JP4456586B2

JP4456586B2 - 条材の熱間圧延方法

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Publication number: JP4456586B2
Application number: JP2006245737A
Authority: JP
Inventors: 仁串田; 英樹柿本; 英典酒井; 和彦桐原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008062295A

Description

本発明は、加熱炉で加熱された素材ビレットを、所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドの対になったロールに設けた種々の孔型によって、複数のパスに分けて順次圧延することで、断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げる条材の熱間圧延方法に関するものである。

加熱炉で加熱された素材ビレットを、所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドの対になったロールに設けた種々の孔型によって、複数のパスに分けて順次圧延することで、断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げることは従来から行われていた。

しかしながら、この熱間圧延方法によって線材、棒鋼、角材等の条材製品を製造した場合、熱間圧延終了後の条材の表面に、大きな表面疵が多数形成されてしまうことがあり問題となっていた。このような表面疵が残存したままで鍛造加工等の２次加工を施すと、その表面疵を起点として割れなどの加工欠陥が発生する可能性があった。

この表面疵の発生原因としては、圧延によって材料表面に生ずる圧縮ひずみや、加熱炉で材料表面に発生するＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４等のスケールが起因していると考えられる。

以上の発生原因のうち加熱炉で材料表面に発生するスケールを、除去する方法としては、例えば、特許文献１に記載された熱延鋼板の製造方法がある。この方法は、熱間圧延時に鋼板表面に高圧水ジェットを噴射してデスケーリングを行い、スケールを事前に除去してしまいスケール疵の発生を防止するものであって、例えば、難スケール剥離材であるＳｉ含有鋼及びＮｉ含有鋼に対して、圧延による圧下率、温度、デスケーリングの条件を規定することで、効率的なデスケーリングを行うというものである。

しかしながら、条鋼の圧延は、特許文献１に記載された板圧延とは異なり、水平方向、垂直方向等様々な角度からの圧延を繰り返しながら、角、楕円、丸等に断面形状を変化させて断面を順次減少させていく圧延である。そのため、板圧延のように自由に圧下率を変化させることは、孔型からの噛み出しによる折れ込み疵の発生、或いは孔型への充填不足による圧延安定性の低下等様々な問題が発生することが懸念され、採用することは困難である。また、圧延途中の形状が様々な形状に変化するため、単純に板圧延での圧下率と同等の条件にすることはできない。

また、もし上記の特許文献１に記載された板圧延に関する技術が条鋼の圧延に採用することができたと仮定し、スケール疵の発生を防止することができたとしても、圧延途中の断面形状と孔型の組み合わせによっては、材料表面の周方向に過度な圧縮ひずみが生じ、これによるしわ疵の発生を抑制することはできない。
特開平３−７７７４２号公報

本発明は上記従来の問題を解決せんとして発明したものであって、素材ビレットを線材、棒鋼、角材等の条材に熱間圧延する際に形成される表面疵の発生を抑制することができ、近年の厳しい表面疵保証を満足する条材製品を製造することができる条材の熱間圧延方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、素材ビレットを加熱炉で加熱する加熱工程と、その加熱炉から出た素材ビレットの周囲に形成されたスケールを、デスケーリング装置から吐出した高圧洗浄水で除去するデスケーリング工程と、所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドのロールに設けた種々の孔型によって、前記素材ビレットで成る圧延材を複数パスに分けて順次圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げる圧延工程を有する条材の熱間圧延方法であって、デスケーリング工程での高圧洗浄水の前記素材ビレット表面への衝突圧は、８０ｋＰａ以上であると共に、圧延工程での前記圧延材の１パス毎の周方向の圧縮ひずみは、各パス共全て−０．５以上であることを特徴とする条材の熱間圧延方法である。

