JPH08311564A - 圧延機用冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ミニホット用ストリップ材で、板幅方向の温度
分布均一化及び長手方向の冷却速度を向上し、高品質材
を生成することが可能な圧延機用冷却装置及び制御方法
を提供する。 【構成】圧延機用ストリップ材の上下に設置した冷却装
置に超音波発生機構４を設置し、ロール及びストリップ
材の冷却性能を向上させる圧延機冷却装置。

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スト
リップ冷却制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧延機冷却システムは、図１０に
示すように、ストリップ冷却において本発明のような超
音波発生機構が無い場合である。ここで、図１０によ
り、従来の圧延冷却法について説明する。従来、熱間圧
延機ではストリップ冷却は高温域（３００℃〜８００
℃）でのラミナフロー式冷却のため、従来のような上部
冷却ノズル３から流出する冷却水Ａの流量調整のみでは
板幅方向の温度分布の均一化や冷却速度の向上に関して
も限界がある。

【０００３】この対策として、特開平2−101111 号公報
で提案された超音波発生機，特開平5−69029号公報で提
案された電場付加によるストリップの冷却装置がある。
また、学術月報 Ｖol.４７，Ｎo.２(１９９４，２月）
記載の「熱エネルギの超高効率利用のための基礎技術」
内の超音波付与による冷却性能向上の基礎試験の結果が
報告されている。

【０００４】ここで、特開平2−10111号公報に記載され
た従来の圧延機ストリップ冷却方法は上下テーブルロー
ルにはさまれたストリップ１の上下に冷却水Ａをガイド
するためのパッドを構成し、パッドに冷却材の噴射ノズ
ル３から冷却材Ａを供給し、パッド内を水Ａで満たし、
これらを媒体にして超音波発生機構により高周波加振し
て、冷却性能を向上させる。この時、本発明ではパッド
の具体的なシール性の問題やパッド間隔が超音波特性と
してある程度小さな値に限定されるなどの問題がある。
また、これらをどのように冷却・制御システムとして構
成するかなどに関し、詳細な検討がなされていないなど
の問題点がある。

【０００５】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
なシステムでは、ストリップ材の冷却に関して冷却速度
の向上と板幅方向の均一冷却が重要である。そこで、以
上のような圧延機用ストリップの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この装置の設
置法やシステム構成を検討した上での冷却制御方法を提
示し、ストリップ表面温度を低く抑制させ、均一化する
ことが望まれる。

【０００６】

【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水冷却によりストリップ板材が約８
００℃から約３００℃まで材料形成に必要な冷却速度と
なるようにストリップ板材の幅方向及び長手方向に配置
した冷却水ノズルの流量を調整することにより、ストリ
ップ板幅方向及び長手方向の温度分布の均一化や冷却速
度を制御していた。しかし、高温域のストリップ材上に
形成された熱抵抗の大きな蒸気膜はストリップ冷却上で
律則条件となり、冷却水の流量制御では冷却性能を自由
に制御することはできず、ストリップ表面温度が高温に
なればなるほど冷却速度の制御が難しくなる。今後、ミ
ニホットの開発では、全体システムのダウンサイジング
化により、ストリップ冷却領域が極めて短縮化されるた
め、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。

【０００７】本発明の目的は、圧延機用ストリップ材の
冷却装置に超音波発生機構を下向きに設置し、この機構
の出力を制御することにより、ストリップ板材幅方向の
温度分布均一化及び長手方向の冷却速度を向上すること
により、ストリップ材の長寿命化及び高品質性を確保す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は圧延機用ストリップ板材の上下部に設置さ
れた冷却装置に少なくとも一つの超音波発生機構を冷却
水の流れ方向に超音波加振力が伝達されるように設置
し、前記機構の出力，周波数，振幅等を制御する。

