JPWO2019059105A1 - 鋼材の冷却装置および冷却方法 - Google Patents

鋼材の冷却装置および冷却方法 Download PDF

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Abstract

熱間仕上げ圧延後の鋼材を冷却する装置であって、前記鋼材を加速させながら搬送する搬送機構と、前記搬送機構により搬送されている前記鋼材を冷却する水冷機構と、前記鋼材に対して下記式（１）を満たす冷却が行われるように、前記搬送機構と前記水冷機構を制御する制御部と、を有し、下記式（１）における水冷時間減少率γは、前記水冷機構が設けられた水冷帯の長さおよび前記鋼材の先端部を目標温度まで冷却するのに要する時間ΔｔＣ（０）に基づいて決定される。ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）但し、ｘ：前記鋼材の先端部を基準とした当該鋼材における搬送方向の位置、ΔｔＣ（ｘ）：前記鋼材の位置ｘの部位を目標温度まで冷却するのに要する時間である。

Description

本発明は、鋼材を製造する際、仕上げ圧延後の鋼材を冷却する冷却装置および冷却方法に関するものである。
建造物の梁や柱などに使用される大型Ｈ形鋼の製造において、近年、殊に超高層建造物向けとして、仕上げ圧延後に加速冷却処理を行うことにより合金コストを抑えて高強度なＨ形鋼を製造する方法が開発されている。
このようなＨ形鋼の加速冷却処理を行う冷却装置として、特許文献１〜３の開示のものが知られている。
特許文献１の冷却装置は、Ｈ形鋼のフランジ部の外側を冷却する第１噴射部と、フランジ部の内側およびウェブ部を冷却する第２噴射部を有するものである。
特許文献２の冷却装置は、Ｈ形鋼のウェブの一面およびその裏面のそれぞれにおけるウェブ中心およびその両側の２つのＲ部に、互いに冷却水が干渉しない３組のノズルを設け、さらに、２つのフランジ部のそれぞれ外側に、互いに冷却水が干渉しない３組のノズルをそれぞれ設けたものである。
特許文献３の冷却装置は、Ｈ形鋼のフランジ外面を水量密度１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ２以上で強冷却し、ウェブ部を、上面は冷却用のスプレーノズルまたはミストノズルと空気噴射ノズル、下面はスプレーノズルまたはミストノズルで冷却し、ウェブ部への水量密度をフランジ部よりも低くするものである。
また、Ｈ形鋼の冷却に関するものではないが、鋼板を冷却する方法として、特許文献４〜５の開示のものが知られている。
特許文献４には、以下のように鋼板の通板速度を加速させながら該鋼板を冷却する方法が開示されている。すなわち、特許文献４の冷却方法では、鋼板の先端から後端までを複数のセグメントに分割し、それぞれのセグメントの冷却装置入側の鋼板厚み方向平均温度を、冷却装置に装入する前に実測した鋼板温度に基づいて予測する。そして、予測結果に基づいて、各セグメントの最適冷却所要時間を計算し、この最適冷却所要時間に基づいて定められる加速度で通板速度を増加させながら鋼板を冷却する。
特許文献５には、鋼板の先端部と後端部の冷却終了温度が所定の温度に一致するよう、冷却開始時と冷却終了時の搬送速度を算出し、冷却開始から冷却終了までは一定加速度で鋼板搬送速度を制御する鋼板の冷却方法が開示されている。また、この冷却方法では、冷却装置のバンクを所定の冷却パターンで制御しつつ、冷却開始時と冷却終了時の搬送速度を制御している。
韓国特許公開２０１３−００３４２１６号公報 中国特許公開第１０３３５７６７８号公報 特許第３５４６３００号公報 特開昭６０−８７９１４号公報 特開平１０−７１４１６号公報
ところで、超高層建造物向けの高強度なＨ形鋼として近年開発されているものには、フランジ部の厚さが非常に大きいものがある。このようにフランジ部の厚さが大きく、かつ要求冷却速度の大きい鋼材を定速で搬送しながら冷却する場合、該鋼材が冷却されにくいため、１パスで長い冷却時間をかけて冷却帯を通過させる必要があるので、鋼材の先端部が冷却帯に突入した時間から尾端部が冷却帯に突入するまでの時間差が大きくなる。この時間差が大きいと、放冷時間の差により、先端部と尾端部の温度差（以下、先尾端の温度差）が大きくなるため、製品性能が悪化するという問題がある。
特許文献１〜３は上述の先尾端の温度差に係る問題に関し、何ら開示するものではない。
なお、特許文献４〜５の鋼板の冷却方法を上述のようなフランジ部の厚さが大きいＨ形鋼の冷却に適用することにより、先尾端で温度差が生じるのを防ぐことができる。しかし、特許文献４の冷却方法では、冷却対象鋼材の各セグメントの冷却装置入側の鋼板厚み方向平均温度を予測して繰返計算する必要があり、煩雑である。また、特許文献５の冷却方法では、冷却開始時の搬送速度の収束計算、冷却終了時の搬送速度の収束計算、冷却パターンの最適化計算などを行っている。すなわち、この特許文献５の冷却方法では３つの繰返計算を行っており、やはり煩雑である。このように特許文献４〜５の冷却方法では煩雑な計算が行われ、演算処理コストがかかる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、鋼材の仕上げ圧延後の冷却の際、簡便な方法で算出された条件で、先尾端で温度差が生じないように冷却することができる冷却装置および冷却方法を提供することを目的とする。なお、ここでいう「簡便な方法」とは、特許文献４や特許文献５などで開示されている繰返計算を大幅に省略することで演算処理コストを削減することを意味する。
