JPS6254507A

JPS6254507A - 熱鋼板の冷却方法

Info

Publication number: JPS6254507A
Application number: JP9473686A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Toki; 正弘土岐; Katsunari Matsuzaki; 松崎　捷成; Masanao Yamamoto; 山本　政尚
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1986-04-25
Publication date: 1987-03-10
Also published as: JPH0368762B2

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）この発明は表面に冷却水を供給して熱鋼板を冷却する方
法に関する。

（従来の技術）最近、厚板製造工程において、新鋼種の開発、合金元素
の低減、省熱処理などを目的として調質冷却プロセスの
研究か盛んである。調質冷却プロセスは、素材の加熱温
度および加熱時間の制御、ならびにコンドロールド圧延
に圧延直後の強制冷却を組み合わせた技術よりなってい
る。これら加熱、圧延から冷却に至る一連の制御は、厚
鋼板の変態組織の制御と機械的性質の向上を狙ったもの
てあり、一般に、加工熱処理（Ｔ、Ｍ、Ｃ，Ｐ）技術と
呼ばれている。

一ヒ記加工熱処理技術のうちの加熱および圧延制御技術
は、過去ｌＯ年年来上して寒冷地向は高張カラインパイ
プ材の製造等における冶金的機構の解明とともに、オン
ライン製造技術か確立されている。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、制御冷却技術についてはまた温度制御技術お
よび形状制御技術の面で不十分な状態にある。すなわち
、コンドロールド圧延された鋼板は直ちに７００〜８５
０℃近傍の高温域から１５０〜ｓｓｏ’ｃ程度まで強制
冷却されるが、冷却中に鋼板形状を維持しながら、鋼板
全体を均一に冷却する必要かある。しかし、このような
要件はまだ十分に満たされてはいない。したがって、工
業化のために、冷却装置および冷却制御方法の研究、改
良か続けられている。

一方、冷却対象鋼板側に前日すると、 ■冷却前鋼板の偏熱、 ■冷却前鋼板の形状（圧延後の形状） ■冷却前鋼板の表面性状（スケール付着および表面粗さ
）の冷却薄鋼板側の影響も大きい。これらの影響か複合し
て、冷却直後の温度不均一および板形状の不安定を生ず
ることが経験的にも把握されている。したかって、冷却
装置および冷却制御の高精度化と同時に冷却対象鋼板の
前記■、■および■の安定化か、冷却後の鋼板の均一温
度分布および形状の安定化を図る上では必要不可欠であ
る。この発明は以上の点に鑑みなされたものて、均一冷
却、鋼板形状の安定化、および鋼板内材質変動の減少を
狙ったものである。

（問題点を解決するための手段）この発明では熱鋼板をこれの長手方向に移送しなから鋼
板表面に冷却水を供給して熱鋼板を冷却する。熱鋼板の
移送および冷却は、たとえば次のようにして行われる。

すなわち、送り方向に配列した複数対の上下ローラーて
鋼板を挟持して上下ローラーを回転駆動する。また、隣
り合う上下ローラ一対の間に位置し、送り方向に配列し
た複数の冷却段のノズルから鋼板の上下面に冷却水を供
給して、鋼板を冷却する。

このような冷却方法において、冷却前に２０μｓＲ。

（十点平均粗さ）以上の突起高さを有し、更にそのピッ
チか５０ｕｍＳｔｒ　（凹凸の平均間隔）以上となる表
面粗さを板幅方向にほぼ均一に鋼板表面に形成する。鋼
板表面に形成する表面粗さの上限は、鋼板に要求される
品質により決定されるものてあり、たとえば突起高さが
１（１（１μｍＲｚそのピッチが５００μｓｓ−である
。

