JP3844279B2

JP3844279B2 - デスケーリング装置及び方法

Info

Publication number: JP3844279B2
Application number: JP2000316135A
Authority: JP
Inventors: 英樹村上; 泰生五十嵐; 良洋芹澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2002120011A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼を熱間圧延する際の圧延材表面のスケールを除去するためのデスケーリング装置及び該デスケーリング装置を用いたスケール除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼の熱間圧延に際しては、圧延に先立って鋼片を加熱炉に装入して、１１００〜１４００℃の高温に加熱する。加熱炉内は、一般に酸化雰囲気であり、加熱中に鋼片表面は、酸化され、スケールが生成する。スケールは、酸化鉄を主体とし、加熱炉から抽出された時点での鋼片表面のスケール厚みは、１〜２mmに達する。このスケールが鋼片表面に付着したままで圧延を行うと、圧延材の表面にスケールが食い込み、スケール疵と呼ばれる表面欠陥を生じるため、一般には、圧延前の鋼板表面に１０〜１５MPa の圧力で、鋼板から１００〜３００mmの距離から、入射角１０〜４５°にて高圧水を噴射して除去してこのスケール疵発生を防止する方法が行われている。
【０００３】
しかしながら、スケールの剥離のしやすさは、鋼の成分によっても異なり、特にSi含有量が多い鋼（Ｓｉ＞０．１５mass％）は、ファイアライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）を多く含んだ剥離しにくいスケールが生成しており、上記圧延前の鋼板表面に１０〜１５MPa の圧力で水を噴射して除去する方法では、充分にスケール疵を防止できなかった。ノズルからの噴射角は、設備上の取り合いと除去した飛散スケール防止の観点から鋼板の搬送方向上流に向かって１０°〜４５°を採用している設備が一般的である。
【０００４】
Ｓｉ含有鋼の上記問題を解決するため、特開平６−１１４４３２号公報では、加熱炉から抽出した後、表層スケールの上部層を除去した鋼片に、粗圧延の前あるいは少なくとも１パスの粗圧延後に、吐出圧力３００〜７００kg／cm²の高圧水を衝突エネルギーが０．０５J/mm²以上となる条件で吹き付ける高Ｓｉ鋼の熱延鋼板の製造方法が開示されている。ここで衝突エネルギーは、（ノズル吐出圧力×１ノズル当たり流量）／（１ノズル当たりの噴射幅×鋼片の走行速度）で表される。
【０００５】
また、従来のデスケーリング方法では、図５に示すように個々のノズル３の境目で水噴流膜５が重なり合ってできる部位６での干渉により、衝突力が弱まってデスケーリング能力が低下するため、図６に示すようにノズル３にねじれ角を持たすことで噴流水膜の重なり部を回避したり、あるいは、図７に示すようにヘッダー２を２系列に分離したり、あるいは、図８に示すように隣り合うノズル３の向きを変えて噴射したりすることで噴流水膜の重なり部を回避してきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−１１４４３２号公報のような高圧水を用いるスケール除去方法により、従来の１０〜１５MPa の圧力で水を噴射して除去する方法に比較すると、高Ｓｉ含有鋼においてもスケール除去能力が向上し、製品の表面欠陥率が若干減少したが、鋼板全面での充分なスケール除去には至らなかった。
【０００７】
特に、ノズルの境目で噴流水膜が、鋼板上時間差で重なり合ってできるラップ部６は、Ｓｉ含有鋼等の難デスケーリング材料では、上記従来方法によるノズル配置を採用しても多くのスケールが除去されずに残存したため、ノズル間距離を１００ｍｍ以上拡大したり、ノズルの近接化等の対策を試みたが、逆にスケール残存率が増加し、結果として酸洗工程を経たあとの製品の表面欠陥をもたらして歩留まりの低下の原因となった。
【０００８】
また、図６に示すようにノズル３にねじれ角を持たした場合は、直接噴流水膜が重なることはないものの、鋼板衝突後の干渉の影響が大きくデスケーリング不良を起こしやすい。図７に示すようにヘッダー２を２系列に分離する方法は設備コストが大きくなる上、前後ノズルのデスケーリングの時間差からスケール斑が生じる場合があり、望ましくない。デスケーリングは圧延直前に行う事が有効であり、図８に示すように隣り合うノズル３の向きを変えて噴射する場合には、デスケ後方の圧延ロールにスケールを噛み込ませてスケール疵を発生させるため望ましくない。
【０００９】
本発明は、高圧水デスケーリングの衝撃破壊力を向上し、上記従来技術の問題を解決し、高Ｓｉ含有鋼材の熱間圧延において、Ｓｉスケールを充分除去して良好な品質の熱延鋼板を製造することができるデスケーリング装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、広範囲にわたる圧力水準で、ノズルからの噴流水の鋼板への入射角とスケールの残存率・残存形態を詳細に調査した結果、高速に加速された液滴では衝突入射角が衝突時の液滴変形挙動と鋼板との接触端に生じる衝撃波に与える影響が非常に大きく、特に、吐出される液滴の流速が、２３０m/s を越えた辺りから、衝突入射角を４°以下にすることで、Ｓｉスケールの破壊・除去性が著しく向上することを新たに発見した。
【００１１】
