JP5720714B2 - 厚鋼板の製造方法および製造設備 - Google Patents

Description

本発明は、厚鋼板の製造方法および製造設備に関するものである。

熱間圧延によって厚鋼板を製造するプロセスでは、冷却制御の適用が拡大している。例えば、図１に示すように、加熱炉１で厚鋼板（図示しない。）を再加熱した後、デスケーリング装置２において厚鋼板がデスケーリングされる。そして、厚鋼板は圧延機３によって圧延されてから、形状矯正装置４によって矯正された後、加速冷却装置５において水冷または空冷による制御冷却が行われる。なお、図中の矢印は厚鋼板の進行方向である。

厚鋼板を加速冷却装置で水冷する場合、図２のように厚鋼板表面のスケールが厚くなるほど冷却時間が短くなるため、冷却速度が大きくなることが知られている。しかしながら、スケール厚みにばらつきがあると冷却速度が不均一になるため、強度や硬度などの材質がばらつくという問題がある。

また、スケール厚が不均一である場合、上述したように冷却速度が不均一になる。このような場合、厚鋼板幅方向における加速冷却停止時の厚鋼板表面温度（以下、「冷却停止温度」と称する。）の分布は、例えば図３のようにばらつくことが知られており、このように厚鋼板の冷却停止温度がばらつくため、均一な材質を得られないという問題がある。具体例を示すと、厚鋼板幅方向にスケール厚が４０μｍと２０μｍの箇所が混在する場合、板厚２５ｍｍの厚鋼板を８００℃から目標温度５００℃まで冷却する時の冷却停止温度は、４０μｍの箇所で４６０℃、２０μｍの箇所で５００℃となる。４０μｍの箇所では、冷却停止温度が目標温度から４０℃下回ってしまい、その結果、均一な材質を得ることができない。

そこで、特許文献１では、スケール厚みを制御して冷却速度の均一化を行い、冷却停止温度の均一化を達成する方法が開示されている。特許文献１では、圧延中に圧延機の前後に備えられたデスケーリング装置を用いて、厚鋼板の尾端が先端に比べて冷却停止温度が低くなる場合に、尾端側のデスケーリングの噴射水量を先端側の噴射水量より多くなるように制御し、厚鋼板の長手方向でスケール除去率、残存厚を制御することにより、制御冷却時の鋼板表面の熱伝達係数を変化させて、厚鋼板の長手方向の冷却停止温度の均一化を行っている。

特開平６−３３０１５５号公報

従来の技術では、冷却水量や搬送速度を調整することで冷却停止温度の均一化を図ってきた。しかし、この方法では、スケール厚のばらつきによって冷却速度がばらつくため、冷却速度の均一化のみならず、冷却停止温度の均一化も難しい。

また、特許文献１の方法では、オンラインでスケール除去率や残存厚を制御できなければ熱伝達係数も制御できないため、高精度の冷却速度の均一化を実現することができない。また、スケール除去率を変化させる場合、スケール残存箇所と剥離箇所で冷却停止温度が異なるため、材質にばらつきが出る。

本発明は、上記の問題を解決し、材質ばらつきの少ない高品質の厚鋼板を確保することができる厚鋼板の製造方法および製造設備を提供することを目的とする。

本発明は、前記の従来の問題点を解決するためになされたものであって、その要旨は下記のとおりである。
［１］熱間圧延工程、形状矯正工程および加速冷却工程の順序で厚鋼板を製造する方法において、前記形状矯正工程と前記加速冷却工程との間に、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に空冷することにより、あるいは、厚鋼板の上下面に冷却水を水量密度０．３〜２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで供給して水冷することにより、厚鋼板表面を変態させる温度調整工程、および、前記温度調整工程の後でかつ前記加速冷却工程の前に厚鋼板の表面にエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を噴射するデスケーリング工程を有することを特徴とする厚鋼板の製造方法。
［２］前記デスケーリング工程において、前記高圧水の噴射圧力を１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする［１］に記載の厚鋼板の製造方法。
［３］熱間圧延装置、形状矯正装置、温度調整装置、デスケーリング装置および加速冷却装置をこの順序で搬送方向上流側から配置し、前記温度調整装置では、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に空冷し、あるいは、厚鋼板の上下面に冷却水を水量密度０．３〜２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで供給することにより水冷し、厚鋼板表面を変態させるとともに、前記デスケーリング装置では、厚鋼板の表面にエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を噴射することを特徴とする厚鋼板の製造設備。
［４］前記デスケーリング装置において、前記高圧水の噴射圧力を１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする［３］に記載の厚鋼板の製造設備。

