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CN111093850A - 钢材的冷却装置和冷却方法 - Google Patents

钢材的冷却装置和冷却方法 Download PDF

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CN111093850A
CN111093850A CN201880059376.6A CN201880059376A CN111093850A CN 111093850 A CN111093850 A CN 111093850A CN 201880059376 A CN201880059376 A CN 201880059376A CN 111093850 A CN111093850 A CN 111093850A
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CN
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steel
steel material
water cooling
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Withdrawn
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CN201880059376.6A
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坂本明洋
山岸骏介
河合雅典
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Publication date
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Abstract

钢材的冷却装置用于冷却热精轧后的钢材，其中，该冷却装置具有：输送机构，其用于在使所述钢材加速的同时输送所述钢材；水冷机构，其用于冷却由所述输送机构输送的所述钢材；以及控制部，其控制所述输送机构和所述水冷机构，以对所述钢材进行满足下述式(1)的冷却，基于设有所述水冷机构的水冷带的长度和将所述钢材的前端部冷却至目标温度所需要的时间ΔtC(0)来确定下述式(1)中的水冷时间减少率γ：ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)，其中，x：将所述钢材的前端部作为基准的该钢材的输送方向上的位置，ΔtC(x)：将所述钢材的位置x的部位冷却至目标温度所需要的时间。

Description

钢材的冷却装置和冷却方法
技术领域
本发明涉及在制造钢材时用于冷却精轧后的钢材的冷却装置和冷却方法。
背景技术
在建筑物的梁、柱等所使用的大型H型钢的制造中，近年来，特别是面向超高层建筑物，一直在开发通过在精轧之后进行加速冷却处理来抑制合金成本地制造高强度的H型钢的方法。
作为用于进行这样的H型钢的加速冷却处理的冷却装置，已知有专利文献1～3所公开的装置。
专利文献1的冷却装置具有用于冷却H型钢的翼缘部的外侧的第1喷射部和用于冷却翼缘部的内侧和腹板部的第2喷射部。
专利文献2的冷却装置在H型钢的腹板的一个面及其背面各自的腹板中心及其两侧的两个圆角部设有冷却水互相不干涉的3组喷嘴，还在两个翼缘部各自的外侧分别设有冷却水互相不干涉的3组喷嘴。
专利文献3的冷却装置以水量密度1000L/min·m2以上对H型钢的翼缘外表面进行强冷却，利用冷却用的喷射喷嘴或喷雾喷嘴和空气喷射喷嘴冷却腹板部的上表面，利用喷射喷嘴或喷雾喷嘴冷却腹板部的下表面，使向腹板部喷射的水量密度低于向翼缘部喷射的水量密度。
此外，虽然与H型钢的冷却无关，但作为冷却钢板的方法，已知有专利文献4～5所公开的方法。
在专利文献4中公开了如下所述地在使钢板的通板速度加速的同时冷却该钢板的方法。即，在专利文献4的冷却方法中，将从钢板的前端到后端分割为多个分段，基于在装入冷却装置之前实际测量的钢板温度，来预测各个分段的冷却装置入侧的钢板厚度方向平均温度。然后，基于预测结果计算各分段的最佳冷却所需时间，在使通板速度以基于该最佳冷却所需时间确定的加速度增加的同时冷却钢板。
在专利文献5中公开了这样的钢板的冷却方法：计算冷却开始时和冷却结束时的输送速度，使得钢板的前端部和后端部的冷却结束温度与预定的温度一致，从冷却开始到冷却结束以恒定加速度控制钢板输送速度。此外，在该冷却方法中，一边按照预定的冷却模式控制冷却装置的组(banks)、一边控制冷却开始时和冷却结束时的输送速度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：韩国发明专利公开2013－0034216号公报
