JP4612265B2 - 薄ストリップの熱間圧延 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、典型的には７００℃以上の薄ストリップの熱間及び温間圧延に関する。ストリップの形状補正が重要である双ロール圧延機での直接鋳造で造られた薄鋼ストリップのインライン圧延に特に適用されるが、それに限定するものではない。
【０００２】
【従来の技術】
双ロールストリップ鋳造の近年の開発により、鋼ストリップをほぼ５ｍｍ以下程度、典型的にはほぼ３ｍｍ以下程度の厚に製造可能となった。斯かるストリップは鋳造機から製造されたときにインライン熱間圧延機で圧下することにより更に厚を減少させることができる。斯かるストリップの更なる厚減少のための熱間圧延時に、圧延機ワークロール入側ストリップ材料の捲縮(crimping:クリンピング)によりストリップに重大な欠陥が生じ得ることが見出されている。斯かるクリンピング欠陥は比較的軽微で、ストリップ表面上に見られる湾曲線として現れ得る。しかしながら、特に非常に薄いストリップを圧延する場合、ストリップ捲縮部が圧延前に折り重なってしまい得ることによりストリップの一部が甚だしく肉薄になって割れ、非常に厳しい欠陥となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
斯かる捲縮欠陥は、ストリップ厚の変動及び結果的なストリップ幅方向の減少変動によるものであることが判明している。典型的には、ストリップ中央部はストリップ端部よりも高率の減少を受け、即ち、ストリップ幅方向にわたって「ウエーブ」("waves")が生じ得る。後者はストリップ長さ方向に沿った「ウエーブ」として発現する。圧延機による圧下作用で、ストリップ肉薄部よりもストリップ肉厚部に後方滑り(backwards slip)が生じる。従って、ストリップ肉厚部は長手方向の圧縮を受け、他方、ストリップ肉薄部は張力を受け、それが座屈を引起こす。そして座屈部はストリップに巻き込まれて、下流側形状欠陥を引起こす。極端な場合、ストリップは座屈部で完全に折り重なり得、折り重なった材料が巻き込まれて厳しい欠陥を生じる。ストリップ幅方向のストリップ厚変動がストリップ幅方向の小部分に局部集中した場合、その結果はストリップ捲縮の局部集中となり得る。捲縮の程度は、ストリップ幅方向の厚の差の大きさ、及び、圧下の差で影響されるストリップ幅の程度に関連する。
【０００４】
約３ｍｍ厚以下の薄鋼ストリップの熱間圧延時の捲縮は、圧延機入側ストリップが所定限度内の張力を受けることを確実にすることにより本質的に制御できることを、我々は見出した。更に明細には、それが、捲縮を起こす種類のストリップ座屈を避けることができる特定の張力を掛けると共にその張力を、ストリップを害する(ネッキングや破断に至る)過剰ストリップ捲縮を避けるための上限以下に維持することにより可能となることを見出した。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示した実施の形態により、一対のワークロール間のロールバイト部を介しストリップを送給し、ワークロール間にストリップ圧搾力を加えてストリップ厚を減少させることからなる薄鋼ストリップの熱間圧延方法において、
ストリップが双ロール鋳造機の直接鋳造により３ｍｍ以下の厚みに製造したマンガン／珪素キルド鋼ストリップであり、ストリップを９００℃〜１２００℃の範囲の温度でワークロール間で熱間圧延し、ワークロール間のロールバイト部手前でピンチロールに通してワークロールを通る鋳造ストリップに張力を掛けることにより、該張力の強さを、ロール手前でストリップ伸長を引起こしてストリップ幅方向の不均一な圧下によりロール手前でストリップに生じる圧縮応力に対抗させてワークロール下流のストリップ形状欠陥を４００Ｉユニット以下にするよう充分強く、且つ、クリープにより１％以下のストリップ伸長しか生じないよう充分弱いものとすることを特徴とする薄鋼ストリップの熱間圧延方法が提供される。クリープにより１％以下の伸長しか生み出すことができない張力は、アメリカ金属協会及びAIME冶金協会、巻１３（１９８２年１月）、ピー・ジェイ・ワレィ(P.J.Wray)「高温単純炭素鋼の塑性流における炭素含量の効果」に記述されているようにして決められた。
