JPH081232A - 熱間圧延線材の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水冷による冷却速度を低下させることなく、
線材への赤スケールの発生を抑制する。 【構成】 仕上熱間圧延機１で圧延された熱間圧延線材
Ｗを前段水冷ゾーン２ａ，２ｂ，２ｃで強冷した後、こ
の前段水冷ゾーンの最終の第３水冷ゾーン２ｃと第４水
冷ゾーン２ｅとの間の復熱ゾーン２ｄで、第４水冷ゾー
ン２ｅの入側における線材の最表層部の引張り応力が０
以上であってかつ第３水冷ゾーン２ｃの出側における線
材の最表層部の引張り応力の１／２以下になるように復
熱させると共に第４水冷ゾーン２ｅで弱冷することによ
り、第４水冷ゾーン２ｅからコンベア４に至るまでの復
熱過程における熱応力の変化の程度を少なくすることが
でき、熱間圧延線材Ｗの最表層部の結晶同士間のスリッ
プ現象が抑制されるので、熱間圧延線材Ｗの最表層部に
おける赤スケールの発生が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間圧延線材の冷却方
法に係り、より詳しくは、圧延速度を低下させることな
く、粉状の赤スケールの発生を効果的に防止することを
可能ならしめるようにした熱間圧延線材の冷却方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、熱間圧延線材の最表層部
には、その冷却過程に起因して、しばしば粉状の赤スケ
ールが発生する。赤スケールは、スケール最表層のヘマ
タイト（Ｆｅ₂ Ｏ₃ ）がウイスカー状に成長したもので
ある。勿論、このような赤スケールは、線材製品の機械
的強度に悪影響を及ぼすようなことがないので、特に問
題視しない顧客がある反面、製品である線材の表面美観
を損なうばかりでなく、線材の最表層部から離反し、そ
して浮遊粉塵として大気中を漂って作業環境を悪化させ
るので、赤スケールのある線材を不良品と見做す顧客が
ある。そこで、そのような顧客から線材を受注した場合
には、熱間圧延機の圧延速度を遅くすることにより赤ス
ケールの発生を防止していた。

【０００３】つまり、赤スケールの発生防止のために圧
延速度を遅くするのは、熱間圧延線材の巻取り温度ある
いは巻取り後のループレイヤーの所定位置での載置温度
を同温にする場合、圧延仕上げ温度を低温にすることが
でき、その分だけ水冷ゾーンにおける熱間圧延線材の温
度低下が少なくなり、冷却過程での熱間圧延線材の断面
内の温度分布が小さくなって赤スケールが発生し難くな
るということを経験的に把握していたためである。しか
しながら、圧延速度を遅くすると、熱間圧延線材の赤ス
ケールの発生を防止し得るものの、線材の生産性を向上
させることができないという解決すべき課題が生じる。
そのため、圧延速度を低下させることなく赤スケールの
防止が可能な熱間圧延線材の冷却方法の実現が望まれて
いた。

【０００４】ところで、熱間圧延線材の赤スケールの発
生防止に関しては、例えば、特開昭５７−１０６４２３
号公報に示されている。これは、水冷時間ｔ_W と、大気
中の二次冷却での冷却速度Ｖ_TCを関連付けて、赤スケー
ルの発生防止条件を示したものであり、ｔ_W ≦｛4.25×
10^-3(min／℃）・Ｖ_TC（℃／min)＋0.57｝（ｓ）の式を
満足するように、水冷時間ｔ_W と冷却速度Ｖ_TCとを決定
してやれば、赤スケールの発生を効果的に防止すること
ができるというものである。より詳しくは、赤スケール
の発生に及ぼす水冷時間ｔ_W と大気中での冷却速度Ｖ_TC
との関係を、縦軸にＶ_TC（℃／ｍｉｎ）をとり、横軸に
ｔ_W （ｓ）をとって示す図８中の一次関数Ｖ_TC＝２３５
ｔ_W −１３５の左側領域とすれば良いというものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に係る冷
却方法は、単に一義的に、水冷時間ｔ_W と大気中の二次
冷却での冷却速度Ｖ_TCを規定しているだけであって、熱
間圧延線材の寸法および水冷ゾーンの配置等の影響は全
く配慮されていない。また、示されているｔ_W とＶ_TCの
関係式Ｖ_TC＝２３５ｔ_W −１３５も実験的に決定したも
のであるため、この従来技術に係る冷却方法は厳密性に
乏しいという問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的とするところは、赤
スケールの発生の有無の判定基準を明らかにすることに
より、圧延速度を低下させることなく、しかも確実に赤
スケールの発生を防止することを可能ならしめる普遍的
な熱間圧延線材の冷却方法を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】例えば、Growth of Oxid
e Whiskers on Metals at High Temperature（JOUNALOF
THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN ，Vol.12,No.11,NOVE
MBER,1957）に記載されているように、結晶同士間のス
リップによってもたらされる転位に関連した酸素の拡散
によりウイスカー状の赤スケールが発生するのである
が、発明者等は鋭意研究を重ねた結果、熱間圧延線材の
赤スケールの発生原因となる結晶同士間のスリップ現象
が、冷却過程における熱間圧延線材の断面内温度分布に
基づく熱応力に起因し、しかも最表層部の熱応力が引張
り応力から、大きく圧縮応力に変わる際の大きな応力変
化に関連しているこを知見して、本発明に係る熱間圧延
線材の冷却方法をなすに至ったものである。

