JP4432669B2 - Ｈ形鋼の冷却方法および冷却ライン設備 - Google Patents

Description

この発明は、Ｈ形鋼、特には極厚Ｈ形鋼のフランジ面の均一冷却を行うための冷却方法および冷却ライン設備に関するものである。

従来より、熱間粗、仕上圧延を行った後高温鋼材面に冷却媒体として冷却水を用いて冷却することは行われている。また、近年Ｈ形鋼における機械的性質、溶接性に対する要求が高くなってきており、このため鋼材の材料における合金成分の検討および加速冷却手段による材料組織の微細化が図られている。この合金成分による対応は、低コスト化の要求に必ずしも合致するものではなく、従って、冷却速度が例えば５℃／ｓｅｃ以上の加速冷却により組織の微細化を図かることが要求されている。
従来この加速冷却手段として、鋼材の長手方向に対する冷却の均一化を図るために、冷却装置における冷却ノズルのノズルピッチＰをパラメータとした移動量をオシレーション冷却すること、および箱型に形成した冷却装置の冷却面側板に直径数ミリの孔を多数配列し、その箱型の冷却装置（以下、多孔噴射冷却装置という）に冷却水を流し込み多孔噴射すること等により均一冷却を図ることが実用化されている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）
特開２００３−１９３１２６号公報 特開２００１−１９１１０７号公報

一般的に高強度、高靱性なＨ形鋼の製造方法は、圧延素材からのブレークダウン圧延、粗圧延を経て仕上圧延を行い、仕上圧延後に加速冷却により、Ａｒ₃ 温度以上から５００〜６５０℃程度まで急冷して、組織の改質が図られる。
また、ライン設備として多孔噴射冷却装置による冷却ゾーンおよび鋸断により指定寸法長さに切断する鋸断ゾーンを効率よく駆動することにより、顧客の要求に合ったＨ形鋼を高効率で生産する努力がされている。

顧客の要求長さの変化に対応するために、長尺のＨ形鋼を適宜切断することが行われており、また、ライン設備は、Ｈ形鋼の断面サイズに対して速やかに対応できるライン設備であることが要求されている。特に、近年建物の超高層化などに伴いＨ形鋼の断面サイズの大きなもの需要が増加し、このために冷却設備の長大化で対処するのは、設備費の点から必ずしも適切とは言えない。
従って、必要最小長さの冷却ライン設備で対処することが望まれている。
また、冷却ライン設備は、前述の材料組織改善のために加速冷却するに十分な冷却能力を持つことが必須であり、これは冷却し難い断面の大きなＨ形鋼の場合であっても同様に要求される。これに対処するため、限られた長さの冷却ライン設備内では搬送速度を遅くしてこれに対策することが考えられるが、実作業上では搬送速度を１．０ｍ／ｓｅｃ以下に落とすことは速度制御性が著しく悪化するため望めない。

一方、Ｈ形鋼の圧延は完璧に左右対称というわけではなく、僅かな左右アンバランスがあるとどちらかに偏るのでＨ形鋼の搬送ではライン中心線上を通るように所々でガイドする必要があった。
従来の冷却ライン設備は、長いサイドガイドのようなものであり、あまり隙間を詰めると曲がったＨ形鋼材料が通らない。また、隙間をあけすぎると蛇行した時の噴射孔からの冷却水の噴射長さが変わり、左右の冷却むらが生じ、これが製品の強度のばらつきを増大させる。
Ｈ形鋼がラインの中心線上を通るようにするために、前記ライン設備の入出側やライン途中に垂直に対向するガイドローラユニットを配設することが行なわれている。

しかしながら、このガイドローラユニット部は、加速冷却の観点からみれば、Ｈ形鋼に対する加速冷却の冷却状態が前記ガイドローラユニット部において搬送方向で非連続となり、従って、停止またはそれに近い状態のＨ形鋼の長手方向に対しては均一な冷却、均一な材料組織の微細化が得られないという課題を提起する。
従って、ガイドローラユニット部における冷却状態の非連続性を回避乃至補償することが試みられており、このガイドローラユニット部における冷却状態の非連続性を製品の品質に影響しない程度までに分散することが図られる。

