JP3256762B2 - 再生利用するスクラップ金属 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はスクラップ金属の再生利用に関する。特に、
金属削り屑のスクラップを中空のジャケットにぎっしり
詰めてビレットを構成し、それを圧延又は熱間加工して
再生利用を図るようにしたものである。

「削り屑」の用語は一般に機械加工で出る不用部で、
機械構造鋼を旋削、穴明け、シェーピング及びフライス
作業をすることにより出る削り屑を含む。鍛造や打抜き
で出る細い屑でもよい。「機械構造鋼」の用語は一般に
機械加工される低合金鋼を言い、これには軟鋼（これ自
体の用語には炭素鋼を含む）、鍛造用鋼及び炭素量の多
い軸或いはシャフト鋼を含む。

従来技術の説明 英国特許第1313545号において、特に鋼の削り屑を圧
縮した固まり〔便宜上、ブロックと読んでいる）にする
工程が開示されている。ブロックは、通常、鋼又はステ
ンレススチール製の有底チューブに被覆されて互いに圧
縮される。そのように形成されたビレットは、次いで加
熱され、圧延のような工程により最終製品又は半製品に
仕上げられる。

ブロック加工は被覆前に雌型で行ってもよい。別の方
法としては、ビレットをチューブの穴内で直接形成する
ようにしてもよい。この場合、チューブは、詰め込み作
業の間支持型に挿入され、そのチューブの穴が空洞の役
目をする。いずれの場合もプレスにより詰め込み作業が
行われ、空洞内に前もって挿入されていた適量の削り屑
をプレスのラムにより圧縮してブロックにする。次いで
ラムが後退して別の削り屑が空洞内に挿入される。ラム
が再度空洞内に挿入され、直前のブロックと重ねて圧縮
されることにより新しいブロックが形成される。この工
程は空洞がブロックで一杯になるまで繰り返される。

加熱工程で被覆チューブ内の削り屑の表面にできた酸
化物が還元され、更に加工工程でブロックを構成する金
属粒子が互いに又ジャケットとも焼結され、一塊りに溶
融凝固される。

削り屑表面の酸化物の還元はそれらとカーボンとの組
合せの結果として起こるもので、カーボンはジャケット
に投入してもよく、鋼あるいは削り屑を構成する他の金
属から析出したものでもよい。被覆チューブはビレット
内を還元条件に保つ役目をする。削り屑を被覆しないビ
レットから基準値に対する熱間加工製品を製造する試み
が行われ、この際加熱ビレットが空気中の酸素に触れな
いようにかなりの注意が払われたが成功しなかった。

この方法で製造される商業的にも技術的にも重要な製
品の一つは、軟鋼又は炭素鋼のブロックを詰めたステン
レススチール製のジャケットで構成されるビレットで、
このビレットが望ましい特性を持ちかつ機械構造鋼の安
い価格でしかもステンレススチールでクラッドされた最
終製品に仕上げられることである。

鋼を芯にし銅のような非鉄金属を被覆した製品も商業
的な潜在需要がある。

削り屑を詰め込んだステンレススチール製のチューブ
から構成されるビレットは、後でこの明細書で述べる特
別な問題を現在まで抱えており、本発明の目的はこれら
の問題を扱うことである。

発明の概要 本発明によれば、再生利用する削り屑のビレットで、
塊状の削り屑を中空のジャケットで被覆する工程を有
し、次のような特徴を有するビレットを提供できる。そ
の特徴は、少なくともジャケットの一端をエンドピース
に接合して塊状の削り屑の端部を囲み、かつエンドピー
スとジャケットを異なった組成の金属で形成したことで
ある。

多くの場合、実際問題として、エンドピースはジャケ
ットの両端に取り付けられる。本発明の一の態様による
と、ジャケットは、ステンレススチール製である。本発
明の他の態様によると、エンドピースは、機械構造鋼製
である。

