JP2005118806A - 線材コイルの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 線材コイルの全長にわたっての均一冷却を簡易な構成で安定して可能とし、線材コイル全長にわたってのスケール組成及びスケール厚さの所定範囲内への制御を可能にする線材コイルの冷却装置を提供する。
【解決手段】 熱間圧延後に捲取られた線材コイル１の中空領域３に衝風を吹き込むことによって冷却を行う線材コイルの冷却装置であって、線材コイル１に対し衝風が吹き込まれる側とは反対側に配置される冷却蓋２と、線材コイルの中空領域３に配置され、衝風を線材コイルの略中央部に導く衝風ガイド４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱間圧延後に捲取られた線材コイルの冷却装置に関するものである。

熱間圧延により製造された線材は、酸洗等によってスケールが除去された後、伸線加工される。しかしながら、線材全長にわたって脱スケール性が均一でない場合、線材のスケール除去が不均一となる。その結果、スケール除去が不十分な部分は伸線後の表面肌が優れず、冷間鍛造時に肌不良部品が残り、製品価値を下げるという問題がある。
また、線材の脱スケール性が不十分な場合、酸洗時間の延長や再酸洗等の工程が必要となり、生産性低下やコスト増の原因となるという問題がある。
そこで、安定して線材全長にわたって均一にスケール除去ができる脱スケール性に優れた線材が望まれている。

脱スケール性に優れた線材を得るには、線材のスケール組成及びスケール厚さを十分に制御する必要がある。スケール組成としてはＦｅＯの比率を高めることが、またスケール厚さとしては薄くすることが、一般的には好ましいとされている。これらの要素を同時に満足させるには、熱間圧延後の線材をコイル状に捲き取って後、急速に冷却する必要がある。

図３は、従来の線材コイルの冷却装置の一例を示す模式図である。この線材コイルの冷却装置は、熱間圧延後にコイル状に捲き取られた線材コイル１０１の中空領域に下方から衝風を吹き込むことにより、線材コイルを冷却するものである。また、この冷却装置においては、線材コイルの上方に冷却蓋１０２が設けられ、線材コイルを十分に冷却することなく衝風が通過することを防いでいる。すなわち、線材コイル１０１の中空領域内への衝風の滞留時間を長くすることにより、線材コイル１０１を冷却する能力を向上させ、線材コイルの冷却速度の向上を図ろうとするものである。

しかしながら、図３に示す冷却蓋を備えた装置にあっても、熱間圧延条件等によっては、線材コイル全長にわたってスケール組成及びスケール厚さを所定範囲内に制御することが困難な場合があった。

図４は、従来の線材コイルの冷却装置の別の一例を示す模式図である。この線材コイルの冷却装置は、保温蓋１０３を備えた冷却容器１０４と冷却容器の中に入るマンドレル１０５とからなり、保温蓋１０３または冷却容器１０４にバーナー用の装入口１０６、燃焼ガス排気口１０７、不活性ガス流入口１０８および不活性ガス流出口１０９を設けるものである（特許文献１参照）。

この線材コイルの冷却装置は、冷却容器内を予熱しておくとともに、不活性ガス雰囲気とすることにより、線材のスケール厚さを制御するものである。しかしながら、この線材コイルの冷却装置は、装置構成が複雑になるという問題があった。

特開２００２−１３７０１５号公報

本発明は、上記現状に鑑みて創案されたものであって、熱間圧延後にコイル状に捲き取られた線材コイルの全長にわたっての均一冷却を簡易な構成で安定して可能とし、線材コイル全長にわたってのスケール組成及びスケール厚さの所定範囲内への制御を可能にする線材コイルの冷却装置を提供することを目的とするものである。

本発明の要旨は、下記に示す線材コイルの冷却装置にある。

熱間圧延後に捲取られた線材コイルの中空領域に衝風を吹き込むことによって冷却を行う線材コイルの冷却装置であって、線材コイルに対し衝風が吹き込まれる側とは反対側に配置される冷却蓋と、線材コイルの前記中空領域に配置され、衝風を線材コイルの略中央部に導く衝風ガイドとを備えることを特徴とする線材コイルの冷却装置。

ここで、「線材」とは、「棒状に熱間圧延された鋼で、コイル状に巻かれる鋼材」を指し、いわゆる「バーインコイル」を含む。

本発明者らは、上記した課題を解決するために様々な検討を行い、以下の知見を得た。

（ａ）熱間圧延後の線材の表面に形成されるスケールは、地鉄表面から順にＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３の３層構造からなる。ＦｅＯは、他のＦｅ系酸化物と比較すると、酸に溶解しやすく、また強度が低い。その結果、スケール中のＦｅＯの比率を上げることが、酸線性及びメカニカルデスケーリング性、すなわち脱スケール性の向上につながる。
特に、スケール中のＦｅ系酸化物全体に占めるＦｅＯの比率を７０％以上とし、またスケール厚さを３０μｍ以下とすることがとすることが、脱スケール性に好ましい。

