(57)【要約】【課題】熱間圧延して得られた熱鋼板を拘束ロールで拘束通板しながら制御冷を行い、形状特性が良好で均一な鋼材を得るために適用される熱鋼板の冷却装置に関して、通板直交方向に均一な冷却が可能であるスプレーノズル配置設定方法を提供し、かつ、水量および噴射域の異なる2種類以上のノズルを用いて広い水量調整範囲を有するスプレー冷却装置のスプレーノズル配置設定方法を提供する。【解決手段】スプレーから噴射される冷却水の冷却面への衝突圧力のｎ乗を拘束ロール対間で通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値から-20%以内となるようにスプレーノズルを配置する。但し、0.05≦n≦0.2【選択図】  図１２
2007105792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱鋼板を拘束通板させる複数対の拘束ロールを備え、各拘束ロール対間に冷却水噴射量制御可能なスプレーノズルを通板方向および／または通板直交方向に複数列備えた通板冷却装置のスプレーノズルの配置設定方法において、冷却水の冷却面への衝突圧力のn乗を拘束ロール対間で通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値から-20%以内となるようにスプレーノズルを配置することを特徴とするスプレーノズルの配置設定方法。
但し、0.05≦n≦0.2
【請求項２】
各拘束ロール対間のノズル列ごとに、水量もしくは冷却水の噴射域が異なる複数種のノズルを用いることを特徴とする請求項１のスプレーノズル配置設定方法。
【請求項３】
スプレーノズルが、水と空気を混合噴射可能な構造を有することを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載のスプレーノズル配置設定方法。
【請求項４】
スプレーノズルの配置を請求項1〜3のいずれかに記載の方法を用いて設定した熱鋼板冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延して得られた熱鋼板を拘束ロールで拘束通板しながら制御冷却する方法に関し、より詳しくは、形状特性が良好で均一な鋼材を得るために適用される熱鋼板の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の機械的性質、加工性、溶接性を向上させるために、例えば熱間圧延された直後の高温状態の鋼材を圧延ライン上で通板させながら加速冷却し、鋼材に所定の冷却履歴を与えることは一般的に行われている。しかし、鋼材を冷却する際に生じる冷却むらは、鋼材の形状不良や加工歪みの原因となり、益々の向上を要求されている鋼材品質に対して早急な改善が要望されている。
【０００３】
これらの問題点を解決するために、上下の複数対の拘束ロールにより、鋼材を拘束して熱変形を防ぐ方法がある。しかし、このような方法では、良好な形状の鋼材が得られるが、鋼材内部の残留応力が客先加工時の変形として現れる場合があり、根本的な解決とはならない。したがって、鋼材を均一に冷却することが最良の解決手段となる。
【０００４】
均一冷却を達成する冷却方法として、従来のスプレーノズルによって冷却媒体である水を鋼材に噴射する冷却方法では、鋼材の幅方向に水量が均一に噴射されるよう設備が設計されてきた。図1に従来の山形水量分布フラットスプレーによる鋼材冷却装置のノズル配置を示す。各スプレーノズル1は通板直交方向全域の水量分布が均一になるよう適正なノズルピッチＳ0で通板直行方向に直列に配置されている。鋼材通板方向に関しては、互いに隣接するスプレー噴射域が干渉しないように配置されている。
【０００５】
しかしながらこのようなノズル配置の冷却装置では、ノズル噴射範囲（スプレー噴射域2）の中心で冷却能力が周辺と比較して高くなるため、鋼材通板直交方向に均一な冷却能力分布が得られず、冷却むらが発生することがある。
【０００６】
スプレーノズルを用いて均一に冷却する方法として特許文献1に１つのスプレー噴射範囲の冷却水衝突圧力ばらつきを±20％以内とする方法が示されている。また、特許文献2にスプレーノズルの噴射干渉域が形成されるように配置する方法が提案されている。さらに、特許文献3では被冷却面の幅方向全ての点が冷媒噴流衝突域を2回以上通過することで均一冷却が達成可能であるとされている。
【０００７】
【特許文献１】特開平6-238320号公報
【特許文献２】特開平8-238518号公報
