JP2006247670A

JP2006247670A - 鋼帯の圧延方法

Info

Publication number: JP2006247670A
Application number: JP2005064225A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Aizawa; 敦相沢; Kenji Hara; 健治原
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】コイル内周側の鋼帯に作用する周方向圧縮応力が鋼帯の降伏応力を超えることがないように巻き取り張力を設定することにより、コイル内周側の鋼帯に生じやすい耳伸びの発生を抑制した鋼帯の圧延方法を提供する。
【解決手段】コイル巻き取り時に、コイル外径，スリーブ内径，スリーブ外径，巻き取り張力，スリーブのヤング率及び鋼帯のヤング率からスリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力を算出するとともに、スリーブ外径，鋼帯の板厚及び鋼帯のヤング率から曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯のスリーブ側表層における周方向圧縮応力を算出し、両者の和として得られるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力の合計が、巻き取られる鋼帯の降伏応力よりも小さくなるように巻き取り張力の上限値を設定して圧延する。
【選択図】なし

Description

本発明は、コイル巻き取りの際に鋼帯のコイル内周側で生じやすい耳伸びを防止するとともに、クロスバックルが発生しないように巻き取り張力を設定して圧延する方法に関する。

冷間圧延後の鋼帯は、所定量テンションリールに巻き取られて鋼帯コイルとされ、その後テンションリールから抜き取られた鋼帯コイルは、次工程或いは需要家のめっき工程，成形工程等の製造ラインに供給されている。
この際、図１に示すように、抜き取り後のコイル潰れ防止の観点からテンションリール１にスリーブ２を嵌め込み、当該スリーブ２の上に鋼帯コイル３を巻き取ることが一般的に行われている。そして、通常、高い張力を加えて鋼帯を巻き取っている。この際、コイル内周付近に強い巻き締り力がかかるので、変形を防止する意味で数１０ｍｍの肉厚を有するスリーブが用いられることが多い。しかしながら、厚肉のスリーブを用いても、板厚１．０ｍｍ以下の薄板鋼帯を巻き取る際には、コイル内径側で鋼帯に耳伸び形状不良を発生し、品質を著しく損ない、歩留りが大幅に低下する等の課題がある。図１中、コイル内径側４に形状不良部が形成されやすい。

圧延設備に限らず、めっきや塗装等の表面処理設備，形状矯正を施すテンションレベラ設備等の鋼帯処理ラインにおいては、テンションリールや通板用のロールの直径は、これらのロール類での曲げ変形により鋼帯を塑性変形させることがないように、大径としている。すなわち、曲げ変形により、鋼帯のロール側表面には周方向圧縮応力が作用し、ロールと反対側表面には周方向引張応力が作用するが、これらの応力はコイル最内周で最大となる。このため、これらの最大値が降伏応力以下となるように大径ロールの径を設定している。

ところが、鋼帯へはテンションリールへの巻き付きによる曲げ応力だけでなく、巻き締りによる周方向圧縮応力が加わるため、鋼帯は塑性変形を生じやすくなる。
圧延後の鋼帯をテンションリールに巻き取って行く場合、巻き取り初期の鋼帯には巻き取り張力に等しい引張応力が作用しているが、巻き数が増えて行くにつれて、コイル外周部からの巻き締り力によりコイル内周付近は強く圧縮されるようになる。このとき、鋼帯が巻き付くスリーブは弾性変形で縮んで直径が小さくなり、コイルの内径が減少する。さらにテンションリールからコイルを巻き取ったスリーブを抜き取る際に、テンションリールによりスリーブ内周面を支えることができなくなるため、スリーブ及びコイルの内径が縮小する。それにつれて、コイル内周付近の鋼帯に周方向圧縮応力が加わることになり、コイル内周付近の鋼帯は圧縮曲げの変形状態となる。この圧縮応力が鋼帯の降伏応力を超えると鋼帯が塑性変形し、鋼帯の長さがわずかに短くなることになる。

均一な圧縮力がスリーブに作用すると、材料力学の理論からはスリーブの変形は板端部よりも板幅中央部の方が大きくなる。この考え方によると、テンションリールで巻き取ったコイルにおいては、巻き締り力でコイル内周部が変形するとき、板幅中央部の方が大きく変形するため、鋼帯の板幅中央部が短くなる傾向となる。
すなわち、鋼帯にとっては板幅方向中央部の長さが短くなっており、コイルを巻き戻して鋼帯の拘束を取り除くと、相対的に板端部が長くなった形状となる。この板端部と板幅方向中央部との長さの差が耳伸びという形状不良として現れることになる。