上記問題を解決するため、本発明は、熱間仕上げ圧延後の鋼材を冷却する装置であって、前記鋼材を加速させながら搬送する搬送機構と、前記搬送機構により搬送されている前記鋼材を冷却する水冷機構と、前記鋼材に対して下記式（１）を満たす冷却が行われるように、前記搬送機構と前記水冷機構を制御する制御部と、を有し、下記式（１）における水冷時間減少率γは、前記水冷機構が設けられた水冷帯の長さおよび前記鋼材の先端部を目標温度まで冷却するのに要する時間ΔｔＣ（０）に基づいて決定されることを特徴とする、鋼材の冷却装置を提供する。なお、水冷帯は、水冷機構から供給された冷却水が鋼材に衝突する際の、当該鋼材における冷却水の衝突領域の搬送方向最前部から最後部までの領域である。
ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）
但し、ｘ：前記鋼材の先端部を基準とした当該鋼材における搬送方向の位置、ΔｔＣ（ｘ）：前記鋼材の位置ｘの部位を目標温度まで冷却するのに要する時間である。
前記水冷時間減少率γは下記式（２）を満たすものであってもよい。
γ＝ｐ・ＬＣ ｑ１・Δｔｃ（０）ｑ２ …式（２）
但し、ＬＣ：前記水冷帯の長さ、ｐ、ｑ１、ｑ２：定数係数である。
前記鋼材はＨ形鋼であり、前記水冷機構は、前記Ｈ形鋼のフランジ部を冷却してもよい。前記鋼材の冷却装置は、前記水冷帯において、前記Ｈ形鋼のウェブ上面に向けて圧縮空気を吹き付けるエアブロー機構と、前記Ｈ形鋼の搬送方向における前記水冷帯の前後に、前記Ｈ形鋼のウェブ上面の水を前記Ｈ形鋼の外側に排出する水切機構部と、を有してもよい。前記水切機構部は、前記Ｈ形鋼のウェブ上面にエアを吹き付けるエア−水切機構と、前記エア−水切機構よりも前記水冷帯に近い位置で、前記Ｈ形鋼のウェブ上面およびフランジ内面に水を吹き付ける水−水切機構と、を備えていてもよい。前記水冷機構の冷却水の水量密度は０．５ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２以上であり、前記水−水切機構の水の噴出圧は０．１〜０．５ＭＰａであり、前記エア−水切機構のエアの噴出圧は０．０２〜０．３ＭＰａであってもよい。前記エアブロー機構のエアの噴出圧は０．０２〜０．３ＭＰａであってもよい。
また、本発明は、熱間仕上げ圧延後の鋼材を加速し搬送しながら、水冷機構により当該鋼材を冷却する際の制御方法であって、前記水冷機構が設けられた水冷帯の長さおよび前記鋼材の先端部を目標温度まで冷却するのに要する時間ΔｔＣ（０）に基づいて、水冷時間減少率γを決定する工程と、前記水冷時間減少率γを用いた下記式（１）を満たすように、前記鋼材の冷却を制御する工程と、を有する、鋼材の冷却制御方法を提供する。
ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）
但し、ｘ：前記鋼材の先端部を基準とした当該鋼材における搬送方向の位置、ΔｔＣ（ｘ）：前記鋼材の位置ｘの部位を目標温度まで冷却するのに要する時間である。
かかる場合、前記水冷時間減少率γは下記式（２）を満たすものであってもよい。
γ＝ｐ・ＬＣ ｑ１・Δｔｃ（０）ｑ２ …式（２）
但し、ＬＣ：前記水冷帯の長さ、ｐ、ｑ１、ｑ２：定数係数である。
本発明によれば、鋼材の仕上げ圧延後の冷却の際、鋼材の先端部の水冷時間を数値計算または実体計測により求めるだけで、鋼材全長にわたる水冷時間を繰返計算を用いることなく決定することが可能となり、演算処理コストを大幅に削減できる。また、このように決定された条件で、鋼材の先尾端で温度差が生じないように冷却することができる。
Ｈ形鋼における搬送方向位置と、Ｈ形鋼の搬送方向の各部位におけるフランジ部が目標温度まで冷却されるのに要する時間との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 Ｈ形鋼の先端部のフランジ部の水冷時間と水冷時間減少率との関係の一例を示すグラフである。 水冷時間減少率についての、シミュレーション結果と、回帰式に基づく算出結果とを比較するためのグラフである。 Ｈ形鋼の冷却制御方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る冷却装置を備えた熱間圧延設備の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る冷却装置の概略を示す側面図である。 図６のＡ−Ａ線から見た水冷帯の断面図である。 図６のＢ−Ｂ線から見た水−水切機構の断面図である。 図６のＣ−Ｃ線から見たエア−水切機構の断面図である。
以下、本発明の実施形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
先ず、本実施形態に係る鋼材の冷却制御方法について説明する。ここでは、鋼材がＨ形鋼である場合について説明する。Ｈ形鋼の圧延設備では、加熱炉におけるスラブの加熱と、粗圧延機、中間圧延機および仕上圧延機における圧延と、冷却装置におけるＨ形鋼の冷却と、鋸断装置におけるＨ形鋼の鋸断とが順次行われる。冷却装置では仕上げ圧延後の加速冷却処理を行い、以下、この際の冷却制御方法について説明する。
