JP2007260748A - Ｈ形鋼の冷却設備および冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈ形鋼の加速冷却において、フランジ幅方向の冷却均一性が高いＨ形鋼の冷却設備等を提供する。
【解決手段】熱間圧延後のＨ形鋼１０のフランジ１１の外面に、複数の噴射孔から冷却水を噴射して、フランジ１１の外面を冷却するＨ形鋼１０の冷却設備２０であって、水同士が直接干渉せず、Ｈ形鋼１０のフランジ１１の全外面に冷却水イ、ロを供給するノズルを有するとともに、フランジ１１の外面を冷却した冷却水イ、ロはウェブ１２を冷却せず、ウェブ１２は空冷となるようにした。このとき、冷却設備２０内にＨ形鋼１０のフランジ幅ｙに応じて噴射範囲を変更する仕切りを設けた。また、噴射方向が平行となる複数の平行ラミナー水流群を噴射するノズルを有するようにした。さらに、ウェブ１２が空冷となるようにウェブ高さｘに応じて噴射する流体の噴射速度などを制御するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｈ形鋼のフランジ面を均一に冷却するためのＨ形鋼の冷却設備および冷却方法に関するものである。

従来より、熱間粗圧延、仕上圧延を行った後に、高温鋼材に冷却媒体として冷却水を供給して冷却が行われている。近年、Ｈ形鋼の強度に対する要求が高くなってきており、このため鋼に添加する合金成分の検討、および加速冷却による材料組織の微細化が図られている。この合金成分による対応は、低コスト化の要求に必ずしも合致するものではないので、仕上圧延後の冷却速度が例えば５℃／ｓ以上の加速冷却を行うことによって組織を微細化し、強度アップを図っている。
従来の加速冷却手段として、箱型に形成した冷却装置の冷却面側板に直径数ミリの孔を多数配列し、その箱型の冷却装置に冷却水を流し込み、多数噴射すること等により均一冷却を図る方法が実用化されている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。

特開２００１−１９１１０７号公報（第４頁−第５頁、図１） 特開２００２−０１１５１４号公報（第５頁−第６頁、図１）

顧客が要求する製品強度を確保するためには、フランジ全体を均一に冷やす必要があるが、従来の技術では、フランジの端部に冷却水を供給することができなかった。フランジの上端部ぎりぎりに冷却水を供給すれば、搬送中のＨ形鋼が上下に振動したときや、搬送ロールが磨耗しパスラインが変動したときに、冷却水がフランジの上部を超えて、ウェブに乗ってしまい、その乗り水は長い時間にわたってウェブに滞留し、ウェブの過冷却を起こしてしまうからである。フランジよりも肉厚が薄いウェブは圧延途中でもフランジに比べて冷えやすいのに、その上に乗り水があって余計に冷えると、ウェブが熱収縮する途中で塑性変形を起こし、その結果、ウェブ波を発生させ、製品として出荷できなくなってしまう。

しかしながら、フランジ端部に冷却水を供給しない場合は、水冷後の端部温度が十分に下がらず、組織の微細化が十分行えなくなって強度が不足する。フランジ幅が２００ｍｍ以下のＨ形鋼を製造する場合は、フランジ全体に対して非水冷の領域が占める割合が比較的高いので、端部の局所的な強度だけではなく、フランジ全体平均の強度不足も問題となる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、Ｈ形鋼の加速冷却において、フランジ幅方向の冷却均一性が高い冷却設備および冷却方法を提供することを目的とする。

本発明に係るＨ形鋼の冷却設備は、熱間圧延後のＨ形鋼のフランジの外面に、複数の噴射孔から冷却水を噴射して、前記フランジの外面を冷却する冷却設備であって、通材ラインを挟んで噴射する水同士が直接干渉せず、前記Ｈ形鋼のフランジの全外面に前記冷却水を供給するノズルを有するとともに、前記フランジの外面を冷却した前記冷却水はウェブを冷却せず、該ウェブは空冷となるようにしたものである。

また、本発明に係るＨ形鋼の冷却設備は、前記Ｈ形鋼のフランジ幅に応じて噴射範囲を変更することができるように、前記冷却設備内に仕切りを設けて垂直方向に複数に分割したヘッダを有するものである。

