JP5609143B2 - 熱鋼板の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延された熱延鋼帯、厚板などの加熱された鋼板である熱鋼板を上方から冷却するための冷却装置に関するものである。

図１に示すように、熱鋼板の１つとして例えば、熱延鋼帯を製造するには、加熱炉１においてスラブを所定温度に加熱し、加熱されたスラブを粗圧延機２で圧延して粗バーとなし、ついでこの粗バーを複数基の圧延スタンドからなる連続熱間仕上圧延機３において所定の厚みの熱延鋼帯６となす。そして、ランナウトテーブルに設置された冷却装置４から熱延鋼帯の上部および下部から冷却水を給水することによって熱延鋼帯を冷却した後、巻取機５で巻き取ることにより製造される。

鋼板の品質はこの冷却装置による冷却により大きく変化する。鋼板の長手・幅方向で冷却能力がばらつくと、材質のばらつきが生じる。通常、熱鋼板を上面から冷却する冷却装置では、ヘッダに接続された円管状の冷却ノズルから冷却水が熱鋼板上に注水されるが、ノズルから噴出する流れが不安定である場合、ノズルから噴射した後の流れが捩れたりし、ノズル毎に冷却能力のばらつきが発生することにより、鋼板の長手・幅方向で材質のばらつきを生じさせる。そのため、ノズルから噴出する流れを安定化させる試みがなされてきた。

一般に、ノズルの内径が大きく、ノズル長さが長くなるに従い、ノズルから噴射される冷却水の流れが安定することが知られている。しかし、ノズルの内径が大きくなるに従い、圧力損失が減少するため、ヘッダ内の圧力が低い状態で冷却水を噴射しなければならない。そうなると、鋼板幅方向に複数あるノズルの一部で安定したラミナーフローが得られない。そのため、内径が大きいノズルを使用する場合、絞り部を設ける等の圧力損失を増加させる工夫が必要である。

ところで、従来一般的に使用されてきた、熱鋼板の上面に冷却水を注水して冷却する冷却装置の冷却ノズルは、図２や図３に示されるようなものである。
図２には、熱間圧延ラインの熱鋼板の冷却において多用されているタイプの１つである冷却ノズルが示されている。このノズルは、ヘアピン型と呼ばれているもので、一端がヘッダ７の上部に接続され、ヘッダからの冷却水を噴出する他端がヘッダ７の左右の側面に隣接する位置に垂下しており、逆Ｕ字状をなしている。そして、このようなノズルが、ヘッダに、鋼板の板幅方向に所定の間隔をとって複数本接続されている。特許文献１には、このヘアピン型のノズルが示されている（同文献の図１参照）。

また、図３に示されるように、ヘアピン型とは異なる直管型のノズルを備える冷却装置も使用されている。図３に示される冷却装置では、下部ヘッダ７に山形の屋根板９を重ねて冠着し、該下部ヘッダ７の上部壁と該屋根板９とで形成される室で上部ヘッダ１０を形成し、冷却水が下部ヘッダ７から上部ヘッダ１０へ供給できるようになっており、ノズル８は上部ヘッダ１０内より下部ヘッダ７を貫通して垂下している。下部ヘッダ７に給水された冷却水は、上部ヘッダ１０に至り、直管状のノズル８上端からノズル８内部に流入し、ノズル下端から噴出される。そして、このようなノズル８が、上部ヘッダと下部ヘッダからなるヘッダに、鋼板の板幅方向に所定の間隔をとって複数本接続されている。特許文献２には、この直管型のノズルが示されている。

上記の図２に示されるヘアピン型ノズルにおいて、ノズルから噴射する流れを安定化させる技術として、特許文献１には、ノズルの曲がり部とヘッダの接続部の間に絞り部を設けることにより、広い水量範囲にわたってラミナーフローを維持できるノズルの発明が記載されている（同文献の図２参照）。
しかし、このヘアピン型ノズルはノズルが曲がり部や絞り部を有しているため、その内面には水垢等が固着、堆積しやすく、清掃を頻繁にする必要があり、しかもその清掃は困難を伴う。

