JP5546118B2 - コイル徐冷装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延鋼板の如き圧延材が圧延ラインから出てリール状に巻取られた後に発生する、鋼の変態に起因する異常変形を有効に防止することのできるコイル徐冷装置に関するものである。

帯状の圧延材をダウンコイラなどの巻き取り機によって巻き取る際、通常、帯板の長手方向に巻き取り張力を付与しながら巻き取る。この巻き取り張力はコイル内では半径方向の面圧として作用し、板間に摩擦力を発生させることで板のすべりを抑制し、コイルを巻き取った形状に保持することが可能である。
圧延材が通常の鋼材の場合、水冷手段で目標の巻き取り温度まで冷却する過程で変態は完了する。一方、高炭素鋼や近年開発が進んでいるハイテン鋼でＣ、Ｓｉ、Ｍｎを多く含む材料については、コイルに巻き取った時点では変態が完了しないか、もしくは変態がほとんど進行していないことが明らかになってきた。

コイルに巻き取った時点で変態が始まっていない場合、コイルの外側が先に冷える結果、変態による体積膨張でコイルの面圧が緩み、コイルが変形してしまう。このようなコイルの変形を防止する方法として、変形防止台（コイル置き台）が提案されている（特許文献１）。また、熱間圧延ラインにおいて巻き取ったコイルを保熱する熱延コイルの保熱装置が提案されている（特許文献２）。
特開昭５６−２３２３３号公報 特開平３−６０８０５号公報

ところで、本願発明者の知見によると、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎを多く含むハイテン鋼の場合、変態が進行して面圧が緩むのは巻き取り完了後から高々３０分程度以内であることが確認されている。この時点では、実際の熱間圧延ラインでは、コイルは熱延コイル搬送コンベアに配備される前、又は熱延コイル搬送コンベア上を移動している場合が多い。
そのため、例えば、特許文献１に開示された変形防止台にコイルを載置した場合には、変態が進行して面圧が緩んでしまいコイルが変形している可能性がある。すなわち、熱延コイル搬送コンベアや熱延コイル置場の変形防止台にコイルをセットしても、コイルはすでに変形しており、大きな効果は期待できない。

また、特許文献２に開示された保熱装置は、内部にヒータを入れるため高価であったり、大きなスペースを必要としたりする。また、徐冷を対象とするコイルが多く到着した場合にオーバーフローする可能性も大である。特に、本発明者の知見によると、変態に起因するコイルの変形防止の観点からは、恒温保持をする必要は少なく冷却速度を下げる（徐令する）だけで十分であるので、このような保熱装置はオーバースペックである。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、熱延ラインで巻き取られたコイルの変形を抑制し、生産性や歩留りの向上を図ることができる熱延巻き取り後のコイル冷却装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかるコイル徐冷装置は、熱間圧延された圧延材を巻回してなるコイルを次工程に搬送する搬送手段に設けられたコイル徐冷装置において、前記コイル徐冷装置は徐冷カバーを有し、前記徐冷カバーは、前記搬送手段上を搬送されるコイルの冷却速度を調整すべく前記搬送手段を覆うように設置されていることを特徴とする。
徐冷カバーを備えたコイル徐冷装置は、熱延コイル搬送コンベア上を搬送されるコイルの冷却速度を調整することができる。このとき、コイルの外周部における平均冷却速度が３３℃／ｈｒ以下の冷却速度でコイルが冷却されるように調整すると、比率耐荷重を０．６以上にできる。このように、比率耐荷重を０．６以上であると、コイルの変形は発生しない。この結果、熱延ラインで巻き取る際に生じているコイルの変形を抑制し、生産性や歩留りの向上を図ることができる熱延巻き取り後のコイル冷却装置を提供することができる。

好ましくは、前記徐冷カバーは、厚みδと熱伝導率λの比がδ／λ＞０．４９５［ｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］を満たす断熱材を有するとよい。
このように、徐冷カバーが、厚みδと熱伝導率λの比に関し、δ／λ＞０．４９５［ｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］を満たす断熱材を有することで、コイルの外周部における平均冷却速度が３３℃／ｈｒ以下の冷却速度でコイルが冷却されるようになる。
また、前記徐冷カバーは、放射率が０．０５以下の放射部材を有するとよい。
このように、徐冷カバーが放射率０．０５以下の放射部材を有することで、コイルの外周部における平均冷却速度を確実に３３℃／ｈｒ以下とすることができる。

