(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御冷却装置の上流側の鋼板パスライン上面および／または下面に、熱間圧延した鋼板表面に冷却水を噴出する幅方向のスプレイヘッダと、スプレイヘッダと鋼板間の、平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状の遮蔽板とを配設し、鋼板幅方向両端部の冷却域が所望の広さになるように鋼板通板方向におけるスプレイヘッダと遮蔽板との間の相対的位置を調整した後、熱間圧延鋼板の幅方向両端部の高温領域に冷却水を噴射し、高温領域を予備冷却してから制御冷却することを特徴とする鋼板の冷却方法。
【請求項２】
制御冷却装置の上流側の鋼板パスライン上面および／または下面に、熱間圧延した鋼板表面に冷却水を噴出する幅方向のスプレイヘッダと、該スプレイヘッダと鋼板間の、平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状の遮蔽板と、該遮蔽板および／またはスプレイヘッダを鋼板表面に平行に移動させてスプレイヘッダと遮蔽板との間の相対位置を変更する駆動装置および位置制御装置とを備えたことを特徴とする鋼板の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板の冷却方法に関し、より詳しくは、制御冷却前の鋼板幅方向の温度むらを解消する均一冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年鋼板などの鋼板製造プロセスにおいて、制御圧延後の高温の鋼板を水冷により急冷して高強度、高靭性鋼板を得る方法（制御冷却）が広くおこなわれている。この方法により、添加元素成分を増加させることなく、高強度、高靭性が得られるので、低合金で溶接性にも優れた鋼板をコスト安く製造することが可能となった。
【０００３】
しかしながらこのような急速冷却を必須とする製造方法においては、急冷時の鋼板内での冷却速度不均一により応力が発生し形状不良が発生しやすいという問題がある。
【０００４】
制御冷却においては、冷却水を２００〜９００℃の高温鋼板に噴射して冷却するため、鋼板表面において沸騰熱伝達現象が発生する。沸騰熱伝達現象においては物体の温度が低温になるほど熱伝達効率が急増するという傾向がある。このため、冷却開始時に温度むらがあると、初期に低温であった部分は、冷却されればされるほど冷却速度が増加するため、冷却が非常に不安定となり、全体を均一に冷却することが非常に困難となり、冷却終了後の鋼板の温度分布に大きなむらが発生しやすい。
【０００５】
温度むらの発生は、最終的な機械的特性値が変動するばかりでなく、限界の温度差を超えた場合には、常温まで冷える間に耳波や中延びなどの変形が生じ、生産効率を低下させるなどの問題もある。
【０００６】
冷却後均一な温度分布を得るため、板幅方向の冷却能分布を変化させて冷却する方法が開示されている。
【０００７】
特開平６−１８４６２３号公報には、加速冷却する際の最初の急冷時に鋼板端部をマスキングして端部への水流を遮断したスリットジェットノズルを使用することにより、鋼板端部冷却を抑制して、以後の冷却による端部の過冷却を抑制する方法が開示されている。
【０００８】
特開平７−６８３１１号公報には、熱延鋼板の冷却装置において、幅方向端部の冷却ノズルの遮蔽板を水平面内でライン方向に対して角度を変更することを特徴とする幅方向端部の過冷却防止方法が開示されている。また上記公報には、遮蔽板を圧延方向に長いものとし、長手方向両端部に遮蔽板を鋼板幅方向に水平にシフトするシフタを設けた冷却装置も開示されている。
【０００９】
