JP6394913B2 - 金属帯の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属帯の冷却方法に関し、具体的には、金属帯をフロータで浮上し、搬送しながら連続的に熱処理を施した後、冷却する連続焼鈍設備における金属帯の冷却方法に関するものである。

熱延鋼帯や冷延鋼帯のような帯状の金属（以降、単に「金属帯」という）を連続的に搬送する方法としては、ロールなどの支持体と接触させて搬送する方法がよく用いられている。しかし、上記のロール搬送方法は、ロールとの接触による金属帯への擦り傷の発生や、ロール表面への複合酸化物堆積（ピックアップ）による押し傷発生、金属帯表面に被成した皮膜の剥離などが問題となることがある。

そこで、金属帯を気体の圧力によって浮上させ、支持体と非接触の状態にして搬送するフロータ装置が開発されている。特に、近年では、金属製品の品質、特に外観品質に対する要求が厳格化して来ているのに伴い、ロール等で支持して搬送する接触式の搬送方式ではなく、フロータ装置等で金属帯を浮上させて搬送する非接触式の搬送方式に対する期待が高まりつつある。

しかし、金属帯をフロータ装置で浮上させて搬送する方法は、金属帯と支持体と間に摩擦力が働かないため、金属帯が幅方向に横滑り（蛇行）し易いという問題や、フロータから噴射された気体流によって金属帯がバタついたりする等の問題があり、金属帯を安定して搬送するには、解決すべき課題がまだ多く残されている。

また、連続焼鈍炉等における金属帯の冷却手段の一つに、冷却媒体として気体を用いる技術があり、例えば、金属帯に冷却ガスを吹き付け、対流熱伝達によって冷却するガスジェット冷却や、霧状にした水を金属帯に吹き付け、水の顕熱、潜熱によって冷却するミスト冷却等の冷却方法が知られている。

この点、フロータ装置は、金属帯を浮上させるため、高い熱伝達係数を有するガスの噴流を用いているため、上記ガスに高温ガスや冷却ガスを用いることで、金属帯の浮上・搬送しながら加熱や冷却も効率よく行うことができる。しかし、前述したように、ロール搬送のときのような金属帯への拘束力が働かないため、冷却時の熱収縮によって、金属帯が座屈変形し易いという問題がある。

金属帯搬送時の座屈変形を防止する技術として、例えば、特許文献１には、連続焼鈍炉で加熱後の鋼帯を浮上湾曲させて搬送する際、加熱した気体を鋼帯の湾曲部内側へ吹き付けることによって鋼帯の座屈変形の発生を防止する技術を開示されている。また、特許文献２には、鋼板を急速加熱する際、鋼板中央部を先行して加熱し、鋼板幅方向に１つのしわを発生させることによって、鋼板の絞りを防止する技術が開示されている。しかし、これらの技術は、金属帯を加熱するときの座屈変形を防止する技術であり、冷却には適用できない。

また、特許文献３には、横型（水平型）熱処理炉を用いて金属帯を熱処理する際に発生する金属帯の板絞り（しわ状欠陥）を、金属帯進行方向の局所的な板温変動量を熱変形が発生する限界の板温変動量未満に制御することによって防止する技術が開示されている。しかし、この技術は、冷却にも適用できるものの、板温変動を抑制するために冷却速度が制限されるという問題がある。

また、特許文献４には、水焼入れ処理によって高強度冷延鋼板を製造する際、冷却水を噴射するスプレーノズルを板幅端部側に配置あるいは多く配置し、鋼板の板幅方向端部から板幅方向中央部に向かって鋼板温度が高くなるような温度分布を形成させてから冷却水に浸漬することによって、鋼板が板幅方向に複数の筋状（波状）に変形して絞り疵となるのを防止する技術が開示されている。

特開平０８−０９２６５９号公報 特開２０１３−０４７３７２号公報 特開２００２−０６９５３６号公報 特開２０１２−１７７１４５号公報

しかしながら、搬送設備や加熱・冷却設備としてフロータを用いる連続焼鈍設備においては、上記特許文献４の技術のように冷却用フロータの噴射口の形状を変更することは、鋼板の安定通板に支障をきたすため好ましくない。例えば、金属帯の両幅端部のみにガスを噴射しても、安定浮上できない。また、フロータの前で鋼板端部を冷却した場合、闇雲に冷却するのでは、金属帯のＣ反り（幅方向の反り）が大きくなって、金属帯の浮上が安定せず、却って蛇行が大きくなったり、フロータとの接触が多発したりするなど、通板性に大きな問題が生ずる。

