JP2010075940A - 鋼板の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて斜めに冷却水を噴射して、鋼板に大水量の冷却水を供給する冷却装置において、ノズル間で冷却水が流入を開始する時間差および冷却水が流入を停止する時間差を無くして、良好な水冷開始特性および水冷停止特性を有することで、温度むらを的確に防止することが可能な鋼板の冷却装置を提供する。
【解決手段】ノズルヘッダ１の外枠２に取り付けられたノズル群６について、ノズル群６を構成する各ノズル５の冷却水流入口５ａの高さ位置が同一であることを特徴とする鋼板の冷却装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板の冷却装置に関するものである。

熱間圧延により鋼板を製造するプロセスでは、圧延温度を制御するのに冷却水を供給したり、空冷を行ったりするのが一般的であるが、近年、大量の冷却水（例えば、冷却水量密度を１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以上）を噴射し、高い冷却速度を得て組織を微細化し、鋼板の強度を上げる技術の開発が盛んである。

圧延直後の鋼板を冷却装置に通板して冷却を行う際、一般に、冷却装置の入側では空冷時間に起因して鋼板の長手方向に温度分布がある。すなわち、鋼板の最高温度は、その先端部付近にあり（例えば約８４０°Ｃ）、鋼板の最低温度は、その後端部付近にある（例えば約７７０°Ｃ）。鋼板において均一な材質を得るためには、冷却停止温度を鋼板内で均一にすることが重要であるが、そのためには、冷却中に、冷却装置入側での温度の差を打ち消すように、冷却を鋼板の長手方向に制御する必要がある。

この問題に関しては、通常、冷却装置からの冷却水の流量を変化させることによって、冷却能力を変更する方法が採用されているが、特に、鋼板の先端や後端の温度の降下が著しい部分では、冷却ノズルからの冷却水の供給を停止することによって、冷却を制御する必要がある。

このような冷却の制御（冷却水のオンオフ制御）に関しては、冷却装置の優れた応答性が重要であり、冷却水供給指令を出してから、冷却水が鋼板に実際に供給されるまでの時間（水冷開始遅れ時間）、および、冷却水供給停止指令を出してから、鋼板上への冷却水の供給が実際に停止するまでの時間（水冷停止遅れ時間）が短くなければならない。

上述のような優れた水冷開始特性および水冷停止特性を有する鋼板の冷却装置として、特許文献１では、ノズルヘッダを、内部に冷却水を一時的に溜めるタンクを収容した２重構造としている。そして、このような構造を採用することにより、冷却水の供給を停止した際に、ノズルヘッダ内のタンクによってノズルから漏れ出る冷却水量がごく少なく、また、次に冷却水を送水するのとほぼ同時にノズルでの冷却水の噴射散水が開始され、オン−オフ応答特性に優れるとされている。

図５、図６は、特許文献１に開示された鋼板の冷却装置と同様に、ノズルヘッダが２重構造となっている鋼板の冷却装置の一例である。図５は、正面図（鋼板の進行方向から見た図）であり、図６は、図５におけるＸ−Ｘ矢視断面図（横断面図）である。

この鋼板の冷却装置は、図５に示すように、冷却水供給源（図示せず）に冷却水供給管７を介して接続されたノズルヘッダ１と、冷却水供給管７に設けられた冷却水供給制御手段（冷却水供給用開閉弁、電磁弁等）８と、冷却水供給制御手段７を作動させるための冷却水供給制御機構（ソレノイドコイル等）９を備えている。

そして、図６に示すように、ノズルヘッダ１（１Ｍ）は、矩形断面の外枠２と、その内側に配置された円形断面の内枠３とからなっており、外枠２と内枠３の間に空間（スペース）４が形成されているとともに、内枠３の上方部分に貫通孔３ａが設けられている。また、外枠２の下部には、複数のノズル５（ノズル群６）が外枠２の下面に対して垂直に取り付けられている。それぞれのノズル５の上端は冷却水が流入する流入口５ａとなっており、ノズル５の下端は冷却水が噴射される噴射口５ｂとなっている。
特開２００１−３２１８２１号公報

