JP4063813B2 - 熱間圧延鋼板のミスト冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延された高温の鋼板をミストにより均一に冷却するためのミスト冷却装置に関する。

近年、鉄鋼用材料、特に厚板、熱延鋼板に対する品質要求は精度、材質、表面品位等ますます厳格化しつつある。特に材質面では合金元素の低減、均一な組織と強度を両立させるべく連続熱延のＲＯＴ冷却制御で材質を造り込む技術や、熱処理省略、新鋼種の開発等を目的とした制御圧延等の圧延・冷却プロセスの研究が行われ、実用化されている。

これらの技術に適用する鋼板冷却設備は、被冷却材の多用な品種、サイズに適合できる適正な冷却速度を確保すると共に冷却中の歪み発生を防止でき、冷却媒体流量比を確保しうる広範囲の冷媒流量制御範囲を備えている必要がある。このために、一般には冷却容量の異なる複数種類のスプレーノズルを組み合わせて配置させ冷却水量を広範囲に制御できるようにした冷却装置が用いられている。

例えば、特許文献１には、熱間圧延後の搬送ラインの上下に鋼板の搬送方向に直交してノズルヘッダーを設け、かつこれらノズルヘッダーの長手方向に複数のノズルを所定のピッチで設け、更に鋼板の搬送方向の少なくとも隣接したノズルヘッダー単位で、これらに連接したノズルの容量をを変更すると共に、ノズルヘッダー単位に専用の冷却水流量の制御系を設けることで広範囲な冷媒流量制御を可能とした冷却装置（マルチノズル型冷却装置）が開示されている。

しかしながら、この特許文献１に開示された冷却方法では、同一の冷却領域に容量の異なるノズルが混在することになるため、相互のスプレー水で干渉部が生じ、この干渉部では冷却水量の過多により冷却効率の差異により冷却ムラが発生して鋼板内部に組織の相違或いは硬度差が発現するという問題がある。また、複数の種類のノズルを組み合わせるために冷却水の供給系統（配管）が複雑化してその制御も煩雑なものとなる。特に問題となるのは、容量の異なるノズル同士を隣接させた場合には、ノズル相互の乗り継ぎ部では冷却能に連続性がなく、そのために鋼板上下面での均一冷却が困難になるという問題もある。このように、特許文献１の冷却方法では冷却能を広範囲に連続的に制御冷却することは不可能である。

また、単一ノズルで冷却水量を広範囲に制御できる冷却装置には、上述したマルチノズル型冷却装置以外に気体と液体を混合して冷媒としたミスト噴射による冷却装置が一般的に用いられているが、このミスト冷却においては液体への気体（空気）の混合比率が高くなり、空気の消費量が多くなってランニングコストが嵩むこと、また安易に空気量を絞るとミストスプレーが不安定となって所望の噴霧パターンが維持し難くなるという問題がある。

特開昭６０−７７９３２号公報

本発明は、上述した問題を踏まえて、混合する空気量が少なくても安定した
ミストスプレーの噴霧パターンを維持することが可能で、かつ被冷却鋼板の均一冷却を可能とするミスト冷却装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
（１）熱間圧延鋼板の上部に位置し、当該冷却装置に配設された熱間圧延鋼板のミスト冷却装置において、ミスト冷却を行うなためのミストスプレーノズルの下流側にスロート部を有する筒状下部本体と、ミストとするために上流側に空気供給口と円周部に水供給口を設けた筒状上部本体と、前記下部本体と上部本体との間にミストスプレーの形状を安定させるための螺旋状の貫通溝を設けた旋回羽根を設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
（２）（１）記載のミスト冷却装置において、前記旋回羽根に設けた螺旋状の貫通溝の径が少なくとも３ｍｍで、円周方向に少なくとも３個設け、かつ螺旋の捻じり角度がノズルの軸方向に対して５〜１５°である旋回羽根であることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
（３）（１）又は（２）記載のミスト冷却装置において、前記空気供給口が１個又は複数個で、該空気供給口の径が０．８〜１．５ｍｍであることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
（４）（１）又は（２）記載のミスト冷却装置において、前記水供給口が複数個で、それぞれの水供給口の径が３ｍｍ以上で、向きがミストスプレーノズル中心軸に対して一方向に偏心するよう設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
（５）（１）記載のミスト冷却装置において、前記筒状下部本体が旋回羽根の下部に最小径が３ｍｍであるスロート部と、出口に向かって径の広がるスカート部を設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
（６）（５）記載のミスト冷却装置において、前記スロート部の広がり角度が５〜４０°であることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。

