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技術 高温金属板の冷却装置

出願人 JFEエンジニアリング株式会社
発明者 藤林晃夫木部洋上岡悟史杉山峻一内村孝高橋功
出願日 1997年8月11日 (23年3ヶ月経過) 出願番号 1997-216067
公開日 1999年3月2日 (21年8ヶ月経過) 公開番号 1999-057837
状態 特許登録済
技術分野 圧延機に特に連結された素材の表面処理装置 ストリップ・線材の熱処理
主要キーワード 整流管 単位幅当り 給水ヘッダ 面積分布 広幅鋼板 整流室 吐出水量 ノズルヘッダ
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年3月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

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課題

厚鋼板用幅広スリットノズルにおける幅方向の冷却を均一化し、冷却水量増減させた場合にも均一冷却が可能なスリットノズルを提供する。

解決手段

内管および外管からなるノズルヘッダ金属板冷却水注水するスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置において、冷却水を送水する冷却水供給管1が内管2に複数接続され、内管2の上部には内管2から外管3に冷却水を供給するための開口部5が設けられ、外管3にはスリットノズル4が接続されていることを特徴とする高温金属板の冷却装置。さらに、内管2に設けられた開口部5の総面積が、冷却水供給管1の内部の総断面積の0.8倍以上1.2倍以下であることを特徴とする高温金属板の冷却装置。

概要

背景

一般に、熱間圧延された高温鋼板等の金属板は、材質上あるいは操業上の要請から水冷されることが多い。しかし、圧延直後の水冷においては冷却ムラが生じやすく、冷却後に鋼板の変形や残留応力の発生、材質のバラツキ等の品質低下を招く。また、冷却ムラによる鋼板変形は、操業上のトラブルを起こす原因となる。さらに、変形した鋼板は、後工程でプレス機矯正機を用いた精整工程を必要とするため、コスト高の原因となっていた。

このような水冷中の冷却ムラをなくすためには、鋼板等の金属板を均一に冷却する必要がある。圧延後の高温の鋼板をオンラインで冷却する際、一般には鋼板を水平の状態で通過させながら、その上下から冷却水注水する。この時、板幅方向の冷却が均一になるように幅方向冷却能を調整することが重要であり、そのためには、板幅方向の冷却水量が同一になるよう制御する必要がある。

圧延直後の鋼板の冷却においては、通常、スリット状のノズルスリットノズル)が用いられ、このノズルから板状の水流ラミナー流)を鋼板の搬送方向に流出させて冷却を行う。特に厚鋼板冷却装置では、様々な板幅の鋼板が冷却されるので、スリットノズルの幅は鋼板の最大幅に合わせた幅の広いノズルが用いられている。このような広幅のノズルは、幅方向の冷却水量が不均一になりやすく、それを防ぐ方法としていわゆる均一冷却法が種々提案されている。

例えば、実開昭58−4210号公報には、スリットノズル部をヘッダ管に直接固定せずに、支持フランジにより支持して装着したノズル構造が提案されている。さらにその説明図には、2重管式ノズルヘッダ内管をその両端で支持するノズル構造が実施例として記載されている。

実開平4−129506号公報には、内管に細孔群が空けられた2重管式のノズルヘッダが提案されている。この場合、細孔群の開口面積分布を、ノズルから噴出する冷却水の流量分布を均一とする分布に設定する。この流量分布を均一とする分布については、細孔群による冷却水の圧力損失を基に予め計算しておく、と記載されている。

特開平6−182425号公報には、ノズルヘッダの内部に整流室を設け、この整流室に着脱可能に送水管を取り付け、ノズルヘッダとは別に設けた給水ヘッダに、所定の間隔で送水管を接続したノズルヘッダが提案されている。

概要

厚鋼板用幅広のスリットノズルにおける幅方向の冷却を均一化し、冷却水量を増減させた場合にも均一冷却が可能なスリットノズルを提供する。

内管および外管からなるノズルヘッダと金属板に冷却水を注水するスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置において、冷却水を送水する冷却水供給管1が内管2に複数接続され、内管2の上部には内管2から外管3に冷却水を供給するための開口部5が設けられ、外管3にはスリットノズル4が接続されていることを特徴とする高温金属板の冷却装置。さらに、内管2に設けられた開口部5の総面積が、冷却水供給管1の内部の総断面積の0.8倍以上1.2倍以下であることを特徴とする高温金属板の冷却装置。

