JPH06210339A - 高温鋼板の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼板１０の加速冷却において生じる平坦不良
を安価に防止する。 【構成】 最終段の冷却装置４０において、柱状ノズル
４１ａ，４１ｂを鋼板１０の板幅方向および搬送方向の
両方向について同一直線上に配置する。柱状ノズル４１
ａ，４１ｂの板幅方向における配列間隔ｄを全て同一と
し、且つノズル内径の３倍以上とする。鋼板１０の板幅
方向に規則的な温度むらを発生させる。この温度むらは
鋼板１０の平坦不良を招来しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧延を終えた高温鋼板
をライン内でそのまま水冷して高強度化、高靱性化等を
図る所謂加速冷却に用いられる冷却装置に関し、特に加
速冷却用冷却設備の最終段に設けられて鋼板を所定の冷
却停止温度に制御する冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年厚鋼板などの鋼板製造プロセスにお
いて、制御圧延をした鋼板をダイレクトに冷却して高強
度、高靱性の鋼板を得る加速冷却が広く行われるように
なってきている。すなわち、いままでは添加元素成分を
増加させることなどより行っていた高強度化、高靱性化
を制御圧延と加速冷却の組み合わせにより実現するもの
であり、添加元素を低減して製造コストを大幅に削減す
るばかりでなく、溶接性にも優れた鋼板を製造すること
が可能なため、加速冷却対象材は増加の一途をたどって
いる。

【０００３】このような加速冷却を導入すれば優れた品
質の鋼板をより安価に製造することが可能となるが、そ
の一方では最近の高品質化のニーズの高まりに伴って幾
つかの問題も生じてきている。その中の最も重要な問題
は以下に説明する平坦不良である。

【０００４】加速冷却においては、強制的に水を２００
〜９００℃の高温鋼板の表面に冷却ノズルより噴射する
ため、鋼板表面において対流沸騰熱伝達現象が発生す
る。この現象により空冷などに比べ数十〜数百倍の高冷
却速度が得られ、結晶組織が著しく微細化されるため、
前述のように高強度、高靱性を有する鋼板を製造するこ
とができる。

【０００５】しかし、この対流沸騰熱伝達現象において
は、鋼板温度が低温になるほど熱伝達効率が急増する傾
向があるために、冷却されればされるほど冷却加速が増
加してしまい、現象そのものが非常に不安定となる。こ
のため鋼板全体にわたり冷却速度を均一に制御すること
が非常に困難であり、さまざまな外乱により冷却終了後
の鋼板上の温度分布に大きなむらを発生させている。こ
の外乱の主なのもとしては、冷却開始前の温度むらや、
鋼板の圧延時に発生した変形あるいは酸化膜（スケー
ル）などの鋼板表面性状の不均一がある。

【０００６】このような温度むらは、最終的な機械値特
性のばらつきを発生させるばかりでなく、ある限界の温
度差を超えた場合には、常温まで冷却される間に耳波や
中伸びなどの変形を発生させ、製品品質上の大きな問題
となる。

【０００７】このような平坦不良をなくすために、これ
までにもいろいろな工夫が講じられてきた。例えば特公
昭６３−４７７７５号公報に示されるように、水冷開始
前、水冷開始途中及び水冷停止後の幅中央部と側端部の
温度を検出して予め定めた関係式に基づき、変形量を予
測して許容範囲内に収めるようにノズルに対する冷却水
の供給量を制御する方法がとられた。

【０００８】また、特開昭６１−１１７２１１号公報に
は、伝熱面表面に汚れ乃至皮膜を形成する物質を水中に
添加した冷媒を用いて冷媒と伝熱界面との濡れ均一化を
図ることにより、鋼板を均一に冷却する方法が示されて
いる。

【０００９】更にまた、実公昭６２−３３００３号公報
には、上下一対の複数組のロールにより案内されて移動
する鋼板の上下にカバーを設置し、カバーの両端部に蛇
腹状シール板を有するサイドシール板を設置して冷却水
の板幅方向への横流れを防止する鋼板の均一冷却方法が
示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】これらの方法により鋼
板の冷却停止温度の分布むらは改善され、平坦不良は大
幅に改善されるが、それでもなお以下に述べるような問
題が残されていた。

