JP3664883B2 - 熱間圧接方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続化熱間圧延に用いられる熱間圧接方法およびその装置に関し、さらに詳しくは、連続化熱間圧延に供される高温鋼材を重ね合わせて圧接する際に確実な接合と圧接荷重の低減を図るため、接合部の形態や圧接工具に表面粗さを改善する熱間圧接方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄工場では、省エネルギー、製品歩留まりの向上、生産性の向上等を目的として、製造工程の連続化が精力的に進められている。その中でも、熱間圧延鋼板（ホットコイル）を製造する熱間圧延工程の連続化は重要な課題の一つになっている。
【０００３】
従来の熱間圧延においては、加熱後のスラブが順次一枚ずつ粗圧延機および仕上圧延機に供給されて、間欠的に圧延されていた。このように被圧延材を一枚ずつ圧延する間欠圧延では、それ自体が非能率であるだけでなく、特に被圧延材の板厚が薄くなる圧延の場合には、その先端が変形してガイドロールに突っ掛けたり、後端が圧延機を抜けるときに絞り込まれて圧延ロールを損傷することも多く発生する。このようなトラブルが発生すると、圧延ラインを停止して補修やロール交換を行うことを余儀なくされ、また、このようなトラブルを防止するには圧延速度を遅くしなければならないことから、圧延能率は著しく低下することになる。
【０００４】
一方、熱間圧延鋼材の品質面、歩留まり面においても、間欠圧延は好ましいものではない。被圧延材の先端部および後端部では、その中央部に比べて圧延速度のバランスが崩れ、適正な圧延温度範囲に管理することが困難になり、寸法外れが発生し易くなる。さらに、被圧延材の先端部では、板幅方向の中央部が圧延方向に突き出して板幅が狭くなり、後端部では逆に板幅中央部が窪むフィッシュティルという現象が発生する。また、先端部が圧延ロールに噛み込まれる際やダウンコイラーによる巻取り開始時に、急激な張力の上昇にともなって、鋼板の板幅が狭くなるという事態も発生する。前記のような現象に起因して、間欠圧延された鋼板の先端部および後端部は品質的に安定せず、製品歩留まりを低下させることになる。
【０００５】
近年、上述の間欠圧延での問題を解消するため、粗圧延機と仕上圧延機との間の工程で、先行して粗圧延された鋼材（以下、「先行鋼材」という）と、先行鋼材に後続して粗圧延された鋼材（以下、「後行鋼材」という）とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法が実施されている。
【０００６】
図１は、粗圧延機と仕上圧延機との間で先行鋼材と後行鋼材とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法を説明する図である。鋼材のスラブ９は粗圧延機１によって圧延され圧延鋼材Ｓとなり、一旦中間コイラー２においてコイルに巻き取られる。そして仕上げ圧延機群６に送られる前に巻き戻され、レベラー３によってコイルの巻き癖が矯正され、クロップシャー４で端部の不良部分が切断される。その後、走行する熱間圧接装置５において先行鋼材S1の後端部と後行鋼材S2の先端部とを圧接した後、仕上げ圧延機群６によって仕上げ圧延が行われ、ダウンコイラー８に巻き取られる。そして高速シャー７で切断され、熱延鋼板コイルとなる。このとき、先行鋼材S1と後行鋼材S2との接合には、鋼材接合部の形状によって、重ね合わせ方式と突き合わせ方式とがあるが、重ね合わせ圧接接合が多用されている。
【０００７】
図２は、熱間接合機を用いた重ね合わせ圧接作業の工程例を説明する図である。まず、鋼材の接合に際して、先行鋼材S1の後端部が所定位置（圧接プレス10の位置）にきたときクランプ装置11で鋼材を固定し、架台12に設けられたテーブルローラ13を昇降用シリンダー14によって上昇させ、円筒状の回転切削工具15によって切削できる位置まで押し上げる。次に、後行鋼材S2を前進させてその先端が圧接工具16の位置（先行鋼材の後端に重なり合う位置）にきたとき、後行鋼材をクランプ装置11で固定する。その後、バーナー17を燃焼させて先行鋼材S1および後行鋼材S2の端部のまわりを還元炎雰囲気として回転切削工具15を矢印で示す方向に移動させ、それぞれの鋼材の端部を切削して脱スケールを行う。切削が終わると、回転工具を退避させ、先行鋼材の架台12を圧接プレス10と同時に下降させて重ね合わせ圧接する。この圧接時には、熱間圧接装置５は走行ローラ18によって、先行鋼材S1および後行鋼材S2と同速度で圧延方向に走行する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
