JP5351050B2 - 圧延のために使用されるローラーを高乱流環境で冷却するための装置と方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高乱流環境に基づいて可変直径の圧延シリンダー(またはロール)を冷却するための新しい方法(高乱流冷却、HTC)に関する。この方法は高乱流ワークロール冷却(HTRC)と呼ばれる。
本発明はまた、この方法を実施するための装置に関する。
熱間圧延シリンダーの加熱は、圧延されている金属のストリップのような製品から伝導によるロールへの熱の伝達のためである。近年、圧延シリンダーの冷却は、発生した熱機械的疲労の結果としての前記シリンダーの劣化(摩耗)、及びシリンダーの曲率の制御に対するその非常に大きな影響力のために徹底的に研究されている。シリンダーの劣化は、製品の品質に非常に大きな影響力を持つ。
圧延機スタンドのワークシリンダーを冷却するための典型的な設備は、例えば文献JP−A−2001 340908、JP−A−2001 001017、JP−A−07 116714、JP−A−05 104114、JP−A−63 39712、JP−A−61 176411等に述べられている。冷却水管、モジュールまたはタンクは噴霧器を装備しており、冷却水を供給するための手段と共に各シリンダー周りに配置されている。冷却水のための案内板は、上部シリンダー及び下部シリンダーに関連して配置されている。これらの案内板は、圧延されている製品の上に水が流れるのを防ぐためにシリンダーのそれぞれに組合された例えばゴムで覆われたスクレーパーを装備している。
ワークシリンダーの冷却の場合に解決されるべき主要な問題は、幅を横切ってかつ円周周りの均一な冷却を得ることである。冷却モジュールの種々のノズルにより供給される流れが赤外温度計のようなセンサにより提供されるデータに基づいて個別に調節される解決策が存在する(例えばJP−A−12 24105)。別の解決策は、軸方向寸法及び円周方向寸法で適切なパターンに従って分散された水噴霧穴を持つヘッドを使用することにある(JP−A−10 291011)。第三の解決策は、側方案内上にノズルを持つ電動式ヘッドを使用することである(EP−A−0599277)。
最近の著者達は、一つ目にはロール隙間にできるだけ接近して配置されたノズルの衝撃がより効果的となること、及び二つ目には平坦なノズルによる強い冷却が覆われた表面よりロールの温度に対する影響力が小さいことを認めている(YE,X.and SAMAVASEKARA,I.V.,The Role of Spray Cooling on Thermal Behaviour and Crown Development in Hot Strip Mill Work Rolls,Transactions of the ISS,July 1994,p.49)。ロールから出口点に接近したロールの冷却の利用の一つの可能な結果は、ロールの表面の張力勾配の増加及び割れの悪化(「ファイヤーひび割れ」)であるが、ロールの表面の下により低い温度を持つ(SEKIMOTOら、SEAISI季刊誌、四月1977、48頁)。
ロールを冷却するために使用される噴霧(またはノズル)のタイプがHTC値に著しい影響を持つことは知られている。VAN STEDEN and TELLMAN in A new method of designing a work roll cooling system for improved productivity and strip quality,Fourth International Hot Rolling Conference,Deauville,France,1987は、400℃に加熱してからシリンダーが回転しているときに水噴霧による冷却を行った後にシリンダーに取付けられた板の熱応答を測定することによって平坦、四角形及び楕円形の噴出口を持つノズルの性能を比較した。140kw/m.Kまでの値が、考慮されたノズルの範囲に対して得られた。この研究は、噴霧ピークに関しての最高HTC値が平坦なタイプの噴出口を持つノズルにより達成されることを示した。しかし、この研究は、同じ冷却性能が低いピークのHTC値を持つノズルにより得られることができるがその噴出口がロールの表面のかなり大きな部分に渡って適用されるという事実を明らかに無視している。従って、ノズルと関連したHTC値とロールの効果的な冷却のためのノズルの種々のタイプの適合性の両者に関して文献中の著しい差に人は注目する。
