JP5910597B2 - 熱延鋼板の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱延鋼板を安定的に急速冷却するための冷却装置に関するものである。

熱延鋼板を製造するには、通常、図１に示すように、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鋼板８に仕上げた後、ランナウトテーブル４に設置された冷却設備（ランナウト冷却設備）５の上面冷却装置５ａと下面冷却装置５ｂからそれぞれ鋼板８の上面と下面に冷却水を供給することによって鋼板８を所定の温度に冷却して、巻取機６で巻き取ることにより製造される。

その際、一般的には、鋼板８の上面冷却を行う上面冷却装置５ａでは、複数の円管状のラミナー冷却ノズル（円管ラミナーノズル）からテーブルローラ上の鋼板８の上面に向かって、直線状に円管ラミナー冷却水を注水し、鋼板８の下面冷却を行う下面冷却装置５ｂでは、テーブルローラ間に位置するように設けられたスプレーノズルからテーブルローラ上の鋼板８の下面に向かって、スプレー冷却水を噴射するようにしている。

しかし、上述したような、複数の円管ラミナーノズルから円管ラミナー冷却水を注水する上面冷却装置の場合、鋼板の上面側に注水された冷却水は、鋼板を冷却した後、鋼板の上面に滞留し、滞留した位置において鋼板の過冷却を引き起こす。過冷却状態は鋼板長手方向において一様とはならず、鋼板長手方向における冷却停止温度のばらつきが生じていた。さらに、鋼板の上面冷却に使われている円管ラミナーノズルからの円管ラミナー冷却水は運動量（流量×流速）が小さいため、鋼板の上面に滞留冷却水の水膜があると、鋼板上面まで冷却水が到達しにくく、また、鋼板の上面に滞留冷却水がある場合とない場合で冷却能力に違いが生じるという問題もあった。さらに、鋼板上面に落下した冷却水が自由に前後左右に広がるので、冷却領域が変化し、冷却能力が安定しないという問題もあった。このような冷却能力の変動の結果、鋼板の材質が不均一になっていた。

そこで、鋼板上の冷却水（滞留冷却水）の水切りを行って安定した冷却能力を得るために、鋼板上面を横切るように流体を斜め方向に噴射して滞留冷却水を排出する方法（例えば、特許文献１参照）や、鋼板の上下動を拘束するための拘束ロールを水切りロールとして滞留冷却水を堰き止めることで冷却領域を一定にする方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。また、冷却水を鋼板上面に閉じ込めることで冷却領域を一定にする冷却方式として、スリット状のノズルを傾斜させて互いに向き合う方向に対向させて冷却水を噴射する方式（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特開平９−１４１３２２号公報 特開平１０−１６６０２３号公報 特開昭５９−１４４５１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、ランナウトテーブルの下流側に行くにしたがって鋼板上面に大量の冷却水が滞留していくため、下流側になるほど水切り効果が弱くなる。ポンプの増強や水量の増加によって水切り能力を向上させれば、滞留冷却水の除去は可能になるが、ランニングコストが大幅に増加するため、効率的な方法とは言えない。

また、特許文献２に記載の方法では、仕上圧延機を出てから巻取機に至るまでの鋼板先端部は拘束ロールによる拘束が無い状態で搬送されるので、拘束ロール（水切りロール）による水切り効果が得られない。しかも、鋼板先端部が上下動しながら波を打ったような状態でランナウトテーブル上を通過するので、この鋼板先端部の上面に冷却水を供給すると、上下に波を打つ底の部分に選択的に冷却水が滞留しやすく、鋼板先端が巻取機で巻き取られて張力が働き、波形状が解消されるまでは、冷却温度の変動が生じる。この冷却温度の変動も鋼板の機械的性質のばらつきを生じさせていた。

