(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便な機構で水スプレーの実効冷却部のサイズを微細に調整でき、実効冷却部のサイズ調整時に、流量調整弁等による流量調整をせずとも、冷却能力を一定に保持できる形鋼の冷却方法の提供。【解決手段】被冷却面１００と水スプレー２を噴射するノズル１との間に、ノズル１から噴射した水スプレー２と交差する楕円形、長方形又は菱形の開口部３Ａをもつ遮蔽板３を回転可能に設置し、遮蔽板３の外周部を旋回させて水スプレー２の実効冷却部２Ｂのサイズを変更する形鋼の冷却方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間仕上げ圧延時または圧延後の形鋼を水スプレーで冷却する形鋼の冷却方法において、被冷却面と前記水スプレーを噴射するノズルとの間に、前記ノズルから噴射した水スプレーと交差する楕円形、長方形または菱形の開口部をもつ遮蔽板を回転可能に設置し、前記遮蔽板の外周部を旋回させて前記水スプレーの実効冷却部のサイズを変更することを特徴とする形鋼の冷却方法。
【請求項２】
前記ノズルは、楕円形または長方形の噴射パターンをもつことを特徴とする請求項１に記載の形鋼の冷却方法。
【請求項３】
前記形鋼の直線状構成要素の一部または全域を、前記開口部との交差部を通過した水スプレーの実効冷却部とすることを特徴とする請求項１または２に記載の形鋼の冷却方法。
【請求項４】
前記水スプレーの最大広がり角度θは６０°以上とすることを特徴とする請求項２または３に記載の形鋼の冷却方法。
【請求項５】
前記遮蔽板の外周部を旋回させる角度は０°以上９０°以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の形鋼の冷却方法。
【請求項６】
熱間仕上げ圧延時または圧延後の形鋼を水スプレーで冷却する形鋼の冷却装置において、
被冷却面と前記水スプレーを噴射するノズルとの間に回転可能に設置した、前記ノズルから噴射した水スプレーと交差する楕円形、長方形または菱形の開口部をもつ遮蔽板と、
前記遮蔽板の外周部を旋回させて前記水スプレーの実効冷却部のサイズを変更する手段と
を備えたことを特徴とする形鋼の冷却装置。
【請求項７】
前記ノズルは、楕円形または長方形の噴射パターンをもつことを特徴とする請求項６に記載の形鋼の冷却装置。
【請求項８】
前記形鋼の直線状構成要素の一部または全域が、前記開口部との交差部を通過した水スプレーの実効冷却部であることを特徴とする請求項６または７に記載の形鋼の冷却装置。
【請求項９】
前記水スプレーの最大広がり角度θは６０°以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の形鋼の冷却装置。
【請求項１０】
前記遮蔽板の外周部を旋回させる角度は０°以上９０°以下であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の形鋼の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延後の形鋼を冷却するに際して、簡単な機構で所望の冷却範囲のみ冷却することを可能とすることで、良好な温度分布と、良好な形状及び機械的特性を確保することが可能な形鋼の冷却方法及び装置に関する。
ここで、形鋼とは、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、Ｔ形鋼、溝形（Ｕ形）鋼、山形（Ｌ形）鋼、球平形鋼、鋼矢板、およびレールなどの、断面形状が矩形でない鋼材を総称していう。
【背景技術】
【０００２】
土木、建築、運輸等の分野で構造用素材として広く使用される形鋼は、Ｈ形、溝形（Ｕ形）、山形（Ｌ形）など様々な断面形状をもつ鋼材であり、これらは１つの圧延ラインで製造されている。
そもそも、熱間圧延で製造する形鋼を冷却する大きな目的は、（ｉ）形状を確保すること、および（ｉｉ）圧延時の温度や圧延後の冷却を制御することにより高強度材など優れた機械的特性を持つ形鋼を製造することにある。
一方、形鋼例えばＨ形鋼ではウェブやフランジの寸法が種々異なっているため、形状制御や材質の作り込みの点から冷却を行う場合は、その冷却装置の設計や運用に多大な労力が発生する。
【０００３】
例えば、Ｈ形鋼のフランジ外面冷却では、フランジ高さよりも冷却水噴射部の高さが高い場合は、フランジを乗り越えた冷却水が、ウェブ部に溜まることでウェブが過冷却されてしまい、フランジよりも肉厚の薄いウェブが座屈変形して形状不良が発生する。逆に、フランジ高さよりも冷却水噴射部の高さが低い場合は、フランジの端部が冷却されず、材質上の不都合が発生する。また、Ｈ形鋼や鋼矢板のウェブ下面の水噴射冷却を実施する場合を考えると、ウェブ幅よりも冷却水被水幅が広い場合は、フランジも冷却されてしまい、フランジが変形するし、逆にウェブ幅よりも冷却水被水幅が狭い場合は、ウェブの一部しか冷却されずそもそもウェブの冷却の効果を得ることが難しくなる。つまり、形鋼圧延では、フランジもしくはウェブの狙った範囲のみ高い精度で冷却する必要がある。このような背景に対して、従来、様々な技術が提案されてきた。
【０００４】
