JP2009279651A - 熱延鋼帯の下面冷却方法および下面冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱延鋼帯の製造ラインにおいて、ランアウトテーブルのように搬送テーブルロール間の間隔が狭い場所でも、熱延鋼帯の下面を大水量で高い冷却速度によって冷却することができる熱延鋼帯の下面冷却方法および下面冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】搬送テーブルロール１間にフラットスプレーノズル２を幅方向に複数配置して、熱延鋼帯１０の下面の幅方向のすべての位置がそれらフラットスプレーノズル２からの冷却水２ａの衝突域２ｂを１回以上通過するようにするとともに、フラットスプレーノズル２の外径Ｄとフラットスプレーノズル２の幅方向取り付けピッチＰｗとの比Ｄ／Ｐｗを０．５以下とし、フラットスプレーノズル２からの冷却水２ａの熱延鋼帯１０への衝突部２ｂの軸線を鋼帯幅方向に対して４５〜７０゜傾け、フラットスプレーノズル２の先端から熱延鋼帯１０までの距離を５０ｍｍからテーブルロール２の半径未満までとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱間圧延された熱延鋼帯を冷却するに際して、特に熱延鋼帯の下面側の冷却について、特にスプレーを配置して大水量噴射する場合に、冷却水の排水を円滑に行い、幅および長手方向に均一な温度で冷却を終了させることができる熱延鋼帯の下面冷却方法及び下面冷却装置に関するものである。

熱延鋼帯の製造ラインでは、高温加熱したスラブが目的とするサイズになるよう圧延され、その後材質調整などの観点からランアウトテーブル上で冷却される。ここで行う冷却の目的は、主に鋼帯の析出物や変態組織を制御することにより目的の強度、延びなど材質を調整するために行われている。その冷却での冷却媒体としては、コストが安い水を使うことが多い。

近年、高強度鋼板のニーズが高く、これを達成するために、変態組織制御の観点から高い冷却速度が必要なケースが増えてきている。高い冷却速度とするためには、冷却水量を多くする必要がある。一方、熱延鋼帯の仕上げ圧延後は２〜４ｍｍ程度と鋼帯厚みが薄く剛性が低いため、ランアウトテーブル上を安定して通板させるために、テーブルロールを密に配置している。多くの設備では２５０〜３００φ程度の直径をもつテーブルロールを３００〜４００ｍｍピッチで配置しているため、テーブルロール間のスペースが狭く、テーブルロール間にノズルが配置しにくいといった問題がある。そのため、ランアウトテーブルでの熱延鋼帯の下面冷却では、狭いスペースに設置可能で且つ冷却面積を広くする目的でスプレーノズルを配置することが多い。

このスプレー冷却で大水量を噴射する場合は、重力の関係から上方に噴射した冷却水は、鋼帯に衝突した後に下方に落下するため狭いテーブルロールの間から効率よく冷却水を排水できず、スプレーノズルが水没した状態で噴射されることによる打力不足、噴射水量分布の不均一が発生し、冷却能力が低下したり、温度ムラが発生したりするといった問題があった。

このスプレーノズルによる冷却で大水量を噴射する場合は、重力の関係から上方に噴射した冷却水は、鋼帯に衝突した後に下方に落下するため、テーブルロール間の狭いスペースから効率よく冷却水を排水することができず、スプレーノズルが水没した状態で冷却水が噴射されることによる打力不足、噴射水量分布の不均一が発生し、冷却能力が低下したり、温度ムラが発生したりするといった問題があった。

そのため、一般的なランアウトテーブルの下面冷却設備は、投入水量を１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍ^２以下に制限して使用することが多く、高冷却速度化の障害となっている。

従来、鋼板の冷却をする場合のノズル配置については、様々な検討がなされており、その例をいくつか説明する。

例えば、特許文献１には、鋼板を拘束する拘束ロールの間で鋼板上面側にフラットスプレーノズルを配置して、鋼板上面に向かって冷却水を噴射可能な装置であって、フラットスプレーノズルを複数配置したノズルボックスを有し、鋼板幅方向の中心線に対してノズル噴流の衝突部の配置が対称であり、鋼板進行方向のロール間の中心線を境にノズル噴流の衝突部形状の配置が異なり、ノズル噴流の衝突部形状が鋼板幅方向および進行方向の拘束ロール間の中心点より２０〜４５゜の角度を持って、放射状に配置されているものが記載されている。

また、特許文献２には、通板方向に対して直角にフラットスプレーノズルが取り付けられた複数のヘッダを配置し、それぞれのヘッダ毎にフラットスプレーの広がり方向を各ヘッダ間中心軸に対して対称になるように配置し、且つフラットスプレーの振り角を５〜４５゜になる範囲で傾け、さらにフラットスプレーノズルから噴出する気体と液体の重量混合比が１／５０〜１／１となるようにした上面冷却方法が記載されている。

また、特許文献３には、鋼板進行方向に対してフラットスプレーノズルが取り付けられた複数のヘッダを配設し、フラットスプレーノズルからは水と空気が混合された冷却媒体を噴射し、フラットスプレーの鋼板衝突面の縦横比率を０．２〜０．５とする冷却方法が記載されている。

