JPH0890046A

JPH0890046A - 熱鋼板の冷却方法

Info

Publication number: JPH0890046A
Application number: JP24729694A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Okamura; 一男岡村; Yoichi Haraguchi; 洋一原口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-04-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】加速冷却に起因する平坦不良の発生を防止す
る熱鋼板の冷却方法。【構成】鋼板１の長手方向に所定間隔でノズル２１を
配したノズルヘッダ２２を鋼板幅方向に所定間隔で設け
たノズルヘッダ列のノズルからの冷却水量を制御可能と
した冷却装置を用い、冷却装置に続く熱間矯正機の入口
あるいは出口で鋼板表面の温度分布を測定し、平均巾方
向温度分布を求め、この平均巾方向温度分布を長さ方向
に連続する仮想鋼板が常温にまで放冷された後の残留応
力分布と臨界座屈応力とを演算予測し、この予測値に基
づいて常温における座屈変形の発生有無を判定し、座屈
変形発生有りの場合は、残留応力が臨界座屈応力未満と
なるよう、冷却装置の冷却水量の修正指示値を演算し、
冷却装置の各ノズルヘッダー列への冷却水量を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱間圧延鋼板の圧延
後の直接焼入れ・加速冷却のように高温の鋼板を冷却す
る際において、冷却に起因する平坦不良の発生を防止す
るための熱鋼板の冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、厚板などの鋼板製造プロセスにお
いては、制御圧延後、熱鋼板を水冷することにより高強
度、高靭性鋼板を得る技術（以下加速冷却という）が広
く行われるようになってきている。すなわち加速冷却
は、従来の添加元素成分を増加させることなどにより行
っていた鋼板の高強度化、高靭性化を、制御圧延および
加速冷却を組み合せることによって実現したもので、添
加元素を低減して製造コストを大幅に削減できるばかり
でなく、溶接性にも優れた鋼板を製造することが可能と
なる。

【０００３】このように加速冷却は、優れた品質の鋼板
を安価に製造することが可能であるが、その一方で、最
近ますます高品質化のニーズが高まっていく中、いくつ
かの問題が生じてきており、その中の重要な問題とし
て、加速冷却された鋼板の平坦不良の発生がある。すな
わち、加速冷却においては、２００℃〜９００℃の高温
の鋼板表面に、冷却ノズルより冷却水を噴射し、鋼板を
強制的に冷却することが一般的であるが、このとき、鋼
板表面において対流沸騰熱伝達現象が発生する。加速冷
却では、この対流沸騰熱伝達現象によって自然放冷など
に比べ数十〜数百倍の高冷却速度が達成でき、より微細
な結晶構造を有する鋼板が得られ、前記した高強度、高
靭性を有する鋼板を製造することができる。

【０００４】しかしその反面、この対流沸騰熱伝達現象
においては、鋼板の表面温度が低温になるにつれて熱伝
達係数が増加するという傾向があるため、現象そのもの
が非常に不安定である。例えば、冷却開始時に鋼板表面
に僅かの温度むらがある場合、鋼板表面の熱伝達係数に
作用する因子の一つである冷却水の水量密度を鋼板表面
全体でいかに均一に制御したとしても、表面温度の低い
領域においてますます冷却が促進されるため、冷却終了
後には大きな温度むらを生じることになる。これらの温
度むらの発生は、最終的に鋼板の機械特性値のバラツキ
を生じるばかりでなく、温度むらがある限界の温度差を
超えたときは、常温に冷えるまでの間に耳波や中伸びな
どの形状不良を生じるという問題がある。

【０００５】上記加速冷却における鋼板の形状不良の発
生を防止する方法としては、鋼板の冷却において、強制
冷却開始前に板幅方向温度分布を測定し、冷却後に幅方
向に均一な温度分布が得られるように演算した結果に基
づき、遮蔽樋にて鋼板幅端部を被い、鋼板幅端部に冷却
水が直接当たることを防止し、鋼板幅端部の温度低下を
防止する方法（特開昭５８−３２５１１号公報）、熱鋼
板の搬送ライン内に設置し、該熱鋼板の上方および下方
に板幅方向に延びるノズルヘッダーをそれぞれ有し、該
ノズルヘッダーの長手方向に多数の冷却水噴射ノズルを
鋼板表面に対向するごとく設けてなる、複数のゾーンに
分割した冷却装置を用いて圧延直後の熱鋼板を強制冷却
するに際し、圧延終了後から前記冷却装置に装入する前
に鋼板温度を実測して、これ以降冷却終了までの鋼板温
度を鋼板の厚さ方向、長さ方向および幅方向の各点につ
いて時々刻々予測することにより、予め決められた冷却
開始温度、停止温度および冷却速度の冷却条件を満足
し、かつ均一な冷却が可能となるような、必要冷却ゾー
ン長さ、上下面水量密度、冷却装置前および冷却装置内
の通板速度、冷却装置内の通板速度パターン、幅方向推
量密度をそれぞれ求め、この求められた冷却スケジュー
ルに基づき前記冷却装置に熱鋼板を通して冷却した後、
冷却後の鋼板温度を実測し、予測値との誤差を求め、鋼
板温度予測の板間学習をする方法（特開昭６０−８７９
１４号公報）、鋼板の少なくとも上下方向および幅方向
の中央部と側端部における水冷開始前、水冷途中および
水冷終了後の温度を検出して各測温点の温度と測温点間
の温度差を求め、各測温点の温度と測温点間の温度差に
対応して予め定めた関係式に基づき前記鋼板の常温域に
おける変形量を予測・演算し、該予測値が目標値の許容
範囲内となるように複数のノズルに対する冷却水の供給
量を制御する方法（特公昭６３−４７７７５号公報）等
が提案されている。

