JP4290430B2 - 連続燒鈍設備における鋼帯の急速冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、鋼帯を連続的に熱処理する連続燒鈍設備（炉）において、ノズルより気体を噴射してより高冷却能力で鋼帯を急速冷却する装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
連続燒鈍炉は良く知られているように、鋼帯を連続的に加熱・均熱および冷却し、必要により次いで過時効処理する工程を備えている。ところで、鋼帯の特性を所望のものにするためには、加熱温度（燒鈍温度）や均熱時間の他に、その鋼帯をいかに冷却をするかが重要である。例えば時効性や耐フルーテイング性などを良好とするには、冷却速度を高め、次いで過時効処理を施すのが良いと言われている。加熱、均熱を行った後の鋼帯の冷却方法として、現状各種の冷却媒体が採用されており、この冷却媒体の選択によって鋼帯を冷却する速度も異なってくる。
【０００３】
このうち、水を冷却媒体として用いる場合は、かなり高い冷却速度が得られ、超急冷域までの冷却が可能であるが、焼き入れ歪みによってクーリングバックといわれる鋼帯の形状変形が発生することが最大の難点である。また、水との接触により鋼帯の表面に酸化膜が生じ、これを除去するための設備が別に必要となる。従って、経済的に有利な設備とは言えない。
【０００４】
前述の問題を解決するため、ロールの内部に水またはその他の冷却媒体を通し、この冷却されたロール表面に鋼帯を接触させて冷却するロール冷却方法がある。この方法は次のような問題点がある。
【０００５】
すなわち、連続燒鈍炉を通過する鋼帯はすべて平坦度を保っているとは限らない。従って、冷却ロールに接する際に、局部的に非接触となる場合があり、この非接触により鋼帯の幅方向の冷却が不均一となり、鋼帯の形状が変形する原因となる。そのため冷却ロールへの接触前に鋼帯の平坦化を行う手段が必要となり、これが設備費をアップさせる。
【０００６】
別の冷却手段としてガスを冷却媒体とする冷却方法が実用化され、多くの実績を上げている。この方法は、前記した水冷却やロール冷却に比べて冷却速度が遅いが、比較的幅方向の均一な冷却が可能である。このガス冷却による最大の難点である、冷却速度を上げるため冷却媒体として、ガスを噴射するノズルの先端を鋼帯に極力近づけて熱伝導率を上げて冷却速度を上げるものや、噴射するガスとして水素ガスを採用したものが開示されている。
【０００７】
噴射するノズルの先端を鋼帯に近接させて熱伝導率を上げるものとして、特公平２−１６３７５号公報がある。この技術は、ノズルの先端と鋼帯との距離を小さくして効率良い冷却を可能にしたものである。具体的には、冷却ガス室（冷却箱）に設けた該冷却ガス室表面からの突出ノズルの長さを１００mm−Ｚ以上（Ｚは突出ノズル先端から鋼帯表面までの距離）とし、突出ノズルから噴射されたガスが鋼帯に当たって背部に逃げる部分が設けられている。これにより、噴射されたガスが鋼帯表面に滞留することを減少し、鋼帯幅方向における冷却均一性を向上させることが開示されている。
【０００８】
また、ノズルの突出高さを５０mm−Ｚから２００mm−Ｚまで種々変えて熱伝達係数の最適点を導き出す実験を行ってしている。そして、連続燒鈍炉の冷却帯に用いられる冷却装置として、この実験から最も効率的な冷却能力を持つ冷却装置を提案している。この冷却装置の開発により、通常１００Kcal/m² hr℃であった熱伝達係数が４００Kcal/m² hr℃まで上げることができるようになった。
【０００９】
しかし、さらなる冷却速度の向上が望まれるようになったが、通常冷却媒体としてＮ₂ ：９５％程度＋Ｈ₂ ：５％程度の雰囲気ガスを循環させる既存の冷却装置では限界があった。
【００１０】
