(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延ロールを有する圧延スタンドを少なくとも１台以上有する圧延機の冷却装置であって、
前記圧延ロール及び圧延材の少なくとも一方を冷却するための媒体として低温水を使用し、
前記低温水は、圧延ロール及び圧延材を冷却した後温度が上昇した水を回収水冷却手段により常温まで冷却した水と、氷蓄熱手段により製造した氷点温度の水とを、冷却水供給手段において混ぜ合わせることにより生成されたものであり、
前記冷却水供給手段の出側の低温水温度を目標温度に保つために、前記冷却水供給手段の出側の低温水温度の測定結果に基づき、前記氷蓄熱手段から供給される氷点温度の水の水量を調整する氷点水流量制御手段を備えたことを特徴とする圧延機の冷却装置。
【請求項２】
前記圧延機は熱間薄板圧延機であって、その熱間薄板圧延機の仕上げ圧延機及び前記仕上げ圧延機により圧延された圧延材を巻き取る巻取り機を備え、前記仕上げ圧延機の仕上げ出側温度制御、前記巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御に低温水を利用し、低温水の使用量を削減するために、仕上げ出側温度制御のフィードバック制御、および、材質管理の厳しい高品質材の巻取り温度制御に低温水を使用することを特徴とする請求項１に記載の圧延機の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧延機のロール及び圧延材の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間薄板圧延においては、１２００℃程度に加熱された厚み３００ｍｍ程度の直方体状のスラブをロールで圧延し、所望の厚みにし、最終的に水で冷却して製品としている。また形鋼、棒鋼などの圧延においても加熱、圧延、冷却というサイクルは同じである。以下では熱間薄板圧延を対象に説明する。
【０００３】
図９に従来の圧延機の冷却装置を示す。
図９において、１は圧延材、２はワークロールで圧延材と接触しながら回転し、圧延材を薄く引き延ばす。３はバックアップロールで、ワークロール２の胴長方向のたわみを矯正するために設置されている。４は巻取り機で、製品を巻き取って、コイル状の形態で出荷するのが一般的である。
【０００４】
また、５は仕上出側温度計、６は巻取り温度計であり、仕上出側温度計５と巻取り温度計６で圧延材１の温度を測定し、それぞれ所望の温度に制御している。
仕上出側温度の制御では、図７に示すように、仕上出側温度計５で測定した結果を、フィードバック（ＦＢ）制御により、ロール冷却水噴射ノズル７から噴射する水の流量を調整している。また仕上入り側に温度計が設置されている場合、その温度計の測定値を使用して、フィードフォワード（ＦＦ）制御を実施する場合がある。
【０００５】
巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御では、図６（ａ）に示すように、仕上出側温度計５で測定した結果を、ＦＦ制御で巻取り温度制御用冷却水ノズル９から噴射する水の流量を調整し、また巻取り温度計６で測定した結果を、ＦＢ制御で巻取り温度制御用冷却水ノズル９から噴射する水の流量を調整する。巻取り温度制御用冷却水ノズル９は、長手方向８０〜１００ｍ程度に数十列も設置されており、圧延材の冷却には大量の水を使用する。
【０００６】
上述のように圧延ラインの２箇所で温度を制御するのは、冷却前と冷却後の温度によって作られる材質が異なるからであり、冷却の速度によっても材質は変化するためである。
【０００７】
図１０は、横軸に鉄に含まれる炭素量、縦軸に温度を取って、鉄の組織を示したものである。図１０の中の境界線は、変態することを示している。たとえば、炭素を０．７７％含むオーステナイト状の鉄を冷却して、７２７℃以下にすると、フェライトを含む鉄の組織に変態することを示している。
【０００８】
また、図１１は高温のオーステナイトの状態にある鉄を冷却したときにできる材質を示したものである。オーステナイトから焼き入れ（急冷）すると、硬く脆い性質を持つマルテンサイト（Ｃが固溶されたα鉄）＋残留オーステナイトとなり、焼きなまし（ゆっくり冷却）すると、少し硬く脆いフェライト＋パーライト（セメンタイトが層状）が生成する。また焼きならし（やや速めに冷却）すると、硬いが脆くないフェライト＋ソルバイト（セメンタイトが粒状）ができ、焼き戻し（焼き入れ後、変態点以下の温度まで再加熱し冷却）すると、硬く靭性のあるフェライト＋ソルバイト（セメンタイトが粒状）ができる。
【０００９】