本発明者は、Ｈ形鋼の仕上げ圧延後の加速冷却処理の際に、上述の冷却装置による水冷終了時におけるＨ形鋼の先尾端のフランジ部の温度差が生じないように冷却するために、Ｈ形鋼の搬送速度と水冷時間減少率（搬送加速度）に関するシミュレーションを行った。具体的には、水冷終了時のＨ形鋼の搬送方向の各部位におけるフランジ部の断面平均温度が当該Ｈ形鋼の先端部から尾端部まで目標温度で一定になるときの、上記各部位の水冷時間について、フランジ部の厚さ方向のみを考慮した一次元の非定常熱伝導解析でシミュレーションを行った。
シミュレーションの条件としては、鋼種が炭素鋼であるものとし、加熱炉から冷却装置による冷却開始までの時間すなわち空走時間が６０秒であるものとした。また、シミュレーションでは、Ｈ形鋼のフランジ部の厚さ、Ｈ形鋼の長さ、水冷帯の長さ、水量密度、および、水冷終了時の上記各部位におけるフランジ部の断面平均温度の目標温度（以下、目標温度）として、複数の値を用いた。但し、シミュレーションに用いた値はそれぞれ、フランジ部の厚さ：２０〜１２０ｍｍ、Ｈ形鋼の長さ：０〜３００ｍ、水冷帯の長さ：５〜２０ｍ、水量密度：０．５〜２．０ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２、目標温度：５００〜７００℃、という条件を満たす。なお、水冷帯は、冷却装置の水冷機構から供給された冷却水がＨ形鋼に衝突する際の、当該Ｈ形鋼における冷却水の衝突領域の搬送方向最前部から最後部までの領域である。また、以下の説明では、「フランジ部の温度」は「フランジ部の断面平均温度」を意味する。
さらに、シミュレーションでは、９００℃で圧延終了したＨ形鋼を加速しながら搬送し、フランジ部の外面および内面の両方に対する冷却水によって、１パスでＨ形鋼を水冷するものとした。なお、シミュレーションにおいてウェブとフランジとの間で伝熱はないものとした。
図１は上述のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図１の横軸は、Ｈ形鋼の先端部を基準（ｘ＝０）とした当該Ｈ形鋼における搬送方向位置、縦軸は、Ｈ形鋼の搬送方向の各部位におけるフランジ部が目標温度まで冷却されるのに要する時間を示す。また、図１のシミュレーション結果は、上記目標温度が６００℃、水冷帯の長さが１０ｍ、フランジ部の厚さが８０ｍｍのときのものである。
図１のシミュレーション結果によれば、Ｈ形鋼の搬送方向位置ｘ［ｍ］のフランジ部が目標温度まで冷却されるのに要する時間（以下、水冷時間）ΔｔＣ（ｘ）［ｓ］は、搬送方向位置ｘに対してほぼ一定の割合で減少する。また、減少の割合は水量密度によって変わるものの、水冷時間ΔｔＣ（ｘ）が一定の割合で減少するという現象は、水量密度が変化しても見られる。さらに、図示は省略するが、目標温度、水冷帯の長さ、フランジ部の厚さを異ならせたときのシミュレーションでも、上述のような、水量密度によらず水冷時間ΔｔＣ（ｘ）が一定の割合で減少するという傾向が見られる。
言い換えれば、Ｈ形鋼の搬送方向位置ｘと水冷時間ΔｔＣ（ｘ）との関係は、目標温度等によらず、以下の式（１）で表される線形関数で良好に回帰することができる。なお、γ［ｓ／ｍ］は水冷時間減少率を示す。
ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）
図２は、Ｈ形鋼の先端部のフランジ部の水冷時間ΔｔＣ（０）と水冷時間減少率γとの関係の一例を示すグラフである。図２のシミュレーション結果は、水冷帯の長さＬｃを５ｍ、１０ｍ、２０ｍで各々一定とし、フランジ部の厚さ、Ｈ形鋼の長さ、水量密度および目標温度を変化させたときのものである。但し、シミュレーションに用いた値はそれぞれ、フランジ部の厚さ：２０〜１２０ｍｍ、Ｈ形鋼の長さ：０〜３００ｍ、水量密度：０．５〜２．０ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２、目標温度：５００〜７００℃、という条件を満たす。
図２のシミュレーション結果によれば、Ｈ形鋼の先端部のフランジ部の水冷時間（以下、先端水冷時間）ΔｔＣ（０）と水冷時間減少率γとの関係は、先端水冷時間ΔｔＣ（０）が増加したときに水冷時間減少率γが増加する関係である。つまり、図２は、水冷時間減少率γが先端水冷時間ΔｔＣ（０）を底とする指数関数の関係にあることを示している。さらに、その指数回帰係数は、水冷帯の長さＬｃを５ｍ、１０ｍ、２０ｍに変化させるに応じて変わり、水冷時間減少率γが水冷帯の長さＬｃを底とする指数関数の関係にあることも示している。
以上の回帰分析結果から、先端水冷時間ΔｔＣ（０）と水冷時間減少率γとの関係、および、水冷帯の長さＬＣと水冷時間減少率γとの関係は、定数係数ｐ、ｑ１、ｑ２を用いた以下の式（２）で良好に回帰することができる。なお、式（２）は例えば線形最小自乗法を用いて導出される。
γ＝ｐ・ＬＣ ｑ１・Δｔｃ（０）ｑ２ …式（２）
なお、式（２）の定数係数ｐ、ｑ１、ｑ２は、０．００１≦ｐ≦０．０１０、−１．５≦ｑ１≦−０．２、０．５≦ｑ２≦５となる場合が多い。
ここで、上記式（２）について検証する。図３は、上述の図１および図２のシミュレーション結果と、上述の式（２）に基づく算出結果とを比較するためのグラフである。図３の横軸は、シミュレーションにより算出された水冷時間減少率γを示し、縦軸は、シミュレーションと同じ条件を式（２）に与えて算出された水冷時間減少率γ´を示す。すなわち、横軸の水冷時間減少率γは、Ｈ形鋼の搬送方向の各断面位置に応じて、種々の冷却条件でシミュレーションを行い、個別に算出したものである。いわば、水冷時間減少率γは、冷却条件ごとに算出される生データである。一方、縦軸の水冷時間減少率γ´は、式（２）から算出されるものである。
