JPH0426924B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は圧延スタンド間または最終仕上圧延
機後の熱間鋼材に冷媒を供給して熱間鋼材を冷却
する方法に関する。

この発明は、線材、棒鋼、形鋼、薄板、厚板、
パイプ、などの熱間圧延において熱間鋼材を冷却
する際に応用される。

（従来の技術） 熱間圧延に引き続いて高温鋼材を急冷あるいは
徐冷して熱処理する方法として、たとえば線材の
場合、空気、ミスト、水などを吹き付ける方法、
ソルトや鉛などの金属浴への浸漬法、温水、冷
水、油などの液体への浸漬法、あるいは特開昭57
−9826号に示されるような流動撹拌状態の温液体
中への浸漬法等がある。これら方法はそれぞれ用
途に応じて用いられ、その大部分が単一機能なが
ら優れた特徴を持つている。しかし、近年の鉄鋼
製造技術の一傾向である多品種小ロツト生産に対
応するには、複数の冷却装置を設置しなければな
らず、製造プロセスの複雑化や設備コストの上昇
を招く。

これらの対策として、日本金属学会会報第25巻
第６号（1986）P.559に紹介されているような多
機能熱処理システムを生むに至つた。このシステ
ムの特徴は10℃／ｓ以下の冷却速度に対しては空
冷方式、それ以上には浸漬方式を採用するもの
で、その設備は上下２ライン構造とし、浸漬ライ
ンには流動撹拌状態で冷却するための冷媒循環装
置等を持つている。また、空冷ラインには保温カ
バー、ブロワーを附設し、所望の冷却速度２〜
100℃／ｓが得られるように設計されている。

しかし、ばね鋼や高炭素鋼線材の調整冷却、特
にばね鋼においては沸点近傍の熱水で浸漬冷却す
れば、冷却速度が速すぎて過冷組織を発生する
し、単なる大気の自然放冷であれば冷却速度の不
均一を生じ、冷却速度の遅くなる部位でフエライ
ト脱炭を発生する問題を生じる。このことから、
熱水での浸漬冷却と大気での自然放冷の中間の冷
却速度を得る手段として一般に風をかける衝風冷
却方式がとられている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のように、従来の冷却方法では冷却速度を
広範囲に変化させようとすると、複数の冷却設備
あるいは複数の冷媒を要する。この結果、設備の
大型化、複雑化につながるほか、設備コストも非
常に高くなる問題があつた。また、複数の冷媒を
使用することは操業が複雑になるとともに、作業
能率が低下するという問題もある。

そこで、この発明は上記欠点を改善するもの
で、単一の設備および冷媒により熱間圧延鋼材を
広い範囲の冷却速度で冷却することができる鋼材
の冷却方法を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） この発明の圧延鋼材の冷却方法は、圧延スタン
ド間または最終仕上圧延機後の熱間鋼材に冷媒を
噴射して熱間鋼材を冷却する方法において、前記
冷媒が泡沫であり、発泡倍率および泡沫供給量の
少なくとも一つを調整して鋼材を冷却する。ここ
で、泡沫とは、液体の薄い膜で隔てられた小さな
気泡の集合体で、水の中に存在するのではなく、
外に存在する気体保持性の良好な流体である。ま
た、発泡倍率とは泡沫の水溶液容積に対する泡沫
容積の比率をいう。また、泡沫供給量は鋼材の単
位面積・単位時間当りの泡沫供給量を意味する。
上記泡沫は界面活性剤および水溶性ポリマーの少
なくとも一つを含む水溶液の薄膜により形成され
たものである。

泡沫の生成は送気法、撹拌法、振とう法、沸騰
法、減圧法、溶解度減少法などによる。送気法で
は発泡剤を含む水溶液中に空気、N₂などの不活
性ガス、あるいは還元性ガスなどを吹き込む。圧
延鋼材へ泡沫を供給するには、たとえば噴射ノズ
ルが用いられる。泡沫噴射ノズルは圧延鋼材に対
して上、下いずれの側に配置してもよいし、また
焼入用冷水供給ノズルを兼用してもよい。

