(57)【要約】【課題】    核沸騰領域において鋼板を冷却するに当たり、水量密度や鋼板の搬送速度を変化させることなく、冷却能力を連続的に調整することができる冷却方法およびその装置を提供する。【解決手段】  熱間圧延後、テーブルロール上を搬送される高温の鋼板を、水切り装置によって鋼板の搬送方向に複数の冷却ブロックに区画されかつ該冷却ブロックには前記鋼板の表面に向け冷却水を噴射するためのノズルが設けられてなる冷却装置を用いて冷却する方法において、前記各冷却ブロックにおける鋼板の冷却を核沸騰状態で行うと共に、ノズルの噴射する位置を鋼板の搬送方向に移動させることにより、各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に調整することによって、前記鋼板の冷却速度を制御する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延されテーブルロール上を搬送される高温の鋼板を、水切り装置によって鋼板の搬送方向に複数の冷却ブロックに区画されかつ該冷却ブロックには前記鋼板の表面に向け冷却水を噴射するためのノズルが設けられてなる冷却装置を用いて冷却する方法において、前記各冷却ブロックにおける鋼板の冷却を核沸騰状態で行うと共に、各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に調整することによって、前記鋼板の冷却速度を制御することを特徴とする高温鋼板の冷却方法。
【請求項２】
ノズルの噴射する位置を鋼板の搬送方向に移動することにより各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に調整することを特徴とする請求項１に記載の冷却方法。
【請求項３】
熱間圧延されテーブルロール上を搬送される高温の鋼板を挟んでその表面に接触する水切りロールにより前記鋼板の搬送方向に複数の冷却ブロックに区画されてなる冷却装置であって、上記各冷却ブロックには前記鋼板の表面に向け冷却水を噴射するノズルが設けられ、該冷却水噴射ノズルは、前記鋼板の板幅方向に設けられかつ前記鋼板の搬送方向に向けて冷却水を噴射すると共に、各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に変化可能としたことを特徴とする高温鋼板の冷却装置。
【請求項４】
各冷却ブロックの冷却水噴射ノズルを鋼板の搬送方向に向けて移動することにより各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に変化することを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延後の高温鋼板を冷却する方法に関し、特に、冷却水量や搬送速度を変更することなく冷却能力を連続的に変化することのできる高温鋼板の冷却方法およびその装置を提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＣＰ法(Thermo-Mechanical Control Process)は、熱間圧延における制御圧延と圧延後の加速冷却を組合せた厚鋼板の製造方法の１つであり、高強度、高靭性の鋼板が得られるほか、合金元素の低減、省熱処理が可能であるため、広く用いられている技術である。しかし、厚鋼板への品質要求が高まるにつれ、冷却制御技術への精度要求が一段と厳しくなっている。
【０００３】
一般に、高温の鋼板を水冷すると、冷却中の鋼板の表面温度に応じて、３つの冷却形態（沸騰現象）が生ずることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図１は、冷却条件を一定にした場合の、鋼板表面温度と熱流速との関係を示したものである。高温の鋼板を冷却すると、まず、鋼板表面と冷却水の間に蒸気膜が存在する膜沸騰状態になる。この状態においては、鋼板表面の温度が非常に高いため、冷却水が鋼板の表面に到達する前に蒸発して直接鋼板に接触することができず、熱流速が小さく冷却能が低い。
【０００４】
