JP2007321204A

JP2007321204A - 加熱と冷却を併用した熱処理設備

Info

Publication number: JP2007321204A
Application number: JP2006153311A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tanaka; 剛田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: JP5063934B2

Abstract

【課題】２種以上の鋼帯の熱処理を行うために、加熱機能と冷却機能をあわせ持つ連続熱処理設備において、加熱装置や冷却装置の熱による変形や損傷が少なく、かつ、十分な冷却能力を有する熱処理設備を提供することで、上記従来技術の問題点を解消することを課題とする。
【解決手段】鋼帯の熱処理を行なう連続熱処理ラインに用いられる熱処理設備であって、熱処理設備内を通過する鋼帯を加熱する加熱装置と、熱処理設備の壁部に設けられた雰囲気ガスの吸引口と、熱処理設備内部に設けられた雰囲気ガスの吹込みダクトと、前記吸引口から熱処理設備内の雰囲気ガスを吸引し、吹込みダクトに吐出するガス循環装置と、熱処理設備から吸引された雰囲気ガスを吹込みダクトに吐出す前に冷却するガス冷却設備とを備え、加熱と冷却を併用する熱処理設備とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、鋼帯の熱処理を行う連続熱処理ラインにおいて、熱処理設備の特定区間を加熱セクションと冷却セクションとが併設する条件に切り替えて操業できる、加熱手段と冷却手段を併用した熱処理設備に関する。

鋼の機械的特性や磁気的特性は、鋼の成分、焼鈍条件や表面処理条件などによって変化するため、鋼帯の熱処理を行う連続熱処理設備では、鋼種ごとに熱処理温度パターン、すなわち、鋼帯の加熱速度、加熱保持温度、加熱保持時間、冷却速度等を厳密に制御する必要がある。特に、２種以上の鋼帯の熱処理条件が存在し、熱処理設備の特定区間内で加熱処理と冷却処理を切り替えて行いたい場合には、その特定区間内に加熱機能と冷却機能を併せ持つ設備が必要となる。

従来、鋼帯の加熱装置としては、直火バーナや輻射管式バーナ、電気加熱などが一般的に用いられている。
一方、鋼帯の冷却装置としては、例えば、特許文献１、２等に示されているように、水や気液混合物を鋼帯に吹き付けて冷却するスプレー式冷却装置や、炉内の雰囲気ガスを吸引し熱交換器を介して雰囲気ガスを冷却し鋼帯の表裏面または片面に設置された風箱から鋼帯に吹き付けて鋼帯を冷却するジェット式冷却装置が一般的に用いられている。

しかし、これらの加熱装置と冷却装置を１つの熱処理設備内に併設しようとした場合、前記のバーナまたは高温に加熱された鋼帯そのものにより、冷却用のスプレー配管や風箱が加熱されて、それらが変形したり、溶損や破損を引き起こすという問題がある。
また、そのような変形や溶損などの結果、鋼帯の幅方向に局部的に過冷や冷却不足が生じても、その温度ムラは熱処理途中で一旦平滑化されるため、設備トラブルを感知することが難しく、鋼帯の品質に悪影響を与えてしまうという問題もある。

このような問題のない冷却手段として、特許文献３、４に示されているように、輻射管式バーナの輻射管内に冷却用空気を送り込み、輻射管を介して間接的に鋼帯を冷却する手段が知られているが、そのような手段では、十分な冷却速度を得ることができないなどの問題がある。

図３に、そのような手段を用いた連続式熱処理炉の例を示す。図において、１は連続式熱処理炉、２は加熱と冷却を併用した熱処理炉、３は輻射管式バーナとその輻射管、４は熱処理される鋼帯である。
このような炉を用いて、例えば、温度１０００℃に加熱され、通板速度２０ｍ/minで通板されている板厚２ｍｍの鋼帯４を、空冷した輻射管３を用いて冷却する場合、一般的な輻射管間隔では、冷却能力５℃/secまでは冷却可能であるが、輻射管の表面積や空冷能力の伝熱速度に限界があり、冷却速度が制限されるため、板厚［ｍｍ］×冷却速度［℃/sec］＞１０の条件を満たすことは困難である。

上記のような炉の冷却能力を向上するために、例えば、冷却機能に限定した輻射管（冷却管）を、既存の輻射管３の間に挿入する方法が考えられるが、輻射管３間の間隔は狭く、加熱操業時に、新たに挿入された輻射管（冷却管）が鋼帯への輻射伝熱を妨げるため加熱能力が低下する問題や、輻射管裏面に熱がこもり、輻射管の円周方向に温度偏差が生じるため、輻射管が熱変形しやすいなどの問題がある。

