JPH0857523A - 制御冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状対称材の冷却に際して、反り、曲がりな
どの冷却欠陥を生じることなく均一冷却を行うことので
きる冷却方法。 【構成】 被冷却材を通過させながら冷却する冷却装置
を用い、該冷却装置の少なくとも入側、出側の位置にお
いて被冷却材の２点以上の箇所の温度分布を測定し、出
側および入側における温度差分布の差異を求め、該差異
に基づいて被冷却材に対する冷却装置の冷却能分布を評
価し、冷却媒体量、冷却媒体温度冷却媒体量分布、およ
び温度分布の少なくとも１を調整する均一冷却方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、均一冷却などの制御冷
却方法、特にＨ形鋼のように形状が対称性である鋼材の
水冷後の被冷却材の真直性、対称性を確保する制御冷却
方法に関する。

【０００２】本発明が対象とする被冷却材としては、被
冷却材の冷却による変形および冷却による材質が決定さ
れる製品、例えば鋼材、ガラス、樹脂製品が包含され、
本発明によれば、鋼材においては特にＨ形鋼等の熱間製
造段階での冷却過程で生じる形状の曲がり、反り、ねじ
れ等の変形を抑制し、また材料特性値の不均一性を抑制
することができる。

【０００３】

【従来の技術】以下にあっては、被冷却材である形状対
称材として鋼材、特にＨ形鋼を例にとって均一冷却方法
として説明をするが、特にことわりがない限り、他の材
料についても、また一般に制御冷却としても同じである
ことは当業者であれば、容易に理解されよう。

【０００４】形鋼は、圧延成形後にその形は対称性を有
し、その寸法、形状を確保しつつ製造段階で冷却するこ
とが必要な場合が多い。例えば厚板とかＨ形鋼等の形鋼
は仕上げ圧延後および中間圧延段階で冷却を実施する
が、その冷却の際の上下、左右の冷却の不均一性もしく
は被冷却材の上下、左右の温度分布の不均一性により、
対称性を保持することが困難で、温度差により反り、曲
がり、ねじれといった変形、材質決定上重要な冷却開始
温度のバラツキによる冷却速度のバラツキにより、強
度、靱性といった特性値にバラツキが生じる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｈ形鋼については、フ
ランジ上下の冷却中の温度差により反りが発生し、従来
にあってもその抑制方法として、次のような冷却方法が
提案されている。例えば、特開昭52−142613号公報、同
63−248510号公報および特開平１−116033号公報には、
冷却水量の調整および噴射パターンの変更によって残留
応力を軽減させる方法が提案されている。しかし、これ
らの方法は、いずれも固定した装置による静的な制御で
あり、圧延ピッチ、加熱炉での抽出状態などによって変
動する温度分布に対して動的に対応できない。フランジ
方向の温度分布の対称性が崩れると反りは回避できな
い。

【０００６】また、特開昭63−186827号公報には高温で
逆反りを与える方法が、特開平１−205033号公報には反
りを機械的に拘束する方法がぞれぞれ提案されている
が、前者の場合、不安定な制御に問題があり、後者のよ
うに機械的に拘束するためには、その装置が必要であ
り、また機械的に拘束すればその分だけ残留応力の形で
内部にこもり、製品となってから、変形の問題を生ず
る。

【０００７】特開平５−117754号公報には、Ｈ形鋼のフ
ランジ上下の温度差を計測することにより、積極的に上
下不均一な冷却を排除して均一冷却をすることにより、
反り発生を防止する方法が開示されているが、その場合
にも冷却装置出側のフランジ上下の温度差および中心軸
に対する温度モーメントによる冷却制御は、冷却装置入
側での上下温度均一を前提としており、ロール冷却水、
デスケール用水等で上下温度が不均一のまま冷却装置に
入った場合、冷却速度は被冷却材の表面温度依存性があ
るため、装置出側の温度分布のみで反りの発生を評価す
るのは実態と合わない。

【０００８】かくして、本発明の目的は、所定の冷却能
分布をもって例えば均一冷却のような制御冷却を行うこ
とのできる方法を提供することである。本発明の具体的
な目的は、形状対称材の冷却に際して、反り、曲がりな
どの冷却欠陥を生じることなく均一冷却を行うことので
きる制御冷却方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
種々検討を重ね、冷却装置の経年変化等は冷却装置の入
側、出側で温度変化を監視することで検出でき、また形
状対称材については適宜基準位置を設けることで、それ
を中心として１種のモーメントを考え、それの総計をゼ
ロとするように冷却装置の冷却能分布を制御すれば、被
冷却材の反り、曲がりなどを防止できることを知り、本
発明を完成した。