【特許文献３】特開2004-306064号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献1の方法では、通板方向および通板直交方向に複数列備えたスプレー冷却範囲全体の冷却能力を均一にする方法については提案されていない。また、特許文献2の方法では、ノズルの噴射干渉域以外ではノズル噴射範囲中心の冷却能力が高くなるため、特許文献2の冷却方法を用いても均一な冷却能力分布とならない。さらに、特許文献3の方法では、冷媒衝突域内に冷却能力分布が存在するスプレーノズルを通板方向に一直線に配置配置した場合は、冷媒噴流衝突域を2回以上通過するにもかかわらず、衝突域中心と衝突域端部で冷却能力差が生じ、均一な冷却能力分布は得られない。
【０００９】
本発明は、前述のような問題点を解消するためのもので、その目的は、通板直交方向に均一な冷却が可能であるスプレー冷却装置のスプレーノズル配置設定方法を提供し、かつ、水量および噴射域の異なる2種類以上のノズルを用いて広い水量調整範囲を有するスプレー冷却装置のスプレーノズル配置設定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のスプレーノズル配置設定方法は熱鋼板の通板直交方向の均一冷却を達成するために、以下の(1)〜(4)の構成を要旨とする。
(1)熱鋼板を拘束通板させる複数対の拘束ロールを備え、各拘束ロール対間に冷却水噴射量制御可能なスプレーノズルを通板方向および／または通板直交方向に複数列備えた通板冷却装置のスプレーノズルの配置設定方法において、冷却水の冷却面への衝突圧力のｎ乗を拘束ロール対間で通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるようにスプレーノズルを配置することを特徴とするスプレーノズルの配置設定方法。
但し、0.05≦ｎ≦0.2
(2)各拘束ロール対間のノズル列ごとに、水量もしくは冷却水の噴射域が異なる複数種のノズルを用いることを特徴とする前記(１)に記載のスプレーノズル配置設定方法。
(3)スプレーノズルが、水と空気を混合噴射可能な構造を有することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のスプレーノズル配置設定方法。
(4)スプレーノズルの配置を(1)〜(3)のいずれかに記載の方法を用いて設定した熱鋼板冷却装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スプレーノズルを用いる冷却装置において、従来検討されていなかった冷却水衝突圧力という冷却因子を規定したノズル種類およびノズル配置を採用することにより、通板直交方向に高い冷却均一性を有する冷却装置を製作することができる。
【００１２】
すなわち、冷却水衝突圧力という冷却因子で冷却能力を整理できるので、実験的にノズル配置を設定する場合に、実際に熱片を用いて冷却実験を実施しなくても、衝突圧力をｎ乗して通板方向に積分した値の幅方向分布を実験的に得ることによって、通板直交方向に高い冷却均一性を有するノズル配置を見出すことができる。また、使用するノズルについて衝突面での圧力分布がわかれば、衝突圧力をｎ乗して通板方向に積分した値の幅方向分布を算出することによって、通板直交方向に高い冷却均一性を有するノズル配置を見出すことができる。
【００１３】
また、本発明のスプレーノズルの配置設定方法によれば水量および噴射域の異なる2種類以上のノズルを用いても、通板直交方向に同様な冷却均一性を達成するため、通板直交方向に均一な冷却能力をもち、かつ、広い水量調整範囲を有するスプレー冷却装置を実現することができる。
【００１４】
さらに、本発明は水と空気を混合噴射可能な構造を有するスプレーノズルにおいても同様な冷却均一性を達成可能なスプレーノズル配置設定方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは、スプレー冷却において冷却に寄与する因子を調査、研究した研究開発実験結果を図に従って説明する。
【００１６】
静止中の被冷却媒体を単一ノズルによって冷却する場合において、図２（ｃ）に示すように、冷却面との間隔Lが150mmとなる位置に配置した流量100リットル／min、ヘッダー圧力0.3MPaのオーバルノズル(スプレーノズル1)から冷却水を300mm×40mmの範囲(スプレー噴射域2)に噴射したものを20mm×20mmの範囲M1、M2、M3で水量および冷却能力の平均値を測定し、測定値の最大値(範囲M1の冷却能力)で除して無次元化(正規化)した。範囲M1
