JP6951507B1 - バーインコイルの制御冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御冷却された捻りの無い異形バーインコイルの製造方法を提供する。【解決手段】バー１の巻取に際して、捻りが導入されない実質ポーリング式巻取を適用し、巻取工程をリング列４の形成と該リング列の集積によるコイル１０の形成の二つに分離する。前者では摺動式の螺旋ガイド５により走行してくる異形バーを受けて高速回転するリング列に成形し、後者には該リング列を同期回転する集積台９上に落下させる。落下に際して該螺旋ガイドを集積台中心軸１１から偏心させて自転せず低速公転させ、リング列を一定位相角で円周配置してリング間に適切な空隙を形成する。集積台周辺より気水スプレイ１８を作用させて均等な加速冷却を図る。【選択図】図１

Description

本発明は鋼のバーインコイル、特に異形材の製造において熱間圧延後に適用される制御冷却方法に関している。

バーインコイルとはコイル状に巻き取られた棒鋼であり、断面形状は円・方形・多角形・異形等がある。異形には表面にリブ（縦突起）と節（横突起）を持つ一般的な形状とねじ節を持つもの（図２Ｂ参照）等があり、主に鉄筋用に供される。異形故に曲げに方向性が生ずる。
節（又はねじ節側面）が曲げの内外にくると曲げモーメントはリブ方向よりも小さく、曲げ易く、曲がり易い。
異形バーコイルインコイルの使用に当たっては、先端がコイルから引き延ばされ伸直と曲げ加工がなされる。
バーに捻れがあると曲げ加工の際の方向と角度がばらつき、加工精度が低下する。そのため熱間圧延後のコイル形成の巻取には捻りが導入されないポーリング式巻取機（別称ガレット式、図３Ａ参照）により巻き取られる。
即ち垂直軸の回りに回転する巻枠に水平走行してきたバーを送り込んで巻き付け、リングを形成し、乱雑に積み上げてコイルとする。
当巻取方法の問題点は、密に巻き上げられていくので個々のリングに制御冷却を適用することできず、バーは徐冷されることになり抗張力は低位安定になる。

棒線に対するもう一つの巻取方法は、レイング式（別称エデンボーン式、図３Ｂ参照）と称され、走行する棒線を走行軸回りに回転する螺旋導入管（スパイラル状）に送給して螺旋リング列（ソレノイド状）を形成し、落下集積してコイルとする。
落下点を水平走行のコンベア上とすると、垂直リング列から水平平行リング列が形成され、開かれたリング列に衝風冷却を適用することが可能になる。当該制御冷却はステルモア・プロセスと通称される。
本巻取・冷却方法の特徴は、棒線の全長に渡ってほぼ均等な強度向上がなされることである。
他方問題点は、螺旋誘導管の回転により棒線の軸方向に１リング当たり１回転の捻りが導入される。線材では問題とされないが異形バーへの適用は許容されていない。即ち、捻り無しと制御冷却は両立しない。

特許文献１（先行例１）には、当問題（捻り無しの制御冷却）の解決策が開示されている。それによると異形棒鋼（ねじ節）に制御冷却を適用するに際して、仕上げ圧延機とレイング式巻取機の間に走行するバーを把持して軸回りに捻る捻り装置を設け、該装置を回転させてレイング式巻取によって導入される捻りと逆向きで同一ピッチの予備捻りを導入し、双方を相殺する。
レイング式巻取によって形成された螺旋リング列を水平走行コンベア上に落下させて水平平行リング列を形成し、加熱又は冷却を適用すると記されている。

当該方法の問題点を検討する。
第１の問題は、水平平行リング列が冷却されるとその形状が自然形であって、集積枠においてコイルに集束され、結束されるが棒径が大きいと弾性抵抗が大きい。
使用に際して結束を切断すると反発するように元の水平状態に復元しようとする。横に飛び出すびっくり箱のようである。 一般にバーは線材よりも太いのでその反発力は極めて大きく取扱いが大変である。これがポーリング式巻取コイルが喜ばれる第２の所以である。

第２の品質問題は、水平平行リング列の制御冷却では、周知のように走行するリング列の中央部はリング間が大きくまばらに対して両側部はリングが密（図５Ａ参照）に重なり両者の冷却速度の差は無視できない。強度差が曲げ加工の精度に作用し加工品の能率・歩留まりに不利に作用する。