また、本発明に係るＨ形鋼の冷却設備は、噴射方向が平行となる複数の平行ラミナー水流群を噴射する前記ノズルを有するものである。

また、本発明に係るＨ形鋼の冷却設備は、前記ウェブが空冷となるようにウェブ高さに応じて噴射する流体の噴射速度と噴射方向を制御するようにしたものである。

本発明に係るＨ形鋼の冷却方法は、上記いずれかに記載の冷却設備を用いてＨ形鋼を冷却するようにしたものである。

本発明に係るＨ形鋼の冷却設備および冷却方法によれば、噴射する冷却水の噴射速度と噴射様式を最適化するようにしたので、フランジ全体を均一に冷やすことができるが、ウェブを冷却することがない。
こうして、Ｈ形鋼のフランジ幅方向で均一性の高い加速冷却を実現することができ、高強度で高品質のＨ形鋼を提供することができる。

図１は本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼の製造設備を示す側面図、図２は図１の製造設備の一部を構成する冷却設備の正面図である。
図１に示すように、Ｈ形鋼１０の製造設備は、通材ライン１に沿って、その上流側から下流側に、粗圧延機２、仕上圧延機３、冷却設備２０、温度計４及び熱間鋸断機５が設けられており、Ｈ形鋼１０がこの通材ライン１に沿って搬送されるようになっている。

Ｈ形鋼１０は、図２に示すように、フランジ１１とウェブ１２からなり、テーブルローラー３０上を通材ライン１方向（図の前後方向）に搬送されるようになっている。Ｈ形鋼１０の搬送方向の両側には冷却設備２０を構成するボックス型の多孔噴流装置２１が設けられており、テーブルローラー３０上をスライドするようになっている。この多孔噴流装置２１には、通材ライン１を挟んでノズルが対向して配置されており、さらに、Ｈ形鋼１０のフランジ幅ｙに応じて噴射範囲を変更できるように、多孔噴流装置２１内に仕切りを設けて、多孔噴流装置２１を垂直方向に複数に分割している。本実施の形態１では、下段ヘッダ２１ａ、中段ヘッダ２１ｂ及び上段ヘッダ２１ｃの３区画に分割している。

多孔噴流装置２１に設けられたノズルは、通材ライン１を挟んで複数の棒状冷却水流群を平行に噴射する。そして噴射する水同士は、直接干渉しないように、またスプレーのように広がらないようにしてある。干渉したり、スプレーのように広がったりすると、水がウェブ１２に乗ってしまうと、その乗り水によってウェブ１２が冷却され、過冷却を起こしてウェブ波が発生し、製品として出荷できなくなるからである。
すなわち、図３の上面図に示すように、一方の側（図の左側）に位置する多孔噴流装置２１より噴射する冷却水イと、他方の側（図の右側）に位置する多孔噴射流装置２１より噴射する冷却水ロとは、隣接する冷却水イ、ロ同士が逆方向に噴射されており、かつすべての冷却水イ、ロの噴射方向は平行になっている。
また、図２の正面図に示すように、冷却水イ、ロはＨ形鋼１０のウェブ１２の面に対しても平行に噴射されるようになっている。
なお、棒状冷却水を噴射するノズルのノズル口の直径（Ｄ）と直管部（Ｌ）との比Ｌ／Ｄが１７以上だと冷却水の直進性がますので、Ｌ／Ｄは１７以上が好ましい。

こうして、多孔噴射流装置２１より噴出した冷却水イ、ロはフランジ１１の全外面を冷却する。また、フランジ１１の最上部を通過する冷却水イ、ロは、フランジ１１の外面を冷却することなく放物線状の軌跡となって反対側の多孔噴射流装置２１に達する。このため、ウェブ１２を冷却することがなく、ウェブ１２は空冷となる。
ウェブ１２が空冷となるように、ウェブ高さｘに応じて噴射する冷却水イ、ロの噴射速度などを制御する。噴射速度は、ウェブ１２に水が乗らない流速にすることが必要である。

ウェブ１２に水が乗らないためには、ウェブ高さｘに応じて、表１に示した噴射速度以上の速度で噴射する必要がある。

ウェブ高さｘとウェブ１２に水がのらない噴射速度の関係は、図４の線図に示す通りで、ウェブ１２に水がのらない噴射速度の範囲は、図４の斜線部分の範囲に相当する。

なお、一方の多孔噴流装置２１より噴射され、これと対向する他方の多孔噴流装置２１の壁に到達した冷却水イ、ロが、その壁で跳ね返ってウェブ１２に乗ってこれを冷却しないように、多孔噴流装置２１の壁には噴射する冷却水イ、ロが飛散しないような穴を設けてある（図示せず）。あるいは、壁に、冷却水イ、ロが飛散しないような緩衝材を設けてもよい（図示せず）。

