WO2010114083A1

WO2010114083A1 - 熱延鋼板の冷却装置

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Publication number: WO2010114083A1
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Inventors: 上岡悟史; 杉原広和; 黒木高志; 西浦伸夫; 杉山努
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Abstract

熱延鋼板の冷却装置は、緩冷却用の棒状冷却水ノズル３を備える緩冷却ヘッダ２と、急冷却用の棒状冷却水ノズル５を備える急冷却ヘッダ４を一つの冷却ユニット９として構成し、その冷却ユニット９は一体となって上下に昇降することが可能な昇降ユニット７を具備する。熱延鋼板（熱延鋼帯や厚鋼板）の上面冷却において、高い冷却速度と低い冷却速度を両立しつつ、均一にかつ安定して冷却することができる。

Description

熱延鋼板の冷却装置

　本発明は、熱間圧延ラインにおいて被圧延材である熱延鋼板（熱延鋼帯若しくは厚鋼板）を冷却する際に用いる冷却装置に関するものである。

　熱延鋼板（熱延鋼帯や厚鋼板）は、高温に加熱したスラブを目的のサイズになるように圧延して製造されるが、その際に、熱間圧延の途中や仕上圧延後の冷却装置で冷却水によって冷却される。ここで行う水冷（冷却水による冷却）の目的は、それによって主に熱延鋼板の析出物や変態組織を制御して、目的の強度、延性などが得られるように材質を調整するために行われている。特に冷却終了温度を精度よく制御することは、目的の材質特性をバラツキ無く備えた熱延鋼板を製造するために最も重要である。

　近年、レアメタルの高騰により、合金成分の調整ではなく冷却による変態組織制御により機械特性を向上させる手法が進んでおり、前記の水冷を行う場合に材質の要求から冷却速度を広範囲で制御するニーズが高い。

　熱延鋼帯製造ラインにおける一般的な冷却装置のランナウトテーブルでは、上面はパイプラミナー冷却、下面はスプレー冷却といった配置が多く、冷却水量は７００~１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２程度であり、板厚３ｍｍの鋼帯で７０℃／ｓ程度の冷却速度が得られる。しかし、この冷却装置では比較的板厚の厚い鋼帯（造船用高張力材やラインパイプ用素材）の代表的な板厚である２５ｍｍ材では１０℃／ｓ程度の冷却速度となってしまう。

且つ加工性を重視する素材や靭性を重視する素材などがあり、板厚の厚いもののみ冷却速度を早くしたいというニーズがある。冷却速度を調整する方法としては、冷却水量を調整する必要がある。

　また、熱延鋼帯製造ラインでは、特にその板厚により鋼帯の通板性が変化するために困難を生じる。すなわち、自動車向け高張力材などでは板厚が１．２~３．０ｍｍ程度の厚みの鋼帯が多いが、この程度のサイズの鋼帯は剛性が無く且つ通板速度が速いため、テーブルローラー搬送中に鋼帯に空気抵抗による揚力や冷却水による流体抵抗が発生しバウンドしやすく、特に１．２ｍｍ程度の極薄サイズでは、パスラインから最大１０００ｍｍ程度バウンドする。そのため、薄物を処理する場合はパスラインから１０００ｍｍ以上遠方から比較的少ない水量で冷却する必要がある。このため、従来のランナウトテーブルでは、鋼帯上面の冷却に、遠方からの冷却が可能なパイプラミナーの冷却装置が採用されている。

　しかし、一般的な冷却装置である上面はパイプラミナー冷却、下面はスプレー冷却とした設備構成で大水量冷却する場合には様々な問題がある。

　例えば、上面のパイプラミナーの冷却水量を上げていくと、パイプ内の流速が極端に早くなるため、冷却水の噴射が連続的なラミナー流からジェット流に遷移してしまう。パイプラミナーはノズル径１０~２５ｍｍ程度のパイプを鋼帯搬送ラインから１０００~１５００ｍｍ程度離れた位置から冷却水を噴射するが、ジェット化した冷却水は一部液滴化して冷却水の連続性が損なわれ、また一部飛散してしまい効率的な冷却をすることが出来ない。

　よって、熱延鋼帯ではランアウトテーブルでの冷却で冷却速度を大きく変化させることが出来ず、従来は既存の冷却速度に合うように素材成分を調整することが主として行われていた。

　また、厚鋼板についても、製造板厚範囲が６~１００ｍｍと極めて板厚変化が大きいため、厚物ほど冷却速度が低くなることから、板厚が厚いものほど合金元素を多くして強度や靭性などの機械特性を満足させていた。よって、こちらも熱延鋼帯と同じく板厚の厚いものでなるべく冷却速度を早くして、板厚毎の冷却速度変化が小さくなるようにしたいといったニーズがある。

　これを解決するために、例えば、厚いサイズの冷却速度を確保する手段として、特許文献１、２には、柱状噴流群による冷却方法が示されており、比較的鋼板に近い位置から冷却水を噴射して均一に冷却が可能な技術が記載されている。

　また、特許文献３には、昇降機構を備えて搬送方向に対向して配列されたスリットノズルユニットより冷却水を噴射するとともに、別に設けたラミナーノズルやスプレーノズルも使用することによって、広範囲の冷却速度を確保しながら安定して冷却できるようにしようとした技術が記載されている。