請求項２記載の発明は、素材ビレットを加熱炉で加熱する加熱工程と、その加熱炉から出た素材ビレットの周囲に形成されたスケールを、デスケーリング装置から吐出した高圧洗浄水で除去するデスケーリング工程と、所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドのロールに設けた種々の孔型によって、前記素材ビレットで成る圧延材を複数パスに分けて順次圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げる圧延工程を有する条材の熱間圧延方法であって、デスケーリング工程での高圧洗浄水の前記素材ビレット表面への衝突圧は、２００ｋＰａ以上であると共に、圧延工程での前記圧延材の１パス毎の周方向の圧縮ひずみは、各パス共全て−０．５以上であることを特徴とする条材の熱間圧延方法である。

請求項３記載の発明は、前記素材ビレットは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉのうち少なくとも１種類の合金元素を含有し、かつその含有量が０．１質量％以上であることを特徴とする請求項１または２記載の条材の熱間圧延方法である。

本発明の条材の熱間圧延方法によると、素材ビレットを線材、棒鋼、角材等の条材に熱間圧延する際に形成される表面疵の発生を、確実に抑制することができ、製品疵深さが０．０２ｍｍ以下という近年の厳しい表面疵保証を満足する条材製品を製造することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明の条材の熱間圧延方法は、加熱工程と、デスケーリング工程と、圧延工程を有している。その方法を図１に示す製造工程の順序に基づいて詳細に説明する。

まず、加熱工程で、正方形断面や丸形断面の素材ビレット１Ａが加熱炉２内に搬入され所定温度に加熱される。その際の加熱温度は、例えば９００〜１２００℃である。この加熱工程で素材ビレット１Ａを加熱することは熱間圧延では必ず必要であるが、その副産物として素材ビレット１Ａの表面にはＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ₄等のスケールが生成されてしまう。このスケールが、本発明が課題としている表面疵発生の原因の一つとなってしまっている。

このスケールを除去することが必要であるため、所定の温度に加熱された素材ビレット１Ａは加熱炉２から搬出された後、次のデスケーリング工程に進む。デスケーリング工程では、加熱工程で素材ビレット１Ａの周囲に形成された前記スケールを、デスケーリング装置３から吐出される高圧洗浄水で除去する。吐出される高圧洗浄水が、素材ビレット１Ａの表面に当たる際の衝突圧でスケールは除去される。なお、その衝突圧は、デスケーリング装置３から高圧洗浄水が吐出される際の吐出圧に左右されるが、吐出圧のほか、ノズルタイプ、流量、ノズルと材料（素材ビレット１Ａ）の距離等に条件によっても異なってくる。

デスケーリング工程で、表面のスケールが完全に除去された素材ビレット１Ａは圧延工程に進む。圧延工程では、素材ビレット１Ａで成る圧延材１Ｂを以下に示す各種圧延装置で圧延することにより、所定の製品寸法の条材１Ｃに仕上げられる。

図１に圧延工程の概要を示しているが、前記デスケーリング装置３の次工程側（下流側）に粗圧延装置Ａ、その下流側に中間圧延装置Ｂ、更にその下流側に仕上圧延装置Ｃが順に並んでおり、水冷装置６をはさんで、最終仕上圧延装置Ｄが設けられている。最終仕上圧延装置Ｄの下流側にはレイング式巻取機７が設けられている。粗圧延装置Ａ、中間圧延装置Ｂ、仕上圧延装置Ｃ、最終仕上圧延装置Ｄには、それぞれ複数の圧延スタンドが設けられている。圧延スタンドには対になったロール４，４が設けられているが、圧延材１Ｂを圧延する方向が様々な角度からであるためロール４は様々な方向を向いている。図１に示す実施形態では、９０°毎に順次角度を変えて並んだロール４を示している。なお、ロール４の向きは、下記するパススケジュールによって決まる。

