JP5326626B2

JP5326626B2 - 連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置

Info

Publication number: JP5326626B2
Application number: JP2009029398A
Authority: JP
Inventors: 玄太郎武田; 弘和小林; 秀行高橋; 洋一宮川; 孝二舞嶽
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010185101A

Description

本発明は、連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置に関するものである。

連続焼鈍炉設備は、鋼帯を連続的に加熱・均熱および冷却し、必要により過時効処理する工程を備えている。鋼帯の特性を所望のものにするためには、加熱温度や均熱時間のほかに、その鋼帯を均一に急速冷却することが重要である。近年、自動車用材料等のハイテン開発が進行し、所望の引っ張り強度、曲げ特性、伸び特性等を実現するために焼鈍温度９００〜８００℃から３００〜１５０℃程度の温度まで急冷するようなプロセス開発が行われている。

鋼帯の冷却に用いる冷媒には、各種の冷媒が採用されており、この冷媒の選択によって鋼帯の冷却速度が異なってくる。

水を冷媒として用いる場合、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、焼き入れ歪によって鋼帯の形状変化が発生することが最大の難点であり、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り、高経済性・高生産性は望めない設備である。

ロールの内部に水またはその他の冷媒を通してロールを冷却し、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。この方法では、冷却ロールに接する際に、局部的に非接触となる部分が存在し、鋼帯の幅方向の冷却が不均一となりやすく、蛇行や材質バラツキ等の操業および材質上の問題が多かった。

別の冷却手段としてガスを冷媒とする冷却方法が実用化されている。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、比較的鋼帯の幅方向の均一な冷却が可能である。このガス冷却の最大の難点である冷却速度を上げるため、箱状のヘッダーにガスを噴射する細長い突出ノズルを取りつけ、先端を鋼帯に極力近づけて熱伝達率を上げて冷却速度を上げるものが特許文献１に開示されている。

特開２００５−１４６３７３号公報

しかし、本発明者らが検討したところによれば、特許文献１の方法では、ノズルから噴射したガスが鋼帯上を流れるかヘッダー側に跳ね返ってくるようになるが、箱状のヘッダーを設置しているために、ガスが滞留しやすい構造になっているため、炉内ガス温度が上がりやすく、所望の冷却能力を得ることができなかった。この現象は、噴射ガス圧力が高いほどその影響が大きいこともわかってきた。また、この箱状ヘッダーは、鋼帯からの輻射熱を受けて温度が上がりやすく、トータルの冷却能力が低下する問題があった。また、突出ノズル長さが１５０〜２００ｍｍと長いために、ダストによるノズル詰まりが発生しやすく、冷却むらが発生してしまうため、定期的に炉を開放した形でのノズル清掃を実施する必要があった。

本発明は、上記問題点を改善して、冷却能力を向上し、また冷却ムラの発生を防止できる連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の手段は、以下のとおりである。

［１］鋼帯幅方向に延在してその長さが鋼帯幅よりも長い管状のノズルヘッダーが、鋼帯進行方向に複数個配置され、該ノズルヘッダーの鋼帯対向側に、ガス噴射口が、鋼帯巾方向に等ピッチで複数配置された連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置であって、
鋼帯から該ノズルヘッダー表面までの距離Ｌ、ガス噴射口の孔径Ｄ、ガス噴射口の鋼帯巾方向のピッチＰｗおよびノズルヘッダーの鋼帯進行方向のピッチＰｌは、Ｌが５０〜１２０ｍｍの範囲内にあり、かつ、３≦Ｌ／Ｄ≦７、２．５≦Ｐｗ／Ｄ≦９および２．５≦Ｐｌ／Ｄ≦９の関係を満たすことを特徴とする連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置である。

［２］複数個連結して配置されたノズルヘッダーは鋼帯進行方向に複数連結して配置され、隣り合うノズルヘッダーの鋼帯進行方向隙間の総開口面積Ａｂと複数のノズルヘッダーのガス噴射口の総開口面積Ａｎｚが、Ａｂ／Ａｎｚ≧１０の関係を満たすことを特徴とする［１］の連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置である。

