CN101394947B - 喷淋冷却喷嘴的配置设定方法及热钢板冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为了将热轧得到的热钢板一边用约束辊约束通板一边控制冷却、得到形状特性良好且均匀的钢材而使用的热钢板冷却装置，提供了一种能够在通板正交方向上进行均匀的冷却的喷淋喷嘴配置设定方法，并且提供一种使用水量及喷射区域不同的两种以上的喷嘴具有较大的水量调节范围的喷淋冷却装置的喷淋喷嘴配置设定方法，使用该方法配置喷淋喷嘴，以使以将从喷嘴喷射的冷却水向冷却面的冲击压力的n次幂在约束辊对间沿通板方向积分的值的通板正交方向分布作为均匀冷却的指标，该积分值在距离通板正交方向的最大值的-20％以内，其中，0.05≤n≤0.2。

Description

喷淋冷却喷嘴的配置设定方法及热钢板冷却装置 

技术领域

本发明涉及将热轧所得到的热钢板一边用由上下的约束辊构成的约束辊对约束通板一边进行控制冷却的方法，更详细地讲，涉及为了得到形状特性良好且均匀的钢材而使用的热钢板的冷却装置。

背景技术

为了提高钢材的机械性质、加工性、焊接性，一般进行例如使热轧后的高温状态的钢材在轧线上一边通板一边加速冷却、并对钢材施加预定的冷却履历的措施。但是，在将钢材冷却时发生的冷却不均匀成为钢材的形状不良及加工变形的原因，对于要求日益提高的钢材品质希望迅速的改善。

为了解决这些问题，有通过多个上下的约束辊对约束钢板来防止热变形的方法。但是，通过这样的方法，虽然能够得到良好的形状的钢材，但是有钢材内部的残余应力在客户处加工时作为变形而出现的情况，不能得到根本的解决。因此，将钢材均匀地冷却是最好的解决手段。

作为实现均匀冷却的冷却方法，在以往的通过喷淋喷嘴将作为冷却媒体的水喷射在钢材上的冷却方法中，将设备设计为，使其在钢材的宽度方向上能均匀地喷射水量。图1中表示以往的山形水量分布扁平喷淋(flatspray)的钢材冷却装置的喷嘴配置。各喷淋喷嘴1以适当的喷嘴间距S0沿通板正交方向串联地配置，以使通板正交方向整个区域的水量分布变得均匀。关于钢材通板方向被配置为，使其与相互相邻的喷淋喷射区域2不干涉。

但是，在这样的喷嘴配置的冷却装置中，由于在喷淋喷射范围(喷淋喷射区域2)的中心，冷却能力比周边高，所以有在钢板通板正交方向上不能得到均匀的冷却能力分布、发生冷却不均匀的情况。

作为使用喷淋喷嘴进行均匀冷却的方法，在日本特开平6-238320号公报中示出了使一个喷淋喷射范围的冷却水冲击压力偏差为±20％以内的方 法。此外，在日本特开平8-238518号公报中，提出了进行配置以形成喷淋喷嘴的喷射干涉区域的方法。进而，在特开2004-306064号公报中，通过使被冷却面的宽度方向所有的点通过冷媒喷流冲击区域两次以上，能够实现均匀的冷却。

在日本特开平6-238320号公报中，对于使在通板方向及通板正交方向上具备多列的喷淋冷却范围整体的冷却能力变得均匀的方法并没有提出。此外，在日本特开平8-238518号公报的方法中，由于在喷嘴的喷射干涉区域以外喷嘴喷射范围中心的冷却能力变高，所以即使采用日本特开平8-238518号公报的冷却方法，也不能得到均匀的冷却能力分布。进而，在日本特开2004-306064号公报的方法中，在将于冷媒冲击区域内存在冷却能力分布的喷淋喷嘴沿通板方向以一直线配置的情况下，即使通过冷媒喷流冲击区域两次以上，在冲击区域中心与冲击区域端部也产生冷却能力差，不能得到均匀的冷却能力分布。

发明内容

本发明是用来解决上述以往那样的问题的，其目的是提供一种能够在通板正交方向上进行均匀的冷却的喷淋冷却装置的喷淋喷嘴配置设定方法，并且提供一种使用水量及喷射区域不同的两种以上的喷嘴具有较宽的水量调节范围的喷淋冷却装置的喷淋喷嘴配置设定方法。