特許文献２（先行例２）には上記のリング内強度差異の問題に対する解決策が開示されている。示唆されていないが、コイル形成中に冷却されるので当業者なら上記作業問題（リングが水平状に張り出す）も解決されると解る。
それによると圧延後の線材に制御冷却を適用するに際して、従来の水平平行リング列に展開するのに対して巻取機から落下する垂直リング列を冷却槽中でリング列軸と偏心して低速で回転する集積台に偏心集積しつつ冷却する。リング列の形成・冷却・コイル形成の３工程が併行して処理される。綾巻きのように幾何的に正確な重層リング列（図５Ｂ参照）から成るコイルが形成される。

本方法により、水平平行リング列よりも線重なり部のリング密集度が緩和され、且つまばら部は少し密になり、冷却速度はそれぞれ中央寄りになって機械的性質のリング内バラツキが大きく改善される。
コイル形成についても熱間においてリングを少しづつ旋回配置するので安定した円筒状に積み重ね、水平平行リング列のような変な水平飛び出しの弾性癖は生じない。ただし捻りは残存する。
特許文献３，４，５には、当該方法の種々の改良事例が開示されている。

本願発明の目的である、１）捻りが無く、２）取扱い易く、３）機械的性質が均一で、４）種々の強度水準が可能な異形バーインコイルの製造は、先行例２に先行例１を適用すれば容易に解決されそうだがそうではない。
先行例１の捻り解消方法を丁寧に検討すると、当該方法には重大なメカニズム上の過誤があることに気付いた。

捻り解消のため、まず所定位置に捻り装置を設置する。該捻り装置は圧延機から直進してきたバーを把持してバー軸回りに巻取機回転と逆向き同速で回転して逆向き同一ピッチの捻りを導入し、レイング式巻取による捻りを『相殺』する、としているがそうならない。
バーは捻りにより捻り装置から下流には常時逆向き自転が発現する。バーの先端が螺旋導入管を通過しリングが形成される過程で自転が拘束され停止する。バーの上流側が逆向き自転し、下流側が停止するとせっかく導入した捻りが順次解消される。『相殺』が発現しない。自転の発現は捻りの解消に関係するがその記載が無い。

結局、レイング式巻取に不可避の捻りを解消しようとして予備逆捻りを付加する解決策は、巻取機に侵入するバーが自転していると新たな捻りが発現して不適切であり、巻取機と同速で自転するなら予備捻りは不要となる。捻って自転を止める、又は捻らずに自転させるのどちらかが解決策となるが、どちらも圧延設備の構造上大変難解な問題である。

特許公報第２６５９０７１号 特許公報第３８９０５６７号 特許公報第５２２８６５９号 公開特許公報：２００５−２４６４０１ 特許公報第３８９０５６７号

線材又はバーインコイルに制御冷却を適用する場合、レイング式巻取と直下のコンベアとを適切に組み合わせてリング列を形成することが必要であるが、異形バーインコイルを処理しようとすると厄介な問題が生ずる。
第１は、水平平行リング列の状態で冷却した場合、コイルに結束後も当該状態が自然形であって、使用に際して解束すると棒径が大きいので水平ばねのように弾き出し、取扱困難である。

第２に、水平平行リング列の場合、機械的性質のリング内バラツキが大きく、２次加工精度が劣る。

第３に、上記２問題に対して先行例２のリング列を偏心集積する方法が確実な解決策となるが、レイング式巻取に起因するバーの捻れが決定的弱点となって許容されない。

本願発明は、種々の強度水準が得られ、コイル内の機械的性質が均一であり、コイルの巻ほどしが円滑となる先行例２の線材の制御冷却方法を異形バーインコイルに拡張する際、レイング式巻取に不可避の捻りを解消することを解決すべき課題とする。

課題解決のため、捻りの入らない通常のポーリング式巻取に先行例２の制御冷却方法を組み込む方式を構成した。
第１の発明は、仕上げ圧延機から走行してきた赤熱の異形バーを巻取枠によって巻取りつつ制御冷却を適用する方法であって、
１）走行バーを摺動式の螺旋ガイドに押しつけて直線状から回転するリング列に成形し、
２）該螺旋ガイドの直下に設けた該リング列と同期して回転する巻取枠中の昇降円板上に該リング列を落下距離一定で順次着地させ、
３）前記螺旋ガイドを該巻取枠の中心軸の回りに自転せず公転させて落下するリング列を巻取枠の中で偏心集積することにより幾何的ルーズコイルを形成し、
４）併行して該コイルに流体冷媒を吹き付けて強制冷却することを特徴とする異形バーインコイルの制御冷却方法である。

