JP2005059038A - 熱延鋼板の仕上げ圧延設備および熱延鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱延仕上げミルのスタンド間において、鋼板の冷却を行う際に、高能率、高精度を維持し、かつミルオペレーターからのスタンド間の良好な視界を確保し、各種計測器を設置維持して良好な操業を実現することが可能な、熱延鋼板の仕上げ圧延設備および熱延鋼板の製造方法を提供する。
【解決手段】 少なくとも一つのスタンド間において、上流側スタンド、鋼板の上下面冷却装置、上押さえロール、ルーパーロール、及び下流側スタンドがこれらの順で配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄板熱間圧延の仕上げミル圧延スタンド間において、鋼板を高精度で高能率に冷却する熱延鋼板の仕上げ圧延設備および熱延鋼板の製造方法に関する。

通常６〜７スタンドの圧延機列からなる熱延仕上げミルにおいて、仕上げミル出口温度は、熱延鋼板の金属結晶組織や機械的特性を制御する上での重要な管理項目となっている。一方、仕上げミル入口温度はデスケーリング（鋼板表面に生じている酸化物皮膜の除去）の観点から所定値以上に規定されたり、加熱から粗圧延工程の操業条件の影響や長手方向の冷却時間変化の影響で変動したりしている。また、圧延加工時の発熱やデスケーリング時の温度低下は圧延の加減速により変化するため、仕上げミル出口温度を所定範囲内に管理するのは容易なことではなく、必然的に仕上げミルのスタンド間で温度調節手段、具体的には冷却装置を使用せざるを得ない。

また、近年では結晶粒を微細化させる手段として、オーステナイトの未再結晶温度域で加工歪を蓄積し、圧延後の冷却過程で生じるフェライト変態を促進させる方法が提案されている。例えば特許文献１には、仕上げミル後段のスタンド間２ヶ所以上にカーテンウオール型の大流量冷却装置を設置し、圧延温度を制御する方法が開示されている。このような大流量冷却装置を使用するのは、加工歪み蓄積の目的から後段スタンドでの圧下率を大きくするために、加工発熱が増大し、一般的な冷却設備では冷却しきれないからであるとしている。かかる結晶粒微細化手法においては、鋼板温度が上がりすぎれば再結晶や回復によって、歪みの蓄積が妨げられ、温度が下がりすぎれば圧延途中で変態を生じ、製品の機械特性等を劣化させる。上記特許文献１においても、加工温度をＡｒ_３〜Ａｒ_３＋５０℃の範囲に維持するとしており、単に冷却能力を増加させれば良いわけではなく、温度制御の精度も重要となる。

また、特許文献２には、圧延機下側ワークロールの出側下部エプロンとルーパーロール入り側にエプロン兼用のボックスヘッダを設け、多数の水柱を噴出して鋼板を冷却する方法が開示されている。このようにすることにより、通板性を阻害することなく、かつ、冷却水の飛散を抑制することができるとされている。さらに、このような冷却方法によれば、鋼板に対して比較的近い距離から冷却水を噴射するために、一般的なスプレー冷却に比べ、同一水量で、約１．５倍の冷却能が得られるとしている。

特開２００２−２７３５０１号公報 特開平４−２００８１６号公報

しかし、特許文献１に開示されているカーテンウオール型の大流量冷却装置では、水膜自体、および多量の飛散水によって圧延スタンド間の視界が大幅に悪化する。仕上げミル後段では概して板厚が薄く、通板上のトラブルが懸念されるために、ミルオペレーターが鋼板の平坦度や蛇行状態などを視認しながら圧延作業を行うのが常であり、操業上の観点から視界が不良となるのは好ましくない。また、圧延スタンド間には板厚計や上記蛇行を監視するためのセンサ類が設置される場合があり、多量の飛散水によりこれらの機器の性能が阻害され、保守上の障害となるという問題もあった。

また、特許文献２に開示された方法によると、以下の問題がある。すなわち、ルーパーロールは各スタンド間で瞬間的に生じるマスフローバランスの乱れを吸収し、所定の張力を保つために、圧延中に頻繁に上下動するものであり、これに伴って冷却水の噴出口と鋼板との間の距離も変動することになる。高冷却能が、噴出口と鋼板との間の距離が比較的短いことに依存するものである場合、ルーパーロールの上下動に伴って冷却効果も変動することは避けられないことになる。

