JP7067331B2 - 連続鋳造用ロール - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造機の二次冷却帯に設置され、円周方向に延びる溝からなるスリットが表層部に複数形成された連続鋳造用ロールに関する。

連続鋳造機による鋳片の連続鋳造では、鋳型から引き抜かれた鋳片は、冷却ノズルで水冷されつつ、連続鋳造用ロールにより下方に搬送された後、鋳片切断機により所定の長さに切断される。

連続鋳造用ロールは、高温の鋳片との接触と冷却水との接触の繰り返しによる熱応力と、鋳片からの反力により表層部に亀裂が発生し、連続した亀裂へと進展する。亀裂が進展すると、連続鋳造用ロールが折損する可能性があり、ロール寿命が短くなるという課題もある。

上記課題に対して、連続鋳造用ロールの表層部に円周方向の溝からなるスリットを設ける技術が知られている。連続鋳造用ロール表層部にスリットを設けると、連続鋳造用ロール表層部の膨張と収縮による熱応力を低減でき、亀裂の発生を抑制することができる。しかし、スリット間の凸部が鋳片に押し潰される「へたれ」と呼ばれる現象が発生し、製造される鋳片の断面を矩形に保てなくなり品質低下を招くという問題がある。

そこで、特許文献１では、へたれが問題となる鋳片幅方向両端部に接触するスリットの溝深さを浅く溝ピッチを大きくした連続鋳造用ロールが開示されている。

特開２０１５－９３３０２号公報

特許文献１記載の連続鋳造用ロールによれば、へたれを防止し、亀裂の発生を相応に抑制することができる。しかしながら、依然として連続鋳造用ロールに亀裂が発生しており、更なる亀裂発生の抑制によるロール寿命の延長が望まれている。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、スリット間の凸部のへたれを防止したうえで、亀裂の発生を抑制して更なるロール寿命の延長を図ることが可能な連続鋳造用ロールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、連続鋳造機の二次冷却帯に設置され、円周方向に延びる溝からなるスリットが表層部に複数形成された連続鋳造用ロールにおいて、
前記複数のスリットが形成されているスリット領域を挟んで鋳片幅方向両サイドに、鋳片の幅方向端部が接触する、前記スリットの無い非スリット領域を有し、前記スリット領域の鋳片幅方向の長さをＷＳとして、
前記スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳの中央に最も近い位置に形成されているスリットＳｃと前記スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳの中央から最も離れた位置に形成されているスリットＳｅの間に、前記スリットＳｅから前記スリットＳｃに向けてスリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍ（ｍは自然数）が順に形成され、前記スリットＳｃの溝深さをｈｃ、前記スリットＳｅの溝深さをｈｅ、前記スリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍの溝深さをそれぞれｈ１、ｈ２、…、ｈｍとすると、０＜ｈｅ≦ｈ１≦ｈ２≦…≦ｈｍ≦ｈｃ、且つ前記スリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍのうち少なくとも一つの溝深さがｈｅ超、ｈｃ未満とされ、
前記各スリットは、溝底部のアール半径が２ｍｍ～６ｍｍ、溝深さが３ｍｍ～３０ｍｍ、溝幅が２ｍｍ～８ｍｍ、溝ピッチが１０ｍｍ～３０ｍｍであることを特徴としている。

連続鋳造機による鋳片の連続鋳造では、鋳片の幅方向端部にバルジングによる凹凸が生じる場合がある。そのため、鋳片幅方向端部が接触する、連続鋳造用ロール部位にスリットを設けていると、へたれの原因となる。本発明では、鋳片の幅方向両端部が接触する連続鋳造用ロール部位にスリットを設けないようにして、へたれを防止する。

さらに、本発明では、スリット領域の鋳片幅方向中央から端部に向けてスリットの溝深さを徐々に浅くすることによって、溝深さの急激な変化による応力集中を緩和する。これにより、従来に比べて亀裂の発生を抑制することが可能となる。

