JP4478083B2 - 鋼板の上下面均一冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、仕上圧延した鋼板の上下面を均一に冷却する冷却装置に関するものである。

材質・形状特性が均一で、機械的性質に優れた熱延鋼板を製造するためには、仕上圧延後の冷却過程で、その上下面を、板幅方向及び板厚方向にて均一に冷却する必要がある。

通常、仕上圧延後、鋼板を、拘束ロールで拘束しつつ搬送する過程で冷却する際には、鋼板の板幅方向及び板厚方向において温度降下の均一性（冷却の均一性）を確保するため、拘束ロール間に配置した冷却装置から鋼板上下面に冷却水を噴射し、鋼板上下面を同時に冷却する方式が採用されている（特許文献１、参照）。

しかし、鋼板の上面において、冷却水噴流が衝突する領域での冷却態様と、板上水が形成されて流れる領域で冷却態様は異なるし、また、鋼板の下面では、板上水に相当する水層又は水流は存在しないので、冷却水噴流が衝突する領域での冷却態様と、冷却水噴流が衝突しない領域での冷却態様は異なっている。

したがって、拘束ロール間に鋼板の上下面を冷却する冷却装置を配置しても、鋼板の冷却過程において、板幅方向における冷却の均一性を確保することは容易ではない。

特許文献１には、このことを踏まえ、鋼板上側及び鋼板下側の冷却水ノズルの配列態様を工夫した冷却装置が開示されているが、この冷却装置においては、板上水の不均一な発生や、冷却水噴流同士の衝突により、上下面における冷却能力、及び、上下面間における冷却態様が必ずしも同じでなく、鋼板全体としての冷却の均一性が充分に確保されているとはいい難い。

そこで、本発明者は、鋼板の冷却を拘束ロール間にて把握して均一冷却を達成すべく、拘束ロール間の鋼板表面積（冷却対象面積）に対する“冷却水噴流の衝突面積”の総和の割合（％）に着目し、この割合（％）を鋼板の上下面それぞれにおいて規定した冷却装置を特許文献２にて提案した。

この冷却装置によれば、鋼板の冷却を拘束ロール間で把握して、冷却開始から終了までの冷却過程を設計できるので、鋼板の冷却過程において、板幅方向及び板厚方向における冷却の均一性を、従来以上に確保できる。

しかし、上記冷却装置においては、ノズルの個数を増加する必要があるので、設備コストが多大となる。また、ノズル個数の増加に伴いノズル径を小さくしなければならないが、ノズル径が小さければノズル詰まり発生の頻度が高まるので、ノズル詰り発生によるメンテナンス負荷も大きい。

したがって、鋼板の製造ライン上で、冷却装置が、常に安定した冷却性能を発揮するためには、上記課題を解決することが必要である。

特開平１１−３４７６２９号公報 特開２００４−１０８２号公報

本発明は、上記必要性に鑑み、仕上圧延後の鋼板の上下面を、板幅方向及び搬送方向において均一に冷却して、より均一な材質・形状特性、及び、より優れた機械的性質を確保できる冷却装置を提供することを目的とする。

鋼板下面の冷却においては、鋼板上面の冷却と異なり、板上水が存在しないので、冷却媒体が衝突する衝突域の面積や、衝突域における衝突圧を適切に設定ないし調整することが、鋼板下面を均一に冷却する上において重要である。

本発明者は、（ｉ）冷却媒体が衝突する部位（衝突部位）の面積を拡大して、冷却媒体が衝突しない部位（非衝突部位）の面積を縮小し、かつ、（ii）衝突部位における衝突圧を均一化すれば、鋼板下面の冷却をより均一化でき、鋼板上面の均一冷却と相俟って、鋼板全体をより均一に冷却できるとの発想の下に、該発想を実現化する冷却手法について鋭意研究した。

ノズルの個数を増加することが、衝突部位の面積（以下「衝突部位面積」ということがある。）を拡大する一手法であるが、ノズル個数の増加は、前述したように、設備コスト増やメンテナンス負担増を招き、結果的に、実製造ラインにおいて、冷却装置の安定した操業と冷却能の発揮を損ねることにもなるので、上記手法を採用せず、他の冷却手法について鋭意研究した。