一方、特許文献３に記載のスリット状のノズルを傾斜させて互いに向き合う方向に対向させて冷却水を噴射して冷却水を鋼板上に閉じ込める冷却方式では、冷却水流が切れ目のないカーテン状の冷却水でないと冷却水を堰き止めることができないが、冷却水流を切れ目がないカーテン状に保つためには、ノズルと鋼板の距離を離すことができない。さらに、この方法では、冷却水を充満させるためにノズル先端部近傍に仕切板を設けていることから、鋼板とノズルおよび仕切板との距離が近づかざるを得ない。そのため、鋼板がノズルや仕切板に衝突する危険性が高い。特に、形状が悪い波板状の鋼板では、ノズルや仕切板との接触が避けられずに、鋼板に疵が発生してしまう。したがって、実操業に適用することは困難である。

このように、特許文献１〜３に記載された方法では、鋼板の温度むらを適切に抑制できる安定した冷却能力を効率的に得ることができない。

加えて、熱延鋼板の製造においては、ランナウトテーブルの巻取機に近い領域では、鋼板の表面温度が例えば５５０℃以下となる場合があり、次のような問題も生じる。

すなわち、この領域（鋼板の表面温度が例えば５５０℃以下となる領域）では、鋼板と冷却水との間に蒸気膜が存在するような伝熱状態である膜沸騰と、鋼板と冷却水が直接接触して沸騰する核沸騰が共存する領域に移行する。この沸騰状態が遷移する沸騰現象は遷移沸騰と呼ばれ、急激に冷却が促進され、鋼板の温度むらが拡大する。

また、従来、鋼板材質の観点から冷却速度を速くする場合に、単純に円管ラミナー冷却水の水量を多くして対応しているが、鋼板の上方から垂直に大流量の冷却水を噴射すると特許文献１や特許文献２に記載されている手法では水を堰き止めることができず、鋼板上面に大量の滞留冷却水が発生する結果、温度むらが発生していた。

さらに、遷移沸騰域においては、鋼板と冷却水の間に蒸気膜が存在していない個所があり、その個所では冷却水と鋼板が直接接触するため、冷却装置から出た後の空冷ゾーンにおいて、鋼板上面に冷却水が残存しやすい。このような個所では過冷却となって鋼板の品質にばらつきが生じる。

このように、特許文献１〜３等に記載された従来の冷却技術では、鋼板の温度むらを抑制しながら安定した急速冷却を効率的に行うことができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱延鋼板の冷却を行うに際して、鋼板の温度むらを抑制しながら、安定した急速冷却を効率的に行うことができる冷却装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］熱延鋼板の製造ラインにおいて、熱延鋼板の上面に冷却水を噴射する冷却装置であって、熱延鋼板長手方向の２個所のそれぞれで熱延鋼板を挟んで熱延鋼板幅方向に２個所の計４個所に冷却ヘッダを備え、それぞれの冷却ヘッダに取り付けられた冷却ノズルから前記４個所の中心部に向かって冷却水を噴射することを特徴とする熱延鋼板の冷却装置。

［２］前記冷却ノズルは、上方から見て、そのノズル中心軸方向と熱延鋼板長手方向がなす角度が３０〜７５度であることを特徴とする前記［１］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

［３］前記冷却ノズルは、熱延鋼板長手方向から見て、そのノズル中心軸方向と水平方向がなす角度が１０〜３０度であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

［４］それぞれの冷却ヘッダ毎の冷却水の運動量は、全ての冷却ヘッダで等しいことを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

本発明においては、熱延鋼板の冷却を行うに際して、鋼板の温度むらを抑制しながら、安定した急速冷却を効率的に行うことができる。その結果、全長・全幅で均一な材質の鋼板を製造することが可能となる。