連続仕上圧延の前提となる重ね合わせ圧接時に、確実な接合を確保するため、従来から鋼材の接合部の脱スケール方式、回転切削工具の形式、重ね合わせ形状に関して種々の提案がなされている。
【０００９】
まず、特開平６−312277号公報では、高温鋼材の接合部を還元雰囲気の下で脱スケールした後、その接合部を重ね合わせて圧接する方法が記載されており、この方法では高温鋼材の接合強度を確保するため、接合する面を平行切削して重ね合わせ代を鋼材厚さの10％以上とすることを特徴としている。しかし、接合装置の圧接荷重の低減については何ら考慮されておらず、装置のプレス能力は多大なものにならざるを得ない。
【００１０】
次ぎに、回転切削工具の形式改善に関し、特開平９−216003号公報では、円筒カッターを太鼓型および鋸歯型の形状に改善して、鋼材の接合部を切削するに際し、鋼材の幅方向の切削量を変えることによって、圧接荷重を低減させる方法が開示されている。しかし、この開示の方法では、円筒カッターの形状が複雑になるとともに、鋼材の幅方向の切削位置によって切削量が異なり刃物の耐久性に差が生じることから、切削刃物の管理が煩雑になるという問題がある。
【００１１】
さらに、接合部の重ね合わせ形状に関していくつか提案されている。例えば、特開平８−252606号公報では、圧延される鋼材の先端の一方または両方を幅方向に凹型状円弧に切断して重ね合わせを行い、両端から幅中央に行くに従い重ね代が少なくなるように接合して、圧接荷重を低減させる方法が提案されている。また、特開平８−252611号公報では、鋼材の先端を幅方向に円弧状に切断して重ね合わせを行い、幅中央に行くに従い重ね代が小さくなるようにして、幅中央部では重ね代が全くない状態で、しかも離れた状態になるように接合して、圧接荷重を低減する方法も提案されている。しかし、これらの提案方法では、切断工具の形状が複雑になり、また、この接合した鋼材を圧延すると幅中央部に過大な張力が加わり、幅中央部で開口したり、さらに破断に至るおそれがある。
【００１２】
以上説明したように、従来の連続仕上圧延での高温鋼材の重ね合わせ圧接では、圧接荷重の低減については何ら考慮されておらず、装置のプレス能力は多大なものにならざるを得ない。また、圧接荷重の低減方法においても、切削工具の管理が著しく煩雑になったり、接合部の強度が確保されないと言う問題がある。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、高温鋼材を還元炎雰囲気または無酸化雰囲気の下で接合面の脱スケールを行って圧接する場合に、圧接荷重の低減を図って小さなプレス能力でも対応できるようにし、熱間接合装置を小規模にすることを目的としてなされたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため、高温鋼材の接合面を還元炎雰囲気、または無酸化雰囲気中において、回転工具で切削を行って重ね合わせ圧接する際に、圧接荷重の低減に影響する要因に関し、種々検討した結果、圧接荷重には重ね合わせ部の面積および重ね合わせ部の体積が影響することを見出した。ここでいう圧接荷重とは、接合部の重ね合わせ長さに対する最大圧接荷重（kg/mm）として把握される。
【００１５】
図３は、圧接時の重ね合わせ部の面積（Ｘ×Ｗ）および重ね合わせ部の体積（Ｘ×Ｗ×Ｈ）を説明する図である。本発明者らの検討によって、図３に図示される重ね合わせ部の面積および体積を極力減少させることによって、圧接荷重の低減を図ることが可能になるが、重ね合わせ部の面積および体積は、接合後の仕上圧延工程での適切な接合強度を確保するため、一定の制限がある。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の(1)熱間圧接方法、および(2)熱間圧接装置を要旨とするものである。
【００１７】
(1)２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う方法であって、脱スケールのための切削量、または重ね合わせ部の面積を調節し、圧接時の重ね合わせ長さをL0、圧接後の接合長さをＬとした場合にＬ/L0が1.5以上となるように圧接することを特徴とする熱間圧接方法である。
【００１８】
上記の熱間圧接方法での脱スケールにおいて、切削による取り代の傾斜角度θを０〜45゜、切削による取り代の最大深さd1を圧延鋼材の厚さの10〜40％の範囲とし、切削による取り代L1を重ね合わせ長さL0よりも大きくするのが望ましい。また、圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りするのが望ましい（後述する図５〜図７参照）。
【００１９】