はスプレーノズル1の真正面に位置する20mm×20mmの範囲であり、範囲M2 は、範囲M1 に隣接する20mm×20mmの範囲であり、範囲M3は、範囲M2に隣接する20mm×20mmの範囲である。これら範囲M1、M2、M3、はスプレー噴射域2の長手方向に沿って直列に配置されている。なお冷却能力については、被冷却体として900℃に加熱された板厚20mmの一般構造用圧延鋼材(SS400)を用いて冷却試験を行い、鋼材表面温度300℃の時に測定された熱伝達率を冷却能力として評価に用いた。
【００１７】
スプレー噴射域2内の冷却能力分布について、範囲M1、M2、M3の冷却能力を比較して調査すると、図２(a)に示すように単一ノズル噴射内の水量がほぼ同一である位置においても、冷却能力に差が発生していることが判明した。つまり、スプレー冷却の場合において、冷却に寄与する因子は水量のみではなく、液滴速度、液滴径、被冷却体への液滴衝突角度など、さまざまな因子が複雑に作用しているものと思われる。
【００１８】
本発明者らは、これらの水量を含めたさまざまな冷却因子を包括的に表すことが可能な冷却因子が、冷却水の衝突圧力であることを見出した。
【００１９】
前述の図２(a)に用いたものと同一のノズル、同一の配置において、20mm×20mmの範囲M1、M2、M3で平均した冷却水の衝突圧力分布を測定し、冷却能力分布と併記したものを図２(b)に示す。このように冷却水の衝突圧力の０．１乗と冷却能力は非常に良い一致を示す。
【００２０】
さらに本発明者らは図3に示す水量、ヘッダー圧力および噴射域の異なる8種類のノズルを用いて、ノズル直下の冷却水衝突圧力と冷却能力の関係について調査した。なお，図4（ａ）に示すスプレーノズル1はスプレー噴射域2が一方向に長い長円形になるオーバルノズルであり，図４（ｂ）に示すスプレーノズル1は，スプレー噴射域2が円形になるフルコーンノズルである。その結果図５に示すようにノズルの種類、仕様、噴射域にかかわらず同一の関係式で表すことが可能であり、下記(1)式に冷却水衝突圧力P[MPa]を代入することにより、熱伝達率ｈ[W/(m2・K)]を求めることができる。
ｈ=33300×P0．1                  (1)
【００２１】
本試験では熱伝達率は冷却水衝突圧力の0.1乗に比例するという結果になったが、測定誤差等を考慮すると、熱伝達率は冷却水衝突圧力のｎ乗に比例すると考えられ、ｎの値は0.05〜0.2の範囲内であると考えられる。
【００２２】
このことは本発明がノズル種類、仕様によらないことを示しており、ノズル種類、仕様の異なる2種類以上のノズルを用いた冷却装置に対しても有効であることを示している。
【００２３】
また、本発明者らは移動中の被冷却媒体を複数のノズルを用いて冷却する場合において、通板直交方向冷却均一性と冷却水衝突圧力の関係について調査を行った。
【００２４】
図６(a)および図６(b)に冷却試験概要を示す。図６(a)に示すように、発明者らは、被冷却体3としての鋼板を搬送する前後の通板ローラー5、5間において、スプレー噴射域2がオーバル形状のオーバルノズル(スプレーノズル1)を3個上向きに、ノズル間隔S0が150mmとなるよう通板直交方向に並べて配置し、ノズル先端と被冷却体3の間隔Lが150mmの間隔となるように被冷却体3を設置し、1m/secのスピードで被冷却体3を移動させて冷却試験を行った。また、図６(b)に示すようにオーバルノズル(スプレーノズル1)を5個上向きに、ノズル間隔S0が150mm、通板方向の間隔S1が200mmとなるよう千鳥状に配置し、同様の冷却試験を行った。なお冷却能力については図２の場合と同様に、被冷却体3として900℃に加熱された板厚20mmの一般構造用圧延鋼材(SS400)を用いて冷却試験を行い、鋼材表面温度300℃の時に測定された熱伝達率を冷却能力として評価に用いた。なお、各スプレーノズル1にはヘッダー4を介して冷却水を供給した。
【００２５】
冷却水衝突圧力測定は図６(a)および図６(b)のノズル配置において、加熱しない被冷却体3の冷却水衝突面に圧力センサを通板直交方向に並べて20mmの間隔で配置し、1m/secのスピードで被冷却体3を移動させながら冷却水衝突圧力を0.01secの間隔で連続測定し、通板ローラー5、5間で測定された冷却水衝突圧力の加算した値を導いた。さらにこれを用いて最大の冷却水衝突圧力の加算した値で除して無次元化（正規化）し、通板直交方向の冷却水衝突圧力分布を求めた。