デスケーリング装置３を出た素材ビレット１Ａで成る圧延材１Ｂは、粗圧延装置Ａ、中間圧延装置Ｂ、仕上圧延装置Ｃ、最終仕上圧延装置Ｄの順に進み、所定の間隔をおいて複数配置された圧延スタンドの対になったロール４，４で、複数パスに分けて順次圧延される。この圧延工程で、圧延材１Ｂの断面積は順を追って減少され最終仕上圧延機Ｄを出た際には所定の製品寸法に仕上げられる。所定の製品寸法に仕上げられた条材１Ｃは、最後に、レイング式巻取機７で巻き上げられ、その後、製品として搬出される。以上で条材１Ｃの熱間圧延による製造を終了する。

次に、圧延工程について更に詳細に説明する。複数配置された圧延スタンドのロール４には、図２に示すように、種々の孔型５が加工され設けられている。孔型５には、ボックス、ダイヤ（菱）、スクエア（角）、オーバル（楕円）、ラウンド（丸）等があり、例えば、ボックス→楕円→丸→楕円→角、楕円→角→楕円→角、楕円→丸→楕円→丸というようなパススケジュールが組まれ、ロール４毎の様々な孔型５で圧延されることにより圧延材１Ｂの断面積は、順を追って減少され、最後のパスで所定の製品寸法の条材１Ｃにまで仕上げられる。

例えば、「角→楕円」というパススケジュールで、圧延材１Ｂを圧延する場合は、まず、図２（ａ）に示すように、初期の圧延材１Ｂをスクエア（角）孔型で圧延する。その圧延によって圧延材１Ｂの断面形状は略正方形に変形する。次に、図２（ｂ）に示すように、前記圧延材１Ｂを４５°転回させた状態で、オーバル（楕円）孔型によって圧延材１Ｂを圧延する。この圧延で、圧延材１Ｂの断面形状は破線で示す略正方形から楕円形に変形し当初の断面形状より小さくなる。このような圧延を順次繰り返すことにより圧延材１Ｂの断面積は順を追って減少される。なお、「角→楕円」というパススケジュールのように４５°異なった方向から圧延する場合は、９０°圧延方向が異なる場合のようにロール４の配置を変えるのではなく、圧延材１Ｂを捻るように転回させることで対応する。

次に、図３に基づき、圧延材１Ｂの周方向の圧縮ひずみεについて説明する。この圧縮ひずみεは、圧延変形前後の圧延材１Ｂの表面形状（長さ）の変化から求めることができる。図面左の圧延前の圧延材１Ｂ断面の表面（曲線）の長さＳ_０は、圧延変形によって図面右に示す長さＳ_１に変化する。この長さの変化から求めた次式により圧縮ひずみεを算出することができる。
圧縮ひずみε＝（Ｓ_１−Ｓ_０）／Ｓ_０

なお、この圧縮ひずみεは、通常、圧延変形後の長さＳ_１の方が圧延変形前の長さＳ_０より小さいため負の数値になるが、Ｓ_０からＳ_１に変化する変化量自体が大きくなるほど小さな数値となる。従って、圧縮ひずみεとして得られる値は通常負の値で表されるため、本明細書図面では、例えば、前記変化量自体の最大の値を「圧縮ひずみの最小値」というように表現している。

近年は製品の表面疵の深さが０．０２ｍｍ以下という非常に厳しい表面疵保証が求められている。この表面疵深さが０．０２ｍｍ以下という基準を達成するためには、圧縮ひずみεがどのような数値の範囲であれば良いのかを、モデル実験と変形解析により求めた。その結果を図４に示す。

図４に示す○は圧延材１Ｂ（鋼種：SCM435）の表面に１ｍｍ間隔のケガキ線を入れてモデル実験で圧延変形を行い求めたデータ、▲は冷間での鉛に１ｍｍ間隔のケガキ線を入れてモデル実験で圧延変形を行い求めたデータ、●は圧延材１Ｂ周方向の分割数を１ｍｍ単位とし（図３より更に細かく分割した。）変形解析により求めたデータである。なお、SCM435の成分（質量％）については表１に示す。

図４によると、各データとも略一致しており、製品の表面疵深さが０．０２ｍｍ以下という基準を達成するためには、圧延材１Ｂ周方向の圧縮ひずみεの最小値を−０．５以上にしなければならないことがわかった。また、表面疵を全くなくしようとすると、その圧縮ひずみεの最小値を−０．３５以上にすれば良いことがわかった。

