JP2021041421A

JP2021041421A - 連続鋳造用ロール

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Publication number: JP2021041421A
Application number: JP2019163777A
Authority: JP
Inventors: 壮一寺澤; Soichi Terasawa; 実秋元; Minoru Akimoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: JP7410372B2

Abstract

【課題】厳しい使用環境下においても、外周面における亀裂の発生及び亀裂の径方向内方への進展を抑制でき、使用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。【解決手段】ロール本体と、このロール本体の外周面に形成された耐熱層３２と、を備えており、耐熱層３２の外周面には、円周方向へ延在する円周溝３５が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、耐熱層３２の内部には、円周方向に延在する環状の空洞部３７が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、空洞部３７は、前記ロール本体の軸線に沿った断面から見て径方向内方に位置する底部３７ａが曲面状に形成されており、複数の空洞部３７の少なくとも一部は、円周溝３５が形成されていない平坦領域３６の径方向内方に配設されている。【選択図】図３

Description

本発明は、鋳片を連続鋳造する連続鋳造設備において、鋳型を搬送する際に用いられる連続鋳造用ロールに関するものである。

スラブ等の鋳片を製造する連続鋳造装置においては、鋳型内に注入された溶鋼が冷却手段によって冷却されることにより、凝固シェルが成長していき、鋳型の下方から鋳片が引き抜かれる。そして、鋳型から引き抜かれる鋳片は、連続鋳造用ロールによって挟持されて搬送される。
ここで、上述の連続鋳造用ロールにおいては、鋳造直後の高温の鋳片と接触することから、通常、ＳＵＳ鋼等からなるロール本体の外周面に、耐熱性に優れた材質からなる耐熱層が形成された構造とされている。

連続鋳造用ロールにおいては、回転しながら鋳片に押し付けられることから、上述の耐熱層には冷熱サイクルが負荷されることになる。すなわち、連続鋳造用ロールにおいては、高温の鋳片への接触したときの熱膨張と、鋳片と非接触のとき収縮とが繰り返され、熱応力が作用することになる。このため、連続鋳造用ロールの表面に、疲労によって亀裂が生じることがあった。
このような亀裂が発生した場合には、連続鋳造用ロールの外周面を研削することで亀裂を除去し、その後、耐熱層を再度形成することにより、連続鋳造用ロールを再使用している。ここで、亀裂が内部に進展し、ロール本体にまで達した場合には、研削量の大幅な増加となり、さらに程度がひどい場合にはロール本体の再使用を行うことができなくなる。

そこで、従来、例えば特許文献１−５に示すように、鋳造用ロールの外周面における亀裂の発生を抑制する各種技術が提案されている。
特許文献１−３においては、連続鋳造用ロールの外周面に、円周方向に延在する円周溝を複数形成することにより、冷熱サイクル負荷時に連続鋳造用ロールの外周面近傍に作用する熱応力を低減し、亀裂の発生を抑制する技術が提案されている。
また、特許文献４、５においては、外周面の径方向内方に、円周方向に延在する環状の空洞部を設け、冷熱サイクル負荷時に連続鋳造用ロールの外周面近傍に作用する熱応力を低減し、亀裂の発生を抑制する技術が提案されている。

実開平０３−０２４３５４号公報特開平１０−１５６４９９号公報特開２０１５−０９３３０２号公報特開２００４−１９５５１７号公報特開２００７−０５０４３０号公報

ところで、最近では、鋳片の連続鋳造においては、生産効率の向上の観点から鋳造速度が増速される傾向にあり、連続鋳造用ロールと接触する鋳片の温度が高く、かつ、連続鋳造用ロールへの冷熱サイクルの周期も短くなる。このため、連続鋳造用ロールの外周面には、厳しい冷熱サイクルが負荷されることになり、亀裂が生じやすい傾向にある。
このため、従来にも増して、連続鋳造用ロールの外周面における亀裂の発生及び亀裂の径方向内方への進展を抑制することが求められている。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、厳しい使用環境下においても、外周面における亀裂の発生及び亀裂の径方向内方への進展を抑制でき、使用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。