（ｂ）ＦｅＯは、５７０℃以下でＦｅ_３Ｏ_４に共析変態し、ＴＴＴ曲線（等温変態曲線）によればこの変態のノーズ部分が４００℃のときに２０分である。したがって、スケール中のＦｅＯの比率を上げるには、この共析変態を阻止すべく、２０分以内に４００℃以下の温度まで冷却を行う必要がある。また、冷却速度を大きくすることは、高温状態での時間を短くすることになるので、スケール厚さを薄くすることにもつながる。
すなわち、スケール中のＦｅＯ比率を高めるとともにスケール厚さを薄くするには、熱間圧延後の線材を捲き取って後、この線材コイルを２０分以内に捲取り温度から４００℃以下まで冷却することが好ましい。

（ｃ）図３に示す従来の線材コイルの冷却装置において、線材コイル全長にわたってスケール組成及びスケール厚さを所定範囲内に制御することが困難な場合があるのは、線材コイルの部分によって冷却速度が大きく異なるためである。
すなわち、図３中符号Ａで示す線材コイルの先端部及び図３中符号Ｃで示す線材コイルの後端部に比べ、図３中符号Ｂで示す線材コイルの中央部の冷却速度が十分でないためである。
線材コイルの先端部Ａは、熱間圧延後の線材を捲き取る際における捲取りドラムの底部への接触や線材コイル搬送用コンベア等への接触により、線材コイルの冷却装置に搬入される前の段階である程度冷却が行われる。そのため、冷却速度は大きくなる。
線材コイルの後端部Ｃは、冷却蓋１０２によって、経路を遮られた衝風の大部分がこの後端部Ｃの領域を通過するために冷却速度が大きい。さらに、冷却蓋１０２が線材コイルと接触するように配置される場合には、冷却蓋１０２との接触による冷却も加わるため、後端部Ｃの冷却速度はさらに大きくなる。
一方、線材コイルの中央部Ｂは、先端部Ａと後端部Ｃの線材コイルに挟まれた状態であるので、とくに冷却速度を向上させる要素もないことから、先端部Ａや先端部Ｂに比べると、冷却速度は小さくなる。

（ｄ）そこで、線材コイルの中央部Ｂに衝風を導く衝風ガイドを設け、線材コイルの中央部Ｂにおける冷却速度を向上させ、線材コイル全長を均一に冷却することを可能とすれば、図３に示す従来の線材コイルの冷却装置の問題点を解決し、スケールの組成及び厚みを制御することが可能とできる。

本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。

本発明の線材コイルの冷却装置では、線材コイルの中央部における冷却速度の向上を図り、安定してコイル全長の均一冷却が可能となり、コイル全長にわたって脱スケール性の優れた線材コイルを提供することができる。

図１は、本発明を適用した線材コイルの冷却装置の一例を示す模式的な断面図である。線材コイル１は、コイルコンベア５により所定位置に搬送され、下方にある送風口６から中空領域３に吹き込まれる衝風により冷却される。線材コイル１の上方に線材コイルの後端部Ｃと接するように冷却蓋２が備えられ、線材コイルが形成する中空領域３には、線材コイルの下方から吹き込まれる衝風を線材コイルの中央部Ｂに導く衝風ガイド４が備えられている。

図１に示す衝風ガイド４は一例であり、円錐（コーン）形状をしており、冷却蓋２に固定されている。衝風ガイドの外径ａと線材コイルの内径ｂの比（ａ／ｂ）は、０．７、衝風ガイドの高さ（冷却蓋からの距離）ｃと線材コイルの高さｄの比（ｃ／ｄ）は０．３５である。

衝風ガイド４の形状としては、中央部Ｂに衝風を導くことができさえすればよいため、その形状はどのようなものであってもよい。ただし、線材コイルが形成する中空領域３が円筒状であるため、円板、円錐、円錐台、ドーム状などが好ましい。
衝風ガイド４の外径ａとしては、線材コイルの内径ｂとの比（ａ／ｂ）が０．５〜０．９の範囲となるようにすることが好ましい。比（ａ／ｂ）が０．５より小さい場合、衝風ガイド４と線材コイル１の間隙が広いため、線材コイル中央部Ｂの冷却速度を高める効果が小さくなる。また、比（ａ／ｂ）が０．９より大きい場合、衝風ガイド４が線材コイル１と接触するおそれが高くなる。
衝風ガイド４の高さｃとしては、線材コイルの高さｄとの比（ｃ／ｄ）が０．２〜０．５の範囲となるようにすることが好ましい。比（ｃ／ｄ）が０．２より小さい場合、線材コイル中央部Ｂの冷却速度を高める効果が小さくなる。また、比（ｃ／ｄ）が０．５より大きい場合、線材コイルの中央部Ｂ及び後端部Ｃの冷却速度が小さくなる。
なお、衝風ガイド４の形状、外径及び高さ方向の位置については、線材コイルの全長にわたって均一冷却が可能となるように、適宜設計すればよいことはいうまでもない。
冷却蓋２は、線材コイル後端部Ｃの冷却速度の向上を図ることができるので、図１に示すように線材コイル後端部Ｃと接するように配置されることが好ましい。ただし、冷却蓋２は、必ずしも線材コイルの後端部Ｃに接するように配置する必要はなく、後端部Ｃから離れた状態となるように配置してもよく、線材コイルの全長にわたって均一冷却が可能となるように、適宜決めればよいことはいうまでもない。
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。

