JP3783396B2

JP3783396B2 - 高温鋼板の冷却方法

Info

Publication number: JP3783396B2
Application number: JP08830698A
Authority: JP
Inventors: 悟史上岡; 洋木部; 晃夫藤林; 政人内尾; 和也福岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: JPH11267738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温鋼板の冷却方法に関するものであり、さらに詳しくは、鋼板の冷却温度を目標冷却温度に高精度で一致させると共に、冷却中に発生する鋼板の冷却歪を低減する高温鋼板の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、熱間圧延された高温鋼板は、仕上げ圧延機を出たところで冷却装置を通過することによって冷却される。熱延鋼板や厚鋼板などの冷却装置は、上面と下面とに分かれた複数のバンクにより構成されており、上面ではスリットラミナー又はスプレー、下面ではジェットやスプレーなどによる冷却が行われている。このとき、鋼板が水平状態にあるため、鋼板上面の冷却水は鋼板を冷却しながら、板端部まで滞留した後に排水される。これに対して、下面の冷却水は鋼板を冷却した直後、重力の影響を受けて落下する。
【０００３】
したがって、上面と下面を同じ水量で冷却を行った場合、上面では滞留水の影響により、下面と比較して冷却能が強くなる。その結果、冷却終了後の鋼板の上面の温度と下面の温度が一致しなくなり、鋼板の歪の原因となる。
【０００４】
この対策として、一般には冷却後の歪の測定を行って、この歪をが低減させるように上面と下面の水量比を調整したり（以下「先行技術１」という）、あるいは冷却設備の出側に設置した表面温度計により、冷却装置を出た後の鋼板の上面と下面の表面温度の計測を行って、冷却水量を調整して鋼板の上面と下面の温度を一致させることにより鋼板の歪を低減する方法(以下「先行技術２」という)が行われている。
【０００５】
また、特開平６−２６９８３７号公報には、冷却設備の最終段において、非冷却帯を設けた後、弱冷却帯を配置して、非冷却帯に設けた表面温度計により鋼板の上下面の温度を計測して、冷却設備の最終段の弱冷却帯の水量を調整することにより、上面と下面の温度を一致させ、これにより歪を低減する方法(以後「先行技術３」という)が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先行技術１のような、常温まで冷却してから歪計測を行い冷却水量を決定する方法では、迅速なフィードバック制御が不可能であるという問題点がある。
【０００７】
また、先行技術２のような方法では、冷却装置を出た後の鋼板の上面と下面の表面温度の計測を行っても、正確な温度の測定が困難であるという問題点がある。すなわち、特に厚鋼板の場合、冷却装置を出た鋼板は急激に復熱するため、冷却装置を出た直後では過渡的な表面温度は計測できても、歪に影響を与える上下面の温度を計測することは困難である。冷却装置から離れた位置に表面温度計を設置したとしても、鋼板の復熱が完了するまでの時間は、鋼板厚や冷却条件によって異なっているため、鋼板が表面温度計の設置位置を通過する時には、復熱の途中であったり、復熱が完了して鋼板の温度が低下する途中であったりして、冷却中の鋼板温度の履歴を予想することは難しい。また、表面温度の測定値より鋼板の平均温度を推定することは困難である。
【０００８】
また、冷却中の鋼板表面温度が高い時、冷却水と鋼板の間に蒸気膜が発生して、いわゆる膜沸騰状態となる。この蒸気膜は鋼板表面温度が低くなってくると、蒸気膜が消滅して、いわゆる核沸騰状態に遷移する。膜沸騰と核沸騰状態では、冷却能が大きく異なり、さらにスケールや冷却水温度によって遷移温度が変化する。このため、冷却中の熱伝達係数が操業条件毎に変化している。また、実操業では冷却装置に挿入される前の鋼板の上面と下面の温度が異なっている。さらに、冷却水量の調整を行うと、冷却水による熱伝達係数も変わり、冷却仕上温度が変化するため、搬送速度の調整も必要となる。
【０００９】
