JP2011516274A - 制御冷却のための方法および装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、付与される冷却流(5、8)に応じて調節可能なゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)を用いて熱間圧延金属(1)を制御冷却する方法および装置に関する。

Description

本発明は、熱間圧延金属の制御冷却の一般分野に関し、具体的には、鋼帯および鋼板の加速冷却および直接焼入れに関する。
熱間圧延鋼の制御冷却は、鋼鉄製品の所望の微細構造および特性を得るために非常に重要である。最新の厚板圧延機および熱間圧延機は、一般に、この目的のために強力な冷却システムを使用しており、したがって、温度の正確な制御および冷却速度が非常に重要である。通常は、水が冷却液として使用される。
制御冷却装置の最も成功した設計の1つは、例えば特許文献１に記載されている通り、複数の上部冷却ヘッダおよび底部冷却ヘッダを備えた設計であり、該ヘッダを通して、冷却水噴流が、熱間圧延金属板または熱間圧延金属帯の、上面および下面へ噴霧される。この種の装置の簡略化した断面図が、図1に示されている。冷却を必要とする熱間圧延金属板または熱間圧延金属帯1が、ローラ2に乗って制御冷却装置を通って搬送されている。制御冷却装置9は、複数の上部冷却ヘッダ6と、複数の底部冷却ヘッダ3と、で構成されている。分かり易くするために、図1は、六つの上部ヘッダおよび六つの底部ヘッダのみを示しているが、実際には、典型的な制御冷却装置は、より多くのヘッダを有する。底部冷却ヘッダ3は、板の下面へ冷却水噴流5を噴霧し、上部冷却ヘッダ6は、板の上面へ冷却水噴流8を噴霧する。底部冷却ヘッダ3用の冷却水は、管4を通して供給され、上部冷却ヘッダ6用の冷却水は、管7を通して供給される。
冷却された板または帯の良好な平面性を得るために、上部冷却および底部冷却が同時に施されること、ならびに上部冷却および底部冷却が同等であることが非常に重要である。一方の面が他方の面の前に冷却された場合、板は撓み、かつ溝形状もしくは逆溝形状のどちらかを形成するかまたは別の種類の平面性の問題を起こす傾向がある。上面の冷却が必ず底面の冷却と同時に開始または停止するようにするために、噴流または細流の形態の流体流れを使用するのが一般的な方法である。これらは、ゾーン分離噴霧(zone separation spray)と呼ばれ、ゾーン分離噴霧デバイスから付与される。ゾーン分離噴霧は、冷却水を、板または帯の上面上の所望の領域に、上記の例ではゾーン分離噴霧デバイス10とゾーン分離噴霧デバイス11との間の領域に拘束する(constrain)。ゾーン分離噴霧は、ゾーン分離噴霧デバイスから始まる矢印で示されている。ゾーン分離噴霧を用いないと、板または帯の上面上の冷却水は、板または帯の移動方向に対して、制御冷却装置の上流および下流の両方に流動する傾向があり、結果として、上面の冷却は、底面と比較してより早く開始しかつ/またはより遅く終了する。底面上に噴霧される冷却水は、1つには水が重力下で自然に落ち、1つには板または帯が乗って搬送されるローラ2により止められるため、上流または下流に流動しない。板または帯の移動方向は、板または帯1の右端部に矢印で示されている。
異なる厚さおよび異なる冶金要件を有する板は、異なる冷却要件を有し、制御冷却装置9の全長に亙る冷却が必要ない場合もある。その場合、装置のより短い長さが冷却に使用されるように、上部ヘッダおよび底部ヘッダのいくつかのスイッチを切ることが一般的な方法である。例えば図1に示されている簡略化したシステムでは、上部ヘッダおよび下部ヘッダ全ての代わりに、最初の三つの上部ヘッダおよび下部ヘッダのみを使用することができる。この場合、板の上面上の冷却水が第三のヘッダ以降の下流に流動しないようにするために、追加のゾーン分離噴霧デバイス12を使用して、冷却水が第3の上部ヘッダの下流に流動するのを防ぐ。
分かり易くするために、図1は、三つのゾーン分離噴霧デバイス、制御冷却装置の各端部に一つずつと、制御冷却装置9の長さを二つの分離ゾーンに分割するための中央の一つ、のみを示している。実際には、典型的な制御冷却装置が、四つ以上のゾーンと、五つ以上のゾーン分離噴霧デバイスと、を有する。
ゾーン分離噴霧の作動原理は、ゾーン分離噴霧の噴流が制御冷却装置9の方向に角度を合わせられているように、かつ冷却水が上流または下流に流動する代わりに板の縁部に移動させられるようにゾーン分離噴霧の噴流が十分な衝撃圧力(impact pressure)を有しており冷却水がそのゾーン分離噴霧を通過するのを防止するように、ゾーン分離噴霧デバイス10、11、12が配置されているということである。衝撃圧力は、質量流量(1秒当たりのキログラム、kg/s)×速度(1秒当たりのメートル、m/s)÷衝撃面積(平方メートル、m2)の結果である。最新の制御冷却装置の冷却ヘッダからの冷却水の冷却流量は、最大流量で1平方メートル当たり、33リットル／秒以上とすることができる。結果として、ゾーン分離噴霧は、十分な衝撃圧力を達成して大量の冷却水が通過するのを防止するために、大きな質量流量および高速を必要とする。
