JP2004331992A - 熱間圧延における金属板の温度予測方法および冷却方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、冷却水の温度が変化しても、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を計算式により正確に求め、冷却中の金属板の温度を正確に予測する。
【解決手段】冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、冷却水の温度の低下とともに増大する関数として、金属板の温度を予測する。
【選択図】 図３
【解決手段】冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、冷却水の温度の低下とともに増大する関数として、金属板の温度を予測する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延における金属板の温度予測方法および冷却方法に関し、金属板の冷却を精度良く行なうことにより、良好な材質の金属板を得ることが可能な、熱間圧延における金属板の温度予測方法および冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延とは、金属材料を数１００〜千数１００℃に加熱した後、図９に例示するような熱間圧延ライン１００上に抽出し、一対のロールで挟圧しつつそのロールを回転させ、薄く延ばすことをいう。熱間圧延ラインを図９に例示するが、３／４連続（スリークォータ）と呼ばれるタイプのものが多い。これは、被圧延材の搬送方向上流から下流に向かう順に、加熱炉１０、複数の粗圧延機（Ｒｏｕｇｈｅｒ）１２（多くの場合４基。そのうち一部（多くの場合１基）が往復圧延を行い、残る圧延機が一方向圧延を行う。しかし、４基中３基が一方向のタイプに限らず例えば３基中１基又は２基が一方向のタイプなども含め、３／４連続という）、クロップシャー１４、デスケーリング装置１４、仕上圧延機（Ｆｉｎｉｓｈｅｒ）１８、冷却ゾーン２２、コイラー（巻取装置）２４を順次配置して成る。各設備間には図示しない多数のテーブルローラがあり、これにより被圧延材８が搬送される。冷却ゾーン２２のテーブルローラ群のことを、特にランアウトテーブルと称することがある。
【０００３】
前記粗圧延機１２、仕上圧延機１８は複数あるので、それぞれＲｏｕｇｈｅｒ、Ｆｉｎｉｓｈｅｒの頭文字を取り、各スタンドのナンバーを付与して、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｆ１、Ｆ２ … Ｆ７などと略称される。コイラー２４も同様に複数あって、号機ナンバーを付与して、ＤＣ１、ＤＣ２などと略称される。
【０００４】
熱間圧延ラインには他に、図１０に示す、ステッケルミル１５０と呼ばれるタイプのものもある。このステッケルミル１５０では、粗圧延機１２、仕上圧延機１８が、共に１台とされ、仕上圧延機１８の入側と出側にファーネスコイラー２６が設けられて、往復圧延される。
【０００５】
また、近年、スラブ連続鋳造設備６で薄スラブ７を連続鋳造し、切断機（図示省略）で切断して被圧延材８として、粗圧延を経ずに直接仕上圧延する、図１１に示すような熱間圧延ライン２００も登場してきている。
【０００６】
金属板（金属帯も含む）を仕上圧延後に冷却するための冷却媒体としては、通常、水が用いられている。
【０００７】
例えば、近年ますます需要が増えている製品の引張強さが４００ＭＰａ以上の高張力鋼板（高張力鋼帯も含む）等の熱間圧延においては、仕上圧延機１８により９００℃程度で仕上圧延を行った鋼板を、フェライト変態の開始温度を低くして組織を微細化することを目的に、冷却ゾーン２２を搬送されるランアウトテーブル上の高張力鋼板を９００℃程度から４００〜５５０℃程度まで冷却水により冷却を行なった後に、コイラー２４により巻取っている。冷却後の金属板の温度は巻取り直前に測定する（巻取り温度、と以下称する）のが一般的であるが、この温度は、所望の材質を得るために大変重要であり、精度良く制御する必要がある。
【０００８】
高張力鋼板の冷却の場合に限らず、金属板の冷却に用いる冷却水は、ピットなどに大量に貯めてからポンプなどによって冷却ゾーン２２に供給され、金属板を冷却することで逆に受熱して昇温した冷却水は回収され、図示しないクーリングタワーと呼ばれる冷却手段により、冷却水は熱放散により温度降下され、再び金属板の冷却に用いるためにピットに戻される、という具合に循環して使用されるのが一般的であり、冷却水の温度は次に述べる変動要因により、大体２５〜４０℃の範囲になる。
【０００９】
冷却水の温度は、冷却の対象となった金属板の材種の違いからくる金属板の加熱温度の違いや、金属板の寸法の違い等の、いわゆるプロダクトミックスと呼ばれる、その工場で製造される、金属板の材種、寸法の構成や、単位時間あたりの生産量の大小、それに季節の違い等によっても変動する。
【００１０】
また、冬期や、熱間圧延ラインの操業を長時間停止した後に金属板の冷却を行なう場合等は、冷却水の温度が通常よりも１０℃近くも低い状態となる場合もある。
【００１１】
ところで、巻取り温度の目標を５５０℃以下としている高張力鋼板等の冷却に際しては、冷却水により金属板表面を冷却する際の、両者の境界では、沸騰現象が、膜沸騰から遷移沸騰に変化することが知られている。
【００１２】
そして、冷却水の温度が下がると、膜沸騰から遷移沸騰に沸騰現象が変化する温度、即ち遷移沸騰開始温度（クエンチ点とも呼ばれる）が上がることが定性的に知られている。
【００１３】
冷却水の温度が、先述のような変動要因により低い側に振れると、金属板表面温度が局部的に低い金属板部位では、冷却水の温度が低いことと相俟って、膜沸騰から遷移沸騰に沸騰現象が変化する温度、即ち遷移沸騰開始温度に達するまで、その表面が冷却されてしまうことがあり、そうなると、その部位では沸騰現象が不安定になって熱伝達係数が大きく変動し、巻取り温度が金属板の全幅全長で一様でなくなり、変動しやすくなる。
【００１４】
この問題を解決しようと、例えば、特許文献１では、高残留オーステナイト鋼を製造する場合に、巻取り温度の目標よりも１００℃高い温度まで鋼板の温度が低下した時点で冷却水の温度を４５℃以上６０℃以下とすることが提案されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−２５６８５８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、冷却水の温度を従来よりもかなり高く設定する必要があるため、冷却水を加熱する手段を持たなくてはならず、多大な設備、エネルギー費用を要する。
【００１７】
また、巻取り温度の目標よりも１００℃高い温度まで鋼板の温度が低下した時点で冷却水の温度を上げるに際しては、ヒーター等によって冷却水を加熱すると応答性が悪く、冷却水の温度を精度良く制御することも難しかった。
【００１８】
一方、金属板の熱間圧延に際しては、先述のような、金属板の材種の違いからくる金属板の加熱温度の違いや、金属板の寸法の違い、季節の違い、等の変動要因がある他、例えば、圧延速度が変化したり、巻取り温度制御においては、巻取り温度の実績を捉え、以降の金属板への冷却水流量のフィードバック制御が行なわれていたりする関係で、金属板の単位表面積に、単位時間あたり供給される冷却水の量は時々刻々に変動する。その影響で、金属板の単位表面積に、単位時間あたり供給される冷却水の量の変化が大きい場合には冷却水の温度も大きく変化してしまう。
【００１９】
このため、沸騰現象が安定で熱伝達係数が変動しにくい状態にして金属板の冷却を行うには、特許文献１のような方法によっても、所詮、冷却水の温度を精度良く制御し、変動を抑えられなければ、金属板の冷却を精度良く行ない、目標とする巻取り温度を得、良好な材質の金属板を得ることができず、先述の通り、冷却水の加熱という設備、エネルギー費用の問題に行きついて、経済ロスは免れなかった。
【００２０】
さらに、これまで冷却水の温度が下がることによって遷移沸騰開始温度が上がるということは定性的には知られていたにしても、金属板の温度を精度よく予測する手法が提案されていない。冷却水の温度が変動した場合には、精度良く冷却を行なうことができず、金属板の製品の材質のばらつきを抑えたり、歩留まりを向上したりする効果は小さかった。
【００２１】
本発明は、前述のような従来技術の問題を解決するためになされたもので、金属板の冷却を精度良く行なうことにより、良好な材質の金属板を得ることを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一に、熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、冷却水温度の低下とともに増大する関数として、金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法である。
【００２３】