図示するように、式（２）に基づいて算出された水冷時間減少率γ´はシミュレーションにより算出された水冷時間減少率γとほぼ同じ値を示す。つまり、図中の直線Ｌはγ＝γ´を示すものである。これは、図３の横軸の水冷時間減少率γと縦軸の水冷時間減少率γ´の元となるシミュレーション結果は同じものであるが、簡易な式（２）により水冷時間減少率γを算出できることを意味している。つまり、簡易な式（２）に基づいて、適切な水冷時間減少率を精度良く算出することができる。よって、適切な水冷中のＨ形鋼の搬送速度を精度良く算出することができる。
以上のように、上記式（１）および（２）を用いることで、Ｈ形鋼の先端部の水冷時間ΔｔＣ（０）だけを数値計算または実体計測により求めるだけで、Ｈ形鋼全長にわたる水冷時間ΔｔＣ（ｘ）を繰返計算を用いることなく決定することが可能となり、演算処理コストを大幅に削減できる。
次に、以上の知見に基づく、具体的な冷却制御方法について説明する。図４は、Ｈ形鋼の冷却制御方法のフローチャートである。
（ステップＳ１）
先ず、Ｈ形鋼のフランジの厚み、Ｈ形鋼の全長、圧延終了温度、先端部の冷却開始目標温度、Ｈ形鋼の冷却終了目標温度、水冷帯の全長、水量密度パターン等の冷却条件を読み込む。
（ステップＳ２）
上記冷却条件から、先端部の冷却開始時の搬送速度Ｖ（０）を仮定する。但し、実際の冷却制御の前に、過去の加速冷却実績またはシミュレーションなどに基づき、予め、一定の範囲の冷却条件毎に仮定すべき搬送速度Ｖ（０）を決定する。
（ステップＳ３）
ステップＳ２で仮定した先端部の冷却開始時の搬送速度Ｖ（０）と圧延終了温度などに基づいて、先端部の冷却開始温度を、放冷模擬計算で推定する。なお、この放冷模擬計算は、公知の計算方法を任意に選択して行う。また、ステップＳ３では、推定した先端部の冷却開始温度が、先端部の冷却開始目標温度の範囲にあることを確認する。
先端部の冷却開始温度が、先端部の冷却開始目標温度の範囲にないと確認された場合、２つの温度の差分に応じて、先端部の冷却開始時の搬送速度Ｖ（０）を再仮定し、前記方法で先端部の冷却開始温度を再推定する。先端部の冷却開始温度が、先端部の冷却開始目標温度の範囲になるまで、繰返計算を行う。なお、ステップＳ２で仮定した搬送速度Ｖ（０）次第ではあるが、ステップＳ３での先端部の冷却開始温度に関する繰返計算を行う頻度は通常は少ない。そこで、以下では、この繰返計算を行わない前提で、繰返し回数などを評価する。
（ステップＳ４）
ステップＳ３で推定した先端部の冷却開始温度に基づいて、先端部の冷却終了温度を、水冷模擬計算または過去の冷却実績に基づいて推定する。なお、この水冷模擬計算は、公知の計算方法を任意に選択して行う。
（ステップＳ５）
ステップＳ４で推定した先端部の冷却終了温度が、Ｈ形鋼の冷却終了目標温度の範囲にあることを確認する。
ステップＳ５において、ステップＳ４で推定した先端部の冷却終了温度が、Ｈ形鋼の冷却終了目標温度の範囲にないと確認された場合、ステップＳ２に戻り、２つの温度の差分に応じて、先端部の冷却開始時の搬送速度Ｖ（０）を再仮定する。続けて、ステップＳ３〜Ｓ５を順次行う。そして、これらステップＳ２〜Ｓ５を、先端部の冷却終了温度がＨ形鋼の冷却終了目標温度の範囲になるまで繰り返し行う。
（ステップＳ６）
ステップＳ５において、先端部の冷却終了温度がＨ形鋼の冷却終了目標温度の範囲にあると確認されると、上記式（１）および（２）に基づいて、水冷時間減少率γおよびＨ形鋼の位置ｘの水冷時間ΔｔＣ（ｘ）を計算する。
ここで、上述した特許文献５の冷却方法では、冷却開始時の搬送速度Ｖｉｎの収束計算と、冷却終了時の搬送速度Ｖｏｕｔの収束計算と、冷却パターンの最適化計算の、３つの繰返計算を行っている。具体的には、特許文献５の図４に示されるように、先端部の冷却終了温度を目標範囲内に収めるべくＳｔｅｐ３〜８の繰返計算を行い、冷却開始時の搬送速度Ｖｉｎを計算している。また、後端部の冷却終了温度を目標範囲内に収めるべくＳｔｅｐ３〜１０の繰返計算を行い、冷却開始時の搬送速度Ｖｉｎの収束計算を包含する形式で、冷却終了時の搬送速度Ｖｏｕｔを計算している。さらに、Ｓｔｅｐ３〜１４の繰返計算を行い、最適な冷却パターンを導出している。このように３つの繰返計算を行うため、その計算が煩雑で、演算処理コストもかかる。
これに対して、本実施形態では、上述したように先端部の冷却終了温度を目標範囲内に納めるべく繰返計算を行っているが、繰返計算はこの１回のみである。したがって、従来に比べて、極めて短時間で計算を完了することができ、演算処理コストを飛躍的に削減することができる。
なお、図１および図２に示したシミュレーションは、Ｈ形鋼のフランジ部の外面および内面の両方を冷却した場合のシミュレーションであるが、本発明者は、Ｈ形鋼のフランジ部の外面または内面のいずれか片面を冷却した場合のシミュレーションも行った。また、本発明者は、鋼材がＨ形鋼でない場合、例えば鋼板（厚板）の場合のシミュレーションも行った。いずれの場合も、図１および図２に示したシミュレーション結果と同様の結果が得られている。