ゾーン分離噴霧デバイスは、一列または複数列のノズルを含む。第一の列が冷却水の大部分が通過するのを止めることができ、一方、後続の列が、第一の列を通過する冷却水を止めることができるように、複数列が使用されることが多い。
図1に示されている従来技術の制御冷却装置の重大な問題は、制御冷却装置が冷却ヘッダからの最大冷却流量で動作している時に、ゾーン分離噴霧が冷却水を拘束するのに十分な衝撃圧力を有する場合、ゾーン分離噴霧デバイスからの流体流量は、制御冷却装置が冷却ヘッダからのより低い冷却流量で動作している時の冷却に大きな影響を及ぼすことがあることである。特許文献１に記載されている多目的間歇冷却プロセス(MULPIC)用の装置が、冷却ヘッダからの最大冷却流量と最小冷却流量とのターンダウン比20:1を達成しうる。最大冷却流量の冷却水を拘束するために、ゾーン分離噴霧は、大きな衝撃圧力、およびその結果として大流量を有する必要がある。
冷却ヘッダから最大冷却流量で冷却が実施された場合、ゾーン分離噴霧デバイスからの流体流量は、全流量のうちの少ない割合であり、通常は10%未満に過ぎない。低冷却流量で動作している時、最大冷却流量の期間に使用されるゾーン分離噴霧からの同じ大衝撃圧力および大流量が使用された場合、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、全流量中の非常に高い割合であり、通常は50%より多い。冷却流量は、動作中に上部冷却ヘッダ6全てにより付与される冷却水流量の合計である。ゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、動作中にゾーン分離噴霧デバイス全てにより付与される流体流量の合計である。全流量は、冷却流量とゾーン分離噴霧デバイスからの流量との合計である。ゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、冷却に寄与する。
上記の最大冷却流量と最小冷却流量とのターンダウン比の例では、ゾーン分離噴霧の流量の割合は、最大冷却流量より最小冷却流量で20倍高い。上面と下面とを冷却する流体量間の大きな差により上部冷却と底部冷却とが不均衡になる可能性があるので、冷却流量に加えてゾーン分離噴霧により付与されるその大量の流体により、冷却プロセスは悪影響を受ける。
前段の記載はMULPICタイプの冷却システムについて言及しているが、本原理が、ゾーン分離噴霧を使用して、冷却されている板または帯の上面上の冷却水を拘束する任意の冷却システムにも適合することが明らかになるであろう。
欧州特許第０１７８２８１号明細書
本発明の目的は、全流量に対するゾーン分離噴霧デバイスからの流量の寄与により、冷却プロセスの影響を減じる、熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属を制御冷却する方法および装置を提供することである。
冷却液により熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属を制御冷却する装置であって、冷却液をその板または帯の上面のある領域に拘束する少なくとも二つのゾーン分離噴霧デバイスを備える装置を動作させる方法において、冷却中にゾーン分離噴霧デバイスからの流量が、付与される冷却流量に応じて調節されることを特徴とする方法を提供することにより、本目的は解決される。
冷却は、熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属の表面へ冷却液を付与することにより実施される。冷却液は水であることが好ましい。冷却流量は、例えば図1に示されている上部冷却ヘッダなどの冷却手段により上面に付与される冷却液流量の合計である。この冷却流量は、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を含まない。ゾーン分離噴霧デバイスは、噴流または細流の形態の流体流れを板状金属または帯状金属に付与して、冷却液を板または帯の上面上の所望の領域に拘束する。これらの流体流れは、ゾーン分離噴霧と呼ばれる。この流体は、通常は冷却液と同一であるが、必ずしも同一であるとは限らない。ゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、冷却流量の一部ではない。
付与される冷却流量に応じてゾーン分離噴霧デバイスからの流量を調節することにより、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量の割合が、必ず高冷却流量動作および低冷却流量動作において全流量中の少ない割合となるようにすることができる。冷却流量が高くなればなるほど、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量はより高く調節され、または冷却流量が低くなればなるほど、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量はより低く調節され、それにより、常に同時に、ゾーン分離噴霧の衝撃圧力が冷却流の通過を防止するほど十分に高いこと、および全流量中のその割合が冷却プロセスに大きな影響を及ぼさないよう十分に小さいことが確実になる。全流量中の割合は、最大20%、好ましくは最大10%とすることができる。
