JP4871250B2 - 条鋼の圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の間隔をおいて複数列配置した圧延スタンドの対になった圧延ロールで、圧延材を、複数のパスに分けて順次圧下方向を変えながら圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法の線材、棒鋼、角材など条鋼に仕上げる条鋼の圧延方法に関するものである。

熱間圧延等により製造される線材、棒鋼、角材などの条鋼では、表面疵が許容範囲内にあることを保証する必要がある。これは、条鋼に許容範囲以上の表面疵が残存すると、例えば、後続のいわゆる２次加工工程などでの鍛造工程で、その表面疵を起点とした割れなどの加工欠陥が発生することがあるためである。問題となる表面疵は圧延材の尾端部や先端部で多く発生し、特に尾端部での発生率が圧倒的に高い。コイルとして出荷される線材の場合は、製品の全長検査をすることが困難であるため、尾端部と先端部の端末サンプルを調査し、問題となる表面疵が発生している場合には、表面疵がなくなるまでその端部から切り込み除去しており、非常に手間な検査除去作業を伴っていた。

条鋼の表面疵を低減する方法としては、発明者らが以前に発明した特許文献１に記載された発明がある。この発明は、条鋼に発生する表面疵の原因は製造時の各パスでの局部的な周方向の圧縮ひずみであることを見出し、圧延条件を適正化することでこの圧縮ひずみの値を制御するとした発明である。この発明を実施することにより、問題となる表面疵の発生は、特に条鋼の中間部において格段に低減することが可能となったが、条鋼の尾端部や先端部に発生する表面疵の低減は確実にできたとは言いえなかった。

発明者らは、特に条鋼の尾端部や先端部において表面疵の発生が多い原因を調査した。圧延ロール１での圧延時には、図１１に示すような圧延材２の中間部（定常域ともいう。）とは異なり、圧延材２の尾端部や先端部は、図９や図１０に示すように、圧延ロール１での圧延時にロールバイト内の上流側や下流側に材料（圧延材２）が存在しなくなるため、他の部位より、圧延ロール１での圧延による圧延材２の幅広がりが大きくなる（そのため、尾端部や先端部を非定常域という。）。その広がった部位を、次のパスで圧下方向を変えて（条鋼圧延では、１パス毎に９０度圧下方向を変えることが多い。）圧延することが表面疵発生の原因となっていることがこの調査で明らかとなった。

この幅広がりが大きくなった部位（非定常域）の長さは、投射接触長程度の長さであるため、１パスだけを考えると一見短いようにも思えるが、例えば、１５５ｍｍ角の圧延材２を３０パスでφ５．５ｍｍの線材とする場合、１パス目での非定常域の長さは、表１に示すように、最終パスである３０パス目の圧延が完了した時点では、８００倍以上の長さになり、その長さ分に亘り問題となる表面疵が発生することになる。

以下に、条鋼の尾端部と先端部での表面疵の発生メカニズムを説明する。条鋼圧延の場合、１パス目のみを考えた場合、圧延材２の圧延後の幅寸法は、尾端部、先端部ともに増大する。それに対し、厚さ寸法（圧下方向の寸法）は、先端部では減少する。先端部の厚さ寸法が減少するのは、図１２及び図１３に示すように、その断面で見たときの材料中心部が他の部位より前方に延ばされるためである。一方、尾端部においては、先端部と逆の状態となり、材料中心部が凹む状態になるため、厚さ寸法の増減は殆どない。

次に２パス目を考えると、一般に２パス目では９０度圧下方向がずれるため、１パス目での幅方向が、２パス目での圧下方向となる。そのため、１パス目で両側に張り出した尾端部や先端部の自由面が、２パス目での圧延ロール１の圧下で押さえ込まれることとなり、折れ込まれたような状態となる。この折れ込みが表面疵の発生原因である。２パス目での圧延材２の圧延後の幅寸法は、尾端部では、１パス目と同様に増大することになるが、先端部では１パス目での圧下方向の寸法が小さくなっている分の相殺で、幅寸法の増大が殆どなくなるか、増大したとしても尾端部よりその増大は小さくなる。３パス目以降でも、２パス目での説明と同様に、尾端部でより幅寸法が増大する。以上のようなメカニズムにより各パスで幅寸法が増大するため、尾端部での表面疵の発生の方が、先端部での表面疵の発生より多くなると推定することができる。