熱延鋼板の製造ラインの概略を示す図である。 本発明の一実施形態における冷却装置の斜視図である。 本発明の一実施形態における冷却装置の上面図である。 本発明の一実施形態における冷却装置の正面図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示したように、熱延鋼板の製造ラインでは、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鋼板８に仕上げた後、ランナウトテーブル４に設置された冷却設備（ランナウト冷却設備）５の上面冷却装置５ａと下面冷却装置５ｂからそれぞれ鋼板８の上面と下面に冷却水を供給することによって鋼板８を所定の温度に冷却して、巻取機６で巻き取ることにより、熱延鋼板が製造される。

そして、本発明の一実施形態は、上記のような、ランナウトテーブル冷却設備５の上面冷却装置５ａに、本発明を適用したものである。

図２〜図４は、本発明の一実施形態における冷却装置１０を示すものであり、図２は斜視図、図３は上面図、図４は正面図である。

図２〜図４に示すように、本発明の一実施形態における冷却装置１０は、鋼板（熱延鋼板）８の上面に冷却水を噴射する冷却装置であって、圧延方向（鋼板長手方向）の２個所のそれぞれで鋼板８を挟んで鋼板幅方向に２個所の計４個所に概ね対称になるように冷却ヘッダ１１が設置されていて、それぞれの冷却ヘッダ１１に取り付けられた冷却ノズル（スプレーノズル）１２から４個所の中心部に向かって液滴状の冷却水（スプレー冷却水）１３を噴射するようになっている。

このように、４個所の冷却ヘッダ１１から４個所の中心部に向かってスプレー冷却水１３を鋼板８上面に噴射することにより、鋼板８上面に衝突した冷却水１３が互いに堰き止め合って、滞留冷却水１４が鋼板８上を上流側および下流側に流出することを抑止することができる。それによって、鋼板８の冷却むら（温度むら）を抑制することができる。

ちなみに、この実施形態において、冷却ノズル１２として、液滴状冷却水を噴射するスプレーノズルを採用しているのは、棒状冷却水を噴射する円管ノズルを用いる場合、スプレーノズルの場合に比べて、円管ノズルの本数が多くなり、設備費用およびメンテナンス費用が高価となるためである。

なお、ここでは、それぞれの冷却ヘッダ１１に冷却ノズル１２が１個ずつしか描かれていないが、必要な冷却能力に応じ、冷却ノズル１２の数を変更すれば良い。また、各冷却ヘッダ１１には供給管（図示せず）が接続されており、それぞれの供給管は噴射弁（図示せず）によって独立にオン−オフ制御が可能になっている。

冷却ノズル１２は、一般的なスプレーノズルを用いればよく、図３に示すように、上方から見て、噴射幅方向の拡がり角度θ１が例えば３０〜１２０度であり、図４に示すように、圧延方向から見て、噴射厚み方向の拡がり角度θ２が例えば１０〜６０度である。

そして、図３に示すように、冷却ノズル１２は、上方から見て、そのノズル中心軸１２ａ方向と圧延方向がなす噴射角度φ１が３０〜７５度であることが好ましい。

これは、噴射角度φ１を３０度以上にすれば、滞留冷却水１４が鋼板８上を上流側および下流側により一層流れ出し難くなるからであり、噴射角度φ１を７５度以下にすれば、冷却ノズル１２から鋼板８の被冷却部までの距離が値近くなるので、所望の冷却能力を確保しやすいからである。

同じく、図４に示すように、冷却ノズル１２は、圧延方向から見て、そのノズル中心軸１２ａ方向と水平方向がなす噴射角度φ２が１０〜３０度であることが好ましい。

噴射角度φ２を１０〜３０度にすると、冷却ノズル１２と鋼板８の距離を短くすることができ、鋼板８上面の滞留冷却水１３を貫通する能力を確保しやすいからである。

また、図４に示すように、冷却ノズル１２は、鋼板８の幅方向端部から外側に少し離れた位置（例えば、０．２〜０．７ｍ離れた位置）で、鋼板８より少し高い位置（例えば、０．１〜０．７ｍ高い位置）に設置するのが好ましい。