特許文献１及び２には、Ｈ形鋼のフランジ外面冷却について、水スプレー噴射用のノズルをフランジの高さ方向に複数設置すると共に、高さ方向の個々のノズルは独立してオン‐オフを可能とし、フランジと同じ高さのみ冷却するために、該当するノズル以外の冷却水噴射を停止して、噴射高さを変更する技術が記載されている。この技術はウェブなどへも応用が可能である。
【０００５】
特許文献３には、遮蔽板に開口部を設けるとともに、遮蔽板を二種類準備し、一つの遮蔽板は、異なる開口面積を持つ開口部を複数開けておき、遮蔽板をスライドして、位置をずらすことで開口部から遮蔽板を通過する冷却水の噴射範囲を調整可能とする技術が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、楕円形の噴射パターンを持つ冷却ノズル自体を旋回運動させることで、噴射水と被冷却面との衝突部のサイズを種々違えて冷却することを可能とする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５１００３３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１４号公報
【特許文献３】特開平６−３３９７２１号公報
【特許文献４】特開平４−３５１２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述した従来の技術は、何れも実用上十分なものとはいえない。
特許文献１及び２の技術は、水スプレーのオン‐オフをするために複数の遮断弁を設ける必要がある。そのため、設置機器が増え、初期投資が大きくなる。さらに、これに加えて、それら多数の機器について、水蒸気などによる腐食や鋼材から剥離したスケールの堆積などが発生する過酷な環境で、機器の安定的な動作を維持する必要があるためメンテナンス上の障害となる。また、水スプレーと被冷却面との衝突部（以下、「実効冷却部」という。より詳しくは後述する。）が複数配列したノズルの１本ずつからの水スプレーの合併で形成され、ノズル配列方向の実効冷却部のサイズの調整量は、設置したノズルの本数で決定されてしまうため、ノズル配列方向の実効冷却部のサイズやノズルの設置高さの微調整をする点からも複数のノズル設置と共に個別にオン‐オフするための遮断弁が必要となり、ノズル配列方向の実効冷却部のサイズ調整にあたり自由度を高くすることが難しい。
【０００９】
特許文献３の技術は、Ｈ形鋼のフランジ冷却に関して、予め種々異なる開口面積を持つ開口部（穴）を複数開けた遮蔽板を準備し、それを高さ方向にスライドすることで様々な高さを持つ形鋼のフランジ外面について高さ方向の所望部位のみ冷却水を噴射することが可能となる技術である。本技術は、原理的にはウェブの冷却にも応用可能な技術であるが、形鋼、特にＨ形鋼のウェブは、そのウェブ幅が２００ｍｍから１０００ｍｍまで変化が大きく、ウェブ冷却を想定すると穴径の種類の数を多くする必要がある。その結果、遮蔽板の各位置に穴径の相異なる複数の穴を開ける必要があり、遮蔽板をスライドさせる距離は、穴の数に比例して大きくなってゆく。形鋼の圧延ラインではテーブルローラーやサイドガイド、テーブルローラー間の落下防止プロテクタなどの構造物が複数あり、それら構造物と干渉させずに長いスライド機構を入れることは困難であり、また、スライド距離が長くなるほど引っかかりなどのトラブルが発生することが予想されるため、その利用は限定的なものとなる。
【００１０】
特許文献４の技術は、楕円形状の噴射パターン（ノズルから噴射した水スプレー全体と被冷却面との衝突部）を持つノズルを旋回運動させるため、該旋回運動を例えばスクリューなどで微調整することが可能な構造とすることで、ほぼ連続的に噴射範囲を変更可能とすることができ、実効冷却部のサイズ（寸法が最大になる方向のサイズ）制御に関しては、非常に有用な技術である。一方、単純にノズルを旋回させた場合は、ノズルから噴射される水量は一定のままなので、実効冷却部の単位面積当たりの流量は、旋回角度により変化する。つまり、実効冷却部を狭くした場合は、その単位面積当たりの流量は大きくなり、実効冷却部を広くした場合は、その単位面積当たりの流量は少なくなる。冷却能力は実効冷却部の単位面積当たりの流量と共に増大するため、実効冷却部を狭く設定するほど冷却速度が速くなる。そのため、実効冷却部のサイズによらず一定の冷却速度とするためには、同時に流量調整も必要となる。流量調整には、流量調整弁と流量計が必要なため、設置する機器の種類数や設置数の増大によるコスト増やメンテナンス上の障害となる。更に、配管と接続されたノズルを旋回させるためには、配管部にユニバーサルジョイントを設置する必要があり、機器の設置コストやメンテナンス上の障害となる。
【００１１】
上述のように、形鋼の冷却に関する従来の技術は、実用上十分なものとはいえないことに鑑み、本発明は、簡便な機構で水スプレーの実効冷却部のサイズを微細に調整できるようにし、かつ、当該実効冷却部のサイズ調整時に、流量調整弁などによる流量調整をせずとも、冷却能力を一定に保持できるようにすることを目的とし、形鋼の冷却方法及び装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は上述の課題を解決するために鋭意検討し、以下の要旨構成になる本発明に想到した。
