JP2019141890A - 熱延棒鋼の加速冷却方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その間棒鋼は空冷される。空冷故に焼準と同様の金属組織を持ち、中庸の強度と安定した延靭性が得られる。特別の機械的性質例えば高強度・低強度・高加工性・高延性等を必要とする場合には、棒鋼に2次加工例えば焼入焼戻しや焼鈍等が施される。
1)棒鋼では多くの場合それ自体が製品であって特別の熱処理を要しない、
2)特殊鋼のように材料として製造される場合、通常の金属組織で特に不都合が無い、
3)棒径が大きいので金属組織の改質に必要な冷却速度が得にくい、
4)改質要求にはコスト上は不利だが合金添加によって容易に対処できる場合がある、
5)必要な冷却能を持ち且つ多様な熱処理が可能な制御冷却方法は既にあることはあるが特別な設備を必要とし、既存の広大な冷却床を全面改造することになり設備投資上問題が大きい。
棒鋼の中で最大生産量を占める汎用鉄筋の降伏強度は約300MPaである。細径(10〜18mm)では合金添加により800MPaとなる高強度品が製造されているが、近年太径(22〜51mm径)の高強度材が期待されている。これは本発明の目的の一つである。
1. テンプコア法: 非特許文献1
主に鉄筋用低炭素鋼を対象に仕上げ圧延直後の直進する棒鋼を強力な水冷装置により短時間急冷し、表層をMs点(マルテンサイトが発生する温度)以下に誘導して表層のみ焼入れし、その後内部の自己熱により焼入れ部を焼き戻す方法である。降伏強度は約500
MPa、合金添加により600MPaが得られる。強力精密な水冷装置の他は特に設備改造を要しないことも有利である。問題は、
1)棒径が大きいほど効果が低下する、
2)表層は焼入焼戻し組織であるから水素Hに起因する遅れ破壊に敏感である、
3)特別の冷却床を要せず走行する棒鋼を強力ジェット水流によって冷却するだけであるが、凹凸のある棒鋼に正確均等な冷却を施すことが意外に困難であり、曲げ性にも問題があること等により国内では製造されていない。
圧延後の棒鋼を棒列に形成して冷却床上で並進させるに当たり、各棒を自転させつつ斜行並進させ、他方冷却床上方に全面配置したミストスプレイ・ノズルによりスプレイ冷却を適用する。棒軸方向、接線方向共に冷却が均等になるよう工夫されている。高炭素低合金鋼のPC鋼棒のパテンティングによる強靱化に利用されているが問題は、
1)冷却強化のため水量を増加すると棒鋼と駆動接触部間に水が溜まり局所異常冷却が発生する。
2)上方だけからの噴射であるため実効表面積が約1/3となり、この2点から大きな冷却能が得られず、平均総括熱伝達率は高々160(W/m2 K)程度である。
3)実施する設備は全面的に新設となり設備費が大きく、そのため内外で1基しか稼働していない。当該装置も単機能的である。
加工熱処理とも言われ、成分・圧延条件・冷却条件の3要因を総合的に組み合わせて結晶粒微細化と金属組織を改質する方法であり、高強度と高延靭性が得られる。主に厚板・薄板を対象とし走行中に処理される。
上記文献には、細粒化元素(V,Nb)の添加、800℃以下の低温圧延によるオーステナイト粒の微細化、再結晶粒の成長抑止と変態組織制御のための適切な水冷の3プロセスにより3μm径以下の微細フェライト又はベイナイト又はマルテンサイトを主組織とし、厚板において500〜900MPaの高強度化が可能と示されている。
1)低温圧延に耐える圧延機耐力の強化が不可欠である。
2)走行中に熱処理するので必要処理時間に対応する強制冷却装置の長さ(走行距離も)が異常に大きくなりスペース上実施困難となる。従って実施されていない。因みに厚板では断面積が大きいので走行速度は小さく、必要冷却時間約100秒に対してスペース上の問題は大きくない。