この問題を解決する手段として、条鋼の圧延ラインにはその途中の複数箇所に、圧延材２の尾端部や先端部を切断するカット装置が設置されているが、実際切断されている寸法は僅かであり、表面疵の発生の解消までに至っていないのが現状である。切断長さを長くすることで、この問題は解消できると考えられるが、当然ながら歩留まりが低下することとなり、新たな問題が発生してしまう。

また、特許文献２には、「被駆動水平ロール、入および出側に被駆動幅方向の圧延用カリバー付竪ロールを配置し、カリバー付竪ロール金属スラブの幅圧延を行う場合に、該幅方向圧延によって生じた局部的板厚増大部を水平圧下圧延し、再度幅方向圧延を繰返しおこなう熱間可逆式圧延において、金属スラブを竪ロールで幅圧延をおこなって発生する局部的板厚増大部がさらに該竪ロールの逆転方向幅圧延により増長する場合に、該増長する局部的板厚増大部の接する竪ロールの入側カリバー側壁に熱間圧延油を塗布するとともに、出側カリバー側壁部分をロール研削砥石により研削することを特徴とする金属スラブの熱間幅圧延方法」が開示されている。

しかしながら、この特許文献２記載の圧延方法は、ロールの肌荒れの材料への転写による線状疵を低減することを対象としたものであり、油圧延に研削手段を組み合わせることにより、優れたロール肌荒れ防止効果を得るとしたものである。従って、この圧延方法からは、幅寸法が増大した尾端部や先端部を、次のパスで押さえ込むことにより発生する表面疵を低減するという本発明特有の作用効果は達成することは不可能であると考えられる。また、この特許文献２記載の圧延方法では、入側カリバー側壁に熱間圧延油（潤滑油）を塗布しているが、ロールの肌荒れの防止を目的としているため、その潤滑油は、圧延工程中、常に連続して供給されると考えられ、非常に多量の潤滑油を供給する必要があるという問題がある。

特許文献２記載の潤滑油を常時供給するという技術を、本発明の従来技術に適用した場合、確かに、尾端部や先端部といった非定常域の幅寸法の増大を低減することはできるが、それに併せ、定常域の幅寸法まで小さくなってしまうこととなり（図６の○を参照）、その結果、圧延後の圧延材を全長に亘って略同一幅とすることができないという問題が発生する。

特開２００７−９０４２９号公報 特開昭６３−２５０２号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、圧延ロールを圧下することで幅寸法が増大した尾端部や先端部を、次のパスの圧延ロールで押さえ込むことにより発生する表面疵を低減することができ、歩留まりの低下もない条鋼の圧延方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の条鋼の圧延方法は、所定の間隔をおいて複数列配置した圧延スタンドの対になった圧延ロールで、圧延材を、複数のパスに分けて順次圧下方向を変えながら圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法に仕上げる条鋼の圧延方法であって、前記圧延材の尾端部および／または先端部を各パスで圧延する際のみに、潤滑剤を、前記圧延ロールの表面と前記圧延材の表面の間に供給し、前記圧延材の尾端部および／または先端部を圧延することを特徴とする。

また、請求項２記載の条鋼の圧延方法は、前記潤滑剤を供給する領域は、各パスでの投射接触長に相当する領域であることを特徴とする。

更には、請求項３記載の条鋼の圧延方法は、表面疵が発生した最終製品の尾端部および／または先端部の端縁からの長さをα´としたとき、複数列配置した前記圧延スタンドのうち、前記潤滑剤を供給する圧延スタンドは、下記の式を満足する各圧延スタンドであることを特徴とする。
α´≧Ａ０／Ａ´×Ｌｄ
上式で、Ａ０は該当圧延スタンドの入り側の圧延材の断面積、Ａ´は最終製品（条鋼）の断面積、Ｌｄは該当圧延スタンドの投射接触長である。

本発明の請求項１記載の条鋼の圧延方法によると、圧延ロールを圧下することで幅寸法が増大した尾端部や先端部を、次のパスの圧延ロールで押さえ込むことにより発生する表面疵を低減することができる。また、表面疵が発生した非常に長い尾端部や先端部をカットする必要もないので、歩留まりの低下もなくすることができる。

本発明の請求項２記載の条鋼の圧延方法によると、潤滑剤の供給量を、ロール隙の調整による誤差を吸収できる範囲とすることができ、潤滑剤を必要量だけ無駄なく確実に利用することができる。

本発明の請求項３記載の条鋼の圧延方法によると、たとえ表面疵が発生したとしても、その表面疵の発生領域を、歩留まり低下がないとされる必要最低限の長さ分とすることができ、潤滑剤を供給する圧延スタンドの数を、必要最低限の圧延スタンドだけとすることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

