JP4453522B2 - 鋼板の冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の冷却装置及び冷却方法に関し、より詳しく言及すれば、熱間圧延された高温鋼板を冷却するに際し、その板幅方向端部の過冷却を防止し、冷却むらの生ずることなく均一に鋼板を冷却することができる鋼板の冷却装置及び冷却方法に関する。

近年、熱間圧延された高温（７００〜９００℃）の鋼板は、所定の材質特性を得るため、又は生産能率を向上させるために、熱間圧延後にオンラインで制御冷却される。この方法により、種々の添加元素を増加させなくても、高強度、高靭性といった材質特性が得られ、低合金成分であるため溶接性にも優れた鋼板を安価に製造可能となる。熱間圧延後の高温の鋼板をオンラインで制御冷却する手段としては、冷却装置内を搬送される鋼板の上下面に対し、その板幅方向に配置した冷却水ノズルから冷却水を噴射して強冷却（急速冷却）する方法が一般的である。

その際に、制御冷却後の鋼板内温度偏差が大きいと、鋼板歪み、残留応力、材質のバラツキなどの発生や、鋼板歪みによる操業上のトラブルが生じることがある。鋼板が変形した場合には、精整工程においてプレスや矯正機等による成形作業が必要になるために、コスト高になることが避けられない。さらに、製品となった鋼板は、二次加工工程として条切りと呼ばれる加工（ガス切断等によって鋼板を幅方向に所定の間隔で分割する加工）をされる場合があるが、鋼板内に残留応力があると、条切り後の鋼板幅方向の変形（条切りキャンバー）が大きくなり、再度矯正する工程が必要となるなど、二次加工工程においても、取り扱いに手間が掛かる場合がある。

通常、鋼板を強冷却するには、鋼板の上下面に多量の冷却水を供給するが、鋼板上下面を幅方向に一様な冷却条件で強冷却しても、鋼板上面への冷却水の大半が鋼板幅方向端部より排水されることから、鋼板幅方向端部が過冷却されて、上記問題の一因となってしまう。

上述した問題に対し、高温の鋼板を均一に冷却するための装置や方法が従来から種々提案されており、以下の通り開示されている。

特許文献１に開示された方法は、制御冷却前の予備冷却が目的ではあるが、冷却装置の上流側の鋼板パスライン上下面に、熱間圧延した鋼板表面に冷却水を噴出する幅方向のスプレーヘッダと、スプレーヘッダと鋼板間に設けた平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状のマスキング板により、鋼板幅方向端部の冷却域が所望の広さになるように鋼板通板方向におけるスプレーヘッダと遮蔽板との間の相対的位置を調整した後、熱間圧延された鋼板の幅方向端部を冷却するものである。

特許文献２に開示された方法は、鋼板幅方向端部に水切り板を設け、鋼板と水切り板との隙間に鋼板の中央部に向けて空気噴射ノズルを挿入し、該空気噴射ノズルから鋼板の中央部に向けて空気を噴射することで、幅方向端部への水を遮断し、幅方向端部の過冷却を防止することができるというものである。

特許文献３に開示された方法は、鋼板幅方向端部の位置に、鋼板の上下表面に流水減速部材あるいはブラシを取り付けたマスキング板を配置して冷却する方法であり、鋼板とマスキング板との隙間に浸入する流水の流速を遅らせ、このマスキング板を冷却中長手方向に間欠的に使用することで鋼板幅方向端部の冷却量をコントロールするものである。

特許文献４に開示された方法は、鋼板上面に滞留する冷却水を除去する目的で使用される水切りスプレー装置で、搬送テーブルの上方に給水ヘッダを、搬送テーブルを横切るように設け、この給水ヘッダから高圧水をラインテーブル上からラインと直交する方向の外側に向けて鋼板上に噴射するサイドスプレーノズル及び搬送方向の滞留水に向けて鋼板上に噴射するカウンタースプレーノズルを複数配設することで、鋼板の局所的過冷を防止するものである。
特開２０００−１９２１４６号公報 特開平１０−２１６８２３号公報 特開２００２−２６３７２４号公報 特開平１１−１２３４３９号公報