【０００８】従って、上記課題を解決するために、本発
明の請求項１に係る熱間圧延線材の冷却方法が採用した
手段の特徴とするところは、熱間圧延機で圧延された熱
間圧延線材をループレイヤー、コンベアを介して巻き取
るに際して、前記熱間圧延機で圧延された熱間圧延線材
を複数の水冷ゾーンからなる前記熱間圧延機とループレ
イヤーとの間に設けられた水冷ラインで冷却する熱間圧
延線材の冷却方法において、前記熱間圧延線材を、前記
水冷ラインの最終水冷ゾーンの上流側水冷ゾーンで強冷
した後、前記最終水冷ゾーンの上流側直前の水冷ゾーン
と最終水冷ゾーンとの間に設けられた復熱ゾーンで、該
最終水冷ゾーンの入側における熱間圧延線材の最表層部
の引張り応力が０以上であってかつ該最終水冷ゾーンの
上流側直前の水冷ゾーンの出側における熱間圧延線材の
最表層部の引張り熱応力の１／２以下になるように復熱
させると共に、復熱させた熱間圧延線材を前記最終水冷
ゾーンで弱冷するところにある。

【０００９】また、本発明の請求項２に係る熱間圧延線
材の冷却方法が採用した手段の特徴とするところは、請
求項１記載の熱間圧延線材の冷却方法において、前記上
流側水冷ゾーンの単位長さ当たりの冷却能力と、前記最
終水冷ゾーンの単位長さ当たりの冷却能力との冷却能力
比を１〜４対１とするところにある。

【００１０】また、本発明の請求項３に係る熱間圧延線
材の冷却方法が採用した手段の特徴とするところは、請
求項１，２記載の熱間圧延線材の冷却方法において、実
機の線材圧延ラインで予め精度を検証した熱間圧延線材
の温度計算モデルを用いて前記線材圧延ラインの水冷過
程での熱間圧延線材の温度・熱応力解析で求めた値か
ら、前記最終水冷ゾーンで弱冷された熱間圧延線材が最
終水冷ゾーンの出側から復熱しながらコンベア上に至
り、断面内の温度が一定になるまでの復熱時間の間の熱
間圧延線材の最表層部の熱応力の変化と定義する熱応力
緩和速度を求め、該熱応力緩和速度が予め設定した値以
下になるように前記熱間圧延線材を復熱させるところに
ある。

【００１１】

【作用】本発明の請求項１に係る熱間圧延線材の冷却方
法によれば、熱間圧延機から出た高温の熱間圧延線材
は、冷却能力を大きくした水冷ラインの最終水冷ゾーン
の上流側水冷ゾーンで冷却されるが、上流側水冷ゾーン
では熱間圧延線材の最表層部には、断面内温度分布に基
づいて引張り応力が作用するが、急激な応力の緩和がな
いため、熱間圧延線材の温度降下量を比較的大きくする
ことができ、熱間圧延線材を効果的に冷却することがで
きる。一方、上流側水冷ゾーンでの冷却で生じた熱間圧
延線材の断面内温度分布に基づいた引張り応力は、最終
冷却ゾーンの上流側直前の水冷ゾーンと最終水冷ゾーン
との間に設けられた復熱ゾーンで、前記最終冷却ゾーン
の入側における熱間圧延線材の最表層部の引張り熱応力
が０以上であってかつこの最終水冷ゾーンの上流側直前
の水冷ゾーンの出側における熱間圧延線材の最表層部の
引張り熱応力の１／２以下になるように復熱され、次い
で最表層部温度と内部温度との温度差、即ち断面内温度
差に起因する熱応力が小さく保持されながら最終水冷ゾ
ーンで弱冷されるので、最終冷却ゾーンの出側からコン
ベアに至るまでの空冷過程、即ち復熱過程での熱間圧延
線材の最表層部の応力緩和（応力変化）の程度、即ち前
述の応力緩和速度を小さくすることができ、熱間圧延線
材の最表層部の結晶同士間のスリップ現象が抑制される
と考えられ、赤スケールの発生抑制に効果的となる。

