(57)【要約】【課題】本発明は、散水冷却により冷却後の温度のバラツキを抑制できる線材の冷却方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の線材の冷却方法は、熱間圧延後にコイル状に巻き取られた線材の冷却方法であって、冷却水散水機構を有する冷却ゾーンで上記線材を搬送しつつ冷却する工程を備え、上記冷却工程が、上記線材の冷却工程後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう冷却水量を調整しつつ冷却する工程と、上記調整冷却後の線材に対し、冷却水量を一定に制御しつつ冷却を行う工程とを有し、上記調整冷却を行う冷却ゾーンが、上記制御冷却後の温度が一定範囲となるよう決定され、上記調整冷却で、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮して冷却水量を決定することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延後にコイル状に巻き取られた線材の冷却方法であって、
冷却水散水機構を有する冷却ゾーンで上記線材を搬送しつつ冷却する工程を備え、
上記冷却工程が、
上記線材の冷却工程後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう冷却水量を調整しつつ冷却する工程と、
上記調整冷却後の線材に対し、冷却水量を一定に制御しつつ冷却を行う工程と
を有し、
上記調整冷却を行う冷却ゾーンが、上記制御冷却後の温度が一定範囲となるよう決定され、
上記調整冷却で、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮して冷却水量を決定することを特徴とする線材の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線材の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼製の線材は、一般に圧延機で熱間圧延された後に捲線機によってコイル状に巻き取られ、コイル状で冷却される。この冷却において、線材の部位毎の冷却後温度にバラツキが発生すると、品質のバラツキを招来するおそれがある。そこで、温水又は冷媒中に線材を浸漬する直前の鋼線材温度が一定範囲になるよう調整する方法が提案されている（特公平０７−００５９９１号公報参照）。
【０００３】
しかし、上記方法のように浸漬冷却を用いると、冷却装置が大型化し、設備スペースやコストの点で課題が生じる。一方で、散水冷却は装置が比較的簡易となるが、散水冷却において冷却温度のバラツキを抑制する方法は十分に確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平０７−００５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、散水冷却により冷却後の温度のバラツキを抑制できる線材の冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた発明は、熱間圧延後にコイル状に巻き取られた線材の冷却方法であって、冷却水散水機構を有する冷却ゾーンで上記線材を搬送しつつ冷却する工程を備え、上記冷却工程が、上記線材の冷却工程後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう冷却水量を調整しつつ冷却する工程と、上記調整冷却後の線材に対し、冷却水量を一定に制御しつつ冷却を行う工程とを有し、上記調整冷却を行う冷却ゾーンが、上記制御冷却後の温度が一定範囲となるよう決定され、上記調整冷却で、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮して冷却水量を決定することを特徴とする。
【０００７】
