(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて冷却する冷却床における冷却装置であって、
前記水スプレーを吹付けるノズルは、前記棒状または管状の金属材の上下に非対称に配置されており、また、材料の長手方向である軸方向に平行な鉛直面および／または前記軸方向に垂直な水平方向である搬送方向に平行な鉛直面において千鳥状に配置されていることを特徴とする棒状または管状の金属材の冷却装置。
【請求項２】
前記水スプレーを吹付ける下側ノズルは、前記支持台の真下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の棒状または管状の金属材の冷却装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の棒状または管状の金属材の冷却床における冷却装置を用いて、支持台に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて冷却する冷却方法であって、
冷却中および冷却後の反り量に基づいて前記水スプレーを吹付ける上下のノズルの水量比を調整することにより、上下部を均一に冷却することを特徴とする棒状または管状の金属材の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、棒状または管状の金属材の冷却装置および冷却方法に関する。
【０００２】
具体的には、支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて冷却する冷却装置および冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
棒状または管状の金属材は、一般に冷却水槽に浸漬して冷却されるが、浸漬冷却は、上下部で冷却水の流動状態および沸騰状態に差が生じるため、均一冷却できずに反りが発生するという問題点があった。
【０００４】
棒状または管状の金属材の冷却方法に関しては、従来から種々の提案がなされている。
【０００５】
例えば、特開平８−２０８２１号公報（下記特許文献１）には、高周波誘導加熱機の入口と出口とを一直線上に形成し、冷却液槽の側壁に棒鋼の送込み開口と送出し開口とを対向形成し、冷却液槽には冷却液を常時供給して送込み開口及び送出し開口より高い槽内冷却液面に保持する。棒鋼は高周波誘導加熱機の入口から出口に連続的に送って誘導加熱し、そのまま冷却液槽の送込み開口から送出し開口に送って冷却することにより、長尺の棒鋼を切断することなく連続的に加熱冷却処理する方法が記載されている。
【０００６】
しかし、この特許文献１に記載された方法は、棒鋼を搬送させながら冷却水槽に浸漬する場合、十分な冷却時間を必要とするため、搬送速度を低くするか、水槽を大型化する必要があることから設備費が高額となり、低搬送速度では圧延と冷却とを連続的に同期させると生産効率が著しく損なわれるうえ、水槽内を搬送するだけでは棒鋼上下部の冷却水の流動状態差および沸騰形態差を十分に緩和することができないので、均一冷却できず反りが発生するという問題点があった。
【０００７】
また、特開２００４−３３２０８９号公報（下記特許文献２）には、被焼入棒鋼を、焼入温度からＭｓ点直上の温度までプレスにより拘束しながら急冷（高温域急冷）し、Ｍｓ点直上の温度から被焼入棒鋼を長手方向に往復動させてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら緩やかに冷却（中温域冷却）する。この中温域冷却は少なくとも（Ｍｓ−５０）℃の温度まで行う。そして、少なくとも（Ｍｓ−５０）℃の温度から被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら急冷（低温域急冷）する。平角棒鋼の焼入の場合は、高温域急冷において平角棒鋼が表裏面で少量の弧状に曲がるように急冷することにより、棒鋼の焼入れにおいて焼入れ後の反り量を低減した焼入方法が記載されている。
【０００８】
しかし、この特許文献２に記載された方法は、棒鋼を長手方向に往復動させてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら冷却する方法であって、往復動機能とプレス矯正機が必要であるため設備費が高額となるうえ、プレス矯正と不均一冷却により、複雑な残留応力が発生するため、切断などの二次加工時に反り等の形状問題が発生する懸念があった。
【０００９】