特開平１０−２６３６６９号公報特開２００２−２３９６２３号公報特開昭６２−２６００２２号公報

　しかし、特許文献１、２に記載された技術の問題点は、通板性と冷却均一性の両立を図ることが困難であることにある。すなわち、柱状噴流群を用いる場合、ノズル本数が多いため比較的口径の小さなノズル（口径φ３~１０ｍｍ程度のノズル）にして、全体の流量を削減する方法が取られるが、ノズル口径が小さくなるため、大水量噴射する場合ジェット化しやすい。そのため鋼板に近い距離にノズルを設置する必要がある。一方、今度は冷却水を少なくすると、冷却水が落下していく途中で表面張力により破断するため、液滴となって落下することが知られている。先に説明したように、薄物の通板の場合、小水量且つ遠方噴射が必要であるが、１本のノズルの流量を少なくした場合、冷却水は落下中に表面張力で破断するため、温度バラツキが発生する危険があり、また１本のノズルの水量を多くして、ノズルの噴射本数を減らす場合は、ジェット化による液滴化のため水の飛散が大きく効率的な冷却が出来ない。そのため、鋼板とノズルの距離を遠方から近づける必要があるが、その場合１．２ｍｍ材のような薄物ではバウンドの問題から必要以上に近づけ過ぎると通板が困難となる。このように、一つの装置で安定的に冷却するには、狭い流量範囲を選択せざるを得ない。

　一方、特許文献３に記載された技術は、冷却速度の異なるヘッダを複数独立して備えているため、薄物を製造する場合は、昇降機構によりスリットノズルユニットを退避し、別に設けた冷却能力の低いラミナーノズルやスプレーノズルを使用することで対応が可能である。また、厚物で冷却速度を早くする必要があるものは、スリットノズルを下降させ、冷却能力の高いスリットノズルと冷却能力の低いラミナーノズル及びスプレーノズルを併用することによりある程度対応可能である。

　しかし、特許文献３に記載された技術では、厚物で冷却速度を安定的に早くするには、強冷却可能なスリットノズル冷却で一旦表面温度を低くしてから緩冷却が可能なラミナー／スプレー冷却を行うが、この冷却時間をある程度長くして緩冷却可能な冷却装置で高い冷却速度を得るためには、スリットノズルの設備長さをある程度長くする必要がある。一方、限られたスペース内に設置するには、後方に備えた冷却能力の低いラミナー及びスプレーノズルの設備長さを短くする必要がある。熱延鋼帯や厚鋼板の冷却装置の設備スペースは、製造ラインは過去に構築されたものが多く、そのスペースが不足していることや、新規に建造するにしても、設備設置面積が広くなるため、初期投資コストの面で問題がある。

　本発明は前記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱延鋼板（熱延鋼帯や厚鋼板）の上面冷却において、高い冷却速度と低い冷却速度を両立しつつ、均一にかつ安定して冷却することができる熱延鋼板の冷却装置を提供することを目的とするものである。

　前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

　［１］熱延鋼板を冷却するための冷却装置において、
　緩冷却用の棒状冷却水ノズルを備えるヘッダと、急冷却用の棒状冷却水ノズルを備えるヘッダを一つの冷却ユニットとして構成し、該冷却ユニットは一体となって上下に昇降することが可能な昇降ユニットを具備することを特徴とする熱延鋼板の冷却装置。

　［２］前記冷却ユニットは、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルに対して、熱延鋼板の搬送方向の上流側および／または下流側に急冷却用の棒状冷却水ノズルが配置されることを特徴とする前記［１］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［３］前記昇降ユニットの昇降機能により、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルを使用する場合は、熱延鋼板から当該ノズルの先端までの距離が１０００ｍｍ以上になるように前記冷却ユニットを設定し、急冷却用の棒状冷却水ノズルを使用する場合は、熱延鋼板から当該ノズルの先端までの距離が当該ノズルの口径の５~５０倍の範囲になるように前記冷却ユニットを設定することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［４］前記冷却ユニットの熱延鋼板の搬送方向の前後には、水切り装置を有することを特徴とする前記［１］~［３］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［５］前記水切り装置が水切りロールであることを特徴とする前記［４］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［６］前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、熱延鋼板を搬送するテーブルローラーの上方に配置されていることを特徴とする前記［１］~［５］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［７］前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、熱延鋼板を搬送するテーブルローラー間に設置された下面冷却ノズルの噴射位置の上方に配置されていることを特徴とする前記［１］~［５］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［８］前記冷却ユニットに、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルと急冷却用の棒状冷却水ノズルとを保護するための平面状のプロテクターを連結し、該プロテクターは冷却水通過用のガイド孔を有し、そのガイド孔を介して、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルおよび急冷却用の棒状冷却水ノズルから冷却水が噴射されることを特徴とする前記［１］~［７］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［９］前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、ノズル口径が１０ｍｍ以上、ノズル出口流速が３ｍ／ｓ以下であることを特徴とする前記［１］~［８］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［１０］前記急冷却用の棒状冷却水ノズルは、ノズル口径が１０ｍｍ以下、ノズル出口流速が７ｍ／ｓ以上であることを特徴とする前記［１］~［９］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［１１］前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、冷却する熱延鋼板の幅方向にノズル口径の１．５倍から５倍の間隔で複数並べられ、これを１列の冷却ノズル列とした場合に、一個のヘッダ内で１~３列の冷却ノズル列が配置されていることを特徴とする前記［１］~［１０］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［１２］前記急冷却用の棒状冷却水ノズルは、冷却する熱延鋼板の幅方向にノズル口径の３倍から２０倍の間隔で複数並べて配置されていることを特徴とする前記［１］~［１１］のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［１３］前記熱延鋼板が１~３０ｍｍの板厚を有する熱延鋼帯である前記［１］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

