JP3641597B2

JP3641597B2 - 熱間圧延用複合ロールおよびそれを用いた熱間圧延方法

Info

Publication number: JP3641597B2
Application number: JP2001158471A
Authority: JP
Inventors: 光生橋本; 清司大友; 隆郎倉橋; 伊知郎竹士; 卓郎吉村
Original assignee: Nakayama Steel Works Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nakayama Steel Works Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002346613A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄鋼の圧延において、特に熱間帯鋼連続圧延、すなわちホットストリップミルの仕上圧延機群に用いられる作動ロールおよびそのロールを用いた圧延方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に熱間仕上げタンデム圧延において、圧下率を大きくすれば、圧延時間が短縮され圧延中の圧延鋼材の温度低下を少なく抑えることができるため、圧延前の圧延鋼材の加熱温度を低くでき省エネルギー効果が大きい。
一方、近年、金属組織を微細化することにより、引張強度、靱性、疲労強度などの特性が向上することが確認され、本鋼材の実機圧延機での生産が課題となっている。熱間帯鋼連続圧延機にて微細粒組織を得るための重要な要素技術の一つとして、例えば圧延の最終１もしくは２パスでの高圧下圧延が、特定の圧延鋼材および圧延条件下で特公平５−６５５６４号公報にて提案されている。
【０００３】
しかしながら、特に、仕上げ厚み６．０ｍｍ以下の薄板を仕上げタンデム圧延機群にて圧延するに際し、高圧下圧延を行うとすると従来材質のロールではスリップ現象が現れ、安定的な圧延ができないという問題があった。そのために高圧下圧延を可能とするため、特開平６−１２２００２号公報においては、粗圧延機において圧延ロールと鋼材との間の摩擦係数を増加させるため金属、金属炭化物、金属窒化物等の粉粒体をロールと圧延鋼材との間に介在させながら圧延することが開示されている。しかしながら、この方法は設備的にも、また粉粒体が使用消耗する両面からコスト増に繋がり望ましいものではなかった。
【０００４】
このような状況下において、この種のロール材質としては、従来高合金グレン鋳鉄ロールが一般に使用されてきたが、近年、特許国際公開ＷＯ８８／０７５９４号公報もしくはＷＯ９１／１９８２４号公報に開示されているＶ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗを多量に含有し摩耗の少ない白鋳鉄が仕上げ前段圧延機では全面的に既存ロールから切り替わり、後段圧延機においても一部普及している。このロールは摩耗が極めて小さいが、ロールと圧延鋼材間の摩耗は個々のロールで著しく異なっている。
【０００５】
後段圧延機群にて高圧下圧延を実現するにおいては、前段圧延機群に比べ圧延鋼材の板厚が著しく小さく、鋼材の温度も低く変形しにくいために、作動ロールとの短い接触部において大きな圧延荷重に耐え、安定して鋼材を圧延する、すなわち、摩擦により前進させることができるロールが不可欠である。従って、圧延鋼材との間で高く安定した摩擦係数を確保し、さらにロール偏平が小さいロールが強く望まれていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような問題を解消するためのものであって、熱間帯鋼連続圧延において、圧延鋼材との間で高い摩擦を有し摩耗が少なく、かつ偏平や降伏損傷しない作動ロールを提供すると共に、これを用いて仕上げ後段群において高圧下圧延を行うことにより、生産性が高く経済的な圧延方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その発明の要旨とするところは、