本発明は、上記に鑑み、Ｈ形鋼の加速冷却において長手方向に均一で効率的な冷却方法並びに冷却ライン設備を提供することを目的としている。

本発明のＨ形鋼の冷却方法は、
１）多孔噴流方式によりＨ形鋼のフランジ外面の冷却を行う、ライン搬送方向に複数に分割されたＨ形鋼の冷却ラインにおいて、複数段よりなる多孔噴射冷却装置群を備え、前記多孔噴射冷却装置群の相隣る多孔噴射冷却装置間にガイドローラユニット部を有する冷却ラインで加速冷却する方法であって、その複数段の連なる冷却ラインを合計した設備長さよりも短いＨ形鋼を所定距離オシレーション冷却をするとともに、前記オシレーション冷却の冷却工程における往復動距離を、前記ガイドローラユニット部のライン方向の巾Ｂｇの５〜１０倍としたものである。

２）上述１）において、前記Ｈ形鋼を、そのフランジ厚さが４０ｍｍ以上の極厚Ｈ形鋼としたものであり、
３）上述１）または２）において、前記ガイドローラユニット部が、該ガイドローラユニット部に対面するＨ形鋼のフランジ外面を冷却するための冷却手段を備えており、該冷却手段による冷却によりガイドローラ部における冷却が前記Ｈ形鋼の搬送方向で非連続冷却になるのを防止するものであり、
４）上述３）において、前記ガイドローラユニット部における、前記冷却手段の前記Ｈ形鋼のフランジ面に供給する冷却水の流量密度が、前記ガイドローラユニット部の上流および下流に設けられた多孔噴射冷却装置から供給される冷却水の流量密度の３０〜８０％に設定されているものである。

また、本発明のＨ形鋼の冷却ライン設備は、
５）多孔噴流方式によりＨ形鋼のフランジ外面の冷却を行う、ライン搬送方向に複数に分割されたＨ形鋼の冷却ライン設備において、該分割された冷却ライン設備は、搬送ライン方向に沿って対面して設けられ、また、搬送ライン側に沿った側面に多数配列された冷却水の噴射孔を有する複数段よりなる多孔噴射冷却装置群を備え、また、前記搬送ライン側に沿った多孔噴射冷却装置間にあって、前記搬送ラインを挟んで対向して、且つ垂直に一対として配設されたガイドローラユニットよりなるガイドローラユニット群とを備えており、前記搬送ライン側に沿った複数段よりなる多孔噴射冷却装置群間内で、前記Ｈ形鋼を順方向および逆方向に搬送するテーブルローラ群を設け、前記ガイドローラユニット部が、該ガイドローラユニット部に対面するＨ形鋼のフランジ外面を冷却するための冷却手段を備えており、該冷却手段による冷却によりガイドローラ部における冷却が前記Ｈ形鋼の搬送方向で非連続冷却になるのを防止するものである。

６）上述５）において、前記ガイドローラユニット部における、前記冷却手段の前記Ｈ形鋼のフランジ面に供給する冷却水の流量密度が、前記ガイドローラユニット部の上流および下流に設けられた多孔噴射冷却装置から供給される冷却水の流量密度の３０〜８０％に設定されているものである。

本発明のＨ形鋼の冷却方法および冷却ライン設備により、Ｈ形鋼の均一な加速冷却を得ることができ高強度、高靱性で高品質のＨ形鋼を提供できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るライン設備の１例を示す説明図である。
図２は、本実施の形態１における、ガイドローラユニット部の１例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
図３は、本実施の形態１における、加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）の１例を示す説明図である。
図４は、本実施の形態１における、オシレーション冷却工程の動作を示す説明図であり、（ａ）はオシレーション開始までの往動工程、（ｂ）はオシレーション冷却の復動工程、（ｃ）はオシレーション冷却の往動工程を示す。