この問題を解決するため、冷却媒体として水素ガスを使用することが考えられた。水素ガスを採用することにより、冷却能力が向上することは、古くから知られていたが、水素ガスの危険性から実機への適用はされていなかった。
【００１１】
この水素ガス濃度を上げて急速冷却する技術が特開平９−２３５６２６号公報に開示されている。この技術は、急速冷却帯において、冷却ガスの水素濃度を３０〜６０％、吹き付け温度を３０〜１５０℃とし、その吹き付け速度を１００〜１５０m/秒として鋼帯に吹き付け冷却速度を上げるものである。そして、この冷却速度を満足させるために鋼帯面と突出する円孔ノズル先端との距離を７０mm以下としている。
【００１２】
このように、水素ガスを採用するための具体的技術が開発され、実機化されようとしている。
【００１３】
通常、Ｎ₂ ガス主体の雰囲気ガスによる冷却からＨ₂ 濃度を上げて、かつ、ノズルからの吐出流速を１００〜１５０m/秒として鋼帯に吹き付けて冷却するものでは、吐出流速が１００〜１５０m/秒必要なため、鋼帯に吹き付けられるガスの量も多量のガスが必要となる。この多量のガスの吹き付けにより冷却能力は向上するが、鋼帯に吹き付けられた後のガスによる鋼帯の幅方向の温度分布が問題となる。これは、鋼帯に衝突したガスは、跳ね返り鋼帯に沿ってあるガス層を形成しながら鋼帯の幅方向側部開口より流出していく。
【００１４】
その際、吹き付け後に形成されるガス層により鋼帯の幅方向に温度差が生じるが、上記に開示された技術からノズルの突出高さを（５０mm−Ｚ）〜（２００mm−Ｚ）として吹き付けられたガスが突出ノズルの背面から流出できるように考慮される。
【００１５】
しかし、多量のガスを鋼帯に吹き付けて鋼帯を冷却する必要あるため、上記した範囲では、若干の効果はあるが、鋼帯の幅方向の温度差を解消するには至っていない。また、高速吹き付けにより、鋼帯のバタツキを静止するように押さえロールを冷却装置の間に設置して、鋼帯のバタツキを押えようとしているが、押えロールの設置される場所も限定されるため、効果もあまり期待できないのが、現状である。
【００１６】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、連続焼鈍における冷却工程で、十分な冷却能を有すると共に、高速ガス吹き付けにより発生する鋼帯の幅方向温度差をできるだけなくし、かつ鋼帯のバタツキを防止して、押えロールの効果を最大限に生かす冷却装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、連続燒鈍設備に配置した冷却箱の表面に、ノズル先端から鋼帯表面までの距離を５０〜１００mmに保持する複数のノズルを突出させ、この突出ノズルからガスを噴出させて走行する鋼帯を冷却する急速冷却装置において、
鋼板のエッジ部におけるRe数を
Re数 = L×V/ν
ただし、
L = 板幅/2
V = 板エッジ位置の幅方向平均流速= Q/H
Q = 板に吹き付けられるガス量/2
ν= 動粘性係数
と定義したときに、Re数≦500000、となるように冷却箱を配置したことを特徴とする連続燒鈍設備における鋼帯の急速冷却装置、である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、連続焼鈍設備における急速冷却帯に設備配置について、処理される鋼帯の最大板幅により冷却箱の設置位置を設定するので、急冷による板幅方向の温度差も抑えることができ、鋼帯のバタツキを抑止する押えロールの負荷も軽くすることができる。このように急速冷却帯での問題点を突出ノズルの関係から導き出すのではなく、処理される鋼帯の最大板幅と冷却箱の表面から鋼帯までの距離を決定することができるので、設備設計の簡略化も可能となる。
【００１９】
【発明を実施するための最良の形態】