【００１０】よって、本発明は、最も広義には、入側温
度分布と出側温度分布の差により、その時点での冷却装
置の冷却能分布を把握し、この冷却能分布にもとづい
て、例えば均一冷却を実現すべく、冷却装置の冷却能を
調整するか、あるいは特に対称性を有する鋼材の場合に
は上下・左右の対称性をもつよう、この冷却能分布にも
とづいて冷却装置の冷却能を制御する均一冷却方法であ
る。

【００１１】より具体的には、本発明の要旨は次の通り
である。 (1) 被冷却材を通過させながら冷却する冷却装置を用
い、該冷却装置の少なくとも入側、出側の位置において
被冷却材の２点以上の箇所の温度分布を測定し、出側お
よび入側における該温度差分布を求め、該温度差分布に
基づいて被冷却材に対する冷却装置の冷却能分布を評価
し、冷却媒体量、冷却媒体温度、および冷却媒体量分布
の少なくとも１を調整することを特徴とする制御冷却方
法。

【００１２】(2) 前記被冷却材が形状対称材であって、
形状対称の中心位置を基準位置にして上記温度差分布
(ΔＴ) に該基準位置からの距離 (ｘ) を乗じたｆ (Δ
Ｔ、ｘ)なるモーメントの合計がゼロとなるようにする
上記(1) 記載の方法。

【００１３】(3) 前記形状対称材がＨ形鋼であって、フ
ランジ幅方向の上下で前記モーメントの総計をゼロにす
るとともに、左右のフランジにおける温度差分布の差異
をゼロとするようにする上記(2) 記載の方法。

【００１４】

【作用】次に、本発明の作用について添付図面を参照し
ながら、説明する。図１は、本発明にかかる冷却方式に
よってＨ形鋼を冷却する様子を示す略式説明図である。

【００１５】図中、被冷却材10は冷却装置12内を通過し
ながら、この冷却装置内に設けられた水冷ノズルからの
冷却水によって冷却されてからこの冷却装置12を出るの
である。本発明によれば、この冷却装置12の少なくとも
入側の位置14、および出側の位置16においてそれぞれ入
側、出側の温度計でもって被冷却材10の２点以上の箇所
20a 、20b 、20c,・・・・の温度分布を測定し、出側お
よび入側におけるこれらの地点での温度分布の差異を求
め、その得られた差異、つまり温度差分布に基づいて被
冷却材10に対する冷却装置12の冷却能分布を評価する。

【００１６】図２(a) は、このときのＨ形鋼の位置の説
明図であり、図２(b) 、(e) はそれぞれ左、右フランジ
側における冷却装置12の入側でのフランジ幅方向の温度
分布を示すグラフであり、図２(c) 、(f) は、同じく冷
却装置の出側での同じく温度分布を示すグラフであり、
そして図２(d) 、(g) は出側と入側での同じく温度差分
布を示すグラフである。

【００１７】本発明によれば、左右フランジについてそ
れぞれこのときの入、出側の温度分布のそれぞれの地点
での差異を求め、これを常に同一となるように冷却装置
12の冷却媒体量、冷却媒体温度もしくは冷却媒体量分
布、温度分布を制御するのである。

【００１８】図２からも分かるように、Ｈ形鋼の如き上
下左右の対称性を要求されるものについては、各フラン
ジの上下方向の複数の点の温度もしくは温度分布 [図２
(b)、(c) 、(e) 、(f)]を計測し、実寸法位置に対応す
る温度と温度差分布を、例えば入側温度の温度分布を基
準として求める [図２(d) 、(g)]。

【００１９】すなわち、図２に示すように図２(b)-図２
(c) の温度差分布を図２(d) に示すように、また図２
(e)-図２(f) の温度差分布を図２(g) に示すようにそれ
ぞれ求めることができる。この温度差分布をもとに、後
述する式(5) 、式(6) で求めるモーメント総温度差量を
導出する。

【００２０】次に、予め冷却装置固有の冷却能分布を求
めておき (例えば、スプレー等では、パスラインからの
高さ方向、またはスプレーの材料を狙う角度、多段スプ
レー等では各段の水量または水温による冷却能) 、式
(5) 、式(6) を０とするよう冷却能を制御する。

