JP3284934B2

JP3284934B2 - 高温金属板の冷却装置

Info

Publication number: JP3284934B2
Application number: JP21606797A
Authority: JP
Inventors: 晃夫藤林; 洋木部; 悟史上岡; 峻一杉山; 孝内村; 高橋　　功
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2017-08-11
Also published as: JPH1157837A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内管と外管およ
びスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱間圧延された高温の鋼板等の
金属板は、材質上あるいは操業上の要請から水冷される
ことが多い。しかし、圧延直後の水冷においては冷却ム
ラが生じやすく、冷却後に鋼板の変形や残留応力の発
生、材質のバラツキ等の品質低下を招く。また、冷却ム
ラによる鋼板変形は、操業上のトラブルを起こす原因と
なる。さらに、変形した鋼板は、後工程でプレス機や矯
正機を用いた精整工程を必要とするため、コスト高の原
因となっていた。

【０００３】このような水冷中の冷却ムラをなくすため
には、鋼板等の金属板を均一に冷却する必要がある。圧
延後の高温の鋼板をオンラインで冷却する際、一般には
鋼板を水平の状態で通過させながら、その上下から冷却
水を注水する。この時、板幅方向の冷却が均一になるよ
うに幅方向の冷却能を調整することが重要であり、その
ためには、板幅方向の冷却水量が同一になるよう制御す
る必要がある。

【０００４】圧延直後の鋼板の冷却においては、通常、
スリット状のノズル（スリットノズル）が用いられ、こ
のノズルから板状の水流（ラミナー流）を鋼板の搬送方
向に流出させて冷却を行う。特に厚鋼板の冷却装置で
は、様々な板幅の鋼板が冷却されるので、スリットノズ
ルの幅は鋼板の最大幅に合わせた幅の広いノズルが用い
られている。このような広幅のノズルは、幅方向の冷却
水量が不均一になりやすく、それを防ぐ方法としていわ
ゆる均一冷却法が種々提案されている。

【０００５】例えば、実開昭５８−４２１０号公報に
は、スリットノズル部をヘッダ管に直接固定せずに、支
持フランジにより支持して装着したノズル構造が提案さ
れている。さらにその説明図には、２重管式のノズルヘ
ッダの内管をその両端で支持するノズル構造が実施例と
して記載されている。

【０００６】実開平４−１２９５０６号公報には、内管
に細孔群が空けられた２重管式のノズルヘッダが提案さ
れている。この場合、細孔群の開口面積の分布を、ノズ
ルから噴出する冷却水の流量分布を均一とする分布に設
定する。この流量分布を均一とする分布については、細
孔群による冷却水の圧力損失を基に予め計算しておく、
と記載されている。

【０００７】特開平６−１８２４２５号公報には、ノズ
ルヘッダの内部に整流室を設け、この整流室に着脱可能
に送水管を取り付け、ノズルヘッダとは別に設けた給水
ヘッダに、所定の間隔で送水管を接続したノズルヘッダ
が提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術には以下の点で問題があった。

【０００９】実開昭５８−４２１０号公報記載の技術で
は、スリットノズルおよび内管がいずれも両端のフラン
ジのみで支持されているため、強度上の問題がある。特
に広幅鋼板の冷却装置においては、スパンが５ｍ以上に
も及ぶため、両端のフランジのみでは中央部が垂れ下が
るという問題がある。これに対して、外部で支持するこ
とは外管については可能であるが、内管についてはこの
技術では支持することができない。

【００１０】またこの技術では、冷却水がスリットノズ
ルの両端からのみ供給されるので、大量の冷却水を噴射
することは不可能であり水量に制限があった。さらに、
水量の増加に伴い、幅方向の冷却水量の分布が不均一と
なり、冷却のムラが増大するという問題もある。これ
は、大量の冷却水を内管の軸方向（金属板の幅方向）に
流す必要があるため、幅方向に冷却水の圧力勾配が生じ
るためである。

【００１１】実開平４−１２９５０６号公報記載の技術
では、冷却水量が変わると均一な冷却水量分布が得られ
ないという問題がある。内管においては、冷却水の流速
が開口部から冷却水を流出させる圧力に影響を及ぼし、
冷却水の供給元に近い部分では流速が高いため圧力は低
くなり、末端部では流速が０のため圧力への影響も０と
なる。冷却水の流速は冷却水量と比例するので、開口部
における圧力への影響の大小は冷却水量に依存すること
になる。

