JP2816903B2 - 鋼材熱処理炉内ハースロールのロール胴部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、鋼材熱処理炉内に配設されるハ
ースロールのロール胴部材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材熱処理炉、例えば薄鋼板の連続焼鈍
炉（炉内雰囲気温度：約７００〜１０００℃）内に配設
されるハースロールは、図３に示すように、胴部のシェ
ル（１）の両端開口部にアクスル部材（７）が溶接等に
より接合された構造を有している。上記ロールシェル
（１）は、ＳＣＨ２２（０．４Ｃ−２０Ｎｉ−２５Ｃｒ
−Ｆｅ）等に代表されるＮｉ−Ｃｒ系耐熱鋼からなる中
空円筒体である。炉内に装入された冷延鋼板等の被加熱
鋼材（Ｓ）は、そのロール胴部に担持され、炉中移送過
程で所定温度に加熱されて炉の出側より送出される。

【０００３】被加熱鋼板（Ｓ）が担持されるハースロー
ルのシェル（１）の表面は、その両端付近の領域と中央
部領域とに温度差が生じる。中央部領域はその表面に担
持された鋼板（Ｓ）を介して加熱され、他方両端付近の
表面は炉内雰囲気の直接接触により加熱されるからであ
り、中央部領域は両端付近に比べて低温度となる傾向が
ある。その温度差は約１５０〜２００℃にも達する。ロ
ール胴部表面にこのような温度ムラが生じると、これに
担持された被加熱鋼板にうねり等の変形が生起し、次工
程の調質圧延における圧延精度の低下等の原因となる。

【０００４】この対策として、図３に示したようにロー
ルシェル（１）の内側面に銅の層（２）を積層すること
が提案されている。シェル材料である耐熱鋼の熱伝導率
（約０．０７〜０．０８ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅ
ｇ）に比べて、銅のそれは、約０．９２３ｃａｌ／ｃｍ
・ｓｅｃ・ｄｅｇ）と著しく高く、この高熱伝導率の銅
層を介して行われる速やかな熱移動（熱拡散）によって
胴部表面の温度ムラを緩和解消（均温化）することが可
能となる。むろん、そのためには、シェル（１）と銅層
（２）の界面を全周全長に亘って金属的に密着させ、実
使用時に熱歪み等が作用しても容易に剥離しないように
強固に接合させることを必須とする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】シェル（１）と銅層
（２）からなるロール胴部材の製造方法としては、シェ
ル（１）となる耐熱鋼製円管（例えば、遠心力鋳造管）
の内面に、銅板を円筒形状に曲げ加工して重ね合せ、両
者をろう付けにより、または熱間等方圧加圧処理に付し
て接合する方法が考えられる。

【０００６】しかしながら、ろう付け法によって、シェ
ル（１）と銅層（２）の界面の全周全長に亘る広い領域
の全体を金属的に密着させた健全な接合状態を形成する
ことは容易でない。熱間等方圧加圧処理法を適用すれ
ば、そのような問題はないけれども、ロール胴部材は比
較的大型の部材であるので、その適用には設備上の制約
が多く（例えば、直径１２００ｍｍ、長さ１８５０ｍｍ
の胴部材を国内の現有設備で処理することは困難）、新
たな設備を導入しようとすれば莫大な費用が必要とな
る。

【０００７】本発明は上記に鑑みてなされたものであ
り、特殊な装置を必要とせず、耐熱鋼シェルと銅板層と
の界面全体を確実に金属的に密着結合させたロール胴部
材の経済的な製造方法を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
鋼材熱処理炉内ハースロールのロール胴部材の製造方法
は、ロール胴部の表面層となる、内周面にニッケルめっ
き層が形成された耐熱鋼製円管（以下、「外層円管」）
と、それより小さい管径を有し、外周面にニッケルめっ
き層が形成された耐熱鋼製円管（以下、「内層円管」）
とを耐熱鋼製台板上に同心円状に直立固定し、外層円管
と内層円管とで画成される空間内に、円筒形状の銅板を
挿入し、空間内を脱気して封止したうえ、加熱処理を施
して銅板を溶融し、ついで冷却することにより外層円管
との界面および内層円管との界面が金属的に接合された
銅層を形成した後、外層円管と内層円管の上端側の銅層
を有しない部分を切断除去することを特徴としている。

【０００９】本発明方法により製造されるロール胴部材
は、図２に示すように、耐熱鋼からなる表面層（シェ
ル）（１）、中間層である銅層（２）および耐熱鋼から
なる内層（３）の３層積層体であり、その端部に別途用
意したアクスル部材（７）を取付けてハースロールに組
立てられる。以下、本発明について実施例を示す図面を
参照して説明する。

