JP4197401B2

JP4197401B2 - 調質冷間圧延設備および調質冷間圧延方法

Info

Publication number: JP4197401B2
Application number: JP2001155213A
Authority: JP
Inventors: 利幸白石; 義久高濱; 茂小川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP2002346606A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料をほぼ同一圧延条件で大量に調質冷間圧延する際に、ワークロールの粗度変化による圧延荷重変化を防止し、安定した板形状を得ることを可能とし、または、従来の圧延方法では荷重限界によって製造することのできなかった高い伸び率、もしくは、ジャンピングによって製造することができなかった低い伸び率の調質圧延を可能とする調質冷間圧延設備および調質冷間圧延方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属ストリップ材料を同一ワークロールで大量にコイルの調質圧延をすると、ワークロール表面の平滑化が進み摩擦係数が減少する。摩擦係数が減少すると、その圧延に必要な圧延荷重は減少する。その結果、ロール扁平やロール軸芯たわみが変化して板形状が複合伸びや中伸び方向へ変化する。圧延後の板形状を検査して、板形状が許容値を超えるとワークロール交換を行い圧延を継続する。操業条件によっては数コイル毎にワークロール交換が必要な場合がある。圧延荷重に及ぼす摩擦係数の影響は一般に無潤滑圧延よりも潤滑圧延の方がはるかに大きい。
【０００３】
また、摩擦係数の高い圧延では小さな伸び率でも圧延荷重は大きく、このためもう少し大きな伸び率を取ろうとしても、圧延機の圧延荷重限界にすぐに達してしまうので限られた伸び率しか取ることができなかった。
一方、摩擦係数の低い圧延で、素材に上下降伏点があるような金属ストリップではジャンピングが発生するため逆に低い伸び率を取ることができなかった。
【０００４】
ロールの摩耗に対しては、上述した理由からワークロール交換の周期が非常に短いため生産性と板形状品質を大きく阻害していた。このため、ワークロールに関してはクロムメッキ等を施して耐摩耗性を向上させたり、ベンダー力等を主体とした形状制御等で対応してきた。
【０００５】
摩擦係数の高い圧延では、圧延荷重を低減するためにワークロール径を小さくすることによって対応してきたが、このためには多額の設備改造費が必要であった。摩擦係数の低い圧延では、ロールの粗度や圧延潤滑油の濃度・供給量を変更することによって対応してきたが、ロール粗度の場合には表面品質の変化を招き、潤滑条件での対応にも限界があった。
【０００６】
ロール摩耗に対しての操業面での従来技術として、潤滑調質冷間圧延の例を図１を基に具体的に説明する。
図１は１スタンドからなる調質圧延設備であり、圧延機は上下ワークロール１、１′および上下バックアップロール２、２′からなる４段圧延機であり、図示していないが形状制御手段としてワークロールベンダーを有している。金属ストリップ材料Ｓは圧延機入側に配置されたペイオフリール４から払い出され、入側デフレクターロール３経由して、該４段圧延機の入側で圧延潤滑油が潤滑油供給ノズル５から供給され、該４段圧延機で圧延された後、出側デフレクターロール３′を経由し、テンションリール４′で巻き取られている。
【０００７】
圧延を続けて行くと、ワークロールの粗度変化によって摩擦係数は減少し、圧延荷重は減少する。圧延荷重の減少に伴い板形状は変化するが、圧延機に具備されている形状制御端であるワークロールベンダーを操作することによって、板形状は大きく乱れないように操業される。しかしながら、形状制御端の能力によって板形状を修正できる荷重限界が存在するため、ある荷重以下では良好な板形状が得られなくなる。この結果、ワークロールの交換が必要となり、生産性の低下や製造コストの増大を招いていた。
このように操業面ではオペレータによってロール交換の頻度を少なくしようとする努力がなされるものの、まだ十分とは言えない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような従来法の問題点を解決するものであり、本発明により、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を調質冷間圧延する際、摩擦係数の低減による荷重変動に起因した形状不良の防止、摩擦係数が高い場合の伸び率の増大、摩擦係数が低い場合の製造可能な最少伸び率の低減を可能とすることができるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を２つの圧延機を用いて調質冷間圧延する設備において、上流圧延機入側に配置されたストリップ巻き戻し装置と該上流圧延機との間に張力制御装置を設けると共に、上流圧延機のワークロール直径を３５０ｍｍ以下、下流圧延機のワークロール直径を４００ｍｍ以上とすることを特徴とする調質冷間圧延設備であり、
