JP6377550B2

JP6377550B2 - 厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置

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Publication number: JP6377550B2
Application number: JP2015044460A
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Inventors: 崇広小原
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Description

本発明は、厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置に関する。

厚鋼板の製造において、焼き入れ効果等を得るために熱間圧延された厚鋼板を冷却水によって急速に冷却することがある。このような処理を行うための装置として、厚鋼板をスリットジェットノズルによる冷却水流で冷却する１次冷却装置と、１次冷却装置との間が水切りローラにより仕切られ、パイプノズルによる冷却水流でさらに冷却する２次冷却装置とを備える厚鋼板の冷却装置が知られている（例えば特公昭６３−０２７４０９号公報参照）。

焼き入れ等により厚鋼板に所望の物性を均質的に付与するためには、厚鋼板を所望の温度まで過不足なく均一に冷却することが望まれる。しかしながら、上記厚鋼板冷却装置により厚鋼板を冷却する場合、厚鋼板の表面に冷却水が滞留することによって水膜が形成され、この水膜の状態がばらつくことにより、厚鋼板の温度が不均一になり得る。

具体的には、厚鋼板の表面に形成される水膜は、厚鋼板の表面温度が高いうちは膜沸騰状態となるが、厚鋼板の表面温度が低下すると核沸騰状態となる。このような沸騰状態の遷移により厚鋼板と冷却水との間の熱伝達率が変化し、これによって厚鋼板の冷却速度が変化する。

しかしながら、厚鋼板表面の水膜の沸騰状態は、厚鋼板表面全体で同時に遷移するわけではなく、部分的にその沸騰状態が異なる状態となり得る。このような沸騰状態のばらつきは、厚鋼板の温度のばらつきを助長すると考えられる。

特公昭６３−０２７４０９号公報

上記不都合に鑑みて、本発明は、厚鋼板を比較的均一に冷却できる厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、熱間圧延後の厚鋼板の搬送方向に列設される冷却装置を用い、上記厚鋼板を冷却する方法であって、上記冷却装置が、搬送方向と垂直の幅方向に略カーテン状に噴水できるスリットジェットノズル及びこのスリットジェットノズルの搬送方向前後に配設される一対の水切りロールを有する第１冷却機構と、この第１冷却機構の搬送方向下流側に配設され、略等密度で配設される複数の散水ノズルを有する１又は複数の散水ヘッダーを含み、これらの複数の散水ノズルの水量調整により搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更できる第２冷却機構とを備え、上記第２冷却機構における散水ノズルの平均径をｄ［ｍ］、上記厚鋼板表面の単位面積当たりの散水ノズルの本数をＮ［本／ｍ^２］、散水ノズルの厚鋼板までの平均距離をＨ［ｍｍ］とした場合、それらの値が下記式（１）、（２）及び（３）を満たし、上記第１冷却機構による冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更することを特徴とする厚鋼板冷却方法である。
Ｎ×ｄ^２＜０．００５５・・・（１）
Ｈ≦３００・・・（２）
Ｎ＞５００・・・（３）

当該厚鋼板冷却方法は、上記式（１）を満たすことによって水量密度を適切化でき、上記式（２）を満たすことによって散水される冷却水の動圧により冷却水が直接衝突する部分だけが過度に冷却されることを防止でき、かつ、上記式（３）を満たすことによって厚鋼板表面に略均一に散水することができる。また、当該厚鋼板冷却方法は、上記第１冷却機構による冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更することによって、厚鋼板の表面温度が厚鋼板表面の水膜が膜沸騰状態から核沸騰状態へと遷移する温度領域内にある時間を短縮することができる。これによって、膜沸騰状態から核沸騰状態への移行をスムーズに行うことにより、沸騰状態のばらつきによる温度のばらつきを抑制できる。このため、当該厚鋼板冷却方法は、厚鋼板を比較的均一に冷却することができる。

上記第１冷却機構が上記スリットジェットノズル及び一対の水切りロールを厚鋼板の表裏に対向するよう有し、上記第２冷却機構が上記散水ノズルを厚鋼板の表裏に対向するよう有するとよい。このように、上記第１冷却機構が上記スリットジェットノズル及び一対の水切りロールを厚鋼板の表裏に対向するよう有し、上記第２冷却機構が上記散水ノズルを厚鋼板の表裏に対向するよう有することによって、厚鋼板の表裏を効率よく冷却することができるので、厚鋼板をより均一に冷却することができる。