【００１０】図１において、（１０）は、ロール胴部の
表面層となる耐熱鋼製円管（外層円管）、（３０）は、
外層円管（１０）より所定の寸法だけ小さい管径を有す
る耐熱鋼製円管（内層円管）であり、（２０）は、外層
円管（１０）と内層円管（３０）との空間内に挿入され
た円筒形状の銅板である。（４０）は、外層円管（１
０）と内層円管（３０）とを立設固定すると共に、両円
管（１０）（３０）の下端を閉塞するための耐熱鋼製台
板材である。（５０）は両円管（１０）（３０）の上端
を閉塞するための耐熱鋼製蓋材であり、蓋材（５０）に
は脱気管（６０）が取付けられている。上記耐熱鋼製台
板（４０）および蓋材（５０）は中央部分がくり抜かれ
たドーナツ盤状部材であってよい。

【００１１】上記外層円管（１０）の内周面、および内
層円管（３０）の外周面のそれぞれには、その全面に亘
ってニッケルめっき層（ａ）が形成されている。ニッケ
ルめっき層（ａ）を設けているのは、外層円管 （１
０）の内面および内層円管（３０）の外面に対する銅板
（２０）の金属的接合を行わせるための熱処理におい
て、円管表面からのＦｅの拡散に伴うＦｅ−Ｃｕ合金化
反応を抑制するためである。

【００１２】図示のように、台板（40）上に、外層円管
（10）と内層円管（30）とを互いの軸心を一致させて直
立させ溶接により固定したうえ、その２つの円管（10）
と（30）とで画成された空間内に、円筒形状に成形した
銅板（20）を上方から挿入し、その上端面に蓋材（50）
をあてがい溶接により固定する。これにより、外層円管
（10）と銅板（20）と内層円管（30）との３部材積層嵌
合体が形成される。内外層円管(10)(30)は、銅板（20）
の加熱溶融とそれにつづく冷却凝固の工程を経た後に上
端側部分を切断除去される。熱処理過程で銅板（20）が
溶融し、内外層円管(10)(30)内の空間に溶融銅が充填さ
れていくに伴い、銅板（20）の高さが低くなり、従って
円管(10)(30)の上端側の空間部分は銅層（２）が形成さ
れないので、その部分を、機械加工で切断除去するので
ある。ロール胴部材として所要の胴長を得るには、切断
除去代を見込んだ長さの円管(10)(30)および銅板（20）
で上記３部材積層嵌合体を形成すればよい。

【００１３】ついで脱気管（６０）を介して真空ポンプ
により、銅板（２０）が挿入された外層円管（１０）と
内層円管（３０）との間の空間内を脱気する。脱気後、
脱気管（６０）をプレス等で圧着（封止）したうえ、銅
板を加熱溶融するための熱処理を行う。

【００１４】熱処理に先立って脱気を行うのは、銅板の
酸化を防止するためである。銅板の加熱溶融過程で銅の
酸化物が生成すると、銅と外層円管および内層円管との
界面における健全な金属的接合が妨げられるからであ
る。

【００１５】上記３層積層嵌合体の加熱処理は、加熱炉
内において行うことができる。加熱温度は、銅板（20）
の融点以上であるが、外層円管（10）や内層円管（30）
の軟化・変形を生起させないように過度の昇温は避けな
ければならない。また、銅板（20）は、必ずしもその全
部を溶融させる必要はなく、その溶融量は銅板（20）と
外層円管（10）および内層円管（30）との各界面に溶融
銅を充填させ、界面の金属的接合を形成するに足る量で
あればよい。上記加熱処理は、温度 約1050〜1200℃に
適当時間（例えば、0.5 〜５Hr）保持することにより達
成される。

【００１６】上記加熱処理において、溶融した銅と、外
層円管（１０）または内層円管（３０）との接触界面に
Ｆｅ−Ｃｕ合金化反応（生成するＦｅ−Ｃｕ合金は、銅
に比べて熱伝導率が著しく低い）が進行すると、ロール
の実使用時の銅層の熱拡散効果（シェル表面の均温化効
果）が低下することとなる。この点に鑑み本発明では、
銅板（２０）と向い合う外層円管（１０）の内周面、お
よび内層円管（３０）の外周面に、Ｆｅの拡散を抑制す
るためのニッケルめっき層（ａ）を設けているので、Ｆ
ｅ−Ｃｕ合金化反応を抑制しつつ所要の加熱処理を達成
することができる。また、ニッケルめっき層は、そのＦ
ｅ拡散抑制効果により、高温雰囲気炉内でのロールの使
用過程において、Ｆｅ−Ｃｕ合金化反応を抑制し、銅層
を長期に亘って高熱伝導状態に維持するのに役立つ。ニ
ッケルめっき層（ａ）は、薄過ぎると、Ｆｅ拡散抑制効
果が不足し、逆に厚過ぎては、界面（シェル層−銅層）
の効果的な熱伝達の妨げとなるので、約０．０１〜０．
１ｍｍ程度とするのがよい。