発泡倍率は、発泡剤を含む水溶液中における発
泡剤と水分との割合、発泡剤の種類や濃度、ある
いは発泡剤を含む水溶液に吹き込む空気量などに
よつて調整される。

泡沫中の下限含水量は0.01ｇ／100mlが望まし
い。これは、泡沫の中に高温鋼材を浸漬して連続
冷却できる限界の水分量である。いいかえれば、
泡沫中水分量が0.01ｇ／100ml未満になると、冷
却速度に与える泡沫としての役割がほとんどなく
なる水分量である。また、発泡剤を含む水溶液の
温度を常温以下まで低下せしめて泡沫を生成さ
せ、その泡沫で冷却した時に得られる冷却速度が
丁度従来の風で冷却して得られる冷却速度をクリ
アーする水分量である。また、泡沫中の上限含水
量は80ｇ／100mlであることが望ましい。これは
従来の多機能システムにおいて、強撹拌状態の冷
媒（水中に多量の気体を吹込んで得られた冷媒）
に浸漬して得られる冷却速度10〜30℃／secをク
リアーするのに必要な含水量に若干の余裕をもつ
て選んだ水分量である。

泡沫供給量の調整は、泡沫噴射ノズルに加える
空気などのガス圧力を調整することによつて行わ
れる。

前述のように泡沫は、界面活性剤や水溶性ポリ
マーを含む水溶液からつくられる。

ここにいう界面活性剤とは、気液表面に吸着し
て表面活性を低下させる水可溶性の有機系化合物
のことであり、より具体的には、脂肪酸塩類、高
級アルコール硫酸エステル塩類、液体脂肪油硫酸
エステル塩類、脂肪族アミンおよび脂肪族アマイ
ドの硫酸塩類、脂肪アルコールリン酸エステル塩
類、２塩基性脂肪酸エステルのスルホン塩類、脂
肪酸アミドスルホン酸塩類、アルキルアリルスル
ホン酸塩類、ホルマリン縮合のナフタリンスルホ
ン酸塩類等のアニオン活性剤、また脂肪族アミン
塩類、第４級アンモニウム塩類、アルキルビリジ
ニウム塩類等のカチオン系活性剤、またポリオキ
シエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチ
レンアルキルフエノールエーテル類、ポリオキシ
エチレンアルキルエステル類、ソルビタンアキル
エステル類ポリオキシソルビタンアルキルエステ
ル類等の非イオン系活性剤、あるいはアルキルベ
タイン，アルキルジメチルアミンオキサイド，ア
ルキルアラニン等の両性活性剤等が主だつた物と
して挙げられるが、これに限定されるものではな
い。

泡沫を生成する際、これら界面活性剤の１種あ
るいは２種以上の混合物を水に対し0.001〜40％
になるよう加え使用することが好ましい。

また、水溶性ポリマーとしては天然、合成、半
合成の水可溶性ポリマーが有り、具体的にはコー
ンスターチ、デンプン類、ふのり、寒天、アルギ
ン酸ソーダ、アラビアゴム、トラガントゴム、ト
ロロアロイ、こんにやく、にかわ、カゼイン、ゼ
ラチン、卵白、血しようタンパク、プルラン、デ
キストリン、カルボキシデンプン、ブリテイツシ
ユゴム、ヂアルデヒドデンプン、カチオンデンプ
ン、ビスコース、メチルセルロース、エチルセル
ロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキ
シエチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポ
リエチレングリコール、ポリアルキレングリコー
ル、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリ
ビニルピロリドン、水溶性アルキツドポリビニル
エーテル、ポリマレイン酸共重合体、ポリエチレ
ンイミン、サボニン等が主だつた物として挙げら
れるが、これに限定されるものではない。

泡沫生成に際しては、これら水溶性ポリマーの
１種あるいは２種以上を水に対し0.01〜30％に成
るよう加え使用することが好ましい。

以上述べた界面活性剤と水溶性ポリマーは任意
の割合で混合して使用してもよい。また泡沫の性
状や安定性を改善するため、界面活性剤水溶液あ
るいは界面活性剤と水溶性ポリマーの混合液に適
量のキレート剤、ビルダー、高級アルコール等を
加えてもよい。

