JPS6015008A - 熱間圧延機におけるワ−クロ−ルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、熱間圧延機におけるワークロールの冷却方
法に関するものでちる。

熱間圧延機においては、ワークロール（以下。

単にロールという）の適切な冷却が、製品ストリップの
肌を良好にすること及びロール寿命の向上を図る観点か
ら極めて重要である。特に、厚みの薄いホットストリッ
プに圧延するさいには、ロールが１周する間に−ｍ被圧
延材に接触して受熱する時間割合いが相対的に長くなる
ので、ロールへの熱負荷が増大する。この結果、ロール
冷却の能力が不足すると、ロールの肌荒れがひどくなり
、ひいては製品の表面性状が劣下するとともに、ロール
寿命も短くなる。

従来のロール冷却方法を第１図に示すが、バンクアンプ
ロール２に接触したロールｌは被圧延材３を圧延すべく
、被圧延材３に接触した瞬間に、ロールｌの表面温度は
、接触する直前の被圧延材３０表面温度とロールｌの表
面温度のほぼ平均値にあたる中間温度に上昇する。例え
ば、被圧延材３の温度が１０００℃であると、中間温度
は数百℃にもなり、ロール１０半径方向に急激な温度勾
配が生じる。

ロール１が被圧延材３から離れて、ス°トリツパ−ガイ
ド５のロール接点に至る間は、ロール表面にはスプレー
冷却装置４からの有効な冷却水は。

はとんど噴射されず、ロールｌの表面の高温層はロール
の内部へ急速に熱拡散しヤロール１の表面温度が下がる
。スプレー冷却装置４からの冷却水によって、実際に有
効な冷却が開始されるのは。

ロール１の表面温度がおよそ２５０℃以下に下がった時
点からであり、これ以降、スプレー冷却装置４からの冷
却水によって、さらにロール１の温度は低下する。ロー
ル１が略１周して、再び圧延バイト入口に来たときの温
度が、前の周のそれと一致すべく十分に下がっていれば
、ロール１の温度は準定常状態に維持される。しかし、
厚みの薄いホットストリップに圧延する際は、ロール１
本あたりの圧下率が大きくなるので、ロールｌと被圧延
材３との接触時間が長くなる。この結果１人熱量が増す
。ましてや、生産能力をあげるためバー間のインターバ
ル時間を短くすると、被圧延材３との接触による入熱量
がロール冷却による出熱量をうわまわり、ロールバイト
入口でのロール温度は次第に高くなって行く。このよう
な場合には。

ロールｌが被圧延材３に接触した瞬間の中間温度も当然
１次第に高くなって行く。

一方、ロール１の温度が数百℃を超えてなお高く彦ると
、ロール１の降伏応力が急速に低下するので、ロールｌ
が被圧延材３に接触するたびに。

ロール１の表層が温度勾配熱応力によって塑性流動を起
し、ついにはロールｌの肌荒れに至る。

このように、厚みの薄いホットストリップを隅い生産能
力で圧延する時には、過大な熱負荷に対抗できる強力な
ロール冷却が必要である。

そこで、ブースターで昇圧したデスケーリング水から分
岐した。５０〜６０　Ｋｐ／ｃｒｌの高圧スプレー冷却
水によってロールｌの冷却を行うことが試みられるよう
になり、ロール１の肌荒れ防止に効果をもたらした。従
って、このような高圧スプレーが一般化された。その後
、鉄鋼生産量の伸びなやみとか省エネルギーの必要性を
背景として、スプレー冷却水の圧力を下げる傾向になっ
てはきたが、それでも、約２０　Ｋ９／ｃａ程度の高圧
水を多量に用いているのが現状である。因に、熱間圧延
機では粗圧延および仕上圧延のロール冷却につき。

