JP5597916B2 - 鋼材の冷却設備 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の冷却設備に関するものである。

熱間圧延によって厚板や薄板などの鋼板を製造するプロセスでは、例えば図１５に示すような設備において、熱間粗圧延・仕上圧延を行った後、水冷または空冷を行って組織を制御している。水冷によって比較的低い温度、例えば４５０〜６５０℃程度に冷却すると、微細なフェライトやベイナイト組織が得られ、鋼板の強度を確保できるので、スプレー冷却水やラミナー冷却水などによって鋼板を冷却する技術が一般的である。また近年では、高い冷却速度を得て組織をより微細化し、鋼板の強度を上げる技術の開発が盛んである。

例えば、大量の棒状冷却水を供給して熱鋼板を冷却する技術として特許文献１や特許文献２の技術がある。これは、鋼板の上下面に多数設置したノズルから冷却水を高速で噴射するものであり、非常に高い冷却速度を得ることができ、材料特性に優れた製品を製造出来るとされている。

また、冷却水を供給して熱鋼板を冷却する別の技術として、特許文献３の技術がある。これは、ノズルから噴射した冷却水を鋼板とロールと側壁とで囲まれる領域に充満させてプールを形成するものであり、定常的な冷却状態となって幅方向の冷却むらを低減することができるとされている。
特開２００２−２３９６２３号公報 特開２００４−６６３０８号公報 特開２００６−３５２３３号公報

しかしながら、従来の技術は、冷却能力や冷却均一性の確保に問題があった。

特許文献１および２の技術は、冷却水ヘッダと熱延鋼帯との間に設けられる保護板の１つの孔またはスリットを、複数の冷却ノズルから噴射した冷却水が通過するとともに、鋼帯に供給された冷却水が同じ孔またはスリットから排出されるものである。すなわち、噴射口と排水口の機能が共存するから、図１３に示すように冷却排水の流れはノズル先端から噴射される棒状冷却水にとって逆流であり、流動抵抗となっていた。

また、鋼板に到達した後の排出水はお互いにぶつかり合って上昇し、ノズル口と兼用である排水口に到達するまでに流路が曲げられるので、この部分が淀みとなって、排出水の円滑な流れが妨げられていた。このように、特許文献１および２の技術では、鋼帯表面へ供給された冷却水の円滑な排出にやや難があることがわかった。従って、冷却水が確実に鋼板に届くようにするためには、ヘッダに高い噴射圧力をかけて、冷却水を高速噴射しなければならないため設備費がかかるという問題がある。

また、スリット状の孔を開けると、保護板のスリット間の部分は細い板状となるため、この部分の剛性が低下し、反った鋼板が冷却設備に進入して衝突した場合、設備を損傷する危険性もある。従って、冷却処理する鋼板の板厚が２〜３ｍｍでは問題ないが、１５ｍｍ以上になると設備損傷を防止するために板厚が厚い保護板を使用しなければならないのでスリットの加工が難しくなるという問題もある。

さらに、大きさが異なるスリット状の孔を開けると、ノズルの位置によって流動抵抗が異なるため鋼板の幅方向に冷却温度むらが発生するという問題も生じる。

特許文献３の技術は、鋼板上面に供給された冷却水が鋼板とロールと側壁とで囲まれた空間でプールを形成し、上方に抜けていく構造となっているので、該空間に冷却水が充満するには時間がかかるため、鋼板の先端数ｍの範囲では、冷却水の状態が非定常となり、鋼板長手方向の冷却温度むらや反りが発生し易いという問題がある。

また、特許文献３の技術では、側壁を設けない場合についても記載されているが、この場合には、図１７に点線矢印で示すように、ガイド板上を排出水が幅方向端部へ向けて流れることとなる。ここで、特許文献３の技術では、冷却ノズルの先端はガイド板よりも上方にあるから、排出水の幅方向流れが冷却ノズルから噴射される冷却水と干渉してしまう。

この幅方向流れは鋼板幅方向端部ほど多くなるため、干渉は鋼板幅方向端部側ほど強くなり、冷却ノズルから噴射される冷却水の一部または全部が鋼板上面に到達することができなくなるので、幅方向に均一な冷却を行うことが難しい。

本発明は、上記に鑑み、鋼材の表面に冷却水を供給する場合において、高熱伝達率で均一に冷却する技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

第一の発明は、鋼材の熱間圧延ラインに設置される鋼材の冷却設備であって、鋼材の表面に冷却水を供給するヘッダと、該ヘッダから伸長した冷却水噴射ノズルと、前記鋼材と前記ヘッダとの間に設置される隔壁とを備えるとともに、前記隔壁には、前記冷却水噴射ノズルの先端部を内挿する給水口と、前記鋼材の表面に供給された冷却水を前記隔壁の背面へ排水する排水口とが、多数設けられるとともに、前記排水口は、隣り合う前記給水口同士を結ぶ３本の線分からなる三角形の外心または前記三角形の各辺の２等分点に配列されていることを特徴とする鋼材の冷却設備である。