本発明は、第二に、熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、金属板の材種、目標とする巻取り温度の関数として、金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法である。
【００２４】
本発明は、第三に、前記の各方法を用いて金属板の温度を計算により予測し、目標とする冷却終了温度まで金属板を冷却することを特徴とする熱間圧延における金属板の冷却方法である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
冷却水により金属板表面を冷却する過程で、冷却水と金属板表面の両者の境界では、沸騰現象が、膜沸騰から遷移沸騰に変化するが、本発明では、そのことを金属板の温度を計算により予測する計算式に反映する。それには、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αが、下記式（１）に示すように金属板表面温度Ｔｓの関数ｆ（Ｔｓ）で与えられるとする。
【００２７】
α＝ ｆ（Ｔｓ） …（１）
【００２８】
ここで、ｆ（Ｔｓ）は、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分をもつ熱伝達係数を表す関数とする。これは、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下すると、熱伝達係数が増大することを関数で表したものである。冷却水により冷却する金属板が鋼板の場合を例に取ると、金属板表面温度が５５０℃から４００℃までの領域において、熱伝達係数が、金属板表面温度の低下とともに増大する関数とする。金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係を、金属板が鋼板の場合を例に、模式的に示したものが図１である。
【００２９】
図１を見ると、先述の通り、高張力鋼板の冷却は、低炭素鋼や極低炭素鋼などの普通鋼に比べ、目標とする巻取り温度をかなり低くし、４００〜５５０℃程度とすることに伴い、金属板表面温度に対して熱伝達係数が次第に高くなってくる領域での冷却になってくることがわかる。
【００３０】
そして、そのこととは別に、従来から定性的にはよく知られているように、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数は冷却水の温度Ｔｗ（℃）が低くなるほど高くなる。このことを、金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係として、模式的に示すと、図２のようになるが、例えばある基準となる冷却水の温度Ｔｗ０における熱伝達係数α０に対して、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αは、下記（２）式のような計算式で表されることになる。ちなみに冷却水の温度が１℃下がるごとに熱伝達係数が１％上昇する場合は、ｒ１ ＝ ０．０１となる。
【００３１】
α＝ ｋ α０ ＝ （１ ＋ ｒ１ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） α０ …（２）
【００３２】
ここで発明者らは、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数が冷却水の温度Ｔｗ（℃）によってどの程度変動するかを定量的に究明しようと試みた。発明者らの研究によると、上記（２）式は、鋼板の温度が５５０℃以上の温度域で使用する場合には有効であるが、それを下回る温度域ではさほど正確ではないことがわかってきた。
【００３３】
例えば金属板が鋼板の場合、９００℃で仕上圧延を終了した後、２５℃の冷却水で、巻取り温度６００℃まで冷却した場合は、（２）式で表す熱伝達係数が、冷却水が３５℃だった場合と比べて１０％高くなり、ｒ１ ＝ ０．０１ となる。ところが、同様に、９００℃で仕上圧延を終了した後、２５℃の冷却水で、巻取り温度４５０℃まで冷却した場合は、熱伝達係数が、冷却水が３５℃だった場合と比べて３０％も高くなり、ｒ１ ＝ ０．０３ となることがわかった。
【００３４】
ところが、発明者らの研究によると、上記（２）式は、鋼板の温度が５５０℃以上の温度域で使用する場合には有効であるが、それを下回る温度域ではさほど正確ではないことがわかってきた。
【００３５】
発明者らは、鋼板の温度が５５０℃を下回る温度域でも、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を計算式にて正確に表現できるよう、鋭意研究を重ねた。
【００３６】
その結果、発明者らは、以上述べたこととは別に、図３に模式的に示すように、金属板の冷却過程すなわち徐々に温度が低下する過程で、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数が急激に大きくなる遷移沸騰開始温度Ｔ１が、金属板表面温度Ｔｓだけでなく、冷却水の温度にも依存して変化することを見出した。
【００３７】
即ち、図２に模式的に示したように、冷却水の温度が低下すると、熱伝達係数はａからｂのように大きくなるという従来からの知見に加えて、図３に模式的に示したように、冷却水の温度が低下すると、遷移沸騰開始温度Ｔ１が金属板表面温度Ｔｓの高い側にシフトして熱伝達係数曲線がｂからｃのようになることを見出したのである。
【００３８】
発明者らは、次に、このことを計算式で表現しようと考えた。
【００３９】
先にも述べた通り、図１のような、従来から知られている、金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係が、ｆ（Ｔｓ）と表せたとすると、上述のように、冷却水の温度に依存して、熱伝達係数αが変化することは、先述の（２）式をベースに考え、
α＝ （１ ＋ ｒ１ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ｆ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ））…（３）
と表される、という結論に、発明者らは最終的に到達したのである。ここに、
ｆ（Ｔｓ）：遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分をもつ熱伝達係数を表す関数
例１：ｆ（Ｔｓ）＝ ａ ＋ ｂ ｅｘｐ（ ｃ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ２）、
例２：ｆ（Ｔｓ）＝ｐｅｒｆｃ（Ｔｓ） ＋ ｑ
Ｔｓ：金属板表面温度
Ｔｗ０：基準となる冷却水の温度
Ｔｗ：冷却水の温度
ｒ１，ｒ２：比例定数
をそれぞれ表すものとする。
【００４０】
そして、次の（４）式に従い、金属板の温度Ｔを予測計算する。
【００４１】
Ｔ＝Ｔ０ − α（Ｔｓ − Ｔｗ）×ｔ／ｃ …（４）
ここに、
Ｔ０：予測計算前温度
ｔ：経過時間
ｃ：金属板の比熱
をそれぞれ表すものとする。
【００４２】
（実施の形態２）
そして、巻取り温度の予測に対する実績の回帰を人手により行い、巻取り温度の予測計算結果が実績に合うように、ｒ１，ｒ２のような比例定数を、金属板の材種によって最適化する。材種は、例えばＣ（カーボン）の含有率によって、低炭素鋼、極低炭素鋼に分けるとか、高張力鋼板の場合であれば、Ｍｎ（マンガン）やＳｉ（珪素）の含有率、あるいは製品に要求される引張強さ、降伏応力がいくら以上かといった需要家オーダに関連したデータ等により分類して決定すればよい。これらに限らず種々の決め方を適宜採用してよい。
【００４３】
また、金属板の材種が同じでも、目標とする巻取り温度によってｒ１，ｒ２のような比例定数を最適化する。
【００４４】
例えば、目標とする巻取り温度が５５０℃以上の場合には ｒ１＝０．０１ （１℃につき水冷熱伝達係数が１℃につき１％変化する）とし、巻取り温度が４７０℃以上５５０℃未満の場合にはｒ１＝０．０２ （１℃につき２％変化する）とし、巻取り温度が４７０℃未満の場合にはｒ１＝０．０３ （１℃につき３％変化する）とする等してよい。
【００４５】
ところで、（３）式中のｒ１，ｒ２のような比例定数の最適化には相当の労力を要する場合がある。このような場合には、（３）式中の ｒ２ を０とする代わりに、ｒ１ を目標とする巻取り温度や金属板の材種によって最適化するなどしてもよい。
【００４６】
ちなみに、特許文献１では、冷却水の温度が低い場合に、巻取り温度の低い高張力鋼板の冷却を行なうと、コイル内（金属板の全幅、全長という意味）の実際の巻取り温度は、ばらつきが大きくなって、材質もばらつきが大きくなる、と説明されているが、発明者らは、研究の末、冷却水が特に加熱等しない２５〜４０℃の温度でも、安定的に冷却を行なえる手法を、本発明とは別に、あわせて幾つか見出した。
【００４７】
例えば、高張力鋼板の幅方向の実際の巻取り温度のばらつきは、仕上圧延前までに発生したスケールをデスケーリング装置で除去する際に、水ジェットを鋼板に向け噴射していることに伴い、同水ジェットが鋼板を冷却する作用があるため、それが鋼板の幅方向に一様でないのが原因である。このため、より強力に、すなわち水ジェットを鋼板に向け噴射する際の圧力を高くすれば、鋼板の幅方向の実際の巻取り温度のばらつきや材質のばらつきが小さくできる。
