JPH0919711A - 高温鋼材の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】板幅方向に冷却のばらつきがなく、応答性のよ
い冷却装置の提供。 【構成】給水管(3) に接続され、かつ送水管(4) を接続
した給水ヘッダー(2) と、送水管が内挿され、内部に仕
切り板(6) で区切られた流路(7) を備えた整流室(5)
と、前記流路の最終段の上部に連通し、下端部に向かっ
て間隔が縮小され、かつ最下端部に開口部(10)を有する
スリットノズル(1) と、スリットノズル頂部(11)に開閉
弁(13)を有する通気管(12)とからなる高温鋼材の冷却装
置。 【効果】スリットノズルの側面に整流室を設けたので、
気泡や乱れのない板状流れが得られ、また開閉弁を有す
る通気管を設けたので、停止時の応答性に優れた冷却装
置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼板、鋼管などの高温
の鋼材を所定の温度まで冷却する装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】熱間連続圧延設備の仕上げ圧延を終了し
た鋼板、または熱処理炉から出された鋼板は、ホットラ
ンテーブルなどの冷却装置で所定の温度に冷却されて製
品とされる。ここで、製品の強度レベルなどの品質を調
整するためには、冷却開始温度、終了温度、冷却速度な
どを適正に制御するほか、板幅方向などに温度変化のな
いことが必要である。

【０００３】このような冷却を行うための装置には、冷
却開始または停止時の応答性がよいこと、板幅方向に噴
射水量の変動がないことが望ましい。その装置として、
密閉された給水ヘッダーにスリットノズルを配設した冷
却装置（以下、これを「給水ヘッダー密閉型スリットノ
ズル冷却装置」と記載する。）が用いられている。スリ
ットノズルから冷却水が流下すると、給水ヘッダー内が
負圧となり、整流度の高い板状水流が得られる。ここ
で、「整流度の高い板状水流」というのは、冷却水がノ
ズルから流下するとき気泡などを含むような乱れがな
く、ガラス板のように透明な水流のことをいう。

【０００４】図８は、特公昭62-49124号公報に開示され
た給水ヘッダー密閉型スリットノズル冷却装置を示す図
であり、(a) は正面図、(b) は側面図である。この装置
は、給水ヘッダー（冷却水タンク）２内に給水管３の位
置より下方に整流板18のユニットを配設することによっ
て、板状水流の板幅方向の流量を均一なものとして冷却
能力の向上を図ったものである。

【０００５】近年、鋼板の幅は広幅化され、前記冷却装
置のノズル開口部の長さ（ノズルの幅）が大きくなるに
つれ、鋼板幅方向に品質の変動が起こるという問題があ
った。これは、スリットノズルを長期間使用すると、ノ
ズル内の水圧負荷、鋼材からの放射熱、鋼材搬送時の振
動、自重などによる、いわゆる使用環境条件の影響をう
け変形が起こる。これによってスリットノズル開口部の
幅が長手方向にわたって変動し、板状水流の板幅方向の
流量変動や水膜切れが起こるからである。

【０００６】これを解消する装置として、実公平1-1652
4 号公報には、スリットノズルの長辺側の板部材を可撓
薄板とするとともに、短辺側部材を短辺方向に伸縮可能
とし、かつノズル先端部に開口部の幅（ギャップ）t₁を
調整する押圧装置24を設け、開口部の幅を調節するノズ
ルが提案されている（図８参照）。

【０００７】板幅方向に温度変化が発生する原因の一つ
は、鋼板表面に冷却水の干渉流れが発生するためであ
る。

【０００８】図３は、スリットノズルを並列に配置した
とき発生する干渉流れを示す図であり、(a) は局部的に
発生した場合を、(b) は全面に発生した場合を示す図で
ある。このように複数の給水ヘッダー密閉型スリットノ
ズル冷却装置を並列に配置すると、板状水流が衝突して
干渉流れ21が生じるためである。この干渉流れは、非常
に不安定で鋼板の表面で絶えず振動しながら流動し、冷
却水（板状流れ）の流下点にもぐり込むこともある。こ
のもぐり込みが生じた場合、流下点近傍の高い冷却能が
大きく低下してしまうために、大きな冷却むらが起こる
という問題があった。

