JP2000071004A - 圧延機用ロール冷却方法及びその冷却設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スプレーノズルから噴射される冷却水を用いて
ロールを冷却するに際し、その冷却性能を向上すること
にある。 【解決手段】冷却水をロール表面に噴射するノズルを複
数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、任意のノ
ズル流量密度Ｗｃで冷却性能がピーク値付近となるよう
に、該圧延機用ロールとノズルとの距離Ｈと、ロール軸
方向のノズル設置間隔Ｘと設定してノズルを配置するこ
とを特徴とする。 【効果】ロール冷却性能の向上、特に、冷却の均一化が
図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧延機用ロールの
冷却に関し、特に、スプレーノズルを備えた圧延機用ロ
ール冷却設備及びその冷却方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧延機用ロール冷却設備は、ヘッ
ダー側面に設置された多数のノズルから高圧スプレー水
をロールへ供給するスプレー冷却方式であり、水膜均質
効果やノズル配置が考慮されていないものであった。

【０００３】従来、特公昭60−18490 号公報に記載のよ
うに、熱間圧延機では、上下のワークロールによって、
高温（約１１００℃）の圧延板材を圧下する。この際、
圧延板材からワークロールに対して、熱伝導，加工熱あ
るいは摩擦熱等により、多量の熱が流入される。そし
て、このような圧延設備は、通常、約３〜７つの圧延機
スタンドを備えた圧延機列であり、前述した圧延は３〜
７回程度繰り返されて、最終的な薄板へと圧下される。
なお、スプレー冷却方法の長所は、圧延設備の点から見
たメンテナンスフリーである。

【０００４】一方、世の中のニーズにより、熱間圧延機
の高能率化，ダウンサイジング化、そして職場の３Ｋ防
止等が叫ばれ、これら技術のトレンドからロールへ流入
する熱負荷は益々増大する。

【０００５】そのため、各スタンド毎にストリップ板材
からロールへの流入熱はロール内部への熱伝導の前に、
ロール表面上で除去する必要がある。ところが、従来技
術では、スプレー水冷却ノズルは、設備メンテナンス上
の問題によって、圧延機用ワークロールから数１００mm
離れた位置にしか設置できない。

【０００６】その結果、ストリップ出側直後のワークロ
ールの表面高温部を冷却することが困難であり、スプレ
ー水が衝突する際のロール表面温度は冷却性能の悪い遷
移沸騰や膜沸騰状態を形成する高温の状態となってい
る。そして、スプレーノズルから噴射された水膜の端部
では冷却性能が悪く、その結果ロール温度分布及び冷却
性能とも悪い状態となる。

【０００７】また、大量に供給された冷却水がほとんど
飛散水となってロール周りの大気中へ流出し、またロー
ル表面に形成される薄い蒸気膜を成長させるためにのみ
使われ、本来の高圧スプレー水による衝突冷却を有効に
活用することができず、ロール冷却に対して寄与されな
い点が考えられる。

【０００８】その結果、ロール軸方向温度分布の不均一
が生じ、圧延ロールに圧化されたストリップ板材の中央
が熱膨張変形によるサーマルクラウンを生じ、品質保障
の点から改良の余地が考えられる。

【０００９】また、高温（３００℃〜８００℃）のスト
リップ薄板表面へ飛散水が飛び散り、ストリップ板材の
板幅方向温度分布の不均一化による品質保障に関しても
改善する必要がある。

【００１０】連続熱間圧延機やミニホットのような高効
率圧延システムにおいては、ストリップ材からロールへ
の熱流入が極めて大きくなり、この熱負荷増大に対応し
た冷却性能向上が必須である。

【００１１】この性能向上のためには、ロールの性能向
上及びロール軸方向温度分布の均一化の二点が最も重要
である。また、圧延冷却システムに関しても、冷却水の
閉ループ化による完全回収が望ましい。

【００１２】そこで、以上の圧延機用ロール冷却性能を
向上するための技術課題として、有効な冷却装置及び当
該装置の設置法やシステム構成を検討し、さらにロール
表面温度を低下させ、しかも均一にすることが望まれ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ロ
ール外部からのスプレー水冷却で高温ストリップ材から
ロールへの熱伝導及び加工熱による流入熱を除熱してい
る。しかし、熱間圧延機の連続化に伴うロールへの熱負
荷増大やミニホット用強圧下、小径ロール化への熱負荷
増大に対する冷却方法が配慮されておらず、ロール表面
及び内部温度上昇やこれに伴うロール軸方向温度分布の
不均一化によるストリップ材のサーマルクラウン発生に
よる品質低下などの課題が考えられる。

【００１４】また、従来は、ロール衝突後の冷却水が表
面温度８００℃から３００℃のストリップ板材表面へ飛
散するので、ストリップ材の温度分布の不均一化のため
に生ずる品質確保に関しても、水切り板等を別途設置し
て対応していた。ところが、ロール及びストリップ材と
も高温面のため、表面上に形成された熱抵抗の大きな蒸
気膜を除去するために冷却水の圧力，流量により冷却性
能を制御する必要がある。

【００１５】今後、ミニホットの開発においては、高圧
下ロール及びストリップ冷却領域の短縮化のため、表面
温度３００℃以上の膜沸騰領域における冷却性能の向上
及び制御技術が極めて重要となる。