その結果、本発明者は、搬送ラインの下側に、冷却媒体を噴射して鋼板に衝突させた時の衝突部位の面積が大きい広角噴射ノズルを、所定の間隔を置いて規則的に配列することが、冷却装置を安定的に運転し、鋼板全体をより均一に冷却する上において極めて効果的であるとの知見を得るに至った。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）複数の拘束ロール対で拘束されて搬送ライン上を搬送される鋼板の上下面に冷却媒体を噴射する噴射ノズルを備えた鋼板の冷却装置において、
拘束ロール対間の搬送ラインの下側に、冷却媒体が衝突する部位の面積が大きい広角噴射ノズルを、所定の間隔をおいて規則的に配列し、前記広角噴射ノズルの広角方向が、鋼板の搬送方向に対し以下の式に従う角度θ傾いていることを特徴とする鋼板の上下面均一冷却装置。
cosθ＞ａ／Ｘ
sinθ＞ａ／Ｙ
ただし、ａ：冷媒衝突部の広幅方向に垂直な方向の幅
Ｘ：鋼板の搬送方向に垂直な方向のノズル間隔
Ｙ：鋼板の搬送方向のノズル間隔

（２）前記角度θが１５〜７０°であることを特徴とする前記（１）に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。

（３）前記広角噴射ノズル１本当たりの衝突部位の面積が１４〜１４０ｃｍ2であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。

（４）前記冷却媒体が衝突する部位の面積の総和が、拘束ロール対間の鋼板面積の４〜４０％であることを特徴とする前記（３）に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。

本発明によれば、安定した冷却操業により、仕上圧延後の鋼板の上下面を、鋼板の板幅方向及び搬送方向において均一に冷却することができる。

本発明は、拘束ロール対間の搬送ラインの下側に、冷却媒体を噴射して鋼板に衝突させた時の衝突部位面積が大きい広角噴射ノズルが、鋼板の搬送方向と、該搬送方に垂直な方向において、所定の間隔を置いて規則的に配列されていることが特徴である。

本発明においては、前記広角噴射ノズルを用いるので、配列するノズル個数が少なくて済み、このことが、仕上圧延後の冷却操業の安定化をもたらすことになる。この点も、本発明の特徴である。

以下、本発明の特徴について図面に基づいて説明する。

図１に、冷却装置を備えた鋼板製造設備列を示す。圧延機１から、搬送ライン５上に熱間矯正装置２を経て送り出された鋼板は、拘束ロール対３の間に配置した冷却装置４にて冷却される。

冷却装置４は、搬送ライン５の上側に配置されて、鋼板の上面を冷却する上側ノズルボックス４ａと、搬送ライン５の下側に配置され、鋼板の下面を冷却する下側ノズル４ｂとで構成されている。

上側ノズルボックス４ａの鋼板に対向する下面は、鋼板の上面に冷却媒体を噴射する噴射口又は噴射ノズルが配列されている。鋼板の上面は、冷却媒体の衝突による冷却作用と板上水による冷却作用の両作用により冷却される。なお、冷却媒体としては、所要の冷却能を有する媒体であればよく、特に限定されないが、水、気水（沸騰型、炭酸ガス、窒素ガス、不活性ガスとの混合型等がある）が好ましい。

上記噴射口又は噴射ノズルの配列は、鋼板上面の冷却が均一に行われる限りにおいて、特定に限定されないが、鋼板上下面の冷却をより均一に行う点で、板幅方向（搬送方向に垂直な方向）及び搬送方向に、所定の間隔をおく規則的な配列が好ましい。

下側ノズル４ｂにおいては、冷却媒体を鋼板下面に噴射して衝突させた時の衝突域面積が大きい広角噴射ノズルが、板幅方向（搬送方向に垂直な方向）及び搬送方向に、所定の間隔をおいて規則的に配列されている。この点が、前述したように、本発明の特徴である。

まず、本発明で採用する広角噴射ノズルの例（偏平矩形型広角噴射ノズル６xと偏平楕円型広角噴射ノズル６y）を図２に示す。本発明では、図２に示すように、広角噴射ノズルのノズル孔７の形状が偏平矩形又は偏平楕円である場合、ノズル孔の縦幅（広幅方向に垂直な方向の幅）ａ／ノズル孔の横幅（広幅方向の幅）ｂが、通常の値に比べて大きい広角噴射ノズルを使用する。

この広角噴射ノズルから噴射された冷却媒体は、鋼板下面に衝突して、ノズル孔形状に相似する形状の衝突部位を形成するので、通常の噴射ノズルを使用する場合に比べ、衝突部位の面積を大きく確保することができる。