このように、温度と炭素量によって、鉄の組織、すなわち材質は変化する。従って炭素量と冷却方法により、鉄の材質を制御することが可能である。このため特に巻取り温度制御は、材質の生成に当たって、重要な機能である。
【００１０】
一方、圧延材のみならず、圧延機のロールも冷却する必要がある。図９における圧延材冷却水噴射ノズル８からの冷却水により、ワークロール２を冷却している。
【００１１】
図１２（ａ）に示すように、冷却水はロール胴長方向に配置されたノズルから噴射されている。高温の圧延材と接触するロール表面は、やはり高温になり、ロール材質の劣化が起こるため、冷却する必要があり、また圧延が進むにつれロール内部まで熱が浸透し、ロールの熱膨張を起こすので、これを抑える必要がある。
【００１２】
これらの冷却に使用される水は、繰り返し使用される。図９に示すように、まず冷却水を溜めておく冷却後水回収プール１９があり、ポンプなどでくみ上げて配管系統を通して、上述のロール冷却水噴射ノズル７、圧延材冷却水噴射ノズル８、巻取り温度制御用冷却水ノズル９のノズルまで水が供給される。冷却後の熱を吸収した水は、一般に屋外に設置されている回収水冷却手段１１で、常温まで冷却される。このとき熱は屋外の冷気に捨てられるだけである。常温まで冷却された水は、再び圧延材１やロール２を冷却するのに使われる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回収して使用される冷却水の温度には変動がある。たとえば長期間圧延が停止していた場合は、ほぼ外気温に一致するが、操業が連続して行われると、温まった冷却水の温度を完全には冷却することができないため、圧延が始まると冷却水の温度は上昇する。また当然のことながら、外気温の季節変動があり、冷却効果も変化する。
【００１４】
巻取り温度制御においては、ＦＦ制御で仕上出側温度に基づいて冷却するが、圧延途中の速度の変更があった場合、速度変動が大きな外乱になるため、巻取り温度を目標値通りに合わせることは難しい。この外乱を抑制する目的でＦＢ制御を行うが、ＦＢ制御においても巻取り温度制御用冷却水ノズル９から巻取り温度計６までのむだ時間があり、ノズルの開閉の応答も遅いため、オーバーシュートや応答遅れが生じやすい。この上に、上記の水温変化による温度制御能力の低下がある。
【００１５】
また急速冷却を必要とする圧延材や、高温から低温まで一気に冷却する圧延材では、そのための大流量装置が必要であり、設備規模が大きくなる。
仕上出側温度制御では、圧延材冷却水噴射ノズル８が設置されているのは仕上圧延機の圧延機スタンド間であり、ノズルの数に制約があり、噴射できる水の流量には限界がある。このため制御できる温度範囲が限定される間題がある。
【００１６】
ワークロール２の冷却においても、やはりロール冷却水噴射ノズル７が設置されているのは圧延機スタンド間であり、ノズルの数と噴射できる水量に限界がある。このためワークロール２の熱膨張を十分制御できない場合、図１２（ｂ）に示すように、圧延前の断面形状が凸形であった場合、本来は平坦形状またはやや凸形に圧延するべきであるのに、熱膨張したロールにより大きく凹形に圧延する場合がある。圧延前後での急激な断面形状の変化は、圧延材の平坦度を乱し、製品品質が悪くなる他、操業を停止させるなど、不安定にすることもある。
【００１７】
ワークロール２や圧延材１の冷却に使用した水に含まれる熱は、外気に捨てられているので、省エネルギー化のため、また地球温暖化ガスの排出抑制のためにも、不利である。
【００１８】
本発明は、上述のような間題点を解決するためになされたもので、氷蓄熱を利用して冷却水の温度を常温より低い温度に保つことにより、圧延材やロールの冷却を効率よく行うことができる圧延機の冷却装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧延機の冷却装置は、圧延ロールを有する圧延スタンドを少なくとも１台以上有する圧延機の冷却装置であって、圧延ロール及び圧延材の少なくとも一方を冷却するための媒体として、低温水を使用し、前記低温水は、圧延ロール及び圧延材を冷却した後温度が上昇した水を回収水冷却手段により常温まで冷却した水と、氷蓄熱手段により製造した氷点温度の水とを、冷却水供給手段において混ぜ合わせることにより生成されたものであり、前記冷却水供給手段の出側の低温水温度を目標温度に保つために、前記冷却水供給手段の出側の低温水温度の測定結果に基づき、前記氷蓄熱手段から供給される氷点温度の水の水量を調整する氷点水流量制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