しかし、前記特許文献１に開示された方法では、マスキング板によって、単純にスプレーノズルから噴射される冷却水の直接の衝突は回避できるものの、高温鋼板上面に乗った冷却水がマスキング板との間の隙間に浸入し、鋼板幅方向端部から流出して幅方向端面を冷却してしまうため、鋼板幅方向端部の過冷却を防止するには至らない。また、マスキング板は広い面積でスプレーノズルからの衝突噴流圧力を受けるため、変形を考慮すれば相当な剛性をもつ装置にせざるを得ず、スプレーノズルと鋼板との距離を離さなくてはならなくなり、高温鋼板を幅方向に均一に強冷却する目的で一般的に行われるノズル近接化の観点からは不利である。

前記特許文献２に開示された方法では、空気噴射ノズルから鋼板幅方向中央部に向けて気体を噴射しているが、鋼板と水切り板の間の隙間を通過し噴出する空気が、水切り板の熱変形等によって変化した隙間によって相対的に圧力分布が変化するため、隙間内に冷却水が浸入したり、逆に鋼板中央部に冷却水を過剰に押し戻したりする事態が発生し、水切り板でマスキング幅を制御しようとしても、水切り板先端からのマスキング量制御が非常に困難である。また、鋼板上面の非常に近接した位置に空気噴射ノズルを設置せざるを得ず、熱変形による設備の破損や表面疵の原因になるといった問題点がある。

前記特許文献３に開示された方法では、前記先行文献１、２等の問題に対応するため、マスキング板の鋼板側表面にブラシ等の流水減速部材を導入し、このマスキング板を冷却中に間欠的に使用することで、鋼板幅方向端部の温度降下量のコントロールを実施している。しかし、そのようにしてブラシ等の流水減速部材を使用するに際し、種々の方法で鋼板表面の保護に努めてはいるが、マスキング板等がほぼ鋼板に接触するように設置されるため、否応なく鋼板表面のスケールを部分的に剥がしてしまって鋼板表面外観が悪化することは想像に難くない。さらに、鋼板の表面性状（スケール厚み及び粗さ）が鋼板幅方向で不均一になることによって、鋼板の被冷却特性も変化してしまい、幅方向温度分布を均一にするどころか、逆に温度偏差がつきやすくなる。また、ブラシ等の流水減速部材によって蒸気が発生すると、このマスキング板を冷却中、間欠的に用いるとしても、鋼板幅方向端部は常に蒸気膜が存在する沸騰状態になり、鋼板幅方向の温度制御性は格段に悪化する。

前記特許文献４に開示された方法は、冷却後の鋼板上面の滞留水を排除する目的であるが、所定の形態のスプレーノズルを鋼板幅方向に１列しか設置せず、しかも高圧水を噴射するので、鋼板全幅にわたって十数℃程度の温度偏差を発生させてしまう。
このように、従来技術では、鋼板幅方向端部の過冷却を適確には防止することができず、場合によっては、製品である鋼板表面性状を余計に悪化させる可能性があった。したがって、冷却後の鋼板に、変形、残留応力、材質のバラツキなどの発生や、鋼板の変形による操業上のトラブル等の発生を適切に防止することができなかった。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱間圧延された高温鋼板を冷却するに際し、鋼板幅方向端部の過冷却を防止し、冷却むらの生ずることなく均一に鋼板を冷却することができる鋼板の冷却装置及び冷却方法を提供することを目的とするものである。

発明者らは鋭意検討した結果、鋼板幅方向端部が過冷却される大きな要因は、鋼板の上面を流れて鋼板幅方向端部より流出した冷却水が鋼板の幅方向端面に沿って流下し、それによって鋼板の幅方向端面が冷却され、その結果、鋼板幅方向端部が過冷却されるためであり、このような鋼板の幅方向端面に沿って冷却水が流下することを抑制すれば、鋼板幅方向端部の過冷却が適切に防止され、鋼板を均一に冷却することができるとの考えに至った。

