JP4874156B2 - 圧延機用ロールの冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧延機用ロールの冷却装置及びその冷却方法に関する。

圧延機用ロールは、例えば高温の圧延材の圧延に使用されるため、その圧延材からの入熱量に見合った冷却を必要とする。また近年では、圧延材の生産性を向上させるために圧延材を圧延機に搬入する間隔を短縮したり、あるいは圧延材の高強度化のために圧延材の加工時に発生する熱量が増加しているため、圧延機用ロールへの入熱量が増加している。そのため、ロールの冷却能力の向上が求められている。

この圧延機用ロールの冷却に関しては、従来より、例えば図１５に示すように、冷却水を供給するヘッダー１００と、ロールＲの外表面に対して冷却水を噴射するスプレーノズル１０１とを備えた冷却装置が提案されている。スプレーノズル１０１には、例えばフラットノズルが用いられている。本冷却装置では、スプレーノズル１０１から噴射される冷却水の任意のノズル流量密度に対して、ロールＲの冷却能力がピーク値付近になるように、ロールＲとスプレーノズル１０１との距離や、ロールＲ軸方向のスプレーノズル１０１の設置間隔を設定している（特許文献１）。

特開２０００−７１００４号公報

一般に、スプレーノズル１０１によるロールＲの冷却能力を決定する際、スプレーノズル１０１から噴射される冷却水のロールＲの外表面における衝突面積は、冷却能力を左右する大きな要因となる。しかしながら、従来のようにスプレーノズル１０１にフラットノズルを用いると、図１６に示すように、スプレーノズル１０１から噴射される冷却水の長手方向の広がり角度αは大きいが、短手方向の広がり角度βは極めて小さい。このため、スプレーノズル１０１から噴射される冷却水は、ほぼ直線状にロールの外表面に衝突し、その衝突面積は小さくなる。したがって、スプレーノズル１０１によるロールＲの冷却能力はそれほど高くなく、ロールＲを効率的に冷却することができなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり冷却水を噴射して圧延機用ロールを冷却するに際し、当該ロールを効率よく冷却することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の冷却装置は、圧延機用ロールに冷却水を噴射して、当該ロールを冷却する冷却装置であって、冷却水を噴射し、当該冷却水のロール外表面における衝突部がロール軸方向に複数並ぶように配置された複数のフルコーンノズルと、前記複数のフルコーンノズルからの冷却水の衝突部の下方において、冷却水を噴射し、当該冷却水のロール外表面における衝突部がロール軸方向に複数並ぶように配置された複数のフラットノズルと、を有し、前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、水平又は傾斜していることを特徴としている。

ロールから同一距離にフルコーンノズルとフラットノズルを配置して、それぞれのノズルからロールの外表面に冷却水を噴射した場合、フルコーンノズルから噴射される冷却水は、フラットノズルから噴射される冷却水よりも、ロールの外表面における衝突圧力が小さくなるが、衝突面積は大きくなる。そして、冷却水の衝突面積は、衝突圧力よりもノズルによるロールの冷却能力の決定に大きく寄与する。したがって、衝突面積の大きいフルコーンノズルの方がフラットノズルよりも冷却能力が高くなる。本発明においては、フルコーンノズルが用いられているので、従来のフラットノズルを用いた場合よりもロールを冷却する能力が向上し、ロールを効率よく冷却することができる。したがって、ロールの温度低下が速くなるので、圧延機のロールに搬入される圧延材の間隔を短縮して、圧延材の生産性を向上させることができる、またロールの冷却が安定するので、圧延材の形状、板厚精度を向上させることができる。さらにロールが熱せられている時間が短くなるので、ロールの交換頻度を低減することもできる。