本発明の一形態として、エンドピースは両端が開口し
たスリーブ状に形成されている。別の形態として、エン
ドピースはキャップの形態をしていてもよい。

本発明の他の態様ではスリーブ内に挿入して塊状の削
り屑の一端に添えられるシール部材が用いられる。

本発明は、機械構造鋼を多く含む削り屑に特に利用さ
れる。

更に、本発明によると、ビレットは加熱及び熱間加工
されて削り屑とジャケットが互いに結合され、更にエン
ドピースが切除された製品に仕上げられる。

多くの利点がエンドピースを取り付けることにより発
生する。第一には、機械構造鋼とステンレススチールと
の間の膨張係数の本質的な違いがある。その結果、直径
100mmのステンレススチール製のチューブに軟鋼を芯と
して詰めたビレットが加熱されると、チューブの直径が
芯よりも3mm程度大きくなる。芯とステンレススチール
製のチューブとの間のギャップは本発明のようなエンド
ピースが無い場合、大気中の酸素をビレット内に容易に
侵入させ、その結果ビレットを酸化させてしまうので最
終製品を本質的に利用価値の無いものにしてしまう。こ
れと対照するに、被覆チューブで構成される同様のビレ
ットに、本発明による軟鋼製のエンドピースを取り付け
ると、加熱前後のいずれにおいても芯とエンドピースと
の間に直径の実質的な差が生じない。更に、加熱してい
る間に芯がエンドピースに焼結して、チューブ穴内に通
じる侵入ガスの進路に障害物を形成する。

ビレットを圧延する場合に軟鋼製のエンドピースによ
って生じる別の利点は、ビレットが圧延機に噛みつき易
くなることである。

なお、軟鋼製のエンドピースを使用した結果、芯の端
がエンドピースに焼結してしまうことより生じる別の利
点は、圧延の際に、一般に芯がジャケットから飛び出す
傾向があるがその傾向を無くすか或いは少なくすること
である。

更に、本発明の他の利点は、ジャケットを構成するス
テンレススチールや銅材の無駄を減らすことができるこ
とである。圧延作業により製造された最終製品の端部に
は常に欠陥がある。通常、これらの端部は切除される。
この切除工程では圧延前に１メートルあるビレットのジ
ャケットの８％近くが除去される。したがって、最後に
除去されるジャケット部分が少なくとも高価でない材料
で部分的に置き替わっていれば、ジャケット材料のコス
トをかなり節約できる。

図面の簡単な説明 本発明においては種々の実施例が例として図示されて
いる添付図面を参照して説明が行われるが、この内、 図１は中空ジャケットに挿入された機械構造鋼の削り
屑のブロックの芯により構成されたビレットの概略縦断
面図、 図２〜５はビレットの一端の変形例を示す断面図、 図６はビレットの一端の他の変形例を示した側面図、 図７は図６のＡ−Ａ矢視断面図である。

図示した実施例の詳細な説明 図１において、ビレット10aは本体すなわち芯12aから
構成され、芯は軟鋼又は炭素鋼の削り屑をジャケット14
aに圧縮充填して形成したブロックにより構成されてい
る。

充填前においては、削りくずが洗浄され、英国特許第
1313545号に開示するように粉砕される。このように処
理された削り屑にも一部酸化層がある。この酸化層はビ
レットが加熱されるときに除去される。しかし、好まし
くは、洗浄・粉砕後、削り屑を予熱し還元条件で冷却し
て表面酸化物を除去することが望ましい。これには２つ
の利点がある。第一にはチューブの内部から放出される
酸素と二酸化炭素の量を完全に無くせないにしてもかな
り減らすことができる。これらのガスのいずれかが存在
すると、酸化クロムがオーステナイト系のステンレスス
チールの表面に約摂氏900度以上で形成される。これが
形成されると、これらは芯とジャケットの境界面にグリ
ーン層として形成されるので目視可能である。一旦形成
されると、この酸化物は還元しにくい。これらの酸化物
が存在すると、芯とステンレススチール類のジャケット
との結合性が悪くなる。

削り屑の初期還元と冷却を行う第２の利点は削り屑が
この工程で焼き戻されることにある。これはブロックを
かなりの高密度で固めることを可能にする。

ジャケットはオーステナイト系ステンレススチールの
チューブ16aで構成されており、チューブの各末端には
両端が開口した軟鋼製のスリーブ20aが22aで図示するよ
うに突き合わせ溶接される。ブロックの境は24aで示さ
れている。