目的

この発明は、これらの問題点を解決し、厚鋼板用の幅広のスリットノズルにおける幅方向の冷却を均一化し、さらに冷却水量を増減させた場合にも均一冷却が可能なスリットノズルを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

内管および外管からなるノズルヘッダ金属板冷却水注水するスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置において、冷却水を送水する冷却水供給管が内管に複数接続され、前記内管の上部には内管から外管に冷却水を供給するための開口部が設けられ、前記外管にはスリットノズルが接続されていることを特徴とする高温金属板の冷却装置。

請求項2

内管に設けられた開口部の総面積が、冷却水供給管の内部の総断面積の0.8倍以上1.2倍以下であることを特徴とする請求項1記載の高温金属板の冷却装置。

技術分野

0001

この発明は、内管外管およびスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置に関する。

背景技術

0002

一般に、熱間圧延された高温鋼板等の金属板は、材質上あるいは操業上の要請から水冷されることが多い。しかし、圧延直後の水冷においては冷却ムラが生じやすく、冷却後に鋼板の変形や残留応力の発生、材質のバラツキ等の品質低下を招く。また、冷却ムラによる鋼板変形は、操業上のトラブルを起こす原因となる。さらに、変形した鋼板は、後工程でプレス機矯正機を用いた精整工程を必要とするため、コスト高の原因となっていた。

0003

このような水冷中の冷却ムラをなくすためには、鋼板等の金属板を均一に冷却する必要がある。圧延後の高温の鋼板をオンラインで冷却する際、一般には鋼板を水平の状態で通過させながら、その上下から冷却水注水する。この時、板幅方向の冷却が均一になるように幅方向冷却能を調整することが重要であり、そのためには、板幅方向の冷却水量が同一になるよう制御する必要がある。

0004

圧延直後の鋼板の冷却においては、通常、スリット状のノズル(スリットノズル)が用いられ、このノズルから板状の水流ラミナー流)を鋼板の搬送方向に流出させて冷却を行う。特に厚鋼板の冷却装置では、様々な板幅の鋼板が冷却されるので、スリットノズルの幅は鋼板の最大幅に合わせた幅の広いノズルが用いられている。このような広幅のノズルは、幅方向の冷却水量が不均一になりやすく、それを防ぐ方法としていわゆる均一冷却法が種々提案されている。

0005

例えば、実開昭58−4210号公報には、スリットノズル部をヘッダ管に直接固定せずに、支持フランジにより支持して装着したノズル構造が提案されている。さらにその説明図には、2重管式ノズルヘッダの内管をその両端で支持するノズル構造が実施例として記載されている。

0006

実開平4−129506号公報には、内管に細孔群が空けられた2重管式のノズルヘッダが提案されている。この場合、細孔群の開口面積分布を、ノズルから噴出する冷却水の流量分布を均一とする分布に設定する。この流量分布を均一とする分布については、細孔群による冷却水の圧力損失を基に予め計算しておく、と記載されている。

0007

特開平6−182425号公報には、ノズルヘッダの内部に整流室を設け、この整流室に着脱可能に送水管を取り付け、ノズルヘッダとは別に設けた給水ヘッダに、所定の間隔で送水管を接続したノズルヘッダが提案されている。

発明が解決しようとする課題

0008

しかしながら、上記の従来技術には以下の点で問題があった。

0009

実開昭58−4210号公報記載の技術では、スリットノズルおよび内管がいずれも両端のフランジのみで支持されているため、強度上の問題がある。特に広幅鋼板の冷却装置においては、スパンが5m以上にも及ぶため、両端のフランジのみでは中央部が垂れ下がるという問題がある。これに対して、外部で支持することは外管については可能であるが、内管についてはこの技術では支持することができない。

0010

またこの技術では、冷却水がスリットノズルの両端からのみ供給されるので、大量の冷却水を噴射することは不可能であり水量に制限があった。さらに、水量の増加に伴い、幅方向の冷却水量の分布が不均一となり、冷却のムラが増大するという問題もある。これは、大量の冷却水を内管の軸方向(金属板の幅方向)に流す必要があるため、幅方向に冷却水の圧力勾配が生じるためである。

