(57)【要約】【課題】  Ｈ形鋼の加速冷却においてフランジ幅方向の冷却の均一性がさらに高くなる、Ｈ形鋼の冷却設備および冷却方法を提供する。【解決手段】  ヘッダ３０が上下方向で複数の分割ヘッダ３１、３２、３３に仕切られ、最下段の分割ヘッダ３１に設置された多孔ノズル５１の最下端における冷却水の噴射流量密度（最下端噴射流量密度）が、最下段の分割ヘッダ３１に設置された多孔ノズル５１の最上端における冷却水の噴射流量密度より、あるいは、分割ヘッダ３２または３３に設置された多孔ノズル５２または５３の最上端における冷却水の噴射流量密度（最上端噴射流量密度）より大きい。また、最下端噴射流量密度が最上端噴射流量密度の１．２５〜２．５倍であり、噴射流量密度が多孔ノズル５１、５２、５３の孔径あるいは孔密度によって変更される。なお、被冷却Ｈ形鋼１のフランジ幅に対応した範囲の分割ヘッダ５１に冷却水が供給される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔ノズルが設置されたヘッダに冷却水を供給して、前記多孔ノズルから冷却水を噴出してＨ形鋼のフランジを冷却するＨ形鋼の冷却設備であって、
前記ヘッダが上下方向で複数の分割ヘッダに仕切られ、
該複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、あるいは、最下段の分割ヘッダを除く分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、大きいことを特徴とするＨ形鋼の冷却設備。
【請求項２】
前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度、あるいは、最下段の分割ヘッダを除く分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度の１．２５〜２．５倍であることを特徴とする請求項１記載のＨ形鋼の冷却設備。
【請求項３】
前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔径によって変更されることを特徴とする請求項１または２記載のＨ形鋼の冷却設備。
【請求項４】
前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔密度によって変更されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＨ形鋼の冷却設備。
【請求項５】
多孔ノズルが設置されて複数の分割ヘッダに仕切られたヘッダの、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅に対応した範囲の分割ヘッダに冷却水を供給する工程と、
該冷却水が供給された分割ヘッダの多孔ノズルから冷却水を噴出してＨ形鋼のフランジを冷却する工程とを有し、
前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅の上端に対応する分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、大きいことを特徴とするＨ形鋼の冷却方法。
【請求項６】
前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅の上端に対応する分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度の１．２５〜２．５倍であることを特徴とする請求項５記載のＨ形鋼の冷却方法。
【請求項７】
前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔径によって変更されることを特徴とする請求項５または６記載のＨ形鋼の冷却方法。
【請求項８】
前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔密度によって変更されることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のＨ形鋼の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＨ形鋼の冷却設備および冷却方法、特に、Ｈ形鋼のフランジ面の均一冷却を行うためのＨ形鋼の冷却設備および冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｈ形鋼の製造は、熱間粗圧延および仕上圧延を行った後に、高温鋼材に冷却媒体として冷却水を供給する冷却を行う工程を有する。近年、Ｈ形鋼の強度に対する要求が高くなってきており、このため鋼に添加する合金成分の検討および加速冷却による材料組織の微細化が図られている。
