配置されている。このため、冷却液は、浴槽１１から分散して排出される。なお、排出機構１３は１つでもよい。
【0059】
本実施形態において、複数の排出機構１３は、浴槽１１の長手方向の一対の側壁のうち、供給管１２１と反対側の側壁に沿って設けられている。ただし、排出機構１３の位置及び数は、特に限定されるものではない。浴槽１１の長手方向の一対の側壁のうち、供給管１２１側の側壁に、排出機構１３を設けることもできる。また、浴槽１１の長手方向の側壁に加えて又は代えて、浴槽１１の短手方向の側壁に、１つ以上の排出機構１３を設けてもよい。
【0060】
浸漬冷却装置１０では例えば、浴槽１１内の冷却液の基準液面が設定される。金属材を浸漬冷却するとき、冷却液は、その液面が基準液面に到達するまで、浴槽１１に供給される。冷却液が浴槽１１に供給された結果、浴槽１１内の冷却液の量が基準液面に相当する液量を超えたとき、排出機構１３は、浴槽１１から冷却液を排出する。
【0061】
（マイクロバブル発生機構１４）
マイクロバブル発生機構１４は、浴槽１１内の冷却液中の溶存気体を気泡化してマイクロバブルを発生させる。マイクロバブル発生機構１４は、浴槽１１の外側に配置されている。図４では、複数のマイクロバブル発生機構１４が配置されている。ただし、マイクロバブル発生機構１４の位置及び数は、特に限定されるものではない。マイクロバブル発生機構は１つであってもよいし、複数であってもよい。
マイクロバブル発生機構１４は、浴槽１１内の冷却液中の溶存気体を気泡化してマイクロバブルを発生させる。マイクロバブル発生機構１４は、浴槽１１の外側に配置されている。図４では、複数のマイクロバブル発生機構１４が配置されている。ただし、マイクロバブル発生機構１４の位置及び数は、特に限定されるものではない。マイクロバブル発生機構は１つであってもよいし、複数であってもよい。
【0062】
各マイクロバブル発生機構１４は、配管１４１、１４２と、マイクロバブル発生装置１４３とを含む。配管１４１、１４２は、浴槽１１とマイクロバブル発生装置１４３とを接続する。浴槽１１からの洗浄液は、配管１４１を介してマイクロバブル発生装置１４３に導入される。マイクロバブル発生装置１４３は、冷却液中の溶存気体を利用してマイクロバブルを発生させる。マイクロバブルは、冷却液とともに、配管１４２を介して浴槽１１に戻される。
【0063】
マイクロバブル発生装置１４３は、公知のマイクロバブル発生装置から適宜選択することができる。公知のマイクロバブル発生装置として、例えば、気泡のせん断、気泡の微細孔通過、液の減圧（圧力変化）、気体の加圧溶解、超音波、電気分解、又は化学反応等により、マイクロバブルを発生させるものが知られている。マイクロバブル発生装置１４３として例えば、冷却液の循環路中に冷却液の圧力変化を生じさせることでマイクロバブルを発生させる公知のマイクロバブル発生装置を採用することができる。
【0064】
ここで、マイクロバブルとは、ＪＩＳ Ｂ ８７４１－１：２０１９で定義されるとおり、粒径が１μｍ以上１００μｍ未満の微細気泡を意味する。
【0065】
本実施形態の金属材の冷却方法では、加熱された金属材を浸漬冷却装置１０内の浴槽１１に浸漬して、金属材を冷却する。このとき、浴槽１１内において、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の浸漬冷却を開始する。
【0066】
図２に示すとおり、マイクロバブルを含有する冷却液を用いて浸漬冷却を実施した場合、マイクロバブルを含有しない冷却液を用いて浸漬冷却を実施した場合と比較して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却速度が顕著に向上する。一方、図３に示すとおり、浸漬冷却の場合、マイクロバブルは、膜沸騰領域での冷却速度をほとんど向上しない。したがって、本実施形態では、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の浸漬冷却を開始する。上述のとおり、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却において、金属材の伝熱面に付着したマイクロバブルが発砲点として作用すると考えられる。そのため、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の浸漬冷却を開始すれば、冷却速度が顕著に速くなる。