平坦な噴出口を持つノズルに基づく平坦なストリップの圧延において、冷却システムがさらに改善されることができることは確かである。しかし、これらの改善は、高圧及び高流速で作業されるので、限定され、費用が非常に高い。
近年、ワークシリンダーの表面に接近して配置されかつ流れ循環を持つヘッドに基づいた種々の代替冷却技術が特許されている(例えばEP−A−919297、JP−A−11 033610)。しかし、これらの冷却システムの工業的利用は知られていない。ロール冷却装置もまた、知られており、そこでは冷却ヘッドは、水がロールの表面上に案内されることを確保するような形状をしている。ヘッドの表面はロールの表面から隙間により分離されており、隙間内に冷却水が循環し、一種の「スリーブ」を作る(JP−A−61 266110、JP−A−63 303609、JP−A−20 84205)。水は、ヘッドの一端を通して供給され他端で排出されることができるか(JP−A−20 84205)、または両端を通して供給され中央で排出されることができるかのいずれかであり(EP−A−919297)、排水は、ロールの周囲周りの洩れを防ぐスクレーパーシステムによりヘッド自体を通して行われる。外側への排水はまた、ヘッドの一端とロールの表面との間で行われることができる(JP−A−11 277113)。文献JP−A−58 047502はさらに、ロールの表面に適合するようにばねにより変形可能な冷却シューを記載する。
これらのシステムでは、冷却ヘッドの全表面に渡って散布される水供給噴霧器はないが、代わりに一般的に一つの単一噴霧器がある。
出願人は、1993年に代替冷却技術を試験することを始めた。試験は高乱流、低圧(HTLP)環境での冷却ヘッドにより及びスクレーパーを越えて配置されたウォーターピロー冷却(WPC)ヘッドにより実施された。両技術はともに、ロールの表面上に強い乱流を作ることを可能にする。この方法では、非常に均一な冷却パターンが得られる。高乱流冷却の予備シミュレーションは、ワークシリンダーを冷却するためのこの技術の可能性を示した。高乱流冷却は、熱疲労を、従ってワークシリンダーの表面の劣化を減らす。さらに、冷却時に浪費される熱の同じ流れに対し、この技術は、平坦な噴出口を用いた蒸発による冷却のための伝統的な構成と比べて、低い流速と圧力を必要とする。
本発明は、従来技術の欠点を克服することを可能にする解決策を提供することを目的とする。
特に、本発明は、熱機械的疲労の減少を、従ってシリンダーの表面の少ない劣化を保障しながら、圧延シリンダーの効果的な冷却を提供することを目的とする。
本発明はまた、従来技術の冷却システム、特に等価な熱交換で平坦な噴出口を持つ冷却システムより低い流速と水圧を必要とすることを目的とする。
本発明はさらに、可変直径のシリンダーに容易に適合されることができる冷却装置を設計することを目的とする。
本発明の第一態様は、長いまたは平坦な製品のための圧延機スタンドのワークシリンダーのための冷却装置に関し、それが、前記シリンダーから短い距離に配置された、前面上を除いてほぼ本質的に水密的である箱の形の冷却ヘッドを含み、そこに幾つかのノズルが二次元パターンに従って機械加工または配置され、液体冷却剤を供給するための手段を備えた前記箱が、装置が作業位置にあるときに前記前面とシリンダーの表面との間の半径方向の距離がロール隙間に最も接近した箱の端部から出発して圧延されている製品から離れていくように増加するような半径を持って、前面のレベルで凹面形でありかつ円筒状であることを特徴とする。