上記第１冷却機構を使用する場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に小さくし、上記第１冷却機構を使用しない場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に大きくするとよい。このように、上記第１冷却機構を使用する場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に小さくすることによって、第１冷却機構により核沸騰となる温度まで厚鋼板の表面温度が低下した直後の散水量が大きくなるので、厚鋼板の厚さ方向中心部の熱が表面に伝導して表面温度が膜沸騰状態となり得る遷移温度に再上昇することを抑制できる。また、上記第１冷却機構を使用しない場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に大きくすることによって、上記第２冷却機構内の上流側での散水量が小さくなるので、厚鋼板の表面温度が遷移温度に低下するまでの時間が長くなり、厚鋼板の厚さ方向中心部の温度を低下させてから表面温度を遷移温度以下に低下させることになる。そして、表面温度を遷移温度以下に低下させるときには、散水量が大きくなるので、表面温度を核沸騰状態となる温度まで比較的短時間で低下させられる。以上のように、第１冷却機構を使用する場合にも、第１冷却機構を使用しない場合にも、厚鋼板の表面温度が沸騰状態が不安定となる遷移温度である時間を短縮し、厚鋼板の表裏をより均一に冷却することができる。

上記第１冷却機構を使用する場合、上記第２冷却機構による散水量の搬送方向の変化量を搬送方向下流側に順次小さくするとよい。このように、上記第１冷却機構を使用する場合、厚鋼板の厚さ方向中心部から表面に伝導する熱量が上流側から下流側にかけて指数関数的に減少するので、これに合わせるよう上記第２冷却機構による散水量の搬送方向の変化量を搬送方向下流側に順次小さくすることによって、厚鋼板を過剰に冷却することなく、表面温度の再上昇をより適切に抑制することができる。

上記課題を解決するためになされた別の発明は、熱間圧延後の厚鋼板の搬送方向に列設され、上記厚鋼板を冷却する装置であって、搬送方向と垂直の幅方向に略カーテン状に噴水できるスリットジェットノズル及びこのスリットジェットノズルの搬送方向前後に配設される一対の水切りロールを有する第１冷却機構と、この第１冷却機構の搬送方向下流側に配設され、略等密度で配設される複数の散水ノズルを有する１又は複数の散水ヘッダーを含み、これらの複数の散水ノズルの水量調整により搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更できる第２冷却機構と、上記第１冷却機構の使用の有無及び第２冷却機構の複数の散水ノズルの搬送方向の水量調整を行う制御機構とを備え、上記第２冷却機構における散水ノズルの平均径をｄ［ｍ］、上記厚鋼板表面の単位面積当たりの散水ノズルの本数をＮ［本／ｍ^２］、散水ノズルの厚鋼板までの平均距離をＨ［ｍｍ］とした場合、それらの値が下記式（１）、（２）及び（３）を満たし、上記制御機構により第１冷却機構の冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更することを特徴とする厚鋼板冷却装置である。
Ｎ×ｄ^２＜０．００５５・・・（１）
Ｈ≦３００・・・（２）
Ｎ＞５００・・・（３）

当該厚鋼板冷却装置は、第２冷却機構が上記式（１）、（２）及び（３）を満たすことによって、散水される冷却水の動圧による撹拌が少なく、厚鋼板表面に形成される水膜の状態を安定させられる。また、当該厚鋼板冷却装置は、制御機構が、上記第１冷却機構による冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を変更することによって、膜沸騰状態から核沸騰状態への移行をスムーズに行うことができる。このため、当該厚鋼板冷却装置は、沸騰状態のばらつきによる冷却効果のばらつきを抑制することができるので、厚鋼板を比較的均一に冷却することができる。

ここで、「散水ノズルの厚鋼板までの平均距離」とは、散水ノズルの開口から厚鋼板の表面までの平均距離を意味する。

以上のように、本発明の厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置は、厚鋼板を比較的均一に冷却することができる。

本発明の一実施形態の厚鋼板冷却装置を備える厚鋼板加工設備の構成を示す模式図である。図１の厚鋼板冷却装置の構成を示す模式図である。図２の厚鋼板冷却装置の表面側散水ヘッダーの構成を示す模式図である。表面側散水ヘッダーのノズル条件による冷却後の温度偏差の違いを示すグラフである。第１冷却機構による冷却を行った場合の搬送方向の水量密度変化を示すグラフ（ａ）及び鋼板幅方向中央の表面温度変化を示すグラフ（ｂ）である。第１冷却機構による冷却を行わなかった場合の搬送方向の水量密度変化を示すグラフ（ａ）及び鋼板幅方向中央の表面温度変化を示すグラフ（ｂ）である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［厚鋼板加工設備］
図１の厚鋼板加工設備は、原料厚鋼板（スラブ）Ｐを加熱する加熱炉１と、加熱された原料厚鋼板Ｐを熱間圧延する粗圧延機２と、粗圧延機２で圧延された厚鋼板Ｐをさらに熱間圧延する仕上圧延機３と、仕上圧延機３で熱間圧延された厚鋼板Ｐを冷却する厚鋼板冷却装置４と、冷却された厚鋼板Ｐを矯正するレベラー５とを備える。