上記課題を解決するために、本発明者ら鋭意検討した結果、連続鋳造用ロールの外周面に円周溝を形成した場合には、熱サイクルが負荷された際に、円周溝が形成された領域では熱応力が緩和されるが、円周溝が形成されていない平坦領域の径方向内方に引張応力が掛かり、亀裂が径方向内方に向けて進展することが分かった。また、内部に環状の空洞部を設けた場合には、熱サイクルが負荷された際に、表層の一定の厚さ領域に高い応力が作用し、亀裂が発生しやすく、この亀裂が空洞部まで進展することが分かった。
そして、連続鋳造用ロールの外周面に円周溝を形成し、かつ、内部に環状の空洞部を設けた場合には、径方向内方の引張応力が緩和されるとともに表層の応力が高い領域が薄くなり、亀裂の発生が抑制され、さらに亀裂は径方向内方へ深く進展せず、表層に近い範囲で円周方向に進展するとの知見を得た。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明に係る連続鋳造用ロールは、連続鋳造される鋳片の搬送に用いられる連続鋳造用ロールであって、ロール本体と、このロール本体の外周面に形成された耐熱層と、を備えており、前記耐熱層の外周面には、円周方向へ延在する円周溝が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、前記耐熱層の内部には、円周方向に延在する環状の空洞部が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、前記空洞部は、前記ロール本体の軸線に沿った断面から見て径方向内方に位置する底部が曲面状に形成されており、複数の前記空洞部の少なくとも一部は、前記円周溝が形成されていない平坦領域の径方向内方に配設されていることを特徴としている。

この構成の連続鋳造用ロールによれば、前記耐熱層の外周面に円周溝が形成され、さらに、前記耐熱層の内部に円周方向に延在する環状の空洞部が形成されており、複数の前記空洞部の少なくとも一部が、前記円周溝が形成されていない平坦領域の径方向内方に配設されているので、冷熱サイクルを負荷した際に、前記円周溝が形成されていない平坦領域の径方向内方の領域に大きな引張応力が作用せず、かつ、表層の応力が高い領域の厚さが薄くなるため、亀裂の発生、及び、亀裂が径方向内方へと進展することを抑制できる。よって、ロール本体への亀裂の進展が防止されるとともに、亀裂の深さが浅くなり、ロール再利用時の外周面研削量を低減することができる。また、ロール本体を再利用することができ、ロール本体の使用寿命を延長することが可能となる。

上述のように、本発明によれば、厳しい使用環境下においても、外周面における亀裂の発生及び亀裂の径方向内方への進展を抑制でき、使用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ができる。

本発明の実施形態である連続鋳造用ロールが適用される連続鋳造設備の一例を示す説明図である。本発明の実施形態である連続鋳造用ロールの概略説明図である。本発明の実施形態である連続鋳造用ロールの耐熱層の拡大説明図である。連続鋳造用ロールの熱解析モデルを示す説明図である。連続鋳造用ロールの熱解析における境界条件を示す説明図である。連続鋳造用ロールの熱解析結果を示す説明図である。本発明の他の実施形態である連続鋳造用ロールの耐熱層の拡大説明図である。

以下に、本発明の実施形態である連続鋳造用ロールについて、添付した図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
まず、本発明の実施形態である連続鋳造用ロールが適用される連続鋳造設備の一例について説明する。

図１に示す連続鋳造設備１０は、鋳型１１と、この鋳型に溶鋼を供給する浸漬ノズル１２と、鋳型１１の下方に位置し、鋳片１を支持する複数の連続鋳造用ロール３０からなるロール群２０を備えている。
なお、本実施形態である連続鋳造機１０においては、鋳型１１から引き抜かれた鋳片１を下方へと引き抜く垂直部１４と、鋳片１を曲げる曲げ部１５と、曲げた鋳片１を曲げ戻す矯正部１６と、鋳片１を水平方向へ搬送する水平部１７と、を有する垂直曲げ型連続鋳造機とされている。

ロール群２０は、垂直部１４に位置するピンチロール部２４と、曲げ部１５に位置するベンディングロール部２５と、矯正部１６に位置する矯正ロール部２６と、水平部１７に位置する水平ロール部２７と、を備えている。
なお、連続鋳造用ロール３０は、鋳片１の幅方向に延在しており、鋳片１の長辺面を支持する構成とされている。
また、鋳片１の引抜方向Ｚに間隔を開けて配列された複数の連続鋳造用ロール３０の間には、２次冷却手段として、鋳片１の長辺面に向けて冷却水を噴出するスプレーノズル（図示なし）が配設されている。