当該線材の冷却方法は、散水冷却において、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮しつつ冷却後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう調整冷却を行うので、冷却後の温度のバラツキを抑制することができる。また、当該線材の冷却方法は、この調整冷却後に冷却水量を一定とする制御冷却後を行い、かつ調整冷却ゾーンを制御冷却後の温度が一定範囲となるように決定するので、温度のバラツキを抑制しつつ、目標温度まで線材を確実に冷却することができる。なお、「リング幅方向」とは、コイル状の線材の搬送方向に垂直な横断方向を意味する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の線材の冷却方法は、散水冷却により冷却後の温度のバラツキを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の線材の冷却方法の手順を示すフロー図である。
【図２】ミストノズルの配置を説明する模式図である。
【図３】冷却前の線材の表面温度分布と、調整冷却後の目標温度分布との一例を示すグラフである。
【図４】図１の調整冷却の水量決定手順を示すフロー図である。
【図５】実施例での冷却前の線材の表面温度分布を示すグラフである。
【図６】実施例での調整冷却における熱伝達係数及び水量の分布を示すグラフである。
【図７】実施例での冷却による線材の表面温度の変化を示すグラフである。
【図８】実施例での冷却後の線材の表面温度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００１１】
［鋼板冷却方法］
図１の線材の冷却方法は、冷却水散水機構を有する冷却ゾーンで熱間圧延後にコイル状に巻き取られた線材を搬送しつつ冷却する工程を主に備える。この冷却工程は、上記線材の冷却工程後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう冷却水量を調整しつつ冷却する工程（調整冷却工程Ｓ１）と、上記調整冷却後の線材に対し、冷却水量を一定に制御しつつ冷却を行う工程（制御冷却工程Ｓ２）とを有する。
【００１２】
上記冷却水散水機構を有する冷却ゾーンを備える冷却装置としては、公知のものが使用でき、例えば熱間圧延後の線材をベルトコンベア等により搬送しつつ、線材の上面及び／又は下面に複数のノズルから冷却水を散水することにより線材を冷却する装置が使用できる。なお、冷却装置は、一般に捲線機の出口から１〜５ｍ程度の搬送距離で配置される。冷却装置入口における線材の温度は、例えば９００℃以上１０００℃以下である。
【００１３】
具体的には、図２に示すように、線材Ａの搬送方向から見て、線材Ａのリング中心上方から鉛直方向に散水する第一ミストノズル１と、線材Ａの上方かつリング幅方向外側から斜めに散水する１対の第二ミストノズル２と、線材Ａの下方かつリング幅方向外側から散水する１対の第三ミストノズル３とを有する冷却水散水機構が好適に使用できる。これらのミストノズルは、搬送方向に沿ってそれぞれ複数設けられている。
【００１４】
線材Ａの上面の搬送台１０の上面からの高さＨ０は例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。第一ミストノズル１の噴出口中心の搬送台１０上面からの高さＨ１は例えば５００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。第二ミストノズル２の噴出口中心の搬送台１０上面からの高さＨ２は例えば２００ｍｍ以上５００ｍｍ以下であり、リング中心からの距離Ｄ１は例えば６００ｍｍ以上９００ｍｍ以下であり、中心軸の鉛直方向となす角度θ１は４０°以上８０°以下である。第三ミストノズル３の噴出口中心の搬送台１０上面からの高さＨ３は例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、リング中心からの距離Ｄ２は例えば６００ｍｍ以上９００ｍｍ以下であり、中心軸の水平方向となす角度θ２は０°以上１０°以下である。
【００１５】
ミストノズルの搬送方向のピッチ（噴出口の中心の間隔）は例えば１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。また、各ミストノズルは噴流の干渉を避けるために搬送方向にオフセットして配置してもよく（搬送方向の同じ位置に第一ミストノズル１、第二ミストノズル２及び第三ミストノズル３が配設されなくてもよく）、この場合のオフセット量（ノズル間の搬送方向距離）は例えば５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。また、各ミストノズルの搬送方向垂直面での噴射角は例えば３０°以上６０°以下である。
【００１６】