【０００６】
ストリップは、圧延前には２．５ｍｍ厚を超えることもあり得るが、約０．５ｍｍ以下もの薄さの圧延前厚を有することもできる。
【０００７】
ストリップは少なくとも約９００℃の温度で熱間圧延できる。ストリップは約１２００℃にも至る温度で熱間圧延することもできる。ワークロールによるストリップ厚圧下程度は一般に約３５％以下であり、通常は最終ストリップ厚の顧客選択(customer choice)により決められる。
【０００８】
加えられる張力は、クリープによるストリップ伸長を０．５％以下に制限するようなものとすることができる。
【０００９】
好ましくは、ワークロールにより課されるストリップ厚圧下のストリップ幅方向の変化量が充分小さく、ワークロール下流の２００Ｉユニット以上のストリップ形状欠陥及び表面皺(surface creasing)を防ぐ。しかしながら、場合によっては、圧下変化が、４００Ｉユニットにも至る下流の形状欠陥及び表面皺を可能にし得る。造られたストリップはその幅方向において形状欠陥が変動する。これらのＩユニット値は最悪の場合のストリップ形状欠陥及び表面皺である。そのようにして造られた、圧延ストリップは典型的には、冷却後に工業用スキンパスミルで追加処理され、１００Ｉユニット以下の形状欠陥及び表面皺を有する比較的平らなストリップを造る。
【００１０】
Ｉユニットは造られたストリップの平坦度の指標である。Ｉユニットは式
【数１】
Ｉユニット ＝ (ｈ／ｌ)2 × ２４．６４９
によって決められる。但し、“ｈ”は頂点間振幅、“ｌ”はストリップの形状欠陥の頂点間距離（即ち、波長）である。時には操業上の慣例により、Ｉユニットを決めるこの式を使用するに際し、２４．６４９を２５に丸める。
【００１１】
張力は典型的にはストリップをワークロール手前で一対のピンチロールに通すことにより掛けられるが、追加のピンチロールをワークロール下流に用いてワークロール前後の張力を維持することもできる。ワークロールでの張力が大きいほど、所与の減少を達成するための圧延荷重が小さくなる。
【００１２】
本発明がより充分に説明できるよう、本発明による、適宜のストリップ張力の決定及び本発明による作動の圧延装置の１形を添付図面に関して幾分詳細に記述する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、圧延機の一対のワークロール２間のロールバイト部を通るストリップ１を概略的に示し、位置３に上流座屈があり、巻き込まれて下流欠陥４（形状欠陥及び表面皺、又は捲縮）を生じる。これが本発明の扱う問題を図示している。
【００１４】
圧延後の伸長の横方向変動も下流形状欠陥なので、付録で論じるように、捲縮の大きさはこの形状欠陥よりも小でなければならないことを示すことができる。特に、この明細書の付録では、圧延機入側の「捲縮」ストリップ歪み|ｄε0|が
【数２】
Figure 0004612265
で与えられることが示される。但し、|ｄεs|は伸長歪みとして表現される下流形状欠陥の大きさである。即ち、上流捲縮歪みは下流形状欠陥歪みよりも常に大きさが小さい。下流形状欠陥は捲縮歪みよりも計測し易く、下流処理で許容可能な最大形状欠陥が比較的良好に限定され、典型的には２００Ｉユニット以下である。とはいえ、場合によっては下流形状欠陥が４００Ｉユニットにも及ぶことがあり得る。上流捲縮歪みの大きさは下流ストリップ形状歪みよりも小でなければならないので、これにより通常圧延状態での斯かるストリップの最大予想捲縮歪みが与えられる。
【００１５】