また、特許文献４には、被冷却面に帯状又は長円状の冷媒噴流衝突域を形成するノズル（フラットスプレーノズル）を複数具備し、搬送される鋼板表裏の少なくとも一面の、幅方向の全ての点が冷媒噴流衝突域を２回以上通過するようにノズルを配し、ノズルが鋼板の幅方向に一定の間隔で配置され、かつ冷媒噴流衝突域の長軸が鋼板の幅方向に対して一定の角度をなしており、その一定の間隔をＰｗ（ｍ）、その一定の角度をβ（ｒａｄ）、各ノズルに供給可能な冷媒の流量の最大値をＱｍ（ｍ^３／ｓ）、ノズル先端から鋼板の搬送面までの距離をＨ（ｍ）、ノズル先端と冷媒噴流衝突域の長軸の両端部で形成される三角形のノズル先端を頂点としたときの頂角をα（ｒａｄ）、ノズル先端から鋼板面に下した垂線と、冷媒噴流の中心線とがなす角をγ（ｒａｄ）、冷媒の圧力の最大値をＰｍ（Ｐａ）、冷媒の密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）とするとき、
Pw・sin(β)≦0.1・［Qm/{2・H・tan(α/2)/cos(γ)}・(Pm/ρ)^１/２］^１/３
・・・（１）
Pw/cos(β)≦H・tan(α/2)/cos(γ) ・・・（２）
を満たすようにＰｗ及びβを設定した冷却装置が記載されている。

特開２００６−２９７４１０号公報 特開２００４−３３０２３８号公報 特開２００５−０２１９５１号公報 特開２００４−３０６０６４号公報

しかしながら、前述した従来技術（特許文献１〜４）は、何れも熱延鋼帯の下面側の冷却に対しては実用上十分なものではない。

特許文献１に記載されている技術は、特に厚鋼板の上面冷却を対象にしており、テーブルロールおよび水切りロールの間隔が広い場合のノズル配置について記載されている。そのため、熱延鋼帯のランアウトテーブルにおける下面側の冷却のように、テーブルロール間隔が５０〜１００ｍｍ程度しかない場合、ノズルを幅方向に並べて設置するくらいのスペースしかなく、特許文献１に記載されているような長手方向にはノズルを配置できない。

また、放射状の配置にすることにより、冷却水を放射状に流し、特に上面冷却の排水はテーブルおよび拘束ロールの際で幅方向に排水させようとしているが、テーブルロール間隔の狭い熱延鋼帯のランアウトテーブルでは、排水させるスペースがほとんどなく、実現は困難である。

特許文献２、３に記載されている技術は、通板方向に対して直角に複数のヘッダを配置し、隣り合うヘッダごとにフラットスプレーノズルをヘッダ間中心軸に対して対称になるように配置するものであるが、これも、特許文献１と同じく、熱延鋼帯のランアウトテーブルのようにテーブルロール間隔が５０〜１００ｍｍ程度しかない場合、ノズルを幅方向に並べるスペースしかなく、特許文献２、３に記載されているような長手方向にはノズルを配置できない。また、特許文献２、３は上面冷却に限定しており、下面冷却についての記載はない。

特許文献４に記載されている技術は、スプレーノズルによる冷却水の衝突領域を最適化することにより、温度の均一化を狙って、冷却水量、水圧、ノズル高さ、スプレーノズルの取り付け角度を限定したものである。しかし、冷却水の排水を円滑にする視点がないため、特に熱延鋼帯のランアウトテーブルにおける下面側の冷却のように、テーブルロール間隔が狭い領域で大水量を噴射した場合には、先に述べたように冷却水の排水の問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱延鋼帯の製造ラインにおいて、ランアウトテーブルのように搬送テーブルロール間の間隔が狭い場所でも、熱延鋼帯の下面を大水量で高い冷却速度によって冷却することができる熱延鋼帯の下面冷却方法および下面冷却装置を提供することを目的とするものである。

上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］熱延鋼帯の下面冷却を行うに際して、搬送テーブルロール間に被冷却面に対して冷却水が帯状または長円状に衝突するフラットスプレーノズルを幅方向に複数配置し、かつ、前記複数のフラットスプレーノズルを、搬送される熱延鋼帯の下面の幅方向のすべての点がそれらフラットスプレーノズルからの冷却水の衝突域を１回以上通過するように配置するとともに、前記フラットスプレーノズルの外径Ｄと前記フラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗとの比Ｄ／Ｐｗを０．５以下とし、前記フラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部の軸線を鋼帯幅方向に対して４５〜７０゜傾け、前記フラットスプレーノズルの先端から熱延鋼帯までの距離を５０ｍｍから前記テーブルロールの半径未満までとすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［２］前記［１］に記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、１本のフラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部を鋼帯搬送方向側面に投影した長さＬＬと前記テーブルロール間の距離ＰＬとの比ＬＬ／ＰＬを０．５以上となるようにすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［３］前記［１］または［２］に記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、前記テーブルロール間の距離を基準とした冷却水量密度を１５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上とすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［４］前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーノズルを鋼帯搬送方向に複数列配置することを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［５］前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーの衝突部の鋼帯進行方向から投影した冷却水衝突幅Ｌｗとフラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗを１．８〜２．２とすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーノズルを幅方向に複数配置したノズル列を鋼帯進行方向に複数配置することとし、任意のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置が鋼帯進行方向で隣り合う上流側及び下流側のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置と一致しないようにすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。