さらに、吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の幅方向広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、水を吐出流速２３０m/s 以上に加速してノズルから噴出させるデスケーリングを行う際には、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した場所での水膜間での互いの干渉影響が入射角に大きく依存し、その干渉による影響を無害化するためには、隣接する噴流水膜間距離が２０mm以上１００mm以下で、前段ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、かつ、後段ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にあるように噴射ノズルを設置することが最も有効であることを見出した。なお、前段ノズルとは図１に示すように鋼板１に先に水噴流を当てるノズル３ａを、後段ノズルとは前段ノズル３ａの後に水噴流を当てるノズル３ｂを指す。また、入射角の符号は鋼板の搬送方向に傾く方を正とする。
【００１２】
さらに、隣り合うノズル列からの噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、噴流水の入射角度が上記発明範囲外にある場合、前段ノズルからの水噴流の流量密度を、後段ノズルからの水噴流の流量密度の１．３倍以上大きくすることも、隣接する噴流水膜間での互いの干渉影響を低減するために有効であることを見出した。
【００１３】
そして、上記に示すようなデスケーリング装置を用いて０．１５ｍａｓｓ％以上のＳｉ含有鋼を１１７０℃以下に加熱後、噴射吐出孔から鋼板までの距離を１００ｍｍ〜２００ｍｍになるように設置し、鋼板の表面をデスケーリングを行うことで熱間圧延後、スケールによる表面欠陥のない鋼板が得られることが判明した。
本発明者らは上記の知見を基に、以下の要旨の発明をした。
（１）吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向の広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速してノズルから噴出させてデスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、前記噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように、前段ノズル列からの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、後段ノズル列からの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にあるように噴射ノズルを設置したことを特徴とするデスケーリング装置。
（２）吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向に広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、同一ヘッダーからノズルを通してから水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速して噴出させ、デスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように噴射ノズルを設置して、前段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度が後段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度の１．３倍以上大きくなるように吐出口径を設定したことを特徴とするデスケーリング装置。
（３）吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向の広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速してノズルから噴出させてデスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、前記噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように、前段ノズル列からの各ノズルの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、後段ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にありように噴射ノズルを設置して水を噴出させることを特徴とするデスケーリング方法。
（４）吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向に広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べたデスケーリングを行う装置を用いて、ノズルから水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速して噴出させ、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように噴射ノズルを設置して、前段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度が、後段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度の１．３倍以上大きくなるようにすることを特徴とするデスケーリング方法。