本発明によれば、形状矯正工程と加速冷却工程との間に、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させる温度調整工程、および、温度調整工程の後に厚鋼板の表面にエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を噴射するデスケーリング工程を有することにより、冷却速度および冷却停止温度の均一化を図ることができる。その結果、材質ばらつきの少ない高品質の厚鋼板の製造が可能となる。

従来の厚鋼板の製造設備を示す概略図である。 加速冷却時における、スケール厚みと、冷却時間と、厚鋼板表面温度との関係を示す図である。 加速冷却後の、厚鋼板の幅方向位置と冷却停止温度との関係を示す図である。 本発明の一実施形態である厚鋼板の製造設備を示す概略図である。 厚鋼板表面の変態の有無と、高圧水のエネルギー密度と、スケール剥離率との関係を示す図である。 圧延終了後の厚鋼板表面の温度と、スケールが破壊されるために必要な噴射圧力との関係を示す図である。 温度調整工程からデスケーリング工程開始前の厚鋼板表面の温度差を定義する図である。 厚鋼板表面の温度降下量と冷却停止温度のばらつきとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の側面図である。 本発明の一実施形態に係る他の冷却装置の側面図である。 本発明の一実施形態に係る隔壁のノズル配置例を説明する図である。 隔壁上の冷却排水の流れを説明する図である。 隔壁上の冷却排水の他の流れを説明する図である。 従来例の厚鋼板幅方向温度分布を説明する図である。 加速冷却装置における冷却水の流れを説明する図である。 加速冷却装置における隔壁上の冷却排水との非干渉を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して本発明を説明する。

図４は、本発明の一実施形態である、厚鋼板の製造設備を示す概略図である。図４において、矢印は厚鋼板の搬送方向である。厚鋼板の搬送方向上流側から、加熱炉１、デスケーリング装置２、圧延機３、形状矯正装置４、温度調整装置６、デスケーリング装置７、加速冷却装置５の順に配置されている。図４において、加熱炉１で厚鋼板（図示しない。）を再加熱した後、デスケーリング装置２において一次スケール除去のために厚鋼板がデスケーリングされる。そして、厚鋼板は圧延機３によって熱間圧延され、形状矯正装置４によって矯正された後、温度調整装置６で厚鋼板表面温度を下げた後、さらにデスケーリング装置７においてスケールを完全除去するデスケーリングが行われる。そして、加速冷却装置５において水冷または空冷による制御冷却が行われる。

本発明では、形状矯正装置４と加速冷却装置５との間に、温度調整装置６およびデスケーリング装置７が配置される。そして、温度調整装置６において、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させる。その後、デスケーリング装置７においてエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を厚鋼板に噴射するデスケーリングを行うことを特徴とする。

温度調整装置６は、形状矯正装置４とデスケーリング装置７との間に配置される。温度調整装置６での温度調整工程において、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させることにより、その後のデスケーリング工程において、スケールを除去し易くする。

温度調整工程で、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させることにより、地鉄の変態が起こりスケールと地鉄との界面にずれが生じてスケールの密着力が低下する。これは、次のような機構によるものと考えられる。厚鋼板の表面がＡｒ_３変態点未満に冷却されると、地鉄がオーステナイトからフェライトへ変態する。このときに地鉄が膨張するため、スケールと地鉄との界面に力がかかり、界面にクラックが生じる。その結果、スケールの密着力が低下すると考えられる。したがって、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させることにより、デスケーリング装置７でのデスケーリング工程の際、スケール除去が容易となる。なお、Ａｒ_３変態点は、下記式（＊）により算出することができる。
Ａｒ_３＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ…（＊）
ただし、元素記号は各元素の鋼中含有量（ｍａｓｓ％）を示す。

次に、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げて厚鋼板表面を変態させた厚鋼板は、デスケーリング装置７において、スケール除去するデスケーリングを行う。このとき、エネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水（本発明では、５ＭＰａ以上を高圧水とする。）を厚鋼板に噴射することにより、スケールを完全に除去することができる。このデスケーリング工程において、スケールを完全に除去することにより、その後の加熱冷却装置５での加速冷却工程において、冷却制御が可能となる。その結果、高精度の冷却速度の均一化および冷却停止温度の均一化を図ることができる。なお、高圧水は厚鋼板全長にわたって噴射すればよい。