专利文献2：中国发明专利公开第103357678号公报
专利文献3：日本发明专利第3546300号公报
专利文献4：日本特开昭60－87914号公报
专利文献5：日本特开平10－71416号公报
发明内容
发明要解决的问题
另外，在近年来作为面向超高层建筑物的高强度的H型钢而开发的H型钢中，有的H型钢的翼缘部的厚度非常大。在将这样翼缘部的厚度较大且要求冷却速度较大的钢材以恒定速度输送的同时进行冷却的情况下，该钢材难以被冷却，因此一道次需要花费较长的冷却时间通过冷却带，因此从钢材的前端部进入冷却带的时间到尾端部进入冷却带的时间差变大。若该时间差较大，则由空冷时间的差异引起前端部和尾端部的温度差(以下称为首尾端的温度差)变大，因此存在产品性能变差这样的问题。
专利文献1～3关于上述的首尾端的温度差的问题没有公开任何内容。
另外，通过将专利文献4～5的钢板的冷却方法应用于如上所述的翼缘部的厚度较大的H型钢的冷却，能够防止在首尾端产生温度差的状况。但是，在专利文献4的冷却方法中，需要预测并反复计算冷却对象钢材的各分段的冷却装置入侧的钢板厚度方向平均温度，较为繁琐。此外，在专利文献5的冷却方法中，进行冷却开始时的输送速度的收敛计算、冷却结束时的输送速度的收敛计算、冷却模式的最佳化计算等。即，在该专利文献5的冷却方法中，进行三个反复计算，仍旧繁琐。这样，在专利文献4～5的冷却方法中，进行繁琐的计算，花费运算处理成本。
本发明是鉴于这一点而完成的，其目的在于提供一种冷却装置和冷却方法，其中，在钢材的精轧后的冷却时，能够在利用简便的方法计算出的条件下以在首尾端不产生温度差的方式进行冷却。另外，这里所说的“简便的方法”是指通过大幅省略专利文献4、专利文献5等中所公开的反复计算来削减运算处理成本。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明提供一种钢材的冷却装置，其用于冷却热精轧后的钢材，其特征在于，该冷却装置具有：输送机构，其用于在使所述钢材加速的同时输送所述钢材；水冷机构，其用于冷却由所述输送机构输送的所述钢材；以及控制部，其控制所述输送机构和所述水冷机构，以对所述钢材进行满足下述式(1)的冷却，基于设有所述水冷机构的水冷带的长度和将所述钢材的前端部冷却至目标温度所需要的时间ΔtC(0)，来确定下述式(1)中的水冷时间减少率γ。另外，水冷带是从水冷机构供给来的冷却水与钢材碰撞时的从该钢材中的冷却水的碰撞区域的输送方向最前部到最后部的区域。
ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)
其中，x：将所述钢材的前端部作为基准的该钢材的输送方向上的位置，ΔtC(x)：将所述钢材的位置x的部位冷却至目标温度所需要的时间。
也可以是，所述水冷时间减少率γ满足下述式(2)。
γ＝p·LC q1·ΔtC(0)q2…式(2)
其中，LC：所述水冷带的长度，p、q1、q2：常数系数。
也可以是，所述钢材是H型钢，所述水冷机构用于冷却所述H型钢的翼缘部。也可以是，所述钢材的冷却装置具有：鼓风机构，其在所述水冷带中朝向所述H型钢的腹板上表面吹送压缩空气；以及除水机构部，其在所述水冷带的所述H型钢的输送方向上的前后将所述H型钢的腹板上表面的水向所述H型钢的外侧排出。也可以是，所述除水机构部包括：空气－除水机构，其用于向所述H型钢的腹板上表面吹送空气；以及水－除水机构，其用于在比所述空气－除水机构靠近所述水冷带的位置向所述H型钢的腹板上表面和翼缘内表面吹送水。也可以是，所述水冷机构的冷却水的水量密度为0.5m3/min/m2以上，所述水－除水机构的水的喷出压为0.1MPa～0.5MPa，所述空气－除水机构的空气的喷出压为0.02MPa～0.3MPa。也可以是，所述鼓风机构的空气的喷出压为0.02MPa～0.3MPa。
此外，本发明提供一种钢材的冷却控制方法，其是在将热精轧后的钢材加速输送的同时利用水冷机构冷却该钢材时的控制方法，其中，该冷却控制方法具有以下工序：基于设有所述水冷机构的水冷带的长度和将所述钢材的前端部冷却至目标温度所需要的时间ΔtC(0)确定水冷时间减少率γ；以及控制所述钢材的冷却以满足使用所述水冷时间减少率γ的下述式(1)，
ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)
其中，x：将所述钢材的前端部作为基准的该钢材的输送方向上的位置，ΔtC(x)：将所述钢材的位置x的部位冷却至目标温度所需要的时间。
在该情况下也可以是，所述水冷时间减少率γ满足下述式(2)。
γ＝p·LC q1·ΔtC(0)q2…式(2)
其中，LC：所述水冷带的长度，p、q1、q2：常数系数。
发明的效果