【０００９】これを解消する装置として、実開昭57-106
752 号公報には、板状流れの中間でホットランテーブル
の両側に高圧水を噴射する装置を配設し、高圧水を鋼板
表面の幅中央部から外側へ向けて噴射することによっ
て、冷却水の干渉流れを除去する冷却装置が開示されて
いる。

【００１０】被冷却材の冷却終了目標温度を精度よく制
御するためには、板状流れの給水を指示した時から目標
噴出量の板状流れが得られるまでの時間、または給水の
停止を指示した時から完全に停止できるまでにかかる時
間（以下、これを「オン・オフ時の応答時間」と記載す
る。）を、できるだけ短縮する必要がある。そのために
はノズル開口部から上部の冷却水の量を少なくする必要
がある。図８に示すような従来の冷却装置では、この冷
却水量が多くなる。特に停止時に冷却水の流下が完全に
止まるまでに長時間を要するものが多く、高精度に鋼板
温度を制御することが困難であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】板状水流の厚さを均一
にするために整流板を設けた冷却装置では、給水ヘッダ
ー内への冷却水を給水ヘッダーの端から行っている。こ
のため、噴射が始まると給水ヘッダー内の給水口側の圧
力が低下し、給水ヘッダーの長手方向に圧力勾配が生
じ、板幅方向の流量を均一にすることは期待できなかっ
た。また、スリットノズルが給水ヘッダーに直接取り付
けられており、ノズル上部の水量が多いため、冷却開
始、停止時の応答がおそいという問題があった。

【００１２】ノズル開口部の幅を調整するノズルは、多
数の押圧装置と広い設置面積を必要とし、また押圧装置
の製作・保守に多くの費用を要するという問題があっ
た。

【００１３】干渉流れを吹き飛ばし、除去する冷却装置
は、板幅が大きくなると設備も大きくなり、設置が困難
である。また、オン・オフ時の応答性を改善することに
ついての提案は、見当たらなかった。

【００１４】本発明の目的は、被冷却材の幅方向に均一
な冷却が実現でき、かつ給水オン・オフ時の応答性に優
れた高温鋼材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】本発明者らは、従来の冷
却装置を用いて高温鋼板の冷却性能について調査した結
果、板幅方向に温度変化（温度むら）の生じるのは、給
水ヘッダー内の冷却水の圧力が給水管側で低くなり、長
手方向に圧力勾配が生じることが原因であることを知見
した。この発明は、この知見に基づき完成され、その要
旨は、図１および図２に示す板状冷却装置である。

【００１６】給水管(3) に接続され、かつ送水管(4) を
接続した給水ヘッダー(2) と、送水管が内挿され、内部
に仕切り板(6) で区切られた流路(7) を備えた整流室
(5) と、前記流路の最終段の上部と連通し、下端部に向
かって間隔が縮小され、途中にスペーサ(17)を有し、か
つ最下端部に開口部(14)を有するスリットノズル(1)
と、スリットノズル最頂部(8) に開閉弁(15)を有する通
気管(16)とからなる高温鋼材の冷却装置。

【００１７】

【作用】本発明の冷却装置の作用、効果を図を用いて説
明する。

【００１８】Ｉ．冷却装置の構造：本発明の冷却装置
は、スリットノズルの側部に整流室を設けることによっ
て、板幅方向の水量の変動を小さくし、オン・オフ時の
応答性をよくしたものである。

【００１９】図１および図２は、本発明の冷却装置を示
す図であり、図１は断面図、図２は正面部分断面図であ
る。１はスリットノズル、２は給水ヘッダー、３は給水
管、４は送水管、５は整流室、６は仕切り板、14は開口
部、15は開閉弁、16は通気管である。

【００２０】給水ヘッダー2 は、給水管3 および複数の
送水管4 に接続され、送水管は整流室5 に内挿されてい
る。給水管から送られた冷却水は、給水ヘッダーの長手
方向に所定の間隔で接続された複数の送水管を通り、送
水管の上部開口部から整流室内へ流れ込む。

