JP5076707B2 - 縦縞鋼板圧延用カリバーロールと縦縞鋼板の圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管柱として使用される際にコンクリ一トとの密着強度を十分に確保できる縦縞鋼板の製造に供する縦縞鋼板圧延用ロールと縦縞鋼板の圧延方法に関するものである。

熱間圧延にて製造される縦縞鋼板は、鋼管工場にスパイラル鋼管素材として供され、そこでスパイラル状に巻き付けつつ溶接してスパイラル鋼管とされる。このようにして得られたスパイラル鋼管は、土木建築現場にて地盤中に立設され、この鋼管内へコンクリートを充填する鋼管柱として多用されている。
通常、スパイラル鋼管素材として供される縦縞鋼板は、板厚が9mm〜22mmであり、ピッチが板輻方向に30〜40mmである縦縞を有する。縦縞鋼板の板厚ｈとは、図７の斜視図に示した母板部５の厚みを指す。図７中、６は隣接する母板部５につながるリブ山部であり、このリブ山高さｈ₁は母板部５からの突出量で定義される。また、図８には、熱間仕上げ圧延機の最終スタンドの上圧延ロ一ル７にカリバーロールを、下圧延ロ一ル８に平ロールを組み込んで縦縞鋼板を圧延している状態を示した。

このように縦縞鋼板は、圧延方向に延びるリブ山部６と、リブ山部６につながる母板部５の部分が板幅方向に複数形成されてなる。この縦縞鋼板の製造方法は、図８に示したように、カリバー溝１の形状を最終圧延前の鋼板の表面に転写しつつ鋼板を圧延してリブ山部６を形成する。通常、カリバー溝の深さは、所望のリブ山高さ寸法よりも大きく設定されている。

ところで、縦縞鋼板を製造するにあたり、リブ山高さｈ₁を所定範囲内で高くすることが品質上重要である。つまり、縦縞鋼板のリブ形状は、鋼管柱として施工する際、コンクリートとの密着強度、ひいては鋼―コンクリート構造物を支える鋼管柱自体の強度に大きく影響する。このリブ山高さは、カリバー溝への材料の充填度により決定され、種々の圧延条件に大きく影響されることが知られている。このような観点から、縦縞鋼板の製造方法に関して様々な提案がなされている。

例えば、リブ山高さは、連続圧延の最終スタンドでの圧下量に大きく影響されることから、必要なリブ山高さを得るための圧延条件、すなわちリブ山高さとカリバー溝の深さの比をプリント率（＝リブ山高さ／カリバー溝の深さ）として定義し、プリント率を圧下量の関数として整理し、所望のリブ山高さを得るための最終スタンドの圧下量を決定する圧延方法が提案されている(特許文献1)。

また、縦縞鋼板とはリブ山部の配列が異なる菱目模様鋼板の製造方法が提案されている（特許文献2、3）。菱目模様鋼板とは、コンクリートとの密着強度を高めるため、互いにリブ山部を交差させ菱目模様に配列した鋼板であって、互いにリブ山部が交差していない縦縞鋼板とリブ山部の配列が異なる。
特開昭62-54502号公報 特開平1-245901号公報 特開平2-89503号公報

しかし、前記した従来技術は、各々以下のような問題を有する。
特許文献1に開示されている圧延方法は、カリバー溝への材料の充填度を高めるという技術思想がないから、カリバー溝への材料の充填度が不十分であるときの普遍的な対策となりえない。たとえば、圧延機の耐荷重やモータのパワーなどの設備的な制約によって、必要なリブ山高さを得るための圧下量を熱間仕上げ圧延機の最終スタンドで加えることができないケースがあるという問題を有する。

また、特許文献2、3に記載の菱目模様鋼板の製造方法にも、カリバー溝への材料の充填度を高めるという技術思想がないから、カリバー溝への材料の充填度が不十分であるときの普遍的な対策となりえない。また、縦縞鋼板とはリブ山部の配列が異なる菱目模様鋼板は、熱間圧延でリブ山高さが2mm以上の菱目模様を形成するため、上下方向の板反りに起因する材料上がりの発生が起こりやすく、安定操業が非常に難しいという製造上の問題を有する。