【００２６】
図６(a)のノズル配置における通板直交方向の冷却能力分布および冷却水衝突圧力分布を図７(a)に示す。また、図６(b)のノズル配置における通板直交方向の冷却能力分布および冷却水衝突圧力分布を図７(b)に示す。これらの図の縦軸には、冷却能力の値を最大の冷却能力の値で除して無次元化（正規化）した値と、冷却水衝突圧力の値を最大の冷却能力の値で除して無次元化（正規化）してさらに０．１乗した値を用いている。図７(a)よりノズル直上となる0mm付近が冷却水衝突圧力、冷却能力ともに最大となり、ノズル間となる±50〜75mm付近で冷却水衝突圧力、冷却能力ともに最小となっている。これらは程度が多少異なるものの図７(b)でも同様な傾向を示すことから、通板直交方向冷却能力分布と冷却水衝突圧力の０．１乗値の分布は良く一致することがわかる。
【００２７】
本発明者らは前述の構成を用いて通板直交方向のノズル間隔S0を変化させ、鋼板直交方向冷却能力分布と通板方向に冷却水衝突圧力の０．１乗値を積分したものの通板直交方向分布の関係を調査し、鋼板直交方向均一冷却を実現するために必要な冷却水衝突圧力分布を求めた。その結果、図８に示すように、冷却水の冷却面への衝突圧力の０．１乗値を通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値より−２０％以内となるように配置することで、冷却能力が少なくとも１０％以内に収まり、通板直交方向に均一冷却が可能となることを見出した。
【００２８】
この図８の検討において０．１乗を０．０５乗および０．２乗で行ったが、積分した値が通板直交方向で最大値より−２０％以内とすると、０．１乗のときとほぼ同様に通板直交方向に均一冷却が可能となる。このことから、冷却水の冷却面への衝突圧力の０．０５〜０．２乗を積分した値の幅方向分布が鋼板直交方向均一冷却のための指標になることが言えた。
【００２９】
さらに、通板方向に積分することができる範囲について、通板方向のノズル間隔S1を変化させ調査したところ、通板速度が0.25m/sec以上2m/sec以下の場合で、かつ拘束ロール5、5間が2m以下の場合は、積分範囲を拘束ロール間全長とすることが望ましいことを見出した。
【００３０】
なお、図９に示すように通板直交方向のノズル間隔S0を変化させずに、ノズルねじり角θを変化させた場合でも、図１０に示すように水量および噴射域の異なる2種類以上のノズルを組み合わせて用いた場合でも同様に、冷却水の冷却面への衝突圧力を通板方向に加算した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるように配置することで、通板直交方向均一冷却を達成することが可能である。
【００３１】
また、冷却水の干渉域が生じない場合は、配置する各ノズル種類および仕様についてそれぞれ単体の冷却水衝突圧力を測定または定式化しておき、仮想的にそれらのノズルを複数個配置した場合の冷却水衝突圧力分布を求めて、通板方向に加算または積分した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるように配置を設定しても通板直交方向均一冷却を達成することが可能である。
【００３２】
さらに、水と空気を混合噴射する場合においても、冷却面への衝突圧力を通板方向に加算した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるように配置することで、冷却能力が１０％程度以内に収まり、通板直交方向均一冷却を達成することが可能である。
【実施例】
【００３３】
図１１に本発明の検討で用いる冷却試験装置でのスプレーノズル配置を示す。図１１(a)は、従来のスプレーノズル配置設定方法で設定した、通板直交方向で冷却水量が同一となるようにフラットノズル1を配置した冷却装置を、図１１(b)には、本発明のスプレーノズル配置設定方法で設定した、冷却水衝突圧力のｎ乗を通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるようにオーバルノズル(スプレーノズル1)を配置した冷却装置を、それぞれ示す。この実施例においてはｎ＝０．１である。これらの冷却装置を用いてそれぞれ冷却試験を行い、比較対照した。これらはそれぞれ、同一ノズル配置(S0＝75mm、L=150mm)、水量とし、厚さ20mm×幅300mm×長さ200mmの一般構造用圧延鋼材(SS400)を約900℃から約400℃まで約20秒間で冷却した。これらの水量比、冷却水衝突圧力の０．１乗値の比、冷却後の表面温度分布の比較を図１２に示す。なお、冷却後の表面温度分布は放射温度計を用いて測定した。