（１）帯鋼または鋼板を熱間連続圧延する仕上げタンデム圧延機群の後方３基の圧延機の最後方圧延機を含む少なくとも２基以上の圧延機で、圧下率を４０％以上で圧延する作動ロールとして組み込まれる熱間圧延用複合ロールであって、中実形状の内層の外周部に外層を形成してなる複合ロールで、該複合ロールの直径を２５０〜６２０ｍｍ、縦弾性係数を２００〜２６０ＧＰａにすると共に、外層の化学成分が質量比で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｖ：３．０〜１０．０％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、およびＭｏ，Ｗの１種または２種を２．０〜１０．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、且つ前記外層のＭＣ炭化物の晶出量を面積率で５％以上、Ｍ ₇ Ｃ ₃ ，Ｍ ₂ ＣもしくはＭ ₆ Ｃ炭化物の晶出量を面積率で１０％以下としてなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
【０００８】
（２）質量比で、Ｎｉ：０．２〜５．０％またはＣｏ：０．２〜１０．０％の１種または２種を含有したことを特徴とする前記（１）に記載の熱間圧延用複合ロールにある。
【０００９】
先ず、本発明ロール材の金属組織について述べる。
耐摩耗性を確保し、圧延鋼材との間で大きな摩擦を確保するためには、炭化物は硬くて粒状のものが望ましく、ＭＣ型炭化物を主体に使用する。特に本発明を適用するホットストリップ仕上後段圧延機群において高圧下圧延を実現するためには、ＭＣ炭化物の晶出量は面積率で５％以上確保することが必要である。一方、同時に晶出する、Ｍ₇Ｃ₃，Ｍ₂ＣもしくはＭ₃Ｃ炭化物は少量では本発明の効果を損なうものではないが、１０％以下にすることが望ましい。すなわち、これらの炭化物はＭＣ炭化物に比べ粗大で、かつ集合して晶出するためにその量が多過ぎるとかえってロール表面は平坦になり、また、粒状で微細なＭＣ炭化物の効果も損ない、圧延鋼材との間で十分な摩擦を確保できなくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る化学成分の限定した理由を述べる。
Ｃ：１．０〜３．０％
Ｃは、ロールの性能に直接影響する硬さを得るために最も重要な元素である。しかし、１．０％より少ないと耐摩耗性および耐肌荒れ性を向上させるために有効な硬い炭化物の晶析出が少なく、さらに基地に固溶するＣが不足し、焼入れによっても十分な基地硬さが得られなくなると同時に、合金添加の効果を十分発揮できず耐摩耗性が著しく劣化し向上が望めない。一方、２．０％を超えると脆い炭化物の晶出量が増加し、特に粗大な炭化物が凝集して結晶粒界に晶出し、前述の通り圧延中にこれが表層から剥離し圧延製品を損傷し使用に耐えないため、これを上限とした。
【００１１】
Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｓｉ、Ｍｎは、本発明を特徴ずけるものではないが、共に脱酸効果および溶湯の流動性を高めることを目的として、各々０．２〜２．０％の一般の高速度鋼に含まれている量を含有させるが、しかし、０．２％未満であるとその効果が不十分であり、２．０％を超えると靱性が低下するためその範囲とする。
【００１２】
Ｖ：３．０〜１０．０％
Ｖは、優先的にＣと結合し、前記既存ロールに認められるセメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）やクロム炭化物（Ｃｒ₇Ｃ₃）に比べ極めて硬く粒状のＭＣ型炭化物、すなわち、ＶＣ炭化物を晶出し耐摩耗性を向上させるために極めて有効な元素である。また、本発明においては晶出炭化物の平均粒径を１５μｍ以下にすることが望ましく、微小で粒状に晶出し、かつ極めて硬いＶＣ炭化物を積極的に利用することが不可欠である。また、ＶＣ炭化物は溶湯より優先的に初晶として晶出し、凝固組織を決定する理由からもＶは重要な元素であり、その含有量はＣとの関係で選択される。本発明のＣ：１．０〜３．０％範囲では、３．０％未満ではＶＣ炭化物が晶析出せず、耐摩耗性を向上させ得ないため下限とした。一方、１０％を超えると前記の通り初晶の炭化物が多量に晶出し、材料強度を損なうと共に炭化物が粒界に偏析して、これが圧延使用中に欠け落ち耐肌荒れ性を損なうためこれを上限とした。
【００１３】
Ｃｒ：３．０〜１０．０％
Ｃｒは、単独ではＣと結合してＣｒ₇Ｃ₃炭化物として結晶粒界に網目状に多量に凝集して晶出するため、これを多量に生成させないため１０．０％以下に限定して含有させる。また、Ｍｏ，Ｗとともに硬いＭ₂Ｃ型の共晶炭化物を形成することがあるが、後述する通り、その晶出量を限定する必要がある。一方、Ｃｒは基地組織にも固溶し焼入れにより硬さを向上させ、さらに焼戻しにおいては析出硬化を促進するために有効な元素であり、その効果を発揮するためには３．０％以上含有することが必要であり、これを下限値とした。
【００１４】
Ｍｏ，Ｗの１種または２種を２．０〜１０．０％
