JPH07284820A - 圧延機用ロール冷却装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、熱間及び冷間圧延機用ロールにおい
て、その目的は、連続化に伴うロール部材へ流入する熱
負荷の増大やミニホット用強圧下、小径ロールへの熱負
荷増大によるロール表面温度の不安定化及びロール表面
の壁温変動に起因する熱応力及び熱膨張変形の発生を抑
制する圧延機用ロール冷却装置及び方法を提供すること
にある。 【構成】圧延機用ロール部材の外部に設置したスプレー
冷却機構に加え、タンデムミル出側ロール直後に空気の
衝突噴流機構を当てる空気噴流機構を設け、当該ロール
冷却におけるミル出口でのロール表面温度の低下による
冷却性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱間圧延システムのロー
ルに係り、特に連続熱間時にロール材料内へ流入する熱
負荷の増大に伴う高温ロール表面温度の不安定や壁面温
度変動，ロールの熱膨張変形に起因するロール表面熱応
力変動の発生を抑制するのに好適なロール冷却機構に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧延機ロール冷却方法を図５に示
す。本発明の一実施例である図１と比べると、スプレー
水ノズル以外に空気衝突噴流発生機構が無い場合であ
る。ここで、図５により、従来の圧延冷却法について説
明する。従来、熱間圧延機では上下のワークロールによ
り、高温（約１１００℃）の圧延板材１を圧下する。こ
の際、圧延板材１からロールへ熱伝導あるいは加工熱等
により、多量の熱が流入される。そして、この工程は少
なくとも約３段から７段ぐらい繰り返されて、薄板へ圧
下される。ここで、世の中のニーズにより、熱間圧延機
の高効率化、あるいはダウンサイジング化が叫ばれ、ロ
ールへ流入する熱負荷は増大する。そのため、各スタン
ド毎に圧延板材１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メン
テナンス上の問題より圧延機ロールから数１００mm離れ
た位置にしか設置できない。その結果、ミル出側直後の
ロールを冷却することが不可能となり、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温度となっている。そし
て、本発明に示す空気衝突噴流発生機構が無いと、大量
に供給された冷却水の半分もロール表面の冷却に寄与で
きず飛散水となって流出し、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、ロール冷
却のためにほとんど寄与されない。その結果、当該材料
表面における非定常熱応力が発生し、表面き裂発生の原
因となり圧延ロールの信頼性，安全性などの心配が考え
られる。

【０００３】しかし、基本的には圧延機の新しいタイプ
の開発、すなわち連続熱間圧延機やミニホットのような
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。この性能向上のためには、ミル
出側で加熱された高温ロール表面を如何に早いうちに冷
却できるかという点が最も重要である。そこで、以上の
ような圧延ロールの表面熱疲労を抑制するための技術課
題として、有効な冷却装置及び方法を提示し、さらにロ
ール表面温度を低く抑制させることが望まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ロー
ル外部からのスプレー水冷却で高温ストリップからロー
ルへの熱伝導及び加工熱による流入熱を除熱しようとし
ているが、熱間圧延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，小径ロールへの熱負荷増大が
配慮されておらず、ロール表面温度が１５０〜２００℃
の間における遷移沸騰域で表面温度が急変動するような
不安定特性やロール表面温度が２００℃以上の膜沸騰域
での冷却性能低下を有することによる水冷時のロール表
面での壁温変動に伴う非定常熱応力の発生に関する問題
が考えられる。

【０００５】本発明は、圧延機用ロール部材の外部スプ
レー水による冷却以外にタンデルミル出側直後のロール
を空気の衝突噴流で急激に冷却し、ロール表面温度を低
下させることにより、ロール内部へ流入する熱負荷の増
大に対応してロールの冷却性能を向上し、ロール部材の
長寿命化及び熱疲労を抑制することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、圧延機用ロール部材の外部にスプレー水冷却ノズル
とタンデムミル出側ロールの直後に空気噴流発生機構を
設け、当該ロール表面温度が高温化して冷却水とロール
とが不安定な遷移沸騰領域や膜沸騰領域となるのを強制
的に防止し、ロール外部冷却による加熱・冷却の繰り返
し熱衝撃を緩和し、ロール表面及び内部温度を低減させ
ることにより、ロール材の長寿命化を図るようにしたも
のである。