キレート剤としては、たとえばジヒドロキシエ
チルグリシン、ヒドロキシエチルイミノ２酢酸、
ニトリロ３酢酸、ヒドロキシエチルエチレンアミ
ン３酢酸、エチレンジアミンテトラ酢酸、ジエチ
レントリアミン５酢酸等のアミノカルボン酸塩、
クエン酸ソーダ、グルコン酸ソーダ、酒石酸ソー
ダ等のオキシカルボン酸、ポリカルボン酸、ヒド
ロキシエタンジホスホン酸、ニトリロトリスメチ
レンホスホン酸、エチレンジアミンテトラメチレ
ンホスホン酸等のホスホン酸類あるいはトリポリ
リン酸ソーダ、ピロリン酸ソーダ等の縮合リン酸
塩等が有り、１種または２種以上を0.001〜20％
使用するのが好ましい。

また、高級アルコールは炭素数が６〜36の１級
及び２級のアルコールが好ましく、ヘキサノー
ル、オクタノール、ラウリルアルコール、ミリス
チルアルコール、セチルアルコール、ステアリル
アルコール、オレイルアルコール、炭素数が18、
24、36等のゲルベアルコール等の１種または２種
以上を界面活性剤に対し、0.5〜30％加えてもよ
い。

その他、ビルダー、たとえば珪酸ソーダ、硫酸
ソーダ、炭酸ソーダ等を上記配合物に対し0.1〜
30％加えてもよい。

通常、発泡剤を含む水溶液の温度は０℃〜100
℃の間までで使用されるが、常温で使用して泡沫
中の水分量をコントロールして所望の冷却速度を
得る方法が省エネルギー上望ましい。また、吹込
気体の温度も予熱して使用することも可能であ
る。

発泡器を冷却ノズルの前に設置することで既設
の冷却用ノズルも使用可能となる。

（作用） 圧延鋼材に噴射された泡沫は、鋼材表面を完全
に包囲する。鋼材表面を包囲した泡沫中の水溶液
は鋼材の保有熱により蒸発し、鋼材は沸騰伝熱お
よび放射伝熱の組合せにより冷却される。

泡沫中の界面活性剤は、気液表面に吸着して表
面張力を低下させるとともに、表面粘度を増加し
て泡沫形成時の発泡性、泡沫径の大小あるいは均
一性、安定性などを改善する。また、泡沫中の水
溶性ポリマーは気液表面の表面粘性あるいは表面
粘弾性を向上させ、安定な泡沫を形成する。

泡沫中の水溶液量により泡沫の流動性および単
位体積当りの蒸発熱量が変化するので、水溶液量
が変わると冷却速度も変化する。また、熱間鋼材
からの抜熱量は、熱間鋼材の表面を包囲する泡沫
の量によつても変化する。一方、熱間鋼材に接触
した泡沫は熱間鋼材の保有熱により蒸発、消滅す
る。したがつて、熱間鋼材の表面への泡沫の補給
量すなわち泡沫供給量が変化すると、これによつ
ても冷却速度が変化する。

上記のように、泡沫中の水溶液量あるいは泡沫
供給量を変化させることにより冷却速度は調整さ
れるが、両者を共に調整すると冷却速度は更に広
い範囲にわたつて調整することができる。

この冷却速度の調整範囲について、さらに詳述
する。

本願出願人は先に高温圧延線材を泡沫層で浸漬
冷却する熱処理方法に関し、特願昭61−206716号
で出願提出している。本願発明はこの泡沫層浸漬
冷却に比べて冷却範囲がさらに拡大できかつ容易
に制御できるものである。

すなわち、泡沫浸漬冷却で冷却速度10℃／ｓ以
上を得ようとすれば、泡沫の温度を下げて含水量
を上げる必要がある。この場合の冷却速度は、泡
中の含水量の影響を大きく受け、冷却速度10℃／
ｓ以上の一定の冷速で冷却する場合には、高度な
含水量制御が必要になる。また、得られた冷却速
度も線材径10mmφで、上限約50℃／ｓと限定され
る。

これに対して、第３図に示すように泡沫噴射冷
却法は、発泡倍率（泡容積／水溶液容積）17〜50
（泡中の水分量６〜2gr／100ml）で、泡沫供給量
によつて変化するが、浸漬法に比べて約７〜25倍
の冷速を容易に得ることができる。