さらに特許文献２に開示された方法は、鋼板上面側の冷却には触れていないが、下面のみを冷却するのでは鋼板の組織に表裏面での非対称性が生じることになる。例えば、仕上げミル最終２スタンドの間では、スタンド間での冷却後、最終スタンドでの圧延までが０．３秒程度という状況が一般に想定される。板厚が３ｍｍ、冷却直後に表裏面で１５０℃の温度差が生じた場合、このような短時間内には均熱化は不可能であり、２０℃程度の温度差を残したままで最終スタンド圧延が行われることになる。この結果、圧延後の鋼板の金属結晶組織が厚さ方向に不均一になるのは避けられない。

このように考えると、上記特許文献２には上下両面からの冷却は必須であるにかかわらず、上面冷却の際の水飛散の問題や、鋼板上の滞留水による冷却能変化への対応に関しての記載はない。特に鋼板上面の滞留水による２次冷却作用は、ルーパーロールの高さが変わり、鋼板の傾斜角度が変われば大幅に変化するため、温度制御精度の点に関し大きな問題を残していた。

そこで、本発明は、熱延仕上げミルのスタンド間において、鋼板の冷却を行う際に、高能率、高精度を維持し、かつミルオペレーターからのスタンド間の良好な視界を確保し、各種計測器を設置維持して良好な操業を実現することが可能な、熱延鋼板の仕上げ圧延設備および熱延鋼板の製造方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

第一の本発明は、少なくとも一つのスタンド間において、上流側スタンド（１）、鋼板の上下面冷却装置（４、５）、上押さえロール（６）、ルーパーロール（３）、及び下流側スタンド（２）がこれらの順で配置されたことを特徴とする熱延鋼板の仕上げ圧延設備である。

上流側スタンド、鋼板の上下面冷却装置、上押さえロールの順に配置することにより、冷却部分でのパスラインを固定し、滞留水の流域を限定することができる。また、パスラインを固定することにより、冷却装置を鋼板に近接させた高能率かつ安定した冷却を実現することが容易となる。加えて滞留水の流域を限定することにより、さらに冷却効果が安定し、高精度の冷却を実現することができる。また、冷却装置を鋼板に近接させるとともに上押さえロールの水切り作用の相乗効果によって、スタンド間の飛散水をきわめて少ないものとすることができ、ミルオペレーターの視界を確保できると同時に、上押さえロールと下流側スタンドとの間に各種センサを設置した場合にそれらが良好な状態にて作動する環境を確保することができる。

また、上記配置にて上下面冷却装置を設置するので、鋼板表面と裏面との両面の温度を等しくすることが容易となる。

さらに冷却装置をルーパーロールよりも上流側に配置しているので、冷却によって生じる鋼板表面部と板厚中央部との温度差が、下流側スタンドで圧延され始めるまでに均一化されるための時間を確保することができる。

加えて、上下面同時冷却と、スタンド間上流側での冷却を行えるので、下流側スタンドにおける圧延時の板厚方向温度分布を均一化することができ、圧延材の金属結晶組織、ひいては機械特性の不均一さを最小化することが容易なものとなる。

上記第一の本発明にかかる圧延設備において、上押さえロール（６）には高さ調整機構（６ａ）が備えられていることが好ましく、また、前記上押さえロール（６）と、前記下流側スタンド（２）との間に、鋼板温度検出器（７）が設置されていることが好ましい。

このように、圧延ライン中に鋼板温度検出器を設けることで、冷却前の後半に長手方向の温度差がある場合、これを監視して、適宜冷却装置の水量を調整するなどして冷却後の鋼板長手方向の温度を一定に管理することが可能となる。また、上押さえロールと下流側スタンドとの間に鋼板温度検出器を配置することにより、上押さえロールにより鋼板上の滞留水をせき止めた後に鋼板表面の温度を測定するので、正確な鋼板表面温度を測定することができる。