　［１４］前記熱延鋼板が６~１００ｍｍの板厚を有する厚鋼板である前記［１］に記載の熱延鋼板の冷却装置。

　本発明によると、熱延鋼板（熱延鋼帯や厚鋼板）の上面冷却において、高い冷却速度と低い冷却速度を両立しつつ、均一にかつ安定して冷却することができる。
　例えば、熱延鋼帯の仕上圧延後の冷却に適用した場合、板厚が２．０ｍｍを下回り通板性に問題がある素材も、板厚が厚い素材も、冷却速度をあまり変えることなく安定して冷却ができるようになった。
　すなわち、本発明の冷却装置は、冷却を安定しつつ、冷却水量が広い範囲で変更できるようになっているため、板厚が２．０ｍｍを下回る薄い鋼帯で問題となる通板性も、緩冷却ノズルを適用することにより、安定通板が可能となり、さらに板厚が５ｍｍを超える領域の鋼帯では、従来の設備の数倍の高い冷却速度を得ることができるので、少ない合金添加で高強度・高靭性を有する鋼板の製造が可能となった。
　また、厚鋼板の冷却に適用した場合、板厚が異なっても冷却速度が変化しにくくできるため、同一成分系の鋼種で同一特性を出すことができ、従来強度や靭性などを特別な元素を付加することなく製造することが可能となった。
　さらに、緩冷却用のヘッダと急冷却用のヘッダを一つの冷却ユニットとして一体化することにより、狭いスペースで冷却装置の設置が可能になった。この結果、特に現有の圧延設備における少ない空きスペースへの導入が可能となり、高機能商品の製造が可能となった。

本発明の一実施形態を説明する側面図である。本発明の一実施形態を説明する下面図である。本発明の一実施形態において急冷却する場合の説明図である。本発明の一実施形態において緩冷却する場合の説明図である。本発明の一実施形態における水切りロールの説明図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明における緩冷却ノズルの落下点について説明する図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明の一実施形態における他の例の説明図である。本発明の実施例１における熱延鋼帯製造ラインの説明図である。本発明の実施例１における冷却装置の説明図である。本発明の実施例１における冷却装置の説明図である。本発明の実施例２における厚鋼板製造ラインの説明図である。本発明の実施例２における冷却装置の説明図である。本発明の実施例２における冷却装置の説明図である。

　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、熱延鋼帯の冷却装置を念頭において述べる。

　図１は本発明の一実施形態に係る熱延鋼帯上面の冷却装置の基本構造を示す図である。

　この冷却装置は、熱延鋼帯を搬送するテーブルローラー１の上面にあり、緩冷却ヘッダ２、緩冷却ノズル３を中心として、その両サイドに急冷却ヘッダ４、急冷却ノズル５が配置されており、これらをまとめて１個の冷却ユニット９として、テーブルローラー１の間に配置される。また、緩冷却ノズル３、急冷却ノズル５の先端部にはノズル保護のためプロテクター６が設置されている。

　さらに、該プロテクター６には、冷却水通過用の複数のガイド孔が貫設され、緩冷却ノズル３、および急冷却ノズル５は、このガイド孔を通じて鋼帯面に冷却水を噴射するように配置されている。

　冷却ユニット９は、昇降装置（昇降ユニット）７が取り付けられており、テーブルローラー１に近接した位置から１０００ｍｍ以上遠方まで移動可能な構造となっている。

　なお、プロテクター６と冷却ユニット９は連結されており（具体的な構造は不図示）、昇降ユニット７により一体となって昇降するように構成されている。

　次に、ノズルの配置について、冷却ユニット９を下方から見たものを図２に示す。

　緩冷却ノズル３および急冷却ノズル５は、棒状冷却水が噴射できるようなノズル（棒状冷却水ノズル）とする。

　棒状冷却水とは、円形状（楕円や多角の形状も含む）のノズル噴出口から噴射される冷却水のことを指している。また、本発明における棒状冷却水は、スプレー状の噴流でなく、膜状のラミナーフローでなく、ノズル噴出口から鋼帯に衝突するまでの水流の断面がほぼ円形に保たれ、連続性で直進性のある水流の冷却水をいう。

　緩冷却ノズル３は比較的大きい口径を持ち、鋼帯の幅方向に並べて配置され、急冷却ノズル５は比較的小さい口径を持ち、鋼帯の幅方向及び搬送方向に複数並べられ、群噴流を形成する。なお、以下の説明において、単に幅方向は鋼帯の幅方向を意味し、単に搬送方向は鋼帯の搬送方向を意味する。

　鋼帯の冷却速度は、冷却水量に比例し、板厚に反比例する。冷却される鋼帯は、例えば一般的な熱延鋼帯の最小板厚１．０~１．２ｍｍ材から最大板厚２５~３０ｍｍ材まで変化するが、同一冷却水量で冷却すると冷却速度は２０~３０倍程度変化する。そのため、板厚が厚いものほど冷却速度が遅くなり、ベーナイトやマルテンサイトなどの焼入れ組織の活用が難しいため、冷却速度を高くしたいニーズが潜在的にある。よって、比較的板厚の厚いものは、図３に示すように、冷却ユニット９を昇降装置７により鋼帯１０に近接させた状態で、冷却水を急冷却ヘッダ４に給水し、急冷却ノズル５から噴射する。

　また、板厚の薄いものは少ない冷却水量でもある程度の冷却速度の確保が可能であるが、鋼帯の通板性が課題となることが多い。板厚が１．０~１．２ｍｍ程度の鋼帯を冷却しながら通板する場合、鋼帯に発生する揚力でフライングしたり、冷却水中を通過するときに発生する流体抵抗により鋼帯が減速され、ループが発生したりするなど課題が多い。そのため、フライング対策としてノズルをテーブルローラー１よりも遠方から噴射し、且つ流体抵抗による鋼帯の減速を避けるために、低圧力且つ小水量で冷却することが好ましい。よって、図４に示すように、冷却ユニット９を昇降装置７により薄物の通板における鋼帯がバウンドしても緩冷却ノズル３に衝突しないパスラインから１０００ｍｍ以上上昇させた状態で、冷却水を緩冷却ヘッダ２に給水し、緩冷却ノズル３から冷却水を噴射する。

