鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材
【課題】冷却長及び復熱長を比較的自由に設定でき、鋼棒線材を均一に冷却して高品質な鋼棒線材を製出することが可能な鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びこの冷却装置に適したノズル部材を提供する。
【解決手段】鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用流体を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部４６と、が設けられたノズルユニット３０を、鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に複数配列し、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする。
【解決手段】鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用流体を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部４６と、が設けられたノズルユニット３０を、鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に複数配列し、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、普通鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼材を熱間圧延して、棒材及び線材（鋼棒線材）を成形する熱間圧延工程において用いられる鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼片を熱間圧延して棒材及び線材（鋼棒線材）を成形する熱間圧延設備においては、複数の圧延機が直列に配置されており、供給される鋼片に対して連続的に熱間圧延を行う構成とされている。そして、特許文献１に示すように、複数の圧延機の間や最終の仕上圧延機の後段には、通過する鋼棒線材を冷却する冷却装置が設けられている。
ここで、熱間圧延工程における鋼棒線材の温度は、製出される鋼棒線材の特性や品質に大きな影響を与えることになるため、前述の冷却装置における冷却状態を精度良く制御する必要があった。
【０００３】
そこで、例えば特許文献２には、冷却水を噴出する冷却用ノズルを直列に複数配列し、その冷却用ノズルの一つ一つに三方弁を接続した冷却装置が開示されている。この冷却装置においては、三方弁の切替によって使用する冷却用ノズルの個数を選択することができ、冷却長を調整することが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６０３１６号公報
【特許文献２】特開平０６−１２２０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱間圧延工程において鋼棒線材を冷却する場合、鋼材の熱伝導率が比較的低いことから、鋼線棒材に対して冷却水を噴出した場合、表層部の温度が低下しても中心部は比較的温度が高いまま冷却が推移する。この結果、中心部の鋼材組織は、温度が高いために再結晶により成長する一方、表層部では、温度が低いために再結晶が起きず組織成長が抑制されることになり、中心部と表層部とで異なる組織となってしまう可能性がある。そして、同一成分であれば、一般に組織が粗いと変形抵抗が小さく、組織が細かいと変形抵抗が大きくなるため、次の熱間圧延工程での不均一変形につながる。さらに、組織の不均一性が製品にも残り、需要家での加工工程における不均一変形の原因となることがある。
ここで、特許文献１に記載された冷却装置では、水量制御は可能であるものの冷却長を調整する機能が設けられていないことから、冷却装置の終端まで冷却されることになり、冷却装置の出側において鋼棒線材の表層部と中心部とで冷却履歴の差から組織に差が生じ、その後の圧延装置で変形が不均一となってしまう。
【０００６】
また、特許文献２に記載された冷却装置においては、三方弁の切替によって冷却長を調整可能であるため、冷却長とその後の復熱長とを調整することは可能である。しかしながら、冷却後の鋼棒線材の表面には、冷却水が不均一に付着したままであることから、復熱の際に温度が不均一となってしまう。このため、やはり、その後の圧延装置で変形が不均一となってしまう。
【０００７】
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、冷却長及び復熱長を比較的自由に設定でき、鋼棒線材を均一に冷却して高品質な鋼棒線材を製出することが可能な鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びこの冷却装置に適したノズル部材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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る鋼棒線材の冷却方法は、鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列し、それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることで、前記鋼棒線材の冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る鋼棒線材の冷却装置は、鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却装置であって、通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを有し、 複数の前記ノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に配列されており、 一のノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部に対して冷却用流体を供給する冷却用流体供給部と、前記剥離用ノズル部に対して剥離用流体を供給する剥離用流体供給部と、がそれぞれ独立して設けられており、それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用可能とされていることを特徴とする。
【００１０】
この構成の鋼棒線材の冷却方法及び鋼棒線材の冷却装置によれば、通過する鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、を備えたノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列されており、このノズルユニットにおいて前記冷却用ノズル部又は前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用としていることから、冷却を行うノズルユニットの数、位置、及び、剥離を行うノズルユニットの数、位置、並びに、冷却や剥離を実施せずに鋼棒線材を復熱させるノズルユニットの数、位置、を選択でき、冷却長及び復熱長を任意に設定することができる。
【００１１】
また、冷却用ノズル部を使用したノズルユニットの後段のノズルユニットにおいて、剥離用ノズル部を使用することで、鋼棒線材の表面に付着している冷却用流体を除去することができ、その後の復熱過程で鋼棒線材の温度が均一化されることになる。
よって、冷却後の鋼棒線材の中心部と表層部との温度差が小さくなり、高品質な鋼棒線材を製出することが可能となる。
【００１２】
ここで、前述の鋼棒線材の冷却装置において、前記冷却用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記冷却用流体の流量を調整する流量調整部並びに前記冷却用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備え、前記剥離用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記剥離用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備えていることが好ましい。
この場合、冷却用ノズル部への冷却用流体の供給流量の調整、遮断、及び、剥離用ノズル部への剥離用流体の遮断を行うことができ、冷却及び剥離を確実に行うことができる。
【００１３】
また、前記ノズルユニットは、前記冷却用ノズル部と前記剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材とされていることが好ましい。
この場合、ノズルユニットの長さが短くなるため、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。また、冷却、剥離、復熱という３つの状態を与える冷却装置の最小構成に要する長さも短くすることができ、熱間圧延設備内の設置場所の自由度を増すことができる。さらに、鋼棒線材の進行方向が湾曲している場合でも、前述のノズルユニットを配設することができ、冷却装置を比較的自由に設置することができる。
