JP2007061908A - 条材の熱間圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線材、棒鋼、角材などの条材の熱間圧延工程での圧延変形による微細な表面疵の発生を抑制し、近年の厳しい表面疵保証を満足する条材製品を製造するための条材の熱間圧延方法を提供することである。
【解決手段】素材ビレットから、複数配置した圧延機のロールに設けた孔型によるそれぞれの圧延方式で断面積を順次減少させ、所要の製品寸法に仕上げる条材の熱間圧延方法であって、前記それぞれの圧延方式の孔型での圧延材周方向の圧縮ひずみが０．５以下となるように圧延材の断面積を減少させるようにしたのである。それにより、圧延変形によって後続の加工工程で加工欠陥を引き起こすような問題となる表面疵が発生えず、近年の厳しい表面疵保証にも対応できる表面品質の優れた条材製品を提供することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、線材、棒鋼、角材などの条材の表面疵を低減させる条材の熱間圧延方法に関するものである。

熱間圧延により製造される線材、棒鋼、角材などの条材製品では、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、条材製品に許容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加工時に、疵部を起点として割れなどの加工欠陥が発生することがあるためである。例えば、線材、棒鋼等の各製品寸法についてのパス（孔型）スケジュールでは、各パスで、ロールフランジ部に圧延材がはみ出す「噛み出し」が発生しないように孔型を設計すれば、無数の孔型形状の組み合わせが可能である。通常、生産性（圧延能率）の観点から、孔型の共通化により、各製品寸法でできるだけ共通の孔型を使用し、この共通化した孔型で、ロール隙の調整のみで高い減面率から低い減面率を実現して圧延が行われる。

前記孔型設計の一例を示すと、パススケジュールの一部に「角−オーバル（楕円）」圧延方式を用いる場合、オーバル（楕円）孔型は、以下の寸法範囲で設計される（例えば、非特許文献１参照）。
Ｂ／Ｈ＝２．４〜４．６（Ｂ：孔型出側の圧延材の幅、Ｈ：孔型出側の圧延材の高さ）
Ｃ／Ｈ＝１．１〜２．４（Ｃ：孔型入側の圧延材（角）の対辺寸法、Ｈ：孔型出側の圧延材の高さ）
ｒ＝（１／４〜１／６）Ｃ（ｒ：孔型入側の圧延材（角）のコーナー、Ｃ：孔型入側の圧延材（角）の対辺寸法）
このように各寸法比および入側素材のコーナーｒに範囲を設けてあるのは、各寸法比を上記範囲内で変えることにより、所要の減面率を確保できる孔型設計を可能にするためである。
金属、第２５巻（１９５５年）、第３号、第２３３頁

しかし、上記範囲内にある寸法比およびコーナーｒを選択して孔型を設計しても、オーバル孔型に充満した圧延材表層部の周方向の圧縮ひずみが表面疵発生限界の値を超える場合があり、その場合には当然表面疵が発生する。図１（ａ）、（ｂ）は前記「角−オーバル」圧延方式の一例を示したもので、表１に孔型寸法および前記寸法比等の所要のデータを記載した。この場合、ＦＥＭを用いた変形解析により求めたオーバル（楕円）孔型１に充満した前記圧延材周方向の圧縮ひずみの最大値は０．８８である。この圧延材周方向の圧縮ひずみの定義については後述する。図１（ａ）のオーバル孔型１を加工した一対のロールを用いて、図１（ｂ）に示した角鋼材２を通常の熱間圧延温度域に加熱し、熱間圧延実験を実施したところ、前記最大値の圧縮ひずみの近傍に表面疵の発生が認められた。図１（ａ）に示した表１の寸法のオーバル孔型１は、実機圧延で用いられている孔型の１つであり、前記熱間圧延実験での表面疵の発生は、通常１０スタンド（１０パス）以上で圧延されて、線材、棒鋼製品に仕上げる実機圧延過程の少なくとも１スタンド（１パス）以上で、表面疵が発生する状態になっていたことを示している。

条材の表面疵等の表面性状を改善する手段として、例えば、特許文献１では「角−オーバル」圧延方式などで、圧延後のオーバル圧延材などの自由表面に生じた凹部の形状をサイジングローラで整形し、表面疵の発生状態を改善する方法が開示されている。
特開昭６３−１６８０１号公報

しかし、前記圧延材自由表面の凹部の発生は、圧延機のモータパワーまたは剛性が不足しているため、当該パスでの減面率を小さくしなければならないことに起因しており、圧延機のモータパワーに余裕がある最新ミルでは自由表面に凹部が発生するような軽圧下パスは採用されない。仮に圧延材の自由表面に凹部が生じた場合でも、軽圧下のサイジングローラを用いて整形することにより、整形時の自由表面に新たな凹部が発生するおそれがある。さらに、新たな凹部が発生した場合、この凹部の最深部に周方向の極大圧縮ひずみが生じることになり、内部にスケールが取り込まれた微細な表面疵が発生する。従って、サイジングローラで整形しても微細な表面疵を改善し得るものではなく、近年の、例えば、製品疵深さが０．０２ｍｍ以下という非常に厳しい表面疵保証を行うことができない。

