JP6058976B2 - 鋼板のデスケーリング水温の管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延鋼板等を製造するときに用いられる鋼板表面のスケールを除去する際のデスケーリング水温の管理方法に関する。

従来から、圧延ラインにおいて、鋼板のスケールを除去するために、いわゆるデスケーリングが行われている。デスケーリングを行うスケール除去設備は、通常、搬送される鋼板の表面にデスケーリング用のノズルから高圧の水（例えば噴射圧：１０〜５０ＭＰａ）を噴射し、その噴射されたデスケーリング水の衝撃力によって鋼板表面の酸化スケールを剥離して除去する（例えば特許文献１ないし２参照）。ノズルは、搬送される鋼板の幅方向に対して一定ピッチで複数設置される。そして、各ノズル先端から放射状に噴射されたデスケーリング水を隣り合うノズル同士でオーバラップさせることで、鋼板の全幅に亘って均一にデスケーリングを行う。

ところで、従来のスケール除去設備では、スケール除去能力を向上させる手段として、噴射するデスケーリング水の高圧化や（特許文献１）、鋼板に対するノズルの近接化（特許文献２）が行われている。特許文献１ないし２に記載の手段によれば、鋼板に衝突する液滴の衝撃力を上げることができる。

特開平１０−１９２９５２号公報 特開２００５−３４９０８号公報 特開２００４−１８１４７９号公報

しかしながら、特許文献１の高圧化による手段は、噴射するデスケーリング水を高圧化するため、従来よりも多くのポンプ動力を必要とするという問題がある。
また、特許文献２の近接化による手段は、鋼板の「そり」や耐熱性などの制約により、鋼板とノズルの対向距離（スプレー距離）を１００ｍｍ程度よりも近づけることが困難である（図１参照）。したがって、鋼板のそりを極力小さくすることでしか、スケール除去能力の向上を見込むことができない。また、鋼板の幅方向に複数配置されたノズルから噴射されるデスケーリング水は、図１に鋼板への水滴の衝突モデルを示すように、各ノズル先端から放射状に噴射されるため、近接化による手段では、鋼板とノズルの対向距離が近くなるにつれ、より小さな範囲でしか各ノズルがデスケーリングを行うことができない。そのため、一定の鋼板面積で全幅に亘って均一にデスケーリングを行う場合には、近接化に応じてノズル本数を増やす必要が生じ、またノズル本数に応じて水量を増やす必要がある。

このように、上記二つのスケール除去能力の向上手段は、スケール除去設備およびその付帯設備の巨大化により、運転費および設備費の増大を招くため好ましくない。換言すれば、必要とする動力を増やさずにデスケーリング能力を増大させることができれば、省エネの観点から有利となる。
そこで、本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルの近接化や高圧化以外の手段を用い、必要とする動力を増やさずに、鋼板のスケールを一層効率よく除去できる、鋼板のデスケーリング水温の管理方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上述のような問題点に着目し、デスケーリング用のノズルから吐出した水流ジェットが液滴となり鋼板スケール表面に発生するキャビテーションと、デスケーリング水の水温との関係に着目し、ノズルを有するデスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の水温を変化させた場合のデスケーリング能力を評価した。評価結果を図２に示す。なお、図２に示したデスケーリング能力は、ノズル先端から１００ｍｍの位置に、高温の鋼板と似た塑性変形を示すアルミ供試材を設置し、そのアルミ供試材に対して９０秒間のデスケーリングを行い、その後、アルミ供試材の質量欠損量を測定した結果を示している。

