JP4752252B2 - H形鋼の冷却方法 - Google Patents
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Description
厚板など平板形状の鋼材をスプレー冷却する場合、鋼材の冷却される表面(以下「冷却面」と称す)の上下にスプレーノズルを設け、冷却水を噴射する中心線(以下「噴射方向」と称す)が冷却面に対して垂直になるようなノズルレイアウトとするのが一般的である。
そして、かかる強度不足を補うために、Mn,Si、V、Nb等といった強化元素を添加しなければならず、コスト増を余儀なくされていた。
(A)複数列のスプレー冷却ノズルを配置する発明(例えば、特許文献1参照)、
(B)冷却水の噴射角度を可変にする発明(例えば、特許文献2参照)。
(a)スプレー冷却ノズルの数量および冷却ノズルヘッドの数量が増加するため、製造コストが高くなる。
(b−1)噴射角度を可変にする可変手段が必要になるため、製造コストが高くなる。
(b−2)また、飛散水に曝される可動部を保守点検する必要があるため、保全コストが高くなる。
前記冷却ノズルから前記H形鋼のフランジ内面に向かって冷却水を噴射する工程と、
複数の隔壁によって仕切られた複数の貯水室と、該貯水室の一方の壁面に穿設された多数の冷却水流出孔とを具備するフランジ外面冷却部を、前記壁面が前記H形鋼の搬送用のガイドとして機能するように配置する工程と、
前記冷却水流出孔から所定の流量のラミナーフローを形成する工程と、
を有し、
前記冷却ゾーンを通過して復熱した際、前記H形鋼のフランジの外面の表面温度が全面で580〜660℃の範囲内におさまるようにしたことを特徴とする。
このとき、冷却ノズルは固定されてままであって、数量を増す必要がないから、装置が簡素であって、製造コストや保全コストが高くなることがない。
図1は本発明の実施形態に係るH形鋼の冷却方法に使用する冷却ノズルを模式的に示すものであって、(a)は背面図、(b)は側面視の断面図、(c)は正面図である。
図1において、冷却ノズル10は、棒状の本体6の先端面5に形成された吐出孔4と、吐出孔4に注ぐ第一の流路1と、第一の流路1の流路断面積よりも小さな流路断面積で吐出孔4に注ぐ第二の流路2とを具備する。このとき、第一の流路1と第二の流路2とは、吐出孔4の後面側(本体側に同じ)の合流部3において合流している。
また、本体6の後端面7には、第一の流路1および第二の流路2の流入孔が開口している。
なお、本体6の中心を含む仮想面9(図中、位置「イ」、位置「ロ」、位置「ハ」、位置「ニ」を含む面に同じ)を「噴射中心面9」と称し、図中、二点鎖線で示している。したがって、吐出孔4はスリット状(溝状)であって、噴射中心面9の一部を含むように形成されている(所定の厚さをもって噴射中心面9内に位置しているに相当する)。
図2において、冷却ノズル10は前述のように冷却水を非対称に噴射するから、噴射中心面9に垂直な面20hでは、噴射中心面9に対して非対称な山形「O〜A1〜A2・・・A7」で模式的に示される流量分布をもっている。すなわち、第二の流路側(図中、右側)に明りょうなピークA5が表れている。また、かかる垂直な面20hを冷却ノズル10から遠ざければ、かかる非対称な流量分布を維持したまま、単位面積あたりの流量が単純に減少することになる。
一方、噴射中心面9に対して傾斜した面20sにおいては、前述のように冷却ノズル10から遠ざかるほど、単位面積あたりの流量が減少するものの、噴射中心面9に対して流量が多い側(図中、右側)が遠くなるようにすれば、かかる非対称な流量分布が緩和され、単位面積あたりの流量の不均一性が解消されることになる。
よって、鋼材の表面に対して噴射中心面9を傾斜せざるを得ない場合であっても、位置「B2〜B7」に相当する範囲、あるいは位置「B3〜B7」に相当する範囲内に被冷却面が位置するなどすれば、該被冷却面の最端部の位置「B7」を除けば略均一に冷却されることになる。