【０００９】

【作用】従来、数段のワークロールにより圧下されたス
トリップ薄板は、ストリップ冷却領域で材料組成に基づ
く冷却速度で長い区間内の冷却を受けて材料を巻き取っ
ている。しかし、最近のミニホットブームや連続化の要
求に対して、ストリップ冷却の新たな課題が生じた。す
なわち、短時間，短空間内での冷却速度の確保，ストリ
ップ板材幅方向の温度均一化，リアルタイムでの短時間
冷却制御法の確立である。ここで、通常のストリップ材
は最終段のロール出側で約８００℃から約３００℃まで
温度降下させた後に巻き取られる。この時、ストリップ
表面温度は冷却現象から見ると膜沸騰領域支配となり、
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。そこで、冷却性能のバリヤとなっている約２０〜３
０μｍ厚さのほぼ安定な蒸気膜に超音波を介して冷却水
膜と蒸気膜との境界面へ不安定流れの乱れを外乱として
付加し、高温材と冷却材（水）との固液接触を強制的に
行わせることにより、容易に冷却速度を調整することが
可能である。また、材料の品質に関係する板幅方向の温
度分布の均一化も超音波の出力制御により容易に行え
る。

【００１０】すなわち、ストリップ材のような表面温度
が約２００〜約３００℃以上の高温材料の冷却では、冷
却性能の悪い膜沸騰領域での冷却現象であるため、短時
間での制御により材料の温度分布の均一化を図るには電
気的な手段を用いるのが良好である。すなわち、熱抵抗
である蒸気膜を崩壊し、冷却性能を容易に制御すること
ができる本発明方式は、従来の冷却設備及びハード構成
を変えることなく、超音波発生機構の出力制御のみで冷
却性能向上及び温度管理が行える最も容易な高性能冷却
手段である。

【００１１】以上の点から、ストリップ材の冷却装置に
加えて超音波発生機構を下向きに設置し、この機構の出
力制御を行うことにより、圧延機の冷却制御システムと
して有効な冷却方式であることがわかる。そして、これ
らの作用により、ストリップ板材の幅方向の温度分布の
均一化及び長手方向の冷却速度の制御を可能とし、圧延
機用ストリップ材の長寿命化，高品質性を確保する。

【００１２】

【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は圧延冷却装置及び制御方法の概略図
を示す。図１はラミナフロー冷却方式、図２はウォータ
カーテン冷却方式の場合である。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
式ミニホットの開発で、従来以上にストリップ材の高性
能冷却、すなわち、冷却速度向上が必要となる。例え
ば、多量のラミナフロー冷却水を供給してもストリップ
材表面温度が約９００〜３００℃の範囲ではほとんど膜
沸騰状態となり、冷却性能のキーポイントは、冷却性能
低下の原因となる約数十μｍ厚さの蒸気膜の存在であ
る。この蒸気膜の形成は、圧延ロールにより圧下された
ストリップ１が軸方向に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等の発生が考えられる。

【００１３】そこで、ストリップ冷却に関して、ストリ
ップ板材１の入口及び出口側に設置された検出器８ａ，
８ｂにより検出された温度または形状を演算器５，修正
値演算器６により信号を制御し、制御装置７から各スト
リップ冷却用ヘッダ２上部に下向きに設置された少なく
とも一つの超音波発生機構４の出力，周波数，振幅等を
制御して、ストリップ板材１の膜沸騰を崩壊させ、スト
リップ板幅方向の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。ここで、超音波付加には次の三つ
の効果があると考えられる。（１）超音波により生じる
音響流の効果，（２）加熱面の近くの流体を非定常的に
振動させる効果，（３）気液界面を不安定化する効果で
ある。

