JP2005169435A - 絶縁スリーブ、ローラー及び誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導電流値や圧延材料の加熱温度が高くなっても破損せず、ローラーと被加熱圧延材料との間に従来発生していたスパークを、圧延材料の全長全幅にわたり防止可能な熱間圧延ライン用ローラーの絶縁スリーブ、及び、これを用いたローラー、誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】 誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーに嵌合する絶縁スリーブであって、該絶縁スリーブが、耐酸化性、耐熱衝撃性に優れたセラミックスからなり、該スリーブ外径が、上記ローラーの金属製芯金の胴長方向中央部直径よりも大径であることを特徴とする絶縁スリーブ、及び、これを用いたローラー、誘導加熱装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱間圧延ラインに使用される絶縁スリーブ、ローラー及び誘導加熱装置に関するものである。

鋼材等の圧延材料を製造する熱間圧延ラインでは、連続鋳造あるいは分塊により製造された鋳片やスラブを、加熱炉にて圧延可能温度まで昇温するか、あるいは熱片のままで、金属製のローラーで搬送、粗圧延機及び仕上げ圧延機にて熱間圧延処理して、所定の厚さの圧延製品としている。

鋳片やスラブは、熱間圧延工程において、ロールによって順次肉薄になっていくが、熱間圧延工程中の自己放熱や、高圧冷却水（デスケ水）によって温度が低下する。特に、両端部の温度低下は大きく、端部の材質不良や割れの発生、圧延が板幅方向に不均等になる等の、圧延製品としての問題を生じる。

このような問題に対して、多くの熱間圧延ラインで、特許文献１や特許文献２等によって開示されているように、圧延工程中の圧延材料の中央部と両端部の温度差を小さくするために、両端部を昇温する誘導加熱装置が設置されている。この装置においては、ローラーで搬送される被加熱圧延材料の両端部に対応した箇所に、一対の誘導加熱装置が、一定の間隔毎に設置されている。

誘導加熱装置は、コイルに電流を流して、その誘導電流によって被加熱圧延材料の両端を加熱するもので、優れた加熱方法である。

誘導加熱装置は、誘導加熱を作用させる主鉄芯の形状によって、Ｃ型鉄芯式とＵ型鉄芯式に大別される。Ｕ型鉄芯式の場合、１基の誘導加熱装置の主鉄芯は２極あり、磁束φを各極反対方向に発生させることによって、漏れ磁束を打ち消す作用を兼ね備える。

一方、Ｃ型鉄芯式の場合には、１基の誘導加熱装置の主鉄芯は１極であって、磁束φも一方向に発生する。そのために、漏れ磁束が発生し、被加熱圧延材料との鎖交によって、被加熱圧延材料の圧延方向又は幅方向に、誘起起電力を発生して、その誘起起電力がローラー及びローラー上の被加熱圧延材料を介して、ループ電流を発生させる。

ループ電流は、ローラー及び被加熱圧延材料との間の接触抵抗の変化によって、スパークを生じる。漏れ磁束から誘起された起電力によって、ローラーの胴長方向、及び、被加熱圧延材料の圧延方向のループ電流が形成される。

Ｃ型鉄芯式は、Ｕ型鉄芯式に比べて加熱効率に優れるため、Ｃ型鉄芯式の誘導加熱装置を導入する熱間圧延ラインが大半を占めており、スパークのもたらす問題が顕在化してきている。 スパークによる被加熱圧延材料への直接の疵は、当然問題となるが、それに加えて、ローラーについたスパーク痕も被加熱圧延材料の表面に転写されるので、被加熱圧延材料の品質低下を招き、問題となる。

従って、ローラーに、こうしたスパーク痕が発生すると、これを直すためにグライダー等による研磨作業が必要になり、熱間圧延工程を停止せざるを得なくなるので生産性が低下する。

圧延効率向上のために、益々誘導電流を高くしたり、被加熱圧延材料の通過性向上のために、ローラーの設置間隔をさらに短くしたりすること等により、スパーク痕の発生が多くなり、スパーク痕への対策は一層重要になってきている。

この問題を解決するために、特許文献３によれば、搬送ロールと圧延材間で発生するスパークを防止できる端部加熱装置が提案されている。この装置は、段付搬送ロールを用いた装置であり、スパークが被加熱圧延材料の限定された端部に集中していることに着目し、被加熱圧延材料の端部と搬送ロールが接触しないように、搬送ロールに溝部を設けた段付搬送ロールとし、且つ、アルミナやジルコニア等のセラミックスで搬送ロール表面を５０〜１００μｍの厚みで溶射し、絶縁性を向上させたとしている。

