JP5226965B2

JP5226965B2 - 鋼板冷却方法及び鋼板連続熱処理設備

Info

Publication number: JP5226965B2
Application number: JP2007098839A
Authority: JP
Inventors: 新太郎原田
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: JP2008255414A

Description

本発明は、鋼板連続熱処理設備において鋼板を徐冷し、次いで急冷する鋼板冷却方法及びこの方法を実施するための鋼板連続熱処理設備に関する。

走行する鋼板を加熱、冷却して連続的に焼鈍するのに鋼板連続熱処理設備が利用されている（特許文献１）。

図４（ａ）は鋼板連続熱処理設備の概略図、（ｂ）は溶融亜鉛メッキ設備の鋼板連続熱処理設備の概略図である。

図４（ａ）において、デフレクターロール１から鋼板２は炉内に導入され、炉内の上部及び下部の搬送ロール３により、加熱帯４、均熱帯５、徐冷帯６、急冷帯７、過時効帯８、２次冷却帯９、３次冷却帯１０を順次搬送されてクエンチ装置１１を経て次工程へ搬送される。

また、図４（ｂ）に示す溶融亜鉛メッキ設備は、炉内に導入された鋼板２は、加熱帯４、均熱帯５、徐冷帯６、急冷帯１２、調整帯１３，１４へ順次搬送され、スナウト１５を経てメッキポット１６で溶融亜鉛メッキされる。

図５は徐冷帯及び急冷帯の一例を示す概略図である。

図５において、徐冷帯６、急冷帯１２においては、走行する鋼板２を挟んで冷却用気体を鋼板２に吹き付ける複数の冷却用ウインドボックス１７が間隔をおいて配置され、各冷却用ウインドボックス１７には冷却ブロワ１８により冷却用気体が供給される。徐冷帯６、急冷帯１２では、鋼板の出側温度が所定の温度となるように冷却ブロワ１８により冷却用ウインドボックス１７から冷却用気体を鋼板２の両側に吹き付けて冷却を制御している。

徐冷帯６の入側板温は板温検出器２１、徐冷帯６の出側板温は板温検出器１９、急冷帯の出側板温は板温検出器２０により測定され、プロセスコンピューターにおいて、鋼種毎の温度パターンと鋼板サイズから、各炉帯での処理可能な通板速度が演算され、その中で最も小さな通板速度を、その鋼種、サイズの最大通板速度として、通板速度を制限している。

鋼板２は、徐冷帯６により加熱・均熱帯の焼鈍温度から徐冷した後に、急冷帯１２で急冷することにより、所定の機械的特性が得られるようにしている。

冷却帯の冷却方法として、特許文献２には、鋼板連続焼鈍設備の均熱後の１次冷却帯で、鋼板の表面にノズルから気体を吹き付けて冷却するガスジェット冷却装置を通板方向に設けた複数段冷却ユニットの冷却能力を独立して制御可能にして前段側の冷却ユニットを徐冷可能に、後段側の冷却ユニットを急冷可能にして冷却することが開示されている（特許文献２参照）。
特開２００５−２２６１５７号公報特開２００６−１２４８１７号公報

特許文献２の均熱後の１次冷却帯で緩冷急冷する方法では、緩冷帯と急冷帯の境界が固定であり、緩冷帯の冷却能力不足を急冷帯で補う手法については提示されておらず、緩冷帯の能力がネックとなる場合には、緩冷帯最大通板速度以上に通板速度を上げることができない。

そこで、本発明は、徐冷帯及びこれに続く急冷帯からなる冷却帯において、徐冷帯の冷却能力限界が通板速度を制限する場合、即ち徐冷帯において設定した出側温度に徐冷ができずに急冷帯への入側温度が高くなる場合の鋼板の冷却において、急冷帯に配設された前段の冷却装置の一部を徐冷用として使用することにより、通板速度を上げることを可能にし、生産効率を向上させることができる鋼板冷却方法及び鋼板連続焼鈍設備を提供するものである。

本発明の鋼板冷却方法は、徐冷帯と急冷帯が各々複数段の冷却装置で構成される冷却帯を配する鋼板連続熱処理設備にて、加熱された鋼板を徐冷帯で徐冷し次いで急冷帯で急冷する鋼板冷却方法であって、徐冷帯だけでは目標の徐冷帯出側板温に冷却できない場合に、急冷帯の前段の冷却装置の一部を徐冷用として使用し、その出側を仮想の徐冷帯出側として板温を制御することを特徴とする。