［７］熱延鋼帯の下面冷却装置であって、搬送テーブルロール間に被冷却面に対して冷却水が帯状または長円状に衝突するフラットスプレーノズルが幅方向に複数配置され、かつ、前記複数のフラットスプレーノズルが、搬送される熱延鋼帯の下面の幅方向のすべての点がそれらフラットスプレーノズルからの冷却水の衝突域を１回以上通過するように配置されているとともに、前記フラットスプレーノズルの外径Ｄと前記フラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗとの比Ｄ／Ｐｗが０．５以下で、前記フラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部の軸線が鋼帯幅方向に対して４５〜７０゜傾き、前記フラットスプレーノズルの先端から熱延鋼帯までの距離が５０ｍｍから前記テーブルロールの半径未満となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

［８］前記［７］に記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、１本のフラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部を鋼帯搬送方向側面に投影した長さＬＬと前記テーブルロール間の距離ＰＬとの比ＬＬ／ＰＬが０．５以上となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

［９］前記［７］または［８］に記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、前記テーブルロール間の距離を基準とした冷却水量密度が１５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上であることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

［１０］前記［７］〜［９］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーノズルが鋼帯搬送方向に複数列配置されていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

［１１］前記［７］〜［１０］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーの衝突部の鋼帯進行方向から投影した冷却水衝突幅Ｌｗとフラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗが１．８〜２．２となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

［１２］前記［７］〜［１１］のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーノズルを幅方向に複数配置したノズル列が鋼帯進行方向に複数配置されていて、任意のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置が鋼帯進行方向で隣り合う上流側及び下流側のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置と一致していないことを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

本発明においては、熱延鋼帯の下面冷却に関して、特にテーブルローラー間隔が狭く、これまでは大流量の冷却ノズルの設置が困難であったランアウトテーブルに適用可能であり、これによって熱延鋼帯下面の大流量冷却ができるため、従来に比べて幅方向の温度均一性を確保しつつ高い冷却速度を得ることができる。その結果、高強度鋼帯を機械特性のバラツキなく製造することができる。

熱延鋼帯の下面冷却にフラットスプレーノズルを用いた場合の図である。 熱延鋼帯の下面冷却に円管ジェットノズルを用いた場合の図である。 本発明におけるフラットスプレーの幾何学的な関係を示した図である。 スプレー角度等の影響を調査するための圧力センターの配置図である。 衝突面における衝突打力とＬＬ／ＰＬの関係を示した図である。 衝突面における衝突打力とスプレー捻り角β、Ｄ／Ｐｗの関係を示した図である。 本発明においてフラットスプレーノズルを複数列配置した場合の図である。 本発明においてフラットスプレーノズルを複数列配置した場合の図である。 本発明の実施例における熱延鋼帯製造設備のレイアウトである。 フラットスプレーによる冷却の場合の冷却水量密度と冷却速度の関係を示す図である。 本発明の実施例１における冷却後の鋼帯の幅方向温度分布を示した図である。

本発明は、熱延鋼帯製造ラインにおいて、テーブルロール間隔が狭いランアウトテーブルにおける熱延鋼帯下面冷却ノズルに関するものであり、特に大水量噴射を前提としており、狭いスペースから効率よく冷却水を排水することが重要となる。

まず、排水による問題を実験室で再現した結果について説明する。

熱延鋼帯のランアウトテーブルを模擬するために、φ３００のテーブルロールを３７０ｍｍピッチで設置し、その間に様々な冷却ノズルを配置し、冷却水を噴射させて、水流の流れを観察した。なお、テーブルロールの間隔を基準に求めた水量密度は４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２にした。ちなみに、テーブルロールとテーブルロールの隙間は７０ｍｍしかないので、長手方向（鋼帯搬送方法）に複数列のノズルを取り付けることは困難である。

図１は、フラットスプレーノズル２の配置例と冷却水の流れを模式的に示すものであり、図２は、円管ジェットノズル３の配置例と冷却水の流れを模式的に示すものである。図１、図２において、それぞれ（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

図１に示すフラットスプレーノズル２は、一般的に、幅方向に複数並べて噴射する場合、幅方向に対してフラットスプレーノズル２からの冷却水２ａが鋼帯１０に衝突した部分２ｂの軸線をある程度傾けて、かつ鋼帯搬送方向から見たときに冷却水２ａが鋼帯１０に衝突した部分２ｂが重なり合うように配置する。図１では、幅方向軸に対してフラットスプレーノズル２からの冷却水２ａが鋼帯１０に衝突した部分２ｂの軸線の角度を４５゜としているが、鋼帯１０に衝突した後の鋼帯下面に沿う冷却水２ａの流れは、図１（ｂ）中の矢印のように、幅方向に対して４５゜の角度で流れてゆき、ノズル２とノズル２の間で衝突して、下方に落下した。

一方、図２に示す円管ジェットノズル３を配置した場合、円管ジェットノズル３からの冷却水３ａは、鋼帯１０と衝突した後、鋼帯搬送方向に流れ、テーブルロール１の頂点と鋼帯１０が接しているところで方向を変え、テーブルロール１の表面に沿って落下していく。そのため、落下した冷却水（落下水）は円管ジェットノズル３に向かって落下してゆき、円管ジェットノズル３からの新鮮な冷却水と干渉してしまった。このため、円管ジェットノズル３からの新鮮な冷却水は落下水を打ち破るために運動量を費やしてしまい、打力が低下すると共に、落下水は連続的には落下してこないため、衝突力は時間と共に変動してしまった。