（１）  熱間仕上げ圧延時または圧延後の形鋼を水スプレーで冷却する形鋼の冷却方法において、被冷却面と前記水スプレーを噴射するノズルとの間に、前記ノズルから噴射した水スプレーと交差する楕円形、長方形または菱形の開口部をもつ遮蔽板を回転可能に設置し、前記遮蔽板の外周部を旋回させて前記水スプレーの実効冷却部のサイズを変更することを特徴とする形鋼の冷却方法。
（２）  上記（１）において、前記ノズルは、楕円形または長方形の噴射パターンをもつことを特徴とする形鋼の冷却方法。
（３）  上記（１）または（２）において、前記形鋼の直線状構成要素の一部または全域を、前記開口部との交差部を通過した水スプレーの実効冷却部とすることを特徴とする形鋼の冷却方法。
（４）  上記（２）または（３）において、前記水スプレーの最大広がり角度θは６０°以上とすることを特徴とする形鋼の冷却方法。
（５）  上記（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記遮蔽板の外周部を旋回させる角度は０°以上９０°以下とすることを特徴とする形鋼の冷却方法。
（６）  熱間仕上げ圧延時または圧延後の形鋼を水スプレーで冷却する形鋼の冷却装置において、
被冷却面と前記水スプレーを噴射するノズルとの間に回転可能に設置した、前記ノズルから噴射した水スプレーと交差する楕円形、長方形または菱形の開口部をもつ遮蔽板と、
前記遮蔽板の外周部を旋回させて前記水スプレーの実効冷却部のサイズを変更する手段と
を備えたことを特徴とする形鋼の冷却装置。
（７）  上記（６）において、前記ノズルは、楕円形または長方形の噴射パターンをもつことを特徴とする形鋼の冷却装置。
（８）  上記（６）または（７）において、前記形鋼の直線状構成要素の一部または全域が、前記開口部との交差部を通過した水スプレーの実効冷却部であることを特徴とする形鋼の冷却装置。
（９）  上記（７）または（８）において、前記水スプレーの最大広がり角度θは６０°以上であることを特徴とする形鋼の冷却装置。
（１０）  上記（６）〜（９）のいずれかにおいて、前記遮蔽板の外周部を旋回させる角度は０°以上９０°以下であることを特徴とする形鋼の冷却装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、厚みや長さの相異なるウェブやフランジなど形鋼の特定部を個別且つ全面均一に冷却することが可能となる。特に形鋼の形状制御において、簡易的な機構で且つ精度よく特定部位のみの冷却が可能となるから、フランジとウェブの温度差を低減させ、当該温度差による熱変形を有利に防止できる。さらに、局所的な冷却により形鋼の一部分について機能に応じた機械的特性の改善も可能である。したがって、本発明によれば、形鋼を高い生産性で製造可能であると共にメンテナンス負荷を低減する効果を奏する。さらに、形鋼の任意の部位の機械的特性の改善も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るノズルの例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るノズルおよび遮蔽板の例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る遮蔽板の配置形態および旋回の例を示す模式図である。
【図４】遮蔽板３の回転以外の動きを拘束する方法の一例を示す側断面図である。
【図５】遮蔽板外周部を旋回させる手段として、クランク機構の例を示す模式図である。
【図６】遮蔽板外周部を旋回させる手段として、プーリ機構の例を示す模式図である。
【図７】本発明に好ましく用いうる噴射パターンを示す模式図である。
【図８】本発明に係る水スプレーの広がり角度についての説明図である。
【図９】遮蔽板の開口部の形状についての説明図である。
【図１０】Ｈ形鋼に適用した本発明例を示す模式図である。
【図１１】本発明例におけるＨ形鋼と水スプレーの幾何学的関係を記述する変数を示す模式図である。
【図１２】開口部３Ａの寸法変数を示す模式図である。
【図１３】遮蔽板外周部の旋回角度φと水スプレーの通過幅Ｌとの幾何学的関係についての説明図である。
【図１４】遮蔽板外周部の旋回角度φと、式（５）で計算した、開口部との交差部における水スプレー２の通過幅Ｌの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例に用いた熱間圧延設備列を示す模式図である。
【図１６】水冷装置の一部であるウェブ下面水冷装置の詳細を示す模式図である。
【図１７】ウェブ座屈の様子を示す模式図である。
【図１８】フランジ曲りの様子および変形量の定義を示す模式図である。
【図１９】Ｈ形鋼の下方からの水スプレー冷却において、（ａ）はウェブ幅１０００ｍｍのウェブ下面の幅方向全域が実効冷却部となる場合、（ｂ）はウェブ幅１０００ｍｍ未満のウェブ下面の幅方向全域およびこれに連なるフランジ下部内面の一部が実効冷却部となる場合を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明では例えば図１に示すノズル１を用いる。図１のノズル１は、１本のノズル１から噴射した水スプレー２の全体と被冷却面１００との衝突部である噴射パターン２Ａが楕円形になるものである。なお、前記実効冷却部とは、詳しくは、１本または複数本のノズル１から噴射した水スプレー２の全体または該全体のうちの一部と被冷却面１００との衝突部を指す。噴射パターン２Ａは、楕円形に限らず、長方形あるいはその他の形としてもよいが、本発明による冷却の制御をより行い易くする観点から、噴射パターン２Ａが楕円形または長方形になるノズル１を使用し、かつ、該楕円形または長方形の噴射パターン２Ａの長軸方向が、形鋼の搬送方向と直交するように、ノズル１を配向するのが好ましい。すなわち、水スプレー２の噴射パターン２Ａは、形鋼の搬送方向を噴射パターン２Ａの短軸方向とし、形鋼の搬送方向に直交する方向である搬送直交方向を噴射パターン２Ａの長軸方向とするのが好ましい。つまり、水スプレー２は、搬送直交方向に広く、搬送方向に狭い配向とするのが好ましい。