【０００６】また、鋼板の変形量推定方法としては、温
度分布を有する鋼板を所定の形状に切断加工する際に、
切断加工によって得られる部分材の変形量を推定する方
法であって、鋼板の板面温度分布を２次元的に測定し、
該測定した板面温度分布データと残留応力を取込んだ所
定の推定式とを用いて変形量を推定演算して求める方法
（特開昭６２−２３６６１７号公報）が提案されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭５８−３２
５１１号公報に開示の方法は、鋼板幅端部が過冷却とな
ることを防止することにより、鋼板の波打ち変形の発生
を防止しようとするもので、鋼板の表面性状不均一や冷
却のゆらぎ等によって、鋼板の幅端部以外の部分の過冷
却が生じることがあり、この過冷却が原因となって生じ
る波打ち変形の防止はできない。また、幅端部の過冷却
の防止は、冷却前の測温結果に基づいて行っており、鋼
板の温度均一化を実現することは非常に困難である。ま
た、特開昭６０−８７９１４号公報に開示の方法は、冷
却前後の鋼板温度を測定し、冷却終了時の鋼板の温度を
均一化するよう冷却を制御することによって、鋼板の変
形を防止する方法である。しかしながら鋼板の冷却特性
は、鋼板の表面性状や冷却水のゆらぎ等によって微妙に
変化するので、ある被冷却鋼板の冷却前後の鋼板温度を
測定し均一冷却が可能な水量密度を見いだしたとして
も、冷却特性に作用する前記要因を完全に再現できない
限り、他の鋼板においての完全な均一冷却の実現は不可
能である。鋼板の変形は、鋼板温度を完全に均一にでき
れば防止できるが、鋼板の温度を完全に均一化すること
は事実上不可能に近い。したがって、鋼板の変形防止を
達成するためには、変形防止が可能な範囲の温度むらの
許容範囲を明確にしなければならない。さらに、特公昭
６３−４７７７５号公報に開示の方法は、各測温点の温
度と測温点間の温度差に対応して予め定めた関係式に基
づき前記鋼板の常温域における変形量の予測を行ってい
るが、各測温点の温度と測温点間の温度差だけでは正確
に変形量を予測することはできないという欠点を有して
いる。

【０００８】さらにまた、特開昭６２−２３６６１７号
公報に開示の方法は、鋼板の温度分布を測定して常温で
の鋼板の残留応力を予測するもので、予測した残留応力
は鋼板を条切りした場合の条の曲がり変形予測に適用で
きるが、鋼板の加速冷却における波打ち変形（耳波、中
伸び）を予測することはできないばかりでなく、条切り
変形量と波打ち変形量は対応するものではない。上記し
たとおり、従来の技術は、鋼板の平坦不良を部分的に防
止できる場合があるものの、平坦不良を確実に防止でき
ないため、品質上の問題点が残ると共に、常温での平坦
不良の発生の有無を確認するため、冷却後の鋼板を直ち
に精製工程へ移送することができない等の工程上の不都
合を依然として有するものであった。

【０００９】この発明の目的は、上記従来技術の問題点
を解消し、熱鋼板の加速冷却において、加速冷却後直ち
に常温に到るまでの残留応力分布を予測し、残留応力の
分布から板材の平坦形状を予測することによって、平坦
形状の良好な鋼板を得ることができる熱鋼板の冷却方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、常温での
波打ち変形は不均一冷却された鋼板が常温になるまでに
生じる内部応力が原因となって発生する座屈であると考
え鋭意試験研究を重ねた。図３（ａ）は加速冷却後、熱
間矯正を行う熱間矯正部で測定した鋼板の幅方向の温度
分布、図３（ｂ）は熱間矯正後の鋼板を常温にまで自然
放冷した場合に測定した鋼板の幅方向の残留応力の分布
の一例を示すものである。鋼板の残留応力分布と熱間矯
正部での温度分布とは、図３（ａ）（ｂ）に示すとおり
良く対応しており、熱間矯正機による熱間矯正によって
鋼板内部の応力は一旦解放され、熱間矯正を終了した時
点で鋼板に残存していた温度分布により、残留応力が発
生したことがわかる。また、図３（ａ）に示すとおり、
急速冷却によって生じる不均一温度分布は、幅端部のみ
が他の部分に比べて相対的に低温である様な単純な場合
はなく、相対的に低温である過冷却域が鋼板の幅方向に
分布する場合の方が一般的である。また、このような温
度分布の鋼板は、常温になった時に生じる残留応力分布
も、鋼板の幅方向に引張りや圧縮応力域が分布する複雑
な応力分布となる。均一な圧縮応力や均一圧縮応力と曲
げ応力を組合わせたような分布応力での座屈の発生限界
は、従来より知られているが、図３（ｂ）に示すような
複雑な分布を有する内部応力下での座屈の発生はいまだ
明らかにされていなかった。そこで、本発明者は鋼板の
幅方向に応力分布が引張りや圧縮領域を繰り返し含むよ
うな種々の分布形態の内部応力について、座屈の発生限
界を３次元の有限要素法によって、理論的に解析し、次
の知見を得た。

【００１１】１）鋼板の座屈は、圧縮の残留応力があ
る限界（臨界座屈応力）を超えると生じるが、この臨界
座屈応力は応力の分布形状によって変化する。例えば、
図４は板厚２４ｍｍ、板幅３．２８ｍの鋼板の幅方向
に、図４（ａ）に示すとおり過冷却域が１箇所だけ存在
し、図４（ｂ）に示すとおり、室温にて圧縮残留応力が
幅方向に１箇所だけ発生する場合についての例を示す。
この場合臨界座屈応力は、図５に示すとおり、圧縮残留
応力の位置によって変化し、幅中央部に圧縮残留応力が
位置する場合に臨界座屈応力が最も大きくなる。したが
って、圧縮残留応力域の幅方向位置、すなわち、過冷却
域の幅方向位置によって鋼板が平坦不良を起こすにいた
る座屈限界の温度偏差（ΔＴｍａｘ）_CRも変化する。過
冷却域の幅と温度偏差ΔＴが等しい場合、過冷却域が鋼
板の幅方向のどの位置にあっても発生する圧縮残留応力
の大きさは同じである。しかし、臨界座屈応力は、圧縮
残留応力域の幅方向の位置によって変化するため、過冷
却域が幅中央部にある時は座屈しないが、過冷却域の幅
と温度偏差ΔＴが同じであっても、過冷却域が幅端部に
ある時は座屈するといった現象が生じる。