本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フロータから気体を噴射して金属帯を浮上し、搬送しながら連続的に金属帯に熱処理を施した後、冷却する際、金属帯を安定して搬送するだけでなく、冷却時における絞り等の形状不良をも効果的に防止することができる金属帯の冷却方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、フロータで金属帯を浮上して搬送しながら冷却する本冷却の前に、金属帯の両幅端部を冷却する先行冷却を行うことによって、金属帯の絞りを効果的に防止し得ることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、金属帯をフロータで浮上し、搬送しながら連続的に熱処理を施した後、冷却する連続焼鈍設備における金属帯の冷却方法において、金属帯の幅をＷ［ｍｍ］、金属帯の幅中央部の最高温度と両幅端部の最低温度との差をΔＴ［℃］としたとき、Ｗに対するΔＴの比（ΔＴ／Ｗ）が０．０１〜０．１６の範囲となるよう、フロータで冷却する前に金属帯の両幅端部を先行冷却することを特徴とする金属帯の冷却方法。ここで、上記両幅端部の最低温度とは、両幅端部の最低温度の平均温度のことをいう。

本発明の上記金属帯の冷却方法は、上記（ΔＴ／Ｗ）が０．０３〜０．１５の範囲となるよう金属帯の両幅端部を先行冷却することを特徴とする。

また、本発明の上記金属帯の冷却方法は、上記金属帯両幅端部の先行冷却を、ノズルから冷却ガスを噴射するガスジェット方式で行うことを特徴とする。

また、本発明の上記金属帯の冷却方法は、上記冷却ガスに、焼鈍炉内の雰囲気ガスを冷却したガスを用いることを特徴とする。

本発明によれば、金属帯をフロータで浮上し、搬送しながら連続的に熱処理を施す連続焼鈍設備において、フロータで金属帯を冷却する際、金属帯の両幅端部を先行して先行冷却することで、金属帯を安定して搬送するだけでなく、急速冷却に伴う金属帯幅方向中央部の凸状座屈変形を抑止することができるので、金属帯製品の生産性向上や品質向上に大いに寄与する。

フロータを有する連続焼鈍設備を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 フロータで蛇行修正力が発生するメカニズムを説明する図である。 金属帯の幅中央部に発生する凸状の座屈変形を説明する図である。 金属帯にＣ反りが発生したときの蛇行修正力が生じない理由を説明する図である。 本発明に用いるフロータを有する連続焼鈍設備を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明について説明する。
図１は、金属帯１の下方に設置したフロータ２（２ａ，２ｂ）から金属帯１の下面に向けて気体を噴射することによって金属帯１を浮上して搬送ながら連続的に金属帯に熱処理を施す連続焼鈍設備における均熱帯および冷却帯部分を抜き出して示したものである。なお、図中の３は、連続焼鈍設備の均熱帯と冷却帯を区分する炉壁である。

フロータ２の内部には、図示されていないブロアなどから気体が供給され、周囲の圧力よりも高圧に保持されている。フロータ２の上面には、金属帯進行方向に対して垂直方向に２つのノズル４が、気体の噴射方向を互いに対向して設けられている。上記２つのノズル４から金属帯１の下面に向けて気体が噴射されることによって、金属帯１とフロータ２の上面との間に静圧が生じて、金属帯１は浮上したまま搬送される。また、フロータ２の上面の両幅端部には、金属帯の進行方法に並行し、金属帯の浮上高さとほぼ同じ高さを有するサイドプレート５が設けられている。