発明者らは、歩留まりの低下や圧延安定性の低下を引き起こさず、且つ大きなコストもかけずに、確実に条鋼の尾端部や先端部の表面疵の発生を低減することができる方法として、潤滑剤３を、圧延時の圧延ロール１の表面と圧延材２の表面の間に供給する方法を発明した。図１は、圧延ロール１で圧延材２の尾端部を圧延する状態を示し、図２は圧延ロール１で圧延材２の先端部を圧延する状態を示す。先に説明したが、これら尾端部と先端部を非定常域という。また、図３は圧延ロール１で圧延材２の中間部を圧延する状態を示す。この圧延材２の中間部を定常域という。尚、各図面は便宜上、圧延ロール１で圧延される圧延材２の上半分のみを図示しているが、圧延材２の下半分も線対称で同様の形状であり、図示した圧延ロール１と対になった圧延ロール１で圧延される。

この圧延方法による効果を確認するために、角−オーバル（楕円）１パスで、圧延ロール１による圧延を実施し、圧延材２の幅寸法の変動量を確認した。尚、角、オーバルとは、夫々の圧延ロール１の表面に形成された孔型のことで、断面形状を示す。

まず、予備実験を行い、圧延材２の定常域、非定常域での、幅寸法の変動を確認した。この予備実験の実験条件を図４に、実験結果を図５に示す。尚、図４に示す右の縦断面図は、圧延ロール１の要部拡大縦断面図でありオーバル孔型を示す。図５に示す縦軸は圧延材２の幅寸法を、横軸は供給する潤滑剤３の濃度を示す。○は圧延材２の中間部、即ち定常域の測定値であり、●は圧延材２の尾端部、即ち非定常域の測定値である。この実験では、潤滑剤３は一般的な熱間圧延用の噴射式の液体潤滑剤を用いたが、グリースのような圧延ロール１に塗布する固形潤滑剤を用いることもできる。何れにしても高温下で使用するため、１パスでの圧延後には、揮発してしまったり、燃え尽きてしまったりする。尚、この実験では１パスのみの圧延であったが、次パスでも圧延を行い潤滑剤を使用する場合には次パスで再度潤滑剤３を供給することとなる。

図５より、潤滑剤３の濃度（質量％）が高くなるほど、圧延材２の幅寸法は広がらず小さくなることが確認できた。また、潤滑剤３の濃度（質量％）が同じ条件では、非定常域の幅寸法は、定常域の幅寸法より大きくなることも確認できた。定常域に潤滑剤３を供給しない（無潤滑）場合の圧延後の定常域の幅寸法は２６．０ｍｍであるが、非定常域の幅寸法を、定常域の幅寸法と同一の２６．０ｍｍとするためには、潤滑剤３の濃度を０．０５質量％にすれば良いことが図５から分かる。

従って、本実験では、供給する潤滑剤３の濃度を０．０５質量％に固定し、圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給しなかった場合（△で示す）、圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給した場合（○で示す）、圧延材２の尾端部のみに潤滑剤３を供給した場合（●で示す）の３条件で実験を行い、夫々圧延後の幅寸法の変化を測定した。その測定結果を図６に示す。この図６の横軸は圧延材２の尾端部の端縁からの長さ（単位：ｍｍ）、縦軸は圧延材２の幅寸法（単位：ｍｍ）を夫々示す。尚、尾端部のみ潤滑剤３を供給する場合は、実験での圧延途中のサンプルから投射接触長を求め出し、その投射接触長（３０ｍｍ）分に潤滑剤３を供給した。この投射接触長とは、投影接触長とも呼ばれ、圧延時に圧延ロール１が圧延材２に接触している範囲（接触弧）をＸ軸（圧延方向の軸）に投影した長さのことを示す。

圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給しなかった場合（△で示す）と、圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給した場合（○で示す）を比較すると、潤滑剤３を供給すると、定常域（中間部）、非定常域（尾端部）ともに、圧延材２の幅寸法が減少していることが分かる。これに対し、圧延材２の尾端部のみに潤滑剤３を供給した場合（●で示す）と、圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給しなかった場合（△で示す）を比較すると、尾端部のみに潤滑剤３を供給した場合は、課題とした非定常域（尾端部）のみの幅寸法が減少し、定常域（中間部）の幅寸法には変化がなく、全長に亘って略同一幅となっていることが分かる。

