JPH03184615A - 熱間圧延材の急速冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱間圧延設備で圧延材の冷却に用いられる急
速冷却装置などに適用しうろ急速冷却方法に関する。

［従来の技術］ 一般に熱間圧延設備においては、高温に加熱された圧延
材（鋼板）を圧延処理するとともに、圧延後の鋼板の材
質を制御するために、圧延の途中で冷却処理を行ない圧
延終了時の温度を制御している。

具体的に言えば、圧延された鋼板は、圧延設備に備わっ
たＲＯＴ　（ラン・アウト・テーブル）上で冷却される
。冷却媒体としては、通常は工業用水が用いられ、鋼板
上部側の冷却設備としてはうミナーフローないしはスプ
レーノズルが用いられる。冷却水水量密度（ｍ３／分・
ｍ２）は、ラミナーフロー設備では０．４〜０．８、ス
プレーノズル設備では０．５〜１．２程度の範囲であり
、冷却速度（℃／秒）は前者が２０〜４０、後者が１５
〜３０程度である。

本発明に関連のある従来技術としては、特開昭６２−２
８６６１９号公報のものが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで冷却設備（ヘッダーと呼ばれろ）は等間隔で多
数配置されるが、互いに隣り合う冷却設備の間において
は、鋼板上に滞留した冷却水（以下、板上水と呼ぶ）が
生じる。この板上水は、原みが１〜５ｍｍ程度であり、
平面的に不均一に発生するので、冷却制御の外乱として
悪影響を及ぼす。

この外乱を避けるため、例えば前記特開昭６２−２８６
６１９号公報においては、水切りスプレーを用いて板上
水を吹き飛ばし、板上水の滞留を防止することによって
、設備の冷却能力を均一化している。この神の水切りス
プレーは、板上水の淳みが５　ｍ　ｍ以下程度であれば
、充分な効果が得られる。

一方、近年の材質厳格化に伴ない、ＲＯＴ上での材質造
り込す技術が要求されている中で、ＲＯＴ前段での急速
冷却のニーズが高まっている。しかし、１鉄業の様な大
量生産現場においては、冷却媒体は水以外には実質上実
現不可能であるため、材質造り込みに必要とされる冷却
速度（１００℃／秒）を得るために、一般に使用される
パイプラミナーフロー設備ではなく、より冷却能の高い
冷却設備が使用される。この冷却設備は、スリットラミ
ナーノズルと呼ばれ、例えば水圧１．５　Ｋｇ／ｃｍス
リット間隔７　ｍ　ｍの条件で、水量密度が３．３ｍ’
／分・ｍ２となり、パイプラミナーフロー設備の約４倍
の水量密度及び約３倍の冷却能を有している。しかし、
冷却水量が膨大であるため、それが滞留して発生する板
上水の厚みも５０〜８０ｍｍ程度に達する。

このように一般のパイプラミナー設備の約１０倍もの厚
みを有する板上水に関しては、水切りスプレーなどを用
いてもそれを吹き飛ばすことは困難である。

更に、この種のＲＯＴでは通板性（直進性）を確保する
ために設けられるサイドガイドによって横方向の冷却水
の逃げ道の大部分が遮断されているので、仮にサイドス
プレーや圧縮エアー設備を用いたとしても、滞留した板
上水を充分に排除することはできない。

また、水切り能力を高めるために水切り設備の水圧又は
エアー圧を上げると、水切り用の媒体自体が、均一性を
要求されるスリットラミナー水膜形成の外乱として悪影
響を及ぼすので、現実の製造ラインではこの神の水切り
設備を利用することができない。

そこで本発明は、板上水を排除することなく、圧延材の
温度を高精度で制御しうろ冷却方法を提供することを課
題とする。

［ａ題を解決するための手段］ 上記ａＷｉを解決するために、本発明においては、冷却
能が１００℃／秒以上であり、複数の冷却手段を含み使
用する冷却手段の数の調整によって冷却能が変更自在な
急速冷却設備を通る圧延材の急速冷却方法において： 圧延材上の任意の部位が、所定の冷却ゾーンに滞留する
時間ｔ１を求め、前記冷却ゾーンに含まれ使用する前記
冷却手段から出る冷却液体によって実質上直接に圧延材
が冷却される急冷ゾーン。