また、本発明に係る連続鋳造用ロールでは、前記ｍが３以上とされ、（ｈ１－ｈｅ）／ｈ１＞（ｈ２－ｈ１）／ｈ２＞（ｈ３－ｈ２）／ｈ３であることを好適とする。

スリット領域の鋳片幅方向中央から端部に向けてスリットの溝深さ変化率を徐々に増大させることにより、より一層の亀裂発生抑制効果を得ることができる。

本発明に係る連続鋳造用ロールでは、スリットが形成されているスリット領域を挟んで鋳片幅方向両サイドに、鋳片の幅方向端部が接触する、スリットの無い非スリット領域を設けて、へたれを防止すると共に、スリット領域の鋳片幅方向中央から端部に向けてスリットの溝深さを徐々に浅くすることによって、更なる亀裂発生の抑制が可能となるので、従来に比べてロール寿命を延長することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用ロール表層部の部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用ロール表層部の部分断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る連続鋳造用ロール表層部の部分断面図である。 スリットの溝底部に発生するロール軸方向応力を従来例と実施例で比較した棒グラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明者らは、特許文献１記載の連続鋳造用ロールによれば、スリット間の凸部のへたれを防止できるものの、スリットの溝深さが急激に変化する部位において応力集中が起き、当該応力集中が連続鋳造用ロールの亀裂発生や進展の原因となることを発見した。即ち、熱応力による亀裂発生を抑制するスリットの配置次第では応力集中が起き、スリットによる寿命延長効果が減殺される場合があることを発見した。
従って、スリットの溝深さが急激に変化する部位の応力集中を緩和できれば、早期の亀裂発生を抑制してロール寿命の更なる延長が可能となる。

連続鋳造機の二次冷却帯に設置され、円周方向に延びる溝からなるスリットが表層部に複数形成された連続鋳造用ロールにおいて、スリット間の凸部のへたれを防止するため、本発明では、複数のスリットが形成されているスリット領域を挟んで鋳片幅方向両サイドに、鋳片の幅方向端部が接触する、スリットの無い非スリット領域を設ける。即ち、鋳片幅をＷ、スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳとすると、ＷＳ＜Ｗである。
なお、本発明に係る連続鋳造用ロールは、連続鋳造用ロールの鋳片幅方向の中心軸に関して線対称である。

また、スリットの溝深さが急激に変化する部位の応力集中を緩和するため、スリット領域の鋳片幅方向中央に最も近い位置に形成されているスリットＳｃとスリット領域の鋳片幅方向中央から最も離れた位置に形成されているスリットＳｅの間に、スリットＳｅからスリットＳｃに向けてスリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍ（ｍは自然数）を順に形成する。スリットＳｃの溝深さをｈｃ、スリットＳｅの溝深さをｈｅ、スリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍの溝深さをそれぞれｈ１、ｈ２、…、ｈｍとすると、０＜ｈｅ≦ｈ１≦ｈ２≦…≦ｈｍ≦ｈｃ、且つスリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍのうち少なくとも一つの溝深さをｈｅ超、ｈｃ未満とする。

ただし、スリットＳｅ、Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｍ、Ｓｃの寸法には以下の制限を設ける。
溝底部のアール半径Ｒは、応力集中による亀裂発生を抑制するため２ｍｍ以上とし、連続鋳造用ロール全体の剛性低下を回避するため６ｍｍ以下とする。
溝深さは、温度変化による膨張収縮を拘束せず熱応力を抑制できる３ｍｍ以上とし、溝底部に亀裂が入った場合に連続鋳造用ロール全体の破損を防ぐため３０ｍｍ以下とする。
溝幅Ｂは、連続鋳造用ロールに鋳片が接触した際の熱伸びによって溝の側面同士が接触しないようにするため２ｍｍ以上とし、溝間の凸部の幅を確保して剛性を保つため８ｍｍ以下とする。
溝ピッチＰ（隣接する溝の中心間距離）は、凸部外周面の熱応力を緩和するため、なるべく小さな値が好ましいが、凸部の幅を確保して凸部の剛性を確保するため１０ｍｍ～３０ｍｍとする。

以下、本発明に係る連続鋳造用ロールの具体的な形態について説明する。
［本発明の第１の実施の形態に係る連続鋳造用ロール］
本実施の形態に係る連続鋳造用ロール１０の表層部の部分断面図を図１に示す。
連続鋳造用ロール１０では、スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳ＜鋳片幅Ｗとされ、スリット領域を挟んで鋳片幅方向両サイドに、鋳片の幅方向端部が接触する、スリットの無い非スリット領域が設けられている。