根据本发明，仅通过利用数值计算或者实体计测求出钢材的精轧后的冷却时的钢材的前端部的水冷时间，无需使用反复计算，就能够确定钢材全长的水冷时间，能够大幅地削减运算处理成本。此外，在这样确定的条件下，能够以在钢材的首尾端不产生温度差的方式冷却。
附图说明
图1是表示关于H型钢的输送方向位置和H型钢的输送方向的各部位处的翼缘部被冷却至目标温度所需要的时间之间的关系的模拟结果的图表。
图2是表示H型钢的前端部的翼缘部的水冷时间和水冷时间减少率之间的关系的一例的图表。
图3是关于水冷时间减少率的、用于对模拟结果和基于回归式的计算结果进行比较的图表。
图4是H型钢的冷却控制方法的流程图。
图5是表示具备本发明的实施方式的冷却装置的热轧设备的结构的概略的图。
图6是表示本发明的实施方式的冷却装置的概略的侧视图。
图7是从图6的A－A线观察到的水冷带的剖视图。
图8是从图6的B－B线观察到的水－除水机构的剖视图。
图9是从图6的C－C线观察到的空气－除水机构的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。另外，在本说明书和附图中，通过对具有实质上相同的功能结构的要素标注相同的附图标记而省略重复说明。
首先说明本实施方式的钢材的冷却控制方法。在此对钢材是H型钢的情况进行说明。在H型钢的轧制设备中，依次进行加热炉中的板坯的加热、粗轧机、中间轧机和精轧机中的轧制、冷却装置中的H型钢的冷却、锯断装置中的H型钢的锯断。在冷却装置中进行精轧后的加速冷却处理，以下对此时的冷却控制方法进行说明。
本发明人为了在H型钢的精轧后的加速冷却处理时以不产生上述冷却装置的水冷结束时的H型钢的首尾端的翼缘部的温度差的方式进行冷却，而进行了与H型钢的输送速度和水冷时间减少率(输送加速度)相关的模拟。具体地讲，通过仅考虑翼缘部的厚度方向的一维的非稳态传热分析，对水冷结束时的H型钢的输送方向的各部位处的翼缘部的截面平均温度从该H型钢的前端部到尾端部成为以目标温度恒定时的上述各部位的水冷时间进行了模拟。
作为模拟的条件，钢种设为碳钢，从加热炉到冷却装置的冷却开始为止的时间即空转时间设为60秒。此外，在模拟中，作为H型钢的翼缘部的厚度、H型钢的长度、水冷带的长度、水量密度及水冷结束时的上述各部位处的翼缘部的截面平均温度的目标温度(以下称为目标温度)，使用了多个值。其中，模拟所使用的值分别满足这样的条件：翼缘部的厚度：20mm～120mm、H型钢的长度：0m～300m、水冷带的长度：5m～20m、水量密度：0.5m3/min/m2～2.0m3/min/m2、目标温度：500℃～700℃。另外，水冷带是从冷却装置的水冷机构供给的冷却水与H型钢碰撞时的从该H型钢中的冷却水的碰撞区域的输送方向最前部到最后部的区域。此外，在以下的说明中，“翼缘部的温度”是指“翼缘部的截面平均温度”。
进而，在模拟中，在将以900℃结束了轧制的H型钢加速的同时输送该H型钢，利用对翼缘部的外表面和内表面这两者喷射的冷却水，在一道次中将H型钢水冷。另外，在模拟中，在腹板和翼缘之间没有传热。
图1是表示上述的模拟结果的一例的图表。图1的横轴表示将H型钢的前端部作为基准(x＝0)的该H型钢中的输送方向位置，纵轴表示H型钢的输送方向的各部位处的翼缘部被冷却至目标温度所需要的时间。此外，图1的模拟结果是上述目标温度为600℃、水冷带的长度为10m、翼缘部的厚度为80mm时的模拟结果。
根据图1的模拟结果，H型钢的输送方向位置x[m]的翼缘部被冷却至目标温度所需要的时间(以下称为水冷时间)ΔtC(x)[s]相对于输送方向位置x以大致恒定的比例减少。此外，虽然减少的比例根据水量密度而变化，但即使水量密度发生变化，也能观察到水冷时间ΔtC(x)以恒定的比例减少这样的现象。进而，虽省略图示，但在使目标温度、水冷带的长度、翼缘部的厚度不同时的模拟中，也能观察到上述那样的无论水量密度如何水冷时间ΔtC(x)都以恒定的比例减少这样的倾向。
换言之，无论目标温度等如何，H型钢的输送方向位置x和水冷时间ΔtC(x)之间的关系都能够以用以下的式(1)表示的线性函数良好地回归。另外，γ[s/m]表示水冷时间减少率。
ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)
图2是表示H型钢的前端部的翼缘部的水冷时间ΔtC(0)和水冷时间减少率γ之间的关系的一例的图表。图2的模拟结果是将水冷带的长度Lc分别恒定为5m、10m、20m、使翼缘部的厚度、H型钢的长度、水量密度及目标温度变化时的模拟结果。其中，模拟所使用的值分别满足这样的条件：翼缘部的厚度：20mm～120mm、H型钢的长度：0m～300m、水量密度：0.5m3/min/m2～2.0m3/min/m2、目标温度：500℃～700℃。
