JPS6018490B2 - 熱間圧延におけるロ−ル冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱間圧延用ロールを冷却水を適用して冷却する
方法に関する。

近年の工業的規模の熱間圧延、たとえば、鋼材のような
金属の各種熱間圧延においては高生産性、高能率、高品
質化が要請され、これに応えるために、高速圧延、高圧
下圧延や熱間潤滑圧延が実施されるようになってきた。

高速圧延、高圧下圧延などの熱間圧延は、圧延用ロール
から見れば高熱負荷圧延法と総称されるように、ロール
の寿命、摩耗やロール肌荒れ等の点で苛鶴な条件下での
圧延である。かかる熱間圧延において、ロール原単位を
切下げ、かつ、圧延製品の表面性状を主とする品質を向
上させるために、耐摩耗性や耐久性の優れたロールの開
発、並びに、さらに効率的なロール冷却技術の開発が必
要である。

本発明は、前述の要請に応えるための技術的手段の一つ
として、熱間圧延用ロールの新しい冷却方法を提供する
ためになされたものである。

金属の熱間圧延においては、ロールは温度振幅５０ぴ０
乃至６０ぴＣにも達する加熱と冷却を繰返し受ける苛酷
な熱的負荷条件であるところから、高速、高圧下で行な
われる熱間圧延、たとえば高速のホットストリップミル
の圧延ロールの冷却は強化の一途をたどってきた。最近
のホットストリップミルにおいては、ロールに供給され
る冷却水は噴出圧力（ヘッダー圧）を６０〜１００ｋｇ
／のＧ、また、ロール表面の被噴射面積（単位）当りの
平均水量密度を３０〜４０が／ｍｉｎ・淋といった高い
水準のミルさえ出現するようになってきている。

その結果、ホットストリップミル仕上スタンドのロール
冷却用消費電力は、仕上スタンドの純圧延用消費動力の
２０〜２５％に相当する高い水準のものさえ出現し、こ
れによってロール冷却コストが上昇し、このようなエネ
ルギー多消費型。

ール冷却法に対する反省が生じた。上述のように高速、
高圧下の苛酷な条件の下で行なわれる熱間圧延において
ロール原単位を切下げ、かつ、ロール肌荒れ等に起因す
る圧延製品の表面性状の劣化を防止するための新しい効
率的なロール冷却技術の開発が、更めて、強く要望され
ていた。

夕 新しいロール冷却法の開発に当って解決すべき技術
的議題は、以下のように要約される。

１ エネルギー（電力）消費が少ないこと。

２ 冷却効率が高いこと。

３ 冷却水の使用量が少ないこと。

４ ロール摩耗を極小にすることができる冷却手段を確
立すること。

５ ノズル詰り等のトラブルがなく作業性が良好である
こと。

等々である。

本発明者等は、これらの技術的課題を解決するために、
広範な実験的研究を行なった結果、最も効果的なロール
冷却となる冷却水噴出圧力（ヘッダー圧力）とロール表
面の冷却水の被噴射面積（単位）当りの水量密度（以下
において、単に水量密度と略記する）との組合せがある
ことを突き止めた。

すなわち、冷却水の噴出圧力ｐを１０〜２５ｋ９／鮒Ｇ
とし、かつ、水量密度ｑを４〜１０の／ｍｊｎ・あとす
るときに、ロ−ル温度を最も低い水準に抑えることがで
き、またロール冷却用消費電力を少なくし得る。尚、ロ
ール冷却技術に水量密度なる概念を導入し、検討したの
は本発明者が初めてであり、噴出圧力と水量密度の組合
せで適正ロール冷却条件が存在するのを見出したもので
ある。