【００１４】
本発明に係るノズル部材は、前述の鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズル部材であって、前記鋼棒線材が通過する通路孔を備えたノズル本体を有し、このノズル本体には、前記通路孔に向けて冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記通路孔に向けて剥離用流体を噴出する剥離用ノズル部と、が備えられていることを特徴としている。
【００１５】
この構成のノズル部材によれば、通路孔を通過する鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出すること、あるいは、剥離用流体を噴出することで鋼棒線材に付着した冷却用流体を除去することが可能となる。よって、前述の鋼棒線材の冷却方法を実施するのに特に適している。また、冷却用ノズル部と剥離用ノズル部とが、ノズル本体に一体に形成されているので、ノズルユニットの長さが短くなり、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、冷却長及び復熱長を比較的自由に設定でき、鋼棒線材を均一に冷却して高品質な鋼棒線材を製出することが可能な鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びこの冷却装置に適したノズル部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却装置を備えた熱間圧延設備の概略説明図である。
【図２】本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却装置の概略説明図である。
【図３】図２に示す鋼棒線材の冷却装置に備えられたノズルユニット（ノズル部材）の断面説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態である鋼棒線材の冷却装置の概略説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態である鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズルユニットの概略説明図である。
【図６】比較例の温度履歴を示す図である。
【図７】本発明例の温度履歴を示す図である。
【図８】比較例における鋼棒線材の断面組織及び硬度分布を示す図である。
【図９】本発明例における鋼棒線材の断面組織及び硬度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材について、添付した図面を参照して説明する。
普通鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼材を熱間圧延し、例えば断面円形の鋼棒線材Ｓを製出する熱間圧延設備１は、図１に示すように、複数の圧延機３と、製出された鋼棒線材Ｓを巻き取る巻取機５と、これら複数の圧延機３及び巻取機５との間に配設された冷却装置１０と、を備えている。
本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法、鋼棒線材Ｓの冷却装置１０及びノズル部材は、このような熱間圧延設備１において使用されるものである。
【００１９】
本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却装置１０は、図２に示すように、複数のノズルユニット３０が鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に配列された構成とされている。本実施形態では、１２個のノズルユニット３０が直列に配列されている。
このノズルユニット３０は、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却用流体（冷却水）を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用流体（剥離用高圧水）を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した冷却水を剥離する剥離用ノズル部４６と、が交互に配列された構造とされている。
【００２０】
この鋼棒線材Ｓの冷却装置１０では、図２に示すように、ノズルユニット３０の冷却用ノズル部４１に対して冷却水を供給する冷却水配管部１１と、剥離用ノズル部４６に対して剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１と、が配設されている。
冷却水配管部１１は、主管部１２と、この主管部１２から分岐して各ノズルユニット３０に接続される支管部１４とを有し、主管部１２には圧力調整弁１３が配設されており、支管部１４には、流量計１５、流量調整弁１６、遮断弁１７、三方弁１８が配設されている。
同様に、剥離用高圧水配管部２１は、主管部２２と、この主管部２２から分岐して各ノズルユニット３０に接続される支管部２４とを有し、主管部２２には圧力調整弁２３が配設されており、支管部２４には、遮断弁２７、三方弁２８、が配設されている。
【００２１】
すなわち、本実施形態では、各ノズルユニット３０の冷却用ノズル部４１に冷却水を供給する冷却水配管部１１と、剥離用ノズル部４６に剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１とが接続されており、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることが可能な構成とされているのである。
【００２２】
ここで、本実施形態では、ノズルユニット３０は、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが一体に成形されたノズル部材とされている。
次に、図３を参照して、本実施形態であるノズルユニット（ノズル部材）３０について説明する。
このノズルユニット３０は、鋼棒線材Ｓが通過する通路孔３２を備えたノズル本体３１と、このノズル本体３１の外周側に配設された支持ブロック体３５と、を有している。ノズル本体３１には、径方向外方に向けて突出する一対のフランジ部３３，３４が形成されており、この一対のフランジ部３３，３４の間に支持ブロック体３５が配置されている。そして、フランジ部３３，３４を挿通する接合ボルト３７が支持ブロック体３５に螺着されることによって、支持ブロック体３５とノズル本体３１とが固定されている。また、支持ブロック体３５の外周側からも接合ボルト３８が挿通されており、この接合ボルト３８がノズル本体３１に螺着されることによって、ノズル本体３１の外周面と支持ブロック体３５の内周面とが密着させられる構成とされている。
【００２３】
そして、ノズル本体３１には、通路孔３２に向けて冷却水を噴出する冷却用ノズル部４１と、通路孔３２に向けて剥離用高圧水を噴出する剥離用ノズル部４６と、が備えられている。
冷却用ノズル部４１は、外周側から通路孔３２へと向かうにしたがい漸次鋼棒線材Ｓの進行方向に向かうように傾斜して形成されており、鋼棒線材Ｓの進行方向に向けて冷却水を噴出する構成とされている。
なお、冷却用ノズル部４１のスリット間隔は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、冷却水の圧力は、例えば０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に設定される。
【００２４】
剥離用ノズル部４６は、外周側から通路孔３２へと向かうにしたがい漸次鋼棒線材Ｓの進行方向とは反対側に向かうように傾斜して形成されており、鋼棒線材Ｓの進行方向とは反対側に向けて剥離用高圧水を噴出する構成とされている。
なお、剥離用ノズル部４６のスリット間隔は、冷却用ノズル部４１のスリット間隔よりも小さく設定されており、具体的には０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、剥離用高圧水の圧力は、例えば０．５ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下に設定される。
【００２５】
そして、冷却用ノズル部４１が鋼棒線材Ｓの入口側（図３において右側）に配設され、剥離用ノズル部４６が鋼棒線材Ｓの出口側（図３において左側）に配設されており、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが互いに対向するように配置されている。
【００２６】
また、冷却用ノズル部４１は、ノズル本体３１の外周面に形成された凹溝と支持ブロック体３５の内周面に形成された凹溝とによって画成された環状孔部４２に接続されている。この環状孔部４２には、支持ブロック体３５の外周面に開口するとともに外部から冷却水を導入する冷却水供給路４３が連通されている。