該文献には熱延棒鋼に対して多様な熱処理が可能な制御冷却方法が開示されている。それによると強力な冷却能を持つ常温流動床の槽内に棒鋼冷却床を設け、該冷却床は前記特許文献2に開示された自転する棒鋼を並進斜行させる構造であり、棒列と平行な多段の遮蔽板と保温板を設け、該板を適宜開閉して冷却強さと冷却時期を調節する。
焼入から徐冷まで種々の連続冷却・恒温変態が可能な多機能方法・装置である。先行例に比較し多様且つ高度な処理が可能となるが、問題点は設備が一層複雑・高価になる。維持にも種々の難点が予想される。
図1は全体構造、図2は移送のメカニズムを示す。棒鋼を圧延材走行方向に対して平行に並列して積載する固定台4と該固定台4とほぼ同一構造であり上昇・前進・下降・後退のメカニズムが付設された駆動台6とから成り、該両台は数条の平行ラックを枠状に組み立てたものであり、ラックの溝上に棒鋼が並列する。駆動ラックの作動により棒列2をまとめて交互に載せ替え、同一歩調で並進し多段の溝を渡り歩く。
作動1 上昇; 棒列は途中で固定台から駆動台へ乗り換え
2 前進; 固定台の上方を溝1ピッチ分前進
3 下降; 途中で駆動台から固定台へ乗り換え
4 後退; 固定台の下方を後退して基準点へ復帰
駆動機構にはカム・リンクを使用した回転方式も多用されるが原理は上記と同様である。
該文献には以下が開示されている。太径丸鋼(約100mm径)の特殊鋼においては冷却床での空冷(実質徐冷)に際して冷却の接線方向不均一が不都合な残留応力を内蔵させ、以後の切削加工精度に悪影響となる。対策として通常のウォーキングビーム式冷却床であるが転動機構を巧みに組み込む。それによると、
1)駆動台のストロークを可変とし、
2)駆動台の基準点を可変とし適切な値に設定して、従来の駆動台から固定台への乗り換え時(戻り)だけでなく固定台から駆動台への乗り換え時(往き)にも転動を発現させ、さらに手待ち時間の間は搬送せず同一溝内で受け渡すアイドリング駆動による転動を加える。
なぜなら搬送モードにおいて1サイクル中の復路半周は固定溝上で静置状態にあり、往路半周のうち乗り換え時(2回)のある時間帯だけが転げ落とすような転動が生じ、移送間はまた静置状態である(該文献請求項2; ・・・該固定溝上で長手方向に移動させ、・・・)。従って転動時間率は搬送時は高々1/4、アイドリング時は同様1/2となる。その間棒鋼は不均一冷却を受ける。
1)熱間圧延後冷却床において棒鋼に漫然と加速冷却を適用すると曲がりの発生が避けられない。先行例2,4の方法では品質及び作業の両面で解決されるが、冷却設備の全面新設が必要となり設備投資の問題が生ずる。
2)既存のウォーキングビーム式冷却床において棒鋼移載時に転動を組み込んだ方法(特許文献4)では転動時間率(=転動時間/駆動時間)が小さく空冷では均等化に有効でも加速冷却に対して転動数・転動時間率が相対的に不足し均一冷却は望めない。
3)合金添加による解決策は容易であるがコスト及び資源上の問題がある。
本願発明は、既存のウォーキングビーム式冷却床の不均一冷却を克服し、且つ線材では常用されているが棒鋼では事例がない衝風冷却を組み込んで比較的簡素な設備により曲がり問題を解決しつつ合金量の節減を図ることを解決すべき課題とする。
1)冷却床は主に棒鋼列を上置し整列させる連続山形溝を上面に設けた数条のラックを平行枠状に組み立てた固定台と該固定台と同様の構造を持ち昇降と前後進の両方又は一方の駆動機構を持ち上下前後に周回可能とした駆動台とから構成され、
2)溝の形状と駆動台の周回軌跡とを組み合わせて棒鋼の荷重を受ける溝の前後斜面上のどちらか一方の支点は常時固定側他方は駆動側に置くことにより駆動に伴って周回の全周において転動させ、
3)棒軸と直交して衝風を作用させ、700℃から600℃における冷却速度を空冷の2倍以上とすることを特徴とする棒鋼の加速冷却方法である。