(2)２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う装置であって、圧接工具の表面を表面あらさRaで２μｍ以下とし、潤滑剤を吹き付ける装置を備えることを特徴とする熱間圧接装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
前述の通り、本願発明では、圧接時の重ね合わせ部の面積および体積を極力減少させることによって、圧接荷重の低減を達成することを特徴としている。しかし、仕上圧延工程での接合強度を確保するため、圧接時の重ね合わせ長さをL0、圧接後の接合長さをＬとした場合に、これらの比であるＬ/L0が1.5以上となるように圧接する必要がある。
【００２１】
図４は圧接前後の重ね合わせ長さL0と接合長さＬとを説明する図であり、同図(a)は圧接時の重ね合わせ長さL0を、(b)は圧接後の接合長さＬを示している。先行鋼材S1の後端部と後行鋼材S2の先端部とを圧接する際にＬ/L0が1.5未満であると、仕上圧延での接合強度が確保できず、圧延中に接合部が開口し、または破断するおそれがある。望ましいＬ/L0の範囲は、1.5〜2.5である。
【００２２】
図５は、円筒状の回転切削工具を傾斜移動させながら鋼材の接合面を切削する傾斜切削法を説明する図である。重ね合わせ部の体積を減少させるためには、回転切削工具15によって傾斜切削を行い、重ね合わせ部の切削角度θを確保して切削するのが望ましい。このとき、切削による取り代L1重ね合わせ長さL0よりも大きくして、傾斜角度を０〜45゜とする。切削による取り代L1を重ね合わせ長さL0よりも大きくするのは、圧接時に圧延される鋼材の端部が延びて、重ね合わせ長さL0が拡がるからである。また、切削による傾斜角度θが０°未満であると、接合前のスケールが完全に除去できずに接合不良が発生し、傾斜角度θが45°を超えると、圧下量が不足して接合強度が低下し、圧延工程での破断のおそれがある。
【００２３】
図６は、円筒状の回転切削工具を平行移動させながら鋼材の接合面を切削する平行切削法を説明する図である。本発明では、傾斜切削法または平行切削法のいずれであっても、切削による重ね合わせ部の切削深さd1を深く切削して、重ね合わせ部の体積を減少させるのが望ましい。具体的には、切削による取り代の最大深さd1を圧延鋼材の厚さの10〜40％の範囲とする。取り代の最大深さd1の下限を鋼材厚さの10％とするのは、接合前のスケール除去を完全にし接合不良の発生を回避するとともに、端部のダレ除去を充分に行うためであり、一方、その上限を鋼材厚さの40％とするのは、充分に圧下量を確保して、接合強度の低下を防止するためである。
【００２４】
さらに、本発明では、図７に示すように、圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りするのが望ましく、これにより、圧接時の重ね合わせ部の体積を減少させることができる。図７に示す面取り深さd2は、最大で鋼材厚さの80％まで加工できるが、接合後の圧延条件よって加工代は適宜選択される。面取り加工は切削加工やプレス加工等の慣用される方法が用いられる。
【００２５】
図８は、接合に用いられる圧接工具の表面あらさRaと圧接荷重との関係を示した図である。図８から明らかなように、いずれの重ね合わせ長さ（20〜40mm）であっても、表面あらさRaを下げることによって圧接荷重が低減できる。本発明では、圧接荷重を十分に小さくするため、圧接工具の表面あらさRaを２μｍ以下にする。このとき、圧接時に表面庇が発生しにくくするため、圧接工具の表面硬さはHs50以上にするのが望ましい。また、表面あらさRaの条件を満足する限りにおいて、圧接工具の表面にはNi、Cr等をめっきや溶射のコーティングを行って表面仕上げしても良い。さらに、圧接時の焼付き防止を図るため、圧接工具の表面に潤滑剤を塗布する。前記図２の熱間接合機において、圧接工具16に潤滑剤を塗布する場合には、潤滑剤は潤滑塗布孔19から供給される。このとき用いられる潤滑剤には、MoS2系の油や黒鉛等が採用される。
【００２６】
通常、圧接荷重は接合部の加熱温度にほぼ比例するが、所定温度以上に加熱すると、加熱時間および圧延時の温度制御が困難になるので、接合部の加熱温度の目安は上限1400℃とされる。さらに、接合部の加熱方法としては、高周波誘導加熱、直接通電加熱、レーザー加熱等の手段が用いられる。
【００２７】
【実施例】
本発明では、鋼材の圧接に要する圧接荷重を低減させるために、前述した種々の手段を組み合わせて実施することができる。以下に、それぞれの手段の圧接荷重の低減に及ぼす効果を調査した。
【００２８】
各寸法が板厚30mm、板幅300mm、板長さ1000mmの炭素鋼板（C：0.1%、Si：0.5%、Mn：1.2%）を所定温度に加熱して、前記図２の熱間接合機を用いて接合試験を行った。鋼材を接合する際の直火還元炎は、ノズル内混合方式のバーナを使用し、リング状のスリットノズルから混合気体を吹き出して還元炎を形成させ、板幅方向にバーナーを並べて切削部および接合面に当てて酸化を防止した。高温鋼材の切削は、後述する条件の回転切削工具を使用して、切削を終えた切削装置を退避させて圧接を行った。圧接時の重ね合わせ長さは25mmとし、圧下量は元厚まで、圧接は能力300トンプレスを用いて押圧した。