特開平１０−１９２９５１号公報には、鋼板の上下面にスリットノズルから冷却水を噴射して鋼板を冷却する方法において、スリットノズル内に隔壁を設けて、各ノズル室に供給される冷却水流量を制御することにより、冷却水の板幅両端部に対する冷却水量を中央部に対するそれよりも少なくするように制御する、鋼板端部の過冷却を防止する方法が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、熱間圧延した広幅の厚鋼板を制御冷却する際に、制御冷却前の鋼板に幅方向の温度むらがある場合には、制御冷却後の形状が著しく損なわれること、特に、幅方向中央部よりも幅方向端部の温度が高い場合に形状不良が発生しやすいという問題に遭遇した。
【００１１】
図１は、本発明者の調査結果による従来の方法で熱間圧延した鋼板の板幅方向温度分布の測定例を示すグラフである。図１に示されているように、鋼板の場合、板幅方向の両端部それぞれ６００〜１０００ｍｍの領域は、板幅方向中央部に比べて１０〜２０℃程度高くなる傾向がある。板幅が広くなるほどこの傾向は顕著となる。
【００１２】
このような温度むらが発生する原因は明確ではないが、下記ａ〜ｃ等の要因が関係しているものと考えられる。ａ．圧延ロール冷却水の一部が鋼板上に落下し、板中央部に滞留する。ｂ．加熱炉内でスラブ端部が中央部に比べて加熱され易い。ｃ．圧延時の摩擦熱が板端部の方が大きく、圧延中に板端部が高温となる。このような温度むらが冷却前に生じていると、低温部の冷却が促進され、結果として冷却後の温度むらが拡大する。
【００１３】
図２には本発明者による水冷前後での温度むらの拡大度合いを予測計算した結果を示す。図２に示されているように冷却前の温度むらは冷却後約３倍に拡大する。このことから、冷却前の１０〜２０℃の温度むらは、冷却後には３０〜６０℃の温度むらになることが予測される。
【００１４】
また冷却により中央が過冷却すると、常温まで冷却した時点で板中央部が波板状に変形する「中延び」と称される形状不良が生じる。
【００１５】
図３は本発明者による、中延び形状不良を防止するための中央過冷温度差ΔＴの許容値と（板幅／板厚）比との関係を応力解析により計算した結果を示すものである。図３より許容温度差は板幅／板厚により決まり、厚さが同一の場合には板幅が広くなるほど限界温度が小さくなることがわかる。即ち温度むらの大きさが同じでも、板幅が広くなるほど形状不良が発生しやすいことを意味している。一方、前述のように広幅ほど冷却前の温度むらが大きく、したがって冷却後の温度むらも大きくなる傾向があることから、板幅が広くなるほど形状不良が急激に増加してしまうことになる。
【００１６】
板幅方向の冷却能変更に関してこれまでに開示されている技術は、既に述べたようにいずれも板端部の過冷却抑制方法に関するものであり、本発明者が遭遇したような、制御冷却前の鋼板幅方向中央部の過冷却現象、それに伴う制御冷却後に発生する問題点、あるいは、その防止技術などに関連した技術は開示されていない。
【００１７】
また特開平１０−１９２９５１号公報に開示されているようなスリットノズルの板幅方向の流量分布を制御する方法を用いれば、上記公報の目的には反するが、板端部側の冷却を強化することは可能である。
【００１８】
しかしながら上記公報に開示されている方法では、幅方向の冷却能分布を変更するには、スリットノズルに多数の隔壁を設け、各ノズル室毎に流量調整弁を設ける必要がある。厚鋼板のように幅が広い鋼板を冷却するには長大な幅を冷却できるノズルヘッダが必要となり、設備費のみならずその保守や冷却精度維持にも多大の費用を要し、実現が困難であった。
【００１９】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、高温の鋼板を温度むらを生じることなく均一に冷却する方法およびそれに好適な装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、図２、３などに示された結果を基にして、薄物広幅材での形状不良を防止するには、急冷開始前の幅方向での温度差を５℃以下に抑制する必要があることを知った。前記問題点を解決するための本発明の要旨は下記（１）に記載の鋼板の冷却方法ならびに（２）に記載の冷却装置にある。