より好ましくは、前記徐冷カバーの外面に前記断熱材が設けられ、前記徐冷カバーの内面に前記放射部材が設けられているとよい。
なお、本発明に係るコイル徐冷装置の最も好ましい形態は、熱間圧延された帯状の圧延材を巻回してなるコイルを次工程に搬送する搬送手段に設けられたコイル徐冷装置において、前記コイル徐冷装置は、断面略矩形でトンネル形状の徐冷カバーを有し、前記徐冷カバーは、前記搬送手段上を搬送されるコイルを覆うように設置され、且つ前記コイルの外周の冷却速度を３３℃／ｈｒ以下にすべく、厚みδと熱伝導率λの比がδ／λ＞０．４９５［ｍｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］を満たす断熱材と、放射率が０．０５以下の放射部材とを有することを特徴とする。
好ましくは、前記徐冷カバーは、前記搬送手段上であって、温度が４００〜６００℃のコイルが通過する領域及び／又は巻き取り完了直後から３０分以内のコイルが通過する領域に配設されるとよい。

本発明によると、熱間圧延された圧延材を巻回してなるコイルの変形を抑制し、生産性や歩留りの向上を図ることができるコイル徐冷装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に、本発明の実施形態に係る冷却方法が行なわれる熱間圧延ラインの概略を示す。この図に示すように、連続圧延機や水冷手段１Ａを備えた熱間圧延ライン１で圧延された熱延コイル３は、通常４００〜６００℃程度の温度においてダウンコイラ２（巻き取り機）で巻き取られた後、熱延コイル搬送コンベア４（搬送手段）により熱延コイル置場５に搬送されて、そこで室温まで冷却される。この間、熱延コイル３の内部に温度分布は変化し、これによって熱延コイル３内の面圧は変化していく。なお、熱延コイル搬送コンベア４においては、コイル置き台３１上に熱延コイル３が載置されて搬送される。

本実施形態の熱延コイル搬送コンベア４には、図２に示すように断面略矩形でトンネル形状の徐冷カバー１１が設けられている。この徐冷カバー１１は、その外壁面に断熱材１１Ａが設けられ、その内壁面に、金属板やセラミック板などからなる放射部材１１Ｂが設けられている。
これら徐冷カバー１１の断熱材１１Ａの厚み、内壁面に設けられた放射部材１１Ｂの放射率などに関しては、まず、断熱材１１Ａは、その厚みδと熱伝導率λの比がδ／λ＞０．４９５［ｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］を満たすものとなっている。放射部材１１Ｂは、その放射率が０〜０．０５の範囲を満たすものとなっている。

こうすることで、熱延コイル搬送コンベア４を搬送される熱延コイル３の外周の冷却速度を、確実に３３℃／ｈｒ以下にすることができる。
なお、熱延コイル３に対する徐冷カバー１１の大きさは、後述する伝熱計算の形態係数の中に含まれるものとなっており、当業常識の範囲内にある大きさ（少なくとも熱延コイル３を覆うことができ、且つ他の設備に非干渉である寸法）であれば、冷却速度を確実に３３℃／ｈｒ以下にすることができる。
また、熱延コイル３外周の変態が進むのは、冷却開始のごく早いタイミング（１０〜２０分前後)であることを、本願発明者らは知見していることから、徐冷カバー１１の設置長さに関しては、熱延コイル搬送コンベア４の先端部から冷却後１０〜２０分前後のコイルが存在する位置とするとよい。より好ましくは、熱延コイル搬送コンベア４の全区間に亘り設けるとよい。

以上述べた熱延巻き取り後のコイル徐冷装置を用いることで、高炭素鋼又はＣ、Ｓｉ、Ｍｎを多く含む材料を熱延ラインで巻き取る際に生じているコイルの変形を抑制し、生産性や歩留りの向上を図ることができる。
次に、徐冷カバー１１の断熱材の特性、放射部材１１Ｂの放射率の決定方法について、述べる。
高炭素鋼や強度クラスの高いハイテン鋼の開発が進む中で、水冷手段１Ａでの冷却ではほとんど変態が進まず（変態が未完了で）、むしろ、熱延コイル３に巻き取られて以降の冷却過程で変態が進む場合があることを本願発明者らは知見している。熱延コイル３に巻き取られた時点でほとんど変態が進んでいない場合、温度が下がるに従って、変態による体積膨張が起こる。熱延コイル３は外周側から冷えていくため、外周側から変態が進む。すると、外周側で体積膨張が起こるため、熱延コイル３の面圧が下がり熱延コイル３の巻き状態が緩むことになる。