さらに、剥離用ノズル部４６は、ノズル本体３１の外周面に形成された凹溝と支持ブロック体３５の内周面に形成された凹溝とによって画成された環状孔部４７に接続されている。この環状孔部４７には、支持ブロック体３５の外周面に開口するとともに外部から剥離用高圧水を導入する剥離用高圧水供給路４８が連通されている。
【００２７】
そして、ノズルユニット３０の冷却水供給路４３に、前述の冷却水配管部１１の支管部１４が接続され、ノズルユニット３０の剥離用高圧水供給路４８に、前述の剥離用高圧水配管部２１の支管部２４が接続されているのである。
【００２８】
このような構成とされた鋼棒線材Ｓの冷却装置１０を用いた本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法では、鋼棒線材Ｓの進行方向に直列に配設された複数のノズルユニット３０において、それぞれ冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長を設定する。
【００２９】
冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６の使用、不使用の選択は、それぞれの遮断弁１７、２７を用いて行う。すなわち、使用時は遮断弁１７、２７を開け、不使用時は遮断弁１７、２７を閉める。遮断弁１７、２７は、開閉速度は三方弁１８、２８より遅いが確実に冷却水若しくは剥離用高圧水を遮断でき、漏洩の可能性が極めて小さいため、使用、不使用の選択に用いられる。
【００３０】
一方、鋼棒線材Ｓの先端が冷却装置１０を通過するとき、通路孔３２に流体（水）が充満していると抵抗となって鋼棒線材Ｓが腰折れしトラブルとなるため、鋼棒線材Ｓの先端が通路孔３２を通過してから冷却水及び剥離用高圧水を噴出する必要がある。しかし、鋼棒線材Ｓの先端が非冷却となって製品としては使えず切り捨てることになる。鋼棒線材Ｓの先端が各ノズルを通過後に速やかに噴出して非冷却部分の長さを極力短くする必要がある。このために各ノズルには遮断弁１７、２７より開閉速度の速い三方弁１８、２８を設け、速やかに噴出できるように構成されているのである。ただし、三方弁１８、２８は流体（水）の閉止性が遮断弁１７、２７より劣るため、長時間の不使用を選択する際に歯、遮断弁１７、２７を使用する。
【００３１】
例えば、図２に示す鋼棒線材Ｓの冷却装置１０において、鋼棒線材Ｓの入側（図２において右側）から１、２番目の２つのノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、３番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、４，５，６番目の３つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。さらに、７、８番目の２つのノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、９番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、１０，１１，１２番目の３つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。
【００３２】
すると、１、２番目の２つのノズルユニット３０で冷却が行われた後、３番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水が剥離され、４，５，６番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。復熱後、７、８番目の２つのノズルユニット３０で再度冷却が行われ、９番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、再度１０，１１，１２番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。
【００３３】
あるいは、鋼棒線材Ｓの入側から１番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、２番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、３，４番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。また、５番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、６番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、７，８番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。さらに、９番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、１０番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、１１，１２番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。
【００３４】
すると、１番目のノズルユニット３０で冷却が行われた後、２番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水が剥離され、３，４番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。復熱後、５番目のノズルユニット３０で再度冷却が行われ、６番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、再度７，８番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。さらに、９番目のノズルユニット３０で冷却が行われ、１０番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、１１，１２番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。
【００３５】
このように、直列に配列された複数のノズルユニット３０において、それぞれ冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長が自由に設定されるのである。
【００３６】
前述のような構成とされた本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法、鋼棒線材Ｓの冷却装置１０によれば、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却水を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用高圧水を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した冷却水を剥離する剥離用ノズル部４６と、を備えたノズルユニット３０が、鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に複数配列されており、このノズルユニット３０において冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用としていることから、冷却を行うノズルユニット３０の数、位置、及び、剥離を行うノズルユニット３０の数、位置、並びに、冷却や剥離を実施せずに鋼棒線材Ｓを復熱させるノズルユニット３０の数、位置、を選択でき、冷却長及び復熱長を任意に設定することができる。
【００３７】
また、冷却用ノズル部４１を使用したノズルユニット３０の後段のノズルユニット３０において剥離用ノズル部４６を使用することで、鋼棒線材Ｓの表面に付着している冷却水を除去することができ、その後の復熱過程において、鋼棒線材Ｓの温度が均一化されることになる。よって、冷却後の鋼棒線材Ｓの中心部と表層部との温度差が小さくなり、高品質な鋼棒線材Ｓを製出することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１に冷却水を供給する冷却水配管部１１の支管部１４に、冷却水の水量を調整する流量調整弁１６、遮断弁１７、三方弁１８が配設されているので、通過する鋼棒線材Ｓの冷却条件を調整することが可能となる。
一方、それぞれのノズルユニット３０において、剥離用ノズル部４６に剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１の支管部２４に、剥離用高圧水の噴出、遮断を選択する遮断弁２７、三方弁２８が配設されているので、通過する鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を確実に剥離・除去することが可能となる。
【００３９】
