【手続補正書】
【提出日】平成17年9月26日(2005.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  熱間圧延された形材、特に桁材を圧延熱から直接制御冷却する装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  形材をノズル配置に沿って送り、この形材へ冷却剤を噴射する出口開口部を持つノズルの配置から成る、熱間圧延された形材、特に桁材を圧延熱から直接制御して冷却する装置において、
冷却装置に複数の冷却領域があり、冷却すべき形材（５，６）の冷却領域がこの形材の方に見て上部（１）と両横部（３）と下部（２）にそれぞれ配置され、これ等の冷却領域をそれぞれ個々にあるいは組み合わせて使用でき、一つの冷却領域がそれぞれ少なくとも一つのノズル（７）あるいはノズル群から成りこれ等のノズルを個々にあるいは群にして制御できることを特徴とする装置。
【請求項２】  ノズル（７）は形材とノズルの間隔を可変にして、噴射圧力を制御して、個々のノズルを連続的に回転させ、又、個々のノズルを開閉して制御されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】  ノズル群は多数のノズル（７）から成り、ノズルの噴射開口部が一つの平面を成すか、一本の直線上に載っていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】  冷却領域（１，２，３）のノズル（７）は形材の梯状配置あるいは形材のグループの加工すべき最大の形材（５，６）が占める領域の外に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】  下冷却領域（２）は形材の搬送手段、特にローラテーブル４の下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】  横冷却領域（３）は形材に対して水平方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】  横冷却領域（３）のノズルは個々にあるいは一緒に移動可能な部材の上に支承されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】  一つのウェブと二つのフランジから成る二重Ｔ形桁材として形成された鋼鉄桁材（５）を冷却する場合、フランジの内側（９）とフランジの内側に最も近いウェブ領域（１０）に当たる噴射ビームの噴射面の上縁部分が一つの梯状配置の全ての形材の移行領域、フランジ内側とウェブの想像上の接続線（１３）に平行に延びていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】  冷却剤は水、エアロゾルあるいは他の冷却液体であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱間圧延された形材、特に鋼の桁材を圧延熱から直接制御した状態で冷却する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱処理や合金元素添加をして工業材料、特に鋼鉄の機械的特性に影響を与えることが知られている。しかし、特に形材を圧延する場合に周知の熱機械的な圧延の限りない応用には圧延スタンドの負荷特性により限界がある。何故なら、これ等の方法は比較的低い温度で大きな変形度を前提とするからである。
【０００３】
所謂ＱＳＴ法（ＱＳＴ：Quenching and Self-Tempering, 急冷と自己焼戻）により機械的な特性を調整することができる。この場合、構造部品、例えば圧延形材を成形工程後に圧延熱から水で焼入れする。加工品の芯が冷却される前に、冷却が終わり、周囲の領域の組織がこの芯の中に未だある熱により焼戻しされる。
【０００４】
鋼鉄の処理では、焼入工程の間に材料の表面およびその下にある層が冷却期間に応じてマルテンサイト変態開始温度以下に冷却され、これが縁領域にマルテンサイトを形成させることになる。冷却時間と冷却剤によりこの工程は影響を受け、特に冷却時間によりマルテンサイトが生じる層の深さ（侵入深さ）が決まる。
【０００５】
この強制冷却が終わると、次に焼戻工程が行われる。この工程では形材の中の残留熱量により先に形成されていたマルテンサイト層が焼戻しされる。温度は再びマルテンサイト変態開始温度以上に上昇する。この時、マルテンサイトの領域の負荷が緩和されるので、強度の高い材料が同時に粘り強さを持った状態で得られる。
【０００６】
