JPS5937727B2 - 金属ストリツプ冷却用水冷ロ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属ストリップ冷却用水冷ロールの創案に係り
、連続焼鈍炉や連続亜鉛メッキ炉等の金属ストリップに
対する連続熱処理設備において該金属ストリップの冷却
に使用する水冷ロールに関し大きな熱貫流率を有せしめ
、冷却速度、冷却量を充分に犬ならしめた水冷ロールを
提供しようとするものである。

連続焼鈍炉や連続亜鉛メッキ炉などの金属ストリップに
対する連続熱処理設備において内部水冷ロールを使用す
るならば急速な冷却を得しめると共にその冷却温度を適
宜に選ばしめることが可能となり、連続処理における高
速性を確保しながらその冷却温度を制御し得るメリット
があり、斯様な技術に関し本発明者等により若干の提案
がなされている。

ところでこのような水冷ロールとしては第１図に示す如
く金属ストリップが接触するロール２１の外周と同心の
円形断面を有する流路２２の形成されたものであり、金
属ストリップからロール２１を介し冷却水への熱貫流率
に関してはロール材質の熱伝導率（例えば銅のように熱
伝導率の大きいものがよい）と冷却水の平均流速（その
大きい方がよい）に関して配慮すべきものとされ、この
故に熱貫流率が小さく１例えば連続焼鈍炉において鋼ス
トリップを再結晶温度以上に加熱均熱した後、所定の温
度まで冷却するのに用いるような場合において必ずしも
充分な冷却速度が得られず、それに伴い長い過時効処理
時間を必要とし、又必要な冷却量を得るための鋼ストＩ
Ｊツブとロールとの接触長（累計）も長くならざるを得
ず、多数のロールを設置する必要があった。

更に後述するように上記のようなロールで熱貫流率を向
上させるためにはロールシェルの厚みを小トし又冷却水
の流速を高める必要があるが、一定の冷却水流量のもと
ではそのロールシェルを薄くすると冷却水流路の断面が
増大しロール内での流速低下となり、それらの条件が相
反するものとならざるを得ない。

本発明は上記したような実情に鑑み検討と推考を重ねて
創案されたものであって、犬さな熱貫流率を有していて
冷却速度および冷却量の大きい内部水冷式の冷却ロール
を得ることに成功したものである。

即ち本発明においては、金属ストリップを冷却するため
の水冷ロールにおいて、ロール胴軸方向に直角の断面を
とり、ロール外周面から下記式を満足する距離δＳ内に
ドーナツ状の水路を形成させたことを特徴とする金属ス
トリップ冷却用水冷ロールを提案する。

δＳ≦５Ｘ１０−３・λＳ 但し上式においてλＳは冷却水流路より外周側にあるロ
ール構成金属の熱伝導率であり、上記構成金属を２種以
上とする場合には最も小さいλ・Ｓをとるものである。

なお、δＳの単位はｍであり、又λ８の単位はＫ ｍ／
ｍ−ｈ・℃である。

然してその構成としては第２，３図に示す如くであり、
ロール胴長方向に直角に断面を採ったときにおいて、ロ
ール１外周面から上記式を満足する距離６８以内に、第
２図に示すように中心部体２との間において冷却水流路
３を形成し、或いは第３図に示す如く仕切壁６を形成し
て螺旋状に１つ又はそれ以上の複数条から成る冷却水流
路４を形成させるものである。

上記のような本発明について更に説明すると、本発明者
等が検討したところによると、気体中で内部水冷ロール
に金属ストリップを巻きつけて。

該ストリップを冷却する場合において、■金属ストリッ
プ中の熱伝導、■金属ストリップと内部水冷ロールの間
に存在する気体中の熱伝導、■内部水冷ロールの外周面
から、水流路τ℃ロール本体（以下シェルと呼ぶ）中の
熱伝導、■水流路を介してロール本体から水への熱伝達
、の４つの伝熱により構成された熱貫流が生じ、熱貫流
率は下記（１）式により表わされることが実験的に確認
された。

即ち 但し上式において、 Ｋ：熱貫流率（Ｋｃａｌ／ｒｒｌ−ｈ ・’Ｃ）δＧ＝
気体膜、厚 （ｍ） λＧ＝該気体の熱伝導率（Ｋｃａｌ／／ｍ−ｈ・℃）δ
８：内部水冷ロールのシェル厚（ｍ） λ８：内部水冷ロールシェルの熱伝導率 （Ｋｍ／ｍ−ｈ・℃） α：ロールシェルから冷却水への熱伝達率（Ｋ Ｃｔｌ
ｔ／ ｍ−ｈ ・’Ｃ） ｆ二〇金属ストリップの水冷ロールへの巻き付は角、０
１式の右辺第１項、第２項お よび１／αの相対関係、０流路近傍の構 造。