また、他の手段として輻射管内に冷却水を通水し、輻射管の表面温度を下げる方法が考えられるが、加熱処理から冷却処理へ切り替える際のヒートショックによる輻射管の破損の問題や、冷却水が炉内に漏れた場合には鋼材の酸化や異常冷却を引き起こす問題がある。
その他、無酸化性ガス（例えば窒素、水素＋窒素混合ガス）を冷却を目的として炉内に吹き込む場合は、炉内シールを目的として吹き込む場合と比較して３倍以上のガスが必要となり、高価な雰囲気ガスを炉外へ大量放散させることとなる。

特開昭５９−４３８２０号公報特開昭５７−６７１３４号公報特開平９−２０２９２６号公報特開２００４−７６０８３号公報

本発明は、２種以上の鋼帯の熱処理を行うために、加熱機能と冷却機能をあわせ持つ連続熱処理設備において、加熱装置や冷却装置の熱による変形や損傷が少なく、かつ、十分な冷却能力を有する熱処理設備を提供することで、上記従来技術の問題点を解消することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
（１）鋼帯の熱処理を行なう連続熱処理ラインに用いられる熱処理設備であって、熱処理設備内を通過する鋼帯を加熱する加熱装置と、熱処理設備の壁部に設けられた雰囲気ガスの吸引口と、熱処理設備内部に設けられた雰囲気ガスの吹込みダクトと、前記吸引口から熱処理設備内の雰囲気ガスを吸引し、吹込みダクトに吐出するガス循環装置と、熱処理設備から吸引された雰囲気ガスを吹込みダクトに吐出す前に冷却するガス冷却設備とを備え、加熱と冷却を併用する熱処理設備とした。

（２）さらに前記（１）において、ガス循環装置が、制御装置によって回転数を可変に制御される循環ファンを備え、吹込みダクトからの雰囲気ガスの吐出量が制御可能なようにした。
（３）さらに前記（１）または（２）において、ガス循環装置の前方または後方に風量調整用ダンパーを備え、吹込みダクトからの雰囲気ガスの吐出量が制御可能なようにした。
（４）さらに前記（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記吹込みダクトの雰囲気ガス吹込み部が、鋼帯と正対する方向以外の方向にガスを吹き込むように形成されているようにした。
（５）さらに前記（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記加熱装置が、輻射管式の加熱装置を備え、輻射管内に加熱用ガスと冷却用ガスを切り替えて供給できるようにした。

本発明によれば、加熱機能と冷却機能をあわせ持つ連続熱処理設備において、設備内部に加熱装置に代えて吹込みダクトを設けるという簡単な構造により、十分な冷却能力を有し、かつ、加熱装置や冷却装置の熱による変形や損傷が少ない熱処理設備を提供することができる。
さらに、加熱装置や冷却装置の熱による変形や損傷が少ないため、鋼帯の局所的な過冷や冷却不足がなく、冷却後の鋼帯の幅方向温度偏差を少なくすることがきるので、鋼帯の品質均一性に優れた熱処理設備を提供することができ、かつ、鋼帯の移動速度が１０ｍ/min以上で、鋼帯の板厚［ｍｍ］×鋼帯の冷却速度［℃/sec］の値が１０以上３０以下となるような条件で冷却する場合でも、十分な冷却能力を有し、かつ耐久性に優れ安定操業を可能とする熱処理設備を提供することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図３に示される熱処理設備の加熱装置の一部を改造した本発明の熱処理設備を、図１に示す。
図１において、図３と同様に、１は熱処理設備としての鋼帯を連続的に熱処理する連続式焼鈍炉であり、２は加熱と冷却を併用した熱処理炉である。炉の加熱装置としては、直火バーナ、輻射管式バーナ、または電気加熱などの装置が用いられるが、図１では、輻射管式バーナを付帯したＵ形の輻射管３を、鋼帯４をはさんで上下に複数配置した例を示している。

本発明では、そのような熱処理設備の冷却装置として、加熱と冷却を併用した熱処理炉２内の後段側(低温側)端部の鋼帯下側に、輻射管３に変えて雰囲気ガスの吹込みダクト７を設けるとともに、前段側（高温側）の天井壁部５に雰囲気ガスの吸引口６を設ける。また、炉外の、吸引口６と吹込みダクト７を接続する配管１２の途中に、吸引口６から吸い込まれた雰囲気ガスを冷却するための冷却設備としての熱交換器８と、雰囲気ガスを循環させるためのガス循環装置としての循環ファン９を設ける。

そして、循環ファン９を作動させて、吸引口６から雰囲気ガスを吸引し、熱交換器８で吸い込まれた雰囲気ガスを冷却し、冷却した雰囲気ガスを吹込みダクト７から炉内に吹き込んで、炉内および鋼帯の周囲を冷却した雰囲気ガスで置き換えて、炉構造物全体から熱を奪うことにより、前段の熱処理設備の加熱装置（図示せず）により加熱された鋼帯を冷却する。