根据图2的模拟结果，H型钢的前端部的翼缘部的水冷时间(以下称为前端水冷时间)ΔtC(0)和水冷时间减少率γ之间的关系是在前端水冷时间ΔtC(0)增加时水冷时间减少率γ增加的关系。也就是说，图2表示水冷时间减少率γ处于将前端水冷时间ΔtC(0)作为底数的指数函数的关系。进而，还表示该指数回归系数与使水冷带的长度Lc变为5m、10m、20m相应地变化、水冷时间减少率γ处于将水冷带的长度Lc作为底数的指数函数的关系。
根据以上的回归分析结果，前端水冷时间ΔtC(0)和水冷时间减少率γ之间的关系及水冷带的长度LC和水冷时间减少率γ之间的关系能够按照使用常数系数p、q1、q2的以下的式(2)良好地回归。另外，式(2)使用例如线性最小二乘法导出。
γ＝p·LC q1·ΔtC(0)q2…式(2)
另外，式(2)的常数系数p、q1、q2为0.001≤p≤0.010、-1.5≤q1≤-0.2、0.5≤q2≤5的情况较多。
在此，验证上述式(2)。图3是用于对上述的图1和图2的模拟结果与基于上述的式(2)的计算结果进行比较的图表。图3的横轴表示通过模拟计算的水冷时间减少率γ，纵轴表示对式(2)赋予与模拟相同的条件而计算的水冷时间减少率γ′。即，横轴的水冷时间减少率γ是与H型钢的输送方向的各截面位置相对应地在各种冷却条件下进行模拟并分别计算而得出的。可以说，水冷时间减少率γ是针对每个冷却条件计算的原始数据。另一方面，纵轴的水冷时间减少率γ′是根据式(2)计算的。
像图示那样，基于式(2)计算的水冷时间减少率γ′表示与通过模拟计算的水冷时间减少率γ大致相同的值。也就是说，图中的直线L表示γ＝γ′。这表示作为图3的横轴的水冷时间减少率γ和纵轴的水冷时间减少率γ′的基础的模拟结果相同，能够利用简单的式(2)计算水冷时间减少率γ。也就是说，基于简单的式(2)能够高精度地计算适当的水冷时间减少率。因而，能够高精度地计算适当的水冷过程中的H型钢的输送速度。
如上所述，通过使用上述式(1)和式(2)，从而仅通过利用数值计算或实体计测仅求出H型钢的前端部的水冷时间ΔtC(0)，无需使用反复计算就能够确定H型钢全长的水冷时间ΔtC(x)，从而能够大幅地削减运算处理成本。
接着，根据以上的见解说明具体的冷却控制方法。图4是H型钢的冷却控制方法的流程图。
(步骤S1)
首先，读取H型钢的翼缘的厚度、H型钢的全长、轧制结束温度、前端部的冷却开始目标温度、H型钢的冷却结束目标温度、水冷带的全长、水量密度模式等冷却条件。
(步骤S2)
根据上述冷却条件，假定前端部的冷却开始时的输送速度V(0)。其中，在实际的冷却控制之前，基于过去的加速冷却实际成绩或模拟等，预先确定针对一定范围的每个冷却条件应假定的输送速度V(0)。
(步骤S3)
基于在步骤S2中假定的前端部的冷却开始时的输送速度V(0)和轧制结束温度等，利用空冷模拟计算来推断前端部的冷却开始温度。另外，该空冷模拟计算是任意地选择公知的计算方法而进行的。此外，在步骤S3中，确认所推断出的前端部的冷却开始温度处于前端部的冷却开始目标温度的范围。
在确认为前端部的冷却开始温度不处于前端部的冷却开始目标温度的范围的情况下，与两个温度的差值相应地再次假定前端部的冷却开始时的输送速度V(0)，并按照所述方法再次推断前端部的冷却开始温度。进行反复计算直到前端部的冷却开始温度变为前端部的冷却开始目标温度的范围为止。另外，虽然取决于在步骤S2中假定的输送速度V(0)，但步骤S3中的进行与前端部的冷却开始温度相关的反复计算的频率通常较少。因此，以下在不进行该反复计算的前提下评价反复次数等。
(步骤S4)
基于在步骤S3中推断的前端部的冷却开始温度，并基于水冷模拟计算或者过去的冷却实际成绩，来推断前端部的冷却结束温度。另外，该水冷模拟计算是任意地选择公知的计算方法进行的。
(步骤S5)
确认在步骤S4中推断的前端部的冷却结束温度处于H型钢的冷却结束目标温度的范围。
在步骤S5中，在确认为在步骤S4中推断出的前端部的冷却结束温度不处于H型钢的冷却结束目标温度的范围的情况下，返回到步骤S2，与两个温度的差值相应地再次假定前端部的冷却开始时的输送速度V(0)。接着依次进行步骤S3～S5。然后反复进行这些步骤S2～S5，直到前端部的冷却结束温度变为H型钢的冷却结束目标温度的范围为止。
(步骤S6)
若在步骤S5中确认为前端部的冷却结束温度处于H型钢的冷却结束目标温度的范围，则基于上述式(1)和式(2)来计算水冷时间减少率γ和H型钢的位置x的水冷时间ΔtC(x)。
在此，在上述的专利文献5的冷却方法中，进行冷却开始时的输送速度Vin的收敛计算、冷却结束时的输送速度Vout的收敛计算、冷却模式的最佳化计算这三个反复计算。具体地讲，如专利文献5的图4所示，为了使前端部的冷却结束温度落入目标范围内，而进行步骤3～8的反复计算，计算冷却开始时的输送速度Vin。此外，为了使后端部的冷却结束温度落入目标范围内，而进行步骤3～10的反复计算，以包含冷却开始时的输送速度Vin的收敛计算的形式计算冷却结束时的输送速度Vout。进而进行步骤3～14的反复计算，导出最佳的冷却模式。由于这样进行三个反复计算，因此该计算繁琐，也花费运算处理成本。