以上の実験及び解析結果より、圧延変形による圧延材１Ｂ周方向の圧縮ひずみεは、−０．５以上、望ましくは−０．３５以上にすれば良いことがわかったが、本発明の条材の熱間圧延方法に係る圧延工程では、圧延材１Ｂを複数パスに分けて順次圧延する必要がある。これらの複数のパスの全てで、圧延材１Ｂ周方向の圧縮ひずみεを上記数値の範囲内とする必要がある。なお、当然のことではあるが、その圧縮ひずみεは、圧延材１Ｂ表面の一部だけではなく全ての部位で上記数値の範囲内としなければならない。

以上説明したように、圧延材１Ｂ周方向の圧縮ひずみεを−０．５以上とすれば、問題となる表面疵が発生することはないと想定することができるが、その圧縮ひずみεと合わせて素材ビレット１Ａを加熱することによって生成するスケールも検討する必要がある。

そのスケールを除去するための工程が既に説明したデスケーリング工程である。デスケーリング工程が必要であることを確認するために図５に示す基礎実験を行った。実験では、１辺１０ｍｍの立方体の試料（鋼種はSUJ2）に、深さ０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍ、底の頂点の角度５３°の断面略Ｖ字形の切れ込み状の人工疵ａを加工した試験片ｂを、孔型ｃを形成した金型ｄで圧縮する２軸の熱間圧縮試験（真空内９００℃加熱）を行った。この実験は、「角→菱」というパススケジュールでの圧延を模擬したものである。なお、SUJ2の成分（質量％）については表２に示す。

加熱工程で生成されるスケールが表面疵発生の原因となっていることを確認するために、一方の試験片では、予め１１００℃で５分間加熱してスケールを生成した後、前記熱間圧縮試験を行い、もう一方の試験片では、デスケーリング工程でスケールを除去した場合を想定し、スケールを生成することなしに前記熱間圧縮試験を行った。

図６及び図７に熱間圧縮試験後の各試験片の人工疵部分の断面要部拡大写真を示す。なお、２枚の写真の倍率は同倍率である。図６のスケールを生成した試験片では、熱間圧縮試験後の人工疵が非常に大きくなっており、図７のスケールを生成していない試験片のように、熱間圧縮で人工疵が小さくなっていないことがわかった。このことは、加熱前の素材ビレット１Ａに疵があった場合、加熱工程で生成されるスケールを残すと圧延工程で疵が小さくならず表面疵として残ることを意味している。すなわち、デスケーリング工程で事前にスケールを除去すると、表面疵の発生を抑制できることがこの試験によりわかった。

なお、今回の試験では試験片の人工疵の深さは両方とも同じ深さとしたが、実際はデスケーリング工程でのスケール除去によって人工疵の表層側は事前除去されるので、スケールを生成しない試験片では、試験前の人工疵はその厚み分浅くする、或いは全くなくするのが実情にあった試験法である。実情にあった試験法で熱間圧縮試験を行った場合を想定すると、人工疵の影響は、今回の試験により得られた結果より小さくなる、全くなくなると考えられる。このことを加味すると、実際の表面疵発生の抑制効果は試験結果より大きいことが分かる。

また、今回の試験では素材ビレット１ＡがＳｉやＣｒというＦｅよりも酸素との親和力の強い合金元素を含む鋼種で試験を行ったが、このような鋼種の場合、粒界酸化によりスケールと地金界面の間に凹凸が発生するため、スケールをデスケーリング工程で事前除去していると表面疵の発生をより抑制することができる。なお、ＳｉとＣｒのほか、Ｎｉでも同様のことが言える。これら３種の合金元素のうち少なくとも１種類の合金元素を含有し、かつその含有量が０．１質量％以上の場合、スケールをデスケーリング工程で事前除去していると表面疵の発生を抑制する効果はより大きい。