【００２２】
（１）制御冷却装置の上流側の鋼板パスライン上面および／または下面に、熱間圧延した鋼板表面に冷却水を噴出する幅方向のスプレイヘッダと、スプレイヘッダと鋼板間の、平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状の遮蔽板とを配設し、鋼板幅方向両端部の冷却域が所望の広さになるように鋼板通板方向におけるスプレイヘッダと遮蔽板との間の相対的位置を調整した後、熱間圧延鋼板の幅方向両端部の高温領域に冷却水を噴射し、高温領域を予備冷却してから制御冷却することを特徴とする鋼板の冷却方法。
【００２３】
（２）制御冷却装置の上流側の鋼板パスライン上面および／または下面に、熱間圧延した鋼板表面に冷却水を噴出する幅方向のスプレイヘッダと、該スプレイヘッダと鋼板間の、平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状の遮蔽板と、該遮蔽板および／またはスプレイヘッダを鋼板表面に平行に移動させてスプレイヘッダと遮蔽板との間の相対位置を変更する駆動装置および位置制御装置とを備えたことを特徴とする鋼板の冷却装置。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の冷却方法は、制御冷却装置の上流側、即ち制御冷却装置による急冷開始前に、鋼板幅方向両端部の高温になっている領域のみを選択的に冷却することにより、鋼板幅方向の温度分布を所定の範囲内にした後に急速冷却することを特徴とする。幅方向の温度むらは冷却が進行するに従って拡大する傾向があるため、急速冷却開始前にこれを均一にするのが制御冷却後の幅方向の温度変動を抑制するのに最も効率的である。
【００２５】
鋼板両端部の高温領域を冷却する方法は、水スプレイを利用する。冷却装置で用いる冷却ノズルの種類は任意であるが、フラットスプレイノズルやスリットジェットノズルなどの高冷却能を有するノズルを用いるのがよい。
【００２６】
これらのノズルを有するヘッダは、鋼板幅方向に配設される。幅方向に対する角度は特に限定する必要はないが、幅方向に平行に配設するのが好ましい。また、ノズルは、少なくとも幅方向端部の高温域が冷却できる位置にあればよいが、幅方向全体にわたって設けても構わない。
【００２７】
鋼板表面に冷却水が衝突する領域（以下、単に「噴射幅（Ｗ）」とも記す）は、板幅方向中央部に比較して高温になっている幅方向端部のみとするのがよい。特に幅方向中央部よりも５℃以上高温になっている部分（以下このような部分を単に「高温域」とも記す）を冷却するのがよい。幅方向端部よりも温度が低い幅方向中央部は冷却しないようにするのがよい。
【００２８】
高温域は鋼板幅方向の温度分布を測定することで容易に確認することができる。高温域は幅方向最端部から５００〜１５００ｍｍ前後までの場合が多いが、この広さは鋼板の圧延条件や寸法などにより変動する。
【００２９】
高温域の広さに対応して鋼板表面への冷却水噴射幅を調整するには、平面形状が幅方向中央部に頂辺を有する台形状の遮蔽板をヘッダと鋼板間に設け、ヘッダと遮蔽板との間の鋼板通板方向での相対的な位置を調整することによりおこなうのがよい。
【００３０】
次いで制御冷却をおこなうが、これは、高圧の冷却水を噴射して急速冷却するローラークエンチ法その他の公知の手段を用いればよい。本発明の方法により予備冷却した後に制御冷却することにより、制御冷却後の鋼板幅方向温度分布が可及的に均一になり、安定して良好な平坦形状を備えた鋼板が得られる。
【００３１】
以下に本発明の方法を、実施例を基に詳細に説明する。