【００１２】２）また、複数の圧縮残留応力域が存在
する場合は、図６および図７に示すとおり、温度分布が
変化すると、応力分布が変化して臨界座屈応力分布が変
化するため、臨界座屈応力分布を生じる幅方向温度分布
（座屈臨界温度分布）における最大温度差（ΔＴｍａ
ｘ）_CRの値も、温度分布によって大きく異なる。図６お
よび図７において、幅方向の温度差ΔＴが（ΔＴｍａ
ｘ）_CRよりも大きくなれば、圧縮残留応力が臨界座屈応
力以上となって座屈が生じることを意味する。図６に示
すように座屈限界の最大温度偏差（ΔＴｍａｘ）_CRは、
温度分布が幅対称であれば増加する。また、幅対称温度
分布の場合は、図７に示すように相対的低温部がそれぞ
れ板幅の１／４にくるときに最大となる。このように幅
方向の座屈限界最大温度偏差（ΔＴｍａｘ）_CRの値は、
温度分布によっては３倍以上異なるのである。

【００１３】以上のことから明らかなとおり、鋼板の内
部応力による座屈の発生有無は、単に温度むらの偏差の
大小で論じられるものではなく、圧縮残留応力の分布に
よって論じる必要がある。しかも、圧縮残留応力の大小
を論じるだけでも不十分であり、圧縮残留応力の幅や位
置、個数などの圧縮残留応力域の総合的な形態によって
決定可能なものであることを究明し、この発明に到達し
た。

【００１４】すなわち本願の第１発明は、熱鋼板を長手
方向に移送しつつ加速冷却したのち熱間矯正する工程で
の熱鋼板の冷却方法において、鋼板の長手方向に所定間
隔でノズルヘッダーを配したノズルヘッダー列を鋼板幅
方向に所定間隔で設け、各ノズルヘッダー列の噴射ノズ
ルからの冷却水量を制御可能な流量調整機構を有する冷
却装置を使用し、該冷却装置に続く熱間矯正機の入口あ
るいは出口で鋼板上表面全体の温度分布を測定し、該鋼
板上表面全体の平均幅方向温度分布を予め定めた設定値
と比較し、前記冷却装置の各ノズルヘッダー列への冷却
水量を制御することを特徴とする熱鋼板の冷却方法であ
る。

【００１５】また、本願の第２発明は、熱鋼板を長手方
向に移送しつつ加速冷却したのち熱間矯正する工程での
熱鋼板の冷却方法において、鋼板の長手方向に所定間隔
でノズルヘッダーを配したノズルヘッダー列を鋼板幅方
向に所定間隔で設け、各ノズルヘッダー列の噴射ノズル
からの冷却水量を制御可能な流量調整機構を有する冷却
装置を使用し、該冷却装置に続く熱間矯正機の入口ある
いは出口で鋼板上表面全体の温度分布を測定し、該鋼板
上表面全体の温度分布に基づいて鋼板の長さ方向の個々
の位置における幅方向温度分布を平均することによって
平均幅方向温度分布を求め、この平均幅方向温度分布を
長さ方向に連続して有する仮想鋼板が常温にまで放冷さ
れた後の残留応力分布と臨界座屈応力とを演算予測し、
予測した残留応力および臨界座屈応力に基づいて常温に
おける座屈変形の発生有無を判定し、座屈変形発生有り
の場合は、残留応力が臨界座屈応力未満となるように、
熱間矯正機の入口あるいは出口での鋼板面内温度分布を
逆算し、前記測定した熱間矯正機の入口あるいは出口の
鋼板面内温度分布との差に応じて、前記冷却装置におけ
る幅方向の各ノズルヘッダー列の冷却水量の修正指示値
を演算し、前記冷却装置の各ノズルヘッダー列への冷却
水量を制御することを特徴とする熱鋼板の冷却方法であ
る。

【００１６】

【作用】本願の第１発明においては、鋼板の長手方向に
所定間隔でノズルヘッダーを配したノズルヘッダー列を
鋼板幅方向に所定間隔で設け、各ノズルヘッダー列の噴
射ノズルからの冷却水量を制御可能な流量調整機構を有
する冷却装置を使用し、該冷却装置に続く熱間矯正機の
入口あるいは出口で鋼板上表面全体の温度分布を測定
し、該鋼板上表面全体の平均幅方向温度分布を予め定め
た設定値と比較し、前記冷却装置の各ノズルヘッダー列
への冷却水量を制御することによって、鋼板幅方向での
冷却水量の制御が可能となり、鋼板の長さ方向および幅
方向の温度分布をほぼ均一に制御することができ、鋼板
の内部応力に起因する耳波や中延び等が防止され、平坦
形状の良好な鋼板を製造することができる。

【００１７】また、本願の第２発明においては、鋼板の
長手方向に所定間隔でノズルヘッダーを配したノズルヘ
ッダー列を鋼板幅方向に所定間隔で設け、各ノズルヘッ
ダー列の噴射ノズルからの冷却水量を制御可能な流量調
整機構を有する冷却装置を使用し、該冷却装置に続く熱
間矯正機の入口あるいは出口で鋼板上表面全体の温度分
布を測定し、該鋼板上表面全体の温度分布に基づいて鋼
板の長さ方向の個々の位置における幅方向温度分布を平
均することによって平均幅方向温度分布を求め、この平
均幅方向温度分布を長さ方向に連続して有する仮想鋼板
が常温にまで放冷された後の残留応力分布と臨界座屈応
力とを演算予測し、予測した残留応力および臨界座屈応
力に基づいて常温における座屈変形の発生有無を判定
し、座屈変形発生有りの場合は、残留応力が臨界座屈応
力未満となるように、熱間矯正機の入口あるいは出口で
の鋼板面内温度分布を逆算し、前記測定した熱間矯正機
の入口あるいは出口の鋼板面内温度分布との差に応じ
て、前記冷却装置における幅方向の各ノズルヘッダー列
の冷却水量の修正指示値を演算し、前記冷却装置の各ノ
ズルヘッダー列への冷却水量を制御することによって、
鋼板の長さ方向および幅方向の温度分布を常温における
座屈変形が発生しない温度分布に制御することができ、
鋼板の内部応力に起因する耳波や中延び等が防止され、
平坦形状の良好な鋼板を製造することができる。