以上の実験結果から、潤滑剤３を供給することで、圧延材２の幅寸法を低減させることはできるが、非定常域のみに潤滑剤３を供給することで、圧延後の圧延材２を全長に亘って略同一幅とすることができることが分かった。また、圧延材２の全長に亘って潤滑剤３を供給する場合と比較すると、潤滑剤３を供給する領域は非定常域の長さ分の僅かであるため、潤滑剤３の供給量も大幅に低減することができる。

実機においては、各圧延スタンドでの投射接触長を事前に求めておき、その投射接触長に相当する領域を、潤滑剤３を供給する領域（長さ）とすることで対応することができる。尚、潤滑剤３を供給する適正な領域は、ロール隙の調整により若干変動すると考えられる。本発明で述べる投射接触長に相当する領域とは、必ずしも投射接触長そのものの長さを示すものではなく、ロール隙により投射接触長の１．０倍から１．３倍の長さの範囲で変動する。実機では、余裕を鑑みて投射接触長の１．１倍から１．３倍の長さの領域としておくことが望ましい。

（実施例１）
この実施例１では、非定常域の幅寸法の増大が、表面疵発生の原因となることの確認と、潤滑剤を供給する必要最低限の圧延スタンド数の確認を、実機実験にて検証した。この実施例１では、ＳＣＭ４３５の１５５ｍｍ角の素材（圧延材）を用い、φ５．５ｍｍの線材となるまで、圧延スタンドに設けた圧延ロールで圧延した。圧延スタンドの数は合計３２スタンド、線材速度は１００ｍ／ｓである。

各圧延スタンドでの入り側の圧延材の断面積をＡ０、最終製品（線材）の断面積をＡ´、各圧延スタンドの投射接触長をＬｄとすると、以下の式により、各圧延スタンドの入り側での圧延材の断面積と、その対象スタンドまで潤滑剤を供給した場合の最終製品での尾端部の換算長さαの関係を表すことができる。
Ａ０×Ｌｄ＝Ａ´×α
α＝Ａ０／Ａ´×Ｌｄ

今回の実機実験で使用したパススケジュールにおける各圧延スタンド入り側での圧延材の断面積と、その各断面積における最終製品での尾端部の換算長さ（計算値）αとの関係を図７に示す。最終製品での尾端部の換算長さαが８ｍ以下（巻き取ったコイル２巻き分以下）になることを目標とすると、尾端部の幅寸法の増大による影響を回避するためには、１スタンドから８スタンドまで潤滑剤を供給すれば良いことが分かる。（８スタンドでのαは１０ｍ程度であり、８スタンドまで潤滑剤を供給すれば、計算上９スタンドでのα＝６．８５ｍとなる。）

次に、実際この仮説が正しいことを確認するために、表２に示す各条件で実機実験を実施した。各断面積から計算した尾端部の換算長さ（計算値）αと、実機実験で圧延して製造した最終製品で０．０１ｍｍ深さ以上の表面疵が発生した尾端部の端縁からの長さとの関係を図８に示す。計算値αと実機実験での確認結果は略同等であり、８スタンドまで潤滑剤を供給することで、全く潤滑剤を適用しない場合の最終製品で、その尾端部の端縁からの長さ約６０ｍまでに発生した０．０１ｍｍ深さ以上の表面疵の発生領域を、目標値の８ｍ以下にまで短縮することが実現できた。

従って、複数列配置した圧延スタンドのうち潤滑剤を供給する圧延スタンドは、表面疵が発生した最終製品の尾端部または先端部の端縁からの長さをα´としたときに、α´≧Ａ０／Ａ´×Ｌｄという数式を満足する圧延スタンドであるということができる。

尚、図８によると、上流スタンド（Ａ〜Ｄ）で、実機実験での確認結果が計算値αより多少短くなる傾向となっているが、これは、上流スタンドになるほど下流スタンドの数が多くなるため、以後の圧延スタンドでの圧延によって材料が延伸し、表面疵の深さが浅くなること、およびスケールオフの影響があると考えられる。

（実施例２）
次に、実施例２では、圧延材の尾端部だけではなく、先端部にも潤滑剤を供給した場合の効果を確認するために実機実験を実施した。この実施例２でも実施例１と同様に、ＳＣＭ４３５の１５５ｍｍ角の素材（圧延材）を用い、φ５．５ｍｍの線材となるまで、圧延スタンドに設けた圧延ロールで圧延した。圧延スタンドの数は合計３２スタンド、線材速度は１００ｍ／ｓである。

