JP5870678B2 - 鋼材の冷却設備および冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の冷却設備および冷却方法に関するものであり、特に、肉厚の鋼材を冷却用水槽に浸漬して冷却する、いわゆる浸漬冷却に用いられる冷却設備および冷却方法に関する。

厚鋼板など肉厚の厚い鋼材の製造において、多量の合金成分の添加を行わずに高強度、高靭性を得るためには、オフラインでローラークエンチによる熱処理を行うのが一般的である。しかし、例えば板厚が１００ｍｍを超える極厚鋼板のような鋼材は、テーブルローラーがたわむなどの搬送上の問題が生じるため、冷却用水槽に浸漬して焼入処理が行なわれる。たとえば、図７に示すような設備において、鋼材７を加熱炉１で加熱した後、台車２で鋼材７を炉外に抽出し、クレーン４および吊具５で吊上げて冷却用水槽３内の水８に浸漬させる方法がとられており、焼入中の冷却速度を速くするほど高強度で高靭性な材質が得られるようになる。

高い冷却速度を得るためには、鋼材表面に高流速の噴流を衝突させるなどして、冷却を促進する技術が知られている。これは、通常、冷却用水槽内に多数のノズルを配置し、多量の冷却水を鋼材全面に噴射させることにより実現される。

冷却用水槽内の水を攪拌することによって鋼板を冷却する方法として特許文献１の技術がある。これは、浸漬槽内に設けた攪拌ロールにより、鋼板移動方向又はこれと逆方向の冷却水流速を鋼板幅方向で変化させることによって、鋼板幅方向端部の過冷却抑制を図るものである。攪拌ロールは幅方向に分割されており、冷却水流速を鋼板幅方向の中央部と端部で独立に調整できることを特徴としている。

特開平８−２９５９４６号公報

鋼材焼入時の鋼材板厚中心部の冷却速度は図３に示すように鋼材板厚が厚いほど低下する。図３は、９００℃に加熱した厚鋼板を水中に浸漬させた際の、板厚中心部の冷却速度に及ぼす板厚の影響を示す。図３において、横軸は厚鋼板の板厚で、縦軸は板厚中心部における８００℃から４００℃までの平均冷却速度である。図３からわかるように、板厚中心では８００℃から４００℃までの平均冷却速度は、例えば板厚が１００ｍｍの場合は２℃／ｓであるが、板厚が２００ｍｍの場合は０．５℃／ｓと非常に低くなる。したがって、本発明が対象とするように、浸漬冷却による熱処理が必要とされる肉厚の鋼材の熱処理に対しては、冷却速度増加のための対策が特に重要となっている。

ところで、一般に、高温鋼材の冷却では、鋼材表面が高温の領域では膜沸騰状態となり、鋼材表面は蒸気膜で覆われるため、膜沸騰状態での冷却能力は小さい。鋼材の冷却が更に進行すると、鋼材表面温度が下がり膜沸騰と核沸騰が混在する遷移沸騰が起こり、冷却能力は急激に増大する。

このため、高い冷却速度を得るためには、蒸気膜を破壊して冷却の初期段階から遷移沸騰（または核沸騰）を起こすことが有効である。鋼材表面に十分に高流速の噴流を衝突させると、図４の冷却曲線Ｂのように冷却の初期段階から遷移沸騰を起こし、冷却速度が速くなることが知られている。しかし、そのためには、鋼材全体の表面においてその状態を実現するためには、冷却用水槽内に高流速の噴流を形成可能な多数のノズルを配置し、多量の冷却水を鋼板全面に噴射させなければならないので、設備コストが膨大となるという問題がある。さらに、ノズルの配置によっては冷却むらができてしまうという問題もある。

一方、特許文献１の方法は浸漬槽内の水を攪拌ロールによって攪拌することにより、端部は鋼板搬送方向に対して順方向にロールを回して冷却水の相対速度を低くするとともに、その他の部分は搬送方向と逆方向にロールを回して冷却水の相対速度を大きくすることによって、鋼板幅方向端部の過冷却抑制を図るものであり、攪拌によって積極的に冷却能力を上げることを目的としていない。また、浸漬槽内に攪拌ロールを設置すると設備コストが増大するうえ、可動部分が水中に浸漬されるため、メンテナンスが困難であるという問題もある。

本発明は、冷却用水槽を使って鋼材を浸漬冷却する焼入処理において高い冷却速度での冷却を実現し、高強度、高靭性の鋼材を得る冷却設備、冷却方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は以下の通りである。