【００１２】また、本発明の請求項２に係る熱間圧延線
材の冷却方法によれば、最終水冷ゾーンの冷却能力を１
としたとき、熱間圧延機から出た高温の熱間圧延線材が
水冷ラインの最終水冷ゾーンの上流側水冷ゾーンで１〜
４倍の冷却能力で冷却されるが、上記のように、上流側
水冷ゾーンでは熱間圧延線材の最表層部には、断面内温
度分布に基づいて引張り応力が作用するが、急激な応力
緩和がないため、熱間圧延線材の温度降下量を比較的大
きくすることができ、熱間圧延線材を効果的に冷却する
ことができる。一方、上流側水冷ゾーンで生じた熱間圧
延線材の断面内温度分布に基づいた引張り応力は、最終
水冷ゾーンの上流側直前の水冷ゾーンと最終水冷ゾーン
との間に設けられた復熱ゾーンで、前記最終水冷ゾーン
の入側における熱間圧延線材の最表層部の引張り熱応力
が０以上であってかつこの最終水冷ゾーンの上流側直前
の水冷ゾーンの出側における熱間圧延線材の最表層部の
引張り熱応力の１／２以下になるように復熱され、次い
で最表層部温度と内部温度との温度差、即ち断面内温度
差に起因する熱応力が小さく保持されながら最終水冷ゾ
ーンで弱冷されるので、最終冷却ゾーンの出側からコン
ベアに至るまでの空冷過程、即ち復熱過程での熱間圧延
線材の最表層部の応力緩和速度を小さくすることがで
き、熱間圧延線材の最表層部の結晶同士間のスリップ現
象が抑制されると考えられ、赤スケールの発生抑制に効
果的となる。

【００１３】また、本発明の請求項３に係る熱間圧延線
材の冷却方法によれば、熱間圧延線材の径に応じて、応
力緩和速度を予め定めて前記最終水冷ゾーンの出側から
コンベアに至るまでの空冷過程、即ち復熱過程において
その応力緩和速度以下になるように、上記のとおり、上
流側水冷ゾーン、復熱ゾーン、最終水冷ゾーンでの冷却
を調整することにより、熱間圧延線材の最表層部の熱応
力変化を小さくすることができるので、最表層部におけ
る結晶同士間のスリップ現象を抑制することができると
考えられ、赤スケールの発生抑制に効果的となる。そし
て、演算で求められる熱応力緩和速度を活用するので普
遍性も高い。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る熱間圧延線材の
冷却方法を実施するのに用いた水冷ラインを含む線材圧
延ラインの仕上部を示す模式的構成説明図の図１と、熱
応力緩和速度と復熱速度との関係説明図の図２と、冷却
能力の配分比と熱応力緩和速度との関係説明図の図３
と、復熱時間と熱間圧延線材の径との関係説明図の図４
と、本発明の冷却方法による熱間圧延線材の水冷過程に
おける温度の推移説明図の図５（ａ）と、水冷に伴う熱
間圧延線材の熱応力の推移説明図の図５（ｂ）と、従来
の冷却方法による熱間圧延線材（比較例１）の水冷過程
における温度の推移説明図の図６（ａ）と、水冷に伴う
熱間圧延線材の熱応力の推移説明図の図６（ｂ）と、従
来の冷却方法による熱間圧延線材（比較例２）の水冷過
程における温度の推移説明図の図７（ａ）と、水冷に伴
う熱間圧延線材の熱応力の推移説明図の図７（ｂ）とを
参照しながら説明する。

【００１５】先ず、本発明に係る熱間圧延線材の冷却方
法を実施するのに用いた水冷ラインを含む線材圧延ライ
ンの仕上部を、図１を参照しながら説明すると、同図に
示す符号１は、仕上げ熱間圧延機（以下、ミルとい
う。）であり、このミル１で圧延された熱間圧延線材Ｗ
の搬送先側には、ミル１側から順に第１水冷ゾーン２
ａ、第２水冷ゾーン２ｂ、第３水冷ゾーン２ｃ、復熱ゾ
ーン２ｄ、最終水冷ゾーンである第４水冷ゾーン２ｅと
からなる水冷ライン２が配置され、次いでループレイヤ
ー３、このループレイヤー３で螺旋状に巻かれた熱間圧
延線材Ｗを搬送するコンベア４が配置されてなる構成に
なっている。

【００１６】つまり、ミル１で圧延された高温の熱間圧
延線材Ｗは、第１水冷ゾーン２ａ、第２水冷ゾーン２
ｂ、第３水冷ゾーン２ｃに順次通されて冷却され、次い
で復熱ゾーン２ｄで復熱された後に第４水冷ゾーン２ｅ
で冷却されると共に、この第４水冷ゾーン２ｅを出てル
ープレイヤー３で螺旋状に巻かれてコンベア４に載置、
搬送される過程で、空冷あるいは風冷され、予め設定し
た範囲内の温度に冷却される。