言い換えれば、本実施形態の冷却制御方法は、Ｈ形鋼の両面を冷却する場合に限定されず、Ｈ形鋼の片面を冷却する場合や、Ｈ形鋼以外の鋼材にも適用可能である。Ｈ形鋼以外の鋼材としては、水冷帯に連続的に挿入して熱処理や温度調整を行う長尺鋼材、例えば鋼板（厚板または薄板）、鋼管、丸鋼、軌条などが挙げられる。
次に、上述したＨ形鋼の冷却制御方法を実現する、当該Ｈ形鋼の圧延設備および冷却装置について説明する。
図５は、Ｈ形鋼の圧延設備１の構成の概略を示す説明図である。圧延設備１は、搬送方向順に、スラブを加熱する加熱炉２、加熱炉２で加熱されたスラブを略Ｈ形状に圧延する粗圧延機３、さらに製品形状に近いＨ形状に圧延する中間圧延機４、製品形状に仕上げ圧延する仕上圧延機５、仕上圧延機５により仕上げ圧延されたＨ形鋼１０を所定の温度まで冷却する冷却装置６、冷却装置６で冷却されたＨ形鋼１０を所定の長さに鋸断する鋸断装置７を備えている。なお、上記の圧延設備１は一般的な設備構成であって、本発明が適用されるＨ形鋼の圧延設備はこれに限るものではない。本発明の冷却装置６が適用されるＨ形鋼は、例えばフランジ厚さが２０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、フランジ幅が概ね２００ｍｍ以上、ウェブ高さが概ね４００ｍｍ以上、さらにはウェブ高さが６００ｍｍ以上の大型Ｈ形鋼を主な対象とする。
図６は、本発明の実施形態に係る冷却装置６を示す側面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線から見た断面図である。冷却装置６は、本発明に係る搬送機構を構成する搬送ローラ８により搬送されるＨ形鋼１０が水冷帯２０を通過する間、主にフランジ部１１を水冷する水冷機構２１と、水冷帯２０を通過中のＨ形鋼１０のウェブ上面１２ａに圧縮空気を吹き付けるエアブロー機構２２を備えている。さらに、搬送方向における水冷帯２０の前後に、水切機構部２３を備えている。なお、水冷帯２０は、後述するノズル４１、４２、４３から供給された冷却水がフランジ部１１に衝突する際の、当該フランジ部１１における冷却水の衝突領域の搬送方向最前部から最後部までの領域である。水冷帯２０の長さは、例えば５〜２０ｍである。
水冷機構２１は、図７に示すように、Ｈ形鋼１０のフランジ部１１の外面側、フランジ部１１の内面側のうちウェブ部１２の上側、フランジ部１１の内面側のうちウェブ部１２の下側に、それぞれ、冷却水噴射用ノズルを設けたノズルヘッダ３１、３２、３３を備えている。各ノズルヘッダ３１、３２、３３には、冷却水が供給される。
先ず、Ｈ形鋼１０のフランジ部１１の均一強冷却を実現するために必要な水量密度（水冷面における単位面積あたりの冷却水量；ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２）と材料性能（引張強度および靭性など）との関係を小鋼片試験にて調査したところ、フランジ部１１に十分な加速冷却効果が得られる水量密度は０．５ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２以上であった。したがって、水冷帯２０では、この水量密度を実現するように冷却水噴射用ノズルが配置される。なお、この水量密度は、Ｈ形鋼１０の材質やサイズによって異なる。
本発明では、水冷機構２１におけるフランジ部１１を冷却するノズルの配置は限定しないが、所定量の十分な水量密度を実現して強冷却を行うために、冷却水噴射面の非衝突部面積が最小限となるように配置することが望ましい。具体的には、例えばノズルのタイプを楕円または正円のフルコーンノズルとし、搬送方向に隣接するノズルの上下方向の位置をずらして千鳥配置にし、水冷帯２０を通過するＨ形鋼１０のフランジ部１１全体に隙間無く冷却水が届くようにすることが好ましい。さらに、噴射面が干渉し合わないようにノズルを配置して、フランジ部１１が均一に冷却されるようにする。また、フランジ外面１１ａとフランジ内面１１ｂとを同じ水量密度で冷却し、フランジ部１１の厚さ方向で温度勾配が生じないようにすることが好ましい。また、フランジ外面１１ａ側の側部ノズルヘッダ３１は、Ｈ形鋼１０の寸法の違いに対応できるように、Ｈ形鋼１０のウェブ部１２の高さ方向（図７の左右方向）に可動とするとともに、側部ノズルヘッダ３１の各ノズル４１のオンオフを、上下位置毎に制御できるようにすればよい。
フランジ部１１の内面側のうちウェブ部１２の上側には、図７に示すように、上部ノズルヘッダ３２が配置される。上部ノズルヘッダ３２のノズル４２は、フランジ内面１１ｂおよび、フランジ内面１１ｂとウェブ上面１２ａとの境界のＲ部に向けて冷却水を噴射するように設けられる。フランジ部１１の厚みが大きい大型のＨ形鋼１０では、フランジ外面１１ａのみの冷却では十分な加速冷却が行われないため、内面側も外面側と同様に強冷却する。また、上部ノズルヘッダ３２は、冷却するＨ形鋼１０のフランジ部１１の寸法の違いに対応できるように、各ノズル４２のオンオフを上下位置毎に制御できるようにすればよい。
さらに、ウェブ部１２の上側には、エアブロー機構２２が設けられている。エアブロー機構２２は、圧縮空気供給管３６から供給された圧縮空気を水冷帯２０全域のウェブ上面１２ａに向けて吹き付ける圧縮空気噴出板３７および固定枠３８を備えている。圧縮空気噴出板３７および固定枠３８は、圧縮空気噴出板３７がウェブ上面１２ａから例えば２０〜５０ｍｍ程度上方に位置するように、水冷帯２０の全長にわたってウェブ上面１２ａの上方に配置される。圧縮空気噴出板３７には、全面にわたって適宜間隔で噴出口が開けられている。したがって、圧縮空気供給管３６から固定枠３８内に圧縮空気が供給されると、圧縮空気噴出板３７の噴出口を介して、ウェブ上面１２ａに圧縮空気が吹き付けられる。圧縮空気供給管３６は、固定枠３８の中央部に一カ所、または、水冷帯２０の長さ等に応じて適宜複数箇所に接続される。