【００３４】
図１２で明らかなように、従来のスプレーノズル配置方法では本発明のスプレーノズル配置方法に比べて、通板直交方向の冷却水量分布は均一であるが、スプレーノズル間隔と同じピッチで温度むらが発生している。しかしながら、本発明の冷却水衝突圧力の０．１乗値を通板方向に積分した値が、通板直交方向で最大値より-20%以内となるスプレーノズル配置方法のほうが従来のスプレーノズル配置より表面温度分布が均一となっている。したがって、本発明のスプレーノズル設定方法でノズル配置を設定した冷却装置では通板直交方向に均一な冷却が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の水量を通板直交方向で一定とするノズル配置図である。
【図２】同一ノズル内において(a)は水量と冷却能力の関係を示すグラフ、(b)は冷却水衝突圧力と冷却能力の関係を示すグラフ、(c)はスプレーノズル1とスプレー噴射域2内の範囲M1、M2、M3との位置関係を示す側面図(左図)と正面図(右図)である。
【図３】8種類のノズルの水量、ノズル負荷圧力、噴射範囲及び冷却水衝突圧力を示す表である。
【図４】(a)は、オーバルノズルの噴射領域を示す説明図であり、(b)はフルコーンノズルの噴射領域を示す説明図である。
【図５】図３に示す水量、ヘッダー圧力および噴射域の異なる8種類のノズルについて冷却水衝突圧力と冷却能力の関係を示すグラフである。
【図６】(a)は通板直行方向にノズルを1列配置した冷却試験配置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)であり、(b)は通板直交方向にノズルを2列に千鳥状に配置した冷却試験配置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)である。
【図７】(a)は図６(a)のノズル配置における通板直交方向冷却能力分布と冷却水衝突圧力分布を示すグラフ、(b)は図６(b)のノズル配置における通板直交方向冷却能力分布と冷却水衝突圧力分布を示すグラフである。
【図８】冷却水の冷却面への衝突圧力を通板方向に加算した値の通板直交方向の最低値と通板直交方向の冷却能力最低値の関係を示すグラフである。
【図９】ねじれ角を有するノズルを1列配置した冷却試験配置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)である。
【図１０】種類、仕様の異なるスプレーノズルを2列配置した冷却試験配置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)である。
【図１１】本発明の検討に用いた冷却試験装置である。(a)は従来のスプレーノズル設定方法を用いた冷却試験装置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)、(b)は本発明のスプレーノズル設定方法を用いた冷却試験装置を説明するための側面図(イ)と平面図(ロ)
【図１２】鋼板直交方向の水量分布、冷却水衝突圧力分布、鋼材表面温度分布を本発明の冷却装置と従来の冷却装置とで比較したグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１  スプレーノズル
２  スプレー噴射域
３  被冷却体
４  ヘッダー
５  通板ローラー
L  ノズル先端から冷却面までの距離  
S0  通板直交方向ノズル間隔
S1  通板方向ノズル間隔
θ  ノズルねじれ角
【図１】
2007105792.tif 000003
【図２】
2007105792.tif 000004
【図３】
2007105792.tif 000005
【図４】
2007105792.tif 000006
【図５】
2007105792.tif 000007
【図６】
2007105792.tif 000008
【図７】
2007105792.tif 000009
【図８】
2007105792.tif 000010
【図９】
2007105792.tif 000011
【図１０】
2007105792.tif 000012
【図１１】
2007105792.tif 000013
【図１２】
2007105792.tif 000014