JP2006199992A - 鋼片の水冷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼片の急速且つ均一な冷却を実現する。
【解決手段】 加熱後の鋼片を水中に浸漬して冷却する鋼片の水冷方法において、前記鋼片をその広面が側面となるように配しつつ水中に浸漬するとともに、該水中において前記鋼片の両方の側面に対して水噴射を行う。水噴射は前記鋼片の広面に対し垂直または斜め方向から行い、水噴射による前記広面上の流速を0.10〜10.0m/sとするのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼片の熱処理工程において、加熱後に水中に鋼片を浸漬して冷却する鋼片の水冷方法に関する。

鋼材の製造は、加熱・冷却による熱処理や、圧延・鍛造などの加工を組み合わせて行われる。この中で、熱処理における冷却は析出物や集合組織などをコントロールするために重要な過程であり、例えば厚板の大型材を製造する際、鋳造された鋼片を高温に加熱して水冷することで、元素の濃化や析出物の生成を抑制することが行われている。

例えば特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼を連続鋳造して鋳片を製造する際に、前記鋳片をその表面温度が８００℃を越える温度域まで冷却し、前記温度域から５０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却することで、炭化物析出を抑制することが開示されている。

また特許文献２には、ステンレス鋼鋳片の精整方法として、連続鋳造鋳片のブラスト処理に先立って表面温度が400℃以上で急冷することで、炭化物の粒界析出を抑制することが開示されている。

ところで、工業的に製造される鋼片は、たとえばスラブの場合、その広面の各辺が1〜数ｍ、厚さが数十〜数百mmに達するため、取り扱いに時間を要する間に冷却が進行したり、また水中に浸漬すると部位により温度偏差が生じる場合がある。そこで、これらを改善する方法が種々提案されてきた。

特許文献３には、複数のスラブを並列に収納し急冷する水槽と、冷却後のスラブを仮置きする仮置き場とを設けることで、連続鋳造機によるスラブの製造速度に大きく遅れることなく、良好な効率で確実に急速冷却を行うことができ、炭化物の部分的な析出等がない高品質なスラブを製造することができる高温スラブの急速冷却装置が開示されている。

特許文献４には部分的な光沢むらやへげを低減できる鋼片の冷却方法および鋼片の水冷用水槽として、鋼片をその広面が上下面となるように配しつつ水中に浸漬するとともに、前記鋼片の下面に対して水が流動するように水噴射を行うことが開示されている。
特開平６−８７０５４号公報 特開平４−２６６４１６号公報 特開平７−１００６０９号公報 特開２０００−４２７００号公報

鋼片の温度偏差は鋼片内部の組成ばかりでなく、鋼片表面にも光沢むらやへげなどの欠陥を生じさせる場合があるため、できるだけ均一に冷却するのが好ましい。特許文献４に記載の方法はそれなりに有効であるが、それでも、鋼片の上面と下面とで、更には前記下面における中央部と端部とで、冷却速度に差が出ることを完全に抑制できないことから、さらなる改善が望まれていた。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）加熱後の鋼片を水中に浸漬して冷却する鋼片の水冷方法において、前記鋼片をその広面が側面となるように配しつつ水中に浸漬するとともに、該水中において前記鋼片の両方の側面に対して水噴射を行うことを特徴とする鋼片の水冷方法。

（２）前記水噴射による前記広面上の水の流速を、0.10〜10.0m/sの範囲内にすることを特徴とする（１）に記載の鋼片の水冷方法。

（３）前記水噴射を、前記広面に対し垂直または斜め方向から行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の鋼片の水冷方法。

（４）前記水噴射用のノズルの先端と前記広面との距離を、500〜2000mmの範囲内にすることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。

（５）前記水噴射用の隣り合うノズル同士の間隔を、100〜1000mmの範囲内にすることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。

（６）前記広面の上側半分に対する噴射量の合計が、下側半分に対する噴射量の合計よりも多くなるように、前記水噴射を行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。

本発明により、鋼片の急速且つ均一な冷却を実現することができる。

以下に本発明について説明する。本発明が対象とするのは、連続鋳造などにより得られた鋼片の一例としてのスラブを、鋳造直後の高温のまま、あるいは再加熱してから水中に浸漬して急冷する場合である。