ところで、フラットノズルに代えてフルコーンノズルを用いた場合、フルコーンノズルから噴射される冷却水は、ロール外表面においてロール軸方向に十分な速度成分を持たないため、ロール軸方向に排出されにくい。このため、大量の冷却水がロールの外表面に沿って流れ落ちて、例えば下方にある水切り板の後方や、水切り板とロールとの隙間から冷却水が漏れて圧延材に掛かることが懸念される。本発明によれば、複数のフルコーンノズルから噴出された冷却水の衝突部の下方において、複数のフラットノズルから噴出された冷却水の各衝突部が、水平又は傾斜して、ロール軸方向に複数並べられている。この複数のフラットノズルからの冷却水は、ロール外表面においてロール軸方向に大きな速度成分を有するので、ロール軸方向の排水能力が高い。これにより、フルコーンノズルから噴射された冷却水は、ロールの外表面に衝突後、ロール軸方向に大きな速度成分を有するフラットノズルからの冷却水によって、ロール軸方向に排出される。この結果、ロールの下部の水切り板上に落下する冷却水の量が低減され、例えば冷却水が水切り板から漏れて圧延材に落下することが防止できる。以上のように、本発明の冷却装置によれば、フルコーンノズルからロールに冷却水を噴射することにより従来よりもロールの冷却能力を向上させると共に、フルコーンノズルからの冷却水の衝突部の下方にフラットノズルからの冷却水の衝突部を配置して、冷却水の排水性も確保できる。

前記複数のフラットノズルからの冷却水の衝突部は、ロールの外表面に沿って上方向から見て、ロール軸方向に隙間がないように配置されていてもよい。これによって、フルコーンノズルからロールに噴射されたほとんどの冷却水を、ロール軸方向の端部に流して排出することができる。またこのような冷却水の排出を行うために、冷却水のロールの外表面における衝突部が直線状になるフラットノズルを用いているので、少ない数量のフラットノズルを配置することで、冷却水の衝突部をロール軸方向に隙間なく配置することができる。

前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロールの軸方向の中心部側より端部側が低くなるように傾斜していてもよく、逆に前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロールの軸方向の中心部側より端部側が高くなるように傾斜していてもよい。また、前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロール軸の方向の一の端部側が他の端部側より低くなるように傾斜していてもよい。これによって、フルコーンノズルから噴射された冷却水がより確実にロールの軸方向の端部に流される。

前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、水平であり、ロール軸方向に並ぶ前記複数のフラットノズルからの冷却水の衝突部は、ロール回転方向に複数列に配置され、隣り合う衝突部は、ロールの外表面に沿って上下にずれており、当該隣り合う衝突部の端部同士は、ロールの外表面に沿って上方向から見て重なっていてもよい。

前記フルコーンノズルからの冷却水の衝突部は、ロール軸方向に一列に配置され、前記一列に配置された衝突部は、ロール回転方向に多段に配置されていてもよい。

前記フルコーンノズルからの冷却水の隣り合う段の各衝突部は、千鳥状に配置されていてもよい。なお、フルコーンノズルからの冷却水の隣り合う段の各衝突部同士は、ロール外表面に沿って上方から見て重なっていてもよい。

前記フルコーンノズルは、ロールの軸方向の中心部から外側に傾けて冷却水を噴射してもよい。

別な観点による本発明の冷却方法は、圧延機用ロールに冷却水を噴射して、当該ロールを冷却する冷却方法であって、複数のフルコーンノズルからロールの外表面に冷却水を噴射し、前記複数のフルコーンノズルから噴射された前記冷却水を、ロールの外表面に衝突後、複数のフラットノズルから噴射された冷却水によって、ロール軸方向の端部方向に流し出すことを特徴としている。

本発明によれば、冷却水を噴射して圧延機用ロールを冷却するに際し、フルコーンノズルを有する冷却装置を用いることで、その冷却能力を向上させ、当該ロールを効率よく冷却することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる冷却装置１の構成の概略を示す構成図であり、図２はロール軸方向の冷却装置１の側面図である。

冷却装置１は、図１及び図２に示すように、圧延材Ｓを圧延する上部側のロールＲの軸方向に延びるヘッダー２を有している。ヘッダー２は、内部に冷却水を流す円管状であり、図示しない冷却水供給源に接続されている。ヘッダー２は、ロールＲの回転方向に複数段、例えば５段、ロールＲに対して圧延材Ｓの搬送方向側に設置されている。５段のヘッダー２は、その両端をフレーム３によって支持されている。