その際、吹込みダクト７からの雰囲気ガスの吐出量を制御して、冷却能力を調整できるように、ガス循環装置には制御装置によって回転数を可変に制御される循環ファン９を用いるのが好ましい。また、ガス循環装置の前方あるいは後方に風量調節用ダンパー１０を設けて、前記吐出し量を制御することもできる。図１では、風量調節用ダンパー１０を循環ファン９と吹込みダクト７の間に設けた例を示す。

さらに、雰囲気ガスを冷却するための熱交換器８は、雰囲気ガスの冷却温度を調整できるようにするのが好ましく、図１では、熱交換器８を空冷式とし、冷却用ブロア１１の回転数を制御して、吸引した雰囲気ガスの冷却温度を調整できるようにする。冷却方式としては特に空冷式に限るものではなく、液体の冷媒を使用するなど他の形式のものでもよい。雰囲気ガス冷却設備で放散する熱は、他の装置の熱源として使用できる。
雰囲気ガスの吸引口６は、より高温の雰囲気ガスを吸引できるように炉内の高温側に設けられるが、その開口部の大きさや設置個数は、前記吐出し量に応じたものとされる。

図２に、本発明の冷却装置で用いる吹込みダクト７の一例を示す。
吹込みダクト７は、筒状の本体に複数の吹出口１３が形成されたものであり、炉の側壁部５に断熱材１４を介して取り付けられ、炉床１５上に設置されたダクト支持レンガ１６によって支持されている。また、吹込みダクト７の端部は、フランジ１７により配管１２と接続される。
吹込みダクト７の吹出口１３は、鋼帯に直接面しない位置に形成して、鋼帯と正対する方向以外の方向にガスを吹き込むようにし、吹き込まれたガスがなるべく鋼帯に直接あたらないようする。図２では、鋼帯に対して直角方向にガスを吹出せるようにダクトの両側に吹出口１３を形成した例を示す。

吹込みダクト７に設けられる雰囲気ガス吹込み部は、図２のようにダクトに直接吹込口を形成するのが簡便であるが、各吹込口にノズルを設けて、ガスの吹込み方向を制御できるようにしたものであってもよい。
吹込みダクト７をＵ形の輻射管を撤去した後に取り付ける場合には、その取り付け構造を利用して取り付けるのが有利であり、図２では、冷却装置として２本の吹込みダクト７を取り付けた例を示しているが、特に２本に限られるものではなく、必要な冷却能力に応じて変更できるものである。

以上のような熱処理設備を用い、例えば、板厚２ｍｍの鋼帯を、温度１０００℃で均熱保持して通板する熱処理条件から、均熱保持後１０００℃から設備出側で８５０℃となるように冷却する熱処理条件に変更する場合について説明する。
まず、上記のような鋼帯の通板速度や熱処理条件から、鋼帯が加熱と冷却を併用した熱処理炉２を通過する際に、鋼帯から炉壁や炉内構造物に与えられる輻射伝熱量を算出する。そして、炉内雰囲気ガスが鋼帯や炉内壁、炉内構造物から対流伝熱により奪う熱量を算出し、この熱量を熱交換器８で放熱できるように雰囲気ガスの温度と循環量を求める。

次に、加熱装置の加熱を停止し、求められた雰囲気ガスの温度と循環量に基づき、循環ファン９を作動させて、吸引口６から雰囲気ガスを吸引し、熱交換器８で吸込まれた雰囲気ガスを冷却する。そして、冷却した雰囲気ガスを吹込みダクト７から炉内に吹き込んで、炉内および鋼帯の周囲を冷却した雰囲気ガスで置き換えて、前段の熱処理設備の加熱装置により１０００℃に加熱された鋼帯を８５０℃に冷却する。

鋼帯の連続式熱処理炉では、鋼帯の通板速度は、通常１０ｍ/min以上に設定されているが、熱処理条件を変更する場合でもその通板速度を維持して生産性を上げるためには、鋼帯の板厚［ｍｍ］×鋼帯の冷却速度［℃/sec］の値が、１０以上３０以下になるように吹込みダクトの数や吹込みダクトからの雰囲気ガスの温度と吐出量を設定するのがよい。

なお、熱処理炉２のサイズが限定されるなどの理由で、前記熱量が確保困難な場合は、炉内にフィン形状の伝熱面を設けることで冷却能力をあげることができる。また、吹込みダクト７に対向する加熱装置や隣接する加熱装置を、特許文献４に示されているように、輻射管内に加熱用ガスと冷却用ガスを切り替えて供給できるものとし、輻射管内に冷却ガスを供給して冷却能力を上げるようにしてもよい。