この合金成分による対応は、低コスト化の要求に必ずしも合致するものではないため、仕上圧延後の冷却速度がたとえば５℃／秒以上の「加速冷却」を行うことによって組織を微細化し、合金成分に頼らない強度アップが図られている。
【０００３】
そして、加速冷却手段を均一に実行するため、たとえば、仕上圧延後の搬送ラインのサイドガイドに複数の冷却水の噴射口を設けると共に、サイドガイドのＨ形鋼のフランジ外面に対峙する面を、傾斜面、湾曲面または段差面にするものが開示されている（例えば、特許文献１）。
また、箱型に形成した水冷ヘッダを仕切り板によって上下方向で複数に仕切り、形鋼のフランジ上端縁に噴射する冷却水の噴射量を、最下面から噴射される冷却水の噴射量の８０％以上にするものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、箱型に形成した冷却設備の冷却面側板に噴射孔を多段配列し（以下「多孔噴射冷却設備」と称する場合がある）、上段からの流下水の影響を考慮して各段のノズルの噴射水密度を設定するものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１９１１０７号公報（第３−４頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−１１５１４号公報（第５−６頁、図５）
【特許文献３】特開平２−９２４１３号公報（第３頁、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された発明は、冷却水の噴射口とＨ形鋼のフランジ外面との距離を一定に保つことが可能なため冷却を安定して行え、Ｈ形鋼がサイドガイドに近接しても、フランジの下端部のみがサイドガイドに当接するだけであるから、所定の強度の保証と疵の防止とができるものであるが、近年の要求される製品強度のさらなる高度化に対応すべく、フランジ全体をさらに均一に冷やす技術が求められていた。
【０００６】
特許文献２に開示された発明は、フランジ下部に比べフランジ上部の噴射割合を増し、下部より上部の冷却噴射量を増加させることにより、上端側の冷却水の噴射を強めて、フランジの上下方向で均一に冷却するようにしたものであるところ、近年の要求される製品強度のさらなる高度化に対応すべく、フランジ全体をさらに均一に冷やす技術が求められていた。
【０００７】
また、特許文献３に開示された発明は、フランジ上部から落下してくる流下水が冷却を促進するため、フランジ下面に比べフランジ上部噴射割合を増し、フランジ下部における冷却噴射量よりフランジ上部における冷却噴射量を増加させるものであるが、フランジ幅方向（下部〜上部方向に同じ）の温度偏差を助長してしまい、さらなる製品の形状不良や強度不足等の原因となっていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、温度データの詳細な解析に基づく知見により、Ｈ形鋼の加速冷却においてフランジ幅方向の冷却の均一性がさらに高くなる、Ｈ形鋼の冷却設備および冷却方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明のＨ形鋼の冷却設備は、多孔ノズルが設置されたヘッダに冷却水を供給して、前記多孔ノズルから冷却水を噴出してＨ形鋼のフランジを冷却するＨ形鋼の冷却設備であって、
前記ヘッダが上下方向で複数の分割ヘッダに仕切られ、
該複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、あるいは、最下段の分割ヘッダを除く分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、大きいことを特徴とする。
【００１０】
（２）また、前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度、あるいは、最下段の分割ヘッダを除く分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度の１．２５〜２．５倍であることを特徴とする。
【００１１】