【００２１】また、鋼材の先端が冷却装置の入側位置14
に達してから、出側の位置16に達するまでの時間で、図
２(d) 、(g) の、縦軸の数値を除算することにより図２
(d)、(g) は冷却速度の分布となり、図２(b) 、(e) に
表わされる冷却開始温度を考慮することで、全長全面に
わたり同一の機械的性質を得るための必要冷却速度が分
かり、それを確保するために冷媒量分布、冷媒温度を制
御することにより、材料の全体を均一材質とすることが
可能である。

【００２２】このようにして温度差または温度差分布を
上下左右の４面分 (左右フランジの外側面、ウエブの上
下面) についてもとめ、それでもって冷却装置の冷却能
分布を評価し、全体を均一に冷却するようにして冷却媒
体量分布、水量分布等冷却装置の冷却能を増減する制御
量が決定できる。

【００２３】また、本発明のさらに別の態様によれば、
被冷却材10が形状対称材である場合には、さらに形状対
称の中心位置を基準位置にして上記温度差 (ΔＴ) 分布
に該基準位置からの距離 (ｘ) を乗じたf(ΔＴ、ｘ) な
るモーメントの合計がゼロとなるようにするのである。
これにより、フランジ幅方向の冷却能の不均一は解消さ
れる。

【００２４】さらに別の態様によれば、前記形状対称材
がＨ形鋼である場合には、フランジは左右両方に設けら
れ、しかもそれぞれ上下に分かれているから、上述のよ
うに、フランジの幅方向の冷却不均一を解消するため
に、今度は、左右フランジの温度分布の差の総和を
“０”とすること (式６) によって左右のフランジにお
ける温度分布の差異をゼロとすることができる。

【００２５】次に、本発明によって冷却ムラをなくし、
均一な冷却を行うための手段としての冷却装置の制御
を、モデル化して数理処理可能とした１つの具体的操作
について、詳述する。

【００２６】図３は、モーメントの計算例の概略説明図
である。まず、基準となる位置をフランジの高さ中心に
おき、これを０とし、上部温度モーメントＭ_U

【００２７】

【数１】

【００２８】下部温度モーメントＭ_L

【００２９】

【数２】

【００３０】次に基準をＭ_U ≒Ｍ_L (誤差３％以内)

【００３１】

【数３】

【００３２】を満足する位置ｈを求める。ｈはフランジ
高さの中心に対する冷却中心の偏りである。但し、ｈは
フランジ中心より上方を正、下方を負とする。次に、冷
却装置の入側のフランジ温度と出側のフランジ温度より
求めたフランジ高さ方向の温度差分布ΔＴ(x) につい
て、前述の場合と同様に、

【００３３】

【数４】

【００３４】なる位置ｈ' を求める。但し、ｈ' はフラ
ンジ中心より上方を正、下方を負とする。

【００３５】すなわち、上下、左右の反り、曲がりは、
冷却装置内でのＨ形鋼のフランジ上下の冷却の不均一お
よびフランジ左右間の冷却不均一により生ずるものであ
るから、上述のようにしてＨ形鋼については上下、左右
の対称軸を中心にそれぞれ高さ方向位置をうでの長さと
し (ｘ、x') 、その位置での温度差 (ΔＴ) との積、す
なわち温度差モーメントとなるものを求め、この温度差
モーメントを上下、左右の各面で総和が０となるよう冷
却媒体量分布、冷却媒体温度を制御する。

【００３６】すなわち、上下の反りに対しては

【００３７】

【数５】

【００３８】となるようにする。左右の曲がりに対して
は

【００３９】

【数６】

【００４０】となるようにする。次に、水冷ノズルのヘ
ッダーの高さを操作して冷却装置の冷却能を制御する場
合について以下説明する。

【００４１】Ｈ＝(h−h') ＋ΔＨなるヘッダーの高さ変
更を行うことを考え、Ｈは変更前位置をベースに、上方
を正、下方を負とする。なお、ΔＨは補正定数で絶対値
である。ΔＨは、ノズル先端−フランジ間距離およびヘ
ッダー圧力等から決まる補正定数である。

【００４２】次に、図４は水冷ヘッダーの角度と水冷領
域の関係を示したものでノズルの軸心をヘッダーを回転
することによって∠ｈ修正する方法の概略説明図であ
り、これにより水冷ノズルヘッダーの角度を操作して制
御する場合について説明する。

【００４３】ヘッダー中心を回転中心に角度制御する場
合、ノズルの広がり角をＨ形断面方向に両振りでβなる
ノズルを使用し、変更前ノズルヘッダー角のＢ、ヘッダ
ー中心−ノズル先端距離Ｌ' 、ヘッダー中心−フランジ
面距離Ｌ、修正角度、反時計回りを正とする∠ｈ。I)と
同様に求めた高さ修正量Ｈを