さらに、本実施形態では、ノズルユニット３０が、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが一体に成形されたノズル部材とされているので、ノズルユニット３０の長さが短くなり、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。また、冷却、剥離、復熱という３つの状態を与える冷却装置１０の最小構成に要する長さも短くすることができ、熱間圧延設備内の設置場所の自由度を増すことができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態である鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材についてについて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、直線状にノズルユニット（ノズル部材）を配列した構成として説明したが、これに限定されることはなく、図４に示すように、鋼棒線材Ｓが湾曲された部分にノズルユニット１３０（ノズル部材）を配列してもよい。特に、図３に示すノズル部材においては、ノズル長が短いことから、湾曲した部分に配列することが可能となる。また、ノズルユニット１３０（ノズル部材）をガイドとしても使用でき、熱間圧延設備のレイアウトの自由度が高くなる。
【００４１】
また、冷却用ノズル部と剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように、独立した冷却用ノズル２４０と剥離用ノズル２４５とを組み合わせて、ノズルユニット２３０を構成してもよい。
この場合、冷却用ノズル２４０として、冷却ノズル部２４１のスリット間隔が例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されたものを用いることが好ましい。また、剥離用ノズル２４５として、剥離用ノズル部２４６のスリット間隔が、冷却用ノズル部４１のスリット間隔よりも小さく、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されたものを用いることが好ましい。
【００４２】
さらに、冷却装置の内部に少なくとも一つの温度計を設置し、この温度計の測定値から冷却用流体の流量制御や、冷却長及び復熱長の設定を行うように構成してもよい。
また、剥離用ノズル部から、高圧水を噴出する構成として説明したが、これに限定されることはなく、高圧空気等を噴出して冷却用流体を剥離する構成としてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
熱間圧延設備の仕上圧延機と巻取機との間に、比較例となる冷却装置と、本発明例となる冷却装置を配設し、それぞれ冷却を行った。なお、仕上圧延機と巻取機との間に配設される冷却装置の全長を４０ｍとした。
ＪＩＳ Ｇ３５０６で規定されている硬鋼線材からなる鋼材を熱間圧延することで、断面円形をなし直径が５．５ｍｍの鋼線を製出し、この鋼線を冷却した。なお、仕上圧延機から巻取機までの間における鋼線の通過速度は９０ｍｍ／ｓｅｃとした。
また、仕上圧延機の出口温度を約１０００℃とし、巻取機の入側温度が約８００℃となるように冷却装置によって冷却を行った。
【００４４】
比較例では、図６に示すように、４台の水冷ボックスを配設した。水冷ボックスにおいては、水冷用ノズル４個と剥離用ノズル２個とを配設し、４個の水冷ノズルが１つの流量調整弁、遮断弁、三方弁で制御され、２個の剥離用ノズルが１つの遮断弁、三方弁で制御される構成とした。そして、次の水冷ボックスまでの間で復熱を行う構成とした。水冷用ノズルの圧力は０．２〜０．５ＭＰａとし、流量を全体で５〜１５ｍ３／ｍｉｎとした。また、剥離用ノズルの圧力は０．５〜１．５ＭＰａとした。
【００４５】
本発明例では、図７に示すように、前述の実施形態に記載したノズルユニットを３６個準備し、これらのノズルユニットを直列に配列した。それぞれのノズルユニットには、冷却水用の流量調整弁、遮断弁、三方弁、及び、剥離用高圧水用の遮断弁、三方弁が配設されており、各ノズルユニット毎に冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることが可能な構成とした。
水冷用ノズル部の圧力は０．２〜０．５ＭＰａとし、流量を全体で５〜１５ｍ３／ｍｉｎとした。また、剥離用ノズル部の圧力は０．５〜１．５ＭＰａとした。
【００４６】
ここで、図７に示すように、１，２番目のノズルユニットで冷却用ノズル部を使用し、３番目のノズルユニットで剥離用ノズル部を使用し、４，５番目のノズルユニットで冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を不使用とした。このパターンで３０番目のノズルユニットまで、冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を使用した。
そして、３１、３２番目のノズルユニットで冷却用ノズル部を使用し、３３、３４番目のノズルユニットで剥離用ノズル部を使用し、３５，３６番目のノズルユニットで冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を不使用とした。
【００４７】
比較例における温度履歴を図６に、実施例における温度履歴を図７に示す。
また、得られた鋼線の断面観察結果及びこの断面における硬度測定結果を図８（比較例）、図９（本発明例）に示す。なお、この図８、図９の硬度測定結果は、鋼線の中心部の硬さを基準（１）として、硬度の分布を表記している。
【００４８】
比較例では、鋼線の表面温度が、水冷ボックスを通過する際に大きく低下し、水冷ボックスから出た復熱領域では大きく上昇しており、鋼線の表層部は大きな変動を繰り返しながら冷却されていった。一方、鋼線の中心部は、熱伝導が不十分なことから、大きく変動することなく冷却された。
これにより、図８に示すように、径方向で結晶粒の大きさが変動しており、硬さも中心部に比べて表層部が２割程度硬くなっていた。すなわち、鋼線の径方向で特性が大きくばらついていたのである。
【００４９】
一方、本発明例では、冷却と復熱とが短い周期で繰り返し実施されることから、表面温度が大きく変動することが抑制されていた。これにより、図９に示すように、中心部と表層部とで結晶の大きさに差はなく、均一な組織を有していた。また、硬さも中心部と表層部とで大きな差は認められなかった。
以上のことから、本発明例によれば、高品質な鋼棒線材を製出することが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 鋼棒線材の冷却装置
１１ 冷却水配管部（冷却用流体供給部）
１６ 流量調整弁（流量調整部）
１７ 遮断弁（流体遮断部）
１８ 三方弁（流体遮断部）
２１ 剥離用高圧水配管部（剥離用流体供給部）
２７ 遮断弁（流体遮断部）
２８ 三方弁（流体遮断部）
３０ ノズルユニット（ノズル部材）
３１ ノズル本体
４１ 冷却用ノズル部
４６ 剥離用ノズル部
Ｓ 鋼棒線材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、普通鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼材を熱間圧延して、棒材及び線材（鋼棒線材）を成形する熱間圧延工程において用いられる鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼片を熱間圧延して棒材及び線材（鋼棒線材）を成形する熱間圧延設備においては、複数の圧延機が直列に配置されており、供給される鋼片に対して連続的に熱間圧延を行う構成とされている。そして、特許文献１に示すように、複数の圧延機の間や最終の仕上圧延機の後段には、通過する鋼棒線材を冷却する冷却装置が設けられている。
ここで、熱間圧延工程における鋼棒線材の温度は、製出される鋼棒線材の特性や品質に大きな影響を与えることになるため、前述の冷却装置における冷却状態を精度良く制御する必要があった。
【０００３】
そこで、例えば特許文献２には、冷却水を噴出する冷却用ノズルを直列に複数配列し、その冷却用ノズルの一つ一つに三方弁を接続した冷却装置が開示されている。この冷却装置においては、三方弁の切替によって使用する冷却用ノズルの個数を選択することができ、冷却長を調整することが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６０３１６号公報
【特許文献２】特開平０６−１２２０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱間圧延工程において鋼棒線材を冷却する場合、鋼材の熱伝導率が比較的低いことから、鋼線棒材に対して冷却水を噴出した場合、表層部の温度が低下しても中心部は比較的温度が高いまま冷却が推移する。この結果、中心部の鋼材組織は、温度が高いために再結晶により成長する一方、表層部では、温度が低いために再結晶が起きず組織成長が抑制されることになり、中心部と表層部とで異なる組織となってしまう可能性がある。そして、同一成分であれば、一般に組織が粗いと変形抵抗が小さく、組織が細かいと変形抵抗が大きくなるため、次の熱間圧延工程での不均一変形につながる。さらに、組織の不均一性が製品にも残り、需要家での加工工程における不均一変形の原因となることがある。