与此相对地，在本实施方式中，虽然如上所述为了使前端部的冷却结束温度落入目标范围内而进行反复计算，但反复计算仅是这一次。因而，与以往相比，能够在极短时间内完成计算，能够飞跃性地削减运算处理成本。
另外，图1和图2所示的模拟是冷却H型钢的翼缘部的外表面和内表面这两者的情况下的模拟，但本发明人还进行了冷却H型钢的翼缘部的外表面和内表面中的任一个面的情况下的模拟。此外，本发明人还进行了钢材不是H型钢的情况，例如钢板(厚板)的情况下的模拟。在任一种情况下，都能得出与图1和图2所示的模拟结果相同的结果。
换言之，本实施方式的冷却控制方法并不限定于冷却H型钢的两个面的情况，也能够应用于冷却H型钢的一个面的情况、除H型钢之外的钢材。作为除H型钢之外的钢材，可列举出连续地插入到水冷带而进行热处理、温度调节的长条钢材，例如钢板(厚板或薄板)、钢管、圆钢、钢轨等。
接着，说明实现上述的H型钢的冷却控制方法的该H型钢的轧制设备和冷却装置。
图5是表示H型钢的轧制设备1的结构的概略的说明图。轧制设备1沿着输送方向依次包括用于加热板坯的加热炉2、用于将由加热炉2加热的板坯轧制成大致H形状的粗轧机3、用于将该板坯轧制成更接近产品形状的H形状的中间轧机4、用于将该板坯精轧成产品形状的精轧机5、用于将由精轧机5精轧的H型钢10冷却至预定温度的冷却装置6、以及用于将由冷却装置6冷却的H型钢10锯断为预定长度的锯断装置7。另外，上述的轧制设备1是通常的设备结构，应用本发明的H型钢的轧制设备不限于此。应用本发明的冷却装置6的H型钢例如将翼缘厚度为20mm以上且140mm以下、翼缘宽度为约200mm以上、腹板高度为约400mm以上、进而腹板高度为600mm以上的大型H型钢作为主要的对象。
图6是表示本发明的实施方式的冷却装置6的侧视图，图7是从图6的A－A线观察到的剖视图。冷却装置6包括：水冷机构21，在由构成本发明的输送机构的输送辊8输送的H型钢10通过水冷带20期间，该水冷机构21用于主要对翼缘部11进行水冷；以及鼓风机构22，其用于向正在通过水冷带20的H型钢10的腹板上表面12a吹送压缩空气。进而在水冷带20的输送方向上的前后包括除水机构部23。另外，水冷带20是从后述的喷嘴41、42、43供给来的冷却水与翼缘部11碰撞时的从该翼缘部11的冷却水的碰撞区域的输送方向最前部到最后部的区域。水冷带20的长度例如为5m～20m。
如图7所示，水冷机构21在H型钢10的翼缘部11的外表面侧、翼缘部11的内表面侧的腹板部12的上侧、翼缘部11的内表面侧的腹板部12的下侧分别具备设有冷却水喷射用喷嘴的喷嘴集管31、32、33。向各喷嘴集管31、32、33供给冷却水。
首先，利用小型钢坯试验调查了为了实现H型钢10的翼缘部11的均匀强冷却所需要的水量密度(水冷面的每单位面积的冷却水量；m3/min/m2)和材料性能(拉伸强度和韧性等)的关系，结果为，能在翼缘部11获得充分的加速冷却效果的水量密度为0.5m3/min/m2以上。因而，在水冷带20中，以实现该水量密度的方式配置冷却水喷射用喷嘴。另外，该水量密度根据H型钢10的材质、尺寸而不同。
在本发明中，水冷机构21的用于冷却翼缘部11的喷嘴的配置没有限定，但为了实现预定量的充分的水量密度而进行强冷却，期望的是，以冷却水喷射面的非碰撞部面积成为最小限值的方式配置。具体地讲，优选的是，例如将喷嘴的类型设为椭圆或者正圆的完全锥形喷嘴，将在输送方向上相邻的喷嘴的上下方向的位置错开而设为交错配置，使冷却水无间隙地到达通过水冷带20的H型钢10的翼缘部11整体。进而，以喷射面不互相干涉的方式配置喷嘴，将翼缘部11均匀地冷却。还优选的是，以相同的水量密度冷却翼缘外表面11a和翼缘内表面11b，从而在翼缘部11的厚度方向上不产生温度梯度。此外，翼缘外表面11a侧的侧部喷嘴集管31为了能够应对H型钢10的尺寸的差异，而设为在H型钢10的腹板部12的高度方向(图7的左右方向)上可动，并且能够针对每个上下位置控制侧部喷嘴集管31的各喷嘴41的开关即可。
如图7所示，在翼缘部11的内表面侧的腹板部12的上侧配置有上部喷嘴集管32。上部喷嘴集管32的喷嘴42设为朝向翼缘内表面11b和翼缘内表面11b与腹板上表面12a的交界的圆角部喷射冷却水。在翼缘部11的厚度较大的大型的H型钢10中，由于仅通过翼缘外表面11a的冷却不能进行充分的加速冷却，因此内表面侧也与外表面侧同样地强冷却。此外，上部喷嘴集管32为了能够应对冷却的H型钢10的翼缘部11的尺寸的差异，而设为能够针对每个上下位置控制各喷嘴42的开关即可。
