JP5577655B2 - 熱延鋼板の冷却設備および冷却方法 - Google Patents

Description

この発明は、熱間圧延によって製造される鋼板（熱延鋼板）の冷却設備および冷却方法に関するものである。なお、ここで、上記の熱延鋼板は、熱間圧延によって製造される薄鋼板（鋼帯）と厚鋼板（厚板）を総称したものである。

熱間圧延によって鋼板を製造する熱延鋼板製造ラインでは、例えば、図１に示すような、加熱炉１１、粗圧延機１２、仕上圧延機１３、冷却設備１４、巻き取り機１５を備えた薄鋼板の熱間圧延設備において、加熱炉１１から抽出されたスラブに対して、粗圧延機１２で粗圧延、仕上圧延機１３で仕上圧延を行った後、冷却設備１４で水冷または空冷を行って鋼板の組織を制御している。

鋼板を水冷によって比較的低い温度、例えば５００℃程度に冷却すると、微細なフェライトやベイナイト組織が得られ、鋼板の強度を確保できるので、スプレー冷却水やラミナー冷却水などによって鋼板を冷却する技術が一般的である。また、近年では、高い冷却速度を得て組織をより微細化し、鋼板の強度を上げる技術の開発が盛んである。

例えば、大量の棒状のラミナー冷却水を供給して鋼板を冷却する技術として特許文献１や特許文献２の技術がある。これらは、一例を図７に示すように、この冷却設備１４Ｚは、テーブルローラー２０で搬送される鋼板１０の上方に設置した上ヘッダ４１（上ノズル４２）から鋼板１０幅方向斜め下方に向けて鋼板１０上面に大量の冷却水（棒状冷却水）４３を噴射するものであって、高い冷却速度で均一な冷却ができるとされている。

特開２００７−０９０４２８号公報 特開２００８−２０７２００号公報

しかし、特許文献１、２の技術は、もともと強冷却を行うために、棒状冷却水４３を鋼板１０幅方向斜め下方に向けて噴射するものであるため、比較的低い冷却速度を与えようとすると、水量密度を、すなわち噴射速度を下げなければならないので、図８に示すように、冷却水４３の噴射線は曲線状となり、鋼板１０幅方向中央に冷却水４３が集中して過冷却部分４９が生じ、幅方向に不均一な冷却となってしまう。したがって、広い範囲の冷却速度を設定することができなかった。

例えば、引張強度が４５０ＭＰａ以下の鋼板を製造する場合は、数十℃／ｓ程度の冷却速度があればよいので、冷却水を大量に与える必要はなく、水量密度は１．５ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎ以内とすればよい。このような製品は、工場の生産量の多くの割合を占めるから、特許文献１、２に示されたような冷却設備を設置するわけにはいかず、通常の冷却設備も必要となる。

しかしながら、強冷却用のヘッダと通常の冷却ヘッダを同時に設置することは、設置スペースの問題があってできなかった。

例えば、図２に示すような、強冷却用のヘッダ２１とノズル２２を備えた冷却設備を鋼板１０の上方に設置して斜め前下方に冷却水２３を噴射する場合、ヘッダ２１とヘッダ２１の間が狭くなるので、図３に示すような、通常の冷却ヘッダ２５とノズル２６を備えた冷却設備を一緒に設置することは難しい。強冷却ヘッダ２１の間隔をもう少し開けて、その間に通常冷却ヘッダ２５を設置しようとするのは、強冷却が間欠的となり、冷却速度が低下するので好ましくない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱延鋼板を冷却するに際して、多様な冷却速度を与えることをできる熱延鋼板の冷却設備および冷却方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。

［１］熱延鋼板の製造ラインに設置され、仕上圧延後の鋼板の上面および下面に冷却水を供給する熱延鋼板の冷却設備において、
前記仕上圧延後の鋼板の上面に冷却水を供給するヘッダが、鋼板の直上方にあって、冷却水を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給する通常冷却ヘッダと、鋼板幅方向外側の上方にあって、幅方向内側下方に向かって棒状冷却水を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給する強冷却ヘッダとからなることを特徴とする熱延鋼板の冷却設備。