続く空気冷却工程では、断面の内部にベイナイト組織及び（微細な）パーライト組織、又は、それらのうちどちらか一方が生じる。
【０００７】
マルテンサイトを形成させないで、材料を冷却したいのであれば、マルテンサイト変態開始温度以下にならないように、冷却時間と冷却強度により形材の表面温度を冷却する。ここでも、温度分布を均一化するため、強制冷却の終了後に焼戻しを行う。この焼戻工程の経過後に、例えば微細パーライト組織とフェライト組織を調整して機械的な特性が改善される。
【０００８】
望む特性を均一に調整するためには、形材あるいは冷却すべき表面に狙い通りに冷却剤を噴射することが大切である。
【０００９】
桁材を冷却する装置は欧州特許第 0 140 026号明細書により周知である。冷却液を噴射することは所謂冷却水槽による工程で行われる。これ等の冷却水槽には冷却液を噴射するため、等間隔に開口部が設けられている。桁材の外部あるいは内部領域を冷却するため、これ等の冷却水槽は外面に対してフランジの高さと少なくとも同じ大きさに形成される。内部フランジを冷却するため、冷却水槽はフランジの全内面およびウェブ面の少なくとも７０％に及んでいる。形材が非対称の場合でも湾曲特性に影響を与えることができる。
【００１０】
しかしながら、形材の幾何学形状が異なり、圧延プログラムを変更する場合、内部の冷却水槽を合わせる必要があるという欠点がある。更に、この方法は主に大きな桁材で使用される。何故なら、工具を上と下からフランジの間に入れるからである。桁材が小さい場合には、これは建物の空間が小さいため不可能であるか非常に制限された状態でのみ可能である。
【００１１】
一つの面の全ての個所に対して冷却液を桁材に噴射することはほぼ均一に行われ、冷却水槽の構造上、個々の開口部あるいは個々の列の動作を止めることができないので、横断面にできる限り一様な温度分布が必要である。それ故、この温度分布は圧延工程の間に移行領域及びフランジとウェブ、を選択的に冷却して、ある程度調整する必要がある。更に、桁材の固有な応力を減らすことに関する冷却はこの装置では不可能である。
【００１２】
欧州特許第 0 462 783号明細書には、薄肉の二重Ｔ形形材を熱処理する方法と装置が開示されている。圧延過程の間に圧延製品を強制冷却する。この冷却装置自体は互いに重ねて配置された多数のノズルで構成されている。これ等のノズルは水で運転され、種々動作させたり止めたりされる。もっとも、説明されている冷却装置は形材のフランジの外側だけを冷却する。これは、最終の熱間ロール以前に桁材の外面を 700℃あるいはそれ以下の温度に冷却する目的で行われる。水で強制冷却を繰り返して、フランジ面の微細組織を一定の深さまで変化させる。
【００１３】
更に、冷却方法および冷却装置が欧州特許第 0 098 492号明細書により周知である。これには、冷却装置を通して案内される型鋼、ここではレールを冷却するための装置が提案されている。冷却あるいは局所的な冷却の可変は送るレールの異なった方位と冷却剤用の偏向板により達成される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、圧延プログラムを変更する場合、形材の異なった幾何学形状や大きさに合わせることでき、形材の一様な冷却あるいは一定の部分領域の冷却を保証する仕上がり圧延形材、特に鋼鉄の桁材用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】
上記の課題は、この発明により、形材をノズル配置に沿って送り、この形材へ冷却剤を噴射する出口開口部を持つノズル配置から成る、熱間圧延された形材、特に桁材を圧延熱から直接制御して冷却する装置において、
冷却装置に複数の冷却領域があり、冷却すべき形材５，６の冷却領域がこの形材の方に見て上部１と両横部３と下部２にそれぞれ配置され、これ等の冷却領域をそれぞれ個々にあるいは組み合わせて使用でき、一つの冷却領域がそれぞれ少なくとも一つのノズル７あるいはノズル群から成り、これ等のノズルを個々にあるいは群にして制御できることによって解決されている。
【００１６】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の核心は、冷却装置の噴射形状を異なった形材の幾何学形状に最適に合わせていることにあり、その場合、冷却装置が複数の冷却領域を有し、一つの冷却領域がそれぞれ冷却すべき形材から見てこの形材に対して上に配置されていて、これ等の冷却領域がそれぞれ個々にあるいは組み合わせて使用できる。その場合、一つの冷却領域はそれぞれ少なくとも一つのノズルあるいはノズルの組み合わせで構成され、ノズルを個々にあるいは一緒に制御できる。つまり、個々の冷却領域を制御できる。