広角噴射ノズル１本当たりの衝突部位の面積は、少ないノズル数で、非衝突部位の面積をできるだけ小さくするノズル配列を構成する点で、１４〜１４０ｃｍ²が好ましい。

衝突部位の面積が１４ｃｍ²未満であると、ノズル個数を増やさざるを得ず、その結果、冷却装置のメンテナンスにおける負担が増加する。一方、１４０ｃｍ²を超えると、衝突部位が重複する部位（ノズル同士の干渉）が増えて、干渉による水噴流の衝突圧力の減少が発生し、冷却の不均一及び冷却能の低下を招くこととなり適切でない。

なお、冷却媒体としては、鋼板の上面を冷却する場合と同様に、所要の冷却能を有する媒体であればよく、特に限定されないが、水又は気水（沸騰型、炭酸ガス、窒素ガス、不活性ガスとの混合型等がある）が好ましい。

鋼板の下面を冷却するのに、このような広角噴射ノズルを使用する理由は、冷却操業の点で、（ｉ）冷却媒体が衝突しない部位（非衝突部位）の面積を少なくするとともに、（ii）衝突部位内における衝突圧の均一化を図る（冷却態様の違いを極力なくする）ことができ、また、装置構成の点で、（iii）配列するノズル個数を減らすことができるということである。

冷却媒体の衝突圧は、鋼板に衝突した冷却媒体の鋼板に対する冷却能を示す指標として用いられ、通常、最大衝突圧と、最大衝突圧×０．５以下との間で大きく変動するが、本発明によれば、上記衝突圧（冷却能）を、最大衝突圧と、最大衝突圧×０．６以上との間の変動に抑制することができる。

本発明においては、上記（ｉ）及び（ii）により、鋼板下面の冷却において、板幅方向（搬送方向に垂直な方向）及び搬送方向における冷却の均一性を充分に確保することができる。また、上記（iii）により、冷却操業を常に安定して行うことができるので、設備コスト増を抑制できる他、メンテナンス負担増を抑制できる。

ここで、図３に、偏平楕円型広角噴射ノズル（図２（ｂ）、参照）を採用した一配列（ｂ）を、従来の噴射ノズルの配列（ａ）と対比して示す。

図３（ｂ）に示すように、広角噴射ノズルの広角方向Ｌnを、鋼板の搬送方向Ｌtに対し所定の角度θで傾けて、鋼板の搬送方向Ｌtにおいては、隣接するノズル中心間の間隔をＹとし、かつ、板幅方向（搬送方向に垂直な方向）Ｌwにおいては、隣接するノズル中心間の間隔をＸとして、それぞれの方向に複数個規則的に配列する。

隣接するノズル中心間の間隔、Ｘ及びＹは、冷却媒体の非衝突部位の面積が可能な限り小さくなるように、また、一つの拘束ロール対間における衝突部位の面積の総和（後述する）が適正値になるように選択する。

また、上記Ｘ及びＹは、衝突部位を搬送方向に投影した場合に、非衝突部位が可能な限り小さくなるよう、又は、存在しないように選択する。この場合、さらに、搬送方向に投影した衝突部位が、隣接する衝突部位に重ならないように、上記Ｘ及びＹを選択することが重要である。

上記角度θの設定は重要であり、冷却媒体の衝突部位の面積に基づいて、冷却媒体の非衝突部位の面積が可能な限り小さくなるように設定する。

上記衝突部位の面積は、衝突部位の広幅方向に垂直な方向の衝突部位幅ａにより大きく変化するので、角度θを、下記式に従い調整し、衝突部位の面積を調整することが好ましい。
cosθ＞ａ／Ｘ sinθ＞ａ／Ｙ

ここで、ａは、冷媒衝突部の広幅方向に垂直な方向の幅、Ｘは、鋼板の搬送方向に垂直な方向（板幅方向）のノズル間隔（隣接するノズル中心間の間隔）、そして、Ｙは、鋼板の搬送方向のノズル間隔（同）である。

また、鋼板は、拘束ロール対間に配置した複数の冷却装置により冷却されるので、一つの拘束ロール対間における衝突部位の面積の総和は、拘束ロール対間の鋼板面積の４〜４０％とすることが好ましい。

衝突部位の面積総和が４％未満であれば、非衝突部位の面積が増え、鋼板下面を充分に冷却できず、一方、４０％を超えると、衝突部位が重複する部位（ノズル同士の干渉域）の面積が大きくなり、均一な冷却を行うことが難しくなる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
図１に示す鋼板製造設備列の下側に、鋼板の搬送方向に垂直な方向（板幅方向）のノズル間隔を１５０ｍｍ、鋼板の搬送方向のノズル間隔を１５０ｍｍとし、一本当たりの衝突面積が１３２ｃｍ²（＝（πａｂ）／４、ａ＝７０ｍｍ、ｂ＝２４０ｍｍ）の偏平楕円型広角噴射ノズルを、板幅方向に４個と５個とし、図３（ｂ）に示す配列に従い、合計１２７個配列した。

