KR20100102232A - 압연 강재의 냉각 장치 및 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 압연 강재의 냉각 장치이며, 상기 압연 강재의 길이 방향을 따라서 배치된 복수의 챔버를 구비한다. 상기 복수의 챔버는 각각, 상기 챔버로부터 상기 압연 강재를 향해, 상기 챔버에 접속된 기체 도입구로부터 챔버로 도입된 상기 냉각용 가압 공기를 분출하는 분출구와, 이 분출구에 상기 압연 강재에 면하도록 설치되어, 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트와, 상기 챔버 내에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐과, 상기 기체 도입구와 상기 냉각수 공급 노즐 사이에 설치되어, 상기 기체 도입구로부터 도입된 상기 냉각용 가압 기체가 상기 노즐 플레이트에 직접 접촉하는 것을 방지하는 정류판을 구비한다. 본 발명의 냉각 장치는 상기 냉각수 공급 노즐로부터 공급된 상기 냉각수와, 상기 기체 도입구로부터 도입되어 상기 정류판에 의해 정류된 냉각용 가압 기체가 혼합된 냉각 매체를 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍을 통해, 상기 압연 강재를 향해 분사하여, 이 압연 강재의 표면의 균일 냉각을 행한다.

Description

압연 강재의 냉각 장치 및 냉각 방법 {COOLING SYSTEM AND COOLING METHOD OF ROLLING STEEL}
본 발명은 열간 압연된 레일 등의 장척 압연 강재를 냉각하는 냉각 장치 및 냉각 방법에 관한 것이다.
본원은 2008년 2월 27일에 일본 출원된 일본 특허 출원 제2008-046461과 2008년 2월 28일에 일본 출원된 일본 특허 출원 제2008-048383에 기초하여 우선권을 주장하고, 그들의 내용을 여기에 원용한다.
중하중 철도나 곡선 구간에 사용되는 철도용 레일은 통상의 레일 이상으로 내마모성이 요구된다. 이로 인해, 열간 압연 후에, 오스테나이트 영역 온도로부터 펄라이트 변태가 종료될 때까지의 동안, 가속 냉각에 의해 레일 헤드부의 강도를 높이는 처리가 행해지고 있다. 최근에는, 가일층의 내마모성 향상을 위해, 과공석 영역까지 탄소량을 증가시킨 펄라이트계 레일이 개발되어, 실용화되고 있다(특허 문헌 1 참조).
그러나, 내마모성을 향상시키기 위해 탄소량을 증가시키면, 레일 헤드부에 초석 시멘타이트가 생성되기 쉬워져, 레일의 인성 및 연성이 크게 저하된다고 하는 문제점이 있었다.
따라서, 특허 문헌 2에서는, 레일 기둥부의 초석 시멘타이트의 생성을 억제하고, 또한 레일 헤드부에 있어서 시멘타이트 비율이 높고, 고경도의 펄라이트 조직을 안정적으로 생성시키기 위해, 레일 헤드부를 오스테나이트 영역 온도로부터 700 내지 500℃까지의 동안, 1 내지 10℃/s로 가속 냉각하고, 또한 레일 기둥부를 오스테나이트 영역 온도로부터 750 내지 600℃까지의 동안, 1 내지 10℃/s로 가속 냉각하는 펄라이트계 레일의 제조법이 개시되어 있다.
한편, 레일의 가속 냉각 방법으로서는, 냉각 매체의 차이에 의해, (1) 미스트를 사용하는 방법(특허 문헌 3 내지 5 참조), (2) 공기 등의 기체를 사용하는 방법(특허 문헌 6, 7 참조), (3) 레일 헤드부를 냉각액에 침지하는 방법(특허 문헌 8, 9 참조)이 알려져 있다.
일본 특허 출원 공개 평8-144016호 공보 일본 특허 출원 공개 평9-137228호 공보 일본 특허 출원 공개 소47-7606호 공보 일본 특허 출원 공개 소54-147124호 공보 일본 특허 출원 공개 평8-319515호 공보 일본 특허 출원 공개 소61-149436호 공보 일본 특허 출원 공개 소61-279626호 공보 일본 특허 출원 공개 소57-85929호 공보 일본 특허 출원 공개 평8-170120호 공보
고탄소 레일강에 있어서 펄라이트 조직을 안정적으로 생성시키기 위해서는, 가속 냉각 시에 있어서의 냉각 속도를, 보다 빠르게 할 필요가 있다. 그러나, 상술한 종래의 가속 냉각 방법에 의해, 이것을 실현하려고 한 경우, 이하와 같은 과제가 있다.
액적이 고온 물체와 접촉하면, 액적과 고온 물체 사이에 증기막이 형성되어, 액적이 고온 물체 상을 부유하는 라이덴프로스트 현상이 발생한다. 냉각 매체로 액체를 사용하는 (1)과 (3)의 방법의 경우, 레일 표면에 형성되는 증기막에 의해, 레일과 냉각 매체의 접촉이 저해되어, 냉각 속도에 편차가 발생한다. 그 결과, 레일에 온도 편차가 발생하고, 온도 편차가 커지면, 강 조직에도 편차가 발생할 우려가 있다.