段付搬送用ロールの使用により被加熱圧延材料の通過部が溝部なので、被加熱圧延材料の圧延方向のループ電流は遮断される。しかしながら、段付搬送ロール表面の焼き付き疵を防止するために外部冷却水を使用する場合には、長期使用のうちに電気抵抗の低下した高圧冷却水を介して、被加熱圧延材料と段付搬送ロールの胴長方向にループ電流が形成され、通電するためにスパークが発生した。

また、冷却水を使用しない場合には、段付搬送ロール表面の焼き付き疵が生じる上に、使用する間に溶射被膜が剥がれて絶縁不良となり、被加熱圧延材料先後端でスパークが発生し、更に、被加熱圧延材料の通過部、即ち、段付搬送ロールと製品との接触部において微小なスパークを発生し、何れにしても品質上の問題解決は困難であった。

アルミナセラミックスは、室温曲げ強さが３５０ＭＰａ程度、１０００℃高温曲げ強さが２００ＭＰａ以下と小さいため、２０ｔｏｎもの圧延材料突入時の衝撃に耐えられないことと共に、水中投下法熱衝撃き裂発生温度差がΔＴ＝２００℃程度と低いため、１０００℃以上に加熱昇温された重い材料が通過したときの熱衝撃によって破損すると考えられる。

また、特許文献４や特許文献５によれば、耐熱性を有する電気絶縁層を備えたテーブルローラーが提案されている。耐熱性を有する電気絶縁層の形成方法として、アルミナ系セラミックススリーブや窒化珪素系セラミックススリーブのテーブルローラー芯金外側への嵌合が開示されている他に、テーブルローラー芯金へのセラミックスの直接溶射が開示されている。

これらの方法では、テーブルローラー表面が電気絶縁されているので、テーブルローラーと被加熱圧延材料の間に電流循環経路が形成されず、従ってテーブルローラーと圧延材料が離れるときにもスパークの発生がないとしている。

しかしながら、特許文献４のように、アルミナ、ジルコニアを使用して絶縁したローラーを使用しても、さらに質量の増した圧延材料（２０ｔｏｎ）等の加重や、さらに高まった誘導電流値や、さらに高くなった圧延材料の端部の加熱温度により、ローラー自体が破壊されたり、セラミックの溶射膜が剥離したりして、長期間の安定使用が不可能であることが明らかになってきた。

また、特許文献５のような窒化珪素製スリーブを用いても、耐酸化性が不十分な窒化珪素セラミックスを使用した場合、１０００℃にも加熱されている被加熱圧延材料による酸化が進行し、スリーブが破損し、ライン休止等のトラブルが起きている。

特許文献４や特許文献５による提案では、テーブルローラーに電気絶縁層が形成されているため、被加熱圧延材料の圧延方向のループ電流は遮断される。

しかしながら、被加熱圧延材料の表面温度は１０００℃程度であるために、接触による電気絶縁層の熱衝撃保護として、この電気絶縁層を冷却することが必須となり、これを冷やすための外部冷却水は通常再利用するので、使用する間に圧延材料表面から剥げ落ちた金属を伴ってスケールを形成し、高圧冷却水の電気抵抗は低下する。

そして、スケールが混入し電気抵抗の低下した高圧冷却水を介して被加熱圧延材料とテーブルローラーの胴長方向にループ電流が形成され通電するために、スパークが発生し、製品品質の低下を解消できなかった。

加えて、冷却すれば、上記のように、電気抵抗の低下した冷却水からループ電流が形成されるといった現象が生じるが、例えば、コスト面から非現実的であるが、比抵抗の大きな純水を冷却水に使用したとしても、アルミナ、ジルコニアの融点は１０００℃以上で耐熱性は高いものの、水中投下法熱衝撃き裂発生温度差は、特許文献３のアルミナ２００℃、ジルコニア３５０℃、特許文献５の耐酸化性に着眼していない窒化珪素は８００℃であり、いずれも、本用途のニーズに対応する熱衝撃に達していないために、問題が生じることは十分に予想される。

製造法に関しても、特許文献５では、造粒処理した顆粒を、スリーブ成形用のゴム型と成形用芯金により構成される成形型に充填して、静水圧加圧装置により圧粉体を成形し、円筒成形体を製作した後に、５００℃まで低速加熱して脱脂してから、超硬バイトを具備したＮＣ旋盤によって所定の形状に素地加工することが明記されている。

これは、素地加工前に成形体のハンドリング性を著しく低下させ、製造歩留まりを大きく低下させるため、不適当である。さらに、焼成過程において、難焼結性の窒化珪素粉末の焼結助剤を結晶化させるための熱処理に関する記述が全く認められず、実施例において、１７００℃で１時間の焼成を行うとの記述が見られるのみである。