θは、sinθ＞０．４６７（＝７０[ａ]／１５０[Ｙ]）と、cosθ＞０．４６７（＝７０[ａ]／１５０[Ｘ]）の両方を満たす範囲で選択し、５５°に設定した。

上記ノズル配列の下で、偏平楕円型広角噴射ノズルから水を噴射し、搬送速度６０ｍ／minで搬送する厚さ３０ｍｍの鋼板を冷却した。拘束ロール対間における鋼板の冷却対象面積は約４．３ｍ²であった。

水の衝突部位における冷却能を示す衝突圧を、鋼板の板幅方向と搬送方向において測定した。その結果を、従来型の噴射ノズル（衝突面積：１０．５ｃｍ²）を同様に配列した場合の衝突圧と対比して、図４に示す。

図４において、鋼板の板幅方向における衝突圧は、本発明と従来例において大差がないが、鋼板の搬送方向における衝突圧は、従来例では、限界値（最小限必要な衝突圧）を挟み上下に大きく振れているが、本発明では、限界値以上のレベルで、略一定に維持されている。

図から、本発明の冷却装置によれば、圧延後、鋼板の上下面を、板幅方向及び搬送方向において均一に冷却できることが解る。即ち、本発明の冷却装置によれば、鋼板を板幅方向において均一に冷却できるとともに、この板幅方向における均一冷却を、鋼板の搬送中継続して維持し、鋼板を板幅方向及び搬送方向において均一に冷却できる。

前述したように、本発明によれば、安定した冷却操業により、仕上圧延後の鋼板の上下面を、板幅方向及び搬送方向にて均一に冷却することができる。したがって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が極めて大きい発明である。

冷却装置を備えた鋼板製造設備列を示す図である。 本発明の広角噴射ノズルの例を示す図である。 本発明の広角噴射ノズルの一配列を、従来の噴射ノズルの配列と対比して示す図である。（ａ）が、従来の噴射ノズルの配列を示し、（ｂ）が、本発明の広角噴射ノズルの一配列を示す。 本発明の冷却装置を用いた時の衝突部位における衝突圧（冷却能）を示す図である。（ａ）は、板幅方向における衝突圧を示し、（ｂ）は、搬送方向における衝突圧を示す。

符号の説明

１ 圧延機
２ 熱間矯正装置
３ 拘束ロール対
４ 冷却装置
４ａ 上側ノズル
４ｂ 下側ノズル
５ 搬送ライン
６x 偏平楕円型広角噴射ノズル
６y 偏平矩形型広角噴射ノズル
７ ノズル孔
ａ ノズル孔の縦幅
ｂ ノズル孔の横幅
Ｌt 鋼板の搬送方向
Ｌw 鋼板の板幅方向（搬送方向に垂直な方向）
Ｌn 広角噴射ノズルの広幅方向
Ｘ 鋼板の板幅方向（搬送方向に垂直な方向）の隣接するノズル中心間の間隔
Ｙ 鋼板の搬送方向の隣接するノズル中心間の間隔

Claims (4)

1. 複数の拘束ロール対で拘束されて搬送ライン上を搬送される鋼板の上下面に冷却媒体を噴射する噴射ノズルを備えた鋼板の冷却装置において、拘束ロール対間の搬送ラインの下側に、冷却媒体が衝突する部位の面積が大きい広角噴射ノズルを、所定の間隔をおいて規則的に配列し、前記広角噴射ノズルの広角方向が、鋼板の搬送方向に対し以下の式に従う角度θ傾いていることを特徴とする鋼板の上下面均一冷却装置。
   cosθ＞ａ／Ｘ
   sinθ＞ａ／Ｙ
   ただし、
   ａ：冷媒衝突部の広幅方向に垂直な方向の幅
   Ｘ：鋼板の搬送方向に垂直な方向のノズル間隔
   Ｙ：鋼板の搬送方向のノズル間隔
2. 前記角度θが１５〜７０°であることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。
3. 前記広角噴射ノズル１本当たりの衝突部位の面積が１４〜１４０ｃｍ²であることを特徴とする請求項１または2に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。
4. 前記冷却媒体が衝突する部位の面積の総和が、拘束ロール対間の鋼板面積の４〜４０％であることを特徴とする請求項３に記載の鋼板の上下面均一冷却装置。

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