【0067】
核沸騰領域又は遷移沸騰領域で金属材の浸漬冷却を開始する方法として、例えば、次の方法を採用できる。冷却対象となる金属材と浴槽１１に貯留する冷却液とを用いて、事前の試験により沸騰曲線を求めておく。この沸騰曲線を参照して、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却が開始されるように、浴槽１１に浸漬する直前の（つまり、浸漬冷却開始直前の）金属材の表面温度を調整する。浸漬冷却開始直前の金属材の表面温度は、浴槽１１付近に配置された測温計により測温される。測温計は例えば、接触式温度計、放射温度計等である。例えば、測温計により、浸漬冷却開始直前の金属材の表面の幅中央位置の温度を測定する。測定された温度を、金属材の表面温度（℃）とする。
【0068】
金属材が鋼材である場合、浸漬冷却開始直前の鋼材の好ましい表面温度は１００～１０００℃である。この場合、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却が開始される。浸漬冷却開始直前の鋼材の表面温度のさらに好ましい上限は９５０℃であり、さらに好ましくは９００℃である。浸漬冷却開始直前の鋼材の表面温度の好ましい下限は１５０℃であり、さらに好ましくは２００℃であり、さらに好ましくは３００℃であり、さらに好ましくは４００℃である。
【0069】
金属材がアルミ材である場合、浸漬冷却開始直前のアルミ材の好ましい表面温度は１００～５００℃である。この場合、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却が開始される。浸漬冷却開始直前のアルミ材の表面温度のさらに好ましい上限は４５０℃であり、さらに好ましくは４００℃である。
【0070】
金属材がチタン材である場合、浸漬冷却開始直前のチタン材の好ましい表面温度は１００～１０００℃である。この場合、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却が開始される。浸漬冷却開始直前のチタン材の表面温度のさらに好ましい上限は８００℃であり、さらに好ましくは４００℃である。
【0071】
（冷却液の好ましい温度）
冷却液の温度は、飽和温度未満であれば、浸漬冷却として利用可能である。図２及び図３に示すとおり、冷却液の温度が低いほど、浸漬冷却における核沸騰領域及び遷移沸騰領域の範囲が広がる。そのため、冷却液の温度が低い方が、より広い温度範囲で金属材の冷却速度を速くすることができる。
冷却液の温度は、飽和温度未満であれば、浸漬冷却として利用可能である。図２及び図３に示すとおり、冷却液の温度が低いほど、浸漬冷却における核沸騰領域及び遷移沸騰領域の範囲が広がる。そのため、冷却液の温度が低い方が、より広い温度範囲で金属材の冷却速度を速くすることができる。
【0072】
（金属材の浴槽１１への好ましい侵入速度）
浸漬冷却時において、金属材の浴槽１１に浸漬するときの侵入速度は特に限定されない。好ましくは、金属材の浴槽１１への侵入速度を０．１０～２０．００ｍ／秒とする。侵入速度が０．１０ｍ／秒以上であれば、浸漬冷却時において、冷却液中の金属材の伝熱面（表面）に十分な数のマイクロバブルが付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。また、侵入速度が２０．００ｍ／秒以下であれば、冷却液中の金属材の伝熱面（表面）にマイクロバブルがより安定して付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。
浸漬冷却時において、金属材の浴槽１１に浸漬するときの侵入速度は特に限定されない。好ましくは、金属材の浴槽１１への侵入速度を０．１０～２０．００ｍ／秒とする。侵入速度が０．１０ｍ／秒以上であれば、浸漬冷却時において、冷却液中の金属材の伝熱面（表面）に十分な数のマイクロバブルが付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。また、侵入速度が２０．００ｍ／秒以下であれば、冷却液中の金属材の伝熱面（表面）にマイクロバブルがより安定して付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。