【００１６】このように、圧延機用ロール部材に最適ノ
ズル配置により熱伝達率のピーク値を含んでスプレー水
膜均質効果による冷却性能向上及びロール軸方向温度分
布の均一化を図り、ロール軸方向温度分布の不均一化に
よる熱膨張変形に伴うストリップ材のサーマルクラウン
の発生を抑制する。さらに、外部スプレー水による冷却
装置に開放パッド機構を設置し、ロール表面に衝突した
冷却水の飛散水を抑制し、また発生蒸気を極力回収する
セミクローズド冷却システムを構成し、ロール部材及び
ストリップ材の長寿命化及び高品質性を確保することが
望まれる。

【００１７】そして、熱間圧延システムのロールにおい
て、特に連続熱間圧延時にスプレーノズルを熱伝達率の
ピーク値を含んで最適に配置させることにより冷却性能
を向上させてロール軸及び周方向の温度分布の均一化を
図り、また系外への飛散水及び発生蒸気を抑制し、さら
に高温ストリップ材表面へ冷却水が供給されるのを抑制
し、ロール材の長寿命化，ストリップ材の高品質を図る
ことが望まれる。

【００１８】本発明の目的は、スプレーノズルから噴射
される冷却水を用いてロールを冷却するに際し、その冷
却性能を向上することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の圧延機用ロール
の冷却設備は、冷却水をロール表面に噴射するノズルを
複数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、任意の
ノズル流量密度Ｗｃで冷却性能がピーク値付近となるよ
うに、該圧延機用ロールとノズルとの距離Ｈと、ロール
軸方向のノズル設置間隔Ｘと設定してノズルを配置する
ことを特徴とする。

【００２０】或いは、本発明の圧延機用ロールの冷却設
備は、冷却水をロール表面に噴射するノズルを複数備え
た圧延機用ロールの冷却設備において、任意のノズル流
量密度Ｗｃで冷却性能がピーク値付近となるように、該
圧延機用ロールとノズルとの距離Ｈと、ロール軸方向の
ノズル設置間隔Ｘとを設定するとともに、該圧延機用ロ
ールへの平均熱伝達率ｈｍの変化率が小さくなるように
ロール直径の変化に基づき前記距離Ｈ及び前記ノズル設
置間隔Ｘとを再設定して該ノズルを配置することを特徴
とする。

【００２１】或いは、本発明の圧延機用ロールの冷却設
備は、冷却水をロール表面に噴射するノズルを複数備え
た圧延機用ロールの冷却設備において、下記（式１）に
基づき冷却性能を予測できうるように、０.３≦Ｐｃ≦
１.５ＭＰａ，５.０×１０^-3≦Ｗｃ≦５.０×１０^-1ｍ³
／ｓ.ｍ²，０≦Ｘ≦１７５mm，１００≦Ｈ≦５００mmの
範囲で該ノズルを設置することを特徴とする。

【００２２】 ｈｍ＝ａＰｃ^bＷｃ^c（Ｘ／Ｈ)^d …（式１） 但し、ｈｍ：ロール表面の平均熱伝達率，Ｐｃ：スプレ
ー水の噴射圧力，Ｗｃ：スプレー水の流量密度，Ｘ：ロ
ール軸方向のノズル設置間隔，Ｈ：ロールとノズルとの
距離，ａ：定数，ｂ：定数，ｃ：定数，ｄ：定数 或いは、本発明の圧延機用ロールの冷却設備は、冷却水
をロール表面に噴射するノズルを複数備えた圧延機用ロ
ールの冷却設備において、下記の（式２），（式３），
（式４）を満足するように、ノズル間隔Ｘを、スプレー
水膜の短径方向の水膜干渉境界値Ｘcrit以上、且つ局所
熱伝達率ｈｘがロール軸方向に対する平均熱伝達率ｈｍ
よりも大きな範囲となるＸmax 以下に設定して該ノズル
を配置することを特徴とする。

【００２３】 Ｈ≦sin（γ）／（２tan（β／２))Ｘ …（式２） Ｈ≧１００mm …（式３） Ｘ≦Ｘmax …（式４） 但し、２ｂ：スプレー水膜の短径方向の幅，β：スプレ
ー水膜の短径方向の拡がり角度，γ：ロール軸方向とス
プレー水膜長径方向の傾き角度。

【００２４】また、本発明の圧延機用ロールの冷却方法
は、複数のノズルから冷却水をロール表面に噴射してロ
ールを冷却する圧延機用ロールの冷却方法において、ノ
ズル流量密度を任意のＷｃとして、ロール直径の変化に
基づき前記距離Ｈ及び前記ノズル設置間隔Ｘとを調整し
て、該圧延機用ロールへの平均熱伝達率ｈｍの変化率を
小さくして該ロールを冷却することを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】ロール冷却用スプレーノズルを、
同種あるいは異種ノズルに関わらずに、ストリップの出
側及び入側のロール軸及び周方向に少なくとも２段以上
に設置する。その際、熱伝達率のピーク値を含んで最適
にノズルを設置する。また、圧延機用ロール部材の外部
に設置されたスプレー冷却装置に開放パッド機構を設
け、ロール外部への冷却水及び発生蒸気の飛散水を極力
低減することが望ましい。この開放パッド機構により、
圧延設備周りの環境を改善するとともに、高圧スプレー
水による衝突冷却と開放パッド機構による対流冷却の併
用により、ロール軸及び周方向の冷却性能を一様化し、
ロール材及びストリップ材の長寿命化，高品質化を図る
ようにすることができる。

【００２６】また、ロール軸及び周方向に高圧スプレー
ノズルを最適に配置することにより、ロール表面上でス
プレー水膜端部での冷却性能低下を改善する高流量密度
化とし、ロール軸及び周方向の温度分布を均一化し、さ
らに冷却性能を向上させることができる。

