JP4384695B2 - 圧延鋼材の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延されたレール等の長尺圧延鋼材を冷却する冷却方法に関する。

重荷重鉄道や曲線区間に用いられる鉄道用レールは、通常のレール以上に耐摩耗性が要求される。このため、熱間圧延後に、オーステナイト域温度からパーライト変態が終了するまでの間、加速冷却によってレール頭部の強度を高める処理が行われている。近年では、さらなる耐摩耗性向上のため、過共析領域まで炭素量を増加させたパーライト系レールが開発され、実用化されている（特許文献１参照）。

しかし、耐摩耗性を向上させるために炭素量を増加させると、レール頭部に初析セメンタイトが生成し易くなり、レールの靭性及び延性が大きく低下するという問題点があった。
そこで、特許文献２では、レール柱部の初析セメンタイトの生成を抑制し、且つ、レール頭部においてセメンタイト比率が高く、高硬度のパーライト組織を安定的に生成させるため、レール頭部をオーステナイト域温度から７００〜５００℃までの間、１〜１０℃／ｓで加速冷却し、さらにレール柱部をオーステナイト域温度から７５０〜６００℃までの間、１〜１０℃／ｓで加速冷却するパーライト系レールの製造法が開示されている。

他方、レールの加速冷却方法としては、冷却媒体の違いにより、（１）ミストを用いる方法（特許文献３〜５参照）、（２）空気等の気体を用いる方法（特許文献６、７参照）、（３）レール頭部を冷却液に浸漬する方法（特許文献８、９参照）が知られている。

特開平８−１４４０１６号公報 特開平９−１３７２２８号公報 特開昭４７−７６０６号公報 特開昭５４−１４７１２４号公報 特開平８−３１９５１５号公報 特開昭６１−１４９４３６号公報 特開昭６１−２７９６２６号公報 特開昭５７−８５９２９号公報 特開平８−１７０１２０号公報

高炭素レール鋼においてパーライト組織を安定的に生成させるには、加速冷却時における冷却速度を、より速くする必要がある。しかしながら、上述した従来の加速冷却方法によって、これを実現しようとした場合、以下のような課題がある。

液滴が高温物体と接触すると、液滴と高温物体との間に蒸気膜が形成され、液滴が高温物体上を浮遊するライデンフロスト現象が発生する。冷却媒体に液体を用いる（１）と（３）の方法の場合、レール表面に形成される蒸気膜によって、レールと冷却媒体との接触が阻害され、冷却速度にバラツキが生じる。その結果、レールに温度偏差が生じ、温度偏差が大きくなると、鋼組織にも偏差が生じるおそれがある。

また、気体を冷却媒体に用いる（２）の方法は、液体による冷却方法に比べて冷却速度が遅いという難点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、長尺の圧延鋼材表面における蒸気膜の形成を抑制して冷却速度を大幅に向上させるとともに、均一な加速冷却が可能な圧延鋼材の冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、熱間圧延された長尺の圧延鋼材を冷却する冷却方法であって、複数のノズル孔を有するノズルプレートが吹出口に配置され、冷却水を噴射する冷却水供給ノズルを内部に有するチャンバーを、該チャンバーの吹出口が前記圧延鋼材に対峙するように該圧延鋼材に沿って配置し、前記冷却水供給ノズルから前記冷却水を噴射すると共に、前記チャンバーに設けた気体導入口から導入された冷却用加圧気体が前記ノズルプレートに直接当たらないように、前記気体導入口と前記冷却水供給ノズルとの間に整流板を配置して、前記冷却水を背後から押すように、前記気体導入口から前記冷却用加圧気体を供給し、前記冷却用加圧気体と前記冷却水との混合体からなる冷却媒体を前記ノズルプレートから噴射して、前記圧延鋼材の均一冷却を行うことを特徴としている。

冷却媒体に液体を使用すると、大きな冷却能力が確保できるが、圧延鋼材の表面に形成される蒸気膜により、冷却速度にバラツキが生じ、不均一な冷却となる。そこで、本発明では、複数のノズル孔を有するノズルプレートが配置された吹出口から圧延鋼材に向けて冷却用加圧気体を噴出するチャンバー内に、冷却水を噴射する冷却水供給ノズルを設置し、冷却用加圧気体と冷却水とを混合した冷却媒体をノズルプレートから圧延鋼材表面に対して垂直方向にミスト噴射することで水滴の衝突速度を高めて、圧延鋼材に付着する水滴を迅速に除去する。これにより、蒸気膜の形成が阻害され、冷却速度を変動させることなく、均一な冷却が可能となる。