平均的にはｌスタンドあたシ約１，０ＯＯｔｒ？／ｈｒ
の水量を使用しており、ポンプ動力の電力原単位はおよ
そ２０　ＫＷＨ／製品切ｎにも及ぶ。このように。

ロール冷却のためにぼう大な電力が消費されているのが
現状であり、昨今の省エネルギーニーズからすれば現状
レベルと同じ冷却能力を維持しつつ。

冷却水用ポンプが消費する電力費を大幅に低減しうる新
しい冷却法の開発が望まれている。従来の高圧水のスプ
レー冷却は、非常に流速の速い水滴゛を、比較的狭い領
域に集中して噴射させることに特徴を有するが、冷却の
特質からみれば、冷却効率が悪いことは否めない。すな
わち、冷却能力のわりにはポンプ動力がかかりすぎるの
である。これは、高速の液滴がロール１に噴射されると
、ロール１に衝突したあとリバウンド効果によってロー
ル１の表面からはね飛んでしまう確率が高いことによる
。すなわち、衝突後にさらにロール１に沿って流れて、
２次的な冷却に寄与することがほとんどない。−特に、
ロールの周方向に沿って流れる能力が欠如している。

一方、特定領域の水量密度を極めて大きくとっても、そ
の部分の熱伝達係数はほとんど飽和しており、水量密度
を増加させても奪熱能力はほとんど向上しない。

ロール冷却では、上述したように、冷却開始時の表面温
度は、２５０℃以下に下がっていることが多く、この程
度の低温領域では、熱伝達係数の水量密度依存性は比較
的小さい。従って、熱伝達係数が飽和する水量密度ある
いは衝突速度はより低い方にある。

本願発明者等は、上述のような綾点から、ロール１回転
当りの平均冷却能力を従来なみに維持しつつ冷却水用ポ
ンプが要する電力費を低減することができる、すなわち
、ポンプ動力を最小限にすることができるロールの冷却
方法を得べく種々検討を加えた。この結果１次のような
知見を得た。

（１）　ロール面へ噴射された水の運動エネルギーを゛
極力有効活用することが重要であり、このためには、ス
プレー冷却装置からの水噴流がロールに衝突したあとも
ロールに沿って流れる能力を飛躍的に向上させる必要が
ある。すなわち、単位体積あたりの冷却水がロールに触
れている有効時間を長くする必要がある。

（２）局所的に水量密度をあげても熱伝達係数はほとん
ど飽和１〜でいるので、飽和した熱伝達係数をできるだ
け広い面積にわたって確保する必要がある。

（３）飽和した熱伝達係数に対応した噴流の速度を適確
に杷握し、それに見合った最小限のヘッダー圧力を用い
る必要がある。すなわち、ロール冷却の熱伝達はロール
表面近傍の水噴流の運動条件にのみ依存するから、そこ
では飽和状態が実現できるようにする一方、ポンプ動力
が最小となるような流体力学的な効率化を図る必要があ
る。

この発明は、上述した（１）〜（３）の知見に基づきな
されたものであって。

ロール冷却用スプレー冷却装置のスプレーノズルを、前
記ロール面の一部を側壁の一部と″する水槽内に設け、
前記スプレーノズルから前記ロール面の一部に向けて冷
却水を唄射し、かくして、前記ロール面の一部に、前記
スプレーノズルから噴射する冷却水に同伴させて前記水
槽内の冷却水を衝突させることに特徴を有する。

この発明を更に説明する。

ロールの周囲に設けられた水槽内のスプレーノズルから
、ロール面に向けて冷却水を噴射嬶せると、この冷却水
は水槽内の冷却水を同伴する（以下、これを噴流水とい
う）。従って、ロール面に衝突する噴流水の速度は、ス
プレーノズルを出た直後の冷却水の噴射速度より減衰し
ているが、ロール面に衝突する有効噴流水量は、スプレ
ーノズルから噴射する冷却水の流量より和尚−％多い。