及び前記冷却手段から出て圧延材上に滞留した冷却液体
の厚みに応じてその部分の冷却能が自然対数的な変化を
示し前記冷却ゾーンに含まれ油記急冷ゾーンからは外れ
た板−ヒ液体冷却ゾーン、の各々のゾーンでの圧延材の
滞留時間を前記時間ｔ１に基づいて決定し、各ゾーンで
の滞留時間に基づいて、各ゾーンでの圧延材の冷却量を
計算し、該計算の結果と目標の冷却量との差分が小さく
なる急冷ゾーンでの滞留時間ｔ２を求め、得られた急冷
ゾーンでの圧延材の滞留時間ｔ２から、使用する冷却手
段の数を決定する。

［作用コ 本発明によれば、冷却量を定量的に把握するために、冷
却ゾーンを、急冷ゾーンと板上液体冷却ゾーンに区分し
、各々のゾーンについて、圧延材の滞留時間（通過所要
時間）に基づいて冷却量を計算し、冷却量が目標値に近
づくように、即ち圧延材の冷却後温度が目標温度なるよ
うに、使用する冷却手段の数を調整する。

急冷ゾーンは、冷却手段から出る冷却液体によって実質
上直接に圧延材が冷却される領域であり、ここでの冷却
量は、冷却手段の能力、圧延材の滞留時間、及び圧延材
の物性値に基づいて正確に求めることができろ。板上液
体冷却ゾーンは、冷却手段から出て圧延材上に滞留した
冷却液体、即ち板上水によって冷却が行われる領域であ
り、ここでの冷却量は、板上水の淳みの関数（実際には
自然対数的な変化）と当該ゾーンでの圧延材の滞留時間
に基づいて求めることができる。

各々のゾーンでの冷却量が分かれば、冷却ゾーン全体で
の圧延材の冷却量が分かるので、冷却ゾーン入側の圧延
材温度と冷却ゾーン出側の圧延材目標温度との差が冷却
量と一致するように冷却手段の数を調整すればよい。

つまり、冷却手段の数を変更すると、急冷ゾーン及び板
上液体冷却ゾーンの長さが変わり、各領域での圧延材の
滞留時間が変化して冷却量が変わるので、それが目標の
冷却量と一致するように冷却手段の数を決定する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の図面を参照した実
施例説明により明らかになろう。

［実施例］ 第１図に、熱間圧延設備中に設けられる冷却設備の一例
を示す。第１図において、鋼材、即ち圧延材１はランア
ウトテーブル上を矢印の方向に搬送されろ。この冷却設
備の入側及び出側には、鋼材の表面温度を検出する温度
計２及び３がそれぞれ設けられている。この例では、冷
却手段としてスリットラミナルノズルＭ　ｍ　４１＋　
４２１４３ｔ４４が備わっている。また、該設備４１の
上流側及び該設備４４の下流側には、それぞれ水切り用
のスプレー設備５及び６が配置されている。

第１図に示す設備においては、スリットラミナーノズル
設備の各々は、それぞれ基準点（それの直下位置）から
鋼材搬送方向の前後の各々に所定長Ｌｃの範囲に渡って
、所定の冷却能力を有している。

この秤の設備においては、各々のスリットラミナーノズ
ル設備から出た冷却水が鋼材ｌ上で滞留し比物的大きな
ＪＴＸｈの板上水部７を形成するが、第３図に示すよう
に板上水部の淳みに応じてその部位の冷却能力が変化す
る。しかし、例えば第２図に示すように、各スリットラ
ミナーノズル設備の基や点からの距離がＬ　ｃ以内では
、板上水部のｎみの変化はほとんどなく、従って冷却能
力も一定である。つまり、第３図に示す特性を有するス
リットラミナーノズル設備においては、２・Ｌｃの範囲
に渡ってそれの冷部能力は実質上αｍ（水量等により定
まる）であると考えろことができる。