第二の発明は、鋼材の熱間圧延ラインに設置される鋼材の冷却設備であって、鋼材の表面に冷却水を供給するヘッダと、該ヘッダから伸長した冷却水噴射ノズルと、前記鋼材と前記ヘッダとの間に設置される隔壁とを備えるとともに、前記隔壁には、前記冷却水噴射ノズルの先端部を内挿する給水口と、前記鋼材の表面に供給された冷却水を前記隔壁の背面へ排水する排水口とが、多数設けられるとともに、前記排水口は、隣り合う前記給水口同士を結ぶ４本の線分からなる四角形の重心または前記四角形の各辺の２等分点に配列されていることを特徴とする鋼材の冷却設備である。

第三の発明は、隔壁に設けられた排出口の総断面積を冷却水噴射ノズルの総断面積の１．５倍以上とすることを特徴とする第一または第二の発明に記載の鋼材の冷却設備である。

第四の発明は、隔壁に設けられた給水口に内挿した冷却水噴射ノズルの外周面と前記給水口の内面との隙間を３ｍｍ以下とすることを特徴とする第一乃至第三の発明のいずれかに記載の鋼材の冷却設備である。

第五の発明は、冷却水噴射ノズルの内径を３〜８ｍｍ、前記冷却水噴射ノズルから噴射される冷却水は流速８ｍ／ｓ以上の棒状冷却水であり、水量密度を１．５〜４．０ｍ^３/ｍ^２ ・ｍｉｎとすることを特徴とする第一乃至第四の発明のいずれかに記載の鋼材の冷却設備である。

本発明の鋼材の冷却設備を用いることにより、高い熱伝達率を得て、鋼材を目標温度に早く到達させることができる。即ち、冷却速度を高めることができるので、例えば高張力鋼板などの新製品を開発することができる。また、鋼材の冷却時間を短縮できるので、例えば、製造ライン速度を上げることによって生産性を向上させることができる。
さらに、噴射面全体で均一に冷却することができるので、品質の高い鋼材製品を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図面を参照して説明する。なお、ここでは、本発明を厚板圧延プロセスでの鋼板の上面冷却に用いた場合を例にして述べる。

図１５は、本発明の実施に供する厚板圧延ラインの一例を示す概略図である。
加熱炉から抽出されたスラブは圧延機によって粗圧延と仕上圧延が施され、所定の仕上温度、仕上板厚とされた後、オンラインにて加速冷却設備に搬送される。冷却前にプリレベラを通して鋼板の形状を整えてから加速冷却を行うのが均一な材質を得るのに好適である。加速冷却設備では、上面冷却設備と下面冷却設備とから噴射される冷却水によって鋼板は所定温度まで冷却される。

図１は本発明の実施の形態の一例として、本発明の冷却装置を上面冷却設備に適用した場合の上下面冷却設備の配置を示す側面図である。

１ 上面冷却設備の概要
上面冷却設備は、熱鋼板１２の上面に冷却水を供給するヘッダ１と、該ヘッダ１から伸長した冷却水噴射ノズル３と、ヘッダ１と熱鋼板１２との間に鋼板幅方向に渡り水平に設置され、多数の貫通孔（給水口６と排水口７）を有する隔壁５とを備えている。そして、冷却水噴射ノズル３は円管ノズル３からなり、その先端が前記隔壁５に設けられた貫通孔（給水口６）に内挿されて、隔壁５の下端部より上方になるように設置されている。

円管ノズル３の先端が貫通孔に内挿されて隔壁５の下端部より上方になるように設置されているのは、仮に先端が上方に反った鋼板が進入してきた場合でも隔壁５によって円管ノズル３が損傷するのを防止するためである。これによって、円管ノズル３が良好な状態で長期間にわたって冷却を行うことができるので、設備補修等を行うことなく、鋼板の温度むらの発生を防止することができる。

また、円管ノズル３の先端が貫通孔に内挿されているので、図１６に示すように、隔壁５の上面を流れる点線矢印の排出水の幅方向流れと干渉することがない。したがって、円管ノズル３から噴射された冷却水は、幅方向位置によらず等しく鋼板上面へ達することができ、幅方向に均一な冷却を行うことができる。