本発明の特徴は、図１の斜視図に示すように、鋼片１１をその広面１１ａが側面となるように配しつつ（以下、縦置き又は垂直置きとも言う）水中Ｗに浸漬することと、鋼片１１の両方の側面に対して水噴射（不図示）を行うことにある。ここで広面１１ａとは、直方体の鋼材の３対の面のうち最も広い面のことである。

一般に、浸漬した鋼片１１は水槽２１の床２３に置かれることとなるが、前記３対の面のうちの前記床２３と接触した面は水が流通しにくく、また水蒸気による気泡が除去されにくい。特に、図２に示す特許文献４のように、鋼片１１をその広面１１ａが上下面となるように配しつつ（以下、横置き又は水平置きとも言う）水中Ｗに浸漬した場合には、鋼片１１の下面に前記気泡が溜まってそこから逃げ難いために、鋼片１１の上部側に比べて下部側の冷却が著しく阻害され、鋼片１１の均一な冷却が非常に困難になる。

特許文献４に記載の方法は、鋼片１１の下面に対して水を噴射することで、この問題を解決しようとしたものであるが、依然として、鋼片１１の上面と下面との冷却条件、すなわち、鋼片１１の２つの広面１１ａ，１１ａの冷却条件を同一に揃えるのは難しく、その結果、２つの広面１１ａ，１１ａの冷却条件の違いによる温度偏差については解決されていない。

これに対して、本発明では、図１に示すように、鋼片１１の広面１１ａを側面とすることで、２つの広面１１ａ，１１ａに関して、水蒸気の気泡の発生状況、及び、各広面１１ａ，１１ａへの水噴射の条件をそれぞれ同一に揃えることができる。よって、２つの広面１１ａ，１１ａの冷却条件を同一に揃えることが可能となり、より均一な冷却を鋼片１１に対して行えるようになるのである。

また、図２の特許文献４のように鋼片１１の下面へ水噴射を行う場合には、水槽２１の床２３に噴射位置を固定した装置構造にせざるを得ないが、その場合には、鋼片１１の下面と床２３とが接触していることから、水噴射用のノズル（不図示）から噴射した水が前記下面と前記床２３との間を流れ難く、鋼片の下面たる広面１１ａで生じる蒸気を当該広面１１ａから引き離し難い。

これに対して、図１の本発明のように鋼片の広面１１ａを側面にし、その側面へ水噴射を行うようにすれば、上述の床２３に広面１１ａを置く場合と比べて水槽２１の壁と鋼片１１の広面１１ａとの距離を十分広く確保できる。よって、水噴射用のノズル（不図示）とノズル（不図示）との間に、噴射した水の退路を確保でき、そこに水の還流を生じさせて、鋼片表面（広面１１ａ）で生じる蒸気をより効率的に鋼片表面から引き離すことができる。また、噴射位置の変更も配管の移動のみで比較的容易にできるため、鋼片１１のサイズが大きく変わった場合でも容易に対応することができる。

なお、図１に示すように、鋼片１１を縦置きの状態で前記水槽２１へ浸漬させても、水噴射が無ければ、鋼片側面の下部側で発生した蒸気が上部側へ行く際に鋼片１１の側面上を進むため、上部側ほど鋼片１１と水との接触が阻害され、やはり上下の冷却速度は不均一になる。

そこで、本発明では、前記水槽２１内で鋼片１１の広面１１ａへ向けて水噴射を行い、蒸気を鋼片表面から排除することで、急速且つ上下均一な冷却を達成している。なお、このとき、前記広面１１ａ上の水の流速（以下、板上流速と言う）が0.10〜10.0m/sとなるように水噴射することが望ましい。この理由は、板上流速が0.10m/s未満では、前記広面１１ａ上で発生する蒸気を十分に排除することができず、上下の温度偏差は解消できないからであり、また、10.0m/sを超えても冷却速度や温度偏差の改善の効果は飽和し、過剰な水量の分だけコスト高となるからである。

水噴射の方向は、鋼片１１の広面１１ａに対して垂直または斜め方向にすると良く、また、前記水噴射用のノズルの先端と前記広面との距離は、500〜2000mmの範囲内にするのが好ましい。この理由は、2000mmよりも距離を離すと、ノズルから噴射された水流が拡散してしまい、蒸気を十分に排除することができなくなるからであり、また、500mmよりも近づけると、隣り合うノズルから噴射された水流同士が干渉したり、前述した環流が生じ難くなって、蒸気を排除し難くなるからである。