このような構成とすることにより、圧延材やロールの冷却を効率よく行うことができる。
【００２１】
また、圧延材や圧延ロールの冷却水の温度を所望の温度に制御することが可能となり、操業状態や季節の影響を受けることがなくなる。また氷による蓄熱を利用するため、操業していない時の余裕のある電力や、夜間の安価な電力を利用することができる。
【００２３】
また、本発明に係る圧延機の冷却装置は、仕上げ圧延機及び仕上げ圧延機により圧延された圧延材を巻き取る巻取り機を備え、仕上げ圧延機の仕上げ出側温度制御、巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御、及び圧延ロールの冷却に、低温水を使用することもできる。
【００２４】
このような構成とすることにより、巻取り温度制御では材質制御が容易になり、製造できる材質の範囲が広がる。また、仕上出側温度制御では、冷却が有効な範囲が広がり、制御性が向上する。このため巻取り温度制御の入側温度が安定し、巻取り温度制御にも有利になる。
【００２５】
更に、本発明に係る圧延機の冷却装置は、仕上げ圧延機及び仕上げ圧延機により圧延された圧延材を巻き取る巻取り機を備え、巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御におけるフィードフォワード制御のために、低温水を使用してもよい。
【００２６】
このような構成とすることにより、巻取り温度制御における材質制御が容易になる。
また、本発明に係る圧延機の冷却装置は、仕上げ圧延機及び仕上げ圧延機により圧延された圧延材を巻き取る巻取り機を備え、巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御におけるフィードバック制御のために、低温水を使用してもよい。
【００２７】
このような構成とすることにより、フィードバック制御におけるバルブの応答遅れを改善することができ、冷却効率を高めることができる。
更にまた、本発明に係る圧延機の冷却装置は、圧延ロールを有する圧延スタンドを少なくとも１台以上有し、圧延ロールを冷却する場合、ロール胴長方向における熱膨張量が大きい部分に低温水をかけて膨張を抑制することもできる。
【００２８】
このような構成とすることにより、ロールの膨張による圧延材の形状不良、操業の不安定化をなくすことができる。
また、本発明に係る圧延機の熱回収装置は、圧延ロールを有する圧延スタンドを少なくとも１台以上有し、圧延ロール及び圧延材を冷却した後の水から、それに含まれる熱を回収する熱回収手段と、この熱回収手段により回収された熱を利用する利用手段とを備えてもよい。
【００２９】
このような構成とすることにより、回収される冷却水に含まれる熱を有効に回収して利用することにより省エネルギー化を実現することができる。
ここで、熱回収手段をヒートポンプで構成される熱回収手段とし、利用手段を発電手段とすることもできる。
このような構成とすることにより、回収した熱を利用することで発電手段の発電原単価を下げることができ、省エネルギー化に活用することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において従来例を示す図を含めて、同符号は同一部分または対応部分を示す。また、図１、図３、及び図５では、圧延スタンドがタンデムに配置された熱間薄板圧延機を例としている。
【００３１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、使用済みで温水になった冷却水は冷却後水回収プール１９を用いて回収され、回収水冷却手段（従来の方法で屋外の空気に水をさらし、冷却する方法を適用するもの）１１で常温（例えば、通常３０℃程度）まで冷却され、そこから送出された常温水は、冷却水供給手段１２に入る。一方氷蓄熱手段１３では、製氷を行い、この氷で水を冷やすことができる。氷で０℃（氷点）まで冷やされた水（氷点水）は、冷却水供給手段１２において、回収水冷却手段１１からの常温水と混合され、常温水を、常温水よりかなり低い温度、通常１０℃以下に冷却する。
【００３２】
混合後の水（低温水）の温度は、常温水と氷点水の混合比を変えることで実現できる。冷却水供給手段１２から送出される水の温度を測定する温度計１５を設置し、この温度計測定値に基づいて、氷点水流量制御手段１４が、流量制御バルブ１６を操作することで、氷蓄熱手段１３から冷却水供給手段１２へ向かう氷点水の流量を調整する。
【００３３】
氷蓄熱手段１３としては、図２に示すように冷凍機による製氷手段がある。例えば電力により駆動される冷凍機２１に水を供給し、氷を作る。この氷を溜めておき、水槽２２に投入し、氷を解凍することで氷点水を製造できる。電力は夜間電力や自家発電電力などを使用すれば、エネルギー消費量を抑え、安価に運転することができる。