図３に一例を示すように、隔壁５には直径１０ｍｍの貫通孔が多数開けられている。そして、給水口６には外径８ｍｍ、内径３ｍｍの円管ノズル３が装入されている。円管ノズル３は、例えば千鳥格子状に配列され、円管ノズル３が通っていない貫通孔は、冷却水の排水口７となっている。このように、本発明の冷却設備の隔壁５に設けられた多数の貫通孔は、多数の給水口６と排水口７とから成り立っており、それぞれに役割、機能を分担している。

このとき、詳細は後述するが、 排水口７の総断面積は、円管ノズル３の内径の総断面積よりも十分広く、図１に示すように熱鋼板の上面に到達した冷却水は、鋼板表面と隔壁５との間に充満し、排水口７を通して隔壁５の上方（鋼板表面に対して隔壁５の背面側）に導かれ、速やかに排出されていく。

そして、隔壁５の上方に導かれた排出水９は、図１０に示すように、ヘッダ１と隔壁５との間の排水流路を鋼板幅方向外側へ導かれ排水される。

図１３に示すように排水口と給水口が同一の貫通孔に設置されていると、冷却水は、鋼板に衝突した後、隔壁５の上方に抜けにくくなって、鋼板１２と隔壁５の間を鋼板幅方向端部へ向かって流れるようになる。そうすると鋼板１２と隔壁５の間の冷却排水の流量は、板幅方向の端部に近づく程多くなるので、噴射冷却水が滞留水膜を貫通して鋼板に到達する力が板幅方向端部ほど阻害されることとなる。

薄板の場合には板幅が高々２ｍ程度であるのでその影響は限定的であるが、特に板幅が３ｍ以上の厚板の場合には、その影響は無視できない。従って、鋼板幅方向端部の冷却が弱くなり、この場合の鋼板幅方向の温度分布は、図１１に示すように凹型をした不均一な温度分布となる。

これに対して、本発明の冷却設備は、図１４に示すように給水口６と排水口７は別個に設けられており、給水と排水を役割分担しているので、鋼板表面と隔壁５との間に充満した冷却水の冷却排水は、隔壁５の排水口７を通過して隔壁５の上方に円滑に流れて行くようになる。従って、冷却後の排水が速やかに鋼板上面から排除されるので、後続で供給される冷却水は、容易に滞留水膜を貫通することができ、十分な冷却能力を得ることができる。この場合の鋼板幅方向の温度分布は、図１３に示すように幅方向に均一な温度分布を得ることができる。

ヘッダ１の下面と隔壁５上面との距離は、ヘッダ１下面と隔壁５上面に囲まれた空間内での鋼板幅方向流路断面積が円管ノズル３の内径の総断面積の１．５倍以上となるように設けられることが好ましく、例えば１００ｍｍ程度以上である。この鋼板幅方向流路断面積が円管ノズル３の内径の総断面積の１．５倍以上ないと、隔壁５に設けられた排水口７から排出された冷却排水が円滑に鋼板幅方向に排出できないからである。

２ 給水口と排水口の配置
次に冷却水を隔壁上により速やかに排出するための給水口６と排水口７との配置について図２〜図９を用いて述べる。なお図中、５は隔壁を、６は給水口を、７は排水口を、３は給水口６に装入された円管ノズルをそれぞれ示している。

（ａ）図２〜図３は隔壁５に給水口６を千鳥に配列した一例である。
図２は、給水口Aに着目した場合の排水口７との位置関係を説明した給排水口の部分配列図である。図３は図２の給排水口の部分配列を隔壁上に展開した隔壁の平面図である。

図２に示すように千鳥に配列された給水口Aの隣り合う給水口は、Ｂ〜Ｇの６個である。
給水口Aを頂点として隣り合う給水口Ｂ〜Ｇを結ぶ３本の線分から成る三角形の外心（各辺の垂直２等分線が３本交わる交点）に１個の排水口ｐ１〜ｐ６が設けられている。

このように排水口を配列すると、例えば排水口ｐ１点は、給水口Ａ、Ｂ、Ｃからの距離が等しく、給水口Ａ、Ｂ、Ｃから噴射された冷却水が熱鋼板１２に衝突し、該熱鋼板１２の表面に沿って拡散し合流する点である。そして、この合流点に排出口ｐ１を設けたので隔壁上への排水がスムーズに行われ、図１４に示すように冷却水が着実に熱鋼板１２の表面に届き高い冷却能力が確保でき、その冷却能力も排水能力もすべての位置で同じであるから、鋼板幅方向で均一な温度分布を得ることができる。

なお、図２では、三角形ＡＢＣを辺ＡＢ、辺ＡＣが等しい長さの二等辺三角形として示したが、本実施形態はこれに限るものではなく、例えば給水口６の千鳥状の配列が歪んだものであり、給水口の位置関係が不等辺三角形であっても、排水口をその外心に設ければよい。