0011

実開平4−129506号公報記載の技術では、冷却水量が変わると均一な冷却水量分布が得られないという問題がある。内管においては、冷却水の流速が開口部から冷却水を流出させる圧力に影響を及ぼし、冷却水の供給元に近い部分では流速が高いため圧力は低くなり、末端部では流速が0のため圧力への影響も0となる。冷却水の流速は冷却水量と比例するので、開口部における圧力への影響の大小は冷却水量に依存することになる。

0012

従って、冷却水量が少ない場合の開口部の面積分布は冷却水の供給元に近い部分と末端部とで同等でよいが、冷却水量が多い場合は面積分布の差を大きくする必要がある。このように、幅方向に均一な冷却水量分布を得るためには、整流管に設ける開口部面積の分布を冷却水量により変える必要がある。そのため、この従来技術では、冷却水の水量変更の際は、幅方向に均一なラミナー流を実現することが困難であった。

0013

特開平6−182425号公報記載の技術では、ノズルヘッダの内部に整流板を設けているため、ノズルヘッダの内部構造が複雑であり、整流板の取付けおよびシール等の調整が必要となる。また、整流板の寸法や仕様については具体的には開示されておらず、別途検討を必要とする。

0014

以上のように、従来技術では鋼板の冷却の際、冷却にムラが生じやすく、局所的な冷却不足や逆に過冷却による筋状の材質欠陥や、冷却後の鋼板の曲がりやキャンバの発生を防止することが困難であった。

0015

この発明は、これらの問題点を解決し、厚鋼板用幅広のスリットノズルにおける幅方向の冷却を均一化し、さらに冷却水量を増減させた場合にも均一冷却が可能なスリットノズルを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0016

第1の発明は、内管および外管からなるノズルヘッダと金属板に冷却水を注水するスリットノズルを有する高温金属板の冷却装置において、冷却水を送水する冷却水供給管が内管に複数接続され、前記内管の上部には内管から外管に冷却水を供給するための開口部が設けられ、前記外管にはスリットノズルが接続されていることを特徴とする高温金属板の冷却装置である。

0017

この発明では、内管に複数の冷却水供給管が接続されているので、内管はこれらの冷却水供給管で支持される。さらに、内管は複数の位置で支持されるので、隣接する支持位置の間隔(スパン)が短くなり、垂れ下がりにくくなる。この場合(分布荷重の場合)、垂れ下がりの大きさ(最大撓み)は、スパンの4乗に比例する。冷却水供給管がn本の場合はスパンが1/nになるので、最大撓みは1/n4となる。例えば、2本の場合でも、最大撓みは1/24=1/64に低減できることになる。

0018

また、冷却水は複数の冷却水供給管から内管に送水されるので、内管の両端から送水される場合に比べて、冷却水量の分布が均一化される。さらに、内管に設けられる複数の開口部の大きさを適切な寸法とすることにより、外管に供給される冷却水の水量を均一化できる。ここで開口部の大きさとしては、開口部の面積の総和が、冷却水供給管の断面積(内部の断面積)の総和と同程度であればよい。

0019

第2の発明は、内管に設けられた開口部の総面積が、冷却水供給管の内部の総断面積の0.8倍以上1.2倍以下であることを特徴とする第1の発明記載の高温金属板の冷却装置である。

0020

開口部の総面積が大きくなると、水流に対する流動抵抗が小さくなるため、冷却水は冷却水供給管に近い開口部から集中して流出し、冷却水の分布が不均一となる。従って、ある程度の流動抵抗を生じさせて、冷却水の分布が均一となるようにする必要がある。

0021

種々の検討の結果、冷却水供給管の内部の断面積の総和に対する開口部の総面積の比率(以下、面積比という)を、一定の比率より小さくすることで、冷却水の分布を均一化することができることを見いだした。実験の結果、実用上はこの比率を1.2以下とすることで、冷却水の分布が均一となり、板幅方向の温度差が20℃以内となることがわかった。