【００１８】熱鋼板を加速冷却した際に生じる平坦不良
は、加速冷却によって生じた鋼板面内の温度不均一によ
って、鋼板が加速冷却後室温に至るまでの間に発生する
鋼板長さ方向の熱応力による座屈変形である。この鋼板
長さ方向の熱応力は、加速冷却後に熱間矯正機による矯
正を行うと、矯正によってそれまでに生じている応力が
解放されるため、矯正終了後に新たに発生する熱応力を
求めることによって予測することができる。したがっ
て、（ｉ）熱間矯正機による矯正終了時点での鋼板の面内
温度分布を測定することによって、矯正終了後から室温
に至るまでに新たに発生する熱応力を計算することがで
きる。（ｉｉ）座屈の判定基準となる臨界座屈応力は、残留
応力の分布形状に依存する。そこで、上記計算によって
求められた残留応力の分布より、臨界座屈応力を求め、
残留応力の値と比較することによって、常温まで冷却し
た場合の平坦不良の発生の有無を判定することができ
る。（ｉｉｉ）上記の判定で座屈の発生が予測された場合
には、残留応力分布が臨界座屈応力分布以下となるよう
に熱間矯正位置での鋼板面内温度分布を逆算し、前記
（ｉ）で測定した面内温度分布との差に応じて、急速冷
却装置における幅方向の冷却水量を増減することによっ
て、鋼板の幅方向温度むらを適正範囲内に抑えることが
でき、次に冷却される鋼板の平坦不良を防止することが
できる。

【００１９】この発明において、加速冷却に続く熱間矯
正機の入口あるいは出口で鋼板の表面温度分布を測定す
る理由は、熱間矯正によって鋼板にそれまでの工程で生
じていた残留応力が解放されるために、鋼板の平坦不良
の原因となる熱応力が、熱間矯正終了時点でのの温度む
らのみによって決定されるためである。通常鋼板の矯正
は、鋼板を熱間矯正機の中を往復させながら行っている
ので、矯正の最終に近い時刻で鋼板の温度を測定すれば
よいのであるから、温度計は熱間矯正機の入側、出側の
どちらにあっても差し支えない。また、残留応力を計算
する理由は、後述するように、臨界座屈応力が残留応力
分布で変化するため、座屈の発生予測を行うのに残留応
力分布が必要となるためである。

【００２０】鋼板上表面全体の温度を測定する理由は、
鋼板の幅方向温度分布を鋼板の長さ方向に平均化処理し
て、平均幅方向温度分布を求めるためである。また、一
般の加速冷却、熱間矯正のラインにおいては、長大な長
さの鋼板も製造可能なように、加速冷却装置と熱間矯正
機とは十分な間隔をとって配置されており、加速冷却装
置から熱間矯正機に鋼板が搬送されるまでの間に、鋼板
の板厚方向の温度分布はほぼ均一化されるため、鋼板の
上表面温度を測定すれば十分である。鋼板の上表面温度
を測定するに際しては、サーモグラフィー等の面温度計
を用いるのが得策である。面温度計であれば、上表面全
体の温度が瞬時に測定できるが、スポット温度計やスポ
ット温度計を板幅方向に走査する型の温度計では、搬送
される鋼板の板幅方向の温度分布を十分な精度でかつ正
確に測定することが困難である。なお、面温度計の精度
は、面温度計の画素点数が鋼板の幅方向および長さ方向
にどの程度あるかで決まる。鋼板全体を面温度計の視野
範囲に入れる場合は、幅２〜４．５ｍ、長さ２０〜３０
ｍの鋼板で幅方向に約５０〜１３０画素、長さ方向に約
３００〜４００画素とることで可能であり、残留応力の
計算には十分である。

【００２１】鋼板の長さ方向に平均した幅方向温度分布
を求める理由は、鋼板の幅方向温度分布が鋼板の長さ方
向に必ずしも一定ではないためである。鋼板の座屈は、
長さ方向の各位置における局所的な長さ方向応力の幅方
向分布によって生じるものではなく、長さ方向応力の幅
方向分布が長さ方向にある程度連続しないと生じない。
そこで、この影響を考慮するためには、幅方向（ｙ方
向）の温度分布を長さ方向に平均化し、この平均幅方向
温度分布Ｔ_AVE（ｙ）から長さ方向応力の平均的な幅方
向分布を求め、座屈評価を行うことが、座屈の評価の精
度を確保し、しかも演算時間の短縮を図るうえで、最も
好ましい方法だからである。しかし、なお、鋼板の搬送
方向の先後端の領域は、冷却が端面からも行われるため
に温度が極端に下がり易いので、これらの領域は除い
て、平均幅方向温度分布を求めるのが一般的である。平
均幅方向温度分布の計算から除く鋼板先後端の長さは、
板幅１ｍ〜４．５ｍの鋼板の急速冷却によって急激な温
度低下を生じる長さ範囲が約０．５〜２ｍであることか
ら、板幅の１／２長さとする。