このような理由のため、先行技術２においては、鋼板の上下面の温度を測定しても、冷却水量および搬送速度をどの程度調整すべきであるかの目安が無いため、冷却装置を出た後の鋼板の上面と下面の温度を一致させ、かつ目標の鋼板温度とすることが難しく、安定して歪の少ない操業を行うことが困難であった。
【００１０】
先行技術３では、冷却装置内に温度計を設置しているので、鋼板全長にわたってフィードバック制御が可能であるが、先行技術２と同様に、非冷却帯で計測した鋼板の上面と下面の表面温度は低く、弱冷却帯に鋼板が搬送された段階で急激に復熱するため、真に必要な温度を測定することは不可能である。また、スケールや冷却水温度によって蒸気膜の生成状態が異なることによって弱冷却帯の冷却能力がばらつくため、弱冷却帯で鋼板の上面と下面の温度を制御することが難しく、歪の発生を安定して減らすことが困難である。また、弱冷却帯が必要で設備コスト高となるという問題点を有している。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、高温鋼板を冷却水により冷却するに際し、冷却装置に挿入する前の鋼板の上面と下面の温度が異なっている場合や、スケール生成状態や冷却水温度が変化する場合においても、冷却装置を出た後の鋼板の上下面の板厚方向の温度分布を対称にして、鋼板に発生する歪を減らし、かつ冷却後の鋼板の停止温度の精度を向上することができる高温鋼板の冷却方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、鋼板の上面および下面に流体を噴射し、噴射した流体の流量と温度変化を鋼板の上面と下面で個別に計測することによって、鋼板より持ち去られた熱量を上面と下面について個別に求め、その値を基に、冷却装置を出た後の鋼板の板厚方向の温度分布が対称になるように流体の流量を調整することを特徴とする高温鋼板の冷却方法である。
【００１３】
本手段においては、噴射した流体の流量と温度変化を鋼板の上面と下面で個別に計測することによって、鋼板より持ち去られた熱量を上面と下面について個別に求めている。よって、鋼板の上下面からの抜熱量を個別に、冷却途中において求めることができる。そして、冷却装置を出た後の鋼板の板厚方向の温度分布を対称にするために必要な鋼板上下面の抜熱量が得られるような流体の流量を伝熱計算によって求め、その流量の流体で鋼板の上下面を冷却する。これにより、冷却装置を出た後の鋼板の板厚方向の温度分布が対称となり、冷却歪が発生しなくなる。また、冷却中に冷却量の調整ができるため、制御精度を高めることができる。
【００１４】
前記課題を解決するための第２の手段は、冷却装置内で鋼板に噴射した流体の流量と温度変化を計測することによって、冷却中に鋼板の上面および下面から実際に奪われている熱量を演算し、これに基づいて鋼板の冷却後の平均温度を予測を行い、平均温度の予測値が目標値になるように鋼板に噴射する流体の流量と鋼板の搬送速度の少なくとも一方を調整することを特徴とする高温鋼板の冷却方法である。
【００１５】
本手段においても、冷却装置内で鋼板に噴射した流体の流量と温度変化を計測することによって、冷却中に鋼板の上面および下面から実際に奪われている熱量を演算し、これに基づいて鋼板の冷却後の平均温度を予測を行っている。そして、この予測温度が目標値となるような鋼板に噴射する流体の流量と鋼板の搬送速度を伝熱計算によって求め、各値を求められた値となるように制御することによって、鋼板の停止温度制御を行っている。この手段においても、鋼板温度の計算が、冷却中に行えるので、迅速な制御が可能となり、停止温度制御を高精度なものとすることができる。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、高温鋼板の冷却方法において、冷却装置に挿入される前の鋼板の上面と下面の表面温度を計測し、これに基づいて、冷却される前の鋼板の上面側と下面側の初期平均温度を計算で求め、冷却後の鋼板の上面側と下面側の平均温度が冷却終了時の鋼板の平均温度に一致するために鋼板の上面と下面から奪わなければならない熱量を演算すると共に、冷却装置内で鋼板に噴射した流体の流量と温度変化を計測することによって、冷却中に鋼板の上面および下面から実際に奪われている熱量を演算し、鋼板から奪わなければならない熱量と鋼板から実際に奪われている熱量が一致するように、鋼板に噴射した上面と下面の流体の流量比を調整し、かつ、鋼板より奪われている熱量から冷却終了時の鋼板の平均温度を予測して、予測された鋼板の平均温度が目標冷却終了温度となるように流体の流量と鋼板の搬送速度の少なくとも一方を調整することを特徴とする高温鋼板の冷却方法（請求項１）である。