为了实现热钢板的通板正交方向的均匀冷却，本发明的喷淋喷嘴配置设定方法以如下的(1)～(4)的构成为重点。

(1)一种喷淋喷嘴的配置设定方法，该喷淋喷嘴是具备使热钢板约束通板的多个约束辊对、在各约束辊对间沿通板方向及/或通板正交方向具备多列能够控制冷却水喷射量的喷淋喷嘴的通板冷却装置的喷淋喷嘴，其特征在于，配置喷淋喷嘴，以使以将冷却水向冷却面的冲击压力的n次幂在约束辊对间沿通板方向积分后的值的通板正交方向分布作为均匀冷却的指标，该积分值在通板正交方向的最大值的-20％以内，其中，0.05≤n≤0.2。

(2)如(1)所述的喷淋喷嘴的配置设定方法，其特征在于，在各约束辊对间的各喷嘴列中使用水量或冷却水的喷射区域不同的多种喷嘴。

(3)如(1)或(2)所述的喷淋喷嘴的配置设定方法，其特征在于， 喷淋喷嘴具有能够将水和空气混合喷射的构造。

(4)一种热钢板冷却装置，其特征在于，利用(1)～(3中任一项所述的喷淋喷嘴的配置设定方法设定喷淋喷嘴的配置。

附图说明

图1是以往的使水量在通板正交方向上为一定的喷嘴配置图。

图2(a)是表示在同一喷嘴内水量与冷却能力的关系的曲线图。

图2(b)是表示在同一喷嘴内冷却水冲击压力与冷却能力的关系的曲线图。

图2(c)是表示喷淋喷嘴1与喷淋喷射区域2内的范围M1、M2、M3的位置关系的(i)侧视图及(ii)主视图。

图3(a)是表示椭圆喷嘴的喷射区域的说明图，(i)是侧视图，(ii)是主视图。

图3(b)是表示全锥形喷嘴的喷射区域的说明图，(i)是侧视图，(ii)是主视图。

图4是对图3(a)、图3(b)中所示的水量、头压力及喷射区域不同的8种喷嘴表示冷却水冲击压力与冷却能力的关系的曲线图。

图5(a)是用来说明在通板正交方向上将喷嘴配置为1列的冷却试验配置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图5(b)是用来说明在通板正交方向上将喷嘴配置为两列交错状的冷却试验配置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图6(a)是表示图5(a)的喷嘴配置中的通板正交方向的冷却能力分布与冷却水冲击压力分布的曲线图。

图6(b)是表示图5(b)的喷嘴配置中的通板正交方向的冷却能力分布与冷却水冲击压力分布的曲线图。

图7是对将冷却水的向冷却面的冲击压力沿通板方向积分后的值的通板正交方向的最低值与最大值的比的0.1次幂的值、与通板正交方向的冷却能力的最低值与最大值的比的关系进行表示的曲线图。

图8是用来说明将具有扭转角的喷嘴配置为1列的冷却试验配置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图9是用来说明将种类、规格不同的喷淋喷嘴配置为2列的冷却试验配置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图10(a)是用来说明在本发明的讨论中使用的冷却试验装置、使用以往的喷淋喷嘴设定方法的冷却试验装置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图10(b)是用来说明在本发明的讨论中使用的冷却试验装置、使用以往的喷淋喷嘴设定方法的冷却试验装置的(i)侧视图、(ii)主视图。

图11(a)是比较在本发明的冷却装置与以往的冷却装置中钢板正交方向的水量分布的曲线图。

图11(b)是比较在本发明的冷却装置与以往的冷却装置中钢板正交方向的冷却水冲击压力分布的曲线图。

图11(c)是比较在本发明的冷却装置与以往的冷却装置中钢板正交方向的钢材表面温度分布的曲线图。

具体实施方式

本发明者们调查研究了在喷淋冷却中有利于冷却的因子。按照附图说明该研究开发实验结果。

在通过单一喷嘴将静止中的被冷却体冷却的情况下，如图2(c)所示，对于从配置在从喷嘴前端到冷却面的距离L为150mm的位置上的流量100升/min、头压力0.3MPa的椭圆喷嘴(喷淋喷嘴1)将冷却水喷射在300mm×40mm的范围(喷淋喷射区域2)中的结构，在20mm×20mm的范围M1、M2、M3中测量水量及冷却能力的平均值，用测量值的最大值(范围M1的水量及冷却能力)除而无量纲化(标准化)。范围M1是位于喷淋喷嘴1的正对面的20mm×20mm的范围，范围M2是邻接于范围M1的20mm×20mm的范围，范围M3是邻接于范围M2的20mm×20mm的范围。这些范围M1、M2、M3沿着喷淋喷射区域2的长度方向串联地配置。另外，关于冷却能力，利用加热到900℃的板厚为20mm的一般构造用轧制钢材(SS400)作为被冷却体进行冷却试验，将在钢材表面温度为300℃时所测量的热传导率作为冷却能力在评价中使用。