加熱炉１、粗圧延機２、仕上圧延機３及びレベラー５については、それぞれ公知の構成とすることができるので、詳細な説明は省略する。

〔厚鋼板冷却装置〕
厚鋼板冷却装置４は、熱間圧延後の厚鋼板Ｐを搬送しつつ厚鋼板Ｐの表面（上面）及び裏面（下面）に冷却水を散水することにより厚鋼板Ｐを冷却するものであって、加速冷却装置とも呼ばれる。この厚鋼板冷却装置４において、厚鋼板Ｐの冷却は、予め設定される冷却停止温度まで急速に冷却される。冷却停止温度としては、目的とする製品（厚鋼板Ｐの用途）に応じて定められるが、例えば２００℃以上６５０℃以下とされる。

厚鋼板冷却装置４で冷却される厚鋼板Ｐの平均厚さとしては、特に限定されないが、例えば１２ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることができる。

当該厚鋼板冷却装置４は、図２に示すように、熱間圧延後の厚鋼板Ｐの搬送方向に列設される。この当該厚鋼板冷却装置４は、第１冷却機構１０と、第１冷却機構１０の搬送方向下流側に配設される第２冷却機構２０と、第１冷却機構の上流側で厚鋼板Ｐの表面の幅方向の温度分布を測定する温度測定装置３０と、温度第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０を制御する制御機構４０とを主に有する。

＜第１冷却機構＞
第１冷却機構１０は、厚鋼板Ｐの表裏に対向するよう配設される一対のスリットジェットノズル１１と、このスリットジェットノズル１１の搬送方向前後に、厚鋼板Ｐの表裏に対向するようそれぞれ配設される二対（表裏各一対）の水切りロール１２，１３とを有する。

（スリットジェットノズル）
スリットジェットノズル１１は、搬送方向と垂直の幅方向に延在するスリットを有し、このスリットから略カーテン状に冷却水を噴水することにより、厚鋼板Ｐを冷却する。

スリットジェットノズル１１の幅方向の単位長さあたりの噴水量の下限としては、１ｍ^３／（ｍｉｎ・ｍ）が好ましく、２ｍ^３／（ｍｉｎ・ｍ）がより好ましい。一方、スリットジェットノズル１１の上記噴水量の上限としては、４ｍ^３／（ｍｉｎ・ｍ）が好ましく、３ｍ^３／（ｍｉｎ・ｍ）がより好ましい。スリットジェットノズル１１の上記噴水量が上記下限に満たない場合、厚鋼板Ｐを十分に冷却できないおそれがある。逆に、スリットジェットノズル１１の上記噴水量が上記上限を超える場合、先にスリットジェットノズル１１から噴射された冷却水が厚鋼板Ｐの表裏に滞留し、新たにスリットジェットノズル１１から噴射された冷却水が厚鋼板Ｐの表裏面に達することを阻害し、冷却が不十分となるおそれや、多量の冷却水を消費することによりエネルギー効率が低下するおそれがある。

スリットジェットノズル１１からの冷却水の平均噴射速度の下限としては、１５ｍ／ｓｅｃが好ましく、２０ｍ／ｓｅｃがより好ましい。一方、スリットジェットノズル１１からの冷却水の平均噴射速度の上限としては、４０ｍ／ｓｅｃが好ましく、３０ｍ／ｓｅｃがより好ましい。スリットジェットノズル１１からの冷却水の平均噴射速度が上記下限に満たない場合、先に噴射した冷却水に阻まれて新たに噴射された冷却水が厚鋼板Ｐの表面に達することができず、冷却が不十分となるおそれがある。逆に、スリットジェットノズル１１からの冷却水の平均噴射速度が上記上限を超える場合、噴射した冷却水が飛散するおそれや、設備コスト及びエネルギーコストが不必要に増大するおそれがある。

スリットジェットノズル１１のスリットの平均幅の下限としては、１ｍｍが好ましく、１．５ｍｍがより好ましい。一方、スリットジェットノズル１１のスリットの平均幅の上限としては、４ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。スリットジェットノズル１１のスリットの平均幅が上記下限に満たない場合、十分な噴水量を得ることができないおそれがある。逆に、スリットジェットノズル１１のスリットの平均幅が上記上限を超える場合、十分な噴射速度を得ることができないおそれがある。

（水切りロール）
水切りロール１２，１３は、スリットジェットノズル１１から噴射され、厚鋼板Ｐの表裏面を伝って上流側及び下流側に流れる冷却水を堰き止め、表面側ではこの冷却水を厚鋼板の幅方向に流すことで、裏面側では冷却水を重力に任せて落下させることで、それぞれ厚鋼板Ｐの表裏から冷却水を排除する。

上流側の水切りロール１２の中心と厚鋼板Ｐの表裏面におけるスリットジェットノズル１１からの冷却水噴射位置との搬送方向の間隔としては、例えば６００ｍｍ以上８００ｍｍ以下とすることができる。また、下流側の水切りロール１３の中心と厚鋼板Ｐの表裏面におけるスリットジェットノズル１１からの冷却水噴射位置との搬送方向の間隔としては、例えば７００ｍｍ以上９００ｍｍ以下とすることができる。

