JPWO2019124241A1 - 厚鋼板の冷却装置および冷却方法ならびに厚鋼板の製造設備および製造方法 - Google Patents

厚鋼板の冷却装置および冷却方法ならびに厚鋼板の製造設備および製造方法 Download PDF

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Abstract

拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを２．５以下とし、拘束ロール間に複数の冷却ヘッダを配置し、各冷却ヘッダは２つ以上の冷却水供給系統の何れかに接続され、各冷却水供給系統は給水のオンオフ及び流量制御が独立して可能な調整弁を有し、各冷却ヘッダは鋼板幅方向に複数の冷却スプレーノズルを有し、鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる冷却水供給系統の冷却ヘッダに接続されると共に、鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは最小流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水が噴射可能であり、各冷却水供給系統を個別に選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射するように調整弁を用いて制御する制御機構を備えた、厚鋼板の冷却装置。

Description

本発明は、厚鋼板の製造ラインで、熱間圧延後の制御冷却若しくは熱間圧延後に室温まで冷却された鋼板を再加熱焼き入れで冷却する場合に、形状を制御しつつ冷却速度を従来よりも幅広い範囲で調整することを可能とする冷却装置および冷却方法に関する。また、本発明は、この冷却装置を用いた厚鋼板の製造設備およびこの冷却方法を用いた厚鋼板の製造方法に関する。
特に厚鋼板（単に鋼板と称することもある。）の製造においては、鋼板に要求される機械的性質、特に強度と靭性を確保する必要がある。これを達成するために、圧延後の高温の厚鋼板をそのまま冷却したり、一旦室温まで空冷して、オフラインで再加熱・焼入れしたりする作業が行われる。この冷却作業では、鋼板に要求される材質上の特性、特に高強度化の点から速い冷却速度で冷却することが多い。
一方、至近の材質制御の高度化により、高強度化のニーズのみならず軟質な変態組織と硬質な変態組織を複合するニーズが増加してきた。例えば、冷却の初期若しくは後期に比較的冷却速度の遅い条件とすることで、フェライト＋ベイナイトやフェライト＋マルテンサイトのような複合組織を得る手法である。この複合組織化により、例えば引張強度に対する降伏強度の比である降伏比を低くすることができ、耐震性に優れた鋼板などが製造できる可能性がある。
従来、このような複合組織化を厚鋼板で実現するためには、再加熱焼き入れを複数回実施する多段熱処理が行われてきたが、省工程化の点で、一回の焼き入れ時に任意のタイミングで冷却速度を変化させることが可能な冷却技術が求められている。特にフェライト生成を促すには、極めて遅い冷却速度（たとえば、２〜２０℃／ｓ程度）で長時間かけて冷却する必要がある。このため、一般的なオンラインの制御冷却装置や熱処理時の焼き入れ装置の冷却速度（板厚２０ｍｍでおおよそ３０〜６０℃／ｓ程度）に比べて極めて遅い冷却速度に調整することが求められている。
厚鋼板の冷却中に任意のタイミングで冷却速度を変更する技術として、以下のような特許文献がある。
特許文献１には、下面の冷却ヘッダに関して、水槽と水槽内に設置されたスプレーノズルを配置し、水槽の液面高さを変更することにより冷却能力を広範囲に変更する技術が開示されている。特許文献１では、冷却能力を高くする場合は、水槽の液面を高くしてノズル先端を水没させ、スプレーの冷却水に加えて水槽内の水をスプレー水で随伴させることで、スプレーノズルの噴射流量よりも多い水量を鋼板に被水させることができる。また、冷却能力を低くする場合は水槽の液面高さを低くして、スプレーノズル先端を水没させないようにして、先に述べた随伴流を発生させないことで少ない水量が鋼板に被水させることができる。一方、このような技術ではテーブルロール間に水槽を配置する必要があるため、冷却が鋼板の下面に限定され、上面の冷却に使用することができない。更に、厚板の焼き入れ装置のようにテーブルロール間隔が狭い設備では、そもそも水槽をロール間に設置することができない。
特許文献２は、幅方向に複数取り付けられたノズルについて隣り合うノズルを独立した系統から給水し、流量を低くする場合はその一方のみを噴射することで流量を調整する技術である。一方、このような技術でも流量の調整代は最大の冷却速度に対して５０％程度の調整しかできない。
そこで特許文献３には、上記の点を改善するために、流量の特性の異なる棒状冷却水ノズルを備えた急冷却装置と緩冷却装置を前後に配置して、一つの冷却エリアで急冷却装置と緩冷却装置を切り替えて噴射することにより、広い範囲で冷却速度を調整する技術が記載されている。
特開昭５９―４７０１０号公報 特開２０１４-１２４６３４号公報 特開２０１１-１６７７５９号公報
厚鋼板の冷却、特にオフラインの熱処理では鋼板をロールで拘束しながら通過して冷却する、いわゆるローラークエンチが採用されることが多い。この形式は、鋼板をロールで拘束しながら冷却するので冷却後の鋼板の平坦度が良好で、その後の形状矯正処理を少なくすることができることから、広く使われている。一方で、ローラークエンチは冷却形状を良好とするために、比較的大きな径のロールを使い、狭いロールピッチで鋼板を拘束することから、ロール間に設置する冷却装置のために広いスペースを確保することができない。このため、特許文献３の技術をローラークエンチタイプの冷却装置に適用することは難しい。