本発明者らは、ある鋼種について、デスケーリング工程前の厚鋼板表面の変態の有無の影響について、高圧水のエネルギー密度とスケール剥離率（スケールが剥離した面積と厚鋼板面積の割合）との関係を調べたところ、図５に示すような知見を得た。図５から、エネルギー密度が大きいとスケール剥離率が大きくなること、そして、厚鋼板表面を変態させることにより、エネルギー密度が小さくてもスケール剥離が可能となることがわかった。また、図５から、変態後にデスケーリングを行う場合、エネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２より小さい場合、スケール剥離率が低いことから、厚鋼板の一部にスケールが残存し、冷却停止温度がばらついて材質が不均一となるといえる。したがって、高圧水のエネルギー密度は０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上とする。好ましくは、０．１０Ｊ／ｍｍ^２以上である。なお、高圧水を供給するポンプの消費エネルギーの観点から、高圧水のエネルギー密度は０．６０Ｊ／ｍｍ^２以下が好ましい。

本発明では、デスケーリング工程において、噴射圧力１０ＭＰａ以上の高圧水を噴射することが好ましい。噴射圧力を１０ＭＰａ以上にすることにより、スケールを完全に除去できる。したがって、加速冷却工程における冷却速度および冷却停止温度の均一化を実現できる。スケールを破壊するためには、高圧水の液滴が厚鋼板に衝突するときの圧力が、スケールの硬度を超える必要がある。本発明者らは、圧延終了後の厚鋼板表面の温度と、スケールが破壊されるために必要な高圧水の噴射圧力との関係について調べたところ、図６の知見を得た。本発明のように、制御冷却が必要な厚鋼板を製造する場合、圧延終了後の厚鋼板表面の温度は、高くても９００℃前後であることが一般的である。したがって、本発明において、スケールを破壊するために、高圧水の噴射圧力を１０ＭＰａ以上にすることが好ましい。

ここで、厚鋼板に噴射される冷却水のエネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ^２）とは、デスケーリングによってスケールを除去する能力の指標であり、次の（１）式のように定義される。
Ｅ＝Ｑ／（ｄ×Ｗ）×ρｖ^２／２×ｔ…（１）
ただし、Ｑ：デスケーリング水の噴射流量［ｍ^３／ｓ］、ｄ：フラットノズルのスプレー噴射厚み［ｍｍ］、Ｗ：フラットノズルのスプレー噴射幅［ｍｍ］、流体密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］、厚鋼板衝突時の流体速度ｖ［ｍ／ｓ］、衝突時間ｔ［ｓ］（ｔ＝ｄ／１０００／Ｖ、搬送速度Ｖ［ｍ／ｓ］）である。

しかしながら、厚鋼板衝突時の流体速度ｖの測定は必ずしも容易ではないため、（１）式で定義されるエネルギー密度Ｅを厳密に求めようとすると、多大な労力を要する。

そこで、本発明者らは、さらに検討を加えた結果、厚鋼板に噴射される冷却水のエネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｍｍ^２）の簡便な定義として、水量密度×噴射圧力×衝突時間を採用すればよいことを見出した。ここで、水量密度（ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎ）は、「冷却水の噴射流量÷冷却水衝突面積」で計算される値である。噴射圧力（ＭＰａ）は、冷却水の吐出圧力で定義される。衝突時間（ｓ）は、「冷却水の衝突厚み÷厚鋼板の搬送速度」で計算される値である。なお、この簡便な定義で算出される本発明の高圧水のエネルギー密度とスケール剥離率との関係も、図５と同様である。

温度調整工程において、空冷または水冷により、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げる。なお、空冷する場合、厚鋼板を搬送するテーブルローラー上で適宜Ａｒ_３変態点未満まで空冷すればよい。

本発明では、温度調整工程において、水冷を実施する場合には、厚鋼板の上下面に冷却水を水量密度０．３〜２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで供給する。水量密度が０．３ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎより小さいと、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に下げることができず、厚鋼板表面を変態させることができない。その結果、厚鋼板にスケールが残存し、その後の加速冷却工程で冷却制御しても、冷却停止温度がばらついて材質が不均一となる。また、水量密度が２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎより大きいと、後述する温度調整工程における温度降下量ΔＴが２００℃を超えてしまい、冷却停止温度がばらついて材質が不均一となる。

温度調整装置６において厚鋼板表面を変態させる場合、厚鋼板にスケールが付着した状態で厚鋼板表面を冷却することになる。本発明者らは、温度調整装置６における冷却での温度降下量が大きい場合、スケールの付着状況が冷却停止温度の均一化に影響し、冷却停止温度のばらつき（加速冷却工程後の目標とする鋼板表面温度と、加速冷却後の実際の鋼板表面温度との差）が大きくなってしまうという知見を得た。ここで、温度調整装置６における厚鋼板表面の温度降下量ΔＴを、図７に示すように、冷却開始時の厚鋼板表面温度から厚鋼板表面の最低到達温度の差として定義する。