【００１４】例えば、この場合の制御方法として、温度
あるいは形状の情報を検出器８ａ，８ｂにより検出し、
これらの板幅方向の分布情報を演算器５へ送り、この値
と温度分布を均一化したい場合の均一温度にするための
修正値を修正値演算器６で設定し、この値を制御装置７
へ送る。制御装置７は出力調整器，データ出力器等から
成り、出力調整器で超音波の周波数ｆ，電圧Ｅ、あるい
は振幅δ等やＯＮ／ＯＦＦを制御し、これらの信号をス
トリップ材１上に設置された冷却用ヘッダ２の軸方向に
設置された多数の冷却用パイプ３ｂに取り付けられた超
音波発生機構４へ送って出力を制御する。ここで、超音
波発生機構４として、簡易的に取付け可能な圧電素子、
あるいは水中投込み式の圧電素子等が用いられる。これ
により、ストリップ板幅方向の冷却性能及び長手方向の
冷却性能を制御することができる。なお、以上の作用及
び効果は冷却水のタイプがラミナフロー式でもウォータ
カーテン式でもストリップ表面上の水膜と蒸気膜の状態
は同一と考える。

【００１５】次に、本発明の一実施例である冷却特性に
ついて、図３から図５により説明する。まず、図３は冷
却機構の設置方向に対する超音波出力の概要図を示す。
図３は超音波発生機構４をノズル出口方向に対して上向
き，横向き，下向きに設置した場合の水流方向の距離Ｚ
に対する超音波出力ｅの特性を示している。本発明の場
合、超音波発生機構４を下向きに設置した場合が下向き
水流中内の超音波加振力の減衰が少なく押さえることが
でき、横向きあるいは上向きにすれば、超音波出力は水
流方向距離Ｚが離れる程減衰が大きくなり、加熱面上で
超音波による外乱加振力は小さくなる。したがって、図
３に示したノズル構造の場合、ノズル３出口からの水流
方向Ｚに平行に超音波発生機構を設置すれば良く、出力
減衰量を少なく押さえることにより、同一の初期入力に
対して超音波加振効果を最大限に発揮できる。また、図
４に冷却曲線の概要を示す。本グラフは横軸に時間，縦
軸に温度をとったストリップ材の冷却曲線を示してお
り、曲線の勾配は冷却速度を表わしている。これより、
同じ冷却水流量，衝突の場合、超音波を付加することに
より、高温材の冷却速度が大きくなり、その結果として
冷却時間も短縮される。これは、超音波付加により高温
面上に形成される蒸気膜の上部の流体を非定常的に振動
させることにより、液と蒸気膜界面が不安定化し、固液
接触により冷却性能が向上するものと考えられる。

【００１６】また、図５は高温面上の冷却状態の模式図
を示す。図５（ａ）の超音波付加無しの場合、水柱ジェ
ットＡ真下は高温金属９と水柱Ａの直接接触により、冷
却性能が非常に高いが、水柱と水柱の間に形成される水
膜Ｂの下部には水の下向き動圧成分の作用が弱くなるた
め、安定で破壊しにくい蒸気膜１０が形成され、蒸気膜
１０が大きな熱抵抗となるために冷却性能が極めて悪
い。一方、図５（ｂ）の超音波付加有りで超音波素子２
を横向きに設置した場合、水柱の高周波加振により蒸気
膜界面の近くが非定常的に振動されて蒸気膜が崩壊し、
膜沸騰から遷移沸騰へ強制的に移行することにより冷却
性能が向上する。さらに、図５（ｃ）の超音波付加有り
で超音波素子２を下向きに設置した場合、図５（ｂ）よ
りも超音波加振力が大きく外乱振動が減衰しないので、
ほとんどの蒸気膜は破断し、冷却性能は急激に向上す
る。

【００１７】次に、本発明の他の実施例を図６から図９
により説明する。ここで、図６と図７は圧延ストリップ
用冷却装置及び制御方法、図８は冷却用ヘッダノズル構
造の概念図、図９は下部ヘッダに超音波発生機構を設置
した図を示す。