なお、冷却水に対する冷却用加圧気体の比率を高めた高気水比のノズルの使用も考えられるが、長尺の圧延鋼材を一挙に均一に冷却しようとすると、多数のノズルが必要となるうえ、ノズルのメンテナンスが頻繁に発生するため、工業化設備としては現実的ではない。

ノズルプレートから噴出する冷却用加圧気体について、チャンバーの長手方向、即ち圧延鋼材の長手方向の吐出分布を見ると、気体導入口近傍が吐出量が最も多く、気体導入口から離れるにつれて吐出量は減少する。この状態で、冷却水供給ノズルからノズルプレートに向けて冷却水を噴射させた場合、冷却用加圧気体の流れが強い気体導入口近傍では、水滴が背後からの冷却用加圧気体に押され、ノズルプレートから噴射される水量が減少する。その結果、チャンバー全体で水量にバラツキが生じる。
そこで、本発明では、気体導入口と冷却水供給ノズルとの間に整流板を設置して、気体導入口から導入された冷却用加圧気体が整流板を介してチャンバー全体に流れるようにすることで、チャンバー全体の水量のバラツキを防止している。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記冷却水の体積流量に対する前記冷却用加圧気体の体積流量の比を１０００〜５００００とすることを好適とする。
前記冷却水の体積流量に対する前記冷却用加圧気体の体積流量の比は、気水比と呼ばれる。
高気水比の場合、圧延鋼材の表面に形成された蒸気膜が冷却用加圧気体によって排除されるため、蒸気膜の形成が阻害され、安定した冷却が確保される。この際、気水比を１０００未満とすると、冷却速度のバラツキが大きく、気水比が５００００を超えると、冷却効果が飽和する。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記冷却水供給ノズルを前記ノズルプレートに指向させて前記冷却水を噴射することが好ましい。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記冷却用加圧気体は、空気又は窒素であることを好適とする。
本発明では冷却媒体の種類は問わないが、扱いやすさと経済性の点から、空気又は窒素が好ましい。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記冷却水を、前記冷却水供給ノズルからミスト状、シャワー状、又は流水状に噴射するようにしてもよい。

冷却水供給ノズルから噴射される水滴の粒径に依らず、ノズルプレートから噴射されるミストの粒径分布は、ほぼ同一傾向にあることが本発明者等の実験により確認された。この理由としては、チャンバー内で噴射された冷却水がノズルプレートで一旦合体し、合体した冷却水が冷却用加圧気体と一緒にノズルプレートのノズル孔から噴射される際に再分散されるからであろうと考えられる。
従って、噴射される冷却水は、ミスト状、シャワー状、流水状のいずれでも良く、冷却水供給ノズルから冷却水のみ噴射しても良いし、冷却水と冷却用加圧気体とを混合して噴射しても良い。要は、ノズルプレート上に所定の水量が供給されればよい。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記冷却媒体が前記圧延鋼材の表面に衝突する際の衝突速度を５０〜２００ｍ／ｓとすることが好ましい。
衝突速度を速くするほど高い冷却速度が得られ、衝突速度を５０ｍ／ｓ以上とすると、冷却速度のバラツキが±１．５℃程度まで低減されることが判明した。なお、衝突速度が２００ｍ／ｓを超えると、冷却効果が飽和する。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、熱間圧延後の前記圧延鋼材の冷却開始温度をオーステナイト域温度以上とすると共に、該圧延鋼材の冷却終了温度を４５０〜６００℃とすることが好ましい。
冷却開始温度をオーステナイト域温度以上、且つ冷却終了温度を少なくとも６００℃以下としなければ、焼き入れが生じず好ましくないからである。一方、４５０℃未満まで加速冷却を継続すると、レール頭部にマルテンサイト組織が生じるため、硬度は増すものの延靭性が低下するため好ましくない。

また、本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、前記圧延鋼材がレールの場合、該レールの上方に前記チャンバーを隙間を有して配置し、前記レールの頭頂部に対向して配置した前記ノズルプレートから該頭頂部に向けて前記冷却媒体を噴射すると共に、前記レールの側方に前記チャンバーを隙間を有して配置し、該レールの頭側部に対向して配置した前記ノズルプレートから該頭側部に向けて前記冷却媒体を噴射することが好ましい。このようにすることで、レール頭部の表面に対して垂直方向にミスト噴射することができる。