【００４４】

【数７】

【００４５】により∠ｈに変換し、∠ｈの角度変更を行
うのである。この際、被水冷領域の変化に伴う水量補正
は (式８) でもって行う。

【００４６】

【数８】

【００４７】以上説明したように、本発明においては、
Ｈ形鋼・厚板等の鋼材をはじめ、表面温度が測定可能な
被冷却材の冷却において、冷却装置の入口と出口、さら
には中間点での温度、または温度分布より温度差または
温度差分布を測定することにより、冷却装置内での冷却
の不均一を検出し、冷却装置の冷却媒体量の分布および
冷却媒体の温度を制御することにより、冷却装置内での
温度差により生ずる膨張・収縮による変形を抑制し、形
状の対称性、真直性を確保できる。

【００４８】また、鋼材も含め被冷却材は、その先端と
後端は時間差をもって冷却装置に入ってくるものであ
り、その時間差のために先頭部に比して、後尾部は温度
が下がり、オンライン熱処理上、冷却開始温度により同
一材質とするための冷却速度、冷却停止温度が異なる
が、材料の位置検出をすることにより、各部、各面の冷
却開始温度を検出すると共に出口で温度差分布を検出す
ることにより、進行方向の材料位置毎の冷却速度が導出
でき、材料進行方向の材質制御も可能である。

【００４９】図５は、水冷ノズルヘッダーの高さおよび
冷却水量を修正する場合の制御フローの説明図である。
図６は、水冷ノズルヘッダーの角度および冷却水量を修
正する場合の制御フローの説明図である。

【００５０】このような制御フローからも分かるよう
に、その具体的態様によれば、本発明は、冷却装置の入
側のフランジ幅方向の各点の各温度から冷却装置の出側
のフランジ幅方向の各点の各温度の値を引いて温度差の
分布を求め、得られた温度差とフランジ幅の中心点から
の距離の積である温度差モーメントを上下、左右の４面
について求め、次に各フランジの上下の温度差モーメン
トの和が「０」となるように、冷却水噴射ノズルの高さ
または角度と冷却水量とを調節し、さらに、左右のフラ
ンジの前記温度差の和が等しくなるように冷却水量を調
節することを特徴とするＨ形鋼の形状制御方法である。

【００５１】以上、Ｈ形鋼について述べたが厚板等にお
いても同様に上下面で同様に実施することができる。次
に、本発明の作用について実施例によってさらに具体的
に説明する。

【００５２】

【実施例】

(実施例)本例では図１に示す装置を使ってＨ形鋼の均一
冷却を行った。計測結果は図７にまとめて示すが、便宜
上一方のフランジについてのデータのみ示す。

【００５３】本例では900 〜780 ℃の範囲のフランジ温
度に仕上げられたフランジ幅 200mmのＨ形鋼 (JIS.H.外
法一定Ｈを問わず) に対し実施した。ｎ数は本数で60本
実施した。従来法では、出側の温度計で計測された温度
のみであって、冷却装置以前の温度分布が分からないの
で、全て冷却装置でついた温度分布と判断することとな
る。

【００５４】従来例 冷却装置出側のフランジ温度分布 (図７(a))をもとに
(特開平５−117754号公報参照) よる方法を用い、温度
モーメントがフランジ上下で均等となるように制御し、
その結果図７(b) の状態を経て最終的に図７(c) とな
り、フランジ上下の温度モーメントをフランジ高さ中心
の±５mm以内とすることができた。なお、図７(a) の温
度分布より図７(c) の状態に整定するのに1.8 〜3.4 秒
要し、その際の制御の操作量の補正は３〜５回行った。

【００５５】本発明例 結果は図８にまとめて示す。図中、冷却装置入側のフラ
ンジ温度分布および出側のフランジ温度分布より冷
却前後の温度差分布 (＝−) を演算し、この温度
差モーメント (の分布×フランジ高さ中心からの距
離) と、入側温度分布の温度モーメント (の分布×
フランジ高さ中心からの距離) の各々の中心を合わせる
ことにより、すなわちからへとシフトとする。冷却
装置出側での温度差モーメントがフランジ高さ中心から
±５mmの範囲内で均等となるようにすることができる温
度分布を得ることができた。