図１に示す線材コイルの冷却装置を用いて、線材コイルの冷却試験を実施した。衝風ガイド４は、前述の通り、円錐（コーン）形状をしており、衝風ガイドの外径ａと線材コイルの内径ｂの比（ａ／ｂ）は、０．７、衝風ガイドの高さ（冷却蓋からの距離）ｃと線材コイルの高さｄの比（ｃ／ｄ）は０．３５である。また、衝風ガイドがない従来の線材コイルの冷却装置、すなわち図１に示す線材コイルの冷却装置から衝風ガイドを取り除いた従来の線材コイルの冷却装置を用いて、同様の線材コイルの冷却試験を実施し、比較例とした。

線材コイルの冷却試験は、次のように行った。
鋼種がＪＩＳ Ｓ４５Ｃの１６０ｍｍ角鋼片を加熱炉で加熱し、線径２６ｍｍの線材に熱間圧延した後、８１０℃でコイル状に捲き取った。この線材コイルを、上記の本発明を適用した線材コイルの冷却装置及び従来の線材コイルの冷却装置を用いて、それぞれ、所定時間衝風冷却した。そして、衝風冷却を行う際の線材コイルの先端部、中央部及び後端部それぞれの表面温度の時間変化を測定し、冷却速度を求めた。

脱スケール性の評価は、上記のようにして各々得られた線材コイルを長手方向に１５等分して、線材コイルの先端部をＨ１〜Ｈ５、中央部をＭ１〜Ｍ５、後端部をＴ１〜Ｔ５と番号付けを行い、計１５本のサンプルを採取した。これら１５本のサンプルに対し、スケール厚さとスケール組成を測定した。

スケール厚さは、長手方向に対して直角に切断して表面を研磨した後に、顕微鏡で垂直断面の円周方向に８等分し測定したものの平均値で算出した。スケール組成は、サンプルに歪みを与えてスケールを剥離させ、Ｘ線回析によりＦｅＯ，Ｆｅ_３Ｏ_４，Ｆｅ_２Ｏ_３の回析強度を計測し、強度の合計に占めるＦｅＯ回析強度の割合をＦｅＯ比率とした。なお、スケール厚さについては３０μｍ以下を、ＦｅＯ比率については７０％以上を、脱スケール性が良好と判断する基準とした。

図２は、線材コイルの各部位における冷却速度の測定結果を示す図である。図中の破線は、冷却速度０．３４℃／秒を示すものであり、ＦｅＯ比率の高いスケールを有する線材コイルを製造する条件として望まれる、２０分以内に捲取温度から４００℃以下まで冷却するという上記した要件を、捲取温度８１０℃である本実施例において、冷却速度として表すものである。

衝風ガイドがない従来の線材コイルの冷却装置を用いて冷却を行った比較例の場合では、線材コイル中央部の冷却速度が線材コイル先端部と後端部の冷却速度に比べて小さく、線材コイル各部での冷却速度ばらつきが大きかった。また、比較例では、上記したＦｅＯ比率の高いスケールを有する線材コイルを製造する条件として望まれる、２０分以内に捲取温度から４００℃以下まで冷却するという要件である冷却速度０．３４℃／秒以上の要件を、線材コイル中央部は満たしていなかった。

一方、本発明を適用した線材コイルの冷却装置を用いて冷却を行った、すなわち衝風ガイドを有する線材コイルの冷却装置を用いて冷却を行った本発明例の場合では、線材コイル中央部の冷却速度が向上しており、線材コイル各部での冷却速度のばらつきが小さかった。また、本発明例では、線材コイルの先端部、中央部及び後端部のいずれにおいても、冷却速度０．３４℃／秒以上の要件を満たしていた。

また、表１から明らかなように、比較例の場合には、試験番号Ｍ１〜Ｍ５の線材コイルの中央部におけるスケール厚さが３０μｍを超えるとともに、ＦｅＯ比率が７０％未満であり、脱スケール性が良好の範囲を満足しなかった。

一方、本発明例の場合には、いずれの試験番号においても、スケール厚さが３０μｍ以下であり、ＦｅＯ比率が７０％以上であり、脱スケール性が良好の範囲を満足した。

本発明を適用した線材コイルの冷却装置の一例を示す模式的な断面図である。 線材コイルの各部位における冷却速度の測定結果を示す図である。 従来の線材コイルの冷却装置の一例を示す模式図である。 従来の線材コイルの冷却装置の別の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 線材コイル
２ 冷却蓋
３ 中空領域
４ 衝風ガイド
５ コイルコンベア
６ 送風口

Claims (1)

1. 熱間圧延後に捲取られた線材コイルの中空領域に衝風を吹き込むことによって冷却を行う線材コイルの冷却装置であって、
   線材コイルに対し衝風が吹き込まれる側とは反対側に配置される冷却蓋と、
   線材コイルの前記中空領域に配置され、衝風を線材コイルの略中央部に導く衝風ガイドとを備える
   ことを特徴とする線材コイルの冷却装置。

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