关于喷淋喷射区域2内的冷却能力分布，如果比较调查范围M1、M2、M3的冷却能力，则如图2(a)所示，可知即使在单一喷嘴喷射内的水量 位于大致相同的位置上，在冷却能力上也会产生差异。即，在喷淋冷却的情况下，对冷却有贡献的因子不仅是水量，还可以想到液滴速度、液滴直径、向被冷却体的液体冲击角度等各种因子复杂地作用的情况。

本发明者们发现，能够涵盖表现包括这些水量的各种冷却因子的冷却因子是冷却水的冲击压力。

在与上述图2(a)中使用的结构相同的喷嘴、相同的配置中，测量在20mm×20mm的范围M1、M2、M3中平均的冷却水的冲击压力分布，将与冷却能力分布一起表示的曲线在图2(b)中表示。另外，冲击压力比使用将冷却水的冲击压力的测量值(平均值)用测量值的最大值除并无量纲化(标准化)、再进行0.1次幂后的值。这样，冷却水的冲击压力的0.1次幂与冷却能力显示出非常良好的一致。

进而，本发明者们利用表1所示的水量、头压力及喷射区域不同的8种喷嘴，对喷嘴正下方的冷却水冲击压力和冷却能力的关系进行调查。

[表1]

		流量	头压力	喷射区域	喷嘴正下方的冷却                水冲击压力
							喷嘴种类	[1/min]	[MPa]	[mm×mm]	[MPa]
A	椭圆1	100	0.3	300×40＝12000	0.0052
						B	椭圆2	65	0.125	350×50＝17500	0.0019
C	椭圆2	100	0.3	350×50＝17500	0.0026
						D	椭圆3	33	0.3	250×70＝17500	0.0021
E	椭圆4	65	0.5	250×60＝15000	0.0069
						F	椭圆4	50	0.3	250×60＝15000	0.0053
G	椭圆5	100	0.3	250×60＝15000	0.0013
						H	全锥形	100	0.3	φ70＝3850	0.0077

另外，图3(a)所示的喷淋喷嘴1是喷淋喷射区域2为在一方向上较长的长圆形的椭圆喷嘴，图3(b)所示的喷淋喷嘴1是喷淋喷射区域2为圆形的全锥形喷嘴。结果，如图4所示，不论喷嘴的种类、规格、喷射区域如何都能够用相同的关系式表示，通过将冷却水冲击压力P[MPa]带入到 下述<1>式中，能够求出热传导率h[W/(m²·K)]。

h＝33300×P^0.1     <1>

在本试验中，得到了热传导率与冷却水冲击压力的0.1次幂成比例的结果，但如果考虑测量误差等，则可以考虑热传导率与冷却水冲击压力的n次幂成比例，并可以考虑n的值是0.05～0.2的范围内。

这表明本发明不受喷嘴种类、规格限制，并表明对于使用喷嘴种类、规格不同的两种以上的喷嘴的冷却装置也是有效的。

此外，本发明者们对于在使用多个喷嘴将移动中的被冷却体冷却的情况下、通板正交方向冷却均匀性与冷却水冲击压力的关系进行了调查。

在图5(a)及图5(b)中表示冷却试验配置的概要。如图5(a)所示，发明者们在输送作为被冷却体3的钢板的前后约束辊对5、5间，将喷淋喷射区域2为椭圆形状的椭圆喷嘴(喷淋喷嘴1)3个朝上地沿通板正交方向排列配置，以使喷嘴间隔S0为150mm，设置被冷却体3，以使喷嘴前端与被冷却体3的间隔L为150mm的间隔，以1m/sec的速度使被冷却体3移动而进行的冷却试验。此外，如图5(b)所示，将椭圆喷嘴(喷淋喷嘴1)5个朝上地以交错状配置，以使喷嘴间隔S0为150mm、通板方向的间隔S1为200mm，进行同样的冷却试验。另外，关于冷却能力，与图2的情况同样，利用加热到900℃的板厚为20mm的一般构造用轧制钢材(SS400)作为被冷却体3进行冷却试验，将钢板表面温度300℃时所测量的热传导率作为冷却能力在评价中使用。另外，对于各喷淋喷嘴1经由头4供给冷却水。