以下に本発明を図に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、連続焼鈍炉における急速冷却帯の概略図。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図。図３は、急速冷却帯内設置されている冷却装置の概略図。図４は、図３のＢ−Ｂ矢視図。図５、図６は、突出ノズルから噴出されたガスの幅方向の流れを示す実験図。図７は、鋼帯の最大板幅と吹き付け距離の関係を示す図。図８は、突出ノズル先端から鋼帯までの距離と熱伝達係数都の関係を示す図である。
【００２１】
連続焼鈍炉は通常炉殻で囲まれた加熱帯、均熱帯、急速冷却装置を配置した一次冷却帯、および過時効帯とそれに続く２次冷却帯からなり、これらの各帯を鋼帯を連続して走行させて処理する。
【００２２】
本発明の冷却帯における急速冷却装置は、図１にその概要を示すように、炉体１内に配設した鋼帯２を搬送する上下のロール３、４間に設置され、このロール間に、ガスを噴出する冷却装置５の一対を、鋼帯２の面に対向して設けると共に鋼帯２の流れに沿って複数段配置する構成としている。そして、この冷却装置５の上下間には鋼帯２のバタツキを防止するための押えロール６、７を鋼帯２を挾持するように配設している。
【００２３】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、冷却装置５により鋼帯２に吹き付けられたガスは炉体１に設けられたガス吸い込み口８から吸い込まれ、熱交換機９および循環ブロワー１０を介して再度冷却装置５に戻され、鋼帯２に吹き付けられる。これら、熱交換機９および循環ブロワー１０は循環ダクト１１を介して連結され、鋼帯２に吹き付けられた炉内のガスを循環して使用されている。
【００２４】
冷却装置５は、冷却箱１２とこの冷却箱１２の鋼帯面側には円孔の突出ノズル１３を設けている。この突出ノズル１３は前記特公平２−１６３７５号公報に開示されている突出ノズルを採用し、冷却箱１３の表面に対して２〜４％のノズル開孔面積を有している。この突出ノズル１３を用いることにより鋼帯２に対してノズル先端を近接して配置できることで、冷却能力も大幅に向上させることができる。また、ノズルの開孔面積を２％〜４％にすることで、最も効率的な冷却能力を設定した。
【００２５】
図３および図３のＢ−Ｂ矢視図である図４は、本発明のために用いた実験用冷却装置の概略を示したもので、冷却箱１３の鋼帯２面側に円孔の突出ノズル１３を設けている。突出ノズル１３はその開孔面積が冷却箱１２の表面積の２〜４％になるように配置しており、実験装置では２．８％を採用した。そして鋼帯２と冷却箱１２表面との距離Ｈ＝１７５mmでは突出ノズル１３の高さｈ＝１００mmとし、Ｈ＝２７５mmではｈ＝２００mmとして実験を行った。また、ガスの吐出流速は、１２０m/sec とした。なお、図中Ｗは鋼帯２の板幅を示す。
【００２６】
このＨ＝１７５mmの時の実験結果を図５に、Ｈ＝２７５mmの時の実験結果を図６に示す。図５と図６に示すガス流出の流出図は鋼帯の右半分を例示している。
【００２７】
図５において、図５−ａに示すように、鋼帯２の中央に吹き付けられたガスは鋼帯２に衝突して跳ね返り、冷却箱１２の表面に沿って、ある層をなして鋼帯２のエッジ部に方向へ流出（黒線で示す）している。
【００２８】
次に図５−ｂは、鋼帯２の右半分の中央部に吹き付けられたガスの流出状況を示したものである。図５−ｂでは鋼帯右半分の中央部に吹き付けられたガスは鋼帯２に衝突後跳ね返って冷却箱側に移動しようとするが、上記中央部に吹き付けられたガス層により衝突後のガスの跳ね返りが阻止され、大部分が突出ノズル先端と鋼帯の間（ｚ）を滞留しながら鋼帯のエッジ部分に流出しようとしている。次に図５−ｃは鋼帯２のエッジ部のガスの挙動を示す図で、鋼帯のエッジ部に吹き付けられたガスは突出ノズルと鋼帯の間（ｚ）に滞留しながらエッジ部から流出していることが判る。
【００２９】