この理由は、この冷却ノズル１２から噴射される液滴状冷却水は、円管ノズルから噴射される棒状冷却水に比べて、鋼板８上面に滞留した冷却水（滞留冷却水１４）を貫通する能力が低いため、鋼板８の上方の１ｍ以上離れた位置に円管ノズルを設置した冷却装置に対し、冷却ノズル１２を鋼板８に近づけることにより、滞留冷却水１４の貫通能力を向上させるためである。

ちなみに、鋼板８幅方向で、噴射された冷却水１３が鋼板８上面に衝突しない領域が生じるのは好ましくないので、鋼板８の板幅変更範囲が大きい場合には、鋼板８の板幅の変更に応じて、冷却ヘッダ１１の鋼板幅方向や高さ位置、冷却ノズル１２の噴射角度φ２を変更できるようにしておくとよい。

さらに、それぞれの冷却ヘッダ１１毎に、冷却ノズル１２から噴射される冷却水１３の運動量（流量×流速）の総量が異なると、互いの冷却水１３を堰き止めることが難しくなる場合があるので、それぞれの冷却ヘッダ１１毎の冷却水１３の運動量の総量は、全ての冷却ヘッダ１１で等しいことが好ましい。

そして、この冷却装置１０を用いて鋼板１０冷却制御を行う際には、目標温度に応じて冷却ノズル１２から噴射される冷却水１３の流量を変化させれば良い。

このような冷却装置１０を、ランナウト冷却設備５の上面冷却装置５ａとして用いる場合には、この冷却装置１０を１つの冷却ユニットとし、ランナウト冷却設備５にユニット単位で配置すればよい。

その際に、全ての上面冷却装置５ａを冷却装置１０にしてもよいし、場合によっては、一部の上面冷却装置５ａは冷却装置１０にして、残りの上面冷却装置５ａは他の冷却装置としてもよい。

ただし、前述したように、鋼板８の巻取温度によっては、巻取機６に近い領域で遷移沸騰とよばれる不安定な冷却状態となる場合があるので、少なくとも巻取機６の直前には、冷却装置１０を配置することが好ましい。

この冷却装置１０は、遷移沸騰域においても、鋼板長手方向の冷却長が一定であり、冷却温度が一定となるため、安定した冷却を実現することが可能であり、巻取温度を精度よく制御することができるからである。

これによって、低温（５００℃以下）の巻取温度においても不安定な冷却がなくなり、温度むらが小さくなる。その結果、強度や伸びといった鋼板の品質が鋼板８の全長・全幅にわたって均質となる。

このようにして、この実施形態においては、熱延鋼板の冷却を行うに際して、鋼板の温度むらを抑制しながら、安定した急速冷却を効率的に行うことができる。その結果、全長・全幅で均一な材質の鋼板を製造することが可能となる。

本発明の実施例として、図１に示した熱延鋼板の製造ラインにおいて、板厚３．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍ、全長８００ｍ、巻取温度目標５００℃、引張強度５９０ＭＰａ級の熱延鋼板を製造し、製品の歩留を調査した。

その際に、比較例では、ランナウト冷却設備５の上面冷却装置５ａに、従来型の冷却装置（従来型冷却装置）を用いた。

ここで、従来型冷却装置は、鋼板８の上面に対して冷却水を自由落下流として供給する円管ラミナーノズルが鋼板幅方向に所定ピッチで複数個取り付けられた冷却ヘッダを備えた冷却装置とした。円管ラミナーノズルと鋼板８の距離は１．５ｍ程度であった。