冷却水冲击压力测量在图5(a)及图5(b)的喷嘴配置中，在不加热的被冷却体3的冷却水冲击面上将压力传感器沿通板正交方向排列，以20mm的间隔配置，一边以1m/sec的速度使被冷却体3移动，一边以0.01sec的间隔连续测量冷却水冲击压力，并导出在约束辊对5、5间所测量的冷却水冲击压力的积分后的值。进一步使用它并用最大的冷却水冲击压力的积分后的值除而无量纲化(标准化)，求出通板正交方向的冷却水冲击压力分布。

图6(a)中表示图5(a)的喷嘴配置中的通板正交方向的冷却能力分布及冷却水冲击压力分布。此外，图6(b)中表示图5(b)的喷嘴配置中 的通板正交方向的冷却能力分布及冷却水冲击压力分布。在这些图的纵轴中，使用将冷却能力的值用最大的冷却能力的值除而无量纲化(标准化)后的值、和将冷却水冲击压力的值用最大的冷却水冲击压力的值除而无量纲化(标准化)再0.1次幂的值。根据图6(a)，在作为喷嘴正上方的0mm附近，冷却水冲击压力、冷却能力都为最大，在作为喷嘴间的±50～75mm附近，冷却水冲击压力、冷却能力都为最小。虽然它们的程度有一些差异，但在图6(b)中也显示出同样的倾向，所以可知通板正交方向冷却能力分布与冷却水冲击压力的0.1次幂值的分布良好地一致。

本发明者们利用上述结构使通板正交方向的喷嘴间隔S0变化，调查钢板正交方向的冷却能力分布和在通板方向上将冷却水冲击压力的0.1次幂值积分后的值的通板正交方向分布的关系，求出为了实现钢板正交方向的均匀冷却而需要的冷却水冲击压力分布。结果发现，如图7所示，通过配置为使将冷却水的向冷却面的冲击压力的0.1次幂值沿通板方向积分后的值的最低值在通板正交方向上在最大值的-20％以内，最低的冷却能力控制在最高的冷却能力的至少10％以内，能够进行在通板正交方向上均匀的冷却。

在该图7的研究中，通过0.05次幂及0.2次幂进行0.1次幂，但如果积分后的冷却水冲击压力的值为在通板正交方向上比最大值-20％以内，则与0.1次幂时大致同样能够在通板正交方向上均匀冷却。因此，将冷却水向冷却面的冲击压力的0.05～0.2次幂积分后的值的通板正交方向分布可以说成为用来进行钢板正交方向的均匀冷却的指标。

进而，关于在通板方向上能够积分的范围，在使通板方向的喷嘴间隔S1变化而调查时发现，在通板速度为0.25m/sec以上2m/sec以下的情况下，并且约束辊对5、5间为2m以下的情况下，优选地使积分范围为约束辊对间全长。

另外，在如图8所示那样不使通板正交方向的喷嘴间隔S0变化而使喷嘴扭转角θ变化的情况下，如图9所示，将水量及喷射区域不同的两种以上的喷嘴组合使用的情况下也同样，通过配置为使将冷却水向冷却面的冲击压力在通板方向上积分的值为在通板正交方向上比最大值-20％以内，能够实现通板正交方向均匀冷却。

此外，在不发生冷却水的干涉区域的情况下，对于配置的各喷嘴种类及规格分别测量单体的冷却水冲击压力或定式化，虚拟地求出配置了多个这些喷嘴的情况下的冷却水冲击压力分布，即使设定配置以使将冷却水的冲击压力在通板方向上积分后的值为比通板正交方向的最大值-20％以内，也能够实现通板正交方向均匀冷却。

进而，即使在将水和空气混合喷射的情况下，通过配置为使将向冷却面的冲击压力沿通板方向相加后的值为比通板正交方向的最大值-20％以内，最低的冷却能力控制在最高的冷却能力的10％左右以内，也能够实现通板正交方向的均匀冷却。