図において、１はライン設備、２は仕上圧延機、３はガイドローラユニット、４は加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）、５はテーブルローラ、６は鋸断ライン切替装置、７はラインガイド、８はサイドガイド、１０はＨ形鋼、１０ａはフランジ、１０ｂはウェブ、１１ａは噴射孔、１１ｂは噴射流、３１はガイドローラ、３２はガイドローラボックス、３３はガイドローラ軸、Ｂ１はＮｏ．１鋸断ライン進路、Ｂ２はＮｏ．２鋸断ライン進路、Ｌはオシレーション距離、Ｘは冷却水の噴射方向である。

仕上圧延機２により熱間圧延工程を終わったＨ形鋼１０は、サイドガイド８および入り口側ガイドローラ３に誘導されテーブルローラ５上を搬送されて加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）４間に誘導され、該加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）４により８５０〜９００℃より５５０〜６５０℃に加速冷却される。これによりＨ形鋼断面は微細化されたフェライト組織となり強度アップが図られる。

一般に，Ｈ形鋼の製造ラインでは、１つの鋼片から圧延されたＨ形鋼を所定の長さに切り分ける鋸断工程で長い時間がかかり、生産性向上を阻害することが多々ある。これを解決するために、圧延ラインの下流に２つのの鋸断ラインを並列に設置する方法がとられる。この場合、進路切り替えによるＨ形鋼の曲がりによりＨ形鋼が冷却設備の下流端にぶつかり設備が損傷する危険が生じる。搬送ラインを十分長くして進路変更時のＨ形鋼の曲げ角度を浅くしてこれに対処することはできるが、設備的にコストアップとなり好ましくない。本出願人は、フランジが比較的薄いＨ形鋼に対しては、水冷ゾーンが短く設定され、後方（下流側）直近に鋸断ラインを２つ並設する場合には、冷却設備を搬送方向に２つ以上に分割させて別々に間隔を設定することが有効であるとの知見を得た。
冷却設備を分割して第１段目の冷却設備のみを冷却ゾーンとして使用する場合には、第２段目の冷却設備は、その間隔を大きく開いて待避させておくことにより前記のぶつかりによる危険性を下げることができる。この場合、第１段目と第２段目の冷却装置の中間にガイドローラユニット３を取り付けることにより第１段目の冷却装置の下流端にＨ形鋼がぶつかって設備を損傷させる危険性も下げることができる。
すなわち、ガイドローラユニット３の設置が、Ｈ形鋼のぶつかり回避に対し極めて有効であることがわかった。

一方、極厚Ｈ形鋼１０においては、通常のＨ形鋼に比べてその断面が大きいことから断面全体としての冷却効率が低く、所定の温度に仲々冷えないために、これをカバーするためには冷却ラインを延長するか、冷却水流量を増やすか、搬送速度を落として冷却時間を延ばすか等の対策を採る必要があった。しかしながら、これらの内、その設備的、場所的制約から搬送速度を落とすことにより対策される。しかしながら、この搬送速度を落とすことは、速度制御の上で限界があり、一旦停止させて冷却する場合には上述のガイドローラユニット３部分は、冷却に対し非連続の冷却効率の悪い部分を構成することになり、この冷却非連続部による影響を回避することが求められる。

フランジが厚い場合、具体的にはフランジ厚みが４０ｍｍ以上もある極厚Ｈ形鋼の場合には、第１段目、第２段目の冷却設備にまたいだ範囲内にＨ形鋼を入れ水冷を開始し、所定時間の水冷が終了後に冷却水の供給を止めてから、鋸断ラインに搬送する。このような場合、冷却水が十分に供給されないガイドローラユニット位置にあったＨ形鋼の部分は、冷却が足りず、その部分の強度の確保が難しかった。
本出願人は、図４に示すように、Ｈ形鋼が冷却設備からはみ出さないような特定の距離範囲で往復運動（オシレーション）させれば、前記ガイドローラユニット３部での冷却能力不足は十分分散されることを見出した。