５段のヘッダー２のうち、上から１段目〜４段目までのヘッダー２には、フルコーンノズル４がヘッダー２の軸方向に複数配置されている。フルコーンノズル４は、図３に示すように、フルコーンノズル４の中心軸とロールＲの外表面の垂線との傾斜角θが鉛直方向に５度以内になるように配置されている。またフルコーンノズル４の中心軸は、図４に示すように、ロールＲの外表面の垂線と水平方向に同一方向となっている。フルコーンノズル４は、図５に示すように、冷却水の広がり角度αが４０度以内になるようにロールＲに対して円錐状に冷却水を噴射することができる。フルコーンノズル４から噴射される冷却水は、図６に示すように、ロールＲの外表面において円形状の衝突部６を形成する。

上述の５段のヘッダー２のうち、最下段のヘッダー２には、図１及び図２に示すようにフラットノズル５がヘッダー２の軸方向に複数配置されている。フラットノズル５から噴射される冷却水は、図６に示すように、ロールＲの外表面において直線状の衝突部７を形成する。

フラットノズル５の下方には、図１に示すように、ロールＲの外表面に沿ってロールＲ軸方向に延びる水切り板８が設けられている。水切り板８の先端部は、ロールＲの外表面に沿って先鋭化されている。

次に、フルコーンノズル４とフラットノズル５から噴射された冷却水のロールＲの外表面における衝突部６、７の配置について説明する。フルコーンノズル４から噴射された冷却水の衝突部６は、図６に示すように、ロールＲ軸方向に一列に複数配置され、当該一列に配置された衝突部６は、ロールＲ回転方向に４段設けられている。隣り合う段の各衝突部６は、千鳥状に配置されている。

フルコーンノズル４からの冷却水の衝突部６の下方には、フラットノズル５からの冷却水の衝突部７が、ロールＲ軸方向に複数配置されている。衝突部７は、ロールＲの軸方向の中心部Ｃから端部Ｅ側に向けて下方に傾斜している。また衝突部７は、ロールＲの外表面に沿って上方向から見て、ロールＲ軸方向に隙間がないように配置されている。

本実施の形態にかかる冷却装置１は以上のように構成されており、次に冷却装置１を用いてロールＲを冷却する方法について説明する。

圧延材Ｓを圧延するためにロールＲが回転し始めると、ヘッダー２に冷却水が供給される。そして、フルコーンノズル４とフラットノズル５から冷却水がロールＲの外表面に噴射される。この際、図６に示すように、フルコーンノズル４から噴射される冷却水の衝突部６は円形状になり、フラットノズル５から噴射される冷却水の衝突部７は直線状で、ロールＲの軸方向の中心部Ｃから端部Ｅ側に向けて下方に傾斜している。

各フルコーンノズル４から噴射された冷却水は、ロールＲの外表面に衝突後、ロールＲを冷却しながらロールＲの外表面に沿って流れ落ちる。このフルコーンノズル４からの冷却水によりロールＲが高い冷却能力で冷却される。その後、冷却水はフラットノズル５から噴射された冷却水流上に落下する。そして、フルコーンノズル４からの冷却水は、フラットノズル５から噴射された冷却水流のロール軸方向の流れによって、ロールＲ軸方向の端部Ｅ側に流されて排出される。また、フラットノズル５から噴射された冷却水も、ロールＲの外表面に衝突後、ロールＲを冷却する。そして、当該冷却水の一部は、上述のようにフルコーンノズル４からの冷却水と共にロールＲの軸方向に流れ、ロールＲの軸方向の端部Ｅから排出される。また、フラットノズル５からの残りの冷却水は、下方の水切り板８上に落下し水切り板８の側方から排出される。