この範囲（ＲＣＩ　、ＲＣ２）を、本発明においては急
冷ゾーンと定義している。

一方、急冷ゾーンの前後には、板上水が滞留した部分が
存在するが、この部分では板上水の厚みの変化が大きく
、その厚みに応じてこの部分での鋼材に対する冷却能力
が変化する（第３図参照）。

この板上水の淳みの影響を受ける範囲（Ｒｗ１ｓＲｖ２
　ＨＲ％１３）を、本発明では板上液体冷却ゾーンと定
義している。

また、この例では水切りスプレー５及び６が存在するの
で、スプレー５の上流側及びスプレー６の下流側の各領
域には板上水が実質上存在しない。

従ってこの領域では鋼材は空気のみによって冷却される
。この領域を空冷ゾーンと呼ぶ。

ところで、この冷却設備に設けられたスリットラミナー
ノズル設備４１＋　４２＋　４３＋　４４は、各々独立
に冷却水放出の開始と停止を切換えることができ、使用
するノズル（又はヘッダと呼ぶ）の本数を切換えること
によって、設備全体の冷却能力を変更することができ、
それの制御によって、４却後の鋼材の温度を目標温度に
仕上げることが可能である。

第１図の例では、冷却設備を通る鋼材上のある点の温度
は、第４図に示すような変化を示す。即ち、鋼材はまず
最初に空冷ゾーンＲａ１で冷却され、板上液体冷却ゾー
ンＲｗ１．急冷ゾーンＲＣ！。

板上液体冷却ゾーンＲｗ２．急冷ゾーンＲｃ２．板上液
体冷却ゾーンＲｗ３及び空冷ゾーンＲａ２で順次に冷却
される。

冷却設備出側における鋼材の温度Ｔｏを目標温度に仕上
げるためには、鋼材が冷却設備の入側に入る前に、鋼材
がその冷却設備から出る時の温度を予測し、それが目標
温度に近づくようにスリットラミナーノズル設備の使用
本数を決定し、必要に応じて切換えを行なう必要がある
。この制御の方法の概略を第６図に示す。

第６図を参照して各ステップの内容を説明する。

ステップ１は、処理対象の鋼材上の予め定めた点が温度
計５の直下を通過する時に実行され、温度計５によって
検出される鋼材の温度θ１ｎを入力する。

ステップ２では、冷却設備出側における鋼材の温度の目
標値Ｏｏｕｔ、を入力する。この温度０ｏｕｔ。

は、処理対象の鋼材の仕様として予め決定されているの
で、その情報を読込むことによって得る。

ステップ３では、鋼材上の注目点がこの冷却設備全体（
温度計５から温度計６までの範囲）を通過する所要時間
１１を求める。この時間は、予め１没定される鋼材搬送
の速度パターンに基づいて計算により求めることができ
る。冷却ゾーンは、この例では、空冷ゾーン、板上液体
冷却ゾーン、及び急冷ゾーンの全体を示している。

ステップ４では、空冷ゾーンによる鋼材の温度降下化ｅ
ａｉｒを求める。

ｅａｉｒ　＝　　αａＸｔ　ａ　　　　　　　　　・・
・（１）αａ：　空冷熱伝達係数（鋼材速度Ｖの関数）
ｔａ：　空冷ゾーン通過時間（速度パターンより計算） ステップ５では、水冷ゾーン（急冷ゾーン十板上液体冷
却ゾーン）に割当てられる冷却状Ｏ％ｒａｔｅｒを次式
により求める。

ｅｗａｊｅｒ　　＝　　　Ｏｉｎ　　−Ｏｏｕ七　−ｅ
　ａｉｒ　　　　　・・・（２）ステップ６では、注目
点の水冷ゾーン通過所要時間ｔｗを求める。

ｔｗ　＝　　ｔｔ　　−ｔａ　　　　　　　　　−・・
（３）ステップ７では、板上液体冷却ゾーン（板上水部
分）と急冷ゾーンの各々における冷却能（熱伝達係数）
を求める。急冷ゾーンの冷却能αには、冷却対象、即ち
鋼材の物性値に応じて定まるので。

