JPH02290605A - 圧延ロールのウォータージャケット式冷却方法およびその制御方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧延ロールのウォータージャケット式冷却方法
とその冷却の制御方法に関する。

［従来の技術コ 熱間圧延において、圧延時に被圧延材から圧延ロールに
大量の熱流束が発生し、ロールの熱疲労による肌荒れや
、ロールの通板部分に熱膨張が生ずる。このためこれら
によって生ずる表面疵や、モ坦度不良を防止するため、
圧延ロールの冷却が必要となる。

従来、圧延ロールの冷却は、圧延中に圧延ロールの表面
に冷却水をスブレイして、このスブレイされた冷却水が
ロール表面に衝突し、ここで熱交換をすることによって
行われていた。このようなスブレイ式の冷却方法は、ｌ
Ｏ〜３０ｋｇ／ｃ＋ｒ＋２の高圧水をノズルによりスプ
レイするので、冷却水がロールに接触する面積が限定さ
れる上に、冷却水量か増加しても冷却面積に変化がなく
、冷却効果の大幅な増大が達成できないという問題点が
あった。

又、スプレイされて圧延ロールに衝突した冷却水は、飛
散して圧延中の被圧延材上に落下し、圧延温度を下げる
ために、エネルギの無駄が多いと共に、被圧延材の材質
制御を困難とするという問題点もあった。

更に、圧延ロールにスプレイされた後の冷却水は、温水
となって圧延機下方のスルースに落下し、デスケーリン
グその他の冷却水及び油圧延後のオイルと共に回収され
て、水処理設備を経て循環使用されている。

従って、ロール冷却水だけを温度制御あるいは水質向上
の処理を行うことは不可能であり、このため、ロール冷
却水の温度制御及び水質の点から、被圧延材の品質向上
には限界があった。

これに対して、例えば、特公昭５５−１２３２２号公報
に示されるように、冷却水ジャケットを圧延ロール表面
に沿って設置し、この冷却水ジャケットの中央部に冷却
水を供給することによって、向流と並流を同時に起こし
て冷却効果を向上させるようにした、いわゆる冷却水ジ
ャケット式のロール冷却方法が提案されている。

又、例えば実公昭５８−５２７５２号公報によって提案
されているように、圧延ロール外周面に対して周囲をシ
ールした冷却水ジャケットに供給した冷却水を直接回収
するクローズドサイクルを形成して方向に流し、これに
よって、冷却水の使用量の減少、冷却後の冷却水の被圧
延材」二への漏水を防止するようにしたものもある。

又更に、上記のクローズドサイクルの冷却水ジャケット
を圧延ロールに設置したことを前提とした使用方法につ
いては、例えば、特開昭６２−６８６１２号によって提
案されており、この方法は、具体的には冷却水ジャケッ
トとロール外周面上の間隙を２〜５＋＋＋ｍとすると共
に、該冷却水ジャケット内での冷却水速度を５〜３０ｍ
／ｓｅｃとするものである。

［発明が解決しようとする課題］ 先行例の特開昭６２−６８６１２号に開示された発明を
その詳細な説明および図面より具体的に調べると第７図
に明記されているように、冷却水ジャケット内の水流方
向は圧延ロール周速の方向と一致するもののみを開示し
ており、これを一般に並流という。本発明者達は、先行
例である特開昭６２−６８６１２号か開示する発明にお
ける冷却水速度を５〜３０ｍ／ｓｅｃを適正範囲とする
ことに疑問を感じた。なぜなら、ホットストリップの熱
間仕上圧延機では通常６または７スタンドの圧延機かあ
り、入側からみ−Ｃ第１スタントの圧延ロールの周速度
に対して最終スタンドの周速度は１０倍程度も速くなる
のに、両者を同扛に扱えるとはとても考えられないため
である。