前記表面粗さを形成する一つの方法は１表面粗さの突起
高さが２０８ｍＲ２以上及びそのピッチが５０μｍＳｍ
以上の圧延ロールにより鋼板を圧延し、圧延ロールの表
面粗さを鋼板表面に転写する。圧延ロールの代わりに圧
延設備と冷却装置との間に配置されるレベリング装置の
ピンチロールあるいは冷却装置の前段ロールまたは前記
粗さをも〕た粗度付加専用のピンチロールてあってもよ
い。

鋼板の所要の表面粗さを維持するには、冷却前に鋼板の
表面粗さを検出し、検出結果に基づき表面粗さの突起高
さが２０μｌ１ｌＲ２以上及びそのピッチか５０μｌｌ
ｌＳｍ以上となるように前記圧延ロール等をトレッシン
グする。表面粗さの検出には、非接触式の表面粗さ計が
用いられる。また、鋼板の圧延により前記圧延ロールに
突起高さが２０μｍＲｚ以上及びそのピッチか５０μｓ
ｓａ＋以上の表面粗さを形成するようにしてもよい。

（作用）上記のように構成されたこの発明の作用の理解を助ける
ために、ここで高温物体の強制水冷却について説明する
。

熱鋼板表面に冷却水を供給すると、冷却水は沸騰しなか
ら鋼板を冷却する。従来知見を引用すると、第１図の様
なモデルてこのような冷却を説明することかできる。ｔ
ＪＳ１図は沸騰冷却における冷却曲線と浣腸曲線を比較
して示した図である。沸騰冷却における冷却曲線の特徴
は、徐冷、急冷、および徐冷の３段階を経ることである
。高温物体中のある点の冷却曲線は、物体寸法、物体の
熱伝導性および物体表面における境界条件（熱伝達率）
により決定される。８膓冷却における冷却曲線が上記３
段階を経ることは、廓膓曲線が、膜沸騰域、遷移瀦騰域
３よび核８胤域の３領域より構成されることによる。

すなわち、冷却曲線と沸腸曲線において、高温域・・・
・・・膜沸庇域中温域・・・・・・遷移梯騰域低温域・・・・・・核沸腸域といった対応が成立する。たたし、厳密には第１１Ａて
示されるように、たとえば、極小熱流束点（１□、ｎと
クエンチ点とは若干ずれる。また、第１図に示されてい
るように、物体表面温度か極小熱流束点Ｑｍｉ。温度以
下になると急冷か起こるので、それ以降の冷却時間は短
い。したかって、冷却曲線あるいは冷却時間に対しては
膜沸騰域および極小熱流束点条件か重要な位置を占める
。

膜沸騰域および極小熱流重点条件に対して影響するパラ
メータには水温、水流流速、圧力、冷却対象物の表面性
状（スケール付着、粗さ、スケールのぬれ性など）サイ
ズ、熱伝導率、モカ加速度等があげられる。

第２図にはそれぞれのパラメータかどのようにｐ　饗を
榮えるかを示した。たとえば、第２図中の実線と一点鎖
線のように冷却曲線か異なった場合、浦騰曲線上の何か
、どのパラメータにより変化したかを把握することか重
要である。

以北か冷却に関する従来知見の概要である。

したかって、制御冷却における冷却外ロ一温度か中温域
（コ５０〜５５０°Ｃ）の場合、遷移沸騰での冷却能の
バラツキ（第１図におけるｑ１□。＊　’Ｉｎｏ点の挙
動）か重要なポイントである。特に極小熱流束点ｑ＊ｉ
ｎは蒸気膜か崩壊し始める点く；クエンチ点）てもあり
、その挙動は冷却能に大きな影響を与えることを意味し
ている。

つぎに、冷却前に鋼板に形成された突起高さが２０μｏ
＋Ｒ，以上及びそのピッチか５０μｍｓｗ以上の表面粗
さ、すなわち表面の凹凸の作用について説明する。

基礎研究によれば、焼入れムラおよび変形の基本的凹円
は、伝熱面の物理的、化学的諸性質によって鋼板の部位
や場所により冷却曲線か変動することにある。それゆえ
、冷却曲線が場所および時間によって変動しないような
、安定した伝熱面を形成することか、基本的かつ本質的
な解決策である。