この実験から、ノズルから噴射した冷却水を安定的に排水させるためには、なるべく冷却水の流動を幅方向に向かって流れるようにすると共に、隣り合うノズルの間で鋼帯に沿って流れた冷却水を衝突・落下させて、落下する冷却水がノズルにかからないような配置にすることが重要であることがわかる。

このような幅方向に冷却水を流動させるためには、上述したことからも、特許文献１〜４に記載されているようなフラットスプレーノズルを採用することが好適である。ここで、フラットスプレーノズルとは、冷却水が扇型に噴射され、鋼帯と衝突したときの衝突部は長方形（帯状）または長円状となるノズルのことを言う。

次に、フラットスプレーノズルを用いる場合に、安定的な冷却水の排水を実現するためのノズル配置について述べる。

フラットスプレーノズルを用いる場合の幾何学的な関係を図３に示す。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は平面図である。なお、前述したように、特許文献４では、数式によりフラットスプレーの条件を限定しているため、この特許文献４との差異を示すために、記号などは同じものを採用する。

上述したように、複数のフラットスプレーノズル２を用いる場合、鋼帯搬送方向から見たときに冷却水２ａが鋼帯１０に衝突した部分２ｂが重なり合うように配置することによって、搬送される熱延鋼帯１０の下面の幅方向のすべての位置がそれらフラットスプレーノズル２からの冷却水２ａの衝突部２ｂを１回以上通過するようにするのが一般的である。

その際に、特許文献４にも記載されているように、衝突部２ｂの重なり量（水膜ラップ量）ＳＬが小さい場合、場所により冷却水が一回衝突しているところと二回衝突しているところができるが、二回衝突しているところが一回衝突しているところに比べて、２倍程度の冷却能力をもつため、一回衝突部と二回衝突部がある程度の広さを持って交互に発生させるのは好ましくない。また、一部のノズルが異物などにより詰まることもあり、その場合はノズルが詰まった部位では冷却がなされなくなるため、一回衝突部の領域が大部分を占めても好ましくない。したがって、なるべくどの位置においても、冷却水が二回程度衝突するように配置するのが好ましい。また、冷却水が三回以上衝突するように配置する方法もあるが、ノズルとノズルの間隔Ｐｗが狭くなり、排水が円滑に進まなくなる。

よって、冷却水が二回程度衝突する配置が最も効果がある。図３中の記号で定義しなおすと、フラットスプレー２ａの衝突部２ｂの鋼帯進行方向から投影した冷却水衝突幅Ｌｗとフラットスプレーノズル２の幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗが２に近くなるように配置することがよい。実用上は、Ｌｗ／Ｐｗを１．８〜２．２とすると好適である。

本発明のポイントは、フラットスプレーノズル２から噴射されて鋼帯１０下面に衝突した後の冷却水の流れる方向をなるべく幅方向になるようにして、隣り合うフラットスプレーノズル２からの鋼帯下面衝突後の冷却水の流れと衝突させて、下方に落下させる必要がある。このため、テーブルロール１とフラットスプレー２ａにより壁を作る必要がある。

そのため、図３中の鋼帯搬送方向に対するフラットスプレー衝突長さ（フラットスプレーノズル２からの冷却水２ａの熱延鋼帯１０への衝突部２ｂを鋼帯搬送方向側面に投影した長さ）ＬＬは、なるべくロールピッチＰＬに近いほうがよい。

ここで、最適なフラットスプレー衝突長さＬＬを検証するために行った実験の内容を説明する。先に説明した熱延鋼帯のランアウトテーブルを模擬するためのφ３００のテーブルロール１を３７０ｍｍピッチで設置し、テーブルロール１間に、幅方向に８０ｍｍピッチ、ロール間水量密度を４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２、フラットスプレー２ａの捻り角度βを４５゜、フラットスプレーノズル２とパスライン距離を１５０ｍｍとして、噴射テストを実施した。その際、定量評価するために、図４に示すように、フラットスプレー衝突部２ｂの数箇所に圧力センサー４０をつけて、その圧力センサー４０により計測された平均衝突打力で評価するようにした。

図５に、フラットスプレー衝突長さＬＬとテーブルロールピッチＰＬとの比ＬＬ／ＰＬに対する平均衝突打力（ＬＬ／ＰＬ＝１．０の場合の平均衝突打力を１）の関係を示す。図５に示すように、ＬＬ／ＰＬが０．５よりも小さくなると急激に衝突打力が低下することが分かる。フラットスプレーノズル２から噴射された冷却水２ａを目視観察したところ、ＬＬ／ＰＬが０．５よりも小さい条件では、多くの冷却水２ａがテーブルロール１側に流れて、テーブルロール１に沿って落下して行き、フラットスプレーノズル２の先端が多く被水していたが、ＬＬ／ＰＬが０．５以上の条件では、そのような現象はほとんど発生していなかった。よって、ＬＬ／ＰＬは０．５以上確保する必要がある。これをしないと、テーブルロール１間を基準とした水量密度が１０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上となるような大水量噴射した場合、冷却水２ａを堰きとめる効果が少なくなり、図２に示した円管ノズル３から冷却水３ａを噴射した場合のように、テーブルロール１を伝ってフラットスプレーノズル２上に落下する危険がある。