（ｂ）図４〜図５は隔壁５に給水口６を千鳥に配列した他の例である。
図４は、給水口Aに着目した場合の排水口７との位置関係を説明した給排水口の部分配列図である。図５は図４の給排水口の部分配列を隔壁上に展開した隔壁５の平面図である。
図４の給水口６の配列は図２と同じであるが、排水口７の配列が異なっている。

即ち、図４では、給水口Aを頂点として隣り合う給水口Ｂ〜Ｇを結ぶ３本の線分から成る三角形の各辺の２等分点に排水口ｑ１〜ｑ６を設けた例である。例えば排水口ｑ１は、給水口A、Ｂからの距離が等しく、給水口A、Bから噴射された冷却水が熱鋼板１２の表面に沿って拡散し合流する点である。そして、この合流点に排出口ｑ１を設けたので隔壁上への排水がスムーズに行われ、図１４に示すように冷却水が着実に熱鋼板１２の表面に届き高い冷却能力が確保でき、その冷却能力も排水能力もすべての位置で同じであるから、鋼板幅方向で均一な温度分布を得ることができる。

なお、図４では三角形ＡＢＣを辺ＡＢ、辺ＡＣが等しい長さの二等辺三角形として示したが、本実施形態はこれに限るものではなく、例えば給水口６の千鳥状の配列が歪んだものであり、給水口の位置関係が不等辺三角形であっても、排水口をその各々の辺の２等分点に設ければよい。

（ｃ）図６〜図７は隔壁５に給水口６を碁盤の目状に配列した例である。
図６は、給水口Aに着目した場合の排水口７との位置関係を説明した給排水口の部分配列図である。図７は図６の給排水口の部分配列を隔壁上に展開した隔壁５の平面図である。

図６に示すように碁盤の目状に配列された給水口Aの隣り合う給水口は、Ｂ〜Jの８個である。隣り合う給水口６同士を結ぶ４本の線分からなる四角形（長方形）の重心に１個の排水口r１〜r４が設けられている。

このように排水口を配列すると、例えば排水口ｒ１点は、給水口A、Ｃ、Ｄ、Ｅからの距離が等しく、給水口Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅから噴射された冷却水が熱鋼板１２に衝突し、該熱鋼板１２の表面に沿って拡散し合流する点である。そして、この合流点に排出口ｒ１を設けたので隔壁上への排水がスムーズに行われ、図１４に示すように冷却水が着実に熱鋼板１２の表面に届き高い冷却能力が確保でき、その冷却能力も排水能力もすべての位置で同じであるから、鋼板幅方向で均一な温度分布を得ることができる。

なお、図６では四角形ＡＣＤＥを長方形として示したが、本実施形態はこれに限るものではなく、例えば給水口６の碁盤の目状の配列が歪んだものであっても、給水口の位置関係が四角形をなしていれば、排水口をその重心に設ければよい。ちなみに、ノズルは幅方向に等間隔で配置するのが一般的であるので、四角形ＡＣＤＥは少なくとも平行四辺形と見なすことができ、その重心は２本の対角線の交点となる。

（ｄ）図８〜図９は隔壁５に給水口６を碁盤の目状に配列した他の例である。
図８は、給水口Aに着目した場合の排水口７との位置関係を説明した給排水口の部分配列図である。図９は図８の給排水口の部分配列を隔壁上に展開した隔壁の平面図である。
図８の給水口６の配列は図６と同じであるが、排水口７の配列が異なっている。

即ち、図８では、隣り合う給水口６同士を結ぶ４本の線分からなる四角形（長方形）の二等分点に排水口ｓ１〜ｓ４を設けた例である。例えば排水口ｓ１は、給水口A、Ｃからの距離が等しく、給水口A、Ｃから噴射された冷却水が熱鋼板１２の表面に沿って拡散し合流する点である。

そして、この合流点に排出口ｓ１を設けたので隔壁上への排水がスムーズに行われ、図１４に示すように冷却水が着実に熱鋼板１２の表面に届き高い冷却能力が確保でき、その冷却能力も排水能力もすべての位置で同じであるから、鋼板幅方向で均一な温度分布を得ることができる。

なお、図８では四角形ＡＣＤＥを長方形として示したが、本実施形態はこれに限るものではなく、例えば給水口６の碁盤の目状の配列が歪んだものであっても、給水口の位置関係が四角形をなしていれば、排水口をその各々の辺の２等分点に設ければよい。