上記フロータ２によって、金属帯１を蛇行することなく安定して搬送することができる原理について、図２を用いて説明する。この図２は、フロータ２の金属帯進行方向断面図中に、フロータ上面に浮上した金属帯１が片側（図２では、左側）に蛇行した状態を示したものである。金属帯１が蛇行すると、蛇行した側のサイドプレート５と金属帯１との間が狭くなるため、この部分の金属帯下面に発生する静圧は高くなる。その結果、金属帯１の浮上量（浮上高さ）は蛇行した側で高くなり、金属帯１は傾いた状態となる。金属帯下面に働く静圧は、金属帯下面に垂直な方向に作用する。そこで、上記力を、鉛直方向と水平方向の力に分けると、鉛直方向の力は金属帯１の自重を支える浮上力として働き、水平方向の力は蛇行方向とは反対方向の力、即ち、金属帯１の蛇行を矯正する修正力として働くことがわかる。そのため、上記フロータ２では、金属帯１が蛇行しても修正力が自動的に働くため、金属帯１は蛇行し続けることなく安定して搬送することができる。

また、上記フロータ２は、フロータ上面に設けたノズルから噴射する気体によって金属帯を浮上させて搬送するだけでなく、上記噴射する気体を高温ガスや冷却ガスとすることによって、金属帯を加熱したり、冷却したりすることも可能である。例えば、図１中に示したフロータ２ａは、浮上機能と加熱機能を兼備した、また、フロータ２ｂは、金属帯の浮上機能と冷却機能を兼備したものである。

ところで、上記冷却機能を有するフロータ２ｂでは、フロータの上面のノズルから噴射される低温の冷却ガスによって金属帯は急激に冷却される。その際、金属帯に、「絞り」もしくは「ヒートバックル」と呼ばれる座屈変形が生じることがある。これは、金属帯の急激な温度低下による幅収縮よって、温度が高い側、即ち、冷却帯上流側の金属帯の幅中央部に圧縮応力が作用するためである。ロール搬送のように、金属帯と搬送ロールとが接触するときは、金属帯の自重と張力とによるロールとの接触面圧に摩擦係数を乗じた摩擦力が拘束力となって、上記座屈変形はある程度抑制される。しかし、フロータ搬送においては、上記拘束力が生じないため、容易に座屈変形して、図３に示したように断面が凸状の座屈変形を引き起こす。

そこで、発明者らは、この凸状の座屈変形を抑制する方法について、金属帯の冷却条件に着目して検討を重ねた。その結果、金属帯をフロータで本冷却する前に、金属帯の幅両端部を先行して冷却し、金属帯の幅中央部より両幅端部側を低温にすることで、フロータでの冷却時における幅中央部の凸状座屈変形を抑制し、外観品質が良好な金属帯を製造することができることを見出した。この理由は、板幅端部は自由端であるため、冷却により収縮しても、鋼板の変形には殆ど影響しないためであると考えられる。

しかし、金属帯の幅中央部と両幅端部側との間に過剰な温度差を付与すると、図４に示したように、金属帯の幅方向に大きなＣ反りが発生し、却って、フロータで金属帯を安定した搬送することが難しくなることもわかった。これは、図４のように、金属帯に大きな上向きのＣ反りが発生すると、金属帯の下面とフロータ上面との間に発生する静圧が不安定となるため、金属帯の浮上量も不安定となって、金属帯がフロータと接触して擦り傷が発生する。また、金属帯に大きな上向きのＣ反りが発生すると、蛇行発生時に蛇行した側のサイドプレートと金属帯との間が狭くならないため、金属帯を傾斜して蛇行を矯正する能力が低下するからである。

上記のように、フロータでの急速冷却時に発生する金属帯の幅中央部の座屈変形を防止するためには、フロータで本冷却する前に、金属帯の両幅端部を先行して冷却し、金属帯の幅中央部と両幅端部との間に温度差を付与することが有効である一方、金属帯の平坦度を維持して、安定搬送を実現するためには、過度な温度差の付与は却って好ましくないことを知見した。

そこで、発明者らは、上記座屈変形の抑止と、安定搬送の両立を確保するための先行冷却条件について検討した。その結果、金属帯の幅方向中央部の温度と両幅端部の最低温度との温度差をΔＴ［℃］、金属帯の幅をＷ［ｍｍ］としたとき、Ｗに対するΔＴの比（ΔＴ／Ｗ）を０．０１〜０．１６の範囲に制御することで、凸状座屈変形の抑制と安定搬送とが可能になることを見出した。ここで、上記両幅端部の最低温度とは、両幅端部の最低温度の平均温度のことをいう。また、両幅端部の位置は、板幅端部から板幅の１／１０内側の位置とする。（ΔＴ／Ｗ）が０．０１未満では、凸状座屈変形を抑制する効果が小さく、一方、（ΔＴ／Ｗ）が０．１６を超えると、Ｃ反り（上反り）が大きくなり、フロータでの安定搬送が難しくなる。好ましい（ΔＴ／Ｗ）は０．０３〜０．１５の範囲である。