スリット領域の鋳片幅方向中央１３に最も近い位置に形成されているスリットＳｃからスリットＳ２までの溝深さはｈｃとされ、スリット領域の鋳片幅方向中央１３から最も離れた位置に形成されているスリットＳｅとスリットＳ２の間に、溝深さがｈｅ超、ｈｃ未満のスリットＳ１が形成されている。即ち、スリット領域の鋳片幅方向両端部に形成したスリットの溝深さが、スリット領域の鋳片幅方向中央側から端部側に向かうにつれて徐々に浅くなっている。
なお、各スリットの溝底部のアール半径Ｒ、溝幅Ｂ、溝ピッチＰは一定である。

［本発明の第２の実施の形態に係る連続鋳造用ロール］
本実施の形態に係る連続鋳造用ロール１１の表層部の部分断面図を図２に示す。
連続鋳造用ロール１１では、スリットＳ１の溝底部がスリットＳ２の溝底部とスリットＳｅの溝底部を結ぶ直線上にある点が連続鋳造用ロール１０と異なっている。即ち、スリットＳ２からスリットＳｅまでの溝深さ変化率は一定、（ｈ１－ｈｅ）／ｈ１＝（ｈ２－ｈ１）／ｈ２である。

［本発明の第３の実施の形態に係る連続鋳造用ロール］
本実施の形態に係る連続鋳造用ロール１２の表層部の部分断面図を図３に示す。
連続鋳造用ロール１２では、スリット領域の鋳片幅方向端部の溝深さ変化率が一定ではなく、スリットＳ４からスリットＳｅまでの溝深さ変化率がスリットＳｅに近づくにつれて徐々に増大する点が連続鋳造用ロール１１と異なっている。（ｈ１－ｈｅ）／ｈ１＞（ｈ２－ｈ１）／ｈ２＞（ｈ３－ｈ２）／ｈ３＞（ｈ４－ｈ３）／ｈ４とされ、スリットＳ４、Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓｅの溝底部は、半径Ｒ１＝ｈｃ×０．７５と半径Ｒ２＝Ｒ１×１６の二つの円弧が内接することにより得られる曲線上にある。
スリット領域の鋳片幅方向中央１３に最も近い位置に形成されているスリットＳｃからスリットＳ４までの溝深さはｈｃで一定である。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更や上記実施の形態の組み合わせを施してもよい。
例えば、上記実施の形態では、スリットＳ４～Ｓ１の溝深さを徐々に変化させているが、スリットＳｍ～Ｓ１（ｍは５以上の自然数）の溝深さを徐々に変化させるようにしてもよいし、あるいは、溝深さを徐々に変化させる領域の途中に同じ溝深さの領域、いわゆる踊り場を設けても良い。要するに、スリットの溝深さを急激に変化させなければ良いのである。

本発明の効果について検証するために実施したシミュレーション試験について説明する。

有限要素法を用いて連続鋳造用ロールの弾塑性応力解析を実施した。
［解析モデル］
・連続鋳造用ロール寸法：直径３８０ｍｍ、胴長２３００ｍｍ、ベアリング間距離２６００ｍｍ
・スリット寸法：溝底部アール半径３ｍｍ、溝幅６ｍｍ、溝ピッチ１５ｍｍ
・スリット領域の鋳片幅方向長さ：６４５ｍｍ
・鋳片幅：１１４４ｍｍ

スリットの溝深さについては以下に示す４ケースを設定した。
・従来例１では、全スリットの溝深さを一律２０ｍｍとした。
・従来例２では、ｈｅ：５ｍｍ、ｈ１～ｈ１９、ｈｃ：２０ｍｍとした。
・実施例１は前述した第１の実施の形態であり、ｈｅ：５ｍｍ、ｈ１：１０ｍｍ、ｈ２～ｈ１９、ｈｃ：２０ｍｍとした。
・実施例２は前述した第３の実施の形態であり、ｈｅ：５ｍｍ、ｈ１：１５．５ｍｍ、ｈ２：１８ｍｍ、ｈ３：１９．２ｍｍ、ｈ４～ｈ１９、ｈｃ：２０ｍｍとした。

［連続鋳造用ロール１本当たりの負荷条件］
・負荷荷重：矯正反力７３５．５ｋＮ、溶鋼静圧４３０ｋＮ
・熱負荷：鋳片表面温度１１３８Ｋ、冷却水温度３１３Ｋ

シミュレーション結果の棒グラフを図４に示す。この棒グラフは、スリットの溝底部に発生するロール軸方向応力を従来例と実施例で比較したものである。なお、ｈ５～ｈ１９のロール軸方向応力は省略している。
シミュレーション試験より判明したことを以下に示す。