ＭｏおよびＷは、主として硬いＭ₂Ｃ型の共晶炭化物を形成し耐摩耗性を向上させるもので、前記特許においては積極的に用いられていた。この炭化物は棒状に結晶粒界に晶出する。この点、前述の凝集して晶出するＦｅ₃ＣやＣｒ₇Ｃ₃炭化物ほど著しく有害ではないが、複数の炭化物が密集して晶出した場合は、結果的に大きな炭化物とみなされ、これが欠け落ちるため晶出量を少量に抑制することが不可欠であり、実用的には組織に占める面積比で３％以下とすることが望ましい。なお、本発明材においては鋳造時に晶出したＭ₂Ｃ型炭化物はその後の熱処理工程を経てＭ₆Ｃ型炭化物になる。一方、ＭｏはＣｒと同様、一部が基地組織にも固溶し焼入れにより硬さを向上させ、さらに焼戻しにおいて析出硬化を促進し、Ｗも一部が基地組織にも固溶し高温での強度および硬さを向上するため、熱間圧延に供した場合、耐摩耗性を向上させる作用を有しており、その効果が現れるためには１種または２種を２．０〜１０．０％含有することが必要であり、前記晶出炭化物の量を考慮した場合、望ましくは両元素の総量が４％以上１５％以下である。
【００１５】
Ｎｉ：０．２〜５．０％
Ｎｉは、０．２％以上を添加すると焼入性を向上させる効果を有する。直径の大きいロールなどが大きい硬化深度が要求される場合には、その要求に応じて添加すると良い。しかし、多量に添加すると残留オーステナイトが過剰になり、かえって高硬度が得られなくなるため、５．０％以下の範囲で用いることが有効である。
【００１６】
Ｃｏ：０．２〜１０．０％
Ｃｏは、０．２％以上添加すると高温使用下で基地の硬さと強度を向上させるもので、特に熱間圧延用ロールには１０．０％以下の範囲で用いることが有効である。
Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒは、ＭＣ型炭化物の晶出核を生成し、炭化物の大きさを減少し、かつ、分散晶出させる効果があり、この目的で添加されても本発明の効果を損なうものではない。
【００１７】
高圧下圧延を行った場合には、圧延荷重は基本的に大きくなる。このときロールの縦弾性係数が小さいとロールが大きく偏平し鋼材との接触長が大きくなり、このことが、さらに圧延荷重を増大させることになり、経済的でなく圧延作業も不安定になる。本発明がなされた仕上圧延機群の後方圧延機においては、特にこの現象が起こらないようにすることが必要である。そこでロールの偏平を小さく抑え、本発明の効果を達成するため、発明材の縦弾性係数を２００ＧＰａ以上とした。なお、縦弾性係数の上限値は鉄系ロールにて実用的に可能な２６０ＧＰａとした。
【００１８】
さらに、仕上後段圧延機群において高圧下圧延を行うに際し、ロール直径を小さくすれば圧延荷重、すなわち、駆動動力を小さくでき経済的である。しかしながら、前述の通り小径ではロールと圧延鋼材との接触長さがさらに小さくなり、特に４０％以上の圧下率では従来のロールでは圧延に必要な摩擦力を確保できず、小径化が難しかった。一方、本発明ロール材においては十分な摩擦力を確保できるため、ロールを小径とすることができ、実用的にその効果が顕著になる値として、従来は、６２５〜８００ｍｍであったロールの直径を６２０ｍｍ以下とし、その下限値は前記圧延機群においては折損事故等の圧延事故の発生を実用的に防止できるロール強度が確保できる２５０ｍｍとした。
【００１９】
次に、製造方法について述べる。
先ず、本発明の化学成分からなる溶湯を耐火枠と芯材との間に注入して誘導加熱を行ない、次いで、該耐火枠の下方に設けた水冷モールドで前記溶湯を凝固して外層部を形成し、しかる後、一体となった外周部と芯材を順次下方へ引出して複合ロールを製造する。これにより、本発明材の理想的な鋳造組織となり、かつ、他法に比べ極めて緻密な組織が得られるものである。
【００２０】
次に、本発明の基地組織を達成するための熱処理について述べる。
前述の通り、本発明においては、先ず焼入れにより基地組織をマルテンサイトもしくはベイナイトとする必要がある。そこで熱処理炉にてロール全体を約１０００℃に加熱し、一定時間保持した後、大気中もしくは衝風にて常温近くまで冷却することにより焼入れ硬化する。勿論、焼入れ時に割れが発生しない範囲で冷却速度を高めてもよく、本発明の効果を損なうものではない。
【００２１】