【００２９】
鋼材の接合後、鋼材温度が1000℃の状態で仕上圧延機を3機並べてそれぞれ40%、35%、30%の圧下率と、圧延張力を各圧延機の間で約2.0kgf/mm2および3.Okgf/mm2かけて圧延し、厚さ8.2mmの鋼板に仕上げた。この間に、下記に示す種々の条件で試験を行い、その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
まず、切削による取り代の傾斜角度が圧接荷重に及ぼす影響を調査した。使用した回転切削工具は外径300mmであり、回転数1500rpm、送り速度500mm／秒とし、高温鋼材の切削幅30mm、切削温度1050℃とした。前記図５に示すように、回転切削工具を傾斜移動させて、０〜30°の範囲で傾斜角度を変化させたが、傾斜角度の増加にともなって、圧接荷重が低減するのが分かる。
【００３２】
次ぎに、前記図７に示すように、機械加工で面取りを施して、面取りの有無が圧接荷重に及ぼす影響を見たが、面取りを設けることで圧接荷重が低減されることが明らかになった。同様に、圧接工具の表面粗さRaを変化させてその影響を調査したが、表面粗さRaを低減することによって、圧接荷重も低減することが分かる。
【００３３】
圧接荷重に及ぼす圧接温度の影響は顕著であり、1200℃まで加熱することによって圧接荷重を低下させることができる。いずれの試験条件においても、圧接時の重ね合わせ長さと圧接後の接合長さとの比であるＬ/L0は、本発明で規定する1.5以上を満足するものであった。そのため、試験１〜16のいずれの圧接であっても、それぞれ先行鋼材と後行鋼材とを圧接後、仕上圧延を行ない圧延張力2.0kgf/mm2〜3.Okgf/mm2を付加して圧延したが、破断することなく良好に圧延できた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の熱間圧接方法およびその装置によれば、高温鋼材を重ね合わせて圧接する際に確実な接合強度が得られるとともに、圧接荷重の低減を図って小さなプレス能力でも対応できるようにし、熱間接合装置を小規模にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粗圧延機と仕上圧延機との間で先行鋼材と後行鋼材とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法を説明する図である。
【図２】熱間接合機を用いた重ね合わせ圧接作業の工程例を説明する図である。
【図３】圧接時の重ね合わせ部の面積（Ｘ×Ｗ）および重ね合わせ部の体積（Ｘ×Ｗ×Ｈ）を説明する図である。
【図４】圧接前後の重ね合わせ長さL0と接合長さＬとを説明する図であり、同図(a)は圧接時の重ね合わせ長さL0を、(b)は圧接後の接合長さＬを示している。
【図５】円筒状の回転切削工具を傾斜移動させながら鋼材の接合面を切削する傾斜切削法を説明する図である。
【図６】円筒状の回転切削工具を平行移動させながら鋼材の接合面を切削する平行切削法を説明する図である。
【図７】圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りする方法を説明する図である。
【図８】接合に用いられる圧接工具の表面あらさRaと圧接荷重との関係を示した図である。
【符号の説明】
１．粗圧延機 ２．中間コイラー
３．レベラー ４．クロップシャー
５．熱間圧接装置 ６．仕上げ圧延機
７．高速シャー ８．ダウンコイラー
９．スラブ 10．圧接プレス
11．クランプ装置 12．架台
13．テーブルローラ 14．昇降用シリンダー
15．円筒状回転切削工具 16．圧接工具
17．バーナー 18．走行ローラ
19．潤滑塗布孔 Ｓ．鋼材
S1．先行鋼材 S2．後行鋼材
Ｌ．接合長さ L0．重ね合わせ長さ
L1．切削による取り代
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続化熱間圧延に用いられる熱間圧接方法およびその装置に関し、さらに詳しくは、連続化熱間圧延に供される高温鋼材を重ね合わせて圧接する際に確実な接合と圧接荷重の低減を図るため、接合部の形態や圧接工具に表面粗さを改善する熱間圧接方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄工場では、省エネルギー、製品歩留まりの向上、生産性の向上等を目的として、製造工程の連続化が精力的に進められている。その中でも、熱間圧延鋼板（ホットコイル）を製造する熱間圧延工程の連続化は重要な課題の一つになっている。