ここで、特許文献１に記載された冷却装置では、水量制御は可能であるものの冷却長を調整する機能が設けられていないことから、冷却装置の終端まで冷却されることになり、冷却装置の出側において鋼棒線材の表層部と中心部とで冷却履歴の差から組織に差が生じ、その後の圧延装置で変形が不均一となってしまう。
【０００６】
また、特許文献２に記載された冷却装置においては、三方弁の切替によって冷却長を調整可能であるため、冷却長とその後の復熱長とを調整することは可能である。しかしながら、冷却後の鋼棒線材の表面には、冷却水が不均一に付着したままであることから、復熱の際に温度が不均一となってしまう。このため、やはり、その後の圧延装置で変形が不均一となってしまう。
【０００７】
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、冷却長及び復熱長を比較的自由に設定でき、鋼棒線材を均一に冷却して高品質な鋼棒線材を製出することが可能な鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びこの冷却装置に適したノズル部材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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る鋼棒線材の冷却方法は、鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列し、それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることで、前記鋼棒線材の冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る鋼棒線材の冷却装置は、鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却装置であって、通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを有し、 複数の前記ノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に配列されており、 一のノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部に対して冷却用流体を供給する冷却用流体供給部と、前記剥離用ノズル部に対して剥離用流体を供給する剥離用流体供給部と、がそれぞれ独立して設けられており、それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用可能とされていることを特徴とする。
【００１０】
この構成の鋼棒線材の冷却方法及び鋼棒線材の冷却装置によれば、通過する鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、を備えたノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列されており、このノズルユニットにおいて前記冷却用ノズル部又は前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用としていることから、冷却を行うノズルユニットの数、位置、及び、剥離を行うノズルユニットの数、位置、並びに、冷却や剥離を実施せずに鋼棒線材を復熱させるノズルユニットの数、位置、を選択でき、冷却長及び復熱長を任意に設定することができる。
【００１１】
また、冷却用ノズル部を使用したノズルユニットの後段のノズルユニットにおいて、剥離用ノズル部を使用することで、鋼棒線材の表面に付着している冷却用流体を除去することができ、その後の復熱過程で鋼棒線材の温度が均一化されることになる。
よって、冷却後の鋼棒線材の中心部と表層部との温度差が小さくなり、高品質な鋼棒線材を製出することが可能となる。
【００１２】
ここで、前述の鋼棒線材の冷却装置において、前記冷却用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記冷却用流体の流量を調整する流量調整部並びに前記冷却用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備え、前記剥離用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記剥離用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備えていることが好ましい。
この場合、冷却用ノズル部への冷却用流体の供給流量の調整、遮断、及び、剥離用ノズル部への剥離用流体の遮断を行うことができ、冷却及び剥離を確実に行うことができる。
【００１３】
また、前記ノズルユニットは、前記冷却用ノズル部と前記剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材とされていることが好ましい。
この場合、ノズルユニットの長さが短くなるため、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。また、冷却、剥離、復熱という３つの状態を与える冷却装置の最小構成に要する長さも短くすることができ、熱間圧延設備内の設置場所の自由度を増すことができる。さらに、鋼棒線材の進行方向が湾曲している場合でも、前述のノズルユニットを配設することができ、冷却装置を比較的自由に設置することができる。
【００１４】
本発明に係るノズル部材は、前述の鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズル部材であって、前記鋼棒線材が通過する通路孔を備えたノズル本体を有し、このノズル本体には、前記通路孔に向けて冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記通路孔に向けて剥離用流体を噴出する剥離用ノズル部と、が備えられていることを特徴としている。
【００１５】
この構成のノズル部材によれば、通路孔を通過する鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出すること、あるいは、剥離用流体を噴出することで鋼棒線材に付着した冷却用流体を除去することが可能となる。よって、前述の鋼棒線材の冷却方法を実施するのに特に適している。また、冷却用ノズル部と剥離用ノズル部とが、ノズル本体に一体に形成されているので、ノズルユニットの長さが短くなり、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、冷却長及び復熱長を比較的自由に設定でき、鋼棒線材を均一に冷却して高品質な鋼棒線材を製出することが可能な鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びこの冷却装置に適したノズル部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却装置を備えた熱間圧延設備の概略説明図である。
【図２】本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却装置の概略説明図である。
【図３】図２に示す鋼棒線材の冷却装置に備えられたノズルユニット（ノズル部材）の断面説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態である鋼棒線材の冷却装置の概略説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態である鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズルユニットの概略説明図である。
【図６】比較例の温度履歴を示す図である。
【図７】本発明例の温度履歴を示す図である。
【図８】比較例における鋼棒線材の断面組織及び硬度分布を示す図である。
【図９】本発明例における鋼棒線材の断面組織及び硬度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態である鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材について、添付した図面を参照して説明する。
普通鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼材を熱間圧延し、例えば断面円形の鋼棒線材Ｓを製出する熱間圧延設備１は、図１に示すように、複数の圧延機３と、製出された鋼棒線材Ｓを巻き取る巻取機５と、これら複数の圧延機３及び巻取機５との間に配設された冷却装置１０と、を備えている。