本発明の請求項２は、請求項１記載の圧延設備を用いて、圧延引張り試験法で求めた０．２％耐力で上および下降伏点での応力差が３０ＭＰａ以上の金属ストリップ材料を圧延することを特徴とする調質冷間圧延方法であり、
本発明の請求項３は、請求項２記載の調質圧延方法において、所望とする伸び率およびまたは圧延荷重を制御する主制御手段として、前記上流圧延機の入側および出側張力を用いることを特徴とする調質冷間圧延方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。図２は、本発明を実施する圧延機設備の一例を示す構成図である。
図２は、１スタンドからなる調質圧延設備であり、圧延機は上下ワークロール１、１′および上下バックアップロール２、２′からなる４段圧延機であり、図示していないが形状制御手段としてワークロールベンダーを有している。金属ストリップ材料Ｓは、圧延機入側に配置されたペイオフリール４から払い出され、入側デフレクターロール３経由して、該４段圧延機の入側で圧延潤滑油が潤滑油供給ノズル５から供供給され、該４段圧延機で圧延された後、出側デフレクターロール３′を経由し、ブライドルロール６を用いた張力制御装置で出側張力を調整されデフレクターロール３′′、３′′′を経由した後テンションリール４′で巻き取られている。
【００１１】
圧延機入側の張力はデフレクターロール３に、圧延機出側の張力はデフレクターロール３′に、ストリップの巻き取り張力はデフレクターロール３′′′に、それぞれ取り付けられたロードセルによって検出される。
図示していないが圧延機入出側に設置されたデフレタロール３、３′には、該ロールの回転数を検出するパルスジェネレータが取り付けられて板速度を検出しており、該４段圧延機によるストリップの伸び率はマスフロー則から測定されている。
【００１２】
この設備を用いて基礎実験を行った結果、以下のことが判明した。図３のａ）は該４段圧延機の圧延状況を模式的に表した図である。図３において、ＩおよびIII はロールバイト内で塑性変形が生じている領域であり、IIはロールバイト内では塑性変形は生じていない領域である。このような圧延状態は圧延材の板厚が薄いほど、圧延材の変形抵抗が高いほど、ロール径が大きいほど生じやすく圧延時に噛み止めを行い、板厚分布を測定することによって確認できる。
【００１３】
圧延荷重は領域Ｉ、II、III 部の垂直応力の合計であるから、圧延荷重を制御する手段として、領域IIの長さを操作することが可能で有ればよい。そこで、材料や速度や張力や伸び率やワークロール径などを変えて実験すると共に、上述した噛み止め試験を行い実験調査した結果以下のことが明らかになった。
【００１４】
圧延荷重に及ぼす圧延因子の定性的な影響は、入側張力以外は、例えば従来のKarmanモデルで得られる影響と同一であった。入側張力の影響について述べる。図３の（ｂ）はロールバイト内の板厚分布に及ぼす入側張力の影響を示す模式図である。図３において実線は基準圧延条件時のものである。この場合圧延方向Ａ〜Ｂ間（領域Ｉ）のロールバイト入口近傍では塑性変形が生じ、圧延方向Ｂ〜Ｃ間（領域II）のロールバイト中央近傍では塑性変形は生じず、圧延方向Ｃ〜Ｄ間（領域III ）のロールバイト出口近傍では塑性変形が生じている。
【００１５】
この圧延条件で入側張力のみを増大した場合のロールバイト内の板厚分布を示すものが図３（ｂ）の破線である。この場合も同様に圧延方向Ａ〜Ｂ′間（領域Ｉ）のロールバイト入口近傍では塑性変形が生じ、圧延方向Ｂ′〜Ｃ′間（領域II）のロールバイト中央近傍では塑性変形は生じず、圧延方向Ｃ′〜Ｄ間（領域III ）のロールバイト出口近傍では塑性変形が生じている。入側張力を増大した結果、ロールバイト入口部Ａ〜Ｂ′間（領域Ｉ）では塑性変形しやすくなり変形が早く進むものの、圧延方向Ｂ′〜Ｃ′間（領域II）の距離は逆に長くなり、ロールバイト出口Ｃ′〜Ｄ間（領域III ）のでは塑性変形がしにくくなっている。この結果、圧延荷重は入側張力を増大したにもかかわらず、圧延荷重はほとんど減少しない。この原理が本発明の第一の構成要素になっている。このような現象は、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下のでワークロール径が４００mm以上の際にほとんど生じることを確認した。なかでも、圧延引張試験法で求めた０．２％耐力で上および下降伏点での応力差が３０MPa 存在する金属ストリップ材料で潤滑調質冷間圧延するに際して特に、その影響は顕著に生じることを見出だした。
【００１６】
また、ワークロール径が３５０mm以下の場合では、圧延方向Ｂ′〜Ｃ′間（領域II）の距離はあまり変化がなく、入側張力が増大するにつれて、圧延荷重は減少することを確認し、この原理が本発明の第二の構成要素になっている。