１個のノズルから噴出される水量をＱ、その時の噴出圧
力をＰとすれば、冷却水の噴出時のレイノルズ数Ｒｅは
次式で与えられる。

Ｒｅの（ＱノＰ）１′２ 他方、熱伝達を、主として支配する要因は、単位の伝熱
面に供給される冷却水量すなわち平均水量密度ｑである
。

したがって、ロール冷却で主要な操業条件は、噴出圧力
Ｐと水量密度ｑで記述されることになる。

以下に、本発明を詳細に説明する。

従来、熱間圧延用ロールを冷却する際に、圧延材から離
脱したロール表面をできるだけ早い機会に強力に冷却す
ること、すなわち、冷却開始点を可及的にロールバイト
の出口に近づけ強力に冷却するのが、ロール摩耗や肌荒
れを防止するのに効果的であるところから、冷却水の噴
出圧力と水量密度ともに高い水準を指向してきたけれど
も、以下に説明するように、前述の双方を単に高い水準
にすることが課題の解決に必ずしも有効ではない。

次に、本発明を実施例、比較例にもとづき具体的に説明
する。

第１図に示すように胴部寸法５５０側◇×１０仇奴Ｌの
ロール１に、図示のように等間隔に多数の冷却水噴出チ
ップ３（以下、ノズル３と略記）を取付けたロール冷却
用へツダー２を配置し、噴出圧力（ヘツダー圧力）ｐ＝
１〜７２ｋ９／鮒Ｇの範囲、並びに冷却水の吐出量１〜
ｌａ／ｍｉｎ（噴出圧力２．８ｋ９／仇Ｇにて）の各種
のノズルを用い、噴出圧力とノズルの吐出量の組合せを
広範囲に変化させて、冷却水噴出条件のロール温度に対
する影響を、ロール表面下１．５肋点に埋込んだ熱電対
ＣＡによる棚温によって調べた。

尚、ロール冷却用へッダー２にセットしたノズルは、各
条件毎に全て同一の型番のものを使用し、ノズル型番と
噴出圧力の組合せで供給冷却水量を変化させた。

図中ａは面間距離を示す。第２図にロール表面上におけ
る冷却水の衝突状況を穣式的に示したが、ロール表面に
衝突前の噴出冷却水の相互干渉はない。図中４は噴流衝
突部、５は非衝突部を示す。１２５０ｑｏに加熱された
９５肋０の鋼片を１パスで厚さ６５伽に圧延しロールに
入熱させた。

ロールバイトでの接触時間は約０．４＄ｅｃ／回転であ
った。

ロール冷却効果に対する水冷条件の影響を噴出圧力ｐの
効果と水量密度ｑの効果に分けて整理して第３図および
第４図に示した。ここで、ロールのピーク温度とは表面
下１．５側点（接触時間：０．４＄ｅｃ／ｒｅｖ）の熱
電対の示す温度は、第５図に模式的に示すように周期的
に変化するが、１周期間の最高温度のことである。第３
図に示されている如く、噴出圧力約１０〜１５ｋ９／め
Ｇまでは、噴出圧力の昇圧と共に、ロール温度は低下す
るが噴出圧力３０ｋ９／鮒Ｇ以上になると、かえってロ
ール温度が上昇する場合が多い。

第３図中にアトマィズィング（山ｏｍｉｚｉｎｇ）効果
として示した枠内（点線）の点は、最も小さなノズル（
１／４ＫＳＳＯ１４０…共立合金製）から噴出圧力３０
ｋ９／仇Ｇ以上の高圧水あるいは超高圧水を噴射すると
、水滴径が小さくなり、特に、噴出圧力６０ｋ９／塊Ｇ
以上の超高圧水の場合には、完全に霧状になり、かえっ
て、ロール温度が上昇し、ロ−ル冷却効率が低下するこ
とを端的に示している。また、噴出圧力３０ｋ９／係Ｇ
以上の高圧あるいは超高圧水をロール表面に噴射すると
、ロール表面に衝突後のハネ返りが顕著になり、冷却水
がロール表面に沿って流れず、実質冷却面積が減少する
ことが観察された。従来、噴出圧力を高めると冷却効率
は向上すると考えられ、高圧あるいは超高圧水によるロ
ール冷却法が採用されてきたが、よどみ点外も含めた平
均冷却能は、前述の通り、噴出圧力約１０【９／のＧ程
度までは、高圧化に伴なし、向上し、噴出圧力１０〜２
５【９／仇Ｇの範囲ではほぼ一定で、噴出圧力３０ｋｇ
／のＧ以上では逆に低下することが見出された。