本発明によれば、熱間圧延鋼板を冷却する際に、気体と液体、即ち空気と水を混合するミストスプレーノズルを適用することによって鋼板冷却に必要な広範囲の水量密度、例えば０．３〜２．０ｍ³ ／ｍｉｎ・ｍ² を単一ノズルで達成することができ、鋼板全体にわたって均一冷却を行うことができる。更に、鋼板の上下面間での冷却偏差がなくなり、熱応力による鋼板の変形、材質・組織変動をも解消することできる。

先ず、図１に示す熱間圧延鋼板の冷却装置の従来の複数のフラットスプレーノズル構成での冷却装置による冷却状況を示す。図１（ａ）は４本のフラットスプレーノズル（ノズル群Ａとノズル群Ｂの容量の異なる２つのノズル群：Ａ，Ｂ，Ａ，Ｂ）を配置した場合の冷却装置正面図、（ｂ）はこれら４本の水量密度と冷却能力との関係を示す図、（ｃ）は（ａ）の平面図で吐出された水の鋼板上の流動状況を示す図である。図１に示したノズル構成において、ノズルＡ群、又はノズルＢ群の何れかのみで単独で冷却操業が行われている場合には吐出されたスプレーは相互に干渉がなく、スムースな冷却水流の流れが鋼板上に実現される。しかしながら、冷却効率、冷却時間の短縮等を図る目的からノズルＡ群及びノズルＢ群を一緒に稼働させて冷却した場合には、図１（ｂ）に示すように、ノズルＡ群、ノズルＢ群及びノズルＡ群＋ノズルＢ群間では、水量密度と冷却能力との間に連続性がなく、このため、ノズル群の切り替えや、組み替えにより、冷却能力に連続性を持たせた制御冷却を行おうとすると、その制御は極めて複雑となる。また、ノズルＡ群＋ノズルＢ群で冷却する場合、ノズルＡとノズルＢが隣接する領域ではスプレー水が相互に干渉し、干渉部では鋼板に冷却ムラが生じることで均一冷却ができず鋼板形状及び材質劣化をもたらすことになる。更に、鋼板の上面には、板上水の冷却が加わることにより、図１（ｃ）に示すように、冷却水の淀み（ハッチング領域）が発生してしまい、局部的に過冷却部分が生じ鋼板上下面での均一な冷却制御は益々困難になる。その結果、冷却後の鋼板形状が悪化し、均一な材質の鋼板が得られなくなり、更に、鋼板上下面での均一冷却制御はより困難になり鋼板板厚方向の材質も不均一になる。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するために、熱間圧延鋼板の上部に位置し、当該冷却装置に配設された熱間圧延鋼板のミスト冷却装置において、ミスト冷却を行うなためのミストスプレーノズルの下流側にスロート部を有する筒状下部本体と、ミストとするために上流側に空気供給口と円周部に水供給口を設けた筒状上部本体と、前記下部本体と上部本体との間にミストスプレーの形状を安定させるための径が少なくとも３ｍｍの螺旋状の貫通溝を円周方向に、ノズル軸方向に対して５〜１５°の捻じり角度を持たせて少なくとも３個設け旋回羽根を用いることで、スプレー水が相互干渉を回避して均一な材質で形状性に優れた鋼板を得ることを見いだしたものである。更に、ミストスプレーノズル上部の空気供給口が１個又は複数個とし、この径を０．８〜１．５ｍｍ、上記ノズル側部の水供給口が複数個で、それぞれの水供給口の径が３ｍｍ以上で、向きがミストスプレーノズル中心軸に対して一方向に偏心するよう設けることで最適なミスト状態を現出するものである。以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図２に本発明による熱間圧延鋼板のミスト冷却装置を示した。本発明によるミスト冷却装置本体の構成は、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、ノズル本体１が上部に水又は空気の供給口と上部空間を備え、ノズル本体下部はミスト噴出圧力調整のための径を絞ったスロート部５、その下部には拡大した径９を有するスカート部８で構成されている。図２（ａ）、（ｂ）はミスト冷却装置の断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｄ）は旋回羽根の概略構成を示した図である。特に、図２において、（ａ）はミストノズル１の中心に向かって上方に設けた水供給口３から水を、ノズル１の円周方向の外側に設けた空気供給口２から空気を上部空間４にそれぞれ供給するタイプのミスト冷却装置で、（ｂ）はミストノズ１の円周方向の外側に設けた水供給口３から水を、ノズル１の中心に向かって上方に設けた空気供給口２から空気を上部空間４に供給するタイプのミスト冷却装置である。何れのタイプも水と空気をミストノズルを混合する上部空間４の直下に旋回羽根６を設けている。