本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法、鋼棒線材Ｓの冷却装置１０及びノズル部材は、このような熱間圧延設備１において使用されるものである。
【００１９】
本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却装置１０は、図２に示すように、複数のノズルユニット３０が鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に配列された構成とされている。本実施形態では、１２個のノズルユニット３０が直列に配列されている。
このノズルユニット３０は、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却用流体（冷却水）を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用流体（剥離用高圧水）を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した冷却水を剥離する剥離用ノズル部４６と、が交互に配列された構造とされている。
【００２０】
この鋼棒線材Ｓの冷却装置１０では、図２に示すように、ノズルユニット３０の冷却用ノズル部４１に対して冷却水を供給する冷却水配管部１１と、剥離用ノズル部４６に対して剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１と、が配設されている。
冷却水配管部１１は、主管部１２と、この主管部１２から分岐して各ノズルユニット３０に接続される支管部１４とを有し、主管部１２には圧力調整弁１３が配設されており、支管部１４には、流量計１５、流量調整弁１６、遮断弁１７、三方弁１８が配設されている。
同様に、剥離用高圧水配管部２１は、主管部２２と、この主管部２２から分岐して各ノズルユニット３０に接続される支管部２４とを有し、主管部２２には圧力調整弁２３が配設されており、支管部２４には、遮断弁２７、三方弁２８、が配設されている。
【００２１】
すなわち、本実施形態では、各ノズルユニット３０の冷却用ノズル部４１に冷却水を供給する冷却水配管部１１と、剥離用ノズル部４６に剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１とが接続されており、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることが可能な構成とされているのである。
【００２２】
ここで、本実施形態では、ノズルユニット３０は、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが一体に成形されたノズル部材とされている。
次に、図３を参照して、本実施形態であるノズルユニット（ノズル部材）３０について説明する。
このノズルユニット３０は、鋼棒線材Ｓが通過する通路孔３２を備えたノズル本体３１と、このノズル本体３１の外周側に配設された支持ブロック体３５と、を有している。ノズル本体３１には、径方向外方に向けて突出する一対のフランジ部３３，３４が形成されており、この一対のフランジ部３３，３４の間に支持ブロック体３５が配置されている。そして、フランジ部３３，３４を挿通する接合ボルト３７が支持ブロック体３５に螺着されることによって、支持ブロック体３５とノズル本体３１とが固定されている。また、支持ブロック体３５の外周側からも接合ボルト３８が挿通されており、この接合ボルト３８がノズル本体３１に螺着されることによって、ノズル本体３１の外周面と支持ブロック体３５の内周面とが密着させられる構成とされている。
【００２３】
そして、ノズル本体３１には、通路孔３２に向けて冷却水を噴出する冷却用ノズル部４１と、通路孔３２に向けて剥離用高圧水を噴出する剥離用ノズル部４６と、が備えられている。
冷却用ノズル部４１は、外周側から通路孔３２へと向かうにしたがい漸次鋼棒線材Ｓの進行方向に向かうように傾斜して形成されており、鋼棒線材Ｓの進行方向に向けて冷却水を噴出する構成とされている。
なお、冷却用ノズル部４１のスリット間隔は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、冷却水の圧力は、例えば０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に設定される。
【００２４】
剥離用ノズル部４６は、外周側から通路孔３２へと向かうにしたがい漸次鋼棒線材Ｓの進行方向とは反対側に向かうように傾斜して形成されており、鋼棒線材Ｓの進行方向とは反対側に向けて剥離用高圧水を噴出する構成とされている。
なお、剥離用ノズル部４６のスリット間隔は、冷却用ノズル部４１のスリット間隔よりも小さく設定されており、具体的には０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、剥離用高圧水の圧力は、例えば０．５ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下に設定される。
【００２５】
そして、冷却用ノズル部４１が鋼棒線材Ｓの入口側（図３において右側）に配設され、剥離用ノズル部４６が鋼棒線材Ｓの出口側（図３において左側）に配設されており、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが互いに対向するように配置されている。
【００２６】
また、冷却用ノズル部４１は、ノズル本体３１の外周面に形成された凹溝と支持ブロック体３５の内周面に形成された凹溝とによって画成された環状孔部４２に接続されている。この環状孔部４２には、支持ブロック体３５の外周面に開口するとともに外部から冷却水を導入する冷却水供給路４３が連通されている。
さらに、剥離用ノズル部４６は、ノズル本体３１の外周面に形成された凹溝と支持ブロック体３５の内周面に形成された凹溝とによって画成された環状孔部４７に接続されている。この環状孔部４７には、支持ブロック体３５の外周面に開口するとともに外部から剥離用高圧水を導入する剥離用高圧水供給路４８が連通されている。
【００２７】
そして、ノズルユニット３０の冷却水供給路４３に、前述の冷却水配管部１１の支管部１４が接続され、ノズルユニット３０の剥離用高圧水供給路４８に、前述の剥離用高圧水配管部２１の支管部２４が接続されているのである。
【００２８】
このような構成とされた鋼棒線材Ｓの冷却装置１０を用いた本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法では、鋼棒線材Ｓの進行方向に直列に配設された複数のノズルユニット３０において、それぞれ冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長を設定する。
【００２９】
冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６の使用、不使用の選択は、それぞれの遮断弁１７、２７を用いて行う。すなわち、使用時は遮断弁１７、２７を開け、不使用時は遮断弁１７、２７を閉める。遮断弁１７、２７は、開閉速度は三方弁１８、２８より遅いが確実に冷却水若しくは剥離用高圧水を遮断でき、漏洩の可能性が極めて小さいため、使用、不使用の選択に用いられる。
【００３０】
一方、鋼棒線材Ｓの先端が冷却装置１０を通過するとき、通路孔３２に流体（水）が充満していると抵抗となって鋼棒線材Ｓが腰折れしトラブルとなるため、鋼棒線材Ｓの先端が通路孔３２を通過してから冷却水及び剥離用高圧水を噴出する必要がある。しかし、鋼棒線材Ｓの先端が非冷却となって製品としては使えず切り捨てることになる。鋼棒線材Ｓの先端が各ノズルを通過後に速やかに噴出して非冷却部分の長さを極力短くする必要がある。このために各ノズルには遮断弁１７、２７より開閉速度の速い三方弁１８、２８を設け、速やかに噴出できるように構成されているのである。ただし、三方弁１８、２８は流体（水）の閉止性が遮断弁１７、２７より劣るため、長時間の不使用を選択する際に歯、遮断弁１７、２７を使用する。
【００３１】
例えば、図２に示す鋼棒線材Ｓの冷却装置１０において、鋼棒線材Ｓの入側（図２において右側）から１、２番目の２つのノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、３番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、４，５，６番目の３つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。さらに、７、８番目の２つのノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、９番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、１０，１１，１２番目の３つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。
【００３２】
