JP3471948B2 - 内部および外部から冷却して用いる連続鋳造用ロール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は腐食性の環境下で使用さ
れる連続鋳造用ロールに係り、さらに詳しくは、高強度
で、耐腐食性、耐損耗性、耐靭性に優れた、内部および
外部から冷却して用いる連続鋳造用ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造用ロールには、連鋳片からの熱
的影響と矯正反力等の機械的荷重が働く。これらの負荷
が過度になった場合、ロールの損耗や変形が発生し、パ
スラインに不整を生じ、ひいては内部割れなど鋳片の内
部欠陥の発生につながる。

【０００３】このような過酷な環境下で使用される連続
鋳造用ロールに関し、『鉄と鋼』（第７２年（１９８
６）第１６号、２２２５頁）には、ロール材質の選定に
あたって、ロール内部に発生する熱応力と、鋳造の
各過程における「応力の変動」と「繰り返し」に基づく
許容応力、とを考慮すべきであることが記載されてい
る。

【０００４】一方、これらを考慮しての連続鋳造用ロー
ルの材質に関する発明が多数提案されており、実用化さ
れているものも少なくない。一例を挙げると、 （１）スリーブロール用のスリーブもしくは肉盛り材と
して高温使用に耐える耐熱鋼を使用し、非水冷用ロール
としたもの、あるいはその組成をオーステナイト系の耐
熱鋼となるよう規定したもの（特公昭６１−３２１０７
号）、

【０００５】（２）スリーブロール用材質として、ロー
ル軸に５〜１０％Ｎｉの１０〜１８％Ｃｒ鋼（Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ含有）を使用し、スリーブに２０〜３０
％Ｎｉの２０〜３０％Ｃｒ鋼（Ｎｂ、Ｎ、Ｍｏ含有）を
使用し、ロール軸とスリーブとの間にロール軸に平行な
複数本の冷却水溝を設けたもの（特公昭６１−２１３０
３号）、

【０００６】（３）肉盛りロールとしては、耐ロール折
損性を確保するために、Ｃｒ７〜２０％を含有するステ
ンレス鋼製ロールの胴部表面に、Ｎｉ基またはＣｏ基の
自溶合金型溶射金属を厚さ０．０５〜０．８０ｍｍに溶
射肉盛りし、その後該溶射層を溶融処理して冶金的結合
をさせることにより、表面に発生したクラックがロール
深部に進展しないようにしたもの（特公昭５９−１４１
０１号）、

【０００７】（４）非磁性のロールとしては、Ｍｎ１５
〜３０％の高Ｍｎ非磁性鋼を母材としたもの（特公平２
−４３８７号）や、高Ｍｎ非磁性鋼にＮｉ、Ｃｕを含有
させたもの（特公昭６０−５８７７７号）、

【０００８】（５）１３Ｃｒ−０．５Ｎｉ−Ｃｕ−Ｖ系
の合金を使用したもの（特公昭６０−５８７７８号、特
公昭５９−３５４２７号）等が知られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高強度
の鋼、例えばＳＵＳ３０４や１３Ｍｎ鋼などを鋳造する
連続鋳造機においては、完全に凝固した鋳片や、鋳造開
始部、鋳造終了部などにおいて低温の鋳片部などを曲
げ、矯正しようとすると、非常に大きな曲げ応力がロー
ルのネック部に作用する。しかるに、これまで提案され
ている材質の連続鋳造用ロールにおいては、このような
現象が繰り返し発生すると、ロールがネック部から折損
するという問題点がある。ところで、連続鋳造用ロール
は通常、連鋳片を支持搬送するセグメントと称するロー
ルの集合体に組み込まれて用いられるが、いったん組み
込まれると１年半から２年近く連続して使用される。そ
の間、ロールは延べ１，０００から１，５００ｋｍにも
亘って高硬度の鋼および鋳片表面に発生する酸化スケー
ルと接触し続けることになる。