【００４８】
また、冷却水により金属板表面を冷却する際の、両者の境界での沸騰現象が、遷移沸騰の状態で長時間が経つと、鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のむらが大きくなる。このため、圧延速度を速くして冷却水が鋼板に対して滑りやすくするのも鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のばらつきが小さくできる。
【００４９】
さらに、冷却水の供給方式をミストなどにして緩冷却を行なえば、金属板に接触する際の冷却水の温度は上昇するため、高温の冷却水で冷却を行なったのと同じ効果が得られ、鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のばらつきが小さくできる。
【００５０】
したがって、以上述べたことを全て考えあわせれば、特許文献１のように、冷却水の温度を４５℃以上に上げるようにすることは、大量の冷却水を加熱するためのエネルギー費用のことを考えた場合、高張力鋼板の材質のばらつきを小さくするためには、必ずしもそこまでする必要があるとはいえず、有効な方法とは言えない。
【００５１】
コイル内の実際の巻取り温度のばらつきを小さくすることはもちろん重要であるが、本発明のような方法によれば、簡便な方法で巻取り温度の制御精度を向上させ、巻取り温度を目標により近づけることができるようになる。しかも、それを冷却水の加熱という多大な設備、エネルギー費用を要さず、安価に実現できるようになるのである。
【００５２】
（実施の形態３）
以下、本発明を実際の熱間圧延ラインに適用する上での実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
【００５３】
図４は、本発明に係る被圧延金属材の冷却制御方法が適用される、先述の図９にて説明したスリークォータ式の熱間圧延ライン１００の一部を抜き出して拡大した概略構成図である。図４において、熱間圧延ライン１００は、被圧延材８の搬送方向上流から下流に向かう順に、加熱炉１０、複数の粗圧延機１２、クロップシャー１４、デスケーリング装置１６、複数の仕上圧延機１８、冷却ゾーン２２、及びコイラー２４を順次配置して構成されている。そして、粗圧延機１２の出側には粗出側温度計１３、仕上圧延機１８の入側には仕上入側温度計１５、仕上圧延機１８の最終Ｆ７スタンドには速度計１９、仕上圧延機１８の出側には仕上出側板厚計２０と仕上出側温度計２１、コイラー２４の入側には巻取り温度計２３がそれぞれ設置されている。図において、２８はメジャーリングロールである。
【００５４】
ここで、粗圧延機１２で粗圧延された被圧延材８が粗出側温度計１３の真下まで搬送されてきて、その先端が粗出側温度計１３の真下に到達すると、被圧延材８の先端の温度は粗出側温度計１３からプロセスコンピュータ７０に伝送される。プロセスコンピュータ７０内では、被圧延材８の先端の温度が所定の閾値以上であるか否かを判断し、前記温度が所定の閾値以上である場合には、被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達したと判定する。そして、プロセスコンピュータ７０内では、被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達した、と判定したことをトリガー信号として、プロセスコンピュータ７０よりも上位のビジネスコンピュータ９０から、被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターン（ＣＴとは巻取り温度：ｃｏｉｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅを意味する）を設定し、それを達成するための被圧延材長手方向の注水バンクのスプレーパターン計算が起動される。この注水バンクのスプレーパターンの計算は、同じくビジネスコンピュータ９０から伝送される、前記被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターン、被圧延材の長手方向目標ＦＤＴパターン（ＦＤＴとは仕上圧延機出側温度（仕上圧延後温度ともいう）：ｆｉｎｉｓｈｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅを意味する）、仕上圧延後の被圧延材８の厚み、被圧延材８のスレッディング速度、及び被圧延材８のトップ速度に基づいて、計算される。
【００５５】
ここで、被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターンは、ビジネスコンピュータ９０内に設定テーブルを設け、被圧延材８の材種や仕上圧延後の厚み、幅等のデータをキーとし、被圧延材８の先端、中間、尾端ごとに設定される。しかし、これに限らず、プロセスコンピュータ７０内に設定テーブルを設けて、設定してもよい。
【００５６】
また、被圧延材８のスレッディング速度及びトップ速度とは、図５に示すように、被圧延材８を仕上圧延する際の加減速パターン中でいえば、被圧延材８の先端が次々と仕上圧延機１８の各スタンドにオンしていくときの突っ掛け防止のための低い速度をスレッディング速度、また、さらに被圧延材８の先端が進行し、コイラー２４に巻き付いた直後に加速を開始するのであるが、被圧延材製品材質確保のための温度降下補償のための高い速度をトップ速度と称す。
【００５７】
図５においては、被圧延材８の先端が仕上圧延機１８のＦ１スタンドにオンしたとき（ａ）から前記先端がコイラー２４に巻き付いたとき（ｂ）までスレッディング速度で通板し、先端がコイラー２４に巻き付いた直後に加速し、そしてトップ速度を被圧延材８の尾端がＦ１スタンドからオフするとき（ｃ）まで維持し、さらに尾端の巻取りが完了する（ｄ）までにクリーピング速度と呼ばれる速度まで減速して通板している。
【００５８】
プロセスコンピュータ７０内で注水バンクのスプレーパターンが計算されると、被圧延材８の先端領域の仕上圧延後温度ＦＤＴ、被圧延材８の先端領域の巻取り温度ＣＴ及び被圧延材８の先端領域が冷却ゾーン２２を通過する際の注水長Ｌが予測される。
【００５９】
プロセスコンピュータ７０は、新たな被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達した、と判定するたびに、長手方向目標ＣＴパターンを設定した後、この新たな長手方向目標巻取温度ＣＴパターンを達成するための注水バンクのスプレーパターンの計算を行う。
【００６０】
この計算は、前記長手方向目標ＣＴパターン、ビジネスコンピュータ９０から伝送される、被圧延材８の長手方向目標ＦＤＴパターン、仕上圧延後の被圧延材８の厚み、被圧延材８のスレッディング速度、及び被圧延材８のトップ速度に基づいて、被圧延材８の長手方向の長さ数ｍピッチに仮想的に区分した連続した切板（図４（Ｂ）参照）８ａごとに、概略次に述べる計算ロジックにより計算される。
【００６１】
ここで、プロセスコンピュータ７０内での注水バンクのスプレーパターンの計算によって予測された被圧延材８の先端領域の仕上圧延後温度ＦＤＴと、前記計算によって予測された被圧延材８の先端領域の巻取り温度ＣＴとの差は、被圧延材８先端部の、注水開始バンク入側温度 − 注水終了バンク出側温度の計算結果に相当し、また同じく、注水バンクのスプレーパターンの計算によって求まる、注水開始バンク〜注水終了バンクの距離が注水長Ｌに相当する。
【００６２】
注水バンクのスプレーパターンの計算ロジックの概略であるが、まず、図４（Ｂ）に示すように切板８ａを取り上げて考え、その被圧延材８中の前記切板８ａが長手方向のどこに位置するか、そして仕上圧延開始前の被圧延材８の状態ではどの位置に相当し、該位置での粗出側被圧延材温度実績はいくらだったのか（粗出側温度計１３により測定される）、のデータをもとに以降の計算が行われる。前述のスレッディング速度、トップ速度、それに各構成設備間の機械的な距離をもとに、主要構成設備（Ｆ１、Ｆ７、冷却ゾーン２２の入側及び出側）への到達までに要する時間を計算し、次にその所要時間をもとに冷却ゾーン２２の入側へ到達するまでの放冷による被圧延材８の温度降下、デスケーリング装置１６によるデスケーリング水や仕上圧延機１８内のスタンド間に設置された冷却装置（図示せず）の冷却水噴射による被圧延材８の温度降下、仕上圧延中の加工発熱による被圧延材８の温度上昇などの温度変動をその切板８ａごとに計算し、その切板８ａが冷却ゾーン２２の入側へ到達したときに何℃の温度になるかを計算する。そして、その温度をもとに、冷却ゾーン２２を通過する際にどこどこのバンクを冷却水噴射状態とすれば、前記切板８ａを目標とする巻取り温度ＣＴまで冷却できるかを計算する。
【００６３】