【００３４】
なお、氷蓄熱手段１３においては、冷凍機２１で製造した氷を、回収水冷却手段１１から配送される常温水に投入し、氷点水としても良い。
所望の温度に制御された冷却水供給手段１２からの低温水は、配管などを通って常温水・低温水分配手段１０に配送される。常温水・低温水分配手段１０では、回収水冷却手段１１から来る常温水と、冷却水供給手段２から来る低温水のどちらをロール冷却水噴射ノズル７、圧延材冷却水噴射ノズル８、巻取り温度制御用冷却水ノズル９のバルブに供給するか（または、常温水と低温水との分配割合）が、巻取り温度制御、仕上げ出側温度剰御、ロール冷却の各制御手段から与えられ、これらの各制御手段の制御にしたがって分配する。
【００３５】
この第１の実施形態においては、圧延材や圧延用ロールの冷却水の温度を所望の温度に制御することが可能となり、操業状態や季節の影響を受けることがなくなる。また氷による蓄熱を利用するため、操業していない時の余裕のある電力や、夜間の安価な電力を利用することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図３において、圧延材１やロール２を冷却し、温度が高くなった水（例えば、通常５０〜６０℃程度の水）を回収水冷却手段１１に供給する前に、熱回収手段１７により熱を回収し、その熱を利用可能とすると同時に、回収水冷却手段１１での冷却効果を増大させる。
【００３７】
図４に熱回収手段１７の具体的な構成を示す。即ち、一般の冷蔵庫やエアコンに使用されている、ポンプ及びモータ（図示せず）により冷媒を循環させるヒートポンプ４１を用い、回収された水に含まれる低温（例えば、通常５０〜６０℃程度）の熱を回収し、この熱を蓄積して高温水（例えば１００℃の水）あるいは蒸気として、発電手段１８に提供する。熱を奪われた回収水は、回収水冷却手段１１に配送され、外気での冷却が行われる。このため効率的な冷却が可能である。
【００３８】
発電手段１８は、主熱源２０からの熱に加えて、熱回収手段１７からの熱を併用することで発電原単価を下げることができ、省エネルギー化に活用することができる。発電手段１８により発生した電力は、図１中の氷蓄熱手段１３の冷凍機に供給する電力などに使用することができる。
【００３９】
この第２の実施形態においては、今まで利用されていなかった使用後の冷却水の熱を回収し、その熱を有効に利用することができる。このため省エネルギー化を実現することができ、地球温暖化ガスの排出抑制もつながる。さらに温まった水から熱を奪うため、回収した冷却水の温度を常温まで短時間で下げることができ、圧延設備全体の中での冷却水の循環流量を減らすことが可能となり、設備容量も少なくて済む。
【００４０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。この実施形態は、第１の実施形態のシステムと、第２の実施形態のシステムとを組み合わせて構成したものである。即ち、図１に示す各手段、及び図３に示す各手段を組み合わせて、図５に示すようなシステムを構築することができる。
この第３の実施形態の動作については、第１及び第２の実施形態の動作より理解することができるので、その説明は省略する。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、第４の実施形態の構成を示す図である。
【００４２】
一般に巻取り機前の圧延材温度を制御する巻取り温度制御は、図６（ａ）に示すように、ＦＦ制御６０とＦＢ制御６１から構成されるが、大量の水を使用するため、低温水を全て使用することは、逆に不経済になる場合がある。そこで材質制御に使用するＦＦ制御６０の場合と、バルブ応答の遅れなどによる冷却効果の改善効果があるＦＢ制御６１に使用する。
【００４３】
材質制御に使用するＦＦ制御６０では、特に高温から一気に低温まで冷却する必要がある場合があり、その時はたとえば図６（ｂ）の冷却パターン１に示すような常温水、低温水のパターンとする。
【００４４】
ＦＢ制御６１では、巻取り温度計６により巻取り温度を測定しながら冷却水の流量を制御するため、バルブの０Ｎ／ＯＦＦや流量の制御を頻繁に行うため、バルブの応答が間題になる場合がある。バルブには一般に遅れがあり、また冷却水の冷却効果の現われ方の遅れや温度測定の遅れなどもあり、温度制御性が悪くなる。そこでＦＢ制御に低温水を用いることで冷却効率を高め、小流量でも冷却性を良くし、温度制御性を改善する。
【００４５】