鋼板の表面温度が低下してくると、膜沸騰から遷移沸騰へと移行する。この遷移沸騰領域においては、鋼板表面を覆っていた蒸気膜が安定して存在できないため、局所的に膜沸騰状態が崩壊して、冷却水と鋼板表面とが直接接触する部分が発生し、この部分の熱流速は急激に増大する。このとき、直接接触する面が均一に存在しない場合には、低温部分は熱流速が大きいために冷却がさらに促進され、一方、高温部分は低温部分に比べて熱流速が小さいために冷却がより遅くなる。その結果、両部分の温度差はさらに拡大し、冷却むらを引き起こす原因となる。
【０００５】
さらに鋼板の表面温度が低下してくると、鋼板表面には蒸気膜が存在しなくなり、鋼板のほぼ全表面が冷却水と接触できる状態すなわち核沸騰状態に移行する。この領域では、温度むらは生じ難い。すなわち、遷移沸騰から核沸騰に移行するときの熱流速は極大点となるが、鋼板の温度が低下すると共に熱流速が減少するために、仮に、冷却前の鋼板に温度むらがあったとしても、遷移沸騰領域とは逆に、鋼板の温度むらは減少する方向に向かう。
【０００６】
上述したように、遷移沸騰状態は、膜沸騰状態と核沸騰状態とが混在する状態であるため、鋼板の均一な冷却を阻害し、冷却停止温度を制御する精度を悪化させる。一方、膜沸騰状態と核沸騰状態は共に、冷却の熱流速が鋼板温度の対して正の勾配を有するため、均一な冷却に適している。つまり、均一な冷却を行うためには、膜沸騰領域および／または核沸騰領域で冷却することが好ましく、特に、目標の冷却停止温度が低い場合には、核沸騰領域での冷却が重要となる。
【０００７】
ところで、熱延後の鋼板の冷却速度を制御する方法には、特許文献２や特許文献３に開示されているように冷却水量を調整する方法と、特許文献４〜６に開示されているように冷却する鋼板の搬送速度を調整する方法の２つがある。しかし、核沸騰領域における冷却では、以下の理由により、後者の方法が一般的である。
【０００８】
熱伝達特性（沸騰曲線）に影響を与える因子としては、冷却水の温度、水量密度、冷却方式などが挙げられる。しかし、図１に示したように、膜沸騰領域では、冷却水の温度を下げ、冷却密度を大にすると、膜沸騰から遷移沸騰に移行する温度が高温側にシフトすると共に、熱流速が上昇する。すなわち、膜沸騰領域では、冷却水の水量密度を増減することにより冷却能力を調整できる。一方、核沸騰領域においては、冷却水の温度、水量密度を変えても温度と熱流速の関係に大きな変化はなく、核沸騰から遷移沸騰に移行する温度が高温側にシフトし、核沸騰領域が高温側に広がるだけである。すなわち、核沸騰状態では冷却水の水量密度を増減しても冷却能力は変化しない。そのため、核沸騰状態で冷却を行う場合には、搬送速度を変えて冷却時間を調整する方法が一般的であり、搬送速度を調整しない(できない)場合には、使用する冷却ブロック数(即ち冷却長さ)を増減して冷却時間を段階的に変化させ、冷却能力を変えることが行われている（例えば、特許文献７参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２１１５１５号公報
【特許文献２】特公平０７−０６１４９３号公報
【特許文献３】特開平０９−０１０８２３号公報
【特許文献４】特開昭６２−１９９７２３号公報
【特許文献５】特開平０１−２０５８１１号公報
【特許文献６】特開平１１−１６９９４１号公報
【特許文献７】特開平１０−２１６８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したことから明らかなように、鋼板の冷却を核沸騰領域で行う場合には、鋼板の搬送速度を調整することができれば、連続的に冷却能力を調整できるので、鋼板温度を目標温度に制御することは容易である。しかし、この方法では、圧延速度を制御する必要がある場合には、冷却速度を確保するために必要な搬送速度と両立することができないという問題がある。一方、搬送速度を一定とし、使用する冷却ブロック数を変えて冷却速度を調整する方法では、冷却能力が不連続的に変化し、きめ細かな調整ができないという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、核沸騰領域において鋼板を冷却するに当たり、水量密度や鋼板の搬送速度を変化させることなく、冷却能力を連続的に調整することができる冷却方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者らは、冷却ブロック数を変えて冷却能力を調整する従来技術が抱える上記問題点を解決するために鋭意検討を行った。