＜第２冷却機構＞
第２冷却機構２０は、搬送方向に並んで配設され、厚鋼板Ｐの表裏に対向する複数対（図では４対）の散水ヘッダー（表面側散水ヘッダー２１及び裏面側散水ヘッダー２２）を含む。第２冷却機構２０は、表面側散水ヘッダー２１毎に散水量を調整でき、搬送方向の水量密度を段階的に変更できるよう構成される。

（表面側散水ヘッダー）
表面側散水ヘッダー２１は、図３に示すように、厚鋼板Ｐの幅方向（図中左右方向）に長い直方体状であり、底面に略等密度で開口するよう配設され、厚鋼板Ｐに散水できる複数の散水ノズル２３を備える。また、この表面側散水ヘッダー２１は、内部空間を幅方向に３つに区分する２枚の隔壁２４を備え、２枚の隔壁２４が幅方向に対称、かつ幅方向に対して傾斜して搬送方向上流側に向けて広がるように配設されている。これにより、表面側散水ヘッダー２１の内部空間は、２枚の隔壁２４の内側の中央領域と２枚の隔壁２４の外側の２つの端部領域とに区分される。この表面側散水ヘッダー２１に対して、厚鋼板Ｐは、図中の矢印Ｄ方向に搬送される。

表面側散水ヘッダー２１の散水ノズル２３の平均径をｄ［ｍ］、厚鋼板Ｐの表面の単位面積当たりの散水ノズル２３の本数をＮ［本／ｍ^２］、散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離をＨ［ｍｍ］とした場合、それらの値が下記式（１）、（２）及び（３）を満たす。
Ｎ×ｄ^２＜０．００５５・・・（１）
Ｈ≦３００・・・（２）
Ｎ＞５００・・・（３）

上記式（１）に示すように［Ｎ×ｄ^２］の値は０．００５５よりも小さい値とされる。［Ｎ×ｄ^２］の値の下限としては、０．００４が好ましく、０．００４５がより好ましい。一方、［Ｎ×ｄ^２］の値の上限としては、０．００５３が好ましく、０．００５１がより好ましい。［Ｎ×ｄ^２］の値が上記下限に満たない場合、散水ノズル２１の開口割合が小さくなり、厚鋼板Ｐの表面の散水ノズル２３に対向する部分と対向しない部分との冷却効果の差が大きくなることで厚鋼板Ｐの冷却が不均一となるおそれがある。逆に、［Ｎ×ｄ^２］の値が０．００５５を超える場合、散水ノズル２１の開口割合が大きくなり、散水量（水量密度）が過大となって厚鋼板Ｐの温度を調節できないおそれがある。

散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離Ｈの下限としては、１００ｍｍが好ましく、１５０ｍｍがより好ましい。一方、散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離Ｈの上限としては、３００ｍｍであり、２５０ｍｍが好ましく、２００ｍｍがより好ましい。散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離Ｈが上記下限に満たない場合、散水ノズル２３から流出する冷却水の流れが不安定となるおそれがある。逆に、散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離Ｈが上記上限を超える場合、散水した冷却水が重力により加速することにより、厚鋼板Ｐの冷却水が衝突する領域と冷却水が衝突しない領域との冷却効果の差が大きくなり、厚鋼板Ｐの冷却の均一性が不十分となるおそれがある。

散水ノズル２３の平均径ｄの下限としては、１．５×１０^−３ｍが好ましく、２×１０^−３ｍがより好ましい。一方、散水ノズル２３の平均径ｄの上限としては、５×１０^−３ｍが好ましく、４×１０^−３ｍがより好ましい。散水ノズル２３の平均径ｄが上記下限に満たない場合、水量密度が不十分となるおそれや、冷却水の流速が大きくなることで冷却水が衝突する部分と衝突しない部分との温度差が大きくなるおそれがある。逆に、散水ノズル２３の平均径ｄが上記上限を超える場合、水量密度が過大となって厚鋼板Ｐの温度を調節できないおそれがある。

単位面積当たりの散水ノズル２３の本数Ｎは５００本／ｍ^２より大きい数とされる。単位面積当たりの散水ノズル２３の本数Ｎの下限としては、５２０本／ｍ^２が好ましく、５３０本／ｍ^２がより好ましい。一方、単位面積当たりの散水ノズル２３の本数Ｎの上限としては、８００本／ｍ^２が好ましく、６００本／ｍ^２がより好ましい。単位面積当たりの散水ノズル２３の本数Ｎが上記下限に満たない場合、厚鋼板Ｐの表面の散水ノズル２３に対向する部分と対向しない部分との冷却効果の差が大きくなり、厚鋼板Ｐの冷却が不均一となるおそれがある。逆に、単位面積当たりの散水ノズル２３の本数Ｎが上記上限を超える場合、水量密度が過大となって厚鋼板Ｐの温度を調節できないおそれがある。

