JP3087468B2 - 鋼材の熱間接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間鋼材（熱間圧延工
程等において高温の状態にある鋼材）どうしを室温まで
冷却することなく接合する方法、特に操業ライン上にお
いて先行圧延鋼材の後端部と後行圧延鋼材の先端部を、
高能率で重ね合わせ、あるいは突き合わせて接合する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄工場の圧延工程では歩留まりの向上
と生産効率の向上などを目的として、ラインの連続化が
検討されている。その中でも特に、 500〜1000℃といっ
た熱間鋼材を圧延機の前で接合して連続圧延を行う技術
が重要視されてきている。

【０００３】従来、鋼板の酸洗ラインや冷間圧延のタン
デムミルなどの前に接合機を設置して、先行するコイル
の後端と後続するコイルの先端とを溶接する技術が知ら
れている。その溶接法としてはフラッシュ溶接、レーザ
ー溶接、マッシュシーム溶接、アーク溶接などが用いら
れている。ところが、これらの溶接法は全て一旦冷却し
た材料を対象としており、高温の材料を溶接する場合に
は、熱によって装置が損傷しやすい上に、接合するのに
時間がかかるので、高速で接合することが要求されるラ
インの連続化には適していない。

【０００４】特開昭61−126907号公報および特開昭61−
126983号公報には、ホットスカーファーにより脱スケー
ルした後、圧接する装置が提案されている。これらの装
置を用いて接合する方法は、ホットスカーファーの火炎
により接合面を加熱し、スケールを溶解するとともにそ
れを吹き飛ばして除去、並びに一部圧延材の溶解を行
う。そしてスケールを除去した後、直ちに突き合わせ、
あるいは重ね合わせて圧接を行うものであるが、ホット
スカーファーで酸素を吹き付けるので、大気中よりも強
い酸化雰囲気になっており、しかも母材が高温であるの
で脱スケールしても瞬間的に表面が再び酸化して、良好
な接合を得ることができないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、脱スケール
後の熱間鋼材表面が再び酸化しないようにシールドして
圧接する技術を提供すること、さらには熱間鋼材の接合
を簡単かつ能率的に行うことができ、しかも後続の圧延
工程に障害のない程度に高い接合強度を得ることのでき
る接合技術を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、次の (1)およ
び(2) を要旨とする。

【０００７】(1) 熱間鋼材表面のスケールをホットスカ
ーファーで除去した後に鋼材どうしを重ね合わせ、ある
いは突き合わせて圧接する方法であって、少なくともホ
ットスカーフィングにより脱スケールしてから圧接する
までの間は、ホットスカーファーの炎と異なる還元炎で
シールドする鋼材の熱間接合方法。

【０００８】(2) 下記の式および式を同時に満足す
る条件で燃焼させた還元炎を用いて圧接する (1)の熱間
接合方法。 Ｐ≧ 214ｍ−105 ・・・、 Ｐ≧−150 ｍ＋90・・・ ただし、Ｐは燃焼用空気中の酸素富化度（体積％）であ
り、ｍは燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量に対す
る実際に使用する酸素量の比である。

【０００９】本発明において、熱間鋼材とは、熱間鋼
板、線材、棒鋼、条鋼、形鋼などを指し、熱間接合と
は、それらの鋼材を例えば圧延ライン上で熱いままの状
態で接合することを意味する。

【００１０】

【作用】本発明の大きな特徴は、ホットスカーファーを
用いて熱間鋼材の接合面を脱スケールして鋼材どうしを
接合する工程において、少なくともホットスカーファー
で脱スケールしてから圧接するまでの間は接合面近傍を
還元炎雰囲気に保っておくことによって、表面の再酸化
および鋼材自体の温度低下を防止することにある。この
還元炎によるシールドは、ホットスカーファーにより脱
スケールをする前から連続して行い、ホットスカーファ
ーによる脱スケール中およびその後も引き続き行っても
良い。なお、ホットスカーファーで脱スケールしている
間だけ還元炎によるシールドを停止しても良い。

【００１１】図１および図２は、ホットスカーファーと
還元炎バーナーを使用して圧接する本発明方法を説明す
る図であり、図１は重ね合わせ接合、図２は突き合わせ
接合を行う方法の一例を示す図である。それぞれ（ａ）
図は、接合部長手方向の断面図であり、（ｂ）図は、接
合部の斜視図である。この図では、ホットスカーファー
の配置と還元炎の配置とが同方向であるが、ホットスカ
ーフィング後の接合界面に還元炎が当たって、再酸化を
防止できれば良く、それらの配置に特に制約はない。