本発明者らは、圧延機での圧延終了後の表面温度が８００℃、板厚２５ｍｍの厚鋼板を用いて、温度調整工程、デスケーリング工程および加速冷却工程の順で厚鋼板を製造した。ここで、デスケーリング時の鋼板表面が変態前でも変態後でもスケールを全面的に除去できる条件として、デスケーリング時のエネルギー密度は０．２Ｊ／ｍｍ^２とした。なお、加速冷却工程では厚鋼板表面温度が５００℃となるように冷却した。その結果、温度調整工程の温度降下量ΔＴと冷却停止温度のばらつきとの関係は、図８のようになることがわかった。図８から、均一な材質を得るためには、冷却停止温度のばらつきは２５℃以下、温度調整工程の温度降下量ΔＴは２００℃以下にすることが好ましい。

本発明の加速冷却装置５については、図９に示すように、厚鋼板１０の上面に冷却水を供給する上ヘッダ１１と、該上ヘッダ１１から懸垂した棒状冷却水を噴射する冷却水噴射ノズル１３と、厚鋼板１０と上ヘッダ１１との間に設置される隔壁１５とを備えるとともに、隔壁１５には、冷却水噴射ノズル１３の下端部を内挿する給水口１６と、厚鋼板１０の上面に供給された冷却水を隔壁１５上へ排水する排水口１７とが、多数設けられていることが好ましい。

具体的には、上面冷却設備は、厚鋼板１０の上面に冷却水を供給する上ヘッダ１１と、該上ヘッダ１１から懸垂した冷却水噴射ノズル１３と、上ヘッダ１１と厚鋼板１０との間に厚鋼板幅方向に亘り水平に設置され多数の貫通孔（給水口１６と排水口１７）を有する隔壁１５とを備えている。そして、冷却水噴射ノズル１３は棒状の冷却水を噴射する円管ノズル１３からなり、その先端が前記隔壁１５に設けられた貫通孔（給水口１６）に内挿されて隔壁１５の下端部より上方になるように設置されている。なお、冷却水噴射ノズル１３は、上ヘッダ１１内の底部の異物を吸い込んで詰まるのを防止するため、その上端が上ヘッダ１１の内部に突出するように、上ヘッダ１１内に貫入させることが好ましい。

ここで、本発明における棒状冷却水とは、円形状（楕円や多角の形状も含む）のノズル噴出口からある程度加圧された状態で噴射される冷却水であって、ノズル噴出口からの冷却水の噴射速度が６ｍ/ｓ以上、好ましくは８ｍ/ｓ以上であり、ノズル噴出口から噴射された水流の断面がほぼ円形に保たれた連続性と直進性のある水流の冷却水のことをいう。すなわち、円管ラミナーノズルからの自由落下流や、スプレーのような液滴状態で噴射されるものとは異なる。

冷却水噴射ノズル１３の先端が貫通孔に内挿されて隔壁１５の下端部より上方になるように設置されているのは、仮に先端が上方に反った厚鋼板が進入してきた場合でも隔壁１５によって冷却水噴射ノズル１３が損傷するのを防止するためである。それによって冷却水噴射ノズル１３が良好な状態で長期間に亘って冷却を行うことができるので、設備補修等を行うことなく、厚鋼板の温度むらの発生を防止することができる。

また、円管ノズル１３の先端が貫通孔に内挿されているので、図１６に示すように、隔壁１５の上面を流れる点線矢印の排出水１９の幅方向流れと干渉することがない。したがって、冷却水噴射ノズル１３から噴射された冷却水は、幅方向位置によらず等しく厚鋼板上面へ達することができ、幅方向に均一な冷却を行うことができる。

隔壁１５の一例を示すと、図１１に示すように隔壁１５には直径１０ｍｍの貫通孔が厚鋼板幅方向に８０ｍｍ、搬送方向に８０ｍｍのピッチで碁盤の目状に多数開けられている。そして、給水口１６には外径８ｍｍ、内径３ｍｍ、長さ１４０ｍｍの冷却水噴射ノズル１３が挿入されている。冷却水噴射ノズル１３は千鳥格子状に配列され、冷却水噴射ノズル１３が通っていない貫通孔は冷却水の排水口１７となっている。このように、本発明の加速冷却装置の隔壁１５に設けられた多数の貫通孔は、ほぼ同数の給水口１６と排水口１７とから成り立っており、それぞれに役割、機能を分担している。