第一の発明は、冷却用水槽と冷却水噴射用ノズルを有する鋼材の冷却設備であって、前記冷却水噴射用ノズルは、水面下１００ｍｍ〜１０００ｍｍの深さで、鋼材表面との距離を２００ｍｍ〜２５００ｍｍの範囲とし、鋼材両面の全幅にわたって４００ｍｍ以下の間隔で配置され、前記冷却水噴射用ノズルからは、鋼材表面に到達する際の流速が０．３ｍ／ｓ以上となる噴流が鋼材表面に供給され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、鋼板を冷却用水槽に浸漬して冷却するにあたり、浸漬速度を５０〜４００ｍｍ／ｓとし、水面下１００ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲内で、鋼板表面と冷却水噴射用ノズル先端との距離を２００ｍｍ〜２５００ｍｍの範囲とし、鋼板両面の全幅にわたって４００ｍｍ以下の間隔で配置された冷却水噴射用ノズルから、鋼板表面に到達する際の流速が０．３ｍ／ｓ以上である噴流を鋼板表面に噴射することを特徴とする鋼板の冷却方法である。

本発明の鋼材の冷却設備及び冷却方法を用いると、鋼材全面をほぼ均一に高い冷却速度で冷却することができるため、高強度・高靭性の鋼材の製造が可能となる。また、鋼材浸漬直後に噴流を全長全幅に衝突させることで鋼材全面を高い冷却速度で冷却することを実現できるため、冷却用水槽内に多数のノズルを配置させる必要がなく、膨大な設備コストや多量の水を使用するという問題もない。

本発明の一実施の形態を示す図である。 本発明の冷却水噴射用ノズルの配置例を示す図である。 板厚と板厚中心部の冷却速度との関係を説明する図である。 焼入処理における温度と時間の関係を説明する図である。 膜沸騰と遷移沸騰との関係を説明する図である。 噴流衝突を説明する図である。 冷却用水槽を使った従来の焼入処理を説明する図である。

噴流衝突によって高温の鋼材を高い冷却速度で冷却するには、高温の鋼材を水中に浸漬した直後に噴流を鋼板表面に衝突させる必要がある。高温の鋼材を浸漬した後、しばらくすると、鋼材表面の蒸気膜が継続的に発生して膜沸騰状態となり、冷却速度が遅くなる。しかしながら、高温の鋼材を水中に浸漬した直後は蒸気の発生が少ないため、鋼材表面は水と直接接触して、図５に示すように急冷される。この、蒸気の発生が少ない状態、すなわち、蒸気膜発達途中の段階では、蒸気膜が十分に形成された膜沸騰時に比べて遅い流速でも噴流が蒸気膜を破ることができ、遷移沸騰を生じさせることができる。

したがって、浸漬直後の蒸気膜発達途中の段階で噴流を鋼板表面に衝突させると、効果的に冷却を促進させることができる。

さらに、噴流が蒸気膜を破り、噴流が鋼板表面に直接衝突している位置では冷却能力が高いため、噴流が衝突している間に鋼材表面温度を遷移沸騰温度域に下げることが可能であり、そうすることにより、図６の冷却曲線（ａ）の太線部に示すように、噴流が鋼板表面と衝突する位置を過ぎた後、噴流ではない状態の水に接触するだけでも遷移沸騰が維持されて鋼板全面を高い冷却速度で冷却することができる。

このような本発明の方法によると、噴流衝突箇所は、その後、噴流が衝突しない状態になっても引き続き急冷されるため、少ない冷却水噴射用ノズル数、少ない水量で鋼材全面を急冷して高強度・高靭性の鋼材を得ることができる。

噴流衝突時間が短いと、噴流が衝突する位置を過ぎた時点での表面温度が遷移沸騰温度まで下がりきっていないので、図６の冷却曲線（ｂ）のように、その後の浸漬冷却では膜沸騰状態が継続することとなり冷却速度が遅くなる。

冷却用水槽内での冷却水噴射用ノズルの配置寸法の規定理由を以下に述べる。

水面下での深さ方向位置：水面下１００〜１０００ｍｍ
図１に示すように、水面下１００〜１０００ｍｍの位置でヘッダ９に設けられた冷却水噴射用ノズル６からの噴流を鋼材表面に衝突させることで蒸気膜の発生が少ない時に噴流を衝突させることができ、例えば鋼板表面に到達する際の流速が０．３ｍ／ｓ程度の比較的遅い流速でも蒸気膜を破ることができる。これによって、少ない水量でも高い冷却速度で冷却することでき、高強度・高靭性の鋼材を得ることが可能となる。

水面下１０００ｍｍより深い位置で噴流を衝突させると、蒸気膜が既に安定して存在しているため、遷移沸騰を生じさせるには例えば０．６ｍ／ｓの流速が必要であり、より多くの水量が必要になるという問題がある。一方、水面下１００ｍｍより浅い位置で噴流を衝突させると、噴流の影響で水面が波立つため、噴流衝突点がゆらぎ、冷却が不均一になるという問題がある。