【００１０】また連続鋳造機内のロールには、モールド
パウダーに含まれるＮａ、Ｆ、Ｌｉ等が溶解した腐食性
の水が二次冷却水として常に噴霧されている。このロー
ルは鋳片の引き抜きに伴い回転し、高温の鋳片と接触、
離脱を繰り返す。そのためロールの表面は高温となり、
冷却水の蒸発凝固による濃度上昇が生じ、非常に激しい
腐食環境となる。すなわち、ロールは腐食性の高い高温
雰囲気下にあり、腐食＋摩耗の両面で激しい環境にさら
され続ける。

【００１１】上記のことから、ロール材質として高温強
度の高い材料が選定されるのは容易に判断されようが、
さらにロール内部からの冷却、およびロール外部からの
冷却（いわゆる二次冷却水を含めた）を確実に行わなけ
れば、ロール全体の温度が上昇し、特に応力の集中する
ロールのネック部では折損に至る場合がある。ほかに
も、ネック部の冷却や潤滑用のシール材（通常、合成樹
脂製）が固化、焼損し、よりロールの寿命を短命化する
場合が多い。

【００１２】前述のごとくロールは高温の鋳片と常に接
触しており、強度を維持するためには二次冷却水以外に
もロール内部からの冷却（機械内部冷却）による低温保
持が必須である。この内部冷却は、ロールの軸心に軸方
向に形成された貫通孔に冷却水を通して行う場合が多い
が、一般の鋼をロール材として用いたのでは、この貫通
孔の冷却水と接する内壁面が腐食してしまい、孔の内壁
面にスケールが大量に付着してしまうという問題があ
る。そしてこのスケールの発生により、ロール内部冷却
効果が激減し、それが結果的にはロール全体の温度上
昇、強度低下につながり、ロールの寿命を短くしてしま
うこととなる。

【００１３】これらは複合的に作用する問題であり、長
期に亘る繰り返し負荷により、疲労を誘発し、また、時
には鋳片の急激な引き抜きによる衝撃荷重の負荷がかか
ることもあり、これらにも耐え得る特性をもつ必要があ
る。

【００１４】本発明は、上述のような事情に鑑みてなさ
れたものであり、高強度で、耐腐食性、耐損耗性、耐靭
性に優れた連続鋳造用ロールを提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく、連続鋳造用ロールに要求される特性であ
る高強度、耐腐食性、耐損耗性、耐靭性を満たす材料に
ついて鋭意研究を行った。

【００１６】まず強度、靭性を満たす材料としては、具
体的には１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼が
挙げられ、実際この材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ等を添加し
て特性改善を行ったものをベースに使用されている。し
かし、この材料は溶接すると局部入熱、変態によるひず
みのために割れを生じやすいという難点がある。

【００１７】次に耐腐食性を満たす材料としてはオース
テナイト系のステンレス鋼が挙げられるが、これは一般
的な使用目的であれば、要求される強度を十分に満たす
ことができるが、連続鋳造用ロールとしては不十分な場
合がある。

【００１８】そこで本発明者らは、このような複合要求
を満たす連続鋳造用ロール材料として、析出硬化型ステ
ンレス鋼に着目した。この鋼種は、ステンレス鋼として
の耐食性と、析出硬化による強度を付与したステンレス
鋼である。この材料を熱間にて鍛造してロール材に加工
し、熱処理の方法を最適化すれば、連続鋳造の使用に十
分に耐え得る強度、硬さ、靭性を得ることができるとい
う知見を得、この知見に基づいて本発明を完成するに至
った。なお、この材料を連続鋳造用のロールに使用する
ことはこれまで試みられていない。しかも中実の無垢ロ
ールとして使用することは皆無であったといえる。