鋼板に冷却水を供給する際に、鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて、冷却水を斜めに噴射する場合がある。そのような場合に、図６に示したノズルヘッダ１Ｍを鋼板幅方向に設置するとともにその向きを鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて斜めにして、図４に示すようにしたノズルヘッダ１Ｎを用いると、次のような問題が生じる。

すなわち、図４に示すノズルヘッダ１Ｎでは、ノズル５の流入口５ａの高さ位置がノズル群６のそれぞれのノズル５で異なっているので、鋼板への冷却水の供給を停止する際に、各ノズル５間で、流入口５ａへの冷却水の流入が停止するまでの時間に差（ノズル間での冷却水流入停止時間差）が生じ、それによって、鋼板へ冷却水の供給が完全に停止するまでの時間が長くなって、水冷停止特性が悪化してしまう。同様に、鋼板への冷却水の供給を開始する際に、各ノズル５間で、流入口５ａへの冷却水の流入が開始されるまでの時間に差（ノズル間での冷却水流入開始時間差）が生じ、それによって、鋼板へ冷却水の供給が完全に開始されるまでの時間が長くなって、水冷開始特性が悪化してしまう。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて冷却水を斜めに噴射して、鋼板に大水量の冷却水（特に冷却水量密度を１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以上）を供給する冷却装置において、ノズル間での冷却水流入開始時間差および冷却水流入停止時間差を無くして、良好な水冷開始特性および水冷停止特性を有することで、温度むらを的確に防止することが可能な鋼板の冷却装置、すなわち、鋼板を高冷却速度で均一にかつ安定して水冷することができるようにした鋼板の冷却装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］鋼板の近傍に配置され、冷却水供給源に冷却水供給管を介して接続されたノズルヘッダと、前記冷却水供給管に設けられた冷却水供給制御手段と、前記ノズルヘッダに垂直に取り付けられた複数のノズルで構成されたノズル群とを備え、前記ノズル群から鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて斜めに冷却水を噴射する鋼板の冷却装置において、
前記ノズル群を構成する各ノズルの冷却水流入口の高さ位置が同一であることを特徴とする鋼板の冷却装置。

［２］前記ノズル群を構成する各ノズルの長さが同一であることを特徴とする前記［１］に記載の鋼板の冷却装置。

［３］前記ノズルヘッダが、外枠と、前記外枠との間にスペースを形成するようにその内側に配置され、上方部分に貫通孔を有する内枠とからなっており、前記冷却水供給管の一端は、前記内枠に接続されていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の鋼板の冷却装置。

なお、本発明において、「ノズルをノズルヘッダに垂直に取り付ける」とは、厳密に９０度を指すものではなく、例えば、鋼板上に噴射された冷却水の幅方向への排水性を考慮して、鋼板幅方向に１５度程度傾けて取り付ける場合などを含むものとする。

本発明においては、鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて冷却水を斜めに噴射して、鋼板に大水量の冷却水（特に冷却水量密度を１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以上）を供給するに際して、ノズル間での冷却水流入開始時間差および冷却水流入停止時間差を無くして、良好な水冷開始特性および水冷停止特性を有することで、鋼板の冷却の制御性を大幅に改善できる。その結果、鋼板を高冷却速度で均一にかつ安定して水冷することが可能となり、鋼板の長手方向における温度むらに起因する材質欠陥の発生を防止し、材質はずれを少なくして、品質の高い鋼板を製造することができる。