【００２７】また、回転ロールの冷却方法として、スプ
レーノズルに加え、ヘッダーに開放パッド機構を設置す
る。そして、本機構の設置により、ロール軸及び周方向
の表面及び内部温度分布を均一化させる。これにより、
ストリップ材に発生するサーマルクラウンを抑制するこ
とができる。

【００２８】従来、ストリップからロールへの加工熱や
熱伝導による流入熱が発生し、ロールの表面温度はスト
リップ中央部で急激な温度上昇を生じ、端部ではゆるや
かな温度上昇となる。そして、高温ロールをスプレー水
で冷却するとロール表面温度が冷却水と直接接触し、冷
却性能の悪い膜沸騰あるいは遷移沸騰となる可能性があ
る。

【００２９】そこで、ロール軸方向全体をカバーするよ
うに配置された開放パッド機構により、ロール軸方向の
冷却性能を調整し、ロール温度分布の均一化を図ること
が可能である。その結果、ロールにより圧下されたスト
リップ板材は温度差に基づく熱膨張変形から生ずるサー
マルクラウンの発生を抑制することにより、高品質なス
トリップ材を提供することができる。

【００３０】一方、数段のワークロールやストリップ薄
板は高圧スプレー冷却水により強制的に冷却された後、
材料から除熱して昇温した冷却水、あるいは高温材表面
上で発生した蒸気はそのまま大気中へ放出されて、圧延
設備周りに付着し、材料劣化や鉄鋼設備内環境を悪化さ
せている可能性がある。すなわち、冷却現象から見る
と、ロールやストリップの表面温度は膜沸騰領域となり
従来の流量や圧力制御で容易に温度制御が可能な領域で
はない。

【００３１】そこで、冷却性能の障害となる約２０〜３
０μｍのほぼ安定な蒸気膜に対して、高圧スプレーノズ
ル及び開放パッド機構を介して冷却水膜と蒸気との境界
へ不安定流れを外乱として付加し、高温材と冷却材との
固液接触を強制的に付与することにより、容易に冷却速
度を調整することが可能である。

【００３２】また、材料の品質に関係する板幅方向の温
度分布の均一化も容易に行える。すなわち、ロール及び
ストリップ材のように表面温度が２００〜３００℃以上
の高温材料の冷却においては、冷却性能の悪い膜沸騰領
域での冷却現象であるため、材料の温度分布の均一化を
図るには高流量密度冷却方式とシール機構のない開放パ
ッド機構を用いるのが良好である。

【００３３】熱抵抗である蒸気膜を極力破断し、冷却性
能を容易に向上することができる本発明方式は、従来の
冷却設備及びハード構成を大幅に変えることなく、最適
スプレーノズル配置と開放パッド機構のみで冷却性能向
上及び温度管理が行える最も容易な冷却手段である。

【００３４】以上の点から、高流量密度化を形成する最
適スプレー冷却方式に加えて開放パッド機構を設置する
ことにより、セミクローズド冷却システムを確立する有
効な冷却方式である。これらの作用により、ロール軸方
向温度分布の不均一化に基づくストリップ材のサーマル
クラウン発生を抑制し、またロール表面からの冷却水の
飛散水及び発生蒸気の抑制を可能としたセミクローズド
冷却システムにより、圧延機ロール及びストリップ材の
安全性，信頼性を確保する。

【００３５】（実施例）以下、本発明の一実施例を図１
から図４により説明する。図１は圧延機用ロール冷却装
置の概要図を示す。図２は圧延機用ロール冷却方法の概
要図を示す。図３はスプレー水膜の配置図を示す。図４
はスプレー水膜による冷却対象場の説明図を示す。

【００３６】まず、圧延ロール冷却装置の構成及び動作
について説明する。図１に示すように、上部ワークロー
ル２ａと下部ワークロール２ｂとが設置され、その間に
圧延板材１が通過して圧延される。これら上部ワークロ
ール２ａと下部ワークロール２ｂの上下に、上部ワーク
ロール２ａと下部ワークロール２ｂを指示する上部バッ
クアップロール３ａと下部バックアップロール３ｂとが
設置される。

【００３７】ここで、上部ワークロール２ａ及び下部ワ
ークロール２ｂに、圧延板材１を圧延する際に圧延板材
１からの接触熱伝導による熱流入と、圧延板材１を圧下
する際に生ずる加工熱による熱流入とが存在する。

【００３８】これらの熱流入によるロールの温度上昇を
減少するため、冷却水を噴射する上部冷却用ノズル５ａ
及び下部冷却用ノズル５ｂが設置される。この上部冷却
用ノズル５ａ及び下部冷却用ノズル５ｂは、夫々、上部
冷却用ヘッダー４ａ及び下部冷却用ヘッダー４ｂに支持
され、ロール軸方向及び周方向に複数設置される。

【００３９】そして、当該上部冷却用ノズル５ａ及び下
部冷却用ノズル５ｂから高圧で噴射されるスプレー冷却
水Ａにより、回転している高温の上部ワークロール２ａ
及び下部ワークロール２ｂの表面上に、スプレー水膜を
形成しながら冷却する。

【００４０】図１は、上部冷却用ノズル５ａ及び下部冷
却用ノズル５ｂを夫々ロール周方向に沿って５段設置
し、ロールの回転方向に沿ってストリップ出側に３段、
ストリップ入側に２段設置した場合である。もちろん、
ストリップ出側及び入側には２段以上のヘッダーを設置
すれば、各ヘッダーの周方向に多数のノズルを配置でき
るので、図１の例の段数に限定する必要はない。