【0073】
侵入速度の好ましい下限は０．２０ｍ／秒であり、さらに好ましくは０．３０ｍ／秒であり、さらに好ましくは０．５０ｍ／秒であり、さらに好ましくは１．００ｍ／秒である。侵入速度の好ましい上限は１５．００ｍ／秒であり、さらに好ましくは１０．００ｍ／秒であり、さらに好ましくは８．００ｍ／秒である。
【0074】
（侵入速度の測定方法）
金属材の浴槽１１への侵入速度（ｍ／秒）は、次の方法で求めることができる。金属材の一端が浴槽１１中の冷却液に浸漬してから、金属材の末端が浴槽１１に浸漬するまでの時間を測定する。測定された時間（秒）と、金属材の全長（ｍ）とに基づいて、侵入速度（ｍ／秒）を求める。金属材を搬送ローラー等の搬送路を用いて浴槽１１に浸漬する場合、搬送速度（ｍ／秒）を侵入速度（ｍ／秒）とみなしてもよい。
金属材の浴槽１１への侵入速度（ｍ／秒）は、次の方法で求めることができる。金属材の一端が浴槽１１中の冷却液に浸漬してから、金属材の末端が浴槽１１に浸漬するまでの時間を測定する。測定された時間（秒）と、金属材の全長（ｍ）とに基づいて、侵入速度（ｍ／秒）を求める。金属材を搬送ローラー等の搬送路を用いて浴槽１１に浸漬する場合、搬送速度（ｍ／秒）を侵入速度（ｍ／秒）とみなしてもよい。
【0075】
（冷却液中のマイクロバブルの好ましい平均粒径）
本実施形態で冷却液に含有するマイクロバブルの粒径は特に限定されない。つまり、上述のＪＩＳの規格に基づいて、冷却液に含有される気泡の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ未満であればよい。気泡の粒径が１μｍ未満又は１００μｍ以上であれば、浸漬冷却において、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却速度が十分に向上しない。この理由は定かではないが、気泡が小さすぎたり、大きすぎたりすれば、発泡点として十分に機能しないためと考えられる。
本実施形態で冷却液に含有するマイクロバブルの粒径は特に限定されない。つまり、上述のＪＩＳの規格に基づいて、冷却液に含有される気泡の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ未満であればよい。気泡の粒径が１μｍ未満又は１００μｍ以上であれば、浸漬冷却において、核沸騰領域又は遷移沸騰領域での冷却速度が十分に向上しない。この理由は定かではないが、気泡が小さすぎたり、大きすぎたりすれば、発泡点として十分に機能しないためと考えられる。
【0076】
マイクロバブルの平均粒径の好ましい上限は６０μｍであり、さらに好ましくは５０μｍであり、さらに好ましくは４０μｍである。マイクロバブルの平均粒径の好ましい下限は５μｍであり、さらに好ましくは１０μｍであり、さらに好ましくは１５μｍである。マイクロバブルの平均粒径が上述の範囲内であれば、発砲点としてさらに有効に機能する。
【0077】
（冷却液中のマイクロバブルの好ましい個数密度）
本実施形態で冷却液に含有するマイクロバブルの個数密度は特に限定されない。好ましくは、マイクロバブルの個数密度は１０個／ｍＬ以上１０００００個／ｍＬ以下である。マイクロバブルの個数密度が１０個／ｍＬ以上であれば、浸漬冷却時に金属材の伝熱面（表面）に十分な数のマイクロバブルが付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。一方、マイクロバブルの個数密度が１０００００個／ｍＬ以下であれば、浸漬冷却時の金属材の伝熱面（表面）に対する冷却液の濡れ性を十分に確保できる。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。
本実施形態で冷却液に含有するマイクロバブルの個数密度は特に限定されない。好ましくは、マイクロバブルの個数密度は１０個／ｍＬ以上１０００００個／ｍＬ以下である。マイクロバブルの個数密度が１０個／ｍＬ以上であれば、浸漬冷却時に金属材の伝熱面（表面）に十分な数のマイクロバブルが付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。一方、マイクロバブルの個数密度が１０００００個／ｍＬ以下であれば、浸漬冷却時の金属材の伝熱面（表面）に対する冷却液の濡れ性を十分に確保できる。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。