そこて、本発明渚らは、後に詳述するような実験を行っ
てみたところ、例えば冷却水速度３０ｍ／ｓｅｃでロー
ル周速度２０ｍ／ｓｅｃとし、並流条件で圧延ロールを
冷却した場合、圧延ロールの表層部温度は約２４０℃で
あり、従来のスプレイ方式冷却の場合に１８０℃〜２０
０℃であるのに対して６０℃〜４０℃も高いことか判明
した。また、萌実験におけるロール周速度を半分のＩＯ
ｍ／ｓｅｃとし、他は同じ条件で実験したところ、圧延
ロールの表層部温度は約２１８℃となることを確認した
。従って、圧延口一ルの周速度を取り込んだ適正範囲を
見い出して、従来のスブレイ方式よりも冷却能力の高い
冷却水ジャケットの使い方を見つけ出すことおよびそれ
を利用した冷却能力の調整方法の確立が求められている
。

［課題を解決する為の千段］ 本発明は前記の課題を解決すべく種々の実験結果を整理
した知見に基づいてなされたものであって、圧延ロール
の従来以上の高冷却を達成する使い方、それによる冷却
調整方法および制御方法を提供することを目的とするも
のである。その具体的な手段は第１に、 「圧延ロールの外周の一部に冷却水ジャケットを設け、
その冷却水ジャケット内の圧延ロール外周上の間隙内を
その外周に沿って冷却水を一方向に流すことにより圧延
ロールを冷却する方法において、前記冷却水の圧延ロー
ルに対する相対速度を３０ｍ／秒超とすることを特徴と
する圧延ロールのウォータージャケット式冷却方法」を
手段とする使い方である。

第２に、 「上記第１の冷却方法において、圧延ロールの外周速度
を測定し、その外周速度の測定値に基づいて冷却水流速
度を求め、その冷却水流速度に合わせて供給冷却水量又
は圧延ロール外周上の間隙量の内少なくとも一方を調整
することを特徴とする圧延ロールのウォータージャケッ
ト式冷却方法」と、 「上記第１の冷却方法において、予め定められた圧延ロ
ールの速度パターンから圧延ロールの外周速度を求め、
その外周速度に基づいて冷却水流速度を求め、その冷却
水流速度に合わせて供給冷却水量又は圧延ロール外周上
の間隙量の内少なくとも一方を調整することを特徴とす
る圧延ロールのウォータージャケット式冷却方法」と、
「餌記いずれかの冷却方法において、冷却水の流す方向
を圧延ロールの外周速度方向に対じ向流方向とすること
を特徴とする圧延ロールのウォータージャケット式冷却
方法」 を手段とする調整方法である。

第３に、 「圧延ロールの外周のー・部に、その外周上の間隙内を
その外周に沿って冷却水を流すことにより圧延ロールを
冷却する冷却水ジャケットを設け、その間隙内を流れる
冷却水の圧延ロール外周速度に対する相対速度を操作す
ることにより圧延ロールの冷却を制御する方法において
、圧延予定の圧延鋼帯に関する圧延条件に基づいて冷却
水の圧延ロールに対する相対速度の目標値を求めて、そ
の圧延１７ηにその目標値を初期設定し、圧廷中には圧
延ロールの外周速度を測定し、その外周速度に基づいて
冷却水流速度を算出し、その冷却水流速度に合わせて間
隙量または供給冷却水量の少なくとも一方を操作するこ
とを特徴とする圧延ロールのウォータージャケット式冷
却の制御方法」と、又は「圧延ロールの外周の一部に、
その外周上の間隙内をその外周に沿って冷却水を流すこ
とにより圧延ロールを冷却する冷却水ジャケットを設け
、その間隙内を流れる冷却水の圧延ロール外周速度に対
する相対速度を操作することにより圧延ロールの冷却を
制御する方法において、圧延予定の圧延鋼帯に関する圧
延条件に基づいて冷却水の圧延ロールに対する相対速度
の目標値を求めて、その圧延前にその目標値を初期設定
し、圧延中には圧延ロールの外周速度を予め定められた
圧延口−ルの速度パターンから予測し、その外周速度に
基づいて冷却水流速度を算出し、その冷却水流速度に合
わせて間隙量または供給冷却水量の少なくとも一方を操
作することを特徴とする圧延ロールのウォータージャケ
ット式冷却の制御方法」を手段とする制御方法である。