特開昭６３−１２６６０９号公報 特開昭６１−２７３８８８号公報 実用新案登録第２５５１６１１号公報 実公平６−３８５６３号公報 特開２００２−１７８０２０号公報

そこで、本発明は、上記した従来技術の問題点を解決する目的で、１０００℃以上の高温下での耐酸化性に優れ、ΔＴ＝１０００℃の急加熱、急冷却に対する耐熱衝撃性を有し、圧延効率を向上させるために誘導電流値や圧延材料の加熱温度が高くなっても破損せず、ローラーと被加熱圧延材料との間に従来発生していたスパークを、圧延材料の全長全幅にわたり防止可能な熱間圧延ライン用ローラーの絶縁スリーブを提供することにある。

また、この絶縁スリーブを用いたローラー、及び、誘導加熱装置を提供することによって、メンテナンス休止の少ない、より安定した熱間圧延ラインの操業を実現し、そこから生産される鋼材等の圧延製品の品質をより向上させることにある。

本発明者らは、上記の目的を達成するために、種々検討した結果、ローラーの電気絶縁層として、優れた耐酸化性を有し、水中投下法熱衝撃き裂発生温度差がΔＴ＝１０００℃以上であるセラミックス、例えば、粒界相を高い融点を有する結晶相で高度に結晶化処理（例えば、難焼結性の窒化珪素粉末の焼結を助長する助剤成分を、１３００℃以上の高融点を有する１２５０℃までの高温で非常に安定な結晶相、例えば、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＲＥは希土類元素）、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ等に結晶化させるための熱処理）した窒化珪素又はサイアロン焼結体からなるスリーブを用いることにより、圧延材料へのスパーク疵発生防止が達成可能なことを見出した。

さらに、本発明者は、このスリーブをローラーに外嵌した構造を有する熱間圧延ライン用ローラー及び誘導加熱装置を提供することにより、上記の目的を達成できることを見出した。

即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１） 誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーに嵌合する絶縁スリーブであって、該絶縁スリーブが、耐酸化性に優れたセラミックスからなり、該スリーブ外径が、上記ローラーの金属製芯金の胴長方向中央部直径よりも大径であることを特徴とする絶縁スリーブ。

（２） 大気中、１０００〜１２５０℃、６４時間保持による酸化試験での前記絶縁スリーブの質量変化が、±０．１ｍｇ／ｃｍ²以内であることを特徴とする前記（１）に記載の絶縁スリーブ。

（３） 前記絶縁スリーブの水中投下法熱衝撃き裂発生温度差が、１０００℃以上であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の絶縁スリーブ。

（４） 前記絶縁スリーブの２０〜１２５０℃の温度範囲での曲げ強度が、６００ＭＰａ以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）の何れかに記載の絶縁スリーブ。

（５） 前記絶縁スリーブが、高融点結晶化された粒界相を有する窒化珪素又はサイアロン焼結体からなることを特徴とする前記（１）〜（４）の何れかに記載の絶縁スリーブ。

（６） 前記高融点結晶化された窒化珪素焼結体の粒界相が、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＲＥは希土類元素）又はＳｉ₂Ｎ₂Ｏの一方又は両方であることを特徴とする前記（５）に記載の絶縁スリーブ。

（７） 誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーであって、該ローラに嵌合する絶縁スリーブのローラー胴長方向の合計長さが５０〜１０００ｍｍであって、該ローラーの少なくとも圧延材料端部が接する部位に、前記（１）〜（６）の何れかに記載の絶縁スリーブを嵌合してなることを特徴とするローラー。

（８） 前記絶縁スリーブとローラーの間に緩衝層を有することを特徴とする前記（７）に記載のローラー。

（９） 前記ローラーの金属製芯金の熱膨張率をα_m（Ｋ^-1）、前記絶縁スリーブの熱膨張率をα_c（Ｋ^-1）、芯金半径をｒ（ｍｍ）とすると、前記緩衝層の厚みｈ（ｍｍ）が、５０ｒ（α_m−α_c）≦ｈ≦３００ｒ（α_m−α_c）であることを特徴とする前記（８）に記載のローラー。

（１０） 熱間圧延ラインの圧延材料に対して上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置し、該圧延材料の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置であって、上記誘導加熱コイルの直下又はその前後に、前記（７）〜（９）の何れかに記載のローラーを配置してなることを特徴とする誘導加熱装置。