エアブロー機構２２により、ウェブ上面１２ａに向けて圧縮空気を吹き付けることで、フランジ内面１１ｂの冷却水を図７の矢印ＤのようにＨ形鋼１０の外側に逃がすことができる。これにより、冷却水がウェブ上面１２ａに流れてきたり滞留したりするのを抑制し、ウェブ上面１２ａの過冷却を防ぐ。エアブロー機構２２によるエアの噴出圧は、０．０２〜０．３ＭＰａとするのが好ましい。発明者らの実験によると、これらの下限値未満ではウェブ上面１２ａの水切りが不十分となり、また、これらの上限値を超えるとフランジ内面１１ｂの冷却水の飛散が激しくなり水冷部の流動を乱してしまうために好ましくないのに対し、これらの上限値以下、下限値以上の噴出圧により、冷却水がウェブ上面１２ａに流れてきたり滞留したりするのを完全に抑制できることがわかっている。
フランジ部１１の内面側のうちウェブ部１２の下側には、図７に示すように、下部ノズルヘッダ３３が配置される。下部ノズルヘッダ３３には、フランジ内面１１ｂ、フランジ内面１１ｂとウェブ下面１２ｂとの境界のＲ部、およびウェブ下面１２ｂに向けてノズル４３が設けられる。
本実施形態では、ウェブ上面１２ａには冷却水の噴射を行わないが、圧縮空気や、若干侵入してくるフランジ内面１１ｂの冷却水および後述する水−水切機構２４からの水により、ウェブ上面１２ａが若干冷却される。そのため、ウェブ部１２の厚さ方向で温度勾配が生じて寸法の歪みが起こらないように、ウェブ下面１２ｂに対して水冷を行う。下部ノズルヘッダ３３のノズル４３の配置の詳細は特に限定しないが、フランジ内面１１ｂへの冷却水の噴射は、上部ノズルヘッダ３２と同様に行い、ウェブ下面１２ｂに対しては、ウェブ上面１２ａの温度低下と釣り合う程度の弱冷却として過冷却にならないようにする。ウェブ下面１２ｂの冷却用のノズル４３の配置としては、水冷帯２０の前後両端に一カ所ずつ設置し、さらに、必要に応じて水冷帯２０中に１〜３カ所程度追加してもよい。
図７に示す実施形態では、上部ノズルヘッダ３２は、ウェブ部１２の寸法毎に製作されたものを使用する。また、下部ノズルヘッダ３３は、フランジ部１１とウェブ部１２の両方の寸法毎に製作されたものを使用する。あるいは、上部ノズルヘッダ３２とエアブロー機構２２とを分離し、さらにそれぞれの設置位置を可変とすることにより、任意の寸法のＨ形鋼１０に対応させることもできる。また、下部ノズルヘッダ３３も、フランジ内面１１ｂ用の冷却ノズルとウェブ下面１２ｂ用の冷却ノズルとを別配管に接続し、それぞれの設置位置を可変とすることにより、任意の寸法のＨ形鋼１０に対応させることもできる。
また、本実施形態では、冷却装置６の前後への水の流出を防ぎ、ウェブ上面１２ａの残留水を掃き出すために、図６に示すように、水冷帯２０の前後両側に水切機構部２３を設けている。水切機構部２３は、水冷帯２０の前後に設けられた水−水切機構２４と、両側の水−水切機構２４よりも水冷帯２０から離れた位置に設けられたエア−水切機構２５と、両側の水−水切機構２４に近接し水−水切機構２４よりも水冷帯２０寄りの位置に設けられた堰き止め板２６とを備えている。エア−水切機構２５だけでも、十分な圧力と風量の圧搾空気を供給すれば残留水を掃き出すことが可能であるが、強水冷条件をはじめ大量の残留水を掃き出す場合には、水−水切機構２４を併用することが好ましい。
水−水切機構２４は、Ｈ形鋼１０の上部の内面側全体、すなわち、ウェブ部１２の上側のフランジ内面１１ｂおよびウェブ上面１２ａに向けて水を吹き付けることにより、水冷機構２１による冷却水が、水冷帯２０を通過する前後のＨ形鋼１０のウェブ上面１２ａに流入するのを抑制するものである。水−水切機構２４は、図８に示すように、ウェブ部１２の上方に配置された水切用ノズルヘッダ５１を有している。水切用ノズルヘッダ５１は、ウェブ上面１２ａに平行な水平ヘッダ５２と、左右両側のフランジ部１１に平行な２つの垂直ヘッダ５３とからなり、それぞれに、例えば１列ずつ、ノズル６１が配置されている。水切用ノズルヘッダ５１には、給水ヘッダ（図示せず）から冷却水が供給される。各ノズル６１からの水の噴射方向は、水冷帯２０側に傾けることが好ましく、Ｈ形鋼１０の内面側の上部全体に、隙間無く水が届くようにする。これにより、水冷帯２０から流れてきた水は、Ｈ形鋼１０の外側へ排出され、冷却装置６の前後のＨ形鋼１０のウェブ上面１２ａに水が溜まって過冷却されるのを防ぐことができる。
堰き止め板２６は、ウェブ上面１２ａよりも例えば２０ｍｍ程度上方から、搬送されるＨ形鋼１０の上端よりも高い位置まで、ほぼウェブ部１２の高さ（搬送時の左右方向）全体にわたって設けられる。
エア−水切機構２５は、ウェブ上面１２ａに向けて圧縮空気を噴射することにより、水冷機構２１や水−水切機構２４からウェブ上面１２ａに沿って流れる水をＨ形鋼１０の外側へ排出し、冷却装置６の前後への水の流れを遮断するものである。エア−水切機構２５は、図９に示すように、エアヘッダ（図示せず）に接続された水切用配管５４を有している。水切用配管５４は、ウェブ上面１２ａに平行な水平配管からなり、ウェブ上面１２ａに向けた圧縮空気の吹出口が、ウェブ部１２の高さ方向（図９の左右方向）に複数箇所形成されている。なお、水切機構部２３は、水−水切機構２４のみでも構わないが、エア−水切機構２５を併設することで、さらに水切能力が向上する。