以上の実施の形態によれば、従来用いていたフラットノズルより冷却能力の高いフルコーンノズル４を設けているので、ロールＲを冷却する能力が従来よりも向上し、ロールＲを効率よく冷却することができる。したがって、ロールＲの温度の低下が速くなるので、ロールＲによって圧延される圧延材Ｓを圧延機に搬入する間隔を短縮して、圧延材Ｓの生産性を向上させることができる、またロールＲの冷却が安定し、ロールＲの熱膨張が抑制されるので、圧延材Ｓの形状、板厚精度を向上させることができる。さらにロールＲが熱せられている時間が短くなるので、ロールＲの表面の材質劣化が抑制され、ロールＲの交換頻度を低減することができる。また、フルコーンノズル４の冷却水の衝突部６の下方に、フラットノズル５の冷却水の衝突部７が、ロールＲ軸方向に沿って並べて配置されたので、フラットノズル５から噴射された冷却水によって、フルコーンノズル４から噴射された冷却水をロールＲの軸方向の端部側に排出できる。以上のように、本実施の形態の冷却装置１によれば、フルコーンノズル４からロールＲに冷却水を噴射することにより従来よりもロールＲの冷却能力を向上させると共に、フルコーンノズル４からの冷却水の衝突部６の下方にフラットノズル５からの冷却水の衝突部７を配置して、冷却水の排水性も確保することができる。

ここで、フルコーンノズルのほうがフラットノズルよりもロールの冷却能力が高いことについて検証する。図７に示すように、仕上げロールとしてのロールＲの外表面に冷却水を噴射する際に、フルコーンノズルを用いた場合とフラットノズルを用いた場合における、それぞれのノズル１０によるロールＲの冷却能力の比較を行う。この実験において、ノズル１０はヘッダー２の軸方向に複数配置され、ヘッダー２はロールＲに対して圧延材Ｓの搬送方向側に３段、ロールＲに対して圧延材Ｓの搬送方向反対側に１段設けられている。ノズル１０の下方には、水切り板８がそれぞれ設けられている。このノズル１０によるロールＲの冷却能力の比較を行った結果を図８に示す。図８（ａ）はロールＲの回転数が５０ｒｐｍ（１２０ｍｐｍ）の場合、図８（ｂ）はロールＲの回転数が２００ｒｐｍ（５００ｍｐｍ）の場合の冷却能力を示したグラフである。冷却能力としては、ロールＲを５５０℃から４５０℃まで冷却する際に、ロールＲの外表面における平均冷却速度を測定している。なお、この実験を行うに際し、ヘッダー２を流れる冷却水の水温は２１〜２４℃とし、冷却水の圧力は１ＭＰａ、１．５ＭＰａと変化させている。

図８（ａ）、（ｂ）を参照すると、ヘッダー２を流れる冷却水の圧力を変化させたり、ロールＲの回転数を変化させても、フルコーンノズルを用いた方がフラットノズルを用いるよりも、冷却能力が高くなることが分かる。これは、フルコーンノズルから噴射される冷却水（図７の破線）のロールＲにおける衝突面積が、フラットノズルから噴射される冷却水（図７の一点鎖線）のロールＲにおける衝突面積よりも大きく、衝突角度が小さいためであると考えられる。

また別な観点で図８（ａ）、（ｂ）を参照すると、フルコーンノズルを用いた場合、ヘッダー２を流れる冷却水の圧力を低減しても、水圧変化に対して冷却能力の低下が少ないことが分かる。これは、フルコーンノズルを用いた場合、水圧を低減しても高い冷却能力を維持できることを意味する。したがって、フルコーンノズルを用いることにより、水圧低減による省エネも図られることが分かる。さらに、ロールＲの回転数を増加させると、フルコーンノズルの冷却能力が向上することも確認できる。