一方、鋼材の表面に対して噴射中心面9が垂直であるものの、例えば、障害物があって、鋼材の幅方向の中心を噴射中心面9に対して偏位(オフセット)せざるを得ない場合であっても、位置「A2〜A6」に相当する範囲、あるいは位置「A3〜A6」に相当する範囲内に被冷却面が位置するようにすれば、該被冷却面の全域は略均一に冷却されることになる。
図3において、従来の冷却ノズル90は、冷却水を噴射中心面9に対して対称に噴射するから、噴射中心面9に垂直な面20hでは、噴射中心面9に対して対称な山形「O〜C1〜C2・・・C7」で模式的に示される流量分布をもっている。すなわち、噴射中心面9に明りょうなピークC3が表れている。また、かかる垂直な面20hを冷却ノズル90から遠ざければ、かかる対称な流量分布を維持したまま、単位面積あたりの流量が単純に減少することになる。
すなわち、冷却ノズル90に近い側(図中、左側)には、より多量の冷却水が供給されてピークD2が形成され、冷却ノズル90から遠い側(図中、右側)には、供給される冷却水が少量になってなだらかな裾野が形成された非対称な山形「O〜D1〜D2・・・D7」で模式的に示される流量分布を呈する。つまり、広い範囲で単位面積あたりの流量が不均一になっている。
同様に、鋼材の表面に対して噴射中心面9が垂直であるものの、鋼材の幅方向の中心を噴射中心面9に対して偏位(オフセット)せざるを得ない場合、たとえば、位置「C2〜C6」に相当する範囲、あるいは位置「C3〜C6」に相当する範囲内に被冷却面が位置する場合、該被冷却面の冷却は不均一になっている。
図4および図5は、本発明の実施形態に係るH形鋼の冷却方法に使用する設備を示すものであって、図4が熱間圧延ラインを概説する模式図、図5は冷却設備を概説する模式図である。
図4において、熱間圧延ライン100は、所定の温度に加熱または調整された熱間圧延素材(ブルーム)を粗形状にする粗圧延機110と、該粗形状に熱間圧延された被圧延材を所定の断面形状のH形鋼にする仕上圧延機130と、該仕上形状に熱間圧延されたH形鋼を所定の冷却速度でもって所定の冷却停止温度にまで冷却する冷却設備200と、該冷却によって所定の材料強度が保証されたH形鋼を所定長さに切断する図示しない鋸断機とを有している。このとき、被圧延材の表面温度は温度計120、140によって測定され、加工温度と加工量とがコントロールされた圧延が実施される。なお、これら各機器の間には複数の搬送ローラ150が配置され、一方の搬送ローラ150と他方の搬送ローラ150の間に配置された図示しないエプロンによって搬送テーブルが形成されている。
図5において、H形鋼の冷却設備200(以下「冷却設備200」と称す)は、H形鋼20のフランジ20fの外面23fを冷却するフランジ外面冷却部230と、H形鋼20のフランジ20fの下側内面21fを冷却するフランジ下側内面冷却部210と、H形鋼20のフランジ20fの上側内面22fを冷却するフランジ上側内面冷却部220とを有している。なお、図5において、冷却設備200およびH形鋼20は左右対称であるため、各部位についてその片側のみに符号を付している。
フランジ下側内面冷却部210は、搬送ローラ150の間で、搬送ローラ150の頂点を結ぶ面よりも低い位置に設置され、搬送されてくるH形鋼20のフランジ20fの下側内面21fに向かって、斜め上方に冷却水を噴射する冷却ノズル10を具備している。
冷却水は、図示しない冷却水圧送手段(圧送ポンプ、切り替えバルブ、バルブ制御装置等を具備している)から冷却水配管211を経由して冷却ノズル10に到達している。このとき、噴射中心面とフランジ20fの下側内面21fとは、たとえば、50°の角をなしている。ここで、噴射中心面とフランジ20fの下側内面21fのなす角とは、冷却ノズルの先端断面の中心線(図1の先端吐出孔4の断面の中心線)と前記鋼材のフランジ内面の表面とのなす角を言う。