또한, 기체를 냉각 매체로 사용하는 (2)의 방법은 액체에 의한 냉각 방법에 비해 냉각 속도가 느리다고 하는 난점이 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 장척의 압연 강재 표면에 있어서의 증기막의 형성을 억제하여 냉각 속도를 대폭으로 향상시키는 동시에, 균일한 가속 냉각이 가능한 압연 강재의 냉각 장치 및 냉각 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 압연 강재의 냉각 장치이며, 상기 압연 강재의 길이 방향을 따라서 배치된 복수의 챔버를 구비한다. 상기 복수의 챔버는 각각, 상기 챔버로부터 상기 압연 강재를 향해, 상기 챔버에 접속된 기체 도입구로부터 챔버로 도입된 상기 냉각용 가압 공기를 분출하는 분출구와, 이 분출구에 상기 압연 강재에 면하도록 설치되어, 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트와, 상기 챔버 내에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐과, 상기 기체 도입구와 상기 냉각수 공급 노즐 사이에 설치되어, 상기 기체 도입구로부터 도입된 상기 냉각용 가압 기체가 상기 노즐 플레이트에 직접 접촉하는 것을 방지하는 정류판을 구비한다. 본 발명의 냉각 장치는 상기 냉각수 공급 노즐로부터 공급된 상기 냉각수와, 상기 기체 도입구로부터 도입되어 상기 정류판에 의해 정류된 냉각용 가압 기체가 혼합된 냉각 매체를 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍을 통해, 상기 압연 강재를 향해 분사하여, 이 압연 강재의 표면의 균일 냉각을 행한다.
냉각 매체로 액체를 사용하면, 큰 냉각 능력을 확보할 수 있지만, 압연 강재의 표면에 형성되는 증기막에 의해, 냉각 속도에 편차가 발생하여, 불균일한 냉각으로 된다. 따라서, 본 발명에서는 압연 강재를 향해 분출구로부터 냉각용 가압 기체를 분출하는 챔버 내에, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐을 설치하여, 냉각용 가압 기체와 냉각수를 혼합하여 노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 압연 강재 표면에 대해 수직 방향(바람직하게는 수직)으로 미스트 분사함으로써 물방울의 충돌 속도를 높여, 압연 강재에 부착되는 물방울을 신속하게 제거한다. 이에 의해, 증기막의 형성이 저해되어, 냉각 속도를 변동시키지 않고, 균일한 냉각이 가능해진다.
또한, 냉각수에 대한 냉각용 가압 기체의 비율을 높인 고기수비(高氣水比)의 노즐의 사용도 생각되지만, 장척 압연 강재를 한번에 균일하게 냉각하려고 하면, 다수의 노즐이 필요해지는 동시에, 노즐의 메인터넌스가 빈번하게 발생하므로, 공업화 설비로서는 현실적이지 않다.
노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 분출되는 냉각용 가압 기체에 대해, 챔버의 길이 방향, 즉 압연 강재의 길이 방향의 토출 분포를 보면, 기체 도입구 근방이 토출량이 가장 많고, 기체 도입구로부터 이격됨에 따라서 토출량은 감소한다. 이 상태에서, 냉각수 공급 노즐로부터 노즐 플레이트를 향해 냉각수를 공급시킨 경우, 냉각용 가압 기체의 흐름이 강한 기체 도입구 근방에서는, 물방울이 배후로부터의 냉각용 가압 기체에 밀려, 노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 분사되는 수량이 감소한다. 그 결과, 챔버 전체에서 수량에 편차가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는, 기체 도입구와 냉각수 공급 노즐 사이에 정류판을 설치하여, 기체 도입구로부터 도입된 냉각용 가압 기체가 정류판을 통해 챔버 전체에 흐르도록 함으로써, 챔버 전체에 관한 수량의 편차를 방지하고 있다.
또한, 본 발명에 관한 압연 강재의 냉각 장치에서는 상기 정류판에 복수의 구멍을 형성해도 좋다.
단, 구멍을 형성하는 경우에는, 상기 노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 분출하는 냉각용 가압 기체의 토출량이 상기 챔버의 길이 방향에서 균일해지도록, 상기 기체 도입구에 면하는 개소에 형성된 상기 구멍의 단위 면적당의 합계 면적이, 다른 개소에 형성된 상기 구멍의 단위 면적당의 합계 면적보다 작아지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 압연 강재의 냉각 장치에서는 상기 냉각수 공급 노즐을 상기 노즐 플레이트에 지향시키는 것이 바람직하다.
상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비가 1000 내지 50000이라도 좋다.
상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비는, 기수비(氣水比)라고 불린다.
고기수비의 경우, 압연 강재의 표면에 형성된 증기막이 냉각용 가압 기체에 의해 배제되므로, 증기막의 형성이 저해되어, 안정된 냉각이 확보된다. 이때, 기수비를 1000 미만으로 하면, 냉각 속도의 편차가 크고, 기수비가 50000을 초과하면, 냉각 효과가 포화된다.