当該冷却方法で冷却する線材の平均径としては、特に限定されないが、例えば５ｍｍ以上１４ｍｍ以下である。また、コイル状に巻き取られた線材の平均リング径としては、特に限定されないが、例えば１０００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下である。
【００１７】
当該冷却方法における冷却領域の搬送長さ（冷却水散水を行う領域の全体長さ）としては、例えば５ｍ以上１５ｍ以下とすることができる。この冷却領域は複数の長さの等しい冷却ゾーンに分割され、それぞれの冷却ゾーンにおいて、調整冷却又は制御冷却のいずれかを行う。冷却ゾーンの数としては、例えば５以上１５以下である。
【００１８】
＜調整冷却工程＞
調整冷却工程Ｓ１では、線材表面の冷却工程後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう冷却水量を調整しつつ冷却する。また、調整冷却工程Ｓ１では、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮して冷却水量を決定する。
【００１９】
線材は、コイル状に捲線後に冷却装置まで搬送される間に放熱により温度が低下するが、この温度低下量（抜熱量）は幅方向端部などのリングが重なった密部では小さく、中心などのリングが重ならない疎部では大きいため、図３に示すように冷却開始時にリング幅方向の温度分布には偏差が生じている。そのため、線材全体を同一水量で冷却するとこの偏差によって冷却後の温度分布にも偏差が生じる。そこで、当該冷却方法では、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮して制御冷却後の温度分布を予測し、この温度分布の偏差が小さくなる冷却水量を決定する。
【００２０】
また、調整冷却を行わず、後述の制御冷却で温度分布の偏差を無くすために水量分布を調整すると、沸騰状態が大きく変化する遷移沸騰域（非冷却表面温度が３００℃以上６００℃以下の範囲）で調整を行う必要があり水の沸騰状態による影響が大きくなるため、所望の温度パターンを得ることは困難である。
【００２１】
以下、調整冷却工程Ｓ１における水量決定処理について説明する。水量決定処理は、図４に示すように、初期条件を設定する工程（初期条件設定ステップＳ１１）と、調整冷却を行う冷却ゾーンを決定する（調整冷却ゾーン決定ステップＳ１２）と、制御冷却後の線材の温度分布を予測する工程（冷却後温度分布予測ステップＳ１３）と、予測した制御冷却後の線材の温度偏差の収束を判定する工程（温度偏差収束判定ステップＳ１４）と、予測した制御冷却後の線材の温度偏差を小さくするよう調整冷却ゾーンでの水量を調整する工程（調整冷却ゾーン水量調整ステップＳ１５）とを備える。
【００２２】
（初期条件設定ステップ）
初期条件設定ステップＳ１１において、冷却水量を調整するための初期条件を設定する。この初期条件としては、冷却水量の初期値、線材の平均径、リング径及び物性（比熱、熱伝導率、変態発熱量等）、コンベア速度、冷却水温、制御冷却における指令冷却停止温度及び指令冷却速度、冷却前の線材の温度分布などが挙げられる。
【００２３】
冷却前の線材の温度分布は、実測してもよいし、過去の実績データを用いてもよい。線材の温度測定には、例えば放射温度計を用いて線材表面の複数点の温度を測定する方法が適用できる。
【００２４】
（調整冷却ゾーン決定ステップ）
調整冷却ゾーン決定ステップＳ１２において、全冷却ゾーンのうち、調整冷却を行う冷却ゾーンの数（調整冷却ゾーンの長さ）を決定する。例えば初期条件で設定したコンベア速度、指令冷却停止温度及び指令冷却速度から必要な制御冷却ゾーン（制御冷却を行う冷却ゾーン）の数を求め、残りの冷却ゾーンを調整冷却ゾーンとすることで決定できる。具体的に説明すると、必要制御冷却長Ｌ［ｍ］を下記式（１）により求め、冷却長がＬ以上となる冷却ゾーン数を制御冷却ゾーン数とし、残りを調整冷却ゾーンとする。なお、下記式（１）中、ＳＣＴ［℃］は制御冷却開始温度（調整冷却後の温度）、ＦＣＴ［℃］は指令冷却停止温度、ＣＲ［℃／ｓ］は指令冷却速度、Ｖ［ｍ／ｍｉｎ］はコンベア速度である。
Ｌ＝（ＳＣＴ−ＦＣＴ）／ＣＲ×Ｖ／６０  ・・・（１）
【００２５】
このように調整冷却ゾーンを決定することで、冷却設備の長さを最小とすることができると共に、１つの冷却ゾーンでの冷却能力の制御幅を小さくして制御を容易にすることができる。