この旋回羽根６の形状は図２（Ｃ）及び（ｄ）に示したように、本体は円形状でノズル本体の内壁と接する円周部に少なくとも３ｍｍ径の螺旋状の貫通溝７を設け、しかもこの貫通溝７はノズル軸方向に対して５〜１５°の捻じり角度１０を持たせて少なくとも３個設けた旋回羽根を用いることで、水量の変動にかかわりなく、しかも、スプレー水が相互干渉することなく安定したスプレーパターンを噴霧することができ、その結果均一な材質で形状性に優れた鋼板を製造することができる。また、図２（Ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図でノズル上部のミストノズ１の円周方向の外側に設けた４箇所の水供給口３から水をノズル中心軸に対して一方向に偏心するように供給するように設けてある。

上述した螺旋状の貫通溝の捻じり角度１０を５〜１５°とした理由は、図３（ａ）に示すように、スプレーの広がり角度は水量・圧力の過多、過少によりに変動し、偏差となって表れ、結果として冷却速度の相違となって現れる。そこで、図３（ｂ）に示すように、水圧が一定でも、特に水量が少なくなった場合に上記スプレーの広がり角度が極端に狭まって５°未満となり棒状の水流となる。一方、上記スプレーの広がり角度が１５°を超えるとスプレーの広がりがホロコーン状となりスプレーの真ん中が凹んだパターンとなり冷却の均一性が損なわれる。

また、旋回羽根６の貫通溝７の数もスプレーパターンに影響し、その数が少ないと捩じり角の効果が少なくスプレーが偏った歪な形状となる。従って、貫通溝７の数は３個以上、好ましくは４個とする。更に、空気供給口の口径は図４に示すように、水の逆流を抑えるために０．８ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とする必要がある。その口径が０．８ｍｍ以下ではノズル詰まりの問題となる空気供給側の背圧増加による圧縮機の負担が大きく、一方、１．５ｍｍ以上では空気供給過多になり供給水量との関係から適正スプレーパターンが得られなくなる。更に、水側のノズル詰まりに関しては、図５に示すように、水供給口の口径が３ｍｍ未満ではノズル詰まり率が急増するために３ｍｍ以上とする必要がある。同様の考え方から、図２（ｄ）に示した旋回羽根６の貫通溝７とミスト混合出口部であるスロート部の絞り径もまた３ｍｍ以上とする必要がある。また、図２（ｂ）、（ｃ）に示した外側から水を供給するタイプでは口数を２個以上の複数とし、しかもこれら供給口の向きがミストノズルの中心軸に向かって一方向に偏芯するようにして旋回羽根６の効果を相乗的に倍加するようにした。なお、前記偏芯の方向は旋回羽根の回転方向と同一となるようにする必要がある。

次に、本発明におけるミスト冷却装置においては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、冷却装置の旋回羽根下流の筒状下部のミスト混合部出口で一旦絞られたスロート部を有し、その最小径を上述したように３ｍｍとし、更に、その下流側は出口に向かって５〜４０°の角度で広がるスカート部を設けている。これは、熱延鋼板の表面を冷却する際に複数の冷却ノズルを設置して冷却するのが一般的であるためそれらの設置高さに応じて上記角度を参照しながら適正な角度を選択して適用する必要がある。

また、本発明におけるミスト冷却装置においては、図６に示すように、ノズルピッチ７５ｍｍの場合、ノズル相互のスプレーが強く干渉しないように配慮しながら強冷却を必要とする場合には、図６（ａ）に示したように被冷却鋼板からのノズル高さを小さくし、好ましくは１００ｍｍ、また弱冷却を必要とする場合には図６（ｂ）に示したように被冷却鋼板からのノズル高さを大きくし、好ましくは３００ｍｍ、とする。なお、この場合のノズルのスプレー広がり角度は１４°に設定した。何れの場合においても、ノズルスプレー広がり角度は５〜４０°の範囲に設定することが好ましい。この角度が５°未満では冷却後の鋼板表面に縞模様が形成され鋼板美観上好ましくなく、４０°以上ではノズルスプレーが強く干渉して冷却むらとなることが必至である。必要冷却形態に応じて上記範囲内で任意の角度に設定する必要がある。