【００１６】
また、本発明では、上記に加え、例えば図２に示すように、ノズル１から噴射した水スプレー２と交差する楕円形の開口部３Ａ（または、後掲の図９に示す長方形もしくは菱形の開口部３Ａ）をもつ遮蔽板３を、ノズル１と被冷却面１００との間に、回転可能に設置する。この回転の中心軸は、本発明による冷却の制御をより行い易くする観点から、開口部３Ａの図心を通し、ノズル１による噴射の主方向と一致させるのが好ましい。
【００１７】
ノズル１から噴射した水スプレー２の全体のうち、開口部３Ａとの交差部３Ｂを通過した部分が、被冷却面１００内に実効冷却部２Ｂを形成する。さらに、本発明では、上記に加え、例えば図３に示すように、遮蔽板３の外周部を旋回させて、水スプレー２の実効冷却部２Ｂのサイズを変更する。すなわち、遮蔽板３の外周部を旋回させることにより、水スプレー２と開口部３Ａとの交差部３Ｂのサイズが変化し、それに応じて、開口部３Ａとの交差部３Ｂを通過した水スプレー２の実効冷却部２Ｂのサイズが変化する。開口部３Ａとの交差部３Ｂを通過した水スプレー２の実効冷却部２Ｂの単位面積当たりの流量は、噴射パターン２Ａのそれとほぼ同一である。換言すれば、水スプレー２の交差部通過分（開口部通過分）と交差部不通過分（開口部不通過分）とでは単位面積当たりの流量がほぼ同一である。したがって、本発明によれば、冷却能力を一定に保持したまま実効冷却部のサイズを変更することができる。
遮蔽板３の外周部を旋回させる角度（「旋回角度」という。）は、旋回しない状態である０°から最大９０°までとするのが好適である。
【００１８】
図３では、開口部３Ａは、噴射パターンとほぼ相似な楕円形であり、旋回角度０°において、交差部３Ｂの全体が開口部３Ａ内に収まる配向とされている（図３（ａ）参照）。このとき、開口部３Ａとの交差部３Ｂはいわゆる全開の状態となり、被冷却面（形鋼の被冷却面）１００内の実効冷却部２Ｂは、サイズが最大、すなわち噴射パターン２Ａとなる。旋回角度を大きくしていくにつれ、開口部３Ａとの交差部３Ｂは小さくなり、それに伴って、実効冷却部２Ｂのサイズが小さくなる。旋回角度が例えば４５°のいわゆる半開の状態では、実効冷却部２Ｂは中間のサイズとなり（図３（ｂ）参照）、旋回角度が最大９０°のいわゆる一部開（開度最小）の状態では、実効冷却部２Ｂは最小サイズとなる。ここで、実効冷却部２Ｂの、噴射パターン２Ａの長軸に平行な方向のサイズを「噴射幅」という。
【００１９】
本発明によれば、冷却能力を保持したまま、噴射幅を最大から最小まで変更できる。そこで、噴射幅の最小から最大までの範囲が、冷却対象である形鋼の直線状構成要素（ウェブあるいはフランジ）のサイズ（ウェブ幅あるいはフランジ高さ）の最小から最大までの範囲を含むように、ノズルの種類（噴射パターンにより分類される種類）、遮蔽板の設置高さおよび開口部の形状寸法を設定することにより、形鋼の幅や高さのサイズ変更に応じて、冷却能力は変えずに、変更後の形鋼の幅等のサイズに適合した噴射幅に設定して冷却することができる。
【００２０】
上述のように、本発明では、遮蔽板３の外周部を旋回させることで、水スプレー２の開口部３Ａ不通過分の遮蔽を行うため、上下／左右へのスライド機構は無くコンパクトな装置となる。また、遮蔽板３の外周部の旋回角度を０°〜９０°の範囲から任意に選定することで、無段階の噴射幅調整が可能である。さらにノズル１から一定水量の水スプレー２を噴射し、遮蔽板３の外周部の旋回により水スプレー２を部分的に遮蔽することで、単位噴射幅当たりの流量は変化しないため、流量調整など副次的な制御も不要となる。
【００２１】
図４は遮蔽板３の回転以外の動きを拘束する方法の一例を示す側断面図である。遮蔽板３の外周部を旋回させるにあたり、遮蔽板３の回転中心位置には、そこに設置されるノズル１との干渉を回避する必要があるため、軸部材等の構造物は設置できない。そこで、遮蔽板３の外周部の下面側に遮蔽板３の外径よりも小さい適宜の外径をもつ円筒形状の突起３Ｃを付設しておき、遮蔽板３の位置を保持するために、突起３Ｃの円筒径より大きい適宜の径をもつ開口部のあるプレート４を挿入し、突起３Ｃの下端部を固定用のプレート５で固定することで、遮蔽板３の回転中心位置に軸部材等の構造物を設置しなくても遮蔽板外周部の旋回運動が可能となる。
また、遮蔽板外周部を旋回させる手段としては、クランクやプーリなどの機構が挙げられる。これらの機構によれば旋回角度の設定も容易に行える。
【００２２】