　また、緩冷却ノズル３及び急冷却ノズル５は噴射冷却水の液滴化を低減させるために、それぞれのノズル口径に対して５倍以上の長さを持つ構造とする。

　一方、図３に示すように、鋼帯１０に冷却ユニット９を近接する場合、鋼帯１０の反りなどによりノズルを破損する危険性があるため、緩冷却ノズル３及び急冷却ノズル５のノズル流出口の水平面位置はほぼ同一とし、その位置にプロテクター６を設置する。

　なお、緩冷却ノズル３及び急冷却ノズル５の先端は、プロテクター６のガイド孔内に位置してもよいし、ガイド孔の直上に位置してもよい。

このように、緩冷却ヘッダ２（緩冷却ノズル３）と急冷却ヘッダ４（急冷却ノズル５）を一体化して、一つの冷却ユニット９として設備構成することで、既存の設備において狭いスペースで急冷却と緩冷却の冷却速度切替えが可能となる。

　次に、急冷却ノズル５の構成であるが、急冷却ノズル５は大水量噴射するため鋼板上に水が溜まりやすく、水冷中に蒸気膜が発生し、冷却能力が低くなる危険性がある。そのため、ノズル口径の小さなものを多数配置して且つ、ノズル噴射流速を早くして蒸気膜を打ち破る必要がある。小径ノズルを選択するのは、投入量を増やさずにノズル噴射流速を高める狙いがあり、温度均一性を確保するために、幅方向／搬送方向に複数配置して、群噴流を形成する。

　ノズル口径は１０ｍｍ以下とし、幅方向の温度均一性を確保するために、幅方向にはノズル口径の３~２０倍のピッチで取り付けるのが好ましい。搬送方向に関しては、鋼帯１０を搬送しながら冷却するため、取り付けピッチが温度均一性に与える影響は少なく、自由に配置してかまわない。

　ノズル出口流速は７ｍ／ｓ以上とすることで、熱延鋼帯や厚鋼板の一般的な板温度である９００℃以下の領域で安定して蒸気膜を打ち破ることができる。また、急冷却ノズル５はなるべくノズル径の小さいものを採用するほうが同じ投入流量でもノズル出口流速を早くすることができるため有利であるが、ノズル口径が小さいほど冷却水に混じるゴミによる詰まりのリスクが高くなる。実用上はノズル口径を３．０ｍｍ以上とするのが好ましい。また、ノズル出口流速が４５ｍ／ｓを超えると周囲の空気との速度差からせん断力が大きくなり、棒状冷却水が液滴化する。この結果、衝突力が低下して蒸気膜を打ち破る能力が低下する。そのため、ノズル出口流速を４５ｍ／ｓ以下にするのが好ましい。

　急冷却ノズル５から鋼板１０までの距離は近いほど良いが、ノズル口径の５倍よりも近く近接させると鋼帯通過スペースが極端に狭くなるので、プロテクター６を設置していたとしても冷却ユニット９の破損の危険が高くなるので好ましくない。また、ノズル口径の５０倍を超えた遠方から噴射すると、今度は小径ノズルを使用しているため、急冷却ノズル５から噴射した冷却水が液滴になりやすくなり、効率的な冷却がなされない。そのため、急冷却ノズル５から鋼板１０までの距離はノズル口径の５~５０倍が好適である。

　また、急冷却ノズル５による大水量冷却をした場合、ノズル５から噴射された冷却水は鋼帯１０に衝突したのち鋼帯搬送方向や幅方向に漏洩していく。特に鋼帯搬送方向に冷却水が漏洩した場合、鋼帯上面に漏洩水が乗ったまま鋼帯１０が搬送されるため、乗り水の部分で局所的な過冷却が発生する。そのため、冷却装置の前後には水切り手段を設けるのが好ましい。

　水切り手段としては、高圧水によるパージなどが一般的な方法であり、この手法でもかまわないが、図５のように、冷却ユニット９の前後に水切りロール８を配置するのが良い。水切りロール８は固体壁を形成して水切りするので確実性が高く、また、急冷却ヘッダ４及び急冷却ノズル５／緩冷却ヘッダ２及び緩冷却ノズル３からなる冷却ユニット９を複数設置した場合に、冷却水を注水したユニットの近傍で確実に水を切ることが可能となるからである。このように，水切りロール８を配置した場合、水切りロール８や緩冷却ノズル３設置部近傍に、急冷却ノズル５からの棒状冷却水を噴射できないため、冷却能力が低くなる傾向にある。そこで、図６のように、水切りロール８や緩冷却ノズル３近傍の急冷却ノズル５を傾斜させて冷却水を噴射すると水切りロール８間に均等に棒状冷却水が衝突して高い冷却能力を得ることができる。また、冷却水量としては、一つの冷却ユニット９が冷却する面積に対して単位面積当たりの流量が１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以上で設計するようにすれば、既存のラミナー冷却に対して３~５倍の冷却速度を得ることができる。

　次に、緩冷却用ノズル３であるが、先に図４を用いて説明したように、鋼帯１０の通板性からなるべく小流量で、且つ遠方から冷却水を噴射する。遠方から棒状冷却水を噴射した場合、ノズル内の流速が極端に遅いと、落下中に表面張力の影響で冷却水が破断して温度ムラの原因となるし、流速を早くしすぎると、落下中にジェット化して一部液滴となり冷却効率が低くなる。そのため、ノズル出口流速は表面張力による冷却水の破断を防止する観点から０．４ｍ／ｓ以上とし、ジェット化を防止する観点から３．０ｍ／ｓ以下とすると、１０００ｍｍ程度の距離から緩冷却ノズル３による棒状冷却水噴射がジェット化せず且つ破断もせず連続流の状態で鋼帯１０に冷却水を衝突させることができる。また、緩冷却ノズル３の口径は大きいほど冷却水の破断やジェット化しにくくなるが、実用上はノズル口径を１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲が好適である。