【００１８】
冷却作用を適用させることは、形材に対するノズルの間隔を可変にすること、噴射圧力を制御調整すること、個々のノズルの連続的な回転性、および個々のノズルを開閉することにより、個別に達成される。
【００１９】
この場合、形材の幾何学形状に合わせることの外に、ノズルの間隔やノズル圧力を可変にして形材を冷却するのに必要な熱伝導係数を調整する。所望の噴射形状を調整することは、更にノズルを回転させることおよび個々のノズルとノズル群を開閉することによって行える。
【００２０】
ノズル群は多数のノズルから成り、これ等のノズルの出口開口部は一つの平面を成すか、直線を形成する。面や列として種々構成されたノズル群とノズルの可変性により冷却装置を柔軟に調整できる。これにより、形材の異なった部分面を異なった状態に冷却し、冷却度合を種々の要請に合わせることができる。
【００２１】
従って、圧延形材を変更する場合、横断面に関して異なった温度分布にも拘らず、圧延機列を離れた後、同時に材料中の組織の変換を調整できる。特に、ＱＳＴ法の強制冷却を全加工品中で均一に実施することができる。冷却過程の後の型鋼の縁領域は表面から見て一定の深さのところで急冷され生じたマルテンサイトにより形成され、核領域はパーライト及びフェライト、又はそれらのうちどちらか一方で形成されることが保証される。
【００２２】
ここに提案する冷却装置により、この装置を順次通過する異なった形材を、設備を改造することなく冷却できる。
【００２３】
更に、設備を改造することなく、種々の冷却作業を連続的に行うことができる。この下で加工品の本体固有の応力を最小にする冷却処理を加工品の組織を同時に変化させて行うことができ、パーライト組織を調整する冷却処理を行うことができる。
【００２４】
この場合の利点は、形材のフランジの間に工具がないことである。回転可能なノズルホルダーと柔軟なノズルの偏向により冷却装置を桁材あるいは形材の寸法に最適に合わせることができる。
【００２５】
個々のノズルの可変性が良いので最適に合わせて冷却剤を冷却すべき領域に通り過ぎて噴射させることを防止できる。従って、高い冷却効率が保証され、且つ、冷却剤の損失が防止され、他のノズル装置への擾乱作用が生じない。
【００２６】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づきこの発明を詳しく説明する。
【００２７】
図１は、上冷却領域１，下冷却領域２および横冷却領域３を有する冷却装置の全配置の横断面を示す。圧延ローラテーブル４の上で冷却すべき圧延品が圧延機から成形処理の後に冷却装置を通して案内される。種々の梯状配置とタイプ５a と５b および外形（ここでは道路補強部材の外形６）の模式的に示された二重Ｔ形桁材の長手方向あるいは移動方向の上には個々のノズル７がノズル群にして配置されている。
【００２８】
噴射角度は図２に二重Ｔ形桁材に対して模式的に示してある。
【００２９】
二重Ｔ形桁材を冷却する場合、横に配置されているノズルは外部フランジ８を冷却するために使用されるが、上部のノズルはフランジの内側９を冷却する。フランジの下部内側および下部ウェブ面１０は下冷却領域２のノズルの噴射ビームにより冷却される。
【００３０】
冷却すべき形材に応じて、断面の上および長手方向のノズルを開閉して噴射する冷却剤量を形材の大きさや形状に合わせ、工具の交換を行う必要はない。従って、最適な噴射形状を提供し、形材のところで噴射を通過させて損失することなく形材列の個々の形材を冷却することができる。
【００３１】
個々のノズル７は形材パレットの外にある回転点に選択的に連続して支承されているか、又は固定状態に配置されている。
【００３２】
好適実施例では、フランジの外面を冷却するためにノズル群が回転可能及び移動可能、又は、そのどちらか一方となるように配置されている。又、ローラテーブル４から冷却するノズルは固定されている。
【００３３】
特に二重Ｔ形桁材では、形材の構造列の垂直に延びているフランジ内側の全てに、ノズル角度、即ち、噴射角度を可変にし、又、関連するノズルを適当に選択してノズルと内面の間のほぼ等しい間隔から冷却剤を噴射できる。又、全ての桁材に対して等しく保った間隔により、均一な冷却作業ができる。
【００３４】
提案する冷却装置は種々の梯状配置や異なったタイプの鋼鉄の桁材の場合にのみ応用されるわけではない。この冷却装置は複雑な形状の形材に対して正に適している。図３はノズルを道路支持用の形材６の例に合わせることを示す。一定の角度で一定のノズルのみを制御して使用することにより、形材の各部分面を一定に冷却できる。