本発明の扱う問題は、形状欠陥がストリップ幅方向に均一でない、双ロール鋳造機での鋳造で造られるような薄ストリップに向けられている。ストリップが充分に厚ければ、ストリップの曲げ剛性による伸長の横方向の変動があっても座屈は起こらない。以下の刊行物におけるサマーズら(Somers et al)による形状欠陥の場合、最小座屈歪みは経験的にストリップ厚及び幅に関連付けられている：サマーズ・アール・アールら(Somers R.R. et al)（１９８４）「熱間ストリッププロフィール、クラウン及びフラットナーを予測するための検査及びモデルの適用」、鉄と鋼エンジニア、９月号、３５〜４４頁。同じ理論を上流「捲縮」に当てはめることができる。図２は、所与のストリップ厚／幅比及びストリップ温度での座屈に必要な、対応する圧縮応力を示している。
【００１６】
２．５ｍｍ厚以下、１００ｍｍ幅以上のストリップについて、必要な圧縮応力は２Ｍｐａ（即ち、メガパスカル）以下である。典型的に存在する形状欠陥では座屈応力は容易に上限を超え、ほぼ５〜１０Ｍｐａ程度の応力である。１０ｍｍの肉厚ストリップでは座屈応力はほぼ１０〜２０Ｍｐａ程度であり、従って、座屈は起きそうにない。又、問題は典型的には従来の圧延薄ストリップにはない。何故なら、薄ストリップは従来の圧延機による圧縮で造られ、結果としてのストリップは、中央クラウンを有し、厚がストリップ幅方向に比較的均一なプロフィールだからである。
【００１７】
捲縮を防ぐのに必要な、加えられる張力はストリップのいずれの部分をも圧縮状態にせず、圧縮があったとしてもストリップの座屈限界以下である。ストリップは弾性伸長させ、ストリップの短い部分を、長くて比較的伸長した領域に合うよう伸ばさねばならない。この引張り応力ｔは、弾性率Ｅと、圧縮歪みｄε0として表現される最悪捲縮との積で与えられる。上記式（１）を用いて、入側張力は下流側形状欠陥に関連して次のように得ることができる。
【００１８】
【数３】
ｔ＝Ｅ|ｄε0|＝Ｅｄεs
【００１９】
最大許容可能な形状欠陥が２００Ｉユニット又は０．２％圧縮伸長であるなら、捲縮を避けるのに必要な、加えられる引張り応力ｔを計算できる。ストリップ弾性率は温度に依存しており、本目的のためには、実験データから
【数４】
Ｅ ＝ ４１ｅｘｐ（−Ｔ／３３０）ＧＰａ
でモデリングされた。但し、Ｔは摂氏の温度である。２００及び４００Ｉユニットの下流形状欠陥の捲縮を避ける、加えられる最小入側応力を、双ロール鋳造機で鋳放した典型的な珪素／マンガンキルド鋼ストリップについて、異なるストリップ温度での弾性率について図３に示す。その鋼の組成は例えば
炭素 ０．０５〜０．１０重量％
マンガン ０．５０〜０．７０重量％
珪素 ０．２０〜０．３０重量％
アルミニウム ０．００８重量％以下
である。
【００２０】
図３は４００Ｉユニット形状欠陥を持つ極端な例を示している。この余分な張力は、定常状態制御条件に到達する前の、鋳造・圧延の「頭」端で必要であり得る。
【００２１】
最大に加えられる張力は、ストリップの（ネッキング又は破断に至る）過剰なストリップクリープを避けるようなものでなくてはならない。クリープは、張力を掛けた熱間ストリップ圧延では、常にある程度生じる。所与の程度の歪みを生じるのに必要な引張り応力は、温度に、そしてはるかに少ない程度に、歪み速度に依存する。許容可能と思われる所与の最大歪みについて、最大引張り応力はクリープモデルを使用することにより歪み速度に対し予知できる。本件の場合、クリープ応力は次のモデルにより決定した。
【数５】
Figure 0004612265
但し、ε最大は許容される最大％クリープ歪み、ｕはストリップ速度（ｍ／分）、ｌは張力を掛けているストリップの長さ（ｍ）である。係数はこのグレードの鋼についての実験結果から見出した。これを図３では、６０ｍ／分のストリップ速度で、１ｍ離間した張力装置と圧延機との間の０．５％と１％の最大伸長クリープ歪みに対する応力上限として示す。例えば鋳造速度の同様な変動によりもたらされる歪み速度の倍加／半減でも、この応力はわずか５％しか変化しないことが見出された。
【００２２】