【００２２】鋼板の長さ方向（ｘ方向）残留応力σの幅
方向（ｙ方向）分布の計算は、熱間矯正機以後の放冷過
程では組成変形よりも弾性座屈変形が先に生じることか
ら、弾性応力計算で十分であり、鋼板を幅方向に微小な
幅ｄｙ_iの鋼板に分割し、平均幅方向温度分布と室温
（ＲＴ）との温度差Ｔ（ｙ）（＝Ｔ_AVE（ｙ）−ＲＴ）
を用いて、例えば以下の計算式で残留応力分布が計算で
きることが従来より知られている。 σ（ｙ_i）＝αΕΤ（ｙ_i）−１／Ｗ・ΣαΕΤ（ｙ_i）ｄｙ_i−１２ｙ_i／Ｗ³・ΣαΕΤ（ｙ_i）ｙ_iｄｙ_i （１）式ただし、Ｅはヤング率、αは熱線膨張係数、σＹは鋼板
の降伏応力、Ｗは板幅であり、Σは全微小板幅の鋼板に
ついて総和をとることを表す。得られた残留応力分布か
ら座屈の発生を次のようにして予測する。鋼板に生じる
残留応力分布において、圧縮応力域が１個の場合は、図
８（ａ）に示すとおり、圧縮応力域の幅ＢはＢ＝Ｂａと
して求める。複数の圧縮応力域が混在する場合は、圧縮
応力域に挟まれる引張り応力域をも含めて、等価的な圧
縮応力域と考え、図８（ｂ）に示すとおりその幅ＢはＢ
＝Ｂｂとする。圧縮応力域が幅端部を含む場合は、図８
（ｃ）図に示すとおり、実質の圧縮応力域Ｂｃの２倍の
幅を圧縮応力域の幅Ｂ＝２Ｂｃとする。上記等価圧縮応
力域における平均圧縮応力σｃ σｃ＝１／ＢΣｃσ（ｙ_i）ｄｙ_i （２）式を用い、｜σｃ｜≧σ_CR （３）式ならば、座屈が発生すると定義する。ただしここで、Σ
ｃは圧縮応力（σ（ｙ_i）が負）のみについて総和をと
るものとする。座屈発生を（２）式と（３）式で定義し
た場合、臨界座屈応力σ_CRの値を本発明者らは有限要素
法を用いた座屈解析の結果より、次式で近似できること
を見いだした。 σ_CR＝（Ｋ₁＋ＫΔ）Ｅπ²／１２（１−ν²）・（ｔ／Ｂ）² （４）式ここで、Ｋ₁は圧縮応力域が１個の場合の座屈応力係数
であり、ＫΔは圧縮応力域が複数ある（等価圧縮応力域
の中に引張り応力域を含む）場合の座屈応力係数、ｔは
板厚、πは円周率、νはポアソン比である。圧縮応力域
が１個の場合の座屈応力係数Ｋ₁は、次式で表される。Ｋ₁＝０．０８５（Ｂ／Ｗ）^0.9・ｅｘｐ（５．８ｄ_G／Ｗ）（５）式ここで、ｄ_Gは板幅端部から等価圧縮応力域の重心まで
の距離の小さい方を表す。また、圧縮応力域が複数ある
場合の座屈応力係数ＫΔは、ＫΔ＝１２（１−ν²）Ｂ²／｛Ｅπ²２４²｝・（０．７１β−１．６）（６）式 β＝１／ＢＷ・Σ｛（ｄ_G−ｄ_i）・ｅｘｐ（５．８ｄ_G／Ｗ）・∫_biσｄｙ｝（７）式と表される。ここで、ｄ_iはｉ番目の圧縮応力域または
引張り応力域の重心位置、∫_biｄｙは、ｉ番目の圧縮ま
たは引っ張り応力域における積分を表す。以上の（４）
式〜（７）式で計算される臨界座屈応力σ_CRの値は、図
９に示すとおり、有限要素法により求めた結果とよい一
致を示している。なお、（３）式の座屈判定基準を実際
に適用するにあたっては、安全率を考慮して、（４）式
〜（７）式で定義される臨界座屈応力を０．９倍したも
のを臨界座屈応力として用いる。

【００２３】鋼板の座屈は、ロットごとにまとまって発
生することが多いので、ある鋼板について座屈の発生が
予測された場合、次の鋼板では、残留応力を臨界座屈応
力以下となるように急速冷却水量を調整し、熱間矯正終
了時の幅方向温度分布を制御し、座屈の発生を防止する
ことが必要である。本発明者らが調査した結果では、鋼
板の幅方向の温度分布は、高温部と高温部あるいは低温
部と低温部との間隔は、最も小さい場合で約２５０ｍｍ
であった。この間にノズルが３個あれば、その水量を調
整することで、温度むらを発生を抑えた冷却が可能にな
る。したがって、必要なノズルピッチは、鋼板の幅方向
に約１２５ｍｍとなる。急速冷却される鋼板の板幅は、
通常２〜５ｍであり、幅方向のノズル個数の下限を板幅
の１／１５、上限を１／４０と定めた。

【００２４】座屈発生を防止するように温度分布を修正
する第１の方法（以下温度修正法１という）は、予測さ
れた臨界座屈応力と残留応力との比ｒ、ｒ＝σ_CR／｜σｃ｜（≦１）（８）式を求め、図１０に示すとおり、鋼板の平均温度（￣Ｔ
_AVE）と平均幅方向温度分布Ｔ_AVE（ｙ）での幅方向各位
置ｙにおける温度との差ΔＴ（ｙ）（＝Ｔ_AVE（ｙ）−
￣Ｔ_AVE）は、座屈発生判定時のｒ倍未満となるよう
に、平均幅方向温度分布を全体的に縮小することであ
る。幅方向平均温度差を縮小するためには、幅方向に冷
却水量が可変な冷却装置において相対的に高温な部分の
ノズルからの水量を増加させ、相対的に低温域な部分の
水量を減少させれば良い。各ノズルの水量の増減量ΔＱ
_iは、座屈判定がされたときの幅方向各ノズルの水量の
平均値Ｑ_AVEと各スプレー水量Ｑ_iから次のように定め
る。一般に、鋼板の急速冷却においては、金属組織的な
観点から、冷却終了時の鋼板の温度を所定温度に制御す
るために、鋼板板厚や冷却開始時の鋼板の温度毎に、冷
却水量搬送速度と冷却終了時の鋼板温度との関係が調査
されている。これと同様に、ノズル１個あたりの平均冷
却水量と熱間矯正部での鋼板平均温度との関係を図１１
（ａ）（ｂ）に示すように、鋼板板厚、冷却開始時の鋼
板平均温度や搬送速度別に予め求めておく。これより、
水量変化に応じた鋼板平均温度の変化率Δ￣Ｔ_AVE／Δ
Ｑ_AVEを用いて、 ΔＱ_i＝（１−ｒ）（Ｔ_AVE（ｙ）−￣Ｔ_AVE）÷（Δ￣Ｔ_AVE／ΔＱ_AVE）９式より、各スプレーの流量変更量を求めることができる。