本発明によれば、冷却ヘッドは、シリンダーに対して長手方向に配置された横方向下方板を備えており、この横方向下方板は、液体冷却剤の流れの制御及びその高乱流ウォーターピローの形の閉じ込めを確保するために箱の前面と共働するようにシリンダーからある距離に設けられている。この横方向下方板の存在は、小さな直径のシリンダーの場合に必須である。
一つの利点として、冷却ヘッドはまた、シリンダーの横方向端部の側面に配置された調整可能な側面板を備えており、この側面板は、液体冷却剤の流れの制御及びその高乱流ウォーターピローの形の閉じ込めを確保するために前記側面板が箱の前面及び横方向下方板と共働するようにシリンダーからある距離に設けられている。
一つの利点として、側面板の曲率は、この設備で使用されるシリンダーの最大曲率と合致する。
好適実施態様によれば、前面は板またはシートを含み、そこに真直ぐな軸方向断面の小さな穴から作られた開口のノズルが配置または機械加工されている。
さらに好ましくは、ノズルの開口は円形、四角形または楕円形の横断面のものである。
前面の円筒状凹面形表面の半径はシリンダー半径の予め決められた最大値より高い値を持ち、それが使用可能なシリンダーの寸法の範囲を制限する。
さらに、本発明によれば、ノズルを機械加工するためのパターンは、シリンダーの全表面を横切って、特にシリンダーの幅を横切って、シリンダーの冷却をできるだけ均一にするように選ばれる。
一つの利点として、ノズルを機械加工するためのパターンは、前記前面の板の開口の数、位置及び直径または寸法により規定される。
別の好適実施態様によれば、開口は予め決められた母型に従って機械加工され、上述のパターンは幾つかの開口を塞ぐことにより得られる。
一つの利点として、液体冷却剤は水を含む。
本発明の別の態様は、上述の装置を使用して、長いまたは平坦な製品、特に金属ストリップのための圧延機スタンドのワークシリンダーを冷却するための方法に関し、そこでは:
− 冷却ヘッドは、箱の前面とシリンダーの前記表面との間に5〜200mmの隙間を作るためにシリンダーの表面に接近して配置され、前記隙間は、ロール隙間から出発して圧延されている製品から離れて行くように増加し;
− 冷却ヘッドは、液体冷却剤、好ましくは水を供給されており、この水は、1〜6mmの直径を持つ開口を有するノズルを通して前記隙間中に噴霧され;
− 前記隙間に高乱流状態の液体ピローを作るために、液体冷却剤の圧力が1〜6barの値及び100〜500m/hour/mの比流量に調整される。
箱の液体冷却剤の圧力は好ましくは4bar未満である。
さらに好ましくは、液体冷却剤の圧力は2〜4barである。
さらに、本発明の方法によれば、横方向下方板とシリンダーの間の距離は、この隙間に2〜10m/s、好ましくは3m/sより大きい液体の比流量を作るように調整される。
側面板は好ましくは0〜10mmの最小開口を持つように調整される。
図1は、従来技術(平坦なノズル)による熱間圧延ライン上のワークシリンダーの冷却ヘッドの原理を概略的に示す一つの実施態様を示す。 図2は、従来技術(平坦なノズル)による熱間圧延ライン上のワークシリンダーの冷却ヘッドの原理を概略的に示す別の実施態様を示す。
図2Aは、本発明の場合(高乱流冷却)のかかる冷却ヘッドの原理を示す一つの実施態様を概略的に示す。図2Bは、本発明の場合(高乱流冷却)のかかる冷却ヘッドの原理を示す別の実施態様を概略的に示す。 図2Cは、本発明の場合(高乱流冷却)のかかる冷却ヘッドの原理を示す別の実施態様を概略的に示す。図2Dは、本発明の場合(高乱流冷却)のかかる冷却ヘッドの原理を示す別の実施態様を概略的に示す。
図3は、8bar圧力の通常の設備及び2.4bar圧力で水案内板を持つ本発明のようなHTRC設備の場合のそれぞれの、ワークシリンダーの種々の位置での経時的な温度の変化をグラフで示す。
図4は、HTRC冷却ヘッドの工業設備を示す。
図5は、従来技術の高圧での平坦な噴出口による冷却と比べた低圧での(下方シリンダーのレベルでのみの)本発明の設備の冷却性能をグラフで示す。
図6は、三つのHTRC構成の場合及び従来技術の構成の場合のそれぞれの上部及び下部シリンダーの表面の劣化を示す。