ところで、給水口の相対位置関係を前記（ａ）、（ｂ）のように三角形と見なすか、前記（ｃ）、（ｄ）のように四角形と見なすかは、給水口の配列方法による。隣り合う給水口を結んでできる三角形の最も広い内角が８０°以上の場合は、四角形とみなしてよい。例えば、図６の三角形ＡＣＥでは、角Ａが９０°ゆえ、四角形ＡＣＤＥと見なす。

なお、排水口７の総断面積が円管ノズル３の内径の総断面積の１．５倍より小さいと、排水口の流動抵抗が大きくなり、滞留水が排水されにくくなる結果、滞留水膜を貫通して鋼板表面に到達できる冷却水量が大幅に減り、冷却能が低下するので好ましくない。より好ましくは４倍以上である。

ちなみに、ノズル１個あたりの排出口の個数は、（ａ）の図３と（ｄ）の図９では２個、（ｂ）の図５では３個、（ｃ）の図７では１個である。例えば、ノズル内径が５ｍｍで、排出口が直径１０ｍｍである場合は、（ａ）〜（ｄ）の全てで排水口７の総断面積が円管ノズル３の内径の総断面積の４倍以上となる。しかし、ノズル内径が８ｍｍで、排出口が直径１２ｍｍである場合は、（ｃ）では２．２５倍にしかならないので、（ａ）、（ｂ）または（ｄ）の実施形態が好ましい。

一方、排水口が多過ぎたり、排水口の断面径が大きくなりすぎると、隔壁５の剛性が小さくなって、鋼板が衝突したときに損傷し易くなる。従って、排水口の総断面積と円管ノズル３の内径の総断面積の比は１．５から２０の範囲が好適である。

また、隔壁５の給水口６に内挿した円管ノズル３の外周面と給水口６の内面との隙間は３ｍｍ以下とすることが望ましい。この隙間が大きいと、円管ノズル３から噴射される冷却水の随伴流の影響により、隔壁５の上面へ排出された冷却排水が給水口６の円管ノズルの外周面との隙間に引き込まれ、再び鋼板上に供給されることとなるので、冷却効率が悪くなる。これを防止するには、円管ノズル３の外径を給水口６の大きさとほぼ同じにすることがより好ましいが、工作精度や取り付け誤差を考慮し、実質的に影響が少ない３ｍｍまでの隙間は許容する。より望ましくは２ｍｍ以下とする。

３ 冷却水噴射ノズルおよび噴射条件
さらに、冷却水が滞留水膜を貫通して鋼板に到達できるようにするためには、円管ノズル３の内径、長さ、冷却水の噴射速度やノズル距離も最適にする必要がある。

即ち、円管ノズルの内径は、３〜８ｍｍが好適である。３ｍｍより小さいとノズルから噴射する水の束が細くなり勢いが弱くなる。一方ノズル径が８ｍｍを超えると流速が遅くなり、滞留水膜を貫通する力が弱くなるからである。

ノズルからの噴射する冷却水は噴射速度８ｍ／ｓ以上の棒状冷却水とすることが好ましい。８ｍ／ｓ未満では、滞留水膜を冷却水が貫通する力が極端に弱くなるからである。

ここで、本発明における棒状冷却水とは、円形状（楕円や多角の形状も含む）のノズル噴出口からある程度加圧された状態で噴射される冷却水であって、ノズル噴出口からの冷却水の噴射速度が８ｍ/ｓ以上であり、ノズル噴出口から噴射された水流の断面がほぼ円形に保たれた連続性と直進性のある水流の冷却水のことをいう。すなわち、円管ラミナーノズルからの自由落下流や、スプレーのような液滴状態で噴射されるものとは異なる。

また、上面冷却の冷却水噴射ノズル３の下端から鋼板１２の表面までの距離は、３０〜１２０ｍｍとするのが良い。３０ｍｍ未満では、鋼板１２が隔壁５に衝突する頻度が極端に多くなり設備保全が難しくなる。１２０ｍｍ超えでは、冷却水が滞留水膜を貫通する力が極端に弱くなるからである。

本発明で最も効果を発揮する水量密度の範囲は、１．５ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎ以上である。水量密度がこれよりも低い場合には滞留水膜がそれほど厚くならず、棒状冷却水を自由落下させて鋼板を冷却する公知の技術を適用しても、幅方向の温度むらはそれほど大きくならない場合もある。一方、水量密度が４．０ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎよりも高い場合でも、本発明の技術を用いることは有効であるが、設備コストが高くなるなど実用化の上での問題があるので、１．５〜４．０ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎが最も実用的な水量密度である。

４ 下面冷却について
本実施形態において、鋼板下面側の冷却装置については、特に限定されるものではない。図１に示す実施形態では、上面側の冷却装置と同様の円管ノズル４を備えた冷却ヘッダ２が設けられ、上面側冷却のような冷却排水を鋼板幅方向に排出する隔壁５を設けない例を示したが、上面側と同様の隔壁を設けた本発明の冷却設備を適用してもよい。また、膜状冷却水や噴霧状のスプレー冷却水などを供給する公知の技術をもちいてもよい。