また、特開平１０−２６３６８７号公報（下記特許文献３）には、溶接管の走行ライン上方に、第１スプレーノズルを設け、この第１スプレーノズルは、溶接管の溶接部に冷媒液を長径方向が溶接部の方向と一致するように楕円状に噴射し、その溶接部を直線状に冷却する。溶接管の母材部を冷却するために、その母材部に円形状に冷媒液を噴射する第２スプレーノズルを、溶接管の走行ライン周囲に設けることにより、溶接後の鋼管を冷却する冷却装置の装置長を短くして冷媒液量を節約する方法が記載されている。
【００１０】
しかし、この特許文献３に記載された方法は、鋼管に対して周方向にスプレーノズルを配置し、各スプレーノズルの水量を調整することで均一冷却を行うため、鋼管サイズごとに専用の冷却設備が必要となるため、設備費が高額となるという問題点があった。
【特許文献１】特開平８−２０８２１号公報
【特許文献２】特開２００４−３３２０８９号公報
【特許文献３】特開平１０−２６３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて均一に冷却するとともに、熱処理後の曲りを低減することができる冷却装置および冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて均一に冷却するとともに、熱処理後の反りを低減することができる冷却装置および冷却方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて冷却する冷却床における冷却装置であって、
前記水スプレーを吹付けるノズルは、前記棒状または管状の金属材の上下に非対称に配置されており、また、材料の長手方向である軸方向に平行な鉛直面および／または前記軸方向に垂直な水平方向である搬送方向に平行な鉛直面において千鳥状に配置されていることを特徴とする棒状または管状の金属材の冷却装置。
（２）前記水スプレーを吹付ける下側ノズルは、前記支持台の真下に配置されていることを特徴とする（１）に記載の棒状または管状の金属材の冷却装置。
（３）（１）または（２）に記載の棒状または管状の金属材の冷却床における冷却装置を用いて、支持台に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて冷却する冷却方法であって、
冷却中および冷却後の反り量に基づいて前記水スプレーを吹付ける上下のノズルの水量比を調整することにより、上下部を均一に冷却することを特徴とする棒状または管状の金属材の冷却方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、水スプレーを吹付けるノズルは、棒状または管状の金属材の上下に非対称に配置されているので、棒状または管状の金属材の上下部をそれぞれ軸方向に均一に冷却することができ、金属材の曲がり量を最小限にすることができるので熱処理後の製造プロセスに支障が発生しない。
また、（１）の発明によれば、スプレーを吹付けるノズルは、軸方向に平行な鉛直面および/または搬送方向に平行な鉛直面において千鳥状に配置されているので、棒状または管状の金属材の上下部をそれぞれ軸方向にさらに均一に冷却することができる。
さらに、（２）の発明によれば、水スプレーを吹付ける下側ノズルは、支持台の真下に配置されているので、支持台による水スプレー遮断範囲が最小になるため，少ないスプレーノズル数で支持台上の棒状または管状の金属材の上下部をそれぞれ広範囲に均一冷却することができる。
一方、（３）の発明によれば、冷却中と冷却後の反り量に基づいて水スプレーを吹付ける上下のノズルの水量比を調整することにより、上下部を均一に冷却することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、支持台上に載置された棒状または管状の金属材に水スプレーを吹付けて均一に冷却するとともに、熱処理後の曲りを低減することができる冷却装置および冷却方法を提供することができるなど、具体的には下記のような産業上有用な著しい効果を奏する。
（１）の発明によれば、１）加熱、圧延、切断後の冷却床において、水スプレー冷却することにより、圧延速度に関係なく十分な冷却時間を確保することができる。
２）冷却床全面に水スプレーが均等に噴射されるように上下部にスプレーノズルを配置し、さらに上側ノズルに対して下側ノズルを非対称に千鳥状に配置することによって、上下の水スプレーの干渉水による軸方向の冷却能力偏差を改善することで、軸方向の均一冷却を実現することができ、その上で、上部と下部の水量比を調整することにより上下部および軸方向の双方の均一冷却が可能となり、熱処理後の曲り量を最小限にすることができる。