［２］前記強冷却ヘッダには、内径３〜８ｍｍの円管ノズルが取り付けられており、該円管ノズルから、流速８〜１５ｍ／ｓの棒状冷却水を幅方向内側下方に向かって、その着水点が幅方向で等しい間隔で並ぶように噴射することを特徴とする前記［１］に記載の熱延鋼板の冷却設備。

［３］前記［１］または［２］に記載の冷却設備を用いて鋼板の冷却を行う熱延鋼板の冷却方法であって、製品の必要とする特性に応じて、前記通常冷却ヘッダから冷却水を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板の上面に供給する場合と、前記強冷却ヘッダから棒状冷却水を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板の上面に供給する場合とを使い分けることを特徴とする熱延鋼板の冷却方法。

本発明においては、熱延鋼板を冷却するに際して、多様な冷却速度を与えることをできる。その結果、鋼板に高い冷却速度を与えて、組織を微細化し、高張力鋼板を製造することができるし、引張強度が４５０ＭＰａ以下の一般的な鋼板も高い歩留りで製造することができる。

薄鋼板の熱間圧延設備を示す図。 本発明の一実施形態に係る冷却設備を示す側面図（鋼板幅方向外側）。 本発明の一実施形態に係る冷却設備を示す側面図（鋼板幅方向中央）。 本発明の一実施形態に係る冷却設備を示す上面図。 本発明の一実施形態に係る冷却設備で強冷却を行う時の噴射状態（正面図）。 本発明の一実施形態に係る冷却設備で通常冷却を行う時の噴射状態（正面図）。 従来の強冷却設備で強冷却を行う時の噴射状態（正面図）。 従来の強冷却設備で通常冷却を行う時の噴射状態（正面図）。 本発明の一実施形態に係る冷却設備で通常冷却を行った時の温度分布と従来の強冷却設備で通常冷却を行った時の温度分布の比較図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは、熱延鋼板として、薄鋼板（鋼帯）を対象にして述べる。

この実施形態において用いる薄鋼板の熱間圧延設備は、図１に示したように、加熱炉１１、粗圧延機１２、仕上圧延機１３、冷却設備（ランアウト冷却設備）１４、巻き取り機１５を備えており、加熱炉１１から抽出された被圧延材（スラブ）に対して、粗圧延機１２で粗圧延、仕上圧延機１３で仕上圧延を行った後、ランアウト冷却設備１４で被圧延材（鋼板）の上面と下面に冷却水を供給して、所定の温度まで冷却することで、鋼板の組織を制御してから、巻き取り機１５で巻き取っている。

この熱間圧延設備によって製造する製品は、鋼種や寸法など様々なものがあるが、例えば、板厚２０．０ｍｍで引張強度の目標が７８０ＭＰａの高張力・高靭性鋼板や、板厚２．０ｍｍで引張強度の目標が３４０ＭＰａの高加工性鋼板等である。なお、前記の高張力・高靭性鋼板の仕上圧延終了温度は８００℃であり、巻き取り温度目標は４８０℃である。一方、前記の高加工性鋼板の仕上圧延終了温度は８５０℃であり、巻き取り温度目標は６００℃である。

そして、この実施形態に係る冷却設備１４Ａは、図２に側面図（鋼板幅方向外側）、図３に側面図（鋼板幅方向中央）、図４に上面図を示すように、鋼板１０の上面に冷却水を供給する上ヘッダが、強冷却ヘッダ２１と通常冷却ヘッダ２５からなっており、強冷却ヘッダ２１は、鋼板幅方向外側の上方にあって、幅方向内側下方に向かって棒状冷却水２３を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給し、通常冷却ヘッダ２５は、鋼板１０の直上方にあって、冷却水２７を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給する。