処理中の鋼材の仕様（材質、摩み）の情報を入力し、そ
れに基づいて予め用意されたテーブルを参照することに
よって得ることができる。αには、第３図に示すαｍに
対応している。

板上液体冷却ゾーンにおける冷却能αｂは、第３図に示
すように板上水の厚みの関数であり、次の第（４）式で
表わすことができる。

αｂ　＝　　ａｍ　−（αｍ−ａａ　）　Ｘ　　ｅ’　
　　■■（４）ｅ：　自然対数の底 β＝−Ｃ／ｈｂ Ｃ：　定数 ｈｂ：　任意の位置における板上水の涼みまた、板上水
の厚みが第２図に示すように基準点からの距離に応じて
変化するので、αｂは板上液体冷却ゾーンの長さの関数
である。従って、各々の板上液体冷却ゾーンの長さに基
づいてαｂを求めることができる。

ところで、任意の冷却ゾーンにおける冷却能αが一定で
あり、そのゾーンに鋼材が時間ｔの開存７［する場合に
は次式が成立する。

ａ　・ｔ　＝　ｋ−Ｑ　ｎ（Ｔｉｎ　−Ｏｔｙ）／　（
Ｔｏｕｊ−θＷ）・・・（５）Ｔｉｎ　：＝　（Ｔｏｕ
ｔ　−Ｏｗ）　・ｅβ＋θｗ　　　　−（６）Ｔｊｎ：
入側温度　　Ｔｏｕｔ：出側温度Ｏｗ：冷却水の温度　
Ｑｎ：自然対数 β＝α・ｔ／ｋ またここでΔＴ　＝　Ｔ　ｉｎ　−Ｔ　ｏｕｔとし。

ΔＴ　＜　＜　（Ｔ　ｏｕｔ−θＶ） とすれば、Ｐａｄｅ展開を用い第（５）式を次式のよう
に変形できる。

Ｔｏｕｊ＝　（：ｌ’ｋ　−ａ　・　ｔ　）／　（２・
ｋ＋　ａ　・ｔ）・Ｔｉｎ＋（２−ｋ・α・ｔ）／（２
・ｋ−１−α・ｔ）−＆ｔｙ　　・・（７）ΔＴ／　ｔ
　＝Ｃａ　／　ｋ　）　・（（（Ｔｉｎ　−Ｔｏｕｔ）
／２）　−０ｗ）・・・（８） つまり、各ゾーンにおけろ冷却能と鋼材の存在時間が分
かれば、各ゾーンでの冷却量、即ち温度変化を求めろこ
とができろ。

第１図の設備においては、第４図に示すように鋼材の温
度が変化する。第５図は第４図の一部分の領域での鋼材
の温度変化を抽出して示している。

即ち第５図において、時間ｔｂ−ｔｃの範囲が急冷ゾー
ンでの温度降下であり、時間ｔａ＝ｔｂ。

及びｔｃ−ｔｄの範囲は、各々急冷ゾーン前後の板上液
体冷却ゾーンでの鋼材の温度降下を示している。実際の
急冷ゾーンは複数であるが、第４図の温度変化は第５図
の変化の組合せとして考えることができろし、空冷ゾー
ンでの冷却代は前述の第（１）式より求められるので、
ここでは説明を簡囃にするため、第５図のように、１つ
の急冷シンとその前後の２つの板上液体冷却ゾーンとで
構成される水冷ゾーンについて説明する。