［３］ノズルヘッダー１本当たりのガス噴射口の総開口面積Ａｎと該ノズルヘッダーの断面積Ａｈが、Ａｈ／Ａｎ≧０．６の関係を満たすことを特徴とする［１］または［２］の連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置である。

［４］ノズルヘッダーのガス噴射口の孔径は、ガス供給側に近い側に配置されているガス噴射口の孔径が、それ以外に配置されているガス噴射口の孔径より大きいことを特徴とする［１］〜［３］のいずれかの連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置である。

本発明によれば、高冷却速度を得るためにノズルからのガス噴出速度を速くしても、冷却帯のガス循環を促進することで、ノズル冷却能力を最大限に発揮し、高効率冷却を達成することができる。また、ダストによるノズル詰まりの問題もない。

本発明のガスジェット冷却装置の一実施形態を示す縦断面図である本発明のガスジェット冷却装置の一実施形態を示す正面図である本発明のガスジェット冷却装置を備える連続焼鈍炉の冷却帯の一実施形態を示す縦断面図である。本発明のガスジェット冷却装置を備える連続焼鈍炉の冷却帯の一実施形態を示す図で、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。本発明のガスジェット冷却装置の冷却性能について示す図である本発明のガスジェット冷却装置の冷却性能について示す図である本発明のガスジェット冷却装置の冷却性能について示す図である本発明のガスジェット冷却装置の冷却性能について示す図である本発明のガスジェット冷却装置の別の実施形態を示す縦断面図である本発明のガスジェット冷却装置の別の実施形態を示す縦断面図である

以下に、本発明の実施形態に係るガスジェット冷却装置を備える連続焼鈍炉の冷却帯の実施形態について、図１〜図８を用いて具体的に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るガスジェット冷却装置を備える連続焼鈍炉の冷却帯の要部を示す縦断面図である。図３において、１は冷却帯、２〜４はロール、５、６は押さえロール、７〜１０はガスジェット冷却装置である。

図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図で、ガスジェット冷却装置７の要部を示す。図４において、１１は冷却帯１の炉殻、１２は鋼帯、２１は送風機、２２はガスヘッダー、２３はノズルヘッダー、２４は送風機２１から導出される冷却用ガス（冷媒）をガスヘッダー２２に移送する配管、２５は冷却帯１内のガスを送風機２１に戻す配管である。

冷却帯１は、単数の温度制御ゾーンまたは複数の温度制御ゾーンからなる。本実施形態では４ゾーンからなる。各ゾーン毎に、鋼帯表裏の各々に、鋼帯幅方向に延在し、その長さが鋼帯幅よりも長い管状のノズルヘッダー２３が、鋼帯進行方向に、直列に複数個配置される。ガスヘッダー２２は、鋼帯表裏の各々の鋼帯幅方向の側方に配置されている。ノズルヘッダー２３の鋼帯幅方向の両側の各端部は、各々の側に配置されているガスヘッダー２２に連結されている。該ノズルヘッダー２３の鋼帯対向側に、ガス噴射口（以下、本明細書では、ノズルとも記載する。）が、鋼帯巾方向に等ピッチで複数配置されている。

なお、以下の説明において、ノズルヘッダー２３の幅方向は鋼帯幅方向、長手は鋼帯進行方向である。ガスヘッダー２２の長手方向は鋼帯進行方向である。

送風機２１から送気される冷却ガスは、配管２４、鋼帯幅方向の側方に配置された各ガスヘッダー２２を経て、ノズルヘッダー２３の両方の端部からノズルヘッダー２３内に送られ、開口形状が円形のノズルから鋼帯に噴き付けられる。

冷却ガスは、Ｎ_２、Ｈ_２あるいはその混合ガス等が用いられる。冷却ガスは、送風機２１を用いて送風する。送風機２１には、通常ファンを用いる。冷却ガスは、炉内ガスを内部循環させてもいいし、外部からガスを引き込んでもかまわない。炉内ガスを内部循環させるときは、ガスの循環系統に、炉内から引き出した炉内ガスを所定温度に冷却する冷却手段を設置する必要がある。冷却手段は公知のものを使用できる。