このように、コイル内周部にのみ耳伸び形状不良が発生する原因は、曲げ変形により生じる鋼帯のロール側表面における周方向圧縮応力や巻き締りによる周方向圧縮応力がコイル内周側ほど大きくなるためである。
コイル径を小さくすれば巻き締り力が小さくなるが、コイルトップ及びエンドの未圧延部の割合が増加するため、歩留りが低下するとともに生産効率の低下につながる。また、巻き締り力を小さくする方法として、巻き取り張力を低くする方法も考えられるが、薄板鋼板では巻き取り張力低下は、クロスバックルというしわ模様を発生させる原因ともなるので、巻き取り張力の低減には限界がある。
そこで、テンションリールに鋼帯幅方向中央部の３０〜９０％の範囲内に、５〜３０ｍｍの厚さのスリーブを装着して幅方向中央部の剛性を上げ、巻き締り力によるコイル内径の収縮量を小さくすることが特許文献１に紹介されている。
特開平９−７６０１２号公報

幅方向中央部のみにスリーブを装着することにより、板幅中央部のコイル内径の収縮量が減少し、それに伴い板幅中央部と板端部とのコイル内径の相対差が減少することになるので、耳伸び形状不良の改善効果は見られる。しかし、幅方向中央部のスリーブ厚みが不十分であるため、巻き取り張力が大きい場合やコイル重量が大きい場合には、板幅中央部におけるコイル内周側での塑性変形は防ぎえず、耳伸び形状不良の発生を完全になくすことはできない。
また、鋼帯中央部にしかスリーブがないため、板端部の巻き締り力によりスリーブの端の部分で板が折れ曲がったり、クレーンによるコイル搬送中にフックとコイルの端部が接触し、鋼帯が押しつぶされたりする等の問題が生じる。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、板幅よりも幅の広いスリーブを用いることを前提とし、コイル内周側の鋼帯に作用する周方向圧縮応力が鋼帯の降伏応力を超えることがないように巻き取り張力を設定することにより、コイル内周側の鋼帯に生じやすい耳伸びの発生を抑制した鋼帯の圧延方法を提供することを目的とする。

本発明の鋼帯の圧延方法は、その目的を達成するため、コイル巻き取り時に、コイル外径，スリーブ内径，スリーブ外径，巻き取り張力，スリーブのヤング率及び鋼帯のヤング率からスリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力を算出するとともに、スリーブ外径，鋼帯の板厚及び鋼帯のヤング率から曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯のスリーブ側表層における周方向圧縮応力を算出し、両者の和として得られるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力の合計が、巻き取られる鋼帯の降伏応力よりも小さくなるように巻き取り張力の上限値を設定することを特徴とする。
また、巻き取り張力の下限値をクロスバックル発生限界値に設定するとともに、巻き取り張力の上限値が巻き取り張力の下限値よりも大きくなるようにコイル重量を規制する。

本発明により、鋼帯が塑性変形を起さない巻き取り張力の上限値及びクロスバックルが発生しない巻き取り張力の下限値を容易に知ることができるため、クロスバックルが発生しないようにしながらコイル内周側で生じやすい耳伸びを防止した圧延条件を容易に設定でき、結果的に操業性を向上することができる。

本発明者等は、巻き取り張力の設定により鋼帯のコイル内周側で生じやすい耳伸びを防止する方法について調査検討した。
その結果、スリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力を算出し、この周方向圧縮応力が鋼帯の降伏応力よりも小さくなるように張力の上限値を設定することが効果的であることを見出した。

まず、スリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力を算出する方法を検討した。
コイル外径をＤ，スリーブ内径をｄ₁，スリーブ外径をｄ₂，巻き取り張力をＴ，スリーブのヤング率をＥ_S，鋼帯のヤング率をＥ_Mとすると、スリーブに作用する巻き締り力Ｐは次式（１）で表わされる。
Ｐ＝Ｔ（ｌｎＤ−ｌｎｄ₂）・・・・（１）

また、コイルを巻き取ったスリーブをテンションリールから抜き取った後のスリーブの幅中央部における縮径量Δｄは、厚肉円筒に直径方向に外力Ｐが加えられたときの縮径量として、次式（２）で表わされる。
Δｄ＝２Ｐｄ₂ ²ｄ₁／｛Ｅ_S（ｄ₂ ²−ｄ₁ ²）｝・・・・（２）
したがって、スリーブの収縮変形によリ生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力σ_Sは次式（３）で表わされる。
σ_S＝Ｅ_MΔｄ／ｄ₂ ・・・・（３）