図２からわかるように、水温を１５℃としてデスケーリングヘッダに送り込まれたデスケーリング水を噴射した際のデスケーリング能力と比べて、水温を５０℃としてデスケーリングヘッダに送り込まれたデスケーリング水を噴射した場合、ノズルなどを変更しなくとも、約２倍のデスケーリング能力を得ることができることがわかる。そこで、本発明者らは、このようなデスケーリング能力の評価結果に基づき鋭意検討を重ね、デスケーリングヘッダに送り込むデスケーリング水の水温を５０℃以上８０℃以下の範囲で制御すればデスケーリング能力を向上できることを見出した。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明一態様に係る鋼板のデスケーリング水温の管理方法は、搬送される鋼板の表面にノズルから高圧のデスケーリング水を噴射し、その噴射されたデスケーリング水の衝撃力によって鋼板表面のスケールを除去する際のデスケーリング水温を管理する方法であって、前記ノズルから噴射するためにポンプからデスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水を、５０℃以上８０℃以下の範囲のガス性キャビテーション抑止温度に管理して、前記鋼板にデスケーリング水の液滴が衝突するときのガス性キャビテーションを抑止した状態で蒸気性キャビテーションを発生させてデスケーリング能力を向上させることを特徴とする。

本発明において、デスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の水温を５０℃以上８０℃以下の範囲で制御する理由は、デスケーリング水の水温を上昇させればさせるだけデスケーリング能力を向上させることができる、という図２に示した実験結果に基づく。８０℃以下とする理由は、８０℃を超えるとポンプの吸込み側においてキャビテーションが発生し、ポンプを損傷する可能性が高いためである。

いま、鋼板に液滴が衝突する場合、図３に示すように、液滴の内部にキャビテーションが発生する。そして、図４に示すように、このキャビテーションにより発生した気泡が消滅する際に発生する圧力は、条件によっては同液滴が衝突する際に発生する衝撃力に比して格段に大きくなる。ここで、このキャビテーションには、ガス性キャビテーション（気泡が消滅しにくく衝撃波の伝播を阻害する、発生圧力が小さいキャビテーション）および蒸気性キャビテーション（生成と消滅を繰り返し、発生圧力が大きいキャビテーション）の２種類が存在する。

つまり、デスケーリング水の水温を上昇させることで、水の飽和溶存空気量を減らすことができるため、気泡が消滅しにくく衝撃波の伝播を阻害するガス性キャビテーションの発生の核を減らすことができると考えられる。このため、デスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の水温が低い場合は、ガス性キャビテーションが相対的に増大するので、デスケーリング能力が低下することになったと考えられる。

なお、従来、使用するデスケーリング水の水温を制御する技術として、上記特許文献２では、水温を２０℃以下に抑えることで、加熱された鋼板との温度差が高い方が熱歪の発生が大きいとする事項が開示されている。また、特許文献３では、水温を６０℃以上に制御して、鋼板の冷却むらを抑えるデスケーリング方法が開示されている。しかし、これらデスケーリングでの技術思想は、デスケーリング水の水温を規定はするものの、デスケーリング水の水温によるデスケーリング能力の変化に注目してなされたものではなく、水温による鋼板の冷却能力の変化を期待したものにすぎない。これに対し本発明は、水温による鋼板のデスケーリング能力自体の変化に着目し、デスケーリング水の水温を所定となるように積極的に温度管理するものである。

上述したように、本発明によれば、ノズルから噴射するデスケーリング水を、デスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水が５０℃以上８０℃以下の範囲の温度とされたものを噴射するので、ノズルの近接化や高圧化以外の手段を用い、必要とする動力を増やさずに、デスケーリング能力を向上でき、スケールを一層効率よく除去できる。

ノズルから吐出した水流ジェットにおける水滴の鋼板への衝突モデルを示す説明図である。 アルミ供試材に対してデスケーリングを行い、そのアルミ供試材の質量欠損量を測定した結果であって、デスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の温度を変化させたときのデスケーリング能力の変化を評価した結果を示すグラフである。 デスケーリング用のノズルから吐出した水流ジェットが液滴となり、鋼板スケール表面に衝突する際にキャビテーションが発生する様子のイメージを示す模式図である。 図３に示すキャビテーションにより発生した気泡が消滅する際に圧力が発生する様子のイメージと、消滅時気泡半径／発生時気泡半径と気泡近傍発生圧力との関係を併せて示す図である。 本発明に係るスケール除去設備の一実施形態を熱間圧延ラインとともに示す概略構成図である。 本発明に係るスケール除去設備（デスケーリング装置と要部）の他の例を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は、本発明に係るスケール除去設備の一例を熱間圧延ラインとともに示す概略構成図である。
図５に示すスケール除去設備１は、被圧延材である鋼板Ｋの熱間圧延ラインに備えられている。熱間圧延ラインは、上流側から下流側に向けて、搬送される鋼板Ｋを加熱する加熱炉１０と、加熱炉１０から取り出された鋼板Ｋを粗圧延する粗圧延機２０と、粗圧延された鋼板Ｋを仕上圧延する仕上圧延機３０とを備えている。
ここで、スケール除去設備１は、鋼板の熱間圧延ラインにおいて、加熱炉１０の出側（ＨＳＢ）に設置されたデスケラと呼ばれる第１デスケーリング装置４０と、粗圧延機２０の入側（ＲＳＢ）に設置された第２デスケーリング装置５０と、仕上圧延機３０の入側（ＦＳＢ）に設置された第３デスケーリング装置６０とを備えている。