第２の発明は、下記５条件、
１）螺旋ガイドの旋回数が、巻取枠の回転数の１／１０以下１／３０以上であり、
２）螺旋ガイドの中心軸の偏心距離が、リング径と比例し、リング径１ｍに対して５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、
３）昇降円板を内装する巻取枠の構造が、底面の円板上に垂直櫛を２重円筒状に配置して外周櫛・内周櫛とし、
４）個々のリングを該外周櫛には内接させ、又は該内周櫛には外接させるように円筒径を設定し、
５）冷媒の吹き付け方法が、外周櫛の外から又は内周櫛の内から又は両方からの気水スプレイによること、又は内周櫛の内側から吹き出す衝風によること、のうちどれか一つを組み込んだことを特徴とする第１発明に記載した異形バーインコイルの制御冷却方法である。

述語の定義として、
『螺旋ガイド』の螺旋はレイング式巻取ではスパイラル型（巻き貝型）であるが、本発明ではソレノイド型である。
『幾何的ルーズコイル』とは、従来の密巻きしたタイトコイルに対して、図５Ｂに示すようにリング列の集積に際して、リング列の低速旋回によりリング軸中心が円を描くように移動し、幾何的に正確な間隙を持って集積した花びら状コイルである。

本発明の異形バーインコイルの製造方法では、巻き方の原理は実質ポーリングと同様であるからバーに捻りは入らない。コイルに変な巻き癖もなく使用時には円滑に巻きほどすことができ、伸直・曲げ加工に不備はない。

ポーリング式巻取にもかかわらず、各リングが規則的に配置され、リング間には規則的な間隙が形成されるので、流体吹きつけの冷却が可能となる。コイル内での機械的性質の偏差が小さく且つ冷却強度に対応した強度のバーインコイルが得られる。

設備の大きさは従来のポーリング式巻取と同様に極めてコンパクトであり、既存設備に隣接することも容易である。

本発明のバーインコイル制御冷却方法を実施する装置の概略を示す。Ａは上から見た図、Ｂは側面から見た図である。 異形バーの形状例を示しＡはリブ節、Ｂはねじ節である。 コイルの形成において、Ａはポーリング式巻取、Ｂはレイング式巻取を示す。 リング列の配置に際して、Ａは巻取枠に設けられた外周櫛にリング列を押しながら内接させる、Ｂは内周枠によりリング列を引きながら外接させる様子を説明する図である。 コイルの形成方法と形状を比較する図で、Ａは従来の水平平行リング列の収束、Ｂは本発明の垂直リング列の偏心集積である。

図１は本発明を実施する装置の概略図である。仕上げ圧延機２を経て直進する所定寸法の赤熱の異形バー１は巻取機３に向かう。巻取機３は異形バー１をリング列４に成形する摺動式の螺旋ガイド５と該螺旋ガイド５の直下に設けられた巻取枠６とから構成される。
螺旋ガイド５の内面には所定径Ｄのソレノイド型の螺旋溝８が形成されており、異形バー１は該螺旋ガイド５に付設された導入管７により望ましい角度で該螺旋溝８に衝突し、摺動しつつ直径Ｄのリング列４に成形され、回転しつつ落下する。
巻取枠６は圧延速度Ｖを該螺旋溝８の径Ｄとπの積（πＤ）で除した値を回転数Ｎとしてリングの形成と同期して回転しており、落下してきたリングを該巻取枠６に内装された円盤状の集積台９で受けて集積し、コイル１０を形成していく。
巻取自体はポーリング式巻取を改良したものでバーに捻りは導入されない。

リング列４を集積台９に集積するに際して、先行例２の偏心集積の原理を改良して適用する。螺旋ガイド５は、巻取枠３の回転軸１１回りに所定半径ｒで低速で自転せずに公転する。落下するリング列４は回転軸１１の回りに円を描くように旋回配置して着地し、該リング列４は偏心集積となる。
公転を行うため螺旋ガイド５には螺旋ガイド旋回手段２０が組み込まれている。２１は公転によって最遠になった位置を点線で示したものである。
一定の内径・外径と一定の位相角を持った幾何的ルーズコイル１０（１種の花捲き）が形成される。
該ルーズコイルの外径Ｄｏ＝Ｄ＋２ｒ
内径Ｄｉ＝Ｄ−２ｒ
偏心距離＝ｒ
螺旋ガイドの旋回速度は巻取枠の回転速度の１／１０以下１／３０以上が望ましい。この値を超えるとリング間が開き、着地が乱れ易くなり、未満ならリング列が密になる。