また、冷却水配管211は、フランジ外面冷却部230に連結された連結用下架台212に設置されているから、冷却ノズル10はフランジ外面冷却部230と一体的に移動する。
冷却ノズル10が前述のように冷却水を非対称に噴射するから、フランジ20fの下側内面21fは、下端部からフィレット部(フランジ20fの下側内面21fとウェブ20wの下面との交差部に同じ)にわたる広い範囲が、略均一に冷却されることになる。
フランジ上側内面冷却部220は、搬送されるH形鋼20との衝突を避けるため搬送ローラ150から所定の距離だけ上方に設置され、搬送されてくるH形鋼20のフランジ20fの上側内面22fに向かって、斜め下方に冷却水を噴射する冷却ノズル10を具備している。
冷却水は、図示しない冷却水圧送手段(圧送ポンプ、切り替えバルブ、バルブ制御装置等を具備している)から冷却水配管221を経由して冷却ノズル10に到達している。このとき、噴射中心面とフランジ20fの上側内面22fとは、たとえば、50°の角をなしている。また、冷却水配管221は、フランジ外面冷却部230に連結された連結用上架台222に設置されているから、冷却ノズル10はフランジ外面冷却部230と一体的に移動する。
冷却ノズル10が前述のように冷却水を非対称に噴射するから、フランジ20fの上側内面22fは、上端部からフィレット部(フランジ20fの上側内面22fとウェブ20wの上面との交差部に同じ)にわたる広い範囲が、略均一に冷却されことになる。
フランジ外面冷却部230は、複数の隔壁によって仕切られた複数の貯水室(図示しない)を具備し、貯水室の圧延ライン側の壁面はH形鋼20の搬送用のガイドとして機能すると共に、該壁面に穿設された多数の冷却水流出孔(図示しない)が冷却ノズルとして機能している(いわゆる「多孔板水冷ノズル」に同じ)。なお、冷却水流出孔のピッチ等は任意に選べるため、高水量密度たとえば1000〜3000リットル/分m2((litter/min/m2)での冷却が容易に実現されるものである。
また、各貯水室に供給される冷却水の流量と圧力は、図示しない制御手段によって制御されているから、前記冷却水流出孔からは所定の流量のラミナーフローが形成され、所望冷却が実行されることになる。
また、冷却水配管211および冷却水配管221はフランジ外面冷却部230と同一の移動台車に設置されているから、フランジ下側内面冷却部210およびフランジ上側内面冷却部220の冷却ノズル10は、フランジ20fの下側内面21fおよび上側内面22fの冷却をそれぞれ実行することができる。
以下、本発明の実施例を、熱間仕上圧延後のサイズがウェブ高さ800mm、ウェブ厚19mm、フランジ幅400mm、フランジ厚40mmであるH型鋼について説明する。
すなわち、図4に示すH形鋼の製造設備において、H形鋼は圧延機110および仕上圧延機130において粗圧延および仕上圧延をされた後に冷却設備200においてフランジ内外面に冷却水が供給される。冷却設備200の後方(図中、右側)では、放射温度計140で復熱後のフランジ20fの外面23fの表面温度分布を測定し、品質管理を行っている。
この製品は、引張強度490MPa以上を要求されており、そのためには復熱後のフランジ20fの外面23fの表面温度が全面で580〜660℃の範囲内におさまっているかを判定し、品質管理を行っている。
また、本発明の実施例1および2、参考例は、それぞれ第一の流路と第二の流路とを具備する冷却ノズルであって、実施例1は、第一の流路の流路断面積が第二の流路の流路断面積の2倍である(2:1)もの、実施例2は、第一の流路の流路断面積が第二の流路の流路断面積の4倍である(4:1)もの、参考例は、第一の流路の流路断面積が第二の流路の流路断面積の6倍である(6:1)ものである。
そして、比較例1および2、実施例1および2、参考例の何れにおいても、冷却ノズル1個あたりの冷却水量は、80リットル/分(litter/min)である。