0022

図1は、冷却水の分布と金属板の温度分布の関係を示す図である。図の横軸吐出流の流速の最小値最大値の比(吐出流速比)であり、冷却水の分布を表す。図の縦軸は、板幅方向の温度差であり、金属板の温度分布を表す。図1では、吐出流速比の低下に伴い、板幅方向の温度差が増加している。この図より、板幅方向の温度差が20℃以内とするには、吐出流速比を0.86以上とすればよいことがわかる。

0023

そこで、このような吐出流速比を得るための条件について、開口部の総面積(冷却水供給管に対する面積比)を種々変化させて調べた。その結果、この面積比を1.2まで増加すると、吐出流速比が0.86まで低下することがわかった。そこで、この発明では、開口部の冷却水供給管に対する面積比を1.2以下とすする。これにより前述のように、板幅方向の温度差を20℃以内とすることができる。

0024

開口部の総面積が小さくなる(面積比縮小)と、水流に対する流動抵抗が大きくなり、冷却水の水量が少ない場合でも冷却水の分布を均一化することができる。しかし、開口部における圧力損失が大きくなるため、冷却水の水量が減少し冷却能力が低下する。冷却水の水量を同一とするには、冷却水供給管の水圧を高くする必要がある。その結果、ポンプ配管設備高圧用にするため設備費が増加し、また、ポンプの動力費も増加する。

0025

そこで、冷却水供給管の内部の断面積の総和に対する開口部の総面積の比率に下限を設けた。その結果、開口部の冷却水供給管に対する面積比の下限としては、この面積比を0.8以上とすれば、冷却水の水量もある程度確保され、十分な冷却能を得られることがわかった。

発明を実施するための最良の形態

0026

図2は、この発明の冷却装置の実施の形態の1例を示す図である。ヘッダー管の内管2には、複数の冷却水供給管1が接続されている。冷却水供給管1は、内管2に冷却水を供給するとともに、内管2が垂れ下がらないよう支持するという機能もある。

0027

内管2の上部には複数の開口部5が設けられており、外管3に冷却水を供給する。なお図では、開口部5が円形の孔であるが、これは円形に限られるものではなく、スリット状でもよい。ヘッダー管の外管3にはスリットノズル4が接続されており、冷却水は開口部5から供給されると、外管3の中で下向きに方向を変えてスリットノズル4に送り込まれ、金属板6に注水される。

0028

この図では、冷却水供給管1が3本設置されているが、このように幅方向の中間から分散して冷却水を供給することにより、ヘッダー管の内管2における冷却水が交互(図中、矢印)に流れるようになる。その結果、内管2の中の流速は、冷却水を内管2の端部から供給する場合に比べて小さくすることができ、幅方向の冷却水の均一性が向上する。

0029

冷却水供給管1の本数が少ないと(例えば、1本)、供給管1に近い開口部5に冷却水が集中し、幅方向の冷却水の均一性が低下する。冷却水供給管1の本数としては、少なくとも2本、好ましくは3本以上とする。

0030

図3に、厚鋼板を搬送しながらオンラインで冷却するための冷却装置を模式的に示す。ここでは、鋼板6の通過する部分(パスライン)の上下に、冷却中の鋼板の変形を防ぐためのロール7、7が設けられている。鋼板の上面側には、ヘッダ管(ヘッダ外管3)に接続されたスリットノズル4が設置されており、下面側には、冷却水を噴射するための円管状の下面ノズル8が設置されている。

0031

スリットノズル4の幅は5m、スリットのギャップは10mmである。冷却水供給管1の内径Dは150mm、本数Nは4本で幅方向に等間隔に設置されている。ヘッダー管の内径は、内管2が200mm、外管3が250mmである。一方、内管2の開口部5としては円形の孔を設け、その直径dを5mmとした。

0032

この場合、冷却水供給管1の総断面積Sは、
S=πD2/4×N
であり、計算すると、0.071m2となる。開口部5(円孔)の総断面積sは、個数をnとすると、
s=πd2/4×n
であり、計算すると、n×1.96×10-5m2となる。

0033

この開口部5と冷却水供給管1の総断面積の比s/Sを、0.8以上1.2以下とするには、
0.8≦s/S≦1.2
であり、これより開口部5の個数nは、
2897≦n≦4346
となる。そこでn=3500とし、内管2に5mにわたって3500個の円孔を開口部5として設けた。