【００２１】整流室5 は、複数枚の仕切り板6 によって
区切られ、これらと整流室壁とから構成される空間で流
路7 が形成されている。送水管から整流室内に流れ込ん
だ冷却水は、この流路に沿って（この場合は上下に迂回
しながら）流れ、混じり合い均圧化される。したがっ
て、給水ヘッダーの端部に給水した場合でも、下部ノズ
ルの開口部14の長手方向に均一な流量を得ることができ
る。整流室内の流路は、長いほど、即ち仕切り板の枚数
が多いほど均圧化効果が大きい。一方、流路が狭くなる
ために付着物によるつまりが生じたり、ヘッダーが大き
くなりメンテナンスが困難となる。このため仕切り板の
枚数は３〜10枚、流路の幅Ｄは15〜50mmとするのが望ま
しい。

【００２２】送水管4 は、送水管の間隔P₁が狭いほど冷
却水の均圧化効果が増大する。しかし、製造コストを考
慮すると送水管は大きすぎないほうがよく、実験結果に
よれば配置間隔を300 mm以下とすることで実用上必要な
均一性が十分に得られることがわかった。

【００２３】スリットノズル1 は、上部ノズル9 と下部
ノズル10をフランジ13を介して取り外し可能に連結さ
れ、上部ノズルは整流室の片側（最終流路の開口部があ
る側）に取り付けられている。上部ノズルは、２枚の側
板11,12 によってスリット状の流路が構成され、その一
方の側板12は整流室の壁を兼ねている。下部ノズルは、
入口間隔（上部ノズルの間隔t₂に等しい）よりも開口部
間隔t₁が小さく、最下端部方向に縮小されている。ノズ
ルを２分割し、取り外し可能とすることによって、内部
の清掃などの保守を容易にする効果がある。

【００２４】整流室で整流された冷却水は、流路の最終
段の上部から上部ノズル内に流れ込む。上部ノズルから
送られた冷却水は、下部ノズルを通って間隔t₁の開口部
から噴出される。したがって、冷却水は、入口部よりも
開口部で縮小比の逆数(t₂/t₁) 倍だけ増速され、一層整
流効果を得ることができる。

【００２５】冷却水の板状水流を整流化して膜切れやば
たつきなどの発生を防ぐためには、下記(1) 式からノズ
ル最頂部8 における圧力Ptを負圧（大気圧以下、 Pt ＜
０）となるようにノズル長さＬを定める必要がある。

【００２６】 Pt＝〔｛ρ/2｝｛1-(t₁/St)²｝V₀ ² −ρｇＬ〕×10 (mmAg) ・・・(1) ただし、Ｌ：ノズル全長（Ｌ＝L₁＋L₂）（ｍ） V₀：出口流速 （ｍ／ｓ） St：ノズル最頂部の間隔 （ｍ） ρ：冷媒密度 （kg／ｍ³ ） ｇ：重力加速度 9.81（ｍ／ｓ² ） である。なお、（１）式は、発明者らが流路における摩
擦損失を無視した場合の一次元流れにおけるベルヌーイ
の式から求めたものである。

【００２７】冷却水のノズル出口の流速V₀は、通常の操
業条件では３ｍ／s 以下なので、t₁/St≒1/4 として
Ｌ＞〔１−(t₁/St)²〕V₀ ² ／2g＝ 430 (mm) となる。こ
のようにすると、板状水流の厚さを均一にすることがで
きる。

【００２８】スリットノズル内部において長手方向に所
定の間隔でノズルスペーサ17を下部ノズルの側板の間に
挟持させ、ノズル開口部の間隔をノズル長手方向にわた
って一定に保持する。これにより、ノズル幅が広幅の場
合でも、常にスリット間隔が一定に保たれ、水圧や熱歪
み等により変化することを防止できる。このスペーサの
形状は、ノズル内の冷却水の流れから受ける抵抗を小さ
くし、スペーサを挿入したことによって発生する乱れを
小さくするために、例えば図４に示すように流線型の形
状とすることが望ましい。