本実施形態である連続鋳造用ロール３０は、図２に示すように、ロール本体３１と、このロール本体３１の外周面に形成された耐熱層３２と、を備えている。
ここで、ロール本体３１は、例えばＳＵＳ鋼等で構成されており、軸線Ｏに沿った形状をなしている。なお、このロール本体３１の内部には、水冷機構（図示なし）が設けられている。
耐熱層３２は、例えば、硬質特性を付与したＳＵＳ鋼等の硬質材料で構成されており、本実施形態においては、ロール本体３１の外周面に上述の硬質材料を肉盛溶接することによって形成されている。なお、耐熱層３２の厚さ（後述する平坦部３６における厚さ）は、２７ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。

ここで、図３に、本実施形態である連続鋳造用ロール３０の耐熱層３２を示す。なお、図３において、Ｘ方向が軸線Ｏ方向となり、Ｙ方向が径方向となる。
本実施形態である連続鋳造用ロール３０の耐熱層３２は、図３に示すように、径方向内方に位置する第１層３２Ａと、この第１層３２Ａの径方向外方に積層された第２層３２Ｂと、を備えている。
そして、本実施形態である連続鋳造用ロール３０においては、図３に示すように、耐熱層３２の外周面に、円周方向へ延在する円周溝３５がロール本体３１の軸線Ｏ方向（図３においてＸ方向）にわたって複数形成されている。
また、耐熱層３２の内部には、円周方向に延在する環状の空洞部３７がロール本体３１の軸線Ｏ方向（図３においてＸ方向）にわたって複数形成されている。なお、この空洞部３７においては、ロール本体３１の軸線Ｏに沿った断面から見て径方向内方に位置する底部３７ａが曲面状に形成されている。
なお、複数の空洞部３７の少なくとも一部は、円周溝３５が形成されていない平坦領域３６の径方向内方に配設されている。

ここで、上述の円周溝３５においては、軸線Ｏに沿った断面において溝底部の曲率半径が３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内、溝深さ（ロール本体３１の径方向長さ）が２．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の範囲内、溝の間隔が４４ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
溝底部の曲率半径を３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、溝底部における応力集中を抑制することが可能となる。
また、溝深さを２．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、熱応力を十分に緩和することができるとともに、鋳片１と接触する平坦領域３６の剛性を確保することが可能となる。
さらに、溝の間隔を４４ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、鋳片１と接触する平坦領域３６の剛性を確保することが可能となる。

空洞部３７は、軸線Ｏに沿った断面において底部３７ａの曲率半径が２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内、高さ（ロール本体３１の径方向長さ）が２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、幅の間隔が１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、平坦領域３６の外周面から空洞部３７の外周端までの距離が７ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内、ロール本体３１の外周面から空洞部３７の内周端までの距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
軸線Ｏに沿った断面において底部３７ａの曲率半径を２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内とした場合には、底部３７ａにおける応力集中を抑制することが可能となる。
また、高さを２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、幅の間隔を１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、平坦領域３６の外周面から空洞部３７の外周端までの距離を７ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内、ロール本体３１の外周面から空洞部３７の内周端までの距離を０ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、熱応力を十分に緩和することができる。

ここで、図４〜６に、有限要素法により伝熱解析及び弾性解析を行い、冷熱サイクル負荷時における耐熱層での熱応力分布を計算した結果を示す。
直径３４５ｍｍのロール本体３１の外周面に厚さ３０ｍｍの耐熱層３２を形成した構造の連続鋳造用ロール３０を想定した。ここで、図４に示すように、（ａ）円周溝及び空洞部無し、（ｂ）円周溝のみ、（ｃ）空洞部のみ、（ｄ）円周溝及び空洞部あり、の４つのモデルで解析を行った。
なお、図５に示すように、水冷されるロール本体３１の中心部の温度を３０℃とし、鋳片１の温度を１１００℃、輻射率を０．４と設定した。そして、回転する連続鋳造用ロール３０の外周面の熱境界条件は、図５に示すものとし、連続鋳造用ロール３０が１０回転した際の熱応力を解析した。その結果を図６に示す。