ここで、冷却ゾーン２２を通過する際にどこのバンクを冷却水噴射とすれば、前記切板８ａを目標とする巻取り温度ＣＴまで冷却できるか、あるバンク１つから冷却水を噴射した場合、そのバンクに相当するゾーンをその切板８ａが通過するのに要する時間を前述のスレッディング速度、トップ速度、それに各構成設備間の機械的な距離をもとに計算した結果とから、その時間でその切板８ａが何℃まで冷却されるかを求め、それがまだ目標とする巻取り温度ＣＴよりも所定値以上高い値であれば、その直下流のバンクも噴射した場合はどうか、を次に計算する、という一連の計算プロセスを繰り返す収束計算により求めてもよい。
【００６４】
それらの計算の際に、実施の形態１、あるいは実施の形態２の要領で計算する。
【００６５】
このように計算された注水バンクのスプレーパターンは制御装置５０に伝送され、制御装置５０は、この伝送された注水バンクのスプレーパターンにより冷却ゾーン２２による被圧延材８の冷却を制御する。具体的には、冷却水を噴射するバンクと対象の切板８ａの計算機設定に基づいて多くのデータを制御装置５０に伝送し、制御装置５０は、リアルタイムにその切板８ａの冷却水を噴射する各バンクへの到達をメジャーリングロール２８と速度計１９の両者を用いたトラッキングに基づいて判定し、バルブ開閉から冷却水の噴射開始及び噴射停止までの遅延時間などを適宜考慮した上で、その到達タイミングに合わせて各バンクの各ヘッダの冷却水の噴射開始及び噴射停止のためのバルブ開閉を制御する。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、図４に示すように、仕上圧延機１８の入側に設置された仕上入側温度計１５及び仕上圧延機１８の出側に設置された仕上出側温度計２１のそれぞれの直下に切板８ａが到達したときのその切板８ａの温度を予め計算によって求めておき、前記切板８ａの仕上入側温度計１５による仕上入側温度実績と計算された仕上入側温度との偏差と、前記切板８ａの仕上出側温度計２１による仕上出側温度実績と計算された仕上出側温度との偏差とをとらえて、適当なゲインを掛け算して冷却ゾーン２２における冷却水噴射バンク数を加減調整するフィードフォワード制御を併用してもよく、また、冷却ゾーン２２の出側に設置された巻取り温度計２３の直下に切板８ａが到達したときのその切板８ａの温度を予め計算によって求めておき、前記切板８ａの巻取り温度計２３による巻取り温度実績ＣＴと計算された巻取り温度ＣＴとの偏差をとらえて、適当なゲインを掛け算して冷却ゾーン２２における冷却水噴射バンク数を加減調整するフィードバック制御を併用してもよい。あるいはまた、粗出側温度計１３ではなく、仕上入側温度計１５の真下に被圧延材８の先端が到達したときに被圧延材長手方向の注水バンクのスプレーパターンの補正計算を起動するなどしてももちろんよい。
【００６７】
また、本発明の実施の形態は、図９に示すスリークォータ式の熱間圧延ライン１００に適用対象を限定するものではなく、図１０に示すようなステッケルミル１５０や、薄スラブを連続鋳造し、粗圧延を経ずに直接仕上圧延する、図１１に示すような熱間圧延ライン２００（ヌーコアタイプ）などのその他の形式の熱間圧延ラインにも適用でき、また、被圧延材８も鋼に限定する必要はなく、アルミニウムその他の金属であってももちろんよい。
【００６８】
【実施例】
本発明の方法にて仕上圧延終了直後の温度（仕上圧延機出側温度）が８８０℃で、仕上圧延後の厚さが３ｍｍ、同幅９００ｍｍの、引張強さ等の材質が異なる３種類の熱延鋼板の冷却を行なった。その効果を、従来の方法にて冷却を行なった結果と比較する。
【００６９】
鋼種Ａは、目標とする巻取り温度が６００℃で、目標とする製品の引張強さが３６３ＭＰａ、鋼種Ｂは、目標とする巻取り温度が５００℃で、目標とする製品の引張強さが４９０ＭＰａ、鋼種Ｃは、目標とする巻取り温度が４５０℃で、目標とする製品の引張強さが５８８ＭＰａであり、冷却水の温度は２５〜４０℃の範囲にした。
【００７０】
従来例では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮しておらず、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を（２）式で与えていた。また、水温の影響係数であるパラメータ ｒ１ を０．０１で一定として温度予測を行なっていた。その結果、鋼種Ａでこそ巻取り温度の精度は図６（ａ）に示すように良好で、全長許容範囲に収まり、余幅の切捨てロス等のその他の要因によるロスのため、９４％の歩留まりを得たが、鋼種Ｂ、鋼種Ｃと、目標とする巻取り温度が低くなっていくにつれて図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は悪化し、歩留まりも、鋼種Ｂでは８７％、鋼種Ｃでは８０％まで低下した。
【００７１】
これに対し、実施例１では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮して、（３）式で
ｆ（Ｔｓ）＝ ａ ＋ ｂ ｅｘｐ（ ｃ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ２）、
ａ＝１８００、ｂ＝４０００、Ｃ＝−０．００００６、
とした上、 ｒ２ ＝ ０．０５ とし、冷却水の温度の影響係数であるパラメータ ｒ１ を０．０１とした。これを適用した結果、鋼種Ａでは、従来例１と同じように巻取り温度の精度は図７（ａ）に示すように良好で、９４％の歩留まりを得た。そして、巻取り温度の低い鋼種ＢおよびＣでも図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は従来例（図６（ｂ）、図６（ｃ））に比べて向上し、歩留まりも、鋼種Ｂでは９２％、鋼種Ｃでは９０％まで向上した。
【００７２】
また、実施例２では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮しなかったが、（３）式で実施例１と同じようにし、冷却水の温度の影響係数であるパラメータ ｒ１ を鋼種Ａで０．０１、鋼種Ｂで０．０２、鋼種Ｃで０．０３とした。鋼種Ａでは、従来例１と同じように巻取り温度の精度は図８（ａ）に示すように良好で、９４％の歩留まりを得た。そして、巻取り温度の低い鋼種ＢおよびＣでも図８（ｂ）、図８（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は従来例（図６（ｂ）、図６（ｃ））に比べて向上し、歩留まりも、鋼種Ｂでは９２％、鋼種Ｃでは９０％まで向上した。
【００７３】
以上の結果を下表１にまとめて示す。
【００７４】
【表１】
【００７５】
なお、上記実施例では、鋼板を冷却する場合について示したが、本発明は高残留オーステナイト鋼等の高張力鋼板に限らず、ステンレス鋼なども含めたあらゆる鋼板、更に、例えば厚鋼板や型鋼を冷却水により冷却する場合や、アルミニウムなど他の材種の金属板を冷却水により冷却する場合も同様に適用できる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水の温度が変化しても、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を計算式により正確に求め、冷却中の金属板の温度を正確に予測することが可能になる。
【００７７】
また、本発明の金属板の温度予測方法を用いて金属板の冷却に必要な冷却水の供給の仕方を設定すれば、巻取り温度の制御精度が向上し、材質のばらつきを小さくできる。
【００７８】
さらに、本発明によれば、特許文献１のように、冷却水を加熱するという大がかりなことをしないでも、巻取り温度の制御精度を向上させることができる。すなわち、操業条件によって冷却水の温度がばらついたとしても巻取り温度を目標により近づけて、材質のばらつきの小さい金属板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図２】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図３】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態を説明するための図
【図５】被圧延材のスレッディング速度及びトップ速度について説明するための図
【図６】本発明の実施の結果を示す図
【図７】本発明の実施の結果を示す図
【図８】本発明の実施の結果を示す図
【図９】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【図１０】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【図１１】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【符号の説明】
８…被圧延材
１０…加熱炉
１２…粗圧延機
１３…粗出側温度計
１４…クロップシャ
１５…仕上入側温度計
１６…デスケーリング装置
１８…仕上圧延機
１９…速度計
２０…仕上出側板厚計
２１…仕上出側温度計
２２…冷却ゾーン
２４…コイラー
２３…巻取り温度計
２８…メジャーリングロール
５０…制御装置
７０…プロセスコンピュータ
９０…ビジネスコンピュータ
１００…熱間圧延ライン
１５０…ステッケルミル