상기 냉각용 가압 기체는 공기 또는 질소라도 좋다.
본 발명에서는 냉각 매체의 종류는 상관없지만, 취급 용이와 경제성의 점에서, 공기 또는 질소가 바람직하다.
상기 냉각수가, 상기 냉각수 공급 노즐로부터 미스트 상태, 샤워 상태, 또는 유수 상태로 공급되어도 좋다.
냉각수 공급 노즐로부터 공급되는 물방울의 입경에 관계없이, 노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 분사되는 미스트의 입경 분포는, 대략 동일 경향에 있는 것이 본 발명자들의 실험에 의해 확인되었다. 이 이유로서는, 챔버 내에서 공급된 냉각수가 노즐 플레이트에서 일단 합체하고, 합체한 냉각수가 냉각용 가압 기체와 함께 노즐 플레이트의 구멍으로부터 분사될 때에 재분산되기 때문일 것이라고 생각된다.
따라서, 공급되는 냉각수는 미스트 상태, 샤워 상태, 유수 상태 중 어느 것이라도 좋고, 냉각수 공급 노즐로부터 냉각수만 공급해도 좋고, 냉각수와 냉각용 가압 기체를 혼합하여 공급해도 좋다. 요컨대, 노즐 플레이트 상에 소정의 수량이 공급되면 된다.
상기 압연 강재가 레일이고, 이 레일의 헤드 정상부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버가 배치되어, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 헤드 정상부를 향해 상기 냉각 매체가 분사되어도 좋고, 상기 레일의 헤드측부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버가 배치되어, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 헤드측부를 향해 상기 냉각 매체가 분사되어도 좋다. 이와 같이 함으로써, 레일 헤드부의 표면에 대해 수직 방향으로 미스트 분사할 수 있다.
상기 각 챔버는, 상기 챔버는, 상기 기체 도입구를 형성하기 위해, 그 폭이 넓게 형성된 폭 확장부와, 이 폭 확장부보다도 폭이 좁게 형성된 폭 축소부와, 상기 폭 확장부와 상기 폭 축소부 사이에서 이들을 서로 연결하는 경사부로 형성되고, 상기 분출구가 상기 폭 축소부의 단부에 설치되어 있어도 좋다.
상기 압연 강재가 레일이고, 상기 챔버가 상기 레일의 상방에 배치되어, 상기 챔버의 상기 폭 확장부 내에, 상기 정류판이 수평 상태로 배치되어, 이 정류판의 측단부와 상기 폭 확장부의 내벽 사이를 상기 냉각용 가압 기체가 통과하도록 간극이 형성되어도 좋다.
또한, 본 발명에 관한 압연 강재의 냉각 장치에서는 상기 챔버를 상기 레일의 측방에 배치하는 경우에도, 레일의 헤드 정상부에 대향하여 배치되는 챔버와 동일한 구성의 챔버를 횡방향(90도 회전)으로 하여, 레일의 측방의 양측에 배치된다.
본 발명의 열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 냉각 방법은, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐과, 기체 도입구를 통해 도입된 냉각용 가압 공기와 상기 냉각수를 혼합한 냉각 매체를 분출하는 분출구와, 상기 분출구의 단부에 설치되어 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트를 갖는 복수의 챔버를 구비하는 냉각 장치를 사용하여, 열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 냉각 방법이다. 상기 기체 도입구를 통해 상기 챔버에 도입된 상기 냉각용 가압 공기를, 상기 기체 도입구와 상기 냉각수 공급 노즐 사이에 배치된 정류판에 의해, 상기 챔버에 도입된 상기 냉각용 가압 공기가 상기 분출구를 직접 향하지 않도록 정류하고, 상기 정류판에 의해 정류된 냉각용 가압 공기와, 상기 냉각수 공급 노즐로부터 공급된 냉각수를 혼합하여 상기 냉각 매체로 하고, 상기 냉각 매체를, 상기 분출구를 따라서 배치된 상기 압연 강재의 표면을 향해, 상기 노즐 플레이트의 복수의 노즐 구멍을 통해 50 내지 200m/초의 속도로 분사하여, 상기 압연 강재의 전체 길이를 균일하게 냉각한다.
충돌 속도를 빠르게 할수록 높은 냉각 속도가 얻어져, 충돌 속도를 50m/s 이상으로 하면, 냉각 속도의 편차가 ±1.5℃ 정도까지 저감되는 것이 판명되었다. 또한, 충돌 속도가 200m/s를 초과하면, 냉각 효과가 포화된다.
상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비를 1000 내지 50000으로 해도 좋다.
상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비는, 기수비라고 부른다.
고기수비의 경우, 압연 강재의 표면에 형성된 증기막이 냉각용 가압 기체에 의해 배제되므로, 증기막의 형성이 저해되어, 안정된 냉각이 확보된다. 이때, 기수비를 1000 미만으로 하면, 냉각 속도의 편차가 크고, 기수비가 50000을 초과하면, 냉각 효과가 포화된다.
또한, 본 발명에 관한 압연 강재의 냉각 방법에서는, 상기 냉각수 공급 노즐을 상기 노즐 플레이트에 지향시켜 상기 냉각수를 공급하는 것이 바람직하다.