図６に示すように、（ａ）円周溝及び空洞部無しでは、径方向内方部分に広く引張応力が作用している。（ｂ）円周溝のみでは、円周溝が設けられていない平坦領域の径方向内方に引張応力が作用している。このため、亀裂が径方向内方に向けて進展するおそれがある。（ｃ）空洞部のみでは、径方向内方の引張応力が緩和されているが、表層に応力が高い部分が厚く形成されており、表層に亀裂が生じやすい。
これに対して、（ｄ）円周溝及び空洞部ありでは、径方向内方の引張応力が緩和されており、さらに、表層の応力が高い部分が薄くなっている。これにより、表層の亀裂は径方向内方に進展せず、円周方向に進展することになり、亀裂が表層に留まる。

以上の解析結果から、本実施形態である連続鋳造用ロール３０においては、耐熱層３２の外周面に円周溝３５が形成され、耐熱層３２の内部に環状の空洞部３７が形成されていることから、径方向内方の引張応力が緩和されるとともに表層の応力が高い部分が薄くなり、亀裂の発生及び亀裂の径方向内方への進展を抑制することが可能となる。

ここで、本実施形態である連続鋳造用ロール３０は、例えば、以下に示す製造方法によって製造することができる。
まず、ロール本体３１の外周面に、耐熱層３２を構成する合金等を肉盛溶接等することにより第１層３２Ａを形成する。この第１層３２Ａの外周面から機械加工あるいはエッチング加工により、空洞部３７となるスリットを形成する。スリットを形成した状態で、耐熱層３２を構成する合金等を肉盛溶接等することにより第２層３２Ｂを形成する。その後、耐熱層３２の外周面に円周溝３５を機械加工によって形成する。
このような工程により、本実施形態である連続鋳造用ロール３０を製造することが可能となる。

以上のような構成とされた本実施形態である連続鋳造用ロール３０によれば、耐熱層３２の外周面に円周溝３５が形成され、さらに、耐熱層３２の内部に円周方向に延在する環状の空洞部３７が形成されており、複数の空洞部３７の少なくとも一部が、円周溝３５が形成されていない平坦領域３６の径方向内方に配設されているので、冷熱サイクルを負荷した際に、径方向内方に引張応力が作用せず、かつ、表層の応力が高い領域の厚さが薄くなるため、亀裂の発生、及び、亀裂が径方向内方へと進展することを抑制できる。よって、ロール本体３１への亀裂の進展が防止されるとともに、亀裂の深さが浅くなり、連続鋳造用ロール３０を比較的容易に再利用することができ、連続鋳造用ロール３０の使用寿命を延長することが可能となる。

また、本実施形態において、軸線Ｏに沿った断面において溝底部の曲率半径を３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内、溝深さ（ロール本体３１の径方向長さ）を２．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の範囲内、溝の間隔を４４ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、熱応力を十分に緩和して亀裂の発生を抑制することができるとともに、鋳片１と接触する平坦領域３６の剛性を確保することができ、鋳片１を安定して搬送することが可能となる。

さらに、本実施形態において、空洞部３７における底部３７ａの曲率半径を２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内、高さ（ロール本体３１の径方向長さ）を２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、幅の間隔を１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内、平坦領域３６の外周面から空洞部３７の外周端までの距離を７ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内、ロール本体３１の外周面から空洞部３７の内周端までの距離を０ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内とした場合には、熱応力を十分に緩和して亀裂の発生を抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施形態である連続鋳造用ロールについて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、図１に示す連続鋳造機を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の構成の連続鋳造機であっても適用することができる。
また、本実施形態では、円周溝３５の径方向内方にも空洞部３７が配設された構造として説明したが、これに限定されることはなく、図７に示すように、円周溝３５が形成されていない平坦領域３６の径方向内方にのみ空洞部３７を配設した構造としてもよい。

３０連続鋳造用ロール
３１ロール本体
３２耐熱層
３５円周溝
３６平坦領域
３７空洞部

Claims

連続鋳造される鋳片の搬送に用いられる連続鋳造用ロールであって、
ロール本体と、このロール本体の外周面に形成された耐熱層と、を備えており、
前記耐熱層の外周面には、円周方向へ延在する円周溝が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、
前記耐熱層の内部には、円周方向に延在する環状の空洞部が前記ロール本体の軸線方向にわたって複数形成されており、前記空洞部は、前記ロール本体の軸線に沿った断面から見て径方向内方に位置する底部が曲面状に形成されており、
複数の前記空洞部の少なくとも一部は、前記円周溝が形成されていない平坦領域の径方向内方に配設されていることを特徴とする連続鋳造用ロール。