芯は英国特許第1313545号に開示されている方法で実
質的に形成される。充填する削り屑の一回分の量がチュ
ーブの左端のスリーブ22aを通してチューブの穴に次々
と送られる。この際、油圧プレスが使用され、順次圧縮
してブロックを形成する。このプレスはラム（26aで示
されている）を有するもので、ラムは左側からチューブ
の穴内に挿入される。削り屑の最初の圧縮がラムとそれ
に対向するチューブの右端の止め栓28aとの間で行われ
て最初のブロックが形成される。その後の各削り屑の圧
縮工程はラムとそれに対向する直前のブロックとの間で
行われる。ブロックの圧縮成形はチューブ16aがほぼ一
杯になるまで続けられる。芯とチューブ末端の穴内には
僅かな空間が残される。芯はいずれにしてもチューブ両
端のスリーブ20aまで突出させた方がよい。

これとは別に、２つのラムを有するプレスを用いて各
ラムをチューブの端から別個に挿入するようにしてもよ
い。この場合、最初のブロックがチューブ長手方向の真
ん中に形成され、次工程からは削り屑の一回分の充填量
がそれぞれチューブの両端から挿入されるので次の圧縮
工程では２つのブロックが一度に形成される。

多くの場合、ビレット10aは加熱され、更に手を加え
ることなく圧延される。既に開示されているように、芯
両端の削り屑粒子は温度が上昇するにしたがって互いに
焼結しかつスリーブ20aとも焼結する。この際侵入ガ
ス、特に空気中の酸素がチューブ内部に入り込まないよ
うにされる。更に、炭素が削り屑から析出し、チューブ
内の残留酸素や削り屑の酸化皮膜と化合し、二酸化炭素
や一酸化炭素を形成する。酸化皮膜のほとんどはこの方
法で還元される。

圧延は通常の圧延機を用いて通常の技術により行われ
る。圧延工程では、削り屑粒子の焼結が進行し、芯がス
テンレススチール製のジャケットに接合する。圧延され
た製品の両端、すなわち形の崩れたスリーブ20aにより
被覆されている部分は切断除去される。

ビレットが加熱圧延されている条件でCOがステンレス
スチールと酸化するかどうか、現時点では全く明らかで
はない。多数のビレットから製造された最終製品は、酸
化皮膜が被覆前に除去されなかったときに、境界面に前
述のグリーン層が現れるので失敗した。

それゆえに、更に工程を加えて、芯内にCOが発生しな
いようにするかあるいはその発生を減らすようにして前
述した酸化クロムの発生を減らすことが望ましい場合も
ある。この目的を達成するためには、チューブ内の削り
屑の詰め込み作業を窒素又は水素のような不活性雰囲気
のもとで行うか、あるいは加熱前にチューブ内部の空気
を抜くことが望ましい。両工程はチューブ内部から残留
酸素を除去でき、特に削り屑の酸化皮膜を被覆前に還元
しているときは一酸化炭素と二酸化炭素の両方の発生を
無くすかあるいは少なくとも減らす効果がある。ビレッ
ト内を不活性ガスで満たすかあるいは真空にする場合に
はチューブの両端を閉じることが必要である。

例えば、図２では加熱前に軟鋼製のエンドプレート32
bがチューブの各端から圧入され、芯12bの端面に添えら
れる。このエンドプレートはチューブ16bに溶接され
る。

図３では、既成形のキャップ20cが開口端を有するス
リーブの代わりにジャケット16cの少なくとも一端に溶
接される。キャップは頂部32cが一体成形されて形成さ
れたもので、頂部は図２のプレート32bと同じ機能を有
する。ビレットが芯12cをジャケットに挿入する前に冷
間で形成されている場合にはエンドキャップ20cをジャ
ケットの両端に溶接してもよく、この場合芯12cをチュ
ーブに挿入した後、最後のエンドキャップをジャケット
に突き合わせ溶接する。

チューブの一部閉鎖のみが必要な場合、多分チューブ
密封の最も簡単な方法は図４の22dで示すようにスリー
ブの端を縁曲げして閉じることである。縁曲げされた両
端が完全密封でないということは多くの場合あまり問題
とはならないが、ある場合には非常に重要になってくる
ことがある。これは加熱の間チューブ内に放出あるいは
現有する何らかのガスを逃がす必要がある場合である。
これと同じ理由で、プレート32b（図２）及び／又はキ
ャップ20c（図３）には小さいドリル穴34b,34cが必要で
ある。