ここで、図４、図５に示すように、強冷却ヘッダ２１は鋼板幅方向の両外側の上方に設置されており、強冷却ヘッダ２１に取り付けた各ノズル２２からは、鋼板１０の上面に向かって棒状冷却水２３を互いに平行になるように噴射しているが、その際に、棒状冷却水２３の噴射線が鋼板幅方向の中心線をまたぐようにしておけば、鋼板１０上に着水後の冷却水２３が鋼板１０上に滞留せず、円滑に排除されるので、均一な冷却が可能である。

また、強冷却ヘッダ２１に取り付けたノズル２２は、内径３〜８ｍｍの円管ノズルとして、流速８〜１５ｍ／ｓの棒状冷却水２３を幅方向内側下方に向かって、その着水点が幅方向で等しい間隔で並ぶように噴射することが好ましい。

なお、図４、図５では、強冷却ヘッダ２１を鋼板幅方向の両外側に設置した場合を示しているが、強冷却ヘッダ２１への給水配管などのスペースがない場合などでは、鋼板幅方向の片方の外側だけに設置してもよい。

一方、図３、図６に示すように、通常冷却ヘッダ２５はテーブルローラー２０の直上に設置されており、通常冷却ヘッダ２５に取り付けた各ノズル２６からは、鋼板１０の上面に向かって冷却水２７が垂直に落下して、鋼板１０を冷却するようになっている。なお、通常冷却ヘッダ２５から供給される冷却水２７は、膜状であっても、スプレー冷却のような噴霧状であってもよい。

なお、図２、図３に示すように、鋼板１０の下面に対しては、下面ヘッダ３１に取り付けた下面ノズル３２から冷却水３３が供給されるようになっている。

そして、この実施形態に係る冷却設備１４Ａを用いる際には、製品の必要とする特性に応じて、強冷却ヘッダ２１から棒状冷却水２３を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板１０の上面に供給する場合と、通常冷却ヘッダ２５から冷却水２７を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板１０の上面に供給する場合とを使い分けるようにする。

このようなこの実施形態に係る冷却設備１４Ａは、ランアウト冷却設備１４の最上流と最下流の両方または片方に設置すればよい。

例えば、ランアウトテーブルで鋼板を６５０℃程度まで水冷した後、数秒間の空冷によってフェライト変態を進行させ、その後に再び水冷して４５０℃程度として、フェライト・ベイナイト２相組織の高加工性の高張力鋼を製造する場合に、この冷却設備１４Ａを用いるとよい。１回目と２回目の水冷の両方または片方を強冷却ヘッダ２１を用いて行うと、通常冷却ヘッダ２５のみを用いる場合よりも水冷時間を短縮できて、その分、空冷時間を長くできる。これによって、フェライト変態を促進させることができるので、高品質の製品を高い歩留りで製造することができる。

さらに、ランアウト冷却設備１４の全体長の内の最上流側１０％の範囲内かまたは最下流側１０％の範囲内に、冷却設備１４Ａの全体または一部が位置するように設置することが望ましい。

すなわち、例えば、全体長が１００ｍのランアウト冷却設備１４の内の最上流側に冷却設備１４Ａを設置する場合は、最上流側１０ｍの範囲内で冷却設備１４Ａによる冷却開始となるようにするのが好ましく、最上流から冷却設備１４Ａによる冷却開始となるようにするのが最も好ましい。仕上圧延機１３から遠くなると、仕上圧延機１３での圧延終了から冷却設備１４Ａによる冷却開始までの時間が長くなりすぎて、この間に再結晶や回復、オーステナイト粒の成長などが進んで、その後に強冷却を行っても鋼板１０の強度アップの効果が得られなくなるおそれがあるからである。

また、例えば、全体長が１００ｍのランアウト冷却設備１４の最下流側に設置する場合は、最下流側１０ｍの範囲で冷却設備１４Ａによる冷却が終了できるようにするのが好ましい。一般的に、ランアウト冷却設備１４の最下流には、巻き取り温度計での温度測定値をフィードバックさせて注水のオンオフを行うフィードバックゾーンを設けるが、フィードバックゾーンに冷却設備１４Ａを設置して、通常冷却ヘッダ２５をそのフィードバック注水用として使ってもよい。あるいは、フィードバックゾーンのすぐ上流側に冷却設備１４Ａを設置してもよい。