図５にはクランク機構として、直動シリンダーを採用した例を示した。直動シリンダーは、遮蔽板３に、ピン１３、コンロッド１２、シリンダー可動部１１、シリンダーボディ１０をこの順に連結した構造をもつ。この構造において、シリンダーボディ１０に空圧をかけることでシリンダー可動部１１が外部に伸縮する。図５（ａ）のように旋回角度を０゜とした場合は、シリンダー可動部１１を縮めた状態とし、シリンダー可動部１１の長さを変更することで図５（ｂ）の旋回角度４５°や図５（ｃ）の旋回角度９０°のように、遮蔽板３内の開口部３Ａを０°から９０°までの任意の旋回角度に設定することが可能である。なお、図５では、シリンダーボディ１０の動力型が空圧型である場合について説明したが、これ以外の、例えば油圧型やスクリュー型のような、直進運動を任意の位置で停止し再開できる機構でありさえすれば、シリンダーボディ１０はどのような機構でもかまわない。
【００２３】
また、図６にはプーリ機構の例を示した。モーター１６と接続したプーリ１４で回転の駆動力を発生させ、その駆動力はベルト１５を介して、遮蔽板３に伝達される。モーター１６はサーボモーターなど回転量の微調整が可能なものが好ましく、また、旋回角度の調整のし易さの観点から遮蔽板３と異なるサイズ（直径）のプーリ１４としてもかまわない。
【００２４】
図７は、本発明に好ましく用いうる噴射パターン２Ａを示している。図７の（ａ）は楕円形、（ｂ）は長方形の噴射パターン２Ａである。前述のように、水スプレー２は、搬送直交方向に広く、搬送方向に狭い配向とするのが好ましいから、水スプレー２において、搬送方向長さ（「噴射厚み」という。）ｔは、搬送直交方向長さ例えば幅方向長さ（前記「噴射幅」に該当する。）ｂよりも短くとるのが好ましい。
【００２５】
特に、噴射厚みｔは可能な限り薄い方が良い。その理由は、遮蔽板３の開口部３Ａのアスペクト比を大きくとれるため、水スプレー２と開口部３Ａとの交差部３Ｂ（図３参照）の幅方向長さの可変範囲を広くとること、すなわち、実効冷却部２Ｂ（図３参照）の噴射幅の可変範囲を広くとることができるからである。噴射厚みｔと噴射幅ｂとの比（ｂ／ｔ）は、実用上では５以上が好ましい。また、この比（ｂ／ｔ）を過大にとりすぎると水スプレー２自体の流量分布の均一性などが損なわれる危険もあり、比（ｂ／ｔ）は５０以下とするのが好適である。なお、ノズル１は、水スプレー２の幅方向に亘り可能な限り均等な流量が噴射できるものが好ましい。具体的には、水スプレー２の幅方向の局所流量が平均流量に対して±１０％以内である流量分布で噴射できるノズルを採用するのが好適である。
【００２６】
また、図８は、本発明に係る水スプレーの広がり角度についての説明図である。前述のように本発明に好ましく用いうる、楕円形または長方形の噴射パターン２Ａには、噴射幅ｂに対応する最大広がり角度θ（図８（ａ））、および噴射厚みｔに対応する最小広がり角度ψ（図８（ｂ））が存在する。そのため、前述のようにｂ／ｔを５以上とするためには、その幾何学的関係から最大広がり角度θと最小広がり角度ψの角度比（θ／ψ）を５以上とすればよい。一般的な水スプレーでは、その最小広がり角度ψは１０°〜１５゜程度である。本発明では水スプレーによる実効冷却部の噴射幅ｂを広範囲に調整する観点から、水スプレーの最大広がり角度θとなる方向を形鋼の幅方向と合わせ、さらに当該最大広がり角度θを６０°以上とするのが好ましい。なお、最大広がり角度θは、過大になると噴射の均一性が損なわれがちとなるため、１３０°以下が好ましい。
【００２７】
また、むろん、鉄鋼のデスケーリング用などに使われている最小広がり角度ψの小さいフラットスプレーなどの特殊なスプレーノズルを使うことで、その最小広がり角度ψが１０°未満となるようにして、角度比（θ／ψ）を大きくしてもかまわない。
【００２８】
本発明では、形鋼における直線状構成要素であるフランジやウェブなどの特定部位を冷却する目的から、水スプレーの最大広がり角度θの広がる方向である噴射パターンの長軸方向を形鋼の幅方向または高さ方向に設定するのが好適である。
【００２９】
図９は、遮蔽板３の開口部３Ａの形状についての説明図である。前掲の図２〜図６による説明では、楕円形の開口部３Ａとしたが、図９（ａ）のような長方形や図９（ｂ）のような菱形の開口部３Ａでもかまわない。いずれにしても開口部３Ａの長径と短径の大きさは、遮蔽板３がいわゆる全開となる図３（ａ）の状態で水スプレー２が遮蔽板３と干渉しない十分な大きさとしておけばよい。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、図１０に示すように、本発明の冷却方法をＨ形鋼に適用したものである。図１０において、前掲図と同一または相当部材には同じ符号を付し、説明を省略する。Ｈ形鋼は、フランジ２０とウェブ２１から構成されており、本実施例では、ウェブ２１の下面のみ冷却を施す。一般的に、形鋼ではフランジ厚みの方がウェブ厚みよりも厚いケースが多く、圧延工程で厚みの薄いウェブの温度がフランジよりも高温になった場合、熱膨張の観点でウェブに大きな圧縮応力がかかり座屈変形することがある。そのため、ウェブの下面のみ冷却することでこのような変形を防止する。
【００３１】
図１１には、本実施例におけるＨ形鋼と水スプレー２の幾何学的関係を記述する変数として、ウェブ幅Ｗ、フランジ高さＨ、水スプレーの適正な噴射角度θ’、ノズル先端から上方のパスライン（フランジ下端位置）までの距離Ｐ、ノズル先端から上方の遮蔽板までの距離Ｄ、および遮蔽板の開口部の適正な開口長さＬ’を示す。これらの変数を用い、フランジ厚みを２２ｍｍ、ウェブ厚みを１２ｍｍとし、フランジ高さＨを２００〜４００ｍｍ、ウェブ幅Ｗを最小フランジ高さと同一値（フランジ高さ２００ｍｍの場合は、２００ｍｍ）から１０００ｍｍまで変更するケースについて説明する。