そこで、本願発明者らは、巻き取り直後から４時間後までに間の熱延コイル３の外周部における平均冷却速度を３〜６０℃／ｈｒ程度の範囲で変化させて、熱延コイル３の比率耐荷重の最小値を求めた。比率耐荷重とは、巻き取り時点での熱延コイル３の耐荷重に対する、当該時間の熱延コイル３の耐荷重の比のことである。また、耐荷重とは、自重あるいは段積みによって熱延コイル３に外力が作用したときに、熱延コイル３が変形することなく初期の形状を保つことのできる荷重のことである。
その結果、熱延コイル３の比率耐荷重の最小値が０．５程度であれば熱延コイル３の変形は許容範囲内で抑えられ、熱延コイル３の比率耐荷重の最小値が０．６程度であれば熱延コイル３は変形しないことを知見するに至った。そこで、０．５以上好ましくは０．６以上を比率耐荷重の許容範囲とし、熱延コイル３の許容冷却速度を求めると、熱延コイル３の外周の平均冷却速度（最初の４時間における）は、４０℃／ｈｒ以下であって、より好ましくは３３℃／ｈｒ以下である。

なお、許容範囲とは、次工程で熱延コイル３がマンドレルに装着可能でき、次工程の作業に支障をきたさない状況をいう。
以上のことを鑑み、本実施形態に係る徐冷装置を構成する徐冷カバー１１は、熱延コイル３の外周の平均冷却速度が３３℃／ｈｒ以下を満足するように設定する。すなわち、熱延コイル３の巻き取り時に変態が開始していない場合であっても、コイルの外周の冷却速度が３３℃／ｈｒ以下であれば、変態による体積膨張による熱延コイル３の緩みはほとんどなく熱延コイル３はつぶれない。

次に、かかる冷却速度以下となるような徐冷カバー１１の断熱材の厚み、壁面をシールする放射部材１１Ｂの放射率の決定方法について述べる。
具体的には、熱延コイル３と徐冷カバー１１との間における伝熱状況を考える。
図３に、熱延コイル３と徐冷カバー１１との間における伝熱状況をモデル化したものを示す。
熱延コイル３の上投影面３Ａ（上面）からの見かけの放射熱流束Ｊ₁が、天井壁面１１Ｃからの入射熱流束Ｇ₁と熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁との和に等しいから、式（１）が成り立つ。また、熱延コイル３の上投影面３Ａからの見かけの放射熱流束Ｊ₁は、温度Ｔ₁である上投影面３Ａからの放射と、入射熱流束の反射（１一ε₁）×Ｇ₁の和に等しいから、式（２）が成り立つ。

式（１），式（２）から、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁は、式（３）の如く表される。

また、熱延コイル３の上投影面３Ａと徐冷カバー１１の天井壁面１１Ｃとの放射の交換から、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁は、式（４）のように表わされる。

ここで、Ｆ₁₂は熱延コイル３の上投影面３Ａと天井壁面１１Ｃとの形態係数である。この形態係数は、「ある面から射出された全放射熱流量」に対する「ある面から射出し対向する別の面に到達した放射熱流量」の比であって、それらの面の面積、距離、対向する角度の関数として表される。
式（３），式（４）より、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁を消去すると、式（５）が得られる。
徐冷カバー１１の天井壁面側についても同様に、熱流束のバランスおよび熱延コイル３の上投影面３Ａとの放射の交換を考えると、式（６）が導かれる。

式（５），式（６）から、熱延コイル３の温度Ｔ₁と天井壁面１１Ｃの温度Ｔ₂とを与えると、見かけの放射熱流束Ｊ₁，Ｊ₂が求められ、式（３）に代入することで、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁、同様に天井壁面１１Ｃを通過する熱流束Ｑ₂が決まる。一方、断熱材１１Ａの外側の周囲温度をＴ_3f及び外壁での熱伝達率をα₃とすると、定常熱伝導の場合には天井壁面１１Ｃを通過する熱流束Ｑ₂と天井壁面１１Ｃの温度Ｔ₂との間に式（７）の関係が成り立つ。

そこで、天井壁面１１Ｃの温度Ｔ₂を仮定して、式（３）と式（７）とから、天井壁面１１Ｃを通過する熱流束Ｑ₂を求め、両者が一致するような壁面の温度Ｔ₂を収束計算によって決めることができる。このようにして決められる天井壁面１１Ｃの温度Ｔ₂を用いて、熱延コイル３、徐冷カバー１１、周囲の雰囲気で構成される系について、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁、同様に天井壁面１１Ｃを通過する熱流束Ｑ₂を正しく求めることができる。熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁が決定されれば、熱延コイル３の冷却速度を計算することができる。