ゾーン分離噴霧デバイスの各々を、任意の他のゾーン分離噴霧デバイスとは別々に調節することができるか、または代替的に、ゾーン分離噴霧デバイスのいくつかまたは全てを一緒に調節する共通のシステムが存在しうる。
ゾーン分離噴霧デバイスからの流量の調節は、流体の流量を調節する任意の手段により実施することができる。この調節は、調節可能弁を調節することにより、および/または可変速ポンプの速度を変えることにより、実施されることが好ましい。
ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を正確に調節するために、その流量は、好ましくはその圧力を測定することにより監視される。
さらに、冷却液により熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属を制御冷却する装置であって、冷却液をその板または帯の上面上のある領域に拘束する少なくとも二つのゾーン分離噴霧デバイスを備える装置において、付与される冷却流量に応じてゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御する少なくとも一つのデバイスを備えることを特徴とする装置を提供することにより、本発明の目的は、解決される。
ゾーン分離噴霧デバイスのいくつかまたは全てからの流量を一緒に制御する1つのデバイスが存在しうる。代替的に、本発明の別の実施形態では、ゾーン分離噴霧デバイスの各1つに対して、流量を制御する1つのデバイスが存在しうる。
ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御するデバイスは、少なくとも一つの調節可能弁、および/または少なくとも一つの可変速ポンプを備えることができる。
ゾーン分離デバイスからの流量を制御するために、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御するデバイスは、流量の圧力を測定する少なくとも一つの圧力変換器、および/または流量を測定する少なくとも一つの流量計を備えることができる。
従来技術および本発明の例示的な実施形態の概略図が、概略的な図1から図4に示されている。
最新技術による、制御冷却装置の簡略化した断面図である。 調節可能弁および圧力変換器を有するゾーン分離噴霧デバイスの実施形態の単一ノズルの概略図である。 調節可能弁を有するゾーン分離噴霧デバイスの実施形態の単一ノズルの概略図である。 可変速ポンプおよび圧力変換器を有するゾーン分離噴霧デバイスの実施形態の単一ノズルの概略図である。
簡単にするために、図2は、ゾーン分離噴霧デバイス10の単一ノズルのみを示すが、本原理が、制御冷却装置のゾーン分離噴霧デバイスのノズル全てに適合するものであることが明らかになるであろう。図2では、調節可能弁14が、水供給ライン13とゾーン分離噴霧ノズル23との間に取り付けられている。水供給圧力は公称上一定であるが、実際のシステムでは、ポンプ特性または圧力安全弁特性により、この圧力に僅かな変化がある。ゾーン分離噴霧ノズルの圧力は、調節可能弁14を開閉することにより変更することができる。弁14を閉じることにより、弁14を越えた所でより大きな圧力低下が起こり、結果として、ゾーン分離噴霧ノズルの圧力が低下し、ノズル23からの流量が圧力の平方根におおよそ比例するため、そのノズル23を含むゾーン分離噴霧デバイスからの流量が減少する。ノズルからの流量は、矢印で示されている。
図2に示されている例示的な実施形態では、圧力変換器15を使用して、ゾーン分離噴霧ノズルの圧力を監視する。圧力変換器15からの信号が、コントローラ16内に送られ、そこで、該信号は、基準圧力信号18と比較される。このような測定された圧力の信号と基準圧力の信号との間の差が、その差を小さくするように、弁14の開閉を生じさせる。したがって、コントローラ16は、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御するデバイスである。基準圧力信号18は、付与される冷却流量17の大きさと、ゾーン分離噴霧ノズルの流量特性に対する既知の圧力とに基づいて算出される。これらの手段により、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、冷却流量により、すなわち冷却流量に応じて調節され、その結果、冷却流量が大きい場合、ゾーン分離噴霧デバイスは、高質量流量、高速、および高衝撃圧力で動作する。冷却流量がより低い場合、ゾーン分離噴霧デバイスは、より低い質量流量、より低速、およびより低い衝撃圧力で動作する。所与の冷却流量に対するゾーン分離噴霧デバイスからの流量は、冷却水を制御冷却装置の関連区域内に拘束するのにちょうど十分であるように選択される。
代替的な実施形態では、圧力変換器15の代わりに流量計を使用することができる。