【００４１】そして、上部ワークロール２ａ及び下部ワ
ークロール２ｂからスプレー水Ａへ流出熱として系外へ
除去され、ロール内部への入熱がないように熱バランス
を保っている。

【００４２】従来の圧延設備では、大量の高圧スプレー
水をロール表面へ噴射してロール表面温度が約１００℃
以上の状態でも冷却性能を確保していた。しかし、圧延
システムの高性能化の一環として、連続熱間圧延機や強
圧下、小径ロールのようなミニホットの開発において、
ワークロールにとっては従来以上に流入熱負荷の増加が
見込まれる。このような状況では、高圧スプレー水によ
る冷却を行っても、スプレー水の衝突圧の低い場所で
は、ロール表面温度が約２００〜３００℃で遷移沸騰、
約３００℃以上で膜沸騰が生じてしまう。そして、冷却
性能低下の原因となる約数１０μｍ厚さの蒸気膜が存在
し、これが冷却性能を低下させる課題となる。

【００４３】また、蒸気膜の生成は、ロールにより圧下
された圧延板材１がロール軸方向で不均一な温度分布を
生じ、これにより中央部が凸な温度分布により熱膨張変
形を生じ、これに伴うサーマルクラウンの発生が考えら
れる。

【００４４】そこで、蒸気膜の生成を抑制し、ロール冷
却性能を向上するとともに、ロール表面に衝突した冷却
水の飛散、あるいは発生した蒸気を極力回収する必要が
ある。

【００４５】次に、ノズル配置について、図２を用いて
説明する。ロール軸方向にフラットスプレーノズルから
噴射された楕円状水膜が互いに干渉せずに、しかも最適
なノズル配置となるようにノズルを配置することが望ま
しい。図２では、圧延板材１（ストリップ）の出口側の
ロール周方向にスプレーノズル２段を設置した場合のロ
ール縦断面及び横表面の概要を示している。ここでは、
ロール軸方向に任意の角度で設置したスプレー水はロー
ル表面上で楕円状スプレー水膜断面で衝突する。このス
プレー水膜の衝突面積は、ロールの軸方向に互いに水膜
が干渉しないようにスプレーノズル５を配置する。この
ようにすると、楕円状に拡がった水膜端部でスプレー水
の衝突圧力の小さな部分が隣接するスプレー水と互いに
干渉せずに、しかも水力学的にうまく重なり合って十分
な流量密度を確保し、その結果冷却能力が均一に向上す
ることができる。

【００４６】このスプレー水膜の衝突面積の関係を図３
により説明する。図３はロール軸方向配置を示す。ここ
で、ロール軸方向ノズル設置間隔Ｘ，ロールとスプレー
ノズルとの距離Ｈ，ノズル１本から供給される流量Ｑｃ
とし、スプレー水膜の短径方向の幅２ｂ，ロール軸方向
とスプレー水膜長径方向の傾き角度γ，スプレー水膜の
長径方向の拡がり角度θとする。また、スプレー水膜の
長径方向の長さをａとすると、スプレー水膜長径方向の
距離２ａ，スプレー水膜長径周方向の距離ＹＹ，短径方
向のノズル間隔Ｙは次式で表される。

【００４７】 ２ａ＝２Ｈ・tan（θ／２） …（１） ＹＹ＝２ａ・sin（γ） …（２） Ｙ＝Ｘ・sin（γ） …（３） 以上の関係を用いて、二つのスプレー水衝突部に囲まれ
たひし形要素の冷却面積Ａ，流量密度Ｗｃ，ノズルの噴
射圧力Ｐｃ，ロール軸方向長さＬは次式で求まる。

【００４８】 Ａ＝Ｘ・ＹＹ …（４） Ｗｃ＝Ｑｃ／Ａ …（５） Ｐｃ＝ＣＱｃ² …（６） Ｌ＝ｎＸ …（７） ここで、Ｃ：定数（例えば、ノズル型式KSS2050の場
合、Ｃ＝０.００７５kgf／cm²である。）、ｎ：ロール
軸方向のノズル設置個数 以上の関係から、スプレー水膜の長径方向の拡がり角度
θ，ロールとスプレーノズルとの距離Ｈ，ロール軸方向
とスプレー水膜長径方向の傾き角度γ，ロール軸方向ノ
ズル設置間隔Ｘ，ロール軸方向長さＬ，ロール軸方向の
ノズル設置個数ｎ，ロール直径Ｄの幾何学的パラメータ
と、ノズルの噴射圧力Ｐｃ，ノズル１本から供給される
流量Ｑｃとの運転パラメータとがわかれば、基礎実験に
より経験的相関式としてその時のロール冷却時のひし形
要素内の平均熱伝達率ｈｍが求まることになる。

【００４９】これにより、衝突した水膜間で衝突力の小
さな薄い水膜部で冷却性能が低下するのを防止し、ロー
ル軸方向表面温度の均一化を図ることができる。ここ
で、スプレーノズルは同種はもちろん、異種ノズルを用
いても良い。

【００５０】次に、スプレー水が衝突した場合の冷却特
性とその記号を説明する。図４はロール表面上にスプレ
ーされる２つの水膜の概要を示す。スプレー水衝突部の
直下では冷却性能の良好な中心部に凸の局所熱伝達率分
布が形成され、平均熱伝達率ｈaiとなる。

【００５１】一方、これらスプレー水衝突部にはさまれ
たスプレー水の中間部ではロールに衝突後の水膜が回り
込んだ対流冷却のなだらかな局所熱伝達率分布となり、
平均熱伝達率ｈamとなる。この時、ロール軸方向に対し
て（ａ）に示す直線近似、あるいは（ｂ）に示す三次曲
線近似の分布が考えられるが、いずれもひし形要素で構
成される平均熱伝達率ｈａは面積を積分平均すると次式
となる。