本発明の絶縁スリーブによれば、耐熱衝撃性に優れ、圧延効率を向上させるために誘導電流値や圧延材料の加熱温度が高くなっても破損せず、ローラーと圧延材料との間に従来発生していたスパークを、圧延材料の全長全幅にわたり防止することが可能となった。

また、本発明は、この絶縁スリーブを嵌合したローラー、及び、このローラーを誘導加熱コイルの直下又はその前後に使用した誘導加熱装置によって、メンテナンス休止の少ない、より安定した熱間圧延ラインの操業を実現できると共に、そこから生産される鋼材等の圧延製品の品質をより向上させられるといった優れた効果を奏する。

以下、本発明の絶縁スリーブ、これを嵌合したローラーを備えた、鋼帯等の圧延材料を製造する熱間圧延ラインの一例を説明する。

熱間圧延ラインでは、一定周期で搬送されてくる被加熱圧延材料の幅方向両端部の温度低下を低減するために、一組以上の誘導加熱装置が設置されている。この誘導加熱装置は、コイルに電流を流して、その誘導電流によって、被加熱圧延材料の両端を通過中に急速加熱する。

このとき、従来の導電性ローラーでは、ローラー胴長方向、及び、被加熱圧延材料の圧延方向にそれぞれループ電流が生じ、このループ電流は、被加熱圧延材料と従来ローラーとの間の接触時にスパークを発生させ、大変危険であり、かつ、圧延材料に疵付けを起こし、不良材発生に繋がっている。

本発明の熱間圧延ライン用ローラーのスパーク防止について説明する。熱間圧延ライン用ローラーの胴長方向中央部は、絶縁スリーブによって被覆されていて、被加熱圧延材料と直接接触しないので、ローラー表面への熱衝撃の影響、焼き付き等が、製品としての被加熱圧延材料に影響する恐れはない。

被加熱圧延材料が通過し接触する熱間圧延ライン用ローラーの表層は、絶縁体であるセラミックス製スリーブで構成されていることから、被加熱圧延材料と熱間圧延ライン用ローラー表面との間でループ電流は絶縁され、ローラー母材自体の絶縁効果が得られる。

以上のことから、スパーク発生に寄与するローラーのループ電流は、絶縁スリーブによって遮断されるため、スパークによる危険、歩留り低下は防止される。

本発明の絶縁スリーブは、体積抵抗率で１０×１０^-10Ω・ｃｍ以上の高抵抗を有している。このため、ローラー胴長方向、及び、被加熱圧延材料の圧延方向にそれぞれ発生するループ電流は、絶縁スリーブが挿入されているため、被加熱圧延材料とローラー母材は接触しないので導通せず、従ってスパーク発生を解消することが可能になる。

本発明の熱間圧延ライン向けローラーの開発に際しては、セラミックス製絶縁スリーブ嵌合ローラーをＶブロックに固定し、上部より冷片又は加熱片サンプルバーを自由落下させ、セラミックス製スリーブの割れ、表面欠陥等の探傷検査を行う耐衝撃性試験装置を製作して試験を行った。

合わせて、実プラントと試験装置との衝突エネルギーとの対比から機械的強度及び安全率を導き出し、材質及び形状を選択して、実プラントにて長期間耐え得る充分な条件をオフライン設定した。

これらの結果により、セラミックス製スリーブの材料は、水冷後と圧延材料の温度差に相当する耐熱衝撃性に加え、摺動時の温度上昇を含めた耐酸化性と高温強度が不可欠であることが判明した。

より詳細には、高温の被加熱圧延材料との接触に耐え得るために、水中投下法熱衝撃き裂発生温度差ΔＴが１０００℃以上であることが好ましく、大気中の種々の湿度設定で、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠した１０００〜１２５０℃、６４時間保持による酸化試験での質量変化が±０．１ｍｇ／ｃｍ²以内であることが好ましく、また、衝突時の機械的強度を確保するために、セラミックス製スリーブの曲げ強度は、大気中、２０〜１２５０℃の温度範囲で６００ＭＰａ以上であることが好ましい。

これら性質を満たす材料として、本発明者は鋭意検討した結果、難焼結性の窒化珪素粉末を焼結させるために加える酸化物、酸窒化物を、窒化珪素マトリックスの粒界で、高融点結晶相に高度に結晶化した特殊な材料が有効であることを見出した。

高融点結晶化された窒化珪素焼結体の粒界には、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＲＥは希土類元素）又はＳｉ₂Ｎ₂Ｏの少なくとも一相が形成されたものが、本用途に好適である。