상기 냉각용 가압 기체는 공기 또는 질소라도 좋다.
본 발명에서는 냉각 매체의 종류는 상관없지만, 취급 용이와 경제성의 점에서, 공기 또는 질소가 바람직하다.
상기 냉각수 공급 노즐로부터 상기 냉각수를, 미스트 상태, 샤워 상태, 또는 유수 상태로 공급하도록 해도 좋다.
열간 압연 후의 상기 압연 강재의 냉각 개시 온도를 오스테나이트 영역 온도 이상으로 하는 동시에, 이 압연 강재의 냉각 종료 온도를 450 내지 600℃로 해도 좋다.
냉각 개시 온도를 오스테나이트 영역 온도 이상, 또한 냉각 종료 온도를 적어도 600℃ 이하로 하지 않으면, 켄칭이 발생하지 않아 바람직하지 않기 때문이다. 한편, 450℃ 미만까지 가속 냉각을 계속하면, 레일 헤드부에 마르텐사이트 조직이 발생하므로, 경도는 증가하지만 연성 인성이 저하되므로 바람직하지 않다.
상기 압연 강재가 레일이고, 이 레일의 헤드 정상부 및 헤드측부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버를 배치하여, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 상기 헤드 정상부 및 상기 헤드측부를 향해 상기 냉각 매체를 분사해도 좋다. 이와 같이 함으로써, 레일 헤드부의 표면에 대해 수직 방향으로 미스트 분사할 수 있다.
본 발명에 관한 압연 강재의 냉각 장치 및 냉각 방법에서는, 압연 강재를 향해 분출구로부터 냉각용 가압 기체를 분출하는 챔버 내에, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐을 설치하여, 냉각용 가압 기체와 냉각수를 혼합하여 노즐 플레이트로부터 노즐 구멍을 통해 압연 강재 표면에 대해 수직 방향으로 미스트 분사시킴으로써 물방울의 충돌 속도를 높게 하여, 압연 강재에 부착되는 물방울을 신속하게 제거한다. 이에 의해, 증기막의 형성이 저해되어, 냉각 속도를 변동시키지 않고, 균일한 냉각이 가능해지고, 또한 안정된 가속 냉각도 가능해진다.
또한, 기체 도입구와 냉각수 공급 노즐 사이에 정류판을 설치하여, 기체 도입구로부터 도입된 냉각용 가압 기체가, 정류판을 통해 챔버 전체에 균일하게 흐르도록 함으로써, 챔버 내의 전체에서의 수량 밀도의 편차를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 압연 강재의 냉각 장치를 도시하는 모식도이다.
도 2는 상기 냉각 장치의 노즐 플레이트의 평면도이다.
도 3은 냉각수를 공급하는 배관과 냉각수 공급 노즐 부분의 사시도이다.
도 4a는 냉각수 공급 노즐의 냉각수의 공급 상황을 도시한 모식도이다.
도 4b는 도 4a의 냉각수 공급 노즐의 위치와 수량 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 챔버 내에 정류판이 설치된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 6a는 챔버 내에 정류판이 없는 상태에 있어서의 공기의 토출 분포 및 미스트의 수량 밀도 비율을 나타낸 그래프이다.
도 6b는 도 6a의 상태에 있어서의 챔버 내의 공기의 흐름을 도시한 모식도이다.
도 7a는 블로워의 바로 아래에 정류판이 설치된 상태에 있어서의 공기의 토출 분포 및 미스트의 수량 밀도 비율을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 도 7a의 상태에 있어서의 챔버 내의 공기의 흐름을 도시한 모식도이다.
도 8은 미스트의 충돌 속도와 냉각 속도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 기수비와 냉각 속도의 편차의 관계를 나타낸 그래프이다.
계속해서, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명을 구체화한 실시 형태에 대해 설명하고, 본 발명의 이해에 제공한다. 또한, 이하에서는, 장척의 압연 강재로서 레일을 예로 들어 설명한다.
본 발명의 일 실시 형태에 관한 압연 강재의 냉각에 사용하는 냉각 장치(이하, 단순히 냉각 장치라고 함)(10, 20)는 열간 압연된 레일(30)을 냉각하는 냉각 장치이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 레일(30)의 헤드 정상부(31)에 대향하여 냉각 장치(10)가 배치되고, 양 헤드측부(32)에 각각 대향하여 냉각 장치(20)가 배치된다. 냉각 장치(10)와 레일(30)의 헤드 정상부(31)의 거리 및 냉각 장치(20)와 레일(30)의 헤드측부(32)의 거리는 각각 수㎜ 내지 수십㎜로 된다.