８鋼板を冷却する時には通常冷媒として沸騰現象を伴な
う工業用水を用いる。したかって、１１り沸騰の終了温
度ｑＢｏ（限界熱流束点）か伝熱面の物理的あるいは化
学的諸性質によって変動し易い。研究によれば、比較的
規則正しい密な凹凸状突起を伝熱面に形成することによ
り、膜ｍ１ｌｉＢの終了温度が安定化することが明らか
になった。すなわち、第３図に示すように、これらの突
起は伝熱面上の振動する蒸気膜を突き破って冷媒液体と
直接接触する。この結果、膜沸騰の終了温度は狭い範囲
に落ち着き、冷却曲線は安定化し、ひいては冷却終了温
度はほぼ一定となる。

この理由を伝熱工学的に考察すれば、以下の通りである
。

冷却水の温度かＺＯ〜３０°Ｃ前後の時、蒸気膜の厚さ
は、大略数μｍから１０μｌ程度であり、さらに蒸気膜
上の冷却水層は振動や脈動している。したかって、伝熱
面−Ｈに比較的規則正しい密な凹凸状突起かあれば蒸気
膜層を突き破って、突起か冷却水層に突入し、突起は固
体−液体接触やフィン効果て局部的に表面温度か低下し
、蒸気膜崩壊の核となる。この時、その突起ピッチか小
さ過ぎると、液体の表面エネルギーにより固体表面上に
生成する蒸気膜厚か見掛は上大きくなり、ＩＮ体−液体
接触を阿１害し、更にそのフィン効果も小さくなる。

凹凸状突起か比較的規則正しく密にあれば、蒸気膜崩壊
の核か沢山てきるとともに全面はぼ同面に均一に蒸気膜
か崩壊し、心移梯琶に移行する。

これより、冷却終了温度か極めて狭い範囲に安定し、同
一温度履歴をたどることになる。

このような機構で表面に規則的でかつ適度な表面粗さを
与えることか冷却の均一化を図る手段として有効である
。また、表面粗さの大きさは突起高さが２０μｍＲｚ以
上及びそのピッチか５０μｌｓｍ以上でなければならな
い。

（実施例）：５４図は冷却鋼板の表面粗さＲ２及びＳｖを任意に変
化させ、平均冷却速度（’Ｃ／Ｓ）を求めた例である。

第４図によると、表面の凹凸により伝熱面積が増大し、
さらには第３図で説明した凸部か蒸気膜を突き破り、局
部的な固液接触が発生しているものと推定される。また
、表面粗さがある大きさ以上になると冷却能の変動か鈍
感になることもわかる。

第５図は冷却鋼板の表面粗さの突起ピッチＳｌを一定に
その高さＲ７を任意に変化させたときの熱伝達係数の差
をみたものである。つまり、突起高さＲ２の影響は高温
部（≧５００°Ｃ）の膜沸騰域で大きく差か生ずる。ま
た、突起高さが３０μＩＩＲア以上になると熱伝達係数
の変化は小さい。第５図をベースにして５００°Ｃ以上
の熱伝達係数曲線を突起高さ３０μｌｌｌＲ２と　５μ
ｍＲｚて冷却停止狙い温度を４５０℃で試算（熱伝導差
分方程式による）すると、板厚１５１ｕｌｌ、水量密度
０．［ｉ５ｍ’／ｍ２・ｍｉｎの場合、１２００Ｃ程度
の冷却停止温度差か生ずる。つまり、突起高さの小さい
５μｍＲｚの方か冷却されにくく、冷却停止温度は５７
０℃（４５０＋　１２０℃）程度と高温停止となる。