従つて、冷速10℃／ｓ以上を必要とする冷却法
は、泡沫噴射冷却法が、その制御法も容易で、得
られる上限値も大きい。また、水冷却に比べて、
直接衝突部の過冷却される割合が非常に小さいの
で、その後の浸漬冷却等で表面温度の低下した衝
突部が選択的に冷却能が大きくなり、過冷却の割
合が助長される心配もなく、容易に均一冷却でき
る。このことは鋼板の冷却、たとえば、熱延のホ
ツトランテーブル上での冷却で生じる板上への水
のりもないことから、この分野でも容易に均一冷
却できる。

泡沫噴射冷却による冷却能は、大気での自然放
冷から水噴射冷却までの範囲を発泡倍率を変えた
り、ノズルからの噴射量（噴射速度）を制御する
ことで自在に得ることができる。

すなわち、大気放冷に近い冷速を得ようとする
場合は、発泡倍率を大きくして、噴射速度を小さ
くすることで達成するし、逆に水噴射冷却に近い
冷速を得ようとする場合には泡中の水分量および
泡沫の供給量を増加することで達成できる。

従つて、本発明法は従来の冷却方法である大気
での自然放冷、空気吹付冷却、熱水浸漬冷却、気
体と温水の強撹拌状態の流体媒体での冷却、ソル
ト冷却、冷水浸漬冷却および水噴射冷却で得られ
る冷速を、ただ一つの冷却媒体（泡沫）で得るこ
とのできる画期的冷却法である。

（実施例） 以下、熱間圧延線材の冷却を例としてこの発明
の実施例を説明する。第１図は上記線材を冷却す
る設備および本発明の冷却装置の縦断面図であ
る。

熱間圧延された線材は、巻取機のレイングヘツ
ド（図示しない）からコンベア１上にリング状に
送り出され、コンベア１上に線材リング群Ｓが形
成される。

コンベア１のチヤンネル２内に収容されてお
り、両側方にサイドガイド３が設けられている。
コンベア１の直下にはヘツダ５が配置されてお
り、ヘツダ５の両端寄りにはそれぞれ泡沫噴射ノ
ズル６が取り付けられている。線材リング群Ｓは
側端寄りにおいて線材リングが他の部分よりも密
に重なり合つているので、泡沫噴射ノズル６は線
材リング群Ｓの両端部を指向するように配置され
ている。ヘツダ５の上流には供給管１５を介して
発泡器１６がある。また、発泡器１６には発泡剤
を含む水溶液を貯えた水溶液タンク８が止め弁
９、流量調節弁１０を介して接続されている。さ
らに、発泡器１６には止め弁１２、圧力調節弁１
３を介してエアタンク１１が接続されている。

上記のように構成された冷却設備において、所
要の冷却速度が得られるように（発泡剤に対する
水分量を予め調整するとともに）、水溶液流量を
流量調節弁１０により設定しておく。また、所要
の泡沫供給量となるように圧力調節弁１３により
吹込み空気圧を設定しておく。水溶液および空気
を発泡器１６へ導入すると発泡し、泡沫Ｆが線材
リング群Ｓの両端部に向かつて泡沫噴射ノズル６
から噴出する。噴出した泡沫Ｆは線材リング群Ｓ
の両端部だけではなくチヤンネル２いつぱいに広
がり、チヤンネル内は泡沫Ｆで充満する。線材リ
ング群Ｓはこの泡沫Ｆ中に浸漬された状態とな
り、冷却される。

線材冷却の具体例を挙げると、水溶液は常温の
水１に陰イオン界面活性剤1.0wt％を添加した
ものであつた。この水溶液を流量約100／min
で送りながら、圧力１Kg／cm²の空気を約3000／
minで吹き込んで泡沫を発生させた。このような
泡沫中に、直径9.5mmφのばね鋼線材を仕上温度
850℃、コンベア速度15ｍ／minで浸漬冷却した。
その結果、所要の冷却速度８℃／secで一様に冷
却され過冷組織やフエライト脱炭を発生すること
なく目標とする品質の線材を安定に製造すること
ができる。