また、吹込みダクトは、図１では鋼帯の下側にのみ設けたが、冷却温度の幅や冷却速度をより大きくする場合など、上側の加熱装置も吹込みダクトに置き換えて循環風量を増してもよい。本発明では、鋼帯にガスを直接吹き付けて冷却するのではなく、炉内および鋼帯周りの雰囲気をダクトから挿入したガスにより置き換えて炉内を均一に冷却するものであるから、特に上側にガス吹込みダクトを配置しなくても、熱処理炉２出側の鋼帯の幅方向温度分布は均一になる。

以上説明したように、本発明では、冷却した十分な量の雰囲気ガスを鋼帯に直接吹き付けることなく炉内に再挿入して炉内構造物全体から熱を奪う冷却装置とすることで、冷却能力を高めることができ、かつ、熱処理設備本体１内には、吹込みダクト７のみの最小限の構造物とすることができるので、加熱装置や冷却装置の熱による変形や損傷を少なくすることができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではなく、本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

熱延板焼鈍ラインで、炉長１０ｍの加熱と冷却を併用した図１に示す発明例の熱処理炉と、図３に示す比較例の熱処理炉を用い、板厚２ｍｍの鋼帯を、温度１０００℃で均熱保持して通板する熱処理条件Ａから、均熱保持後１０００℃から設備出側で８５０℃となるように冷却する熱処理条件Ｂに変更した。
熱処理条件Ａでは、発明例および比較例とも、輻射管式バーナを用いて鋼帯および炉を加熱し、均熱保持する条件とした。また、熱処理条件Ｂでは、比較例は、空冷した輻射管を用いて鋼帯を冷却する条件とした。また、それぞれの炉には、炉内シールを目的として、５０Ｎｍ^３/Hrの割合で窒素ガスを流した。

（比較例）
輻射管に３５℃の冷却エアーを１６０Ｎｍ^３/minの割合で供給して鋼板を冷却した。このとき、通板速度２０ｍ/minで冷却速度４．９℃/secが限界であり、熱処理条件Ｂでは冷却能力に律速されて生産性があがらなかった。

（発明例）
上記冷却方法に加えて、吸込口より６３０℃の温度の雰囲気ガス（窒素ガス）を吸い込み、冷却設備で２００℃に冷却した後、吹込みダクトより５０Ｎｍ^３/minの割合で炉内に吹き込むことにより、鋼帯を冷却した。
これにより、８５０℃まで冷却する際の通板速度の限界は、従来の２０ｍ/minから３７ｍ/minに上昇させることができ、これに応じて、板厚ｔ［mm］×冷却速度［℃/sec］の値も約９．８から約１８．５まで上昇させることができた。
また、冷却後の鋼帯幅方向の温度偏差を測定したところ、１０℃以内に抑えることができた。

加熱と冷却を併用した本発明の熱処理設備の一例を示す図である。吹込みダクトの一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。加熱と冷却を併用した従来の熱処理設備を示す図である。

符号の説明

１連続式熱処理炉
２加熱と冷却を併用した熱処理炉（熱処理設備）
３輻射管式バーナおよびその輻射管（加熱装置）
４鋼帯
６雰囲気ガス吸引口
７ガス吹込みダクト
８熱交換器（ガス冷却設備）
９循環ファン（ガス循環装置）
１０風量調節用ダンパー
１３ガス吹込みダクトの吹出口（ガス吹込み部）

Claims

鋼帯の熱処理を行なう連続熱処理ラインに用いられる熱処理設備であって、熱処理設備内を通過する鋼帯を加熱する加熱装置と、熱処理設備の壁部に設けられた雰囲気ガスの吸引口と、熱処理設備内部に設けられた雰囲気ガスの吹込みダクトと、前記吸引口から熱処理設備内の雰囲気ガスを吸引し、吹込みダクトに吐出するガス循環装置と、熱処理設備から吸引された雰囲気ガスを吹込みダクトに吐出す前に冷却するガス冷却設備とを備えていることを特徴とする加熱と冷却を併用した熱処理設備。
前記ガス循環装置が、制御装置によって回転数を可変に制御される循環ファンを備えていることを特徴とする請求項１に記載の加熱と冷却を併用した熱処理設備。
前記ガス循環装置の前方または後方に風量調整用ダンパーを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱と冷却を併用した熱処理設備。
前記吹込みダクトの雰囲気ガス吹込み部が、鋼帯と正対する方向以外の方向にガスを吹き込むように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱と冷却を併用した熱処理設備。
前記加熱装置が、輻射管式の加熱装置を備え、輻射管内に加熱用ガスと冷却用ガスを切り替えて供給できるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱と冷却を併用した熱処理設備。