そこで、本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、厚鋼板の冷却において、形状を制御しつつ冷却水量を広い範囲で調整することにより広い範囲で冷却速度を調整できるとともに、特に厚鋼板拘束用のロール間に冷却装置を設置するローラークエンチタイプの冷却装置において、狭い冷却スペースに対して有効な冷却装置および冷却方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この冷却装置を用いた厚鋼板の製造設備およびこの冷却方法を用いた厚鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意検討した結果、拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを所定の範囲にすることで鋼板の形状を制御するとともに、流量密度の異なる冷却スプレーノズルを用いることで広い範囲で冷却速度を調整することができることを見出した。
本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］鋼板搬送方向に拘束ロールを複数設置し、各拘束ロール間に複数の冷却ヘッダを配置した冷却装置において、
拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを２．５以下とし、
それぞれの冷却ヘッダは、２つ以上の冷却水供給系統のいずれかに接続され、
各冷却水供給系統には給水のオンオフ及び流量制御が独立して可能なように調整弁が取り付けられており、
各冷却ヘッダには、鋼板幅方向に複数の冷却スプレーノズルが取り付けられており、
鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる冷却水供給系統の冷却ヘッダに接続されるとともに、
鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは、最小の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水を噴射可能であり、
各冷却水供給系統を個別に選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射するように調整弁を用いて制御する制御機構
を備える厚鋼板の冷却装置。
［２］各冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離は、拘束ロール中心軸高さに対して±５０ｍｍ以下の範囲の位置になるように設置されてなる［１］に記載の厚鋼板の冷却装置。
［３］各冷却スプレーノズルは、フラットスプレーノズル、フルコーンスプレーノズル、角吹きスプレーノズル、楕円吹きスプレーノズルのいずれか１種以上であり、各冷却スプレーノズルから冷却水が噴射される際の冷却水の噴射角度は６０〜１２０゜の範囲である［１］または［２］に記載の厚鋼板の冷却装置。
［４］鋼板搬送方向に拘束ロールを複数設置し、各拘束ロール間に複数の冷却ヘッダを配置した冷却装置を用いる厚鋼板の冷却方法において、
拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを２．５以下とし、
それぞれの冷却ヘッダは、２つ以上の冷却水供給系統のいずれかに接続され、
各冷却水供給系統には給水のオンオフ及び流量制御が独立して可能なように調整弁が取り付けられており、
各冷却ヘッダには、鋼板幅方向に複数の冷却スプレーノズルが取り付けられており、
鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる冷却水供給系統の冷却ヘッダに接続されるとともに、
鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは、最小の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水を噴射可能であり、
各冷却水供給系統を個別に選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射するように調整弁を用いて制御する
厚鋼板の冷却方法。
［５］各冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離は、拘束ロール中心軸高さに対して、±５０ｍｍ以下の範囲の位置になるように設置されてなる［４］に記載の厚鋼板の冷却方法。
［６］各冷却スプレーノズルは、フラットスプレーノズル、フルコーンスプレーノズル、角吹きスプレーノズル、楕円吹きスプレーノズルのいずれか１種以上であり、各冷却スプレーノズルから冷却水が噴射される際の冷却水の噴射角度は６０〜１２０゜の範囲である［４］または［５］に記載の厚鋼板の冷却方法。
［７］［１］〜［３］のいずれかに記載の冷却装置を備えた厚鋼板の製造設備。
［８］［４］〜［６］のいずれかに記載の冷却方法で冷却する工程を有する厚鋼板の製造方法。
本発明によれば、厚鋼板の冷却において、形状を制御しつつ広い範囲で冷却速度の調整を可能とし、様々な強度を持つ厚鋼板の製造が可能となる。また、特に搬送方向に狭いピッチで設置された拘束ロール間に冷却装置を設置するような、狭い冷却スペースに対して有効な技術である。