（２）の発明によれば、静止した金属材を支えるために冷却床に設置されている支持台（レイク）の真下に下側ノズルを配置することにより、支持台（レイク）によって発生するスプレーの非衝突範囲を最小化することができるため、ノズルの数を減少させることができる。
（３）の発明によれば、上下部を均一に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図９を参照して詳細に説明する。
図１乃至図９において、１は粗圧延機、２は中間圧延機、３は仕上げ圧延機、４は冷却床、５は支持台（レイク）、６は水スプレーノズル（上側）、７は  水スプレーノズル（下側）、８は棒状または管状の金属材、ＷＢ炉はウォーキングビーム炉（加熱炉）、ＩＨは誘導加熱装置、Ｒ／Ｓは切断機を示し、同じ要素について同じ符号を用いることにより、重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明を適用する棒鋼の製造設備を例示する図である。
【００１６】
まず、棒鋼の圧延素材をＷＢ炉にて例えば１１２５℃まで加熱し、必要な加熱温度まで誘導加熱装置ＩＨにて例えば１２００℃まで加熱して保熱炉にて保熱した後、粗圧延機１、中間圧延機２および仕上げ圧延機３により例えば合計リダクション８８〜９８％の圧延を行い、冷却床４にて冷却することにより種々の外径サイズの棒鋼を製造することができる。
【００１７】
本発明の金属材の冷却装置および冷却方法は、例えば、図１における冷却床４における支持台（レイク）上に載置された、棒状または管状の金属材を冷却する冷却装置および冷却方法を提供するものである。
【００１８】
冷却床において、適当な長さに切断された棒状または管状の金属材は、長手方向（軸方向）を揃えて平行に、水平に並べられ、支持台（レイク）上に載置され、軸方向に垂直な水平方向（搬送方向）に搬送される。
【００１９】
図２乃至図４は、本発明の冷却装置の第１の実施形態を例示する図であり、図２は正面図、図３は側面図、図４は平面図である。
【００２０】
本発明の冷却装置は、支持台（レイク）５上に載置された棒状または管状の金属材８に水スプレーを吹付けて冷却する冷却装置であって、前記水スプレーを吹付けるノズル６，７は、前記棒状または管状の金属材８の上下に非対称に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
図２に示すように軸方向に平行な鉛直面において、上下のノズルは非対称かつ千鳥配置に配置されている。また、図３に示すように、搬送方向に平行な鉛直面においても、上下のノズルは非対称かつ千鳥配置に配置されている。したがって、図４に示すように、冷却床を上から見るとノズルがちょうど市松模様のような配置になって見える。ただし、搬送方向の方が軸方向よりも密に配置されている。
【００２２】
水スプレーを吹付けるノズル６、７は、棒状または管状の金属材８の上下に非対称に配置されているので、棒状または管状の金属材８の上下部それぞれを軸方向に均一に冷却することができ、金属材の曲がり量を最小にすることができるので熱処理後の製造プロセスに支障が発生しない。
【００２３】
本実施形態においては、図２〜図４に示すように、金属材８の上下に配置された水スプレーノズル６、７が上下非対称の位置でかつ、材料の長手方向である軸方向に平行な鉛直面および／または前記軸方向に垂直な水平方向である搬送方向に平行な鉛直面において千鳥状の位置に配置されているので、金属材８の上下から軸方向に均一に冷却することができる。
【００２４】
図５および図６は、本発明の冷却装置の第１の実施形態とノズルの位置を上下対称に対向配置にした比較例において、熱伝達率分布を例示する図であり、図５はその効果を示す図、図６は正面図と熱伝達率分布とを重ね合わせた図である。
【００２５】
図６（a）は、金属材８の上下に配置した水スプレーノズル６、７を水平面上の前後および左右にずらして千鳥状に配置した場合、図６（b）は、金属材８の上下に配置した水スプレーノズル６，７を上下対向した位置に配置した場合を示す。
【００２６】
図５（a）は、金属材８の上下に配置した水スプレーノズル６、７を水平面上の前後および左右にずらして千鳥状に配置した場合、図５（b）は、金属材８の上下に配置した水スプレーノズル６、７を上下対向した位置に配置した場合のそれぞれについて、スプレーノズルの真下から距離に応じた熱伝達率の変化を示す。
【００２７】
図５（b）に示すように対向配置の場合、金属材８の上下部の熱伝達率がノズル直下から離れるに従い，低下しており，特に下部においてその傾向が顕著であるが、図５（a）に示すように千鳥配置の場合、金属材８の上下部の熱伝達率が軸方向に均一となっており、千鳥配置の方が均一冷却に効果的であることが確認された。
【００２８】