【００２５】座屈を防止するように温度分布を修正する
第２の方法（以下温度修正法２という）は、鋼板に同じ
幅方向温度差が生じたとしても、座屈がより生じにくい
残留応力分布になるように、幅方向温度分布の形状、す
なわち、相対的低温部の位置や幅を修正する方法であ
る。図１２は圧縮応力が鋼板幅方向に対称に２個ある場
合の臨界座屈応力と圧縮応力の位置との関係を示す図で
ある。圧縮応力域が板幅のそれぞれ１／４の位置にある
場合に臨界座屈応力は最大となり、最も座屈し難いこと
がわかる。そこで、板幅の１／４の位置に相対的低温部
を位置せしめることが、鋼板に同じ幅方向温度差が生じ
る場合には最も座屈を起こしにくくする方法となる。通
常、鋼板の急速冷却においては、鋼板の温度偏差は座屈
のみならず、金属組織的な要請からもその下限を規定さ
れることが多い。そこで例えば、この金属組織的な要請
による温度偏差の下限を４０℃とした場合、温度偏差４
０℃においても座屈を発生させない温度分布の条件を図
１３（ａ）（ｂ）に例示するように求めておく。図１３
（ａ）（ｂ）は、温度差４０℃の場合に相対的低温部の
重心位置の関数として、座屈を発生させないための相対
的低温領域の幅を示すものである。相対的低温部の位置
が板幅のそれぞれ１／４に位置するときは、他の場所に
位置する場合に比べて、低温領域の幅が広くても座屈し
難いことを示している。図１３（ａ）（ｂ）に示す座屈
防止温度条件を満足する温度分布を目標値Ｔ_OBJ（ｙ）
とし、平均幅方向温度分布Ｔ_AVE（ｙ）をＴ_OBJ（ｙ）と
するための各ノズルの水量の増減量ΔＱ_iは、 ΔＱ_i＝（Ｔ_OBJ（ｙ）−Ｔ_AVE（ｙ））÷（Δ￣Ｔ_AVE／ΔＱ_AVE）（１０）式によって与えられる。

【００２６】上記温度修正法１の（９）式あるいは、温
度修正法２の（１０）式に基づき、冷却装置のそれぞれ
のノズルに連結された流量計と流量調整弁により、ノズ
ル流量を適正範囲内に制御することによって、座屈防止
平均幅方向温度分布が達成でき、鋼板の形状を平坦に保
つことができる。なお、温度修正法１や温度修正法２で
の座屈防止は、座屈が発生すると判定された次の鋼板か
ら有効である。そこで、座屈が発生すると判定された鋼
板については、そのまま室温にまで冷却するとやがて座
屈が発生するので、座屈が発生する前に再度、温間矯正
を行い、残留応力を解放することによって座屈の発生を
防ぐことが好ましい。放冷時には、鋼板の平均温度の低
下に伴って急速冷却で生じていた幅方向温度差も減少す
るが、この時の鋼板の平均温度と幅方向温度差とはほぼ
比例関係にある。圧縮残留応力は幅方向温度差の減少に
伴って直線的に増加するため、残留応力が臨界座屈応力
に到達するときの鋼板平均温度￣Ｔ_AVE’は次のように
与えられる（図１４（ａ）（ｂ））。￣Ｔ_AVE’＝Ｒ．Ｔ．＋ｒ（￣Ｔ_AVE−Ｒ．Ｔ．）（１１）式ここで、ｒは（８）式で与えられる予測された臨界座屈
応力と残留応力との比である。鋼板平均温度￣Ｔ_AVEが
（１１）式で与えられる￣Ｔ_AVE’未満となる前に再度
レベラーによって矯正することで座屈の発生を防止する
ことができる。

【００２７】

【実施例】

実施例１以下にこの発明方法の詳細を実施の一例を示す図１およ
び図２に基づいて説明する。図１はこの発明方法を実施
する鋼板の急速冷却ラインの概略構成図、図２は鋼板幅
方向に所定ピッチで冷却水量を制御するためのノズルヘ
ッダー列配置の説明図である。図１において、１は鋼
板、２は熱間圧延機、３は板幅方向に温度制御可能な急
速冷却装置、４は熱間矯正機、５は熱間矯正機４の入口
上部に設けたサーモグラフィーからなる面温度計、６は
熱間圧延機２の出側上下面に設けた温度計である。７は
冷却制御部、８は冷却水量調整部で、冷却制御部７は、
温度計６、６から入力される鋼板１の上下面温度と予め
定めた冷却開始設定温度を比較し、冷却開始温度が冷却
開始設定温度となるよう熱間圧延機２から強制冷却装置
３までの搬送時間を制御し、冷却開始温度を冷却開始設
定温度に制御する。また、冷却制御部７は、面温度計５
から入力される鋼板１の表面温度に基づいて幅方向温度
分布を求め、幅方向（ｙ方向）の温度分布を長さ方向に
平均化し、この平均幅方向温度分布Ｔ_AVE（ｙ）と予め
定めた平均幅方向設定温度と比較し、幅方向冷却水量の
修正量を演算して冷却水量調整部８に指令し、急速冷却
装置３から板幅方向の上下面に噴射される冷却水量を制
御し、鋼板１の幅方向温度分布が所定温度となるよう制
御するよう構成されている。急速冷却装置３で所定温度
に冷却された鋼板１は、熱間矯正機４で熱間矯正された
のち、次工程に搬送される。