しかしながら、焼入れにより生成されたマルテンサイトもしくはベイナイトは非常に硬いが、高温では不安定な組織であるため、特に熱間圧延に供する本発明においては、使用中に高温に加熱され別の組織に不均一に変態し望ましくない。そこで、焼入れ後は引続き５００℃以上で焼戻しを実施し、析出硬化作用と適度の靱性を付与するとともに焼入れにより生じた大きな残留応力を低減させ、耐事故性を向上させる。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例として表１に示す化学成分にて連続鋳掛け法にて鋳造し、前記熱処理を施した後、図１に示す熱間圧延設備の構成図のように、６基の仕上連続圧延機を有するホットストリップミルにおいて仕上後段圧延機群３として仕上後段作動ロール１のところに組み込み圧延作業に供した。なお、符号２は補強ロールであり、４は仕上前段圧延機群であり、５は粗圧延機を示す。また、ロールの直径は６００ｍｍとしたが、表１に示すＮｏ．２の本発明例であるロールでは最終Ｎｏ．６圧延機の上方ロールを直径４９０ｍｍの小径ロールとし、下方ロールを直径６００ｍｍとした。なお、ロールは胴長１８５０ｍｍ、全長４４７０ｍｍとした。圧下率は前段から順に、５０％、４５％、４０％、５０％、４５％、４０％とし、後段圧延機３基は、いずれも圧下率４０％以上にて厚み２．０ｍｍの帯鋼に熱間圧延成形を行ったがスリップ現象は生じることなく圧延が可能であった。
【００２３】
【表１】

【００２４】
これに対し、Ｎｏ．３の従来例においては、従来の高合金グレン鋳鉄ロールにて通常行われている圧延条件、すなわち、後段圧延機３基は４０％未満である３０〜２０％の圧下率での圧延作業条件を示した。また、Ｎｏ．４の従来例においては、従来の高合金グレン鋳鉄ロールを用いて試験的に後段圧延機にて４０％以上の圧下率で行った結果を示したが、スリップが発生し圧延をすることが出来なかった。
【００２５】
図２は、本発明に係るロールと従来ロールの圧延可能な圧下率範囲を示す図であり、図３は、本発明に係るロールと従来ロールを使用に供した際の圧延鋼材との摩擦係数を示す図である。いずれも最終仕上Ｎｏ．６圧延機にて、いずれも直径６００ｍｍの前記従来ロールと本発明ロールを用いて圧下率を１０〜５０％変化させて圧延を行った結果である。従来ロールでは圧下率が３５％以上ではスリップによる圧延ができなかったのに対し、本発明ロールでは高い摩擦係数、すなわち、摩擦力を確保し、高圧下率でも圧延が可能であった。なお、摩擦係数は柳本らにより提案された圧延荷重と摩擦係数との関係式（日本機械学会論文集４２（１９７６）第９６５頁参照）を用いて実際の圧延荷重より求めた。
【００２６】
このように、従来ロールでは高圧下圧延を行ったところ、スリップ現象が生じ、圧延作業ができなかったのに対し、本発明ロールを供することにより高圧下条件下においても安定した圧延が可能となった。なお、ここでは連続鋳掛け法による複合ロールを本発明の実施例として示したが、遠心鋳造法等の既存の製造方法による複合ロールにおいても、本発明の作用・効果は得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によりホットストリップミルの仕上後段圧延機列での高圧下圧延が可能となり経済的で生産性の向上ができ、さらに圧延製品の品質向上がなされ、本発明は工業的に大きな価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明材になる熱間連続圧延設備の構成図、
【図２】本発明に係るロールと従来ロールの圧延可能な圧下率範囲を示す図、
【図３】本発明に係るロールと従来ロールを使用に供した際の圧延鋼材との摩擦係数を示す図である。
【符号の説明】
１仕上後段作動ロール
２補強ロール
３仕上後段圧延機群
４仕上前段圧延機群
５粗圧延機

Claims

帯鋼または鋼板を熱間連続圧延する仕上げタンデム圧延機群の後方３基の圧延機の最後方圧延機を含む少なくとも２基以上の圧延機で、圧下率を４０％以上で圧延する作動ロールとして組み込まれる熱間圧延用複合ロールであって、中実形状の内層の外周部に外層を形成してなる複合ロールで、該複合ロールの直径を２５０〜６２０ｍｍ、縦弾性係数を２００〜２６０ＧＰａにすると共に、外層の化学成分が質量比で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｖ：３．０〜１０．０％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、およびＭｏ，Ｗの１種または２種を２．０〜１０．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、且つ前記外層のＭＣ炭化物の晶出量を面積率で５％以上、Ｍ ₇ Ｃ ₃ ，Ｍ ₂ ＣもしくはＭ ₆ Ｃ炭化物の晶出量を面積率で１０％以下としてなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
質量比で、Ｎｉ：０．２〜５．０％またはＣｏ：０．２〜１０．０％の１種または２種を含有したことを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延用複合ロール。