【００１７】発明者等は、上記構成になる線材圧延ライ
ンによる線材の圧延テスト中に、熱間圧延線材Ｗの冷却
過程において、その断面内に生じる温度分布に基づく熱
応力分布に起因して熱間圧延線材Ｗに赤スケールが発生
し、特に、断面内の熱応力分布が大きいほど赤スケール
が発生し易いという事実を突き止めた。より具体的に
は、赤スケールは、第４水冷ゾーンによる水冷後の復熱
過程における熱間圧延線材Ｗの最表層部の後述する定義
になる熱応力緩和速度が大きいほど発生し易いというこ
とを確認した。

【００１８】そして、発明者等は、鋭意研究を重ねた結
果、このような赤スケールの発生を防止するためには、
熱間圧延線材Ｗの断面内の熱応力分布（温度分布）に基
づいた判定パラメータを設定し、この判定パラメータの
値をある基準以下にすることが極めて有効であるという
結論を導き出した。また、このような判定パラメータと
しては、前記熱応力緩和速度あるいは後述する定義にな
る復熱速度が有効であることも突き止めた。

【００１９】なお、前記判定パラメータのうち、熱応力
緩和速度（ｋｇｆ／ｍｍ² ／ｓ）は、前記第４水冷ゾー
ン２ｅで弱冷された熱間圧延線材Ｗが、この第４水冷ゾ
ーン２ｅの出側から復熱しながらコンベア４上に至り、
断面内の温度が一定になるまでの復熱時間（ｓ）の間の
熱間圧延線材Ｗの最表層部の熱応力の変化と定義される
ものである。また、復熱速度（℃／ｓ）は、第４水冷ゾ
ーン２ｅの出側から復熱しながらコンベア４上に至り、
断面内の温度が一定になるまでの熱間圧延線材Ｗの最表
層部の復熱温度（℃）を、前記復熱時間（ｓ）で除した
値と定義されるものである。

【００２０】さらに、前記熱応力緩和速度と復熱速度と
の関係は、直径９ｍｍの炭素鋼線材について、縦軸に熱
応力緩和速度（ｋｇｆ／ｍｍ² ／ｓ）をとり、横軸に復
熱速度（℃／ｓ）をとって示す図２のように、一義的に
対応しており、しかも、熱応力緩和速度を約２５ｋｇｆ
／ｍｍ² 以下とすれば、熱間圧延線材Ｗの赤スケールの
発生を確実に防止し得ることが判った。勿論、熱応力緩
和速度は主に熱間圧延線材Ｗの径によって相違するの
で、予め実機の線材圧延ラインにおいて精度を検証した
熱間圧延線材の温度計算モデルを用いて、水冷過程での
温度・熱応力解析を行って熱応力緩和速度を求め、求め
られる熱応力緩和速度が予め設定した値以下になるよう
に、冷却過程における熱間圧延線材の冷却条件を設定す
れば良い。つまり、これにより、本発明に係る熱間圧延
線材の冷却方法の普遍性が確保されるものである。

【００２１】ところで、従来の線材圧延ラインの水冷ラ
イン２では、複数ある水冷ゾーンそれぞれの冷却域単位
長さ当たりの冷却水量は等しく設定されていることが多
い。このような冷却方法であると、熱間圧延線材Ｗが水
冷ライン２の各水冷ゾーンを通過するにつれてその断面
内の熱応力分布（温度分布）は大きくなり、最終水冷ゾ
ーンである第４水冷ゾーン２ｅの後工程の空冷、風冷に
よる復熱領域においても前記判定パラメータ、つまり熱
応力緩和速度、復熱速度が比較的大きく、製品である線
材に赤スケールが発生する場合が多い。

【００２２】そこで、図１に示す冷却ライン２で詳細に
検証した温度計算モデルを用いて、圧延速度をそれほど
低下させることなく前記判定パラメータの値を小さくし
得る冷却方法を検討した結果、水冷ライン２の第１水冷
ゾーン２ａ、第２水冷ゾーン２ｂ、第３水冷ゾーン２ｃ
（以下、前段水冷ゾーンという。）と、第４水冷ゾーン
２ｅとの冷却能力の適切な配分および復熱ゾーン２ｄの
長さの適切な選定が有効であることが判った。つまり、
熱応力緩和速度や復熱速度という概念の採用による熱間
圧延線材Ｗの赤スケールの発生防止には、前記復熱ゾー
ン２ｄにおいて、ある温度だけは必ず復熱させる場合に
限り有効になる。以下、これら前段水冷ゾーンと第４水
冷ゾーン２ｅとの冷却能力の配分比および復熱ゾーン２
ｄの長さの限定条件を説明する。