次に、曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯のスリーブ側表層における周方向圧縮応力を算出した。
鋼帯の板厚をｈとすると、曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯のスリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_Bは次式（４）で表わされる。
σ_B＝Ｅ_Mｈ／ｄ₂ ・・・・（４）
スリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_tはσ_Sとσ_Bの和として次式（５）で表わされる。
σ_t＝σ_S＋σ_B ・・・・（５）

巻き取り張力が低いほど、式（１）から得られる巻き締り力Ｐは小さくなる。そして、式（２）において縮径量Δｄが小さくなるため、式（３）においてスリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力σ_Sが小さくなる。
したがって、式（５）においてσ_Sとσ_Bの和として表わされる、スリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_tは、巻き取り張力が低いほど小さくなる。

この周方向圧縮応力σ_tが鋼帯の降伏応力σ_y以下となるように巻き取り張力の上限値を設定することにより、鋼帯の塑性変形を抑制し、コイル最内周で生じやすい耳伸びの発生を防止することができることになる。
なお、薄板鋼帯では、巻き取り張力が高ければクロスバックルは発生しないが、巻き取り張力を低くしすぎると、クロスバックルが発生しやすくなる。そこで、圧延条件毎にクロスバックルの発生状況と巻き取り張力の関係を明確にし、巻き取り張力の下限値を設定することが好ましい。

コイル重量が大きいほど、すなわちコイル外径Ｄが大きいほど、式（１）から得られる巻き締り力Ｐは大きくなり、式（２）において縮径量Δｄが大きくなるため、式（３）においてスリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力σ_Sが大きくなる。
したがって、式（５）においてσ_Sとσ_Bの和として表わされる、スリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_tは、コイル重量が大きいほど大きくなる。

したがって、コイル重量が大きい場合には、鋼帯のコイル内周側で生じやすい耳伸びを防止するための巻き取り張力の上限値がクロスバックルを発生させない巻き取り張力の下限値を下回ることがある。この場合には、巻き取り張力の上限値が巻き取り張力の下限値よりも大きくなるようにコイル重量を規制することにより、鋼帯のコイル内周側の耳伸び発生を防止するとともに、クロスバックルの発生防止が可能となる。

実施例１：
冷間圧延後に降伏応力が６００Ｎ／ｍｍ²である板厚０．１５ｍｍ，板幅７５０ｍｍの鋼帯約４トンを、内径５００ｍｍ，外径６５０ｍｍの鋼製スリーブを嵌め込んだテンションリールで巻き取る場合についての実施例及び比較例を紹介する。なお、比較例ではクロスバックルの発生防止の観点から巻き取り張力は比較的高めの３２０Ｎ／ｍｍ²に設定して巻き取った。

前記式（１）〜（５）によりスリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_tが鋼帯の降伏応力６００Ｎ／ｍｍ²以下となるような巻き取り張力の上限値を算出すると、約２９０Ｎ／ｍｍ²となった。また、クロスバックルの発生有無と巻き取り張力の関係を調査した結果、クロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値は約２２０Ｎ／ｍｍ²となった。そこで、実施例では巻き取り張力の上限値２９０Ｎ／ｍｍ²と下限値２２０Ｎ／ｍｍ²の間の２５０Ｎ／ｍｍ²で巻き取った。

巻き取り張力を２５０Ｎ／ｍｍ²とした場合（実施例１）について、テンションリールで巻き取った後、ほどいて圧延トップ及びエンド部の形状を測定した。その結果を図２に示す。また、巻き取り張力を３２０Ｎ／ｍｍ²とした場合（比較例１）について、同様に、テンションリールで巻き取った後、ほどいて圧延トップ及びエンド部の形状を測定した。その結果を図３に示す。
巻き取り時の外周側に当り、スリーブの収縮変形の影響が小さい圧延エンド部では、実施例１，比較例１ともに急峻度０．８％以下の良好な形状が得られた。一方、巻き取り時の内周側に当り、スリーブの収縮変形の影響が大きい圧延トップ部では、実施例１，比較例１で形状が大きく異なっていた。すなわち、比較例１においては、急峻度約１．５％の耳波形状不良が生じていたのに対して、実施例１においては、鋼帯の塑性変形が防止されるために、圧延エンド部と同様に急峻度０．８％以下の良好な形状品が得られた。なお、実施例１，比較例１ともに巻き取り張力がクロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値２２０Ｎ／ｍｍ²よりも大きくなっているので、クロスバックルは発生していなかった。