【００２８】急速冷却装置３は、図２に示すとおり、間
隔Ｗａが１２５ｍｍとなるようノズル２１を配した長さ
５ｍのパイプラミナヘッダー２２を鋼板１搬送方向に沿
って図示していないが４本配置し、板幅方向には、隣り
合うパイプラミナヘッダー２２のノズル２１との間隔Ｗ
ｂが１２５ｍｍになるように幅方向に３６列、計１４４
本のパイプラミナヘッダー２２を配置した。それぞれの
パイプラミナヘッダー２２に図示していないが流調弁と
流量計を接続し、冷却水量調整部８により幅方向３６列
のパイプラミナヘッダー２２への冷却水量を調整し、板
幅方向に１２５ｍｍピッチで冷却水量を制御できるよう
構成する。冷却水の総供給能力は、２００Ｔｏｎ／分で
あり、全ノズル２１の個数は５７６０本であるので、ノ
ズル２１一本あたりの最大水量は約３４．７リットル／
分である。

【００２９】また、冷却制御部７は、面温度計５から入
力される鋼板１の表面温度に基づいて、板幅方向５０ｍ
ｍピッチ、板長さ方向に５００ｍｍピッチの格子状に再
度、補間計算し直した後、平均幅方向温度分布や残留応
力、臨界座屈応力の計算と座屈発生の有無の判定を行
う。これらの温度データの転送処理と温度データから座
屈評価までに要する時間は、鋼板１枚あたり、約１０〜
１５秒であった。さらに、冷却制御部７は、座屈発生有
りと判定した場合、鋼板１の幅方向冷却水量の修正量を
計算し、冷却水量調整部８に指令して所定のパイプラミ
ナヘッダー２２列のノズル２１からの冷却水量を指示値
に制御するよう構成されている。

【００３０】上記のとおり構成したことによって、冷却
制御部７は、温度計６、６から入力される鋼板１の上下
面温度と予め定めた冷却開始設定温度を比較し、冷却開
始温度が冷却開始設定温度となるよう熱間圧延機２から
強制冷却装置３までの搬送時間を制御し、冷却開始温度
を冷却開始設定温度に制御する。また、冷却制御部７
は、面温度計５から入力される鋼板１の表面温度に基づ
いて、板幅方向５０ｍｍピッチ、板長さ方向に５００ｍ
ｍピッチの格子状に再度、補間計算し直した後、平均幅
方向温度分布や残留応力、臨界座屈応力の計算と座屈発
生の有無の判定を行い、座屈発生有りと判定した場合、
鋼板１の幅方向冷却水量の修正量を計算し、冷却水量調
整部８に指令して所定のパイプラミナヘッダー２２列の
ノズル２１からの冷却水量を指示値に制御する。したが
って、鋼板１の幅方向および長手方向の温度は、通常誤
差範囲（±５℃）の範囲に抑えることができ、熱鋼板の
急速冷却時に発生する温度むらによって、鋼板が室温に
まで温度低下する過程で発生する座屈変形の有無を直ち
に予測でき、座屈変形なしと判定された鋼板１について
は、直ちに精製工程へ移送することができるとともに、
座屈変形ありと判定された鋼板１については、直ちに再
矯正行程へ移送することができる。また、座屈変形が発
生すると判定された鋼板１の後に急速冷却を受ける鋼板
１については、鋼板１の温度分布が座屈発生限度内とな
るように、急速冷却における鋼板幅方向の冷却水量を制
御することによって、座屈変形の発生を確実に防止する
ことができる。なお、本実施例においては、面温度計５
を熱間矯正機４の入口上部に設けたが、熱間矯正機４の
出口上部に設けても本発明の効果には影響しない。ま
た、面温度計５により鋼板１の上面温度を測定したが、
別途鋼板１の下面にも温度計を設置し、鋼板１の上下面
温度に差がないことを確認している。

【００３１】実施例２上記実施例１の急速冷却装置を使用し、本発明の方法を
表１の鋼板に表１のＮｏ．１〜５の条件で実施し、鋼板
幅方向の１本のノズルの冷却水量の平均偏差ΔＱｉ、実
績冷却終了温度、平均温度偏差ΔＴ_AVE、常温まで冷却
した場合の平坦不良率を測定した。その結果を、比較例
と共に表２に示す。なお、Ｎｏ．１〜５の各条件とも、
１００〜２００枚の鋼板について本発明方法と比較法と
を実施した。平坦不良発生率は、本発明方法において
は、各条件の全板数に対して平坦不良と判定された板数
の占める割合で、比較例においては各条件の全板数に対
して実際に平坦不良が発生した板数の占める割合で求め
た。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】表１および表２に示すとおり、本発明の方
法を適用することによって、幅方向の温度制御を行わな
い比較例では、最大４１％もの平坦不良発生があった条
件においても、平坦不良発生率を３％以下に抑えること
ができた。また、冷却終了温度は、幅方向冷却水量制御
による温度制御を行った場合でも通常誤差範囲（±５
℃）の範囲に抑えることができた。なお、本発明の方法
にて平坦不良発生と判定された鋼板については、室温に
まで冷却される前に、１１式に示した条件で、再度、温
間矯正を行うことにより、鋼板が実際に平坦不良を起こ
すことを防止することができた。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明方法によれ
ば、熱鋼板の急速冷却時に発生する温度むらによって、
鋼板が室温にまで温度低下する過程で発生することのあ
る座屈変形の発生有無を、急速冷却後直ちに予測できる
ので、座屈変形なしと判定された鋼板については、直ち
に精製工程へ移送することができるとともに、座屈変形
ありと判定された鋼板については、直ちに再矯正行程へ
移送することができる。また、座屈変形が発生すると判
定された鋼板の後に急速冷却を受ける鋼板については、
鋼板の温度分布が座屈発生限度内となるように、急速冷
却における鋼板幅方向の冷却水量を制御することによっ
て、座屈変形の発生を確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を熱間鋼板の冷却ラインに適用し
た場合の構成図である。