上記のようにして、この実施形態においては、薄鋼板（鋼帯）１０を冷却するに際して、多様な冷却速度を与えることをできる。その結果、薄鋼板（鋼帯）１０に高い冷却速度を与えて、組織を微細化し、高張力鋼板を製造することができるし、引張強度が４５０ＭＰａ以下の一般的な鋼板も高い歩留りで製造することができる。

なお、上記の実施形態では、薄鋼板（鋼帯）を対象にして述べたが、本発明は、厚鋼板（厚板）に対しても同様に適用することができる。

本発明の実施例を以下に述べる。

この実施例においては、図１に示した熱間圧延設備を用いて、薄鋼板（鋼帯）の製造を行った。すなわち、加熱炉１１から抽出された被圧延材（スラブ）に対して、粗圧延機１２で粗圧延、仕上圧延機１３で仕上圧延を行った後、ランアウト冷却設備１４で被圧延材（鋼板）の上面と下面に冷却水を供給して、所定の温度まで冷却することで、鋼板の組織を制御するようにし、巻き取り機１５で巻き取った。

その際、製造した製品は、板厚２０．０ｍｍで引張強度の目標が７８０ＭＰａの高張力・高靭性鋼板（鋼板Ａとよぶ）と、板厚２．０ｍｍで引張強度の目標が３４０ＭＰａの高加工性鋼板（鋼板Ｂとよぶ）であった。なお、鋼板Ａの仕上圧延終了温度は８００℃であり、巻き取り温度目標は４８０℃である。一方、鋼板Ｂの仕上圧延終了温度は８５０℃であり、巻き取り温度目標は６００℃である。

そして、本発明例として、ランアウト冷却設備１４の最上流に、図４等に示した本発明の一実施形態に係る冷却設備１４Ａを設置した。その冷却設備１４Ａの長さは２５ｍとした。

なお、冷却設備１４Ａでは、棒状冷却水２３の着水点が幅方向で等しい間隔で並ぶようにするとともに、棒状冷却水２３の噴射線が鋼板幅方向の中心線をまたぐようにして、鋼板１０上に着水後の冷却水２３が鋼板１０上に滞留せず、円滑に排除されるようにした。

その上で、本発明例では、鋼板Ａを製造する際には、冷却設備１４Ａの強冷却ヘッダ２１から棒状冷却水２３を鋼板Ａの上面に噴射して、鋼板Ａを４８０℃まで冷却してから、巻き取った。

その結果、冷却終了後（巻き取り前）の鋼板Ａの温度は、図９中の（ａ）のように均一な分布となり、温度のばらつきを２０℃以内に抑えることができた。

また、本発明例では、鋼板Ｂを製造する際には、冷却設備１４Ａの通常冷却ヘッダ２５から冷却水２７を鋼板Ｂの上面に噴射して、鋼板Ｂを６００℃まで冷却してから、巻き取った。

その結果、冷却終了後（巻き取り前）の鋼板Ｂの温度は、図９中の（ａ）のように鋼板幅方向に均一な分布となり、温度のばらつきを２０℃以内に抑えることができた。そして、冷却速度は５０℃／ｓとなり、フェライトが安定して生成したので、伸び特性がよく、加工性の高い鋼板を製造することができた。

以上のように、本発明例においては、鋼板Ａ、Ｂともに幅方向で均一な冷却を行うことができたから、９９％以上の高い歩留を確保することができた。

これに対して、従来例として、ランアウト冷却設備１４の最上流に、図７に示した従来の冷却設備１４Ｚを設置した。その冷却設備１４Ｚの長さは２５ｍとした。

従来例では、鋼板Ａを製造する際には、冷却設備１４Ｚの強冷却ヘッダ４１から棒状冷却水４３を鋼板Ａの上面に噴射して、鋼板Ａを４８０℃まで冷やしてから、巻き取ったので、前述の本発明例と同様に高い歩留で鋼板Ａを製造することができた。