図７は、本発明の実施例に係わる主要な装置の配置例を示す概念図である。同図で符号１は粗圧延機、符号２は仕上圧延機、符号３は鋼板、符号４はサイドスプレイ、符号５は本発明に係わる冷却装置、符号６は制御冷却装置、符号７ａは入側温度計、７ｂは出側温度計、符号１４は搬送用ローラを表す。仕上圧延機２の下流に本発明の冷却装置５と制御冷却装置６が設置されている。本発明の冷却装置５の設置場所は、仕上圧延機２と制御冷却装置６の間であれば何処でも構わない。
【００３２】
図８は本発明の実施例に係わる冷却方法の概念を示す図であり、図８ａは平面図、図８（ｂ）は側面図である。図８で、符号８ａは上部ヘッダ、８ｂは下部ヘッダ、符号１１ａは上部遮蔽板、１１ｂは下部遮蔽板、符号１２は鋼板上面での冷却水衝突部、１３は上部遮蔽板での冷却水衝突部、符号１５は側板、符号１６は冷却水排出部、符号ΔＤは通板方向で見た場合のヘッダと遮蔽板の間隔、符号Ｗは鋼板表面での冷却水噴射幅、符号Ｈは遮蔽板高さ寸法を表す。
【００３３】
上部遮蔽板１１ａと下部遮蔽板１１ｂは、いずれもその平面形状が台形であり、その頂辺が鋼板幅方向中央部、その底辺がヘッダ８と同一方向（図８では、いずれも鋼板幅方向に平行）に配設されている。ヘッダ８と遮蔽板１１の鋼板の通板方向における間隔（ΔＤ）は、所定の値になるように、駆動装置および位置制御装置（いずれも図示せず）などにより制御できるようになっている。
【００３４】
図９は本発明の実施例に係わる予備冷却方法の概念を示す図であり、図９ａは平面図、図９（ｂ）は側面図である。図９では、図８に比較してΔＤが小さい場合を示している。ΔＤを小さくすることにより鋼板面での冷却水噴射幅（Ｗ）を狭めることができる。このように、本発明の装置を用いれば、高温域の広さに応じてΔＤを調整することで、簡便に鋼板両端部のみの冷却をおこなうことができる。
【００３５】
遮蔽板１１の形状は、その底辺寸法Ｌｂが鋼板の最大幅よりも大きく、頂辺寸法Ｌａが低温領域の最小幅よりも狭い台形状のものであればよい。その高さＨは、Ｈが小さい方が設備的にはコンパクトとなるが、小さ過ぎると細かい噴射幅の調整が困難となるので（Ｌｂ−Ｌａ）／６以上とするのがよい。上記以外の寸法、形状は任意であり、例えば遮蔽板１１の台形の底辺と長辺間の斜辺は曲線でもよい。
【００３６】
遮蔽板１１に衝突した冷却水が幅方向中央部などの鋼板面に飛散しないようにするために、遮蔽板には側板１５を設けるのがよい。また、遮蔽板１１の底辺側両端には遮蔽板に衝突した冷却水の排出部１６を設けるのがよい。
【００３７】
このような方法によれば、遮蔽板１１を鋼板面に平行に移動させるだけで冷却水噴射幅Ｗを自在に制御できる。この方法は従来の方法に比較して極めて簡単な設備で制御が容易であるという特長を有する。
【００３８】
しかしながら本発明の方法は上記のような遮蔽板に限定する必要はなく、例えば、幅方向に移動が可能な冷却水噴射用ノズルを設け、所望の位置にノズルを移動させて両端部の高温域のみを冷却するなどの方法でも構わない。
【００３９】
鋼板表面への冷却水噴射幅Ｗは、鋼板温度を全幅方向にわたって測定して決定してもよいが、例えば板幅に応じてＷを変更する方法でも構わない。
【００４０】
図４は、冷却後に変形が発生しやすい板厚が１０〜３０ｍｍの範囲での、板幅と高温域の幅（Ｗ0 ）との関係を示すグラフである。図４よりわかるように、この板厚の範囲では、幅方向端部の高温域の幅Ｗ0 （ｍｍ）は板幅Ｗ（ｍｍ）と下記（１）または（２）式に示すような関係を有する。板幅２５００ｍｍ以下では高温域が生じないので本装置を使用する必要はない。これらの式から得られるＷ0 に応じて噴射幅を制御してもよい。
【００４１】
Ｗ0 ＝４００＋０．３５（Ｗ−２５００）・・・（１）
但し、２５００≦Ｗ≦３５００。
【００４２】
Ｗ0 ＝７５０＋０．６０（Ｗ−３５００）・・・（２）
但し、３５００≦Ｗ≦５０００。
【００４３】