何れの場合も、フランジ20fの外面23fの冷却は略均一に行うことができた。また、放射温度計140にて測定した復熱後のフランジ幅方向温度分布と製品の一部を切り出して行った引張試験結果は、フランジ内面に供給した冷却水の水量分布にほぼ対応している。
比較例1では、楕円状の吐出孔の従来の冷却ノズルを用いたので噴射角が狭く、フランジ幅の1/4部分(以後「クォータ部」と称す)に冷却水が集中した。クォータ部は十分に冷え、610℃となった。フランジ端部から30mmの位置(以下「フランジ端部」と称す)やフィレット部には冷却水がほとんど供給されず、それぞれ685℃、700℃までにしか冷えなかった。
引張試験では、要求された強度をクォータ部では確保できたが、それ以外の部分では確保できなかった。この結果、新たな合金成分の添加が必要となり、製造コストが上がった。
比較例2では、2系統の流路をもつ冷却ノズルを用いて流路断面積比を1:1とした。それぞれ流路からの流れが吐出孔近くで合流し、撹拌されるため、比較例1において用いた従来の冷却ノズルよりは噴射角が大きく、フィレット近傍にも冷却水を供給することができた。ただし、冷却水の流量分布は図3に示すような噴射中心面に対して対称であるから、冷却水は冷却ノズルに近いクォータ部よりも手前、すなわちフランジ端部側に集中した。一番遠いフィレット部まで到達する冷却水量はわずかであった。この結果、フランジ端部、クォータ部、フィレット部の温度はそれぞれ625℃、650℃、670℃となった。
引張試験では、フランジ端部、クォータ部で要求された強度を確保できたが、フィレット部では確保できないケースも少しあった。強度がやや不足した分、新たに少々の合金成分添加を行ったので、製造コストはやや高かった。
実施例1では、2系統の流路をもつ冷却ノズルを用いて流路断面積比を2:1とした。流路断面積の大きい方の主流が冷却ノズル噴射の噴射中心面よりも遠方に噴射されるため、フランジ内面に到達する冷却水の流量分布は、図2の傾斜した面20sに示すように比較的均一になって、冷却の均一性は飛躍的に向上した。フランジ端部、クォータ部、フィレット部の温度は表1に示すように全て品質管理の許容範囲内におさまっている。
引張試験では、全ての部分が要求された強度を確保できた。新たに合金成分の添加を行う必要がなかったので、製造コストを低く抑えることができた。
実施例2は、2系統の流路をもつ冷却ノズルを用いて流路断面積比を4:1としたものであり、実施例1(流路断面積比を2:1としたもの)と同様の作用効果が得られた。
参考例では、2系統の流路をもつ冷却ノズルを用いて流路断面積比を6:1とした。流路断面積の大きい方の主流が冷却ノズル噴射の中心線よりも遠方に噴射されるが、主流の流量が多すぎて、フィレット部付近が集中的に冷えた。逆に、フランジ端部に供給される冷却水が少なくなりすぎた。この結果、フランジ端部、クォータ部、フィレツト部の温度はそれぞれ670℃、640℃、625℃となった。
引張試験では、クォータ部、フィレット部で要求された強度を確保できたが、フランジ端部では確保できないケースも少しあった。強度がやや不足した分、新たに少々の合金成分添加を行ったので、製造コストはやや高かった。
すなわち、かかる角度が75〜90°という垂直に近い角度では、従来の冷却ノズル(比較例1または比較例2参照)における冷却であっても流量分布が大きく偏位(バラツクに相当する)しないため、あえて、本発明の冷却ノズル(噴出する冷却水の非対称分布を特徴とする)を使用することはない。しかしながら、かかる角度が30〜75°という斜め向きの角度において、より均一な冷却が要求される場合に、本発明の冷却ノズルが有効であることは明らかである。
一方、前記角度が30°未満の場合は、本発明の冷却ノズル使用したとしても傾きが大きすぎるので、所定の冷却面に冷却水をコントロールして供給することが難しくなる。しかしながら、かかる場合をとらざるをえない場合、従来の冷却ノズルよりも本発明の冷却ノズルの方が優れていることは明らかである。