本実施形態では、炉内ガスを配管２５から引き出し、図示されていない冷却手段で引き出した炉内ガスを所定温度に冷却し、送風機２１を用いて冷却したガスを配管２４に導出する。

この冷却帯１では、焼鈍後の９００〜６００℃程度の鋼帯を、５５０〜２００℃程度の温度まで冷却する。冷却ガスの温度は、通常４０〜１２０℃で、低いほど冷却効果が高まるので望ましい。

図１は、本発明のガスジェット冷却装置の一実施形態を示す縦断面図である。図２は、本発明のガスジェット冷却装置の一実施形態を示す正面図で、ノズルヘッダー２３を鋼帯側から見た図である。

ノズルヘッダー２３は、鋼帯進行方向に直列に複数個配置されている。ノズルヘッダー２３は断面が円管形状で、鋼帯１２からノズルヘッダー２３表面までの距離がＬ、ノズルヘッダー２３の鋼帯進行方向のピッチがＰｌである。ノズルヘッダー２３の鋼帯対向側に、鋼帯巾方向に等ピッチでノズル２６が複数配置されている。ノズル２６の直径がＤ、ノズル２６の鋼帯幅方向のピッチがＰｗである。鋼帯の幅方向温度ムラを低減するため、図２に示すように、ノズルの噴射ガスが通過する鋼帯表面に満遍なくあたるように隣り合うノズルヘッダー２３同士のノズル２６の位置をノズルピッチＰｗ以下の寸法ずつずらしておくことが望ましい。

このような形態において、最適なノズルの配置、ノズルの口径について、オフラインの冷却装置にて実験的検討を行った。具体的には、幅１．５ｍ、長さ２ｍの冷却ゾーンに種々のパターンのノズルヘッダーを設け、その冷却ゾーン内に高温鋼板を置いて冷却し、冷却能力を評価した。尚、ノズルヘッダー〜鋼帯距離Ｌの現実的な実施範囲は５０〜１２０ｍｍであるので、本実験では、この範囲内に限定した検討を行った。まず、ノズル径Ｄに対するノズルヘッダー〜鋼帯距離Ｌの影響を図５に示す。縦軸の「冷却能力」は、冷却実験によって得られた冷却履歴から、ノズル直下部とノズル中間位置との平均でみた単位面積当たりの熱伝達係数を各々のケースについて算出し、投入したガス風量当たりの冷却能力が最大になったときの冷却能力を１として比率に換算した値である。

Ｌ／Ｄには最適値がある。Ｌ／Ｄが最適値より大きくなると冷却能力が低下傾向となる。Ｌ／Ｄが最適値より小さくなると、ノズル径Ｄが大きい場合は、ガス風量が多くなって非効率となり、ノズルヘッダー〜鋼帯距離Ｌが小さくなると隣り合うノズル同士の間隔が広がって、平均的な冷却能力として低下傾向となり、何れの場合も冷却能力が低下する。最大冷却能力の９０％以上の冷却能力を確保するという観点から、Ｌ／Ｄの好適範囲は３≦Ｌ／Ｄ≦７であり、４≦Ｌ／Ｄ≦６がより好ましい。

ノズルピッチＰｗ、ノズルヘッダーピッチＰｌについても検討を行った。結果は図６に示す通りで、ノズルピッチＰｗ、ノズルヘッダーピッチＰｌを小さくしてガス噴射口（ノズル）の配置密度を高くしても冷却能力は頭打ちになることがわかった。したがって、２．５≦Ｐｗ／Ｄ≦９、２．５≦Ｐｌ／Ｄ≦９が好適範囲である。３≦Ｐｗ／Ｄ≦７、３≦Ｐｌ／Ｄ≦７がより好ましい。