表面側散水ヘッダー２１の水量密度の下限としては、冷却開始温度にもよるが、一般的には、５０Ｌ／（ｍｉｎ×ｍ^２）が好ましく、１００Ｌ／（ｍｉｎ×ｍ^２）がより好ましい。一方、表面側散水ヘッダー２１の水量密度の上限としては、５０００Ｌ／（ｍｉｎ×ｍ^２）が好ましく、３０００Ｌ／（ｍｉｎ×ｍ^２）がより好ましい。表面側散水ヘッダー２１の水量密度が上記下限に満たない場合、厚鋼板Ｐを十分に冷却できないおそれがある。逆に、表面側散水ヘッダー２１の水量密度が上記上限を超える場合、厚鋼板Ｐの温度が低くなり過ぎるおそれがある。

また、散水ノズル２３の配置としては、横断方向に一定ピッチで配列される散水ノズル２３の列が複数形成され、搬送方向に隣接する列中の散水ノズル２３の配置が幅方向に１／２ピッチずつずらされるような千鳥状の配置とすることができる。

また、表面側散水ヘッダー２１は、中央領域に冷却水を供給する中央給水流路２５及び２つの端部領域に冷却水をそれぞれ給水する一対の端部給水流路２６を有する。中央給水流路２５には、主調整弁２７を介して冷却水が供給される。一方、端部給水流路２６には、中央給水流路２５から分岐する分岐流路２８に設けた分岐調整弁２９を介して、中央給水流路２５から冷却水が供給されるようになっている。

幅方向中心における水量密度は、中央給水流路２５への給水量によって定められる。また、幅方向両端における水量密度は、端部給水流路２６への給水量によって定められる。そして、隔壁２４が存在する領域では、隔壁２４により区分される中央領域と端部領域との搬送方向の長さ割合に応じた水量密度で散水する。つまり、表面側散水ヘッダー２１は、幅方向に分布を有する水量密度で厚鋼板Ｐの表面に冷却水を散水でき、かつ幅方向の水量分布を調整できるように構成されている。

（裏面側散水ヘッダー）
上記裏面側散水ヘッダー２２は、厚鋼板Ｐを挟んで表面側散水ヘッダー２１に対向するよう配設され、厚鋼板Ｐの裏面に均等な水量密度で冷却水を散水する。

裏面側散水ヘッダー２２は、表面側散水ヘッダー２１と同様に、略等密度で開口するよう配設され、厚鋼板Ｐの裏面に散水する複数の散水ノズル２３を有する。この裏面側散水ヘッダー２２による散水量は、幅方向の位置にかかわらず一定とすることができる。

裏面側散水ヘッダー２２の散水ノズル２３の平均径、厚鋼板Ｐの表面の単位面積当たりの散水ノズル２３の本数、散水ノズル２３の厚鋼板Ｐまでの平均距離は、上記表面側散水ヘッダー２１と同様とすることができる。

＜温度測定装置＞
温度測定装置３０は、厚鋼板Ｐが第１冷却機構１０に導入される前に、厚鋼板Ｐの表面の搬送方向に垂直な幅方向の温度分布を測定する。この温度測定装置３０は、第１冷却機構１０の上流側で厚鋼板Ｐの表面の幅方向の温度分布を測定できるものであればよく、例えば放射温度計を用いることができる。

＜制御機構＞
制御機構４０は、上記第１冷却機構１０の使用の有無の選択を行う制御要素、第２冷却機構２０の複数の散水ノズル２３の搬送方向の水量調整を行う制御要素、及び表面側散水ヘッダー２１の幅方向の水量密度分布調整を行う制御要素を有する。

制御機構４０は、例えばマイクロコンピューターを有するパーソナルコンピューター、プログラマブルロジックコントローラー等からなり、制御プログラムに従って、第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０を制御する。上記制御プログラムは、上記各制御要素をそれぞれ構成する例えばプログラムモジュール、パートプログラム等を含む。

第１冷却機構１０の使用の有無は、ユーザーの選択によって決定してもよく、例えば厚鋼板Ｐの材質及び寸法、熱間圧延温度及び冷却停止温度等の厚鋼板冷却条件に応じて予め設定してもよい。

制御機構４０は、散水ノズル２３の水量密度を表面側散水ヘッダー２１毎に変更する。具体的には、制御機構４０は、第２冷却機構２０による搬送方向の散水量を第１冷却機構１０を使用する場合には、段階的に小さくし、第１冷却機構１０を使用しない場合には、段階的に大きくすることが好ましい。

第１冷却機構１０を使用する場合、第１冷却機構１０において厚鋼板Ｐの表面温度が厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜が核沸騰する温度領域まで低下する。しかしながら、第１冷却機構１０を通過した直後の厚鋼板Ｐの中心温度は表面温度に比べて高く、この厚鋼板Ｐの厚さ方向中心部の熱が表面に伝導することにより、第１冷却機構１０を通過した後、厚鋼板Ｐの表面温度が再上昇しようとする。