熱間仕上圧延機で熱延仕上温度９８０℃で板厚２０ｍｍの高強度鋼板厚板を製造した。熱間仕上げ圧延後、冷却速度６０℃／秒で４５０℃まで冷却するに際し、本発明によるミスト冷却装置として、ミストスプレーノズルの上部に径１．０ｍｍの空気供給口と、このノズルの上側部にそれぞれその向きがミストスプレーノズル中心軸に対して一方向に偏心した径３ｍｍの水供給口を４個もうけ、更にその下流部にノズル軸方向に対して１０°の捻じり角度を有する径３ｍｍの螺旋状の貫通溝を円周方向に４個設けた旋回羽根を配置し、更にその下流側に径が４ｍｍに減少するスロート部を設け、その下流側には出口部分で４０°の角度で径が拡大するミストスプレーノズルを、冷却鋼板の板幅方向に３０列、同様に鋼板の搬送方法に６０列配置したミスト冷却装置で冷却を行った。

一方、比較例として従来のフラットスプレーノズルを本発明のミスト冷却装置と同様の数だけ冷却鋼板の板幅方向に３０列、鋼板の搬送方法に６０列配置したミスト冷却装置で冷却を実施した。

その結果、本発明によるミスト冷却装置においては、冷却された鋼板の幅方向、長手方法においてその硬度は何れもＨｖ：１８０で均一冷却されたのに対して、比較例においては冷却中に噴射ミストの干渉が起こり、鋼板上面上に冷却水の滞留のために過冷却部分と緩冷却部分が一定間隔で存在したことにより過冷却部分では目標硬度より高いＨｖ：２２０、緩冷却部分では目標硬度より低いＨｖ：１５０と硬度むらが見られ、鋼板の均一冷却が達成されていないことが判明した。このように、本発明によるミスト冷却装置は、従来のフラットスプレーノズルを内蔵した冷却装置に比較して優れた冷却効果を得ることができ、結果的に均一組織を有する鋼板を得ることができた。

従来の熱間圧延鋼板の冷却装置における複数のフラットスプレーノズル構成での冷却装置による冷却状況を示す図で、（ａ）は４本のフラットスプレーノズル（ノズル群Ａとノズル群Ｂの容量の異なる２つのノズル群：Ａ，Ｂ，Ａ，Ｂ）を配置した場合の冷却装置正面図、（ｂ）はこれら４本の水量密度と冷却能力との関係を示す図、（ｃ）は（ａ）の平面図で吐出された水の鋼板上の流動状況を示す図である。 本発明による熱間圧延鋼板のミスト冷却装置の構成を示す図で、図２（ａ）、（ｂ）はその全体構成概略断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｄ）は旋回羽根の概略構成を示す図である。 （ａ）はノズルスプレーの広がり角度の偏差を示す図で、（ｂ）は旋回羽根の貫通溝の捻じり角度と水量の大小との関係を示す図である。 ミスト冷却装置における空気供給口の口径と逆流限界差圧との関係を示す図である。 ミスト冷却装置における水供給口の口径とノズル詰まり率との関係を示す図である。 ミスト冷却装置（ノズルピッチ７５ｍｍ）におけるスプレー干渉状況とノズル設置高さの状況を示す図である。

符号の説明

１ ノズル本体
２ 空気供給口
３ 水供給口
４ ノズル上部空間
５ スロート部
６ 旋回羽根
７ 螺旋状貫通溝
８ スカート部
９ スプレーの広がり角度
１０ 貫通溝捩じり角度

Claims (6)

1. 熱間圧延鋼板の上部に位置し、当該冷却装置に配設された熱間圧延鋼板のミスト冷却装置において、ミスト冷却を行うなためのミストスプレーノズルの下流側にスロート部を有する筒状下部本体と、ミストとするために上流側に空気供給口と円周部に水供給口を設けた筒状上部本体と、前記下部本体と上部本体との間にミストスプレーの形状を安定させるための螺旋状の貫通溝を設けた旋回羽根を設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
2. 請求項１記載のミスト冷却装置において、前記旋回羽根に設けた螺旋状の貫通溝の径が少なくとも３ｍｍで、円周方向に少なくとも３個設け、かつ螺旋の捻じり角度がノズルの軸方向に対して５〜１５°である旋回羽根であることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
3. 請求項１又は２記載のミスト冷却装置において、前記空気供給口が１個又は複数個で、該空気供給口の径が０．８〜１．５ｍｍであることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
4. 請求項１又は２記載のミスト冷却装置において、前記水供給口が複数個で、それぞれの水供給口の径が３ｍｍ以上で、向きがミストスプレーノズル中心軸に対して一方向に偏心するよう設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
5. 請求項１記載のミスト冷却装置において、前記筒状下部本体が旋回羽根の下部に最小径が３ｍｍであるスロート部と、出口に向かって径の広がるスカート部を設けたことを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。
6. 請求項５記載のミスト冷却装置において、前記スカート部の広がり角度が５〜４０°であることを特徴とする熱間圧延鋼板のミスト冷却装置。

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