２００…熱間圧延ライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延における金属板の温度予測方法および冷却方法に関し、金属板の冷却を精度良く行なうことにより、良好な材質の金属板を得ることが可能な、熱間圧延における金属板の温度予測方法および冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延とは、金属材料を数１００〜千数１００℃に加熱した後、図９に例示するような熱間圧延ライン１００上に抽出し、一対のロールで挟圧しつつそのロールを回転させ、薄く延ばすことをいう。熱間圧延ラインを図９に例示するが、３／４連続（スリークォータ）と呼ばれるタイプのものが多い。これは、被圧延材の搬送方向上流から下流に向かう順に、加熱炉１０、複数の粗圧延機（Ｒｏｕｇｈｅｒ）１２（多くの場合４基。そのうち一部（多くの場合１基）が往復圧延を行い、残る圧延機が一方向圧延を行う。しかし、４基中３基が一方向のタイプに限らず例えば３基中１基又は２基が一方向のタイプなども含め、３／４連続という）、クロップシャー１４、デスケーリング装置１４、仕上圧延機（Ｆｉｎｉｓｈｅｒ）１８、冷却ゾーン２２、コイラー（巻取装置）２４を順次配置して成る。各設備間には図示しない多数のテーブルローラがあり、これにより被圧延材８が搬送される。冷却ゾーン２２のテーブルローラ群のことを、特にランアウトテーブルと称することがある。
【０００３】
前記粗圧延機１２、仕上圧延機１８は複数あるので、それぞれＲｏｕｇｈｅｒ、Ｆｉｎｉｓｈｅｒの頭文字を取り、各スタンドのナンバーを付与して、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｆ１、Ｆ２ … Ｆ７などと略称される。コイラー２４も同様に複数あって、号機ナンバーを付与して、ＤＣ１、ＤＣ２などと略称される。
【０００４】
熱間圧延ラインには他に、図１０に示す、ステッケルミル１５０と呼ばれるタイプのものもある。このステッケルミル１５０では、粗圧延機１２、仕上圧延機１８が、共に１台とされ、仕上圧延機１８の入側と出側にファーネスコイラー２６が設けられて、往復圧延される。
【０００５】
また、近年、スラブ連続鋳造設備６で薄スラブ７を連続鋳造し、切断機（図示省略）で切断して被圧延材８として、粗圧延を経ずに直接仕上圧延する、図１１に示すような熱間圧延ライン２００も登場してきている。
【０００６】
金属板（金属帯も含む）を仕上圧延後に冷却するための冷却媒体としては、通常、水が用いられている。
【０００７】
例えば、近年ますます需要が増えている製品の引張強さが４００ＭＰａ以上の高張力鋼板（高張力鋼帯も含む）等の熱間圧延においては、仕上圧延機１８により９００℃程度で仕上圧延を行った鋼板を、フェライト変態の開始温度を低くして組織を微細化することを目的に、冷却ゾーン２２を搬送されるランアウトテーブル上の高張力鋼板を９００℃程度から４００〜５５０℃程度まで冷却水により冷却を行なった後に、コイラー２４により巻取っている。冷却後の金属板の温度は巻取り直前に測定する（巻取り温度、と以下称する）のが一般的であるが、この温度は、所望の材質を得るために大変重要であり、精度良く制御する必要がある。
【０００８】
高張力鋼板の冷却の場合に限らず、金属板の冷却に用いる冷却水は、ピットなどに大量に貯めてからポンプなどによって冷却ゾーン２２に供給され、金属板を冷却することで逆に受熱して昇温した冷却水は回収され、図示しないクーリングタワーと呼ばれる冷却手段により、冷却水は熱放散により温度降下され、再び金属板の冷却に用いるためにピットに戻される、という具合に循環して使用されるのが一般的であり、冷却水の温度は次に述べる変動要因により、大体２５〜４０℃の範囲になる。
【０００９】
冷却水の温度は、冷却の対象となった金属板の材種の違いからくる金属板の加熱温度の違いや、金属板の寸法の違い等の、いわゆるプロダクトミックスと呼ばれる、その工場で製造される、金属板の材種、寸法の構成や、単位時間あたりの生産量の大小、それに季節の違い等によっても変動する。
【００１０】
また、冬期や、熱間圧延ラインの操業を長時間停止した後に金属板の冷却を行なう場合等は、冷却水の温度が通常よりも１０℃近くも低い状態となる場合もある。
【００１１】
ところで、巻取り温度の目標を５５０℃以下としている高張力鋼板等の冷却に際しては、冷却水により金属板表面を冷却する際の、両者の境界では、沸騰現象が、膜沸騰から遷移沸騰に変化することが知られている。
【００１２】
そして、冷却水の温度が下がると、膜沸騰から遷移沸騰に沸騰現象が変化する温度、即ち遷移沸騰開始温度（クエンチ点とも呼ばれる）が上がることが定性的に知られている。
【００１３】
冷却水の温度が、先述のような変動要因により低い側に振れると、金属板表面温度が局部的に低い金属板部位では、冷却水の温度が低いことと相俟って、膜沸騰から遷移沸騰に沸騰現象が変化する温度、即ち遷移沸騰開始温度に達するまで、その表面が冷却されてしまうことがあり、そうなると、その部位では沸騰現象が不安定になって熱伝達係数が大きく変動し、巻取り温度が金属板の全幅全長で一様でなくなり、変動しやすくなる。
【００１４】
この問題を解決しようと、例えば、特許文献１では、高残留オーステナイト鋼を製造する場合に、巻取り温度の目標よりも１００℃高い温度まで鋼板の温度が低下した時点で冷却水の温度を４５℃以上６０℃以下とすることが提案されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−２５６８５８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、冷却水の温度を従来よりもかなり高く設定する必要があるため、冷却水を加熱する手段を持たなくてはならず、多大な設備、エネルギー費用を要する。
【００１７】
また、巻取り温度の目標よりも１００℃高い温度まで鋼板の温度が低下した時点で冷却水の温度を上げるに際しては、ヒーター等によって冷却水を加熱すると応答性が悪く、冷却水の温度を精度良く制御することも難しかった。
【００１８】
一方、金属板の熱間圧延に際しては、先述のような、金属板の材種の違いからくる金属板の加熱温度の違いや、金属板の寸法の違い、季節の違い、等の変動要因がある他、例えば、圧延速度が変化したり、巻取り温度制御においては、巻取り温度の実績を捉え、以降の金属板への冷却水流量のフィードバック制御が行なわれていたりする関係で、金属板の単位表面積に、単位時間あたり供給される冷却水の量は時々刻々に変動する。その影響で、金属板の単位表面積に、単位時間あたり供給される冷却水の量の変化が大きい場合には冷却水の温度も大きく変化してしまう。
【００１９】
このため、沸騰現象が安定で熱伝達係数が変動しにくい状態にして金属板の冷却を行うには、特許文献１のような方法によっても、所詮、冷却水の温度を精度良く制御し、変動を抑えられなければ、金属板の冷却を精度良く行ない、目標とする巻取り温度を得、良好な材質の金属板を得ることができず、先述の通り、冷却水の加熱という設備、エネルギー費用の問題に行きついて、経済ロスは免れなかった。
【００２０】
さらに、これまで冷却水の温度が下がることによって遷移沸騰開始温度が上がるということは定性的には知られていたにしても、金属板の温度を精度よく予測する手法が提案されていない。冷却水の温度が変動した場合には、精度良く冷却を行なうことができず、金属板の製品の材質のばらつきを抑えたり、歩留まりを向上したりする効果は小さかった。
【００２１】
本発明は、前述のような従来技術の問題を解決するためになされたもので、金属板の冷却を精度良く行なうことにより、良好な材質の金属板を得ることを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一に、熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、冷却水温度の低下とともに増大する関数として、金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法である。
【００２３】
本発明は、第二に、熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、金属板の材種、目標とする巻取り温度の関数として、金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法である。
【００２４】
本発明は、第三に、前記の各方法を用いて金属板の温度を計算により予測し、目標とする冷却終了温度まで金属板を冷却することを特徴とする熱間圧延における金属板の冷却方法である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
冷却水により金属板表面を冷却する過程で、冷却水と金属板表面の両者の境界では、沸騰現象が、膜沸騰から遷移沸騰に変化するが、本発明では、そのことを金属板の温度を計算により予測する計算式に反映する。それには、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αが、下記式（１）に示すように金属板表面温度Ｔｓの関数ｆ（Ｔｓ）で与えられるとする。