本発明に係る圧延鋼材の冷却方法では、複数のノズル孔を有するノズルプレートが配置された吹出口から圧延鋼材に向けて冷却用加圧気体を噴出するチャンバー内に、冷却水を噴射する冷却水供給ノズルを設置し、冷却用加圧気体と冷却水とを混合した冷却媒体をノズルプレートから圧延鋼材表面に対して垂直方向にミスト噴射させることで水滴の衝突速度を高くして、圧延鋼材に付着する水滴を迅速に除去する。これにより、蒸気膜の形成が阻害され、冷却速度を変動させることなく、均一な冷却が可能となり、また安定した加速冷却も可能となる。

加えて、気体導入口と冷却水供給ノズルとの間に整流板を設置して、気体導入口から導入された冷却用加圧気体が、整流板を介してチャンバー全体に均整に流れるようにすることで、チャンバー内の全体での水量のバラツキを防止することができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、以下では、長尺の圧延鋼材としてレールを例に採り説明する。

本発明の一実施の形態に係る圧延鋼材の冷却方法に使用する冷却装置１０、２０は、熱間圧延されたレール３０を冷却する冷却装置であって、図１に示すように、レール３０の頭頂部３１に対向して冷却装置１０が配置され、両頭側部３２にそれぞれ対向して冷却装置２０が配置される。冷却装置１０とレール３０の頭頂部３１との距離、及び冷却装置２０とレール３０の頭側部３２との距離は、それぞれ数ｍｍ〜数十ｍｍのレベルとされる。
また、個々の冷却装置１０、２０は、平面視してレール３０方向に細長い形状（長手方向の寸法は１０００〜５０００ｍｍ程度）とされ、レール３０の長手方向に沿ってレール３０の全長に渡って連続して配置される。
以下、個々の冷却装置１０、２０について詳細に説明する。

冷却装置１０は、図示しないブロワーから送出される空気（冷却用加圧気体の一例）を導入する気体導入口１３を上部に有し、下流側の端部が吹出口１２とされた箱形のチャンバー１１内に、配管１７を介して供給される冷却水をレール３０の頭頂部３１に向けて噴射する冷却水供給ノズル１５を設置し、冷却水を背後から前記気体によって押すように構成している。

チャンバー１１は、気体導入口１３が上部に設けられた拡幅部１１ａと、拡幅部１１ａにテーパー状の傾斜部１１ｂを介して連結される縮幅部１１ｃとを有し、縮幅部１１ｃの下流側の端部に設けられた吹出口１２には、複数のノズル孔１４ｃ（図２参照）を有するノズルプレート１４が、レール３０の頭頂部３１と平行となるように装着されている。また、気体導入口１３と冷却水供給ノズル１５との間には、チャンバー１１内の気体導入口１３に相当する部位に、気体導入口１３から導入された空気がノズルプレート１４に直接当たらないように、整流板１６が設置されている。

一方、冷却装置２０も、図示しないブロワーから送出される空気を導入する気体導入口２３を有し、一方の側端部が吹出口２２とされた箱形のチャンバー２１内に、配管２７を介して供給される冷却水をレール３０の頭側部３２に向けて噴射する冷却水供給ノズル２５を設置し、頭頂部３１に対する冷却装置１０と同様に、冷却水を前記気体によって背後から押すように構成している。

チャンバー２１は、気体導入口２３が側部に設けられた拡幅部２１ａと、拡幅部２１ａにテーパー状の傾斜部２１ｂを介して連結される縮幅部２１ｃとを有し、縮幅部２１ｃの下流側の端部に設けられた吹出口２２には、複数のノズル孔を有するノズルプレート２４が、レール３０の頭側部３２と平行となるように装着されている。また、気体導入口２３と冷却水供給ノズル２５との間には、チャンバー２１全体にバランス良く（均整に）気体が分散して流れるように整流板２６が設置されている。

次に、冷却装置１０を構成するノズルプレート１４、冷却水供給ノズル１５、及び整流板１６について詳細に説明するが、冷却装置２０のノズルプレート２４、冷却水供給ノズル２５、及び整流板２６もほぼ同様である。

ノズルプレート１４には、図２に示すように、例えば直径２〜１０ｍｍ程度の多数のノズル孔１４ｃ…が所要の間隔（例えば２〜１０ｍｍ程度の間隔）をおいて規則的に形成されている。また、ミストがレール３０の頭頂部３１全幅に垂直に当たるように、ノズル孔１４ｃが形成されている領域の短手方向（レール３０の幅方向）の幅Ｗは、レール３０の頭頂部３１の幅と略同一とされている。

冷却水供給ノズル１５は、図３に示すように、チャンバー１１の長手方向に配置された配管１７から下方に分岐した複数の分岐管１７ａ…の各先端に装着されている。冷却水供給ノズル１５から噴射される冷却水は、ミスト状、シャワー状、流水状のいずれでも良い。また、冷却水供給ノズル１５から冷却水のみ噴射しても良いし、冷却水と空気とを混合して噴射しても良い。