さらに簡便な方法としては、噴射幅を制御せず遮蔽板の位置を固定して冷却してもよい。例えば、特に平坦不良が生じ易い幅が３５００ｍｍ以上の鋼板については、平均的に高温域が生じ易い部分が冷却できるように両端部の冷却幅を設定することで、かなりの改善効果を期待できる。
【００４４】
図５は、圧延終了後の温度むらの大きさ（高温域と低温域間の温度差：ΔＴ0 （℃））と板幅（ｍｍ）との関係の一例を示すグラフである。図５からわかるように、ΔＴ0 は高温域の広さ（Ｗ0 ）と同様に、板幅と良好な相関関係があり、ΔＴ0 は板幅に応じて特定することができる。Ｗ0 、ΔＴ0 および板厚から板端部における必要な冷却量、即ち必要な冷却水量を求めることができる。
【００４５】
図６は、本発明装置による冷却するのに必要な冷却水流量と板厚との関係を計算した例を示す。図６の縦軸は、板幅４０００ｍｍの鋼板の搬送速度９０ｍｐｍとし、その上下面を同時に同一幅だけフラットスプレイノズルを用いて冷却した場合の上下各々のスプレイヘッダに必要な単位幅当たりの流量を示す。
【００４６】
スプレイヘッダが１ヘッダのみでは冷却が不足する場合や、鋼板端部と中央部間の冷却量の変化をより滑らかにしたい場合などでは、スプレイヘッダと遮蔽板の組み合わせを通板方向に複数配設するのがよい。このような場合には、それぞれの装置による冷却条件（例えば、冷却水量、鋼板への噴射幅など）を同一にする必要はなく、前段と後段、あるいは上部と下部など各スプレイヘッダ毎に冷却条件を変更しても構わない。
【００４７】
例えば、冷却水噴射域と非噴射域で冷却量が大きく変化することを防ぐために、スプレイヘッダと遮蔽板を通板方向に連続して配設し、鋼板表面での冷却水噴射幅Ｗが複数のヘッダ間で常に一定量（例えば、数百ｍｍ程度）異なるように遮蔽板の位置を調整して、両者を同時に使用して高温域を冷却することにより、板幅中央から最端部までの本発明装置による冷却量をよりなめらかに変化させることができる。
【００４８】
本発明の方法により圧延後の幅方向温度むらを解消した後は公知の制御冷却法などにより急速冷却される。冷却の進行につれて鋼板端部が過冷却することがあるが、このような場合には、本発明装置よりも下流側の冷却装置において、鋼板端部に噴射される冷却水流を制限するなど、公知の方法で端部過冷却を防止するのがよい。
【００４９】
【実施例】
図７に示すように、仕上圧延機２の下流側に制御冷却装置６を備える熱間圧延装置において、制御冷却装置６の上流側に本発明の冷却装置５を配設した。この冷却装置には、図８に示されているように、鋼板３の上下面にスプレイヘッダ８と遮蔽板１１が１組みずつ配設されている。スプレイヘッダには２５０ｍｍピッチでフラットスプレイノズルを取り付けた。ノズル出口とテーブル基準面との距離は、上下面とも６００ｍｍとし、冷却水量はノズル１個当り０．１３ｍ3 ／分とした。
【００５０】
遮蔽板１１は溶接組み立てした鋼板から成り、鋼板３の通板方向に鋼板面に平行に移動可能に、保持、駆動装置および位置制御装置（いずれも図示せず）により保持した。遮蔽板を前後に移動させることにより、噴射幅Ｗを調整することができる。遮蔽板の寸法は、図８に示した符号で、Ｌａ：１０００ｍｍ、Ｌｂ：４０００ｍｍ、Ｈ：９００ｍｍとした。
【００５１】
上部遮蔽板１１ａはテーブル基準面より５００ｍｍの高さに、下部遮蔽板１１ｂは搬送テーブル基準面より５００ｍｍ下側に設置した。遮蔽板の外周辺には、冷却水の鋼板中央部への流出を防止するために遮蔽板外周部には側板１５を取り付けた。側板の遮蔽板からの高さは、上部遮蔽板においては８０ｍｍ、下部遮蔽板においては３０ｍｍとした。上記遮蔽板を用いれば、鋼板中央部１５００〜３５００ｍｍの範囲の冷却水を遮蔽することができる。本発明の冷却装置５の上流側にはフラットスプレイ型のサイドスプレイ４を設置し、圧延機側への冷却水の流出を防止した。粗圧延機１および仕上圧延機２で熱間圧延された厚さ：１６ｍｍ、幅：４０００ｍｍの鋼板３を７５０℃近傍（入側温度）から５５０℃（冷却停止目標温度）の間を制御冷却装置６により急速冷却した。冷却中の鋼板の搬送速度は９０ｍ／分とした。本発明の冷却装置５の上流および制御冷却装置出側に設けた温度計で鋼板幅方向の温度分布を測定した。