鋼材表面から冷却水噴射用ノズル先端までの距離：２００〜２５００ｍｍ
水中での噴流の流速は噴射距離、すなわち、鋼材表面から冷却水噴射用ノズル先端までの距離に反比例することが知られており、噴射距離が長いと蒸気膜を破るために必要な流速を与えるためには多量の水が必要となる。
鋼材表面から２００ｍｍ〜２５００ｍｍ離れた位置に冷却水噴射用ノズルを設置することで、多量の水を使用することなく蒸気膜を破ることができる。例えば０．３ｍ／ｓ程度の噴流の流速を確保でき、高い冷却速度で冷却することができる。

噴射距離が２００ｍｍより短いと、浸漬時に鋼材が振れたりするとノズルに衝突して、ノズルが損傷してしまうという問題が発生する。噴射距離が２５００ｍｍより長いと流速が遅くなるため、蒸気膜を破って高い冷却速度で冷却するには、多量の水が必要となってしまう。

冷却水噴射用ノズルの間隔：４００ｍｍ以下
噴流を衝突させて遷移沸騰を生じさせた部分が急冷されると、その周囲も熱伝導により短時間で急冷される。そのため、図２に示す冷却水噴射用ノズル６の間隔を４００ｍｍ以下とすることで、鋼材全面を高い冷却速度で冷却することができ、さらに遷移沸騰状態を継続して維持でき、鋼材全面で高強度・高靭性の材質を得ることができる。

設置する冷却水噴射用ノズルピッチが４００ｍｍより大きいと、隣接するノズルの間の位置では熱伝導に時間がかかり、急冷が始まるのが遅くなるため、鋼材表面において場所による冷却速度の差が大きくなり、材質にばらつきが生じてしまう。

鋼材表面に到達する際の噴流の流速：０．３ｍ／ｓ以上
鋼材表面に到達する際の噴流の流速を０．３ｍ／ｓ以上とすることで、蒸気膜を破って遷移沸騰を生じさせることができ、高い冷却速度で冷却して高強度・高靭性の材質を得ることができる。噴流の流速が０．３ｍ／ｓ未満であると、蒸気膜を破れないため高い冷却速度で冷却することができず目的の材質を得ることができない。

以下に、冷却用水槽に鋼材を浸漬する際の条件を述べる。

鋼材浸漬速度：５０〜４００ｍｍ／ｓ
鋼材浸漬速度を５０〜４００ｍｍ／ｓとして鋼材をゆっくり浸漬させることで、浸漬開始直後に十分な噴流衝突時間が確保され、噴流衝突中に表面温度が遷移沸騰温度域に下がる。これによって、噴流衝突部を通過した箇所は全て継続して急冷されるため、少ない冷却水噴射用ノズル数、少ない水量で鋼板全面を急冷して高強度・高靭性の鋼材を得ることができる。浸漬速度が５０ｍｍ／ｓより遅いと、浸漬冷却中の鋼材の浸漬進行方向の温度差が大きくなって歪が生じてしまう。４００ｍｍ／ｓより速い場合は、浸漬開始直後に十分な噴流衝突時間が確保されないため、表面温度が遷移沸騰温度まで下がりきらず、高い冷却速度で冷却することができない。

鋼材の焼入れ処理に際して、本発明の冷却方法を用いる場合には、冷却開始前の鋼材の温度を、鋼材全体の組織が十分にオーステナイト化される温度に加熱することが好ましい。これにより、その後の浸漬冷却によって十分に焼きが入り、均一な材質の鋼材が得られる。なお、鋼材温度が１１５０℃を超えると、加熱中にオーステナイト粒が粗大化し、最終的に得られる組織も粗大化するため、靭性が低くなってしまい、所望の材質が確保できない可能性があるので、加熱温度は１１５０℃以下とすることが好ましい。

なお、本発明の冷却方法及び冷却設備は厚板の熱処理工程で用いれば大きな効果を発揮するが、本発明はこれに限るものではなく、鍛造品などの鋼板全般の熱処理工程に適用できる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図１に示す熱処理設備を用いた。台車付き加熱炉１で重量２５ｔｏｎ、板厚１５０ｍｍ、板幅２５００ｍｍ、長さ８５００ｍｍの鋼板７を９００℃まで再加熱した後、台車２によって鋼板７を加熱炉１から抽出し、クレーン４で鋼板７をその長手方向が略鉛直方向となるように吊り上げた。冷却用水槽３上方に鋼板７を移動し、表１に示す浸漬速度で、冷却用水槽３に鋼板７を降下させて浸漬し、鋼板７全体が１００℃以下になるまで冷却した。

上記鋼板を浸漬時に、水面下２００ｍｍ、鋼板表面から５００ｍｍ離れた位置に幅方向に２００ｍｍピッチで設置された冷却水噴射用ノズル６から、鋼板表面に到達する、表１に示す流速の噴流を噴射した。ノズルから噴射される冷却水の流量からノズル出口における出口流速を求め、ノズル先端から鋼板表面までの距離と、前記出口流速とから、鋼板表面に到達する際の流速を計算により求めた。