【０００３】
従来の熱間圧延においては、加熱後のスラブが順次一枚ずつ粗圧延機および仕上圧延機に供給されて、間欠的に圧延されていた。このように被圧延材を一枚ずつ圧延する間欠圧延では、それ自体が非能率であるだけでなく、特に被圧延材の板厚が薄くなる圧延の場合には、その先端が変形してガイドロールに突っ掛けたり、後端が圧延機を抜けるときに絞り込まれて圧延ロールを損傷することも多く発生する。このようなトラブルが発生すると、圧延ラインを停止して補修やロール交換を行うことを余儀なくされ、また、このようなトラブルを防止するには圧延速度を遅くしなければならないことから、圧延能率は著しく低下することになる。
【０００４】
一方、熱間圧延鋼材の品質面、歩留まり面においても、間欠圧延は好ましいものではない。被圧延材の先端部および後端部では、その中央部に比べて圧延速度のバランスが崩れ、適正な圧延温度範囲に管理することが困難になり、寸法外れが発生し易くなる。さらに、被圧延材の先端部では、板幅方向の中央部が圧延方向に突き出して板幅が狭くなり、後端部では逆に板幅中央部が窪むフィッシュティルという現象が発生する。また、先端部が圧延ロールに噛み込まれる際やダウンコイラーによる巻取り開始時に、急激な張力の上昇にともなって、鋼板の板幅が狭くなるという事態も発生する。前記のような現象に起因して、間欠圧延された鋼板の先端部および後端部は品質的に安定せず、製品歩留まりを低下させることになる。
【０００５】
近年、上述の間欠圧延での問題を解消するため、粗圧延機と仕上圧延機との間の工程で、先行して粗圧延された鋼材（以下、「先行鋼材」という）と、先行鋼材に後続して粗圧延された鋼材（以下、「後行鋼材」という）とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法が実施されている。
【０００６】
図１は、粗圧延機と仕上圧延機との間で先行鋼材と後行鋼材とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法を説明する図である。鋼材のスラブ９は粗圧延機１によって圧延され圧延鋼材Ｓとなり、一旦中間コイラー２においてコイルに巻き取られる。そして仕上げ圧延機群６に送られる前に巻き戻され、レベラー３によってコイルの巻き癖が矯正され、クロップシャー４で端部の不良部分が切断される。その後、走行する熱間圧接装置５において先行鋼材S1の後端部と後行鋼材S2の先端部とを圧接した後、仕上げ圧延機群６によって仕上げ圧延が行われ、ダウンコイラー８に巻き取られる。そして高速シャー７で切断され、熱延鋼板コイルとなる。このとき、先行鋼材S1と後行鋼材S2との接合には、鋼材接合部の形状によって、重ね合わせ方式と突き合わせ方式とがあるが、重ね合わせ圧接接合が多用されている。
【０００７】
図２は、熱間接合機を用いた重ね合わせ圧接作業の工程例を説明する図である。まず、鋼材の接合に際して、先行鋼材S1の後端部が所定位置（圧接プレス10の位置）にきたときクランプ装置11で鋼材を固定し、架台12に設けられたテーブルローラ13を昇降用シリンダー14によって上昇させ、円筒状の回転切削工具15によって切削できる位置まで押し上げる。次に、後行鋼材S2を前進させてその先端が圧接工具16の位置（先行鋼材の後端に重なり合う位置）にきたとき、後行鋼材をクランプ装置11で固定する。その後、バーナー17を燃焼させて先行鋼材S1および後行鋼材S2の端部のまわりを還元炎雰囲気として回転切削工具15を矢印で示す方向に移動させ、それぞれの鋼材の端部を切削して脱スケールを行う。切削が終わると、回転工具を退避させ、先行鋼材の架台12を圧接プレス10と同時に下降させて重ね合わせ圧接する。この圧接時には、熱間圧接装置５は走行ローラ18によって、先行鋼材S1および後行鋼材S2と同速度で圧延方向に走行する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
連続仕上圧延の前提となる重ね合わせ圧接時に、確実な接合を確保するため、従来から鋼材の接合部の脱スケール方式、回転切削工具の形式、重ね合わせ形状に関して種々の提案がなされている。
【０００９】
まず、特開平６−312277号公報では、高温鋼材の接合部を還元雰囲気の下で脱スケールした後、その接合部を重ね合わせて圧接する方法が記載されており、この方法では高温鋼材の接合強度を確保するため、接合する面を平行切削して重ね合わせ代を鋼材厚さの10％以上とすることを特徴としている。しかし、接合装置の圧接荷重の低減については何ら考慮されておらず、装置のプレス能力は多大なものにならざるを得ない。
【００１０】