そこで、第２冷却機構２０により厚鋼板Ｐに冷却水を散水することによって、厚鋼板Ｐの厚さ方向中心部から表面に伝導した熱を除去する。この結果、厚鋼板Ｐの表面温度が再上昇して厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜の沸騰状態が部分的に膜沸騰状態となることが防止されるので、冷却が不安定又は不均一になることを抑制できる。このように、当該厚鋼板冷却装置４は、厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜の沸騰状態を安定させることで、厚鋼板Ｐの冷却効果のばらつきを小さくして、厚鋼板Ｐを比較的均一に冷却することができる。

従って、当該厚鋼板冷却装置４において、制御機構４０は、厚鋼板Ｐの中心温度が比較的高い第２冷却機構２０内の上流側では、表面側散水ヘッダー２１の水量を大きくすることによって厚鋼板Ｐの表面温度の再上昇を抑制する。一方、制御機構４０は、厚鋼板Ｐの中心温度が比較的低い下流側では、表面側散水ヘッダー２１の水量を小さくすることによって厚鋼板Ｐの表面温度の過度の低下を防止できる。

さらに、当該厚鋼板冷却装置４では、第１冷却機構１０を使用する場合、第２冷却機構２０を通過する間に厚鋼板の厚さ方向中心部から表面に伝導する熱量は、上流側から下流側にかけて指数関数的に減少する。従って、この伝導熱量の減少に合わせるために、第２冷却機構２０による散水量の搬送方向の変化量、つまり隣接する２つの表面側散水ヘッダー２１の間の水量密度の差を搬送方向下流側に順次小さくすることが好ましい。

また、第１冷却機構１０を使用しない場合、第２冷却機構２０の入口における厚鋼板Ｐの表面温度は、通常、厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜が膜沸騰する温度領域である。第２冷却機構２０では、表面側散水ヘッダー２１の水量を大きくしても厚鋼板Ｐの表面温度を厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜が核沸騰する温度領域まで短時間で低下させること、つまり膜沸騰と核沸騰とが混在する遷移状態となる温度領域を短時間で渡過させることは困難である。

そこで、当該厚鋼板冷却装置４において、第１冷却機構１０を使用しない場合には、第２冷却機構２０内の上流側の表面側散水ヘッダー２１の水量を小さくし、厚鋼板Ｐの表面温度を膜沸騰状態となる範囲内に保つよう徐冷することにより、厚鋼板Ｐの中心温度を低下させるとよい。これにより、厚鋼板Ｐの厚さ方向中心部から表面に供給される熱量を減少させてから、下流側の表面側散水ヘッダー２１の水量を大きくすることにより、厚鋼板Ｐの表面に形成される水膜の沸騰状態が不安定となる温度領域を比較的短時間で通過させることができる。これにより、当該厚鋼板冷却装置４は、第１冷却機構１０を使用しない場合にも、厚鋼板Ｐを比較的均一に冷却することができる。

また、制御機構４０による表面側散水ヘッダー２１の幅方向の水量密度分布調整は、温度測定装置３０により測定される厚鋼板Ｐの表面の幅方向の温度分布、厚鋼板Ｐの物性、散水ヘッダーから散水される冷却水の温度、及び第２冷却機構２０の複数の散水ノズル２３の搬送方向の水量分布に基づいて行われる。具体的には、表面側散水ヘッダー２１の幅方向の水量密度分布調整は、冷却後の厚鋼板の表面の温度分布を予測する処理と、予測される冷却後の幅方向の温度偏差を小さくするよう幅方向の水量密度分布を変更する処理とを行う。

〔厚鋼板冷却方法〕
本発明の一実施形態に係る厚鋼板冷却方法は、上記厚鋼板冷却装置４によって行うことができる。つまり、当該厚鋼板冷却方法は、上記厚鋼板冷却装置４の第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０を用い、上記制御機構４０ついて説明したように第１冷却機構１０による冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて第２冷却機構２０による搬送方向の水量密度を段階的に変更する方法とされる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置において、第２冷却機構の散水ノズルの搬送方向の水量密度が連続的に変更されてもよい。

また、当該厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置において、第２冷却機構の散水量の変化は、単調増加や単調減少以外に任意の増減を行うものであってもよい。

当該厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置において、第２冷却機構における幅方向の水量密度の調整は必須ではない。

また、当該厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置において、第１冷却機構及び第２冷却機構の裏面側の冷却手段は省略されてもよい。また、第１冷却機構及び第２冷却機構の裏面側の冷却手段は、スリットジェットノズル及び散水ヘッダーの組合せに限られず、他の冷却手段によって厚鋼板の裏面を冷却してもよい。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