図7は、従来技術の冷却(左側)及び本発明のHTRC冷却(右側)をそれぞれ使用した圧延操業後のシリンダーの表面の状態を示す。
従来技術の実施態様の説明
図1と2は、この例では、独立管上に取付けられたノズル(図1)またはモジュール上に取付けられたノズル(図2)のいずれかによる従来技術の圧延ミルのワークロールのための冷却設備を概略的に示す。一対のロールは、鋼ストリップ3を動かすように反対方向に回転する上部ロール1と下部ロール2を含む。上部ロールのレベルに、上部ロール1に対面する平坦なノズル40を備えた冷却装置4Aがあり、それはその制御付属品を持つ。下部ロールのレベルに、下部ロール2に対面する平坦なノズル40を備えた冷却装置4Bがあり、それはその制御付属品を持つ。
図1の装置では、ノズルは四つの管上に配置されており、一方、図2の装置では、ノズルはモジュール4A,4Bに取付けられている。
一般的に、ノズルとシリンダー間の距離は150〜500mmであり、それは単一の冷却装置で異なる直径のシリンダーを使用することができない。
本発明の幾つかの好適実施態様の説明
図2A〜2Dに示された本発明によれば、冷却ヘッドはWPC技術を、すなわち冷却ヘッドとワークロールの表面との間に高乱流水のピローを作ることを目的として、実施するように設計されている。乱流は、出願人により開発された真直ぐな噴出口を持つノズルを通してウォーターピロー中に低圧で水を噴霧することにより発生される。
図2A〜2Dによれば、本発明の冷却設備は、上部ロール1に対面する上部箱6A及び下部ロール2に対面する下部箱6Bを含む。各箱6A,6Bは対応するロール1,2に対向して凹面形表面42を持つ。この凹面形表面42は、真直ぐなノズル41を形成しかつ特定のパターンを形成する特定の寸法の幾つかの開口を持つ壁を含む。凹面形表面42は有利には、下部シリンダー2の場合よりも上部シリンダー1の場合に周囲のより大きな部分を覆うことができる。
ウォーターピローは、ロールと冷却ヘッドにより限定された隙間内に形成されるが、関連する場合、横方向下部案内板7(図2B)及び/または横方向案内板5,7及び側面案内板8(図2C及び2D)により限定された隙間内にも形成される。側面案内板8は、ロールの直径に依存しておそらく調整可能に取付けられることができる。ウォーターピローの特性はまた、水の流量に依存する。加熱された水は、いかなる追加の排出装置もなしに、重力によりまたはシリンダーと案内板との間の隙間のレベルでの圧力の効果の下に外側に流れる。
冷却ヘッドの形状並びに真直ぐな噴出口を持つノズルの分布パターンは、本開発に特有のものであり、特に直径の変化、ワークロールの自動交換、ロール輪郭のチェック、メンテナンスの条件、及びワークロールの片寄り及び曲率を考慮することに関して、特有のものである。
本発明によれば、冷却ヘッドの形状は、ロール隙間に接近して集中的冷却を提供するために機械加工されている。従って、ヘッドの表面とワークロールの表面の間の距離は、ロール隙間9に最も接近したヘッドの端部の方向に減少し、ここでこの距離は最小である。直径の変化を考慮するために、冷却ヘッドの凹面形部の半径は、ワークロールの最大可能半径より大きくなければならない。さらに、既述のように、水流を制御するが、ウォーターピローの形成及び安定化を確保するために、調整可能な横方向案内板5,7及び側面案内板8が設けられている(図2C及び2D)。
真直ぐな噴出口を持つノズルの分布パターンは、ウォーターピロー中の乱流の最適な均一性を得るように、またワークロールの全幅を横切る水の示差分布を考慮してシリンダーの熱変化及び曲率を制御するように選ばれている。
図3は、8barの水圧下に作動する平坦なノズルを持つ通常の冷却設備21(灰色)と2.4barの圧力下に作動する既述の板を持つ本発明の設備22(黒色)の間の(下部シリンダーのレベルでのみ)、伝達係数を決定するために使用されたCryotronプローブの経時的な温度降下の比較を示す。種々の曲線がグラフ上にプロットされており、各場合においてシリンダーの周囲上の異なる点の測定に相当している。図3は、本発明の装置の場合にさらに均一な冷却があることを示す。