このとき、排水口１７の総断面積は、冷却水噴射ノズル１３の円管ノズル１３の内径の総断面積よりも十分広く、円管ノズル１３の内径の総断面積の１１倍程度が確保されており、図９に示すように厚鋼板上面に供給された冷却水は、厚鋼板表面と隔壁１５との間に充満し、排水口１７を通して、隔壁１５の上方に導かれ、速やかに排出される。図１２は隔壁上の厚鋼板幅方向端部付近の冷却排水の流れを説明する正面図であるが、排水口１７の排水方向が冷却水噴射方向と逆の上向きになっており、隔壁１５の上方へ抜けた冷却排水は、厚鋼板幅方向外側へ向きを変え、上ヘッダ１１と隔壁１５との間の排水流路を流れて排水される。

一方、図１３に示す例は、排水口１７を厚鋼板幅方向に傾斜させて排水方向が厚鋼板幅方向外側に向くように幅方向外側へ向けた斜め方向としたものである。このようにすることで、隔壁１５上の排出水１９の厚鋼板幅方向流れが円滑になり、排水が促進されるので好ましい。

ここで、図１４に示すように排水口と給水口が同一の貫通孔に設置されていると、冷却水は、厚鋼板に衝突した後、隔壁１５の上方に抜けにくくなって、厚鋼板１０と隔壁１５の間を厚鋼板幅方向端部へ向かって流れるようになる。そうすると厚鋼板１０と隔壁１５の間の冷却排水の流量は、板幅方向の端部に近づく程多くなるので、噴射冷却水１８が滞留水膜を貫通して厚鋼板に到達する力が板幅方向端部ほど阻害されることとなる。

薄板の場合には板幅が高々２ｍ程度であるのでその影響は限定的であるが、特に板幅が３ｍ以上の厚板の場合には、その影響は無視できない。従って、厚鋼板幅方向端部の冷却が弱くなり、この場合の厚鋼板幅方向の温度分布は、不均一な温度分布となる。

これに対して、本発明の加速冷却装置５は、図１５に示すように給水口１６と排水口１７は別個に設けられており、給水と排水を役割分担しているので、冷却排水は隔壁１５の排水口１７を通過して隔壁１５の上方に円滑に流れて行くようになる。従って、冷却後の排水が速やかに厚鋼板上面から排除されるので、後続で供給される冷却水は、容易に滞留水膜を貫通することができ、十分な冷却能力を得ることができる。この場合の厚鋼板幅方向の温度分布は、均一な温度分布となり、幅方向に均一な温度分布を得ることができる。

ちなみに、排水口１７の総断面積は、円管ノズル１３の内径の総断面積の１．５倍以上であれば、冷却水の排出が速やかに行われる。このことは、例えば、隔壁１５には円管ノズル１３の外径よりも大きい穴を開け、排水口の数を給水口の数と同じか、それ以上にすれば実現できる。

排水口１７の総断面積が円管ノズル１３の内径の総断面積の１．５倍より小さいと、排水口の流動抵抗が大きくなり、滞留水が排水されにくくなる結果、滞留水膜を貫通して厚鋼板表面に到達できる冷却水量が大幅に減り、冷却能が低下するので好ましくない。より好ましくは４倍以上である。一方排水口が多過ぎたり、排水口の断面径が大きくなりすぎると、隔壁１５の剛性が小さくなって、厚鋼板が衝突したときに損傷し易くなる。従って、排水口の総断面積と円管ノズル１３の内径の総断面積の比は１．５から２０の範囲が好適である。

また、隔壁１５の給水口１６に内挿した円管ノズル１３の外周面と給水口１６の内面との隙間は３ｍｍ以下とすることが望ましい。この隙間が大きいと、円管ノズル１３から噴射される冷却水の随伴流の影響により、隔壁１５の上面へ排出された冷却排水が給水口１６の円管ノズル１３の外周面との隙間に引き込まれ、再び厚鋼板上に供給されることとなるので、冷却効率が悪くなる。これを防止するには、円管ノズル１３の外径を給水口１６の大きさとほぼ同じにすることがより好ましいが、工作精度や取り付け誤差を考慮し、実質的に影響が少ない３ｍｍまでの隙間は許容する。より望ましくは２ｍｍ以下とする。

さらに、冷却水が滞留水膜を貫通して厚鋼板に到達できるようにするためには、円管ノズル１３の内径、長さ、冷却水の噴射速度やノズル距離も最適にする必要がある。

即ち、ノズル内径は３〜８ｍｍが好適である。３ｍｍより小さいとノズルから噴射する水の束が細くなり勢いが弱くなる。一方ノズル径が８ｍｍを超えると流速が遅くなり、滞留水膜を貫通する力が弱くなるからである。