次ぎに、回転切削工具の形式改善に関し、特開平９−216003号公報では、円筒カッターを太鼓型および鋸歯型の形状に改善して、鋼材の接合部を切削するに際し、鋼材の幅方向の切削量を変えることによって、圧接荷重を低減させる方法が開示されている。しかし、この開示の方法では、円筒カッターの形状が複雑になるとともに、鋼材の幅方向の切削位置によって切削量が異なり刃物の耐久性に差が生じることから、切削刃物の管理が煩雑になるという問題がある。
【００１１】
さらに、接合部の重ね合わせ形状に関していくつか提案されている。例えば、特開平８−252606号公報では、圧延される鋼材の先端の一方または両方を幅方向に凹型状円弧に切断して重ね合わせを行い、両端から幅中央に行くに従い重ね代が少なくなるように接合して、圧接荷重を低減させる方法が提案されている。また、特開平８−252611号公報では、鋼材の先端を幅方向に円弧状に切断して重ね合わせを行い、幅中央に行くに従い重ね代が小さくなるようにして、幅中央部では重ね代が全くない状態で、しかも離れた状態になるように接合して、圧接荷重を低減する方法も提案されている。しかし、これらの提案方法では、切断工具の形状が複雑になり、また、この接合した鋼材を圧延すると幅中央部に過大な張力が加わり、幅中央部で開口したり、さらに破断に至るおそれがある。
【００１２】
以上説明したように、従来の連続仕上圧延での高温鋼材の重ね合わせ圧接では、圧接荷重の低減については何ら考慮されておらず、装置のプレス能力は多大なものにならざるを得ない。また、圧接荷重の低減方法においても、切削工具の管理が著しく煩雑になったり、接合部の強度が確保されないと言う問題がある。
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、高温鋼材を還元炎雰囲気または無酸化雰囲気の下で接合面の脱スケールを行って圧接する場合に、圧接荷重の低減を図って小さなプレス能力でも対応できるようにし、熱間接合装置を小規模にすることを目的としてなされたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため、高温鋼材の接合面を還元炎雰囲気、または無酸化雰囲気中において、回転工具で切削を行って重ね合わせ圧接する際に、圧接荷重の低減に影響する要因に関し、種々検討した結果、圧接荷重には重ね合わせ部の面積および重ね合わせ部の体積が影響することを見出した。ここでいう圧接荷重とは、接合部の重ね合わせ長さに対する最大圧接荷重（kg/mm）として把握される。
【００１５】
図３は、圧接時の重ね合わせ部の面積（Ｘ×Ｗ）および重ね合わせ部の体積（Ｘ×Ｗ×Ｈ）を説明する図である。本発明者らの検討によって、図３に図示される重ね合わせ部の面積および体積を極力減少させることによって、圧接荷重の低減を図ることが可能になるが、重ね合わせ部の面積および体積は、接合後の仕上圧延工程での適切な接合強度を確保するため、一定の制限がある。
【００１６】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の(1)熱間圧接方法、および(2)熱間圧接装置を要旨とするものである。
【００１７】
(1)２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う方法であって、脱スケールのための切削量、または重ね合わせ部の面積を調節し、圧接時の重ね合わせ長さをL0、圧接後の接合長さをＬとした場合にＬ/L0が1.5以上となるように圧接することを特徴とする熱間圧接方法である。
【００１８】
上記の熱間圧接方法での脱スケールにおいて、切削による取り代の傾斜角度θを０〜45゜、切削による取り代の最大深さd1を圧延鋼材の厚さの10〜40％の範囲とし、切削による取り代L1を重ね合わせ長さL0よりも大きくするのが望ましい。また、圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りするのが望ましい（後述する図５〜図７参照）。
【００１９】
(2)２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う装置であって、圧接工具の表面を表面あらさRaで２μｍ以下とし、潤滑剤を吹き付ける装置を備えることを特徴とする熱間圧接装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
前述の通り、本願発明では、圧接時の重ね合わせ部の面積および体積を極力減少させることによって、圧接荷重の低減を達成することを特徴としている。しかし、仕上圧延工程での接合強度を確保するため、圧接時の重ね合わせ長さをL0、圧接後の接合長さをＬとした場合に、これらの比であるＬ/L0が1.5以上となるように圧接する必要がある。
【００２１】