　緩冷却ノズル３の幅方向の取り付けピッチは、緩冷却ノズル３の口径の１．５倍より狭いと、ノズルの取り付け誤差などにより隣り合うノズルから噴射された冷却水が鋼帯１０に到達する前に合流してしまい、温度ムラを発生させる危険があり、またノズル口径の２０倍以上間隔を空けると、先に急冷却ノズル５で説明したように、幅方向の温度均一性が確保できなくなる。一方、緩冷却ノズル３は急冷却ノズル５のようにノズル群を構成しないため、ノズルピッチは急冷却ノズル５よりも狭い方がよい。よって、さらに好ましくは、緩冷却ノズル３の取り付けピッチは、ノズル口径に対して、５倍以下が良い。また、冷却水量としては、一つのユニットが冷却する面積に対して単位面積当たりの流量が７００~２０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２で設計するようにすればよいが、ノズル口径やノズルピッチ、ノズル出口流速が先に説明した範囲で設計できない場合は、図７のように、緩冷却ノズル３を搬送方向に複数列設置すればよい。一方、３列よりも多く設置すると、急冷却ノズル５のように群噴流となってしまい冷却水流が多くなる。この状態では薄物通板時の流体抵抗増大に繋がり、通板が不安定になるため、１つの冷却ユニット９に対して緩冷却ノズル３を搬送方向に１~３列設置するのが好ましい。このようにすることにより、既存のラミナー冷却とほぼ同等の冷却速度を得ることができる。

　緩冷却ノズル３は、流体力による薄物鋼帯の通板性を改善するために使用することが挙げられ、これについて説明する模式図を図８（ａ）に示す。緩冷却ノズル３から噴射した冷却水をテーブルローラー間に落下させた場合、鋼帯１０が流体力により撓む。特に板厚が薄いほど剛性が低いため撓み量が多くなる。鋼帯１０は移動しているため、この撓みがテーブルローラー１に衝突してバウンドを発生させる。そこで、緩冷却ノズル３から噴射させる冷却水は、例えば図８（ｂ）のように、テーブルローラー１上に噴射したり、あるいは、図８（ｃ）のように、テーブルローラー１間に下面冷却装置１１を設置し、緩冷却ノズル３から噴射する冷却水と同じ運動量を持つ冷却水を下面冷却装置１１から対向して噴射して流体力をバランスさせると、撓みが発生しないため好ましい。

　そのため、冷却ユニット９の構成としては、図９に示すように、急冷却ヘッダ４を搬送方向に２つに分けて、その中央部のスペースに緩冷却ヘッダ２及び緩冷却ノズル３を配置したり、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、急冷却ヘッダ４の上方に緩冷却ヘッダ２を配置して、緩冷却ノズル３をヘアピン状にして、その緩冷却ノズル３に対して、搬送方向の上流側または下流側に急冷却ノズル５を配置したり、また、図７を用いて先に説明したように、緩冷却ノズル３を搬送方向に２列並べる場合は、図１１のように、急冷却ヘッダ４の上流側および下流側にヘアピン状にした緩冷却ノズル３を配置したりして、テーブルローラー１上に冷却水が落下させる方法が挙げられる。

　また、図１２のように、急冷却ヘッダ４を搬送方向に２つに分けて、その中央部のスペースに緩冷却ヘッダ２及び緩冷却ノズル３を配置して、テーブルローラー１間に冷却水を落下させ、且つ下面側に配置した、緩冷却ノズル３と同一流体力を持つ冷却装置１１により対向衝突させる方法が挙げられる。なお、この場合、下面冷却装置１１としては、スプレー冷却ノズルや棒状冷却水ノズルなどを配置すればよい。鋼帯１０下面の流体力は鋼帯１０上面とバランスさせるのが良いが、下面の流体力をあまり高くしすぎると、鋼帯１０が浮上してしまう危険性があり、また下面の流体力が少なすぎる場合は、緩冷却ノズル３の冷却水による撓み大きくなり、バウンドが発生しやすくなる。特に、鋼帯１０が浮上すると、テーブルローラー１からの駆動力が伝わらなくなり問題となる。そこで、鋼帯１０の自重と緩冷却ノズル３による流体力を足し合わせたものに対して、それよりも少ない流体力をもつ下面冷却装置を選択するのが良い。

　なお、この実施形態においては、熱延鋼帯の冷却装置を念頭において述べたが、厚鋼板の冷却装置についても同様にすればよい。

　本発明の実施例１として、本発明の冷却装置を熱延鋼帯の製造ラインに適用した。

　図１３は、本発明の冷却装置を適用した熱延鋼帯製造ラインの説明図である。図１３に示すように、この熱延鋼帯製造ラインでは、２５０ｍｍの厚みを持つスラブが、加熱炉６０により１２００℃まで加熱されたのちに、粗圧延機群６１及び仕上圧延機群６２により所定の板厚まで圧延された後、本発明の冷却装置２１および既存の冷却装置３１により冷却され、コイラー６３で巻き取られる。なお、図１３中の６５は放射温度計である。

　この実施例１では、本発明の冷却装置２１は、図１４及び図１５に示しているように、急冷却ヘッダ４を２つに分けて、その間に緩冷却ヘッダ２、緩冷却ノズル３を配置した冷却ユニット９を備え、且つ急冷却ヘッダ４の鋼帯搬送方向上流側／下流側には、冷却ユニット９と連動して昇降する水切りロール８を設置した構成となっている。

　また、テーブルローラー１は、取り付けピッチが３７０ｍｍで直径が３２０ｍｍであるため、スペースの観点から、上面の水切りロール８を含む冷却ユニット９は、３本のテーブルローラー１に対して１つの冷却ユニット９となるように構成されている。水切りロール８は、冷却装置２１の上流側及び下流側のテーブルローラー１に対して対となるような配置とし、緩冷却ノズル３は、テーブルローラー１直上に冷却水が落下するような配置としてある。