上記のようなノズル配置を実現しようとすると、構造的に容易なのは、特許文献１のように鋼帯進行方向に複数列のノズルを配置可能な、一つの大きな箱状ヘッダーを用いることである。しかしこの形式では、前述の通り、ガスが滞留しやすい構造になっているため、炉内ガス温度が上がりやすく、所望の冷却能力を得ることができない。この現象は、噴射ガス圧力が高いほど（風量が多いほど）その影響が大きい。また、この箱状ヘッダーは、鋼帯からの輻射熱を受けて温度が上がりやすく、トータルの冷却能力が低下する問題もある。

そこで、箱状ヘッダーの構造を採用しないで、一列のノズル列に対して１本のノズルヘッダーを持つ形式にし、ノズルヘッダー間の隙間を変更して上述の問題が解消される範囲を検討した。ノズルヘッダー間に隙間を設けることで、冷却ガスの循環を促進し、滞留を防止することで、冷却能力の低下を防止できる。その結果を図７に示す。鋼帯進行方向に該ノズルヘッダーが複数個連結された冷却装置（１冷却ゾーン）において、該ノズルヘッダー間の隙間の総開口面積Ａｂと該冷却装置内のノズル総開口面積Ａｎｚが、Ａｂ／Ａｎｚ≧１０の範囲であれば冷却能力の低下が見られなかった。

また、上記検討の際、ノズル径Ｄを大きくするとノズルヘッダーの幅方向に冷却能力に差が出て、両エッジ部の冷却能力が低下するケースが見られた。ただし、このときはノズルヘッダーの両端からガスを供給する形式としていた。さらに調査したところ、ノズルヘッダーの断面積が小さいと、このような分布が発生することがわかった。同様の検討を実施したところ、図８に示す結果が得られた。ノズルヘッダー１本の断面積Ａｈとノズルヘッダー１本当たりのノズル総開口面積Ａｎの関係は、Ａｈ／Ａｎ≧０．６であれば５％の能力低下に抑えることが可能あり、好適範囲であるといえる。Ａｈ／Ａｎ≧１．５とすればさらに望ましい。このように極力Ａｈ／Ａｎを大きくするには、ノズルヘッダーの断面形状は円形である必要はなく、図９、図１０に示すように直方型や台形型等にして断面積を確保してもよい。ノズルヘッダーの断面形状はこれらに限るものではない。

同一ノズルヘッダー内で巾方向に冷却能力差が発生する場合、冷却能力が低下する部位のノズル径を大きくすることで、巾方向の均一性を保持することも可能である。上述したように例えば、ノズルヘッダー両端からガス供給する形態では、センター部より両端部の方が冷却能力が低下するので、両端部のノズル径を大きくし、片端部からのみガスを供給する場合は、供給側のノズル径を大きくする。ノズル径の拡大率は、およそ５〜２０％とすればよい。

連続溶融亜鉛鍍金ラインの均熱帯後の冷却帯に、図１および図２に示したノズルを有するノズルヘッダーを備えた冷却装置を設置し、高張力鋼帯の製造実験を行った。ガスヘッダー圧力は５ｋＰａとし、冷却ガスは内部循環方式で、水冷式熱交換器で冷却した。熱交換器出側ガス温度は５０〜６０℃であった。

本発明の実施例の冷却帯仕様は、下記のようにした。
・ノズルヘッダー：断面円形８０Ａ相当
・ノズルヘッダーの長手方向ピッチ（Ｐｌ）：１３０ｍｍ
・ノズル径（Ｄ）：φ２２、ピッチ（Ｐｗ）：１００ｍｍ、ノズルヘッダー１本あたり１７個（有効鋼帯幅１６００ｍｍ）
・ノズル（ノズルヘッダー）〜鋼帯距離（Ｌ）：１００ｍｍ
・１冷却ゾーンのノズルヘッダー数：５１本
・冷却ゾーン数：４
以上より冷却帯仕様パラメータはそれぞれ、
Ｌ／Ｄ＝４．５
Ｐｗ／Ｄ＝４．５
Ｐｌ／Ｄ＝５．９
Ａｂ／Ａｎｚ＝１０．５
Ａｈ／Ａｎ＝０．８
である。