［作用］ 本発明者達は、圧延ロールに第３図および第７図に示す
ように冷却水ジャケットおよび冷却水の供給・排出シス
テムを設けて、圧延ロール外周面上の間隙を２〜９＋ｎ
ｍの範囲で変更すると共に、その間隙内を流れる冷却水
の速度および圧延ロール周速度を種々変更し、更に冷却
水の流す方向を並流と向流（逆方向）に切替えた実験を
行った。この時の対象鋼帯は４　０ｍｍ厚Ｘ　９００ｍ
ｍ幅の粗バーを２ｍｍ　Ｊ５　Ｘ　９００＋ｎｍ幅に圧
延した同一ロット材である。その実験結果を整理して明
確にしたのが第１図に示すもので、縦軸は圧延ロールの
外面から１ｍｍＦの点におけるロール湿度であり、横軸
は冷却水流速度とロール周速度の相対速度（＝ロール周
速度一冷却水速度）である。ただし、ロール周速度の方
向を正とするので並流では速度差となり、向流では速度
和となる。尚、第１図に斜線で示されるロール温度が１
８０℃〜２００℃の領域は従来のスプレイ方式にて噴射
圧力が約３０ｋｇ／ｃｍ２で冷却した場合を表している
。

この冷却水ジャケットによる圧延ロールの冷却方法は乱
流熱伝達に相当し、例えばロール外周面」二の間隙を２
ｍｍで相対速度を３０ｍ／ｓｅｃの場合、レイノルズ数
ｎｅはａｏｏｏｏ程度となる。一般に乱流熱伝達におけ
る熱伝達率は相対速度のべき乗の関数とされており、た
いへん複雑な関係にあるものとされている。しかし、第
１図をみると今度の実験の範囲では、圧延ロール温度は
相対速度そのものでほぼ明確に表現できることになる。

そして相対速度が３０ｍ／ｓｅｃ超にすると、従来のス
プレイ冷却以上の高冷却が得られることが判明した。前
記の特開昭６２−６８ｆｉ１２号の場合、冷却水温度が
５〜３０＋ｎ／ｓｅｃで圧延ロールの周速度は当然零以
上の並流のみなので、相対速度は最大３０ｌ／ｓｅｃと
なり、本発明の適正範囲とはＩＦ複しないことがわかる
。

さて、冷却水の流速度は冷却水の供給冷却水量を圧延ロ
ール外面七の間隙をなす断面積で割った値で求まるので
、冷却水の流速度を調整するには、その供給冷却水川ま
たはその間隙の少なくとも一方を変更すればよいことに
なる。供給冷却水量の調整は第３図に示すように、冷却
水の供給配管途中にフローコントロールバルブＦＶを設
けるかまたは冷却水の排出配管途中にフローコントロー
ルバルブＦＶを設けるとよい。ただしフローコントロー
ルバルブの特性として、そのバルブをある程度以上絞る
と正確な調整がしずらくなる。一方、間隙の調整は冷却
水ジャケットの位置調整によって行えるか、圧延ロール
には多少の偏心があり、かつ、冷却水ジャケットの曲率
而の中心点と圧延ロール外周面の中心点は多少ともずれ
ているのが般的なことなので、間隙を１＋ｎｍ以下にす
ると圧延ロールが冷力Ｊ水ジャケットに接触したり、接
触しない場合でも間隙量が位置によって大きく変化する
ことになり均−な冷却ができなくなる。また間隙量を太
きぐずれば供給冷却水量が一定な場合、冷却水量速度か
低丁するので熱伝達率は相対速度に従って変化するので
、向流なら相対速度につれて低くなる。よって、間隙量
を増加すると冷却水の厚みが増すたけて冷却能力は低下
するので調整に役立つ。その冷却水流速度の特性例を第
２図に表す。