なお、板厚が０．３mmよりも厚い材料または０．３mm以下でも、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 未満の金属ストリップでは、上述した調質圧延の特異な現象は認められなかった。
【００１７】
図４は上記実験結果の特性を示す概念図である。図４の（ａ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が４００mm以上で潤滑調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
【００１８】
張力の条件は、基準張力条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ）と、入側張力変更条件（入側張力：σｂｏ±α、出側張力：σｆｏ）と、出側張力増大条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ＋α）を表し、αは正の値である。基準張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くと、ある荷重から急にある伸び率まで増大しその後緩やかに伸び率は増大する。この挙動は入側張力を変更しても全く同じである。これに対し、出側張力を増大した張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くと、基準張力条件よりも小さなある荷重から急に基準張力条件よりも小さなある伸び率まで増大し、その後緩やかに伸び率は増大する。
【００１９】
図４の（ｂ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が４００mm以上で無潤滑調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
【００２０】
張力の条件は、基準張力条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ）と、入側張力変更条件（入側張力：σｂｏ±α、出側張力：σｆｏ）と、出側張力増大条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ＋α）を表し、αは正の値である。基準張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くとある荷重から伸び率は比例的に増大する。この挙動は入側張力を変更しても全く同じである。これに対し、出側張力を増大した張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くと、基準張力条件よりも小さなある荷重から増大する。同じ伸び率では出側張力を増大した際の方が圧延荷重は小さい。
【００２１】
図４の（ｃ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が３５０mm以下で無潤滑または潤滑調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
【００２２】
張力の条件は、基準張力条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ）と、入側張力増大条件（入側張力：σｂｏ＋α、出側張力：σｆｏ）と、出側張力増大条件（入側張力：σｂｏ、出側張力：σｆｏ＋α）を表し、αは正の値である。基準張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くとある荷重から伸び率は比例的に増大する。これに対し、張力を増大した張力条件の場合、圧延荷重を増大して行くと、基準張力条件よりも小さなある荷重から増大する。同じ張力では入側張力を増大した際の方が出側張力を増大するよりも圧延荷重は小さい。
【００２３】
本発明は上述した新しい発見を基になされたものであり、ロールの摩耗が進行しても圧延荷重を一定とした安定圧延を実現するものであり、または、従来の圧延方法では荷重限界によって製造することのできなかった高い伸び率、もしくは、ジャンピングによって製造することができなかった低い伸び率の調質圧延を可能とするものである。
【００２４】
この発明は、図４の（ａ）、（ｂ）の知見をもとになされたもので、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が４００ｍｍ以上の圧延機を用いて圧延する場合、現状よりも小さな伸び率から大きな伸び率を得るため、または、同じ伸び率でも荷重レベルを変化させるためには出側張力を制御すればよい。しかしながら、単に出側張力を変更するとテンションリールでのコイルの巻き締まりや、擦り傷、巻きゆるみが発生するため実用上は実施できない。このため、テンションリールと圧延機の間に張力制御装置を設置し、圧延機出側の張力は目的とする圧延によって制御し、張力制御装置とテンションリール間の張力は上記問題が生じない張力範囲に制御すればよい。
【００２５】