（３）また、前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔径によって変更されることを特徴とする。
【００１２】
（４）また、前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔密度によって変更されることを特徴とする。
【００１３】
（５）さらに、本発明のＨ形鋼の冷却方法は、多孔ノズルが設置されて複数の分割ヘッダに仕切られたヘッダの、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅に対応した範囲の分割ヘッダに冷却水を供給する工程と、
該冷却水が供給された分割ヘッダの多孔ノズルから冷却水を噴出してＨ形鋼のフランジを冷却する工程とを有し、
前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅の上端に対応する分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、大きいことを特徴とする。
【００１４】
（６）また、前記複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅の上端に対応する分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度の１．２５〜２．５倍であることを特徴とする。
【００１５】
（７）また、前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔径によって変更されることを特徴とする。
【００１６】
（８）また、前記噴射流量密度が多孔ノズルの孔密度によって変更されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
したがって、本発明に係るＨ形鋼の冷却設備および冷却方法は、複数の分割ヘッダのうち最下段の分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最下端における冷却水の噴射流量密度が、被冷却Ｈ形鋼のフランジ幅の上端に対応する分割ヘッダに設置された多孔ノズルの最上端における冷却水の噴射流量密度より、大きいため、フランジ幅の下端に近い範囲が確実に冷却され、フランジ幅方向（下端〜上端方向に同じ）の冷却後の温度が均一になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の実施形態に係るＨ形鋼の冷却設備が配置される圧延ラインを模式的に示す設備構成図である。
図１において、圧延ライン２０は、Ｈ形鋼１を粗圧延する粗圧延機２１と、粗圧延されたＨ形鋼１を仕上圧延する仕上圧延機２２と、仕上圧延されたＨ形鋼１を冷却する冷却設備２３と、冷却されたＨ形鋼１を所定の長さに分割する仕上圧延する熱間鋸断機２５とを有している。冷却設備２３において、Ｈ形鋼１のフランジ外面に冷却水が供給され、その後、Ｈ形鋼１のフランジ幅方向の温度分布が温度計２４によって測定される。
【００１９】
図２は図１に示す冷却設備を説明する正面視の断面図である。
図２において、冷却設備２３は、一対のヘッダ３０（図２には左側のみ示す）と、ヘッダ３０に冷却水を供給する冷却水供給手段（図示しない）と、冷却設備２３を圧延ライン２０の中心に向かって進退させる進退手段（図示しない）と、を有している。
ヘッダ３０の内部は、仕切り４１、４２によって複数の分割ヘッダ３１、３２、３３に分けられている。そして、分割ヘッダ３１、３２、３３の圧延ライン２０の中心側（Ｈ形鋼１のフランジに対峙する側に同じ）の面に、多孔ノズル５１、５２、５３が設置されている。
なお、図２において、仕切りが２箇所に設置され、３室の分割ヘッダが例示されているが、本発明はこれに限定するものではなく、４室以上の分割ヘッダを設けてもよい。
【００２０】
したがって、図２に示すようにＨ形鋼１のフランジ１０の外面には、ほぼ垂直に多孔噴流の冷却水を供給される。この多孔噴流による加速冷却により、Ｈ形鋼１のフランジ１０の表面温度は６４０℃程度となり、これにより、Ｈ形鋼１の断面のフェライト組織は微細化され、強度アップが図られる。
【００２１】
なお、加速冷却は、Ｈ形鋼１のフランジ幅（図２において上下方向の距離に同じ）に応じて使用する分割ヘッダ３１、３２、３３の段数を決定することができる。たとえば、フランジ幅が小さい場合は、最下段の１つの分割ヘッダ３１のみを用い、フランジ幅が大きい場合は、２つないし３つの分割ヘッダ３１、３２、３３を使用することができる。