実作業上では、その相対速度を一定に保つことによって
、圧延ロールの冷却能力を一定値に保ったり、熱間鋼帯
の長平方向の位置に応じてその相対速度を調整したりす
ることが実際の圧延作業上では求められる。一般に、圧
延ロールには発電機（タコジエネレータ）やパルス発信
機（パルスジエネレータ）なる速度計か装備されており
、その圧延ロールの外周速度の測定値に基づいて、目標
とする圧延ロールの温度又は冷却能力（熱伝達率でも可
）に応じた目標相対速度から冷却水速度を求め、その計
算冷却水速度を達成するように、供給冷却水量または間
隙量の少なくとも一方を調整する方法が適切であると本
発明者達は判断した。

その目標とする圧延ロールの温度又は冷却能力又はそれ
に応じた目標相対速度は、熱間圧延鋼帯の圧延条件、圧
延スケジュール（例えば圧下量配分、鋼帯温度、速度配
分）や、圧延スタンドの位置等によって変化するもので
ある。

従って、圧延ロールに冷却水ジャケットを設け、その間
隙内を流れる冷却水の相対速度を操作することにより圧
延ロールの冷却を制御する方法においては、次に圧延予
定の圧延鋼帯に関する圧延条件や圧延設備条件に基づい
て、その冷却水の相対速度の目標値を求めて、その目標
値を初期設定し、圧延中には圧延ロールの外周速度を測
定し、その外周速度に基づいて冷却水流速度を算出し、
その冷却水流速度に合わせて、間隙量または供給冷却水
量の少なくとも一方を調整する制御方法が望ましいこと
を見い出した。また冷却水の流れ方向については、次の
ような見解を得るに至った。

冷却水の流れ方向には、圧延ロールの周速度方向と一致
させた並流と、圧延ロールの周速度方向と逆にした向流
がある。相対速度を３０ｍ／秒超に維持する場合、圧延
ロールの周速度がその３０ｍ／秒以下であれば、冷却水
の方向は向流のみで良いことになる。ホットストリップ
の熱間仕上圧延機の場合、一般に最終圧延スタンドでも
圧延ロールの周速度は３０ｍ／秒に達しないので、通常
は向流一辺倒でよい。従って、冷却水の流れ方向は制御
方法の中で切換等を一切しないでよいことになる。

また、圧延ロールの周速度は、圧延前には圧延スケジュ
ールとして計算され、圧延速度パターンとして決定して
おり、圧延中には速度計にて実測する方法とその圧延速
度パターンから求める方法から定まる。従って、圧延ロ
ールの周速度の決定は初期設定には圧延スケジュールを
利用し、圧延中には、前記の実測による他に計算された
圧延速度パターンから求める方式が採用でき、冷却制御
にも適用できる。

第４図に制御方法のフローチャート図を示す。

次の圧延予定鋼材について、一般的には前圧延材の終了
直後に圧延スケジュール例えば、圧下量、鋼帯温度等に
基づいて，所要冷却能力（つまりロール人熱・抜熱せ計
算）を算出し、それに応じて冷却水ジャケット内の冷却
水の圧延ロールに対する相対速度を算出して制御システ
ムの目標相対速度に初期設定する。圧延を開始すると、
圧延ロールの周速度信号ＶＲが人力され、目標相対速度
値とその圧延周速度値との偏差値を冷却水速度として算
出し、その冷却水速度に圧延ロール上の冷却水流の断面
積を掛け合わせて、冷却水量を決定し、その冷却水量に
追従制御して冷却水流速度をフローコントロールバルブ
又は間隙量を調整して制御する。この制御フローを鋼材
の圧延中、定周期毎に繰り返し行うかあるいは、アナロ
グ回路で組んで常時動作させる。