このように、フラットスプレー衝突長さＬＬはなるべく長くする必要があるが、そのためには、鋼帯搬送方向側面からみたフラットスプレー２ａの広がり角度φはなるべく広く取る必要がある。ただし、フラットスプレー２ａの広がり角度φを大きくとりすぎると、フラットスプレーノズル２から噴射した冷却水２ａがテーブルロール１に衝突する。したがって、フラットスプレーノズル２の製作のバラツキ等を考えると、フラットスプレー２ａの広がり角度φとしては、フラットスプレー２ａがテーブルロール１から５〜１０ｍｍ程度離れた位置を通過するような角度を選択すればよい。

また、鋼帯幅方向に対するフラットスプレー衝突部２ｂの軸線の角度（スプレー捻り角度）βについて、先の実験と同様に、ロール間水量密度を４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２、フラットスプレー衝突長さＬＬとテーブルロールピッチＰＬとの比ＬＬ／ＰＬを０．６、スプレーノズル２とパスライン距離を１５０ｍｍとして、フラットスプレーノズル２のノ外径Ｄとフラットスプレーノズル２の幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｄ／Ｐｗと、捻り角度βを変更して、噴射テストを実施した。

図６に、βおよびＤ／Ｐｗに対する平均衝突打力（β＝９０°、Ｄ／Ｐｗ＝１．０の場合の平均衝突打力を１）の関係を示す。

まず、Ｄ／Ｐｗが０．５よりも大きい場合は全体的に衝突打力が低く、Ｄ／Ｐｗが０．５以下ではほとんど同程度の衝突打力を得ることができた。すなわち、Ｄ／Ｐｗが大きくなるほど排水面積が小さくなり、テーブルロール間から円滑に排水ができず、フラットスプレー２ａが水没したために衝突打力が低下したが、Ｄ／Ｐｗを０．５以下にすると円滑に排水されたため、衝突打力が高い状態を維持することが可能となった。

また、スプレーの捻り角度βは４５゜以上では衝突打力があまり変化しないが、それ未満になると急激に衝突打力が低下する傾向が見られた。これは、スプレー捻り角度βを４５゜未満の角度にすると、冷却水２ａが鋼帯１０下面に衝突した後に幅方向に流れる速度成分が小さくなり、テーブルロール１側に流れてゆく。テーブルロール１側に流れる水流の量が多くなると、この水はテーブルロール１を伝って落下するため、前述と同様に、フラットスプレーノズル２上に落下する危険がある。ただし、角度βは７０°以下の角度が好ましく、これよりもスプレー捻り角度βを大きくすると、１本のフラットスプレーノズル２がカバーできる幅方向の冷却水衝突範囲Ｌｗが小さくなり、幅方向に設置するフラットスプレーノズル２の個数が増えてしまう。そのため、なるべくどの位置においても、冷却水が二回程度衝突するように配置した場合、幅方向のノズルピッチＰｗが狭くなり、排水が円滑に進まなくなり、好ましくない。

また、図３（ｂ）に模式的に示しているが、フラットスプレー２ａの広がり角度（フラットスプレーノズル２先端とフラットスプレー衝突部２ｂの長軸の両端部で形成される三角形のフラットスプレーノズル２先端を頂点としたときの頂角）αについては、なるべく小さいほうが、ノズル２先端から垂直方向に鋼帯１０へ噴射された冷却水の噴射距離Ｌ１とノズル２先端から垂直方向に対してαだけ傾斜して鋼帯１０へ噴射された冷却水の噴射距離Ｌ２の差が小さくなり好ましい。鋼帯１０までの噴射距離が遠くなるほど、空気抵抗により冷却水２ａが減速されて、鋼帯１０に衝突する力が低下し、冷却水２ａの堰き止め力が小さくなる。

傾向としては以上で述べたとおりであるが、フラットスプレーノズル２の構造により、距離が遠くなる衝突面端部における流速を衝突面中央と揃えるような設計も可能ではあるが、一般的に市販されているノズルを採用する場合、Ｌ２／Ｌ１を２以下にするのが好ましく、このような条件とするために、幾何学的な関係からフラットスプレー２ａの広がり角度（スプレー噴射角度）αは１２０゜以下にすることが望ましい。

また、ノズル２先端から鋼帯１０までの距離Ｈは、鋼帯１０に近接させるほどよい。これは、冷却水２ａがテーブルロール１に衝突しないようにすると、距離Ｈを大きくするほど、鋼帯搬送方向側面に投影したスプレー広がり角度φが小さくなり、フラットスプレー衝突長さＬＬが小さくなる。その結果、フラットスプレー衝突長さＬＬとテーブルロールピッチＰＬとの比ＬＬ／ＰＬが小さくなり、先に説明したように、冷却水２ａの堰き止め効果が小さくなるからである。