ここで、金属帯の凸状座屈変形が発生する臨界条件を決定する条件式（ΔＴ／Ｗ）には、パラメーターとして金属帯の板厚やヤング率が含まれていない理由は、以下のように考えている。高温側、即ち、冷却帯上流側の金属帯の幅中央部に凸状座屈変形を引き起こす圧縮応力は、金属帯の長手方向での温度低下による幅収縮に起因する熱応力である。これに対して、凸状座屈変形を抑制するために付与する金属帯幅方向の温度差ΔＴにより発生するのも熱応力である。両熱応力に影響する板厚やヤング率は同じであり、これらは次元的に捨象することができるので、温度差ΔＴと金属帯の幅Ｗにより上記の臨界条件を決定できる。

ここで、上記のようにフロータで金属帯を本冷却する前に、金属帯の両幅端部を先行冷却する方法としては、図５に示したように、フロータ２ｂの前段に、先行冷却設備を設けて金属帯の両幅端部を冷却するのが好ましい。なお、図５では、均熱帯側に先行冷却設備を設けた例を示したが、冷却帯側に設けてもよい。

上記フロータを用いた設備における金属帯の先行冷却手段としては、金属帯と非接触で行う必要があることから、冷却媒体をノズルから噴射して冷却する方式、例えば、ガスジェット冷却やミスト冷却が望ましい。しかし、ミスト冷却は、冷却媒体として水を使用するため、鋼板表面が酸化してしまう。そのため、鋼板表面の酸化が望ましくないときには、ガスジェット冷却を採用するのが好ましい。

なお、上記先行冷却は、板厚が厚い場合（例えば１ｍｍ以上）には、金属帯の上面のみまたは下面のみを冷却すると、表裏面の冷却速度に差が生じると、金属帯が形状不良を起こし、安定搬送することが難しくなるおそれがあるため、金属帯の上下面を均等に冷却するのが好ましい。

また、上記両幅端部を冷却する範囲は、金属帯の幅Ｗに対して、片側で（０．１〜０．４）×Ｗの範囲とするのが好ましい。板幅の０．１倍未満の場合、温度差ΔＴを設けても座屈変形防止効果が小さいからである。また、板幅の０．４倍を超えると、温度差がつき難くなるため、座屈変形防止効果が小さくなる。

また、上記冷却ガスは、金属帯表面の酸化を防止する観点から、非酸化性のガス、例えば、窒素や水素、アルゴン等を使用するのが好ましい。しかし、上記ガスは、高価であり、製造コストの上昇を招く。そこで、循環使用されている非酸化性の炉内雰囲気ガスを冷却し、冷却ガスとして使用するのが好ましい。なお、上記冷却ガスの温度は、雰囲気温度より低い温度とするのが望ましい。

図５に示したフロータで金属帯を浮上し、搬送しながら連続して熱処理を施す連続焼鈍設備において、表１に示した種々の板厚、板幅を有する冷延鋼帯を１００ｍ／ｓの速度で通板しながら熱処理を施した後、フロータ２ｂで急速冷却する際、フロータ２ｂの前段に設置した先行冷却装置で冷延鋼帯の両幅端部を先行冷却することによって、鋼帯の板幅方向に、表１に示した温度差ΔＴを付与し、フロータ２ｂで発生する幅中央部の座屈変形の高さ、蛇行の大きさおよび擦り傷発生の有無について評価した。
ここで、上記連続焼鈍設備におけるフロータは、長さが各１．５ｍ、フロータ２ａおよび２ｂ間の距離はフロータ中心間で９ｍであり、フロータ２ｂ内に供給する冷却ガスの圧力は、板厚、冷却速度、浮上量に応じて０．５〜１．０ｋＰａの範囲内で適宜調整した。また、フロータ２ｂを設置した冷却帯内の炉内温度は、冷却速度を変更するため５００〜８００℃の範囲内で適宜調整した。
また、均熱帯出側に設置した先行冷却装置は、鋼帯の上下に設置したスリットノズルから冷却ガスを鋼帯表面に噴射するガスジェット方式を採用した。先行冷却装置の長さは４ｍで、開口幅が１０ｍｍのスリットノズルを鋼帯の進行方向に４００ｍｍ間隔で１１本配設したものである。ノズルから噴射する冷却ガスは、均熱帯の炉内雰囲気ガスを冷却したものを用い、ノズルヘッダ圧は０ｋＰａ超え５ｋＰａ以下に、また、上下のスリットノズルと鋼帯との間の距離は約１００ｍｍとなるように設定した。また、先行冷却設備の幅方向設置位置は、鋼帯幅の変動や蛇行量に応じて可変とし、鋼帯の両幅端部から幅中央部側に２００ｍｍの範囲を、常時、先行冷却するようにした。