【0078】
マイクロバブルの個数密度の好ましい下限は５０個／ｍＬであり、さらに好ましくは１００個／ｍＬであり、さらに好ましくは２００個／ｍＬであり、さらに好ましくは５００個／ｍＬであり、さらに好ましくは８００個／ｍＬである。マイクロバブルの個数密度の好ましい上限は７００００個／ｍＬであり、さらに好ましくは５００００個／ｍＬであり、さらに好ましくは３００００個／ｍＬであり、さらに好ましくは１００００個／ｍＬであり、さらに好ましくは５０００個／ｍＬであり、さらに好ましくは３０００個／ｍＬである。
【0079】
（マイクロバブルの平均粒径及び個数密度の測定方法）
マイクロバブルの平均粒径（μｍ）及び個数密度（個／ｍＬ）は次の方法で測定する。冷却液を１０ｍＬ採取する。採取した冷却液に対して、粒度分布測定装置を用いた定量レーザー回折・散乱法により、冷却液中のマイクロバブルの粒子径分布を求める。マイクロバブルにレーザーを照射し、散乱光を前方散乱光センサ、側方散乱光センサ、及び、後方散乱光センサで検出し、その光強度分布パターンからマイクロバブルの粒子径分布を求める。得られた粒子径分布のメディアン径を平均粒径（μｍ）と定義する。さらに、定量レーザー回折・散乱法において、個数密度が既知のポリスチレンラテックス標準粒子を用いてキャリブレーション（校正）を行い、さらに、マイクロバブル（空気）とポリスチレンラテックスの屈折率の差異を、ミー散乱理論を用いて補正することにより、マイクロバブルの個数密度（個／ｍＬ）を求める。
マイクロバブルの平均粒径（μｍ）及び個数密度（個／ｍＬ）は次の方法で測定する。冷却液を１０ｍＬ採取する。採取した冷却液に対して、粒度分布測定装置を用いた定量レーザー回折・散乱法により、冷却液中のマイクロバブルの粒子径分布を求める。マイクロバブルにレーザーを照射し、散乱光を前方散乱光センサ、側方散乱光センサ、及び、後方散乱光センサで検出し、その光強度分布パターンからマイクロバブルの粒子径分布を求める。得られた粒子径分布のメディアン径を平均粒径（μｍ）と定義する。さらに、定量レーザー回折・散乱法において、個数密度が既知のポリスチレンラテックス標準粒子を用いてキャリブレーション（校正）を行い、さらに、マイクロバブル（空気）とポリスチレンラテックスの屈折率の差異を、ミー散乱理論を用いて補正することにより、マイクロバブルの個数密度（個／ｍＬ）を求める。
【0080】
（浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅ）
本実施形態において、浸漬冷却中の浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅは特に限定されない。好ましくは、浸漬冷却中の浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅは１０よりも大きく５００００００以下である。
本実施形態において、浸漬冷却中の浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅは特に限定されない。好ましくは、浸漬冷却中の浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅは１０よりも大きく５００００００以下である。
【0081】
図５は、図４中のＶ－Ｖ線分での断面図である。図５を参照して、浴槽１１の冷却液の液面での平均流速をＵ（ｍ／秒）と定義する。浴槽１１の冷却液の液面から浴槽１１の底までの深さをＬ（ｍ）と定義する。この場合、レイノルズ数Ｒｅは次の式（１）で定義される。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、ρは冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）である。
Ｒｅ＝ρ×Ｕ×Ｌ／μ （１）
ここで、ρは冷却液の密度（ｇ／ｍ３）であり、μは冷却液の粘度（Ｐａ・ｓ）である。
【0082】
［浴槽１１内の冷却液の液面での平均流速Ｕの測定方法］