【００２３】先ず、冷却能力の配分比の限定条件につい
ては、図１に基づいて説明した水冷ライン２で、線材寸
法φ９ｍｍの炭素鋼線材（仕上げ圧延速度６０ｍ／ｓ）
を冷却する場合を考える。この場合、前段水冷ゾーン２
ａ、２ｂ、２ｃおよび第４水冷ゾーン２ｅの冷却能力の
配分比を１．０〜７．０まで変化させて、前段水冷ゾー
ン２ａ、２ｂ、２ｃおよび第４水冷ゾーン２ｅによる水
冷後の熱間圧延線材Ｗの最表層部の熱応力緩和速度を求
めた。その結果は、縦軸に熱応力緩和速度をとり、横軸
に冷却能力配分比をとって示す図３のとおりである。こ
こで、何れの配分比の場合も、熱間圧延線材Ｗの巻取り
後のコンベア上の所定の位置での温度は８７３〜８７６
℃である。

【００２４】図３によれば、前記冷却能力の配分比が大
きくなればなるほど熱間圧延線材Ｗの最表層部の熱応力
緩和速度が小さくなることが判る。つまり、このことは
前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃの冷却能力を大きくし
て行くことにより、熱間圧延線材Ｗの巻取り後の所定の
位置での温度を同温とした場合に、最終水冷ゾーンであ
る第４水冷ゾーン２ｅでの冷却能力を小さくでき、最終
水冷ゾーン２ｅの出側での断面内温度差（温度分布）に
基づく熱応力分布を小さくすることができる。その結
果、最終水冷ゾーン２ｅの出側からコンベアに至るまで
の空冷領域における空冷過程、即ち復熱過程での熱間圧
延線材Ｗの最表層部の応力緩和速度を小さくでき、製品
である線材に赤スケールが発生し難くなることを示唆す
るものである。なお、これらの冷却能力は水冷ゾーンの
単位長さ当たりの冷却水量に対応するもので、冷却能力
の配分比１．０では前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃと
第４水冷ゾーン２ｅとの実冷却能力の比はおよそ３対１
となり、また冷却能力の配分比７．０の場合の実冷却能
力の比はおよそ２１対１となるものである。

【００２５】上記のとおり、前段水冷ゾーン２ａ、２
ｂ、２ｃの冷却能力を大きくすればするほど、熱応力緩
和速度は小さくなり、赤スケールの発生防止に効果的で
あることが示されている。しかしながら、前段水冷ゾー
ン２ａ、２ｂ、２ｃの冷却能力を大きくし過ぎると、最
終水冷ゾーンである第４水冷ゾーン２ｅの冷却能力が小
さくなり過ぎ、即ち冷却水量が少なくなり過ぎ、水冷管
内の冷却水の流れが不均一になり、また制御が困難にな
って均一に水冷することができなくなる。

【００２６】さらに、最終水冷ゾーンである第４水冷ゾ
ーン２ｅでの水冷の程度が少ないから、熱間圧延線材Ｗ
は、結果的に復熱ゾーン２ｄの直前の第３水冷ゾーン２
ｃの出側から復熱した場合と類似の冷却来歴を辿ること
になる。つまり、前段水冷ゾーン２ａ，２ｂ，２ｃでの
水冷の程度が大きく、従って水冷ゾーン２ｃの出側の熱
間圧延線材Ｗの断面内温度分布、即ち熱応力分布が大き
な状態から復熱した場合と同様の来歴をとるため、水冷
ゾーン２ｃ以後の熱応力緩和速度が実質的に大きくなる
ので、製品である線材に対する赤スケールの発生防止に
対して寄与することができなくなる。

【００２７】勿論、図１に示す水冷ライン２による実操
業範囲では、前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃと第４水
冷ゾーン２ｅとの冷却能力の比を１〜４対１程度にして
おくことが望ましい。このように、冷却能力の比を４対
１にすれば、第４水冷ゾーン２ｅの冷却能力は、通常の
操業範囲においては約８．３８×１０⁶ Ｊ／ｍ² ｈ℃
（２０００ｋｃａｌ／ｍ² ｈ℃）程度となり、冷却管内
の冷却水の流れの不均一や制御性の問題は解消される。

【００２８】次に、前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃと
第４水冷ゾーン２ｅとの間に設けられている復熱ゾーン
２ｄの長さについて規定する。赤スケールの発生を防止
するには、上記のとおり、この復熱ゾーン２ｄで復熱さ
せて熱間圧延線材Ｗの断面内温度分布を小さくしておく
必要がある。これにより、第４水冷ゾーン２ｅ通過後の
空冷または風冷による復熱領域における熱応力緩和速度
が小さくなり、赤スケールの発生を抑制することが可能
になる。