【００１２】従って、冷却水量が少ない場合の開口部の
面積分布は冷却水の供給元に近い部分と末端部とで同等
でよいが、冷却水量が多い場合は面積分布の差を大きく
する必要がある。このように、幅方向に均一な冷却水量
分布を得るためには、整流管に設ける開口部面積の分布
を冷却水量により変える必要がある。そのため、この従
来技術では、冷却水の水量変更の際は、幅方向に均一な
ラミナー流を実現することが困難であった。

【００１３】特開平６−１８２４２５号公報記載の技術
では、ノズルヘッダの内部に整流板を設けているため、
ノズルヘッダの内部構造が複雑であり、整流板の取付け
およびシール等の調整が必要となる。また、整流板の寸
法や仕様については具体的には開示されておらず、別途
検討を必要とする。

【００１４】以上のように、従来技術では鋼板の冷却の
際、冷却にムラが生じやすく、局所的な冷却不足や逆に
過冷却による筋状の材質欠陥や、冷却後の鋼板の曲がり
やキャンバの発生を防止することが困難であった。

【００１５】この発明は、これらの問題点を解決し、厚
鋼板用の幅広のスリットノズルにおける幅方向の冷却を
均一化し、さらに冷却水量を増減させた場合にも均一冷
却が可能なスリットノズルを提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、内管および
外管からなるノズルヘッダと金属板に冷却水を注水する
スリットノズルを有する高温金属板の冷却装置におい
て、冷却水を送水する冷却水供給管が内管に複数接続さ
れ、前記内管の上部には内管から外管に冷却水を供給す
るための開口部が設けられ、前記外管にはスリットノズ
ルが接続され、前記内管に設けられた開口部の総面積
が、冷却水供給管の内部の総断面積の０．８倍以上１．
２倍以下であることを特徴とする高温金属板の冷却装置
である。

【００１７】この発明では、内管に複数の冷却水供給管
が接続されているので、内管はこれらの冷却水供給管で
支持される。さらに、内管は複数の位置で支持されるの
で、隣接する支持位置の間隔（スパン）が短くなり、垂
れ下がりにくくなる。この場合（分布荷重の場合）、垂
れ下がりの大きさ（最大撓み）は、スパンの４乗に比例
する。冷却水供給管がｎ本の場合はスパンが１／ｎにな
るので、最大撓みは１／ｎ⁴となる。例えば、２本の場
合でも、最大撓みは１／２⁴＝１／６４に低減できるこ
とになる。

【００１８】また、冷却水は複数の冷却水供給管から内
管に送水されるので、内管の両端から送水される場合に
比べて、冷却水量の分布が均一化される。さらに、内管
に設けられる複数の開口部の大きさを適切な寸法とする
ことにより、外管に供給される冷却水の水量を均一化で
きる。ここで開口部の大きさとしては、開口部の面積の
総和が、冷却水供給管の断面積（内部の断面積）の総和
と同程度であればよい。

【００１９】

【００２０】開口部の総面積が大きくなると、水流に対
する流動抵抗が小さくなるため、冷却水は冷却水供給管
に近い開口部から集中して流出し、冷却水の分布が不均
一となる。従って、ある程度の流動抵抗を生じさせて、
冷却水の分布が均一となるようにする必要がある。

【００２１】種々の検討の結果、冷却水供給管の内部の
断面積の総和に対する開口部の総面積の比率（以下、面
積比という）を、一定の比率より小さくすることで、冷
却水の分布を均一化することができることを見いだし
た。実験の結果、実用上はこの比率を１．２以下とする
ことで、冷却水の分布が均一となり、板幅方向の温度差
が２０℃以内となることがわかった。

【００２２】図１は、冷却水の分布と金属板の温度分布
の関係を示す図である。図の横軸は吐出流の流速の最小
値と最大値の比（吐出流速比）であり、冷却水の分布を
表す。図の縦軸は、板幅方向の温度差であり、金属板の
温度分布を表す。図１では、吐出流速比の低下に伴い、
板幅方向の温度差が増加している。この図より、板幅方
向の温度差が２０℃以内とするには、吐出流速比を０．
８６以上とすればよいことがわかる。

【００２３】そこで、このような吐出流速比を得るため
の条件について、開口部の総面積（冷却水供給管に対す
る面積比）を種々変化させて調べた。その結果、この面
積比を１．２まで増加すると、吐出流速比が０．８６ま
で低下することがわかった。そこで、この発明では、開
口部の冷却水供給管に対する面積比を１．２以下とすす
る。これにより前述のように、板幅方向の温度差を２０
℃以内とすることができる。