冷却水供給ノズル１５から噴射される水滴がノズルプレート１４に向けて噴射されるようにし、ノズルプレート１４から噴射されるミストの水量密度は均一とする（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。

整流板１６は、図５に示すように、平面視してチャンバー１１の少なくとも気体導入口１３相当部の直下に配置される。これにより、気体導入口１３から導入された空気は、整流板１６を介してチャンバー１１全体に分散して均整に流れ、チャンバー１１の位置による水量のバラツキが防止される。

なお、図示しないが、整流板に多数の孔を形成し、さらに複数ある気体導入口の各直下に形成される孔の単位面積当たりの合計面積が、他の箇所に形成される孔の単位面積当たりの合計面積より小さくなるようにすることで、ノズルプレート１４から噴射されるミストがチャンバー１１の長手方向で均一となるようにしてもよい。

図６（Ａ）は、チャンバー１１内に整流板が無い状態（図６（Ｂ）参照）における空気の吐出分布及びミストの水量密度割合を示したグラフである。冷却水供給ノズル１５とノズルプレート１４との距離は１００ｍｍ、隣接する冷却水供給ノズル１５間の間隔は５００ｍｍとし、冷却水供給ノズル１５間の中央に気体導入口１３が位置している（距離及び間隔はいずれも試験例）。
チャンバー１１内に整流板が無い場合、チャンバー１１の長手方向に関する空気の吐出量は、気体導入口１３直下が大きく、気体導入口１３から離れるにつれて小さくなる。この状態で、冷却水供給ノズル１５からミストを噴射した場合、空気の流れが強い気体導入口１３直下ではミストが空気に押され、ノズルプレート１４から噴射されるミストの量は減少する。このため、チャンバー１１長手方向の水量は不均一となる。

図７（Ａ）は、図６の条件下で、気体導入口１３の直下に適切な形状の整流板１６を設置した状態（図７（Ｂ）参照）における空気の吐出分布及びミストの水量密度割合を示したグラフである。整流板１６とノズルプレート１４との距離は１８５ｍｍ（試験例）である。
気体導入口１３の直下に整流板１６を設置した場合、気体導入口１３からチャンバー１１内に導入された空気は、整流板１６に一旦衝突した後、チャンバー１１全体に分散されるため、ノズルプレート１４から噴出する空気の吐出量は、チャンバー１１全体で均一となる。

そして、気体導入口１３から導入された空気は整流板１６を介してチャンバー１１の長手方向にも流れるため、チャンバー１１の長手方向の水量分布は均一となる。

上記構成を有する冷却装置１０、２０を用いてレール頭部を冷却する場合、ノズルプレート１４、２４から噴射される空気と冷却水との混合体からなる冷却媒体の気水比を１０００〜５００００、レール頭部へのミストの衝突速度を５０〜２００ｍ／ｓとして、レール３０の頭頂部３１に対向して配置したノズルプレート１４から該頭頂部３１に向けて冷却媒体をミスト噴射すると共に、レール３０の頭側部３２に対向して配置したノズルプレート２４から該頭側部３２に向けて冷却媒体をミスト噴射し、オーステナイト域温度から４５０〜６００℃までの間についてレール頭部を均一に冷却する。

図８は、実験によって得られた、ミストの衝突速度と冷却速度との関係をグラフ化したものである。
冷却水供給ノズルは、株式会社いけうち製のノズルＢＩＭ Ｊ ２０１５、供試体は、長さ１００ｍｍの１４１ポンドレールとし、供試体の頭頂部から深さ２ｍｍの位置に熱電対を埋め込んだものを使用した。
供試体を加熱炉で８２０℃まで加熱した後、取り出して７５０℃から本冷却装置による冷却を開始し、５００℃以下になるまで冷却した。冷却条件は、吐出冷却水量密度を７０Ｌ（リットル）／ｍ^２・ｍｉｎ一定とし、空気の量を変化させてミストの衝突速度を１０、２０、５０、１５０、２００ｍ／ｓの５条件に設定した。なお、この際の空気圧は、１．１〜１．２気圧とした。

ミストの衝突速度Ｖａは、吐出速度をＶｅ、吹出口とレールとの間の距離をｈ、吹出口径をｄとして、次式により算出した。
Ｖａ＝６．３９×Ｖｅ／（ｈ／ｄ＋０．６）

各衝突速度について１０回ずつ実験を行い、熱電対の指示値が７５０℃から５００℃までに要した時間から冷却速度を求めた。その結果、衝突速度を速くするほど高い冷却速度が得られ、衝突速度を５０ｍ／ｓ以上とすると、冷却速度のバラツキが±１．５℃程度まで低減し安定化することが判明した。なお、衝突速度が２００ｍ／ｓを超えると、設備の大型化やランニングコストの増大を伴い、現実的ではない。