また、冷却水２ａの排水はテーブルロール１とテーブルロール１の間隙からなされるが、テーブルロール１の中心軸の高さ位置で最もテーブルロール１間の間隔が狭くなる。そのため、この領域では排水を最もしづらいため、テーブルロール１間に冷却水２ａの一部が溜まり、フラットスプレーノズル２が水没する恐れがある。そこで、フラットスプレーノズル２の先端と鋼帯１０までの距離は、テーブルロール１の半径ｒよりも小さくする必要がある。ただし、フラットスプレーノズル２の先端と鋼帯１０までの距離は近ければ近いほうがいいが、あまり近接させると、テーブルロール１上を通板する鋼帯１０がばたついた場合、鋼帯１０がノズル２と接触して、ノズル２を破損する危険がある。そこで、実用上は、ノズル２の先端と鋼帯の距離は５０ｍｍ以上とするのがよい。

また、フラットスプレーの傾き角度（スプレー向い角）γについては、フラットスプレーノズル２とテーブルロール１との干渉を回避するために、基本的にはγ＝０°とする。なお、スプレー迎え角度γを５〜１０゜程度までは鋼帯進行方向に傾斜させてもかまわないが、これ以上傾斜させるとフラットスプレーノズル２を傾斜させた方向に多く冷却水２ａが流れるため、テーブルロール１側への水流が発生し、先に述べたようにテーブルロール１に沿って冷却水が落下しやすくなり、その流下水がフラットスプレーノズル２の噴射口にかかることから、衝突面打力低下の原因となり好ましくない。

なお、本発明は、テーブルロール１間を基準とした冷却水量密度が１５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上の場合に適用することが好ましい。これは、冷却水量が少ない場合、もともとテーブルロール１間からスムーズに排水できるためである。ただし、その場合でも、本発明を適用することにより、より均一な冷却を行うことができるという効果はある。

そして、ここまでに説明したようなフラットスプレーノズル２は、鋼板搬送方向に複数個配置されているテーブルロール１の各隙間にそれぞれ設置して使用する。すなわち、鋼板搬送方向にフラットスプレーノズル２を複数列設置して使用する。特に、熱延鋼帯のランアウトテーブルでは、鋼帯１０を数１００℃程度冷却する必要があることから、数１０程度のテーブルロール間に設置することもありうる。その場合のノズル配置例を図７に示す。この例のように、お互い隣り合うテーブルロール１間でフラットスプレー衝突部２ｂの軸線の角度βを逆向きにしてもよいし、また同じ向きにしてもよい。本発明の範囲内であれば、それぞれのテーブルロール毎にフラットスプレー衝突部２ｂの軸線の角度βを変更してもかまわない。

また、図８に示すように、フラットスプレーノズル２の噴射位置（噴射口の幅方向位置）をお互い隣り合うテーブルロール間であるピッチだけずらすと更に好適である。先に、フラットスプレー噴射幅ＬｗとフラットスプレーノズルピッチＰｗとの関係は、実用上Ｌｗ／Ｐｗを１．８〜２．２とすると良いと述べたが、スプレーノズルピッチＰｗやスプレー噴射角度βの選択により、わずかな領域で１回しか衝突しなかったり、３回衝突したりする場合があるので、鋼帯進行方向にノズル列を複数列設置する際に、隣り合うノズル列で衝突位置をずらすことにより、この影響が分散させる効果がある。すなわち、任意のノズル列のフラットスプレーノズル２の噴射口の幅方向位置が鋼帯進行方向で隣り合う上流側及び下流側のノズル列のフラットスプレーノズル２の噴射口の幅方向位置と一致しないようにすることが好ましい。

また、冷却水２ａの噴射圧力Ｐｍはあまり高くする必要はなく、通常ランアウトテーブルで使用させているせいぜい数気圧程度でよい。特許文献４に示しているような数ＭＰａ程度まで水圧を高めると、水圧により鋼帯１０を持上げてしまう危険があり、好ましくない。

次に、本発明と特許文献４との違いについて説明する。

特許文献４は、冷却水の衝突面がなるべく均一に冷えるようなノズル配置を提案しているが、本発明のように熱延鋼帯のランアウトテーブル間のような狭いスペースにノズルを設置することは想定していない。このため、本発明で規定する範囲は、特許文献４で限定している範囲と異なっている。

以下に具体例で説明する。

これまで説明してきたような、本発明で規定する条件に基づいてフラットスプレーノズルを設置した場合、その一例は次のようになる。

テーブルロール径ｒ：１４０ｍｍ、テーブルロールピッチＰＬ：３５０ｍｍ、ノズルと鋼帯間の距離Ｈ：１００ｍｍ、スプレー噴射角度α：１０５゜、スプレー捻り角度β：５６゜、スプレー向い角γ：０°、ノズルの幅方向取り付けピッチＰｗ：８０ｍｍ、ノズル一本あたりの流量Ｑｍ：１１０Ｌ／ｍｉｎ、テーブルロール間水量密度：４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２、冷却水圧力Ｐｍ：０．３ＭＰａ である。

一方、特許文献４では、前述したように、下記（１）式、（２）式によって規定している。

Pw・sin(β)≦0.1・［Qm/{2・H・tan(α/2)/cos(γ)}・(Pm/ρ)^１/２］^１/３
・・・（１）
Pw/cos(β)≦H・tan(α/2)/cos(γ) ・・・（２）

ここで、（１）式、（２）式に基づいて、
Ａ値＝Pw・sin(β)−0.1・［Qm/{2・H・tan(α/2)/cos(γ)}・(Pm/ρ)^１/２］^１/３
・・・（３）
Ｂ値＝Pw/cos(β)−H・tan(α/2)/cos(γ) ・・・（４）
とすると、特許文献４では、Ａ値≦０、Ｂ値≦０ということになるが、上記の数値を（３）式、（４）式に代入すると、Ａ値≒０．０１５４、Ｂ値≒０．０１３となり、特許文献４で規定した条件を満足していない。