従来にもオシレーションシステムが提案されているケースもないではないが、例えば特
開２００３−１９３１２６号では、スプレー冷却方式における長手方向のむらについて提案されたものであり、本発明の多孔噴流方式で、且つガイドローラユニット部分の冷却非連続部の影響回避を対象としたものとは異なるものである。
すなわち、多孔噴流方式そのものの冷却に関しては、長手方向の多孔ピッチは数十ｍｍ程度であり、僅かにオシレーション冷却をしてやればこの冷却の不均一性は解消される。
本発明は、Ｈ形鋼の冷却設備に関するものであり、しかも、２つ以上の冷却装置に分割してその中間にガイドローラを設置されたものについて特定したものであり、搬送方向の温度むらの許容値を考慮に入れながら、オシレーション冷却工程のオシレーション距離Ｌを決定したところに特徴がある。

本実施例１においては、各種断面のＨ形鋼１０を用い、冷却方式を（Ａ）通過型冷却、（Ｂ）停止型冷却、（Ｃ）オシレーション冷却の３方式として冷却状態を比較し、オシレーション冷却の効果について試験した。

試験条件は下記の通りである。
１）試験Ｈ形鋼材
Ｈ形鋼サイズ（フランジ厚さ×長さ）
（ａ）４０ｍｍ×３０ｍ、（ｂ）６０ｍｍ×２０ｍ、（ｃ）８０ｍｍ×１５ｍ
２）冷却方式
（Ａ）通過型冷却、（Ｂ）停止型冷却、（Ｃ）オシレーション冷却
３）冷却開始温度（Ｔ１） ８８０℃（一定）
４）冷却終了温度（目標） ５８０〜６３０℃
５）加速冷却設備
ＪＦＥ製１型多孔噴射冷却装置
全長４０ｍ（２分割）
６）ガイドローラユニット部 巾（Ｂｇ） ０．５ｍ
冷却水の供給が可能であり、その冷却の強さは加速冷却設備の５０％とする。
７）搬送速度Ｖ （Ａ）１．２ｍ／ｓｅｃ、（Ｂ）０．３ｍ／ｓｅｃ
８）オシレーション長さ（往復動距離）（Ｌ） ３ｍ、５ｍ、７．５ｍ

なお、（Ａ）通過型冷却の場合は、搬送速度が１．２ｍ／ｓｅｃ未満では速度制御性が著しく悪化するという制約があり、搬送速度を１．２ｍ／ｓｅｃとした。

比較試験結果を表１に示す。

従来例１（ａ×Ａ）のフランジ厚４０ｍｍの場合は、７３０℃までしか冷却できず冷却による強度アップはできなかった。従来例２（ｂ×Ａ）、従来例３（ｃ×Ａ）の場合は従来例１に比較して断面が大きく、冷却による温度降下は益々小さくなり、強度アップは図れなかった。

また、ガイドローラユニット部の冷却能力不足が予想される、Ｂ方式である搬送を停止して冷却した従来例４（ａ×Ｂ）、従来例５（ｂ×Ｂ）および従来例６（ｃ×Ｂ）の場合は、ガイドローラユニット部の冷却能力は冷却装置部における冷却能力の半分程度となり、従来例４、従来例５では７３０℃までしか冷却されず、また、従来例６でも７５５℃までしか冷却されず、この部分の強度アップを図ることができなかったため、いずれも製品としての合格ラインに達していないことがわかった。

これに対し、オシレーション冷却を行った実施例ａ（ａ×Ｃ）、実施例ｂ（ｂ×Ｃ）および実施例ｃ（ｃ×Ｃ）の場合は、冷却開始温度８８０℃から目標の冷却終了温度５８０〜６５０℃まで十分に冷却することができ、また、適正な距離のオシレーション冷却を行うことによりガイドローラユニット部の冷却不足を品質に影響しない程度までに分散されていることが確認された。