一方、特許文献２には、図３に示すような直管型タイプのノズルに対して、上端開口部に、ノズルの内径を小さくするスリーブ（絞り部）を設置する技術が示されている。しかし、図４に示すように、冷却水がスリーブ出口ではスリーブ内径の太さのままで冷却水が噴射され、ノズル内部全体に冷却水が充満しないために流れが不安定になり、ラミナーフローを維持できないという問題があった。また、スリーブとノズルの内径差を大きくすると、圧力損失が増加し、冷却ヘッダ内の圧力が増加することにより、鋼板の幅方向に複数本設置された各ノズルの流量分布が均一化される効果が得られるだけに、この流れの不安定を解消することは、鋼板の幅方向のより均一な冷却を達成するためには重要である。

特公昭５３−３６８０９号公報 実公昭６３−４４１６８号公報

本発明は、上記の実情に鑑み、ノズルから鋼板上面に噴射される冷却水の流れが安定した、直管型のノズルを有する熱鋼板の冷却装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討を進めたところ、直管状のノズルを有する冷却装置において、直管状ノズルの上端にノズル内径の２０〜８０％の内径をもつスリーブを装着し、かつこのスリーブの下端に、スリーブからの冷却水流路を少なくとも３つ以上の流路に分割する整流部材を接続することにより、ノズル下端から噴射される冷却水の流れを安定なものにすることができることを見出した。

（１）ヘッダと熱鋼板の幅方向に所定間隔でヘッダに接続され、冷却水を熱鋼板上面に供給する複数本の直管状ノズルを備える熱鋼板の冷却装置において、該ノズルの上端部に、ノズル内径の２０〜８０％の内径をもつスリーブと、該スリーブの下端に連続して配置され、該スリーブからの冷却水流路を少なくとも３つ以上に分けることにより、冷却水の流れを分断、拡散させる整流板を備える整流部材とを装着したこと特徴とする、熱鋼板の冷却装置。
（２）前記の整流板を備える整流部材が、断面が十字状であって、スリーブからの冷却水流路を４つに分けることを特徴とする、（１）に記載の熱鋼板の冷却装置。
（３）前記の整流板を備える整流部材が、断面がＹ字状であって、スリーブからの冷却水流路を３つに分けることを特徴とする、（１）に記載の熱鋼板の冷却装置。
（４）前記の整流部材の整流板をノズル軸方向に対し傾斜させて、冷却水の流れにノズル断面内で周方向の速度を与えるようにしたことを特徴とする、（１）乃至（３）のいずれか一つに記載の熱鋼板の冷却装置。

本発明の熱鋼板の冷却装置を用いることにより、ノズルから噴射される冷却水の流れが安定し、その結果、熱鋼板を鋼板の長手・幅方向で高い冷却均一性を有する冷却ができ、材質のばらつきが小さく品質の高い鋼板を製造することができる。

熱延鋼帯の圧延ラインの概略を示す図である。 一般的な上面冷却装置（ヘアピン型）の側面図である。 一般的な上面冷却装置（直管型）の側面図である。 スリーブ出口から噴射される冷却水の状態を表す図である。 （ａ）はスリーブと流路を４分割する整流部材が装着された直管型ノズルの 上部を示す図、（ｂ）はその斜視図である。 （ａ）はスリーブと流路を３分割する整流部材が装着された直管型ノズルの 上部を示す図、（ｂ）はその斜視図である。 スリーブとノズル軸方向に傾いた整流部材が装着された直管型ノズルの上部 を示す図である。 ｄ（スリーブ内径）／Ｄ（ノズル内径）と流量による流れの安定性の変化を 表す図である。 （ａ）は本発明の冷却装置の一実施例の側面図、（ｂ）はその正面図を示す。

本発明の熱鋼板の冷却装置は、ヘッダとヘッダに熱鋼板の幅方向に所定間隔をおいて接続された複数本の直管状ノズルを備え、該ノズルの上端部の内側には、スリーブと整流部材が装着されている。整流部材は、直管状のスリーブの下端に連続して設けられているものである。
そして、このスリーブは、ノズル内径の２０〜８０％の内径を有するものであり、ノズルの上端部において冷却水の絞り部を形成するものであり、整流部材は、整流板を備え、スリーブからの冷却水流路を少なくとも３つ以上に分割するものである。

スリーブはノズル上端部に装着しやすいように、スリーブ上端部の外周にフランジ部を形成してフランジ部がノズル上端に係止することが望ましい。
スリーブと整流部材は溶接等あるいはネジ等で一体化してもよいし、分離可能な構造としてもよい。
また、メンテナンスしやすいように、スリーブと整流部材はノズルに対して着脱可能とすることが望ましい。