ここで、上記鋼帯幅方向の温度差ΔＴは、接触式の温度計を用いて、冷却帯入側直前における鋼帯幅中央部と、鋼帯両幅端部から板幅の１／１０内側の板温を測定し、両幅端部の最低温度の平均温度と中央部温度の差をΔＴとして求めた。
また、鋼帯幅中央部に発生した座屈変形の凸状部高さは、焼鈍設備出側でコイルをせん断してサンプルを採取し、定盤上でレーザー変位計にて測定した。
また、蛇行量の測定は、冷却帯の出側において、２次元レーザーセンサーを用いて鋼帯の端部を検出することにより測定し、最大蛇行量が５０ｍｍ以下を蛇行防止性良（〇）、５０ｍｍ超えを蛇行防止性不良（×）と評価した。なお、１条件当たりの通板時間は、蛇行発生頻度から考えて最大蛇行量が十分に測定可能な３０分以上とした。
また、擦り傷発生は、連続焼鈍設備の出側において、十分に明るい蛍光灯の下で鋼板表面を目視検査し、フロータと接触した痕跡から有無を判定した。

上記の実験の結果を表１に併記した。この結果から、本発明に適合する条件では、鋼帯幅中央部の座屈変形による凸状部の高さを１．７ｍｍ以下に抑えることができ、また、蛇行量は５０ｍｍを超えることがなく、しかも、擦り傷の発生もなく、鋼帯を安定して搬送可能であることがわかる。これに対して、本発明の範囲を外れる条件においては、鋼帯幅中央部の座屈変形による凸状部の高さが２．０ｍｍ以上であるか、あるいは、蛇行量が５０ｍｍを超え、かつ、浮上不安定による擦り傷が発生しており、安定した搬送ができていないことがわかる。

上記実施例では、金属帯として、厚さが０．３５、０．５０ｍｍの鋼帯を用いた例を示したが、本発明の技術は、上記鋼帯に限定されるものではなく、他の寸法のものであってもよく、また、ステンレスやアルミニウムなどの他の金属帯にも適用することができる。

１：金属帯（鋼帯）
２：フロータ
３：スリットノズル
４：均熱帯−冷却帯間の炉壁
５：サイドプレート
６：先行冷却装置

Claims (4)

1. 金属帯をフロータで浮上し、搬送しながら連続的に熱処理を施した後、冷却する連続焼鈍設備における金属帯の冷却方法において、
   金属帯の幅をＷ［ｍｍ］、冷却帯入側直前の金属帯の幅中央部の温度と、同時点の両幅端部の温度の平均値との差をΔＴ［℃］としたとき、Ｗに対するΔＴの比（ΔＴ／Ｗ）が０．０１〜０．１６の範囲となるよう、フロータで冷却する前に金属帯の両幅端部を先行冷却することを特徴とする金属帯の冷却方法。
2. 上記（ΔＴ／Ｗ）が０．０３〜０．１５の範囲となるよう金属帯の両幅端部を先行冷却することを特徴とする請求項１に記載の金属帯の冷却方法。
3. 上記金属帯両幅端部の先行冷却を、ノズルから冷却ガスを噴射するガスジェット方式で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の金属帯の冷却方法。
4. 上記冷却ガスに、焼鈍炉内の雰囲気ガスを冷却したガスを用いることを特徴とする請求項３に記載の金属帯の冷却方法。
   

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