そこで、本発明の課題は、線材、棒鋼、角材などの条材の熱間圧延工程での圧延変形による微細な表面疵の発生を抑制し、近年の厳しい表面疵保証を満足する条材製品を製造するための条材の熱間圧延方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、本発明では以下の構成を採用したのである。

即ち、請求項１に係る条材の熱間圧延方法は、素材ビレットから、複数配置した圧延機のロールに設けた孔型によるそれぞれの圧延方式で断面積を順次減少させ、所要の製品寸法に仕上げる条材の熱間圧延方法であって、前記それぞれの圧延方式の孔型での圧延材周方向の圧縮ひずみが０．５以下となるように圧延材の断面積を減少させることを特徴とする。

本発明者らは、孔型での圧延変形による圧延材の表面疵発生原因を究明するために、モデル実験および変形解析を行った結果、圧延変形によって生じる圧延材周方向の圧縮ひずみと圧延後の圧延材横断面での表面疵深さに相関があることを見出した。ここで、周方向の圧縮ひずみとは、図２に示すように、入側圧延材３の孔型４による圧延変形前後の要素ｅの、圧延材表面側の曲線状の一辺の長さＳ_０、Ｓ_１の変化から次式で算出される慣用ひずみである。
ε＝（Ｓ_１−Ｓ_０）／Ｓ_０

図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示した「角−オーバル」圧延方式の１パス熱間実験圧延の結果を示したものである。この実験圧延では、表面に疵が存在しないように仕上げた異なる対辺寸法およびコーナＲの角鋼（１７ｍｍ〜２１ｍｍ角、JIS SWRCH45K）を、直径２３０ｍｍのロールに加工したオーバル孔型（半径Ｒ＝２３．６ｍｍ、高さＨ＝５ｍｍ）への入側素材に用いて、圧延変形による周方向の圧縮ひずみεを変化させた。圧延は、前記入側素材の角鋼を１０００℃に加熱し、ロール周速１．５ｍ／ｍｉｎで行った。入側素材の各角鋼寸法の場合について、ＦＥＭ（剛塑性一般化平面ひずみモデル）変形解析結果を用いて周方向の圧縮ひずみεを算出して横軸の圧延材周方向の圧縮ひずみεの最大値を求め、１パス圧延後の圧延材の横断面の表面疵深さを光学顕微鏡で観察して縦軸の横断面疵深さを求めた。図３から、素材に全く表面疵が存在しない状態でも、周方向の圧縮ひずみεが大きくなるにつれて表面疵が発生することがわかる。また、周方向の圧縮ひずみεが小さくなるほど表面疵深さも浅くなり、周方向の圧縮ひずみεが０．５以下では表面疵深さが０．０２ｍｍ以下となって、後続の加工工程で加工欠陥が発生するような問題となる表面疵が発生しなくなり、さらに周方向の圧縮ひずみεをおよそ０．３５以下とすることによって圧延変形によって表面疵が発生しなくなることがわかる。なお、前記圧延材周方向の圧縮ひずみは、入側素材を長手方向に２分割し、分割した一方の素材の分割面（横断面）に格子状にケガキ線を入れた後、他方の素材を分割面で再接合して圧延し、圧延前後の格子状ケガキ線の間隔を測定して算出することもできる。

請求項２に係る条材の熱間圧延方法は、前記圧延方式が、角−オーバル圧延方式を含むことを特徴とする。

前記条材の熱間圧延では、通常、「角−オーバル」圧延方式のオーバル孔型で、圧延材の自由表面またはその近傍に最も大きな周方向の圧縮ひずみが発生する傾向にあるため、この「角−オーバル」圧延方式で周方向の圧縮ひずみが−０．５以上となるように圧延変形させることが、後続のパス（孔型）で問題となる深さの表面疵の発生を防止するために重要である。

請求項３に係る条材の熱間圧延方法は、前記条材が線材または棒鋼である熱間圧延方法である。

線材および棒鋼では、後続の加工工程で高加工度の冷間加工を受ける場合が多く、特に製品表面に残る表面疵についての品質要求は、近年、一段と厳しくなってきているため、圧延変形に伴う表面疵の発生を防止することが極めて重要である。

本発明では、線材、棒鋼、角材（角鋼）などの条材の熱間孔型圧延工程で、各圧延方式の孔型内での圧延変形による圧延材周方向の圧縮ひずみを０，５以下となる孔型スケジュールで熱間圧延を行うようにしたので、圧延変形によって後続の加工工程での加工欠陥を引き起こすような問題となる表面疵が発生せず、近年の厳しい表面疵保証にも対応できる表面品質の優れた条材製品を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を実施例に基づいて詳細に説明する。