圧力変換器15は不可欠な訳ではなく、本発明の代替的な実施形態が、図3に示されている。本実施形態では、弁14の開閉を生じさせる信号は、簡単な参照テーブルまたは冷却流量17の大きさに基づく計算のどちらかである機能19により、コントローラ16内で生成される。制御冷却装置の試運転中、所与の冷却流量に対する弁14の設定が、冷却水を拘束するのにちょうど十分となるように手動で調節され、次いで、その手動設定は、参照テーブルまたは簡単な式のどちらかで機能19に記憶される。
別の代替的な実施形態が、図4に示されている。本実施形態では、水供給ライン13からゾーン分離噴霧デバイスまで水を供給するポンプ20が、可変速モータおよび駆動システム21により駆動される。圧力変換器15からの信号が、コントローラ16内に送られ、そこで、該信号は基準圧力信号18と比較される。これら測定された圧力の信号と基準圧力の信号との間の何らかの差が、基準信号22により、モータおよび駆動システム21の動作速度の変更を生じさせる。
基準圧力信号18は、ゾーン分離噴霧デバイスからの流量が冷却水を拘束するのにちょうど十分となるように、冷却流量17の大きさに基づいて算出される。
1 熱間圧延金属板または熱間圧延金属帯
2 ローラ
3 底部冷却ヘッダ
4 管
5 冷却水噴流
6 上部冷却ヘッダ
7 管
8 冷却水噴流
9 制御冷却装置
10 ゾーン分離噴霧デバイス
11 ゾーン分離噴霧デバイス
12 ゾーン分離噴霧デバイス
13 水供給ライン
14 調節可能弁
15 圧力変換器
16 コントローラ
17 冷却流量
18 基準圧力信号
19 機能
20 ポンプ
21 可変速モータおよび駆動システム
22 基準信号
23 ゾーン分離噴霧ノズル

Claims (9)

  1. 冷却液により熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属を制御冷却する装置であって、前記冷却液を前記板または前記帯の上面上のある領域に拘束する少なくとも二つのゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)を含む装置を動作させる方法において、冷却中に前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量が、付与される冷却流量に応じて、調節されることを特徴とする、方法。
  2. 前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量は、調節可能弁(14)を調節することにより、調節されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量は、可変速ポンプ(20)の速度を変更することにより、調節されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量は、その圧力を測定することにより監視されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 冷却液により熱間圧延板状金属または熱間圧延帯状金属(1)を制御冷却する装置(9)であって、前記冷却液を前記板または前記帯の上面上のある領域に拘束する少なくとも二つのゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)を備える装置において、付与される冷却流量に応じて前記ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御する少なくとも一つのデバイスを含むことを特徴とする、装置。
  6. 前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量を制御するデバイスは、少なくとも一つの調節可能弁(14)を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
  7. 前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量を制御するデバイスは、少なくとも一つの可変速ポンプ(20)を備えることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
  8. 前記ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御するデバイスは、前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量の圧力を測定する少なくとも一つの圧力変換器(15)を備えることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記ゾーン分離噴霧デバイスからの流量を制御するデバイスは、前記ゾーン分離噴霧デバイス(10、11、12)からの流量を測定する少なくとも一つの流量計を備えることを特徴とする、請求項５から８のいずれか一項に記載の装置。
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