なお、オシレーション冷却の適正な距離については下記によった。
すなわち、実施例ａにおいては、３ｍ（搬送方向へ１．５ｍ、反搬送方向へ１．５ｍ）のオシレーション冷却を行ったことにより、ガイドローラユニット部にかからない通常部分は８８０℃から５８０℃まで３００℃低下するのに対して、ガイドローラユニット部の巾Ｂｇ０．５ｍの部分での冷却能力の不足分５０％は、その影響を１／６に軽減して２５℃におさめることができ、製品全体としては５８０〜６０５℃の範囲内で冷却することができたものである。

また、実施例ｂについては、冷却装置の長さが４０ｍであるのに対し、製品ビームの長さが２０ｍであったので、ガイドローラユニット部の巾０．５ｍの１０倍の５ｍとしてオシレーション冷却を行うことにより、搬送の制御誤差などにより冷却中に製品ビーム端が冷却装置から出てしまって製品ビームの先後端部が冷却されなくなるということもなく、ガイドローラユニット部による冷却能力の不足を更に分散させることができた。
すなわち、ガイドローラユニット部での冷却能力の不足分５０％は、オシレーション冷却により、その影響を１／１０に軽減され１５℃におさまった。製品ビーム全体では５８０〜５９５℃の範囲内に冷却することができ、製品ビーム長さ全体で冷却による強度アップを図ることができた。

実施例ｃにおいても同様で、２５０℃冷却するのに対し、ガイドローラユニット部での冷却不足は５％の１２．５℃におさまり、製品ビーム全体では６３０〜６４２．５℃の範囲内で冷却することができた、製品ビーム長さ全体で加速冷却による強度アップを図ることができた。

実施例ｄにおいては、オシレーションをより長くしてガイドローラユニット部の冷却不足を１／３０に軽減することができた。しかし、オシレーション中の停止位置に最大で５ｍの誤差があり、冷却の途中で端部が冷却設備からはみ出てしまい、端部は６６０℃までしか冷却されず冷却不足が生じてしまった。強度アップは十分でなかった（表１には記号△にて表示）。

上述のごとく、オシレーション冷却を行うことにより、限られた範囲の冷却ライン設備においても、加速冷却によるＨ形鋼の強度アップを図ることができることが確認された。
この場合オシレーション冷却のオシレーション量は、Ｈ形鋼の断面およびビーム長さにより、ガイドローラユニット部の巾Ｂｇを基準とした適正な値があることが確認された。
すなわち、実施例による比較試験結果より、通常のフランジ厚４０ｍｍ以上の極厚Ｈ形鋼においては、オシレーション量（往復動距離）をガイドローラユニット部の巾Ｂｇの５〜１３倍とすることが好ましいことが確認された。
５倍以下ではガイドローラユニット部による冷却能力の不足をうまく分散させることができないし、また、１０倍以上では製品ビーム端が冷却装置から出てしまい製品ビームの先後端部が冷却されなくなる恐れがある。また、オシレーションの速度は、通過型冷却の場合と異なり冷却時間を制御するものでないので、必ずしもこれを高精度で制御される必要はない。例えば、０．３ｍ／ｓｅｃの低速であってもオシレーション距離が設定できればよい。

なお、上述の本発明の実施例においては、冷却ラインにおける多孔噴射冷却装置として、第１段目および第２段目を備え、その間にガイドローラユニット部を有する場合について述べたが、本発明は、これに限定されるものではなく、更に多孔噴射冷却装置およびガイドローラユニット部を連設することができる。

本発明は、Ｈ形鋼の冷却装置に関するものであるが、Ｈ形鋼に限らず加速冷却による強度向上を要求される丸形、角形、アングル等の型鋼にこれを適用することができる。

本発明の実施の形態に係るライン設備の１例を示す説明図である。 本発明の実施の形態における、ガイドローラユニットの１例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施の形態における、加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）の１例を示す説明図である。 本発明の実施の形態における、オシレーション冷却工程の動作を示す説明図であり、（ａ）はオシレーション開始までの往動工程、（ｂ）はオシレーション冷却の復動工程、（ｃ）はオシレーション冷却の往動工程を示す。