『連続山形溝』とは、V字形の連続折線によって形成される溝の列であり、最下点を溝底、最上点を頂部と称する。
『固定台側の溝』、『駆動台側の溝』を以後、『固定溝』、『駆動溝』と称する。
第3発明は第2発明において昇降と前後進の両機構の同期・同調作動に精密性を欠く場合の対策として昇降機構のみで常時転動させるものであり設備と制御は一層簡素になる。
第4発明は、既存の冷却床の駆動機構が上下前後の回転の場合にそれらを流用しつつ本発明を実施する具体策を示し、同様に設備費用と工期に有利性がある。
棒鋼における冷却の強度と風速との関係を理論で解明し実験で確認したので応用には過誤は小さい。
固定溝9上の棒列11は該固定ラック4直下で待機していた駆動ラック5の上昇により後者に乗り換える。次いで駆動ラック5は溝間隔(1ピッチ)だけ前進し下降する。下降途中で固定ラック4に乗り換え、1ピッチ前進することになる。駆動ラック5はさらに下降し、棒列11の下を潜って待機点直下まで後退し、次いで待機点まで上昇する。駆動ラックの周回軌跡は上下前後の四辺形12(図中太点線)となる。
順次侵入してくる棒鋼は棒列11を形成して多段の溝を渡り歩き空冷される。空冷後搬出ローラーテーブル13にまとめられて搬出される。
駆動ラック5の周回軌跡が円又は楕円の場合も同様に機能する。
1)空冷に対して衝風冷却装置を付設する。金属組織が改質され製品強度が向上するが、問題は曲がりが発生して操業が安定しない。
2)前記問題解決のため従来の溝間の持ち上げ移送を転動移動に変更する。常時転動により冷却の接線方向不均等が平坦化される。
新たに周回軌跡36を従来の上下水平移動の周回に対して溝の両斜面と平行な四辺形の周回とする。後述するように四辺形の大きさが重要である。
傾斜周回には昇降と前後進の機構・作動を適宜合成する。棒列35には送風機38により衝風37を直交して作用させる。
駆動溝44の頂部が固定溝43の底部に接近し溝底を超える手前で駆動方向を斜面と平行に登り後退へ切り換える(G)。手前であるから棒鋼の両支点は固定側と駆動側に分かれ、後退により棒鋼は固定溝底に止まりながら駆動溝斜面の摺動を受け転動する(H)。後退の終点が起点と一致し固定溝43の前斜面と駆動溝44の後斜面に支えられる(A)。図中矢印は転動を示す。
駆動溝の底の周回軌跡36が固定溝の両斜面によって形成される四辺形ABCDの内部に存在すると言うことは幾何的に駆動溝の一方の斜面は常に固定溝の他方の斜面の上方(又は下方)にあると言うことである。これが『縮小』の意味である。
図6は駆動方法と転動の様子を示す。駆動ラック53は最下点において該駆動溝54の頂点が固定ラックの溝底から後方寄りで固定溝よりも僅かに高い位置を基点として配置する(図中A)。固定溝の形状は前後対称の単純山形であるが駆動溝の形状は後斜面を固定溝と平行で同形状、前方斜面を固定溝と平行から図のように多少切り込みを設け全体を鋸歯状とする。
駆動ラック53の上昇により駆動溝後斜面60が棒列57を押し上げ、斜面に沿って転動しつつ登る(図中B)。棒鋼が固定溝の頂部に接近して前方へ転げ落ちる(図中C)。当該高さを昇降の上限とする。前記切り込みは滑らかな山越えを誘導する。
上限に達して下降に入ると駆動溝54の前斜面59が棒鋼前面をこすりながら転動させる(図中D)。最下点は前記基点である(図中E)。棒鋼は常に固定側と駆動側の斜面で支えられ常時転動する。
ちなみに従来の円軌道移送では本発明とは逆に、設定された溝寸法によって形成される前記平行四辺形に対して円が外接するよう円の直径が決定され、駆動溝の底は該四辺形の外側円上を回る。
軌道が円ではなく楕円の場合も全く同様に処理される。固定溝の両斜面を要素とする菱形に楕円軌道が内接するように設定すればよい。