このように、本発明で規定する範囲は、特許文献４で限定している範囲と異なっている。

なお、本発明は熱延鋼帯の下面冷却に適用されるが、テーブルロール間が狭い場所であれば、厚板や形鋼など様々な設備に適用することも可能である。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

図９は、本発明の実施例における熱延鋼帯の製造設備のレイアウトを示したものである。
２５０ｍｍ厚みのスラブが加熱炉６０により約１２００℃まで加熱された後、粗圧延機群６１により４０ｍｍ厚みまで圧延され、仕上げ圧延機群６２により２．６ｍｍまで圧延される。圧延後は、ランアウトテーブル６３で所定の温度まで冷却された後、コイラー６４で巻き取られる。

そして、ランアウトテーブル６３では、鋼帯上面の冷却をヘアピンラミナーの上面冷却装置５１（上面冷却装置群５２）によって行い、鋼帯下面の冷却を下面冷却装置５５（下面冷却装置群５６）によって行う。ここで、上面冷却装置５１は下面冷却装置５５と対で設置されており、それぞれのテーブルロールの上に冷却水が落下するようになっている。ランアウトテーブル６３での冷却前後の鋼帯の温度分布は、放射温度計６５により測定することができる。

なお、ランアウトテーブル６３で鋼帯を冷却する際の必要な冷却速度は２００℃／ｓ以上である。図１０に、２．６ｍｍ厚みの材料をフラットスプレーで冷却したときの冷却速度と水量密度の関係を示すが、冷却速度を２００℃／ｓ以上とするためには、水量密度は約３５００／ｍｉｎ・ｍ^２以上とする必要がある。そこで、ここでは、冷却水量を４０００／ｍｉｎ・ｍ^２にして実施した。

（本発明例）
本発明例として、本発明に基づいてランアウトテーブル６３での冷却を行った。すなわち、下面冷却装置５５として、本発明で規定する条件に基づいてフラットスプレーノズルが設置された下面冷却装置を用いた。

具体的には、テーブルロール１とフラットスプレーノズル２の幾何学的な関係等は以下のとおりにした。

テーブルロール径ｒ：１４０ｍｍ、テーブルロールピッチＰＬ：３５０ｍｍ、ノズルと鋼帯間の距離Ｈ：１００ｍｍ、スプレー噴射角度α：１０５゜、スプレー捻り角度β：３４゜、スプレー向い角γ：０°、ノズルの幅方向取り付けピッチＰｗ：８０ｍｍ、ノズル一本あたりの流量Ｑｍ：１１０Ｌ／ｍｉｎ、テーブルロール間水量密度：４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２、冷却水圧力Ｐｍ：０．２ＭＰａ、冷却水衝突幅Ｌｗとノズル取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗ：２ である。

ちなみに、上記の条件を前記（３）式と（４）式に代入すると、Ａ値≒０．０２０、Ｂ値≒０．０１３となり、特許文献４が規定したＡ値≦０、Ｂ値≦０という条件は満足していない。

そして、通板速度６５０ｍｐｍでランアウトテーブル入側温度８７０℃、ランアウトテーブル出側温度６４０℃となるように、上面冷却装置５１と下面冷却装置５５の使用台数（使用ノズルヘッダ数）を設定して冷却を行った。具体的には、図１０から水量密度４０００／ｍｉｎ・ｍ^２の場合、２１０℃／ｓの冷却速度が出るため、冷却時間は１．１ｓｅｃ、設備長（冷却ゾーン長）としては１１．９ｍ必要である。これに対して、上面冷却装置５１および下面冷却装置５５は、テーブルロールピッチ３５０ｍｍ毎に設置されているので、上面冷却装置５１と下面冷却装置５５について各３４台（各３４ヘッダ）から冷却水を噴射した。

（比較例１）
比較例として、特許文献４に基づいてランアウトテーブル６３での冷却を行った。すなわち、下面冷却装置５５として、特許文献４に規定する条件に基づいてフラットスプレーノズルが設置された下面冷却装置を用いた。

具体的には、テーブルロール１とフラットスプレーノズル２の幾何学的な関係等は以下のとおりにした。

テーブルロール径ｒ：１４０ｍｍ、テーブルロールピッチＰＬ：３５０ｍｍ、ノズルと鋼帯間の距離Ｈ：１００ｍｍ、スプレー噴射角度α：１０５゜、スプレー捻り角度β：７０゜、スプレー向い角γ：０°、ノズルの幅方向取り付けピッチＰｗ：１２０ｍｍ、ノズル一本あたりの流量Ｑｍ：８５Ｌ／ｍｉｎ、テーブルロール間水量密度：４０００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２、冷却水圧力Ｐｍ：０．２ＭＰａ、冷却水衝突幅Ｌｗとノズル取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗ：２ である。

ちなみに、上記の条件を前記（３）式と（４）式に代入すると、Ａ値≒−０．００２、Ｂ値≒−０．００２となり、特許文献４が規定したＡ値≦０、Ｂ値≦０という条件を満足している。