냉각 장치(10)는 레일(30)의 길이 방향으로 가늘고 긴 형상(길이 방향의 치수는 1000 내지 5000㎜ 정도)의 상자형의 챔버(11)를 복수 갖고 있다. 레일(30)의 전체 길이를 동시에 냉각할 필요가 있으므로, 복수의 챔버(11)가, 레일(30)의 길이 방향을 따라서, 레일(30)의 전체 길이에 걸쳐서 일렬로 연속해서 배치된다. 즉, 챔버(11)의 수는 레일(30)의 길이에 따라서 결정된다. 1개당의 챔버(11)의 길이는, 예를 들어 5m 내지 10m 정도가 바람직하다. 그로 인해, 예를 들어, 레일(30)의 길이가 50m인 경우에는, 일렬로 연속해서 배치되는 챔버(11)의 수는, 5 내지 10개로 된다. 또한, 레일(30)의 길이가 100m인 경우에는, 일렬로 연속해서 배치되는 챔버(11)의 수는 10 내지 20개로 된다.
상기의 것은 본 발명의 챔버의 길이나 수를 한정하는 것은 아니고, 실제의 제조 설비에서는, 그 설비에 있어서 제조되는 압연 강재의 최대 압연 길이를 덮는 분만큼 챔버를 배치하여, 실제의 압연 길이에 따라서 가동하는 챔버의 수를 선택하게 된다.
이하, 개개의 챔버(11, 21)에 대해 상세하게 설명한다.
냉각 장치(10)의 챔버(11)에는, 도시하지 않은 블로워로부터 송출되는 공기(냉각용 가압 기체의 일례)를 도입하는 기체 도입구(13)가 상부에 접속되어 있다. 이 상자형의 챔버(11) 내에는 배관(17)을 통해 공급되는 냉각수를 레일(30)의 헤드 정상부(31)의 방향으로 공급하도록 냉각수 공급 노즐(15)이 설치되어 있다. 챔버(11)의 하류측의 단부에는 분출구(12)가 형성되어, 블로워로부터의 공기에 의해, 공급된 냉각수를 분출구(12)를 향해 밀도록 구성되어 있다.
챔버(11)는 상부에 기체 도입구(13)를 형성하기 위해, 그 폭이 넓게 형성된 폭 확장부(11a)와, 분출구(12)가 하류측의 단부에 형성되고, 폭 확장부(11a)보다도 폭이 좁은 폭 축소부(11c)와, 폭 확장부(11a)와 폭 축소부(11c) 사이에서 이들을 연결하는 테이퍼 형상의 경사부(11b)로 형성된다. 레일(30)에 대향하는 분출구(12)에는 복수의 노즐 구멍(14c)(도 2 참조)을 갖는 노즐 플레이트(14)가, 레일(30)의 헤드 정상부(31)와 평행이 되도록 장착되어 있다. 또한, 폭 확장부(11a) 내에서, 기체 도입구(13)와 냉각수 공급 노즐(15) 사이에는 기체 도입구(13)로부터 도입된 공기가 노즐 플레이트(14)에 직접 접촉하는 것을 방지하는 정류판(16)이 수평 상태로 설치되어 있다.
한편, 냉각 장치(20)의 챔버(21)도, 도시하지 않은 블로워로부터 송출되는 공기를 도입하는 기체 도입구(23)가 접속되어 있다. 상자형의 챔버(21) 내에는, 배관(27)을 통해 공급되는 냉각수를 레일(30)의 헤드측부(32)의 방향으로 공급하도록 냉각수 공급 노즐(25)이 설치되어 있다. 챔버(21)의 하류측의 단부에는, 분출구(22)가 형성되어, 블로워로부터의 공기에 의해, 공급된 냉각수를 분출구(22)를 향해 밀도록 구성되어 있다.
챔버(21)는 측부에 기체 도입구(23)를 형성하기 위해, 그 폭이 넓게 형성된 폭 확장부(21a)와, 분출구(22)가 하류측의 단부에 형성되고, 폭 확장부(21a)보다도 폭이 좁은 폭 축소부(21c)와, 폭 확장부(21a)와 폭 축소부(21c) 사이에서 이들을 연결하는 테이퍼 형상의 경사부(21b)로 형성된다. 레일(30)에 대향하는 분출구(22)에는 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트(24)가, 레일(30)의 헤드측부(32)와 평행이 되도록 장착되어 있다. 또한, 폭 확장부(21a) 내에서, 기체 도입구(23)와 냉각수 공급 노즐(25) 사이에는, 챔버(21) 전체에 균일하게 기체가 분산되어 흐르도록 정류판(26)이 설치되어 있다.
다음에, 냉각 장치(10)의 노즐 플레이트(14), 냉각수 공급 노즐(15) 및 정류판(16)에 대해 상세하게 설명하지만, 냉각 장치(20)의 노즐 플레이트(24), 냉각수 공급 노즐(25) 및 정류판(26)도 대략 마찬가지이다.
노즐 플레이트(14)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어 직경 2 내지 10㎜ 정도의 다수의 노즐 구멍(14c…)이 소요의 간격(예를 들어, 2㎜ 내지 10㎜ 정도의 간격)을 두고 규칙적으로 형성되어 있다. 또한, 미스트(공기와 냉각수의 혼합체로 이루어지는 냉각 매체)가 레일(30)의 헤드 정상부(31) 전체 폭에 수직으로 접촉하도록, 노즐 구멍(14c)이 형성되어 있는 영역의 짧은 방향[레일(30)의 폭 방향]의 폭(W)은 레일(30)의 헤드 정상부(31)의 폭과 대략 동일하게 되어 있다.