図６（a）では上下部でノズル位置が互い違いになっており、上部ノズルの直下は下部ノズル位置から最も離れており，下部ノズル直上は上部ノズル位置から最も離れている．このようにすると、上部下部それぞれのスプレーの干渉水の影響が緩和され、軸方向に冷却能が一様になっていることがわかる。
【００２９】
図（b）では逆に、上部ノズル直下に下部ノズルが配置されていることから，上部下部それぞれのスプレーの干渉水が大きく影響し，軸方向に冷却能が一様に大きく変化していることがわかる。
【００３０】
図７および図８は、本発明の冷却装置の奥行き方向に２列目も示した正面図であり、図７は第１の実施形態を例示する発明例、図８は比較例を示す。
【００３１】
図７および図８に示すように、上下の水スプレーノズル６、７は、いずれも水平面上の前後および左右にずらして千鳥状に配置しているが、図７においては下側の水スプレーノズル７を支持台（レイク）５の真下、図８においては下側の水スプレーノズル７を支持台（レイク）５の中間に配置している。
【００３２】
図８の比較例に示すように、下側の水スプレーノズル７を支持台（レイク）５の中間に配置すると、下側の水スプレーが支持台（レイク）５と干渉して金属材８の下部を十分に冷却することができない一方、発明例の図７では、下側の水スプレーが支持台（レイク）５によって水スプレーが遮られにくいので金属材８の下部を少ないスプレーノズル数で均一に冷却することができる。
【００３３】
図９は、本発明の冷却方法の実施形態を示す図である。
【００３４】
図９は、前述の棒状または管状の金属材８の冷却装置を用いて、支持台（レイク）５に載置された棒状または管状の金属材８に水スプレーを吹付けて冷却する冷却方法であって、前記水スプレーを吹付ける上下のノズルの水量比を調整することにより、金属材８の反り量を調整可能であることを特徴とする。
【００３５】
図９に示すように、水スプレーを吹付ける上下のノズルの水量比を冷却中および冷却後の反り量に基づいて調整することにより、金属材８の反り量を適正範囲にコントロールすることができる。
【００３６】
上下のノズルの水量比によって、金属材８の反り量がコントロールできるメカニズムは、上下から吹きつけた水が対向するスプレー水に跳ね返って金属材８の冷却効果を高める干渉水（戻り水）およびに金属材８の表面流れ，沸騰状態が上下部で異なることが影響しているものと考えられ、この最適な上下水量比は、季節による外気温や水温変動、対象とする金属材８の表面粗度等により変化し、上下で同水量であれば上下対称に冷却されるとは限らない。ただし、操業条件または冷却中と冷却後の反り量の実績値により、適正範囲を決定することができる。
【実施例】
【００３７】
図７に示す、千鳥配置の上下水スプレーノズルを用いて下記条件で実験を行い、試験片の中心から３５ｍｍの位置における変形量をリニアゲージを用いて測定したところ、棒鋼の曲り量は３mm/M以下にすることができ、本発明の効果が確認された。
＜実験条件＞
・試験片  ：Φ６０×５４０ｍｍ,ＳＵＳ３０４材
・加熱温度：１０６０℃
・温度保定時間：１０min.
・水温：２２〜２９℃
・上側ノズル水量：  １０〜１２Ｌ/min.
・下側ノズル水量：  １２Ｌ/min.
・スプレーノズル：  フルコーンノズル
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を適用する棒鋼の製造設備を例示する図である。
【図２】本発明の冷却装置の第１の実施形態を例示する正面図である。
【図３】本発明の冷却装置の第１の実施形態を例示する側面図である。
【図４】本発明の冷却装置の第１の実施形態を例示する平面図である。
【図５】本発明の冷却装置の第２の実施形態の効果を示す図である。
【図６】本発明の冷却装置の第２の実施形態を例示する正面図である。
【図７】本発明の冷却装置の第３の実施形態を例示する正面図である。
【図８】本発明の冷却装置の第３の実施形態の比較例を示す正面図である。
【図９】本発明の冷却方法の実施形態を例示する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  粗圧延機
２  中間圧延機
３  仕上げ圧延機
４  冷却床
５  支持台（レイク）
６  水スプレーノズル（上側）
７  水スプレーノズル（下側）
８  棒状または管状の金属材
ＷＢ炉  ウォーキングビーム炉（加熱炉）
ＩＨ    誘導加熱装置
Ｒ／Ｓ  切断機
【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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