チューブを少なくとも部分的に密封する他の簡単な例
は、図５に示されているように、グラファイト（あるい
は加熱時に還元ガスを放出する他の適当な充填剤）を水
で練ったペースト32eを芯12eの端面に付着させることで
ある。グラファイトを削り屑の本体端面に用いる利点
は、その端部が炉熱に直接さらされるため、本体内部、
なかんずくは被覆チューブ内面よりかなり速く加熱され
ることである。加熱でグラファイトが燃え始め、グラフ
ァイト層の露出面で二酸化炭素が発生する。しかし、グ
ラファイト層と削り屑本体間の境界面では一酸化炭素が
発生する。このような差が生じるのは境界面では炭素に
富んだ雰囲気が形成されるからである。一酸化炭素は加
熱サイクルのかなり速い段階で形成され、クロムやニッ
ケルのようなステンレススチールの組成物を酸化物にし
ないようにすると信じられている。この組成物は一端酸
化すると一酸化炭素で還元することはできない。これら
の酸化物は多分一旦化炭素がグラファイトから形成され
る温度（摂氏700度）より高い温度で形成され始める。
（ステンレススチールは摂氏約870度でスケールが付き
始める。）実際、端部のグラファイトは系内の到る所で
酸化を防止する。削り屑から炭素が析出して一酸化炭素
が発生し始める前に削り屑内で酸化作用が起こる唯一の
原因は両端から系内に酸素が入り込むことである。この
酸素が系の内部に達する前に、少なくとも大部分はグラ
ファイトにより一酸化炭素に変えられる。

勿論チューブ内の空気が抜かれている場合には、真空
を維持するため、端部の閉鎖方法としては完全密閉のみ
が採用される。窒素又は水素のような雰囲気を含むビレ
ットを長期間保存する場合には完全密封を行う閉鎖手段
を用いてもよい。しかし、この場合加熱前に端部に穴を
開けて膨張したガスを逃がすことが必要である。

チューブが銅製の場合には融点以下に保持することが
重要である。同時に、本体12aが削り屑の熱間加工温度
以下に下がらないようにすることが重要である。この目
的を達成するために、圧延機間を通過する間にビレット
を加熱してもよい。銅チューブがジャケット用に使用さ
れている場合、スリーブ20bとエンドキャップ20cは軟鋼
製でもよく、これらはチューブの末端にろう付けされ
る。

ある場合にはステンレススチールの削り屑を使用する
ことが要求されることがある。しかし、ある種類のステ
ンレススチール（例えば、ASTM A304LとA316L）は規定
されている炭素の最大量が0.03％である。このような場
合には、削り屑の本体の末端にグラファイトを付着させ
ることが特に有利である。

炭素が存在すると、オーステナイト系ステンレススチ
ールのジャケットの内側に増感として知られている炭化
物の塊ができることもある。ステンレススチールの機械
的強度や耐蝕性はこれらの塊によってかなり影響され
る。したがって増感が起こらないように種々の手段を講
じてもよい。第一に、オーステナイト系よりもフェライ
ト系のステンレススチールをジャケットに使用してもよ
い。これとは別に、圧延製品を圧延後摂氏約1050度の温
度に加熱して水で急冷してもよい。この処理で炭素がス
テンレススチール内に溶解する。

エンドピースが任意の適当な手段でジャケットの末端
に接合される。これらは例えばアーク溶接機か摩擦溶接
機を用いて図に示すように突き合わせ溶接される。これ
らはこれとは別に、密封するためにチューブの末端に圧
冠あるいは圧入される。勿論、次の熱間加工の間密閉の
完全な状態が維持されることが必要である。