円管ノズル１３の長さは１２０〜２４０ｍｍが好適である。ここでいう円管ノズル１３の長さとは、ヘッダ内部へある程度貫入したノズル上端の流入口から、隔壁の給水口に内挿したノズルの下端までの長さを意味する。円管ノズル１３が１２０ｍｍより短いと、ヘッダ下面と隔壁上面との距離が短くなりすぎる（例えば、ヘッダ厚み２０ｍｍ、ヘッダ内へのノズル上端の突出量２０ｍｍ、隔壁へのノズル下端の挿入量１０ｍｍとすると、７０ｍｍ未満となる）ため、隔壁より上側の排水スペースが小さくなり、冷却排水が円滑に排出できなくなる。一方、２４０ｍｍより長いと円管ノズル１３の圧力損失が大きくなり、滞留水膜を貫通する力が弱くなるからである。

ノズルからの冷却水の噴射速度は、６ｍ／ｓ以上、好ましくは８ｍ／ｓ以上が必要である。６ｍ／ｓ未満では、滞留水膜を冷却水が貫通する力が極端に弱くなるからである。８ｍ／ｓ以上であれば、より大きな冷却能力を確保できるので好ましい。また、上面冷却の冷却水噴射ノズル１３の下端から厚鋼板１０の表面までの距離は、３０〜１２０ｍｍとするのが良い。３０ｍｍ未満では、厚鋼板１０が隔壁１５に衝突する頻度が極端に多くなり設備保全が難しくなる。１２０ｍｍ超えでは、冷却水が滞留水膜を貫通する力が極端に弱くなるからである。

厚鋼板上面の冷却では、冷却水が厚鋼板長手方向に拡がらないように、上ヘッダ１１の前後に水切ロール２０を設置するのが良い。これにより、冷却ゾーン長が一定となり、温度制御が容易になる。ここで水切ロール２０により厚鋼板搬送方向の冷却水の流れは堰き止められるので冷却排水は厚鋼板幅方向外側に流れるようになるが、水切ロール２０の近傍は冷却水が滞留し易い。

そこで図１０に示すように、厚鋼板幅方向に並んだ円管ノズル１３の列のうち、厚鋼板搬送方向の最上流側列の冷却水噴射ノズルは、厚鋼板搬送方向の上流方向へ１５〜６０度傾け、厚鋼板搬送方向の最下流側列の冷却水噴射ノズルは、厚鋼板搬送方向の下流方向へ１５〜６０度傾けることが好ましい。こうすることにより、水切ロール２０に近い位置にも冷却水を供給することができ、水切ロール２０近傍に冷却水が滞留することがなく、冷却効率が上がるので好適である。

上ヘッダ１１下面と隔壁１５上面の距離は、ヘッダ下面と隔壁上面に囲まれた空間内での厚鋼板幅方向流路断面積が冷却水噴射ノズル内径の総断面積の１．５倍以上となるように設けられ、例えば１００ｍｍ程度以上である。この厚鋼板幅方向流路断面積が冷却水噴射ノズル内径の総断面積の１．５倍以上ないと、隔壁に設けられた排水口１７から隔壁１５上面へ排出された冷却排水が円滑に厚鋼板幅方向に排出できないからである。

本発明の加速冷却装置において、最も効果を発揮する水量密度の範囲は、１．５ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎ以上である。水量密度がこれよりも低い場合には滞留水膜がそれほど厚くならず、棒状冷却水を自由落下させて厚鋼板を冷却する公知の技術を適用しても、幅方向の温度むらはそれほど大きくならない場合もある。一方、水量密度が４．０ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎよりも高い場合でも、本発明の技術を用いることは有効であるが、設備コストが高くなるなど実用化の上での問題があるので、１．５〜４．０ｍ^３/ｍ^２・ｍｉｎが最も実用的な水量密度である。

本発明の冷却技術を適用するのは、冷却ヘッダの前後に水切りロールを配する場合が特に効果的であるが、水切りロールがない場合にも適用することは可能である。例えば、ヘッダが長手方向に比較的長く（２〜４ｍ程度ある場合）、そのヘッダの前後でパージ用の水スプレーを噴射して、非水冷ゾーンへの水漏れを防止する冷却設備に適用することも可能である。