次に、本発明の作用を説明する。図１に示すＨ形鋼１０の製造設備において、粗圧延機２により粗圧延が行われ、仕上圧延機３により仕上圧延が行われた後に、冷却設備２０に入り、ここで図２に示すように、多孔噴流装置２１によってＨ形鋼１０のフランジ１１の外面に冷却水イ、ロが噴射される。冷却設備２０によって冷却された後、温度計４によってフランジ幅ｙ方向の温度分布を測定し、ついで熱間鋸断機５によって鋸断される。

冷却設備２０では、図２に示すように、フランジ１１の外面（全断面）にほぼ垂直に、多孔噴流の冷却水イ、ロを噴射する。この加速冷却によって、Ｈ形鋼１０のフランジ１１の中央部の表面温度は例えば６４０℃程度となる。これにより、Ｈ形鋼１０の断面のフェライト組織は微細化され、強度アップが図られる。
加速冷却に際しては、Ｈ形鋼１０のフランジ幅ｙに応じてヘッダ２１ａ〜２１ｃの段数を決定する。例えば図２では、下段ヘッダ２１ａのみを用いているが、フランジ幅ｙがこれより広い場合は、下段ヘッダ２１ａ及び中段ヘッダ２１ｂの２つを用いることができ、または下段ヘッダ２１ａ、中段ヘッダ２１ｂ及び上段ヘッダ２１ｃの３つを用いることができる。また、フランジ１１の厚みおよびその製品の強度目標とＨ形鋼１０の搬送速度に基づいて、使用する多孔噴流装置２１の長さを決定する。

熱間仕上圧延後に、ウェブ高さｘがともに７００ｍｍであり、フランジ幅ｙがそれぞれ２００ｍｍ、３００ｍｍであるＨ形鋼ａ、ｂ（表２）のフランジ１１の外面に冷却水を噴射して、製品を製造した。

この際、Ｈ形鋼ａ、ｂのフランジ幅ｙに応じて、使用するヘッダの段数を決定した。Ｈ形鋼ａ（フランジ幅ｙが２００ｍｍｍ）では図２に示すように下段ヘッダ２１ａのみを用い、Ｈ形鋼ｂ（フランジ幅ｙが３００ｍｍｍ）では図示しないが下段ヘッダ２１ａと中段ヘッダ２１ｂの２つのヘッダを用いた。Ｈ形鋼ａ、ｂのいずれの場合も、フランジ幅ｙ方向の温度分布をほぼ一定の８００℃として仕上圧延を行った後、多孔噴射装置２１によって、フランジ１１の中央が６４０℃程度になるまで冷却を行った。

実施例１では、図２に示すように、Ｈ形鋼ａ、ｂに対して、フランジ１１の外面全体を冷却した。フランジ１１の外面への流量は、５ｍ³／ｍｉｎ・ｍ² であった。その際、ノズルから噴出する冷却水イ、ロの流速は、１６ｍ／ｓであった。この流速は、図４に示すように、ウェブ１２に水がのらない領域（斜線部分の領域）を満たしている（Ｈ形鋼ａ、ｂのウェブ高さｘはともに７００ｍｍで、このときのウェブ１１に水が乗らない噴射速度は１４．７ｍ／ｓ以上である）。そして、上記の噴射速度において、噴射する冷却水イ、ロ同士が干渉せず、対向位置にある多孔噴流装置２１まで到達するような速度に冷却装置２０を配置した。なお、フランジ１１の外面の最上部よりも上に噴射された冷却水イ、ロは、図２、図３に示すように、相互に干渉することなく、放物線状の軌跡となって通材ライン１の反対側に位置する多孔噴流装置２１の壁まで到達した。