【００１７】
この手段においても、冷却装置内で鋼板に噴射した流体の流量と温度変化を計測することによって、冷却中に鋼板の上面および下面から実際に奪われている熱量を演算し、鋼板から奪わなければならない熱量と鋼板から実際に奪われている熱量が一致するようにしている。よって、制御に必要な計測と伝熱計算を冷却中に行うことができるので、冷却後の上下面の温度を高精度で一致させ、かつ目標冷却温度制御を高精度のものとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。図１は、スプレーによる冷却を行う冷却装置の概略図である。図１において、１はスプレーノズル、２は上面拘束ロール、３は下面拘束ロール、４は高温の鋼板、５は冷却水温度計、６は下面タンクである。
【００１９】
鋼板４は、上面と下面に設置されたスプレーノズル１の間を通過し、その間にスプレーノズル１から噴射される冷却水により冷却される。また、スプレーノズル１の上流側と下流側には拘束ロール２、３が設置されており、冷却装置から冷却水が漏洩するのを防止している。ここで、上部および下部スプレーノズル１から噴射された冷却水の温度は、鋼板４と冷却水の間で熱交換されて鋼板４が失った熱量分だけ上昇する。
【００２０】
上面側では、少なくとも１個の温度計５を、滞留している上面冷却水中に水没する位置に設置することにより、下面側では、冷却水が収容されるタンク６中に、少なくとも１個の温度計５を設置することにより、各々の冷却水温度を測定し、この測定と予め計測された冷却水の初期温度から上昇した冷却水温度を求める。ここで、冷却水が鋼板と熱交換した単位面積当たりの熱量は上面および下面のそれぞれにおいて、
q_upper =ρw・Cw・Wu・τ・ΔTwu …(1)
q_lower =ρw・Cw・Wb・τ・ΔTwb …(2)
である。ここに
q_upper: 上面からの抜熱量 [J/m²]
q_lower: 下面からの抜熱量 [J]/m²]
ρw: 冷却水密度 [kg/m³]
Cw: 冷却水比熱 [J/kgK]
Wu: 上面冷却水水量密度 [m³/m²sec]
Wb: 下面冷却水水量密度 [m³/m²sec]
τ: 冷却時間 [sec]
ΔTwu: 上面冷却水温度上昇 [K]
ΔTwb : 下面冷却水温度上昇 [K]
である。
【００２１】
鋼板４が冷却装置に搬送される前に、表面温度計により鋼板４の上下面の表面温度の計測を行う。このとき、鋼板の上面と下面の温度が一致していれば、冷却中に鋼板の上面と下面から奪われる熱量が一致しているときに、冷却後の鋼板の上面と下面の温度が等しくなり、冷却中の歪の発生が無くなる。よって、上面からの抜熱量と下面からの抜熱量が一致していればよいため、次の関係が成り立つ。
Wu／Wb = ΔTwb／ΔTwu …(3)
【００２２】
また、冷却前の表面温度計による計測で、鋼板温度が上面と下面で異なる場合には、鋼板初期温度分布を推定する。初期温度分布の推定は、差分法やＦＥＭなどを用いてコンピューターで計算する方法が最も良いが、本例では簡易的に鋼板の上面側と下面側の平均温度のみを求める。自然放冷を行っている場合、鋼板内の板厚方向温度分布は２次曲線と仮定すると、鋼板の板厚方向の温度分布は次のような関係となる。
θ(x,τ)=Ax² …(4)
ここで、
A: q/(λd) [K/m]
q: 自然放冷時の熱流束 [W/m²]
λ: 熱伝導率 [W/mK]
d: 板厚 [m]
θ: 鋼板温度 [K]
x: 鋼板上面から板厚方向への距離 [m]
である。
【００２３】
冷却前の鋼板の上面及び下面の表面温度をθu、θbとすると自然放冷中の上面及び下面の熱流束qu、qbは次のようになる。
qu = εσ(θu⁴−θa⁴) + hfc（θu−θa） …(5)
qb = εσ(θb⁴−θa⁴) + hfc（θb−θa） …(6)
ここで
θu: 冷却装置挿入前の鋼板上面の表面温度 [K]
θb: 冷却装置挿入前の鋼板下面の表面温度 [K]
ε: 放射率(=0.8)
σ: ステファン・ボルツマン定数(=5.67×10^-8) [W/m²K⁴]
hfc: 自然対流熱伝達係数 [W/m²K]
θa: 外気温度 [K]