【００２６】
なお、ＳＣＴ（制御冷却開始温度）は、製品に求められる材質特性により設定され、例えば変態開始温度及び初析セメンタイト析出温度以上となるよう決定される。ＳＣＴの範囲としては、例えば６００℃以上９００℃以下である。また、ＦＣＴ（指令冷却停止温度）は例えば４００℃以上６００℃以下、ＣＲ（指令冷却速度）は例えば１０℃／ｓ以上６０℃／ｓ以下、Ｖ（コンベア速度）は例えば３０ｍ／ｍｉｎ以上６０ｍ／ｍｉｎ以下である。
【００２７】
（冷却後温度分布予測ステップ）
冷却後温度分布予測ステップＳ１３において、現在設定されている冷却水量を用いて線材の冷却工程後のリング幅方向の温度分布を予測する。
【００２８】
冷却後の温度分布の予測は公知の２次元熱伝導方程式を用いて行うことができる。具体的には、２次元熱伝導方程式の境界条件である熱伝達係数α［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］の線材における分布を下記式（２）で表される関数ｆにより求め、このαの分布と初期温度分布とを用いて円柱座標系の２次元熱伝導方程式により予測温度分布を求める。なお、下記式（２）中、Ｗ［Ｌ／ｍｉｎ／ｍ２］は水量密度、Ｔｓ［Ｋ］は線材表面温度、Ｔｗ［Ｋ］は冷却水温、Ｆは線材の部位による補正係数であり、線材の平均径、リング径等に線材の重なりを考慮した形態係数である。
α＝ｆ（Ｗ，Ｔｓ，Ｔｗ，Ｆ）  ・・・（２）
【００２９】
（温度偏差収束判定ステップ）
温度偏差収束判定ステップＳ１４において、冷却後温度分布予測ステップＳ１３で予測した温度分布の偏差の幅方向での平均値を算出し、この平均温度偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否かを確認する。また、温度偏差収束判定ステップＳ１４では、線材の全冷却ゾーン出口での各部位の温度と指令冷却停止温度との差の絶対値が所定の閾値以下であるか否かも確認する。
【００３０】
温度偏差収束判定ステップＳ１４において上記平均温度偏差の絶対値及び各部位の温度と指令冷却停止温度との差の絶対値が共に閾値以下である場合、温度偏差が収束したものと判断して水量決定処理を終了し、現在の水量を維持する。一方、温度偏差収束判定ステップＳ１４において上記平均温度偏差の絶対値及び各部位の温度と指令冷却停止温度との差の絶対値の少なくとも一方が閾値を超える場合、調整冷却ゾーン水量調整ステップＳ１５に進んで水量の調整を行う。
【００３１】
上記平均温度偏差の絶対値及び各部位の温度と指令冷却停止温度との差の絶対値の閾値としては、５℃が好ましく、１℃がより好ましい。
【００３２】
（調整冷却ゾーン水量調整ステップ）
調整冷却ゾーン水量調整ステップＳ１５において、調整冷却ゾーンにおける水量を調整する。具体的には、上記平均温度偏差が正の値である場合にはミストノズルから噴霧する水量を一定量増加し、上記平均温度偏差が負の値である場合にはミストノズルから噴霧する水量を一定量減少する。なお、水量の調整はミストノズル全体で行ってもよいし、ミストノズル毎に個別に行ってもよい。
【００３３】
調整冷却ゾーン水量調整ステップＳ１５において水量を調整したときは、冷却後温度分布予測ステップ１３に戻って変更された水量に基づいて再度冷却工程後の線材の温度分布を予測する。その後、さらに温度偏差収束判定ステップＳ１４において、温度偏差の収束が判定される。
【００３４】
このように、予測温度分布における偏差及び指令冷却停止温度との差が一定の閾値以下に収束するまで上記手順による水量の調整が繰り返される。
【００３５】
なお、水量を一定とする制御冷却においては、リングが密となるリング幅方向外側の冷却量が小さくなるため、図３に示すようにリング幅方向外側に向かって温度が低くなるような分布を調整冷却後の目標温度分布として設けるとよい。
【００３６】
＜制御冷却工程＞
制御冷却工程では、調整冷却後の線材に対し、冷却水量を一定に制御しつつ、線材の表面温度がＦＣＴ［℃］となるまで冷却を行う。具体的には、冷却速度がＣＲ［℃／ｍｉｎ］となるよう線材のリングの水平断面に投射される有効冷却水量を一定範囲として冷却を行う。
【００３７】
なお、調整冷却工程及び制御冷却工程において、冷却中に線材の表面温度を実測し、この測定値に基づいて水量を適宜調整してもよい。
【００３８】
［利点］