水切機構部２３の水またはエアの噴出圧は、Ｈ形鋼１０の種類や加速冷却条件等によっても異なるが、水−水切機構２４とエア−水切機構２５とを併用した場合、水−水切機構２４の水の噴出圧は例えば０．１〜０．５ＭＰａ、エア−水切機構２５のエアの噴出圧は例えば０．０２〜０．３ＭＰａが好ましい。また、水切機構部２３を水−水切機構２４のみとした場合には、水の噴出圧を０．２〜０．６ＭＰａとすることが好ましい。発明者らの実験によると、これらの下限値未満では水切りが不十分となり、また、これらの上限値を超えると冷却水の飛散が激しくなり水冷部の流動を乱してしまうために好ましくないのに対し、これらの上限値以下、下限値以上の噴出圧により、完全に滞留水を掃き出せることがわかっている。
図６に示すように冷却装置６には、制御部７１が設けられている。制御部７１は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、図４に示した冷却制御方法を実行するプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、搬送機構である搬送ローラ８や水冷機構２１などを制御するプログラムも格納されている。
本実施形態に係る冷却装置６では、制御部７１において、水冷帯２０の長さＬＣ、および、先端水冷時間ΔｔＣ（０）から、上記式（１）および（２）を用いた図４のフローチャートに基づいて、水冷時間減少率γ、および、先端Ｈ形鋼の位置ｘの水冷時間ΔｔＣ（ｘ）を算出する。制御部７１では、さらにこれら水冷時間減少率γと水冷時間ΔｔＣ（ｘ）から、Ｈ形鋼１０の搬送速度を算出し、当該算出結果に基づいて搬送ローラ８や水冷機構２１を制御する。そして冷却装置６は、Ｈ形鋼１０を搬送しながら冷却する。
したがって、本実施形態に係る冷却装置６によれば、冷却終了後のＨ形鋼の先尾端で温度差が生じないように冷却することができる。よって、全長に亘って要求性能を満足するＨ形鋼を得ることができる。
なお、Ｈ形鋼１０の搬送方向位置ｘの加速冷却中の平均速度ｕＲ（ｘ）は、以下の式（３）で表すことができる。
ｕＲ（ｘ）＝ＬＣ／Δｔｃ（ｘ） …式（３）
したがって、上述の式（１）、（２）および（３）に基づいてＨ形鋼１０の搬送速度を調整しながら水冷することにより、冷却終了後のＨ形鋼の先尾端の温度差を極小化したＨ形鋼を得ることができる。
なお、大型Ｈ形鋼にはウェブ厚がフランジ厚よりも薄いものが多いうえ、ウェブ上面１２ａには冷却後の残留水が溜まりやすいため、従来のＨ形鋼の冷却方法では、ウェブ部１２が過冷却されることがあった。本発明によれば、フランジ部１１を内外両側から水量密度０．５ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２以上で強水冷しつつ、ウェブ部１２の過冷却を抑制することができる。つまり、Ｈ形鋼１０の加速冷却時の冷却速度および水冷停止温度を制御して強冷却を実施することで材料性能を確保し、且つ、ウェブ部１２の過冷却を防止することでウェブ波などの形状不良発生を抑制するとともに鋸断性を確保できる。したがって、大規模建造物の梁や柱などに使用される大型Ｈ形鋼製品として、合金コストを抑えつつ加速冷却処理によって高品質な製品を製造できる。
また、本実施形態に係る冷却装置６では、冷却条件としてのＨ形鋼の搬送速度を、シミュレーション結果に基づく回帰式から簡単に決定することができる。さらに、上記回帰式はあらゆる長さのＨ形鋼に適用することができる。
なお、本実施形態に係る冷却装置６は、Ｈ形鋼の全長に対して冷却帯の長さが小さい場合、言い換えると、冷却装置６が設けられた圧延設備１が小さく冷却帯の長さを大きく確保することができない場合に、好適に用いられる。
また、先端水冷時間ΔｔＣ（０）と水冷時間減少率γとの関係、および、水冷帯２０の長さＬＣと水冷時間減少率γとの関係を示す回帰式は、上述の式（２）に限られない。鋼材や冷却の条件（例えば、ノズル配置や冷媒の種類等）が変更された場合には別の回帰式を用いたり、同じ回帰式であっても定数係数を調整したりすることで、水冷時間減少率γの回帰予測精度を向上させることができる。例えば、水冷帯の長さが数種類に限定される冷却装置の場合、冷却帯の長さ毎に、式（２）からＬＣ ｑ１項を除外した式、つまり「γ＝ｐ・Δｔｃ（０）ｑ２」とし、冷却帯の長さ毎に係数ｐおよびｑ２を変更してもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、本発明の技術的思想は、Ｈ形鋼の冷却にのみ限定されるものではない。水冷帯に連続的に挿入して熱処理や温度調整を行う長尺鋼材、例えば鋼板（厚板または薄板）や鋼管、丸鋼、軌条などを、長手方向に連続的に搬送しながら鋼材長より短い冷却帯を通過させながら冷却する技術にも、適用可能である。
また、水冷帯の中に冷却能力に分布がある場合、すなわち水冷帯のゾーンによって水量密度が変わる場合でも、その分布が冷却対象の鋼材の冷却中に固定されている場合には本発明を適用可能である。つまり、それぞれのゾーンにおいて、上述した冷却制御方法を適用することができる。
本発明の実施例について説明する。圧延設備１の冷却装置６において、下記の冷却条件で１０００本のＨ形鋼を加速冷却した。この際、冷却装置６の制御部７１では、上記式（１）および（２）を用いた図４のフローチャートに基づいて、冷却制御を行った。その結果、先端から尾端の冷却終了温度を冷却終了目標温度の範囲内に制御することができた。