その結果、従来技術における冷却ブロック数の変更は、鋼板の冷却面積を調整することに相当することから、冷却する鋼板面積を冷却ブロック内で連続的に変化させることができれば、冷却能力を連続的に調整できることに思い至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、熱間圧延されテーブルロール上を搬送される高温の鋼板を、水切り装置によって鋼板の搬送方向に複数の冷却ブロックに区画されかつ該冷却ブロックには前記鋼板の表面に向け冷却水を噴射するためのノズルが設けられてなる冷却装置を用いて冷却する方法において、前記各冷却ブロックにおける鋼板の冷却を核沸騰状態で行うと共に、各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に調整することによって、前記鋼板の冷却速度を制御することを特徴とする高温鋼板の冷却方法である。
【００１３】
本発明の冷却方法においては、ノズルの噴射する位置を鋼板の搬送方向に移動することにより各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に調整することが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、熱間圧延されテーブルロール上を搬送される高温の鋼板を挟んでその表面に接触する水切りロールにより前記鋼板の搬送方向に複数の冷却ブロックに区画されてなる冷却装置であって、上記各冷却ブロックには前記鋼板の表面に向け冷却水を噴射するノズルが設けられ、該冷却水噴射ノズルは、前記鋼板の板幅方向に設けられかつ前記鋼板の搬送方向に向けて冷却水を噴射すると共に、各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に変化可能としたことを特徴とする高温鋼板の冷却装置を提供する。
【００１５】
本発明の冷却装置においては、各冷却ブロックの冷却水噴射ノズルを鋼板の搬送方向に向けて移動することにより各冷却ブロックにおける有効冷却面積を連続的に変化することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱延後の鋼板を核沸騰領域で冷却するに際し、その冷却面積を連続的に変えることができるので、鋼板の冷却速度を連続的に調整することができる。その結果、冷却速度の緻密な制御が可能となるので、鋼板品質の向上に大きく寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の冷却方法は、核沸騰領域における鋼板の冷却技術である。というのは、膜沸騰領域では、水量密度を変えることにより冷却能力を変化することができるので、冷却能力の微調整は比較的容易であり、一方、遷移沸騰領域では、冷却むらが発生し好ましくないこと、また、鋼板の熱間圧延終了温度は、通常1000〜850℃程度であることから、圧延後の冷却は、核沸騰領域における冷却が主となることからである。
【００１８】
鋼板の冷却を核沸騰状態で行うためには、鋼板単位面積当たりの水量、即ち水量密度を所定量以上確保することが必要である。その理由は、水量密度が低い時には、蒸気膜の存在する部分と、冷却水が直接鋼板と接触する部分とが混在している遷移沸騰状態にあり、両部分の熱流速が異なるために温度むらは拡大する。しかし、水量密度を増加していくと、冷却水と鋼板とが直接接触する面積が増加して冷却能が増大していき、ある水量密度以上になると、鋼板全面が直接冷却水に接触する核沸騰領域に達して冷却能はほぼ一定となるからである。したがって、核沸騰状態を確保し、冷却むらの発生を防止するためには、所定量以上の水量密度（例えば、2000 ｌ/m2min）を確保する必要がある。ただし、前述したように、それ以上に水量密度を増加させても、冷却能はほとんど増加しない。
【００１９】
なお、上記水量密度は、鋼板温度や冷却水の温度によっても影響を受ける。また、核沸騰領域から遷移沸騰領域に移行する極大熱流速点の温度は、冷却水の温度や水量密度によっても変化する。したがって、本発明においては、予めオフラインでの試験により、核沸騰が得られる最低限の水量密度を求めておき、被冷却面における水量密度が常時、蒸気最低限の水量密度以上となるよう冷却水量を設定する必要がある。そこで、核沸騰状態での冷却を実現するためには、全ノズルから噴射される水量を冷却面積によって変化させることが好ましい。ただし、核沸騰領域では、水量密度による冷却能の変化は小さいので、冷却水量を調整して冷却能を変化させる従来技術(特許文献４〜６)のような精密な制御は不要であり、冷却面積に応じて全噴射水量を２段階〜３段階程度に変化できるようにしておけばよい。