【００５６】入・出側の温度分布、より冷却能分布
(温度差分布＝−) を演算することにより、随時
正確な冷却能分布を把握し、に対応してからへの
変更(スプレー etc. の冷却装置の位置または角度を変
更することにより) でき、入側温度分布に対し、同一
中心を有する冷却能分布を与えることにより、冷却後
の温度分布がフランジ中心に対し上下で均衡する温度分
布を得ることができる。

【００５７】、を検出し、を求め、よりの移
動量補正 () を求めを得るのに0.8 〜1.4 sec 要
し、その際の補正は一回のみであった。これにより、従
来の水冷材の変形によるオフライン矯正実施本数率40〜
45％が25〜30％と減少し、非水冷材並のオフライン矯正
実施本数率となった。本例で述べたのはＨ形鋼 (上記の
例では) の長手方向の３ヶ所 (1.0m長) の平均値につい
てのものである。

【００５８】圧延後のＨ形鋼は素材鋼片で加熱炉を出た
段階から、圧延時の水冷段階までに達するのに圧延トッ
プ部とボトム部では時間差があり、どうしてボトム部は
トップ部に比べ、それぞれの工程を低い温度で処理され
る。

【００５９】冷却装置にＨ形鋼のトップ部が入った時よ
り、前図(D) の、→→→の操作を連続で行う
ことにより、全長にわたり同一の強度、硬度、靱性等を
得るために長さ方向の各位置の水冷開始温度に応じて必
要なΔＴ℃/secを与えることが可能となる。

【００６０】

【発明の効果】冷却装置出側での鋼材の温度分布の検出
し、高さ方向のみの温度モーメントを上下で０とするこ
とにより、上下反りを抑制する従来法に対し、本発明に
おいては入・出側の上下左右の温度 (多点) または温度
分布より、温度差分布を導出することにより 冷却装置の冷却能が評価できる。冷却装置のノズルつ
まり、等の経年劣化に対し、その異常を容易に検出する
ことができ、さらにその劣化部位の予測が容易でメンテ
ナンス性を向上させることができる。

【００６１】温度差モーメントにより、冷却装置に寄
因する上下反りを防止することができる。 また左右の温度差の総和を取りこれを同一とすること
により左右曲がりを防止することができる。

【００６２】長手方向に材料位置毎の温度差をトラッ
キングし、長手方向の冷却開始温度分布に対応する冷却
速度分布を、冷却装置の冷媒量分布と温度を制御するこ
とにより全体を均質とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる冷却方式によってＨ形鋼を冷却
する様子を示す略式説明図である。

【図２】図２(a) はＨ形鋼の位置の説明図であり、図２
(b) 、(e) はそれぞれ左、右フランジ側における温度分
布を示すグラフであり、図２(c) 、(f) は同じく冷却装
置の出側での同じく温度分布を示すグラフであり、図２
(d) 、(g) は出側と入側での同じく温度差分布を示すグ
ラフである。

【図３】モーメントの計算例の概略説明図である。

【図４】ヘッダの高さと水冷領域との関係の説明図であ
る。

【図５】水冷ノズルヘッダーの高さおよび冷却水量を修
正する場合の制御フローの説明図である。

【図６】水冷ノズルヘッダーの角度および冷却水量を修
正する場合の制御フローの説明図である。

【図７】図７(a) 〜(c) は、フランジ温度とフランジ高
さの計測結果をそれぞれ示すグラフである。

【図８】図７(a) 〜(c) の計測結果をまとめて示すグラ
フである。

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【手続補正書】

【提出日】平成６年８月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】

【数７】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却材を通過させながら冷却する冷却
   装置を用い、該冷却装置の少なくとも入側、出側の位置
   において被冷却材の２点以上の箇所の温度分布を測定
   し、出側および入側における該温度差分布を求め、該温
   度差分布に基づいて被冷却材に対する冷却装置の冷却能
   分布を評価し、冷却媒体量、冷却媒体温度、および冷却
   媒体量分布の少なくとも１を調整することを特徴とする
   制御冷却方法。
2. 【請求項２】 前記被冷却材が形状対称材であって、形
   状対称の中心位置を基準位置にして上記温度差分布 (Δ
   Ｔ) に該基準位置からの距離 (ｘ) を乗じたｆ (ΔＴ、
   ｘ) なるモーメントの合計がゼロとなるようにする請求
   項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記形状対称材がＨ形鋼であって、フラ
   ンジ幅方向の上下で前記モーメントの総計をゼロにする
   とともに、左右のフランジにおける温度差分布の差異を
   ゼロとするようにする請求項２記載の方法。