また、前記上下面冷却装置にフラットスプレーノズルが使用されていることが好ましい。

さらに、前記上下面冷却装置（４、５）の流量密度は、２ｍ^３／（ｍ^２・分）以上であることが好ましい。

鋼板金属の結晶組織の細粒化を図るためには、後段スタンドで強圧下した場合に増大する加工発熱による温度上昇を抑制する必要があるが、このためにはスタンド間に設置可能な１ｍ前後の長さの冷却装置において、５０℃／秒以上の冷却速度を確保することが望ましく、上下面冷却装置の流量密度を、２ｍ^３／（ｍ^２・分）以上に設定することにより、最終スタンド前の代表的な板厚５ｍｍ前後でこのような冷却速度実現することができる。また、フラットスプレーノズルを使用することにより上記冷却速度を、他の弊害を気にすることなく実現できる。

第２の本発明は、上記第一の本発明にかかるいずれかの仕上げ圧延設備を使用して圧延することを特徴とする熱延鋼板（８）の製造方法である。

本願発明者は、上記第一の本発明に記載されるように構成した設備配列での冷却実施上の課題を調査検討した結果、次のことが明らかになった。すなわち、一般に圧延機のパスライン高さはワークロール径などによって変化し、調整機構は有するものの必ずしも正確に所定の高さになるわけではない。また、鋼板先端の通過時から上押さえロールの最下点をルーパーロールの最上点よりも低くしておくと、すなわち上押さえロールとルーパーロールとの間のパスラインが最初から上向きであると、通板性を阻害する可能性が高くなる。これとは反対に圧延中は上押さえロールの最下点よりもルーパーロール最上点を所定量以上高くしてパスラインを上向きにして、上押さえロールに対する鋼板の巻き付き角度を確保することにより、鋼板の平坦度が乱れた場合にパスラインの維持作用、および水切り作用を十分に発揮することができる。このようにするには、前記したように上押さえロールに高さ調整機構を設けることが好ましい。この高さ調整機構の構造は公知のものを使用すれば足りる。前記高さ調整機構による上押さえロールの高さ設定は鋼板先端部通過直後に行い、またその設定高さは上押さえロール最下点が稼動範囲下限位置でのルーパーロール最上点よりも下側に位置するようにする。さらに、鋼板の冷却中はルーパーロールの上下動範囲、特に下降時の高さを制限することによって上押さえロールへの鋼板巻き付き角度を確保する必要がある。

かくして、上記第２の本発明において、少なくとも定常圧延を行っている間、前記上流側スタンド（１）と前記上押さえロール（６）との間の鋼板（８）が略水平となるように、前記上押さえロールの高さを固定し、前記ルーパーロール（３）の最上点が前記上押さえロールの最下点より上方に位置するようにルーパーロールの上下動範囲を規制することが好ましい。ここに「定常圧延」とは、被圧延材の先端部が上流側スタンドから下流側スタンドに到達し、スタンド間に設置されたルーパーロールが上昇して、被圧延材に張力が付与されて圧延される状態に至った後、かつ、被圧延材の後端部が上流側スタンドを抜けるか、あるいはルーパーロールが下降し始めるまでの間の圧延を意味するものである。

このように上押さえロールの高さを上流側スタンドと前記上押さえロールとの間の鋼板が略水平となるように固定することにより、上流側スタンドのパス高さの変化に対応して常に冷却部分での鋼板を略水平に保つことができる。

さらに上押さえロール巻き付き角度は、５°以上であることが好ましい。

このように上押さえロール巻き付き角度を設定することによって、ロールと鋼板の周方向の接触長さを十分に確保することができ、ルーパーロールの高さが変動した場合や平坦度が乱れた場合でも水切り作用を発揮することが可能となる。

本発明により、熱延仕上げミルスタンド間において、ミルオペレーターの良好な視界を確保しつつ、高能率かつ高精度な冷却が可能になり、鋼板金属結晶組織、および機械特性の改善、均一化に寄与することができる。

本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。

本発明の設備配列、方法によって高能率、高精度冷却を実現するための冷却装置の形態は、過剰な水量で飛散水が上押さえロールの下流側まで及ばない限り特に限定される必要はないが、例えば図３に示すような板幅方向、及び搬送方向に密に配置したフラットスプレー冷却の様な形態であることが望ましい。特許文献２に示されるように多数の水柱を用いる方法では、十分な冷却能と板幅方向の均一性を得るために板幅方向及び搬送方向のノズルピッチを２０〜３０ｍｍ程度に詰める必要があるが、図３に示す構成と同程度の水圧及び流量条件を実現するためには、ノズル径を少なくとも２ｍｍ以下にする必要がある。しかしこのようなノズル径とした場合、実機で使用するとノズル詰りが多発する危険性が極めて大きく、実用的ではないと考えられる。一方、フラットスプレーノズルを用いた場合、図３に示す構成ではノズル径を５ｍｍ以上とすることができ、年に１〜２回のメンテナンスを行うだけで、ノズル詰りによる冷却不均一の発生や能力低下の懸念なく実用が可能である。