図１は、本発明の冷却装置を用いた厚鋼板のオフライン熱処理設備の模式図である。 図２は、本発明の冷却装置の一実施形態を示す模式図である。 図３は、本発明の冷却スプレーノズルと拘束ロールの位置関係を説明する図である。 図４は、冷却スプレーノズルから噴射される冷却水（噴霧水）の噴射角度を示す図である。 図５は、本発明の冷却装置を上からみた模式図であり、図５（ａ）は冷却ヘッダの構成を示す図、図５（ｂ）および（ｃ）は冷却スプレーノズルから噴射される噴霧水の様子を示す図である。 図６は、冷却ヘッダの系統を多数化（４系統化）した場合の、冷却ヘッダと冷却スプレーノズルの配置を示す図である。 図７は、２系統の冷却ヘッダから冷却水を噴射する場合における、小流量冷却スプレーノズルの噴霧水が厚鋼板に衝突する様子を上から見た図であり、図７（ａ）はフラットスプレーノズルを用いた場合、図７（ｂ）はオーバルスプレーノズルを用いた場合、図７（ｃ）はフルコーンスプレーノズルを用いた場合、図７（ｄ）は角吹きスプレーノズルを用いた場合である。 図８は、大流量冷却スプレーノズルと小流量冷却スプレーノズルについて、ノズルピッチを異なるものとした場合の模式図であり、図８（ａ）は冷却ヘッダの構成を示す図、図８（ｂ）は大流量冷却スプレーノズルの噴霧水の様子を示す図、図８（ｃ）は小流量冷却スプレーノズルの噴霧水の様子を示す図である。 図９は、本発明の冷却装置を用いた厚鋼板の冷却処理設備の模式図である。 図１０は、大流量冷却スプレーノズルと小流量冷却スプレーノズルにおける、噴射圧力と流量密度との関係を示すグラフである。 図１１は、鋼板を冷却した際の、板厚方向中心において８００℃から４００℃に達するまでの冷却速度と流量密度との関係を示すグラフである。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の冷却装置について、厚鋼板のオフライン熱処理に適用した場合を説明する図である。厚鋼板Ｓは予め圧延設備で所定の厚み（例えば４０ｍｍ）及び幅（例えば２５００ｍｍ）に加工されており、本熱処理ラインに搬送され、その後加熱炉１で所定の温度（例えば９２０℃）まで加熱されたのち、加熱炉１の出側に設置されている冷却装置２で冷却される。冷却装置２は、厚鋼板Ｓを搬送するテーブルロール３と、厚鋼板Ｓを拘束する拘束ロール４と、厚鋼板Ｓの上下面に設けられる冷却ヘッダ５とから構成されている。
本発明の一実施形態である冷却装置２について、詳細を図２に示す。図２に示すように、厚鋼板Ｓを搬送するテーブルロール３と厚鋼板Ｓを拘束する拘束ロール４がそれぞれ複数あり、拘束ロール４間の上面および下面（テーブルロール３間）には大流量冷却ヘッダ５１および小流量冷却ヘッダ５２が複数設置される。それぞれの冷却ヘッダでは、冷却ヘッダに供給される冷却水の流量を流量計６により測定し、測定した結果に基づいて所定の流量に調整可能なように流量調整弁７を設置している。また、流量調整弁７は制御機構（図示しない）に接続されており、個別に冷却水のオンオフ（給水／遮断）が設定できるようになっている。なお、各冷却ヘッダには冷却スプレーノズル５３（５４）が複数取り付けられている。冷却スプレーノズル５３（５４）については後述にて詳細を説明する。
以下、厚鋼板上面における冷却ヘッダ（冷却スプレーノズル）と拘束ロール４の位置関係について説明する。なお、テーブルロール３と拘束ロール４とのピッチは同一である。したがって、厚鋼板下面における冷却ヘッダ（冷却スプレーノズル）とテーブルロール３との位置関係についても厚鋼板上面における冷却ヘッダ（冷却スプレーノズル）と拘束ロール４の位置関係と同様である。
図３は、本発明の冷却スプレーノズルと拘束ロールの位置関係を説明する図である。本発明では、厚鋼板への適用を主として考えており、厚鋼板の冷却時に発生する面外変形を防止することが重要な課題となる。そこで、面外変形を防止する観点で、拘束ロール４とテーブルロール３で厚鋼板Ｓを拘束しながら冷却する方式とする。その際、拘束ロール４の搬送方向に対する設置ピッチ（拘束ロールピッチＰ）は、可能な限り狭い方が、鋼板の面外変形を防止する観点で有利である。更に拘束ロール４は、適切に面外変形を防止する観点で、大きな荷重をかけても拘束ロール４のたわみを小さくするために、可能な限り拘束ロール径Ｄは大きいほうが好ましい。一方、拘束ロール４の拘束ロールピッチＰを狭く配置するほど、ロール間ギャップＧが狭くなることから、冷却装置２を設置するためのスペースは小さくなる。このため、特に特許文献３に記載されているような、大きな冷却ヘッダを必要とするノズルでは本発明のような冷却装置の設置が不可能である。また、均一冷却の観点から拘束ロール４と厚鋼板Ｓの接触点近傍まで冷却するために、冷却スプレーノズル５３（もしくは冷却スプレーノズル５４）を側面から見た時の噴霧長さＬは、ロール間ギャップＧよりも広くして拘束ロール４の下の領域まで冷却水が厚鋼板Ｓに被水するのが好ましい。このような観点からも、スプレー冷却のような広い範囲に冷却水を噴霧できる方式が好適である。
これらを踏まえて本発明者らが鋭意検討した結果、鋼板の形状制御の観点から、拘束ロール４の拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄの比率Ｐ／Ｄは、２．５以下の範囲にする。なお、Ｐ／Ｄが１．０の時は、拘束ロールピッチと拘束ロール径が同じとなり、前後する拘束ロール間には隙間が無く、冷却スプレーノズルを設置ができない。そのため、Ｐ／Ｄは１．０超えが好ましく、また、前後する拘束ロールの隙間（Ｐ−Ｄ）は少なくとも５０ｍｍ以上は確保できるようにする。そのため、操業上の点から、Ｐ／Ｄは１．１７以上とするのがさらに好適である。また、Ｐ／Ｄは、形状制御の点から可能な限り小さいほうが良いため、好ましくはＰ／Ｄを２．０以下とする。
なお、テーブルロール３のロール径と拘束ロール径Ｄは必ずしも同じ径である必要はない。厚鋼板上下面でテーブルロール３のロール径と拘束ロール径Ｄが同じである場合も異なる場合も、上述したように比率Ｐ／Ｄが２．５以下を満たせばよい。また、厚鋼板下面におけるテーブルロール３のロールピッチとテーブルロール径についても、比率が２．５以下を満たせばよい。
また、各拘束ロール４間において、冷却スプレーノズル５３（５４）の搬送方向の噴霧長さＬは、可能な限り拘束ロールピッチＰに近いほうが、拘束ロール４間の非冷却部が少なくなり、効率的な冷却が可能である。このため、少なくとも噴霧長さＬは、ロール間ギャップＧよりも大きくするのが好ましい。一方、噴霧長さＬを長くするためには、図４に示す冷却スプレーノズル５３（５４）の噴射角度θを大きくする必要がある。その際に冷却スプレーノズル５３（５４）の噴射角度θを大きくしすぎたり、また、冷却スプレーノズル５３（５４）のノズル中心軸が拘束ロール４間の中央位置より搬送方向（図面上の左右の方向)にずれた状態で冷却スプレーノズル５３（５４）が設置されると、冷却スプレーノズル５３（５４）からの噴霧水５５（５６）は厚鋼板Ｓに衝突する前に拘束ロール４に衝突し、厚鋼板Ｓを効率的に冷却できない可能性がある。そのため、適切な噴射角度θを選定するとともに、冷却スプレーノズル５３（５４）のノズル中心軸は、拘束ロール４間の中央位置から搬送方向（図面上の左右の方向）に対して±１０ｍｍ以内に冷却スプレーノズル５３（５４）のノズル中心軸を配置するのが好ましく、拘束ロール４間のほぼ中央位置が最も好ましい。