进而，在腹板部12的上侧设有鼓风机构22。鼓风机构22包括用于朝向水冷带20整个区域的腹板上表面12a吹送从压缩空气供给管36供给来的压缩空气的压缩空气喷出板37和固定框38。压缩空气喷出板37和固定框38以压缩空气喷出板37位于比腹板上表面12a靠上方例如20mm～50mm左右的位置的方式，在水冷带20的全长范围内配置于腹板上表面12a的上方。在压缩空气喷出板37的整个面以适当间隔开设有喷出口。因而，当从压缩空气供给管36向固定框38内供给压缩空气时，经由压缩空气喷出板37的喷出口向腹板上表面12a吹送压缩空气。压缩空气供给管36在一处或者与水冷带20的长度等相应地在适当多处连接于固定框38的中央部。
通过利用鼓风机构22朝向腹板上表面12a吹送压缩空气，能够使翼缘内表面11b的冷却水如图7的箭头D所示向H型钢10的外侧流出。由此，抑制冷却水流到或者滞留于腹板上表面12a的状况，从而防止腹板上表面12a的过度冷却。鼓风机构22的空气的喷出压优选为0.02MPa～0.3MPa。根据发明人的实验可知，若小于上述的下限值，则腹板上表面12a的除水变得不充分，此外，若大于上述的上限值，则由于翼缘内表面11b的冷却水的飞散变激烈，会扰乱水冷部的流动，因此并不理想，相对于此，利用上述的上限值以下且下限值以上的喷出压能够完全抑制冷却水流到或者滞留于腹板上表面12a的状况。
如图7所示，在翼缘部11的内表面侧的腹板部12的下侧配置有下部喷嘴集管33。在下部喷嘴集管33，朝向翼缘内表面11b、翼缘内表面11b与腹板下表面12b的交界的圆角部和腹板下表面12b设有喷嘴43。
在本实施方式中，不对腹板上表面12a进行冷却水的喷射，但利用压缩空气、一些进入到翼缘内表面11b的冷却水和来自后述的水－除水机构24的水将腹板上表面12a一定程度地冷却。因此，为了不在腹板部12的厚度方向上产生温度梯度而引起尺寸的不均，对腹板下表面12b进行水冷。下部喷嘴集管33的喷嘴43的详细配置没有特别限定，但与上部喷嘴集管32同样地向翼缘内表面11b喷射冷却水，对腹板下表面12b进行与腹板上表面12a的温度下降均衡的程度的弱冷却，而不成为过度冷却。作为腹板下表面12b的冷却用的喷嘴43的配置，可以在水冷带20的前后两端设置各一处，进而根据需要在水冷带20中追加一处～三处左右。
在图7所示的实施方式中，上部喷嘴集管32使用针对腹板部12的每个尺寸制作的喷嘴集管。此外，下部喷嘴集管33使用针对翼缘部11和腹板部12这两者的每个尺寸制作的喷嘴集管。或者，也能够通过将上部喷嘴集管32和鼓风机构22分离，进而将各自的设置位置设为可变，来应对任意尺寸的H型钢10。此外，下部喷嘴集管33也能够通过将翼缘内表面11b用的冷却喷嘴和腹板下表面12b用的冷却喷嘴连接于不同配管，并将各自的设置位置设为可变，来应对任意尺寸的H型钢10。
此外，在本实施方式中，为了防止水向冷却装置6的前后流出，将腹板上表面12a的残留水扫出，如图6所示，在水冷带20的前后两侧设置除水机构部23。除水机构部23包括设于水冷带20的前后的水－除水机构24、设于与两侧的水－除水机构24相比距水冷带20更远的位置的空气－除水机构25、以及设于靠近两侧的水－除水机构24且比水－除水机构24靠近水冷带20的位置的阻挡板26。仅利用空气－除水机构25，只要供给充分的压力和风量的压缩空气，也能够将残留水扫出，但在以强水冷条件为起始将大量的残留水扫出的情况下，优选同时使用水－除水机构24。
水－除水机构24通过朝向H型钢10的上部的内表面侧整体即腹板部12的上侧的翼缘内表面11b和腹板上表面12a吹送水，来抑制水冷机构21的冷却水流入到通过水冷带20前后的H型钢10的腹板上表面12a。如图8所示，水－除水机构24具有配置于腹板部12的上方的除水用喷嘴集管51。除水用喷嘴集管51由与腹板上表面12a平行的水平集管52和与左右两侧的翼缘部11平行的两个垂直集管53构成，在水平集管52和垂直集管53分别配置有例如各一列喷嘴61。从供水集管(未图示)向除水用喷嘴集管51供给冷却水。从各喷嘴61喷射水的喷射方向优选向水冷带20侧倾斜，使得水无间隙地到达H型钢10的内表面侧的上部整体。由此，从水冷带20流过来的水被向H型钢10的外侧排出，能够防止水积存于冷却装置6的前后的H型钢10的腹板上表面12a而过度冷却。
阻挡板26从比腹板上表面12a靠上方例如20mm左右的位置到比所输送的H型钢10的上端高的位置设于腹板部12的大致整个高度(输送时的左右方向)范围内。
空气－除水机构25通过朝向腹板上表面12a喷射压缩空气，而将从水冷机构21、水－除水机构24沿着腹板上表面12a流动的水向H型钢10的外侧排出，从而阻断水向冷却装置6的前后的流动。如图9所示，空气－除水机构25具有与空气集管(未图示)连接的除水用配管54。除水用配管54由与腹板上表面12a平行的水平配管构成，朝向腹板上表面12a的压缩空气的吹出口在腹板部12的高度方向(图9的左右方向)上形成有多处。另外，虽然除水机构部23也可以仅是水－除水机构24，但通过同时设置空气－除水机构25，使得除水能力进一步提高。