【００１１】すなわち、特公昭６３−４７７７５号公報
に示されるような冷却開始前、冷却中、冷却後の温度を
検出して冷媒噴霧量を制御する方法では、板幅方向に比
較的細かい温度むらが冷却前に生じた場合、これを制御
して均一な温度分布を得るためには、板幅方向の流量分
布を自在に細かく制御できる冷却設備が必要となり、多
大な設備費及び維持管理費を必要とする。そのため実現
が困難であった。

【００１２】特公昭６１−１１７２１１号公報に示され
るような鋼板表面に濡れ性を均一化する添加物を冷媒中
に混ぜる冷却均一化方法も、添加物に多大な費用を必要
としやはり実現が困難である。

【００１３】また、実公昭６２−３３００３号公報に示
されるように、蛇腹状のサイドシール板を有するカバー
を取り付けることにより冷却水の板幅方向への横流れを
防止する方法では、鋼板のそりが生じた場合衝突を避け
るために、上側冷却装置の昇降装置が必要となり、やは
り設備費や管理費の面から実現性が乏しい。

【００１４】本発明の目的は、冷却停止温度の分布むら
による平坦不良を簡単に防止できる高温鋼板の冷却装置
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】加速冷却において鋼板全
体にわたって冷却停止温度を均一に制御する設備を実現
することは、前述したように多大な費用を要し非常に困
難である。しかるに、鋼板に冷却停止温度の分布むらが
あっても、その温度むらが鋼板の平坦不良につながらな
ければ、温度むらをあえて解消する必要はなくなり、冷
却停止温度を均一制御するための多大の設備投資は不要
となる。

【００１６】本発明は鋼板の冷却停止温度を平坦不良を
招来しない分布に制御し、平坦不良の防止を極めて低コ
ストに実現するものである。鋼板の冷却温度分布が平坦
不良に及ぼす影響を図１および図２により説明する。

【００１７】一般に図１に示すような耳波や中伸びなど
の変形は、鋼板の板幅方向の温度むらに起因し、加速冷
却後の温度が低い部分に生じる。なぜなら例えば中伸び
の場合、図２（ａ）に示すように温度の低い部分の熱収
縮量がその他の部分の熱収縮量より小さいために、温度
の低い部分の圧縮応力が増大し、これが座屈限界応力を
超えることにより変形が発生するからである。

【００１８】この座屈限界を決める温度むらの大きさ
（座屈限界温度差）は、板厚や板幅だけでなく温度分布
の状態によって大きく左右される。例えば図２（ａ）に
示すようになだらかな温度分布が発生した場合には、比
較的小さな温度むらでも変形が生じ、場合によっては１
０℃程度のむらでも変形の生じることがある。逆に図２
（ｂ）に示すように板幅方向にある一定のピッチである
一定の温度むらが形成された場合には、隣接する高温部
と低温部に引張応力と圧縮応力が発生するが、圧縮応力
により生じようとする座屈変形を引張応力域が抑制する
ため、比較的大きな温度むらが生じた場合でも変形は発
生しない。

【００１９】本発明の冷却装置は、ローラにより長手方
向に搬送される高温鋼板を所定の冷却開始温度から所定
の冷却停止温度まで液冷する冷却設備の最終段に設けら
れて、冷却停止温度を制御する高温鋼板の冷却装置であ
って、鋼板の上面および／または下面に全面にわたって
冷却液を噴射するべく配列された多数本の柱状ノズルを
有し、該柱状ノズルが鋼板の板幅方向および搬送方向の
両方向において同一線上に配置されると共に、該柱状ノ
ズルの板幅方向における間隔が全て同一で、且つノズル
内径の３倍以上であることを特徴とし、かかる特徴によ
り、鋼板の板幅方向の温度むらを図２（ｂ）に示す如き
パターンに制御して、平坦不良の防止を図る。