このように、従来、突出ノズル１３の高さｈと、突出ノズル先端と鋼帯との吹き付け距離ｚを規定しただけでは、図５のように、噴出したガスは鋼帯の中央部に吹き付けられたガスにより鋼帯のエッジ部への流出が阻止され、エッジ部近傍で噴出後のガスが滞留しながら流出する。従って、従来のように突出ノズルの高さｈと、突出ノズル先端と鋼帯との距離ｚにより冷却箱１２の位置を決定しても、鋼帯の幅方向の温度差の解消はできず、また、鋼帯のバタツキも阻止することはできないことが判明した。
【００３０】
この問題を解決するため、冷却箱１２表面と鋼帯２との距離Ｈを２７５ｍｍとし、鋼帯２と突出ノズル１２先端の距離ｚを７５ｍｍとして、実験を行った。それを図６に示す。
【００３１】
図６−ａに示すように、鋼帯２の中央部に吹き付けられたガスは鋼帯に衝突後、冷却箱側に跳ね返って、冷却箱面に沿ってある層をなして鋼帯のエッジ部から流出していく。
【００３２】
次に、図６−ｂに示す鋼帯右半分の中央部に吹き付けられたガスは、上記鋼帯の中央部で吹き付けられたガス層の下面にある層をなして、鋼帯のエッジ部から大半のガスが流出している。
【００３３】
次に、鋼帯のエッジ部に吹き付けられたガスは、図６−ｃに示すように鋼帯に衝突後、図６−ｂに示すガス層の下面を通って鋼帯のエッジ部から流出していることがわかる。
【００３４】
このように、冷却箱１２表面と鋼帯２との距離によって衝突後ガスの流出状況が変化する。
【００３５】
以上の結果から、鋼帯に吹き付けられたガスが鋼帯のエッジ部で滞留すると、鋼帯のエッジ部が過冷却され、鋼帯の幅方向に温度差がつくことが判明した。また、このガスの滞留により、エッジ部における内圧が上昇し、鋼帯のバタツキ（振幅）が発生すると考えられる。また、連続焼鈍設備の急速冷却帯において、設備設計においては、最大板幅で設計されるため、この最大板幅時における冷却装置の能力を設計することになる。このため、処理（冷却）すべき最大板幅での冷却箱の面と鋼帯との距離を設定することで、鋼帯に吹き付けられたガスによる鋼帯の幅方向の温度差、およびガスの滞留による鋼帯の振幅を防止することができる。
【００３６】
図７は、鋼帯の最大板幅Ｗと、鋼帯と冷却箱表面の距離Ｈの関係により鋼帯のバタツキ（振幅）の発生状況を示したもので、鋼帯の最大板幅Ｗmax ／冷却箱表面から鋼帯間での距離Ｈの比が１３を超えると鋼帯のバタツキが大きくなり、６以下ではバタツキの発生はないが、吹き付け距離が鋼帯から離れるので、冷却能力は低下する。
【００３７】
Ｗmax ／Ｈの範囲は、６〜１３望ましくは、６〜１２、さらに望ましくは、６〜１１である。
【００３８】
鋼帯の冷却能力はノズル径（Ｄ）と、ノズル先端から鋼帯までの距離（ｚ）によって決まる。ノズル径は通常９．２mmが採用されている。ノズル先端から鋼帯までの距離ｚを変えた時の冷却流体別の熱伝達係数α（鋼帯に垂直に噴出する流体の衝突澱み部分）は図８のようになる（第五回日本伝熱シンポジウム講演論文週('68-5)p.106参照）。いずれの流体もｚ／Ｄが５．４〜１０．８である場合に高いα変えられている。即ち、通常用いられているノズル径（９．２mm）の場合に、良好な冷却能が得られるノズル先端から鋼帯までの距離ｚはほぼ最小で５０mm、最大で１００mmとするのが望ましい。
【００３９】
表１は、連続焼鈍設備で処理される最大板幅Ｗmax と、冷却箱から鋼帯までの距離Ｈとの関係を表にしたもので、処理される板幅の最大値Ｗが決定すれば、本表により冷却箱と鋼帯との距離Ｈを設定することができる。
【００４０】
【表１】

【００４１】
当該効果を別の視点から理由づけることもできる。
【００４２】
Wmax / Hの範囲上限を規定することについては、板のばたつきを抑える効果を得られる範囲を実験結果により決定している。ばたつきは、ガス吹付け後に板に沿って流れるガスの流れを抑えることで鋼板のばたつきを抑えることができる。