【００３５】
二重Ｔ形桁材の形材では、フランジ外側面８の制御された冷却はノズルの角度調節（図４）によるか、あるいはノズルの水平直線案内（図５）により達成される。
【００３６】
図４には、横冷却領域３の各ノズル７の位置およびその角度を異なったタイプ５a と５b や異なった大きさ二つの二重Ｔ形桁材あるいは道路支持用の形材６に対して合わせることが模式的に示してある。角度調整はフランジ８の外側部の冷却が、重なった多数のノズル７により行われ、これ等のノズル７が形材パレットの外にある回転点に支承され、連続的に回転できることにより達成される。
【００３７】
フランジのところで噴射が通り過ぎないようにするために、噴射範囲が大きいことによって、可能な全ての形材の下縁部分に合わせて装置を調整できる。
【００３８】
形材パレットを順次加工する場合、二重Ｔ形桁材あるいは形材の下縁部分１１はその都度搬送手段の上に置くことにより垂直に固定されるが、上縁部分１２は桁材のタイプにより高さが変わる。ノズル配置の回転性により、この冷却システムを用いて下縁部分への冷却作用を変化させることなく噴射形状を桁材のタイプにより変化する上縁部分に合わせることができる。
【００３９】
角度調整の他に、ノズル配置の直線案内により冷却作用と噴射形状を可変にすることも考えられる。図５は長手方向に続く横ノズル装置３を模式的に示している。ノズル配置は全体として水平方向に移動できる。噴射作用は、ノズル７の調節すべき間隔、ノズル７の個数、および個々のノズルを目的通りに動作させて達成される。桁材のフランジとノズルの間隔に依存するノズル角度によりその時の桁材５a,５b あるいは形材６への適合が行われる。冷却効率あるいは熱伝導係数はノズル圧力を可変にすることにより、調整される。角度調整や直線案内の機能を組み合わせることも考慮に入れることができる。
【００４０】
図６および図７はローラテーブルからのノズルによる二重Ｔ形桁材の下側の冷却を示す。明らかに、ノズル装置は異なった形材の梯状配置にも、種々の大きさのウェブ領域と対応するフランジ領域を持つ異なったタイプの形材にも合わせることができる。
【００４１】
図６には、幅の広いウェブ領域５a を持つ桁材の場合、外部ノズル列と中央のノズル列を使用することが示されているが、短いウェブ領域５b を持つ桁材の場合（図７）、中央の噴射列による最適な噴射作用が達成され、ノズルを開閉して最適な冷却作用を狙い通りに調節できる。
【００４２】
フランジの内側９やこのフランジの内側に最も近いウェブ領域に当たる噴射ビームの噴射面の縁はそれぞれ一つの梯状配置の全ての形材の移行領域、つまりフランジ内側とウェブ領域の想像上の近似的に直線の接続線１３に平行に延びていると有利であることが分かる。
【００４３】
この装置は二重Ｔ形桁材あるいは道路支持形材に対してのみに使用が制限されるわけではなく、レールやアングル形材にも使用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の冷却装置により、仕上がり圧延形材、特に鋼の桁材に対して、圧延プログラムを変更する場合、形材の異なった幾何学形状や大きさに合わせることでき、形材の一様な冷却あるいは一定の部分領域の冷却を保証する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  提案する冷却装置の全配置の断面図である。
【図２】  二重Ｔ形桁材の例での噴射角度を示す模式図である。
【図３】  道路支持用の形材の例での噴射角度を示す模式図である。
【図４】  ノズルの角度を調整して二重Ｔ形桁材のフランジ外側を冷却するノズル配置である。
【図５】  直線案内による二重Ｔ形桁材のフランジ外側を冷却するノズル配置である。
【図６】  幅の広いウェブ領域を持つ桁材で使用するノズルの配置図である。
【図７】  短いウェブ領域を持つ桁材で使用するノズルの配置図である。
【符号の説明】
１            上冷却領域
２            下冷却領域
３            横冷却領域
４            ローラテーブル
５a,b         タイプ（例えばウェブ幅の相違）
６            道路支持用の形材（桁材）
７            ノズル
８            フランジの外側
９            フランジの内側
１０            ウェブ面
１１            下縁部分
１２            上縁部分
１３            想像上の接続線