次に、冷却装置２の冷却ヘッダについて説明する。図５（ａ）は本発明の冷却装置２を上から見た模式図であり、冷却ヘッダの構成を説明する図である。大流量冷却ヘッダ５１には、鋼板幅方向に大流量冷却スプレーノズル５３が複数取り付けられている。一方で、小流量冷却ヘッダ５２には、鋼板幅方向に小流量冷却スプレーノズル５４が複数取り付けられている。
本発明において、冷却スプレーノズルは、単位面積および単位時間あたりの流量が異なる冷却スプレーノズルが配置されるようにする。なお、ここでいう単位面積および単位時間あたりとは、隣り合う冷却スプレーノズルの間隔Ｐ´の範囲に噴射される冷却水の流量とする。この単位面積および単位時間あたりの流量を以後、流量密度（単位：Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２））と称する。
すなわち、図５（ａ）に示すように、大流量冷却ヘッダ５１には大きな流量密度の冷却スプレーノズルを取りつけるとともに、小流量冷却ヘッダ５２には小さな流量密度の冷却スプレーノズルを取り付けることで、幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる系統の冷却ヘッダに接続される。
なお、本発明では、流量密度の異なる冷却スプレーノズルが幅方向に隣り合うように配置される。大流量冷却スプレーノズル５３および小流量冷却スプレーノズル５４は、厚鋼板Ｓの幅方向に一列に所定のピッチで配置されればよい。
本発明では、鋼板の冷却速度を早くする場合は、小流量冷却スプレーノズル５４から冷却水が噴射されないように、流量調整弁７により小流量冷却ヘッダ５２への給水を遮断し、大流量冷却スプレーノズル５３から冷却水が噴射されるようにする。一方で、冷却速度を遅くする場合は、流量調整弁７により大流量冷却スプレーノズル５３から冷却水が噴射されないように、流量調整弁７により大流量冷却ヘッダ５１への給水を遮断し、小流量冷却スプレーノズル５４から冷却水を噴射する。すなわち、本発明では各冷却水供給系統を個別に選択して冷却水を噴射することで広い範囲で流量調整が可能となり、広い範囲で冷却速度を調整することが可能となる。
一般的に、ある特性を持つノズルを選定し、そのノズルから冷却水を噴射した場合、冷却水の流量は噴射圧力の０．５乗に比例するため、噴射圧力を下げても流量の変化が少なく、冷却速度を大きく変化させることがかなり難しい。一般的には、冷却速度は流量密度の約０．７乗に比例するといわれている。よって、冷却速度は、噴射圧力の約０．３５乗に比例する。
このことから、例えば冷却速度を半分程度にする場合には、噴射圧力を１／７程度まで低くする必要がある。一般的な流量調整弁では、噴射圧力を定格の約１０〜１００％の範囲までは調整できるため、冷却能力はせいぜい約５０〜１００％の調整が実質的に限界となる。また、噴射流量は噴射圧力の０．５乗に比例するため、上記で説明したように噴射圧力を約１０〜１００％の範囲で調整可能と考えると、噴射流量は、３１．６〜１００％の範囲での調整が限界である。そのため、本発明では拘束ロール４間に、流量密度の異なる冷却スプレーノズルを配置することで、広い範囲の冷却速度の調整を可能とする。
本発明において、鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは、最小の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水を噴射可能とする。図５（ａ）において、ピッチＰ´の間隔で配置される大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度は、小流量冷却スプレーノズル５４に比べて、同一の噴射圧力に対して少なくとも３倍以上の流量密度となる。
次に、２系統の冷却ヘッダから冷却水を噴射する場合を例に、具体的な冷却スプレーノズルの選択方法について説明する。
大流量冷却スプレーノズル５３と小流量冷却スプレーノズル５４の鋼板幅方向のノズルピッチを同一として、圧力０．４ＭＰａで冷却水を噴射した場合、大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度を１５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度を５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）に選択する。このような構成で、さらに流量調整弁７を使い流量制御することで、大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度は５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）（定格の１／３）、小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度は１６７Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）（定格の１／３）まで調整が可能となる。そのため、流量制御と冷却スプレーノズルの切り替えにより、大流量冷却スプレーノズルの最大流量密度１５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）から小流量冷却スプレーノズルの最小流量密度１６７Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）まで連続的に流量の調整が可能となる。なお、鋼板の製造において、上記で説明したように大流量冷却スプレーと小流量冷却スプレーノズル５４における流量密度が連続的に変化するような調整が不要な場合は、小流量冷却スプレーノズル５４の最大流量密度は大流量冷却スプレーノズル５３の最小流量密度と同じ流量密度である必要はなく、例えば、大流量冷却スプレーノズル５３の最大流量密度を１５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、小流量冷却スプレーノズル５４の最大流量密度を５０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）のような選択をしてもかまわない。