【００２７】
α＝ ｆ（Ｔｓ） …（１）
【００２８】
ここで、ｆ（Ｔｓ）は、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分をもつ熱伝達係数を表す関数とする。これは、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下すると、熱伝達係数が増大することを関数で表したものである。冷却水により冷却する金属板が鋼板の場合を例に取ると、金属板表面温度が５５０℃から４００℃までの領域において、熱伝達係数が、金属板表面温度の低下とともに増大する関数とする。金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係を、金属板が鋼板の場合を例に、模式的に示したものが図１である。
【００２９】
図１を見ると、先述の通り、高張力鋼板の冷却は、低炭素鋼や極低炭素鋼などの普通鋼に比べ、目標とする巻取り温度をかなり低くし、４００〜５５０℃程度とすることに伴い、金属板表面温度に対して熱伝達係数が次第に高くなってくる領域での冷却になってくることがわかる。
【００３０】
そして、そのこととは別に、従来から定性的にはよく知られているように、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数は冷却水の温度Ｔｗ（℃）が低くなるほど高くなる。このことを、金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係として、模式的に示すと、図２のようになるが、例えばある基準となる冷却水の温度Ｔｗ０における熱伝達係数α０に対して、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αは、下記（２）式のような計算式で表されることになる。ちなみに冷却水の温度が１℃下がるごとに熱伝達係数が１％上昇する場合は、ｒ１ ＝ ０．０１となる。
【００３１】
α＝ ｋ α０ ＝ （１ ＋ ｒ１ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） α０ …（２）
【００３２】
ここで発明者らは、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数が冷却水の温度Ｔｗ（℃）によってどの程度変動するかを定量的に究明しようと試みた。発明者らの研究によると、上記（２）式は、鋼板の温度が５５０℃以上の温度域で使用する場合には有効であるが、それを下回る温度域ではさほど正確ではないことがわかってきた。
【００３３】
例えば金属板が鋼板の場合、９００℃で仕上圧延を終了した後、２５℃の冷却水で、巻取り温度６００℃まで冷却した場合は、（２）式で表す熱伝達係数が、冷却水が３５℃だった場合と比べて１０％高くなり、ｒ１ ＝ ０．０１ となる。ところが、同様に、９００℃で仕上圧延を終了した後、２５℃の冷却水で、巻取り温度４５０℃まで冷却した場合は、熱伝達係数が、冷却水が３５℃だった場合と比べて３０％も高くなり、ｒ１ ＝ ０．０３ となることがわかった。
【００３４】
ところが、発明者らの研究によると、上記（２）式は、鋼板の温度が５５０℃以上の温度域で使用する場合には有効であるが、それを下回る温度域ではさほど正確ではないことがわかってきた。
【００３５】
発明者らは、鋼板の温度が５５０℃を下回る温度域でも、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を計算式にて正確に表現できるよう、鋭意研究を重ねた。
【００３６】
その結果、発明者らは、以上述べたこととは別に、図３に模式的に示すように、金属板の冷却過程すなわち徐々に温度が低下する過程で、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数が急激に大きくなる遷移沸騰開始温度Ｔ１が、金属板表面温度Ｔｓだけでなく、冷却水の温度にも依存して変化することを見出した。
【００３７】
即ち、図２に模式的に示したように、冷却水の温度が低下すると、熱伝達係数はａからｂのように大きくなるという従来からの知見に加えて、図３に模式的に示したように、冷却水の温度が低下すると、遷移沸騰開始温度Ｔ１が金属板表面温度Ｔｓの高い側にシフトして熱伝達係数曲線がｂからｃのようになることを見出したのである。
【００３８】
発明者らは、次に、このことを計算式で表現しようと考えた。
【００３９】
先にも述べた通り、図１のような、従来から知られている、金属板表面温度Ｔｓと、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数αと、の関係が、ｆ（Ｔｓ）と表せたとすると、上述のように、冷却水の温度に依存して、熱伝達係数αが変化することは、先述の（２）式をベースに考え、
α＝ （１ ＋ ｒ１ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ｆ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ））…（３）
と表される、という結論に、発明者らは最終的に到達したのである。ここに、
ｆ（Ｔｓ）：遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分をもつ熱伝達係数を表す関数
例１：ｆ（Ｔｓ）＝ ａ ＋ ｂ ｅｘｐ（ ｃ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ２）、
例２：ｆ（Ｔｓ）＝ｐｅｒｆｃ（Ｔｓ） ＋ ｑ
Ｔｓ：金属板表面温度
Ｔｗ０：基準となる冷却水の温度
Ｔｗ：冷却水の温度
ｒ１，ｒ２：比例定数
をそれぞれ表すものとする。
【００４０】
そして、次の（４）式に従い、金属板の温度Ｔを予測計算する。
【００４１】
Ｔ＝Ｔ０ − α（Ｔｓ − Ｔｗ）×ｔ／ｃ …（４）
ここに、
Ｔ０：予測計算前温度
ｔ：経過時間
ｃ：金属板の比熱
をそれぞれ表すものとする。
【００４２】
（実施の形態２）
そして、巻取り温度の予測に対する実績の回帰を人手により行い、巻取り温度の予測計算結果が実績に合うように、ｒ１，ｒ２のような比例定数を、金属板の材種によって最適化する。材種は、例えばＣ（カーボン）の含有率によって、低炭素鋼、極低炭素鋼に分けるとか、高張力鋼板の場合であれば、Ｍｎ（マンガン）やＳｉ（珪素）の含有率、あるいは製品に要求される引張強さ、降伏応力がいくら以上かといった需要家オーダに関連したデータ等により分類して決定すればよい。これらに限らず種々の決め方を適宜採用してよい。
【００４３】
また、金属板の材種が同じでも、目標とする巻取り温度によってｒ１，ｒ２のような比例定数を最適化する。
【００４４】
例えば、目標とする巻取り温度が５５０℃以上の場合には ｒ１＝０．０１ （１℃につき水冷熱伝達係数が１℃につき１％変化する）とし、巻取り温度が４７０℃以上５５０℃未満の場合にはｒ１＝０．０２ （１℃につき２％変化する）とし、巻取り温度が４７０℃未満の場合にはｒ１＝０．０３ （１℃につき３％変化する）とする等してよい。
【００４５】
ところで、（３）式中のｒ１，ｒ２のような比例定数の最適化には相当の労力を要する場合がある。このような場合には、（３）式中の ｒ２ を０とする代わりに、ｒ１ を目標とする巻取り温度や金属板の材種によって最適化するなどしてもよい。
【００４６】
ちなみに、特許文献１では、冷却水の温度が低い場合に、巻取り温度の低い高張力鋼板の冷却を行なうと、コイル内（金属板の全幅、全長という意味）の実際の巻取り温度は、ばらつきが大きくなって、材質もばらつきが大きくなる、と説明されているが、発明者らは、研究の末、冷却水が特に加熱等しない２５〜４０℃の温度でも、安定的に冷却を行なえる手法を、本発明とは別に、あわせて幾つか見出した。
【００４７】
例えば、高張力鋼板の幅方向の実際の巻取り温度のばらつきは、仕上圧延前までに発生したスケールをデスケーリング装置で除去する際に、水ジェットを鋼板に向け噴射していることに伴い、同水ジェットが鋼板を冷却する作用があるため、それが鋼板の幅方向に一様でないのが原因である。このため、より強力に、すなわち水ジェットを鋼板に向け噴射する際の圧力を高くすれば、鋼板の幅方向の実際の巻取り温度のばらつきや材質のばらつきが小さくできる。
【００４８】
また、冷却水により金属板表面を冷却する際の、両者の境界での沸騰現象が、遷移沸騰の状態で長時間が経つと、鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のむらが大きくなる。このため、圧延速度を速くして冷却水が鋼板に対して滑りやすくするのも鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のばらつきが小さくできる。
【００４９】
さらに、冷却水の供給方式をミストなどにして緩冷却を行なえば、金属板に接触する際の冷却水の温度は上昇するため、高温の冷却水で冷却を行なったのと同じ効果が得られ、鋼板の幅方向および長さ方向の実際の巻取り温度のばらつきが小さくできる。