また、表１は、気水比と冷却速度との関係を示したものである。同表より、気水比を１０００以上とすると、冷却速度の標準偏差が２．２以下となり、気水比５００００でその効果が飽和し、安定的な冷却が可能となることがわかる。なお、図９は、表１のデータをグラフ化したものである。

なお、本冷却装置を用いてレールの柱部や足部を冷却する場合については、これらの部位の冷却速度が頭部より速くなるため、別途、冷却条件を設定する必要がある。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記の実施の形態では、チャンバーに導入される冷却用加圧気体は空気としたが、窒素でも良い。

本発明の一実施の形態に係る圧延鋼材の冷却方法に使用する冷却装置を示す模式図である。 同冷却装置のノズルプレートの平面図である。 冷却水を供給する配管と冷却水供給ノズル部分の斜視図である。 （Ａ）は冷却水供給ノズルの噴射状況を示した模式図であり、（Ｂ）はその結果を示したグラフである。 整流板の斜視図である。 （Ａ）は、チャンバー内に整流板が無い状態における空気の吐出分布及びミストの水量密度割合を示したグラフであり、（Ｂ）は、同状態におけるチャンバー内の空気の流れを示した模式図である。 （Ａ）は、ブロワーの直下に整流板が設置された状態における空気の吐出分布及びミストの水量密度割合を示したグラフであり、（Ｂ）は、同状態におけるチャンバー内の空気の流れを示した模式図である。 ミストの衝突速度と冷却速度との関係を示したグラフである。 気水比と冷却速度のバラツキとの関係を示したグラフである。

符号の説明

１０：冷却装置、１１：チャンバー、１１ａ：拡幅部、１１ｂ：傾斜部、１１ｃ：縮幅部、１２：吹出口、１３：気体導入口、１４：ノズルプレート、１４ｃ：ノズル孔、１５：冷却水供給ノズル、１６：整流板、１７：配管、１７ａ：分岐管、２０：冷却装置、２１：チャンバー、２１ａ：拡幅部、２１ｂ：傾斜部、２１ｃ：縮幅部、２２：吹出口、２３：気体導入口、２４：ノズルプレート、２５：冷却水供給ノズル、２６：整流板、２７：配管、３０：レール（圧延鋼材）、３１：頭頂部、３２：頭側部

Claims (7)

1. 熱間圧延された長尺の圧延鋼材を冷却する冷却方法であって、
   複数のノズル孔を有するノズルプレートが吹出口に配置され、冷却水を噴射する冷却水供給ノズルを内部に有するチャンバーを、該チャンバーの吹出口が前記圧延鋼材に対峙するように該圧延鋼材に沿って配置し、前記冷却水供給ノズルから前記冷却水を噴射すると共に、
   前記チャンバーに設けた気体導入口から導入された冷却用加圧気体が前記ノズルプレートに直接当たらないように、前記気体導入口と前記冷却水供給ノズルとの間に整流板を配置して、前記冷却水を背後から押すように、前記気体導入口から前記冷却用加圧気体を供給し、前記冷却用加圧気体と前記冷却水との混合体からなる冷却媒体を前記ノズルプレートから噴射して、前記圧延鋼材の均一冷却を行うことを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
2. 請求項１記載の圧延鋼材の冷却方法において、前記冷却水の体積流量に対する前記冷却用加圧気体の体積流量の比を１０００〜５００００とすることを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載の圧延鋼材の冷却方法において、前記冷却用加圧気体は、空気又は窒素であることを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧延鋼材の冷却方法において、前記冷却水供給ノズルから前記冷却水を、ミスト状、シャワー状、又は流水状に噴射することを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧延鋼材の冷却方法において、前記冷却媒体が前記圧延鋼材の表面に衝突する際の衝突速度を５０〜２００ｍ／ｓとすることを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧延鋼材の冷却方法において、熱間圧延後の前記圧延鋼材の冷却開始温度をオーステナイト域温度以上とすると共に、該圧延鋼材の冷却終了温度を４５０〜６００℃とすることを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧延鋼材の冷却方法において、前記圧延鋼材がレールとされ、該レールの上方及び側方に前記チャンバーを隙間を有して配置し、前記レールの頭頂部及び頭側部に対向して配置された前記ノズルプレートから該頭頂部及び頭側部に向けて前記冷却媒体を噴射することを特徴とする圧延鋼材の冷却方法。

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