Ｉこよって決まる係数である。

然して上記（Ｉ）式右辺には、金属ストリップ中の熱伝
導の項がないが、これは斯かる内部水冷ロールに巻きつ
けて冷却する金属ストリップでは（ストリップの厚み）
Ｘ−／（熱伝導率）＜１０−契あり、他項に比し小さく
、ｍ式の実用上無視し得るからである。

ところで、上記（１）式において大きい熱貫流率を得る
ためには、右辺を構成する３項の総和を極力小さくすれ
ばよいのであるが、（■）式から理解できるように、熱
貫流率は３項のうち最も大きい項に支配され、他項の影
響は小さい。

換言すれば最も大きい項以外の項をいくら小さくしても
、熱貫流率はあまり改善されない。

然して（Ｉ）式第１項のδＧは内部水冷ロールの外周面
の粗さ、金属ストリップの表面粗さおよび該ロール外周
面と該ストリップとの密着状況によって決まると推定さ
れるが、直接測定できないため、（１）式に他の既知あ
るいは測定可能な因子を代入して求める。

λＧは物性値であり、気体の種類と温度によって決まる
定数である。

種々の実験結果から求めたδＧ／λＧはおよそ１０−３
〜１０−４で金属ストリップの粗さくＲｚで１〜８μ）
の影響はほとんど見られず。

内部水冷ロール外周面の粗さについては、Ｒｚで４０μ
を超える場合に大きめの値（’ １０”３）をとる程度
の影響が見られた。

いずれにしろ値はバラついてはいるが、制御可能な因子
から独立した定数と見做して支障がない。

（１）式の第２項はλＳの大きな材質を選択し、あるい
はδＳを小さくすれば良い。

しかし、λＳについては工業的ｔこよく使用されている
金属として。

最も大きい値を示す純銅で約３３０に誠／ｍ−ｈ・°Ｃ
１最も経済的な鋼で約４０Ｋｃａ１．７ｍ−ｈ・℃であ
り。

現実的にはこの程度の選択幅しかない。

δＳについては小さすぎると金属ス） ＩＪツブを介し
て加えられる圧力に耐え得ないからロールシェル強度上
から決まる下限が存在する。

（ｆ）式第３項は、ロールシェルから冷却水への熱伝達
を表わす項で１通常は１／αで表わされるのであるが１
／ｆ・αとしたところが本実験式のポイントである。

αはよく知られているように乱流域では次の（ＩＩ）
、 （ＩＩＩ）式で表わされる。

但しこれらの式において。

λＷ：水の熱伝導率（Ｋｃａ７ｍ−ｈ−℃）ｄｅ′：伝
熱に関する等価直径 （ｍ）Ｒｅ： レイノルズ
数 Ｐｒニブラントル数 υ：冷却水の水冷ロール流路内での平均流速 （＠ ｄｅ：流体の流れの状態に関する等価直径（ｍ）シ：冷
却水の動粘性係数 （ｍ”／Ｓ） である。

ここで冷却水流路の断面をとった時、流路の全周が熱伝
達に寄与する場合はｄｅ二ｄｅ’で従来方式の内部水冷
ロールおよび本発明による内部水冷ロールともｄｅ二ｄ
ｅ′と見做してよい。

又（ｒ） 、 （Ｕ）式からαを増大させるためには、
υを大きくするか、或いは、流路断面の形状寸法を変え
て伝熱面を増加させればよい。

この場合、圧損の増大、冷却水消費量の増大、内部水冷
ロール製作費の増大等が制約条件となる。

次に係数ｆについて説明すると、内部水冷ロールで金属
スｌ−ＩＪツブを冷却する場合、ストリップからロール
外周面への伝熱は、ストリップとロールとの接触面を通
して熱伝導が行われるが、ロールシェルから冷却水への
熱伝達は第４図に示すようなロールに対するストリップ
５の巻きつけ角り内でのみ行われるのではない。

ロール本体内の熱流経路の熱伝導が全体の熱貫流の支配
的因子とならない範囲では、全周で行われることが実験
によって確認された。

内部水冷ロール胴長方向についても全く同様である。

従って、巻きつけ角をｆ、ロール有効胴長をＴ、（ｍ）
。

金属ストリップの幅をｌ（→とすれば係数ｆは次のＣＩ
Ｖ）式で表わされる。

ここで、ロールの有効胴長とは、ストリップとロールの
接触面積を８１．ロール断面の巻きつけ角内の金属部分
の面積をＳ。

とじ、真のロール胴長をり。

とすれば。が成立する場合は、Ｌ＝Ｌｏとし、成立しな
い場合は、 を満足するようなしを選べばよい。

さて上記した（ｒ）式に戻り、左辺のＫの精度はストリ
ップの冷却量から計算する場合でも有効数字で１〜２桁
であり、右辺についても第２項の精度が高いが、他は左
辺同様であり、また工業的には、この程度の精度でも十
分である。