（５）０．１５ｍａｓｓ％以上のＳｉ含有鋼を１１７０℃以下に加熱して圧延する熱間圧延において、前記（１）または（２）に記載のデスケーリング装置を用いて、噴射吐出孔から鋼板までの距離を１００ｍｍ〜２００ｍｍになるように設置し鋼板の表面のデスケーリングを行うことを特徴とする前記（３）または（４）に記載のデスケーリング方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、鋼材サンプルを燃焼加熱炉にて１１７０℃まで加熱し、抽出直後の表面に加速した水滴を衝突させて、鋼材表面上に生成したスケールの剥離状況を調査した。その場合にノズル吐出孔から鋼材表面までの水滴飛行距離は一定（１００mm、１５０mm、２００mm）にし、同一水量密度で吐出流速と入射角度のみを変動因子として比較調査した。
【００１５】
図２は、［Ｃ］＝０．０５−０．１mass％，［Ｓｉ］＝０．０１−１．０mass％，［Ｍｎ］＝０．２−１．３mass％，［Ｓ］≦０．０１mass％，［Ｎｉ］≦０．０５mass％の鋼のサンプルを調整に対して行ったスケール除去実験の結果を示している。スケール除去性の評価は、５mm角の領域にランダムに３００個の液滴を衝突させたあと、スケールの残存する面積を測定した。図２の縦軸は、平均スケール残存率を示しており、入射角は、絶対値で示している。液滴速度が１８０m/s 以下の領域では、入射角の影響は明確ではなかったが、２３０m/s 以上の場合、入射角が本発明範囲の−４°から４°の条件では、衝突液滴の破壊力を有効に使うことができ、ほぼ完全にスケールを除去することが可能となった。流速の上限は大きい程好ましいが現実的には、装置や設備能力より決定されるため、ここでは特に設定しない。
【００１６】
次に、同時に複数の高速液滴を衝突させ、鋼材表面のスケール除去を行った。上記成分系にある鋼材を１０００℃〜１１７０℃まで加熱し、吐出平均流速２３０〜３６０ｍ／ｓに加速された噴流水を、ノズルの広角２０〜６０°、噴流水膜間距離０〜５００ｍｍ、噴流水膜の鋼板に対する入射角−４〜４°の範囲で変えてデスケーリングを行い、熱間圧延後スケールの残存率を調査した。この結果を図３に示す。この図は噴流水膜間距離２０ｍｍのものである。特に、鋼板に衝突する噴流水膜が鋼板搬送方向で重なる領域について調査した結果、噴流水膜間距離１００ｍｍ以下の場合には、隣り合うノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角の影響が非常に大きいことが判明した。すなわち、隣り合うノズルからの吐出液滴流群が鋼板に衝突した場所での水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下では、前段ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、かつ、後段ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にある場合にのみ表面品位合格点であるスケール残存率５％未満を達成した。
【００１７】
そして上記に示すような発明において、隣り合うノズル列からの衝突水膜間距離が２０ｍｍ未満では、衝突入射角度に依らず相互の干渉からスケール除去能力が低下すること、隣り合うノズル列からの衝突水膜間距離を大きく離した場合では、除去される時点でのスケール状態（温度、密着状態）が若干異なってくるため、入射角に拘わらず高いスケール残存率となった。また、水膜間距離を大きく離せば噴流水膜間の干渉による影響は小さくなると考えるが、水膜間距離を確保するために入射角を４°以上にすることもノズル高さを大きく取ることも逆に単一ノズルでのデスケ−リング能力を低下させる上、ノズルヘッダーの大型化や分割は、設備費用が大きく増大するため、水膜間距離は１００ｍｍ以下が望ましい。デスケーリングのタイミングが大きくずれる場合は、前段ノズルと後段ノズルでのデスケ効果も異なる結果が得られた。
【００１８】
噴流水膜間の干渉は、隣り合う前後のノズルから吐出される吐出流量比を適正化することによっても無害化することができる。通常市販されているデスケーリング用ノズルにて吐出流速が２３０m/s 以上となる吐出圧力４０MPa 以上の高圧力で、ノズルから水を噴出させ、デスケーリング行う際には、前段ノズルからの水噴流の流量密度を、後段ノズルからの水噴流の流量密度に比べて大きくしていくと、図４に示すように、その比が１．３倍以上の場合には、前後のノズル重なり部でのスケール残存率が、重なりの無い部位と同等（スケール残存率差異０％）となった。
【００１９】
工場における実設備の場合ノズルから吐出される水量が多く、吐出孔から鋼板の距離が１００mm未満の近距離では液滴化が不十分であり本発明の効果が現れなかった。また、２３０m/s 以上の高速に加速された液滴は短時間に霧散化するため鋼板までの距離が長すぎても効果が充分に得られないため、ノズル吐出孔と鋼板間の距離は１００mm〜２００mmが望ましい。
【００２０】
また本発明者らは、工場における実設備において、加熱温度を１１００〜１２５０℃まで広げて本発明の効果を調査したところ、Ｓｉの含有量が０．１５mass％以上に高い鋼材では、１１７０℃を越えて加熱をすることでＦｅＯとＦｅ₂ＳｉＯ₄の低融点共晶物が生成し、デスケーリング効果が著しく低下することが判明した。従って、０．１５mass％以上のＳｉ含有鋼は１１７０℃以下に加熱して本発明の装置を用いてデスケーリングを行うことで、特に大きなスケール除去効果を得られることが可能であることを見出した。
【００２１】
【実施例】
０．１５mass％以上のＳｉを含有する鋼の熱間圧延について本発明を適用した。圧延に用いた鋼片サイズは長さ８０００mm前後、幅は６００〜１５００mm、厚みは約２４０mmである。加熱温度は、１１００℃〜１１７０℃、仕上げ圧延前、吐出孔から鋼板までの距離を１００mm〜２００mmで鋼板の表面をデスケーリングを行った。吐出孔からの噴流の幅方向広がり角は、１０°〜４０°である。
【００２２】
表１にその他の実験条件及び実施結果を示す。
【表１】

【００２３】