一方、フランジの下部内面を冷却する場合に、冷却ノズルをパスラインより上方に設置すると、H形鋼がねじれたりして搬送され冷却ノズルに衝突した場合に冷却ノズルが破損するので好ましくない。また、スプレー噴射と冷却面がなす角が垂直に近くなるので、本発明の効果を十分に発揮できない。
一方、冷却ノズルをH形鋼の高さよりも上方に設置しない場合、すなわちH形鋼左右の上部フランジ間に冷却ノズルを設置する場合は、H形鋼が冷却ノズルに衝突し冷却ノズルが破損する可能性があるので好ましくない。また、スプレー噴射と冷却面がなす角が垂直に近くなるので本発明の技術の効果を十分に発揮できない。
以上、本発明の実施形態として、H形鋼のフランジ内面を冷却する場合を例にして説明しているが、本発明はこれに限るものではなく、たとえば厚鋼板に対して冷却水を斜め方向に噴射する場合に適用してもいいし、鋼管の周りに冷却ノズルを配してスプレー冷却を行う場合などに用いてもよい。
また、本発明は、文字通り鋼材に限定するものではなく、非鉄金属や非金属材料の冷却にも適用できるものである。
なお、噴射される冷却水の量が見掛け上対称であっても、噴射される冷却水の冷却能が非対称であるものは、本発明の範囲内にあるものである。
また、一対の流路を形成する要領は限定するものではなく、それぞれ別個に形成してもよいし、共通の流路を形成して、これを仕切り板によって一対の流路に分割してもよい。
2 第二の流路
3 合流部
4 吐出孔
5 先端面
6 本体
7 後端面
8 ネジ
9 噴射中心面
10 冷却ノズル
20 形鋼
20f フランジ
20h 面
20s 面
20w ウェブ
21f 下側内面
21w 下面
22f 上側内面
23f 外面
100 熱間圧延ライン
110 粗圧延機
120 温度計
130 仕上圧延機
140 放射温度計
150 搬送ローラ
200 冷却設備
210 フランジ下側内面冷却部
211 冷却水配管
220 フランジ上側内面冷却部
221 冷却水配管
230 フランジ外面冷却部
Claims (4)
- 鋼材であるH形鋼を形成する熱間圧延ラインの冷却ゾーンに、前記H形鋼を搬送する搬送ローラの頂点より低い位置および搬送される前記H形鋼のフランジ高さよりも高い位置の両方において、先端面に形成された吐出孔と、該吐出孔に冷却水を注ぐ第一の流路と、該第一の流路の流量よりも少ない流量で前記吐出孔に冷却水を注ぐ第二の流路とを具備する冷却ノズルを、前記第一の流路側が前記第二の流路側よりも前記H形鋼のフランジ内面に近接するように傾斜して、該フランジ内面に向けて配置する工程と、
前記冷却ノズルから前記H形鋼のフランジ内面に向かって冷却水を噴射する工程と、
複数の隔壁によって仕切られた複数の貯水室と、該貯水室の一方の壁面に穿設された多数の冷却水流出孔とを具備するフランジ外面冷却部を、前記壁面が前記H形鋼の搬送用のガイドとして機能するように配置する工程と、
前記冷却水流出孔から所定の流量のラミナーフローを形成する工程と、
を有し、
前記冷却ゾーンを通過して復熱した際、前記H形鋼のフランジの外面の表面温度が全面で580〜660℃の範囲内におさまるようにしたことを特徴とするH形鋼の冷却方法。 - 前記冷却ノズルの第一の流路の流路断面積が、前記冷却ノズルの第二の流路の流路断面積の2〜4倍の大きさであることを特徴とする請求項1記載のH形鋼の冷却方法。
- 前記冷却ノズルの先端断面の中心軸線が前記H形鋼のフランジ内面の表面に対して、30〜75°傾斜することを特徴とする請求項1または2記載のH形鋼の冷却方法。
- 前記フランジ外面冷却部および前記冷却ノズルを、前記熱間圧延ラインの幅方向に進退自在な移動台車に設置し、該移動台車を、前記H形鋼のウェブ幅の大きさに応じて進退して、前記H形鋼のフランジ外面およびフランジ内面の冷却をそれぞれ実行することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のH形鋼の冷却方法。
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