左辺第１項のδＧ／λＧは前述したように１０−３〜１
０−４でほぼ一定であるから、第２項と第３項は１Ｏ−
５まで小さくすれば十分で、それ以上小さくしても測定
されるＫの値に影響はなくなる。

また上限については、Ｋ＝１０２以下では、従来方式の
ロールと変らなくなるので、本発明の効果はなくなる。

以上を数式で表現すると次の（Ｖ） 、 （Ｖｌ）式と
なる。

（■式を実用金属に当てはめてみると、０．５％Ｃ鋼で
λＳ中４６．純銅でλＳ中３３０であるから次のようｔ
こなる。

０．５％−〇鋼： ４．６Ｘ １０−４≦δＳ≦０．２
３（単位二ｍ） 純 銅 ： ３．３Ｘ １０−３≦δＳ≦１．６５
（単位二ｍ） 即ち、下限については１強度上の問題からシェルにある
程度の厚みを持たさざるを得ないから。

（Ｖ） 、 （Ｖｌ）式の下限は事実上達成不可能であ
り、内部水冷ロール本体内の熱伝導が全体の熱貫流の支
配的因子とさせないためには、ロール本体の材質によら
ず、ロールのシェルの厚みを極力薄くする必要がある。

一方（ｎ）式に（ＩＩＩ）式を代入すると次の■式のよ
うになる。

即ちとなり、λｗ、Ｐｒ、νは温度によって決まる物性
値であるから、ｌ／ｆαを小さくするためにはυ０・８
／ｄｅ０・２を大きくするようにすればよい。

流路の断面が相似で冷却水量が一定ならばを大きくした
方が効果的である。

以上を考慮して（９）式を満足する範囲内で極力小さい
αとなる冷却水量、ｄｅ、υの組み合せを選べばよい。

次に本発明による具体的な実施例を示すと以下の如くで
ある。

実施例 １ 第５図Ａ、Ｂに示すような５Ｓ４１製の比較例および本
発明に従った同図Ｃ，Ｄのような各内部水冷ロールを用
いた。

即ち冷間圧延された板厚ＬＯｍｔｎ板幅１０００ｍｍの
鋼ストリップを、７００℃まで加熱・均熱した後、走行
速度１８０ｍ／ｒｎｉｎ、巻付は角１８０°冷却水量２
０ ｍ／ ｈで冷却したときの熱貫流率の実測値を下記
に示す。

実施例 ２ 上記した実施例１と同じ寸法・形状を有す銅製のロール
を用い、実施例１におけると同様の実験を行った結果は
下記の通りである。

なお本発明者等は上記したような本発明によるものに関
して冷却水の供給および排水をロール軸部の同一側に採
るためにロール本体中心部に往あるいは戻りの冷却水路
を設けたり、冷却水流路をロール胴長方向に複数に分割
したものについても検討したが、これらの場合において
も前記したような本発明によるものの作用効果は殆んど
同様に得られることが確認された。

以上説明したような本発明によるときは大きな熱貫流率
を有すると共に冷却速度および冷却量の大きい内部水冷
ロールを提供することができるものであり、それによっ
て目的温度に冷却するためのロール接触長を比較的小と
することができ、又目的温度まで冷却するのに必要なロ
ール配設数を縮減し得ると共に過時効処理時間を短縮せ
しめ、それらの何れからしても有利な操業を実施し得る
ものであるから工業的にその効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであって。 第１図は比較例たる冷却ロールの断面図、第２図と第３
図は本発明によるものの第１図と同様な各断面図、第４
図は冷却ロールに対するストリップの捲きつけ状態を示
した側面図、第５図は本発明の実施例として採用した比
較例および本発明によるものの各ロール構成を示した説
明図で、そのＤ図についてはＤ′図として一部の拡大断
面図をも併せて示すものである。 然してこれらの図面において、１は冷却ロール。 ２は中心部体、３，４は冷却水流路、５はストリップを
示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属ストリップを冷却するための水冷ロールにおい
   て、ロール胴軸方向に直角の断面をとり。 ロール外周面から下記式を満足する距離δＳ内にドーナ
   ツ状の水路を形成させたことを特徴とする金属ストリッ
   プ冷却用水冷ロール。 δＳ≦５Ｘ１０−３・λＳ 但し上式においてλＳは冷却水流路より外周側にあるロ
   ール構成金属の熱伝導率である。