冷却帯の最大通板速度を次の手順１〜３で求めて通板速度を制御する。

手順１：
次の１式から徐冷帯及び急冷帯の冷却装置の冷却負荷ＴＤ_Ａを求め、次の２式から装置容量による冷却負荷ＴＤ_Ａ＝通板条件による冷却負荷ＴＤ_Ｓとして各冷却装置の通板速度Ｌｓを求める。

装置容量による冷却可能負荷ＴＤ_Ａ
ＴＤ_Ａ＝２・Ｌｆ・α_ｍａｘ／（ｍ・Ｃ）・・・・１式
通板条件による冷却負荷ＴＤ_Ｓ
ＴＤ_Ｓ＝ｈ・Ｌｓ・ｌｎ｛（Ｔ_Ｓ１−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_Ｓ２−Ｔ_ｇ）｝・・・・２式
ただし、
ｈ：板厚（ｍ）
Ｌｓ：通板速度（ｍ／ｓｅｃ）
Ｔ_Ｓ１：入側板温（℃）
Ｔ_ｇ：冷却ガス温度（℃）
Ｔ_Ｓ２：出側板温（℃）
Ｌｆ：有効炉長（ｍ）
α_ｍａｘ：熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｓｅｃ・℃）
Ｃ：鋼板比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
ｍ：鋼板密度（ｋｇ／ｍ^３）

手順２：
手順１で求めた徐冷帯の最大通板速度が急冷帯のどの段数で通板可能であるか求めて急冷帯で急冷に使用できる冷却装置の段数を求め、この段数を急冷帯の冷却装置の全段数から差し引いて徐冷用として切り替えることができる段数を求める。

手順３：
前記手順２で求めた切り替えることができる段数のすべてのケースの段数について、手順１にしたがっておのおの通板速度を求め、求めた切り替え後の徐冷帯及び急冷帯での最大通板速度のうち、最小の最大通板速度を求め、これを徐冷帯と急冷帯をまとめた冷却帯の最大通板速度とする。この際に徐冷用に切り替える急冷帯の熱伝達係数は徐冷帯相当に修正するとともに、すべてのケースの切り替え段数の中で、冷却帯の最大通板速度の最大値とその切り替え段数を求める。

また、前記仮想の徐冷帯出側の板温Ｔ（ｔ）を次の３式及び４式から演算して板温を制御する。
Ｔ（ｔ）＝｛Ｋ・α・（Ｔ_ｇ−Ｔ_ｏ／２）・ｔ＋ｈ・Ｃ・Ｔ_ｏ｝／（Ｋ・α・ｔ／２＋ｈ・Ｃ）・・・３式
α∝lｎ｛（Ｔ_ｏ−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｇ）｝・・・４式
ただし、
Ｔ（ｔ）：板温（℃）
Ｋ：２／（７．８５ｇ／ｃｍ^３×３６００ｓｅｃ／ｈｒ）＝７．１×１０^−５
α：熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈｒ・℃）
Ｔ_ｇ：冷却ガス温度（℃）
Ｔ_ｏ：入側板温（℃）＝設備徐冷帯出側の実績板温
ｔ：時間（ｓｅｃ）
ｈ：板厚（ｍｍ）
Ｃ：鋼板比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
Ｔ_ｓ：出側板温

また、本発明の鋼板連続熱処理設備は、加熱された鋼板を徐冷する徐冷帯と次いで急冷する急冷帯が各々複数段の冷却装置で構成される冷却帯を配する鋼板連続熱処理設備において、徐冷帯だけでは目標の徐冷帯出側板温に冷却できない場合に、急冷帯の前段の冷却装置の一部を仮想の徐冷帯として、板温を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

制御装置は、前記手順１〜３にしたがって冷却帯の最大通板速度を演算して通板速度を制御する制御装置、前記仮想の徐冷帯出側の板温Ｔ（ｔ）を３式及び４式から演算して板温を制御する制御装置である。

通常は、徐冷帯出側と急冷帯出側でおのおの板温を管理している。熱処理炉の通板速度は、徐冷帯冷却容量により最大通板速度が決まる場合もあれば、急冷帯冷却容量により最大通板速度が決まる場合もあれば、他の加熱帯などの容量により最大通板速度が決まる場合もある。加熱帯、均熱帯、徐冷帯及び急冷帯の最大速度のうち、徐冷帯が最低速度である場合に、この徐冷帯の最低速度が熱処理炉最大速度となる。

本発明では、徐冷帯及びこれに続く急冷帯からなる冷却帯において、徐冷帯の冷却能力限界が通板速度を制限する場合、即ち徐冷帯において設定した出側温度に徐冷ができずに急冷帯への入側温度が高くなる場合の鋼板の冷却において、急冷帯に配設された前段の冷却装置の一部を徐冷用として使用することにより、通板速度を上げることを可能にし、生産効率を向上させることができる。