【００２４】
式(5)、(6)から上面及び下面の表面温度θuとθbに対応する板厚中心温度θcuとθcbを求める。
θcu = Au(d/2)² + θu …(7)
θcb = Ab(d/2)² + θb …(8)
ここで
Au: qu/(λd) [K/m]
Ab: qb/(λd) [K/m]
である。
【００２５】
よって、鋼板の中心温度は次式より決定される。
θc = (θcu + θcb)/2 …(9)
これより、鋼板の上面側と下面側の平均温度θ_umean、θ_bmeanは次のように書ける
θ_umean=(θc + θu)/2 …(10)
θ_bmean=(θc + θb)/2 …(11)
【００２６】
冷却終了時の鋼板の平均温度をθfとすると、冷却装置内での鋼板上面及び下面の単位面積当たりの抜熱量q_upper 、q_lowerは次式のように記述することができる。
q_upper = ρs・Cs・(θ_umean- θf)・d/2 = ρw・Cw・Wu・τ・ΔＴwu …(12)
q_lower = ρs・Cs・(θ_bmean- θf)・d/2 = ρw・Cw・Wb・τ・ΔＴwb …(13)
ここに、
ρs: 鋼板の密度 [kg/ｍ³]
Cs : 鋼板の比熱 [J/kgK]
である。
【００２７】
よって、冷却装置前の鋼板の上面及び下面の温度が異なる場合、冷却終了時の鋼板の上面と下面の温度を一致させるためには、次式を満たせばよい。
Wu/Wb = (θ_umean- θf)・ΔＴwb／((θ_bmean- θf)・ΔＴwu) …(14)
このことから、冷却装置に挿入する前の鋼板上面及び下面の表面温度が一致している場合は式(3)、一致していない場合は式(14)を用いて上面と下面の冷却水量比を調整することにより、冷却終了時の鋼板の上面及び下面の温度を一致させることができる。また、冷却終了後の鋼板温度は次のように記述することができる。
ΔTs = (q_upper + q_lower)／(ρs・Cs・H) …（15）
ここに
ΔTs: 鋼板の温度低下量 [K]
H: 板厚 [m]
【００２８】
この時、鋼板より奪われる熱量には次の関係がある。
q_upper =ρw・Cw・Wu・τ・ΔTwu= ρw・Cw・Wu・ΔTwu・L/v …(16)
q_lower =ρw・Cw・Wb・τ・ΔTwb= ρw・Cw・Wb・ΔTwb・L/v …(17)
ここに、
L: 冷却ゾーン長 [m]
v: 鋼板の搬送速度 [m/s]
である。
【００２９】
なお、鋼板を冷却装置内で停止して冷却を行う場合は、冷却時間τ、鋼板を冷却装置内に通過させながら冷却を行う場合は、L/vを用いて停止温度の制御を行うことができる。以上のことから、冷却開始時の鋼板温度と冷却水の温度上昇と冷却水量を計測すれば、式(15)〜(17)を用いることにより、目標とする冷却後の鋼板温度となる鋼板の搬送速度又は冷却時間を求めることができる。
【００３０】
この例では、冷却前の鋼板の上面温度と下面温度が異なっている場合、鋼板の上面側と下面側の初期平均温度を簡易的な方法で求めて、式(14)に基づいて冷却後の鋼板の上面側と下面側の平均温度が一致する上面と下面の冷却水量比を求め、式(15)〜(17)により目標鋼板温度まで冷却するのに必要な搬送速度を求める方法について記述したが、差分法やＦＥＭを用いて、鋼板の初期温度分布や冷却中の温度履歴を、冷却装置の各バンクで計測された上下面からの抜熱量を境界条件として計算することも可能である。
【００３１】
また、搬送速度一定で冷却を行う場合には、冷却装置の前段側で鋼板の平均温度を求め、冷却の過不足を判断して、後段側の数ゾーンに於いて、式(3)あるいは式(14)から導かれる上面と下面の冷却水量比を保ったまま、式(15)〜(17)を満たすように上面と下面の冷却水量の変更を行うことにより、冷却後の鋼板平均温度を制御することも可能である。
【００３２】
しかし、冷却水の調整は、上面で水量調整を行うと、滞留水となって冷却能に大きく影響を与えるので、下面冷却水のみ調整することにより鋼板の上面と下面温度一致させて、搬送速度または冷却時間を調節することにより冷却後の鋼板平均温度を制御する方法が好ましい。
【００３３】