【図２】鋼板幅方向に所定ピッチで冷却水量を制御する
ためのノズルヘッダー列の配置の説明斜視図である。

【図３】急速冷却後、熱間矯正部で測定した鋼板の幅方
向の温度分布と、熱間矯正後の鋼板を常温にまで自然放
冷した後の鋼板の幅方向の残留応力の分布の一例を示す
もので、（ａ）図は機械側（ＭＳ）からの板幅方向距離
と熱間矯正前鋼板温度との関係を示すグラフ、（ｂ）図
は板幅方向距離と内部応力との関係を示すグラフであ
る。

【図４】鋼板の幅方向の温度分布例を示すもので、
（ａ）図は相対的低温域が幅方向に一箇所のみ存在する
場合の温度分布と残留応力分布を、（ｂ）図は幅方向に
一箇所のみ圧縮応力分布が存在する場合の臨界座屈応力
と圧縮応力位置との関係を示す図である。

【図５】幅方向に一箇所のみ圧縮応力分布が存在する場
合の臨界座屈応力と圧縮応力位置との関係を示すグラフ
である。

【図６】複数の圧縮応力域を生じる温度分布における座
屈臨界温度差（ΔＴｍａｘ）_CRが温度分布によって異な
ることを示すもので、（ａ）図は幅方向非対象温度分布
の場合、（ｂ）図は幅方向対象温度分布による座屈臨界
温度差（ΔＴｍａｘ）_CRの増加を示す図である。

【図７】低温域（圧縮応力域）の幅方向位置の差による
座屈臨界温度差（ΔＴｍａｘ）_CRの差を示すもので、
（ａ）図は低温域が両端近くにある場合、（ｂ）図は低
温域が幅方向１／４に存在する場合を示す図である。

【図８】圧縮応力域の幅Ｂの求め方の定義を説明するも
ので、（ａ）図は圧縮応力域が幅方向に１個の場合、
（ｂ）図は圧縮応力域が幅方向に複数個の場合、（ｃ）
図は圧縮応力域が幅端部を含む場合を示す図である。

【図９】（４）式〜（７）式で表した臨界座屈応力と有
限要素法での座屈解析によって求めた臨界座屈応力との
関係を示すグラフである。

【図１０】温度修正法１による温度分布修正を説明する
図である。

【図１１】搬送速度と鋼板平均温度と平均冷却水量との
関係を示すもので、（ａ）図は搬送速度と鋼板平均温度
とノズル１個あたりの平均冷却水量との関係を示すグラ
フ、（ｂ）図はノズル１個あたりの平均冷却水量と鋼板
平均温度との関係を示すグラフである。

【図１２】圧縮応力が幅方向に対称に２個ある場合の臨
界座屈応力と圧縮応力の位置との関係を示すもので、
（ａ）図は板幅に占める低温域幅の割合との臨界座屈応
力と圧縮応力との関係を示すグラフ、（ｂ）図は低温域
幅の位置を示す図である。

【図１３】温度偏差４０℃において板厚１０ｍｍの鋼板
を座屈を発生させない温度分布の条件を示すもので、
（ａ）図は鋼板の幅方向距離と温度分布を示す図、
（ｂ）図は板幅に占める低温域幅の割合と鋼板端部から
の距離を示すグラフである。

【図１４】放冷過程において鋼板の残留応力が臨界座屈
応力に到達する時の鋼板平均温度￣Ｔ_AVE’の求め方の
説明図で、（ａ）図は板材平均温度と板幅方向温度偏差
との関係を示すグラフ、（ｂ）図は板幅平均温度と圧縮
残留応力との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１鋼板２熱間圧延機３急速冷却装置４熱間矯正機５面温度計６温度計７冷却制御部８冷却水量調整部２１ノズル２２パイプラミナヘッダー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱鋼板を長手方向に移送しつつ加速冷却
したのち熱間矯正する工程での熱鋼板の冷却方法におい
て、鋼板の長手方向に所定間隔でノズルヘッダーを配し
たノズルヘッダー列を鋼板幅方向に所定間隔で設け、各
ノズルヘッダー列の噴射ノズルからの冷却水量を制御可
能な流量調整機構を有する冷却装置を使用し、該冷却装
置に続く熱間矯正機の入口あるいは出口で鋼板上表面全
体の温度分布を測定し、該鋼板上表面全体の平均幅方向
温度分布を予め定めた設定値と比較し、前記冷却装置の
各ノズルヘッダー列への冷却水量を制御することを特徴
とする熱鋼板の冷却方法。
【請求項２】熱鋼板を長手方向に移送しつつ加速冷却
したのち熱間矯正する工程での熱鋼板の冷却方法におい
て、鋼板の長手方向に所定間隔でノズルヘッダーを配し
たノズルヘッダー列を鋼板幅方向に所定間隔で設け、各
ノズルヘッダー列の噴射ノズルからの冷却水量を制御可
能な流量調整機構を有する冷却装置を使用し、該冷却装
置に続く熱間矯正機の入口あるいは出口で鋼板上表面全
体の温度分布を測定し、該鋼板上表面全体の温度分布に
基づいて鋼板の長さ方向の個々の位置における幅方向温
度分布を平均することによって平均幅方向温度分布を求
め、この平均幅方向温度分布を長さ方向に連続して有す
る仮想鋼板が常温にまで放冷された後の残留応力分布と
臨界座屈応力とを演算予測し、予測した残留応力および
臨界座屈応力に基づいて常温における座屈変形の発生有
無を判定し、座屈変形発生有りの場合は、残留応力が臨
界座屈応力未満となるように、熱間矯正機の入口あるい
は出口での鋼板面内温度分布を逆算し、前記測定した熱
間矯正機の入口あるいは出口の鋼板面内温度分布との差
に応じて、前記冷却装置における幅方向の各ノズルヘッ
ダー列の冷却水量の修正指示値を演算し、前記冷却装置
の各ノズルヘッダー列への冷却水量を制御することを特
徴とする熱鋼板の冷却方法。