なお、本発明において、厚鋼板下面側の冷却装置については、特に限定されるものではない。図９、１０に示す実施形態では、上面側の冷却装置と同様の円管ノズル１４を備えた冷却下ヘッダ１２の例を示したが、厚鋼板下面側の冷却では、噴射された冷却水は厚鋼板に衝突した後に自然落下するので、上面側冷却のような冷却排水を厚鋼板幅方向に排出する隔壁１５はなくてよい。また、膜状冷却水や噴霧状のスプレー冷却水などを供給する公知の技術を用いてもよい。

なお、本発明の加熱炉１およびデスケーリング装置２については、特に制限されず、従来の装置を用いることができる。デスケーリング装置２については、本発明のデスケーリング装置７と同様の構成である必要はない。

以下、本発明の実施例を説明する。以下の説明で、鋼板温度はいずれも鋼板表面の温度である。

図４に示すような厚鋼板の製造設備を用いて、本発明の厚鋼板を製造した。加熱炉１でスラブを再加熱した後、デスケーリング装置２において一次スケールを除去し、圧延機３で熱間圧延し、形状矯正装置４で形状矯正した。形状矯正後、温度調整装置６で厚鋼板表面の温度を調整後、デスケーリング装置７でデスケーリングを行った。デスケーリング装置７は、噴射距離（デスケーリング装置７の噴射ノズルと厚鋼板の表面距離）が１３０ｍｍ、ノズル噴射角度が３２°、ノズル迎え角が１５°とした。デスケーリング装置７でのデスケーリング後、加速冷却装置５で５００℃まで冷却した。ここで、温度調整工程および温度調整後のデスケーリング工程については、表１に示す条件で行った。なお、温度調整装置５の冷却長は１ｍとした。また、用いた厚鋼板のＡｒ_３変態点は７８０℃であった。圧延機３での圧延終了後の板厚は２５ｍｍ、厚鋼板温度は８３０℃であった。温度調整工程の温度降下量ΔＴは、温度調整工程で水冷を採用した場合についてのみ測定した。これは、空冷で温度調整を実施した場合、温度降下の過大に起因する問題が生じないからである。

得られた厚鋼板について、材質ばらつきの少ない厚鋼板を得るために、図８の関係に基づき、冷却停止温度のばらつきが２５℃以内の厚鋼板を合格とした。

製造条件および結果を表１に示す。

発明例１では、圧延終了後、温度調整装置６において空冷により、厚鋼板表面温度を７７０℃まで下げた。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０８Ｊ／ｍｍ^２、噴射圧力１５ＭＰａ、ノズル１本あたりの噴射流量が４０Ｌ／ｍｉｎ（＝６．７×１０^−４ｍ^３／ｓ）で、高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。厚鋼板表面がオーステナイトからフェライトに変態した後にデスケーリングを行ったので、スケールを完全に除去でき、温度むらは１０℃となった。

発明例２では、圧延終了後、温度調整装置６において、厚鋼板の上下面に水量密度１．０ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで冷却水を供給し厚鋼板表面温度を７５０℃まで下げた。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０８Ｊ／ｍｍ^２で高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。温度調整装置６において水冷するための水量密度が１．０ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎであったため、デスケーリング時の厚鋼板温度は７５０℃となり、厚鋼板表面がオーステナイトからフェライトに変態した後にデスケーリングを行うことができた。温度調整工程の温度降下量ΔＴも８０℃であったため、温度むらは１９℃となった。

発明例３では、圧延終了後、空冷により、厚鋼板表面温度を７７０℃まで下げた。その後、デスケーリング装置７において、噴射圧力１５ＭＰａ、ノズル１本あたりの噴射流量が４０Ｌ／ｍｉｎ（＝６．７×１０^−４ｍ^３／ｓ）、エネルギー密度０．１３Ｊ／ｍｍ^２で、高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。厚鋼板表面がオーステナイトからフェライトに変態した後にデスケーリングを行った。このため、スケールを完全に除去でき、温度むらは１０℃となった。

発明例４では、圧延終了後、温度調整装置６において厚鋼板表面温度を７７０℃まで下げた。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．１３Ｊ／ｍｍ^２、噴射圧力８ＭＰａで、高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置で冷却して製造した。噴射圧力が８ＭＰａであり、本発明で好ましいとする範囲外の値であったので、スケールを破壊できずにわずかに残存したと考えられ、温度むらが２３℃となった。発明例４の噴射圧力は、本発明の好ましい範囲内である発明例３の場合に比べて大きくなったものの、そのほかは本発明で必須とされる条件を満足していたので、目標とする２５℃以内は達成された。