また、粒界が高融点結晶化されたサイアロンとしては、マトリックス相はβ’−Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z相（Ｚ＝０．２〜４）が支配的で、焼結体の粒界にはＡｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、Ａｌ₆Ｏ₃Ｎ₄、Ｓｉ₃Ｎ₄・Ｙ₂Ｏ₃、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＲＥは希土類元素）、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、又はＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂相の少なくとも一相が形成されたものが、本用途に好適である。

被加熱圧延材料は、圧延の進行に伴って圧延方向に対して左右に蛇行するが、被加熱圧延材料に接触するセラミックス製スリーブ部分、即ち、ローラー大径部分を、スリーブ１基当たり胴長方向に５０ｍｍ以上確保することで、ローラー母材部分（金属製芯金）が被加熱圧延材料に接触することを防止し、スパークの発生を伴わない。

絶縁スリーブの製造コストを抑えるため、スリーブの合計長さは、１基当たり圧延材料の最大幅の半分程度、即ち、一般的な鋼材は最大２１００〜２４００ｍｍであるため、スリーブの合計長さは最大１０００ｍｍとすることが好ましい。

また、最も荷重が加わる胴長方向中央部に嵌め込まれる絶縁スリーブ単体の長さは、５０〜２００ｍｍ程度、より好ましくは１００〜２００ｍｍとする。

次に、本発明のローラーは、誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーであって、該ローラーの少なくとも圧延材料端部が接する部位に、上述の絶縁スリーブを嵌合してなることを特徴とする。

ローラーに嵌合する絶縁スリーブの数は、特に限定するものではなく、圧延材料の幅と絶縁スリーブの胴長方向の長さから、圧延材料がローラーの金属製芯金と接触しないように、最適な個数を選定すればよい。即ち、圧延材料の幅より絶縁スリーブの長さが長い場合は、絶縁スリーブは１基を嵌合すればよい。

また、圧延材料の幅より絶縁スリーブの長さが短い場合は、圧延材料の幅方向両端部に絶縁スリーブが配置されるように、２基嵌合すればよい。さらに、圧延材料の幅方向中央部が自重により撓んで、金属製芯金に接触する恐れのある場合は、両端部と共に中央部にも絶縁スリーブを任意の基数配置することが望ましい。

ローラーの金属製芯金にセラミックス製スリーブを嵌合する際、芯金とスリーブの平均ギャップｈ（ｍｍ）は、芯金及びスリーブの各熱膨張率を、それぞれ、α_m（Ｋ^-1）及びα_c（Ｋ^-1）、芯金半径をｒ（ｍｍ）、圧延材料通材中の芯金表面の最高温度を５００℃とし、安全係数を１．５とする場合、略ｈ＝１．５×（α_m−α_c）×ｒ×（５００−２０）＝７２０ｒ（α_m−α_c）となる。

冷却水による温度低下時に隙間が広がる場合の異物混入を防ぎ、芯ズレによる片減りや片摩耗を抑制するため、５００℃までの耐熱性を有し、長期間の耐摩耗性に優れるセラミックス繊維などからなる緩衝層を必要に応じ挿入することが好ましい。挿入する緩衝層の厚さは、５０ｒ（α_m−α_c）〜３００ｒ（α_m−α_c）が好ましく、より好ましくは１００ｒ（α_m−α_c）〜２００ｒ（α_m−α_c）である。

熱間圧延ラインにおいて、鋼板等の圧延材料の上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置して、圧延材料の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置の直下、または、その前後に配置され、金属製芯金にセラミックス製スリーブを嵌合した熱間圧延ライン用ローラーの金属製芯金の金属材料については、Ｃｒ−Ｍｏ鋼もしくはステンレス鋼であることが好ましい。これらの熱間圧延ライン用ローラーは、搬送用ローラーもしくはピンチローラーとして好適に用いることができる。

また、本発明の誘導加熱装置は、熱間圧延ラインの圧延材料に対して上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置し、上記圧延材料の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置であって、該誘導加熱コイルの直下又はその前後に、上述のローラーを配置してなることを特徴とする。

本装置では、上述のように、圧延材料とローラーが絶縁スリーブによって絶縁されているため、誘導加熱のための誘導電流を高めても、圧延材料とローラーの間で従来発生していたスパーク疵が発生することはなく、ローラーの手入れもその頻度を大幅に少なくすることができることから、高品質の圧延材料を長期間、高効率で生産することができる。

即ち、従来技術で問題であった長期安定性を解決する目的で、本発明は、室温（２０℃）〜１２５０℃までの高温強度に優れ、１０００℃以上略１２５０℃までの大気中、種々の湿度、高温下での耐酸化性に優れ、ΔＴ＝１０００℃の急加熱、急冷却に対する繰り返し耐熱衝撃性（耐スポール）を有するセラミックス材料を絶縁スリーブとして提供しているため、圧延効率を向上させる誘導電流値を上げたり、鋼帯等の圧延材料の加熱温度が高くなったり、高圧の冷却水を噴射されても、高温の強度が優れていて、破損や摩耗が起こり難く、長期間安定して使用することが可能である。