本発明の実施の形態（実施形態１、２）を図面に基づいて説明する。

なお、実施形態１，２に係る鋼板の冷却装置においては、その正面図は図５に示したものと同様であり、冷却水供給源（図示せず）に冷却水供給管７を介して接続されたノズルヘッダ１と、冷却水供給管７に設けられた冷却水供給制御手段（冷却水供給用開閉弁、電磁弁等）８と、冷却水供給制御手段７を作動させるための冷却水供給制御機構（ソレノイドコイル等）９を備えている。そして、それぞれのノズルヘッダ１の構成が異なっているので、以下では、その横断面図（図５のＸ−Ｘ矢視断面図に相当）を用いて説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る鋼板の冷却装置の説明図であり、ノズルヘッダ１（１Ａ）の横断面図である。

この実施形態１に係る鋼板の冷却装置では、図１に示すように、ノズルヘッダ１Ａは、外枠２が矩形断面であり、その底辺は鋼板（図示せず）の進行方向上流側または下流側に向けて傾斜している。また、複数のノズル５が、その底辺に垂直に取り付けられている。

そして、ノズルヘッダ１Ａに取り付けられたノズル群６内において、各ノズル５の流入口５ａの高さ位置が等しくなっているととともに、各ノズル５の噴射口５ｂは外枠２の底辺に沿うように位置している。したがって、各ノズル５の長さは異なっている。

そして、この実施形態１に係る鋼板の冷却装置の動作を以下に説明する。

先ず、鋼板の冷却を行うために、鋼板の表面上に冷却水を供給する場合には、冷却水供給制御機構９に電気信号（水冷開始指示）を送って、冷却水供給用開閉弁８を開放する。ノズルヘッダ１Ａに取り付けられているノズル群６の各ノズル５の冷却水流入口５ａの高さ位置が同一であるため、ノズル５間で冷却水流入開始時間に差が無く、各ノズル５から冷却水が同時に噴射され、鋼板の表面を冷却する。

また、鋼板先後端等における冷却を制御するために、鋼板の表面上への冷却水の供給を停止する場合には、冷却水供給制御機構９に電気信号（水冷停止指示）を送って、冷却水供給用開閉弁８を閉鎖する。すると、各ノズル５の冷却水流入口５ａよりも高い位置にあるスペース４内の冷却水がノズル５から流れ出て、冷却水の噴射が停止することとなるが、この場合も、ノズルヘッダ１Ａに取り付けられているノズル群６の各ノズル５の冷却水流入口５ａの高さ位置が同一であるため、ノズル５間で冷却水流入停止時間に差が無く、ノズル群６の各ノズル５からの冷却水は同時に停止する。

このようにして、この実施形態１に係る鋼板の冷却装置においては、鋼板の進行方向に対して冷却水を斜めに噴射して、鋼板に大水量の冷却水（特に冷却水量密度を１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以上）を供給するに際して、ノズル間での冷却水流入開始時間差および冷却水流入停止時間差が無いので、良好な水冷開始特性および水冷停止特性を有しており、鋼板の冷却の制御性を大幅に改善できる。その結果、鋼板を高冷却速度で均一にかつ安定して水冷することが可能となり、鋼板の長手方向における温度むらに起因する材質欠陥の発生を防止し、材質はずれを少なくして、品質の高い鋼板を製造することができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る鋼板の冷却装置の説明図であり、ノズルヘッダ１（１Ｂ）の横断面図である。

この実施形態２に係る鋼板の冷却装置では、図２に示すように、ノズルヘッダ１Ｂは、外枠２が矩形断面であり、その底辺は鋼板（図示せず）の進行方向上流側または下流側に向けて傾斜している。また、複数のノズル５が、その底辺に垂直に取り付けられている。

そして、ノズルヘッダ１Ｂに取り付けられたノズル群６内において、各ノズル５の流入口５ａの高さ位置が等しくなっているとともに、各ノズル５の長さが同一になっている。

これによって、この実施形態２に係る鋼板の冷却装置においても、上記の実施形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、この実施形態２では、各ノズル５の長さを同一にしている。図１で示した実施形態１のように、ノズル長さが異なると、各ノズルの圧力損失に差が生じ（ノズルの圧力損失はノズルの長さに比例して大きくなることが知られている）、各ノズル５の間で冷却水の噴射速度が均一ではなくなる。これに対し、この実施形態２のように各ノズル５の長さを同一とすることにより、各ノズル５からの冷却水の噴射速度が等しくなり、鋼板長手方向の冷却安定性が向上するので、好ましい。