また、この実機実験では、圧延材の全長に亘り無潤滑の場合（比較例）、圧延材の尾端部のみに潤滑剤を供給した場合（発明例１）、圧延材の尾端部と先端部に潤滑剤を供給した場合（発明例２）の３条件で実験を行った。尚、３条件とも潤滑剤を供給した圧延スタンドは、実施例１の実験結果に基づき１スタンドから８スタンドまでとした。

表面疵の評価は、材質上等の理由で通常切り捨てられている長さ分（この実験ではコイル２巻き分＝実施例１での目標値）を除いた尾端部と先端部のサンプルをＮ＝１０採取し、その断面を光学顕微鏡で確認することで評価した。深さ０．０１ｍｍ以上の表面疵が全く認められないものを◎で合格、深さ０．０２ｍｍ以上の表面疵が認められないものを○で合格、深さ０．０２ｍｍ以上の表面疵が１ヶ所でも確認できたものを×で不合格と評価した。その実験による評価結果を表３に示す。尚、深さ０．０２ｍｍ以上の表面疵がないものを○で合格としたのは、この程度の深さの表面疵であれば、後続の２次加工工程で、その表面疵を起点とした割れなどの加工欠陥が発生することはないからである。

表３より、比較例では非定常域の評価は、先端部で○、尾端部で×になっているのに対し、尾端部に潤滑剤を供給した発明例１では、尾端部の評価は定常域である中間部と同等の◎となっている。また、尾端部に加え先端部にも潤滑剤を供給した発明例２では、先端部の評価も中間部と同等の◎となっている。以上のように、先端部や尾端部といった非定常域に圧延時に潤滑剤を供給することで、定常域と同様に、深さ０．０１ｍｍ以上の表面疵の発生をなくすることができることが確認できた。

本発明の一実施形態を示し、圧延ロールで圧延材の尾端部を圧延する状態を示す側面図である。 同実施形態を示し、圧延ロールで圧延材の先端部を圧延する状態を示す側面図である。 同実施形態を示し、圧延ロールで圧延材の中間部を圧延する状態を示す側面図である。 （ａ）は圧延材の定常域、非定常域での幅寸法の変動を確認するための実験条件を示す説明図、（ｂ）はその実験に用いた圧延ロールを示す要部拡大縦断面図である。 供給する潤滑剤の濃度と、その潤滑剤を供給して圧延した圧延材の幅寸法の関係を示す説明図である。 潤滑剤の供給条件を変えて圧延した場合の圧延材の幅寸法の変化を示す説明図である。 各圧延スタンド入り側での圧延材の断面積と、その各断面積における最終製品での尾端部の換算長さαとの関係を示す説明図である。 各圧延スタンド入り側での圧延材の断面積から計算した尾端部の換算長さαと、実機実験で圧延して製造した最終製品で０．０１ｍｍ深さ以上の表面疵が発生した尾端部の端縁からの長さとの関係を示す説明図である。 背景技術を示し、圧延ロールで圧延材の尾端部を圧延する状態を示す側面図である。 背景技術を示し、圧延ロールで圧延材の先端部を圧延する状態を示す側面図である。 背景技術を示し、圧延ロールで圧延材の中間部を圧延する状態を示す側面図である。 圧延ロールで圧延した際の圧延材の先端部の変形挙動を示す１／４モデルの解析結果図である。 圧延ロールで圧延した際の圧延材の先端部の変形状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１…圧延ロール
２…圧延材
３…潤滑剤

Claims (3)

1. 所定の間隔をおいて複数列配置した圧延スタンドの対になった圧延ロールで、圧延材を、複数のパスに分けて順次圧下方向を変えながら圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法に仕上げる条鋼の圧延方法であって、
   前記圧延材の尾端部および／または先端部を各パスで圧延する際のみに、潤滑剤を、前記圧延ロールの表面と前記圧延材の表面の間に供給し、前記圧延材の尾端部および／または先端部を圧延することを特徴とする条鋼の圧延方法。
2. 前記潤滑剤を供給する領域は、各パスでの投射接触長に相当する領域であることを特徴とする請求項１記載の条鋼の圧延方法。
3. 表面疵が発生した最終製品の尾端部および／または先端部の端縁からの長さをα´としたとき、
   複数列配置した前記圧延スタンドのうち、前記潤滑剤を供給する圧延スタンドは、下記の式を満足する各圧延スタンドであることを特徴とする請求項１または２記載の条鋼の圧延方法。
   α´≧Ａ０／Ａ´×Ｌｄ
   上式で、Ａ０は該当圧延スタンドの入り側の圧延材の断面積、Ａ´は最終製品（条鋼）の断面積、Ｌｄは該当圧延スタンドの投射接触長である。

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