【００２９】即ち、復熱ゾーン２ｄの長さがあまり短か
過ぎると、復熱が不十分であるために熱間圧延線材Ｗの
断面内温度分布が小さくならず、第４水冷ゾーン２ｅ通
過後の応力緩和速度もあまり小さくならないので、上記
理由により、赤スケールの発生防止に対して効果がな
い。逆に、前記復熱ゾーン２ｄの長さが非常に長けれ
ば、この復熱ゾーン２ｄで熱応力の緩和が終了してしま
い、熱間圧延線材Ｗの最表層部の応力が前段水冷ゾーン
２ａ、２ｂ、２ｃによる水冷終了後の引張り応力から圧
縮応力に急激に変化するので、赤スケールが極めて発生
し易い状態になってしまう。

【００３０】上記のような事実から勘案すると、復熱ゾ
ーン２ｄの長さは、前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃの
出側における熱間圧延線材Ｗの最表層部の熱応力値を１
／２程度に減少させることのできる長さ以上であって、
かつ熱間圧延線材Ｗの最表層部の引張り応力が圧縮応力
に変化しない程度、つまり熱間圧延線材Ｗの最表層部の
熱応力が０となる程度に止め得る長さ以下にすることが
望ましい。

【００３１】直径の異なる熱間圧延線材Ｗのそれぞれ
を、図１に示した水冷ライン２で冷却する場合、復熱ゾ
ーン２ｄにおける復熱過程において、熱間圧延線材Ｗの
最表層部の熱応力が第３水冷ゾーン２ｃの出側における
応力の１／２になるまでの時間（白丸で示している。）
および０になるまでの時間（白丸で示している。）を、
前述の温度・熱応力計算モデルを用いて算出した結果
は、縦軸に時間（ｓ）をとり、横軸に熱間圧延線材とし
て炭素鋼線材の径（ｍｍ）をとって示す図４のとおりで
ある。

【００３２】つまり、復熱ゾーン２ｄの長さとしては、
図４に示す斜線の復熱時間がとれるような長さが望まし
く、この水冷ライン２における通常の操業条件では、復
熱ゾーン２ｄの長さは、およそ０．３〜７．５ｍの範囲
となる。なお、各直径の熱間圧延線材それぞれの巻取り
後の所定位置での線材表面温度は何れも約８７５℃であ
り、圧延速度はそれぞれφ６．４ｍｍの場合が８０ｍ／
ｓ、φ９ｍｍの場合が６０ｍ／ｓ、φ１２ｍｍの場合が
３８ｍ／ｓである。

【００３３】一般に、熱間圧延線材の仕上げ圧延速度は
各工場によって異なるものであり、それに応じて図４に
示した復熱時間の範囲も幾分異なるものである。具体的
には、圧延速度がより高速になれば、前段水冷ゾーン２
ａ、２ｂ、２ｃの出側から熱間圧延線材の最表層部の熱
応力が１／２に減少するのに必要な復熱ゾーン２ｄの長
さは長くなる傾向がある。従って、復熱ゾーン２ｄの長
さは約０．５ｍは必要である。同様に、復熱ゾーン２ｄ
の最大長さは、必ずしも７．５ｍに限定されるものでは
ない。しかし、あまりに長すぎると、水冷ライン２のレ
イアウト全体が大規模なものとなり、通常１０ｍ程度に
止めておくことが望ましい。

【００３４】以下、図１に基づいて説明した水冷ライン
２により実施した、本発明の熱間圧延線材の冷却方法に
係る実施例を説明する。但し、復熱ゾーン２ｄの長さ
は、第４水冷ゾーン２ｅの長さの５４％とした。線径が
φ９ｍｍの熱間圧延線材（それぞれ５本づつ）について
行った本発明の実施例と、前段水冷ゾーン２ａ，２ｂ，
２ｃと第４水冷ゾーン２ｅとの冷却能力を等しくした比
較例１，２とについて、熱間圧延線材Ｗの冷却条件の差
に基づく赤スケール発生の有無を調べた。

【００３５】なお、本発明の実施例における熱間圧延線
材の温度の推移（縦軸は温度℃、横軸は冷却開始からの
距離ｍ）と熱応力の推移（縦軸は熱応力ｋｇｆ／ｍ
ｍ² 、横軸は冷却開始からの距離ｍ）は図５（ａ），５
（ｂ）に示すとおりであり、比較例１における熱間圧延
線材の温度の推移と熱応力の推移は図６（ａ），６
（ｂ）に示すとおりであり、さらに比較例２における熱
間圧延線材の温度の推移と熱応力の推移は図７（ａ），
７（ｂ）に示すとおりである。