一方、操作端の代表例については、第３図を参考にして
冷却水量の操作は、冷却水供給管内のフローコントロー
ルバルブＦＶを流量調節器ＦＣにて指令を出して行う。

そして、圧延ロール上の間隙量の操作は、冷却水ジャケ
ット内のバット体２に連結しているシリンダー１０を動
作させて行う。

［実施例］ 本発明の代表的な実施例を第３図に示す。第３図は４段
圧延機の上下ワークロールＷＨの出側に冷却水ジャケッ
トＷを設け、フローコントロールバルブＦＶを経由して
冷却水が６−Ａの供給管より供給され、ワークロールＷ
Ｒとバット体２の間の間隙を冷却水がワークロールの周
方向と向流で一方向に流れてワークロールを冷却し、冷
却後の冷却水は排水管６−８を経てタンクに戻される。

冷却水の流速度の調整は、フローコントロールバルブＦ
Ｖにより供給冷却水量を操作して行い，方、シリンダー
ＩＯの而後進によりバット体２の位置を操作して間隙量
を変更する。そして冷却制御方法は第４図の通りで冷却
水の流量調節器ＦＣの指令でコントロールバルブＦＶを
操作して制御を行フた。

圧延ロールの温度測定は第５図（｛）　（０）に示すよ
うに、圧延ロールの軸方向の中央点の表層部に埋込みプ
ラグを埋込んで、表面をロール表面に合わせた。その埋
込プラグは同図（口）の拡大図のように圧延ロールと同
一材料の円筒ビースに２方向より熱電対を表面から］．
Ｏｍｍ　，　１．５ｍｍの２点に埋込んで、その熱電対
を圧延ロール内の空洞を経由してロール端部まで配線し
そこにＦＭテレメーターを設けて発信させ、受信器でそ
の発信号を受けて記録した。記録はロール回転か高速な
為に、直記式電磁オシログラフにて行った。第６図に代
表的な鋼材１本分の測温チャート例を示す。ここで１つ
のひげ状の信号か圧延ロールの１回転分を表し、最も高
い点は、測温点が鋼材と直接接し、離れる直前の点であ
る。

第１図と同一ロットの対象鋼帯を対象として圧延ロール
の冷却実施例を第１表に整理して表す。

ここで圧延ロール周速度は、第４図および第６図に速度
パターンとして示しているように圧延中に大きく変化す
るものであるので、最高速度時の値を示している。それ
につれて、所要相対速度も冷却水速度も圧延ロールか最
高速度時に対応する値を示している。第１表より番号１
〜４はずへて口−ル温度か１９５℃より低くなり、第１
図のスブレイ冷却と同様かまたはそれより優れた冷却を
行フていることか確認された。また、冷却水量を調整す
ると冷却水速度が変わることが確認されると共に間隙量
（キャップ）を調整しても冷却水速度が変わることか確
認できた。

そして、第６図には、圧延ロールの冷却制御方法を第４
図に示す方法で、冷却水流速度の制御は第３図のように
ＦＣ−ＦＶで実現した＋１＋｛Ｊ御結果を示す。第６図
は鋼材１本分の圧延ロール表層部（表面下ＩＩＩＩＩＩ
＋の点で代表）での測温チャートを上側に、下側には各
時間に対応する圧延速度のパターンを示す。；ｈ１１御
結果、圧延ロール温度は、１４７±５℃にほぼ納まり、
良好な制御がなされたことか確認できた。

実施例では、４段型圧延機の場合を示したが、本発明は
それに限定されず、中間ロールを有する５段型や６段型
の圧延機等の多段圧延機についても適用できることは言
うまでもない。圧延ロールは作業ロール（ワークロール
）に適用した例を示したが、作業ロールに限定されるも
のではない。

たたし熱負荷的には作業ロールが最も厳しいので、本発
明を適用する場合が最も多く、他の補助ロール（ハック
アップロール）や中間ロールに適用することもある。

４図面の↑ｉｔｉ　Ｉｌ１−な説明 第１図は第３図に示す本発明の代表的な冷却水シャケッ
トで圧延ロールを冷却した実験結果を表す圧延ロール温
度と冷却水の圧延ロールに対する相対速度の関係図であ
る。