図５〜７に、スリーブ上端部にスリーブとともに装着された本発明の整流部材の例を示す。
図５に示す整流部材１５は、４つの整流板１６を備え、断面が十字状をなすものであり、流路を４分割している。また、図６示す整流部材１５は、３つの整流板１６を有し、断面がY字状をなすものであり、流路を３分割している。
図５、および図６のように整流部材を設置すると、整流部材により冷却水の流れが分断、拡散され、ノズル内部全体に冷却水が充満して安定したラミナーフローが得られる。また、図７に示す整流部材１５は、整流板１６がノズルの軸方向に対して傾いており、冷却水にノズル断面内で周方向の速度を与えることで、流れの拡散効果が増加するため、より効果的に冷却水の流れを安定化させることができる。

ノズル内径をＤ、スリーブ内径をｄとし、ｄ／Ｄと流れが安定する流量の下限との関係を、ノズル上端部に、スリーブのみを装着した場合、スリーブとその下端に整流部材を接続したものを装着した場合およびスリーブとその下端にノズル軸方向に対し傾きを有する整流板を備える整流部材を接続したものを装着した場合の３つの場合について、調べた結果を図８に示す。
図８において、実線は整流部材を有しない、スリーブのみの場合、破線はスリーブとその下端に整流部材を接続したものを装着した場合、そして、一点鎖線はスリーブとその下端にノズル軸方向に対し傾きを有する整流板を備える整流部材を接続したものを装着した場合をそれぞれ示している。

流れが安定である条件は、冷却水が鋼板上に着水する位置に設置した圧力センサで圧力を測定した値の変動範囲が１０％以内である場合とした。これは、目視による判定結果と良く一致する。
図８に示すように、いずれの場合もｄ／Ｄが小さくなるほど、流れが安定する流量は大きくなっている。従って、ノズル内径を一定とすると、内径が小さいスリーブを使う場合は、内径が大きいスリーブを使う場合よりも、多くの流量を与えなければ流れが安定しないこと、また、スリーブ径がどのような場合でも、整流部材がない場合よりもある場合の方が流れが安定になりやすく、安定化する流量が１０Ｌ／ｍｉｎ程度低くなる（Ｌはリットルである）。また、整流部材にノズル軸方向に対して傾きを与えた場合では、さらに安定化する流量が小さくなっており、流れがより安定しやすくなることが分かる。

本発明の冷却装置におけるスリーブの内径ｄは、ノズル内径Ｄの２０〜８０％の範囲内である。２０％より小さいとスリーブ内に異物が詰まりやすく、冷却水が流れなくなる恐れがあり、また、圧力損失が必要以上に大きくなるという問題も生じる。また、８０％より大きいノズルでは、十分な圧力損失を与えられず、鋼板幅方向に複数あるノズルの一部で安定したラミナーフローが得られなくなる。

図９に本発明の冷却装置の実施形態の一例の概略図を示す。
図９における冷却装置は、下部ヘッダ７に山形の屋根板９を重ねて冠着し、該下部ヘッダ７の上部壁と該屋根板９とで形成される室で上部ヘッダ１０を形成し、下部ヘッダ７上部壁の数個所に形成された、図示しない孔を経て冷却水が下部ヘッダ７から上部ヘッダ１０へ供給できるようになっており、該鋼板の幅方向に所定の間隔で取り付けられた複数本の直管状のノズル８が上部ヘッダ１０内より下部ヘッダ７を貫通して垂下している。給水管１３から下部ヘッダ７に給水された冷却水は、前記孔を経て上部ヘッダ１０に至り、ノズル８の上端からノズルの内部に流入し、ノズル下端から噴出される。１１は冷却水を、１２はテーブルローラーをそれぞれ示している。
そして、ノズル８の上端部の内側には、スリーブ１４と整流部材１５とが装着されている。

図９に示す冷却装置では、ヘッダが上部と下部のヘッダから構成されているが、中空管からなる単一のヘッダに直管型のノズルが接続された冷却装置にも適用できる。本発明の冷却装置は、ヘッダに接続されているノズルが直管型のものであれば、どのようなものでも適用できる。

本発明の実施例を、図１に示す熱延鋼帯の圧延ラインにおいて、図９に示す冷却装置により、熱延鋼帯の冷却を行う場合について説明する。
図９において、ノズル８内径Ｄが２５ｍｍ、ノズル１本当りの流量は３５Ｌ／min、熱延鋼帯の幅方向におけるノズルのピッチは５０ｍｍ、ヘッダに接続されたノズルの本数は４８本である。