【００５２】 ｈａ＝（ｈai＋ｈam）／２ …（８） これにより、２つのスプレー水が衝突したロール表面上
で冷却要素としてロール回転方向に形成される局所熱伝
達率分布を平均した平均熱伝達率を基に、ロール冷却性
能の低下する中間部も考慮した一つのロール冷却ひし形
要素に対する冷却性能がわかれば、これをノズル設置個
数ｎからロール軸方向全体の冷却性能へ展開でき、ロー
ル温度解析からどのようなノズル配置にすれば、適切な
冷却設計が可能かについて設計検討が可能となる。

【００５３】次に、隣接した２つのスプレー水膜に囲ま
れた冷却要素の冷却特性を基礎試験により検討した。図
５にスプレー冷却水の流量密度Ｗｃに対する平均熱伝達
率ｈｍを示す。試験条件は、ノズル型式２０５０を用い
て、ノズル高さをＨ＝200，３００，４００mm、ノズル
間隔Ｘを水膜干渉の有無の両者の範囲で設定した。ここ
で、スプレー噴射圧力Ｐｃをパラメータとした。全ての
条件で流量密度Ｗｃに対して平均熱伝達率が向上してい
る。また、冷却性能は各設定条件Ｈ，Ｘに対してスプレ
ー噴射圧力Ｐｃごとにそれぞれの性能曲線が得られた。

【００５４】これは、冷却性能がスプレー噴射圧力Ｐｃ
に依存していることを示している。したがって、高圧条
件でノズルを適切に配置し、冷却性能を確保する必要が
ある。ここで、図５で得られた冷却性能式を一般式とし
て表示すると、下記のようになる。

【００５５】 ｈｍ＝ａＰｃ^bＷｃ^c（Ｘ／Ｈ)^d …（９） 但し、ｈｍ：ロール表面の熱伝達率，Ｐｃ：スプレー水
の噴射圧力，Ｗｃ：スプレー水の流量密度，Ｘ：ロール
軸方向のノズル設置間隔，Ｈ：ロールとノズルとの距
離，ａ：定数，ｂ：定数，ｃ：定数，ｄ：定数である。

【００５６】すなわち、ロール表面の熱伝達率ｈｍは第
１に流量密度Ｗｃ，第２にＸ／Ｈ，第３にスプレー水の
噴射圧力Ｐｃで支配されていることを意味する。

【００５７】また、これらの結果を各条件ごとにまとめ
ると、下記のようになる。Ｈ＝200mmの場合、Ｗｃ＝１.
５×１０^-2〜２.２×１０^-1ｍ³／ｓ.ｍ² の範囲ではロ
ール冷却性能は下式で示される。

【００５８】 ｈｍ＝４１２Ｐｃ^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^0.384 （０.２５≦Ｘ／Ｈ≦０.６３の場合） …（１０） ｈｍ＝２２１Ｐｃ^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^-0.923 （０.６３≦Ｘ／Ｈ≦０.７５の場合） …（１１） また、Ｈ＝３００mmの場合、Ｗｃ＝１.３×１０^-2〜６.
０×１０^-2ｍ³／ｓ.ｍ²の範囲ではロール冷却性能は下
式で示される。

【００５９】 ｈｍ＝５２３Ｐｃ^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^0.367 （０.３３≦Ｘ／Ｈ≦０.４２の場合） …（１２） hm=258Pc^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^-0.429 （０.４２≦Ｘ／Ｈ≦０.８３の場合） …（１３） そして、Ｈ＝４００mmの場合、Ｗｃ＝７.５×１０^-3〜
４.０×１０^-2ｍ³／ｓ.ｍ²の範囲ではロール冷却性能は
下式で示される。

【００６０】 ｈｍ＝７６７Ｐｃ^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^0.595 （０.３１≦Ｘ／Ｈ≦０.３８の場合） …（１４） ｈｍ＝２６９Ｐｃ^0.246Ｗｃ^0.685（Ｘ／Ｈ)^-0.484 （０.３８≦Ｘ／Ｈ≦０.７５の場合） …（１５） 次に、図６にノズル設置間隔に対する冷却性能について
示す。横軸にロール軸方向ノズル設置間隔Ｘ、縦軸に平
均熱伝達率ｈｍをとる。図は代表的なＨ＝300mmの場合
を示し、流量密度Ｗｃ一定の場合である。図中には次式
(１６)，(１７)に示す短径方向水膜干渉境界値Ｘcritを
破線で併せて示す。

【００６１】 Ｘcrit＝２ｂ／sin（γ） …（１６） ２ｂ＝２Ｈ・tan（β／２） …（１７） 但し、２ｂ：スプレー水短径方向の衝突水膜長さ，β：
スプレー水膜の短径方向の拡がり角度，γ：ロール軸方
向に対するスプレーノズルから噴射される水膜の長径方
向の傾き角度である。