本発明は一般的に６〜７スタンドからなる仕上げミルの、どのスタンド間にも適用可能である。一般に仕上げ圧延機列の出口温度の管理が重要であること、微細結晶粒鋼の製造においては温度を所定範囲内に制御した上で、後段スタンドでの加工歪みの蓄積が重要であること、等を勘案すれば本発明の効果を有効に活用するには後段スタンド間から優先的に適用することが好ましい。

上押さえロールと上部冷却装置は上方に２００ｍｍ以上待避可能な機構を有し、鋼板先端通過時には上方に待避し、通過後速やかに所定位置まで下降するのが好ましい。鋼板先端が反り上がったり、波打ったりしている場合に、上部冷却装置と下部冷却装置との隙間、あるいは上押さえロールとルーパーロール手前の下部エプロン等との間で通板が妨げられ、圧延作業を停止せざるを得ない状態となる虞があるからである。

上押さえロールの胴長は圧延される鋼板の最大幅よりも長く、鋼板全幅に渡って接触する必要がある。スタンド間では鋼板に適度な張力を付与するのが一般的であり、巻付き角度の分、上押さえロールには上方への分力が作用し、上押さえロールが撓む心配があるため、撓み量を鋼板との接触が全幅で保たれる範囲に抑制できるだけの上押さえロールの剛性が必要である。

（実施例１）
本発明の実施例を、図１を用いて説明する。間隔５．５ｍのスタンド１、２の間のほほ中央に、鋼板８の下面に接触しながら上下動するルーパーロール３が設置されている圧延設備において、上流側圧延機１のワークロール中心から１．８ｍ下流側に、鋼板上面に鋼板の幅方向全長にわたって接触する直径２５０ｍｍの押さえロール６が設けられている。上押さえロール６は、上流側圧延機１と上押さえロール６との間の鋼板８が略水平となるように高さを調節できる機構６ａを有している。上流側圧延機１のワークロール中心から０．５〜１．５ｍの間の鋼板の上方及び下方に、水冷装置４、５が設置されている。

水冷装置の概略を図３に示す。水冷装置４、５の各ノズルプレート４ａ、５ａには、フラットタイプ(扇型の噴霧流を形成)のスプレーノズル５ｃ、５ｃ、…を、鋼板８が突っ掛けることを防止するため埋め込む形で取り付している。またノズル５ｃ、５ｃ、…の配置間隔は板幅方向１００ｍｍ、搬送方向１２０ｍｍ、冷却装置下降時のノズルプレート４ａ、５ａとパスラインとの距離は上下共３００ｍｍ、ノズル５ｃ、５ｃ、…ヘ供給する冷却水の水圧は、０．９８Ｍｐａで、この水圧におけるノズル１個あたりの流量は５５Ｌ/分、スプレーの広がり角（扇型の中心角）は約４４°、ねじり角（鋼板面上での噴霧流衝突線の板幅方向に対する角度、図３のβ）は３０°である。更に搬送方向のノズル列数は上下各６列で、水冷装置の内部が２列毎に１つのボックスを形成するように仕切られている。各ボックスには給水管が接続され独立に流量を制御することが可能である。また冷却の均一性を高めるため、隣り合うノズル列間で板幅方向のノズル位置を半ピッチずつ（５０ｍｍ）ずらすことにより搬送方向にみて千鳥状に配置している。

なお、水冷装置４、５の各ノズルプレート４ａ、５ａの厚みは３０ｍｍとし、万一鋼板の先端等が衝突した場合でも破損することがないように、十分な強度を持たせているが、鋼板先端部の通板をさらに安定させるために、ノズルプレート４ａの下側、あるいはノズルプレート５ａの上側に、エプロン（鋼板ガイド板）を設置することも可能である。この場合、エプロンには、ノズル５ｃ、５ｃ、…からの噴霧流を妨げないように、ノズル毎に噴出孔を設ける必要がある。