【００３６】図５（ａ），５（ｂ）に示す本実施例は圧
延速度が６０ｍ／ｓ、冷却能力の配分比が２．５３対１
であって、熱間圧延線材に赤スケールが発生しておら
ず、図６（ａ），６（ｂ）に示す比較例１は圧延速度が
５０ｍ／ｓ、冷却能力の配分比が１対１で、圧延速度が
遅いことに起因して赤スケールが発生しておらず、そし
て図７（ａ），７（ｂ）に示す比較例２は圧延速度が６
０ｍ／ｓ、冷却能力の配分比が１対１で、赤スケールが
発生している。これら各図の比較において、本発明の実
施例になる熱間圧延線材の温度推移と熱応力の推移は、
比較例１と比較例２とのほぼ中間状態にあり、圧延速度
が比較例２の場合と同等であるにもかかわらず、冷却能
力比の配分の相違により赤スケールの発生が防止されて
いる。

【００３７】以下、以上の比較を、熱応力緩和速度、復
熱速度などを含めて取纏めたものを表１に示す。

【表１】

【００３８】表１において、本実施例と各水冷ゾーンに
均等に冷却能力を配分した比較例２とを比べた場合、圧
延速度および巻取り温度が同じでも、第４水冷ゾーン２
ｅの冷却能力を、前段水冷ゾーン２ａ，２ｂ，２ｃの冷
却能力よりも小さくし、さらに熱応力緩和速度、復熱速
度を比較例１に近い値にすることにより、製品である線
材への赤スケールの発生が防止されていることが判る。
一方、各水冷ゾーンに均等に冷却能力を配分した比較例
１では、熱応力緩和速度、復熱速度を小さくするために
圧延速度を５０ｍ／ｓにしなければ、赤スケールの発生
を抑制することができない。このように、本発明に係る
熱間圧延線材の冷却方法によれば、圧延速度を１０ｍ／
ｓ程度速くしても線材製品に赤スケールが発生せず、線
材製品の生産性の低下を防止することができる。

【００３９】ところで、以上では、限られた冷却能力の
配分比と熱応力緩和速度との場合を例として説明した
が、直径の異なる熱間圧延線材に対する種々のテストの
結果、冷却能力の配分比は１〜４対１の範囲、つまり前
段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃと第４水冷ゾーン２ｅと
の間の復熱領域２ｄにおける復熱が、前記第４水冷ゾー
ン２ｅの入側における熱間圧延線材Ｗの最表層部の引張
り応力が０以上であってかつこの第４水冷ゾーン２ｅの
上流側直前の第３水冷ゾーン２ｃの出側における熱間圧
延線材Ｗの最表層部の引張り熱応力の１／２以下であれ
ば、線材に全く赤スケールが発生しないことを確認し
た。また、以上では、前段水冷ゾーン２ａ、２ｂ、２ｃ
と第４水冷ゾーン２ｅからなる４つの水冷ゾーンを水冷
ライン２を用いた場合の例を説明したが、予め実機の水
冷ラインで精度を検証した温度モデルを用いて種々の径
の熱間圧延線材に対する熱応力緩和速度と復熱速度とを
設定しておけば、構成の相違する水冷ゾーンを有する他
の線材圧延ラインに対する適用も可能である。なお、上
記熱応力値は、実機の線材圧延ラインで予め精度を検証
した熱間圧延線材の温度計算モデルを用いての線材圧延
ラインの水冷過程での温度解析結果に基づいた熱間圧延
線材の最表層部にスケールが成長していくとみなした場
合（即ち、最表層部はスケール層）の弾性解析によるも
のである。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る熱間
圧延線材の冷却方法によれば、熱間圧延機から出た高温
の熱間圧延線材を、上流側水冷ゾーンでは熱間圧延線材
の最表層部には、断面内温度分布に基づいて引張り応力
が作用するが、急激な応力緩和がないため、熱間圧延線
材の温度降下量を比較的大きくすることができ、熱間圧
延線材を効果的に冷却することができる。一方、上流側
水冷ゾーンでの冷却で生じた熱間圧延線材の断面内温度
分布に基づいた引張り応力は、最終冷却ゾーンの上流側
直前の水冷ゾーンと最終水冷ゾーンとの間に設けられた
復熱ゾーンで、前記最終冷却ゾーンの入側における熱間
圧延線材の最表層部の引張り熱応力が０以上であってか
つ最終冷却ゾーンの上流側直前の水冷ゾーンの出側にお
ける熱間圧延線材の最表層部の引張り熱応力の１／２以
下になるように復熱され、次いで最表層部温度と内部温
度との温度差、即ち断面内温度差に起因する熱応力を小
さく保持しながら最終水冷ゾーンで弱冷されるので、最
終冷却ゾーンの出側からコンベアに至るまでの空冷過
程、即ち復熱過程での熱間圧延線材の最表層部の応力緩
和速度を小さくすることができ、赤スケール発生防止
と、生産性の向上とに対して多大な効果がある。さら
に、実際の線材圧延ラインで予め精度を検証した熱間圧
延線材の温度計算モデルを用いて前記線材圧延ラインの
水冷過程での熱間圧延線材の温度・熱応力解析で求めた
熱応力緩和速度を活用するので、他の線材圧延ラインや
線径の相違する熱間圧延線材に対しても容易に適用で
き、その普遍性が優れているという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱間圧延線材の冷却方法
を実施するのに用いた水冷ラインを含む線材圧延ライン
の仕上部を示す模式的構成説明図である。