【００５２】
本発明例として上記本発明の冷却装置５を用いて鋼板の両端部各々１０００ｍｍについて端部冷却をおこなった後、常法により制御冷却した。比較例として、上記本発明の冷却装置５を使用せず、制御冷却は本発明例と同一条件でおこなった。温度計７ａで測定した鋼板中央部での入側温度は、いずれの場合とも７５０℃であった。
【００５３】
図１０は、制御冷却終了後の板幅方向温度分布を、本発明例と比較例について比較したグラフである。図１０に示されているように、本発明の装置を使用し本発明の規定する方法に従って端部を冷却した場合（同図には実線で表示）は、制御冷却後の温度むらが概ね１０℃以内に抑制された。その後常温まで冷却した後も平坦不良が発生しなかったので再矯正工程が不要であり、効率よく制御冷却が適用できた。本発明の方法を適用しないで制御冷却した比較例（図１０には破線で表示）では、制御冷却終了後に鋼板の中央部分の温度は鋼板端部に比較して４０℃程度温度が低くなった。鋼板中央部では、目標温度に対して２０℃前後の過冷却が発生し、常温では大きな中延び変形が生じ、製品形状が不良と判断された。このため、再矯正工程による形状修正作業を必要とした。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、高温の鋼板を温度むらを生じることなく均一に冷却することができる。しかも、製造の能率低下や維持コスト増大を生じることがなく、極めて効率的に鋼板の制御冷却をおこなうことができる。また、本発明の装置は構造が極めて簡単であり、設置のためのスペースも広くなくてもよいので、安価に設置できるので極めて経済性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延終了後の板幅方向温度分布の測定例を示すグラフである。
【図２】水冷による温度差の拡大度合いを計算した結果を示すグラフである。
【図３】板幅／板厚と許容温度差との関係を示すグラフである。
【図４】冷却後に変形が発生しやすい板厚が１０〜３０ｍｍの範囲での、板幅と高温域の幅（Ｗ0 ）との関係を示すグラフである。
【図５】圧延終了後の温度むらの大きさ（高温域と低温域間の温度差：ΔＴ0 （℃））と板幅（ｍｍ）との関係の一例を示すグラフである。
【図６】本発明装置による冷却するのに必要な冷却水流量と板厚との関係を計算した例を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係わる装置構成の主要部分の配置例を示す概念図である。
【図８】本発明の実施例に係わる冷却方法の概念を示す図であり、図８ａは平面図、図８ｂは側面図である。
【図９】本発明の実施例に係わる冷却方法の概念を示す図であり、図９ａは平面図、図９ｂは側面図である。
【図１０】制御冷却終了後の板幅方向温度分布を、本発明例と比較例について比較したグラフである。
【符号の説明】
１：粗圧延機、２：仕上圧延機、３：鋼板、４：サイドスプレイ、５：本発明装置、６：制御冷却装置、７ａ：入側温度計、７ｂ：出側温度計、８：ヘッダ、８ａ：上部ヘッダ、８ｂ：下部ヘッダ、９：スプレイノズル、１０：冷却水、１１：遮蔽板、１１ａ：上部遮蔽板、１１ｂ下部遮蔽板、Ｌａ：遮蔽板頂部寸法、Ｌｂ：遮蔽板下部寸法、Ｈ：遮蔽板高さ寸法、１２：鋼板冷却水衝突部、１３：上部遮蔽板冷却水衝突部、１４：搬送用ローラ、１５：側板、１６：冷却水排出部、ΔＤ：通板方向で見た場合のヘッダと遮蔽板の間隔、Ｗ：鋼板表面での冷却水噴射幅。
【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】
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