第６図は冷却停止温度をパラメータとして実験により求
めた冷却速度曲線を示している。実験の条件は板厚か１
５ｍｍ、水量密度が０．６５ｍ３／ｍ２・ｍｉｎ　。

および冷却開始温度が７５０℃である。第６図から分る
ことは、突起高さＲ２はできるだけ大きい方か冷却速度
が大きくなり、突起高さＲ８が約２０μｍ以上では冷却
速度の変化が小さい。逆に、突起高さＲ７か２０μＩ未
満になると、冷却速度が急激に小さくなる。つまり、突
起高さＲ２が大きいほど冷却停止温度偏差が小さくなる
ことを意味している。

一方、ｎ々ｉｌｌ域で生ずる蒸気膜厚さδをツウ−バー
（Ｏｎ　ｔｈｅ　５ｔａ６ｉ１ｉｔｙ　ｏｆ　Ｂｏｉｌ
ｉｎｇ　ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ″　Ｔｒａｎｓａｃ
ｔｉｏｎｓ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　八ＳＭＥ　　Ｐ　　
７１１（１９５８−４）　Ｎ、Ｚｕｂｅｒ）　、ベレン
ソン（′？Ｆｉ１ｍ　Ｂｏｉｌｉｎｇｌ（ｅａｔ　　Ｔ
ｒａｎｓｆｅｒ　　ｆｒｏＩｌ　ａ　　Ｈｏｒｉｚｏｎ
ｔａｌ　　５ｕｒｆａｃｅ″Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　
　ｔ（ｅａｔ　　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　　Ｐ　　３５１　
　（１９６１−８）Ｐ、Ｊ。

Ｂｅｒｅｎｓｏｎ）等の式で求めると、第７図に示すよ
うに蒸気膜厚さδは鋼板表面温度と水温によって整理さ
れる。ここて范気膜が崩壊し始める点（（１−ｔｎ）は
熱バランス上、約１３μｍとなり、そのときの表面温度
は水温２５℃で約６００°Ｃである。これは発明者らの
冷却実験におけるクエンチ点（”Ｑｓ＋。。）とよく一
致している。第７図によれば、水温の影響は蒸気膜厚さ
δにして約０．３μｍノ１０℃と小さいか、クエンチ点
は鋼板表面温度にして、約５０°ｃ／１０°Ｃに相当す
る。すなわち、水温ｌＯ°Ｃに対し、クエンチ点か５０
°Ｃ変る。また、第７図から鋼板表面温度３００〜８０
０℃の範囲ては蒸気膜厚さδが約ＩＯ・〜１５μ曽であ
ることが分る。これを第３図の表面粗さモデルて考える
と、蒸気膜厚さδが１０〜１５８ｍということになる。

そして、表面粗さの突起高さはＲ，”＝２δμＩである
から、この蒸気膜厚さδを表面粗さの突起高さＲ２に換
算すると２０〜３０μｍとなる。これは、先に述べた第
３図の概念を定量的に説明するものであり、第６図の現
象を裏づけている。

なお、第８図は冷却実験において、クエンチ点を求めた
図であり、第７図にそれぞれのクエンチ点を記入してい
る。

以上記述した冷却理論ならびに冷却基礎実験データから
判断して、途中冷却停止時の鋼板の板内温度バラツキを
小さくするための条件としては鋼板全面（表裏面も含め
て）の表面粗さを突起高さ２０μｍＲｚ以上及びそのピ
ッチか５０μ＋ａＳｍ以上で、しかも均一表面粗さにす
ることが重要であることが分る。

つぎに、鋼板表裏面に均一な表面粗さをつける方法につ
いて説明する。

厚板圧延の例で鋼板表面粗さを測定すると、第９図のよ
うに５〜４５μａｌｌ、及び１００〜３００ＪＪＩＩＳ
謂程度の表面粗さが観察される。これは仕上圧延機のワ
ークロール表面粗さとほぼ対応している。つまり、ワー
クロール表面粗さが鋼板にプリントされているのである
。したかって、ワークロールの表面粗さを管理すること
によって所望の鋼板表面粗さを制御することにつながる
。