【００２９】II．オン・オフ時の応答性：オン・オフ時
の応答性を向上させる手段について説明する。

【００３０】本発明の冷却装置では、ノズル入口部の冷
却水量をなるべく小さくするため図１および図２に示す
ように、上部ノズルの片側に整流室5 を設け、ノズル入
口部の冷却水量の容積を小さくした。さらにノズル上部
に、他端が開閉弁15に接続された通気管16をノズル長手
方向に所定の間隔で配設し、給水時に開閉弁を「閉」、
停止時に「開」として大気に連通させることにより、停
止時の応答時間を短縮することを図った。また、前述の
ノズルの長さＬは、短いほうがオン・オフ応答性はよく
なる。

【００３１】III ．干渉流れの防止：干渉流れを防止し
て、冷却を均一にする方法について説明する。

【００３２】複数の冷却装置を用いて鋼板を水冷する場
合には、ノズル間の鋼板上で発生する干渉流れによって
冷却むらが発生する。このむらを防止するためには、図
3(b)に示すように冷却装置の間隔を小さくしてノズル間
を干渉流れで満たすことにより、むらを防止することが
考えられる。この場合、従来の冷却装置では熱歪みなど
の変形を矯正し、ノズル開口部の間隔を均一に調節する
ための押圧装置を必要とするため大型化され、ノズル間
隔を十分に小さくできなかった。しかし、本発明の装置
はノズル内部にスペーサを設けたので、ノズル間隔を常
に一定に保つことができ、開口部微調節ねじ19（図１参
照）によって微調整を行うことで足りる。したがって、
冷却装置全体を従来に比べて小さくすることが可能とな
り、上記干渉流れによる不均一を無くするまで十分にノ
ズル間隔を小さくできる。

【００３３】

【実施例】以下本発明の方法について実施例により説明
する。

【００３４】〔実施例１〕図１および図２に示す冷却装
置を用いて板状水流を噴出させ、オン・オフ時の応答時
間の測定を行った。この装置の通気管の開閉弁は、給水
管の開閉弁と電気的に結合され、給水管の開閉弁を開く
と通気管の開閉弁が閉じられる構造になっている。冷却
装置各部の寸法は次の通りである。

【００３５】給水ヘッダー：内径 200 mm 、長さ 5500
mm、 送水管：内径 60 mm、長さ 100 mm 、間隔P₁ 150 mm 、
本数 30 本、 整流室：幅 200 mm 、長さ 5000 mm、高さ 250 mm 、 仕切り板：間隔D 40 mm、枚数４枚、 スリットノズル：途中の間隔t₂ 40 mm、開口部間隔t₁を
開口部調節装置によって 6〜14mmに変化させた。

【００３６】Ｌ＝850 mm、L₁＝350 mm、L₂＝500 mm、St
＝40 mm 、ノズル幅＝5000 mm 、 通気管：内径 20 mm、長さ 500 mm 、間隔P₂ 300 mm 、
本数 15 本、 開口部間隔t₁の異なる５種類のスリットノズルを用意
し、t₁に応じて給水量を変え、給水停止時の応答時間を
測定した。給水量は、t₁＝6 mmのとき3.0 m³／分、t₁＝
8 mmのとき4.0 m³／分、t₁＝10mmのとき5.0 m³／分、t₁
＝12mmのとき6.0m³／分、t₁＝14mmのとき7.0 m³／分で
あった。

【００３７】比較例として図８に示す冷却装置を用い、
上記と同様な試験を行った。冷却装置各部の寸法は次の
通りである。

【００３８】給水ヘッダー：内径 400 mm 、長さ 5500m
m 、 給水管：内径 150 mm 、長さ 6000mm 、小孔の直径 6 m
m 、孔数 2000 個 スリットノズル：途中の間隔t₂、開口部間隔t₁共に 6〜
14mmの５種類、ノズル長さＬ＝1200mm、ノズル幅＝5000
mm 図５は、ヘッダーの給水停止からノズル開口部の吐出が
停止するまでの時間を示す図である。本発明の装置によ
ればオフ時の応答時間は 0.4〜0.6 秒であるのに対し、
比較例の装置では 3.2〜5.0 秒かかり、発明の装置では
大幅に向上することがわかる。即ち、高温鋼板の冷却に
使用した場合、目標温度に精度よく制御することができ
る。