請求項１の発明は、図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の知見からなされたもので、通常２スタンドの調質圧延機では、上流スタンドで伸び率制御を、下流スタンドで形状矯正と表面仕上げを行っており、下流スタンドでは伸び率は極僅かであり、荷重変化が無いことが望ましい。引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料をワークロール径が４００ｍｍ以上で入側張力を変更した調質冷間圧延をしても圧延荷重は変化しない。また、ワークロール径が３５０ｍｍ以下の場合には、図２で示した剛体域の影響が僅かになり圧延荷重は減少するので幅広いレンジの伸び率が可能となり、摩擦係数の変化に対する荷重変化の影響が小さくなる。このことがら、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を、２つの圧延機を用いて調質冷間圧延するに際し、該圧延機の上流圧延機のワークロール径を３５０ｍｍ以下、下流圧延機のワークロール径を４００ｍｍ以上とした。
【００２６】
請求項２の発明は、図２の（ａ）に示すような特性を材質を変えて得られた知見を基になされたもので、このような調質圧延に特異な特性は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で、かつ、圧延引張試験法で求めた０．２％耐力で上および下降伏点での応力差が３０ＭＰａ以上の板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料をワークロール径が４００ｍｍ以上の圧延機で圧延する際に著しく顕著であったからである。
【００２７】
請求項３に発明は、調質圧延方法において、所望とする伸び率およびまたは圧延荷重を制御する主制御手段として、２つの圧延機の場合には該圧延機のスタンド間張力を用いることが、設備コスト的にも有利であることから規定したものである。
【００２８】
出側張力一定である場合には、ワークロール摩耗により摩擦係数が減少し同じ伸び率でも圧延荷重は減少するが、出側張力を制御することによって同じ伸び率でも圧延荷重は減少しなくなる。常に荷重を一定にするように張力を変化させた場合、伸び率は圧延機の圧下で制御する必要が生じてくる。従って、圧延荷重はある程度のバンド内範囲は許容するものとし、外乱による伸び率変化に対する伸び率の主制御は出側張力とすることが望ましい。
【００２９】
ワークロール径が３５０mm以下の場合には入側張力によっても圧延荷重は変化するので、入側張力も変化させて荷重レベルと伸び率を制御することができる。この場合には、例えば伸び率の主制御を出側張力で、荷重の主制御を後方張力で行うことが可能となる。勿論、伸び率の主制御を入側張力で、荷重の主制御を出側張力で行うことも有効であり、ある比率で入・出側張力を制御しても良い。
【００３０】
【実施例】
使用した圧延機を図５に示す。詳細な圧延条件を下記に示す。また、この材料の圧延引張試験法で求めた０．２％の耐力と圧下率の関係を図６に示す。図６より、この材料の耐力は約４００MPa で、上下降伏点の差は約６０MPa あることがわかる。
【００３１】
［圧延条件］

【００３２】
図５は、２スタンドからなる調質圧延設備であり、上流側の小径ワークロールの圧延機は上下ワークロール１ａ、１ａ′および上下バックアップロール２ａ、２ａ′からなる４段圧延機であり、図示していないが形状制御手段としてワークロールベンダーを有している。下流側の大径ワークロールの圧延機は上下ワークロール１ｂ、１ｂ′および上下バックアップロール２ｂ、２ｂ′からなる４段圧延機であり、これも図示していないが形状制御手段としてワークロールベンダーを有している。
【００３３】
金属ストリップ材料Ｓは圧延機入側に配置されたペイオフリール４から払い出され、入側デフレクターロール３ａ、３ｂを経由して、ブライドルロール７を用いた張力制御装置で入側張力を調整されてデフレクターロール３ｃを経由して、該４段上流圧延機の入側で圧延潤滑油が潤滑油供給ノズル５から供給され、該４段圧延機で圧延された後、テンションロール３ｄを経由して該４段下流圧延機で矯正された後、出側デフレクターロール３ｅを経由した後テンションリール４′で巻き取られている。
【００３４】
上流圧延機入側の張力はデフレクターロール３ｃに、スタンド間張力はテンションロール３ｄに、下流圧延機出側の張力はデフレクターロール３ｅに、それぞれ取り付けられたロードセルによって検出される。
図示していないが上流圧延機入出側に設置されたデフレタロール３ｃとテンションロール３ｅには、該ロールの回転数を検出するパルスジェネレータが取り付けられて板速度を検出しており、該上流圧延機によるストリップの伸び率はマスフロー則から測定されている。
【００３５】
ここで従来技術と比較するために、上流スタンドのワークロール径のみを交換して４４０mmにして圧延した場合を従来技術とする。従来技術の伸び率制御としては、上流スタンドの入出側張力を一定とし、圧下による伸び率制御をする場合を採用した。