図３は、９００℃〜１２００℃の温度範囲にわたり確実に捲縮が生じないようにし且つ過剰ストリップクリープをも避ける（３ｍｍ以下の）薄ストリップの張力枠(tension windows)を示す。最大下流形状は、２００Ｉユニット又は４００Ｉユニットのいずれかであると仮定できる。前者は典型的な上限である。後者は鋳造の頭端又は尾端であり得るような典型的な極端な例を表わす。非捲縮の張力上限は伸長クリープが０．５％又は１％伸長以下であるようなそれであった。クリープにより１％以下の伸長しか生じない許容可能な張力は、上記したように、アメリカ金属協会及びAIME冶金協会、巻１３Ａ（１９８２年１月）、ピー・ジェイ・ワレィ(P.J.Wray)「高温単純炭素鋼の塑性流における炭素含量の効果」に記述されているようにして決められた。
【００２３】
これらの結果は上記で論じたマンガン／珪素キルド鋼についてである。アルミニウムキルド鋼については最大張力は、典型的には２５％減らされるが、これはストリップの組成次第である。典型的なアルミニウムキルド鋼は例えば約０．０６重量％の炭素、約０．２５重量％のマンガン、約０．１５重量％のアルミからなる。
【００２４】
必要な張力は、弾性率の増加によるストリップ温度の低下につれて増加することが見られる。典型的には、引張り応力の下限は、２００（４００）Ｉユニットについて、夫々、９００℃に対する約５（１１）Ｍｐａから、１２００℃に対する２（４）ＭＰａに及んだ。０．５％の最大ストリップ伸長に関し、同じ温度範囲にわたり、最大張力は３７〜１５ＭＰａであった。
【００２６】
図４は、本発明による操業できる、圧延機設備の一部を示す。この圧延機設備では、一対のピンチロール１３からなるピンチロールスタンド１２に薄鋼ストリップ１１が通され、ピンチロールにはピンチロールスタンド各側に一つずつ配した一対の流体圧シリンダユニット１４によりストリップ把持力が加えられる。
【００２７】
ピンチロールスタンド１２通過後、ストリップ１１は一連のローラ１５により形成されるテーブル上に支持され、それを経て、上下に配した一対のワークロール１７からなる圧延機１６へと通る。圧延機両側に配して上バックアップロール１８を介し作用する流体圧シリンダユニット（図示せず）によりワークロール１７間にストリップ圧下力が加えられる。ピンチロールスタンド１２と圧延機スタンド１６との間は、ストリップは密封されたエンクロージャ１９内に保持される。
【００２８】
本発明によれば、ピンチロールが操作されて、捲縮を避けるよう充分大きいが過剰なクリープを避けるよう充分小さい圧力を、圧延機入側ストリップに加える。
【００２９】
図示した装置は、出願人が現在知っている最良の実行方法を示すものとしての例示である。しかしながら、他の形の装置が実施可能である。特に、単一対のピンチロールはワークロール手前でストリップに張力を掛ける単純且つ効率的手段ではあるが、他の張力発生手段として例えば一連のピンチロール又はブライドルロール、好ましくは、圧延機下流のピンチロール、一連のピンチロール又はブライドルロールを用いることが可能である。
【００３０】
【付録】
形状と捲縮と間の対応
形状欠陥が起きるのは、圧延機での圧下がストリップ幅方向に均一でなく、従って、比較的大きく圧下される局部域が参考よりも下流に長めのストリップを生じる場合である。この長めのストリップは局部的に座屈する。ｄｒを比例的厚削減の程度の局部変化量、ｄεsをストリップ長さ（形状）に比例したストリップ歪み伸長の局部変化量とすると、ストリップ質量流の保持により、我々は
【数６】
ｄεs ＝ ｄｒ/(１−ｒ)
と示すことができる。但し、ｒは参考（平均）ストリップ圧下である。ストリップ形状許容限度は通常はっきり限定されている。
【００３１】
さて、圧延機の領域を考察し、幅方向に均一な速度で、従って、上流捲縮なしにストリップがこの領域に入ると仮定しよう。不均一な圧下があれば、質量流の保持から、伸長（形状）変動に応じた不均一な速度でストリップは圧延領域を出なければならない。特に、質量流の考慮から、出側速度ｕ出側は入側の速度ｕ入側と厚ｈ入側並びに出側厚ｈ出側に関し表現できる。数学的に、我々は次のように書くことができる。