本実施例で用いた鋼において目標とする材質（強度・靭性）を確保するためには、８００℃から４００℃の間の平均冷却速度は１．２℃／ｓ以上にする必要があり、板厚中心部での８００℃から４００℃の間の平均冷却速度は１．２℃／ｓ以上にすることを目標とした。ここで、板厚中心部の温度は、鋼板中心部まで穴を開けて取り付けた熱電対により測定した。

試験条件と試験結果を表１に示す。

発明例１では、浸漬速度２００ｍｍ／ｓで、鋼板表面から５００ｍｍ離れた位置に設置された冷却水噴射用ノズルから鋼板表面に到達する際の流速が１．０ｍ／ｓの噴流を噴射した。板厚中心部における冷却速度は１．３℃／ｓとなり、目標を達成した。この場合には、多量の合金成分を追加添加した成分系の鋼を用いることなく、鋼板全体で高強度・高靭性の材質を得ることができる。

比較例１では、浸漬速度２００ｍｍ／ｓで噴流噴射を行わず、冷却用水槽中に浸漬冷却した。板厚中心部における冷却速度は０．９℃／ｓと遅く、目標値よりも低かった。

比較例２では、浸漬速度２００ｍｍ／ｓで、鋼板表面から５００ｍｍ離れた位置に設置された冷却水噴射用ノズルから鋼板表面に到達する際の流速が０．２ｍ／ｓの噴流を噴射した。流速が遅いため、遷移沸騰が起こらず、板厚中心部における冷却速度は１．０℃／ｓとなり、目標値よりも低かった。

比較例３では、浸漬速度５００ｍｍ／ｓで、鋼板表面から５００ｍｍ離れた位置に設置された冷却水噴射用ノズルから鋼板表面に到達する際の流速が１．０ｍ／ｓの噴流を噴射した。この場合、板厚中心部における冷却速度は１．１℃／ｓとなった。これは、浸漬速度が速すぎたため、十分な噴流衝突時間が確保できず、鋼板表面に噴流が衝突している間に鋼板表面温度が遷移沸騰温度域にまでは低下せず、この結果、この後の冷却速度も低い値にとどまったものである。

以上、比較例１〜３に示すように、本発明で規定される条件のいずれかが外れた場合には、所望の冷却速度が得られず、同じ冷却条件で目標とする強度・靭性達成するためには、多量の合金製分を追加添加した成分系の鋼を採用しなければならないことが分かった。

１ 加熱炉
２ 台車
３ 冷却用水槽
４ クレーン
５ 吊具
６ 冷却水噴射用ノズル
７ 鋼板
８ 水
９ ヘッダ
１０ 噴流
Ａ 通常の冷却
Ｂ 鋼板表面に噴流を衝突させた場合の冷却
（ａ） 冷却曲線（ａ）
（ｂ） 冷却曲線（ｂ）

Claims (2)

1. 冷却用水槽と冷却水噴射用ノズルを有する鋼材の冷却設備であって、
   鋼材の板面が冷却用水槽の水面に対して略垂直になるように、浸漬速度５０〜４００ｍｍ／ｓで浸漬された鋼材に対し、
   鋼材全体が冷却水噴射用ノズル位置を通過し、且つ、冷却水噴射用ノズルからの噴流を浸漬直後の鋼材両面に衝突させるように冷却水噴射用ノズルが配され、
   前記冷却水噴射用ノズルは、水面下１００ｍｍ〜１０００ｍｍの深さで、鋼材表面との距離を２００ｍｍ〜２５００ｍｍの範囲とし、鋼材両面の全幅にわたって４００ｍｍ以下の間隔で配置され、前記冷却水噴射用ノズルからは、鋼材表面に到達する際の流速が０．３ｍ／ｓ以上となる噴流が鋼材表面に供給されることを特徴とする鋼材の冷却設備。
2. 鋼材の板面が冷却用水槽の水面に対して略垂直になるように鋼材を冷却用水槽に浸漬し、鋼材全体が冷却水噴射用ノズル位置を通過し、且つ、冷却水噴射用ノズルからの噴流を浸漬直後の鋼材両面に衝突させて冷却するにあたり、
   浸漬速度を５０〜４００ｍｍ／ｓとし、水面下１００ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲内で、鋼材表面と冷却水噴射用ノズル先端との距離を２００ｍｍ〜２５００ｍｍの範囲とし、鋼材両面の全幅にわたって４００ｍｍ以下の間隔で配置された冷却水噴射用ノズルから、鋼材表面に到達する際の流速が０．３ｍ／ｓ以上である噴流を鋼材表面に噴射することを特徴とする鋼材の冷却方法。

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