【０００７】

【作用】スプレー冷却方法として、従来のスプレーノズ
ルに加え、タンデムミル出側直後の高温ロール表面に空
気の衝突噴流発生機構を設けると、スプレー水による冷
却の前にロール表面温度を約１５０℃以下に低下するこ
とができ、それによる非定常熱疲労を抑制することがで
きる。従来、ミルからロールへの加工熱や熱伝導による
流入熱が発生し、その結果ロールの表面温度はミル出側
で急激な温度上昇を生ずる。そして、この高温状態のロ
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。そこで、ミルの出側にミルと水平
に空気噴射ガイドを設置し、この内部に空気を流すこと
により、ミルからの流入熱により高温状態のロール表面
すぐの位置で、ロールに直角または対向に空気の衝突噴
流を当てて、ロールがスプレー水で冷却される前に少し
でも温度を下げることが可能である。その結果、ロール
表面温度が１５０℃以下となり、スプレー水による衝突
噴流は全て対流冷却となり、冷却性能の悪い遷移沸騰
（１５０〜２００℃）や膜沸騰（２００℃〜）など沸騰
現象支配の冷却となるのを抑制することができ、ロール
の冷却性能を向上させることが可能となる。

【０００８】すなわち、ロールへの全流入熱を除去する
点から空気噴流冷却はあまり得策ではないが、ミル出側
直後でロール表面の温度を低下させ、その後のスプレー
水冷却を安定で、しかも冷却性能が良好な対流熱伝達へ
移行させるのに最も容易な冷却手段である。

【０００９】以上の点から、スプレー水冷却に加えて空
気衝突噴流を行うと、ロール冷却の面から有効な冷却方
式であることがわかる。

【００１０】そして、これらの作用により、ロール表面
の温度変動が抑制され、その結果非定常壁温変動に伴う
熱応力が緩和され、圧延機用ロールの安全性，信頼性を
確保する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２によ
り説明する。図１は圧延ロール冷却部の縦断面図を示
す。まず、圧延ロール冷却部の構成及び動作について説
明する。上部ワークロール２ａと下部ワークロール２ｂ
との間に圧延板材１が設置され、これらワークロールの
外側に各々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がある。ここで、上部，下部ワークロー
ル２ａ，２ｂには圧延板材１を圧延する際に圧延板材１
からの接触熱伝導による流入熱Ｑｉと板を圧下する際に
生ずる加工熱による流入熱Ｑｉを除去するため、上下と
もに上部，下部冷却用スプレーノズル４ａ，４ｂがロー
ルの軸方向に多数配置され、当該上部，下部冷却用スプ
レーノズル４ａ，４ｂから高圧で噴射される冷却水Ａが
高温で回転しているワークロール上に水膜を形成しなが
ら冷却する。ここで、便宜上スプレーノズルは３段設置
され、ロールの回転方向に沿ってミル出側に近い順に上
部冷却用スプレーノズル４ａ，５ａ，６ａとする。その
結果、上部，下部ワークロール２ａ，２ｂから冷却水Ａ
へ流出熱Ｑｃ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。しかし、従来
の圧延設備では、このように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が、圧延システムの
高性能化の一還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は、ワークロー
ルにとって従来以上に流入熱、すなわち熱負荷の増加が
見込まれる。この時、冷却性能のキーポイントはたとえ
高圧でスプレー冷却を行っても、ロール表面温度が約１
００〜１５０℃では遷移沸騰、約１５０℃以上では膜沸
騰が生じ、これら冷却性能にとって性能低下の原因とな
る数１０μｍ厚さの蒸気膜の存在である。そこで、この
蒸気膜を生成しないようなロール表面温度形成、すなわ
ち高圧スプレー水での衝突冷却過程の前に、ミル出側の
ロール表面温度を極力低下しておく必要がある。そこ
で、上部冷却用スプレーノズル４ａあるいは下部冷却用
スプレーノズル４ｂの手前にノズルの設置が容易である
上部空気流導入ダクト８ａ，上部空気流入機構９ａを少
なくとも１つ以上を設置する。そして、１対の上部，下
部ワークロール２ａ，２ｂにより圧延板材１が圧下され
ている所へ上部空気流入機構９ａから供給された空気Ｂ
を上部空気流導入ダクト８ａより、タンデムミル出側直
後の上部ワークロール２ａ表面へ空気衝突噴流として噴
射させ、ロール表面温度を極力低下させ、その後上部冷
却用スプレーノズル４ａから高圧の冷却水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冷却を促進する。