【００１７】加熱処理後の冷却凝固条件は、特に限定さ
れないが、下側から管軸上方に向かう指向性冷却を行わ
せることは、溶融銅の凝固収縮に伴う引け巣等の欠陥が
界面に生じるのを防止するのに効果的である。また、冷
却過程の熱応力による歪み、界面の剥離等を生じさせて
ならないことは言うまでもない。このためには、少なく
とも約１０００℃に到るまでの冷却速度を約５℃／分な
いしそれ以下の緩徐とするのが好ましい。

【００１８】本発明における外層円管（１０）および内
層円管（３０）は、例えば遠心力鋳造による円筒体に機
械加工を加えて所要の管径・肉厚および適当な表面粗さ
（例えばＲｍａｘ５０μｍ以下）に仕上げ、ニッケルめ
っきを施したものを使用することができる。

【００１９】外層円管（１０）の材質は、従来よりシェ
ル材料として使用されているＳＣＨ２２等のＮｉーＣｒ
系耐熱鋼等である。他方、内層円管（３０）は、外層円
管（１０）と異なって実使用時に加熱炉内雰囲気と直接
接触することはないので、外層円管（１０）に要求され
る程の耐酸化性等を必要とせず、その材質は、例えばＳ
ＵＳ３０４ステンレス鋼等であってよい。外層円管（１
０）と内層円管（３０）の下端面および上端面に取付け
られる台板（４０）および蓋材（５０）の耐熱鋼の材質
についても、銅板（２０）の加熱溶融のための熱処理に
耐え得る程のもの、例えば上記内層円管（３０）と同様
にＳＵＳ３０４ステンレス鋼等を適用すればよい。

【００２０】銅板（２０）は、例えば、市販品の無酸素
銅板等を、ロールフォーミング等の成形加工法により円
筒形状に賦形し、必要ならば、突き合わされた両端縁を
溶接（ＴＩＧ溶接等）で接合し円管体として使用すれば
よい。

【００２１】前記熱処理およびその後の冷却工程を経た
のち、機械加工により、台板（40）および蓋材（50）を
除去すると共に、銅層 (2)の形成過程で生じた円管(10)
(30)の上端側の銅層 (2)のない空洞部分を切断除去し、
シェル層である外層円管（10）の外側表面を所要の表面
粗さに仕上げたうえ、これに別途用意したアクスル部材
（７）を取付けることにより、図２に示したような目的
とするハースロールが組立てられる。

【００２２】そのハースロールのシェル層（１）の層厚
は、従来のそれと同様、例えば、１０ｍｍ〜３０ｍｍ程
度であってよい。銅層（２）の層厚は、シェル層（１）
の層厚や、ロールの使用温度等によるが、シェル層
（１）が１０〜３０ｍｍで、使用時の加熱温度が約７０
０〜１０００℃である通常のハースロールにおける銅層
の層厚は約１５〜３０ｍｍとするのが適当である。また
内層（３）は例えば５〜１５ｍｍ程度の層厚であってよ
い。

【００２３】

【実施例】（１）積層嵌合体の製作外層円管（１０） 遠心力鋳造耐熱鋼管（材質：ＪＩＳ Ｇ５１２２ ＳＣ
Ｈ２２） 管サイズ（ｍｍ）：外径４２０，内径３７０（肉厚２
５），長さ１２００。表面粗さ５０μｍ以下（仕上記
号：▽） 管内周面のニッケルめっき層厚：０．２ｍｍ銅板（２０） 無酸素銅板（ＪＩＳ Ｈ３１００ Ｃ１０２０，Ｃｕ９
９．９６％以上）をロールフォーミング加工に付し、突
合せ端面をＴＩＧ溶接で接合した円管体 管サイズ（ｍｍ）：外径３６９，内径３２（肉厚２
４），長さ１１９９。表面粗さ５０μｍ以下（仕上記
号：▽）内層円管（３０） 遠心力鋳造管（材質：ＪＩＳ Ｇ５１２１ ＳＣＳ１１
ステンレス鋼） 管サイズ（ｍｍ）：外径３２０， 内径３００（肉厚１
０）， 長さ１２００。表面粗さ５０μｍ以下（仕上記
号：▽） 管外周面のニッケルめっき層厚：０．２ｍｍ台板（４０）および蓋材（５０） ステンレス鋼板（材質：ＪＩＳ ＳＵＳ３０４） 板サイズ（ｍｍ）：外径４４０，内径２８０，肉厚１
０。表面粗さ５０μｍ以下（仕上記号：▽）