除水机构部23的水或空气的喷出压根据H型钢10的种类、加速冷却条件等也有所不同，但在同时使用水－除水机构24和空气－除水机构25的情况下，水－除水机构24的水的喷出压优选为例如0.1MPa～0.5MPa，空气－除水机构25的空气的喷出压优选为例如0.02MPa～0.3MPa。此外，在将除水机构部23仅设为水－除水机构24的情况下，优选将水的喷出压设为0.2MPa～0.6MPa。根据发明人的实验可知，若小于上述的下限值，则除水变得不充分，此外若大于上述的上限值，则冷却水的飞散变激烈，会扰乱水冷部的流动，因此并不理想，与此相对，利用上述的上限值以下且下限值以上的喷出压，能够将滞留水完全扫出。
如图6所示，在冷却装置6设有控制部71。控制部71是例如计算机，具有程序存储部(未图示)。在程序存储部存储有用于执行图4所示的冷却控制方法的程序。此外，在程序存储部还存储有用于控制作为输送机构的输送辊8、水冷机构21等的程序。
在本实施方式的冷却装置6中，在控制部71中，根据水冷带20的长度LC和前端水冷时间ΔtC(0)，基于使用上述式(1)和式(2)的图4的流程图，计算水冷时间减少率γ和前端H型钢的位置x的水冷时间ΔtC(x)。在控制部71中，进而根据上述的水冷时间减少率γ和水冷时间ΔtC(x)来计算H型钢10的输送速度，基于该计算结果来控制输送辊8、水冷机构21。然后，冷却装置6一边输送H型钢10一边冷却H型钢10。
因而，采用本实施方式的冷却装置6，能够以在冷却结束后的H型钢的首尾端不产生温度差的方式冷却。因而，能够获得在全长范围内满足要求性能的H型钢。
另外，能够用以下的式(3)表示H型钢10的输送方向位置x的加速冷却过程中的平均速度uR(x)。
uR(x)＝LC/ΔtC(x)…式(3)
因而，通过一边基于上述的式(1)、式(2)和式(3)调节H型钢10的输送速度一边进行水冷，从而能够获得使冷却结束后的H型钢的首尾端的温度差极小化的H型钢。
另外，由于在多数大型H型钢中，腹板厚度薄于翼缘厚度，而且冷却后的残留水容易积存于腹板上表面12a，因此在以往的H型钢的冷却方法中，腹板部12有时会被过度冷却。根据本发明，能够在从内外两侧以水量密度0.5m3/min/m2以上对翼缘部11进行强水冷的同时，抑制腹板部12的过度冷却。也就是说，能够通过控制H型钢10的加速冷却时的冷却速度和水冷停止温度地实施强冷却，来确保材料性能，并且通过防止腹板部12的过度冷却，来抑制腹板波纹等的形状缺陷产生并且确保锯断性。因而，作为大规模建筑物的梁、柱等所使用的大型H型钢产品，能够在抑制合金成本的同时，利用加速冷却处理制造高质量的产品。
此外，在本实施方式的冷却装置6中，能够根据基于模拟结果的回归式简单地确定作为冷却条件的H型钢的输送速度。进而，上述回归式能够应用于所有长度的H型钢。
另外，在冷却带的长度相对于H型钢的全长较小的情况下，换言之在设有冷却装置6的轧制设备1较小而不能将冷却带的长度确保得较大的情况下，优选使用本实施方式的冷却装置6。
此外，表示前端水冷时间ΔtC(0)和水冷时间减少率γ之间的关系及水冷带20的长度LC和水冷时间减少率γ之间的关系的回归式并不限于上述的式(2)。在变更了钢材、冷却的条件(例如喷嘴配置、制冷剂的种类等)的情况下，通过使用另外的回归式，或者即便是相同的回归式，通过调整常数系数，也能够提高水冷时间减少率γ的回归预测精度。例如在水冷带的长度限定于几种的冷却装置的情况下，也可以针对冷却带的每个长度设为自式(2)除去LC q1项而得到的式，也就是“γ＝p·ΔtC(0)q2”，针对冷却带的每个长度变更系数p和q2。
以上说明了本发明的优选的实施方式，但本发明并不限定于所述例子。如果是本领域技术人员，则明显能够在权利要求书所记载的技术思想的范围内想到各种变更例或者修改例，理解为这些内容当然也属于本发明的保护范围。
另外，本发明的技术思想并不仅限定于H型钢的冷却。也能够应用于将连续地插入到水冷带来进行热处理、温度调节的长条钢材例如钢板(厚板或薄板)、钢管、圆钢、钢轨等在沿着长度方向连续地输送的同时使其一边通过比钢材长度短的冷却带一边进行冷却的技术。
此外，即使冷却能力在水冷带中具有分布的情况下，即水量密度根据水冷带的区域而变化的情况下，也能够将本发明应用于其分布在冷却对象的钢材的冷却过程中固定的情况。也就是说，在各个区域中都能够应用上述的冷却控制方法。
实施例
说明本发明的实施例。在轧制设备1的冷却装置6中，在下述的冷却条件下对1000根H型钢进行了加速冷却。此时，在冷却装置6的控制部71中，基于使用上述式(1)和式(2)的图4的流程图进行了冷却控制。其结果为，能够将从前端到尾端的冷却结束温度控制在冷却结束目标温度的范围内。
(冷却条件)
翼缘部11的厚度：20mm～120mm
翼缘部11的宽度：300mm～450mm
轧制设备1的轧制长度：250m