［厚鋼板冷却装置］
本発明の効果を検証するために、幅方向に開口するスリットジェットノズルを有する第１冷却機構と、散水ノズルを有する表面側散水ヘッダーを略間隔を空けずに搬送方向に並べて配設した４つの第２冷却機構及びこれに対向するよう配設した４つの下側散水ヘッダーを備える冷却装置を用意し、以下の実験を行った。

［ノズル条件確認実験］
ノズル条件確認実験として、第２冷却機構の表面側散水ヘッダーの散水ノズルの径、単位面積当たりの散水ノズルの本数、及び散水ノズルの厚鋼板までの平均距離を変えた以下のノズル条件１〜３を用いて、厚鋼板を冷却して冷却後の温度偏差と水量密度との関係を確認した。

なお、このノズル条件確認実験では、第１冷却機構は使用せず、各表面側散水ヘッダーの散水密度は幅方向及び搬送方向に一定とした。また、この実験には、板厚４０ｍｍ、板幅４００ｍｍの厚鋼板を用い、冷却開始温度を８５０℃、冷却停止温度を成り行き（４００℃〜６００℃）とした。そして、冷却後の厚鋼板表面の幅方向各位置の温度の幅方向中心における温度との偏差を測定して平均値を算出することにより、冷却の均一性の指標とした。なお、温度偏差は、冷却後の温度のばらつきが大きい幅方向端部を除外し、幅方向中心から左右に１００ｍｍの範囲内を測定対象とした。また、このノズル条件確認実験は、各表面側散水ヘッダーの水量密度を変更して厚鋼片の冷却を繰り返し行った。

（ノズル条件１）
ノズル条件１としては、散水ノズルの径を３．０×１０^−３ｍ、単位面積当たりの散水ノズルの本数を５５６本／ｍ^２とした４つの上側散水ヘッダーを散水ノズルの厚鋼板までの平均距離が３００ｍｍとなるよう配置した。このノズル条件１では、Ｎ×ｄ^２＝０．００５００４＜０．００５５であった。

（ノズル条件２）
ノズル条件２としては、散水ノズルの径を３．０×１０^−３ｍ、単位面積当たりの散水ノズルの本数を５５６本／ｍ^２とした４つの上側散水ヘッダーを散水ノズルの厚鋼板までの平均距離が５００ｍｍとなるよう配置した。このノズル条件２では、Ｎ×ｄ^２＝０．００５００４＜０．００５５であった。

（ノズル条件３）
ノズル条件３としては、散水ノズルの径を７．８×１０^−３ｍ、単位面積当たりの散水ノズルの本数を８９本／ｍ^２とした４つの上側散水ヘッダーを散水ノズルの厚鋼板までの平均距離が１５００ｍｍとなるよう配置した。このノズル条件３では、Ｎ×ｄ^２＝０．００５４１５＜０．００５５であった。

図４に、上記ノズル条件確認実験の結果を示す。この結果からは、散水ノズルの平均径の２乗に単位面積当たりの散水ノズルの本数を乗じた値（Ｎ×ｄ^２）が小さほど温度偏差が小さくなると考えられる。また、散水ノズルの厚鋼板までの平均距離が小さいほど温度偏差が小さくなると考えられる。また、単位面積当たりの散水ノズルの本数が大きいほど温度偏差が小さくなると考えられる。従って、上記式（１）、式（２）及び（３）を満たすことにより、冷却後の厚鋼板の温度偏差を小さくできると予想される。

［水量密度変更実験］
水量密度変更実験として、上記ノズル条件１で第１冷却機構による冷却を行う場合と行わない場合とで、それぞれ４つの上側散水ヘッダーの水量密度を等しくするときと、上側散水ヘッダーの水量密度を変更するときとについて、厚鋼板の幅方向中心における表面温度が冷却過程でどのように変化するかを確認した。

第１冷却機構による冷却を行った場合に、上側散水ヘッダーの水量密度を搬送方向に一定にしたときと、上側散水ヘッダーの水量密度を搬送方向に変化させたときとについて、それぞれ搬送方向の水量密度変化（ａ）及び鋼板幅方向中央の表面温度変化（ｂ）を図５に示す。

また、第１冷却機構による冷却を行わなかった場合に、上側散水ヘッダーの水量密度を搬送方向に一定にしたときと、上側散水ヘッダーの水量密度を搬送方向に変化させたときとについて、それぞれ搬送方向の水量密度変化（ａ）及び鋼板幅方向中央の表面温度変化（ｂ）を図６に示す。

なお、冷却速度を合わせるために、第１冷却機構による冷却を行う場合には板厚２５ｍｍの厚鋼板を用い、第１冷却機構による冷却を行わない場合には板厚１２．５ｍｍの厚鋼板を用いた。