浴槽１１内の冷却液の液面での平均流速Ｕは次の方法で測定する。図４に示す浴槽１１の長手方向に垂直な方向（つまり、図５に示す断面の幅方向）に数カ所、電磁流速計を配置する。電磁流速計は例えば、株式会社東邦電探製の商品名：ＣＭＴ－１０Ｃ型とびうお君である。数カ所に設置された電磁流束計により得られた液面での流速に基づいて、平均流速Ｕ（ｍ／秒）を求める。なお、液面の平均流速Ｕは、浴槽１１への冷却液の供給量を調整することで、調整可能である。
浴槽１１内の冷却液の液面での平均流速Ｕは次の方法で測定する。図４に示す浴槽１１の長手方向に垂直な方向（つまり、図５に示す断面の幅方向）に数カ所、電磁流速計を配置する。電磁流速計は例えば、株式会社東邦電探製の商品名：ＣＭＴ－１０Ｃ型とびうお君である。数カ所に設置された電磁流束計により得られた液面での流速に基づいて、平均流速Ｕ（ｍ／秒）を求める。なお、液面の平均流速Ｕは、浴槽１１への冷却液の供給量を調整することで、調整可能である。
【0083】
浴槽１１内の冷却液のレイノルズ数Ｒｅは、浸漬冷却での冷却液の慣性力と粘勢力との関係を示す指標である。より具体的には、レイノルズ数Ｒｅは、浸漬冷却中のマイクロバブルの冷却速度への影響に関する指標である。式（１）で定義されるレイノルズ数Ｒｅが１０より大きければ、浸漬冷却において、冷却液中のマイクロバブルが金属材の伝熱面（表面）に到着しやすく、十分な数のマイクロバブルが金属材の伝熱面（表面）に付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。一方、レイノルズ数Ｒｅが５００００００以下であれば、浸漬冷却において、冷却液中のマイクロバブルの挙動が十分に安定し、十分な数のマイクロバブルが金属材の伝熱面（表面）に安定して付着する。そのため、冷却速度をさらに速くすることができる。
【0084】
レイノルズ数Ｒｅの好ましい下限は１００であり、さらに好ましくは２００であり、さらに好ましくは５００であり、さらに好ましくは１０００であり、さらに好ましくは２０００であり、さらに好ましくは３０００である。レイノルズ数Ｒｅの好ましい上限は１００００００であり、さらに好ましくは５０００００であり、さらに好ましくは３０００００であり、さらに好ましくは１０００００であり、さらに好ましくは５００００であり、さらに好ましくは３００００であり、さらに好ましくは１００００であり、さらに好ましくは８０００である。
【0085】
以上のとおり、本実施形態の金属材の冷却方法では、マイクロバブルを含有する冷却液を用いた浸漬冷却を、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で開始する。この場合、マイクロバブルが発砲点として機能するため、冷却速度を顕著に高める。その結果、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却と比較して、金属材の冷却速度が顕著に高まる。
【0086】
本実施形態では、浸漬冷却の一例として、図４に示す浸漬冷却装置１を用いて浸漬冷却を実施する。しかしながら、図４に示す浸漬冷却装置１０以外の他の装置を用いて、浸漬冷却を実施してもよい。マイクロバブルを含有する冷却液を貯留する浴槽を用いて浸漬冷却を実施すれば、浸漬冷却装置の種類は特に限定されない。
【0087】
本実施形態の金属材の冷却方法は例えば、熱間加工後又は熱処理後の鋼管の浸漬冷却に利用可能である。また、仕上げ圧延後の棒鋼又は線材の浸漬冷却に利用可能である。
【実施例0088】
以下、実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0089】
表１に示す各試験番号の金属材に対して、マイクロバブルを含有した浸漬冷却と、マイクロバブルを含有しない浸漬冷却とを実施し、冷却速度について評価した。具体的には、各試験番号の金属材を準備した。表１中の「金属材」欄の「鋼」は、ＪＩＳ Ｇ ３１０１：２０２０に規定されたＳＳ４００に相当する化学組成を有する鋼材を準備したことを意味する。「アルミ」は、ＪＩＳ Ｈ ４０００：２０１４に規定のＡ１０７０に相当する化学組成を有するアルミ材を準備したことを意味する。「チタン」は、ＪＩＳ Ｈ ４６００：２０１２に規定のチタン２種に相当する化学組成を有するチタン材を準備したことを意味する。金属材はいずれも直径２０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの棒材のコイルであった。