しかし、従来例では、鋼板Ｂを製造する際に、冷却設備１４Ｚの強冷却ヘッダ４１を用いて鋼板Ｂを冷却すると、冷却速度が高すぎて表層組織の一部がベイナイトになった。その結果、強度が高すぎて、目標とする高加工性を得ることができなかった。

また、従来例において、冷却速度が高くならないように、棒状冷却水４３の噴射速度を下げると、図８に示したように、棒状冷却水４３の噴射線が曲線状となり、板幅方向中央に噴射冷却水が集中して、過冷却部分４９ができた。その結果、鋼板Ｂの幅方向温度分布は、図９中の（ｂ）のようになり、温度むらが７０℃発生した。そして、鋼板Ｂの板幅中央での強度が高すぎて、歩留は６０％と低かった。

また、冷却設備１４Ｚは使用せず、その下流側に設置されている通常冷却ヘッダで鋼板Ｂの冷却を行った場合は、使用できる冷却ゾーン長が短すぎて、鋼板Ｂを６５０℃までしか冷却できず、目標とする巻き取り温度より５０℃も高かった。そのうえ、仕上圧延後から冷却開始までの時間が長かったから、目標とする強度が得にくく、歩留は９０％にとどまった。さらに、本発明例によって鋼板Ｂを製造する場合よりもスケールが厚いので、冷延母材として使用する時は、酸洗ロスが多かった。

１０ 鋼板
１１ 加熱炉
１２ 粗圧延機
１３ 仕上圧延機
１４ 冷却設備（ランアウト冷却設備）
１４Ａ 冷却設備
１４Ｚ 冷却設備
１５ 巻き取り機
２０ テーブルローラー
２１ 上ヘッダ（強冷却ヘッダ）
２２ 上ノズル（円管ノズル）
２３ 冷却水（棒状冷却水）
２５ 上ヘッダ（通常冷却ヘッダ）
２６ 上ノズル
２７ 冷却水
３１ 下ヘッダ
３２ 下ノズル
３３ 冷却水
４１ 上ヘッダ（強冷却ヘッダ）
４２ 上ノズル
４３ 冷却水（棒状冷却水）
４９ 過冷却部分

Claims (5)

1. 熱延鋼板の製造ラインに設置され、仕上圧延後の鋼板の上面および下面に冷却水を供給する熱延鋼板の冷却設備において、
   前記仕上圧延後の鋼板の上面に冷却水を供給するヘッダが、鋼板の直上方にあって、冷却水を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給する通常冷却ヘッダと、鋼板幅方向外側の上方にあって、幅方向内側下方に向かって棒状冷却水を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで供給する強冷却ヘッダとからなり、前記強冷却ヘッダには、複数の円管ノズルが取り付けられており、該円管ノズル群から棒状冷却水を幅方向内側下方に向かって、その着水点が幅方向で等しい間隔で並ぶように噴射することを特徴とする熱延鋼板の冷却設備。
2. 前記強冷却ヘッダは、鋼板幅方向の両外側に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱延鋼板の冷却設備。
3. 各円管ノズルは、棒状冷却水の噴射線が鋼板幅方向の中心線をまたぐように取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱延鋼板の冷却設備。
4. 前記強冷却ヘッダには、内径３〜８ｍｍの円管ノズルが取り付けられており、該円管ノズルから、流速８〜１５ｍ／ｓの棒状冷却水を幅方向内側下方に向かって噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却設備。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の冷却設備を用いて鋼板の冷却を行う熱延鋼板の冷却方法であって、製品の必要とする特性に応じて、前記通常冷却ヘッダから冷却水を流量密度０．５〜２．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板の上面に供給する場合と、前記強冷却ヘッダから棒状冷却水を流量密度２．０〜１０．０ｍ^３／ｍ^２・ｍｉｎで鋼板の上面に供給する場合とを使い分けることを特徴とする熱延鋼板の冷却方法。

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