【００２２】
また、製造するＨ形鋼１のフランジ１０の厚さおよび要求される強度目標と、Ｈ形鋼１の搬送速度に基づき、使用する冷却設備２３の長さ（図１において左右方向の距離に同じ）を決定する。なお、ヘッダ３０（多孔噴流装置に同じ）はテーブルローラー２６上をスライドするボックス型である。
【００２３】
また、多孔ノズル５１、５２、５３（以下まとめて「多孔ノズル５０」と称する場合がある）は、それぞれＨ形鋼１のフランジ１０の幅方向（図２において上下方向に同じ）で噴射流量密度が相違している。
（あ）たとえば、多孔ノズル５０の孔径をフランジ幅方向で変化させ、噴射流量密度を大きくする場合は孔径を大きくし、噴射流量密度を小さくする場合は、孔径を小さくして流量を調整する。
（い）あるいは、多孔ノズル５０の孔密度を変化させ、噴射流量密度を大きくする場合は、複数の孔が配置される間隔を短くし、噴射流量密度を小さくする場合は孔の配置される間隔を長くする。
（う）さらに、噴出流量を変化させる方法であり、噴射流量密度を大きくする場合は、ヘッダ３０の圧延ライン２０側の板厚を薄くしたり、あるいは孔の内面の面粗さを下げて（より平滑な面あるいは鏡面に近づける）圧損を少なくしたりする。反対に、噴射流量密度を小さくする場合はヘッダ３０の圧延ライン２０側の板厚を厚くしたり、孔の内面の面粗さを上げて（より粗い面あるいは凹凸のある面に近づける）圧損を大きくしたりする。
【００２４】
次に、本発明の実施例を説明する。製造されるＨ形鋼の諸元を表１に、Ｈ形鋼の冷却条件を表２に、それぞれ示す。すなわち、Ｈ形鋼１ａ、１ｂは、フランジ幅方向温度分布をほぼ一定の８００℃（仕上圧延温度に同じ）として仕上圧延を行った後、冷却設備２３によってフランジ１０が６４０℃（冷却終了温度に同じ）程度になるまで冷却を行った。
図３および図４は、それぞれ実施例における冷却水の噴射流量密度を示す模式図および冷却後の温度分布図である。なお、Ｈ形鋼１ａでは最下段の１つの分割ヘッダ３１のみを使用し、Ｈ形鋼１ｂでは２つの分割ヘッダ３１、３２を使用した。
【００２５】
【表１】
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【表２】
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【００２６】
図３において、フランジ１０の幅方向の流量分布は、以下に調整されている。
（ａ）比較例１は、幅方向の全域でヘッダ３０で流量分布が一定（図３の（ａ）参照）。
（ｂ）比較例２（Ｈ形鋼１ｂのみ）は、最下段の分割ヘッダ３１に比べ、冷却最上面の分割ヘッダ３２の噴射流量密度が１．３倍となるよう流量制御されている（図３の（ｂ）参照）。
【００２７】
（ｃ）実施例１は、最下段の分割ヘッダ３１の最下部の噴射流量密度が、Ｈ形鋼１ａでは分割ヘッダ３１の最上部に比べ１．３倍となるよう単調増加させ、Ｈ形鋼１ｂでは分割ヘッダ３２の最上部に比べ１．３倍となるよう単調増加させている（図３の（ｃ）参照）。
（ｄ）実施例２は、最下段の分割ヘッダ３１の最下部２０ｍｍの部分の噴射流量密度を、Ｈ形鋼１ａでは分割ヘッダ３１の最上部に比べ、Ｈ形鋼１ｂでは分割ヘッダ３２の最上部に比べ１．３倍となるよう増加させている（図３の（ｄ）参照）。
【００２８】
図４において、冷却後のフランジ１０の幅方向の温度分布は、以下になっている。
（ａ）比較例１では、Ｈ形鋼１ａ、１ｂの水冷部において流下水の影響で、フランジの下部ほど冷却能力が低下し、フランジの下部にいくほど温度が上昇する温度分布となっている（図４の（ａ）参照）。このため、水冷部最下部の強度が十分ではなかったので、強化元素の添加を行い、コスト増を余儀なくされた。
【００２９】
（ｂ）比較例２では、Ｈ形鋼１ｂの水冷部において、流下水の影響とフランジ上部の噴射流量密度を増した影響で、さらにフランジの下部ほど冷却能力が低下し、水冷部でフランジ下部にいくほど温度が上昇する温度分布となっている（図４の（ｂ）参照）。このため、水冷部最下部の強度が十分ではなかったので、強化元素の添加を行い、コスト増を余儀なくされた。
【００３０】