リング列の正確な偏心集積は、先行例２のようにリング列が回転していない場合は容易であるが、本発明のように高速で回転している場合、大きな遠心力が作用しているので僅かな振動や負荷変動・速度変動等によりリング列の集積は乱れる。以下の４対策をとる。

第１に、巻取枠６の形状は２重円筒かご状であって、回転する底円板１２に櫛を２重に直立円周配置する。外周櫛１３の内径は設定したコイル外径Ｄｏ以上とし、内周櫛１４の外径は設定したコイル内径Ｄｉ以下とする。
図４に示すように、こうすることにより幾何的には各リングは外周櫛１３に内接し、又は内周櫛１４に外接することが可能になる。

第２に、螺旋ガイド５の公転半径ｒ（＝偏心距離）は、幾何的には設定したコイルの内外径から決まる（ｒ＝（Ｄｏ−Ｄｉ）／４））が、作業上は旋回半径は多少大きめに設定する。各リングは大きめに旋回し、落下途中で外周櫛又は内周櫛に接触しながら着地し、望ましい位置からの外れは少なくなる。

第３に、集積台９はリングの落下距離が短く且つ一定となるように集積高さに対応して下降させる。そのため巻取枠６の下方には、回転駆動手段１５の他に昇降駆動手段１６を設ける。落下距離が大きいと着地が乱れ易い。落下距離が変動すると偏心集積が乱れ易い。

第４に、螺旋ガイド４中のバーは何かのきっかけで脱線するとリングの集積が乱れる。その防止のため螺旋溝８を内側から覆うように円筒ガイド１７を該螺旋ガイド４に連接する。
以上の対策により先行例２と同様の幾何的ルーズコイルの形成がなされる。

制御冷却の適用は以下のように行う。先行例２等では集積台を冷却槽内に設け、溶融塩・温水・冷水等への浸漬冷却がなされる。
本発明では巻取回転数が大きいので冷媒液は渦流を超え、遠心力で外部に飛び出す。浸漬冷却は不能である。他方リングは高速で回転しているので、スプレイ冷却や衝風冷却には整合性があり、且つ均等冷却からも適切である。
リング列の配置を適切に拘束するための外周壁や内周壁は、冷媒を集積リング列に作用させる際に遮蔽とならないように櫛状とした。

外周櫛の外側には強力なミストスプレイノズル１８が多数設けられる。必要に応じて、内周櫛の内部にも螺旋摺動ガイドを貫通して上下出入可能なミストスプレイ装置が設けられる。
上記内側スプレイ装置と同様に強力な衝風ダクト１９を上下出入可能に設けると線材の衝風冷却と同様の衝風冷却がなされる。

図２は、本発明が対象とする異形バーの形状の例を示す。Ａは通常のリブ節であり、Ｂはねじ節である。いずれも曲げに対して異方性を持つ。凹凸の形状を工夫して曲げ異方性を小さくしたものある。
図３は二つの巻取方法の原理を示し、Ａはポーリング式でバーに捻りが導入されない。
Ｂはレイング式で捻りが入る。

図５はリング列からコイルへの形成を示し、Ａは通常の水平平行リング列６１から集積された乱雑なコイルの縦断面、Ｂは本発明の垂直リング列を偏心集積６３して形成された幾何的ルーズコイルの縦断面を示す。
幾何的ルーズコイルでは隣接リング間に一定の間隔が構成され、空隙分布も規則的で粗密偏差が小さくそのため冷媒がリング間を均等に流れ易く且つ部分的滞留を防ぐ効果を発揮する。

図５Ａに示すように水平平行リング列ではリング列の中央部Ｃはリングは粗であって冷却されやすく、両側部Ｅでは重なりのため密になり冷却が遅れる、１リング内で強度の凹凸が生ずる。
図５ＢではＡに対して粗の部分は少し密になり、密の部分は少し粗になって全体が均一化の方に移行する。コイル内の機械的性質の均一性が優れる。
図３Ａのポーリング式ではリングが密接乱雑に重なり均等な強制冷却は困難である。

本発明の後半をなす制御冷却について補足説明する。
既述のように特許文献２には幾何的ルーズコイルの形成と各種の制御冷却を併行させる方法と期待される各種熱処理方法が詳述されている。特に溶融塩を使用することによる精密恒温変態を誘導することは飛躍的である。本願発明の制御冷却の部分は当該発明を参考にしている。
特許文献３には当該冷却方法において線材に直接焼入を適切に処理する方法が開示されている。
特許文献４には、同様に線材を２次圧延してコイル形成中にミストスプレイ冷却を適用する方法が開示されている。
特許文献５には同様に線材に疑似パテンティングを適用する沸騰冷却の望ましい要件が開示されている。