本発明は、上記のような観点に立って、以下の特徴を有している。

［１］鋼板の上面に向けて冷却水を噴射する冷却水ノズルが設けられた鋼板の冷却装置において、前記鋼板の幅方向端面に向けて気体を噴射する気体噴射ノズルが設けられており、前記気体噴射ノズルから噴射される気体は、前記鋼板の温度を上限とする熱風であることを特徴とする鋼板の冷却装置。

［２］前記気体噴射ノズルの噴射方向は、前記冷却水ノズルから噴射された冷却水が前記鋼板の上面を流れて鋼板の幅方向端部から流出する際の流出方向に相対する方向であることを特徴とする前記［１］に記載の鋼板の冷却装置。

［３］前記気体噴射ノズルと前記鋼板の幅方向端面との距離は、前記鋼板の板幅に応じて調整可能となっていることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の鋼板の冷却装置。

［４］前記気体噴射ノズルの高さ位置は、前記鋼板の板厚に応じて調整可能となっていることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の鋼板の冷却装置。

［５］鋼板の上面に向けて冷却水ノズルから冷却水を噴射する鋼板の冷却方法において、前記冷却水ノズルからの冷却水の噴射に合わせて、前記鋼板の幅方向端面に向けて気体噴射ノズルから気体を噴射し、前記気体噴射ノズルから噴射される気体は、前記鋼板の温度を上限とする熱風であることを特徴とする鋼板の冷却方法。

本発明によれば、上記手段を有するので、気体噴射ノズルから噴射された気体によって、鋼板の幅方向端面に沿って冷却水が流下することが抑制され、鋼板幅方向端部の過冷却が適切に防止されて、鋼板を均一に冷却することができる。その結果、鋼板の形状、残留応力、材質のバラツキなどが低減し、鋼板の変形による精整工程の負荷の大幅な軽減が可能となると同時に、高付加価値を有する製品の製造が期待できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る冷却装置の概略斜視図を示す。熱間圧延後、冷却装置内に搬送されてくる鋼板１を挟んで、その上下に一対の拘束ロール２、３が鋼板の搬送方向（鋼板の長手方向）８に複数組設けられ、上拘束ロール２の下流側には、鋼板搬送方向８の上流側から下流側に向けて鋼板上面１ａに冷却水を噴射するためのスリットノズル４が設けられ、下拘束ロール（テーブルロール）３、３の間には、鋼板下面に冷却水を噴射するための円管ノズル５が鋼板幅方向に一定ピッチで複数個設けられている。そして、鋼板１の両側には、鋼板１の搬送方向に沿って気体噴射用ヘッダ７がそれぞれ設けられおり、その気体噴射用ヘッダ７に鋼板１の幅方向端面１ｂに向けて気体を噴射するための気体噴射ノズル６が取り付けられている。

このような冷却装置においては、冷却装置内に搬送されてきた鋼板１に対し、スリットノズル４から搬送方向に向けて噴射された冷却水によって鋼板１の上面１ａが幅方向に一様な水量密度分布で冷却され、円管ノズル５から噴射された冷却水（円管噴流）によって鋼板１の下面が幅方向に一様な水量密度分布で冷却される。その際に、鋼板上面１ａに向けて噴射された冷却水９の大半が鋼板幅方向端部より流出するが、気体噴射ノズル６から気体を鋼板の幅方向端面１ｂに向けて噴射することにより、鋼板幅方向端部から流出した冷却水９が吹き飛ばされ、それによって、冷却水９が鋼板の幅方向端面１ｂに沿って流下しようとするのを遮断することが可能となる。その結果、鋼板幅方向端部の過冷却が防止されて、鋼板が均一に冷却されるようになる。

気体噴射ノズル６としては、図２に示すような、高指向性の気体噴射ノズル６ａ（耐熱素材）を、鋼板１の搬送方向８に沿って鋼板１の両側に複数個ずつ配置している。なお、気体噴射ノズル６としては、これに限らず、例えば、図３に示すような鋼板１の長手方向に沿った細長いスリットノズル６ｂでもよいし、図４に示すような円管ノズル６ｃでもよい。