徐冷帯の冷却能力限界により通板速度が制限され、急冷帯の冷却能力に余裕がある場合に、急冷帯前段の冷却装置の一部を徐冷用として使用し、通板速度を最大にできる急冷帯の徐冷使用切換段数を演算し、その出側を仮想の徐冷帯出側として板温制御できるので、この場合の通板速度を従来よりも大きくできるので、熱処理設備を効率的に操業することができる。

本発明を実施例により説明する。

本発明では、徐冷帯に次いで急冷帯の前段で徐冷を行うために、冷却帯の最大通板速度と切り替え段数を次の手順で演算する。

図１は徐冷帯及び急冷帯の冷却装置（ウインドボックス）の配置を示す模式図である。

（１）通板条件として、通板サイズ、徐冷帯入側目標板温、徐冷帯出側目標板温（急冷帯入側板温と同じ）、急冷帯出側目標板温を読み取る。

本実施例では、板厚ｈ：１ｍｍ、Ｔ_Ｓ１：徐冷帯入側板温Ｔ_Ｓ１：８００℃、徐冷帯出側板温（急冷帯入側板温と同じ）Ｔ_Ｓ２：７００℃、急冷帯出側板温：４００℃、冷却ガス温度Ｔ_ｇ：５０℃、鋼板比熱Ｃ：０．１３４ｋｃａｌ／ｋｇ・℃、鋼板密度：７８５０ｋｇ／ｍ^３である。

（２）急冷帯前段の徐冷用の切り替え段数と冷却帯の通板可能速度の演算を次の冷却負荷ＴＤについての前記１式及び２式により求める。
装置容量による冷却可能負荷ＴＤ_Ａ
ＴＤ_Ａ＝２・Ｌｆ・α_ｍａｘ／（ｍ・Ｃ）・・・・１式
通板条件による冷却負荷ＴＤ_Ｓ
ＴＤ_Ｓ＝ｈ・Ｌｓ・ｌｎ｛（Ｔ_Ｓ１−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_Ｓ２−Ｔ_ｇ）｝・・・・２式
前記１式から徐冷帯の各ウインドボックス（ＳＣＦ１〜６）、急冷帯の各ウインドボックス（ＲＣＦ１〜６）のＴＤ_Ａを求め、ＴＤ_Ａ＝ＴＤ_Ｓとして前記２式のＬＳから、各ウインドボックス（ＳＣＦ１〜６、ＲＣＦ１〜６）での通板速度（Ｖｓｃｆ１〜６、Ｖｒｃｆ１〜６）を求める。ここで、例えばＶｓｃｆ３とは徐冷帯の冷却装置の１〜３段を使用して、所定の板厚、温度サイクルを達成しうる最大速度であり、Ｖｒｃｆ４とは急冷帯の冷却装置の後ろから４段を使用して、所定の板厚、温度サイクルを達成しうる最大速度である。

表１に演算により求めた通板速度を示す。

（３）表１から、現徐冷帯の最大通板速度から急冷帯で急冷に必要な段数ｎを演算する。表１において、徐冷帯での最大速度は２６６ｍｐｍであり、
２４６ｍｐｍ（Ｖｒｃｆ３）＜２６６ｍｐｍ≦３２８ｍｐｍ（Ｖｒｃｆ４）
から急冷帯でウインドボックスＲＣＦ４（４段目）まで、即ち後段４つのウインドボックスは必ず急冷に使用しなければならないことが求まる（ｎ＝４）。

（４）徐冷用に切り替えることができる最大段数の演算
切り替え可能段数Ｉは、急冷帯の全段数Ｎから急冷に必要な段数ｎを差し引いたもの（Ｉ＝Ｎ−ｎ）であるから、切り替え可能段数Ｉ＝６−４＝２となり、急冷帯の前段の２段まで、すなわち１段あるいは２段を徐冷用として切り替え可能と求まる。

（５）徐冷用に切り替える段数毎（本実施例では、１段あるいは２段）に徐冷帯の最大通板速度、急冷帯の最大通板速度について求め、冷却帯の最大通板速度を求める。この際、徐冷用に使用する急冷帯の熱伝達係数は徐冷帯と同等に修正しておく。