【００１２】ホットスカーフィングによる脱スケールの
原理は次の通りである。すなわち、ＬＰＧ、ＣＯＧ（コ
ークス炉ガス）などの燃料を酸素とともに燃焼させて得
られる予熱用火炎を鋼材の表面に吹きつけて加熱する
と、鋼材の表面が溶融し湯溜まりが生じる（以下、この
工程を予熱という）。その後、酸素噴射ノズルから高純
度の酸素（溶削酸素）を噴出させると溶融鉄と酸素とが
酸化反応を起こし、大きな反応熱が生じて鋼材表面は溶
融して吹き飛ばされる。そこでこのホットスカーファー
と鋼材とを相対的に移動すれば、次々に酸化反応が継続
し溶削（この場合は脱スケール）が進行する。

【００１３】この時、溶融面の表層は溶融酸化鉄である
が、その下は表層の反応熱で溶けた酸化していない溶融
鉄である。脱スケール後にそのまま放置すると、再び表
面が酸化してスケールが発生してしまうので、ホットス
カーファーによって溶融酸化鉄が吹き飛ばされた後、圧
接を行うまでは、接合部を非酸化雰囲気として酸化を防
止する必要がある。

【００１４】この非酸化雰囲気をつくるために、本発明
では還元炎を脱スケール後の鋼材に吹付け、シールドガ
スとして用いる。水素等の還元性ガスを使用しても、こ
の非酸化雰囲気とすることができるが、その場合鋼材の
温度が下がってしまうので、圧接前に更に加熱する必要
が生じ好ましくない。この還元炎は、非酸化雰囲気を保
つことができればその強さや温度に制限はないが、本発
明のように大気開放状態で圧接したり、厚物材の加熱に
用いる場合には、還元性能や加熱性能を向上させて用い
るのが好ましい。なお、ホットスカーファーで脱スケー
ルを行う前の予熱に還元炎を使用することもできるが、
その場合にはある程度の加熱能力を備える必要がある。

【００１５】ところで、この還元炎とは、ＬＰＧやＣＯ
Ｇなどの燃料を、それらが完全燃焼するのに必要な理論
空気量より少ない空気で燃焼させて、火炎自体に還元性
をもたせたものである。水素ラジカル、CH₂Oラジカル等
（以下、これらを還元性ラジカルと記す）の還元成分を
含有しているので、これらの含有量が多いほど還元力が
大きい。この還元成分の含有量を高めるためには、燃焼
用空気を燃焼用酸素ガスで置き換えて酸素濃度を上げる
酸素富化を行うのがよい。

【００１６】大気開放状態で還元燃焼を行う場合、周囲
の空気を巻き込むため、実際の火炎中の酸素比はバーナ
ーでの酸素比より大きくなり火炎温度も下がることにな
る。

【００１７】酸素富化という方法は、この火炎温度を上
げる方法でもある。酸素富化とは、燃焼用空気中の酸素
濃度を上げることで、酸素量は一定のままで窒素などの
不燃分が減るため全体の体積が減り、同じ発熱量でも火
炎温度が高くなるのである。

【００１８】したがって燃焼時に、周囲から冷たい空気
が混入してきても、その中の酸素は、火炎中の未燃分で
ある水素分子や一酸化炭素等と反応して消耗される。同
時に燃焼反応にともなって水素ラジカルの形成が起こ
る。この時に、酸素富化を行うと、空気を用いたときと
比べ火炎中に持ち込まれる窒素分が減少し、火炎温度が
相対的に高まるので、前記還元性ラジカルの発生を促進
するとともに、周囲の空気が混入して温度が低下するの
を防止することができる。

【００１９】図３に、重ね合わせ接合、および突き合わ
せ接合におけるホットスカーファーと還元炎の配置例を
示す。 (a)は、鋼板１の間にホットスカーファー３を配
置して幅方向に移動させ、長手方向からバーナー２で還
元炎を当ててシールドし、重ね合わせ接合をする方法、
(b)は、長手方向からホットスカーファー３でホットス
カーフイングを行い、還元炎を板の端部幅方向から当て
て重ね合わせ接合をする方法、 (c)は、鋼板の間にホッ
トスカーファー３を配置して移動させながら、還元炎を
鋼板の垂直方向から当てて突き合わせ接合をする方法、
(d)は、ホットスカーファー３を鋼板の垂直方向に配置
し、還元炎を端部幅方向から当てて突き合わせ接合をす
る方法である。