水冷带20的长度：10m
冷却开始温度：800℃～950℃
水冷结束温度：500℃～700℃
水量密度：0.5m3/min/m2～5m3/min/m2
产业上的可利用性
本发明能够应用于在超高层建筑物的梁、柱等所使用的大型H型钢的制造中进行精轧后的加速冷却处理的冷却装置和冷却方法。此外，本发明也能够应用于除大型H型钢之外的钢材，如上所述也能够应用于钢板(厚板或薄板)、钢管、圆钢、钢轨等长条钢材。
附图标记说明
1、轧制设备；2、加热炉；3、粗轧机；4、中间轧机；5、精轧机；6、冷却装置；7、锯断装置；8、输送辊；10、H型钢；11、翼缘部；11a、翼缘外表面；11b、翼缘内表面；12、腹板部；12a、腹板上表面；12b、腹板下表面；20、水冷带；21、水冷机构；22、鼓风机构；23、除水机构部；24、水－除水机构；25、空气－除水机构；26、阻挡板；31、侧部喷嘴集管；32、上部喷嘴集管；33、下部喷嘴集管；36、压缩空气供给管；37、压缩空气喷出板；38、固定框；41、42、43、喷嘴；51、除水用喷嘴集管；52、水平集管；53、垂直集管；54、除水用配管；61、喷嘴；71、控制部。

Claims (9)

1.一种钢材的冷却装置，其用于冷却热精轧后的钢材，其特征在于，
该冷却装置具有：
输送机构，其用于在使所述钢材加速的同时输送所述钢材；
水冷机构，其用于冷却由所述输送机构输送的所述钢材；以及
控制部，其控制所述输送机构和所述水冷机构，以对所述钢材进行满足下述式(1)的冷却，
基于设有所述水冷机构的水冷带的长度和将所述钢材的前端部冷却至目标温度所需要的时间ΔtC(0)，来确定下述式(1)中的水冷时间减少率γ，
ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)
其中，x：将所述钢材的前端部作为基准的该钢材的输送方向上的位置，ΔtC(x)：将所述钢材的位置x的部位冷却至目标温度所需要的时间。
2.根据权利要求1所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
所述水冷时间减少率γ满足下述式(2)，
γ＝p·LC q1·ΔtC(0)q2…式(2)
其中，LC：所述水冷带的长度，p、q1、q2：常数系数。
3.根据权利要求1或2所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
所述钢材是H型钢，
所述水冷机构用于冷却所述H型钢的翼缘部。
4.根据权利要求3所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
该钢材的冷却装置具有：
鼓风机构，其在所述水冷带中朝向所述H型钢的腹板上表面吹送压缩空气；以及
除水机构部，其在所述水冷带的所述H型钢的输送方向上的前后将所述H型钢的腹板上表面的水向所述H型钢的外侧排出。
5.根据权利要求4所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
所述除水机构部包括：空气－除水机构，其用于向所述H型钢的腹板上表面吹送空气；以及水－除水机构，其用于在比所述空气－除水机构靠近所述水冷带的位置向所述H型钢的腹板上表面和翼缘内表面吹送水。
6.根据权利要求5所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
所述水冷机构的冷却水的水量密度为0.5m3/min/m2以上，所述水－除水机构的水的喷出压为0.1MPa～0.5MPa，所述空气－除水机构的空气的喷出压为0.02MPa～0.3MPa。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的钢材的冷却装置，其特征在于，
所述鼓风机构的空气的喷出压为0.02MPa～0.3MPa。
8.一种钢材的冷却控制方法，其是在将热精轧后的钢材加速输送的同时利用水冷机构冷却该钢材时的控制方法，其中，
该冷却控制方法具有以下工序：
基于设有所述水冷机构的水冷带的长度和将所述钢材的前端部冷却至目标温度所需要的时间ΔtC(0)确定水冷时间减少率γ；以及
控制所述钢材的冷却以满足使用所述水冷时间减少率γ的下述式(1)，
ΔtC(x)＝ΔtC(0)－γ·x…式(1)
其中，x：将所述钢材的前端部作为基准的该钢材的输送方向上的位置，ΔtC(x)：将所述钢材的位置x的部位冷却至目标温度所需要的时间。
9.根据权利要求8所述的钢材的冷却控制方法，其特征在于，
所述水冷时间减少率γ满足下述式(2)，
γ＝p·LC q1·ΔtC(0)q2…式(2)
其中，LC：所述水冷带的长度，p、q1、q2：常数系数。
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