【００３２】
ノズル先端からパスライン（フランジ下端位置）までの距離Ｐは１２０ｍｍとし、ノズル上方にあるウェブ２１へ水スプレー２を噴射できるようになっている。ノズル先端から上方の遮蔽板３までの距離Ｄは２５ｍｍとする。なお、ノズル１は、図８（ａ）における最大広がり角度θが１１５゜となるフラットスプレー（図７（ｂ）のような長方形の噴射パターンを示す水スプレー)を噴射するノズルを用い、最大広がり角度θの広がる方向がＨ形鋼の幅方向(図１１の紙面左右方向)となるように取り付けてある。
【００３３】
次に、様々なサイズのＨ形鋼に対応するための遮蔽板３の開口部３Ａの寸法決定方法について説明する。
【００３４】
本発明例において、ノズル１の先端は、パスラインよりも下方にあるため、ウェブのみ冷やそうとするとフランジおよびウェブ寸法により水スプレー２の適正な噴射角度θ’が異なる。この適正な噴射角度θ’は、フランジ高さＨ、ウェブ幅Ｗ、およびノズル先端からパスラインまでの距離Ｐとの幾何学的関係から式（１）で表される。
【数１】
2018202430.tif 000003
なお、θ’の単位はｄｅｇ、πは円周率である。ｔａｎ−１は通常はｒａｄ表記であるが、ｄｅｇに変換するために１８０／πを乗じている。
式（１）により求めた水プレーの適正な噴射角度（「適正スプレー角度」ともいう。）θ’を表１に示す。
【００３５】
【表１】
2018202430.tif 000004
【００３６】
表１から、適正スプレー角度θ’が最大となる条件はフランジ高さＨ＝２００ｍｍ、ウェブ幅Ｗ＝１０００ｍｍで、このときθ’は１１５゜となる。また、適正スプレー角度θ’が最小となる条件は、フランジ高さＨ＝２００ｍｍ、ウェブ幅Ｗ＝２００ｍｍで、このときθ’は３５゜となる。
【００３７】
次に、遮蔽板の適正な開口長さＬ’は幾何学的関係から式（２）により計算できる。
【数２】
2018202430.tif 000005
この結果も表１に併示した。遮蔽板の適正な開口長さ（「遮蔽板開口長さ」ともいう。）Ｌ’が最大となる条件はフランジ高さＨ＝２００ｍｍ、ウェブ幅Ｗ＝１０００ｍｍで、このときθ’＝１１５゜、Ｌ’＝７８ｍｍとなる。また、遮蔽板開口長さＬ’が最小となる条件は、フランジ高さＨ＝２００ｍｍ、ウェブ幅Ｗ＝２００ｍｍで、このときθ’＝３５゜、Ｌ’＝１６ｍｍとなる。
【００３８】
次に、図１２に示す開口部３Ａの寸法変数である長径＝２×Ｌ１および短径＝２×Ｌ２を用い、遮蔽板３の開口部３Ａの設計方法について説明する。本例では開口部は楕円形状とした。
【００３９】
円形の遮蔽板３に長径＝２×Ｌ１、短径＝２×Ｌ２の楕円形状の開口部３Ａを開けるが、この際、長径は、先に計算した遮蔽板開口長さＬ’の最大値（Ｌ’＝７８ｍｍ）よりもやや大きめの長径＝８０ｍｍに設定する。また、短径は、先に計算した遮蔽板開口長さＬ’の最小値（Ｌ’＝１６ｍｍ）よりもやや小さめの短径＝１４ｍｍに設定する。
【００４０】
図１３に、遮蔽板外周部の旋回角度φと、水スプレー２の遮蔽板到達時の衝突パターン（点線で示す）２’と開口部３Ａとの交差部（図３における水スプレー２と開口部３Ａとの交差部３Ｂと同じもの）の幅方向長さである水スプレー２の通過幅Ｌとの幾何学的関係についての説明図を示す。遮蔽板３の回転中心（＝ノズル１の噴射孔中心＝開口部３Ａの図心）を原点とし、開口部３Ａの長径方向にｘ軸、短径方向にｙ軸をとったｘ−ｙ座標系において、遮蔽板３の開口部３Ａの周縁形状である楕円３Ａ１は式（３）で表される。
【数３】
2018202430.tif 000006
また、旋回角度φだけ遮蔽板外周部を旋回させた時の、水スプレー２の遮蔽板到達時の衝突パターン２’の長軸を表す直線２’Ａは、式（４）で記述できる。
【００４１】
【数４】
2018202430.tif 000007
式（３）と式（４）からなる連立方程式を解き、楕円３Ａ１と直線２’Ａの交点の座標（ｘ０，ｙ０）を求めると以下のようになる。
【００４２】
【数５】
2018202430.tif 000008
水スプレー２は、遮蔽板外周部の旋回により式（５）で定まる水スプレーの通過幅Ｌを有する開口部３Ａとの交差部３Ｂを通過した分だけが遮蔽板３の上方に抜けてＨ形鋼のウェブ下面に衝突する。
【００４３】
【数６】
2018202430.tif 000009
【００４４】
図１４は、遮蔽板外周部の旋回角度φと、式（５）で計算した、開口部３Ａとの交差部３Ｂにおける水スプレー２の通過幅Ｌの関係を示すグラフである。図１４には表１で算出した最大通過幅と最小通過幅も示す。図１４より、旋回角度φが約２°以上となると遮蔽が開始され、旋回角度φが６０°に達すると最小通過幅まで遮蔽できる。なお、旋回角度が６０°を超えたところは水スプレー２の通過幅の制御範囲が小さい（通過幅の旋回角度に対する変化率が小さい）ため実用上は使用できない。そのため、実操業で通過幅制御に用いる旋回角度の範囲は２°〜６０°とすればよい。なお、本実施例では、開口部寸法の設計と旋回角度の設定のための計算の要領を、開口部形状が楕円である場合について説明したが、開口部形状が長方形や菱形である場合も同様の要領で計算を行えばよい。尤も、楕円形状の開口部の場合は、比較的計算が容易であるため、簡便に設計が可能であり好適である。