【００６２】図６より、Ｘcritよりもわずかに大きなあ
る距離Ｘの時に平均熱伝達率のピークを持つ。これよ
り、水膜が干渉しないＸ＞Ｘcritの範囲の中の平均熱伝
達率ピーク値の周辺の距離Ｘにノズル配置を設定すれ
ば、ロール軸方向に均一でしかも高性能な冷却が可能で
あることがわかる。本実施例では、Ｘcritは１０５mm、
平均熱伝達率のピーク値はＸが１２０mm付近であり、そ
の差はほぼ１５mmである。この差はＨによっても変化す
るがほぼ５〜３０mm程度と考えられる。Ｘcritから５〜
３０mm程度離れたＸ値にすることにより平均熱伝達率の
ピーク値を得ることが期待できる。また、更なる圧延機
用ロールとしての顕著な冷却効果を得るために（平均熱
伝達率を約３０以上得るために）、本実施例では、平均
熱伝達率のピーク値であるＸ＝１２０mm付近から５０mm
の範囲（Ｘ＝７０〜１７０mm）にすることが望ましいこ
とがわかる。つまり、平均熱伝達率を約３０以上得るた
めには、本実施例では、平均熱伝達率がピーク値を示す
Ｘ値の周辺５０mm前後の範囲が望ましい。

【００６３】次に、図７にノズルとロールの距離に対す
る冷却性能について示す。横軸にノズルとロールの距離
Ｈ、縦軸に平均熱伝達率ｈｍをとる。ノズル設置間隔
Ｘ、流量密度Ｗｃ一定の場合である。図７中には短径方
向水膜干渉境界値Ｘcritを破線で併せて示す。図７よ
り、初期のロール径Ｄｏが長期間使用してある時ΔＤだ
け直径が減少するとＤ’となる。この時、初期のノズル
とロールの距離ＨｏはＨｏ＋ΔＤ／２に増加する。

【００６４】このように、平均熱伝達率ｈｍのピーク値
をはさんで冷却性能が最も大きくなるように図中の斜線
部に示すような初期のＨｏを設定すればよい。したがっ
て、ロールが長期間使用し続けてロール径が小さくなっ
ても、ロールとノズルとの距離Ｈをその径ごとに調整す
れば、ロール冷却に最適な条件で運転できる。

【００６５】次に、図８は流量密度一定の場合のノズル
配置の最適化を示す。横軸にロール軸方向のノズル設置
間隔Ｘに対するロールとノズルとの距離Ｈの比を表す無
次元寸法Ｘ／Ｈ、縦軸に平均熱伝達率ｈｍをとる。条件
はスプレー水の噴射圧力Ｐｃ及びスプレー水の流量密度
Ｗｃを一定とし、パラメータにはＨをとった。

【００６６】これより、各ＨごとにＸ／Ｈに対して平均
熱伝達率ｈｍのピークを持つことがわかる。図８から、
太い線は各Ｈの条件に対する熱伝達率のピーク値を包絡
しており、この線上が冷却性能の最大値を示す。そし
て、その包絡線との交点から左下に下がっている直線が
各々のロールとノズルとの距離Ｈに対する冷却性能を示
す線である。下から、Ｈ＝２００mm，２５０mmと５０mm
きざみでＨ＝５００mmまでを示している。例えば、Ｈ＝
２００mmの場合、最適なＸ／Ｈ＝０.５８ であることが
わかる。

【００６７】次に、図１４に、本発明の一実施例の圧延
機用ロール冷却に関する最適ノズル配置の範囲を示す。
横軸にロール軸方向のノズル設置間隔Ｘ、縦軸にロール
とノズルとの距離Ｈをとる。下記の式（１８）,（１
９）,（２０）を満足するように、ＸとＨが図１４中の
直角三角形で構成される領域が水膜の干渉無しで冷却性
能が最も高い領域を示している。ここで、ノズル間隔Ｘ
がスプレー水膜の短径方向の水膜干渉境界値Ｘcritより
も大きく局所熱伝達率ｈｘが軸方向に対する平均熱伝達
率ｈｍよりも大きな範囲となるＸmax の範囲までの間隔
Ｘにノズルを配置し、ロール全面を均一冷却することを
特徴としている。

【００６８】 Ｈ≦sin（γ）／（２tan（β／２)）Ｘ …（１８） Ｈ≧１００mm …（１９） Ｘ≦Ｘmax …（２０） 次に、本発明のスプレー冷却装置及び方法によるロール
の温度分布について、図９と図１０により説明する。ま
ず、図９はロール軸方向の温度分布図、図１０はロール
回転方向の温度分布図を示す。

【００６９】図９の場合、図１０と同様にスプレー水衝
突の高冷却領域とこれら中間の低冷却領域の分布がロー
ル軸方向にスプレーノズルが最適に配置されたことによ
り緩和されて、ロール軸方向の温度分布が均一となる。
その結果、図９に示すように高圧スプレー水の衝突部と
非衝突部の間での冷却性能の差異が改善され、ロール軸
方向の温度分布が均一となり、極めて冷却改善効果が大
きいことがわかる。

【００７０】また、図１０の場合、ロールバイト出口側
でも高流量密度化により十分に冷却性能が確保され、さ
らにロール出側に冷却水が保持され、しかも衝突後の飛
散水を抑制するように開放パッドがカバーとして作用す
るため、ロール周方向の温度分布は従来例に比べてピー
ク温度が低下し、より平坦化される。すなわち、スプレ
ーノズル配置と開放パッド機構により、スプレー水衝突
による衝突効果を十分維持しながら、開放パッド内のロ
ール回転方向に沿った強制対流効果を併用しているた
め、冷却性能が高く、しかも一様な温度分布となる。

【００７１】次に、本発明の他の実施例を図１１から図
１２により説明する。まず、図１１は本発明の他の実施
例の圧延機用ロール冷却装置である。図１１はスプレー
冷却用ヘッダー４及びノズル５を開放パッド機構Ａ６で
囲った一体構造で水切り機構６ａを有する場合である。