熱延コイル３の垂直投影面３Ｂと側壁面１１Ｄとの放射伝熱についても同様に考えて、垂直投影面３Ｂを通して流れる熱流束Ｑ₁’を計算することができる。熱延コイル３の冷却速度は、熱延コイル３の上投影面３Ａを通過する熱流束Ｑ₁と、垂直投影面３Ｂを通して流れる熱流束Ｑ₁’とから決まる。
以上の考え方に基づいて、壁面の断熱材１１Ａの厚みδ₃と、壁面をシールする放射部材１１Ｂの放射率ε₂をパラメータにとって、熱延コイル３の冷却速度に与える影響を調べた。なお、本実施の形態の場合、式（７）から示唆されるように、壁面の厚みδ₃と壁面を構成する材料の熱伝導率λ₃の比が一定であれば、求める結果は同じ結果となるので、δ₃／λ₃と放射率ε₂をパラメータにとって、熱延コイル３の冷却速度に与える影響を調べた。

まず、徐冷カバー１１の内壁面に設けられた放射部材１１Ｂの表面の放射率ε₂を仮に１．０として、δ₃／λ₃が熱延コイル３の冷却速度に与える影響を解析した。その結果、図４に示すように、式（８）の範囲内であれば、熱延コイル３の外周の冷却速度は、この熱延コイル３がつぶれない冷却速度の上限である３３℃／ｈｒ以下となる。

さらに、断熱材１１Ａの内側、すなわち徐冷カバー１１の内壁面に放射率ε₂の低い放射部材１１Ｂをシールする場合について、放射率ε₂と熱延コイル３の外周の冷却速度の関係を調べた。
図５に示すように、放射部材１１Ｂの放射率ε₂が小さくなると、熱延コイル３からの放熱が低放射率の放射部材１１Ｂによって反射される割合が増えるため、熱延コイル３の冷却速度は小さくなる。δ₃／λ₃＝０．２［ｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］とした場合には、熱延コイル３の冷却速度を上限の３３℃／ｈｒ以下にするためには、放射部材１１Ｂの放射率ε₂が０．０５０以下であればよい。

さらに、冷却速度を３３℃／ｈｒ以下にすることができる放射部材１１Ｂの放射率の上限値ε₂ ^upを、種々のδ₃／λ₃に対して計算した結果を図６に示す。この図６より、壁面をシールする放射部材１１Ｂの放射率ε₂を０．０５以下にすると、断熱材の厚みδ₃や熱伝導率λ₃によらないで、熱延コイル３の外周の冷却速度を３３℃／ｈｒ以下にすることができる。
以上のようにして、本実施形態に係る熱延巻き取り後のコイル冷却装置（熱延コイルコンベアに徐冷カバーを設けた装置）によると、高炭素鋼又はＣ、Ｓｉ、Ｍｎを多く含む材料を熱延ラインで巻き取る際に生じているコイルの変形を抑制し、生産性や歩留りの向上を図ることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

熱間圧延ラインの概略を示す図である。 熱延コイル搬送コンベアを覆う徐冷カバーの構造を示す図である。 熱延コイルと徐冷カバーとの間の伝熱状況を示す図である。 （断熱材の厚み／熱伝導率）と熱延コイル外周の冷却速度との関係を示す図である。 放射部材の放射率と熱延コイル外周の冷却速度との関係を示す図である。 （断熱材の厚み／熱伝導率）と放射率の上限値との関係を示す図である。

符号の説明

１ 熱間圧延ライン
２ ダウンコイラ
３ 熱延コイル
４ 熱延コイル搬送コンベア
５ 熱延コイル置場
１１ 徐冷カバー
１１Ａ 断熱材
１１Ｂ 金属板
３１ コイル置き台

Claims (3)

1. 熱間圧延された帯状の圧延材を巻回してなるコイルを次工程に搬送する搬送手段に設けられたコイル徐冷装置において、
   前記コイル徐冷装置は、断面略矩形でトンネル形状の徐冷カバーを有し、
   前記徐冷カバーは、前記搬送手段上を搬送されるコイルを覆うように設置され、且つ前記コイルの外周の冷却速度を３３℃／ｈｒ以下にすべく、厚みδと熱伝導率λの比がδ／λ＞０．４９５［ｍｍ／ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃）］を満たす断熱材と、放射率が０．０５以下の放射部材とを有する
   ことを特徴とするコイル徐冷装置。
2. 前記徐冷カバーの外面に前記断熱材が設けられ、前記徐冷カバーの内面に前記放射部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコイル徐冷装置。
3. 前記徐冷カバーは、前記搬送手段上であって、温度が４００〜６００℃のコイルが通過する領域及び／又は巻き取り完了直後から３０分以内のコイルが通過する領域に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル徐冷装置。
   

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