本発明では、鋼板から奪われた熱量が熱交換により直接冷却水温の上昇となって現れるため、鋼板のスケール生成状態や冷却水温度の変化に関係が無く、冷却中の鋼板の上面側と下面側からの抜熱量を個々に計測することが可能となる。そのため、複数のバンクを持つ冷却装置に本発明を適応した場合、各バンクにおける抜熱量の測定が可能であるため、鋼板の平均温度もオンラインで計測が可能となる。
【００３４】
また、本発明による冷却方法を行うことにより冷却後の鋼板は、上面と下面の温度が一致しているため、冷却後の鋼板をホットレベラで矯正すれば、以後の放冷過程での歪はほとんど発生せず、さらに歪の少ない鋼板の製造が可能となる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照しながら説明する。図２は、本発明の実施例において用いた厚鋼板の冷却装置を示す概略図である。以下の図において、前出の図において示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２において、７は上面スリットノズル、８は下面導管付円管ラミナーノズル、９は冷却装置入側表面温度計、１０は冷却装置出側表面温度計、１１はホットレベラを示す。
【００３６】
高温鋼板の搬送ラインを挟んでその上下に1対の拘束ロール２、３が1000mmピッチで10組設けられ、拘束ロール２、３の各組相互間が冷却バンクになっている。鋼板が冷却装置を通過するとき、上面はスリットノズル７により、下面は下面導管付円管ラミナーノズル８により冷却される。冷却装置の入側及び出側には、鋼板の上面及び下面の表面温度が計測できるよう表面温度計９、１０が設置されている。冷却装置の後方には、ホットレベラー１１が設置されており、冷却装置を出た後の鋼板の矯正を行うことができる。
【００３７】
冷却装置の詳細を図３に示す。図３において、１２は円管ノズル、１３は導管である。拘束ロール２、３の各組相互間の鋼板上面側には、鋼板搬送方向の上流側ロールから下流側ロールに向けた上面スリットノズル７が設けられており、鋼板下面側には冷却水が収容されたタンク６が配置されている。下部冷却ノズルとしてタンク６の水中に、板幅方向に100mmピッチで、鋼板搬送方向に５列設けられた円管ノズル１２と、円管の各々の上部に鋼板の下面に向けて設けられていた導管１３とからなる下面導管付き円管ラミナーノズル８が設置されている。このような冷却装置内を連続的に移送される高温鋼板４に対し、鋼板上面側に設けられたスリットノズル７から所定量の冷却水を噴射することにより鋼板上面を冷却し、鋼板下面側に設けられた下面導管付きラミナーノズル８から冷却水を噴射することにより、その随伴流で生じた液流によって下面を冷却している。下面では冷却水は下面タンク６に戻り再び随伴される。
【００３８】
（実施例１）
図２及び図３に示した冷却装置に、板幅4.0ｍ、板長７ｍ、板厚35mmの熱間圧延後の厚鋼板通過させ冷却を行った。このとき、冷却装置入側表面温度計９による温度計測を行ったところ、上面が850℃、下面が820℃であった。これに対し、初期設定として上部スリットノズル７から0.033ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板上面に流し、下部導管付き円管ラミナーノズル８から0.020ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板の下面に向けて噴射することにより冷却を行った。
【００３９】
このような初期温度である鋼板を上記の冷却水量で冷却を行った場合、冷却後の温度が500℃となる搬送速度は、上記冷却水量における熱伝達率を予め求めておき、これを境界条件として差分計算を行った結果、45mpmとなったため、この搬送速度を初期値とした。ここで、冷却される前の鋼板の上面側と下面側の初期平均温度を予め式(10)、(11)により求め、冷却中の各バンクの上面と下面の冷却水の温度上昇を温度計５により測定し、鋼板が冷却装置の各バンク出側の拘束ロール２、３に挿入された時点から、式(14)に鋼板の上面側初期平均温度、下面側初期平均温度、上面側冷却水量、目的停止温度及び冷却水の温度上昇を代入することより各バンクで必要な下面水量を求め、下面の水量のみを時々刻々修正した。
【００４０】
また、鋼板が冷却装置の最終バンク出側の拘束ロール２、３に挿入された時点で、式(1)、(2)により求められる抜熱量から、式(15)により冷却後の鋼板平均温度を推定し、目標停止温度となる搬送速度を式(15)〜(17)により求めて、搬送速度の調整を行った。また、この鋼板の冷却終了後に冷却装置出側表面温度計１０の設置されている位置でオシレーションを行い、冷却後の鋼板の表面温度が十分復熱されるまで待機させ、鋼板の上面及び下面の表面温度の計測を行った。