【００２０】

【作用】加速冷却設備の最終段の冷却装置における従来
のノズル配列例を図３（ａ）に示し、本発明によるノズ
ル配列を図３（ｂ）に示す。

【００２１】従来の代表的なノズル配列は所謂千鳥状で
あり、柱状ノズルを板幅方向には同一直線上に配列する
が、鋼板搬送方向には同一直線上に配列されていない。
千鳥状の配列は均一冷却には有効であるが、板幅方向の
ノズル間隔としてｄ１，ｄ２（ｄ１≠ｄ２）の２種類を
生じる。

【００２２】一方、本発明によるノズル配列では、柱状
ノズルを板幅方向および搬送方向のいずれの方向におい
ても同一直線上に等間隔配置し、板幅方向のノズル間隔
をｄの１種類とする。この配列は均一冷却にとっては若
干不利であるが、その冷却むらは鋼板の平坦不良に大き
な影響を与えず、均一冷却が実現困難な現状ではこの配
列が非常に効果的な平坦不良防止策となる。

【００２３】すなわち柱状のノズル水流により鋼板を冷
却する方法は、一般にパイプラミナ冷却法と呼ばれ他の
スプレー冷却などの方法に比べて冷却能力が低いために
広く用いられている。図４（ａ）に柱状ノズル一本のみ
により冷却した場合の鋼板上での冷却能力（熱伝達率）
の分布を示す。図より分かるように、ノズル流の衝突点
では非常に高い冷却能力が得られるが、衝突点からの距
離が遠ざかるにつれて一定の割合で減衰していく特徴が
ある。また図４（ｂ）（ｃ）はノズルを２本並べた場合
の冷却能力分布である。この場合ノズル間中央で冷却能
力は極小値となるが、その大きさはノズル間隔により左
右される。

【００２４】すなわちノズル間隔がノズル内径の３倍未
満の場合は、図４（ｃ）に示すように衝突点とノズル間
の冷却能力はほぼ等しくなり、鋼板の板幅方向に均一に
冷却されてしまう。しかし３倍以上の場合は、図４
（ｂ）に示すように衝突点の冷却能力の方が大きくな
り、鋼板上の板幅方向にノズルピッチと同じ温度むらが
生じる。そして、この温度むらが板幅方向に繰り返され
たものが、平坦不良の防止に有効な図２（ｂ）の温度む
らである。

【００２５】本発明冷却装置は、上記事実を利用して平
坦不良を経済性よく防止するものであり、柱状ノズルを
鋼板の板幅方向および搬送方向の両方向において同一線
上に配置し、柱状ノズルの板幅方向における間隔を同一
かつノズル内径の３倍以上とすることにより、冷却終了
後最終的に図２（ｂ）に示すような板幅方向にノズル間
隔と同じピッチの縞状の温度むらを生じさせることがで
きる。

【００２６】この温度むらの大きさは変形が生じない範
囲、すなわち温度むらの間隔により決まる座屈限界温度
差以下であれば良いが、機械特性値のばらつきを許容値
以下とするためには、停止温度むらを停止温度の±３０
℃以下に抑える必要がある。一方温度むらが小さすぎる
と板幅方向に均一冷却となってしまい、平坦不良を防止
することができなくなる。以上のことから本発明で発生
させる温度むらは冷却停止温度±１０〜３０℃の範囲と
する。

【００２７】したがって本発明冷却装置におけるノズル
一本あたりに必要な流量や、ヘッダ間隔、ヘッダ数は±
１０〜３０℃の温度むらを発生させるのに充分なものと
し、被冷却材である鋼板の板厚、鋼板の搬送速度、冷却
停止温度などに基づいて適宜決定される。

【００２８】ノズル間隔については、これをノズル内径
（通常１０〜２０ｍｍ）の３倍以上とするが、冷却後板
長手方向に切断（条切り）する場合、そりの発生を防止
するためには、発生させる温度むらのピッチは切断幅
（通常１５０ｍｍ以上）より小さくなってはならない。
従ってノズル間隔は通常は５０〜１２０ｍｍの範囲とす
ることが望まれる。