そして、気体噴射ノズル６の噴射方向は、流出する冷却水９を効果的に吹き飛ばすためには、鋼板上面１ａを流れた冷却水９が鋼板幅方向端部から流出する際の流出方向に相対する方向が望ましい。この実施形態においては、鋼板上面１ａを冷却する冷却ノズル４は鋼板搬送方向８に向けて冷却水を噴射する構造であるので、冷却水９が鋼板幅方向端部から流出する際の流出方向は、鋼板搬送方向８から鋼板幅方向に向いて所定の角度傾いた方向となる。即ち、冷却水流出方向は、冷却水噴射方向と、冷却水９が鋼板中央から鋼板幅方向端部に向かう流れ方向の合成方向であるので、図５に示す０°≦θ≦９０°の範囲内にある。したがって、気体噴射ノズル６の噴射方向は、冷却水流出方向に相対するように、鋼板搬送方向８の逆方向から鋼板幅方向に向いて所定の角度θ傾いた方向とするのが望ましい。

冷却水９の流出方向は、鋼板上面１ａを冷却する冷却ノズルの形式によって異なってくるので、それぞれの冷却ノズルの形式に応じて、気体噴射ノズル６の好適な噴射方向は異なってくる。例えば、鋼板上面１ａを冷却する冷却ノズルがラミナーノズルの場合には、冷却水９の流出方向は鋼板搬送方向８に対して直角方向となるので、気体噴射ノズル６の噴射方向は、鋼板搬送方向８に対して直角方向、即ちθ＝９０°とするのが望ましい。

また、気体噴射用ヘッダ７は上面拘束ロール２と一体型となっており、その位置を調整する機構を有している。すなわち、鋼板１がこの冷却装置内に進入する前に、鋼板１の板厚に応じて、気体噴射ノズル６の高さ位置が上拘束ロール２と下拘束ロール３の中間位置になるように調整されるとともに、鋼板１の板幅に応じて、鋼板の幅方向端部１ｂと気体噴射ノズル６との間隔が所定距離になるように調整される。

なお、気体噴射ノズル６から噴射した気体によって、流出する冷却水９を吹き飛ばす際に、その気体によって鋼板の幅方向端部１ｂが冷却されて幅方向端部１ｂの温度低下を招いてしまうと、冷却水９を吹き飛ばした効果が薄れてしまうので、気体噴射ノズル６から噴射する気体は、幅方向端部１ｂの温度低下をできるだけ招かないような気体であることが望ましい。

そのような観点から、この実施形態においては、気体噴射ノズル６から噴射する気体は、加熱した気体（熱風）を使用した。具体的には、工場排熱を利用して加熱した工場空気を用いた。高温の鋼板に気体を噴射した場合、沸騰現象を伴う水冷却よりは、鋼板の温度降下量は小さいものの、鋼板温度と気体温度の差が大きいほど、鋼板は冷却されてしまう。鋼板表面に冷却媒体を供給して冷却するときの鋼板表面から奪う熱量を、単位面積あたりの熱流束Qとして表すと、一般的に次式（１）に示す通りで、冷却媒体温度を上昇させることにより、熱流束Ｑを小さくすることができる。

Ｑ＝ｈ（Ｔｓ−Ｔｇ） …… （１）
ここで、Ｑ：熱流束［Ｗ／ｍ²］、ｈ：熱伝達係数［Ｗ／ｍ²Ｋ］、Ｔｓ：鋼板表面温度［Ｋ］、Ｔｇ：冷却媒体温度［Ｋ］である。

気体の衝突噴流の熱伝達係数をh=５００［Ｗ／ｍ²Ｋ］とし、気体温度Ｔｇを種々変化させて８００℃の高温の鋼板を冷却した結果を図６に示す。気体温度Ｔｇが常温（２５℃）の場合の冷却曲線と比較して、気体温度Ｔｇを上昇させることによって鋼板の温度降下量を抑えることができることが確認された。また、参考として、この冷却装置で８００℃の高温の鋼板を水冷したときの鋼板の温度も同図に示す。水冷却（強冷却）と気体冷却とでは、冷却能力として１０倍以上の差があるので、本発明が成立すると言える。