【００３６】
本発明では、板厚、材質ごとに予め実験を行い、圧延荷重Ｐと伸び率とλと入出側張力σｂ，σｆの実験式（１）、（２）を作成した。
Ｐ＝Ｐ（σｂ，σｆ）（１）
λ＝λ（σｂ，σｆ）（２）
式（１）、式（２）を基に基準条件から、張力は変化した場合の荷重および伸び率変化はそれぞれ式（３）および式（４）から求まる。
△Ｐ＝ａ×△σｂ＋ｂ×△σｆ（３）
△λ＝ｃ×△σｂ＋ｄ×△σｆ（４）
ここで、ａ〜ｄは式（１）、式（２）より求まる定数である。
【００３７】
所望とする圧延荷重および伸び率をＰａｉｍ、λａｉｍとし、実測した圧延荷重および伸び率をＰｅ、λｅとすると、式（５）、（６）が求まる。
△Ｐ＝Ｐｅ−Ｐａｉｍ（５）
△λ＝λｅ−λａｉｍ（６）
式（３）〜式（６）を用いて連立方程式を解くことによって、△σｂおよび△σｆは求まる。この値を用いて上流スタンドの圧延荷重および伸び率を制御した。
【００３８】
但し、修正後の張力が予め設定した適正範囲を超える場合には、その限界値を最大または最小値として使用した。上述したようにこの条件の場合には第２スタンドの圧延荷重はスタンド間張力の影響を受けないので、第２スタンドの伸び率は一定であることは言うまでもない。
【００３９】
その結果、従来技術では平均で圧延コイル１２．３本で圧延荷重減少による形状能力不足からくるワークロールベンダー限界に達し、ロール交換が必要となったのに対し、本発明では平均圧延コイル３５．１本で張力限界および形状能力不足からくるワークロールベンダー限界に達した。この条件ではロール交換が１／３に減少し、その結果生産性は２０％増大した。
【００４０】
【発明の効果】
以上の本発明により、引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を調質冷間圧延する際、摩擦係数の低減による荷重変動に起因した形状不良の防止、摩擦係数が高い場合の伸び率の増大、摩擦係数が低い場合の製造可能な最少伸び率の低減を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の調質冷間圧延設備の説明図である。
【図２】この発明を実施する、１スタンドからなる調質圧延設備の説明図である。
【図３】（ａ）は圧延機の圧延状況を模式的に表した図であり、（ｂ）はロールバイト内の板厚分布に及ぼす入側張力の影響を示す模式図である。
【図４】本発明の調質冷間圧延特性を示す概念図で、ジャンピングに及ぼすワークロールクロス角の効果を示す図である。
（ａ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が４００mm以上で潤滑調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
（ｂ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が４００mm以上で無潤滑調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
（ｃ）は引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００MPa 以上で板厚０．３mm以下の金属ストリップ材料を、ワークロール径が３５０mm以下で調質冷間圧延をした場合の圧延荷重と伸び率の関係を示すものである。
【図５】本発明を実施する、２スタンドからなる調質圧延設備の説明図である。
【図６】本発明の実施例で用いた材料の圧延引張試験法で求めた０．２％の耐力と圧下率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ：上ワークロール
１′、１ａ′、１ｂ′：下ワークロール
２、２ａ、２ｂ：上バックアップロール
２′、２ａ′、２ｂ′：下バックアップロール
３〜３′′′、３ａ〜３ｃ、３ｅ：デフレクターロール
３ｄ：テンションロール
４：ペイオフリール
４′ ：テンションリール
５：潤滑油供給ノズル
６、７：張力制御装置
Ｓ：金属ストリップ

Claims

引張試験法で求めた素材の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で板厚０．３ｍｍ以下の金属ストリップ材料を２つの圧延機を用いて調質冷間圧延する設備において、上流圧延機入側に配置されたストリップ巻き戻し装置と該上流圧延機との間に張力制御装置を設けると共に、上流圧延機のワークロール直径を３５０ｍｍ以下、下流圧延機のワークロール直径を４００ｍｍ以上とすることを特徴とする調質冷間圧延設備。
請求項１記載の圧延設備を用いて、圧延引張り試験法で求めた０．２％耐力で上および下降伏点での応力差が３０ＭＰａ以上の金属ストリップ材料を圧延することを特徴とする調質冷間圧延方法。
請求項２記載の調質圧延方法において、所望とする伸び率およびまたは圧延荷重を制御する主制御手段として、前記上流圧延機の入側および出側張力を用いることを特徴とする調質冷間圧延方法。