一例として示すと、ビレットのジャケットは穴径89m
m、壁厚6mmのチューブで構成されている。チューブは、
ASTM A304Lステンレススチール板を溶接して作られて
いる。このチューブは85cmの長さに切断される。端が開
口したエンドピースが使用される。各エンドピースは穴
径と壁厚が同じ大きさにされているが軟鋼鈑を溶接して
作られており、長さは75mmである。エンドピースとチュ
ーブの端は面取りされ、次いで自動アーク溶接機で突き
合わせ溶接される。前記した単一ラム式プレスを用いる
ことにより、ジャケット内は軟鋼の削り屑を圧縮形成し
たブロックで満たされるが、その際用いられる削り屑
は、洗浄され、かつ＋3mmで篩に掛けられ、最終削り屑
の平均の大きさが約7mmに等しい粒子に粉砕される。ブ
ロックの密度は、鋼塊の85％以上に達する。ブロックの
境界面24aは、圧延の間互いに結合してばらばらになら
ないように凹凸にしてもよい。

種々の寸法を持つ平棒が圧延によりこれらのビレット
から形成される。クラッドの厚さは勿論最終製品の寸法
にもよるが非常に均一である。例えば、40mm×6mmの平
棒では、クラッドの平均厚は約0.5mmである。ある場合
には芯とクラッドとの間の境界に若干のクロム酸化物が
発生した形跡があるが、しかしこれらの間の結合は多く
の場合かなり満足のいくものである。

前記したように、軟鋼製のエンドピースはステンレス
スチールで被覆したビレットを圧延機に噛み込み易くす
る効果がある。これは少なくとも部分的に圧延機と軟鋼
製端部との間の摩擦係数がステンレススチール製端部よ
り大きくなるからである。圧延機への噛み込みは図６及
び７に示すように端部をテーパにすることにより更によ
くなる。ダイに取り付けたローラ40により、５つの縦溝
42が各エンドピースに形成される。これらの縦溝はエン
ドピースの先端に行くほど深くなっている。実際、エン
ドピースの各先端では５頂点を有する星形に引き抜か
れ、星形の各凸部はチューブ壁の２つの部分44,46が互
いに接触する程度まで折り曲げられている。直径が約10
0mmのチューブの場合には、この処理で圧延機に挟まれ
る先端の幅が約80mmに減らされる。直径30cmの圧延機の
噛み込み角はこれにより約63度から約58度と小さくな
る。

ここで述べた例においては、ビレットは圧延されて平
棒、角棒及び補強材といった最終製品に仕上げられる。
しかし、寸法や形状の大きさにかかわらず同一形態のビ
レットを押し出しや鍛造のような他の熱間加工で同様に
処理するようにしてもよい。

この出願明細書によって付与される特許範囲は、ここ
に添付された請求範囲に定義された発明の概念に含まれ
る変更及び／又は改良を除外したり、発明を従来技術か
ら区別するために記述及び／又は図示された実施例の説
明により制限れるべきでない。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレススチールの中空のジャケットで
   被覆される機械構造鋼の圧縮された塊状の削り屑から成
   るビレットであって、少なくとも前記ジャケットの一端
   は塊状の削り屑の端部を囲む機械構造鋼のエンドピース
   に接続されていることを特徴とするビレット。
2. 【請求項２】前記エンドピースは中空である請求項１記
   載のビレット。
3. 【請求項３】シール部材が前記エンドピース内に挿入さ
   れ、前記塊状の削り屑の一端を塞いでいる請求項１記載
   のビレット。
4. 【請求項４】請求項１によるビレットを加熱し圧延する
   ことによって製造される圧延製品。
5. 【請求項５】中空の金属ジャケットで被覆される圧縮さ
   れた塊状の削り屑から成るビレットにおいて、少なくと
   も前記ジャケットの一端は塊状の削り屑の端部を囲むエ
   ンドピースに接続され、前記エンドピースと削り屑は実
   質的に同様の組成の材料で組成され、前記ジャケットは
   異なる組成の材料で組成されるものであって、前記ジャ
   ケットは前記エンドピース又は削り屑のいずれよりも実
   質的に高い熱膨張係数を有するビレット。
6. 【請求項６】前記エンドピースは中空である請求項５記
   載のビレット。
7. 【請求項７】シール部材が前記エンドピース内に挿入さ
   れ、前記塊状の削り屑の一端を塞いでいる請求項５記載
   のビレット。
8. 【請求項８】請求項５によるビレットを加熱し圧延する
   ことによって製造される圧延製品。