以上、図１に示す鋼板の上下面冷却設備を例に、本発明の冷却設備について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
即ち、本実施の形態においては、厚鋼板の熱間圧延後の冷却設備について説明したが、本発明は、薄板、条鋼などの鋼材の熱間圧延や熱処理後の冷却設備として適用可能である。

また、円管ノズルを用いた棒状冷却水の場合について述べたが、噴射の形態もこれに限定されるものではなく、噴射ノズルの選択により種々の噴射形態を選ぶことができる。さらに、鋼板上面の冷却設備として垂直方向下向きへ冷却水を噴射する場合について説明したが、噴射方向もこれに限定されるものではなく、下面冷却設備として垂直上向きへ冷却水を噴射してもよいし、垂直以外に水平や斜め方向への噴射を使うことができる。

以下、本発明の一実施例として、厚板圧延のプロセスにおいて、引張強度５９０ＭＰａクラスの鋼板の冷却を行う場合について、図面に基づいて説明する。

図１５に概略を示す厚板圧延設備において、加熱炉から抽出されたスラブを粗圧延後、板厚２５ｍｍ、板幅４．５ｍの厚鋼板に仕上圧延を行い、鋼板表面温度で８２０℃で圧延を終了した。圧延終了後、ホットレベラを通して、加速冷却を行った。冷却条件は、冷却開始温度７８０℃、冷却終了温度（加速冷却設備出側で復熱後の温度を測定した値）は、５６０℃とした。

加速冷却試験に用いた冷却設備は、鋼板上面側は図１に示す隔壁を有する本発明の冷却設備を備え、鋼板下面側についても同様の隔壁を有する本発明の冷却設備を備えたものを用いた。

本実施例では、鋼板上下面の隔壁の給水口６と排水口７の配置について、本発明例として２種類試験した。すなわち、本発明例１は、図２に示すように給水口を千鳥に配列し、隣り合う給水口同士を結ぶ３本の線分からなる三角形の外心に排水口を設けたものであり、１つの給水口の周りに６個の排水口７が６角形の頂点に配置される場合である。

本発明例２は、図６に示すように、給水口６を碁盤の目状に配列し、隣り合う給水口同士を結ぶ４本の線分からなる四角形の重心に排水口を設けたものであり、１つの給水口の周りに４個の排水口７が四角形の頂点に配置される場合である。なお、隔壁には、図２および図６に従って、直径１２ｍｍの貫通孔をあけ、給水口には円管ノズル３の先端を挿入し、残りの孔を排水口とした。

使用した円管ノズルの寸法は、内径５ｍｍ、外径９ｍｍ、鋼板幅方向のノズルピッチは５０ｍｍとし、テーブルロール間距離１ｍのゾーン内でノズルを長手方向に１０列並べた。

冷却水の噴射速度と水量密度は、上面冷却水の噴射速度は、本発明例１は９．０ｍ／ｓ、本発明例２は１２．０ｍ／ｓ、下面冷却水の噴射速度は、本発明例１は１３．５ｍ／ｓ、本発明例２は１８．０ｍ／ｓとした。上面冷却水の水量密度は、本発明例１は２．１ｍ^３/ｍ^２ ・ｍｉｎ、本発明例２は２．８ｍ^３/ｍ^２ ・ｍｉｎ、下面冷却水の水量密度は、本発明例１は２．８ｍ^３/ｍ^２ ・ｍｉｎ、本発明例２は４．２ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎとした。

本発明例１および２とも、図１４に示すように、鋼板を冷却後の冷却水が速やかに鋼板上下面から排除されるので、後続で供給される冷却水は、容易に滞留水膜を貫通することができた。

これによって、上下面とも高い冷却能力を均一に確保できた。この場合の鋼板幅方向の温度分布は、図１２に示すように幅方向に均一な温度分布を得ることができた。板幅中央での冷却停止温度を５６０℃とするための冷却時間は、本発明例１では２．５秒、本発明例２では２．１秒であった。冷却速度が高くなったため、高強度を得るために必要な鋼の合金成分（例えばＭｎなど）の削減が可能となり、製造コストを削減することができた。

鋼板幅方向の温度分布は、５５０〜５６０℃で図１２に示すようなほぼ均一な分布になり、鋼板幅方向の温度むら（最高温度-最低温度）は小さく、１０℃になった。このため、材料試験の合格率は９９．５％と高く、歩留りも十分に高かった。