ロール面に衝突したあとの噴流水は、その周辺に同伴し
た流れにバンクアンプされてその流速はさほど減衰せず
、ロールの幅方向および周方向の表面に沿って流れる。

この点が、前述した従来の高圧スプレー水をロール面に
衝突させた時の冷却水のリバウンド挙動と本質的に異な
る。すなわち、高圧スプレー冷却法は、その直射部のみ
強冷却し、その周辺はほとんど冷却されないのに対して
、この発明の水中噴射冷却法は、噴流水の衝突点近傍の
みならずロール面に沿う流れによって、その周辺までも
広範囲に強冷却する。つ捷り１強冷却が確保できている
冷却有効面積が従来の高圧スプレー冷却法よりも圧倒的
に広くできる。従って、ロール冷却の能力を。

ロール１回転中の平均値でみると、強冷却の有効時間が
長くとれる水中噴射冷却法の方が、高圧水スプレー冷却
法に比べて有利となる。このことから、水中の噴射冷却
法によれば一ポンプ動力を大幅に下げても、胃圧水スプ
レー冷却法と同等もしくはそれ以上の冷却が可能となる
。

また、水中噴射冷却法の利点は、ロール面に衝突する水
量面からも明白である。すなわち、スプレーノズルから
噴射する冷却水に、水槽中の冷却水が同伴されるので、
ロール面へ向う噴流水量はノズル噴射水量の２〜５倍に
もなりうる。この増量された＋ｌ１ｌｔ流水は、引続き
水槽内にとどまり、水槽のリークがない時は、スプレー
ノズルからの噴射水量分がオーバーフローすることとな
る。つまり。

噴射水量の１〜４倍に和光する噴流水が水槽内を常に循
環していることになる。このことは、噴射された冷却水
が水槽内に滞留する平均時間か長く。

それだけ抜熱量が従来法に比べて多いことを意味する。

従って、単位噴射水量あたりでみた冷却能力が向上した
分だけ、噴射水量を絞ることかでき。

ひいては、ポンプ動力の面でも１段と有利である。

このように、水中噴射冷却法は、ロール面に衝突する冷
却水量の増大による冷却効果の向上と。

ロール面に沿って流れる冷却水による冷却効果の増大と
云う２つの特徴を有する。なお、水中噴射冷却法の場合
における噴流水の衝突速度は、先に述べたように、熱伝
達係数がほぼ飽和する速度を選ぶのが合理的である。

熱間圧延機におけるロール冷却を伝熱解析してみると、
ロールが被圧延材に接触したあと、実際に有効な水冷が
始まる時のロール表面暉度は約２５０℃以下で、水冷が
止まる時の温度は約６０℃である。

そこで、ロール表面温度が２５０℃から６０℃の範囲に
おける平均熱伝達係数と噴流水の衝突速度との関係を実
験的にめた。この結果を第２図に示す。

第２図の平均熱伝達係数は噴流水の衝突点の値であるが
１図から明らかなように、ロール冷却の能力は、噴流水
の衝突速度が約９ｍ／ｓｅｃでほぼ飽和してしまい、こ
れ以上噴流水の衝突速度をあげても、冷却能力はさほど
向上しない。

第２図は冷却水温度２５℃の例で、平均熱伝達係数は、
　ｇ　ｍ　／ｓｅｃの時の値を１としてあられした相対
表示である。従って、ロール面への噴流水の衝突速度は
、この飽和速度のレベルとし、あとはロール面に沿って
流れる表面近傍の噴流水の速度が飽和速度なみとなる領
域をできるだけ広く確保することに留意すべきである。

この点からも水中噴射冷却法の利点がきわだってくる。

次に、この発明のロール冷却方法を熱間圧延機に適用し
た場合について説明する。

第３図は上側のワークロール１に、第４図は下側のワー
クロール１′に、この発明の冷却方法を適用した縦断面
図である。いずれも、圧延バイト出側を示すが１図示し
ていない入側も同様な構造になっている。