　なお、急冷却ノズル５は、口径５ｍｍで、幅方向に５０ｍｍピッチ・搬送方向に７０ｍｍピッチで群噴流を構成するように取り付けられ、急冷却ノズル５からは流速１２ｍ／ｓで噴射する。この場合の冷却ユニット９における急冷却ノズル５の水量密度は４５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２となる。

　一方、緩冷却ノズル３は、口径２０ｍｍで、幅方向に５０ｍｍピッチで取り付けられて、急冷却ヘッダ４の間に１列挿入しており、緩冷却ノズル３からは、流速０．７ｍ／ｓで噴射する。この場合の冷却ユニット９における緩冷却ノズル３の水量密度は７３０Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２となる。

　また、冷却ユニット９は、テーブルローラー１上から緩冷却ノズル３、急冷却ノズル５の先端までの距離が１３００ｍｍとなるように配置され、昇降装置７により下降し、板厚に応じて自在の位置で停止できる構造となっている。

　そして、本発明の冷却装置２１では、１機の冷却ユニット９の設備長はテーブルローラー１の２ピッチ分（７４０ｍｍ）であり、その冷却ユニット９を３０機配置してある（全体設備長は２２．２ｍ）。冷却ユニット９の下面には、スプレーノズル１１が取り付けられており、スプレー噴射圧力を変えることにより、水量変更が可能な構造となっている。

　なお、本発明の冷却装置２１の下流側には、パイプラミナーノズル／スプレーノズルから構成される既存の冷却装置３１が設置されている。

　目標とする冷却停止温度にするためには、本発明の冷却装置２１の冷却ユニット９及び既存の冷却装置３１のパイプラミナーノズル／スプレーノズルを個別に注水オンオフが可能なようにして、計算機により適正な温度になる冷却ユニット数と通板速度を計算して、注水オンにする冷却ユニット等を決定する。

　（本発明例１）
　前記のような熱延鋼帯製造ラインにおいて、本発明例１として、比較的板厚の薄い板厚１．６ｍｍの鋼帯を冷却する場合について説明する。

　粗圧延機群６１により板厚３２ｍｍまで圧延し、仕上圧延機群６２により板厚１．６ｍｍまで圧延した後、本発明の冷却装置２１間を鋼帯先端速度７００ｍｐｍで通過させ、鋼帯先端がコイラー６３に巻き付くと同時に１０ｍｐｍ／ｓで鋼帯を加速させる。

　その際に、本発明の冷却装置２１は、テーブルローラー１から１３００ｍｍの位置に退避し、緩冷却ノズル３より冷却水を注水して、６４０℃まで冷却する。また、下面の冷却装置１１は、水量密度を５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２、スプレー噴射流速を３ｍ／ｓとした。

　このようにすることにより、本発明例１においては、鋼帯が通板中にバウンドすることなく、且つ目標の巻き取り温度である６４０℃に対して±２０℃の範囲で全長を冷却することが出来た。また、このときの鋼帯中心部が７５０℃から６５０℃を通過するときの冷却速度は１４０℃／ｓとなった。

　（本発明例２）
　本発明例２として、板厚５．０ｍｍと比較的板厚の厚い鋼帯を冷却する場合について説明する。

　粗圧延機群６１により板厚４０ｍｍまで圧延し、仕上圧延機群６２により板厚５．０ｍｍまで圧延した後、本発明の冷却装置２１間を鋼帯先端速度５００ｍｐｍで通過させ、鋼帯先端がコイラー６３に巻き付くと同時に２ｍｐｍ／ｓで鋼帯を加速させる。

　その際に、本発明の冷却装置２１は、テーブルローラー１から急冷却ノズル５先端までの距離を３０ｍｍ（すなわち、ノズル先端から鋼帯までの距離が２５ｍｍ）となるように調整して、急冷却ノズル５より冷却水を注水して５００℃まで冷却する。また、下面の冷却装置１１は、水量密度を４５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２、スプレー噴射流速を１２ｍ／ｓとした。

　このようにすることにより、本発明例２においては、目標の巻き取り温度である５００℃に対して±２５℃の範囲で全長を冷却することが出来た。また、このときの鋼帯中心部が７５０℃から６５０℃を通過するときの冷却速度は２００℃／ｓとなった。このときの鋼帯を調査したところ、鋼帯の組織は全体的にベーナイトで構成されており、高い強度と靭性をもっていた。

　一方、比較例２として、緩冷却ノズル３で前記のサイズの鋼帯を冷却した場合は、冷却速度が４０℃／ｓとなり、そのときの鋼帯を調査したところ、組織はフェライトに一部パーライトが分散しており、強度も靭性も低くなった。

　ちなみに、本発明例２で用いた鋼帯は冷却速度を７０℃／ｓ以上とすることで、フルベーナイト組織とすることが可能な成分系であり、本発明の冷却装置２１の急冷却ノズル５を使用しなければ、目的とした機械特性を得ることが出来ない。

　（本発明例３）
　本発明例３として、板厚２５．０ｍｍと板厚の厚い鋼帯を冷却する場合について説明する。

　粗圧延機群６１により板厚８０ｍｍまで圧延し、仕上圧延機群６２により板厚２５．０ｍｍまで圧延した後、本発明の冷却装置２１間を鋼帯先端速度１５０ｍｐｍで通過させ、一定速度のままコイラー６３で巻き取る。