实施例

图10(a)、图10(b)表示在本发明的研究中使用的冷却试验装置中的喷淋喷嘴配置。图10(a)中表示将扁平喷嘴(喷淋喷嘴1)配置为使得在以往的喷淋喷嘴配置设定方法中设定的通板正交方向上冷却水量相同的冷却装置，图10(b)中表示将椭圆喷嘴(喷淋喷嘴1)配置为使得在本发明的喷淋喷嘴配置设定方法中设定的将冷却水冲击压力的n次幂在通板方向上积分后的值为在通板正交方向比最大值-20％以内的冷却装置。在该实施例中是n＝0.1。利用这些冷却装置分别进行冷却试验，比较对照。它们分别设为相同的喷嘴配置(S0＝75mm、L＝150mm)、水量、将厚度20mm×宽度300mm×长度200mm的一般构造用轧制钢材(SS400)在约20秒钟从约900℃冷却到约400℃。将它们的水量比、冷却水冲击压力的0.1次幂值的比、冷却后的表面温度分布的比较在图11(a)、图11(b)、图11(c)中表示。另外，冷却后的表面温度分布使用放射温度计进行测量。

在图11(a)、图11(b)、图11(c)中可知，在以往的喷淋喷嘴配置方法中，与本发明的喷淋喷嘴配置方法相比，通板正交方向的冷却水量分布是均匀的，但以与喷淋喷嘴间隔相同的间距产生温度偏差。但是，本发明的将冷却水冲击压力的0.1次幂值沿通板方向积分后的值在通板正交方向上为最大值的-20％以内的喷淋喷嘴配置方法与以往的喷淋喷嘴配置相比表面温度分布变得均匀。因此，在通过本发明的喷淋喷嘴设定方法设定了喷嘴配置的冷却装置中，能够在通板正交方向上实现均匀的冷却。

工业实用性

根据本发明，在使用喷淋喷嘴的冷却装置中，通过采用预定了以往没有研究的冷却水冲击压力这样的冷却因子的喷嘴种类及喷嘴配置，能够制作在通板正交方向上具有较高的冷却均匀性的冷却装置。

即，由于能够通过冷却水冲击压力这样的冷却因子整理冷却能力，所以在实验性地设定喷嘴配置的情况下，即使实际上不使用热片来实施冷却实验，通过实验性地得到将冲击压力n次幂而在通板方向上积分后的值的通板正交方向分布，能够找到在通板正交方向上具有较高的冷却均匀性的喷嘴配置。此外，关于使用的喷嘴，如果知道冲击面上的压力分布，则通过算出将冲击压力n次幂而在通板方向上积分后的值的通板正交方向分布，能够找到在通板正交方向上具有较高的冷却均匀性的喷嘴配置。

根据本发明的喷淋喷嘴的配置设定方法，即使使用水量及喷射区域不同的两种以上的喷嘴，也能够在通板正交方向上实现同样的冷却均匀性，所以能够实现在通板正交方向上具有均匀的冷却能力、并且具有较大的水量调节范围的喷淋冷却装置。

进而，本发明在具有能够混合喷射水和空气的构造的喷淋喷嘴中也同样能够设定可实现冷却均匀性的喷淋喷嘴配置。

Claims (4)

1.一种喷淋喷嘴的配置设定方法，该喷淋喷嘴是具备使热钢板约束通板的多个约束辊对、在各约束辊对间沿通板方向及/或通板正交方向具备多列能够控制冷却水喷射量的喷淋喷嘴的通板冷却装置的喷淋喷嘴，其特征在于，

配置喷淋喷嘴，以使以将冷却水向冷却面的冲击压力的n次幂在约束辊对间沿通板方向积分后的值的通板正交方向分布作为均匀冷却的指标，该积分值在通板正交方向的最大值的-20％以内，其中，0.05≤n≤0.2。

2.如权利要求1所述的喷淋喷嘴的配置设定方法，其特征在于，

在各约束辊对间的各喷嘴列中使用水量或冷却水的喷射区域不同的多种喷嘴。

3.如权利要求1或2所述的喷淋喷嘴的配置设定方法，其特征在于，

喷淋喷嘴具有能够将水和空气混合喷射的构造。

4.一种热钢板冷却装置，其特征在于，

利用权利要求1～3中任一项所述的喷淋喷嘴的配置设定方法设定喷淋喷嘴的配置。

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