ロール軸方向応力の最大値が、従来例１では７７０ＭＰａ程度、従来例２では７５０ＭＰａ程度と大きな値なのに対して、実施例１では、ロール軸方向応力の最大値を６７０ＭＰａ程度まで低減することができる。実施例１の連続鋳造用ロールを実機で使用したところ（鋳片幅は１１００ｍｍ～１９００ｍｍ、冷却水温度は２０～４５℃、その他の条件は解析モデル条件と同じ）、ロール寿命は従来例１の１．５倍程度となった。

実施例１は、ロール軸方向応力の最大値が従来例１に比べて約１割減（７７０ＭＰａから６７０ＭＰａへの減少）であるのに対し、ロール寿命が５割増加という顕著な効果が得られた理由は以下のように考えられる。
連続鋳造用ロールの表層部にスリットを形成すると、ロール表層部の膨張収縮の緩和効果が得られるので、ロール寿命の延長に効果があるが、スケールなどの鋳造機内発生物がスリットに侵入すると上記緩和効果が減殺される。連続鋳造機内の冷却水は鋳片に衝突した後、鋳片幅方向端部側へ向かう流れとなる。そのため、鋳片幅方向端部側のスリットにスケールなどの鋳造機内発生物が侵入する。
実施例１では、応力集中箇所が鋳片幅方向端部（スリットの溝深さｈｅの部位）より中央側（例えばスリットの溝深さｈ２の部位）である。即ち、実施例１では、スケール侵入による緩和効果の減殺が少ない部位（例えばスリットの溝深さｈ２の部位）が応力集中箇所となる。これにより、より一層の寿命延長効果が発揮され、上記１．５倍の寿命延長結果が得られたものと考えられる。

実施例２では、ロール軸方向応力の最大値が５４０ＭＰａ（スリットの溝深さｈ１の部位）、５３５ＭＰａ（スリットの溝深さｈ２の部位）程度であり、顕著な応力ピークは見られない。
実施例２では、従来例１に比べて約７割までロール軸方向応力が低減している（３割の低減）。従って、従来例１の２．５倍程度のロール寿命の延長を見込むことができる。

１０、１１、１２：連続鋳造用ロール、１３：鋳片幅方向中央、Ｓｅ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓｃ：スリット、Ｒ：アール半径、ｈｅ、ｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４、ｈｃ：溝深さ、Ｂ：溝幅、Ｐ：溝ピッチ、Ｗ：鋳片幅、ＷＳ：スリット領域の鋳片幅方向長さ

Claims (2)

1. 連続鋳造機の二次冷却帯に設置され、円周方向に延びる溝からなるスリットが表層部に複数形成された連続鋳造用ロールにおいて、
   前記複数のスリットが形成されているスリット領域を挟んで鋳片幅方向両サイドに、鋳片の幅方向端部が接触する、前記スリットの無い非スリット領域を有し、前記スリット領域の鋳片幅方向の長さをＷＳとして、
   前記スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳの中央に最も近い位置に形成されているスリットＳｃと前記スリット領域の鋳片幅方向長さＷＳの中央から最も離れた位置に形成されているスリットＳｅの間に、前記スリットＳｅから前記スリットＳｃに向けてスリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍ（ｍは自然数）が順に形成され、前記スリットＳｃの溝深さをｈｃ、前記スリットＳｅの溝深さをｈｅ、前記スリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍの溝深さをそれぞれｈ１、ｈ２、…、ｈｍとすると、０＜ｈｅ≦ｈ１≦ｈ２≦…≦ｈｍ≦ｈｃ、且つ前記スリットＳ１、Ｓ２、…、Ｓｍのうち少なくとも一つの溝深さがｈｅ超、ｈｃ未満とされ、
   前記各スリットは、溝底部のアール半径が２ｍｍ～６ｍｍ、溝深さが３ｍｍ～３０ｍｍ、溝幅が２ｍｍ～８ｍｍ、溝ピッチが１０ｍｍ～３０ｍｍであることを特徴とする連続鋳造用ロール。
2. 請求項１記載の連続鋳造用ロールにおいて、前記ｍが３以上とされ、（ｈ１－ｈｅ）／ｈ１＞（ｈ２－ｈ１）／ｈ２＞（ｈ３－ｈ２）／ｈ３であることを特徴とする連続鋳造用ロール。

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