【００４１】
鋼板の平均温度が500℃の時、放冷によって鋼板と平均温度でどの程度差がつくかを推定するために、差分法によりあらかじめ数値計算を行ったところ、鋼板表面と平均温度との差は約３℃であった。よって、表面温度計１０による計測値は鋼板の平均温度とほぼ等しいとみなすことができる。表面温度計１０による計測を行った後、ホットレベラー１１で矯正を行い、冷却床で常温まで冷却を行ってから、歪の状況を調査した。
【００４２】
（比較例１）
比較のため、、板幅4.0ｍ、板長７ｍ、板厚35mmの厚鋼板を熱間圧延し、本発明による制御方法を使用せずに冷却を行った。この鋼板を冷却装置に挿入する前に、冷却装置入側表面温度計９により計測を行ったところ、上面が850℃、下面が820℃であった。この鋼板を冷却装置に挿入し、上部スリットノズル７から0.033ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板上面に流し、下部導管付き円管ラミナーノズル８から0.020ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板の下面に向けて噴射して、搬送速度45mpmで冷却を行った。
【００４３】
このとき、冷却中の上面及び下面から噴射する水量及び搬送速度は、冷却中一定値に保った。また、鋼板の冷却後に、冷却装置出側表面温度計１０の設置されている位置でオシレーションを行い、鋼板の表面温度が十分復熱されるまで待機させ、鋼板の上面及び下面の表面温度の計測を行った。その後、ホットレベラー１１で矯正を行い、冷却床で常温まで冷却を行ってから、歪の状況を調査した。
【００４４】
（実施例１と比較例１の対比）
表１に本発明による冷却方法で冷却水量を調整した時の設定水量、最終的な下面冷却水量、最終的な冷却水の温度変化量及び冷却水温の変化から予想した鋼板の温度履歴及びを示す。下面冷却水量は、初期設定値と比較して、10％以内で制御している。また、下面冷却水量を調整した後の下面冷却水温度の温度上昇は、調整前と比較して１〜２℃程度であった。このことから、冷却水量を調整する際に、冷却水量を変化させても冷却水温度の変化が少ないので、下面水量の調整が完了するまでに要する時間が極めて短く、オンラインでの使用が可能であることが分かった。
【００４５】
表２に本実施例と比較例の冷却後の鋼板上面温度、冷却後の鋼板下面温度、目標停止温度と表面温度の最大誤差、最終的な搬送速度、鋼板の停止温度制御性及び鋼板の形状評価を示す。本発明では、冷却後の復熱ピーク時の上面側表層温度は501℃、下面側表面温度は498℃であり、上下面温度差は3℃に抑えることができ、さらに表１で予想したバンク１０における鋼板平均温度にほぼ近い値となった。また、冷却終了目標温度と鋼板表面温度との最大誤差は2℃であり、停止温度制御性が良好であった。また、常温まで放冷した後の鋼板の形状は良好であった。
【００４６】
一方、比較例である本発明による制御方法を用いなかった場合では、冷却後の復熱ピーク時の上面側表層温度は471℃、下面側表面温度は432℃であり、上下面温度差は39℃発生し、さらに下面側が停止目標温度より68℃も低い値となった。また、常温まで放冷した後の鋼板の形状は下に凸であるＣ反りが発生していた。本試験で用いた鋼板の表面性状を調査したところ、上面側に12μm、下面側に50μmの厚みのスケールが発生していた。
【００４７】
以上のことから、本発明によれば、冷却装置内に表面温度計温度計など高価な計測装置を設置することが不要であり、鋼板のスケール生成状態や冷却水温度の変化に関わらず、鋼板の表面温度が下がっていても、冷却中の鋼板の平均温度がオンラインで計測が可能となることがわかった。そのため、冷却の過不足が瞬時に判別でき、冷却水量及び搬送速度が瞬時に調整が可能となるので、オンラインで目標の鋼板温度でかつ鋼板の上面と下面の温度を等しくすることができる。その結果、歪が少なく、材質の安定した鋼板の製造が可能となることがわかった。
【００４８】
（実施例２）