第３図の例は、ロール１の面の一部を側壁の一部とする
水槽１０を構成するために、ストリッパーガイド５を底
板とし、側板６を第５図に示すようにロール１の幅端部
にもうけ−いずれもロール工に近接あるいは接触せしめ
て冷却水のリークの防止を図り、側板６間に立板７を設
けたものである。

すなわち、前記ロール面の一部と、ストリッパーガイド
５と側板６および立板７とによって、スプレー冷却装置
のスプレーノズル８およびヘッダー９を囲むように、水
槽１０が設けられている。立板７の外側には、別の立板
１１が設けられていて。

立板７と１１との間に、水槽１０からオーバーフローし
た冷却水を導くようになっている。水槽１０内に設置す
るヘッダー９は、ロール１の周囲に５段に並べて配列し
てあり、各ヘッダー９に内径８馴φの円管スプレーノズ
ル８が１５本設けられている。従って、水槽１０内には
７５本のスプレーノズル８がロール１面に向けて取９付
けられている。各スプレーノズル８はロールｌ側からみ
て千鳥状配列となるようにそれぞれヘッダー９に取り付
けられている。各スプレーノズル８とロール１面との間
の距離は、８０朋とした。これは、各スプレーノズル８
がロール１面に近すぎると噴流水の速度減衰はないもの
の、ロール１面に衝突した後のリバウンド効果で、噴流
水がロール１面から離反して、ロール１面に沿って流れ
る能力が減じるからである。一方、各スプレーノズル８
がロール１面から離れすぎると、スプレーノズル８から
の噴射冷却水に同伴する水槽１０内の冷却水量が多くな
り、噴流水はロール１面に沿って流れやすくなるが、噴
流水衝突速度が飽和速度以下に減衰するからである。本
発明者等の実験によれば、スプレーノズル８の先端から
ロール１面までの距離は、７０〜１００朋程度がもつと
も平均冷・却能力が高いことが確認された。

一方、第４図の例は、第３図の場合と同様に配列したヘ
ッダー９およびスプレーノズル８を、底板１２．側板（
図示せず）および立板１３からなる水槽１０’内に設置
したものである。この場合は。

水槽１０′からのオーバフロー水は、ストリッパーガイ
ド５とロール１′との間から、ストリッパーガイド５の
上面を通って流れる。

このようなロール冷却装置をホットストリップ仕上タン
デム式圧延機のＮ［Ｌ１スタンドの上ワークロールｌお
よび下ワークロール１′の各々の出側および入側にそれ
ぞれ配置し、各ヘッダー９への給水圧力を変えて、ロー
ル１の冷却効果を調べた。

この結果を第６図に示す。

このときの条件は次の通りである。

ロール冷却能力は、ワークロールを新しく取換えて１０
コイル分を圧延し、最終コイルの圧延終了から２分経過
したところでロール表面温度を測定することによって評
価した。その他の圧延条件は。

次の通シである。コイルの寸法は厚さ１．　’６　ｎｕ
ｎ　、幅１２００＋ａ＋＋＋、入口の板の厚みは２９間
、圧下率は５６チ、入口の板温度は１０３０〜９５．０
℃、ワークロール直径は’ｉ’８０ｗ＋＋φ、冷却水の
水温は。

２０℃であった。

なお、正味の圧延時間とコイル間のアイドル時間（この
間ロール冷却は継続されている）の比率がロール温度に
犬きく影響すると思われたので、第６図の関係をうる実
験では、この比を１となるようにコントロールした。

第６図から明らかなようにこの発明による冷却方法では
ヘングー給水圧力を増すとロール冷却能力は向」ニする
が、３〜４　Ｋｆ／ａｄ　でほぼ飽和している。因に、
ヘッダー給水圧力３　］（ｐ、／、−Ｊの時の１スタン
ドあたりの総水量は、８２Ｏｎ？／ｈｒであり。