まず第５図の時刻ｔ　ｃ　−ｔ　ｄの範囲に注目する。

出側、即ち時刻ｔｄでの（目標）温度Ｔｄは、冷却設備
出側における目標温度と空冷ゾーンでの冷却代に基づい
て、求めろことができろ。板上液体前記第（６）式のＴ
ｏｕｊに求めたＴｄを代入し、冷却能αｂをαに代入す
れば、時刻ｔｃの温度Ｔｃを入側温度Ｔｉｎとして求め
ることができる。時間ｔには（ｔｄ−ｔｃ）を代入する
。板上液体冷却ゾーン（ｔｃ〜ｔｄの範囲）での冷却能
αｂは前述のように該ゾーンの長さ（例えば第１図のＬ
ｗ３）から求めることができる。

次に１）ｑ記第（６）式のＴａｕｔに得られたＴｃを代
入し、急冷ゾーンでの冷却能αｋをαに代入すれば１時
刻ｔｂの温度Ｔｂを入側温度Ｔｉｎとして求めることが
できる。時間ｔには（ｔｃ−ｔｂ）を代入する。

続いて第（６）式のＴ　ｏｕｔに得られたＴｂを代入し
、板上液体冷却ゾーンでの冷却能αｂをαに代入すれば
、時刻ｔａの温度Ｔａを入側温度Ｔｉｎとして求めるこ
とができる。時間ｔには（ｔｂ−ｔａ）を代入する。

従って、この水冷ゾーンにおける冷却量０１は、（）　
１　＝　Ｔ　ａ　　Ｔ　ｄ の計算により求められる。

この計算処理が第６図のステップ８で行なわれる。とこ
ろで、この例では鋼材上の注目点が水冷ゾーンを通過す
る所要時間ｔｗは一定であるが、スリットラミナーノズ
ル設備の使用するヘッダ数゛を変更することによって、
急冷ゾーン及び板上液体冷却ゾーンの範囲が変わるので
、鋼材の急冷ゾーン通過所要時間ｔν１及び板上液体冷
却ゾーン通過所要時間ｔＷ２も変化し、計算によって求
められる０１が変化する。

逆に言えば、使用するヘッダ数を変更することによって
、水冷ゾーンにおける冷却量（０１）を調整することが
でき、０１をこのゾーンに予め割当てられた冷却代（第
（２）式のＱｖａｊｅｒ）と一致させるようにヘッダ数
を調整すれば、冷却設備出側における鋼材の温度を目標
値に制御できる。

第６図のステップ８，９及び１０は、各ゾーンの通過所
要時間（ｔｗｌ、ｔｗ２）を変更しながら次に説明する
ようにループ状に繰り返し実行される。

急冷ゾーンの時間ｔｗｌには、初期値として、ｔｗ／２
が与えられ、板」二液体冷却ゾーンの時間ｔＷ２には（
ｔｗ−ｔｗｏ）の値が与えられ、これらを利用して０１
の計算が実行される。計算によって得られた０１は、ス
テップ９で目標値ｅ　ｗａｔｅｒと比較される。両者が
一致しなければ（厳密には両者の誤差が所定の許容範囲
を外れる時には）ステップ１０に進む。ステップ１０で
は、計算結果０１と目標値ｅ　ｗａｔ、ｅｒとの大小関
係に応じて、急冷ゾーンの時間ｔ％ｉ１が更新される。

即ち、ｅ＋　　＞　ｅｗａｔｅｒなら冷却量が大きいの
で急冷ゾーンのＩ、テ間ｔｗｌを微小値Δｔだけ減らし
、ｅ＋＜ｅνａｔ、ｅｒなら冷却量が小さいので急冷ゾ
ーンの時間ｔｖ１をΔｔだけ増やす。

ステップ８を２回目以降に実行する場合には、ステップ
１０で更新された時間ｔｗ１を用い、時間ｔＷ２の値と
しては更新後のｔＷｌに基づき計算した値（ｔｗ−ｔｗ
ｌ）を用い、それらに基づいて０１を再び計算する。

ステップ９から１１に進む時には、０１の値がｅｗａｔ
ｅｒと実質上等しくなる条件での、鋼材の急冷ゾーン通
過所要時間がｔｗｌに存在し、板上液体冷却ゾーン通過
所要時間がｔＷ２に存在する。