【００２０】本発明方法は上記の例に限定されるもので
はないが、これらのようにホットスカーファーで脱スケ
ールをしたのち、還元炎でシールドし、重ね合わせ、ま
たは突き合わせ接合をおこなえば、熱間鋼材の接合を簡
単にかつ能率的に行うことができ、しかも後続の圧延工
程に障害のない程度に高い接合強度を得ることができ
る。図３には、ホットスカーファー３としてはスリット
型、還元炎バーナー２としてはマルチノズル型を示して
いる。これらの形態は、特に制限されるものではない
が、溶断面を平坦にし、シールドの効果を十分に保つた
めに還元炎の当て方に自由度をもたせるために、スリッ
ト型あるいはマルチノズル型を用いるのが好ましい。

【００２１】火炎の還元性および鋼材を圧接するのに必
要な温度に加熱するための燃焼条件は、燃焼用空気と燃
料との混合比に左右される。図４に燃焼条件を示す。混
合気中の酸素不足の度合いは、燃料を完全燃焼させるの
に必要な酸素量を1.0 とした時に実際に用いられた酸素
量の比（ｍ）で表した。ｍは酸素富化を行わない場合に
は空気比と言われるものである。

【００２２】酸素比が低いほど還元性ラジカルが多くな
り、酸素富化を行うほど還元性ラジカルの発生が増大し
て、還元性が向上する。すなわち還元性は、酸素比
（ｍ）が小さいほど、また酸素富化の程度（Ｐ）が大き
いほど良好である。本発明では、スケールが再び発生す
るのを防止するために還元炎を用いるのであるから、ス
ケールを還元する能力は必要ではない。したがって完全
に脱スケールされた鋼材どうしを接合する際には、ｍと
Ｐは図４における直線以上、すなわちＰ≧ 214ｍ−10
5 の領域にあることが望ましいが、特にスケールの除去
が不完全である場合にも、図４における直線以上、す
なわちＰ≧ 214ｍ−75の領域であれば十分な接合力を得
ることができる。

【００２３】一方、ｍが低下すると火炎温度は低下し、
加熱能力は低くなる。逆に、酸素富化を行うと、火炎温
度は上昇して、加熱能力が上昇する。加熱により鋼板温
度が十分に上昇する領域は、図４の直線以上、すなわ
ちＰ≧−150 ｍ＋90の領域である。

【００２４】このような還元炎を用いることにより、ホ
ットスカーファーで脱スケールした後の表面を清浄に保
ち、かつ迅速に圧接温度に昇温することができる。

【００２５】圧接は次のようにして行うのが良い。すな
わち、重ね合わせて接合する場合には、図５に示すよう
に、ラインの上下に配置した一対の加圧ロール４によ
り、板端からもう一方の板端までを所定の圧力で圧下し
ていく。被接合材が小さい場合には、図６に示すように
被接合材１と同等またはそれ以上の幅の加圧装置５で上
下から加圧して一回で全幅を圧接してもよい。

【００２６】突き合わせ接合の場合は、図７に示すよう
に被接合材１を把持してその長手方向に加圧する把持加
圧装置６を使用して、被接合材の端面どうしを押しつけ
ればよい。

【００２７】圧接は、接合部を静止させて行う場合と、
移動させながら行う場合とがある。

【００２８】熱延鋼板のような帯状の鋼材を静止させて
接合する場合は、接合部の前後にルーパーを設ける必要
がある。また、移動させながら接合する場合には、被接
合材と同期して移動する接合装置を使用すればよい。

【００２９】本発明の熱間接合方法を行う際には、本出
願人が先に提案した、鋼材の端部に開先加工を施してか
ら圧接する方法（特開平４−200907号公報）、同じく端
部に曲がり矯正を施してから圧接する方法（特開平４−
200984号公報）、同じく端部に上反り形状曲げを施して
圧接する方法（特願平３−54958 号) や、隅部が円弧形
状の上下一対の加圧ロールで接合部を板幅方向に圧接す
る方法（特願平３−63281 号）などを適用することがで
きる。また、圧接に際しては、全幅を接合する必要はな
く接合部の両端部を含む板幅の30％以上の局所部を接合
すれば良い。

【００３０】以上、おもに板材を例にして説明したが、
本発明方法は棒鋼その他の熱間接合にも適用できること
は言うまでもない。

【００３１】

【実施例】板厚15mm、幅300mm 、長さ500mm の鋼板
（Ｃ:0.1％、Si:0.5％、Mn:1.2％）の端部25mmを重ね合
わせて圧接する試験を行った。

【００３２】供試鋼板には、予め酸化させて0.5mm 程度
の厚いスケールをつけたものを使用した。大気中に開放
した状態で、この鋼板をプロパンガスの還元バーナーを
用いて接合可能な温度まで加熱し、この還元バーナーを
点火したままで接合面をホットスカーフィングして脱ス
ケールを行った。その後直ちに重ね合わせ圧接を行っ
た。この重ね合わせ圧接は、図５に示す上下１対の加圧
ロールを使用し、圧下率を25％として全幅を接合した。