【００３２】
【数７】
ｕ出側 ＝ ｕ入側ｈ入側/ｈ出側 ＝ ｕ入側/(ｌ−ｒ)
ｄｕ出側 ＝ ｕ出側ｄｒ/(１−ｒ) ＝ ｕ出側ｄεs
但し、ｄｕ出側はストリップ出側速度の変化量であり、第２の等式により下流ストリップ形状に依存する。圧下が大きいと出側速度が速くなる。一般に、この状況は起き得ない。何故なら、ロール速度とストリップ速度とは密に関連し、ストリップ形状からストリップ出側速度が恣意的に変化することは不正にロール速度が軸線に沿って変化する含みがあるからである。従って、圧延領域付近のストリップ入側速度がストリップ幅方向に沿って均一であるという仮定が正しいことはあり得ない。
【００３３】
さてここで、ストリップ出側速度が均一という、他の極端な場合を仮定しよう。同じ論を用い、圧延領域へのストリップ入側速度は以下で与えられる。
【００３４】
【数８】
ｕ入側 ＝ (１−ｒ)ｕ出側
ｄｕ入側 ＝ −ｕ出側ｄｒ ＝ −ｕ入側ｄｒ/(１−ｒ) ＝ −ｕ入側ｄεs
但し、ｄｕ入側は入側速度の変化量である。従って、局部相対ストリップ伸長の形の下流ストリップ形状欠陥により入側速度が減少させられる。ロールのはるか上流ではストリップ速度は均一であるので、ストリップが圧延領域に入ると局部的に緩やかにならねばならず（後方スリップ）、圧縮となる。従って、下流形状による対応するストリップ圧縮（負の張力）応力は
【００３５】
【数９】
Figure 0004612265
但しｄε0 ＝ ｄｕ入側/ｕ入側は上流捲縮歪みである。これで我々は下流形状欠陥に対する上流張力変化量に関する式を有する。この圧縮応力が大きすぎると、以前に述べた望ましくない効果で座屈が上流に起きる。この座屈に打ち勝つため、正の入側張力には、形状欠陥から最大圧縮張力に等しい大きさを加えることができる。
【００３６】
上記した２つのシナリオは２つの極端な場合であり、実際の状況では間（ほぼ中間）が起き、上記大きさの半分の上流及び下流両方のロール付近のストリップ速度（及び張力）変化が生じる。従って、上記応力式は上流圧縮の上限であるが、依然として生得の安全マージン付与にも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 双ロール鋳造機での直接鋳造により造られる３ｍｍ以下の薄ストリップの熱間圧延における、典型的な捲縮欠陥形成を概略的に示す。
【図２】 所与のストリップ厚／幅比及びストリップ温度での座屈に必要な圧縮応力をプロットしたグラフである。
【図３】 本発明により８５０℃〜１２００℃の温度で熱間圧延される場合の典型的な薄鋼ストリップの入側張力の上限、下限をプロットしている。
【図４】 本発明による薄鋼ストリップを熱間圧延するよう操業できるストリップ圧延機設備の一部を示す。

Claims (1)

  1. 一対のワークロール間のロールバイト部を介しストリップを送給し、
    ワークロール間にストリップ圧搾力を加えてストリップ厚を減少させることからなる薄鋼ストリップの熱間圧延方法において、
    ストリップが双ロール鋳造機の直接鋳造により３ｍｍ以下の厚みに製造したマンガン／珪素キルド鋼ストリップであり、ストリップを９００℃〜１２００℃の範囲の温度でワークロール間で熱間圧延し、ワークロール間のロールバイト部手前でピンチロールに通してワークロールを通る鋳造ストリップに張力を掛けることにより、該張力の強さを、ロール手前でストリップ伸長を引起こしてストリップ幅方向の不均一な圧下によりロール手前でストリップに生じる圧縮応力に対抗させてワークロール下流のストリップ形状欠陥を４００Ｉユニット以下にするよう充分強く、且つ、クリープにより１％以下のストリップ伸長しか生じないよう充分弱いものとすることを特徴とする薄鋼ストリップの熱間圧延方法。
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