このように、流量調整弁７により１系統の冷却ヘッダを選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射することにより、連続的に広い範囲の噴霧水量の調整を可能とする。
また、本発明では流量密度の異なる冷却スプレーノズルが隣り合うように配置し、その一方のみ噴射するため、その配置は例えば図５（ｂ）、図５（ｃ）のように扇型に噴霧させるフラットスプレー形状の例で説明すると、図５（ｂ）の大流量冷却スプレーノズル５３から噴射される噴霧水５５の幅端部が、隣り合う噴霧水５５とほぼ同一位置となるような噴射角度θ（図４参照）および捩り角度α（図５（ｃ）参照）を持たせることで、鋼板が通過冷却した時に、鋼板側から見て幅方向に亘り、冷却水が鋼板と衝突しない部分を生じることなく、均一に鋼板を冷却することができる。
また、図５（ｃ）の場合も同様に、小流量冷却スプレーノズル５４から噴射される噴霧水５６の幅端部が、隣り合う噴霧水５６とほぼ同一位置となるような噴射角度θ（図４参照）および捩り角度α（図５（ｃ）参照）を持たせることで、鋼板が通過冷却した時に、鋼板側から見て幅方向に亘り、冷却水が鋼板に衝突しない部分を生じることなく、均一に鋼板を冷却することができる。
冷却スプレーノズル（大流量冷却スプレーノズル５３もしくは小流量冷却スプレーノズル５４）の噴射角度θとしては、狭い拘束ロール４間に冷却スプレーノズルを設置し、噴霧した冷却水が拘束ロール４に衝突せず、鋼板が被水することが好ましいため、可能な限り広い角度で散布できるものがよい。本発明では、冷却スプレーノズルの噴射角度θ（図４参照）は、少なくとも６０〜１２０゜が好適である。噴射角度θが６０゜未満の場合は、広い面積にわたって冷却水が散布されないので、冷却水の非衝突部による温度ムラが懸念される。一方、噴射角度が１２０゜よりも大きい場合は、噴霧水の鋼板までの飛距離について、ノズル直下までの飛距離とそれ以外の場所までの飛距離とで大きく変化することから、冷却の均一性の確保が困難になるためである。
また、図３を用いて、冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離（ノズル高さＨ）について説明する。冷却スプレーノズル（大流量冷却スプレーノズル５３もしくは小流量冷却スプレーノズル５４）と厚鋼板Ｓとの距離は、拘束ロール４と噴霧水との衝突の点から考えると、冷却スプレーノズル先端が鋼板に近いほど、広い噴射角度θで噴射しても、冷却水は拘束ロール４に衝突しにくい。特に、拘束ロール４間の隙間が最も狭くなる拘束ロール径Ｄの半分よりも、冷却スプレーノズルと厚鋼板Ｓとの距離が大きい合は、拘束ロール４間の最小隙間部で冷却スプレーノズルからの噴霧水が拘束ロール４に衝突しやすい。そのため、可能な限り冷却スプレーノズルと厚鋼板Ｓとの距離は、拘束ロール径Ｄの半分（半径）近傍よりも低い位置が好ましい。一方、冷却スプレーノズル先端と厚鋼板Ｓとの距離が近い場合は、広い角度で噴霧水を噴射しなければならず、上記に示した噴射角度θが１２０゜を超える危険がある。また、通板中の鋼板先端部と冷却スプレーノズル先端が衝突する危険性もある。両者の点から実用を考えると厚鋼板を冷却する際には、各冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離Ｈは、スプレーノズルに対して鋼板搬送方向の上流側および下流側の拘束ロールの中心軸から鋼板までの距離である、拘束ロール中心軸高さに対して±５０ｍｍ以内にスプレーノズルの先端を設置するのが好適である。
上述では、大流量冷却スプレーノズル５３と小流量冷却スプレーノズル５４の２系統の流量密度で冷却速度を調整する例について説明したが、２つ以上の系統であれば本発明を適用することができる。例えば、図６のように冷却ヘッダの系統を多数化（４系統化）して更に広い範囲に冷却速度を調整することもできる。
図６では、鋼板幅方向に大流量冷却スプレーノズル５３が複数取り付けられている大流量冷却ヘッダ５１と、鋼板幅方向に小流量冷却スプレーノズル５４が複数取り付けられている小流量冷却ヘッダ５２の他に、中流量冷却ヘッダ５７、５８が配置されている。中流量冷却ヘッダ５７、５８にはそれぞれ鋼板幅方向に中流量冷却スプレーノズル５９、６０が複数取り付けられている。
図６の場合における具体的な冷却スプレーノズルの選択方法としては、各冷却スプレーノズルの幅方向のノズルピッチを同一として、圧力０．４ＭＰａで噴霧するとした場合、大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度を１５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、中流量冷却スプレーノズル５９の流量密度を１５０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、中流量冷却スプレーノズル６０の流量密度を４０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度を１０Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）のように選択をする。このようにすることにより、最も大きい流量密度の冷却スプレーノズルと、最も小さい流量密度の冷却スプレーノズルにおいて、同一の噴射圧力に対して少なくとも３倍以上の流量密度の差を設けることとなる。このような構成で、さらに流量調整弁７を使い流量制御することで、連続的に広い範囲の冷却速度の調整を可能とする。