챔버(11) 내에 레일(30)의 길이 방향과 평행이 되도록 배관(17)이 배치되어, 도 3에 도시한 바와 같이, 이 배관(17)으로부터 복수의 분기관(17a…)이 하방을 향해 분기되어 있다. 냉각수 공급 노즐(15)은 분기관(17a)의 각 선단에 장착되어 있다. 냉각수 공급 노즐(15)로부터 공급되는 냉각수는 미스트 상태, 샤워 상태, 유수 상태의 어느 것이라도 좋다.
또한, 냉각수 공급 노즐(15)로부터 냉각수만을 공급해도 좋고, 냉각수와 공기를 혼합하여 공급해도 좋다.
냉각수 공급 노즐(15)로부터 공급되는 물방울이 노즐 플레이트(14)를 향해 분사되도록, 노즐 플레이트(14)로부터 노즐 구멍(14c)을 통해 분사되는 미스트의 수량 밀도는 균일하게 한다(도 4a, 도 4b 참조).
정류판(16)은, 도 5에 도시한 바와 같이 평면에서 볼 때 챔버(11)의 적어도 기체 도입구(13) 상당부의 바로 아래에 배치된다. 또한, 정류판(16)의 측단부와 폭 확장부(11a)의 내벽 사이에는 공기가 통과하도록 간극이 형성되어 있다. 이에 의해, 기체 도입구(13)로부터 도입된 공기는 정류판(16)에 의해 챔버(11) 전체에 분산되어 균일하게 흘러, 챔버(11) 내에 있어서의 수량 밀도 분포의 편차가 방지된다.
또한, 도시하지 않지만, 정류판에 다수의 구멍을 형성해도 좋고, 또한 그때 복수의 기체 도입구의 각 바로 아래에 형성되는 구멍의 단위 면적당의 합계 면적이, 다른 개소에 형성되는 구멍의 단위 면적당의 합계 면적보다 작아지도록 함으로써, 노즐 플레이트(14)로부터 노즐 구멍(14c)을 통해 분사되는 미스트가 챔버(11)의 길이 방향에서 균일해지도록 해도 좋다.
도 6a는 챔버(11) 내에 정류판이 없는 상태(도 6b 참조)에 있어서의 공기의 토출 분포 및 미스트의 수량 밀도 비율을 나타낸 그래프이다. 냉각수 공급 노즐(15)과 노즐 플레이트(14)의 거리는 100㎜, 인접하는 냉각수 공급 노즐(15) 사이의 간격은 500㎜로 하여, 냉각수 공급 노즐(15) 사이의 중앙에 기체 도입구(13)가 위치하고 있다(거리 및 간격은 모두 시험예).
챔버(11) 내에 정류판이 없는 경우, 챔버(11)의 길이 방향에 관한 공기의 토출량은 기체 도입구(13) 바로 아래가 크고, 기체 도입구(13)로부터 이격됨에 따라서 작아진다. 이 상태에서, 냉각수 공급 노즐(15)로부터 미스트를 공급한 경우, 공기의 흐름이 강한 기체 도입구(13) 바로 아래에서는, 미스트가 공기에 밀리기 때문에, 노즐 플레이트(14)로부터 노즐 구멍(14c)을 통해 분사되는 미스트의 양은 감소한다. 이로 인해, 챔버(11) 길이 방향의 수량은 불균일해진다.
도 7a는 기체 도입구(13)의 바로 아래에 적절한 형상의 정류판(16)을 설치한 상태(도 7b 참조)에 있어서의 공기의 토출 분포 및 미스트의 수량 밀도 비율을 나타낸 그래프이다. 다른 조건은 도 6a 및 도 6b와 동일한 조건이다. 정류판(16)과 노즐 플레이트(14)의 거리는 185㎜(시험예)이다.
기체 도입구(13)의 바로 아래에 정류판(16)을 설치한 경우, 기체 도입구(13)로부터 챔버(11) 내로 도입된 공기는 정류판(16)에 일단 충돌한 후, 챔버(11) 전체에 분산되므로, 노즐 플레이트(14)로부터 노즐 구멍(14c)을 통해 분출하는 공기의 토출량은 챔버(11) 전체에서 균일해진다.
기체 도입구(13)로부터 도입된 공기는 정류판(16)에 의해 챔버(11)의 길이 방향으로도 흐르기 때문에, 챔버(11)의 길이 방향의 수량 분포는 균일해진다.
상기 구성을 갖는 냉각 장치(10, 20)를 사용하여 레일 헤드부를 냉각하는 경우, 노즐 플레이트(14, 24)로부터 노즐 구멍을 통해 분사되는 공기와 냉각수의 혼합체로 이루어지는 냉각 매체의 기수비를 1000 내지 50000, 레일 헤드부로의 미스트의 충돌 속도를 50 내지 200m/s로 하고, 레일(30)의 헤드 정상부(31)에 대향하여 배치한 노즐 플레이트(14)로부터 노즐 구멍(14c)을 통해 상기 헤드 정상부(31)를 향해 냉각 매체를 미스트 분사한다. 또한 이것과 동시에, 레일(30)의 헤드측부(32)에 대향하여 배치한 노즐 플레이트(24)로부터 노즐 구멍을 통해 상기 헤드측부(32)를 향해 냉각 매체를 미스트 분사한다. 그리고, 오스테나이트 영역 온도로부터 450 내지 600℃까지의 사이에 대해 레일 헤드부를 균일하게 냉각한다.