なお、圧延材料としては、鋼材以外にも、チタン、マグネシウム、銅、アルミニウム等の種々の金属材料が採用可能であり、本発明は、従来金属製のローラーでの圧延条件、より詳細には、圧延温度、板厚、圧下率、通材速度等の制限をより緩和して、圧延材料の製造コストを低減するものである。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
窒化珪素原料（平均粒径０．４μｍ、純度９８％）に、所定量の酸化イットリウム（平均粒径０．７μｍ、純度９９％）、酸化イッテルビウム（平均粒径０．８μｍ、純度９７％）の希土類酸化物と酸化珪素（平均粒径０．２μｍ、純度９９．５％）の粉末焼結助剤と所定量の造粒用バインダー（水溶性ポリビニルアルコール、固形分濃度４０質量％）を湿式混合して、スプレードライヤーにて乾燥造粒した。

ここでは、窒化珪素原料９２質量％に、３．５質量％の酸化イットリウム粉、１．７質量％の酸化イッテルビウム粉、２．８質量％の酸化珪素粉末を焼結助剤として添加し、これら粉末１００質量部に対し、造粒用バインダーを１０質量部、水８０質量部を加え、回転型ボールミルで、４０ｒｐｍ、４８時間湿式混合して、スプレードライ造粒処理した顆粒を、スリーブ成形用のゴム型と成形用芯金により構成される成形型に充填して、静水圧加圧装置によりφ５００ｍｍ×Ｌ２７０ｍｍの圧粉体を成形し、円筒成形体を製作した。

この窒化珪素セラミックス成形体を、超硬バイトを具備したＮＣ旋盤によって、φ４８０ｍｍ（内径３６８ｍｍ）×Ｌ２５０ｍｍの円筒形状に素地加工した。

得られた素地加工体を、エアー流通中、５００℃まで５〜１０℃／時の低速加熱による脱バインダー後、窒素ガス３９２ｋＰａの加圧雰囲気で１７８０℃にて１０時間保持し、その後、１５５０℃で２４時間保持の結晶化処理を行い、本発明のφ３８４ｍｍ（内径２９０ｍｍ）×Ｌ２０８ｍｍの窒化珪素焼結体を得た。

焼結体の組織は、マトリックスがβ−Ｓｉ₃Ｎ₄相のみで、粒界層には、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₇及びＥｒ₂Ｓｉ₂Ｏ₇相が混在していた。

また、２０℃の三点曲げ強さは９５０ＭＰａ、大気中１２５０℃中の同強さは６８０ＭＰａであった。さらに、大気中、１０００〜１２５０℃、６４時間保持による酸化試験での質量変化は、０．０５ｍｇ／ｃｍ²であり、水中投下法熱衝撃き裂発生温度差ΔＴは１０００℃であった。

（実施例２）
窒化珪素原料９１質量％に、酸化イットリウム４．５質量％、酸化珪素１．２質量％、酸窒化アルミニウム３．３質量％の粉末焼結助剤を添加し、これら粉末１００質量部に対し、造粒用バインダーを１０質量部、水８５質量部を加え、回転型ボールミルで、４５ｒｐｍ、２４時間湿式混合した後、スプレードライ造粒処理して、顆粒を得た。上記実施例１と同様に、成形型に充填して、圧粉体を成形し、円筒成形体を製作し、超硬バイトにより、φ４８５ｍｍ（内径３７０ｍｍ）×Ｌ２５３ｍｍに素地加工した。

得られた素地加工体を、大気中、５００℃まで５〜１０℃／時の低速加熱による脱バインダー後、常圧窒素ガス雰囲気の中で１７５０℃にて８時間保持し、その後、１４００℃で１２時間保持の結晶化処理を行い、本発明のφ３８４ｍｍ（内径２９５ｍｍ）×Ｌ２１０ｍｍのサイアロン焼結体を得た。

焼結体の組織は、マトリックスとしてβ’−Ｓｉ₄Ａｌ₂Ｏ₂Ｎ₆相が支配的で、粒界層には、Ａｌ₉Ｏ₃Ｎ₇、Ａｌ₇Ｏ₃Ｎ₅、Ａｌ₆Ｏ₃Ｎ₄、Ｓｉ₃Ｎ₄・Ｙ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₇、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、及びＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂相が混在していた。