表１のＮｏ．１〜１９が本発明例である。加熱温度、吐出孔からの幅方向噴流の広がり角に拘わらず、隣り合うノズルからの入射角が本発明の範囲にある場合は、噴流水膜の重なり部におけるスケール残存率が５％以下の良好な結果を得た。これに対し比較例の２０〜３１は隣り合うノズルからの入射角がいずれも本発明の範囲外にあるため５％以下のスケール残存率を達成できなかった。
【００２４】
【発明の効果】
上記発明により、噴流水膜間の干渉によるデスケーリング不良も防止し、充分に良好な品質の圧延鋼板を製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズルから鋼板への液滴の入射角の定義と本発明の模式図。
【図２】単一ノズルでの液滴流速と水噴流（液滴）入射角がスケール残存率に及ぼす影響を示す図。
【図３】２段ノズル配置での隣り合う水噴流（液滴）入射角がスケール残存率に及ぼす影響を示す図。
【図４】２段ノズル配置での隣り合うノズルからの流量密度比がスケール残存率に及ぼす影響を示す図。
【図５】デスケーリングノズル配置の従来例の模式図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は鋼板の側面からみた図。
【図６】デスケーリングノズル配置の他の従来例を示す模式図。
【図７】デスケーリングノズル配置のさらに他の従来例を示す模式図。
【図８】デスケーリングノズル配置のさらに他の従来例を示す模式図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は鋼板の側面からみた図。
【符号の説明】
１鋼板
２ヘッダー
３デスケーリングノズル
３ａ前段ノズル
３ｂ後段ノズル
４吐出液滴流群または噴流水域
５吐出液滴流群が鋼板に衝突した場所での水膜
６噴流水膜が重なり合う部位
７鋼板搬送（移送）方向

Claims

吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向の広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速してノズルから噴出させてデスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、前記噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように、前段ノズル列からの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、後段ノズル列からの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にあるように噴射ノズルを設置したことを特徴とするデスケーリング装置。
吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向に広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、同一ヘッダーからノズルを通してから水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速して噴出させ、デスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように噴射ノズルを設置して、前段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度が後段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度の１．３倍以上大きくなるように吐出口径を設定したことを特徴とするデスケーリング装置。
吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向の広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べて、水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速してノズルから噴出させてデスケーリングを行う際の、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、前記噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように、前段ノズル列からの各ノズルの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から４°の間にあり、後段ノズル列の各ノズルからの噴流水膜の鋼板に対する入射角が０°から−４°の範囲にありように噴射ノズルを設置して水を噴出させることを特徴とするデスケーリング方法。
吐出流の吐出方向がノズル軸心に垂直な面内の鋼板幅方向に広がりを有するノズルを鋼材搬送方向に複数列に並べたデスケーリングを行う装置を用いて、ノズルから水を吐出流速２３０ｍ／ｓ以上に加速して噴出させ、隣り合うノズル列からの吐出液滴流群が鋼板に衝突した鋼板面上での噴流水膜間距離が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下で、噴流水膜が鋼板幅方向全域に鋼板搬送方向視で重なり、各ノズル列内の各ノズルの噴流水膜が直接重ならないように噴射ノズルを設置して、前段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度が、後段ノズル列の各ノズルからの水噴流の流量密度の１．３倍以上大きくなるようにすることを特徴とするデスケーリング方法。
０．１５ｍａｓｓ％以上のＳｉ含有鋼を１１７０℃以下に加熱して圧延する熱間圧延において、請求項１または２に記載のデスケーリング装置を用いて、噴射吐出孔から鋼板までの距離を１００ｍｍ〜２００ｍｍになるように設置し鋼板の表面のデスケーリングを行うことを特徴とする請求項３または４に記載のデスケーリング方法。