【００１２】例えば、この場合の温度分布として、ロー
ル回転角度に対するロール表面温度分布の模式図を図２
を用いて説明する。図中には、従来例と本発明の場合に
ついて、ロールの回転状態での表面温度分布を示す。従
来例の冷却方法ではロール内への流入熱Ｑｉに対してス
プレー水冷却による流出熱Ｑｃが追いつかず、ロールの
回転に伴いロール表面温度Ｔｗが単調増加する。また、
ロール１回転後に許容表面温度以下に保てずにやはり温
度上昇する。それに対し、本発明の場合、ミル出側直後
のロールに空気を噴射して極力ロール表面温度Ｔｗを低
下させ、スプレー水冷却過程へ移行する前にロール表面
からの除熱を図り、ロール表面温度が増加するのを抑制
し、最終的にロール１回転後の表面温度を許容値以下に
なるようにした。

【００１３】次に、本発明の他の実施例を図３及び図４
により説明する。図３は図１の本発明の上部空気流導入
ダクト８ａの出口側に冷却水Ａの水切りガイド９ｃを設
け、圧延板材１へのスプレー水の飛散を防止するもので
ある。この結果、ロール表面は直ちに空気冷却し、その
後スプレー水で水冷することにより、従来の圧延設備に
対して大幅な変更を伴わずに効率の良い冷却を達成する
ことが可能である。また、図４は図１や図３に示す上部
空気流導入ダクト８ａの代わりに、上部冷却用スプレー
ノズル４ａの手前に小さな上部冷却用空気ノズル１０ａ
を設置する。本発明の場合、図１及び図３に示すダクト
から供給される空気に比べて、ミル出側直後よりもロー
ル回転方向の下流側になるが、それでもロールの回転及
び衝突噴流により、従来よりもロール表面温度を低下す
ることが可能である。

【００１４】したがって、本発明の空気衝突噴流発生機
構を設置すれば、ロールへの熱負荷増大に伴う高温ロー
ルの冷却性能向上が可能となり、その結果、熱応力や熱
疲労の観点からもロール表面温度が許容温度以下とする
ことができ、信頼性の高い圧延機用ロールを提供するこ
とができる。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、熱間圧延システムのロ
ール表面のスプレー冷却と同時にミル出側直後のロール
表面に空気噴流を衝突させることにより、ロール表面温
度の不安定変動、ロール内部への流入熱による温度上昇
の低減及びロール表面の熱膨張変形によるストリップ材
の成形不良等を防止することができ、ロール表面の非定
常壁温変動及びそれに伴う非定常熱応力の発生を抑制で
きるので、安全性，信頼性の高い圧延機用ロールを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧延ロール冷却部の横断面
図である。

【図２】本発明のロール冷却効果を示すロール回転角度
に対するロール表面温度分布の模式図である。

【図３】本発明の他の実施例の圧延ロール冷却部の横断
面図である。

【図４】本発明の他の実施例の圧延ロール冷却部の横断
面図である。

【図５】従来の圧延ロール冷却部の横断面図である。

【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，５ａ，６ａ…上部冷却用
スプレーノズル、４ｂ，５ｂ，６ｂ…下部冷却用スプレ
ーノズル、７ａ…上部テーブルロール、７ｂ…下部テー
ブルロール、８ａ…上部空気流導入ダクト、８ｂ…下部
空気流導入ダクト、９ａ…上部空気流入機構、９ｂ…下
部空気流入機構、９ｃ…水切りガイド、９ｄ…下部空気
流導入ダクト用ガイド、１０ａ…上部冷却用空気ノズ
ル、１０ｂ…下部冷却用空気ノズル、Ａ…冷却水、Ｂ…
空気。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 英明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 安成 晋一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱間及び冷間圧延機用ロールにおいて、ロ
   ール外部からのスプレー冷却に加え、タンデムミル出側
   ロール直後に空気の衝突噴流を当て、ミル出側のロール
   表面温度を低下させることを特徴とする圧延機用ロール
   冷却方法。
2. 【請求項２】請求項１において、タンデムミル出側のス
   トリップ面に沿って、水平にしかもロール回転方向と逆
   方向に空気噴流を当てることを特徴とする圧延機用ロー
   ル冷却方法。
3. 【請求項３】請求項１において、スプレー冷却水ノズル
   の下方に、空気噴射用ノズルを配置し、ミル出側直後の
   ロール表面に空気噴流を衝突させることを特徴とする圧
   延機用ロール冷却装置。
4. 【請求項４】請求項２において、空気噴流用ガイド板の
   出口に、水切り用ガイドを設けることを特徴とする圧延
   機用ロール冷却装置。