【００７２】上部冷却用ノズル５ａ及び下部冷却用ノズ
ル５ｂの外部の冷却用ヘッダー４ａ，４ｂを囲った開放
パッド機構Ａ６を少なくとも１つ以上設置する。ここ
で、開放パッド機構Ａ６は、回転ロールとシール構造の
必要のない簡易カバー構造である。

【００７３】そして、上部冷却用ノズル５ａから高圧ス
プレー水Ａを噴射することにより、蒸気膜の生成を抑制
して、ロール表面とスプレー水との直接接触によるロー
ル冷却を促進することができる。すなわち、ロール軸方
向温度分布の均一化及び冷却速度の向上を図ることがで
きる。この結果、ロール軸方向にほぼ均一な冷却性能が
確保され、圧延材に生ずるサーマルクラウンを抑制する
ことができる。

【００７４】また、開放パッド機構の設置により、ロー
ルとのシール機構が不要となり、冷却設備に従来のスプ
レー方式を用いることができ、しかも本冷却構造はセミ
クローズド冷却回収システムを構成することができる。

【００７５】ここで、開放パッド機構設置には次の３つ
（第一〜第三）の効果があると考えられる。第一に冷却
水及び発生蒸気の飛散防止、第二にスプレー水のインピ
ンジ冷却の積極的利用とパッド機構による対流冷却の併
用、第三にシール機構不要の簡略パッド構造である。

【００７６】この場合、従来のスプレー冷却設備そのま
ま全体を開放パッド機構Ａ６でカバーすることができる
ので、大幅な改造を伴わない。その結果、冷却性能及び
メンテナンス性能は図１の例と同様に向上する。ここ
で、開放パッド機構のストリップ側、しかもロールバイ
ト出側に水切り機構を設けると、ストリップ表面上への
ロール衝突後のスプレー水飛散水を抑制しストリップの
温度分布の不均一が抑制でき、ストリップ板材の高品質
が確保される。もちろん、水切り機構はロールバイト入
側に設置しても有効である。また、開放パッド機構内部
の上部に凝縮機構を設置し、ロールとスプレー水の間に
発生する蒸気を開放パッド機構内で凝縮水とし、外部へ
の蒸気流出を抑制させるとこができる。

【００７７】さらに、開放パッド機構に水位計を設け、
これら水位の信号から水位調整弁の開度を調整し、常に
高温ロール部に冷却水が一様に保持されるようにし、ロ
ール周方向の温度分布を均一化させることが可能とな
る。

【００７８】本実施例では、ロールと開放パッド機構の
間はシール機構の無いスプレー水が流出可能な構造であ
るが、このギャップに比べて冷却水の供給量が極めて大
きいために、冷却水は十分開放パッド機構内に保持でき
る。

【００７９】また、圧延機用バックアップロールに開放
パッド機構を設置すると、ワークロールの冷却性能改善
はもちろん、バックアップロールにも同様の効果があ
る。この場合、スプレー水の排水ラインは、重力方向に
直列に接続し、排水するのが良好である。

【００８０】次に、上部ワークロール２ａ、下部ワーク
ロール２ｂ、上部バックアップロール３ａ及び下部バッ
クアップロール３ｂの全体のセミクローズド冷却システ
ムを図１２に示す。

【００８１】冷却システムとして、上部バックアップロ
ール３ａ及び下部バックアップロール３ｂへのスプレー
水は開放パッド機構Ｂ９内から排水ライン９ａを介して
上部ワークロール２へのスプレー水と合流する。そし
て、開放パッド機構Ａ６内から圧延設備の下端に設置し
てある冷却水用ピット１０へ排水される。

【００８２】これと逆に、下部の場合、下部ワークロー
ル２ｂ周りの開放パッド機構Ａ６から排水ライン９ｂを
介して、下部バックアップロール３ｂ周りの開放パッド
機構Ｂ９から排水ライン９ｃを介してピット１０へ排水
される。

【００８３】したがって、本実施例の開放パッド機構Ａ
６を設置し、セミクローズド冷却システムを構成すれ
ば、ロールの冷却性能向上及びサーマルクラウンの抑制
が可能となり、また冷却水の飛散及び発生蒸気を抑制す
る冷却水回収システムを構成することが容易となり、そ
の結果、信頼性の高い圧延機用ロール冷却装置を提供す
ることができる。

【００８４】本実施例によれば、熱間圧延システムのロ
ール冷却用スプレー水膜をロール軸方向にスプレー水短
径方向の水膜幅が互いに干渉しないように熱伝達率のピ
ーク値を含んでノズルを最適に配置してロール軸方向の
冷却性能の向上とロール材温度分布の均一化を図り、ま
たロール材の冷却装置にシール機構不要の開放パッド機
構を設置し、スプレー水によるインピンジ冷却を積極的
に利用し、ロール材軸方向温度分布の不均一化に基づく
ロール表面の熱膨張変形によるストリップ材の成形不良
等（サーマルクラウン）を抑制することができ、さらに
冷却水の飛散及び発生蒸気を抑制するメンテナンスフリ
ーの冷却水回収システムを構成することができ、その結
果としてストリップ材の品質向上が可能となり、安全
性，信頼性の高い圧延機用冷却システムを提供できる。

【００８５】

【発明の効果】本発明によると、スプレーノズルから噴
射される冷却水を用いてロールを冷却するに際し、その
冷却性能を向上することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧延機用ロール冷却装置の
概要図。