【００２９】また、一般に水冷時の冷却能力は鋼板温度
の低下と共に急増する傾向にあるため、一旦、鋼板に温
度差が生じてしまうと、以後均一な冷却を行っても、温
度差は増大してしまう（図５）。そのため、冷却後に所
定の大きさの温度むらを発生させる本発明冷却装置は、
全冷却装置群の中で最終の冷却を行う位置におかれなけ
ればならない。

【００３０】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。

【００３１】図６に本発明冷却装置を使用した加速冷却
用冷却設備の概略構成を示し、図７に本発明冷却装置の
構成例を示す。

【００３２】加速冷却用冷却設備は、例えば熱間圧延設
備２０の下流側に連続して設けられ、熱間圧延設備２０
の仕上げ圧延機２１から進出した高温の鋼板１０を前段
の冷却装置３０と後段の本発明冷却装置４０とにより所
定温度まで冷却する。前段の冷却装置３０は、例えばス
リットラミナノズルや千鳥状に配列された柱状ノズルを
用いて、鋼板を上面側および下面側から全面にわたって
ほぼ均一に冷却する。

【００３３】前段の冷却装置３０の入側、冷却装置３０
と後段の本発明冷却装置４０との間、及び本発明冷却装
置４０の出側には、鋼板１０の上下面の幅方向温度分布
を測定する温度計５０が設置されている。温度計５０が
測定したデータは、冷却装置３０及び本発明冷却装置４
０における冷却水の流量制御に用いられる。

【００３４】本発明冷却装置４０は、図７に示すよう
に、鋼板１０の上面側に配列された複数本の上段ヘッダ
４１ａと、鋼板１０の下面側に配列された複数本の下段
ヘッダ４１ｂとを有する。

【００３５】複数本の上段ヘッダ４１ａは、いずれも板
幅方向に伸びるパイプであって、鋼板１０の搬送方向に
等間隔をあけて並列している。個々の上段ヘッダ４１ａ
は、その一端に接続された給水管４２ａを介して内部に
冷却水を注入され、その冷却水を多数本の柱状ノズル４
３ａから噴出させる。

【００３６】柱状ノズル４３ａは、上段ヘッダ４１の長
手方向（板幅方向）に等間隔をあけて並び、それぞれが
上段ヘッダ４１の最上部から上方に延出し、中間部でＵ
字状に湾曲することにより先端部を鋼板１０の上面に直
角に対向させている。

【００３７】複数本の下段ヘッダ４１ｂは、上段ヘッダ
４１ａと同じ板幅方向に延びるパイプであり、搬送ロー
ラ６０を挟んで鋼板１０の搬送方向に等間隔をあけて並
列している。個々の上段ヘッダ４１ｂは、その一端に接
続された給水管４２ｂを介して内部に冷却水を注入さ
れ、その冷却水を多数本の柱状ノズル４３ｂから噴出さ
せる。

【００３８】柱状ノズル４３ｂは、下段ヘッダ４１ａの
長手方向（板幅方向）に等間隔をあけて並び、それぞれ
が下段ヘッダ４１ａの最上部から上方に延出して鋼板１
０の下面に対向している。

【００３９】下段ヘッダ４１ｂは、隣接するヘッダ間に
搬送ローラ６０を挟む関係から、上段ヘッダ４１ａの１
／２の本数とされ、奇数段目の上段ヘッダ４１ａに対向
している。

【００４０】鋼板１０の上面側において柱状ノズル４３
ａが形成するノズル群Ａ、及び鋼板１０の下面側におい
て柱状ノズル４３ｂが形成するノズル群Ｂは、柱状ノズ
ル４３ａ，４３ｂを板幅方向および鋼板１０の搬送方向
の両方向において同一線上に配置した構成となってい
る。