第１デスケーリング装置４０は、加熱炉１０から取り出された鋼板Ｋの表面（表の面と裏の面とを含む、以下同じ）に水を噴射し、これにより鋼板表面に形成されたスケールを除去するためのデスケーリング用のノズル４１ｎを有する上下一対のデスケーリングヘッダ４１を備えている。また、第２デスケーリング装置５０は、第１デスケーリング装置４０を経た鋼板Ｋの表面に水を噴射し、これにより鋼板表面に形成されたスケールを除去するためのデスケーリング用のノズル５１ｎを有する上下一対のデスケーリングヘッダ５１を備えている。更に、第３デスケーリング装置６０は、粗圧延機２０を経た鋼板Ｋの表面に水を噴射し、これにより鋼板表面に形成されたスケールを除去するためのデスケーリング用のノズル６１ｎを有する上下一対のデスケーリングヘッダ６１を備えている。各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１のノズル４１ｎ、５１ｎ、６１ｎは、搬送される鋼板Ｋの幅方向に沿って複数備えられ、各ノズル先端から放射状に噴射された高圧のデスケーリング水を隣り合うノズル同士でオーバラップさせることで、鋼板の全幅に亘って均一にデスケーリングを行うようになっている。

各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１は、水供給源１００からの水を加圧する複数のポンプ７０及びアキュムレータ８０に配管を介して接続されている。そして、水供給源１００からの水は、複数のポンプ７０とアキュムレータ８０とによって加圧されて高圧に安定的に保たれながら各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１のノズル４１ｎ、５１ｎ、６１ｎから被圧延材Ｋの表面に向けて噴射される。噴射水の吐出量は、複数のポンプ７０とアキュムレータ８０とによって安定的に確保される。
ここで、本実施形態では、複数のポンプ７０の入側に配置された水供給源１００に対して、水供給源１００の水と工場の排ガスとの間で熱交換可能な熱交換器９０が付設されており、この熱交換器９０を用いて各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１に送り込まれるデスケーリング水の温度を制御するものである。

複数のポンプ７０の出側とデスケーリングヘッダ４１、５１、６１との間の配管には、各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１に送り込まれるデスケーリング水の温度を測定可能な温度計９１が設置されている。そして、温度計９１で測定された温度が温度制御部８０に入力されるようになっている。温度制御部８０は、測定されたデスケーリング水の温度に基づいて、熱交換器９０の調整弁９２を開閉制御し、ポンプ７０から各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１に送り込まれるデスケーリング水の温度が、５０℃以上８０℃以下の範囲になるように制御されている。本実施形態では、目標温度が５０℃に設定されている。

このように、このスケール除去設備１では、各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１のノズルから噴射するデスケーリング水を、各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１に送り込まれるときに５０℃以上８０℃以下の範囲の温度としたものを噴射するので、図２の実験結果に示したように、スケール除去設備１のデスケーリング能力を向上でき、鋼板Ｋのスケールを一層効率よく除去できる。