この結果を省エネルギーの面から考えると、噴出圧力３
０ｋ９／仇Ｇ以上は不利であるといえる。

つぎに、冷却水量の影響については、以下のように定義
した水量密度で整理した。ロールに配置された各へッダ
−から噴射された冷却水はロール表面に衝突するが、こ
の衝突部分（個々のノズルからの冷却水の衝突面積では
なく、これらを全てを包含する最外輪都）の表面積の総
和を被冷却面積とし、全供給水量を被冷却面積で除した
量を水量密度とした。

第４図に示されている通り、水量密度ｑは４〜６の／ｍ
ｉｎ・れまでは増量に伴なつて、ロール温度は低下し冷
却能は向上するが１０〆／ｍｉｎ・め以上に増やしても
冷却効果は向上しない。

・前述の通り、冷却能力が最も向上する水冷条件範囲が
存在することが確認され、省エネルギーや節水の観点か
らも有利な範囲があることが分った。

以上述べた実施条件は、低速圧延の例であるが、最近の
高速ホットストリップミルでも上記の適正ロール冷却条
件が妥当であるか否か広範な実験により検討した。

実験を行なった生産用高速ホットストリップミルのＦ２
スタンドのロ−ル冷却用へッダー２の配置等を概念的に
第６図に示した。

吐出量８〜５７１／ｍｉｎ（噴出圧力２．８ｋ９／均Ｇ
にて）の範囲のノズルを取付けた冷却用へッダーを圧延
機の入口側に１段および出口側に３段配列し、ロール温
度に対する影響度の最も大きいロールバイト出口に４最
も近い■へッダー（第６図参照）の圧力を最高８０ｋ９
／均Ｇまで変化させて、表面下１．５肌点および３．仇
豚点の温度を熱電対（ＣＡ）で測定した。図中■は３０
ｋ９／仇Ｇ系、■は１０ｋ９／仇Ｇ系、◎は３０ｋ９／
仇Ｇ系、■は８０ｋ９／仇Ｇ系のへツダーを示す。第７
図（日へッダーの圧力のみ変更）のａ：側溢点：表面下
１．５肋、及びｂ：側温点：表面下３．０欄に示したよ
うに、噴出圧力１０〜２５ｋ９／仇Ｇの範囲でロール温
度が鍋底となっており、噴出圧力１５〜２０ｋ９／鮒Ｇ
で最低になっている。

へツダーのノズル型番配置を固定し、噴出圧力を高める
と冷却水量密度も増大するが、噴出圧力３０ｋ９／地Ｇ
以上では明瞭にロール温度が上昇している。この特性は
熱間圧延油を使用した場合でも全く同様の榎向であった
。

従釆、熱間圧延油を使って圧延する場合には、ロール表
面に付着した圧延油残律がロール冷却ゾーンで、冷却水
への抜熱の際の熱抵抗になりロール冷却効率を低下させ
るので、噴出圧力３０ｋ９／仇Ｇ以上の高圧乃至超高圧
水でロール表面に残留した圧延油を洗い流すことが必要
であるといわれて超高圧水でロールを冷却する方法が採
用された起因にもなっていた。本発明者等は従来の考え
方や方法が実効がないことを突き止めた。この理由は、
前述の通り、水滴径の減少と衝突した冷却水のハネ返り
（反射）が激しくなり、ロール表面に沿って流れなくな
り、実質冷却面積が減少するからであることが分った。
適正噴出圧力範囲に対する圧延速度の影響を第３図と第
７図との比較により調べて見ると、接触時間０．４＄ｅ
ｃ／回転から０．０１ｓｅｃ／回転と高速化した場合、
最適噴出圧力が若干高圧側にずれていることが分った。
しかし、さらに高速回転するＦ６あるいはＦ７スタンド
‘こついて、ロール摩耗や肌荒れの面からは、噴出圧力
をさらに高圧化する必要のないことが分った。一般的に
は、熱間圧延機の種類やその圧延条件によりロールの熱
的な負荷条件あるいは熱的な厳しさは異なるが、本発明
のロール冷却方法は各種の熱間圧延に適用可能であり、
また、本発明の条件でロールを冷却するのが抜熱効率の
高い冷却方法である。