【００２４】開口部の総面積が小さくなる（面積比縮
小）と、水流に対する流動抵抗が大きくなり、冷却水の
水量が少ない場合でも冷却水の分布を均一化することが
できる。しかし、開口部における圧力損失が大きくなる
ため、冷却水の水量が減少し冷却能力が低下する。冷却
水の水量を同一とするには、冷却水供給管の水圧を高く
する必要がある。その結果、ポンプや配管設備を高圧用
にするため設備費が増加し、また、ポンプの動力費も増
加する。

【００２５】そこで、冷却水供給管の内部の断面積の総
和に対する開口部の総面積の比率に下限を設けた。その
結果、開口部の冷却水供給管に対する面積比の下限とし
ては、この面積比を０．８以上とすれば、冷却水の水量
もある程度確保され、十分な冷却能を得られることがわ
かった。

【００２６】

【発明の実施の形態】図２は、この発明の冷却装置の実
施の形態の１例を示す図である。ヘッダー管の内管２に
は、複数の冷却水供給管１が接続されている。冷却水供
給管１は、内管２に冷却水を供給するとともに、内管２
が垂れ下がらないよう支持するという機能もある。

【００２７】内管２の上部には複数の開口部５が設けら
れており、外管３に冷却水を供給する。なお図では、開
口部５が円形の孔であるが、これは円形に限られるもの
ではなく、スリット状でもよい。ヘッダー管の外管３に
はスリットノズル４が接続されており、冷却水は開口部
５から供給されると、外管３の中で下向きに方向を変え
てスリットノズル４に送り込まれ、金属板６に注水され
る。

【００２８】この図では、冷却水供給管１が３本設置さ
れているが、このように幅方向の中間から分散して冷却
水を供給することにより、ヘッダー管の内管２における
冷却水が交互（図中、矢印）に流れるようになる。その
結果、内管２の中の流速は、冷却水を内管２の端部から
供給する場合に比べて小さくすることができ、幅方向の
冷却水の均一性が向上する。

【００２９】冷却水供給管１の本数が少ないと（例え
ば、１本）、供給管１に近い開口部５に冷却水が集中
し、幅方向の冷却水の均一性が低下する。冷却水供給管
１の本数としては、少なくとも２本、好ましくは３本以
上とする。

【００３０】

【実施例】図３に、厚鋼板を搬送しながらオンラインで
冷却するための冷却装置を模式的に示す。ここでは、鋼
板６の通過する部分（パスライン）の上下に、冷却中の
鋼板の変形を防ぐためのロール７、７が設けられてい
る。鋼板の上面側には、ヘッダ管（ヘッダ外管３）に接
続されたスリットノズル４が設置されており、下面側に
は、冷却水を噴射するための円管状の下面ノズル８が設
置されている。

【００３１】スリットノズル４の幅は５ｍ、スリットの
ギャップは１０ｍｍである。冷却水供給管１の内径Ｄは
１５０ｍｍ、本数Ｎは４本で幅方向に等間隔に設置され
ている。ヘッダー管の内径は、内管２が２００ｍｍ、外
管３が２５０ｍｍである。一方、内管２の開口部５とし
ては円形の孔を設け、その直径ｄを５ｍｍとした。

【００３２】この場合、冷却水供給管１の総断面積Ｓ
は、Ｓ＝πＤ²／４×Ｎであり、計算すると、０．０７１ｍ²となる。開口部５
（円孔）の総断面積ｓは、個数をｎとすると、ｓ＝πｄ²／４×ｎであり、計算すると、ｎ×１．９６×１０^-5ｍ²とな
る。

【００３３】この開口部５と冷却水供給管１の総断面積
の比ｓ／Ｓを、０．８以上１．２以下とするには、０．８≦ｓ／Ｓ≦１．２であり、これより開口部５の個数ｎは、２８９７≦ｎ≦４３４６となる。そこでｎ＝３５００とし、内管２に５ｍにわた
って３５００個の円孔を開口部５として設けた。

【００３４】この冷却装置について、スリットノズルか
らの吐出流の流速分布を測定した。流速分布は冷却水量
によらずほぼ均一であり、吐出流の流速の最小値と最大
値の比（吐出流速比）は０．９５以上であり、流速の差
が５％以内に抑えられている。

【００３５】次に、この冷却装置を用いて圧延直後の厚
鋼板の冷却を行った。厚鋼板の寸法は、幅４３００ｍ
ｍ、長さ１８ｍ、板厚３２ｍｍであり、初期温度（冷却
装置入側温度）９２０℃、通板速度３０ｍｐｍで冷却を
施した。例却水量は０．０５ｍ ³／ｍ・ｓ（単位幅当り
の水量）である。冷却装置を出てから３０秒後の温度分
布を計測したところ、５００℃±１０℃であった。