【図２】本発明の実施例に係る熱間圧延線材の冷却方法
の熱応力緩和速度と復熱速度との関係説明図である。

【図３】本発明の実施例に係る熱間圧延線材の冷却方法
の冷却能力の配分比と熱応力緩和速度との関係説明図で
ある。

【図４】本発明の実施例に係る熱間圧延線材の冷却方法
の復熱時間と熱間圧延線材の径との関係説明図である。

【図５】図５（ａ）は本発明の実施例に係る熱間圧延線
材の冷却方法による熱間圧延線材の水冷過程における温
度の推移説明図であり、図５（ｂ）は水冷に伴う熱間圧
延線材の熱応力の推移説明図である。

【図６】図６（ａ）は従来の冷却方法による熱間圧延線
材（比較例１）の水冷過程における温度の推移説明図で
あり、図６（ｂ）は水冷に伴う熱間圧延線材の熱応力の
推移説明図である。

【図７】図７（ａ）は従来の冷却方法による熱間圧延線
材（比較例２）の水冷過程における温度の推移説明図で
あり、図７（ｂ）は水冷に伴う熱間圧延線材の熱応力の
推移説明図である。

【図８】従来例に係り、赤スケールの発生に及ぼす水冷
時間ｔ_W と大気中での冷却速度Ｖ_TCとの関係説明図であ
る。

【符号の説明】

１…ミル（熱間圧延機） ２…水冷ライン，２ａ…第１水冷ゾーン，２ｂ…第２水
冷ゾーン，２ｃ…第３水冷ゾーン，２ｄ…復熱ゾーン，
２ｅ…第４水冷ゾーン ３…ループレイヤー ４…コンベア Ｗ…熱間圧延線材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間圧延機で圧延された熱間圧延線材を
   ループレイヤー、コンベアを介して巻き取るに際して、
   前記熱間圧延機で圧延された熱間圧延線材を複数の水冷
   ゾーンからなる前記熱間圧延機とループレイヤーとの間
   に設けられた水冷ラインで冷却する熱間圧延線材の冷却
   方法において、前記熱間圧延線材を、前記水冷ラインの
   最終水冷ゾーンの上流側水冷ゾーンで強冷した後、前記
   最終水冷ゾーンの上流側直前の水冷ゾーンと最終水冷ゾ
   ーンとの間に設けられた復熱ゾーンで、該最終水冷ゾー
   ンの入側における熱間圧延線材の最表層部の引張り応力
   が０以上であってかつ該最終水冷ゾーンの上流側直前の
   水冷ゾーンの出側における熱間圧延線材の最表層部の引
   張り熱応力の１／２以下になるように復熱させると共
   に、復熱させた熱間圧延線材を前記最終水冷ゾーンで弱
   冷することを特徴とする熱間圧延線材の冷却方法。
2. 【請求項２】 前記上流側水冷ゾーンの単位長さ当たり
   の冷却能力と、前記最終水冷ゾーンの単位長さ当たりの
   冷却能力との冷却能力比を１〜４対１とすることを特徴
   とする請求項１記載の熱間圧延線材の冷却方法。
3. 【請求項３】 実機の線材圧延ラインで予め精度を検証
   した熱間圧延線材の温度計算モデルを用いて前記線材圧
   延ラインの水冷過程での熱間圧延線材の温度・熱応力解
   析で求めた値から、前記最終水冷ゾーンで弱冷された熱
   間圧延線材が最終水冷ゾーンの出側から復熱しながらコ
   ンベア上に至り、断面内の温度が一定になるまでの復熱
   時間の間の熱間圧延線材の最表層部の熱応力の変化と定
   義する熱応力緩和速度を求め、該熱応力緩和速度が予め
   設定した値以下になるように前記熱間圧延線材を復熱さ
   せることを特徴とする請求項１，２記載の熱間圧延線材
   の冷却方法。