すると、１、２番目の２つのノズルユニット３０で冷却が行われた後、３番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水が剥離され、４，５，６番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。復熱後、７、８番目の２つのノズルユニット３０で再度冷却が行われ、９番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、再度１０，１１，１２番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。
【００３３】
あるいは、鋼棒線材Ｓの入側から１番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、２番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、３，４番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。また、５番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、６番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、７，８番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。さらに、９番目のノズルユニット３０で冷却用ノズル部４１を使用し、１０番目のノズルユニット３０で剥離用ノズル部４６を使用し、１１，１２番目の２つのノズルユニット３０では冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を不使用とする。
【００３４】
すると、１番目のノズルユニット３０で冷却が行われた後、２番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水が剥離され、３，４番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。復熱後、５番目のノズルユニット３０で再度冷却が行われ、６番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、再度７，８番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。さらに、９番目のノズルユニット３０で冷却が行われ、１０番目のノズルユニット３０で鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を剥離した後に、１１，１２番目のノズルユニット３０の部分で復熱することになる。
【００３５】
このように、直列に配列された複数のノズルユニット３０において、それぞれ冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用とすることで、鋼棒線材Ｓの冷却長及び復熱長が自由に設定されるのである。
【００３６】
前述のような構成とされた本実施形態である鋼棒線材Ｓの冷却方法、鋼棒線材Ｓの冷却装置１０によれば、通過する鋼棒線材Ｓに対して冷却水を噴出する冷却用ノズル部４１と、鋼棒線材Ｓに対して剥離用高圧水を噴出することで鋼棒線材Ｓの表面に付着した冷却水を剥離する剥離用ノズル部４６と、を備えたノズルユニット３０が、鋼棒線材Ｓの進行方向に沿って直列に複数配列されており、このノズルユニット３０において冷却用ノズル部４１及び剥離用ノズル部４６を選択的に使用あるいは不使用としていることから、冷却を行うノズルユニット３０の数、位置、及び、剥離を行うノズルユニット３０の数、位置、並びに、冷却や剥離を実施せずに鋼棒線材Ｓを復熱させるノズルユニット３０の数、位置、を選択でき、冷却長及び復熱長を任意に設定することができる。
【００３７】
また、冷却用ノズル部４１を使用したノズルユニット３０の後段のノズルユニット３０において剥離用ノズル部４６を使用することで、鋼棒線材Ｓの表面に付着している冷却水を除去することができ、その後の復熱過程において、鋼棒線材Ｓの温度が均一化されることになる。よって、冷却後の鋼棒線材Ｓの中心部と表層部との温度差が小さくなり、高品質な鋼棒線材Ｓを製出することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、それぞれのノズルユニット３０において、冷却用ノズル部４１に冷却水を供給する冷却水配管部１１の支管部１４に、冷却水の水量を調整する流量調整弁１６、遮断弁１７、三方弁１８が配設されているので、通過する鋼棒線材Ｓの冷却条件を調整することが可能となる。
一方、それぞれのノズルユニット３０において、剥離用ノズル部４６に剥離用高圧水を供給する剥離用高圧水配管部２１の支管部２４に、剥離用高圧水の噴出、遮断を選択する遮断弁２７、三方弁２８が配設されているので、通過する鋼棒線材Ｓに付着した冷却水を確実に剥離・除去することが可能となる。
【００３９】
さらに、本実施形態では、ノズルユニット３０が、冷却用ノズル部４１と剥離用ノズル部４６とが一体に成形されたノズル部材とされているので、ノズルユニット３０の長さが短くなり、冷却長及び復熱長を細かく設定することができ、冷却をさらに精度良く制御することができる。また、冷却、剥離、復熱という３つの状態を与える冷却装置１０の最小構成に要する長さも短くすることができ、熱間圧延設備内の設置場所の自由度を増すことができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態である鋼棒線材の冷却方法、鋼棒線材の冷却装置及びノズル部材についてについて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、直線状にノズルユニット（ノズル部材）を配列した構成として説明したが、これに限定されることはなく、図４に示すように、鋼棒線材Ｓが湾曲された部分にノズルユニット１３０（ノズル部材）を配列してもよい。特に、図３に示すノズル部材においては、ノズル長が短いことから、湾曲した部分に配列することが可能となる。また、ノズルユニット１３０（ノズル部材）をガイドとしても使用でき、熱間圧延設備のレイアウトの自由度が高くなる。
【００４１】
また、冷却用ノズル部と剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように、独立した冷却用ノズル２４０と剥離用ノズル２４５とを組み合わせて、ノズルユニット２３０を構成してもよい。
この場合、冷却用ノズル２４０として、冷却ノズル部２４１のスリット間隔が例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されたものを用いることが好ましい。また、剥離用ノズル２４５として、剥離用ノズル部２４６のスリット間隔が、冷却用ノズル部４１のスリット間隔よりも小さく、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されたものを用いることが好ましい。
【００４２】
さらに、冷却装置の内部に少なくとも一つの温度計を設置し、この温度計の測定値から冷却用流体の流量制御や、冷却長及び復熱長の設定を行うように構成してもよい。
また、剥離用ノズル部から、高圧水を噴出する構成として説明したが、これに限定されることはなく、高圧空気等を噴出して冷却用流体を剥離する構成としてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
熱間圧延設備の仕上圧延機と巻取機との間に、比較例となる冷却装置と、本発明例となる冷却装置を配設し、それぞれ冷却を行った。なお、仕上圧延機と巻取機との間に配設される冷却装置の全長を４０ｍとした。
ＪＩＳ Ｇ３５０６で規定されている硬鋼線材からなる鋼材を熱間圧延することで、断面円形をなし直径が５．５ｍｍの鋼線を製出し、この鋼線を冷却した。なお、仕上圧延機から巻取機までの間における鋼線の通過速度は９０ｍｍ／ｓｅｃとした。
また、仕上圧延機の出口温度を約１０００℃とし、巻取機の入側温度が約８００℃となるように冷却装置によって冷却を行った。
【００４４】
比較例では、図６に示すように、４台の水冷ボックスを配設した。水冷ボックスにおいては、水冷用ノズル４個と剥離用ノズル２個とを配設し、４個の水冷ノズルが１つの流量調整弁、遮断弁、三方弁で制御され、２個の剥離用ノズルが１つの遮断弁、三方弁で制御される構成とした。そして、次の水冷ボックスまでの間で復熱を行う構成とした。水冷用ノズルの圧力は０．２〜０．５ＭＰａとし、流量を全体で５〜１５ｍ３／ｍｉｎとした。また、剥離用ノズルの圧力は０．５〜１．５ＭＰａとした。
【００４５】
本発明例では、図７に示すように、前述の実施形態に記載したノズルユニットを３６個準備し、これらのノズルユニットを直列に配列した。それぞれのノズルユニットには、冷却水用の流量調整弁、遮断弁、三方弁、及び、剥離用高圧水用の遮断弁、三方弁が配設されており、各ノズルユニット毎に冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることが可能な構成とした。