第１冷却機構による冷却を行った場合、図５に示すように、上側散水ヘッダーの散水量を搬送方向に段階的に小さくすることで、厚鋼板表面の水膜が膜沸騰状態と核沸騰状態との間で不安定になると思われる４００℃以上６００℃以下の遷移温度領域内に厚鋼板の表面温度がある時間を短くすることができた。特に、上側散水ヘッダーの散水量の変化量が徐々に小さくなるようにすることによって、厚鋼板の表面温度が遷移温度領域内にある時間をより効果的に短縮できると考えられる。

逆に、第１冷却機構による冷却を行わなかった場合、図６に示すように、上側散水ヘッダーの散水量を搬送方向に段階的に大きくすることによって、厚鋼板表面の水膜が膜沸騰状態と核沸騰状態との間で不安定になると思われる４００℃以上６００℃以下の遷移温度領域内に厚鋼板の表面温度がある時間を短くすることができた。

このように、本発明の厚鋼板冷却方法を適用することによって、厚鋼板表面の水膜の沸騰状態が不安定になる時間を短くすることができ、結果的に厚鋼板を均一に冷却できると考えられる。

本発明に係る厚鋼板冷却方法及び厚鋼板冷却装置は、熱間圧延後に急速に冷却される厚鋼板の製造に好適に適用できる。

１加熱炉
２粗圧延機
３仕上圧延機
４厚鋼板冷却装置
５レベラー
１０第１冷却機構
１１スリットジェットノズル
１２，１３水切りロール
２０第２冷却機構
２１表面側散水ヘッダー
２２裏面側散水ヘッダー
２３散水ノズル
２４隔壁
２５中央給水流路
２６端部給水流路
２７主調整弁
２８分岐流路
２９分岐調整弁
３０温度測定装置
４０制御機構
Ｐ厚鋼板

Claims

熱間圧延後の厚鋼板の搬送方向に列設される冷却装置を用い、上記厚鋼板を冷却する方法であって、
上記冷却装置が、
搬送方向と垂直の幅方向に略カーテン状に噴水できるスリットジェットノズル及びこのスリットジェットノズルの搬送方向前後に配設される一対の水切りロールを有する第１冷却機構と、
この第１冷却機構の搬送方向下流側に配設され、略等密度で配設される複数の散水ノズルを有する１又は複数の散水ヘッダーを含み、これらの複数の散水ノズルの水量調整により搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更できる第２冷却機構と
を備え、
上記第２冷却機構における散水ノズルの平均径をｄ［ｍ］、上記厚鋼板表面の単位面積当たりの散水ノズルの本数をＮ［本／ｍ^２］、散水ノズルの厚鋼板までの平均距離をＨ［ｍｍ］とした場合、それらの値が下記式（１）、（２）及び（３）を満たし、
上記第１冷却機構による冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更することを特徴とする厚鋼板冷却方法。０．００４≦Ｎ×ｄ^２＜０．００５５・・・（１）
Ｈ≦３００・・・（２）
Ｎ＞５００・・・（３）
上記第１冷却機構が上記スリットジェットノズル及び一対の水切りロールを厚鋼板の表裏に対向するよう有し、上記第２冷却機構が上記散水ノズルを厚鋼板の表裏に対向するよう有する請求項１に記載の厚鋼板冷却方法。
上記第１冷却機構を使用する場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に小さくし、上記第１冷却機構を使用しない場合、上記第２冷却機構による搬送方向の散水量を段階的又は連続的に大きくする請求項１又は請求項２に記載の厚鋼板冷却方法。
上記第１冷却機構を使用する場合、上記第２冷却機構による散水量の搬送方向の変化量を搬送方向下流側に順次小さくする請求項３に記載の厚鋼板冷却方法。
熱間圧延後の厚鋼板の搬送方向に列設され、上記厚鋼板を冷却する装置であって、
搬送方向と垂直の幅方向に略カーテン状に噴水できるスリットジェットノズル及びこのスリットジェットノズルの搬送方向前後に配設される一対の水切りロールを有する第１冷却機構と、
この第１冷却機構の搬送方向下流側に配設され、略等密度で配設される複数の散水ノズルを有する１又は複数の散水ヘッダーを含み、これらの複数の散水ノズルの水量調整により搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更できる第２冷却機構と、
上記第１冷却機構の使用の有無及び第２冷却機構の複数の散水ノズルの搬送方向の水量調整を行う制御機構と
を備え、
上記第２冷却機構における散水ノズルの平均径をｄ［ｍ］、上記厚鋼板表面の単位面積当たりの散水ノズルの本数をＮ［本／ｍ^２］、散水ノズルの厚鋼板までの平均距離をＨ［ｍｍ］とした場合、それらの値が下記式（１）、（２）及び（３）を満たし、
上記制御機構により第１冷却機構の冷却の有無及び厚鋼板冷却条件に応じて上記第２冷却機構による搬送方向の水量密度を段階的又は連続的に変更することを特徴とする厚鋼板冷却装置。
０．００４≦Ｎ×ｄ^２＜０．００５５・・・（１）
Ｈ≦３００・・・（２）
Ｎ＞５００・・・（３）