0034

この冷却装置について、スリットノズルからの吐出流の流速分布を測定した。流速分布は冷却水量によらずほぼ均一であり、吐出流の流速の最小値と最大値の比(吐出流速比)は0.95以上であり、流速の差が5%以内に抑えられている。

0035

次に、この冷却装置を用いて圧延直後の厚鋼板の冷却を行った。厚鋼板の寸法は、幅4300mm、長さ18m、板厚32mmであり、初期温度(冷却装置入側温度)920℃、通板速度30mpmで冷却を施した。例却水量は0.05m3/m・s(単位幅当りの水量)である。冷却装置を出てから30秒後の温度分布を計測したところ、500℃±10℃であった。

0036

この鋼板はそのまま冷却床常温まで冷却されたが、反り等の変形は全く発生しなかった。また、板幅方向の硬度を測定したが、均一な硬度を示しており、不均一な冷却から発生する硬度のムラ、いわゆるヤキムラ等の材質不良も防止されている。さらに、幅400mmの条材に切断したがキャンバ等の変形は発生しなかった。

0037

以上の結果をまとめて比較例とともに表1に示す。

0038

0039

比較例1は、供給管の数が1本であり、ヘッダ管の端部で内管と接続されている。内管の開口部の面積比は、表1に示すように0.966でありこの点については発明範囲内となっている。その他の設備仕様は実施例に同じである。また、比較例2は、内管の開口部の総面積が冷却水供給管の総断面積に比べて小さく、開口部の面積比は発明範囲の下限値(面積比0.8)より小さい。なお、冷却水供給管の数その他の設備仕様は実施例に同じである。

0040

比較例3は、ヘッダ管の内管の開口部の総面積が冷却水供給管の総断面積に比べて大きく、発明範囲の上限値(面積比で1.2)より大きい。なお、冷却水供給管の数その他の設備仕様は実施例に同じである。比較例4は、ヘッダ管の内管の開口部の位置がこれまでと異なり、内管の下部に設けられている。その他の設備仕様は実施例に同じである。

0041

これら比較例の冷却装置について、実施例と同様、スリットノズルからの吐出流の流速分布を測定した。まず、冷却水供給管の数が1本の比較例1の場合は、スリットノズルからの吐出流速は、冷却水の供給側では低く末端側で高くなっていた。その結果、吐出流速比(吐出流の流速の最小値と最大値の比)が0.6となり、実施例に比べて流速がかなり不均一となった。

0042

内管の開口部の総面積が発明範囲の下限値(面積比0.8)より小さい比較例2では、実施例と同じポンプでは冷却水量(吐出水量)を得ることが不可能であった。開口部の面積比が発明の上限を超えている比較例3では、冷却水供給管の接続部とそれらの中間の部分とで、スリットノズルからの吐出流が大きく異なった。また、内管の下部に開口部を設けた比較例4でも、冷却水供給管の接続部とそれらの中間の部分で、スリットノズルからの吐出流が大きく異なった。

0043

また、圧延直後の厚鋼板の冷却を、実施例と同一の冷却水量、厚鋼板の寸法、初期温度、通板速度等の冷却条件で行った。ただし、目標の冷却水量が得られなかった比較例2は除いた。これら各比較例の装置を用いた場合、冷却装置を出てから30秒後の温度分布は、いずれも温度ムラが大きく発生し、温度差は±100℃もあった。冷却後の硬度はいずれも不均一であり、特に比較例1の場合は幅方向に大きく異なる硬度分布を示した。比較例3と4により冷却された鋼板については、幅400mmの条材に切断したところ、キャンバが発生した。

発明の効果

0044

この発明では、内管の開口部の総面積と送水管の総断面積の関係を規定することにより、外管に供給される水量が板幅方向について均一となる。従って、スリットノズルからの吐出水量も板幅方向について均一となり、高温金属板の幅方向の均一冷却が可能となる。

図面の簡単な説明

0045

図1冷却水の分布と金属板の温度分布の関係を示す図である。
図2発明の冷却装置の実施の形態の1例を示す図である。
図3厚鋼板を搬送しながらオンラインで冷却するための冷却装置を模式的に示す図である。

--

0046

1冷却水供給管
2内管
3外管
4スリットノズル
5 開口部
6金属板
7ロール
8 下面ノズル

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