【００２４】上記各部材の表面を脱脂処理（洗液：アセ
トン）したうえ、図１に示したように溶接により３層積
層嵌合体を組立て、蓋材（５０）の脱気管（６０）（口
径８ｍｍのステレス鋼パイプ）を介して真空ポンプによ
り、外層円管（１０）と内層円管（３０）との間の空間
内を脱気し（真空度：１×１０^−４Ｔｏｒｒ），脱気
後、脱気管（６０）を押し潰して封止。

【００２５】（２）加熱処理 上記積層嵌合体を加熱炉内に装入し、直立姿勢で加熱処
理。加熱温度：１１１０℃、処理時間：４Ｈｒ。処理
後、下端側から上方に向って、１０００℃まで１．５℃
／分の冷却速度で指向性冷却を行った。

【００２６】（３）最終仕上げ加工 超音波探傷法により、外層−銅層−内層の界面の接合状
態を検査したのち、機械加工を行い所定の胴部材に仕上
げた（外径：４１６，内径：３０６，長さ１０００，ｍ
ｍ）。

【００２７】（４）品質界面の接合状態 上記機械加工前の超音波探傷試験結果は、外層と銅層、
および銅層と内層の各界面が全周全長に亘って金属的接
合状態を有していることを示した。界面の接合強さ 引張試験片：平行部形状φ６×Ｌ１０，ｍｍ。外層と銅
層との境界面が試験片の平行部の中央位置となるように
調製。 引張強さ（σｕ）：２０Ｋｇｆ／ｍｍ^２。上記のように
外層と銅層の界面は健全な密着状態を有し、接合強度も
十分である。熱伝導性 試験片：φ８×Ｌ５０，ｍｍ。外層と銅層の境界面が試
験片の長さ方向中間位置となるように調製。 試験方法：試験片の片側端９００℃の一定温度に保持し
た加熱源に接触させ、他端側の温度の経時変化を測定。
図４において、イは上記試験片についての測定結果を、
ロは、上記外層材と同種の耐熱鋼（ＳＣＨ２２）からな
る試験片（サイズは上記と同一）について同じ試験条件
で得られた結果を示している。発明例（イ）は、耐熱鋼
単体のもの（ロ）に比べて高い熱伝導性を有している。
この高熱伝導性は、ロールの実使用においてシェル層表
面の温度ムラを効果的に緩和し得ることを示している。

【００２８】

【発明の効果】本発明方法によれば、特殊な装置や煩瑣
な処理工程を必要とせず、熱処理炉さえあれば、耐熱鋼
シェル層の内側の全面に亘って銅層が金属的に密着した
健全な積層構造を有するハースロール胴部材を製造する
ことができる。その耐熱鋼シェル層と銅層との健全な密
着積層構造と界面のニッケルめっき層のＦｅ−Ｃｕ合金
化抑制効果により、ハースロールの実使用におけるシェ
ル層の温度ムラを緩和するための、銅層を介した熱拡散
を効果的に行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す軸方向断面説明図であ
る。

【図２】本発明により製造されるロール胴部の積層構造
を示す部分断面図である。

【図３】従来のロール胴部を示す部分断面図である。

【図４】実施例の熱伝導試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 表面層（シェル）、２ 銅層、３ 内層、１０：外
層円管、２０ 銅板、３０ 内層円管 ａ ニッケルめ
っき層。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロール胴部の表面層となる、内周面にニ
   ッケルめっき層が形成された耐熱鋼製円管（以下、「外
   層円管」）と、それより小さい管径を有し、外周面にニ
   ッケルめっき層が形成された耐熱鋼製円管（以下、「内
   層円管」）とを耐熱鋼製台板上に同心円状に直立固定
   し、外層円管と内層円管とで画成される空間内に、円筒
   形状の銅板を挿入し、空間内を脱気して封止したうえ、
   加熱処理を施して銅板を溶融し、ついで冷却することに
   より外層円管との界面および内層円管との界面が金属的
   に接合された銅層を形成した後、外層円管と内層円管の
   上端側の銅層を有しない部分を切断除去することを特徴
   とする鋼材熱処理炉内ハースロールのロール胴部材の製
   造方法。