本発明において、各冷却スプレーノズルは、フラットスプレーノズル、フルコーンスプレーノズル、角吹きスプレーノズル、楕円吹きスプレーノズルのいずれか１種以上であることが好ましい。
なお、各冷却スプレーノズルの噴射角度は、スプレー噴射水を側面から見たときに、各方向で最も噴射角度が広くなる角度のことを意味する。図７は、冷却スプレーノズル５３（５４）の噴霧水５５（５６）が厚鋼板に衝突する様子を上から見た図である。図７（ａ）はほぼ扇形に噴射され、衝突面は薄い厚み（２０ｍｍ程度）と広幅を持つフラットスプレーノズル、図７（ｂ）は衝突面が楕円形となるオーバルスプレーノズルの例である。フラットスプレーノズルやオーバルスプレーノズルのように冷却水の衝突面が楕円形状の場合、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、衝突面の長軸方向に広がる角度が最も広い角度になるため、この角度を噴射角度とすればよい。また、図７（ｃ）のように衝突面が円状のフルコーンスプレーノズルでは、側面図においてどの方向から見ても噴射角度は同じとなる。図７（ｄ）のように衝突面が矩形（正方形や長方形）となる角吹きスプレーノズルなどは、衝突面の対角方向に広がる角度が最も広い角度になるため、この角度を噴射角度とすればよい。
また、図８に示すように、大流量冷却スプレーノズル５３と小流量冷却スプレーノズル５４の幅方向のノズルの取り付けピッチについて、異なるノズルピッチにしてもよい。図８（ａ）は、大流量冷却スプレーノズル５３の幅方向の取り付けピッチに対して小流量冷却スプレーノズル５４の取り付けピッチを２倍とした場合の冷却ヘッダの構成を示す図、図８（ｂ）は大流量スプレーノズル５３の噴霧水の様子を示す図、図８（ｃ）は小流量冷却スプレーノズル５４の噴霧水の様子を示す図である。なお、図８（ｂ）（ｃ）において、いずれのスプレーノズルもフラットスプレーノズルを用いた場合である。例えば、流量密度が３倍よりも大きくなる例として、大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度が小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度の４倍である場合、圧力０．４ＭＰａで噴霧すると、大流量冷却スプレーノズル５３の最大流量密度は１５００Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、小流量冷却スプレーノズル５４の最小流量密度は、３７５Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）のようになる。
なお、大流量冷却スプレーノズル５３と小流量冷却スプレーノズル５４については、異なる噴霧形式としてもかまわない。
以上では、厚鋼板のオフライン熱処理工程の例で説明したが、むろん図９のように、スラブを加熱炉１で加熱したのちに圧延機８で所定のサイズに圧延した後、本発明のような拘束ロール４間に冷却ヘッダ５を備えた冷却装置２で冷却してもかまわない。なお、圧延直後の厚鋼板Ｓを円滑に冷却装置２へ搬送させるために、熱間矯正機９により鋼板を予め平坦にした後、冷却装置２に搬送させるのが好適である。
なお、本発明の冷却装置は、板厚４．０ｍｍ以上、板幅１００ｍｍ以上の厚鋼板に好適に用いることができる。
したがって、本発明の冷却装置を備えた厚鋼板の製造設備であれば、厚鋼板の形状を制御しつつ冷却速度を広い範囲で調整することができるので、様々な強度を持つ厚鋼板を製造可能である。また、本発明の冷却方法によれば、厚鋼板の形状を制御しつつ広い範囲の冷却速度で厚鋼板を冷却できるので、本発明の冷却方法により厚鋼板を冷却する工程を備えた製造方法であれば、様々な強度を持つ厚鋼板を製造できる。
本発明の第一の実施例として、図１に示す厚鋼板のオフライン熱処理設備を用いて厚鋼板を製造した。加熱炉１で室温状態の鋼板（厚み２５ｍｍ、板幅３５００ｍｍ、鋼板長さ７ｍ）の鋼板を９２０℃まで加熱したのちに、加熱炉１後方２．５ｍ位置にある冷却装置２において鋼板温度が１００℃になるように通板速度を調整して冷却した。冷却装置２の構成は、図２と同様であり、テーブルロール３および拘束ロール４の直径は３００ｍｍ、テーブルロール３および拘束ロール４のロールピッチＰは６００ｍｍとし、拘束ロール４間に冷却スプレーノズル５３、５４を設置した（Ｐ／Ｄ＝２．０）。なお、冷却スプレーノズル５３、５４と拘束ロール４は、鋼板搬送方向に対して１５基（冷却装置２長９．０ｍ）設置した。
また、冷却スプレーノズル５３、５４の配置は図３と同じであり、冷却スプレーノズルと鋼板との距離は２００ｍｍとした。大流量冷却スプレーノズル５３は噴射圧力０．４ＭＰａで１５０Ｌ／ｍｉｎ噴射されるフラットスプレーノズルとした。大流量冷却スプレーノズル５３の噴射角度θは１００゜、隣り合う大流量冷却スプレーノズル５３の幅方向ピッチＰ´は１６０ｍｍ、鋼板進行方向に捩り角度αを４８゜とした。この時、噴射圧力が０．４ＭＰａの時の大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度は１５６３Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）となる。小流量冷却スプレーノズル５４は、噴射圧力０．４ＭＰａで４０Ｌ／ｍｉｎ噴射されるフラットスプレーノズルとした。小流量冷却スプレーノズル５４の噴射角度θは１００゜、隣り合う小流量冷却スプレーノズル５４の幅方向ピッチＰ´は１６０ｍｍ、鋼板進行方向に捩り角度αを４８゜とした。この時、噴射圧力が０．４ＭＰａの時の小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度は４１７Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）となる。