　その際に、本発明の冷却装置２１は、テーブルローラー１から急冷却ノズル５先端までの距離を２７５ｍｍ（すなわち、ノズル先端から鋼帯までの距離が２５０ｍｍ）となるように調整して、急冷却ノズル５より冷却水を注水して４５０℃まで冷却する。また、下面の冷却装置１１は、水量密度を８０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２、スプレー噴射流速を１７ｍ／ｓとした。

　このようにすることにより、本発明例３においては、目標の巻き取り温度である４５０℃に対して±１５℃の範囲で全長を冷却することが出来た。また、このときの鋼帯中心部が７５０℃から６５０℃を通過するときの冷却速度は４０℃／ｓとなった。このときの鋼板を調査したところ、鋼板の組織は全体的にベーナイトで構成されており、高い強度と靭性をもっていた。

　一方、比較例３として、緩冷却ノズル３で前記のサイズの鋼帯を冷却した場合は、冷却速度が１０℃／ｓとなり、そのときの鋼帯を調査したところ、組織はフェライトに一部パーライトが分散しており、強度も靭性も低くなった。

　ちなみに、本発明例３で用いた鋼帯は冷却速度を２５℃／ｓ以上とすることで、フルベーナイト組織とすることが可能な成分系であり、本発明の冷却装置２１の急冷却ノズル５を使用しなければ、目的とした機械特性を得ることが出来ない。

　本発明の実施例２として、本発明の冷却装置を厚鋼板の製造ラインに適用した。

　図１６は、本発明の冷却装置を適用した厚鋼板製造ラインの説明図である。図１６に示すように、この厚鋼板製造ラインでは、２５０ｍｍの厚みを持つスラブが、加熱炉７０により１２００℃まで加熱されたのちに、粗圧延機７１及び仕上圧延機７２により所定の板厚までリバース圧延された後、本発明の冷却装置２１により冷却され、ローラーレベラー７３で矯正されたのちに出荷される。なお、図１６中の６５は放射温度計である。

　厚鋼板は熱延鋼帯よりも板厚が全般的に厚いため、通板性の問題は発生しにくいが、適用板厚が６~１００ｍｍと板厚の変化量が多く、従来は冷却速度が遅くなる板厚の厚いものほどベーナイト化しやすいように合金元素を添加するため、板厚が厚いほど合金コストがかかっていた。そこで、なるべく板厚毎の冷却速度が変わらないようにして、同一成分系で製造するのがコスト的に有利である。ここでは、冷却速度２５℃／ｓ以上かつ５００℃まで冷却することによって鋼板の組織をフルベーナイトで安定化する鋼種を用いて説明する。

　この実施例２では、本発明の冷却装置２１は、図１７及び図１８に示しているように、急冷却ヘッダ４を２つに分けて、その間に緩冷却ヘッダ２、緩冷却ノズル３を配置した冷却ユニット９を備えた構成となっている。また、テーブルローラー１は、取付けピッチは１０００ｍｍで直径４５０ｍｍであるので、冷却ユニット９は、テーブルローラー間上方に取り付けられており、緩冷却ノズル３はテーブルローラー間に冷却水が落下するような配置としてある。

　なお、急冷却ノズル５は、口径５ｍｍで、幅方向に５０ｍｍピッチ・搬送方向に７０ｍｍピッチで群噴流を構成するように取り付けられ、急冷却ノズル５からは流速７ｍ／ｓで噴射する。この場合の冷却ユニット９における急冷却ノズル５の水量密度は３３００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２となる。

　一方、緩冷却ノズル３は、口径２０ｍｍで、幅方向に７０ｍｍピッチで取り付けられて、急冷却ヘッダ４の間に１列挿入しており、緩冷却ノズル３からは、流速３．０ｍ／ｓで噴射する。この場合の冷却ユニット９における緩冷却ノズル３の水量密度は１６００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２となる。

　また、冷却ユニット９は、テーブルローラー１上から緩冷却ノズル３、急冷却ノズル５の先端までの距離が１０００ｍｍとなるように配置され、昇降装置７により下降し、板厚に応じて自在の位置で停止できる構造となっている。

　そして、本発明の冷却装置２１では、１機の冷却ユニット９の設備長はテーブルローラー１の１本分（１０００ｍｍ）であり、その冷却ユニット９を１５機配置してある（全体設備長は１５ｍ）。冷却ユニット９の下面には、鋼板進行方向に３列のスプレーノズル１１が取り付けられており、個別の注水のオンオフやスプレー噴射圧力を変えることにより、水量変更が可能な構造となっている。なお、緩冷却ノズル３と下面の鋼板進行方向２列目のスプレーノズルとは、同一位置で冷却水が衝突するような構造となっている。

　また、本発明の冷却ユニット２１の上流側及び下流側には水切り装置として、高圧水を噴射可能なパージユニット７４、７５が設置されている。

　目標とする冷却停止温度にするためには、本発明の冷却装置２１の冷却ユニット９を個別に注水オンオフが可能なようにして、計算機により適正な温度になる冷却ユニット数と通板速度を計算して、注水オンにする冷却ユニット等を決定する。

　（本発明例４）
　前記のような厚鋼板製造ラインにおいて、本発明例４として、板厚１０ｍｍの厚鋼板を冷却する場合について説明する。

　粗圧延機７１により板厚３０ｍｍまで圧延し、仕上圧延機７２により板厚１０ｍｍまで圧延した後、本発明の冷却装置２１により、鋼板速度１５０ｍｐｍで通板させながら冷却する。

　その際に、本発明の冷却装置２１は、テーブルローラー１から１３００ｍｍの位置に退避し、緩冷却ノズル３より冷却水を注水して５００℃まで冷却する。また、下面の冷却装置１１は、搬送方向について３列の内、上流側から２列目のスプレーノズル群において、水量密度を２０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２、スプレー噴射流速を１０ｍ／ｓとした。