（ｃ）実施例１では、最下段の分割ヘッダ３１の最下部、すなわちフランジ下端から２０ｍｍの部分の噴射流量密度が最上部に比べ１．３倍となるよう単調増加させたため、水冷部温度が均一となり（表２参照）、温度分布も平坦に改善されている（図４の（ｃ）参照）。その結果、比較例１、２よりもフランジ水冷部下端部の温度が低くなり、強度が上がったため、Ｈ形鋼１ａ、１ｂでは強化元素の添加を著しく少なくすることができ、コストを大幅に削減することができた（従来はフランジ下端部の低い強度を基準に鋼の成分設計を行っていた）。
【００３１】
（ｄ）実施例２では、最下段の分割ヘッダ３１の最下部２０ｍｍの部分の噴射流量密度を最上部に比べ１．３倍としたため、この部分が従来より、よく冷えている（図４（ｄ）参照）。すなわち、冷却中および冷却直後の熱拡散により、Ｈ形鋼１ａ、１ｂのいずれにおいても水冷部フランジ下部温度が低下している。その結果、表２に示すようにＨ形鋼１ａ、１ｂのフランジ水冷部の温度および温度分布は比較例１、２に比べて均一になり、しかも、フランジ水冷部下端部の温度が低くなり、強度が上がったため、Ｈ形鋼１ａ、１ｂのいずれにおいても強化元素の添加を少なくすることができ、コストを削減することができた（従来はフランジ下端部の低い強度を基準に鋼の成分設計を行っていた）。
【００３２】
なお、以上の実施例では、噴射流量密度を多孔ノズル５０の孔径によって調整した例を示したが、本発明はこれに限るものではなく、上述のように、たとえば、多孔ノズル５０の孔の配置の密度を変更することによって噴射流量密度を調節してもよいし、孔（ノズルの噴射孔に同じ）内を通過する冷却水がうける圧損を制御し、噴射流量密度を調整する方法であってもよい。
また、多孔ノズル５０の噴射流量密度の比率をノズルの孔面積の比率と同じとすれば、噴射圧力をそれぞれ調整する必要がなく、同じヘッダから冷却水を供給することが可能となって好適である。
【００３３】
また、以上の実施例では、強冷却部の噴射流量密度を通常冷却部の１．３倍としているが、１．２５〜２．５倍であればよい。１．２５倍より小さいと冷却を均一にする効果が小さくなる。一方、２．５倍より大きくすると、その部分が過冷却となってしまい、強度が許容上限を超えてしまう。
【００３４】
なお、所定の高強度を得るためには、噴射流量密度が５００リットル／分 ｍ2を超えることが望ましいものであるが、噴射流量密度が大きくなると流下水の量も増し、その影響でフランジ上部よりフランジ下部が冷えにくい傾向が生じるところ、本発明はフランジ下部を確実に冷却することができるから、噴射流量密度が５００リットル／分 ｍ2を超える場合であっても、フランジの全域で均一な高強度を保証することができるという顕著な効果を奏することになる。
さらに、噴射流量密度が１０００リットル／分 ｍ2以上の場合では、フランジ上部より下部が冷えにくいという傾向がより顕著となるところ、かかる場合であっても、本発明は前記顕著な効果を奏するものである。
【００３５】
また、分割ヘッダ３１、３２、３３は、Ｈ形鋼１のフランジ幅が２００ｍｍおよび３００ｍｍの場合について、１段および２段を使用する場合を例に説明したが、本発明はこれに限るものではなく、製造するＨ形鋼のフランジ幅の種類に応じてどのように区切ってもよい。たとえば、製造するＨ形鋼のフランジ幅が１５０ｍｍから５０ｍｍピッチで大きくなるような場合では、ヘッダをより細かく分割して使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように本発明に係るＨ形鋼の冷却設備および冷却方法、フランジ幅が相違するＨ形鋼についてフランジを均一に冷却することができるから、各種Ｈ形鋼の冷却設備および冷却方法として広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係るＨ形鋼の冷却設備が配置される圧延ラインを模式的に示す設備構成図。
【図２】図１に示す冷却設備を説明する正面視の断面図。
【図３】実施例における冷却水の噴射流量密度を示す模式図。
【図４】実施例における冷却後の温度分布図。
【符号の説明】
【００３８】
１ Ｈ形鋼
１０ フランジ
１１ 中央部
２０ 圧延ライン
２１ 粗圧延機
２２ 仕上圧延機
２３ 冷却設備
２４ 温度計
２５ 熱間鋸断機
３０ ヘッダ
３１ 分割ヘッダ
３２ 分割ヘッダ
３３ 分割ヘッダ
４１ 仕切り
４２ 仕切り
５１ 多孔ノズル
５２ 多孔ノズル
５３ 多孔ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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