水冷用ノズル部の圧力は０．２〜０．５ＭＰａとし、流量を全体で５〜１５ｍ３／ｍｉｎとした。また、剥離用ノズル部の圧力は０．５〜１．５ＭＰａとした。
【００４６】
ここで、図７に示すように、１，２番目のノズルユニットで冷却用ノズル部を使用し、３番目のノズルユニットで剥離用ノズル部を使用し、４，５番目のノズルユニットで冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を不使用とした。このパターンで３０番目のノズルユニットまで、冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を使用した。
そして、３１、３２番目のノズルユニットで冷却用ノズル部を使用し、３３、３４番目のノズルユニットで剥離用ノズル部を使用し、３５，３６番目のノズルユニットで冷却用ノズル部及び剥離用ノズル部を不使用とした。
【００４７】
比較例における温度履歴を図６に、実施例における温度履歴を図７に示す。
また、得られた鋼線の断面観察結果及びこの断面における硬度測定結果を図８（比較例）、図９（本発明例）に示す。なお、この図８、図９の硬度測定結果は、鋼線の中心部の硬さを基準（１）として、硬度の分布を表記している。
【００４８】
比較例では、鋼線の表面温度が、水冷ボックスを通過する際に大きく低下し、水冷ボックスから出た復熱領域では大きく上昇しており、鋼線の表層部は大きな変動を繰り返しながら冷却されていった。一方、鋼線の中心部は、熱伝導が不十分なことから、大きく変動することなく冷却された。
これにより、図８に示すように、径方向で結晶粒の大きさが変動しており、硬さも中心部に比べて表層部が２割程度硬くなっていた。すなわち、鋼線の径方向で特性が大きくばらついていたのである。
【００４９】
一方、本発明例では、冷却と復熱とが短い周期で繰り返し実施されることから、表面温度が大きく変動することが抑制されていた。これにより、図９に示すように、中心部と表層部とで結晶の大きさに差はなく、均一な組織を有していた。また、硬さも中心部と表層部とで大きな差は認められなかった。
以上のことから、本発明例によれば、高品質な鋼棒線材を製出することが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 鋼棒線材の冷却装置
１１ 冷却水配管部（冷却用流体供給部）
１６ 流量調整弁（流量調整部）
１７ 遮断弁（流体遮断部）
１８ 三方弁（流体遮断部）
２１ 剥離用高圧水配管部（剥離用流体供給部）
２７ 遮断弁（流体遮断部）
２８ 三方弁（流体遮断部）
３０ ノズルユニット（ノズル部材）
３１ ノズル本体
４１ 冷却用ノズル部
４６ 剥離用ノズル部
Ｓ 鋼棒線材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、
通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列し、
それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることで、前記鋼棒線材の冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする鋼棒線材の冷却方法。
【請求項２】
鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却装置であって、
通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを有し、
複数の前記ノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に配列されており、
一のノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部に対して冷却用流体を供給する冷却用流体供給部と、前記剥離用ノズル部に対して剥離用流体を供給する剥離用流体供給部と、がそれぞれ独立して設けられており、
それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用可能とされていることを特徴とする鋼棒線材の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記冷却用流体の流量を調整する流量調整部並びに前記冷却用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備え、前記剥離用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記剥離用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の鋼棒線材の冷却装置。
【請求項４】
前記ノズルユニットは、前記冷却用ノズル部と前記剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材とされていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の鋼棒線材の冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズル部材であって、
前記鋼棒線材が通過する通路孔を備えたノズル本体を有し、
このノズル本体には、前記通路孔に向けて冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記通路孔に向けて剥離用流体を噴出する剥離用ノズル部と、が備えられていることを特徴とするノズル部材。
【請求項１】
鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却方法であって、
通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に複数配列し、
それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用あるいは不使用とすることで、前記鋼棒線材の冷却長及び復熱長を設定することを特徴とする鋼棒線材の冷却方法。
【請求項２】
鋼棒線材の熱間圧延工程で用いられる鋼棒線材の冷却装置であって、
通過する前記鋼棒線材に対して冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記鋼棒線材に対して剥離用流体を噴出することで前記鋼棒線材の表面に付着した前記冷却用流体を剥離する剥離用ノズル部と、が設けられたノズルユニットを有し、
複数の前記ノズルユニットが、前記鋼棒線材の進行方向に沿って直列に配列されており、
一のノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部に対して冷却用流体を供給する冷却用流体供給部と、前記剥離用ノズル部に対して剥離用流体を供給する剥離用流体供給部と、がそれぞれ独立して設けられており、
それぞれのノズルユニットにおいて、前記冷却用ノズル部及び前記剥離用ノズル部を選択的に使用可能とされていることを特徴とする鋼棒線材の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記冷却用流体の流量を調整する流量調整部並びに前記冷却用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備え、前記剥離用流体供給部は、それぞれのノズルユニットに対して前記剥離用流体の噴出と遮断とを選択する流体遮断部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の鋼棒線材の冷却装置。
【請求項４】
前記ノズルユニットは、前記冷却用ノズル部と前記剥離用ノズル部とが一体に成形されたノズル部材とされていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の鋼棒線材の冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の鋼棒線材の冷却装置に用いられるノズル部材であって、
前記鋼棒線材が通過する通路孔を備えたノズル本体を有し、
このノズル本体には、前記通路孔に向けて冷却用流体を噴出する冷却用ノズル部と、前記通路孔に向けて剥離用流体を噴出する剥離用ノズル部と、が備えられていることを特徴とするノズル部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５６５７５（Ｐ２０１１−１５６５７５Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４０９（Ｐ２０１０−２１４０９）
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
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