また、図９に示すように、粗ロールとしてのロールＲの外表面に対して冷却水を噴射する際に、フルコーンノズルを用いた場合とフラットノズルを用いた場合における、それぞれのノズル１０によるロールＲの冷却能力の比較を行う。この実験において、ノズル１０はヘッダー２の軸方向に複数配置され、ヘッダー２はロールＲに対して圧延材Ｓの搬送方向側に１段設けられている。このノズル１０によるロールＲの冷却能力の比較を行った結果を図１０に示す。冷却能力としては、ロールＲを５５０℃から４５０℃まで冷却する際に、ロールＲの外表面における平均冷却速度を測定している。なお、この実験を行うに際し、ヘッダー２を流れる冷却水の水温は２７〜３０℃とし、冷却水の圧力は０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａと変化させている。またロールＲの回転数は、１０７ｒｐｍ（２７０ｍｐｍ）としている。この場合においても、フルコーンノズルから噴射される冷却水（図９の破線）のロールＲにおける衝突面積が、フラットノズルから噴射される冷却水（図９の一点鎖線）のロールＲにおける衝突面積よりも大きいため、フルコーンノズルを用いた方がフラットノズルを用いるよりも、冷却能力が向上していることが分かる。

本実施の形態によれば、フラットノズル５からの冷却水の衝突部７が、ロールＲ軸方向に隙間がないように配置されているので、フルコーンノズル４からロールＲに噴射された冷却水がより確実にロールＲの端部Ｅから排出される。このため、フラットノズル５の下方に設置された水切り板８に落下する冷却水が減少し、水切り板８にかかる負荷を軽減することができる。さらに、フラットノズル５からロールＲに噴射され下方に落下する冷却水は、水切り板８によってロールＲ軸方向の端部Ｅに流れて排出される。このようにフルコーンノズル４とフラットノズル５から噴射される冷却水はロールＲの下方を搬送される圧延材Ｓ上に落下することがないので、圧延材Ｓの圧延を適正に行うことができる。

さらに、フラットノズル５からの冷却水の衝突部７は、ロールＲの軸方向の中心部Ｃから端部Ｅ側に向けて下方に傾斜しているので、冷却水がロールＲの軸方向に向けた高い排出能力を有し、フルコーンノズル４からロールＲに噴射された冷却水をより確実にロールＲ軸方向の端部Ｅに流し排出することができる。

以上の実施の形態では、フラットノズル５からの冷却水の衝突部７は、ロールＲの軸方向の中心部Ｃから端部Ｅ側に向けて下方に傾斜していたが、図１１に示すように、衝突部７は水平にしてもよい。この場合、隣り合う衝突部７、７は、ロールＲの外表面に沿って上下にずれており、この隣り合う衝突部７、７の端部同士は、ロールＲの外表面に沿って上方向から見て重なっている。また図１２に示すように、衝突部７はロールＲの一の端部Ｅ側に向けて下方に傾斜していてもよく、図１３に示すように、衝突部７はロールＲの軸方向の中心部Ｃから端部Ｅ側に向けて上方に傾斜していてもよい。かかる例においても、フルコーンノズル４から噴射され下方に落下する冷却水は、フラットノズル５から噴射される冷却水によって、ロールＲ軸方向の端部Ｅに流れて排出される。

以上の実施の形態では、フルコーンノズル４の中心軸は、ロールＲの外表面の垂線と水平方向に同一方向になっていたが、図１４に示すように、ロールＲの軸方向の中心部Ｃから外側に傾斜していてもよい。この場合、ロールＲの軸方向の中心部から一の端部Ｅ１側のフルコーンノズル４の中心軸は、ロールＲの外表面の垂線との傾斜角φが水平方向に５度以内になるようにロールＲの端部Ｅ１側に傾斜している。またロールＲの軸方向の中心部から他の端部Ｅ２側のフルコーンノズル４の中心軸は、ロールＲの端部Ｅ２側に傾斜している。かかる例によれば、フルコーンノズル４からロールＲに向けて、冷却水がロールＲ軸方向の端部Ｅ１、Ｅ２側に傾斜して噴射されるので、ロールＲの外表面に衝突後に下方に落下する冷却水をさらに確実にロールＲ軸方向の端部Ｅ１、Ｅ２に流すことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、圧延機用ロールの冷却装置及びその冷却方法に有用である。