なお、各ノズル５の長さを同一にすることによって、ノズル５が外枠２から突出することになるので、鋼板が反った場合にノズル５を破損させることがないように、ノズル５の噴射口５ｂより下方の位置に、噴射された冷却水を邪魔しない多孔のノズル保護用プロテクタを配置することが好ましい。

なお、上記の実施形態１、２において、冷却水の供給を停止する際に、ノズル５の毛細管現象を利用して、ノズル５内に冷却水を滞留させるようにすれば、さらに水冷停止特性および水冷開始特性を向上させることが可能であり、そのためには、ノズル５の径は４ｍｍ以下が好ましい。ただし、ノズル径が小さすぎると操業上ノズル詰まりの問題もでるため、ノズル５の径は１ｍｍ以上が好ましい。

そして、上記の実施形態１、２に係る冷却装置を鋼板の熱間圧延ラインに設置する際には、種々の形態が考えられ、特に限定されるものではないが、例えば図３に示すように、その冷却装置（ここでは、実施形態２の冷却装置）を鋼板Ｓの搬送方向（鋼板搬送方向）に対向させて冷却ユニット１０を形成し、その冷却ユニット１０を鋼板搬送方向に所望数だけ並べて配置すればよい。

上記の実施形態に係る鋼板の冷却装置等を含んだ冷却設備を用いて、熱間圧延後の厚鋼板をオンラインで冷却した。ここでは、図３に示すように、この冷却装置を鋼板搬送方向に対向させて形成した冷却ユニットを鋼板搬送方向に９組並べて配置し、厚鋼板の上面の冷却を行うようにした。厚鋼板の下面の冷却は、上面と同等の冷却能力を有する一般的なラミナーノズルを備えた冷却装置を用いた。

なお、各冷却装置における冷却水供給制御手段（冷却水供給用開閉弁）８として、１つの入口ポートおよび２つの出口ポートを有する電磁弁を使用し、その入口ポートを冷却水供給源側に接続し、２つの出口ポートをノズルヘッダ１側に接続した。

また、ノズルヘッダ１の外枠２としては、横断面が４００ｍｍ角の矩形断面を用い、ノズルヘッダ１の幅は５ｍ、内枠３の内径は２００ｍｍ、供給される冷却水の水量密度は１６００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２とした。

そして、本発明例１と本発明例３では、図１に示した実施形態１に係る冷却装置を用いた。すなわち、ノズルヘッダ１Ａを用い、ノズル群６の各ノズル流入口５ａの高さ位置を等しくするとともに、各ノズル５の長さを異ならせて、各ノズル噴射口５ｂが外枠２の底辺に沿うように位置させた。

また、本発明例２と本発明例４では、図２に示した実施形態２に係る冷却装置を用いた。すなわち、ノズルヘッダ１Ｂを用い、ノズル群６の各ノズル流入口５ａの高さ位置を等しくするとともに、各ノズル５の長さを同一にした。

一方、比較例１と比較例２では、図４に示した冷却装置を用いた。すなわち、外枠２としてノズルヘッダ１Ｎを用い、ノズル群６の各ノズル流入口５ａの高さ位置が異なるようにした。なお、各ノズル５の長さは同一であり、各ノズル噴出口５ｂは外枠２の底辺に沿うように位置させた。

なお、本発明例１、２と比較例１ではノズル５の直径を６ｍｍとし、本発明例３、４と比較例２ではノズル５の直径を４ｍｍとした。

そして、先ず、これらの冷却装置の水冷開始特性（水冷開始遅れ時間）と水冷停止特性（水冷停止遅れ時間）を調査した。

その結果、表１に示すように、本発明例１、２では、水冷開始特性および水冷停止特性が共に良好（○）であった。また、本発明例３、４では、水冷開始特性および水冷停止特性が共に非常に良好（◎）であった。これに対して、比較例１、２では、水冷開始特性は良好（○）であったが、水冷停止特性が不良（×）であった。