当該線材の冷却方法は、散水冷却において、線材の重なりによる熱伝達の変化を考慮しつつ冷却後のリング幅方向の温度分布の偏差が小さくなるよう調整冷却を行うので、冷却後の温度のバラツキを抑制することができる。また、当該線材の冷却方法は、この調整冷却後に冷却水量を一定とする制御冷却後を行い、かつ調整冷却ゾーンを制御冷却後の温度が一定範囲となるように決定するので、温度のバラツキを抑制しつつ、目標温度まで線材を確実に冷却することができる。
【００３９】
［その他の実施形態］
本発明の線材の冷却方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、当該線材の冷却方法は必要に応じて上述以外の工程を備えてもよい。
【００４０】
制御冷却ゾーン及び調整冷却ゾーンの決定方法は、予め分割した複数のゾーンを割り振る方法に限定されず、制御冷却後の温度が一定範囲となるよう冷却領域全体を任意の長さの制御冷却ゾーンと調整冷却ゾーンとに直接分割する方法を用いてもよい。つまり、必ずしも冷却領域全体を等間隔の複数のゾーンに分割する必要はない。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００４２】
［実施例１］
平均径５．５ｍｍ、平均リング径１１２０ｍｍの線材に対し、散水冷却による冷却のシミュレーションを行った。冷却水散水機構としては、冷却領域全長８ｍ、冷却ゾーン数８で、図２に示すミストノズルを有するものを用いた。さらに、ミストノズルは、エア圧０．２〜０．３ＭＰａ、液圧０．１５〜０．３ＭＰａ、エア量７６．９〜１８９ＮＬ／ｍｉｎ、噴霧量２３．９〜１０７Ｌ／ｈｒ、気水比５０〜５００とした。
【００４３】
図５に、冷却前の線材のリング幅方向の温度分布を示す。このように線材が重なるリング幅方向外側は空冷による温度の低下が小さいため、温度が中心部に対し高く偏差が大きい。
【００４４】
シミュレーションにおいて、まず調整冷却ゾーンの決定を行った。具体的には、ＳＣＴ：７５０℃、ＦＣＴ：５００℃、ＣＲ：３０℃／ｓ、Ｖ：４０ｍ／ｍｉｎとして、上記式（１）よりＬを求めたところ、５．５ｍとなった。そこで、調整冷却ゾーン数を２、制御冷却ゾーン数を６として決定した。
【００４５】
次に、２次元熱伝導方程式を用い、制御冷却後の線材の温度分布を予測し、この温度分布の偏差の絶対値が一定値以下、かつ線材の全冷却ゾーン出口での各部位の温度と指令冷却停止温度との差の絶対値が一定値以下となる水量を決定した。温度分布の予測に用いた熱伝達係数（熱伝達率）と、決定した水量のリング幅方向の分布を図６に示す。なお、図６では、リング端部を基準（１．０）とした比で熱伝達率と水量とを表している。
【００４６】
上述のように決定した水量により調整冷却及び制御冷却を行った実施例の結果を図７（ａ）に示す。また、比較例として調整冷却を行わずに制御冷却のみを行った結果を図７（ｂ）に示す。図７では、疎部（リング中心）及び密部（リング中心からの距離が５６０ｍｍのリング端部）における温度の経時変化をそれぞれ表示している。さらに、上記実施例及び比較例の制御冷却後のリング幅方向の温度分布を図８に示す。なお、シミュレーションでは、円柱座標系の半径方向（ｒ方向）を４分割、周方向（θ方向）を６分割して計算を行った。
【００４７】
図７からわかるように、調整冷却を行った実施例（図７（ａ））は、比較例（図７（ｂ））に比べ、疎部と密部との温度差が小さい。また、図８からわかるように、比較例では冷却前の温度分布の偏差が解消されていないのに対し、実施例では偏差が著しく低減されている。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
当該線材の冷却方法は、散水冷却により冷却後の温度のバラツキを抑制できるので、線材の製造に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１  第一ミストノズル
２  第二ミストノズル
３  第三ミストノズル
１０  搬送台
Ａ  線材
Ｓ１  調整冷却工程
Ｓ２  制御冷却工程
Ｓ１１  初期条件設定ステップ
Ｓ１２  調整冷却ゾーン決定ステップ
Ｓ１３  冷却後温度分布予測ステップ
Ｓ１４  温度偏差収束判定ステップ
Ｓ１５  調整冷却ゾーン水量調整ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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