水噴射の装置としては、工業的には複数の水配管を互いに平行に、かつ鋼片１１の広面１１ａに対しほぼ平行に配列し、その途中に多数のノズルを、格子状ないし千鳥状に設置した装置を用いるのが、設備構造上簡易で好ましい。このとき、隣り合うノズル同士の間隔を100〜1000mmの範囲内にするのが、水流の均一性の観点から好ましい。すなわち、間隔が1000mmを超えると水流が均一に鋼片１１の広面１１ａ上にかからない。一方100mm未満では効果が飽和することに加えて、ノズルとノズルとの間を通る還流が生じ難くなり、冷却速度の均一性が低下する。

また、鋼片表面で生じる蒸気は水面に向かって浮上する傾向にあるため、浸漬させた鋼片１１の上側の部分ほど、冷却阻害効果が累積的に大きくなる。このため、これを防止すべく、前記鋼片１１の広面１１ａの上側半分に対する噴射量の合計が、下側半分に対する噴射量の合計より多くなるように水噴射をするのが好ましい。なお、上側に行くに従い、個々のノズルからの噴射量を漸増するように設定しても良い。

厚み50ｍｍ、幅4000ｍｍ、長さ7000ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼の鋼片１１を加熱した後、表面温度がほぼ９００℃で、表１に示す条件で水槽２１に浸漬した。ここで、「垂直置き」とは、図１に示すように、鋼片１１の広面１１ａが側面となるようにすべく、鋼片１１の幅方向が水槽２１の深さ方向になるようにして浸漬することである。また、「水平置き」とは、図２に示すように、鋼片１１の広面１１ａが上下面となるようにすべく、鋼片１１の厚み方向が前記深さ方向になるようにして浸漬することである。

水噴射用のノズルは、鋼片１１の広面１１ａに対し格子状に配置し、前記広面１１ａに対して垂直に水を噴射した。すなわち、垂直置きの場合は、鋼片１１の両側の各広面１１ａ，１１ａに対向させて、鋼片１１の長さ方向に平行な水配管を、上下に500mm間隔で複数本設置し、各配管に500mm間隔でノズルを設置した。また、水平置きの場合は、特許文献４にならい、水槽２１の床２３に平行な水配管を、500mm間隔で複数本設置し、各配管に500mm間隔でノズルを設置した。

なお、各ノズルの先端と前記鋼片１１の広面１１ａとの距離（以下、面間距離と言う）は、表１に示す水準で変化させた。また、水噴射の板上流速も、表１に示す水準で変化させたが、いずれも、あらかじめ常温でそれぞれの板上流速となる噴水量を確認しておき、実機実験ではその噴水量で操業を行った。

また、鋼片１１にはあらかじめ、その広面１１ａの長さ方向の中央において、その幅方向に1000mmおきに熱電対を貼り付けておき、温度推移を記録して、鋼片１１の厚み方向の中心部における冷却速度に換算した。

［表１］

図３〜図６に、各水準についての冷却速度の測定結果を示す。図３は、本発明に係る垂直置きの冷却速度の均一効果を従来例に係る水平置きと対比して説明するためのグラフである。図４は、本発明における板上流速の好適範囲を検討するためのグラフである。図５は、本発明における面間距離の好適範囲を検討するためのグラフである。また、図６は、測定対象部位同士の間の冷却速度の最大値と最小値の差（最大偏差）を表１の水準毎に示す棒グラフである。

なお、図３〜図５の横軸は、鋼片の下面から測定対象部位までの距離（高さ）であり、縦軸は、各測定対象部位における鋼片の厚み方向の中心部の冷却速度である。また、冷却速度は、各測定対象部位における850〜500℃間の平均冷却速度を示している。

先ず、図３及び図６を参照しつつ、従来例の水平置き（横置き）に対する本発明の垂直置き（縦置き）の効果について説明する。水噴射条件（板上流速及び面間距離）は同一で鋼片の置き方を互いに相違させた従来例２と本発明２との対比からは、従来例２のような水平置きよりも本発明２のような垂直置きの方が、鋼片を均一に冷却可能なことがわかる。すなわち、水平置きの従来例２の場合は、その冷却速度の最大偏差が０．６℃／ｓと大きいが、垂直置きの本発明２の場合には０．０８℃／ｓと小さく抑えられている。また、従来例２は、鋼片の幅方向の中央部と端部との間に、大きな冷却速度ムラを生じているが、本発明２には、そのような冷却速度ムラも見受けられず、もって、冷却速度の均一化に関して垂直置きが非常に有効であることがわかる。