本発明2,3,4において不可欠条件ではないが固定溝の頂部は丸めておくと滑らかに山越えする。駆動側は発明3,4では頂部の角は転動の引っかかりとして作用する。
dθ/dt=4α(θ−θw)/(cρD) −−−−(1)
θ;温度、θw;周辺温度、t;時間、α;熱伝達率、c;比熱、ρ;棒鋼密度、 D;棒鋼直径
左辺冷却速度は熱伝達率αに比例する。熱延の場合該熱伝達率は対流と放射から成る。
α=αc+αr −−−−−−(2)
α;総括熱伝達率、αc;対流分、αr;放射分
α=Nu・λ/D −−−−−−(3)
Nu=f(Re,Pr) −−−−−−(4)
Re=V・D/(μ/ρg) −−−−−−(5)
λ;流体の熱伝導率、V;流速、μ;流体の粘性率、ρg;流体の密度
衝風に関しては多数の実験データからRe数とNu数の関係が解明されているので該データから風速と熱伝達率と棒径の関係を明らかにすることができる。
図9は対流熱伝達率に及ぼす風速と棒径の関係を示す。
(データ事例; 板谷松樹、水力学、P.176、吉田正彦、実用熱工学、P.898)
Q(kcal/m2h)=ε・σ(θ4−θw4) −−−−(6)
αr=Q/(θ−θw) −−−−(7)
ε;放射率、σ;ステファンボルツマン定数、θ;絶対温度、θw;周辺絶対温度
上記温度範囲の平均熱伝達率を計算すると以下となる。
αr ≒45(kcal/m2h℃)
図10は総括熱伝達率に及ぼす風速と棒径の関係を示す。右図は低速域を拡大した。
駆動溝の底の周回軌跡36が固定溝の両斜面によって形成される四辺形ABCDの内部に存在すると言うことは幾何的に駆動溝の一方の斜面は常に固定溝の他方の斜面の上方(又は下方)にあると言うことである。これが『縮小』の意味である。
Claims (4)
- 熱間圧延後の棒鋼を切断してウォーキングビーム式冷却床に搬送し、該冷却床において搬送方向と平行に並列し垂直方向に並進しつつ加速冷却する方法であって、
1)冷却床を主に棒鋼列を上置し整列させる連続山形溝を上面に設けた数条のラックを平行枠状に組み立てた固定台と該固定台と同様の構造を持ち昇降と前後進の両方又は一方の駆動機構を持ち上下前後に周回可能とした駆動台とから構成し、
2)溝の形状と駆動台の周回軌跡とを組み合わせて棒鋼の荷重を受ける溝の前後斜面上のどちらか一方の支点を常時固定側、他方を駆動側に置くことにより駆動に伴って周回の全周において転動させ、
3)棒軸と直交して衝風を作用させ、700℃から600℃における冷却速度を空冷の2倍以上とすることを特徴とする棒鋼の加速冷却方法。 - 1)固定台側の溝の開き角を90°以上120°以下とし、2)駆動台側の溝の形状を固定台側の溝と同一とし、3)駆動台側の溝底の周回軌跡を固定台側の溝の前後斜面を要素として頂部の下方に形成される平行四辺形を原形に該四辺形の中心を基点に85%以上97%以下に相似縮小した四辺形としたことを特徴とする第1発明に記載した棒鋼の加速冷却方法。
- 1)固定台側の溝の開き角を90°以上120°以下とし、2)駆動台側の溝の形状を後斜面は固定側の溝の後斜面と平行、前斜面は固定側の溝の前斜面よりも急傾斜として全体を鋸歯状とし、3)駆動側の溝頂部の前後位置を固定台側の溝底の後方寄りとし、4)駆動台の周回軌跡を上下のみとして下限を駆動台側の溝頂部が固定台側の溝斜面の直上、上限を駆動台側の溝底が固定台側の溝頂部直下とすることを特徴とする第1発明に記載した棒鋼の加速冷却方法。
- 1)固定台側の溝の開き角を90°以上120°以下とし、2)駆動台側の溝の形状を固定側と同一とし、3)駆動台側の溝底の周回軌跡を固定台側の溝の前後斜面を要素として頂部の下方に形成される平行四辺形に内接又は内在する円又は楕円としたことを特徴とする第1発明に記載した棒鋼の加速冷却方法。
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