第１Ω図はワークロールな組基えた直後からのロール表
面粗さの突起高さＲ２をロール朋長方向中心で実測した
例である。

しかし、周知の通り、上、下ワークロールの組替えから
組外しく１０−ルチヤンスともいう）までの間には、各
種の鋼種、サイズ（特に幅）のものを圧延するために、
ロール胴長方向でみると摩耗は一様てなく、また表面粗
さも一様ではない。

第１１図はロール組外し時のロール摩耗およびロール表
面粗さの一例を示している。当然のことなから、ロール
表面硬度や材質、通板材の板幅、鋼種によってワークロ
ール表面粗度は異なる。また、上、下ロール間でも表面
粗度は異なる。第１１図のように、ロール胴長方向に表
面粗さに偏差かあると、先述の通りそれたけ冷却時に温
度偏差が板幅方向に発生することになる。この温度偏差
か鋼板常温時の残留応力発生の原因になり、鋼板形状の
悪化につながる。

第１１図に示す圧延幅Ａ（幅狭材）およびＢ（１１６広
材）の鋼板について、冷却後の鋼板表面温度分布を実測
すると、第１２［％のような板幅方向温度プロフィール
となる。この板幅方向温度偏差か２０〜３０°Ｃ程度を
超えると温度偏差に比例して冷却後の鋼板形状は悪化す
る。そこて、厚板圧延〜冷却プロセスにおける鋼板の形
状悪化を避けるために、次の方法か採られる。

（１）第１Ｏ図に示す圧延トン数〜ロール表面粗さ特性
を利用する。すなわち、まず制御冷却しない圧延材を、
たとえば１０００トン圧延する。その圧延材の板幅は制
御冷却対象材の板幅よりも広い。これより、圧延ロール
には制御冷却しない圧延板幅内のロール胴長方向に比較
的均一て２０μ＠Ｒｚ以上の突起高さ及び５０μｌｌｌ
５ａ以上の突起ピッチの表面粗さが形成される。ついで
、その圧延ロールを用いて強制冷却対象材を圧延し、冷
却する。圧延した鋼板には、２０８ｍＲ１１以上の突起
高さ及び５０μｌｌｌ５１１以上の突起ピッチの表面粗
さがロール胴長方向に比較的均一に形成される。この結
果、冷却した鋼板の冷却後の幅方向温度プロフィールは
比較的均一で、鋼板形状も良好である。

（２）制御冷却材の板幅が大きく変動する場合、上記（
１）の方法には限界かある。この場合には、積極的に板
幅方向表面粗さの均一化を図る方法を採る。

第１３図は仕上圧延機１の後方に冷却装置５を配置した
厚板圧延−冷却設備を示している。仕上圧延機ｌの直後
に表面粗さ制御装置３が配置されている。圧延する先行
スラフＳと次のスラフＳとの間の空いた時間に、表面粗
さ制御装置３は任意のタイミンつて上、下ワークロール
２にロールＩｒ４長方向に均一な表面粗さをオンライン
て与える。

これによって、所望のロール表面粗さく肌荒れ）を得る
ことか可能である。

以北は仕上圧延ワークロール２に着目したものであるか
、鋼板Ｓか冷却装置５に入る前のたとえばホットレベラ
ーロールまたは冷却装置の前段ロールさらには鋼板に２
０μｍＲ２以上の粗度な均一に付加することを目的にし
た専用ピンチロール等に回じ機能を設けることも可能で
ある。

（３）また、第１３図には鋼板表裏面の表面粗さを検出
する表面粗さ計４を示している。この表面粗さ計４（板
幅方向スキャニング型か望ましい）の表面粗さ情報をも
とに、前記の表面粗さ制御装置３を制御すると同時に冷
却装置５の上、下水量比制御へのフィードフォワードも
可能である。なお上、下水量比制御は鋼板Ｓの幅方向歪
を減少する。また、前述の表面粗さと冷却能の関係（た
とえば第４図）を利用することによって鋼板表裏面を対
称に冷却することができる。