【００４１】柱状ノズル４３ａ，４３ｂの内径はいずれ
も同一である。柱状ノズル４３ａ，４３ｂの板幅方向の
配列間隔ｄは、いずれも同一で、ノズル内径の３倍以上
とされている。

【００４２】対向する上段ヘッダ４１ａと下段ヘッダ４
１ｂの間においては、上下の柱状ノズル４３ａ，４３ｂ
が同一鉛直線上にあって鋼板１０の同一位置を上下から
冷却するようになっている。

【００４３】上段ヘッダ４１ａの配列間隔Ｄａおよび下
段ヘッダ４１ｂの配列間隔Ｄｂは、柱状ノズル４３ａ，
４３ｂの配列間隔ｄより充分に大きく、上段ヘッダ４１
ａの配列間隔Ｄａは下段ヘッダ４１ｂの配列間隔Ｄｂの
１／２である。

【００４４】柱状ノズル４３ａ，４３ｂの１本あたりの
流量は、鋼板１０の板厚や搬送速度、冷却停止温度等に
より変更され、通常１０〜２５リットル／分である。

【００４５】表１の条件で鋼板を冷却した場合の冷却停
止時における鋼板表面の板幅方向温度分布を測定した結
果を従来装置による場合と比較して図８に示す。従来装
置においては隣接するヘッダを板幅方向に４０ｍｍずら
せてノズルを千鳥状に配列した。

【００４６】

【表１】

【００４７】図８から分かるように、従来装置による場
合は、隣接するノズル間の温度差は比較的小さいが、板
幅方向全体では不規則な温度むらが生じ、比較的幅の広
い低温部で耳波が発生した。これに対して本発明冷却装
置による場合は、板幅方向にノズル間隔に相当する８０
ｍｍピッチで±約２０℃の温度むらが生じ平坦不良を防
止できた。

【００４８】また、ノズル間隔が温度むらに及ぼす影響
を調査した結果を図９に示す。図から分かるように、ノ
ズル間隔がノズル内径の３倍以上の場合に水流衝突点と
ノズル間の冷却能力差が３％以上に広がって、平坦不良
の防止に有効な温度むらの形成に寄与する。

【００４９】

【発明の効果】以上に説明した如く、本発明の温度鋼板
の冷却装置は、鋼板に平坦不良を招来しない規則的な板
幅方向の温度むらを発生させるので、高価な均一冷却機
構を必要とせず、平坦不良を極めて安価に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼板の平坦不良を示す模式図である。

【図２】鋼板の平坦不良と冷却温度分布との関係を示す
模式図である。

【図３】従来装置と本発明装置におけるノズル配列を比
較する模式図である。

【図４】ノズル配列が水流衝突点近傍の熱伝達率分布に
及ぼす影響を示すグラフである。

【図５】冷却前の温度差と冷却後の温度差の関係を示す
グラフである。

【図６】本発明冷却装置を使用した加速冷却用冷却設備
の概略構成図である。

【図７】本発明冷却装置の構成例を示す斜視図である。

【図８】本発明装置による冷却結果と従来装置による冷
却結果を示すグラフである。

【図９】ノズル間隔が温度むらに及ぼす影響を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１０ 鋼板 ２０ 熱間圧延設備 ３０ 前段の冷却装置 ４０ 本発明冷却装置 ４１ａ，４１ｂ ヘッダ ４３ａ，４３ｂ 柱状ノズル ５０ 温度計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ローラにより長手方向に搬送される高温
   鋼板を所定の冷却開始温度から所定の冷却停止温度まで
   冷却する冷却設備の最終段に設けられて、冷却停止温度
   を制御する高温鋼板の冷却装置であって、 鋼板の上面および／または下面に全面にわたって冷却液
   を噴射するべく配列された多数本の柱状ノズルを有し、
   該柱状ノズルが鋼板の板幅方向および搬送方向の両方向
   において同一線上に配置されると共に、該柱状ノズルの
   板幅方向における間隔が全て同一で、且つノズル内径の
   ３倍以上であることを特徴とする高温鋼板の冷却装置。