また、噴射する気体の温度を上げることは、鋼板１の幅方向端面１ｂに沿って流下しようとする冷却水を吹き飛ばすと同時に、鋼板幅方向端部のコーナー部付近の冷却水を蒸発させ、鋼板幅方向端部の過冷却をより一層防ぐ効果もある。さらに、噴射する気体を高温化することにより、気体が膨張して、噴射する気体の流速が増し、冷却水を吹き飛ばす力（パージ力）が増加する効果もある。すなわち、参考文献１（「流体の力学」須藤浩三他著 コロナ社 Ｐ２２５）に記載されている一般的な音速の式（２）により示されるように、気体温度の上昇に伴って気体流速が増加するので、それによって、気体流速の２乗に比例するパージ力が増加する。例えば、図７に示すように、気体温度が常温でのパージ力を１００％とすると、それに比べて、気体温度が１００℃では約２５％、気体温度が２００℃では約６０％パージ力が上昇することが分かる。

ａ＝ＳＱＲＴ（κＲＴ） …… （２）
ここで、ａ：音速［ｍ／ｓ］、κ：比熱比［−］、Ｒ：ガス定数［Ｊ／ｋｇＫ］、T：気体温度［Ｋ］である。
以上のことより、気体噴射ノズル６から噴射する気体の温度は、鋼板１の温度を上限として、高温である程よく、１００℃以上とすると、本発明の効果が一層増すので望ましい。
ちなみに、気体温度の上限を鋼板１の温度としたのは、気体温度が鋼板１の温度より大きくなると、逆に気体の方から鋼板１に熱が伝わるようになり、鋼板１の制御冷却の効果を損なってしまうからである。

一方、鋼板温度に比べて気体温度が低い程、鋼板の幅方向端面が噴射された気体によって冷却されて鋼板の幅方向端面の温度が低下してしまうので、常温に近い気体を用いる場合には、気体噴射による鋼板の幅方向端面の温度低下が相対的に小さくなるように、鋼板の上下面がある程度以上の冷却水量密度で強冷却される場合に気体の噴射を行うことが望ましい。具体的には、鋼板上下面への冷却水の水量密度が少なくともそれぞれ１．０ｍ³／ｍｉｎ・ｍ²以上の大水量密度である場合が望ましい。ちなみに、冷却水の水量密度は、所望の材質特性や生産能率等に基づいて定められる。

なお、鋼板上下面の冷却方式はこの実施形態に示した形態である必要はなく、鋼板上下面に円管ジェットノズルを高密度に配置したり、鋼板幅方向に延びたスリットジェットノズルを噴射方向が鉛直方向になるように配置する等、様々な形態が想定される。

以下に、この発明の実施例を示す。

まず、本発明例１として、板厚２５ｍｍ、板幅４．０ｍ、板長１５ｍの、熱間圧延後の高温の鋼板を、図１に示した冷却装置にて、下記の条件で制御冷却した。冷却前後の温度分布は、冷却装置の前後に設置した走査型放射温度計にて測定した。

拘束ロール：１ｍピッチで９組、上面のスリットノズルの冷却水量密度：２．０ｍ³／ｍｉｎ・ｍ²、下面の円管ノズルの冷却水量密度：２．０ｍ³／ｍｉｎ・ｍ²、冷却装置内の搬送速度：４７ｍ／ｍｉｎ
冷却装置進入直前の鋼板幅方向中央部の表面温度：８００℃、冷却後復熱時の鋼板幅方向中央部の表面温度：５００℃
気体噴射ノズル（耐熱素材、高指向性ノズル）：片側８個／ｍ、鋼板の幅方向端面と気体噴射ノズルとの距離：１５０ｍｍ、鋼板の幅方向端面と気体噴射ノズルとの角度：４５°、噴射する気体の温度：約２００℃（工場排熱を利用）、気体の噴射圧力２．０ｋｇ／ｃｍ²
また、本発明例２として、噴射する気体の温度を常温（３０℃）とした以外は、本発明例１と同条件で、熱間圧延後の高温の鋼板を冷却した。