【0090】
【表1】
【0091】
図４に示す浸漬冷却装置１を用いて、各試験番号の金属材に対して、マイクロバブルを含有した冷却液を用いた浸漬冷却（バブル有り冷却）と、マイクロバブルを含有しない冷却液を用いた浸漬冷却（バブル無し冷却）とをそれぞれ実施した。
【0092】
具体的には、試験番号１のバブル有り冷却では、表１に示す「冷却開始直前の表面温度（℃）」欄に記載の表面温度で金属材に対して浸漬冷却を開始した。浸漬冷却開始直前の試験片の表面温度は、放射温度計により測定した。
【0093】
浸漬冷却開始時の沸騰曲線上での領域を、表１の「冷却開始時領域」に示す。冷却開始時領域は、後述の方法で求めた沸騰曲線に基づいて特定した。冷却液として、工業用水を利用した。浸漬冷却中の冷却液の温度は、表１中の「冷却液温度（℃）」に示す温度で保持した。
【0094】
浸漬冷却時の金属材の侵入速度（ｍ／秒）は表１に示すとおりであった。冷却液に含有したマイクロバブルの平均粒径（μｍ）は、表１の「平均粒径（μｍ）」欄に示すとおりであり、冷却液中のマイクロバブルの個数密度（個／ｍＬ）は表１の「個数密度（個／ｍＬ）」欄に示すとおりであった。なお、マイクロバブルの平均粒径及び個数密度は、上述の（マイクロバブルの平均粒径及び個数密度の測定方法）に記載の方法で求めた。また、浸漬冷却中のレイノルズ数Ｒｅは表１中の「レイノルズ数Ｒｅ」に示すとおりであった。なお、浴槽１１の液面からの深さＬは２．０ｍであった。
【0095】
以上の条件に基づいて、金属材が浸漬冷却開始直前の表面温度から１００℃に冷却されるまでの沸騰曲線を求めた。具体的には、金属材の表面から当該表面の法線方向にｘ座標をとり、表面からの距離ｘ１＝２ｍｍ深さ位置及びｘ２＝４ｍｍ深さ位置に熱電対を配置して、浸漬した金属材のｘ１位置での温度θ１の変化と、ｘ２位置での温度θ２の変化を測定した。各深さ位置での温度変化に基づいて、上述の（熱流束の算定方法）に基づいて、金属材の表面上の各温度での熱流束を求め、求めた熱流束を用いて沸騰曲線を求めた。得られた沸騰曲線から、最大流速点及び／又は最小流速点を確認し、沸騰曲線での核沸騰領域、遷移沸騰領域、膜沸騰領域を特定した。
【0096】
さらに、マイクロバブルの平均粒径及び個数密度以外の他の条件をバブル有り冷却と同じ条件として、試験番号１のバブル無し冷却を実施した。バブル無し冷却においても、金属材が冷却開始温度から冷却液の温度に冷却されるまでの沸騰曲線をバブル有り冷却と同様の方法で求めた。
【0097】
バブル有り冷却及びバブル無し冷却で得られた沸騰曲線に基づいて、１００℃から冷却開始温度まで１０℃ピッチの温度Ｔごとに、熱流束比を次の式に基づいて求めた。
熱流束比＝温度Ｔでのバブル有り冷却の熱流束／温度Ｔでのバブル無し冷却の熱流束
各温度Ｔで得られた熱流束比の算術平均値を、試験番号１の冷却速度比と定義した。
熱流束比＝温度Ｔでのバブル有り冷却の熱流束／温度Ｔでのバブル無し冷却の熱流束
各温度Ｔで得られた熱流束比の算術平均値を、試験番号１の冷却速度比と定義した。
【0098】
他の試験番号２～５８についても、上記試験番号１での試験方法と同様の方法を実施して、冷却速度比を求めた。
【0099】
［評価結果］
表１を参照して、試験番号１～５４では、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却を開始した。そのため、冷却速度比が１．００よりも高く、優れた冷却速度を示した。
表１を参照して、試験番号１～５４では、核沸騰領域又は遷移沸騰領域で浸漬冷却を開始した。そのため、冷却速度比が１．００よりも高く、優れた冷却速度を示した。
【0100】
一方、試験番号５５～５８では、膜沸騰領域で浸漬冷却を開始した。そのため、冷却速度比が１．００であり、冷却速度が向上しなかった。
【0101】
以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【0102】
１０ 浸漬冷却装置
１１ 浴槽
１１ 浴槽
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】