プロトタイプHTRCヘッドを持つ熱間圧延ミルで工業的試験が首尾よく実行された(図4参照、下部シリンダー上のHTRCモジュール及び上部シリンダー上の通常の冷却モジュール)。新システムの主要な利点は低エネルギー消費、冷却水の均一分布、より大きい冷却性能、及びシリンダー表面上で測定される温度の分散の減少である。
図5は、モーター側から計算して、ロールの幅を横切った測定位置に依存する下部シリンダーと上部シリンダーとの間の温度差を示す(四角:下部シリンダー上のHTRC;三角:従来技術)。性能は非常に似ている。もしHTRC冷却が上部シリンダー及び下部シリンダー上で同時に実行されるなら、シリンダー温度は従来技術のシステムで得られた性能に対して少なくとも7℃だけ低い(図示せず)。
従来技術の冷却システムと比べて、有利なことに2〜4barの低い水流圧で十分である。これは、例えば1年の期間に渡って実質的な節約を可能にする。
第一試験以来、ワークロールの減少した摩耗傾向が本発明の設備の使用により示された。図6は、ワークロールの表面の劣化についての冷却の効果を示す(図4の設備)。四つの上方の図は、従来技術の平坦なノズルを持つ上部ロールの冷却に相当する。下方の図の第1,2及び4番目は本発明の下部ロールの冷却に相当し;第3番目は従来技術の下部ロールの冷却に相当する。図7は、典型的な圧延操業後の、上部ロール(伝統的な冷却、左)及び下部ロール(HTRC冷却、右)の表面の状態をそれぞれ詳細に示す。
長い製品を圧延する場合のHTC冷却の適合性を決定するために新しい計画が最近開始された。

Claims (15)

  1. 圧延シリンダーまたはロール(1,2)及び前記圧延シリンダーまたはロール(1,2)を冷却するための装置を含む長いまたは平坦な製品を圧延するための圧延機スタンドにおいて、圧延機スタンドが、前記圧延シリンダーまたはロール(1,2)から離れて配置された、冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)上を除いて水密的である箱の形の冷却ヘッド(6A,6B)を含み、冷却ヘッド(6A,6B)複数のノズル(41)が二次元パターンに従って機械加工または配置され、液体冷却剤を供給するための手段を備えた前記冷却ヘッド(6A,6B)が、冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)のレベルで凹面形でありかつ円筒状であり、装置が作業位置にあるときに前記前面(42)と圧延シリンダーまたはロール(1,2)の表面との間の半径方向の距離がロール隙間(9)に最も接近した冷却ヘッド(6A,6B)の端部から出発して圧延されている製品から離れていくように増加するような半径を持つこ、及び冷却ヘッド(6A,6B)が、圧延シリンダーまたはロール(1,2)に対して長手方向に配置された横方向下方板(5,7)を備えており、前記横方向下方板(5,7)が、液体冷却剤の流れの制御及びその高乱流ウォーターピローの形の閉じ込めを確保するために冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)と共働するように圧延シリンダーまたはロール(1,2)から離れて設けられていることを特徴とする圧延機スタンド。
  2. 冷却ヘッド(6A,6B)がさらに、圧延シリンダーまたはロール(1,2)の横方向端部の側面に配置された調整可能な側面板(8)を備えており、前記側面板(8)が、液体冷却剤の流れの制御及びその高乱流のウォーターピローの形の閉じ込めを確保するために冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)及び横方向下方板(5,7)と共働するように圧延シリンダーまたはロール(1,2)から離れて設けられていることを特徴とする請求項に記載の圧延機スタンド。
  3. 側面板(8)の曲率が本設備で使用される圧延シリンダーまたはロール(1,2)の最大曲率と合致することを特徴とする請求項に記載の圧延機スタンド。