【００４５】
次に、本実施例を更に具体的に説明する。本実施例では、図１５に示す熱延圧延設備列を用い、幅１５００ｍｍ、厚さ２５０ｍｍの連続鋳造スラブ２０ａを加熱炉２１ａで１２７０℃まで加熱し、粗圧延機２２により十数パスのリバース圧延により粗圧延をし、続く中間ユニバーサル圧延機２３、２４により、最終形状に近いところまでリバース圧延をする。なお、この中間ユニバーサル圧延工程で、ウェブ幅を拡幅させ最大幅１０００ｍｍまで調整する。次に仕上ユニバーサル圧延機２５により最終形状まで圧延した後に水冷装置２６で冷却を行う。
【００４６】
図１６に、水冷装置２６の一部であるウェブ下面水冷装置の詳細を示す。テーブルロール２７は、８００ｍｍ間隔で搬送方向に複数設置されており、テーブルロール間には水スプレー冷却用のノズル１とその上方に遮蔽板３を設置した冷却ユニットが搬送方向に４００ｍｍピッチ間隔で５０基設置されている。ノズル１としては、１本当たりの噴射流量が２００Ｌ／ｍｉｎのフラットスプレー（噴射パターンが長方形である水スプレーのことである。図７（ｂ）参照）を噴射するノズルであるフラットスプレーノズルが取り付けられている。水スプレーとＨ形鋼との幾何学的関係については、前述と同様、最大広がり角度θ（図８（ａ））が１１５゜であり、テーブルロール上端（フランジ下端）から下方に１２０ｍｍの位置にノズル先端があり（図１１において、Ｐ＝１２０ｍｍ）、ノズル先端から２５ｍｍ上方には、本発明に係る遮蔽板３が取り付けてある（図１１において、Ｄ＝２５ｍｍ）。遮蔽板３の開口部３Ａは、図１２と同様、楕円形状であり、長径は８０ｍｍ、短径は１４ｍｍである。遮蔽板３の外周部を旋回させる手段として、図６のプーリ機構を採用し、サーボモーターで旋回角度を調整するようにした。
【００４７】
ウェブ下面を冷却するに当たり、まず対象材のフランジ高さＨとウェブ幅Ｗに応じた適正な遮蔽量（適正スプレー角度θ’および遮蔽板開口長さＬ’）を表１から読み取り、図１４から目標の遮蔽量（水スプレーの通過幅Ｌ）に応じた目標の旋回角度φを導出して、サーボモーターで目標の旋回角度φとなるように制御を行っている。
【００４８】
また、水冷装置２６には一般的なフランジ外面の冷却装置も設置してあり、機械的特性を満足させる点から、仕上げ圧延終了後にすべての素材についてフランジ部の外面をフランジ外面の冷却装置で冷却する。なお、圧延終了時のフランジ温度は８００℃、ウェブ温度は７００℃である。フランジ外面の冷却装置には、板厚２４ｍｍのフランジの板厚方向の平均温度を８００℃から５００℃まで最短２５秒で降温させる冷却能力を持たせている。一方、ウェブ下面冷却用の装置には、前述のフラットスプレーノズルを使うことで、板厚１２ｍｍのウェブの板厚方向の平均温度を７００℃から５５０℃まで最短８秒で降温させる冷却能力をもたせている。
【００４９】
上記水冷装置２６による冷却工程において、厚みの相異なるフランジ２０とウェブ２１を個別に冷却できない場合は、ウェブ２１が座屈して変形したり、両端のフランジ曲りが発生したりすることで形状不良となり、これを出荷可能とするためには、労力のかかるプレス矯正工程の追加を必要とする。ここで、評価指標としてウェブ座屈とフランジ曲りを採用し、本発明例および比較例について評価した。
【００５０】
ウェブ座屈は図１７に示すようにウェブ２１に膨らみが発生する現象である。これは、フランジ温度よりもウェブ温度が高いときに発生する傾向があり、解消するためにはフランジ２０とウェブ２１の温度を可能なかぎり近づける必要がある。座屈変形であるため、或るしきい値を超えたところで急に大きな面外変形が発生する。なお、面外変形とは、平板を変形したとき、変形した部分が、変形前の平板厚み方向範囲からはみ出す変形のことである。かかる面外変形は定量化が難しいことから目視評価により、ウェブ上に膨らみがあるか否かの評価をした。なお、ウェブ座屈が発生した場合は、ローラー矯正機やプレス矯正機で形状修正を行うが、低能率作業とならざるを得ず、生産性低下の原因となる。
【００５１】
フランジ曲りは、図１８に示すようにフランジ２０に曲りが生じて、フランジ２０の上端部と下端部がウェブ２１の幅方向範囲であるウェブ幅の外側もしくは内側に変形する現象である。一般的に、フランジ２０の外面のみを冷却すると熱変形により、図１８（ｂ）のようにウェブ幅の内側に変形する。これを防止するために、仕上ユニバーサル圧延時に若干外側に変形するように幅圧下ロールの形状を調整して圧延を行っている。この変形は、水冷時のフランジ外面と内面の温度差に起因して発生するため、本例のようにウェブ下面の冷却を実施する際に、誤ってフランジの下部内面を冷却してしまった場合、フランジはウェブ幅の外側に変形してしまう。フランジ曲がりの変形量の定義については、図１８（ａ）、（ｂ）に示すとおり、フランジ外面の高さ方向中央部を基準とし、基準位置からフランジ上端及び下端部の最大変位量δを変形量δとした。このとき、ウェブ幅方向の外側に変形した場合を正（＋）、内側に変形した場合を負（−）とした。なお、出荷基準は変形量δが±１．５ｍｍ以内に収まっていれば合格とし、不合格の場合は、低能率とならざるを得ないローラー矯正機やプレス矯正機で形状修正を行う。
【００５２】