そして、スリーブの長さを３０ｍｍ、スリーブの内径ｄを８．３ｍｍとし、ｄ／Ｄ＝約１／３とした条件で、本発明例１では図５に示す整流部材（流路４分割、長さ３０ｍｍ）を、本発明例２では図７に示す整流部材（流路４分割、長さ３０ｍｍ、ノズル軸方向に対して１０°傾斜）をスリーブ下端に接続した冷却装置で、熱延鋼帯の冷却を行った。
また、比較例１では、整流板部材を有しないスリーブ（長さ３０ｍｍ）のみの従来の冷却装置で冷却を行った。

上記の本発明例１、本発明例２および比較例１の冷却装置を使用して、仕上げ板厚３．０ｍｍ、引張強度５５０ＭＰａの熱延鋼帯を製造した。仕上げ圧延機出側での搬送速度は鋼帯先端部で６５０ｍｐｍ、鋼帯先端部が巻取機に到達して以降は順次速度を上げて最高８００ｍｐｍまで増速した。鋼帯の仕上圧延機出側の温度は８６０℃で、冷却装置を使って、巻取機手前の温度計の指示が５００℃となるように冷却ゾーンの長さを制御した。
それぞれについて、ノズルから噴出する冷却水の鋼帯上での圧力値変動、鋼帯の巻取温度のばらつき及び鋼帯の引張強さのばらつきを実測した。その結果を表１に示す。

比較例１では、ノズルから噴射された冷却水は形状が不安定で、圧力センサでの圧力測定値の変動が３０％あり、巻取温度のばらつき△Ｔは、目標値に対して±４５℃となり、引張強度のばらつき△ＴＳは、目標の５５０ＭＰａに対して±４３ＭＰａとなった。引張強度のばらつきが大きかったため、温度ばらつきが大きい部分は切り捨て、製品歩留が低かった。
これに対し、本発明例１では、ノズルから噴射された冷却水は安定な形状をしており、圧力センサでの圧力測定値の変動が５％であり、巻取温度のばらつき△Ｔは、目標値に対して±７℃となり、引張強度のばらつき△ＴＳは、目標の５５０ＭＰａに対して±６ＭＰａとなった。また、本発明例２においても、ノズルから噴射された冷却水は安定な形状をしており、圧力センサでの圧力測定値の変動が４％であり、巻取温度のばらつき△Ｔは、表２に示すように目標値に対して±６℃となり、引張強度のばらつき△ＴＳは、目標の５５０ＭＰａに対して±５ＭＰａとなった。

以上のように、本発明の冷却装置により鋼帯の長手・幅方向における巻取温度のばらつきを低減でき、材質均一性の向上が可能となった。
なお、本発明の実施例では、熱延鋼帯の冷却装置について示したが、本発明の内容はこれに限るものではなく、厚板など他の熱鋼板を冷却水で冷却する場合において適用することも可能である。

１ 加熱炉
２ 粗圧延機
３ 仕上圧延機
４ 冷却装置
５ 巻取機
６ 熱鋼板、熱延鋼帯
７ ヘッダ、下部ヘッダ
８ ノズル
９ 屋根板
１０ 上部ヘッダ
１１ 冷却水
１２ テーブルローラ
１３ 給水管
１４ スリーブ
１５ 整流部材
１６ 整流板

Claims (4)

1. ヘッダと熱鋼板の幅方向に所定間隔でヘッダに接続され、冷却水を熱鋼板上面に供給する複数本の直管状ノズルを備える熱鋼板の冷却装置において、該ノズルの上端部に、ノズル内径の２０〜８０％の内径をもつスリーブと、該スリーブの下端に連続して配置され、該スリーブからの冷却水流路を少なくとも３つ以上に分けることにより、冷却水の流れを分断、拡散させる整流板を備える整流部材とを装着したこと特徴とする、熱鋼板の冷却装置。
2. 前記の整流板を備える整流部材が、断面が十字状であって、スリーブからの冷却水流路を４つに分けることを特徴とする、請求項１に記載の熱鋼板の冷却装置。
3. 前記の整流板を備える整流部材が、断面がＹ字状であって、スリーブからの冷却水流路を３つに分けることを特徴とする、請求項１に記載の熱鋼板の冷却装置。
4. 前記の整流部材の整流板をノズル軸方向に対し傾斜させて、冷却水の流れにノズル断面内で周方向の速度を与えるようにしたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱鋼板の冷却装置。