ちなみに、ノズル５の直径を４ｍｍとした本発明例３、４においては、冷却水の供給停止時に、ノズル５での毛細管現象により、ノズル５内に冷却水が滞留し、ノズルヘッダ１内に冷却水が保持された。その結果、水冷停止遅れ時間が短くなって、水冷停止特性が向上するとともに、冷却水の供給開始時にも、そのノズル５内およびノズルヘッダ１内に保持された冷却水によって水冷開始遅れ時間が短くなり、水冷開始特性が向上した。これに対して、同じくノズル５の直径を４ｍｍとした比較例２においては、ノズル流入口５ａが高い位置にあるノズルから空気がノズルヘッダ１内に入り込み、毛細管現象が働かず、ノズル５の断面積が小さい分だけ冷却水の流出時間が長くなり、水冷停止遅れ時間が長くなって、水冷停止特性が更に悪化した。

次に、上述した冷却設備を用いて、熱間圧延後の厚鋼板を通過させながらオンラインで冷却した。なお、厚鋼板の寸法は板幅４３００ｍｍ、板長１８ｍ、板厚３２ｍｍ、搬送速度は３０ｍｐｍであった。

表１に示すように、鋼板の長手方向の温度制御について、比較例１、２の冷却装置を用いた場合は、鋼板の長手方向の温度差に応じて冷却水のオンオフ制御をすることは難しく、鋼板の温度むらの解消は不良（×）であった。これに対して、本発明例２、４の冷却装置を用いた場合は、鋼板の長手方向の温度差に応じて的確に冷却水のオンオフ制御をすることは可能になり、鋼板の温度むらの解消が非常に良好（◎）であった。また、本発明例１、３の冷却装置を用いた場合も、鋼板の長手方向の温度差に応じて冷却水のオンオフ制御をすることは可能になり、鋼板の温度むらの解消が良好（○）であった。

本発明の実施形態１におけるノズルヘッダの説明図である。 本発明の実施形態２におけるノズルヘッダの説明図である。 本発明の鋼板の冷却装置を熱間圧延ラインに設置した説明図である。 比較対象にしたノズルヘッダの説明図である。 従来技術の説明図である。 従来技術におけるノズルヘッダの説明図である。

符号の説明

１ ノズルヘッダ
１Ａ、１Ｂ ノズルヘッダ
１Ｍ、１Ｎ ノズルヘッダ
２ 外枠
３ 内枠
３ａ 貫通孔
４ スペース
５ ノズル（ノズル群）
５ａ ノズル流入口
５ｂ ノズル噴射口
６ ノズル群
７ 冷却水供給管
８ 冷却水供給制御手段（冷却水供給用開閉弁、電磁弁等）
９ 冷却水供給制御機構（ソレノイドコイル等）
１０ 冷却ユニット
Ｓ 鋼板

Claims (3)

1. 鋼板の近傍に配置され、冷却水供給源に冷却水供給管を介して接続されたノズルヘッダと、前記冷却水供給管に設けられた冷却水供給制御手段と、前記ノズルヘッダに垂直に取り付けられた複数のノズルで構成されたノズル群とを備え、前記ノズル群から鋼板の進行方向上流側または下流側に向けて斜めに冷却水を噴射する鋼板の冷却装置において、
   前記ノズル群を構成する各ノズルの冷却水流入口の高さ位置が同一であることを特徴とする鋼板の冷却装置。
2. 前記ノズル群を構成する各ノズルの長さが同一であることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の冷却装置。
3. 前記ノズルヘッダが、外枠と、前記外枠との間にスペースを形成するようにその内側に配置され、上方部分に貫通孔を有する内枠とからなっており、前記冷却水供給管の一端は、前記内枠に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板の冷却装置。

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