前述の水冷装置２６で冷却を行う工程において、表２に示したとおり、フランジ高さＨを２００ｍｍおよび４００ｍｍとし、ウェブ幅Ｗを２００ｍｍから１０００ｍｍまで種々変更して、上述の「図１６に、水冷装置２６の一部であるウェブ下面水冷装置の詳細を示す。‥‥遮蔽板３の外周部を旋回させる手段として、図６のプーリ機構を採用し、サーボモーターで旋回角度を調整するようにした。」との記載箇所において詳述した、本発明に係る遮蔽板３（遮蔽板外周部の旋回による遮蔽機構）を備えたウェブ下面水冷装置（以下、「本発明装置例Ａ」という。）を使ってウェブ下面冷却を行い、本発明例とした。なお、比較例としてウェブ下面冷却を行わない（ウェブ下面は自然空冷とする）ケースと、前記本発明装置例Ａから遮蔽板３を除去した以外は本発明装置例Ａと同様とした比較例装置Ａ’を使って冷却を行うケースとを実施した。その結果を表２に示す。
【００５３】
表２に示すとおり、本発明例１〜６では、遮蔽板によりウェブ下面を適正に冷却できたため、ウェブ座屈は発生せず、且つフランジ曲りは変形量δが±１．５ｍｍ以内にすべて収まり、出荷基準に合格した。この結果、形状矯正の追加工程は発生しなかった。
【００５４】
一方、ウェブ下面冷却を行わなかった比較例１〜６では、フランジ曲りは、変形量δがすべて±１．５ｍｍ以内であったものの、ウェブ座屈は、ウェブ幅が狭い比較例１および４では発生しなかったが、それ以外（比較例２、３、５、６）ではすべて発生した。これは、ウェブとフランジの温度差が大きかったことに起因すると思われる。また、一般に材料の座屈は材料幅が広い方が発生しやすいことが知られており、ウェブ幅が狭い比較例１、４でウェブ座屈が発生しなかった理由と思われる。その結果、比較例２、３、５、６はすべてローラー矯正機で修正を行う必要があった。このようにウェブ下面冷却を行わない比較例では、ウェブ座屈が発生しないサイズが限定的となり、生産性への悪影響が大きかった。
【００５５】
次に、比較例７〜１２は、ウェブ下面冷却を行うも比較例装置Ａ’を用いた例（遮蔽板３での遮蔽機構なしの例）である。
【００５６】
水スプレーでのウェブ下面冷却によりウェブ座屈はすべて防止されたが、比較例７、８、１０、１１ではフランジ曲りが変形量δで+３ｍｍ〜+１０ｍｍとなり、不合格となった。比較例７〜１２では水スプレー２の実効冷却部が、図１９（ａ）のようにウェブ幅１０００ｍｍと過不足無く重なる設備構成となっている。ウェブ幅が１０００ｍｍ未満の比較例７、８、１０、１１については、図１９（ｂ）のようにウェブ下面に加えて、フランジ下部内面側にも水スプレー２の実効冷却部が及ぶこととなり、フランジの内外面の温度差が図１９（ａ）の場合と比べて拡大したため、フランジ曲りが発生したと思われる。この場合、前述のように仕上ユニバーサル圧延機２５でフランジ曲りを調整する必要があるが、ロールの組み換えが必要になるため、生産性に悪影響を及ぼす。
【００５７】
このように本発明例では、相異なる種々のフランジ高さおよびウェブ幅をもつＨ形鋼について適切なウェブ下面冷却をすることが可能となる。そのため、ローラー矯正機やプレス矯正機による形状矯正工程や、仕上ユニバーサル圧延機２５によるフランジ曲りの調整作業が不要となるため、高い生産性を得ることができる。
【００５８】
なお、本発明例では、水スプレーによる冷却対象部位がウェブの下面である場合について説明したが、ウェブ上面やフランジの内面や外面が冷却対象部位である場合にも本発明は適用可能である。さらに、本発明は、Ｈ形鋼のみならず鋼矢板のようなU形鋼や山形鋼、レールなどあらゆる形鋼についても適用可能であることは言うまでもない。
【００５９】
【表２】
2018202430.tif 000010
【符号の説明】
【００６０】
１  ノズル
２  水スプレー
２’  水スプレーの遮蔽板到達時の衝突パターン
２Ａ  噴射パターン
２Ｂ  実効冷却部
３  遮蔽板
３Ａ  開口部
３Ｂ  開口部との交差部
３Ｃ  突起
４  遮蔽板の位置を保持するプレート
５  固定用のプレート
１０  シリンダーボディ
１１  シリンダー可動部
１２  コンロッド
１３  ピン
１４  プーリ
１５  ベルト
１６  モーター
２０  フランジ
２１  ウェブ
２０ａ  スラブ
２１ａ  加熱炉
２２  粗圧延機
２３  中間ユニバーサル圧延機
２４  中間ユニバーサル圧延機
２５  仕上ユニバーサル圧延機
２６  水冷装置
２７  テーブルロール
１００  被冷却面
【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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【図９】
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【図１０】
2018202430.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2018202430.tif 000024
【図１５】
2018202430.tif 000025
【図１６】
2018202430.tif 000026
【図１７】
2018202430.tif 000027
【図１８】
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【図１９】
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