表２に２段切り替えの場合の演算結果を示す。

表３に１段切り替えの場合の演算結果を示す。

求めた切り替え後の徐冷帯及び急冷帯での最大通板速度のうち、最小の通板速度が冷却帯での最大制限速度となる。

２段切り替えの場合、表２から、切り替え後の徐冷帯に相当するＲＣＦ２の最大速度４４３ｍｐｍより急冷帯のＲＣＦ３の最大速度３２８ｍｐｍが小さいので、急冷帯の最大速度３２８ｍｐｍが徐冷帯及び急冷帯をまとめた冷却帯での最大通板速度となる。

１段切り替えの場合、表３から、切り替え後の徐冷帯に相当するＲＣＦ１の最大速度３５４ｍｐｍの方が急冷帯のＲＣＦ２の最大速度４１０ｍｐｍより小さいので、徐冷帯の最大速度３５４ｍｐｍが徐冷帯及び急冷帯をまとめた冷却帯での最大通板速度となる。

１段切り替えの場合と２段切り替えの場合を比較すると、本ケースの場合、１段切り替えの方が通板速度が大きくなり、最大通板速度３５４ｍｐｍが求まる。

（６）加熱帯、均熱帯、前記５で求めた１段切り替えの場合切り替え後の徐冷帯及び急冷帯の最大速度を比較して、最も低い値の最大速度を求める。この最も低い値の最大速度が熱処理炉での最大制限速度となる。１段切り替えの場合の冷却帯の最大速度３５４ｍｐｍが、加熱帯の最大速度３７０ｍｐｍ、均熱帯の最大速度４２０ｍｐｍに比べて最も低い値であることから、３５４ｍｐｍが熱処理炉の最大制限速度となる。

以上の結果から、図２の温度履歴に示すように、急冷帯の前段の１段のウインドボックス（ＲＣＦ１）を徐冷用に切り替え、こののウインドボックス（ＲＣＦ１）の出側が仮想の徐冷帯出側となる。

また、本願発明では、仮想の徐冷帯出側の板温Ｔ（ｔ）を前記の３式及び４式から演算して板温を制御する。

Ｔ（ｔ）＝｛Ｋ・α・（Ｔ_ｇ−Ｔ_ｏ／２）・ｔ＋ｈ・Ｃ・Ｔ_ｏ｝／（Ｋ・α・ｔ／２＋ｈ・Ｃ）・・・３式
α∝lｎ｛（Ｔ_ｏ−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｇ）｝・・・４式
徐冷用に切り替えた急冷帯のブロワの回転数は、徐冷帯のブロワと一括制御するようにする。急冷帯の冷却装置と徐冷帯の冷却装置では、冷却能力が異なるので、急冷帯の前段を徐冷用に使用する際には、急冷帯の冷却装置の回転数を小さくして徐冷帯の熱伝達係数と同等になるように制御する必要がある。急冷帯の前段を徐冷用に使用する際の制御レンジは、徐冷帯の熱伝達係数と冷却装置の回転数との関係と、徐冷帯の熱熱伝達係数と冷却装置の回転数との関係から求めることができる。

図３は熱伝達係数と徐冷帯および冷却装置の回転数の関係を示すグラフである。

例えば、図３において、徐冷帯（ＳＣＦ）のブロワの回転数が１００％の場合の熱伝達係数（α）は１００であり、これに相当する急冷帯（ＲＣＦ）のブロワの回転数は２０％である。徐冷帯のブロワに対する回転数指令値０−１００％に対応して、徐冷用に切り替えた急冷帯のブロワの回転数は０−２０％で制御されるように制御レンジを設定しておく。

徐冷帯及び急冷帯の冷却装置（ウインドボックス）の配置を示す模式図である。演算された温度履歴を示す図である。熱熱伝達係数と徐冷帯および冷却装置の回転数の関係を示すグラフである。（ａ）は鋼板連続熱処理設備の概略図、（ｂ）は溶融亜鉛メッキ設備の鋼板連続熱処理設備の概略図である。徐冷帯及び急冷帯の概略図である。

符号の説明

１：デフレクターロール
２：鋼板
３：搬送ロール
４：加熱帯
５：均熱帯
６：徐冷帯
７：１次冷却帯
８：過時効帯
９：２次冷却帯
１０：３次冷却帯
１１：クエンチ装置
１２：急冷帯
１３，１４：冷却調整帯
１５：スナウト
１６：メッキポット
１７：冷却用ウインドボックス
１８：冷却ブロワ
１９，２０：温度検出器