【００４３】
図９において、鋼板のエッジ部において、Re数 = L×V/ν
ただし、
L = 板幅/2
V = 板エッジ位置の幅方向平均流速= Q/H
Q = 板に吹き付けられるガス量/2
ν= 動粘性係数
によって決まるRe数の変化と、鋼板のばたつきについて検証すると、図１０のような結果が得られる。図１０において、安定領域とは、鋼板のばたつきが少ない領域であり、不安定領域は、鋼板のばたつきが多い領域である。
【００４４】
これより、Re数を500000以下とすることで鋼板のばたつきをおさえることができる。なお、Re数が500000のときの、
Wmax/H=2×L/H=2×Re×ν/Q ≦13、
である。
【００４５】
表２には、その実施例を示す。
【００４６】
【表２】

【００４７】
表２より各ガス種、最大板幅においていえるのはWmax/H <13の範囲では振動が発生しない（1３より大きい値では必ず発生）従い、Wmax/H<13の条件を守っていれば振動の発生はない。一方、ノズル長さhが長くなると、ノズルでの流体抵抗が増え、冷却箱１２へ冷却ガスを送るFanに昇圧能力の大きなものを必要となる。
従って、ノズルは可能な限り短いほうが経済的となる。また、Fanの昇圧能力の限界から考えると、ノズルの長さは200mm程度が限界と考えられる。さらに、吹付け距離ｚは50〜100が最適でそれよりも大きくなると冷却能力が低下してしまう。また、冷却箱１２と鋼帯２との距離を300mm以上をとろうとすると、冷却能力が低下する。
【００４８】
以上説明したように、表２からも明らかなように、各ガス種、最大板幅において冷却能力の低下しないWmax/Hの範囲はWmax/H > 6が要求される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 連続焼鈍炉における急速冷却帯の概略図。
【図２】 図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】 急速冷却帯内設置されている冷却設置の概略図。
【図４】 図２のＡ−Ａ矢視図。
【図５】 Ｈ＝１７５mmの場合の突出ノズルから噴出されたガスの幅方向の流れを示す実験図。
【図６】 Ｈ＝２７５mmの場合の突出ノズルから噴出されたガスの幅方向の流れを示す実験図。
【図７】 鋼帯の最大板幅と吹き付け距離の関係を示す図。
【図８】 突出ノズル先端から鋼帯までの距離と熱伝導率の関係を示す図。
【図９】 鋼板のばたつきを抑えられる範囲を求めるための概略図。
検証データ
【図１０】 Re数の変化と鋼板のばたつきの検証図。
【符号の説明】
１…炉体
２…鋼帯
３…上ロール
４…下ロール
５…冷却装置
６…押えロール
７…押えロール
８…ガス吸込み口
９…熱交換機
１０…循環ブロワー
１１…循環ダクト
１２…冷却箱
１３…突出ノズル
ｈ…突出ノズル高さ(mm)
Ｈ…冷却箱表面から鋼板表面までの距離（mm）
Ｗ…鋼帯の板幅(mm)
Ｚ…突出ノズル先端より鋼帯表面名での距離（mm）
Ｌ…鋼帯の板幅の半分(mm)

Claims (1)

1. 連続燒鈍設備に配置した冷却箱の表面に、ノズル先端から鋼帯表面までの距離を５０〜１００mmに保持する複数のノズルを突出させ、この突出ノズルからガスを噴出させて走行する鋼帯を冷却する急速冷却装置において、
   鋼板のエッジ部におけるRe数を
   Re数 = L×V/ν
   ただし、
   L = 板幅/2
   V = 板エッジ位置の幅方向平均流速= Q/H
   Q = 板に吹き付けられるガス量/2
   ν= 動粘性係数
   と定義したときに、Re数≦500000、となるように冷却箱を配置したことを特徴とする連続燒鈍設備における鋼帯の急速冷却装置。

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