表２は、１１５ｍｍ角の素材ピレット（鋼種SCM435）から製品寸法φ１７ｍｍの線材を１５パス（孔型）で圧延するための実機圧延機列の各ロールスタンド（以下スタンドと記す）に設けた孔型を示したものである。粗圧延機列のNo.1〜No.7スタンドでは、「ボックス−オーバル（楕円）」、「オーバル−丸」および「丸−オーバル」、「オーバル−角」および「角−オーバル」の各圧延方式が、中間圧延機列のNo.9〜No.11スタンドでは、「オーバル−角」および「角−オーバル」圧延方式が、仕上げ圧延機列のNo.12〜No.15スタンドでは、「オーバル−丸」および「丸−オーバル」圧延方式がそれぞれ用いられている。ＦＥＭを用いて各圧延方式の孔型における圧延変形による圧延材周方向の圧縮ひずみの最大値を求めたところ、No.11スタンドの角（２３ｍｍ角）孔型での圧延変形でのみ、圧延材周方向の圧縮ひずみの最大値が０．５を超えていることが判明した。このため、前記圧縮ひずみの最小値が０．５以下となるようにNo.11スタンドの角（２３ｍｍ角）孔型の溝底部Ｒを大きくする孔型修正を行った。このように、「角−オーバル」圧延方式のみならず、「オーバル−角」圧延方式でも圧延材周方向の圧縮ひずみが大きくなる場合がある。なお、一般に「丸−オーバル」および「オーバル−丸」圧延方式では圧延材周方向の圧縮ひずみに問題が生じることはほとんどない。

前記１１５ｍｍ角素材ビレットに表面疵が残存しないように鋼片手入れを行い、加熱炉で１０５０℃程度の熱間圧延温度域に加熱した後、表２に示した圧延方式でφ１７ｍｍのコイル線材に仕上げた。このコイル線材の先後端部の寸法不良部分を切り捨てた後、改めてコイル線材の先端部、後端部および中央部からサンプリングして表面疵検査を実施したところ、深さ０．０２ｍｍを超える表面疵は認められなかった。

表３は、前記１１５ｍｍ角素材ビレットからのφ１７ｍｍのコイル線材への圧延の際に、表２に示したNo.11スタンドの角（２３ｍｍ角）での圧延変形による周方向の圧縮ひずみの最大値を、この角孔型の溝底部Ｒを変更して変化させた場合の製品表面疵の発生状況を、疵深さ０．０２ｍｍを境界として判定した結果である。表中の×は深さ０．０２ｍｍを超える表面疵が認められた場合、○は深さ０．０２ｍｍ以下の表面疵が認められた場合、◎は表面疵の発生が認められなかった場合をそれぞれ示している。表３から、圧延変形による周方向圧縮ひずみが０．５を超える場合には、深さが０．０２ｍｍを超える表面疵の発生が認められるのに対し、前記圧縮ひずみが０．５まで低下すると深さが０．０２ｍｍを超える表面疵の発生は認められず、さらにこの圧縮ひずみが−０．３５以下になると圧延変形による表面疵の発生が認められなくなることがわかる。

このように、例えば、表２に示した各圧延方式の孔型での圧延変形による周方向の圧縮ひずみをＦＥＭなどの変形解析手段を用いて算出し、この圧縮ひずみが０．５を超えている場合には、前述のように、溝底部Ｒを大きくするなどの孔型形状を変更して、圧延に使用するすべての孔型での圧延材周方向の圧縮ひずみを０．５以下にすることにより、圧延変形に伴う表面疵深さを０．０２ｍｍ以下に抑制することが可能となる。なお、本実施形態では、すべての孔型で周方向の圧縮ひずみの最大値が０．５以下になるように、望ましくは０．３５以下になるように型形状の修正などにより、各スタンドへの減面率の配分を適正化するもので、原則としてパス数の増加を必要とするものではない。

条材圧延のパススケジュールは、表２に一例を示したように、ボックス→ボックス、オーバル（楕円）→丸→オーバル、菱→角→菱等の圧延方式（孔型系列）があり、さらに各圧延方式においてもそれぞれ孔型形状を規定するため、パススケジュールは無限といえるほど多数存在し得るが、本発明は圧延周方向の圧縮ひずみが０．５以下、望ましくは０．３５以下となるように各圧延方式における孔型形状を設計することにより、どのようなパススケジュールにも対応できるものである。

（ａ）オーバル（楕円）孔型を示す説明図である。（ｂ）「角−オーバル」圧延方式を模式的に示す説明図である。 圧延材周方向の圧縮ひずみを模式的に示す説明図である。 圧延変形による圧延材周方向の圧縮ひずみと表面疵深さとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１…オーバル（楕円）孔型
１ａ…オーバル圧延材
２…角鋼材
３…入側圧延材
４…孔型
５…出側圧延材

Claims (3)

1. 素材ビレットから、複数配置した圧延機のロールに設けた孔型によるそれぞれの圧延方式で断面積を順次減少させ、所要の製品寸法に仕上げる条材の熱間圧延方法であって、前記それぞれの圧延方式の孔型での圧延材周方向の圧縮ひずみが０．５以下となるように圧延材の断面積を減少させることを特徴とする条材の熱間圧延方法。
2. 前記圧延方式が、角−オーバル圧延方式を含むことを特徴とする請求項１記載の条材の熱間圧延方法。
3. 前記条材が線材または棒鋼である請求項１または２記載の条材の熱間圧延方法。

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