そして、通板速度６５０ｍｐｍでランアウトテーブル入側温度８７０℃、ランアウトテーブル出側温度６４０℃となるように、上面冷却装置５１と下面冷却装置５５の使用台数（使用ノズルヘッダ数）を設定して冷却を行った。具体的には、図１０から水量密度４０００／ｍｉｎ・ｍ^２の場合、２１０℃／ｓの冷却速度が出るため、冷却時間は１．１ｓｅｃ、設備長（冷却ゾーン長）としては１１．９ｍ必要である。これに対して、上面冷却装置５１および下面冷却装置５５は、テーブルロールピッチ３５０ｍｍ毎に設置されているので、上面冷却装置５１と下面冷却装置５５について各３４台（各３４ヘッダ）から冷却水を噴射した。

図１１に、本発明例と比較例における冷却後の鋼帯幅方向の温度分布を示す。

本発明例では、幅方向に非常に均一な温度分布となっている。その結果、引張強度や伸びなどが目的の機械特性となった。これに対して、比較例では、周期的に幅方向の温度ムラが発生し、その温度偏差は最大で５０℃程度あった。その結果、引張強度や伸びなどが局所的に目的を大きく外れ、規格外の機械特性となる部位があり、製品として出荷ができなかった。

１ テーブルロール
２ フラットスプレーノズル
２ａ フラットスプレーノズルからの冷却水（フラットスプレー）
２ｂ フラットスプレー衝突部
３ 円管ジェットノズル
３ａ 円管ジェットノズルからの冷却水
４０ 衝突打力測定用の圧力センサー
５１ 上面冷却装置
５２ 上面冷却装置群
５５ 下面冷却装置
５６ 下面冷却装置群
６０ 加熱炉
６１ 粗圧延機群
６２ 仕上げ圧延機群
６３ ランアウトテーブル
６４ コイラー
６５ 放射温度計

Claims (12)

1. 熱延鋼帯の下面冷却を行うに際して、搬送テーブルロール間に被冷却面に対して冷却水が帯状または長円状に衝突するフラットスプレーノズルを幅方向に複数配置し、かつ、前記複数のフラットスプレーノズルを、搬送される熱延鋼帯の下面の幅方向のすべての点がそれらフラットスプレーノズルからの冷却水の衝突域を１回以上通過するように配置するとともに、前記フラットスプレーノズルの外径Ｄと前記フラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗとの比Ｄ／Ｐｗを０．５以下とし、前記フラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部の軸線を鋼帯幅方向に対して４５〜７０゜傾け、前記フラットスプレーノズルの先端から熱延鋼帯までの距離を５０ｍｍから前記テーブルロールの半径未満までとすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
2. 請求項１に記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、１本のフラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部を鋼帯搬送方向側面に投影した長さＬＬと前記テーブルロール間の距離ＰＬとの比ＬＬ／ＰＬを０．５以上となるようにすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
3. 請求項１または２に記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、前記テーブルロール間の距離を基準とした冷却水量密度を１５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上とすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーノズルを鋼帯搬送方向に複数列配置することを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーの衝突部の鋼帯進行方向から投影した冷却水衝突幅Ｌｗとフラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗを１．８〜２．２とすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却方法において、フラットスプレーノズルを幅方向に複数配置したノズル列を鋼帯進行方向に複数配置することとし、任意のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置が鋼帯進行方向で隣り合う上流側及び下流側のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置と一致しないようにすることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却方法。
7. 熱延鋼帯の下面冷却装置であって、搬送テーブルロール間に被冷却面に対して冷却水が帯状または長円状に衝突するフラットスプレーノズルが幅方向に複数配置され、かつ、前記複数のフラットスプレーノズルが、搬送される熱延鋼帯の下面の幅方向のすべての点がそれらフラットスプレーノズルからの冷却水の衝突域を１回以上通過するように配置されているとともに、前記フラットスプレーノズルの外径Ｄと前記フラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗとの比Ｄ／Ｐｗが０．５以下で、前記フラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部の軸線が鋼帯幅方向に対して４５〜７０゜傾き、前記フラットスプレーノズルの先端から熱延鋼帯までの距離が５０ｍｍから前記テーブルロールの半径未満となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。
8. 請求項７に記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、１本のフラットスプレーノズルからの冷却水の熱延鋼帯への衝突部を鋼帯搬送方向側面に投影した長さＬＬと前記テーブルロール間の距離ＰＬとの比ＬＬ／ＰＬが０．５以上となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。
9. 請求項７または８に記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、前記テーブルロール間の距離を基準とした冷却水量密度が１５００Ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ^２以上であることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーノズルが鋼帯搬送方向に複数列配置されていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。
11. 請求項７〜１０のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーの衝突部の鋼帯進行方向から投影した冷却水衝突幅Ｌｗとフラットスプレーノズルの幅方向取り付けピッチＰｗの比Ｌｗ／Ｐｗが１．８〜２．２となっていることを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。
12. 請求項７〜１１のいずれかに記載の熱延鋼帯の下面冷却装置において、フラットスプレーノズルを幅方向に複数配置したノズル列が鋼帯進行方向に複数配置されていて、任意のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置が鋼帯進行方向で隣り合う上流側及び下流側のノズル列のフラットスプレーノズルの噴射口の幅方向位置と一致していないことを特徴とする熱延鋼帯の下面冷却装置。

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