図１０は、大流量冷却スプレーノズル５３と小流量冷却スプレーノズル５４における、噴射圧力と流量密度との関係を示すグラフである。
まず、大流量冷却ヘッダ５１に通水し、大流量冷却スプレーノズル５３における噴射圧力を０．４ＭＰａから徐々に低下させたところ、噴射圧力が約０．０４ＭＰａまでは流量調整弁７で圧力調整できたが、これよりも圧力を低くすると流量調整弁７の微妙な開度の違いで圧力が大きく変動したため、安定して圧力の調整ができなかった。大流量冷却スプレーノズル５３の流量密度は、噴射圧力０．４ＭＰａの時は１５６３Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）、噴射圧０．０４ＭＰａの時は４９４Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）であった。
次に、大流量冷却ヘッダ５１の通水を停止して、小流量冷却ヘッダ５２の通水を行った。小流量冷却スプレーノズル５４における噴射圧力が０．４ＭＰａの時の流量密度は４１７Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）であり、大流量冷却スプレーノズル５３の下限水量とほぼ同じ流量密度の冷却水を噴射できることがわかる。また、小流量冷却スプレーノズル５４の噴射圧力を０．４ＭＰａから徐々に低下させたところ、噴射圧力が約０．０４ＭＰａまでは流量調整弁７で圧力調整できたが、これよりも圧力を低くすると流量調整弁７の微妙な開度の違いで圧力が大きく変動して安定して圧力の調整ができなかった。小流量冷却スプレーノズル５４の流量密度は、噴射圧力０．０４ＭＰａの時は１３２Ｌ／（ｍｉｎ・ｍ２）であった。
図１０の結果から、流量密度の異なる冷却スプレーノズルを用いることで、広い範囲の噴霧水量を達成することができることが確認できた。
次に、鋼板を実際に冷却した際の、板厚方向中心において８００℃から４００℃に達するまでの冷却速度と流量密度との関係を図１１に示す。なお、各冷却スプレーノズルは図１０の場合と同様の構成とした。冷却装置の入側と出側に走査型放射温度計（図示しない）を設置しており、鋼板の表面温度を板幅方向及び長手方向に亘って測定している。入側及び出側の温度計の情報を元に伝熱計算で鋼板の板厚方向の平均温度を算出し、水冷中の冷却速度を算出した。冷却速度は板幅中央部かつ鋼板長手方向中央部の測定結果を鋼板中心の冷却速度とした。
図１１に示すように、大流量冷却スプレーノズル５３で冷却することにより約２０〜３０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができるとともに、小流量冷却スプレーノズル５４で冷却することにより約７〜２０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができ、それぞれの冷却スプレーノズルを単体で使用した場合よりも広い範囲で冷却速度の調整が可能であることがわかった。
本発明の第二の実施例として、第一の実施例と同じく、加熱炉１で室温状態の鋼板（厚み２５ｍｍ、板幅３５００ｍｍ、鋼板長さ７ｍ）の鋼板を９２０℃まで加熱したのちに、加熱炉１後方２．５ｍ位置にある冷却装置２において鋼板温度が１００℃になるように通板速度を調整して冷却した際の、板厚方向中心において８００℃から４００℃に達するまでの冷却速度と冷却後の鋼板の幅方向の温度偏差について調べた。なお、幅方向の温度偏差は、走査型放射温度計を用いて幅方向に２０ｍｍピッチ、長手方向に１００ｍｍピッチで測定し、鋼板長手方向中央部における値を幅方向の温度偏差とした。
冷却装置２の構成は図２と同様であり、テーブルロール３および拘束ロール４の直径は表１に示すとおりである。また、大流量スプレーノズル５３および小流量スプレーノズル５４はいずれもフラットスプレーノズルを用い、噴射角度θ、幅方向のピッチＰ´、捩り角度αはそれぞれ表１に示すとおりとした。また、冷却装置２長は９．０ｍとし、拘束ロール４と冷却スプレーノズル５３（５４）の設置数は表１に示すとおりとした。
Figure 2019124241
実施例１〜８について、大流量冷却スプレーノズル５３で冷却することにより約２０〜３０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができるとともに、小流量冷却スプレーノズル５４で冷却することにより約７〜２０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができた。なお、このときの板幅方向の温度偏差はいずれも１５℃未満であった。後に、冷却素材の強度など測定したが、品質には特に問題ないレベルであった。
実施例９〜１６について、大流量冷却スプレーノズル５３で冷却することにより約２０〜３０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができるとともに、小流量冷却スプレーノズル５４で冷却することにより約７〜２０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができた。なお、この時の板幅方向の温度偏差は、２０℃未満であった。温度偏差は、Ｐ／Ｄが２．０の時よりも若干拡大したものの、後に冷却素材の強度など測定し、品質には特に問題ないレベルであった。
比較例１〜８は、拘束ロールピッチＰを実施例１〜８よりも大きくした例である。Ｐ／Ｄは３．０であり、本発明の範囲外である。大流量冷却スプレーノズル５３で冷却することにより約２０〜３０℃／ｓの範囲で、小流量冷却スプレーノズル５４で冷却することにより約７〜２０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができた。一方、すべての条件において、鋼板が波形状に変形していた。冷却作業中に、冷却装置２入側の拘束ロール４を目視観察したところ、拘束ロール４と鋼板の間に隙間があり、この隙間から幅方向の一部に冷却水が漏えいし、鋼板を局所的に冷却していたためと考えられる。また、冷却後の板幅方向の温度偏差は、２７〜６０℃の範囲でばらついており、後に冷却素材の強度など測定したところ、漏えい水が乗っていた部位の鋼板の硬度が高くなり、品質上問題があった。