本実施の形態にかかる冷却装置の構成の概略を示す構成図である。 本実施の形態にかかる冷却装置の側面図である。 ロールに対するフルコーンノズルの向きを示した側面図である。 ロールに対するフルコーンノズルの向きを示した平面図である。 フルコーンノズルから冷却水が噴射される様子を示した説明図である。 フルコーンノズルとフラットノズルから噴射された冷却水のロール外表面における衝突部を示したロールの側面図である。 フルコーンノズルとフラットノズルの冷却性能を比較する実験のための冷却装置の構成の概略を示す構成図である。 フルコーンノズルとフラットノズルの冷却性能を比較結果のグラフである。 フルコーンノズルとフラットノズルの冷却性能を比較する実験のための冷却装置の構成の概略を示す構成図である。 フルコーンノズルとフラットノズルの冷却性能を比較結果のグラフである。 フルコーンノズルとフラットノズルから噴射された冷却水のロール外表面における衝突部を示したロールの側面図である。 フルコーンノズルとフラットノズルから噴射された冷却水のロール外表面における衝突部を示したロールの側面図である。 フルコーンノズルとフラットノズルから噴射された冷却水のロール外表面における衝突部を示したロールの側面図である。 ロールに対するフルコーンノズルの向きを示した平面図である。 従来の冷却装置の構成の概略を示す構成図である。 フラットノズルから冷却水が噴射される様子を示した説明図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２ ヘッダー
４ フルコーンノズル
５ フラットノズル
６ 衝突部
７ 衝突部
８ 水切り板

Claims (10)

1. 圧延機用ロールに冷却水を噴射して、当該ロールを冷却する冷却装置であって、
   冷却水を噴射し、当該冷却水のロール外表面における衝突部がロール軸方向に複数並ぶように配置された複数のフルコーンノズルと、
   冷却水を噴射し、当該冷却水のロール外表面における衝突部が前記複数のフルコーンノズルからの冷却水の衝突部の下方においてロール軸方向に複数並ぶように配置された複数のフラットノズルと、を有し、
   前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、水平又は傾斜していることを特徴とする、圧延機用ロールの冷却装置。
2. 前記複数のフラットノズルからの冷却水の衝突部は、ロールの外表面に沿って上方向から見て、ロール軸方向に隙間がないように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
3. 前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロールの軸方向の中心部側より端部側が低くなるように傾斜していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
4. 前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロールの軸方向の中心部側より端部側が高くなるように傾斜していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
5. 前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、ロールの軸方向の一の端部側が他の端部側より低くなるように傾斜していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
6. 前記複数のフラットノズルからの冷却水の各衝突部は、水平であり、
   ロール軸方向に並ぶ前記複数のフラットノズルからの冷却水の衝突部は、ロール回転方向に複数列に配置され、
   隣り合う衝突部は、ロールの外表面に沿って上下にずれており、当該隣り合う衝突部の端部同士は、ロールの外表面に沿って上方向から見て重なっていることを特徴とする、請求項２に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
7. 前記フルコーンノズルからの冷却水の衝突部は、ロール軸方向に一列に配置され、前記一列に配置された衝突部は、ロール回転方向に多段に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の圧延機用ロールの冷却装置。
8. 前記フルコーンノズルからの冷却水の隣り合う段の各衝突部は、千鳥状に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の圧延機用ロールの冷却装置。
9. 前記フルコーンノズルは、ロールの軸方向の中心部から外側に傾けて冷却水を噴射することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の冷却装置。
10. 圧延機用ロールに冷却水を噴射して、当該ロールを冷却する冷却方法であって、
    複数のフルコーンノズルからロールの外表面に冷却水を噴射し、
    前記複数のフルコーンノズルから噴射された前記冷却水を、ロールの外表面に衝突後、複数のフラットノズルから噴射された冷却水によって、ロール軸方向の端部方向に流し出すことを特徴とする、圧延機用ロールの冷却方法。

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