一方従来例として、特許文献１の記載に基づいた冷却ノズルを下記のように配置した。
・ノズルヘッダー（冷却箱）：幅１７００ｍｍ×長さ（鋼帯進行方向長さ）７０００ｍｍ（１冷却ゾーン分）
・突出ノズル：出口径（Ｄ）：φ２０、ノズル長２００ｍｍ、幅方向４０個（ピッチ（Ｐｗ）：４０ｍｍ）、長手方向２５列（ピッチ（Ｐｌ）：２７０ｍｍ）
なお、突出ノズルのノズル先端の開口面積の総和が冷却箱の表面積の２〜４％内に入るように配置した。
・ノズル〜鋼帯距離（Ｌ）：１００ｍｍ
・冷却ゾーン数：４
以上より冷却帯仕様パラメータはそれぞれ、
Ｌ／Ｄ＝５
Ｐｗ／Ｄ＝２
Ｐｌ／Ｄ＝１３．５
Ａｂ／Ａｎｚ＝０
である。

上記冷却設備にて実際に通板した結果を表１に示す。通板する鋼帯は板厚１．２ｍｍ、板幅１４００ｍｍである。

実施例１では従来例よりも冷却速度が大きく取れるため、冷却帯出側温度も１２０℃近く低くなった。ただし、幅方向温度偏差が１８℃とやや大きく、材料によっては特性むらが発生する可能性がある。そこで、実施例２では。両エッジ部の３個分のノズル径をφ２６ｍｍとした。その結果、温度偏差を４℃まで抑えることが可能となった。

本発明のガスジェット冷却装置によれば、冷却能力を向上し、また冷却ムラの発生を防止できるガスジェット冷却装置を提供することができるので、連続焼鈍炉の冷却帯に配置されるガスジェット冷却装置として利用することができる。

１冷却帯
２〜４ロール
５、６押さえロール
７〜１０ガスジェット冷却装置
１１冷却帯の炉殻
１２鋼帯
２１送風機
２２ガスヘッダー
２３、２３ａ、２３ｂノズルヘッダー
２４、２５配管
２６、２６ａ、２６ｂガス噴射口（ノズル）

Claims

鋼帯幅方向に延在してその長さが鋼帯幅よりも長い管状のノズルヘッダーが、鋼帯進行
方向に複数個配置され、該ノズルヘッダーの鋼帯対向側に、ガス噴射口が、鋼帯巾方向に
等ピッチで複数配置された連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置であって、
鋼帯から該ノズルヘッダー表面までの距離Ｌ、ガス噴射口の孔径Ｄおよびガス噴射口の鋼帯巾方向のピッチＰｗは、Ｌが５０〜１２０ｍｍの範囲内にあり、かつ、３≦Ｌ／Ｄ≦７および２．５≦Ｐｗ／Ｄ≦９の関係を満たし、
さらに、ガス噴射口の孔径Ｄおよびノズルヘッダーの鋼帯進行方向のピッチＰｌが、２．５≦Ｐｌ／Ｄ≦９の関係を満たすことを特徴とする連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置。
複数個連結して配置されたノズルヘッダーは鋼帯進行方向に複数連結して配置され、隣
り合うノズルヘッダーの鋼帯進行方向隙間の総開口面積Ａｂと複数のノズルヘッダーのガ
ス噴射口の総開口面積Ａｎｚが、Ａｂ／Ａｎｚ≧１０の関係を満たすことを特徴とする請
求項１に記載の連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置。
ノズルヘッダー１本当たりのガス噴射口の総開口面積Ａｎと該ノズルヘッダーの断面積Ａｈが、Ａｈ／Ａｎ≧０．６の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置。
ノズルヘッダーのガス噴射口の孔径は、ガス供給側に近い側に配置されているガス噴射
口の孔径が、それ以外に配置されているガス噴射口の孔径より大きいことを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載の連続焼鈍炉のガスジェット冷却装置。