比較例１では、圧延終了後、温度調整装置６において空冷により厚鋼板表面温度を７７０℃まで下げた。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０４Ｊ／ｍｍ^２、噴射圧力１２ＭＰａで、高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。エネルギー密度が０．０４Ｊ／ｍｍ^２であることから、厚鋼板の一部にスケールが残存したと考えられ、温度むらが３６℃となった。また、室温まで冷却した比較例１の厚鋼板の表面を目視で観察したところ、表面の色調にムラが確認されたので、温度ムラの原因が、厚鋼板の一部にスケールが残存していたものであることに起因するものと推定される。

比較例２では、圧延終了後、温度調整装置６において厚鋼板表面の温度を下げず、厚鋼板表面温度８００℃の厚鋼板を、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０８Ｊ／ｍｍ^２、噴射圧力１５ＭＰａで、高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。エネルギー密度は本発明の範囲内であったが、厚鋼板表面が変態していない状態でデスケーリングを行ったため、厚鋼板の一部にスケールが残存したと考えられ、温度むらが４０℃となった。また、室温まで冷却した比較例２の厚鋼板の表面を目視で観察したところ、表面の色調にムラが確認されたので、温度ムラの原因が、厚鋼板の一部にスケールが残存していたものであることに起因するものと推定される。

比較例３では、圧延終了後、温度調整装置６において、厚鋼板の上下面に水量密度０．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで冷却水を供給した。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０８Ｊ／ｍｍ^２で高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。水量密度が０．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎと小さいため、厚鋼板温度は７８５℃までしか下がらず、厚鋼板表面が変態していない状態でデスケーリングを行った。このため、厚鋼板の一部にスケールが残存したと考えられ、温度むらが４１℃となった。室温まで冷却した比較例３の厚鋼板の表面を目視で観察したところ、表面の色調にムラが確認されので、温度ムラの原因が、厚鋼板の一部にスケールが残存していたものであることに起因するものと推定される。

比較例４では、圧延終了後、温度調整装置６において、厚鋼板の上下面に水量密度２．４ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで冷却水を供給した。その後、デスケーリング装置７において、エネルギー密度０．０８Ｊ／ｍｍ^２で高圧水を厚鋼板全長にわたり噴射した後、加速冷却装置５で冷却して製造した。水量密度が２．４ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎと大きいため、デスケーリング前冷却時のΔＴが２２０℃となり、温度むらが２７℃となった。室温まで冷却した比較例４の厚鋼板の表面を目視で観察したところ、表面の色調にムラが確認されので、温度ムラの原因が、厚鋼板の一部にスケールが残存していたものであることに起因するものと推定される。

１ 加熱炉
２ デスケーリング装置
３ 圧延機
４ 形状矯正装置
５ 加速冷却装置
６ 温度調整装置
７ デスケーリング装置
１０ 厚鋼板
１１ 上ヘッダ
１２ 下ヘッダ
１３ 上冷却水噴射ノズル（円管ノズル）
１４ 下冷却水噴射ノズル（円管ノズル）
１５ 隔壁
１６ 給水口
１７ 排水口
１８ 噴射冷却水
１９ 排出水
２０ 水切ロール
２１ 水切ロール

Claims (4)

1. 熱間圧延工程、形状矯正工程および加速冷却工程の順序で厚鋼板を製造する方法において、前記形状矯正工程と前記加速冷却工程との間に、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に空冷することにより、あるいは、厚鋼板の上下面に冷却水を水量密度０．３〜２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで供給して水冷することにより、厚鋼板表面を変態させる温度調整工程、および、前記温度調整工程の後でかつ前記加速冷却工程の前に厚鋼板の表面にエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を噴射するデスケーリング工程を有することを特徴とする厚鋼板の製造方法。
2. 前記デスケーリング工程において、前記高圧水の噴射圧力を１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の製造方法。
3. 熱間圧延装置、形状矯正装置、温度調整装置、デスケーリング装置および加速冷却装置をこの順序で搬送方向上流側から配置し、前記温度調整装置では、厚鋼板表面温度をＡｒ_３変態点未満に空冷し、あるいは、厚鋼板の上下面に冷却水を水量密度０．３〜２．２ｍ^３／ｍ^２ ・ｍｉｎで供給することにより水冷し、厚鋼板表面を変態させるとともに、前記デスケーリング装置では、厚鋼板の表面にエネルギー密度が０．０５Ｊ／ｍｍ^２以上の高圧水を噴射することを特徴とする厚鋼板の製造設備。
4. 前記デスケーリング装置において、前記高圧水の噴射圧力を１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする請求項３に記載の厚鋼板の製造設備。

Images