従って、スプレーノズル８からの冷却水の流速は平均１
５　ｍ１ｓｅｃ　と推定される。この時、ロール１０回
転を停止して常温状態で流れを模似的に測定してみると
、ロール１面近傍の平均流速は、約１１０Ｉｎ、　／　
Ｓｅｃ　で前述した飽和速度に到達していることがわか
った。このために、ヘッダー給水圧力をこれ以上あげて
スプレーノズル１からの冷却水の流量および流速を増し
てもロール冷却能力は、もはや飽和するものと思われる
。

一方、第６図中に従来の高圧スプレー冷却法で冷却した
場合を、比較のため◎印で示したが１本発明の冷却方法
による飽和冷却能力は従来法よりも明らかに優れている
ことがわかる。

従来の高圧スプレー冷却法の場合は、１スタンドあたり
の総水量は９００７ｙ＋３／　ｈｒ　、給水圧力は１８
に７／Ｃｄであったことから、ポンプ動力が従来法の約
１５％にて従来法と同等以上の冷却能力を発ｉｄｉでき
たこととなり、この発明によるロール冷却方法が省エネ
ルギーの観点から優れたものであることがわかる。

なお、ストリッパーガイド５または底板１２゜および側
板６をロール１面に接近あるいは接触させて、その隙間
からの水もれを極力防止するのは当然であるが、リーク
水量をスプレーノズル８からの供給水量より少なく抑え
て、水槽１０．１０’に水が充満するようにしなければ
ならない。スプレーノズル８による供給水量から、隙間
からのリ−り水量を差し引いた水量が水槽１０．．１０
’がらオーバーフローすることとなるが、オーバーフロ
ーの方法は大別して２つある。

第３図の場合は、立板７の上端から図中点線で示すよう
にオーバーフローさせ、前述したように。

もう一枚の立板１１との間に流出させる方法であり、こ
れによって、オーバーフロー水が被圧延材３上に落下す
るのを防止する。

もう１つの方法は、水槽１０の側板６がらサイドへ直接
オーバーフローさせる方法であるが、後者が水槽内の流
れが横流れを含む３次元流れであるのに対して、前者は
２次元流れのためエネルギー損失が少なく冷却効率が優
れている。

以上の実施例では１円管スプレーノズル８を千鳥状に配
列したものを採用したが、スリット状のノズルを水槽内
へ配列してもほぼ同様な効果が得られる。

スプレーノズル８とロール１面との間に筒体を配置する
と冷却効率（使用動力あたシの冷却能力）が一層内上す
る。

すなわち、第７図に示すように、スプレーノズル８とロ
ール１面との間にノズル側端部がノズル８の外断面より
も大きい内断面を有する筒体１４をスプレーノズル８と
略同−線上にもうけ、スプレーノズル８から噴射された
冷却水によって筒体１４のノズル側端部から水槽１０中
の水を吸引せしめ、噴流水をノズル噴射流量よりも多い
流量で筒体１４内を通過させて、筒体１４のロール側の
端部から噴流水をロール１面に衝突せしめるようにして
も良い。

この方法の利点として次の２つがあげられる。まず、第
１の利点は、筒体１４がない時はロール工に向う方向の
噴流水の流れと、衝突後にヘッダー７側へ戻る方向の噴
流水の逆方向の流れが比較的隣接しており、エネルギー
損失が多い。これに対して、筒体１４があると、噴流水
の行き戻りの関係が明確に分離するので、ロール工面近
傍の流れが安定し、ロール１面に沿ったスムーズな噴流
水の流れが実現する。特に、ロール周辺の付帯設備の都
合によって側板６側から横方向へ直接オーバ−フローさ
せざるをえない時は、水槽１０内の流れが横流れを含む
３次元的な流れになるので、筒体１４を使う利点が顕著
となる。すなわち、水槽１０内に横流れがあると、スプ
レーノズル８からロール１へ向う噴流水が乱れて、冷却
効率が低下するのに対して、筒体１４がロール１に近接
した位置まであると、噴流水が横流れに影響されること
が少ない。