また、上記デスケーリング設備１によれば、温度制御手段が、水供給源１００の水と工場の排ガスとの間で熱交換可能な熱交換器９０をポンプ７０の入側に有し、この熱交換器９０を用いてデスケーリング水の温度を制御するので、工場からの排熱を有効利用してデスケーリング水を予熱することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、上記実施形態では、温度制御手段が熱交換器９０を有する例で説明したが、これに限らず、温度制御手段は、水供給源１００の水に工場の高温排水を混合することができその混合量を制御可能に設けられた高温排水混合配管をポンプ７０の入側に有し、該高温排水混合配管を用いて高温排水の混合量を制御することで、デスケーリング水の温度を制御するものであってもよい。このような構成であっても、工場からの排熱を有効利用してデスケーリング水を予熱することができる。

また、温度制御手段が、水供給源１００に送る水を、クーリングタワーを経由させてから水供給源１００に送るとともにその経由させる水量を制御可能に設けられた源水経由配管をポンプ７０の入側に有し、該源水経由配管を用いて経由させる水量を制御することで、各デスケーリングヘッダ４１、５１、６１に送り込まれるデスケーリング水の温度を制御する構成としてもよい。このような構成であっても、工場からの排熱を有効利用してデスケーリング水を予熱することができる。
なおまた、鋼板Ｋの熱間圧延ラインにおいて、デスケーリング装置は、加熱炉１０の出側、粗圧延機２０の入側、及び仕上圧延機３０の入側の少なくとも一つの位置に設置されていればよく、必ずしもすべての位置に設置されていなくてもよい。また、ポンプ７０の台数は、複数台である必要はなく１台であってもよい。

また、上記実施形態では、温度制御手段がポンプ７０の入側に設けられた例で説明したが、これに限らず、図６に示すデスケーリング装置のように、ポンプ７０の出側に温度制御手段を設けてもよい。つまり、同図の例では、温度制御手段が、デスケーリングヘッダ（４１、５１、６１）に送り込まれるデスケーリング水に所望に水蒸気を吹き込むことができその吹き込む水蒸気量を制御可能に設けられた蒸気配管９５をポンプ７０の出側に有し、該蒸気配管９５を用いて吹き込む水蒸気量を制御することで、デスケーリング水の温度を制御する構成とされている。このような構成であれば、例えばポンプ７０の耐熱温度が低いために高温のデスケーリング水をポンプ入側で予熱できない場合であってもデスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の水温を上昇させることができる。

更に、温度計９１についても、ポンプ７０の出側だけではなく、温度管理が可能であれば、ポンプ７０の入側に設置してもよい。また、デスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水の温度が、５０℃以上８０℃以下の範囲となることが予め確認されており、所期の温度範囲内で安定的にデスケーリング水をデスケーリングヘッダに供給できるものであれば、必ずしも温度計９１や温度制御部８０を設置する必要もない。つまり、本発明に係る温度制御手段は、温度計９１や温度制御部８０を省略して、上述の熱交換器９０のみから構成してよい。また、上記高温排水混合配管や、源水経由配管等のみから温度制御手段を構成してもよい。

１ スケール除去設備
１０ 加熱炉
２０ 粗圧延機
３０ 仕上圧延機
４０ 第１デスケーリング装置
４１ デスケーリングヘッダ
５０ 第２デスケーリング装置
５１ デスケーリングヘッダ
６０ 第３デスケーリング装置
６１ デスケーリングヘッダ
７０ ポンプ
８０ アキュムレータ
９０ 熱交換器（温度制御手段）
９１ 温度計
９２ 調整弁
９５ 蒸気配管（温度制御手段）
１００ 水供給源
Ｋ 被圧延材（鋼板）

Claims (1)

1. 搬送される鋼板の表面にノズルから高圧のデスケーリング水を噴射し、その噴射されたデスケーリング水の衝撃力によって鋼板表面のスケールを除去する際のデスケーリング水温を管理する方法であって、
   前記ノズルから噴射するためにポンプからデスケーリングヘッダに送り込まれるデスケーリング水を、５０℃以上８０℃以下の範囲のガス性キャビテーション抑止温度に管理して、前記鋼板にデスケーリング水の液滴が衝突するときのガス性キャビテーションを抑止した状態で蒸気性キャビテーションを発生させてデスケーリング能力を向上させることを特徴とする鋼板のデスケーリング水温の管理方法。

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