【００３９】また、図１および図２の冷却装置を用い、
通気管の開閉弁を閉じたまま、給水を停止させる試験を
行った。その結果を図５に示すように、 1.6〜2.0 秒を
要し、開閉を行う場合に比べるとかなり悪化した。

【００４０】〔実施例２〕実施例１に使用した冷却装置
を用い、ノズル開口部の間隔t₁を９mm、給水量を4.0 m³
／分として板幅方向の流量分布を測定した。板幅方向の
流量分布は、200mm間隔に測定器を置き、１分間の流量
を測定した。

【００４１】図６は、板幅方向の流量分布の測定結果を
示す図である。同図からわかるように流量の変動量は、
発明例では0.05 m³/分、比較例の場合には0.20 m³/分で
あった。比較例の冷却装置は、冷却水が両端から供給さ
れているため中央部の水圧が高くなることの他に、使用
中に熱歪みなどによって生じた変形による局所的なむら
が発生しているものと考えられる。

【００４２】〔実施例３〕実施例１に使用した冷却装置
を鋼板の長さ方向に2250mm間隔に 10 台配置し、高温鋼
板（幅４ｍ、長さ 25 ｍ、厚さ 25 mm、720 ℃）を450
℃まで冷却した。

【００４３】ノズル開口部の間隔t₁を９mm、給水量を4.
0 m³／分とした。なお、鋼板の走行速度は60ｍ／分とし
た。

【００４４】図７は、板幅方向について冷却終了時に測
定した表面温度を示す図である。本発明の装置を用いた
場合の板幅方向の温度変動は15℃、比較例の場合は90℃
であった。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、広幅の高温鋼材であっ
ても幅方向を均一に冷却することができ、オン・オフ時
の応答性に優れ、精密な温度制御することができる。ま
た、ヘッダー全体がコンパクトなため、ヘッダー間隔を
小さくすることができるので干渉流れによる温度むらを
小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却装置の側面図を示す図である。

【図２】本発明の冷却装置の正面部分断面を示す図であ
る。

【図３】板状流水を噴射したとき発生する干渉流れの状
態を示す図であり、(a) は局部的な干渉流れを示す図、
(b) は全面的な干渉流れを示す図である。

【図４】(a) および(b) はスリットノズルの間隔を固定
する流線型スペーサーを示す図である。

【図５】ヘッダーの給水停止からノズル出口の吐出が停
止するまでの時間の調査結果を示す図である。

【図６】板幅方向の流量分布の測定結果を示す図であ
る。

【図７】板幅方向について冷却終了時に測定した表面温
度を示す図である。

【図８】従来の冷却装置を示す図であり、(a) は正面
図、(b) は側面図である。

【符号の説明】

１．スリットノズル ２．給水ヘッダー ３．給水管 ４．送水管 ５．整流室 ６．仕切り板 ７．流路 ８．ノズル最頂部 ８．上部ノズル 10．下部ノズル 11．側板 12．側板兼整流室壁 13．フランジ 14．開口部 15．開閉弁 16．通気管 17．スペーサー 18．整流板 19．開口部微調整ねじ 20．冷却水 21．干渉流れ 22．冷却水流下点 23．小孔 24．押圧装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 播木 道春 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住 友金属工業株式会社内 (72)発明者 北村 務 和歌山県和歌山市湊1850番地住友金属工業 株式会社和歌山製鉄所内 (72)発明者 矢葺 邦弘 和歌山県和歌山市湊1850番地住金マネジメ ント株式会社内 (72)発明者 宮本 仁人 和歌山県和歌山市湊1850番地住金マネジメ ント株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】給水管に接続され、かつ送水管を接続した
   給水ヘッダーと、前記送水管が内挿され、仕切り板で区
   切られた流路を備えた整流室と、前記流路の最終段の上
   部と連通し、下部が下端部に向かって間隔が縮小され、
   途中にスペーサを有し、かつ最下端部に開口部を有する
   スリットノズルと、スリットノズル頂部に開閉弁を有す
   る通気管とからなる高温鋼材の冷却装置。