【００１９】すなわち、本発明によれば、Ｃ：０．０７
重量％以下、Ｓｉ：１．００重量％以下、Ｍｎ：１．０
０重量％以下、Ｐ：０．０４重量％以下、Ｓ：０．０３
重量％以下、Ｎｉ：３．００〜５．００重量％、Ｃｒ：
１５．５〜１７．５重量％、Ｃｕ：３．００〜５．００
重量％、Ｎｂ：０．１５〜０．４５重量％を含有し、残
部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる析出硬化型のス
テンレス鋼を熱間鍛造した中実無垢のロールであって、
内部に冷却用の貫通孔を有することを特徴とする内部お
よび外部から冷却して用いる連続鋳造用ロールが提供さ
れる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の連続鋳造用ロールの一実施
例を示す断面図である。同図中、連続鋳造用ロール１
は、ロール本体２と、このロール本体２の軸心部に冷却
用の貫通孔３を軸方向に形成してなり、ロール本体２の
軸方向両端は先細形状のネック部をなす。

【００２１】本発明においては、ロール本体２がＣ：
０．０７重量％以下、Ｓｉ：１．００重量％以下、Ｍ
ｎ：１．００重量％以下、Ｐ：０．０４重量％以下、
Ｓ：０．０３重量％以下、Ｎｉ：３．００〜５．００重
量％、Ｃｒ：１５．５〜１７．５重量％、Ｃｕ：３．０
０〜５．００重量％、Ｎｂ：０．１５〜０．４５重量％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる析
出硬化型のステンレス鋼を熱間鍛造した中実無垢の部材
からなる。

【００２２】上記組成の析出硬化型ステンレス鋼を用い
ることにより、ステンレス鋼としての耐食性と、析出硬
化による強度の両者を合わせもつことができる。さら
に、靱性にも富むので、ロールネックからの折損なども
防止することができる。

【００２３】ここで析出硬化型ステンレス鋼とは、材料
中に、Ｃｕ、Ｎｂなどの金属間化合物を析出させて強度
を上昇させた鋼種である。また、本発明の部材を得るた
めの熱処理は、１０２０℃〜１０６０℃から急冷し、そ
の後６１０℃〜６３０℃に保持し、しかる後に空冷をす
ればよい。また、この要領は得たい機械的性質によって
他にも要領がある。

【００２４】ここで、本発明で用いられる上記組成の析
出硬化型のステンレス鋼について、各成分の限定理由に
ついて述べる。 Ｃ：０．０７重量％より多いと固溶体化後の硬さがあり
すぎて加工困難となる。したがってＣ量は０．０７重量
％以下に限定した。

【００２５】Ｓｉ：１．００重量％より多いと非金属介
在物の増加、清浄度の悪化となる。したがってＳｉ量は
１．００重量％以下に限定した。

【００２６】Ｍｎ：１．００重量％より多いとＳｉと同
様に非金属介在物の増加となる。したがってＭｎ量は
１．００重量％以下に限定した。

【００２７】Ｐ：０．０４重量％より多いと熱間加工性
が劣化し、また靱性も低下する。したがってＰ量は０．
０４重量％以下に限定した。

【００２８】Ｓ：０．０３重量％より多いとＰと同様に
熱間加工性が劣化する。したがってＳ量は０．０３重量
％以下に限定した。

【００２９】ＮｉとＣｒは両者のバランスによりマルテ
ンサイト組織を得るために決定する。これらは、いわゆ
るシェクラー状態図に規定されるとおりである。

【００３０】Ｃｕ：析出相を出すために必須であるが、
３．００重量％より少ないと析出相不足となり、一方、
５．００重量％を超えると靱性が低下し、溶接性も劣化
する。したがって、Ｃｕの含有量を３．００〜５．００
重量％に限定した。

【００３１】Ｎｂ：Ｃの安定化のために必要であるが、
０．１５重量％より少ないと安定化が不十分となり、一
方、０．４５重量％を超えると靱性の劣化となる。した
がって、Ｎｂの含有量を０．１５〜０．４５重量％に限
定した。

【００３２】このようにして作成されるロール本体２の
大きさは、通常、全長３００〜２０００ｍｍ、ロール径
１５０〜５５０ｍｍである。またネック部（端部）の径
は６０〜２５０ｍｍ程度である。