  4. 前面(42)が板またはシートを含み、そこに真直ぐな軸方向断面の小さな穴から作られた開口のノズル(41)が配置または機械加工されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の圧延機スタンド。
  5. ノズル(41)の開口が、円形、四角形または楕円形の横断面のものであることを特徴とする請求項に記載の圧延機スタンド。
  6. 前面(42)の円筒状凹面形表面の半径が圧延シリンダーまたはロール(1,2)の半径の予め決められた最大値より高い値を持ち、それによって使用可能な圧延シリンダーまたはロールの寸法の範囲を制限することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の圧延機スタンド。
  7. ノズル(41)の機械加工パターンが、圧延シリンダーまたはロール(1,2)の全表面を横切って、かつ圧延シリンダーまたはロールの幅を横切って、圧延シリンダーまたはロールの冷却をできるだけ均一にするように選ばれることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の圧延機スタンド。
  8. ノズル(41)の機械加工パターンが、前記前面(42)の板の開口の数、位置及び直径または寸法により規定されることを特徴とする請求項のいずれかに記載の圧延機スタンド。
  9. 開口が特定の母型に従って機械加工され、前記パターンが幾つかの開口を塞ぐことにより得られることを特徴とする請求項に記載の圧延機スタンド。
  10. 液体冷却剤が水を含むことを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の圧延機スタンド。
  11. 請求項1〜10のいずれかに記載の装置を使用して、長いまたは平坦な製品、特に金属ストリップ(3)のための圧延機スタンドの圧延シリンダーまたはロールを冷却するための方法において:
    − 冷却ヘッドが、冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)と圧延シリンダーまたはロール(1,2)の表面との間に5〜200mmの隙間を作るために圧延シリンダーまたはロールの表面に接近して配置され、前記隙間が、ロール隙間(9)から出発して圧延されている製品から離れて行くように増加し;
    冷却ヘッド(6A,6B)が、圧延シリンダーまたはロール(1,2)に対して長手方向に配置された横方向下方板(5,7)を備えており、前記横方向下方板(5,7)が、液体冷却剤の流れの制御及びその高乱流ウォーターピローの形の閉じ込めを確保するために冷却ヘッド(6A,6B)の前面(42)と共働するように圧延シリンダーまたはロール(1,2)から離れて設けられ;
    − 冷却ヘッドが、1〜6mmの直径を持つ開口を有するノズル(41)を通して前記隙間中に噴霧される液体冷却剤を供給され;
    − 前記隙間に高乱流状態の液体ピローを作るために、液体冷却剤の圧力が1〜6barの値及び100〜500m/hour/mの比流量に調整される;
    ことを特徴とする方法。
  12. 冷却ヘッド(6A,6B)の液体冷却剤の圧力が4bar以下であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
  13. 液体冷却剤の圧力が2〜4barであることを特徴とする請求項12に記載の方法。
  14. 横方向下方板(5,7)と圧延シリンダーまたはロール(1,2)の間の距離が、横方向下方板(5,7)と圧延シリンダーまたはロールの間の隙間に2〜10m/sの液冷却剤流速を得るように調整されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
  15. 側面板が0〜10mmの最小開口を持つように調整されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
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