圧延条件が熱的に厳しくない時は、ロール冷却条件とし
て理想的な条件でなくても実用上致命的なロール損傷が
発生しない場合があるが、ロール冷却技術の立場から云
えば本発明の条件でロールを冷却することが望ましい。

その理由は抜熱が十分な程ロ−ル表面の損傷が少ないか
らである。前述の２つのロール冷却実験条件は、各種の
条鋼圧延、厚板圧延及びホットストリップ圧延等におい
て熱的に厳しい圧延条件範囲に相当している。

夕熱的に厳しい圧
延条件下で効率的に抜熱可能なロール冷却方法は、熱的
に厳しくない圧延条件においても適用でき、効率的に抜
熱できる条件であることに変りはない。その理由は以下
の通りである。

Ｚロールバイトにおけるロールの最表
面温度は第１次近似（摩擦熱、加工熱を無視）として次
式で与えられ大略同程度である。８凧＝ラ≧芸事等王≦
≧害毒量≦誉ま Ｚここで・８Ｒｍ：ロール最表面温
度 ＯＲ ：圧延材を蟻込む前のロール表層温度ｏｓ ：圧
延材の温度入，ｐ，Ｃは各々熱伝導率、密度、比熱で添
２字１はロール材料、添字２は圧延材を示す。

ここで、ロール材料と圧延材料の物性値（入，ｐ，Ｃ）
はほぼ同程度であるので８Ｒｍ子（８Ｒ＋６８）
２ となる。

通常の各種の熱間圧延においては８ｓら１０００〜８０
０ｑ○、８Ｒ３６０〜９０ｑ○であるからロールバイト
における最表面温度はａＲｍ〜〜４５０〜５５ぴ０
３となる。

通常の熱間圧延における摩擦熱、加工熱による温度上昇
は１００〜２０び０であるから結局圧延ロールの温度は
大略５５０〜７５０ｑｏの温度範囲であり、熱間圧延機
の種類あるいは、ホットストリップミルにおけるスタン
ドの違いによる冷却特性上の大きなあるいは本質的な相
違はない。

以上の理由により、本発明の冷却方法は各種の熱間圧延
に共通して適用可能である。本発明者等が突き止めた熱
間圧延用ロールの適正噴出圧力範囲１０〜２５ｋ９／均
Ｇは、第１図に説明した両間距離が１００〜２５仇舷の
範囲において成立する。

但し、一般に、面間距離ａが近づけ‘ま、最適噴出圧力
は若干低噴出圧力側に移行する鏡向がある。面間距離が
２５仇肌以上になればロール表面上での衝突圧が急激に
減少するので、２５ｋ９／塊Ｇ以上の噴出圧力が必要に
なり省エネルギーの面で不利となる。また、面間距離が
１００側以下になれば、冷却水へッダーの数が同じ場合
、噴射角の大きなノズルを使用しないと広い冷却弧長を
確保できなくなると同時に、衝突圧が急激に減少し冷却
効率が低下する。比較的小さな噴射角のノズルを使用す
る時は、広い冷却弧長を確保するためには、ヘッダー数
を増加させねばならず、必然的にノズル個数が増え、目
詰り発生の確率が増大し洗練作業時間やノズル交換時間
が増加し、実作業上不都合が生ずる。結局、実際的な各
種熱間圧延作業において望ましい面間距離は約１００〜
２５仇吻であるから冷却効率および省エネルギーの両面
から、適正噴出圧力として１０〜２５ｋ９／係Ｇが推奨
される。