図６（ｃ）の冷却パターン２は、一般的な場合のＦＢ制御６１に低温水を用いることを示しているが、図６（ｂ）の材質制御の場合の冷却パターン１においてもＦＦ制御６０に低温水を用いるとともに、ＦＢ制御６１に低温水を用いている。
【００４６】
次に、図７は仕上出側温度制御としてのＦＢ制御７１の構成例であるが、低温水を使用することで、従来設備と同じ規模、同じ流量でも温度制御範囲が広げることができる。また仕上出側温度計５から遠い圧延材冷却ノズル８は、無駄時間が大きく制御性が悪くなるため、仕上出側温度計５に近い後段の圧延材冷却ノズル８で低温水を使用することが有効である。
【００４７】
この第４の実施形態においては、巻取り温度制御では材質制御が容易になり、製造できる材質の範囲が広がる。また、仕上出側温度制御では、冷却が有効な範囲が広がり、制御性が向上する。このため巻取り温度制御の入側温度が安定し、巻取り温度制御にも有利になる。
【００４８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図８は、第５の実施形態の構成を示す図である。
【００４９】
一般に圧延用ロールの胴長は、圧延材の幅より大きく、そのためワークロール２の表面では圧延材１に触れて高温になる部分と、触れずに低温である部分がある。当然高温部分は熱膨張量が大きくなり、図８に示すように胴長方向の真ん中の部分が膨らむ形となる。
【００５０】
ロール胴長方向に一様に同一温度の冷却水をかけていたのでは、この膨らんだ形は同様であるから、熱膨張量の大きい部分に低温水をかける。熱膨張量の大きい部分の長さは圧延材の幅に選ぶことができ、その長さに対応する冷却水のノズルに低温水を供給し、その他のノズルに常温水を供給する。低温水の供給が限定されるときは、圧延材の温度が高く、熱膨張量の大きい前段圧延スタンドのロールに適用すると効果が高い。
【００５１】
一般に、ワークロール２の圧延材１に触れる部分の表面は、冷却しない場合は１２０〜１２０℃位になるが、常温水をかけて冷却した場合でも６０〜７０℃位になり、ワークロール２の直径６００ｍｍ〜８００ｍｍに対し０．５ｍｍ位膨張するが、低温水をかけることによって、膨張をこれより少なくすることができる。
【００５２】
この第５の実施形態においては、圧延用ロールの熱膨張を容易に抑制して、ロールプロフィールを制御することが可能になり、ロールの膨張による圧延材の形状不良、操業の不安定化をなくすことができる。
なお上記では、熱間薄板圧延機を例にとって説明したが、他の形態の圧延機にも容易に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧延機の冷却装置によれば、氷蓄熱を利用して冷却水の温度を常温より低い温度に保つことにより、圧延材やロールの冷却を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】  第１の実施形態における氷蓄熱手段の構成例を示す図。
【図３】  本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】  第２の実施形態における熱回収手段の構成例を示す図。
【図５】  本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図。
【図６】  本発明の第４の実施形態における巻取り温度制御の構成例及び冷却パターンを示す図。
【図７】  本発明の第４の実施形態における仕上出側温度制御の構成例を示す図。
【図８】  本発明の第５の実施形態におけるワークロールへの冷却水のかけ方を示す図。
【図９】  従来の圧延機の冷却装置を示すブロック図。
【図１０】  温度と鉄の組織との関係を示す図。
【図１１】  鉄の冷却によってできる材質を示す図。
【図１２】  ワークロールの冷却方法と熱膨張の影響を示す図。
【符号の説明】
１…圧延材
２…ワークロール
３…バックアップロール
４…コイラー（巻取り機）
５…仕上出側温度計
６…巻取り温度計
７…ロール冷却水噴射ノズル
８…圧延材冷却水噴射ノズル
９…巻取り温度制御用冷却水ノズル
１０…常温水・低温水分配手段
１１…回収水冷却手段
１２…冷却水供給手段
１３…氷蓄熱手段
１４…氷点水流量制御手段
１５…流量計
１６…流量制御バルブ
１７…熱回収手段
１８…発電手段
１９…冷却後水回収プール
２０…主熱源
２１…冷凍機
２２…水槽
４１…ヒートポンプ
６０…ＦＦ制御
６１、７１…ＦＢ制御
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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