鋼板Ｓの表面粗さの代わりにワークロール２の表面粗さ
を直接計測して、鋼板Ｓの表面粗さを近似的に求めても
よい。

（発明の効果）この発明ては、冷却前の鋼板表裏面に２０μｍｌ＋、以
上の突起高さ及び５０μｌｌｌ５１１以上の突起ピッチ
の表面粗さを板幅方向にほぼ均一に形成する。これより
、冷却後の鋼板温度のバラツキか小さくなり、鋼板形状
の良好な制御冷却材を工業的に製造することがてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸羞冷却における冷却曲線と沸Ｉｌｌ　１ｕｌ
ｌ線を比較して示した線区、第２図は冷却曲線および８
騰曲線に与える冷却条件の影響を示す線図、第３図は伝
熱面の模式図、第４図は冷却鋼板の表面粗さＲ，（ａ）
及びＳｍ（ｂ）と平均冷却速度との関係を示す線図、第
５図は冷却鋼板の表面粗さＲ２をパラメータとしたとき
の鋼板表面温度と熱伝達係数との関係を示す線図、第６
図は冷却停止温度をパラメータとしたときの表面粗さの
突起高さＲ２と冷却速度との関係を示す線図、第７図は
冷却水温をパラメータとしたときの鋼板表面温度と蒸気
膜厚さとの関係を示す線図、第８図は水湿によりクエン
チ点の変化を求めた冷却曲線の例、第９図は鋼板の表面
粗さ曲線の例、第１Ｏ図は圧延トン数〜ロール表面粗さ
Ｒ２特性を示す線図、第１１図はロール組外し時のロー
ル摩耗およびロール表面粗さＲ７の一例を示す線図、第
１２図は板幅方向の温度プロフィールを示す線図、およ
び第１３図はこの発明の方法を実施する厚板圧延−冷却
設備の一例を示す設備構成図である。ｌ・・・仕上げ圧延機、２・・・ワークロール、３・・
・表面粗さ制御装首、４・・・表面粗さ計、５・・・冷
却装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）熱鋼板の表面に冷却水を供給して熱鋼板を冷却す
る方法において、冷却前に２０μｍＲ＿ｚ（Ｒ＿ｚ；Ｊ
ＩＳ　Ｂ０６０１十点平均粗さ）以上の突起高さを有し
、更にそのピッチが５０μｍＳｍ（Ｓｍ；ＩＳＯ４６８
凹凸の平均間隔）以上となる表面粗さを板幅方向にほぼ
均一に鋼板表面に形成することを特徴とする熱鋼板の冷
却方法。
（２）表面粗さの突起高さが２０μｍＲ＿ｚ以上及びそ
のピッチが５０μｍＳｍ以上のロールによりロールの表
面粗さを鋼板表面に転写して前記表面粗さを形成する特
許請求の範囲第１項記載の冷却方法。
（３）冷却前に鋼板の表面粗さを検出し、検出結果に基
づき表面粗さの突起高さが２０μｍＲ＿ｚ以上及びその
ピッチが５０μｍＳｍ以上となるように前記ロールをド
レッシングする特許請求の範囲第２項記載の冷却方法。
（４）冷却前に前記ロールの表面粗さを検出し、検出結
果に基づき表面粗さの突起高さが２０μｍＲ＿ｚ以上及
びそのピッチが５０μｍＳｍ以上となるように前記ロー
ルをドレッシングする特許請求の範囲第２項記載の冷却
方法。
（５）鋼板の圧延により前記圧延ロールに突起高さが２
０μｍＲ＿ｚ以上及びそのピッチが５０μｍＳｍ以上の
表面粗さを形成する特許請求の範囲第２項記載の冷却方
法。