本発明において螺旋ガイドの旋回速度を小さく設定するとリングは密になり、冷媒を使用しないと徐冷になる。ポーリング式巻取と同様の軟質材が得られ、しかも機械的性質のコイル内均一性はより優れる。

本発明によって製造された異形バーインコイルの使用時の問題について説明する。
実質ポーリング式巻取であるので捻れが無く、伸直・曲げ加工を行う際、捻りによる加工精度の低下が防止される。
コイルからバーの先端を引き出す作業は、通常のポーリング式巻取コイルと同様、回転供給台に積載されたコイルから棒端をコイル接線方向に引き出す。

せん断補強筋として用いられるねじ節高抗張力鉄筋Ｄ１６−７８５の製造条件を示す。
１） 製品径； １６ｍｍ
２） 異形形状； ねじ節
３） コイル径 外径１．２ｍ／内径０．８ｍ
４） リング径； １．０ｍ
５） 強度； 降伏力８００ＭＰａ／抗張力９００ＭＰａ
６） 化学成分； ０．１７％Ｃ−０．８％Ｓｉ−１．５％Ｍｎ−１．０％Ｃｒ
−０．０５％Ｖ
７） 圧延速度； １０ｍ／ｓ
８） 巻取回転数； １９０ＲＰＭ
９） 螺旋ガイド回転数； １４ＲＰＭ
１０） 螺旋ガイド偏心距離； １００ｍｍ
１１） 冷媒； 気水スプレイ
以上の条件により捻りの無いねじ節高抗張力のバーインコイルが製造される。

本発明により異形バーインコイルにも適切な制御冷却を施すことが可能になる。

１；バー ２；仕上げ圧延機 ３；巻取機 ４；リング列 ５；螺旋ガイド ６；巻取枠 ７；導入管 ８；螺旋溝 ９；集積台 １０；幾何的ルーズコイル １１；回転中心軸 １２；底円板 １３；外周櫛 １４；内周櫛 １５；回転駆動手段 １６； 昇降駆動手段 １７；円筒ガイド １８；気水スプレイノズル １９；衝風ダクト ２０；螺旋ガイド旋回手段 ２１；螺旋ガイドの最外位置（点線図） ３１；バー ３２；仕上げ圧延機 ３３；巻取機 ３４；コイル ３５；レイング式巻取機 ３６；螺旋ガイド ３７；コイル ４１；リング列 ４２；外周櫛 ４３；内周櫛

Claims (2)

1. 仕上げ圧延機から走行してきた異形バーをポーリング式の巻取枠によって巻取りつつ制御冷却する方法であって、
   １）摺動式の螺旋ガイドと一体となった異形バー導入管を介して走行バーを該螺旋ガイドに衝突させて該螺旋ガイド径と同等の直径の回転するリング列に成形し、
   ２）該螺旋ガイドの直下に設けた該リング列と同期して回転する巻取枠中の昇降円板上に該リング列を落下距離一定で順次着地させ、
   ３）前記螺旋ガイドを該巻取枠の中心軸の回りに自転せず所定位相角・所定偏心長さで公転させて落下するリング列を巻取枠の中で偏心集積することにより幾何的ルーズコイルを形成し、
   ４）集積と併行して該コイルの集積面に流体冷媒を吹き付けて強制冷却することを特徴とする異形バーインコイルの制御冷却方法。
2. 下記５条件、
   １）螺旋ガイドの旋回数が、巻取枠の回転数の１／１０以下１／３０以上であり、
   ２）螺旋ガイドの中心軸の偏心距離が、リング径と比例し、リング径１ｍに対して５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、
   ３）昇降円板を内装する巻取枠の構造が、底面の円板上に垂直櫛を２重円筒状に配置して外周櫛・内周櫛とし、
   ４）個々のリングを該外周櫛には内接させ、又は該内周櫛には外接させるように円筒径を設定し、
   ５）冷媒の吹き付け方法が、外周櫛の外から又は内周櫛の内から又は両方からの気水スプレイによること、又は内周櫛の内側から吹き出す衝風によること、のうちどれか一つを組み込んだことを特徴とする請求項１に記載した異形バーインコイルの制御冷却方法。

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