図１に示す圧延ラインで、圧縮ひずみの最小値が−０．５未満の場合と、圧縮ひずみの最小値が−０．５以上の場合について、デスケーリング工程での高圧洗浄水の素材ビレット表面への衝突圧を変化させて、仕上がった製品の表面疵を確認した。０．０１ｍｍ以上の表面疵がないものを◎、０．０２ｍｍ以上の表面疵がないものを○でそれぞれ合格、０．０３ｍｍ以上の表面疵がないものを△、０．０３ｍｍ以上の表面疵があるものを×でそれぞれ不合格とした。素材ビレットの鋼種はSCM435（成分については前記の表１に示す。）である。その実験結果を表３に示す。

表３から、圧縮ひずみの最小値を−０．５以上とすることで、深さ０．０２ｍｍ以上の表面疵が発生しなくなっていることがわかった。また、実施例において、デスケーリング工程での高圧洗浄水の素材ビレット表面への衝突圧を８０ｋＰａ以上とすることで、深さ０．０２ｍｍ以上の表面疵が発生しなくなっており、衝突圧を２００ｋＰａ以上とすることで、深さ０．０１ｍｍ以上の表面疵が皆無となることがわかった。

本発明の一実施形態の熱間圧延方法が実施される圧延ラインのレイアウト図である。「角→楕円」というパススケジュールで圧延材を圧延した際の圧延材の断面形状の変形状態を示す縦断面図であって、（ａ）はスクエア（角）孔型での圧延時の状態を、（ｂ）はオーバル（楕円）孔型での圧延時の状態をそれぞれ示す。圧延材を圧延した際に発生する圧縮ひずみを説明するための縦断面図である。圧縮ひずみと表面疵の深さの関係を示す説明図である。デスケーリング工程の必要性を確認するため基礎実験の正面図である。基礎実験終了後の一試験片の人工疵部分の断面要部拡大写真である。基礎実験終了後の別の試験片の人工疵部分の断面要部拡大写真である。

符号の説明

１Ａ…素材ビレット
１Ｂ…圧延材
１Ｃ…条材
２…加熱炉
３…デスケーリング装置
４…ロール
５…孔型

Claims

素材ビレットを加熱炉で加熱する加熱工程と、
その加熱炉から出た素材ビレットの周囲に形成されたスケールを、デスケーリング装置から吐出した高圧洗浄水で除去するデスケーリング工程と、
所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドのロールに設けた種々の孔型によって、前記素材ビレットで成る圧延材を複数パスに分けて順次圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げる圧延工程を有する条材の熱間圧延方法であって、
デスケーリング工程での高圧洗浄水の前記素材ビレット表面への衝突圧は、８０ｋＰａ以上であると共に、
圧延工程での前記圧延材の１パス毎の周方向の圧縮ひずみは、各パス共全て−０．５以上である
ことを特徴とする条材の熱間圧延方法。
素材ビレットを加熱炉で加熱する加熱工程と、
その加熱炉から出た素材ビレットの周囲に形成されたスケールを、デスケーリング装置から吐出した高圧洗浄水で除去するデスケーリング工程と、
所定の間隔をおいて複数配置した圧延スタンドのロールに設けた種々の孔型によって、前記素材ビレットで成る圧延材を複数パスに分けて順次圧延することで、その圧延材の断面積を順次減少させて所定の製品寸法の条材に仕上げる圧延工程を有する条材の熱間圧延方法であって、
デスケーリング工程での高圧洗浄水の前記素材ビレット表面への衝突圧は、２００ｋＰａ以上であると共に、
圧延工程での前記圧延材の１パス毎の周方向の圧縮ひずみは、各パス共全て−０．５以上である
ことを特徴とする条材の熱間圧延方法。
前記素材ビレットは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉのうち少なくとも１種類の合金元素を含有し、かつその含有量が０．１質量％以上であることを特徴とする請求項１または２記載の条材の熱間圧延方法。