냉각 온도를 상기와 같이 정한 이유는, 냉각 개시 온도를 오스테나이트 영역 온도 이상, 또한 냉각 종료 온도를 적어도 600℃ 이하로 하지 않으면, 켄칭을 실시하는 데 바람직하지 않기 때문이다. 한편, 450℃ 미만까지 가속 냉각을 계속하면, 레일 헤드부에 마르텐사이트 조직이 발생하므로, 경도는 증가하지만 연성 인성이 저하되므로 바람직하지 않다.
도 8은 실험에 의해 얻어진, 미스트의 충돌 속도와 냉각 속도의 관계를 그래프화한 것이다.
냉각수 공급 노즐은 주식회사 이께우찌제의 노즐 BIM J 2015, 공시체는 길이 100㎜의 141파운드 레일로 하고, 공시체의 헤드 정상부로부터 깊이 2㎜의 위치에 열전대를 매립한 것을 사용하였다.
공시체를 가열로로 820℃까지 가열한 후, 취출하여 750℃로부터 본 냉각 장치에 의한 냉각을 개시하여, 500℃ 이하로 될 때까지 냉각하였다. 냉각 조건은 토출 냉각 수량 밀도를 70L(리터)/㎡ㆍmin 일정으로 하고, 공기의 양을 변화시켜 미스트의 충돌 속도를 10, 20, 50, 150, 200m/s의 5조건으로 설정하였다. 또한, 이때의 공기압은 1.1 내지 1.2 기압으로 하였다.
미스트의 충돌 속도(Va)는 토출 속도를 Ve, 분출구와 레일 사이의 거리를 h, 분출 구경을 d로 하여, 다음 식에 의해 산출하였다.
Va ＝ 6.39 × Ve/(h/d ＋ 0.6)
각 충돌 속도에 대해 10회씩 실험을 행하여, 열전대의 지시값이 750℃로부터 500℃까지에 소요된 시간으로부터 냉각 속도를 구하였다. 그 결과, 충돌 속도를 빠르게 할수록 높은 냉각 속도가 얻어져, 충돌 속도를 50m/s 이상으로 하면, 냉각 속도의 편차가 ±1.5℃ 정도까지 저감되어 안정되는 것이 판명되었다. 또한, 충돌 속도가 200m/s를 초과하면, 설비의 대형화나 러닝 코스트의 증대를 수반하여, 현실적이지 않다.
또한, 표 1은 기수비와 냉각 속도의 관계를 나타낸 것이다. 표 1로부터, 기수비를 1000 이상으로 하면, 냉각 속도의 표준 편차가 2.2 이하로 되고, 기수비 50000에서 그 효과가 포화되어, 안정적인 냉각이 가능해지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9는 표 1의 데이터를 그래프화한 것이다.
Figure pct00001
또한, 본 냉각 장치를 사용하여 레일의 기둥부나 다리부를 냉각하는 경우에 대해서는, 이들 부위의 냉각 속도가 헤드부보다 빨라지므로, 별도로 냉각 조건을 설정할 필요가 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명해 왔지만, 본 발명은 상기한 실시 형태에 기재된 구성으로 한정되는 것은 전혀 아니고, 특허청구의 범위에 기재되어 있는 사항의 범위 내에서 생각되는 그 밖의 실시 형태나 변형예도 포함하는 것이다. 예를 들어, 상기한 실시 형태에서는, 챔버에 도입되는 냉각용 가압 기체는 공기로 하였지만, 질소라도 좋다.
본 발명에 따르면, 장척의 압연 강재 표면에 있어서의 증기막의 형성을 억제하여 냉각 속도를 대폭으로 향상시키는 동시에, 균일한 가속 냉각이 가능한 압연 강재의 냉각 장치 및 냉각 방법을 제공할 수 있다.