次に、この発明を厚鋼板で実施した例を説明する。図２、図３に示した冷却装置を用いて実際に操業を行った。この冷却装置において、板幅2.5ｍ、板長15ｍ、板厚25mm、初期温度780℃〜820℃の熱間圧延後の厚鋼板100本の冷却を行った。この時、初期設定として、搬送速度70mpm、上部スリットノズル７から0.033ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板上面に流し、下部導管付き円管ラミナーノズル８から0.020mｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板の下面に向けて噴射することにより冷却を行った。鋼板の冷却中においては、各バンクの上面と下面の冷却水の温度上昇を温度計５により測定し、前記実施例１で述べたように式(15)〜(17)を用いて冷却装置の各バンクの上面と下面の水量及び搬送速度の修正を行った。
【００４９】
その後、冷却後の鋼板を表面温度計１０がある位置でオシレーションし、ピークとなる鋼板の表面温度の計測を行った。そして、ホットレベラーで矯正した後、空冷により常温まで冷却を行った。冷却後、図４に示すような方法で、定盤の上に鋼板を載置し、板面内で最大値となる歪量ｈを計測することにより歪の評価を行った。
【００５０】
図５に冷却後の鋼板の歪発生状況を示す。本発明により制御を行った鋼板の約85％を歪量を５mm以下に抑えることができ、99％が歪量10mm以下となっている。これより、本発明によって冷却後の鋼板の歪量のバラツキが小さくなり、矯正など精整工程を大幅に減らすことができたことがわかる。
【００５１】
また、図６には、冷却装置出側表面温度計により計測された鋼板上面と下面の復熱ピーク時の表面温度を上面と下面で平均したものと、目標停止温度である500℃との差を取ったものを示す。本発明により制御を行った鋼板の約95％が目標温度である500℃に対して±10℃以内に入っていることがわかる。この結果、鋼板の材質が安定し、その結果歩留りが高くなった。
【００５２】
（比較例２）
本発明の比較例として、前記実施例２で使用した図２、３に示す冷却装置において、板幅2.5ｍ、板長15ｍ、板厚25mm、初期温度780℃〜820℃の熱間圧延後の厚鋼板100本の冷却を行った。この時、搬送速度を70mpmとし、上部スリットノズル７から0.033ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板上面に流し、下部導管付き円管ラミナーノズル８から0.02ｍ³/ｍ²の量の冷却水を鋼板４の下面に向けて噴射することにより冷却を行った。
【００５３】
このとき、冷却装置内の各バンクにおいて、上面ノズルと下面ノズルの水量は一定として、冷却中に搬送速度の変更も行わなかった。冷却後の鋼板は、冷却装置出側表面温度計１０が設置されている位置でオシレーションを行うことにより、表面の復熱ピーク温度の計測を行った。その後、ホットレベラー１０で矯正を行って、空冷により常温まで冷却を行い、図４に示すような方法で、鋼板の歪量ｈの計測を行った。図５に冷却後の鋼板の歪発生状況を示す。これより、比較例１では約20％を歪量5mmを以下に抑えることができたものの、57％が歪量５〜15mmとなっており、実施例と比較して歪量が大きい。また、JIS G3193に規定されている最大歪量は、今回冷却を行った鋼板寸法では許容歪量が16mmであるため、約43％が規格外れとなった。その結果、プレスなどの精整工程を要し、コスト高となった。
【００５４】
また、図６には冷却装置出側表面温度計により計測された鋼板上面と下面の復熱ピーク時の表面温度を上面と下面で平均したものと、目標停止温度である500℃との差を取ったものを示す。鋼板の約30％については、目標温度である500℃に対して±10℃以内に抑えることができたものの、残りの鋼板については温度のバラツキが大きく、鋼板の硬度や引張り強さのバラツキが大きかった。
【００５５】
（比較例３）
本発明の比較例として図７に示すように前記実施例の冷却装置の後方２ｍの位置に弱冷却バンク１４を設置して、冷却装置と弱冷却バンクの間の上面と下面の鋼板表面温度の計測が行える様に表面温度計１５を設置した。弱冷却装置は上面及び下面にスプレーノズル１を設置しており、表面温度計1５で計測した値より、冷却中の鋼板温度を差分法により予想して、目標の仕上温度するために必要な上面と下面の冷却水量を計算したのち、上面と下面のスプレーノズル１から必要な水量を噴射した。スプレーノズルの熱伝達係数を推定する方法として、三塚の実験式を用いた。