これに対し、比較例１として、特許文献２に記載された隔壁にスリット状の孔を設け、給水口と排水口とを兼用する従来技術の冷却設備を用いた。この比較例１の冷却設備は、図１３に示すように、鋼板に衝突した後の冷却水は上方に抜けにくいので、板幅中央での冷却停止温度を５６０℃とするために、３秒の水冷時間が必要であった。

冷却停止温度の板幅方向分布は、図１１に示すような凹型となり、板端部付近での最も高い温度は６００℃であった。従って、幅方向の温度むら（最高温度-最低温度）は４０℃となった。製品の一部を取り出して材料試験を行った結果、合格率は７０％と低く、歩留りも悪かった。

さらに、比較例２として、冷却水量やノズルの寸法は本発明例１と同じとし、ノズルと排出口のレイアウトを図１８のようにして、冷却を行った。すなわち、比較例２は、排出口７を幅方向に並んだ給水口６すなわち円管ノズルの中間位置に設けたものであり、本発明例１（図３）のようにノズル列とノズル列との間にわざわざ排出口７の列を設けることがなく、本発明のような隔壁５に設ける排出口７のレイアウトとして採用するには、最も一般的なものと思われる。

しかし、長手方向に隣り合う２つのノズルから噴射された冷却水の逃げ場がないので、本発明例１と比べて排水性が悪く、冷却能力は劣った。板幅中央での冷却停止温度を５６０℃とするための冷却時間は、２．８秒であった。高強度を得るために必要な鋼の合金成分（例えばＭｎなど）の削減は、本発明例１の半分程度にとどまった。

以下、本発明の他の実施例として、Ｈ形鋼の熱間圧延プロセスにおいて、引張強度４９０ＭＰａクラスの鋼板の冷却を行う場合について、図面に基づいて説明する。

図１９に概略を示すＨ形鋼圧延設備において、加熱炉から抽出された鋼片を、ブレークダウン圧延、粗圧延を行った後、仕上圧延によりフランジ厚３６ｍｍ、フランジ幅３００ｍ、ウェブ厚１６ｍｍ、ウェブ高さ７００ｍｍとした。仕上圧延時のフランジ外表面温度は８００℃であり、この後、フランジ外面の冷却開始温度を７８０℃として加速冷却を行った。冷却終了温度（加速冷却設備出側で復熱後の温度を測定した値）は、５８０℃を目標とした。

加速冷却試験に用いた冷却設備は、図２０に示すように、フランジ２１外面と冷却ヘッダ２３との間に隔壁５を有し、水平方向に噴射冷却水２５を噴射する本発明の冷却設備である。フランジ２１内面とウェブ２２上下面の冷却は、排水性の問題があるため、行わなかった。

本実施例では、隔壁の給水口６と排水口７の配置を発明例として１種類試験した。すなわち、本発明例３は、図２に示すように給水口６を千鳥に配列し、隣り合う給水口６同士を結ぶ３本の線分からなる三角形の外心に排水口７を設けたものであり、１つの給水口６の周りに６個の排水口７が６角形の頂点に配置される場合である。なお、隔壁５には、図２に従って、直径１２ｍｍの貫通孔をあけ、給水口６には円管ノズル３を挿入し、残りの孔を排水口７とした。

使用した円管ノズルの寸法は、内径４ｍｍ、外径８ｍｍ、フランジ幅方向（鉛直方向）、搬送方向ともにノズルピッチは６０ｍｍとした。冷却水の噴射速度は、８．２ｍ／ｓ、水量密度は２．７ｍ^３/ｍ^２ ・ｍｉｎとした。

本発明例３では、図１４に示した上面冷却の場合と同様に、フランジ２１外面と隔壁５との間に充満したフランジ２１外面冷却後の冷却水２６が隔壁の背面に速やかに排除されて、ヘッダ２３と隔壁５との間の空間に入るので、後続で供給される噴射冷却水２５は、隔壁５とフランジ２１外面に充満する水膜２７を貫通することができた。

これによって、高い冷却能力を均一に確保できた。フランジ２１幅中央での冷却停止温度を５８０℃とするための冷却時間は、２．４秒であり、フランジ２１幅方向の温度分布は、５７０〜５８０℃で、図２１に示すように幅方向にほぼ均一な温度分布を得ることができたので、フランジ幅方向の温度むら（最高温度-最低温度）は小さく、１０℃であった。

その結果、材料試験の合格率は９９．７％と高く、歩留りも十分に高かった。
また、高い冷却速度が得られたので、高強度を得るために必要な鋼の合金成分（例えばＭｎなど）の削減が可能となり、製造コストを削減することができた。