10 : 냉각 장치
11 : 챔버
11a : 폭 확장부
11b : 경사부
11c : 폭 축소부
12 : 분출구
13 : 기체 도입구
14 : 노즐 플레이트
14c : 노즐 구멍
15 : 냉각수 공급 노즐
16 : 정류판
17 : 배관
17a : 분기관
20 : 냉각 장치
21 : 챔버
21a : 폭 확장부
21b : 경사부
21c : 폭 축소부
22 : 분출구
23 : 기체 도입구
24 : 노즐 플레이트
25 : 냉각수 공급 노즐
26 : 정류판
27 : 배관
30 : 레일(압연 강재)
31 : 헤드 정상부
32 : 헤드측부

Claims (14)

  1. 열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 압연 강재의 냉각 장치이며,
    상기 압연 강재의 길이 방향을 따라서 배치된 복수의 챔버를 구비하고,
    상기 복수의 챔버는 각각,
    상기 챔버로부터 상기 압연 강재를 향해, 상기 챔버에 접속된 기체 도입구로부터 챔버로 도입된 상기 냉각용 가압 공기를 분출하는 분출구와,
    이 분출구에 상기 압연 강재에 면하도록 설치되어, 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트와,
    상기 챔버 내에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐과,
    상기 기체 도입구와 상기 냉각수 공급 노즐 사이에 설치되어, 상기 기체 도입구로부터 도입된 상기 냉각용 가압 기체가 상기 노즐 플레이트에 직접 접촉하는 것을 방지하는 정류판을 구비하고,
    상기 냉각수 공급 노즐로부터 공급된 상기 냉각수와, 상기 기체 도입구로부터 도입되어 상기 정류판에 의해 정류된 냉각용 가압 기체가 혼합된 냉각 매체를 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍을 통해, 상기 압연 강재를 향해 분사하여, 이 압연 강재의 표면의 균일 냉각을 행하는, 압연 강재의 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압연 강재가 레일이고, 이 레일의 헤드 정상부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버가 배치되어, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 헤드 정상부를 향해 상기 냉각 매체가 분사되는, 압연 강재의 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압연 강재가 레일이고, 이 레일의 헤드측부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버가 배치되어, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 헤드측부를 향해 상기 냉각 매체가 분사되는, 압연 강재의 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 챔버는,
    상기 기체 도입구를 형성하기 위해, 그 폭이 넓게 형성된 폭 확장부와,
    이 폭 확장부보다도 폭이 좁게 형성된 폭 축소부와,
    상기 폭 확장부와 상기 폭 축소부 사이에서 이들을 서로 연결하는 경사부로 형성되고,
    상기 분출구가 상기 폭 축소부의 단부에 형성되어 있는, 압연 강재의 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압연 강재가 레일이고, 상기 챔버가 상기 레일의 상방에 배치되고,
    상기 챔버의 상기 폭 확장부 내에, 상기 정류판이 수평 상태로 배치되고,
    이 정류판의 측단부와 상기 폭 확장부의 내벽 사이를 상기 냉각용 가압 기체가 통과하도록 간극이 형성되어 있는, 압연 강재의 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비가 1000 내지 50000인, 압연 강재의 냉각 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각용 가압 기체가 공기 또는 질소인, 압연 강재의 냉각 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각수가, 상기 냉각수 공급 노즐로부터 미스트 상태, 샤워 상태, 또는 유수 상태로 공급되는, 압연 강재의 냉각 장치.
  9. 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 노즐과, 기체 도입구를 통해 도입된 냉각용 가압 공기와 상기 냉각수를 혼합한 냉각 매체를 분출하는 분출구와, 상기 분출구의 단부에 설치되어 복수의 노즐 구멍을 갖는 노즐 플레이트를 갖는 복수의 챔버를 구비하는 냉각 장치를 사용하여, 열간 압연된 장척의 압연 강재를 냉각하는 냉각 방법이며,
    상기 기체 도입구를 통해 상기 챔버에 도입된 상기 냉각용 가압 공기를, 상기 기체 도입구와 상기 냉각수 공급 노즐 사이에 배치된 정류판에 의해, 상기 챔버에 도입된 상기 냉각용 가압 공기가 상기 분출구를 직접 향하지 않도록 정류하고,
    상기 정류판에 의해 정류된 냉각용 가압 공기와, 상기 냉각수 공급 노즐로부터 공급된 냉각수를 혼합하여 상기 냉각 매체로 하고,
    상기 냉각 매체를, 상기 분출구를 따라서 배치된 상기 압연 강재의 표면을 향해, 상기 노즐 플레이트의 복수의 노즐 구멍을 통해 50 내지 200m/초의 속도로 분사하여, 상기 압연 강재의 전체 길이를 균일하게 냉각하는, 압연 강재의 냉각 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 냉각수의 체적 유량에 대한 상기 냉각용 가압 기체의 체적 유량의 비를 1000 내지 50000으로 하는, 압연 강재의 냉각 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 냉각용 가압 기체가 공기 또는 질소인, 압연 강재의 냉각 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각수 공급 노즐로부터 상기 냉각수를, 미스트 상태, 샤워 상태, 또는 유수 상태로 공급하는, 압연 강재의 냉각 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 열간 압연 후의 상기 압연 강재의 냉각 개시 온도를 오스테나이트 영역 온도 이상으로 하는 동시에, 이 압연 강재의 냉각 종료 온도를 450 내지 600℃로 하는, 압연 강재의 냉각 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압연 강재가 레일이고, 이 레일의 헤드 정상부 및 헤드측부와 상기 챔버 사이에 간극을 갖도록 상기 챔버를 배치하여, 상기 노즐 플레이트의 상기 노즐 구멍으로부터 상기 레일의 상기 헤드 정상부 및 상기 헤드측부를 향해 상기 냉각 매체를 분사하는, 압연 강재의 냉각 방법.
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