　このようにすることによって、本発明例４においては、目標の冷却終了温度である５００℃に対して±２５℃の範囲で全長を冷却することが出来た。また、このときの鋼板中心部が７５０℃から６５０℃を通過するときの冷却速度は４５℃／ｓとなった。

　（本発明例５）
　本発明例５として、板厚２５ｍｍの厚鋼板を冷却する場合について説明する。
　粗圧延機７１により板厚５０ｍｍまで圧延し、仕上圧延機７２により板厚２５ｍｍまで圧延した後、本発明の冷却装置２１により、鋼板速度８０ｍｐｍで通板させながら冷却する。

　その際に、本発明の冷却装置２１は、テーブルローラー１から急冷却ノズル５先端までの距離を２００ｍｍ（すなわち、ノズル先端から鋼板までの距離が１７５ｍｍ）となるように調整して、急冷却ノズル５より冷却水を注水して５００℃まで冷却する。また、下面の冷却装置１１は、水量密度を６０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２、スプレー噴射流速を１２ｍ／ｓとした。

　このようにすることにより、本発明例５においては、目標の巻き取り温度である５００℃に対して±２５℃の範囲で全長を冷却することが出来た。また、このときの鋼板中心部が７５０℃から６５０℃を通過するときの冷却速度は４５℃／ｓとなった。このときの鋼板を調査したところ、鋼板の組織は全体的にベーナイトで構成されており、高い強度と靭性をもっていた。

　一方、比較例５として、緩冷却ノズル３で同じサイズの鋼板を冷却した場合は、冷却速度が１５℃／ｓとなり、このときの鋼板を調査したところ、組織はフェライトに一部パーライトが分散しており、強度も靭性も低くなった。
　すなわち、この成分系では、本発明の冷却装置２１の急冷却ノズル５を使用しなければ、目的とした機械特性を得ることが出来ない。

　以上のように、厚鋼板などのように板厚ごとに冷却速度を一定化させたい場合には、本発明の冷却装置のように、比較的板厚が薄いものには緩冷却ノズル３を、板厚が厚いものには急冷却ノズル５を使い分けることが有効であることが分かる。

　１　　テーブルローラー
　２　　緩冷却ヘッダ
　３　　緩冷却ノズル（緩冷却用棒状冷却水ノズル）
　４　　急冷却ヘッダ
　５　　急冷却ノズル（急冷却用棒状冷却水ノズル）
　６　　プロテクター
　７　　昇降装置（昇降ユニット）
　８　　水切りロール
　９　　冷却ユニット
　１０　熱延鋼帯
　１１　下面冷却ノズル
　１２　厚鋼板
　２１　本発明の冷却ユニット（緩冷却ノズルと急冷却ノズルの組合せ）
　３１　既存の冷却装置
　６０　加熱炉
　６１　粗圧延機群
　６２　仕上圧延機群
　６３　コイラー
　６５　放射温度計
　７０　加熱炉
　７１　粗圧延機
　７２　仕上圧延機
　７３　ローラーレベラー
　７４　冷却装置上流側の高圧水パージ
　７５　冷却装置下流側の高圧水パージ

Claims

　熱延鋼板を冷却するための冷却装置において、
　緩冷却用の棒状冷却水ノズルを備えるヘッダと、急冷却用の棒状冷却水ノズルを備えるヘッダを一つの冷却ユニットとして構成し、該冷却ユニットは一体となって上下に昇降することが可能な昇降ユニットを具備することを特徴とする熱延鋼板の冷却装置。
　前記冷却ユニットは、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルに対して、熱延鋼板の搬送方向の上流側および／または下流側に急冷却用の棒状冷却水ノズルが配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記昇降ユニットの昇降機能により、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルを使用する場合は、熱延鋼板から当該ノズルの先端までの距離が１０００ｍｍ以上になるように前記冷却ユニットを設定し、急冷却用の棒状冷却水ノズルを使用する場合は、熱延鋼板から当該ノズルの先端までの距離が当該ノズルの口径の５~５０倍の範囲になるように前記冷却ユニットを設定することを特徴とする請求項１または２に記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記冷却ユニットの熱延鋼板の搬送方向の前後には、水切り装置を有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装置。
　前記水切り装置が水切りロールであることを特徴とする請求項４に記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、熱延鋼板を搬送するテーブルローラーの上方に配置されていることを特徴とする請求項１~５のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、熱延鋼板を搬送するテーブルローラー間に設置された下面冷却ノズルの噴射位置の上方に配置されていることを特徴とする請求項１~５のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記冷却ユニットに、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルと急冷却用の棒状冷却水ノズルとを保護するための平面状のプロテクターを転結し、該プロテクターは冷却水通過用のガイド孔を有し、そのガイド孔を介して、前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルおよび急冷却用の棒状冷却水ノズルから冷却水が噴射されることを特徴とする請求項１~７のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、ノズル口径が１０ｍｍ以上、ノズル出口流速が３ｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１~８のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記急冷却用の棒状冷却水ノズルは、ノズル口径が１０ｍｍ以下、ノズル出口流速が７ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１~９のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記緩冷却用の棒状冷却水ノズルは、冷却する熱延鋼板の幅方向にノズル口径の１．５倍から５倍の間隔で複数並べられ、これを１列の冷却ノズル列とした場合に、一個のヘッダ内で１~３列の冷却ノズル列が配置されていることを特徴とする請求項１~１０のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記急冷却用の棒状冷却水ノズルは、冷却する熱延鋼板の幅方向にノズル口径の３倍から２０倍の間隔で複数並べて配置されていることを特徴とする請求項１~１１のいずれかに記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記熱延鋼板が１~３０ｍｍの板厚を有する熱延鋼帯である請求項１に記載の熱延鋼板の冷却装置。
　前記熱延鋼板が６~１００ｍｍの板厚を有する厚鋼板である請求項１に記載の熱延鋼板の冷却装置。