【００５６】
また、冷却後の鋼板は表面温度が低く、復熱まで時間がかかることから、表面温度計１０が設置されている位置でオシレーションを行い、表面温度が復熱ピーク温度となったところで計測を行った。
【００５７】
この冷却装置において、実施例と同仕様である板幅2.5ｍ、板長15ｍ、板厚35mm、初期温度780℃〜820℃の熱間圧延後の厚鋼板100本の冷却を行った。この時、搬送速度を70mpmとし、上部スリットノズル７から0.033ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板上面に流し、下部導管付き円管ラミナーノズル８から0.02ｍ³/ｍ²secの量の冷却水を鋼板の下面に向けて噴射することにより冷却を行った。
【００５８】
図５に冷却後の鋼板の歪発生状況を示す。これより、比較例３では約34％を歪量5mm以下に抑えることができたものの、86％が歪量５〜15mmとなっており、実施例と比較して歪量が大きい。また、JIS G3193に規定されている歪量は、今回冷却を行った鋼板寸法では16mmまで許容されているため、約14％が規格外れとなった。その結果、プレスなどの精整工程を要し、コスト高となった。
【００５９】
また、図６には冷却装置出側表面温度計１０により計測された鋼板上面と下面の復熱ピーク時の表面温度を上面と下面で平均したものと目標停止温度である500℃との差を取ったものを示す。鋼板の約45％については、目標温度である500℃に対して±10℃以内に抑えることができたものの、残りの鋼板についてはバラツキが大きく、鋼板の硬度や引張り強さのバラツキが大きかった。
【００６０】
【表１】

【００６１】
【表２】

【００６２】
【発明の効果】
以上で述べたように、この本発明の冷却方法によれば、高温鋼板を冷却水によって冷却する際して、冷却装置に挿入する前の鋼板の上面と下面の温度が一致してなくても、さらにスケールや冷却水温度などの操業毎に変化要因があったとしても、冷却中の鋼板の冷却の過不足が瞬時に判断することができるようになり、冷却水量及び冷却時間をオンラインで制御が可能となった。そのため、冷却後の高温鋼板の上面および下面の鋼板表面温度が等しくなり、さらに冷却後の鋼板温度を目的値と一致させることが可能となった。その結果、鋼板の材質の安定化や歪が減少して、プレスなどの矯正工程が減少し、歩留が高くなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】スプレーによる冷却を行う冷却装置の概略図である。
【図２】本発明の実施例において用いた厚鋼板の冷却装置を示す概略図である。
【図３】冷却装置の詳細を示す図である。
【図４】鋼板の歪の状況を示す図である。
【図５】実施例と比較例における歪量の発生比率を示す図である。
【図６】実施例と比較例における温度誤差の発生率を示す図である。
【図７】本発明の比較例として用いた厚鋼板の冷却装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１…スプレーノズル、２…上面拘束ロール、３…下面拘束ロール、４…高温の鋼板、５…冷却水温度計、６…下面タンク、７…上面スリットノズル、８…下面導管付円管ラミナーノズル、９…冷却装置入側表面温度計、１０…冷却装置出側表面温度計、１１…ホットレベラ、１２…円管ノズル、１３…導管

Claims

高温鋼板の冷却方法において、冷却装置に挿入される前の鋼板の上面と下面の表面温度を計測し、これに基づいて、冷却される前の鋼板の上面側と下面側の初期平均温度を計算で求め、冷却後の鋼板の上面側と下面側の平均温度が冷却終了時の鋼板の平均温度に一致するために鋼板の上面と下面から奪わなければならない熱量を演算すると共に、冷却装置内で鋼板に噴射した流体の流量と温度変化を計測することによって、冷却中に鋼板の上面および下面から実際に奪われている熱量を演算し、鋼板から奪わなければならない熱量と鋼板から実際に奪われている熱量が一致するように、鋼板に噴射した上面と下面の流体の流量比を調整し、かつ、鋼板より奪われている熱量から冷却終了時の鋼板の平均温度を予測して、予測された鋼板の平均温度が目標冷却終了温度となるように流体の流量と鋼板の搬送速度の少なくとも一方を調整することを特徴とする高温鋼板の冷却方法。