【００３３】しかし、上記組成の析出硬化型ステンレス
鋼を熱間鍛造した無垢の部材を用いてロールを形成して
も、ロール自体が６００℃以上に至るような高温条件下
では、長時間冷却せずに放置すると、従来の連続鋳造用
ロール材（例えば１３Ｃｒ−０．５Ｎｉ系など）とほぼ
同様の機械的性質となってしまい、その有効性が激減し
てしまう。つまり、本発明の連続鋳造用ロールを用いる
際には、必ず内部冷却と二次冷却を含めた外部冷却とを
同時に実施し、ロール温度を常に４００℃程度以下に維
持することが使用上のポイントとなる。

【００３４】本発明のロールにおいては、この内部冷却
用として、ロールの軸心部に冷却用の貫通孔３を軸方向
に形成してなる。この貫通孔３は、通常２０ｍｍφ〜８
０ｍｍφ程度の径をなす。そして連続鋳造使用時、この
冷却用の貫通孔３に冷却水を通常２０〜１００Ｌ／分・
本の流量にて通すことによりロールを内部から冷却し、
ロールの温度上昇を防ぐ。用いられる冷却水としては、
慣用的に用いられているものを使用することができ、水
が最も一般的である。これによりロール内部の冷却効果
の低下がみられず、ロール全体の温度上昇や強度低下な
どを防止することができる。

【００３５】なお、本発明の連続鋳造用ロールは、図２
に示すようにロール本体２の外周面上に肉盛り４を形成
してもよい。この肉盛り４に用いられる部材は、上記ロ
ール本体２に用いられる部材を用いてもよく、あるいは
一般にロールの肉盛り部材として慣用的に用いられてい
る部材を使用してもよい。このような部材としては、例
えば表１に示す肉盛り材（Ｃ：０．１５ｗｔ％、Ｓｉ：
１２ｗｔ％、Ｎｉ：２．０ｗｔ％、Ｍｏ：２．０ｗｔ
％、Ｖ：０．１５ｗｔ％）等が挙げられる。肉盛り４の
形成方法は、慣例の方法により形成することができる。
なお、通常、肉盛り４は厚さ２〜５０ｍｍ程度である。

【００３６】従来のロールにあっても、ロール本体（ロ
ール軸）外周面上に普通鋼ベースの合金鋼を肉盛りする
場合が多い。ところが、このような二層構造で軸の中心
に普通鋼を用いたのでは、強度向上にも限界があり、ま
た、軸中心に設ける冷却用貫通孔の内壁面の腐食の問題
も解決できず、結局不十分な内部冷却となり、使用中の
ロール自体の温度も上昇すること等から、ロール寿命の
飛躍的向上の達成が難しかった。

【００３７】すなわち、従来の軸の中心に普通鋼を用い
た二層構造では、初期購入コストの低減化という点では
有利であるが、ロール寿命を含めた上でのトータルコス
トでみた場合、中実無垢の析出硬化型ステンレス鋼の使
用が有益であることがわかった。また、ロール表面に高
価なステンレス鋼をオーバーレイ溶接する場合、肉盛り
の範囲によっては初期コストが逆転し、従来の軸の中心
に普通鋼を用いたロールの方が本発明に係るロールより
も製造コストがかかる場合もある。

【００３８】一方、近年の高温出片化に伴い、連続鋳造
機の機端近傍では、復熱帯と称して二次冷却を行わず
に、鋳片の内部保有熱により鋳片全体の温度を均一に上
昇させる操業方法をとる場合が多い。このような操業方
法においても、本発明の析出硬化型ステンレス鋼を有効
に用いるには、二次冷却を行わない冷却帯でも、ロール
を外部から冷却することが条件となる。

【００３９】（実験例）表１に示す組成の材料を用いて
ロールを製造した。これを１回のチャージ量２５０ｔに
て、２５００チャージの連続鋳造を行い、ロールの特性
評価を行った。 （実験条件） 連続鋳造用ロール ロール長さ ２００ｃｍ ロール径 ２８ｃｍ ネック部（端部）径 １４ｃｍ 内部冷却用の貫通孔径 ５ｃｍ 内部冷却用水流量 ６０Ｌ／分・本（２５℃） 二次冷却方法 気水噴霧冷却 鋳片引き抜き速度 １．６ｍ／分