また、共に垂直置きであって水噴射の有無の点で相違する参考例１と本発明２との対比からは、本発明２のように水噴射を行うと、鋼片の冷却をより均一に行えることがわかる。すなわち、水噴射を行わない参考例１の場合は、その冷却速度の最大偏差が１℃／ｓと大きいが、水噴射を行った本発明２の場合には、その最大偏差は０．０８℃／ｓというように小さく抑えられている。

次に、図４及び図６を参照して、垂直置きの場合に均一に冷却するための板上流速の好適範囲について説明する。面間距離は同一で板上流速が互いに相違する本発明１、２、３の対比からは、板上流速が大きいほど、鋼片を均一に冷却可能なことがわかる。すなわち、板上流速が０．０５ｍ／ｓの本発明１の場合には、その冷却速度の最大偏差が０．６℃／ｓであるのに対して、本発明２、３のように０．１ｍ／ｓ、１ｍ／ｓと大きくなるにつれて、その最大偏差は、それぞれに０．０８℃／ｓ、０．０２℃／ｓと小さくなっている。但し、その冷却速度を均一にする効果は、板上流速の大きさに比例するものではなく、板上流速が０．１ｍ／ｓの辺りから飽和する傾向を見せている。従って、板上流速の好適範囲としては、少なくとも０．１ｍ／ｓ以上であると考えられる。

次に、図５及び図６を参照して、垂直置きの場合に均一な冷却を達成するための面間距離の好適範囲について説明する。板上流速は同一で面間距離が互いに相違する本発明２、４、５、６、７の対比からは、面間距離の好適範囲が５００〜２０００ｍｍであることがわかる。すなわち、面間距離が１００ｍｍの本発明４は、その冷却速度の最大偏差が０．７℃／ｓと大きいが、本発明２のように面間距離が５００ｍｍになると、最大偏差は０．０８℃／ｓまで一気に抑制される。そして、本発明５及び６のように面間距離が１０００ｍｍ、２０００ｍｍでは、その最大偏差はそれぞれに０．１℃／ｓ、０．２４℃／ｓと小さいが、本発明７のように面間距離が２５００ｍｍになると、最大偏差は０．８℃／ｓと非常に大きくなる。

なお、このような冷却速度の均一化の具体的効果の一例としては、図７に示す鋼片（板）の曲り量の抑制が挙げられる。すなわち、図７には、常温まで冷却後の単位長さ当たりの板反り量（ｍｍ／ｍ）、および１５００トンのプレス力で矯正後の板反り量（ｍｍ／ｍ）を示しているが、図６に示す冷却速度の最大偏差の低減に伴って、本発明のいずれの板反り量も小さくなっており、鋼片の形状品質に対し良好な結果が現れていることがわかる。

本発明の鋼片の冷却方法を説明するための斜視図である。 従来例の鋼片の冷却方法を説明するための斜視図である。 本発明に係る垂直置きの冷却速度の均一効果を従来例に係る水平置きと対比して説明するためのグラフである。 本発明における板上流速の好適範囲を検討するためのグラフである。 本発明における面間距離の好適範囲を検討するためのグラフである。 測定対象部位同士の間の冷却速度の最大値と最小値の差（最大偏差）を表１の水準毎に示す棒グラフである。 冷却後及びプレス後の板反り量を示す棒グラフである。

符号の説明

１１ 鋼片
１１ａ 広面
２１ 水槽
２３ 床
Ｗ 水中

Claims (6)

1. 加熱後の鋼片を水中に浸漬して冷却する鋼片の水冷方法において、前記鋼片をその広面が側面となるように配しつつ水中に浸漬するとともに、該水中において前記鋼片の両方の側面に対して水噴射を行うことを特徴とする鋼片の水冷方法。
2. 前記水噴射による前記広面上の水の流速を、0.10〜10.0m/sの範囲内にすることを特徴とする請求項１に記載の鋼片の水冷方法。
3. 前記水噴射を、前記広面に対し垂直または斜め方向から行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼片の水冷方法。
4. 前記水噴射用のノズルの先端と前記広面との距離を、500〜2000mmの範囲内にすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。
5. 前記水噴射用の隣り合うノズル同士の間隔を、100〜1000mmの範囲内にすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。
6. 前記広面の上側半分に対する噴射量の合計が、下側半分に対する噴射量の合計よりも多くなるように、前記水噴射を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の鋼片の水冷方法。

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