そして、上記の冷却ヘッダ数個を１つのユニットとし、各ユニット毎に冷却水の注水および停止を制御して、巻取温度を制御した。

これに対して、本発明例では、ランナウト冷却設備５の上面冷却装置５ａに、上記の本発明の一実施形態における冷却装置１０（本発明冷却装置）を用いた。

そして、その冷却装置１０を１つのユニットとし、各ユニット毎に冷却水１３の噴射および停止を制御して、巻取温度を制御した。

比較例と本発明例における製造条件（冷却条件）と製造結果は表１に示す通りである。

なお、表１において、「冷却水の流量バランス」については、各冷却ヘッダ１１毎の冷却水１３の運動量の総量が全て等しい場合を○、それ以外を×とした。

また、表１において、「温度むら」は、鋼板８の全長・全幅における巻取温度の目標温度からの差の最大値を示し、「歩留」は図１に示した熱延鋼板の製造ラインおける歩留を指す。

まず、表１に示すように、比較例では、従来型冷却装置を用いたため、温度むらが大きくなり、歩留が大きく低下した。

これに対して、本発明例（本発明例１〜１０）では、比較例に比べて、温度むらが低減し、歩留が上昇した。

その中で、本発明例１では、冷却ノズル２の噴射角度φ１が２５度であり、好適範囲（３０〜７５度）を外れているため、冷却水１３を完全には堰き止めることができず、一部の滞留冷却水１４が鋼板長手方向に流出した結果、温度むらの低減量が小さくなり、歩留の上昇量が小さかった。

また、本発明例４では、冷却ノズル２の噴射角度φ２が８０度であり、好適範囲（３０〜７５度）を外れているため、冷却能力が不足し、冷却が不安定になった結果、温度むらの低減量が小さくなり、歩留の上昇量が小さかった。

また、本発明例５と本発明例８では、冷却ノズル２の噴射角度φ２がそれぞれ５度と３５度であり、好適範囲（１０〜３０度）を外れているため、冷却能力が不足し、冷却が不安定になった結果、温度むらの低減量が小さくなり、歩留の上昇量が小さかった。

また、本発明例９では、冷却水の流量バランスがとれていなかったため、冷却水１３を完全には堰き止めることができず、一部の滞留冷却水１４が鋼板長手方向に流出した結果、温度むらの低減量が小さくなり、歩留の上昇量が小さかった。

一方、本発明例２、３、６、７、１０では、冷却ノズル２の噴射角度φ１、φ２がともに好適範囲であるとともに、冷却水の流量バランスがとれていたため、適正な冷却能力を得られるとともに、滞留冷却水１４を的確に堰き止めることができた結果、温度むらを抑制して、高い歩留を得ることができた。

これによって、本発明の有効性が確認された。

１ 加熱炉
２ 粗圧延機
３ 仕上圧延機
４ ランナウトテーブル
５ 冷却設備（ランナウト冷却設備）
５ａ 上面冷却装置
５ｂ 下面冷却装置
６ 巻取機
８ 鋼板（熱延鋼板）
１０ 冷却装置（本発明冷却装置）
１１ 冷却ヘッダ
１２ 冷却ノズル（スプレーノズル）
１２ａ 冷却ノズルのノズル中心軸
１３ 冷却水（スプレー冷却水）
１４ 滞留冷却水

Claims (4)

1. 熱延鋼板の製造ラインにおいて、熱延鋼板の上面に冷却水を噴射する冷却装置であって、熱延鋼板長手方向の２個所のそれぞれで熱延鋼板を挟んで熱延鋼板幅方向に２個所の計４個所に冷却ヘッダを備え、それぞれの冷却ヘッダに取り付けられた冷却ノズルから前記４個所の中心部に向かって冷却水を噴射することを特徴とする熱延鋼板の冷却装置。
2. 前記冷却ノズルは、上方から見て、そのノズル中心軸方向と熱延鋼板長手方向がなす角度が３０〜７５度であることを特徴とする請求項１に記載の熱延鋼板の冷却装置。
3. 前記冷却ノズルは、熱延鋼板長手方向から見て、そのノズル中心軸方向と水平方向がなす角度が１０〜３０度であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱延鋼板の冷却装置。
4. それぞれの冷却ヘッダ毎の冷却水の運動量は、全ての冷却ヘッダで等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

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