第２図は、圧延スタンド間あるいは仕上圧延後
において従来から用いられている冷却装置に、泡
沫を冷媒として用いた場合の実施例である。

冷却装置は内管１７と外管１８からなり、内管
１７には噴射ノズル１９が配置されている。前記
と同様にして発泡器１６で生成された泡沫Ｆは、
内管１７と外管１８の環状部に導入され、環状部
を充満する。そして、環状部の泡沫Ｆは、噴射ノ
ズル１９により内管１７内へ噴射される。内管１
７内は泡沫Ｆで充満されるとともに噴射される泡
沫Ｆにより常に撹拌状態となつている。線材Ｓは
この泡沫Ｆ中を通過し冷却される。

具体例を挙げると、水溶液は常温の水１に陰
イオン界面活性剤2.5wt％を添加したものであつ
た。この水溶液を流量約10／minで送りなが
ら、圧力0.5〜３Kg／cm²の空気を約200〜500／
minで吹き込んで泡沫を発生させた。このような
泡沫を冷媒に用いた冷却装置に0.4％のＣを含有
する直径9.5mmφの圧延鋼材を仕上温度950℃、通
板速度30ｍ／ｓで冷却した。その結果、線材は所
要の冷却速度20〜100℃／secで均一安定冷却さ
れ、目標とする品質の線材を安定に製造すること
ができた。

この発明は上記実施例に限られるものではな
い。たとえば、線材の代わりに棒鋼、形鋼あるい
は鋼板を、圧延スタンド間にあるいは最終仕上圧
延後にこの発明の方法により冷却するようにして
もよい。また、泡沫生成には水溶液に空気を吹き
込む代わりに、冷却鋼材の表面酸化防止の観点か
らN₂ガス等の不活性ガスあるいは還元性ガスを
使用してもよい。

（発明の効果） この発明では、冷媒として界面活性剤や水溶性
ポリマーを含む水溶液からつくられた泡沫を用い
ているので、生成した泡沫が均一、安定化し、所
要の含水量の均一な泡沫の層を任意に作ることが
できる。これより、冷却雰囲気が制御しやすくな
り、品質振れ、ロツト振れの少ない、目標とする
品質の鋼材を安定に製造することができる。

また、この発明では発泡倍率および泡沫供給量
の少なくとも一つを調整するようにしているの
で、広い範囲にわたり冷却速度をコントロールす
ることができる。すなわち、一つの冷却媒体（泡
沫）で、自然放冷、空気吹付冷却、水冷却、気体
と温水の強撹拌状態の流体冷媒等で得られる。し
たがつて、従来の方法に比べて、鋼材の抗張力等
の機械的性質を１基の冷却設備あるいは一つの冷
却媒体により広範囲にわたつて調整することがで
きる。

なお、この発明では、熱間鋼材を全体にわたり
一様に冷却する場合だけではなく、鋼材の場所
（たとえば、中央部と端部）によつて発泡倍率あ
るいは泡沫供給量を変化させることにより局部的
に冷却速度を調整することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明を実施するため
の冷却設備例を示す縦断面図、ならびに第３図は
泡沫供給量と冷却速度との関係の一例を示すグラ
フである。 １……コンベア、２……チヤンネル、３……サ
イドガイド、５……ヘツダ、６……泡沫噴射ノズ
ル、８……水溶液タンクの止め弁、１０……流量
調節弁、１１……エアタンク、１２……止め弁、
１３……圧力調節弁、１５……供給管、１６……
発泡器、１７……内管、１８……外管、１９……
噴射ノズル、Ｆ……泡沫、Ｓ……線材リング群。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧延スタンド間または最終仕上圧延機後に熱
   間鋼材に冷媒を供給して冷却する方法において、
   前記冷媒が界面活性剤または水溶性ポリマーを含
   む水溶液の薄膜により形成された泡沫であるこ
   と、該泡沫の水溶液容積に対する泡沫容積の比率
   および前記鋼材の単位面積・時間当たりの泡沫供
   給量の少なくとも一つを調整すること、ならびに
   前記泡沫を鋼材にする噴射して鋼材を冷却するこ
   とを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。