比較例９〜１６は、本発明の実施例１〜８に対して、ロール径Ｄを小さくした例である。Ｐ／Ｄは２．７であり、本発明の範囲外である。大流量冷却スプレーノズル５３で冷却することにより約２０〜３０℃／ｓの範囲で、小流量冷却スプレーノズル５４で冷却することにより約７〜２０℃／ｓの範囲で冷却速度を調整することができた。一方、すべての条件において、鋼板が波形状に変形していた。冷却作業中に、冷却装置侵入側の拘束ロールを目視観察したところ、拘束ロールと鋼板の間に隙間があり、この隙間から幅方向の一部に冷却水が漏えいし、鋼板を冷却していたためと考えられる。また、この時の板幅方向の温度偏差は、３５〜６０℃の範囲でばらついており、後に冷却素材の強度など測定したところ、漏えい水が乗っていた部位の鋼板の硬度が高くなり、品質上問題があった。
１ 加熱炉
２ 冷却装置
３ テーブルロール
４ 拘束ロール
５ 冷却ヘッダ
５１ 大流量冷却ヘッダ
５２ 小流量冷却ヘッダ
５３ 大流量冷却スプレーノズル
５４ 小流量冷却スプレーノズル
５５ 噴霧水
５６ 噴霧水
５７ 中流量冷却ヘッダ
５８ 中流量冷却ヘッダ
５９ 中流量冷却スプレーノズル
６０ 中流量冷却スプレーノズル
６ 流量計
７ 流量調整弁
８ 圧延機
９ 熱間矯正機
Ｓ 厚鋼板
Ｐ 拘束ロールピッチ
Ｄ 拘束ロール径
Ｇ ロール間ギャップ
Ｌ 噴霧長さ
Ｈ ノズル高さ
Ｐ´ （幅方向の）ピッチ
θ 噴射角度
α 捩り角度

Claims (8)

  1. 鋼板搬送方向に拘束ロールを複数設置し、各拘束ロール間に複数の冷却ヘッダを配置した冷却装置において、
    拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを２．５以下とし、
    それぞれの冷却ヘッダは、２つ以上の冷却水供給系統のいずれかに接続され、
    各冷却水供給系統には給水のオンオフ及び流量制御が独立して可能なように調整弁が取り付けられており、
    各冷却ヘッダには、鋼板幅方向に複数の冷却スプレーノズルが取り付けられており、
    鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる冷却水供給系統の冷却ヘッダに接続されるとともに、
    鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは、最小の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水を噴射可能であり、
    各冷却水供給系統を個別に選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射するように調整弁を用いて制御する制御機構
    を備える厚鋼板の冷却装置。
  2. 各冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離は、拘束ロール中心軸高さに対して±５０ｍｍ以下の範囲の位置になるように設置されてなる請求項１に記載の厚鋼板の冷却装置。
  3. 各冷却スプレーノズルは、フラットスプレーノズル、フルコーンスプレーノズル、角吹きスプレーノズル、楕円吹きスプレーノズルのいずれか１種以上であり、各冷却スプレーノズルから冷却水が噴射される際の冷却水の噴射角度は６０〜１２０゜の範囲である請求項１または２に記載の厚鋼板の冷却装置。
  4. 鋼板搬送方向に拘束ロールを複数設置し、各拘束ロール間に複数の冷却ヘッダを配置した冷却装置を用いる厚鋼板の冷却方法において、
    拘束ロールピッチＰと拘束ロール径Ｄとの比率Ｐ／Ｄを２．５以下とし、
    それぞれの冷却ヘッダは、２つ以上の冷却水供給系統のいずれかに接続され、
    各冷却水供給系統には給水のオンオフ及び流量制御が独立して可能なように調整弁が取り付けられており、
    各冷却ヘッダには、鋼板幅方向に複数の冷却スプレーノズルが取り付けられており、
    鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルはそれぞれ異なる冷却水供給系統の冷却ヘッダに接続されるとともに、
    鋼板幅方向に隣り合う冷却スプレーノズルから噴射される冷却水の流量密度は相異なる流量密度とし、同一の噴射圧力に対して、最大の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからは、最小の流量密度の冷却水を噴射する冷却スプレーノズルからの３倍以上の流量密度の冷却水を噴射可能であり、
    各冷却水供給系統を個別に選択して冷却スプレーノズルから冷却水を噴射するように調整弁を用いて制御する
    厚鋼板の冷却方法。
  5. 各冷却スプレーノズルの先端から鋼板までの距離は、拘束ロール中心軸高さに対して、±５０ｍｍ以下の範囲の位置になるように設置されてなる請求項４に記載の厚鋼板の冷却方法。
  6. 各冷却スプレーノズルは、フラットスプレーノズル、フルコーンスプレーノズル、角吹きスプレーノズル、楕円吹きスプレーノズルのいずれか１種以上であり、各冷却スプレーノズルから冷却水が噴射される際の冷却水の噴射角度は６０〜１２０゜の範囲である請求項４または５に記載の厚鋼板の冷却方法。
  7. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置を備えた厚鋼板の製造設備。
  8. 請求項４〜６のいずれかに記載の冷却方法で冷却する工程を有する厚鋼板の製造方法。
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