以上の条件で水冷装置４、５は、鋼板温度９００℃、水温３０℃において上下それぞれ約１２５００Ｗ／ｍ^２℃の冷却能力を持つ。ルーパーロール３は、圧延中は鋼板８の上押さえロール６への巻き付き角度が最低でも５°以上となるように下限高さを制限した上で上下動を行うようにする。下流側圧延機２から約１ｍ上流側で鋼板表面温度を測定する放射温度計７を設置する。上面側冷却装置４および押さえロール６は、鋼板８の先端通過時には上記の所定位置に対し５００ｍｍ上方まで待避しており、先端が下流側圧延機２に噛み込み後、速やかに所定位置まで下降する。下降後に上面および下面の冷却を同時に開始する。

（実施例２）
次に本発明の装置を用いスタンド間冷却を行った場合の冷却効果、精度について図２、及び図４を参照しつつ説明する。比較例として、図２に示す様に上面冷却装置４、及び上押さえロール６を５００ｍｍ上方に待避させた状態で冷却を行った。この状態では飛散水やルーパーロール３の高さが低い場合の鋼板８の上面の滞留水が多く、スタンド間での温度測定ができなかったため、下流側圧延機２の更に下流側５ｍの位置にある別の温度計７´にて測温した。圧延材（鋼板８）は一般的な低炭素鋼であり、圧延条件は表１に示す通りである。冷却装置４、５の水量は一定とし、ルーパーロール３の高さが変化した際の板厚中心における鋼板温度変化を本発明例（ＣａｓｅＡ）と比較例（ＣａｓｅＢ）について図４に示す。

本発明例のＣａｓｅＡではルーパーロール３の上下動の影響を全く受けずに安定した冷却ができているのに対し、比較例のＣａｓｅＢではルーパーロール３の動きに応じて最大１８℃の板温変化を生じている。ルーパーロール３の高さ、即ち鋼板８とヘッダとの距離が変化すると冷却能が変動する要因は、
１）水流の衝突圧力が距離により変化し、特に上面冷却の場合は鋼板８上に滞留する冷却水の貫通力が変化するため、
２）スプレーの場合、噴霧流の衝突面積が距離により変化するため
である。また同じ冷却水量に対し、ＣａｓｅＡはＣａｓｅＢに比較し温度降下量(全く水冷しない場合の測定温度)−（水冷時の測定温度)で換算して平均約４０%冷却効率が高い。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う熱延鋼板の仕上げ圧延設備および熱延鋼板の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明による熱延仕上げミルスタンド間の設備配列を示す図である。 比較例として、従来技術に相当する熱延仕上げスタンドミル間の設備配列を示す図である。 本発明において使用される冷却装置の構造例を示す図である。 本発明による熱延仕上げスタンドミル間冷却の高能率化、高精度化の効果を示すグラフである。

符号の説明

１ 上流側スタンド
２ 下流側スタンド
３ ルーパーロール
４ 上面冷却装置
５ 下面冷却装置
４ａ、５ａ ノズルプレート
５ｃ スプレーノズル
６ 上押さえロール
６ａ 高さ調整機構
７、７´ 温度計
８ 鋼板

Claims (7)

1. 少なくとも一つのスタンド間において、上流側スタンド、鋼板の上下面冷却装置、上押さえロール、ルーパーロール、及び下流側スタンドがこれらの順で配置されたことを特徴とする熱延鋼板の仕上げ圧延設備。
2. 前記上押さえロールには高さ調節機構が設けら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仕上げ圧延設備。
3. 前記上押さえロールと、前記下流側スタンドとの間に、鋼板温度検出器が設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱延鋼板の仕上げ圧延設備。
4. 前記上下面冷却装置にフラットスプレーノズルが使用されてい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仕上げ圧延設備。
5. 前記上下面冷却装置の流量密度は、２ｍ^３／（ｍ^２・分）以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱延鋼板の仕上げ圧延設備。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の仕上げ圧延設備を使用して圧延することを特徴とする熱延鋼板の製造方法。
7. 少なくとも定常圧延を行っている間、前記上流側スタンドと前記上押さえロールとの間の鋼板が略水平となるように、前記上押さえロールの高さを固定し、前記ルーパーロールの最上点が前記上押さえロールの最下点より上方に位置するようにルーパーロールの上下動範囲を規制することを特徴とする、請求項６に記載の熱延鋼板の製造方法。

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