【００１８】まず、図６は本発明の他の実施例の圧延ス
トリップ冷却装置及び制御方法である。これは、図１の
発明の冷却用ヘッダ２を円形２ａから矩形２ｂに変えた
場合である。そして、冷却状態はラミナフロー式であ
る。また、図７も冷却用ヘッダ２を矩形ヘッダ２ｂに変
え、しかも冷却状態はウォータカーテン式である。これ
ら両者とも冷却用ヘッダ２上部に超音波発生機構４を設
置し、これらを制御して冷却性能を可変にした場合であ
る。また、超音波発生機構４を設置するヘッダ構造とし
て、図８に示す３ケースがある。まず、図８（ａ）は本
発明の他の実施例のヘッダ部流出板１３にスリットノズ
ル付き流出板１３ａを設置した図、図８（ｂ）はヘッダ
部流出板１３に多孔ノズル付き流出板１３ｂを設置した
図、また図８（ｃ）はヘッダ部流出板１３にフラットス
プレノズル付き流出板１３ｃを設置した図である。

【００１９】また、図９は本発明の他の実施例の圧延ス
トリップ材長手方向の冷却装置及び制御方法を示す。こ
れは、図１の上部ヘッダ２ａに超音波発生機構４を設置
した上に、下部ヘッダ１１下部にも同様に超音波発生機
構４を設置し、上下両方向からストリップ板１を冷却
し、ストリップ材の冷却速度を向上させることができ
る。

【００２０】したがって、本発明の超音波発生機構４を
設置し、当該機構の出力制御を行えば、ストリップ板幅
方向の温度分布の均一化及び長手方向の冷却速度の制御
が容易となり、その結果、信頼性の高い圧延機用冷却装
置及び制御方法を提供することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、熱間圧延システムのス
トリップ材の冷却装置に下向きに超音波発生機構を設置
し、出力を制御することにより、ストリップ材幅方向の
板材の温度分布の不均一化を抑制し、さらにストリップ
材長手方向の冷却速度を向上させることができ、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧延ストリップ材の冷却装
置の説明図。

【図２】本発明の一実施例の圧延ストリップ材の冷却装
置の説明図。

【図３】本発明の一実施例の冷却機構の設置方向に対す
る超音波出力の特性図。

【図４】本発明の一実施例の冷却曲線の説明図。

【図５】本発明の一実施例の高温面上の冷却状態の説明
図。

【図６】本発明の他の実施例の圧延ストリップ材の冷却
装置の説明図。

【図７】本発明の他の実施例の圧延ストリップ材の冷却
装置の説明図。

【図８】本発明の他の実施例の冷却用ヘッダノズル構造
の説明図。

【図９】本発明の他の実施例の下部ヘッダに超音波発生
機構を設置した説明図。

【図１０】従来の圧延冷却装置及び方法の説明図。

【符号の説明】

１…圧延板材、２…上部冷却用ヘッダ、２ａ…上部冷却
用円形ヘッダ、２ｂ…上部冷却用矩形ヘッダ、３…上部
冷却用ノズル、３ｂ…上部冷却用パイプ、４…超音波発
生機構、５…演算器、６…修正値演算器、７…制御装
置、８ａ，８ｂ…検出器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱間及び冷間圧延機用のストリップにおい
   て、前記ストリップ長手方向あるいは幅方向のストリッ
   プ冷却装置に少なくとも一つの下向きに設置した超音波
   発生機構の出力，周波数，振幅を制御してストリップ表
   面の冷却能力を調整する手段を設けたことを特徴とする
   圧延機用冷却制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ストリップ冷却装
   置の下部にラミナフロー用パイプまたは多孔ノズルを設
   置した圧延機用冷却制御装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ストリップ冷却装
   置の下部にウォータカーテン用スリットノズルを設置し
   た圧延機用冷却制御装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記ストリップ冷却装
   置の下部にフラットスプレノズルを設置した圧延機用冷
   却制御装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記超音波発生機構を
   冷却用上部及び下部ヘッダの両面に設置した圧延機用冷
   却制御装置。