ロールの伝熱機構は、定性的には、ロールバイトで圧延
材や摩擦によってロール表面が加熱され、同時に内部へ
熱拡散が行なわれる。

そして、ロールバイトを離れ冷却開始に達して水冷され
表面温度が低下すると、表層に逆の温度勾配が生じ内部
の熱が表面に向って熱伝導で移動し、表面におけるニュ
ートン冷却で冷却水へ抜熱されること夕の繰返しである
。この伝熱機構から、ロール冷却水は表面に逆流してき
た熱量を完全に奪い去るに必要な量だけ供給されればよ
いわけで、必要以上に冷却水を供給しても無意味であり
、省エネルギーおよび節水の面からは不利であることが
うなづ０ける。第４図に示した水量密度の効果のデータ
は、第１図の如きへツダー配置で冷却開始点が高速ホッ
トストリップミル等に較べて遅れており、ロール表面温
度が水の核沸騰領域（約１５０〜３５０℃）に近夕く高
い熱伝達係数が得られる場合である。

これに対し、特に高速ホットストリップミルの場合、冷
却開始点がロールバイト出口に近いために、冷却開始点
直前におけるロール表面温度が約６００午○以上になっ
ている場合もあり、膜沸騰冷却が先行し０比較的熱伝達
係数が低い時がある。このような場合、冷却開始点近傍
の平均水量密度を約１０で／ｍｉｎ・〆程度まで高める
と、全体としてのロール冷却能力が向上することが分っ
た。それ故、各種の熱間圧延における適正水量密度範囲
は４〜１０〆／ｍｉｎ・めで十分であるといえる。

また、ロールの円周方向で、前述の例の如く、水量密度
分布にパターンを持たせてもよく、節水や省エネルギー
の面からはこの方が有利である場合が多い。以上の通り
、本発明者等は冷却能力が大きい水冷条件範囲を究明し
、かつ将来に向って増々その重要性の増大する省エネル
ギーの面でも有利なロール冷却法を開発したものである
。

尚、該ロール冷却方法は熱間圧延のみならず熱負荷の大
きな冷間圧延においても効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のロール冷却用へッダー配置を示す側面
図、第２図は実施例における冷却水のロール表面上にお
ける衝突状況を模式的に示した図、第３図は同例の冷却
水噴出圧力が表面下１．５肌点におけるピーク温度に及
ぼす影響を示すデー夕の一例を示す図、第４図は同例の
冷却水の水量密度が表面下１．５肋点におけるピーク温
度に及ぼす影響の一例を示す図、第５図は表面下１．５
肋点のＣＡ熱電対指示温度の周期的変化とピーク温度を
説明する模式図、第６図は他の実施例に用いた生産用高
速ホットストリップミルＦ２Ｓｔ′ｄのロール冷却用へ
ツダー配置の模式図、第７図ａ，ｂは同例の表面下１．
５側と３．物舷のピーク温度に対する噴出圧力の効果を
示すデータを示す図である。 １……ロール、２……へツダー、３……ノズル、４・・
…・噴流衝突部、５・・・・・・噴流非衝突部、ａ・・
・・・・面間距離。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 冷却水を用いて熱間圧延用ロールを冷却するに際し
   、ロール表面に供給する冷却水の噴出圧を１０ｋｇ／ｃ
   ｍ＾２Ｇ乃至２５ｋｇ／ｃｍ＾２Ｇとすると共に、ロー
   ル表面の被噴射面上における冷却水の水量密度を４ｍ＾
   ３／ｍｉｎ・ｍ＾２乃至１０ｍ＾３／ｍｉｎ・ｍ＾２と
   したことを特徴とする熱間圧延におけるロール冷却法。