これに対し、比較例３として、一般的なスプレー冷却設備を用いて、同じ水量密度での冷却を行った。この比較例３の冷却設備では、フランジ２１外面に衝突した後の冷却水がフランジ２１外面近傍を落下するため、後続で供給される冷却水は、フランジ２１外面に衝突した後の落下冷却水に阻害されて、フランジ２１外面に到達しにくくなる。

特に、フランジ２１高さ方向の低い位置では冷却能力が低下して、冷却停止温度のフランジ２１幅方向分布は、図２２に示すように、下部ほど高い分布となった。フランジ２１の最上部付近での最も低い温度は５６０°であり、フランジ２１の最下部付近での最も高い温度は６００℃であり、フランジ幅方向の温度むら（最高温度-最低温度）は４０℃となった。

そして、製品の一部を取り出して材料試験を行った結果は、合格率は８０％と低く、歩留りも悪かった。

本発明の冷却設備の配置を説明する図である。 給排水口の部分配列図である。 図２を展開した隔壁の平面図である。 給排水口の他の部分配列図である。 図４を展開した隔壁の平面図である。 給排水口の部分配列図である。 図６を展開した隔壁の平面図である。 給排水口の他の部分配列図である。 図８を展開した隔壁の平面図である。 隔壁上の冷却排水の流れを説明する図である。 従来例による鋼板幅方向温度分布を説明する図である 本発明による鋼板幅方向温度分布を説明する図である。 従来例による冷却水の流れを説明する図である。 本発明例による冷却水の流れを説明する図である。 厚板圧延ラインの概略を説明する図である。 本発明例の隔壁上の冷却排水との非干渉を説明する図である。 ノズル先端が隔壁よりも上方にある場合の隔壁上の冷却排水との干渉を説明する図である。 比較例の隔壁の一例を示す平面図である。 Ｈ形鋼圧延ラインの概略を説明する図である。 本発明の冷却設備のＨ形鋼圧延ラインへの適用を説明する図である。 本発明による鋼板幅方向温度分布を説明する図である。 従来例による鋼板幅方向温度分布を説明する図である。

符号の説明

１ 上ヘッダ
２ 下ヘッダ
３ 上冷却水噴射ノズル（円管ノズル）
４ 下冷却水噴射ノズル（円管ノズル）
５ 隔壁
６ 給水口
７ 排水口
８ 噴射冷却水
９ 排出水
１０ 水切ロール
１１ テーブルロール
１２ 熱鋼板
２１ フランジ
２２ ウェブ
２３ ヘッダ
２４ ノズル
２５ 噴射冷却水
２６ 排出水
２７ 充満水膜

Claims (5)

1. 鋼材の熱間圧延ラインに設置される鋼材の冷却設備であって、鋼材の表面に冷却水を供給するヘッダと、該ヘッダから伸長した冷却水噴射ノズルと、前記鋼材と前記ヘッダとの間に設置される隔壁とを備えるとともに、前記隔壁には、前記冷却水噴射ノズルの先端部を内挿する給水口と、前記鋼材の表面に供給された冷却水を前記隔壁の背面へ排水する排水口とが、多数設けられ、前記給水口は、前記隔壁に千鳥に配列され、前記排水口は、隣り合う前記給水口同士を結ぶ３本の線分からなる三角形の外心、または前記三角形の各辺の２等分点に配列されていることを特徴とする鋼材の冷却設備。
2. 鋼材の熱間圧延ラインに設置される鋼材の冷却設備であって、鋼材の表面に冷却水を供給するヘッダと、該ヘッダから伸長した冷却水噴射ノズルと、前記鋼材と前記ヘッダとの間に設置される隔壁とを備えるとともに、前記隔壁には、前記冷却水噴射ノズルの先端部を内挿する給水口と、前記鋼材の表面に供給された冷却水を前記隔壁の背面へ排水する排水口とが、多数設けられ、前記給水口は、前記隔壁に平行四辺形に配列され、前記排水口は、隣り合う前記給水口同士を結ぶ４本の線分からなる前記平行四辺形の重心、または前記平行四辺形の各辺の２等分点に配列されていることを特徴とする鋼材の冷却設備。
3. 隔壁に設けられた排出口の総断面積を冷却水噴射ノズルの内径の総断面積の１．５倍以上とすることを特徴とする請求項1または２に記載の鋼材の冷却設備。
4. 隔壁に設けられた給水口に内挿した冷却水噴射ノズルの外周面と前記給水口の内面との隙間を３ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼材の冷却設備。
5. 冷却水噴射ノズルの内径を３〜８ｍｍ、前記冷却水噴射ノズルから噴射される冷却水は流速８ｍ／ｓ以上の棒状冷却水であり、水量密度を１．５〜４．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の鋼材の冷却設備。

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