従って次のステップ１２では、得られた冷却ゾーンの時
間ｔすｔ　＋　ｆＲ材の進行速度Ｖ、各ヘッダの冷却長
（第１図の２・Ｌｃ）に基づいて必要なヘッダ本数を決
定する。つまり、 ヘッダ本数＝　　ｔｖ１／（２−Ｌｃ／ｖ）として計算
する。

［効果コ 以上のとおり本発明によれば、急冷ゾーンと板上液体冷
却ゾーンの各々の冷却量をそれぞれ独立に計算し、板上
液体の厚みに応じた冷却量を正確に求めているので、板
上水を排除しなくても、冷却設備出側の鋼材の温度を正
確に目標値に制御できる。

本発明の方法と従来の方法（板上水の影響を無視）によ
ってそれぞれ冷却側御したオンラインテストの結果を第
７図に示す。第７図において１本発明の方法で得られた
結果が０印で示されており従来の方法で得られた結果が
十印で示されている。

グラフの縦軸が目標値との誤差を示しているが、本発明
では制御誤差が小さくなっていることが分かる。第８図
は、第７図の結果に基づいて熱伝達係数αを逆算して求
めたものを示しており、第７図と同様に本発明及び従来
の方法の結果をそれぞれ０印及び十印で示している。第
８図を参照すると、本発明では熱伝達係数のばらつきが
小さいことが分かり、これらの結果から１本発明では、
熱伝達係数の推定精度が従来の約３倍に向上しているこ
とが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される一形式の冷却設備の構成を
概略で示す縦断面図である。 第２図は位置に応じた板上水の厚みの変化を示すグラフ
、第３図は板上水の厚みと冷却能との相関を示すグラフ
、第４図は第１図の冷却設備を通る圧延材の温度変化を
示すグラフ、第５図は第４図の一部分を抽出して示すグ
ラフである。 第６図は冷却用のヘラグーの本数を決定する処理の概略
を示すフローチャートである。 第７図は制御温度誤差の実験結果を本発明と従来の方法
とで対比して示すグラフ、第８図は熱伝達係数を本発明
と従来の方法とで対比して示すグラフである。 ｌ：圧延材（鋼材） ２．３：温度計 ４１〜４４ニスリツトラミナーノズル設備５．６：スプ
レー設備 ７：板上水 ８ニスリツトラミナー ｈ：板上水の厚み Ｒａ１．Ｒａ２：空冷ゾーン Ｒｗｌｒ　Ｒｗ２１　Ｒｗ、ｌ　　：板上液体冷ｎゾー
ンＲｃ１・Ｒｃ２：急冷ゾーン αａ：ミニ空冷ゾーン却能 α−２αに＝急冷ゾーンの冷却能

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　冷却能が１００℃／秒以上であり、複数の冷却手段を
   含み使用する冷却手段の数の調整によって冷却能が変更
   自在な急速冷却設備を通る圧延材の急速冷却方法におい
   て： 圧延材上の任意の部位が、所定の冷却ゾーンに滞留する
   時間ｔ＿１を求め、 前記冷却ゾーンに含まれ使用する前記冷却手段から出る
   冷却液体によって実質上直接に圧延材が冷却される急冷
   ゾーン、及び前記冷却手段から出て圧延材上に滞留した
   冷却液体の厚みに応じてその部分の冷却能が自然対数的
   な変化を示し前記冷却ゾーンに含まれ前記急冷ゾーンか
   らは外れた板上液体冷却ゾーン、の各々のゾーンでの圧
   延材の滞留時間を前記時間ｔ＿１に基づいて決定し、各
   ゾーンでの滞留時間に基づいて、各ゾーンでの圧延材の
   冷却量を計算し、該計算の結果と目標の冷却量との差分
   が小さくなる急冷ゾーンでの滞留時間ｔ＿２を求め、 得られた急冷ゾーンでの圧延材の滞留時間ｔ＿２から、
   使用する冷却手段の数を決定する、熱間圧延材の急速冷
   却方法。