【００２０】
次に、本発明を実施するための冷却装置について説明する。
本発明を適用可能な冷却装置は、図２に示したように、テーブルロール上を搬送される高温の鋼板１を挟んでその表面に接触する２本の搬送ロール４により前記鋼板１の搬送方向(圧延方向)に複数の冷却ブロックに区画されており、上記各冷却ブロックを仕切る搬送ロール４間には、搬送される鋼板１の表面に向けて冷却水２を噴射するノズル３が配設された構造となっている。上記搬送ロール４は、鋼板１を搬送するものであるが、同時に、水切りロールも兼ねており、ノズル３から噴射された冷却水２は、鋼板１に達すると鋼板表面を沿うように流れ、水切りロール４によって塞き止められ、鋼板エッジから流れ落ちるため、隣接する冷却ブロックには冷却水が侵入しない。上記冷却ノズル３は、鋼板１の板幅方向に配設され、かつ鋼板１の搬送方向に向けて噴射角αをもって冷却水２を噴射する。そして、このノズル３から噴射された冷却水２が鋼板１に当たる長さ(面積)が冷却に有効な面積となる。
【００２１】
次に、ノズルから噴射された冷却水と鋼板との接触面積すなわち有効冷却面積を連続的に調整する方法について説明する。
本発明では、有効冷却面積の調整を、冷却水を噴射するノズルの位置を変更することにより行う。本発明の装置においては、上記冷却ノズルの位置を電動スクリュージャッキ等で搬送方向に移動できる構造となっており、それによって冷却ノズルから噴射された冷却水が鋼板に当たる面積(有効冷却面積)は、ノズルの移動にともない連続的に調整することが可能となっている。図３は、第１の冷却の方法について、鋼板上面側のみを模式的に例示したものであって、図３(a)は、有効冷却面積が最も少ない状態(すなわち、冷却能が最も小さい状態)を示しており、図３(b)は、有効冷却面積が最も広い状態(すなわち、冷却能が最も大きい状態)を示している。図３(c)は、上記図３(a)および図３(b)の場合における１冷却ブロック内の冷却曲線をシミュレートした結果を、冷却無し(ＮＣ)の場合と比較して模式的に示した図である。本発明では、この図(c)において、斜線で示した範囲内での冷却が可能である。
【００２２】
なお、本発明においては、冷却ノズルから噴射される冷却水の噴射角αは、水切りロール間隔(冷却ブロック長)や冷却ノズルと鋼板との距離によっても変化するが、最大冷却面積状態において、ノズル直下(あるいは直上)近傍から水切りロール間の鋼板を冷却水がカバー可能な角度に設定する必要がある。
【００２３】
また、このノズルから噴射される冷却水の水量は、上記最大有効冷却面積状態においても核沸騰状態が得られる最低限の水量密度以上とする必要があることは既に説明したとおりである。なお、本発明の場合、有効冷却面積が変われば、１ブロック当たりの核沸騰状態を得るための冷却水量も変化することになるが、核沸騰状態においては水量密度によって冷却能に差は生じないことから、冷却水量を精度よく調整する必要はなく、２段または３段程度の水量切り替えで、広範囲の冷却能の変化に対応することができる。
【００２４】
なお、有効冷却面積を調整する方法としては、上述したようなノズル位置を搬送方向に移動して行う方法以外に、ノズルの噴射方向すなわち鋼板に対する噴射角度あるいはノズルと鋼板との距離を調整することにより行う方法も可能であり、また、これらの方法と本発明の方法を組合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】熱伝達特性(沸騰曲線)に影響を与える因子を説明する図である。
【図２】本発明の冷却装置の１例を示す図である。
【図３】本発明の冷却方法と冷却曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：鋼板
２：冷却水
３：ノズル
４：搬送ロール(水切りロール)
５：流水
Ｌ：有効冷却面積
Ｌmin：最小有効冷却面積
Ｌmax：最大有効冷却面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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