【００４０】

【表１】

【００４１】［損耗性評価］結果を図３に示す。図３か
ら明らかなように、本発明のロールでは２５００チャー
ジ後でもロールの損耗量がほとんどみられなかった。一
方、比較ロールでは、チャージ回数が増えるに従い損耗
の程度も増大し、２５００チャージ終了後には損耗量が
０．２ｍｍ以上にも達した。

【００４２】［ロール表面観察結果］２５００チャージ
後のロール表面の状態を目視で観察した。本発明のロー
ルでは、使用開始時のロール表面とほとんど同一の状態
で、なんら欠陥が認められなかった。一方、比較ロール
では、ロール表面に亀割れ状の亀裂が入り、そのまま使
用を継続することができない状態であった。

【００４３】［ロール変形測定結果］２５００チャージ
後のロールの外形変形の様子を目視で観察した。本発明
のロールでは、変形はまったくみられず、使用開始時の
ロールの精度内であった。一方、比較ロールでは、±
１．０ｍｍのふれ回りが発生しており、鋳片品質に影響
を及ぼす限界に達していた。

【００４４】［ロール外冷の有無による差］これについ
ては、本発明のロールのみを用いて、ロール外冷を行っ
た場合、行わなかった場合の結果を比較した。ロール外
冷の方法は、鋳片と接触が終了した直後の部分に、水ス
プレーを５Ｌ／分・本噴射する手段とした。なお、いず
れの場合においても、内部冷却は上記に既述の条件にて
行った。その結果、ロール外冷を同時に行った場合は、
２５００チャージ後でも、使用開始時のロール表面とほ
とんど同一の状態であり、なんら欠陥が認められなかっ
た。一方、ロール外冷を行わなかった場合は、１０００
チャージ時点にてすでにロールネック部が折損し、他の
ロールと交換しなければならなかった。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
Ｃ：０．０７重量％以下、Ｓｉ：１．００重量％以下、
Ｍｎ：１．００％重量以下、Ｐ：０．０４重量％以下、
Ｓ：０．０３重量％以下、Ｎｉ：３．００〜５．００重
量％、Ｃｒ：１５．５〜１７．５重量％、Ｃｕ：３．０
０〜５．００重量％、Ｎｂ：０．１５〜０．４５重量％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる析
出硬化型のステンレス鋼を熱間鍛造した中実無垢のロー
ルであって、内部に冷却用の貫通孔を有してなる連続鋳
造用ロールが提供されるので、高強度で、耐腐食性、耐
損耗性、耐靭性に優れた連続鋳造用ロールを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る連続鋳造用ロールの一実施例を
示す断面図である。

【図２】 本発明に係る連続鋳造用ロールの他の実施例
を示す断面図である。

【図３】 本発明ロールと比較ロールとによるロール損
耗性試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 連続鋳造用ロール ２ ロール本体 ３ 冷却用の貫通孔 ４ 肉盛り

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−5860（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−69522（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−112849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−156654（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：０．０７重量％以下、Ｓｉ：１．００
   重量％以下、Ｍｎ：１．００重量％以下、Ｐ：０．０４
   重量％以下、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｎｉ：３．００
   〜５．００重量％、Ｃｒ：１５．５〜１７．５重量％、
   Ｃｕ：３．００〜５．００重量％、Ｎｂ：０．１５〜
   ０．４５重量％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不
   純物よりなる析出硬化型のステンレス鋼を熱間鍛造した
   中実無垢のロールであって、内部に冷却用の貫通孔を有
   することを特徴とする、内部および外部から冷却して用
   いる連続鋳造用ロール。
2. 【請求項２】ロール外周面に肉盛りを有する、請求項１
   に記載の内部および外部から冷却して用いる連続鋳造用
   ロール。