【００３６】この鋼板はそのまま冷却床で常温まで冷却
されたが、反り等の変形は全く発生しなかった。また、
板幅方向の硬度を測定したが、均一な硬度を示してお
り、不均一な冷却から発生する硬度のムラ、いわゆるヤ
キムラ等の材質不良も防止されている。さらに、幅４０
０ｍｍの条材に切断したがキャンバ等の変形は発生しな
かった。

【００３７】以上の結果をまとめて比較例とともに表１
に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】比較例１は、供給管の数が１本であり、ヘ
ッダ管の端部で内管と接続されている。内管の開口部の
面積比は、表１に示すように０．９６６でありこの点に
ついては発明範囲内となっている。その他の設備仕様は
実施例に同じである。また、比較例２は、内管の開口部
の総面積が冷却水供給管の総断面積に比べて小さく、開
口部の面積比は発明範囲の下限値（面積比０．８）より
小さい。なお、冷却水供給管の数その他の設備仕様は実
施例に同じである。

【００４０】比較例３は、ヘッダ管の内管の開口部の総
面積が冷却水供給管の総断面積に比べて大きく、発明範
囲の上限値（面積比で１．２）より大きい。なお、冷却
水供給管の数その他の設備仕様は実施例に同じである。
比較例４は、ヘッダ管の内管の開口部の位置がこれまで
と異なり、内管の下部に設けられている。その他の設備
仕様は実施例に同じである。

【００４１】これら比較例の冷却装置について、実施例
と同様、スリットノズルからの吐出流の流速分布を測定
した。まず、冷却水供給管の数が１本の比較例１の場合
は、スリットノズルからの吐出流速は、冷却水の供給側
では低く末端側で高くなっていた。その結果、吐出流速
比（吐出流の流速の最小値と最大値の比）が０．６とな
り、実施例に比べて流速がかなり不均一となった。

【００４２】内管の開口部の総面積が発明範囲の下限値
（面積比０．８）より小さい比較例２では、実施例と同
じポンプでは冷却水量（吐出水量）を得ることが不可能
であった。開口部の面積比が発明の上限を超えている比
較例３では、冷却水供給管の接続部とそれらの中間の部
分とで、スリットノズルからの吐出流が大きく異なっ
た。また、内管の下部に開口部を設けた比較例４でも、
冷却水供給管の接続部とそれらの中間の部分で、スリッ
トノズルからの吐出流が大きく異なった。

【００４３】また、圧延直後の厚鋼板の冷却を、実施例
と同一の冷却水量、厚鋼板の寸法、初期温度、通板速度
等の冷却条件で行った。ただし、目標の冷却水量が得ら
れなかった比較例２は除いた。これら各比較例の装置を
用いた場合、冷却装置を出てから３０秒後の温度分布
は、いずれも温度ムラが大きく発生し、温度差は±１０
０℃もあった。冷却後の硬度はいずれも不均一であり、
特に比較例１の場合は幅方向に大きく異なる硬度分布を
示した。比較例３と４により冷却された鋼板について
は、幅４００ｍｍの条材に切断したところ、キャンバが
発生した。

【００４４】

【発明の効果】この発明では、内管の開口部の総面積と
送水管の総断面積の関係を規定することにより、外管に
供給される水量が板幅方向について均一となる。従っ
て、スリットノズルからの吐出水量も板幅方向について
均一となり、高温金属板の幅方向の均一冷却が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷却水の分布と金属板の温度分布の関係を示す
図である。

【図２】発明の冷却装置の実施の形態の１例を示す図で
ある。

【図３】厚鋼板を搬送しながらオンラインで冷却するた
めの冷却装置を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１冷却水供給管２内管３外管４スリットノズル５開口部６金属板７ロール８下面ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉山峻一東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者内村孝東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者高橋功東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開昭50−19009（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−134109（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−141860（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 45/02 320 C21D 9/52 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内管および外管からなるノズルヘッダと
金属板に冷却水を注水するスリットノズルを有する高温
金属板の冷却装置において、冷却水を送水する冷却水供
給管が内管に複数接続され、前記内管の上部には内管か
ら外管に冷却水を供給するための開口部が設けられ、前
記外管にはスリットノズルが接続され、前記内管に設け
られた開口部の総面積が、冷却水供給管の内部の総断面
積の０．８倍以上１．２倍以下であることを特徴とする
高温金属板の冷却装置。