また、２０℃の三点曲げ強さは９００ＭＰａ、大気中１２５０℃中の同強さは６２０ＭＰａであった。さらに、大気中、１０００〜１２５０℃、６４時間保持による酸化試験での質量変化は、０．０８ｍｇ／ｃｍ²であり、水中投下法による熱衝撃の強度低下が起こる温度差ΔＴは１０００℃であった。

上記実施例１及び２にて得られた焼結体について、レジンボンドダイヤモンド砥石を用いて仕上げ加工し、外径３８０ｍｍ×内径３００ｍｍ×長さ２００ｍｍの窒化珪素及びサイアロン製の絶縁スリーブを製作した。

熱間圧延ライン向けローラーの芯金の材質は、Ｃｒ−Ｍｏ鋼とし、軸受組込軸形状、内部冷却水路等の所定形状を組み込んだ直径３００ｍｍの金属製芯金を製作した。

そして、芯金の熱膨張率α_mが１２×１０^-6Ｋ^-1、窒化珪素及びサイアロンの熱膨張率α_cがそれぞれ３．８×１０^-6ｋ^-1及び２．１×１０^-6Ｋ^-1であり、芯金の半径（１５０ｍｍ）から、圧延材料通材中の芯金表面の最高温度を５００℃、安全係数を１．５とした場合、芯金と絶縁スリーブの内径との間の半径方向のギャップｈ（ｍｍ）は、窒化珪素製絶縁スリーブで、ｈ＝７２０×１５０×（１２×１０^-6−３．８×１０^-6）＝０．８９（ｍｍ）、サイアロン製絶縁スリーブで、ｈ＝７２０×１５０×（１２×１０^-6−２．１×１０^-6）＝１．０７（ｍｍ）となる。

そこで、芯金と絶縁スリーブの間に挿入する緩衝層としては、それぞれ、炭化珪素製ファイバーを織り込んだ厚さ０．１５ｍｍ及び０．２０ｍｍのセラミックス繊維シートを用いた。

図１に示すように、全長が１７００ｍｍ、外径を一様に３００ｍｍとした搬送用ローラー１の芯金２の両側に、外径３８０ｍｍ×内径３００ｍｍ×長さ２００ｍｍの絶縁スリーブ３を、計４個を中心部まで挿入して、更に、絶縁スリーブ３の両側に、金属スリーブ（外径３４０ｍｍ×内径３００ｍｍ×長さ１００ｍｍ、図示なし）を挿入し、両端に配置した金属スリーブと芯金２とをネジ止め固定して、搬送用ローラー１を完成させた。

この搬送用ローラーを、Ｃ型鉄芯式誘導加熱装置の直下に設置して、絶縁スリーブごとローラー表面を水冷しながら、エッジを加熱し、幅６００〜１５００ｍｍの鋼帯（粗バー）を搬送した。そして、鋼帯通過時のスパークの有無、通過させた鋼帯の表面状態とローラー表面状態を確認し、評価した。その結果を表１に示す。

また、本発明のセラミックス材料の熱膨張係数と芯金材の熱膨張係数の差異に起因するギャップに対し、それぞれ１／３の厚さからなるシリカ繊維製の緩衝層（図１，４参照）を挿入した場合、それぞれスケール等の浸入が抑えられたり、芯ズレによる偏摩耗も軽減することができた。

（比較例１）
実施例１、２で用いたＣｒ−Ｍｏ鋼製芯金のローラーに、高純度アルミナ（純度９９．５％）セラミックスを溶射し、搬送用ローラーを作製した。溶射厚は０．５ｍｍで、ローラーは全長１７００ｍｍ、外径は胴長方向全てに渡って３８０ｍｍとした。

この搬送用ローラーを用いて、実施例１及び２と同様にして評価した。その結果を表１に示す。この系では、アルミナ材の耐熱衝撃性の不足により、無数にクラックが発生し、剥離が生じてしまう。

（比較例２）
実施例１、２で用いたＣｒ−Ｍｏ鋼製芯金のローラーに、窒素ガス中、１７００℃、１時間保持のみで焼成した粒界相を結晶化処理していない窒化珪素質セラミックス（結晶構造はβ−Ｓｉ₃Ｎ₄相とガラス相のみ）製の絶縁スリーブ（φ３８０ｍｍ（内径３４０ｍｍ）×Ｌ１００ｍｍ）を外嵌し、搬送用ローラーを作製した。

この搬送用ローラーを用いて、実施例１、２と同様に母鋼材とのギャップ０．６ｍｍを算出し、緩衝材無しで評価した。その結果を表１に示す。

粒界層が低融点のガラス相からなる窒化珪素質セラミックスでは、高温強度が決定的に低いばかりではなく、耐酸化性や耐熱衝撃性にも劣るため、長期間の使用に供することは不可能である。