図４は圧接前後の重ね合わせ長さL0と接合長さＬとを説明する図であり、同図(a)は圧接時の重ね合わせ長さL0を、(b)は圧接後の接合長さＬを示している。先行鋼材S1の後端部と後行鋼材S2の先端部とを圧接する際にＬ/L0が1.5未満であると、仕上圧延での接合強度が確保できず、圧延中に接合部が開口し、または破断するおそれがある。望ましいＬ/L0の範囲は、1.5〜2.5である。
【００２２】
図５は、円筒状の回転切削工具を傾斜移動させながら鋼材の接合面を切削する傾斜切削法を説明する図である。重ね合わせ部の体積を減少させるためには、回転切削工具15によって傾斜切削を行い、重ね合わせ部の切削角度θを確保して切削するのが望ましい。このとき、切削による取り代L1重ね合わせ長さL0よりも大きくして、傾斜角度を０〜45゜とする。切削による取り代L1を重ね合わせ長さL0よりも大きくするのは、圧接時に圧延される鋼材の端部が延びて、重ね合わせ長さL0が拡がるからである。また、切削による傾斜角度θが０°未満であると、接合前のスケールが完全に除去できずに接合不良が発生し、傾斜角度θが45°を超えると、圧下量が不足して接合強度が低下し、圧延工程での破断のおそれがある。
【００２３】
図６は、円筒状の回転切削工具を平行移動させながら鋼材の接合面を切削する平行切削法を説明する図である。本発明では、傾斜切削法または平行切削法のいずれであっても、切削による重ね合わせ部の切削深さd1を深く切削して、重ね合わせ部の体積を減少させるのが望ましい。具体的には、切削による取り代の最大深さd1を圧延鋼材の厚さの10〜40％の範囲とする。取り代の最大深さd1の下限を鋼材厚さの10％とするのは、接合前のスケール除去を完全にし接合不良の発生を回避するとともに、端部のダレ除去を充分に行うためであり、一方、その上限を鋼材厚さの40％とするのは、充分に圧下量を確保して、接合強度の低下を防止するためである。
【００２４】
さらに、本発明では、図７に示すように、圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りするのが望ましく、これにより、圧接時の重ね合わせ部の体積を減少させることができる。図７に示す面取り深さd2は、最大で鋼材厚さの80％まで加工できるが、接合後の圧延条件よって加工代は適宜選択される。面取り加工は切削加工やプレス加工等の慣用される方法が用いられる。
【００２５】
図８は、接合に用いられる圧接工具の表面あらさRaと圧接荷重との関係を示した図である。図８から明らかなように、いずれの重ね合わせ長さ（20〜40mm）であっても、表面あらさRaを下げることによって圧接荷重が低減できる。本発明では、圧接荷重を十分に小さくするため、圧接工具の表面あらさRaを２μｍ以下にする。このとき、圧接時に表面庇が発生しにくくするため、圧接工具の表面硬さはHs50以上にするのが望ましい。また、表面あらさRaの条件を満足する限りにおいて、圧接工具の表面にはNi、Cr等をめっきや溶射のコーティングを行って表面仕上げしても良い。さらに、圧接時の焼付き防止を図るため、圧接工具の表面に潤滑剤を塗布する。前記図２の熱間接合機において、圧接工具16に潤滑剤を塗布する場合には、潤滑剤は潤滑塗布孔19から供給される。このとき用いられる潤滑剤には、MoS2系の油や黒鉛等が採用される。
【００２６】
通常、圧接荷重は接合部の加熱温度にほぼ比例するが、所定温度以上に加熱すると、加熱時間および圧延時の温度制御が困難になるので、接合部の加熱温度の目安は上限1400℃とされる。さらに、接合部の加熱方法としては、高周波誘導加熱、直接通電加熱、レーザー加熱等の手段が用いられる。
【００２７】
【実施例】
本発明では、鋼材の圧接に要する圧接荷重を低減させるために、前述した種々の手段を組み合わせて実施することができる。以下に、それぞれの手段の圧接荷重の低減に及ぼす効果を調査した。
【００２８】
各寸法が板厚30mm、板幅300mm、板長さ1000mmの炭素鋼板（C：0.1%、Si：0.5%、Mn：1.2%）を所定温度に加熱して、前記図２の熱間接合機を用いて接合試験を行った。鋼材を接合する際の直火還元炎は、ノズル内混合方式のバーナを使用し、リング状のスリットノズルから混合気体を吹き出して還元炎を形成させ、板幅方向にバーナーを並べて切削部および接合面に当てて酸化を防止した。高温鋼材の切削は、後述する条件の回転切削工具を使用して、切削を終えた切削装置を退避させて圧接を行った。圧接時の重ね合わせ長さは25mmとし、圧下量は元厚まで、圧接は能力300トンプレスを用いて押圧した。
【００２９】
鋼材の接合後、鋼材温度が1000℃の状態で仕上圧延機を3機並べてそれぞれ40%、35%、30%の圧下率と、圧延張力を各圧延機の間で約2.0kgf/mm2および3.Okgf/mm2かけて圧延し、厚さ8.2mmの鋼板に仕上げた。この間に、下記に示す種々の条件で試験を行い、その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