【図２】本発明の一実施例の圧延機用ロール冷却方法の
概要図。

【図３】本発明の一実施例のスプレー水膜の配置図。

【図４】本発明の一実施例のスプレー水膜による冷却対
象場の説明図。

【図５】基礎試験によるロール冷却性能特性図。

【図６】本発明の一実施例のノズル設置間隔に対する冷
却性能を示す図。

【図７】本発明の一実施例のノズルとロールの距離に対
する冷却性能を示す図。

【図８】本発明の一実施例のノズル配置寸法に対する冷
却性能モデル図。

【図９】本発明の一実施例のロール軸方向に対する熱伝
達率及び温度分布図。

【図１０】本発明の一実施例のロール周方向に対する熱
伝達率及び温度分布図。

【図１１】本発明の他の実施例のヘッダー・開放パッド
一体構造の圧延機用ロール冷却装置。

【図１２】本発明の他の実施例の圧延機用ロール冷却シ
ステム図。

【図１３】従来のスプレー冷却方式圧延機用ロール冷却
装置。

【図１４】冷却性能に影響を及ぼすノズル設置間隔とノ
ズル距離との関係を示す図。

【符号の説明】

１…圧延板材、２ａ…上部ワークロール、２ｂ…下部ワ
ークロール、３ａ…上部バックアップロール、３ｂ…下
部バックアップロール、４ａ…上部冷却用ヘッダー、４
ｂ…下部冷却用ヘッダー、５ａ…上部冷却用ノズル、５
ｂ…下部冷却用ノズル、６…開放パッド機構Ａ、６ａ…
水切り機構、６ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ…排水ライン、７
…ロール表面上スプレー水膜衝突面積、８…凝縮機構、
９…開放パッド機構Ｂ、１０…冷却水用ピット、Ａ…ス
プレー水の流れ、Ｂ…蒸気の流れ、Ｃ…冷却水の流れ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成田 健次郎 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 猪狩 実 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却水をロール表面に噴射するノズルを複
   数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、任意のノ
   ズル流量密度Ｗｃで冷却性能がピーク値付近となるよう
   に、該圧延機用ロールとノズルとの距離Ｈと、ロール軸
   方向のノズル設置間隔Ｘと設定してノズルを配置するこ
   とを特徴とする圧延機用ロールの冷却設備。
2. 【請求項２】冷却水をロール表面に噴射するノズルを複
   数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、任意のノ
   ズル流量密度Ｗｃで冷却性能がピーク値付近となるよう
   に、該圧延機用ロールとノズルとの距離Ｈと、ロール軸
   方向のノズル設置間隔Ｘとを設定するとともに、該圧延
   機用ロールへの平均熱伝達率ｈｍの変化率が小さくなる
   ようにロール直径の変化に基づき前記距離Ｈ及び前記ノ
   ズル設置間隔Ｘとを再設定して該ノズルを配置すること
   を特徴とする圧延機用ロールの冷却設備。
3. 【請求項３】冷却水をロール表面に噴射するノズルを複
   数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、下記（式
   １）に基づき冷却性能を予測できうるように、０.３≦
   Ｐｃ≦１.５ＭＰａ，５.０×１０^-3≦Ｗｃ≦５.０×１
   ０^-1ｍ³／ｓ.ｍ²，０≦Ｘ≦１７５mm，１００≦Ｈ≦５
   ００mmの範囲で該ノズルを設置することを特徴とする圧
   延機用ロールの冷却設備。 ｈｍ＝ａＰｃ^bＷｃ^c（Ｘ／Ｈ)^d …（式１） 但し、ｈｍ：ロール表面の平均熱伝達率，Ｐｃ：スプレ
   ー水の噴射圧力，Ｗｃ：スプレー水の流量密度，Ｘ：ロ
   ール軸方向のノズル設置間隔、Ｈ：ロールとノズルとの
   距離，ａ：定数，ｂ：定数，ｃ：定数，ｄ：定数
4. 【請求項４】冷却水をロール表面に噴射するノズルを複
   数備えた圧延機用ロールの冷却設備において、下記の
   （式２）,（式３）,（式４）を満足するように、ノズル
   間隔Ｘを、スプレー水膜の短径方向の水膜干渉境界値Ｘ
   crit以上、且つ局所熱伝達率ｈｘがロール軸方向に対す
   る平均熱伝達率ｈｍよりも大きな範囲となるＸmax 以下
   に設定して該ノズルを配置することを特徴とする圧延機
   用ロールの冷却設備。 Ｈ≦sin(γ）／（２tan（β／２))Ｘ …（式２） Ｈ≧１００mm …（式３） Ｘ≦Ｘmax …（式４） 但し、２ｂ：スプレー水膜の短径方向の幅，β：スプレ
   ー水膜の短径方向の拡がり角度，γ：ロール軸方向とス
   プレー水膜長径方向の傾き角度
5. 【請求項５】請求項１〜請求項４の何れかに記載の圧延
   機用ロールの冷却設備において、前記ノズルを取り付け
   る冷却用ヘッダーを設け、且つ前記冷却用ヘッダーと開
   放パッド機構とを一体化して設置し、該開放パッド機構
   の下部に冷却水排出機構を設けることを特徴とする圧延
   機用ロール冷却設備。
6. 【請求項６】複数のノズルから冷却水をロール表面に噴
   射してロールを冷却する圧延機用ロールの冷却方法にお
   いて、ノズル流量密度を任意のＷｃとして、ロール直径
   の変化に基づき前記距離Ｈ及び前記ノズル設置間隔Ｘと
   を調整して、該圧延機用ロールへの平均熱伝達率ｈｍの
   変化率を小さくして該ロールを冷却することを特徴とす
   る圧延機用ロールの冷却方法。