【００３３】ついで、この熱間鋼板を２スタンドの圧延
ロール間で３kg/mm²の張力をかけて、圧下率50％で圧延
した。圧延開始時の鋼板温度は1000℃に統一した。な
お、通常の圧延ライン中にかかる張力は１kg/mm²程度で
ある。そのときに、通板が可能であったか否かで評価し
た。表１に還元炎および接合時の条件と通板可否の評価
を示す。表中、◎はこれらの条件に加えて、10kg/mm²未
満の加圧力で圧接すれば通板可能であったことを表し、
○は10kg/mm²以上に加圧して圧接すれば通板可能であっ
たことを、△は圧延時の張力を 1.5kg/mm²とすれば通板
可能であったことを、×は○あるいは△のように条件を
ゆるめて圧延しても通板が不可能であったことを表す。

【００３４】試験No.12 と15は、燃焼条件は満足する
が、を満たさない場合の例であり、同じ条件の通板で
は破断したが、張力を 1.5kg/mm²として圧延した時には
破断しなかった。また、No.17 〜19は、ホットスカーフ
ィングのみを行い還元炎でシールドせずに圧接した例で
ある。どちらも脱スケール後に接合面が再酸化し、十分
な接合強度が得られなかったので破断している。これに
対し本発明の方法によれば、還元炎シールドにより脱ス
ケール後の再酸化が防止され、強い接合が得られている
ことがわかる。

【００３５】一方、試験No.20 〜22は、還元炎が燃焼条
件を満足しない場合の例である。

【００３６】この場合には、炎はもはや還元炎ではな
く、積極的に鋼材表面を酸化してしまう炎であるので接
合面にスケールが発生し、圧延の際に破断している。

【００３７】本発明例のNo.2、４、６、７では、十分に
接合してはいたものの、接合部の温度が1000℃未満であ
ったため、大きな加圧力を必要とした。このように、圧
接時に鋼材温度が低い場合は必要な加圧力が大きくな
り、それに伴い装置も大きくなるため、1000℃以上に加
熱するのが望ましい。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】本発明の方法によれば、熱間鋼材を高速
でしかも良好に接合することができる。しかも、水素ガ
スなどの還元雰囲気でシールドするのに比べて簡単な設
備で実現することができる上に、他の方法で脱スケール
しただけで接合していた従来の方法に比べて、高能率で
あり、その実用性はきわめて高い。

【００４０】本発明方法は、鋼材表面のスケールが極端
に厚い場合、あるいはスケールが鋼材の表面に浮いてい
る場合にも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ホットスカーファーと還元炎を用いて重ね合わ
せ接合する、本発明の方法を説明する図である。

【図２】ホットスカーファーと還元炎を用いて突き合わ
せ接合する、本発明の方法を説明する図である。

【図３】ホットスカーファーと還元炎バーナーの配置例
を示す図である。

【図４】本発明の方法に用いる還元炎の酸素比（ｍ）と
酸素富化度（Ｐ）との望ましい範囲を示す図である。

【図５】重ね合わせ接合の場合の還元炎加熱とロール圧
接の方法を示す図である。

【図６】重ね合わせ接合の場合の加圧装置による圧接の
方法を示す図である。

【図７】突き合わせ接合の場合の把持加圧装置による圧
接方法を説明する図である。

【符号の説明】

１．被接合材、 ２．還元炎バーナー、 ３．
ホットスカーファー、４．加圧ロール、 ５．加圧
装置、 ６．把持加圧装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深田 康人 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−200984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−126983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−126907（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−126983（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−200907（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 15/00 B21B 1/26 B23K 20/00 - 20/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱間鋼材表面のスケールをホットスカーフ
   ァーで除去した後に鋼材どうしを重ね合わせ、あるいは
   突き合わせて圧接する方法であって、少なくともホット
   スカーフィングにより脱スケールしてから圧接するまで
   の間は、ホットスカーファーの炎と異なる還元炎でシー
   ルドすることを特徴とする鋼材の熱間接合方法。
2. 【請求項２】還元炎が、下記の式および式を同時に
   満足する条件で燃焼させた還元炎であることを特徴とす
   る請求項１に記載の鋼材の熱間接合方法。 Ｐ≧ 214ｍ−105 ・・・、 Ｐ≧−150 ｍ＋90・・・ ただし、Ｐは燃焼用空気中の酸素富化度（体積％）であ
   り、ｍは燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量に対す
   る実際に使用する酸素量の比である。