まず、切削による取り代の傾斜角度が圧接荷重に及ぼす影響を調査した。使用した回転切削工具は外径300mmであり、回転数1500rpm、送り速度500mm／秒とし、高温鋼材の切削幅30mm、切削温度1050℃とした。前記図５に示すように、回転切削工具を傾斜移動させて、０〜30°の範囲で傾斜角度を変化させたが、傾斜角度の増加にともなって、圧接荷重が低減するのが分かる。
【００３２】
次ぎに、前記図７に示すように、機械加工で面取りを施して、面取りの有無が圧接荷重に及ぼす影響を見たが、面取りを設けることで圧接荷重が低減されることが明らかになった。同様に、圧接工具の表面粗さRaを変化させてその影響を調査したが、表面粗さRaを低減することによって、圧接荷重も低減することが分かる。
【００３３】
圧接荷重に及ぼす圧接温度の影響は顕著であり、1200℃まで加熱することによって圧接荷重を低下させることができる。いずれの試験条件においても、圧接時の重ね合わせ長さと圧接後の接合長さとの比であるＬ/L0は、本発明で規定する1.5以上を満足するものであった。そのため、試験１〜16のいずれの圧接であっても、それぞれ先行鋼材と後行鋼材とを圧接後、仕上圧延を行ない圧延張力2.0kgf/mm2〜3.Okgf/mm2を付加して圧延したが、破断することなく良好に圧延できた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の熱間圧接方法およびその装置によれば、高温鋼材を重ね合わせて圧接する際に確実な接合強度が得られるとともに、圧接荷重の低減を図って小さなプレス能力でも対応できるようにし、熱間接合装置を小規模にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粗圧延機と仕上圧延機との間で先行鋼材と後行鋼材とを接合して、仕上圧延を連続的に行う方法を説明する図である。
【図２】熱間接合機を用いた重ね合わせ圧接作業の工程例を説明する図である。
【図３】圧接時の重ね合わせ部の面積（Ｘ×Ｗ）および重ね合わせ部の体積（Ｘ×Ｗ×Ｈ）を説明する図である。
【図４】圧接前後の重ね合わせ長さL0と接合長さＬとを説明する図であり、同図(a)は圧接時の重ね合わせ長さL0を、(b)は圧接後の接合長さＬを示している。
【図５】円筒状の回転切削工具を傾斜移動させながら鋼材の接合面を切削する傾斜切削法を説明する図である。
【図６】円筒状の回転切削工具を平行移動させながら鋼材の接合面を切削する平行切削法を説明する図である。
【図７】圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りする方法を説明する図である。
【図８】接合に用いられる圧接工具の表面あらさRaと圧接荷重との関係を示した図である。
【符号の説明】
１．粗圧延機 ２．中間コイラー
３．レベラー ４．クロップシャー
５．熱間圧接装置 ６．仕上げ圧延機
７．高速シャー ８．ダウンコイラー
９．スラブ 10．圧接プレス
11．クランプ装置 12．架台
13．テーブルローラ 14．昇降用シリンダー
15．円筒状回転切削工具 16．圧接工具
17．バーナー 18．走行ローラ
19．潤滑塗布孔 Ｓ．鋼材
S1．先行鋼材 S2．後行鋼材
Ｌ．接合長さ L0．重ね合わせ長さ
L1．切削による取り代
Claims (4)
- ２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う方法であって、脱スケールのための切削量、または重ね合わせ部の面積を調節し、圧接時の重ね合わせ長さをL0、圧接後の接合長さをＬとした場合にＬ/L0が1.5以上となるように圧接することを特徴とする熱間圧接方法。
- 前記の脱スケールは、切削による取り代の傾斜角度を０〜45゜、切削による取り代の最大深さを圧延鋼材の厚さの10〜40％の範囲とし、切削による取り代を前記重ね合わせ長さL0よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の熱間圧接方法。
- 前記の脱スケールは、圧延鋼材の接合部と圧接工具に接触する角部を面取りすることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間圧接方法。
- ２つの圧延鋼材の端部を接合して連続化熱間圧延を行うに際し、高温の圧延鋼材を還元炎雰囲気中で回転切削工具を用いて脱スケールした後、還元炎雰囲気中で重ね合わせて圧接を行う装置であって、圧接工具の表面を表面あらさRaで２μｍ以下とし、潤滑剤を吹き付ける装置を備えることを特徴とする熱間圧接装置。
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