【００５０】
したがって、以上述べたことを全て考えあわせれば、特許文献１のように、冷却水の温度を４５℃以上に上げるようにすることは、大量の冷却水を加熱するためのエネルギー費用のことを考えた場合、高張力鋼板の材質のばらつきを小さくするためには、必ずしもそこまでする必要があるとはいえず、有効な方法とは言えない。
【００５１】
コイル内の実際の巻取り温度のばらつきを小さくすることはもちろん重要であるが、本発明のような方法によれば、簡便な方法で巻取り温度の制御精度を向上させ、巻取り温度を目標により近づけることができるようになる。しかも、それを冷却水の加熱という多大な設備、エネルギー費用を要さず、安価に実現できるようになるのである。
【００５２】
（実施の形態３）
以下、本発明を実際の熱間圧延ラインに適用する上での実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
【００５３】
図４は、本発明に係る被圧延金属材の冷却制御方法が適用される、先述の図９にて説明したスリークォータ式の熱間圧延ライン１００の一部を抜き出して拡大した概略構成図である。図４において、熱間圧延ライン１００は、被圧延材８の搬送方向上流から下流に向かう順に、加熱炉１０、複数の粗圧延機１２、クロップシャー１４、デスケーリング装置１６、複数の仕上圧延機１８、冷却ゾーン２２、及びコイラー２４を順次配置して構成されている。そして、粗圧延機１２の出側には粗出側温度計１３、仕上圧延機１８の入側には仕上入側温度計１５、仕上圧延機１８の最終Ｆ７スタンドには速度計１９、仕上圧延機１８の出側には仕上出側板厚計２０と仕上出側温度計２１、コイラー２４の入側には巻取り温度計２３がそれぞれ設置されている。図において、２８はメジャーリングロールである。
【００５４】
ここで、粗圧延機１２で粗圧延された被圧延材８が粗出側温度計１３の真下まで搬送されてきて、その先端が粗出側温度計１３の真下に到達すると、被圧延材８の先端の温度は粗出側温度計１３からプロセスコンピュータ７０に伝送される。プロセスコンピュータ７０内では、被圧延材８の先端の温度が所定の閾値以上であるか否かを判断し、前記温度が所定の閾値以上である場合には、被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達したと判定する。そして、プロセスコンピュータ７０内では、被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達した、と判定したことをトリガー信号として、プロセスコンピュータ７０よりも上位のビジネスコンピュータ９０から、被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターン（ＣＴとは巻取り温度：ｃｏｉｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅを意味する）を設定し、それを達成するための被圧延材長手方向の注水バンクのスプレーパターン計算が起動される。この注水バンクのスプレーパターンの計算は、同じくビジネスコンピュータ９０から伝送される、前記被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターン、被圧延材の長手方向目標ＦＤＴパターン（ＦＤＴとは仕上圧延機出側温度（仕上圧延後温度ともいう）：ｆｉｎｉｓｈｅｒ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅを意味する）、仕上圧延後の被圧延材８の厚み、被圧延材８のスレッディング速度、及び被圧延材８のトップ速度に基づいて、計算される。
【００５５】
ここで、被圧延金属材の長手方向目標ＣＴパターンは、ビジネスコンピュータ９０内に設定テーブルを設け、被圧延材８の材種や仕上圧延後の厚み、幅等のデータをキーとし、被圧延材８の先端、中間、尾端ごとに設定される。しかし、これに限らず、プロセスコンピュータ７０内に設定テーブルを設けて、設定してもよい。
【００５６】
また、被圧延材８のスレッディング速度及びトップ速度とは、図５に示すように、被圧延材８を仕上圧延する際の加減速パターン中でいえば、被圧延材８の先端が次々と仕上圧延機１８の各スタンドにオンしていくときの突っ掛け防止のための低い速度をスレッディング速度、また、さらに被圧延材８の先端が進行し、コイラー２４に巻き付いた直後に加速を開始するのであるが、被圧延材製品材質確保のための温度降下補償のための高い速度をトップ速度と称す。
【００５７】
図５においては、被圧延材８の先端が仕上圧延機１８のＦ１スタンドにオンしたとき（ａ）から前記先端がコイラー２４に巻き付いたとき（ｂ）までスレッディング速度で通板し、先端がコイラー２４に巻き付いた直後に加速し、そしてトップ速度を被圧延材８の尾端がＦ１スタンドからオフするとき（ｃ）まで維持し、さらに尾端の巻取りが完了する（ｄ）までにクリーピング速度と呼ばれる速度まで減速して通板している。
【００５８】
プロセスコンピュータ７０内で注水バンクのスプレーパターンが計算されると、被圧延材８の先端領域の仕上圧延後温度ＦＤＴ、被圧延材８の先端領域の巻取り温度ＣＴ及び被圧延材８の先端領域が冷却ゾーン２２を通過する際の注水長Ｌが予測される。
【００５９】
プロセスコンピュータ７０は、新たな被圧延材８の先端が粗出側温度計１３の真下に到達した、と判定するたびに、長手方向目標ＣＴパターンを設定した後、この新たな長手方向目標巻取温度ＣＴパターンを達成するための注水バンクのスプレーパターンの計算を行う。
【００６０】
この計算は、前記長手方向目標ＣＴパターン、ビジネスコンピュータ９０から伝送される、被圧延材８の長手方向目標ＦＤＴパターン、仕上圧延後の被圧延材８の厚み、被圧延材８のスレッディング速度、及び被圧延材８のトップ速度に基づいて、被圧延材８の長手方向の長さ数ｍピッチに仮想的に区分した連続した切板（図４（Ｂ）参照）８ａごとに、概略次に述べる計算ロジックにより計算される。
【００６１】
ここで、プロセスコンピュータ７０内での注水バンクのスプレーパターンの計算によって予測された被圧延材８の先端領域の仕上圧延後温度ＦＤＴと、前記計算によって予測された被圧延材８の先端領域の巻取り温度ＣＴとの差は、被圧延材８先端部の、注水開始バンク入側温度 − 注水終了バンク出側温度の計算結果に相当し、また同じく、注水バンクのスプレーパターンの計算によって求まる、注水開始バンク〜注水終了バンクの距離が注水長Ｌに相当する。
【００６２】
注水バンクのスプレーパターンの計算ロジックの概略であるが、まず、図４（Ｂ）に示すように切板８ａを取り上げて考え、その被圧延材８中の前記切板８ａが長手方向のどこに位置するか、そして仕上圧延開始前の被圧延材８の状態ではどの位置に相当し、該位置での粗出側被圧延材温度実績はいくらだったのか（粗出側温度計１３により測定される）、のデータをもとに以降の計算が行われる。前述のスレッディング速度、トップ速度、それに各構成設備間の機械的な距離をもとに、主要構成設備（Ｆ１、Ｆ７、冷却ゾーン２２の入側及び出側）への到達までに要する時間を計算し、次にその所要時間をもとに冷却ゾーン２２の入側へ到達するまでの放冷による被圧延材８の温度降下、デスケーリング装置１６によるデスケーリング水や仕上圧延機１８内のスタンド間に設置された冷却装置（図示せず）の冷却水噴射による被圧延材８の温度降下、仕上圧延中の加工発熱による被圧延材８の温度上昇などの温度変動をその切板８ａごとに計算し、その切板８ａが冷却ゾーン２２の入側へ到達したときに何℃の温度になるかを計算する。そして、その温度をもとに、冷却ゾーン２２を通過する際にどこどこのバンクを冷却水噴射状態とすれば、前記切板８ａを目標とする巻取り温度ＣＴまで冷却できるかを計算する。
【００６３】
ここで、冷却ゾーン２２を通過する際にどこのバンクを冷却水噴射とすれば、前記切板８ａを目標とする巻取り温度ＣＴまで冷却できるか、あるバンク１つから冷却水を噴射した場合、そのバンクに相当するゾーンをその切板８ａが通過するのに要する時間を前述のスレッディング速度、トップ速度、それに各構成設備間の機械的な距離をもとに計算した結果とから、その時間でその切板８ａが何℃まで冷却されるかを求め、それがまだ目標とする巻取り温度ＣＴよりも所定値以上高い値であれば、その直下流のバンクも噴射した場合はどうか、を次に計算する、という一連の計算プロセスを繰り返す収束計算により求めてもよい。
【００６４】
それらの計算の際に、実施の形態１、あるいは実施の形態２の要領で計算する。
【００６５】