比較例１では、図５に示すように、Ｈ形鋼ａ、ｂに対して、フランジ１１の外面の最上部及び最下部の２０ｍｍには冷却水を供給しなかった。
比較例２では、図６に示すように、Ｈ形鋼ａ、ｂに対して、フランジ１１の外面全体を冷却した。フランジ１１の外面への流量は、１ｍ³／ｍｉｎ・ｍ²であった。ノズルから噴出する冷却水イ、ロの流速は、３ｍ／ｓであった。
比較例３では、Ｈ形鋼ａ、ｂに対して、フランジ１１の外面全体を冷却し、フランジ１１の外面への流量を５ｍ³／ｍｉｎ・ｍ²とした。その際、ノズルから噴出する冷却水イ、ロの流速は、１６ｍ／ｓであった。また、図７に示すように、Ｈ形鋼ａ、ｂの両フランジ１１側から噴射する噴射流イ、ロ同士が干渉するように冷却装置２０を配置した。

冷却後、熱間鋸断前に測定したＨ形鋼ａ、ｂの、フランジ温度と製品強度の評価を行った。その結果は、表３に示す通りであった。

実施例１では、フランジ１１の全面が均一に冷却され、フランジ１１の全体の強度が均一に高くなるとともに、ウェブ１２にも水がかからなかったため、ウェブ波が発生しなかった。
比較例１では、フランジ１１の上端部、下端部の非水冷部の温度が高く、温度極大部分での強度が十分ではなかった。従って、強化元素の添加を行い、コスト増を余儀なくされた。
比較例２では、フランジ１１の全体の強度は満足したが、噴射流イ、ロが、フランジ１１だけでなく、ウェブ１２へもかかってしまい、その乗り水によりウェブ１２が熱収縮する途中で塑性変形を起こした。その結果、ウェブ波を発生させ、製品として出荷できなくなった。
比較例３では、フランジ１１の全体の強度は満足したが、噴射流イ、ロ同士が干渉し、ウェブ１２に水がかかってしまい、その乗り水によってウェブ１２が熱収縮する途中で塑性変形を起こした。その結果、ウェブ波を発生させ、製品として出荷できなくなった。

上記の説明では、ヘッダ２１ａ〜２１ｃは、フランジ幅ｙが２００ｍｍ及び３００ｍｍの場合に、それぞれ１段又は２段使用するものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、製造するフランジ幅ｙの種類に応じてどのように区切ってもよい。例えば、製品のフランジ幅ｙが１５０ｍｍから５０ｍｍピッチで大きくなるような場合では、ヘッダ２１をより細かく分割してもよい。

本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼の製造設備を示す側面図である。 図１の製造設備の一部を構成する冷却設備を示す正面図である。 図２の平行ラミナ水流群の噴射状態を示す上面図である。 ウェブ高さとウェブに水がのらない噴射速度との関係を示す線図である。 製造設備の一部を構成する比較例１に係る冷却設備を示す正面図である。 製造設備の一部を構成する比較例２に係る冷却設備を示す正面図である。 比較例３に係る平行ラミナ水流群の噴射状態を示す上面図である。

符号の説明

１ 通材ライン、２ 粗圧延機、３ 仕上圧延機、４ 温度計、５ 熱間鋸断機、１０ Ｈ形鋼、１１ フランジ、１２ ウェブ、２０ 冷却設備、２１ 多孔噴流装置、２１ａ〜２１ｃ ヘッダ、ｘ ウェブ高さ、ｙ フランジ幅、イ，ロ 冷却水。

Claims (5)

1. 熱間圧延後のＨ形鋼のフランジの外面に、複数の噴射孔から冷却水を噴射して、前記フランジの外面を冷却するＨ形鋼の冷却設備において、
   通材ラインを挟んで噴射する水同士が直接干渉せず、前記Ｈ形鋼のフランジの全外面に前記冷却水を供給するノズルを有するとともに、前記フランジの外面を冷却した前記冷却水はウェブを冷却せず、前記ウェブは空冷となることを特徴とするＨ形鋼の冷却設備。
2. 前記Ｈ形鋼のフランジ幅に応じて噴射範囲を変更することができるように、前記冷却設備内に仕切りを設けて垂直方向に複数に分割したヘッダを有することを特徴とする請求項１記載のＨ形鋼の冷却設備。
3. 噴射方向が平行となる複数の平行ラミナー水流群を噴射する前記ノズルを有することを特徴とする請求項１記載のＨ形鋼の冷却設備。
4. 前記ウェブが空冷となるようにウェブ高さに応じて噴射する流体の噴射速度と噴射方向を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＨ形鋼の冷却設備。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の設備を用いてＨ形鋼を冷却することを特徴とするＨ形鋼の冷却方法。
   

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