そして、比較例として、気体噴射ノズルから気体を噴射しないこと以外は、本発明例１、２と同条件で熱間圧延後の高温の鋼板を冷却した。

それぞれの冷却後の鋼板幅方向温度分布を比較したものを図８に示す。

図８に示す通り、本発明例１では、鋼板幅方向端部の過冷却が防止され、鋼板幅方向の温度偏差を１０℃以内に抑えることができ、十分な鋼板幅方向の温度均一性を確保できることが明らかとなった。この鋼板は、冷却後の板形状及び表面状態も良好であった。

また、本発明例２では、本発明例１に比べると鋼板幅方向端部の温度低下がやや大きいが、それでも鋼板幅方向の温度偏差を２０℃以内に抑えることができ、冷却後の板形状及び表面状態も良好であった。

これに対して、比較例では、鋼板幅方向端部の温度低下は最端部で約５０℃に達し、温度偏差が顕著に表れた。この鋼板は、冷却後の形状が悪かったため、再矯正処理せざるを得なかった。

次に、本発明例１、２及び比較例１の冷却後の鋼板を条切りした際の条切りキャンバー量（条切り幅４００ｍｍ）を図９に示す。条切りキャンバー量と鋼板幅方向の温度偏差とは非常に相関が強い。本発明例１、２の鋼板は条切りキャンバーが小さく、合格であった。特に、本発明例１の鋼板は条切りキャンバーがほとんど発生しなかった。一方、比較例１の鋼板は合格ラインを大幅に超えたキャンバー量であったため、再々矯正せざるを得なかった。

以上の結果より、本発明によって鋼板幅方向端部の過冷却が防止され、鋼板を均一に冷却することができ、その結果、鋼板の形状、残留応力、材質のバラツキなどが低減し、鋼板の変形による精整工程の負荷の大幅な軽減が可能となると同時に、高付加価値を有する製品の製造が期待できることが確認された。

本発明の一実施形態に係る冷却装置を説明する概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置における気体噴射ノズルの説明図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置における他の気体噴射ノズルの説明図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置における他の気体噴射ノズルの説明図である。 冷却水の流出方向を示す図である。 種々の気体温度で冷却した際の鋼板表面の温度降下量を示す図である。 気体温度とパージ力の関係を示す図である。 本発明の実施例における鋼板幅方向温度分布を示す図である。 本発明の実施例における鋼板の条切りキャンバー量を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
１ａ 鋼板上面
１ｂ 鋼板幅方向端面
２ 上拘束ロール
３ 下拘束ロール
４ スリットノズル
５ 円管ノズル
６ 気体噴射ノズル
６ａ 高指向性の気体噴射ノズル
６ｂ スリットノズルの気体噴射ノズル
６ｃ 円管ノズルの気体噴射ノズル
７ 気体噴射用ヘッダ
８ 鋼板の搬送方向を示す矢印
９ 冷却水

Claims (5)

1. 鋼板の上面に向けて冷却水を噴射する冷却水ノズルが設けられた鋼板の冷却装置において、前記鋼板の幅方向端面に向けて気体を噴射する気体噴射ノズルが設けられており、前記気体噴射ノズルから噴射される気体は、前記鋼板の温度を上限とする熱風であることを特徴とする鋼板の冷却装置。
2. 前記気体噴射ノズルの噴射方向は、前記冷却水ノズルから噴射された冷却水が前記鋼板の上面を流れて鋼板の幅方向端部から流出する際の流出方向に相対する方向であることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の冷却装置。
3. 前記気体噴射ノズルと前記鋼板の幅方向端面との距離は、前記鋼板の板幅に応じて調整可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼板の冷却装置。
4. 前記気体噴射ノズルの高さ位置は、前記鋼板の板厚に応じて調整可能となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼板の冷却装置。
5. 鋼板の上面に向けて冷却水ノズルから冷却水を噴射する鋼板の冷却方法において、前記冷却水ノズルからの冷却水の噴射に合わせて、前記鋼板の幅方向端面に向けて気体噴射ノズルから気体を噴射し、前記気体噴射ノズルから噴射される気体は、前記鋼板の温度を上限とする熱風であることを特徴とする鋼板の冷却方法。

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