Claims

徐冷帯と急冷帯が各々複数段の冷却装置で構成される冷却帯を配する鋼板連続熱処理設備にて、加熱された鋼板を徐冷帯で徐冷し次いで急冷帯で急冷する鋼板冷却方法であって、徐冷帯だけでは目標の徐冷帯出側板温に冷却できない場合に、急冷帯の前段の冷却装置の一部を徐冷帯に切替えて使用し、冷却帯の最大通板速度と該最大通板速度の実現に必要な急冷帯を徐冷帯に切り替える切り替え段数を次の手順１〜３で求めて板温を制御することを特徴とする鋼板冷却方法。
手順１：
次の１式から徐冷帯及び急冷帯の冷却装置の冷却負荷ＴＤ_Ａを求め、次の２式から装置容量による冷却負荷ＴＤ_Ａ＝通板条件による冷却負荷ＴＤ_Ｓとして各冷却帯の使用段数と達成しうる通板速度Ｌｓを求める。
装置容量による冷却可能負荷ＴＤ_Ａ
ＴＤ_Ａ＝２・Ｌｆ・α_ｍａｘ／（ｍ・Ｃ）・・・・１式
通板条件による冷却負荷ＴＤ_Ｓ
ＴＤ_Ｓ＝ｈ・Ｌｓ・ｌｎ｛（Ｔ_Ｓ１−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_Ｓ２−Ｔ_ｇ）｝・・・・２式
ただし、
ｈ：板厚（ｍ）
Ｌｓ：通板速度（ｍ／ｓｅｃ）
Ｔ_Ｓ１：入側板温（℃）
Ｔ_ｇ：冷却ガス温度（℃）
Ｔ_Ｓ２：出側板温（℃）
Ｌｆ：有効炉長（ｍ）
α_ｍａｘ：熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｓｅｃ・℃）
Ｃ：鋼板比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
ｍ：鋼板密度（ｋｇ／ｍ^３）
手順２：
徐冷帯の最大通板速度が炉の最大通板速度である場合、手順１で求めた徐冷帯の最大通板速度が急冷帯のどの段数で通板可能であるか求めて急冷帯で急冷に使用できる冷却装置の段数を求め、この段数を急冷帯の冷却装置の全段数から差し引いて徐冷用として切り替えることができる段数を求める。
手順３：
前記手順２で求めた切り替えることができる段数のすべてのケースの段数について、手順１にしたがっておのおの通板速度を求め、求めた切り替え後の徐冷帯及び急冷帯での最大通板速度のうち、最小の最大通板速度を求め、これを徐冷帯と急冷帯をまとめた冷却帯の最大通板速度とする。この際に徐冷用に切り替える急冷帯の熱伝達係数は徐冷帯相当に修正するとともに、すべてのケースの切り替え段数の中で、冷却帯の最大通板速度の最大値とその切り替え段数を求める。
仮想の徐冷帯出側の板温Ｔ（ｔ）を、設備徐冷帯出側の板温計で測定する設備徐冷帯出側の実績板温をもとに、次の３式及び４式から演算して板温を制御することを特徴とする請求項１記載の鋼板冷却方法。
Ｔ（ｔ）＝｛Ｋ・α・（Ｔ_ｇ−Ｔ_ｏ／２）・ｔ＋ｈ・Ｃ・Ｔ_ｏ｝／（Ｋ・α・ｔ／２＋ｈ・Ｃ）・・・３式
α∝lｎ｛（Ｔ_ｏ−Ｔ_ｇ）／（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｇ）｝・・・４式
ただし、
Ｔ（ｔ）：板温（℃）
Ｋ：２／（７．８５ｇ／ｃｍ^３×３６００ｓｅｃ／ｈｒ）＝７．１×１０^−５
α：熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈｒ・℃）
Ｔ_ｇ：冷却ガス温度（℃）
Ｔ_ｏ：入側板温（℃）＝設備徐冷帯出側の実績板温
ｔ：時間（ｓｅｃ）
ｈ：板厚（ｍｍ）
Ｃ：鋼板比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
Ｔ_ｓ：出側板温
加熱された鋼板を徐冷する徐冷帯と次いで急冷する急冷帯が各々複数段の冷却装置で構成される冷却帯を配する鋼板連続熱処理設備において、
徐冷帯だけでは目標の徐冷帯出側板温に冷却できない場合に、急冷帯の前段の冷却装置の一部を仮想の徐冷帯として、板温を制御する制御装置が、請求項１記載の鋼板冷却方法の手順１〜３にしたがって冷却帯の最大通板速度を演算して通板速度を制御する制御装置であることを特徴とする鋼板連続熱処理設備。
制御装置が、請求項２記載の鋼板冷却方法の仮想の徐冷帯出側の板温Ｔ（ｔ）を請求項２記載の鋼板冷却方法の３式及び４式から演算して板温を制御する制御装置であることを特徴とする請求項３記載の鋼板連続熱処理設備。