第２の利点は、既存の高圧水をそのまま利用するが給水
量を減じて省エネルギーを図るようなケースでは筒体１
４を使った方が最適化しやすいことである。

すなわち、ヘッダー内の高圧力に見合った高速噴流水を
スプレーノズル８から少量噴射し、筒体１４にて流量を
増幅し、速度を減じる調整を行う。ロール１に接近した
筒体１４のロール側端部から吐出する噴流水の速度は、
前述した飽和速度を若干うわまわる程度に減衰している
。つまり、高圧ヘッダーから噴射される高速少量の噴流
水が水槽１０中の筒体１４によって中速多量の噴流水に
変換されることになる。もしも、筒体１４がない場合は
。

ロール衝突速度が飽和速度レベル捷で減衰するために、
スプレーノズル８の先端をロール１面から相当に離すこ
ととなり、結果としてロール１面近傍への噴流水の運動
エネルギーの集中度が低下することとなって冷却効率が
劣下する。

なお、いずれの目的で筒体１４を使うにせよ。

筒体１４はロールエに接近させておき筒体１４からの噴
流水の流速を飽和速度（：　９　ｍ　／ｓｅｃ　）　（
、ややうわまわる程度に調整するのが合理的である。

ロールｌと筒体１４の間の距離は３０〜７ＱｎＶｎとす
るのが冷却効率上から望ましいことが実験的に確められ
た。

上述した筒体１４の直管部は内径１５ｍｆｎφで。

長さ８０ｒｎｆｎ１円錐部の端部の直径が５０ｍｍφで
長さ５０ｒｎｆｎとし、ロール１面から筒体１４の先端
までの距離は３５・騨とする。

スプレーノズル１本あたりの噴射水量を１〜３ｎｌ／ｈ
ｒ、ヘッダー圧力３−１８　ＫＳＪ／ｃａ、の範囲で試
験したところ、同じロール冷却能力をうるのに筒体１４
がない場合に比してポンプ動力を２０〜４０％低減する
ことができた。

以上説明したように、この発明によればロール１回転当
りの平均冷却能力を従来なみに維持しつつ冷却水用ポン
プが要する電力費を低減することができる。すなわち、
ポンプ動力を最小限にすることができるといった有用な
効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のロール冷却方法を示す側面図。 第２図は、噴流水の衝突速度と平均熱伝達係数比との関
係を示す図、第３図および第゛４図は、この発明の一実
施例を示す部分縦断面図、第５図は。 第３図の平面図、第６図は、ヘッダー給水圧力とロール
表面温度との関係を示す図、第７図は、この発明方法に
使用する筒体の設置状態を示す水平断面図である。図面
において、 １・・・ロール　２・・・バンクアップロール３・・・
被圧延材　４・・・スプレー冷却装置５・・・ストリッ
パーガイド　６・・・側板’７．１１．１３・・・立板
　８・・・スプレーノズル９・・・ヘッダ−１０，１０
’・・・水槽１２・・・底板 出願人　日本鋼管株式会社 代理人　潮谷　奈津夫（他２名） 巣　１図 第２図 ’ｔｌＫＬ　水ｔｖ　４Ｍ　’２　’Ｉ　ノＦ　（ｍ／
５ｅｃ）鍍３図 索４図 手５図 ） 禁６図 萎７図 Ｙ＝＝／ンＬノ ｔ＝＝ゝＪ＝）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロール冷却用スプレー冷却装置のスプレーノズルを、前
   記ロール面の一部を側壁の一部とする水槽内に設け、前
   記スプレーノズルから前記ロール面の一部に向けて冷却
   水を噴射し、かくして、前記ロール面の一部に、前記ス
   プレーノズルから噴射する冷却水に同伴させて前記水槽
   内の冷却水を衝突させることを特徴とする。熱間圧延機
   におけるワークロールの冷却方法。