（冷却条件）
フランジ部１１の厚さ：２０〜１２０ｍｍ
フランジ部１１の幅：３００〜４５０ｍｍ
圧延設備１の圧延長：２５０ｍ
水冷帯２０の長さ：１０ｍ
冷却開始温度：８００〜９５０℃
水冷終了温度：５００〜７００℃
水量密度：０．５〜５ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２
本発明は、超高層建造物の梁や柱などに使用される大型Ｈ形鋼の製造において、仕上げ圧延後の加速冷却処理を行う冷却装置および冷却方法に適用できる。また大型Ｈ形鋼以外の鋼材であっても、上述したように鋼板（厚板または薄板）や鋼管、丸鋼、軌条などの長尺鋼材に対しても、本発明は適用可能である。
１ 圧延設備
２ 加熱炉
３ 粗圧延機
４ 中間圧延機
５ 仕上圧延機
６ 冷却装置
７ 鋸断装置
８ 搬送ローラ
１０ Ｈ形鋼
１１ フランジ部
１１ａ フランジ外面
１１ｂ フランジ内面
１２ ウェブ部
１２ａ ウェブ上面
１２ｂ ウェブ下面
２０ 水冷帯
２１ 水冷機構
２２ エアブロー機構
２３ 水切機構部
２４ 水−水切機構
２５ エア−水切機構
２６ 堰き止め板
３１ 側部ノズルヘッダ
３２ 上部ノズルヘッダ
３３ 下部ノズルヘッダ
３６ 圧縮空気供給管
３７ 圧縮空気噴出板
３８ 固定枠
４１、４２、４３ ノズル
５１ 水切用ノズルヘッダ
５２ 水平ヘッダ
５３ 垂直ヘッダ
５４ 水切用配管
６１ ノズル
７１ 制御部

Claims (9)

  1. 熱間仕上げ圧延後の鋼材を冷却する装置であって、
    前記鋼材を加速させながら搬送する搬送機構と、
    前記搬送機構により搬送されている前記鋼材を冷却する水冷機構と、
    前記鋼材に対して下記式（１）を満たす冷却が行われるように、前記搬送機構と前記水冷機構を制御する制御部と、
    を有し、
    下記式（１）における水冷時間減少率γは、前記水冷機構が設けられた水冷帯の長さおよび前記鋼材の先端部を目標温度まで冷却するのに要する時間ΔｔＣ（０）に基づいて決定されることを特徴とする、鋼材の冷却装置。
    ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）
    但し、ｘ：前記鋼材の先端部を基準とした当該鋼材における搬送方向の位置、ΔｔＣ（ｘ）：前記鋼材の位置ｘの部位を目標温度まで冷却するのに要する時間である。
  2. 前記水冷時間減少率γは下記式（２）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の鋼材の冷却装置。
    γ＝ｐ・ＬＣ ｑ１・Δｔｃ（０）ｑ２ …式（２）
    但し、ＬＣ：前記水冷帯の長さ、ｐ、ｑ１、ｑ２：定数係数である。
  3. 前記鋼材はＨ形鋼であり、
    前記水冷機構は、前記Ｈ形鋼のフランジ部を冷却することを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼材の冷却装置。
  4. 前記水冷帯において、前記Ｈ形鋼のウェブ上面に向けて圧縮空気を吹き付けるエアブロー機構と、
    前記Ｈ形鋼の搬送方向における前記水冷帯の前後に、前記Ｈ形鋼のウェブ上面の水を前記Ｈ形鋼の外側に排出する水切機構部と、
    を有することを特徴とする、請求項３に記載の鋼材の冷却装置。
  5. 前記水切機構部は、前記Ｈ形鋼のウェブ上面にエアを吹き付けるエア−水切機構と、前記エア−水切機構よりも前記水冷帯に近い位置で、前記Ｈ形鋼のウェブ上面およびフランジ内面に水を吹き付ける水−水切機構と、を備えていることを特徴とする、請求項４に記載の鋼材の冷却装置。
  6. 前記水冷機構の冷却水の水量密度は０．５ｍ３／ｍｉｎ／ｍ２以上であり、前記水−水切機構の水の噴出圧は０．１〜０．５ＭＰａであり、前記エア−水切機構のエアの噴出圧は０．０２〜０．３ＭＰａであることを特徴とする、請求項５に記載の鋼材の冷却装置。
  7. 前記エアブロー機構のエアの噴出圧は０．０２〜０．３ＭＰａであることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の鋼材の冷却装置。
  8. 熱間仕上げ圧延後の鋼材を加速し搬送しながら、水冷機構により当該鋼材を冷却する際の制御方法であって、
    前記水冷機構が設けられた水冷帯の長さおよび前記鋼材の先端部を目標温度まで冷却するのに要する時間ΔｔＣ（０）に基づいて、水冷時間減少率γを決定する工程と、
    前記水冷時間減少率γを用いた下記式（１）を満たすように、前記鋼材の冷却を制御する工程と、
    を有する、鋼材の冷却制御方法。
    ΔｔＣ（ｘ）＝ΔｔＣ（０）−γ・ｘ …式（１）
    但し、ｘ：前記鋼材の先端部を基準とした当該鋼材における搬送方向の位置、ΔｔＣ（ｘ）：前記鋼材の位置ｘの部位を目標温度まで冷却するのに要する時間である。
  9. 前記水冷時間減少率γは下記式（２）を満たすことを特徴とする、請求項８に記載の鋼材の冷却制御方法。
    γ＝ｐ・ＬＣ ｑ１・Δｔｃ（０）ｑ２ …式（２）
    但し、ＬＣ：前記水冷帯の長さ、ｐ、ｑ１、ｑ２：定数係数である。
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