実施例２：
冷間圧延後に降伏応力が５００Ｎ／ｍｍ²である板厚０．１５ｍｍ，板幅７５０ｍｍの鋼帯約５トンを、内径５００ｍｍ，外径６５０ｍｍの鋼製スリーブを嵌め込んだテンションリールで巻き取る場合についての実施例及び比較例を紹介する。

前記式（１）〜（５）によりスリーブの収縮変形と曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力σ_tが鋼帯の降伏応力５００Ｎ／ｍｍ²以下となるような巻き取り張力の上限値を算出すると、約２１０Ｎ／ｍｍ²となった。また、クロスバックルの発生有無と巻き取り張力の関係を調査した結果、クロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値は約２２０Ｎ／ｍｍ²となった。すなわち、クロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値は、巻き取り張力の上限値である２１０Ｎ／ｍｍ²よりも大きくなった。
そこで、巻き取り張力の上限値が、クロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値よりも大きくなるようにコイル重量を低減し、３．５トンでの巻き取り張力の上限値を算出すると約２６０Ｎ／ｍｍ²となった。実施例では巻き取り張力の上限値２６０Ｎ／ｍｍ²とクロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値２２０Ｎ／ｍｍ²の間の２４０Ｎ／ｍｍ²で巻き取った。

コイル重量を３．５トンとした場合（実施例２）について、テンションリールで巻き取った後、ほどいて圧延トップ及びエンド部の形状を測定した。その結果を図４に示す。
また、コイル重量を５トンとした場合（比較例２）について、同様に、テンションリールで巻き取った後、ほどいて圧延トップ及びエンド部の形状を測定した。その結果を図５に示す。
巻き取り時の外周側に当り、スリーブの収縮変形の影響が小さい圧延エンド部では、実施例２，比較例２ともに急峻度０．８％以下の良好な形状が得られた。一方、巻き取り時の内周側に当り、スリーブの収縮変形の影響が大きい圧延トップ部では、実施例２，比較例２で形状が大きく異なっていた。すなわち、比較例２においては、急峻度約１．２％の耳波形状不良が生じていたのに対して、実施例２においては、鋼帯の塑性変形が防止されるために、圧延エンド部と同様に急峻度０．８％以下の良好な形状品が得られた。なお、実施例２，比較例２ともに巻き取り張力がクロスバックルの発生しない巻き取り張力の下限値２２０Ｎ／ｍｍ²よりも大きくなっているので、クロスバックルは発生していなかった。
なお、急峻度λは、山高さをｈ，ピッチをＬとしたとき、λ＝ｈ／Ｌ×１００で定義した。

鋼帯の巻き取り状況を説明する側面図実施例１で得られた鋼帯の圧延トップ部及び圧延エンド部の急峻度比較例１で得られた鋼帯の圧延トップ部及び圧延エンド部の急峻度実施例２で得られた鋼帯の圧延トップ部及び圧延エンド部の急峻度比較例２で得られた鋼帯の圧延トップ部及び圧延エンド部の急峻度

符号の説明

１：テンションリール２：スリーブ３：鋼帯コイル４：耳伸び形状不良部

Claims

コイル巻き取り時に、コイル外径，スリーブ内径，スリーブ外径，巻き取り張力，スリーブのヤング率及び鋼帯のヤング率からスリーブの収縮変形により生じるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部における周方向圧縮応力を算出するとともに、スリーブ外径，鋼帯の板厚及び鋼帯のヤング率から曲げ変形により生じるコイル最内周の鋼帯のスリーブ側表層における周方向圧縮応力を算出し、両者の和として得られるコイル最内周の鋼帯の板幅中央部スリーブ側表層における周方向圧縮応力の合計が、巻き取られる鋼帯の降伏応力よりも小さくなるように巻き取り張力の上限値を設定することを特徴とする鋼帯の圧延方法。
巻き取り張力の下限値をクロスバックル発生限界値に設定するとともに、巻き取り張力の上限値が巻き取り張力の下限値よりも大きくなるようにコイル重量を規制する請求項１に記載の鋼帯の圧延方法。