このように計算された注水バンクのスプレーパターンは制御装置５０に伝送され、制御装置５０は、この伝送された注水バンクのスプレーパターンにより冷却ゾーン２２による被圧延材８の冷却を制御する。具体的には、冷却水を噴射するバンクと対象の切板８ａの計算機設定に基づいて多くのデータを制御装置５０に伝送し、制御装置５０は、リアルタイムにその切板８ａの冷却水を噴射する各バンクへの到達をメジャーリングロール２８と速度計１９の両者を用いたトラッキングに基づいて判定し、バルブ開閉から冷却水の噴射開始及び噴射停止までの遅延時間などを適宜考慮した上で、その到達タイミングに合わせて各バンクの各ヘッダの冷却水の噴射開始及び噴射停止のためのバルブ開閉を制御する。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、図４に示すように、仕上圧延機１８の入側に設置された仕上入側温度計１５及び仕上圧延機１８の出側に設置された仕上出側温度計２１のそれぞれの直下に切板８ａが到達したときのその切板８ａの温度を予め計算によって求めておき、前記切板８ａの仕上入側温度計１５による仕上入側温度実績と計算された仕上入側温度との偏差と、前記切板８ａの仕上出側温度計２１による仕上出側温度実績と計算された仕上出側温度との偏差とをとらえて、適当なゲインを掛け算して冷却ゾーン２２における冷却水噴射バンク数を加減調整するフィードフォワード制御を併用してもよく、また、冷却ゾーン２２の出側に設置された巻取り温度計２３の直下に切板８ａが到達したときのその切板８ａの温度を予め計算によって求めておき、前記切板８ａの巻取り温度計２３による巻取り温度実績ＣＴと計算された巻取り温度ＣＴとの偏差をとらえて、適当なゲインを掛け算して冷却ゾーン２２における冷却水噴射バンク数を加減調整するフィードバック制御を併用してもよい。あるいはまた、粗出側温度計１３ではなく、仕上入側温度計１５の真下に被圧延材８の先端が到達したときに被圧延材長手方向の注水バンクのスプレーパターンの補正計算を起動するなどしてももちろんよい。
【００６７】
また、本発明の実施の形態は、図９に示すスリークォータ式の熱間圧延ライン１００に適用対象を限定するものではなく、図１０に示すようなステッケルミル１５０や、薄スラブを連続鋳造し、粗圧延を経ずに直接仕上圧延する、図１１に示すような熱間圧延ライン２００（ヌーコアタイプ）などのその他の形式の熱間圧延ラインにも適用でき、また、被圧延材８も鋼に限定する必要はなく、アルミニウムその他の金属であってももちろんよい。
【００６８】
【実施例】
本発明の方法にて仕上圧延終了直後の温度（仕上圧延機出側温度）が８８０℃で、仕上圧延後の厚さが３ｍｍ、同幅９００ｍｍの、引張強さ等の材質が異なる３種類の熱延鋼板の冷却を行なった。その効果を、従来の方法にて冷却を行なった結果と比較する。
【００６９】
鋼種Ａは、目標とする巻取り温度が６００℃で、目標とする製品の引張強さが３６３ＭＰａ、鋼種Ｂは、目標とする巻取り温度が５００℃で、目標とする製品の引張強さが４９０ＭＰａ、鋼種Ｃは、目標とする巻取り温度が４５０℃で、目標とする製品の引張強さが５８８ＭＰａであり、冷却水の温度は２５〜４０℃の範囲にした。
【００７０】
従来例では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮しておらず、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を（２）式で与えていた。また、水温の影響係数であるパラメータ ｒ１ を０．０１で一定として温度予測を行なっていた。その結果、鋼種Ａでこそ巻取り温度の精度は図６（ａ）に示すように良好で、全長許容範囲に収まり、余幅の切捨てロス等のその他の要因によるロスのため、９４％の歩留まりを得たが、鋼種Ｂ、鋼種Ｃと、目標とする巻取り温度が低くなっていくにつれて図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は悪化し、歩留まりも、鋼種Ｂでは８７％、鋼種Ｃでは８０％まで低下した。
【００７１】
これに対し、実施例１では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮して、（３）式で
ｆ（Ｔｓ）＝ ａ ＋ ｂ ｅｘｐ（ ｃ （Ｔｓ − ｒ２ （Ｔｗ０ − Ｔｗ）） ２）、
ａ＝１８００、ｂ＝４０００、Ｃ＝−０．００００６、
とした上、 ｒ２ ＝ ０．０５ とし、冷却水の温度の影響係数であるパラメータ ｒ１ を０．０１とした。これを適用した結果、鋼種Ａでは、従来例１と同じように巻取り温度の精度は図７（ａ）に示すように良好で、９４％の歩留まりを得た。そして、巻取り温度の低い鋼種ＢおよびＣでも図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は従来例（図６（ｂ）、図６（ｃ））に比べて向上し、歩留まりも、鋼種Ｂでは９２％、鋼種Ｃでは９０％まで向上した。
【００７２】
また、実施例２では、遷移沸騰開始温度が冷却水の温度によって変化することを考慮しなかったが、（３）式で実施例１と同じようにし、冷却水の温度の影響係数であるパラメータ ｒ１ を鋼種Ａで０．０１、鋼種Ｂで０．０２、鋼種Ｃで０．０３とした。鋼種Ａでは、従来例１と同じように巻取り温度の精度は図８（ａ）に示すように良好で、９４％の歩留まりを得た。そして、巻取り温度の低い鋼種ＢおよびＣでも図８（ｂ）、図８（ｃ）に示すように巻取り温度の精度は従来例（図６（ｂ）、図６（ｃ））に比べて向上し、歩留まりも、鋼種Ｂでは９２％、鋼種Ｃでは９０％まで向上した。
【００７３】
以上の結果を下表１にまとめて示す。
【００７４】
【表１】
なお、上記実施例では、鋼板を冷却する場合について示したが、本発明は高残留オーステナイト鋼等の高張力鋼板に限らず、ステンレス鋼なども含めたあらゆる鋼板、更に、例えば厚鋼板や型鋼を冷却水により冷却する場合や、アルミニウムなど他の材種の金属板を冷却水により冷却する場合も同様に適用できる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水の温度が変化しても、冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を計算式により正確に求め、冷却中の金属板の温度を正確に予測することが可能になる。
【００７７】
また、本発明の金属板の温度予測方法を用いて金属板の冷却に必要な冷却水の供給の仕方を設定すれば、巻取り温度の制御精度が向上し、材質のばらつきを小さくできる。
【００７８】
さらに、本発明によれば、特許文献１のように、冷却水を加熱するという大がかりなことをしないでも、巻取り温度の制御精度を向上させることができる。すなわち、操業条件によって冷却水の温度がばらついたとしても巻取り温度を目標により近づけて、材質のばらつきの小さい金属板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図２】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図３】金属板表面温度と熱伝達係数の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態を説明するための図
【図５】被圧延材のスレッディング速度及びトップ速度について説明するための図
【図６】本発明の実施の結果を示す図
【図７】本発明の実施の結果を示す図
【図８】本発明の実施の結果を示す図
【図９】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【図１０】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【図１１】熱間圧延ラインの一つの形態について概略を示した図
【符号の説明】
８…被圧延材
１０…加熱炉
１２…粗圧延機
１３…粗出側温度計
１４…クロップシャ
１５…仕上入側温度計
１６…デスケーリング装置
１８…仕上圧延機
１９…速度計
２０…仕上出側板厚計
２１…仕上出側温度計
２２…冷却ゾーン
２４…コイラー
２３…巻取り温度計
２８…メジャーリングロール
５０…制御装置
７０…プロセスコンピュータ
９０…ビジネスコンピュータ
１００…熱間圧延ライン
１５０…ステッケルミル
２００…熱間圧延ライン
Claims (3)
- 熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、
冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、冷却水温度の低下とともに増大する関数として、
金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法。 - 熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、
冷却水により金属板表面を冷却する際の熱伝達係数を、金属板表面温度、冷却水温度の関数であって、遷移沸騰開始温度以下に金属板表面温度が低下するとともに増大する部分を持ち、且つ、金属板の材種、目標とする巻取り温度の関数として、
金属板の温度を予測することを特徴とする熱間圧延における金属板の温度予測方法。 - 熱間圧延における金属板の冷却水による冷却に際し、
請求項１又は２に記載の方法を用いて金属板の温度を計算により予測し、目標とする冷却終了温度まで金属板を冷却することを特徴とする熱間圧延における金属板の冷却方法。
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2003
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