符号の説明

１ ライン設備、２ 仕上圧延機、３ ガイドローラユニット、４ 加速冷却装置（多孔噴射冷却装置）、５ テーブルローラ、６ 鋸断ライン切り替え装置、７ ラインガイド、８ サイドガイド、１０ Ｈ形鋼、１０ａ フランジ、１０ｂ ウェブ、１１ａ 噴射孔、１１ｂ 噴射流、３１ ガイドローラ、３２ ガイドローラボックス、３３ ガイドローラ軸、Ｂ１ Ｎｏ．１鋸断ライン進路、Ｂ２ Ｎｏ．２鋸断ライン進路。

Claims (6)

1. 多孔噴流方式によりＨ形鋼のフランジ外面の冷却を行う、ライン搬送方向に複数に分割されたＨ形鋼の冷却ラインにおいて、複数段よりなる多孔噴射冷却装置群を備え、前記多孔噴射冷却装置群の相隣る多孔噴射冷却装置間にガイドローラユニット部を有する冷却ラインで加速冷却する方法であって、
   その複数段の連なる冷却ラインを合計した設備長さよりも短いＨ形鋼を所定距離オシレーション冷却をするとともに、前記オシレーション冷却の冷却工程における往復動距離が、前記ガイドローラユニット部のライン方向の巾Ｂｇの５〜１０倍であることを特徴とするＨ形鋼の冷却方法。
2. 前記Ｈ形鋼が、そのフランジ厚さが４０ｍｍ以上の極厚Ｈ形鋼であることを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼の冷却方法。
3. 前記ガイドローラユニット部が、該ガイドローラユニット部に対面するＨ形鋼のフランジ外面を冷却するための冷却手段を備えており、該冷却手段による冷却によりガイドローラ部における冷却が前記Ｈ形鋼の搬送方向で非連続冷却になるのを防止することを特徴とする請求項１または２に記載のＨ形鋼の冷却方法。
4. 前記ガイドローラユニット部における、前記冷却手段の前記Ｈ形鋼のフランジ面に供給する冷却水の流量密度が、前記ガイドローラユニット部の上流および下流に設けられた多孔噴射冷却装置から供給される冷却水の流量密度の３０〜８０％に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のＨ形鋼の冷却方法。
5. 多孔噴流方式によりＨ形鋼のフランジ外面の冷却を行う、ライン搬送方向に複数に分割されたＨ形鋼の冷却ライン設備において、
   該分割された冷却ライン設備は、搬送ライン方向に沿って対面して設けられ、また、搬送ライン側に沿った側面に多数配列された冷却水の噴射孔を有する複数段よりなる多孔噴射冷却装置群を備え、また、前記搬送ライン側に沿った多孔噴射冷却装置間にあって、前記搬送ラインを挟んで対向して、且つ垂直に一対として配設されたガイドローラユニットよりなるガイドローラユニット群とを備えており、
   前記搬送ライン側に沿った複数段よりなる多孔噴射冷却装置群間内で、前記Ｈ形鋼を順方向および逆方向に搬送するテーブルローラ群を設け、
   前記ガイドローラユニット部が、該ガイドローラユニット部に対面するＨ形鋼のフランジ外面を冷却するための冷却手段を備えており、該冷却手段による冷却によりガイドローラ部における冷却が前記Ｈ形鋼の搬送方向で非連続冷却になるのを防止することを特徴とするＨ形鋼の冷却ライン設備。
6. 前記ガイドローラユニット部における、前記冷却手段の前記Ｈ形鋼のフランジ面に供給する冷却水の流量密度が、前記ガイドローラユニット部の上流および下流に設けられた多孔噴射冷却装置から供給される冷却水の流量密度の３０〜８０％に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のＨ形鋼の冷却ライン設備。

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