第２図は第３図の冷却水ジャケットにおける冷却水流速
度と圧力を間隙量をパラメータとして表した関係図であ
る。

第３図は本発明の代表的実施例となる冷却装置の全体図
（一部断面図）である。

第４図は圧延ロールの冷却制御方法のフローチャート図
である。

第５図は実施例で使用した圧延ロールの温度測定センサ
ーの配置図である。

第６図は圧延ロールの冷却制御結果を表す実測ヂャート
例である。

第７図は先行例における冷却水ジャケット装置の全体図
である。

ＷＪ・・・ウォータージャケット、Ｗト・・ワークロー
ル、ＦＶ・・・フローコントロールバルブ、ＦＣ・・・
ｔａ　ｆｆｉ　７Ａ整器、２・・・バット体、６−八・
・・供給管、管，１０・・・シリンダー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧延ロールの外周の一部に冷却水ジャケットを設け
   、その冷却水ジャケット内の圧延ロール外周上の間隙内
   をその外周に沿って冷却水を一方向に流すことにより圧
   延ロールを冷却する方法において、前記冷却水の圧延ロ
   ールに対する相対速度を３０ｍ／秒超とすることを特徴
   とする圧延ロールのウォータージャケット式冷却方法。 ２、圧延ロールの外周速度を測定し、その外周速度の測
   定値に基づいて冷却水流速度を求め、その冷却水流速度
   に合わせて供給冷却水量又は圧延ロール外周上の間隙量
   の内少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項
   １に記載の圧延ロールのウォータージャケット式冷却方
   法。 ３、予め定められた圧延ロールの速度パターンから圧延
   ロールの外周速度を求め、その外周速度に基づいて冷却
   水流速度を求め、その冷却水流速度に合わせて供給冷却
   水量又は圧延ロール外周上の間隙量の内少なくとも一方
   を調整することを特徴とする請求項１に記載の圧延ロー
   ルのウォータージャケット式冷却方法。 ４、前記冷却水の流す方向を圧延ロールの外周速度方向
   に対し向流方向とすることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１項記載の圧延ロールのウォータージャケット
   式冷却方法。 ５、圧延ロールの外周の一部に、その外周上の間隙内を
   その外周に沿って冷却水を流すことにより圧延ロールを
   冷却する冷却水ジャケットを設け、その間隙内を流れる
   冷却水の圧延ロール外周速度に対する相対速度を操作す
   ることにより圧延ロールの冷却を制御する方法において
   、圧延予定の圧延鋼帯に関する圧延条件に基づいて冷却
   水の圧延ロールに対する相対速度の目標値を求めて、そ
   の圧延前にその目標値を初期設定し、圧延中には圧延ロ
   ールの外周速度を測定し、その外周速度に基づいて冷却
   水流速度を算出し、その冷却水流速度に合わせて間隙量
   または供給冷却水量の少なくとも一方を操作することを
   特徴とする圧延ロールのウォータージャケット式冷却の
   制御方法。 ６、圧延ロールの外周の一部に、その外周上の間隙内を
   その外周に沿って冷却水を流すことにより圧延ロールを
   冷却する冷却水ジャケットを設け、その間隙内を流れる
   冷却水の圧延ロール外周速度に対する相対速度を操作す
   ることにより圧延ロールの冷却を制御する方法において
   、圧延予定の圧延鋼帯に関する圧延条件に基づいて冷却
   水の圧延ロールに対する相対速度の目標値を求めて、そ
   の圧延前にその目標値を初期設定し、圧延中には圧延ロ
   ールの外周速度を予め定められた圧延ロールの速度パタ
   ーンから予測し、その外周速度に基づいて冷却水流速度
   を算出し、その冷却水流速度に合わせて間隙量または供
   給冷却水量の少なくとも一方を操作することを特徴とす
   る圧延ロールのウォータージャケット式冷却の制御方法
   。