（比較例３）
実施例１、２で用いたＣｒ−Ｍｏ鋼製芯金の搬送用ローラー（外径３８０ｍｍ）をセラミックススリーブなしで使用した。この搬送用ローラーを用いて、実施例１及び２と同様にして評価した。その結果を表１に示す。

アルミナセラミックスを溶射したローラー、粒界相を結晶化処理していない窒化珪素セラミックス、スチール製ローラーでは、短期間の間でスパークを発生し、製品に直接的、間接的に疵をもたらすか、又は、スリーブの破損によりライン休止という最悪の事態を招いた。

ところが、本発明の粒界相を高い融点を有する結晶相で高度に結晶化処理した窒化珪素又はサイアロン焼結体を用いた絶縁スリーブを胴長方向の両側に外嵌した搬送用ローラーは、スパークが何れにおいても見られず、鋼帯等の圧延材料の製品品質低下は防止でき、かつ、耐酸化性に優れることから、長期間に亘り安定に使用可能であることが確認できた。

本発明の絶縁スリーブによれば、耐熱衝撃性に優れ、圧延効率を向上させるために誘導電流値や圧延材料の加熱温度が高くなっても破損せず、ローラーと圧延材料との間に従来発生していたスパークを、圧延材料の全長全幅にわたり防止することが可能となった。また、本発明は、この絶縁スリーブを嵌合したローラー、このローラーを誘導加熱コイルの直下又はその前後に使用した誘導加熱装置によって、メンテナンス休止の少ない、より安定した熱間圧延ラインの操業を実現できると共に、そこから生産される鋼材等の圧延製品の品質をより向上させられるといった優れた効果を奏する。

よって、本発明は、鋼材圧延技術を改善し、鉄鋼産業の発展に貢献するものである。

熱間圧延ライン向けローラーの一実施例を示す断面図である。

符号の説明

１…搬送用ローラー
２…芯金
３…絶縁スリーブ
４…緩衝層
５…被加熱圧延鋼帯

Claims (10)

1. 誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーに嵌合する絶縁スリーブであって、該絶縁スリーブが、耐酸化性に優れたセラミックスからなり、該スリーブ外径が、上記ローラーの金属製芯金の胴長方向中央部直径よりも大径であることを特徴とする絶縁スリーブ。
2. 大気中、１０００〜１２５０℃、６４時間保持による酸化試験での前記絶縁スリーブの質量変化が、±０．１ｍｇ／ｃｍ²以内であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁スリーブ。
3. 前記絶縁スリーブの水中投下法熱衝撃き裂発生温度差が、１０００℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁スリーブ。
4. 前記絶縁スリーブの２０〜１２５０℃の温度範囲での曲げ強度が、６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の絶縁スリーブ。
5. 前記絶縁スリーブが、高融点結晶化された粒界相を有する窒化珪素又はサイアロン焼結体からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の絶縁スリーブ。
6. 前記高融点結晶化された窒化珪素焼結体の粒界相が、ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＲＥは希土類元素）又はＳｉ₂Ｎ₂Ｏの一方又は両方であることを特徴とする請求項５に記載の絶縁スリーブ。
7. 誘導加熱コイルを配置した熱間圧延ラインにおける圧延材料の搬送用ローラーであって、該ローラに嵌合する絶縁スリーブのローラー胴長方向の合計長さが５０〜１０００ｍｍであって、該ローラーの少なくとも圧延材料端部が接する部位に、請求項１〜６の何れか１項に記載の絶縁スリーブを嵌合してなることを特徴とするローラー。
8. 前記絶縁スリーブとローラーの間に緩衝層を有することを特徴とする請求項７に記載のローラー。
9. 前記ローラーの金属製芯金の熱膨張率をα_m（Ｋ^-1）、前記絶縁スリーブの熱膨張率をα_c（Ｋ^-1）、芯金半径をｒ（ｍｍ）とすると、前記緩衝層の厚みｈ（ｍｍ）が、５０ｒ（α_m−α_c）≦ｈ≦３００ｒ（α_m−α_c）であることを特徴とする請求項８に記載のローラー。
10. 熱間圧延ラインの圧延材料に対して上下から互いに対向した誘導加熱コイルを配置し、該圧延材料の幅方向両端部を加熱する誘導加熱装置であって、上記誘導加熱コイルの直下又はその前後に、請求項７〜９の何れか１項に記載のローラーを配置してなることを特徴とする誘導加熱装置。

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