つまり、菱目模様の広がり角を調整することで材料上がり量の限界目安を圧延ロールの直径と同等にできるとしているが、ロ一ル摩耗などにより板反りが大きくなるという実操業での不安定要因を考慮すると、安定操業は難しい。また、安定操業が難しいので製品歩留まりが悪いという問題も有している。
本発明は、上記従来技術に鑑み、カリバー溝への材料の充填度を高めることが可能な縦縞鋼板圧延用ロールと縦縞鋼板の圧延方法を提案することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、カリバー溝部以外のロールバレル部にナーリング加工を施すことによってカリバー溝への材料の充填度を高めることができるとの知見に基づき本発明をなした。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
(1) 縦縞鋼板を製造するために熱間仕上圧延機の最終スタンドに用いる圧延ロールであって、カリバー溝部以外のロールバレル部にスパイラル状またはダイヤ目状のナーリング溝を形成するナーリング加工を施してなることを特徴とする縦縞鋼板用カリバーロール。
(2) 鋼板の片面のみに縦縞を有する縦縞鋼板を製造する方法であって、熱間仕上圧延機の最終スタンドの上下いずれか一方の圧延ロールとして(1)の縦縞鋼板用カリバーロールを用い、他方の圧延ロールに平ロールを用いることを特徴とする縦縞鋼板の圧延方法。
(3) 一方の圧延ロールとして(1)の縦縞鋼板用カリバーロールを用い、他方の圧延ロールに、縦縞鋼板用カリバーロールと同じナーリング加工をロールバレル部に施してなる平ロールを用いることを特徴とする(2)に記載の縦縞鋼板の圧延方法。

本発明によれば、カリバー溝への材料の充填度を高めることが可能な縦縞鋼板圧延用ロールと縦縞鋼板の圧延方法を実現できる。それによって、縦縞鋼板のリブ山高さを従来よりも所定範囲内で高くすることができ、その縦縞鋼板をスパイラル鋼管素材として用い、得られたスパイラル鋼管を鋼管柱として施工したときに、その鋼管柱とコンクリートとの密着強度を向上させることが可能となる。

まず、本発明の実施の形態にかかる縦縞鋼板用カリバーロールについて図２、図３を用いて説明する。
図２は第１実施形態にかかるカリバーロールを示す斜視図、図３は第２実施形態にかかるカリバーロールを示す斜視図である。第１実施形態にかかるカリバーロールには、カリバー溝１部以外のロールバレル部にスパイラル状のナーリング溝２がある。一方、第２実施形態にかかるカリバーロールには、スパイラル状のナーリング溝２の代わりに、ダイヤ目状のナーリング溝３、４がある。スパイラル状のナーリング溝２、ダイヤ目状のナーリング溝３、４はそれぞれ公知のナーリング加工により形成したものである。

前者の加工法をスパイラルナーリング加工、後者の加工法をダイヤ目ナーリング加工と称する。スパイラルナーリング加工によれば、図２に示したように、ロールバレル部の表面にロール軸方向に対してφだけ傾斜させたナーリング溝２を形成することができ、ダイヤ目ナーリング加工によれば、図３に示したように、ロールバレル部の表面にロール軸方向に対してφ₁、φ₂だけ傾斜させたダイヤ目状のナーリング溝３、４を形成することができる。ここで、本発明に適用したナーリング加工は、ローレット加工とも呼ばれ、専用のカッタにて金属表面に凹凸の模様を形成する加工法であり、主に丸物の外周表面に滑り止めとして凹凸を付与する加工法である。

なお、図４は第１、第２実施形態にかかる各カリバーロールに形成したカリバー溝１の形状を示す断面図である。各カリバーロールには、ロールバレル部の円周方向に沿ってカリバー溝１が所定ピッチで複数個所に形成されている。このカリバー溝１の形状は、カリバー溝の深さｄ、底面幅ｗ、カリバー壁面の傾斜角度θ、角部Rで規定される。通常、カリバー溝の深さdは、所望のリブ山高さ寸法よりも大きく設定されている。このような形状を有するカリバー溝１は、従来のカリバーロールにも付与されていたものである。リブ山高さに影響を与えるカリバー形状パラメータは、カリバー溝の深さｄのほかに、底面幅W、カリバー壁面の傾斜角度θ、カリバー溝１間のピッチPが挙げられる。

本発明の縦縞鋼板用カリバーロールは、カリバー溝１部以外のロールバレル部にナーリング加工を施してなることが特徴である。
以下では、本発明者らがロールバレル部にナーリング加工を施してなるカリバーロールを着想するに至る経緯について述べる。
本発明者らは、実験と数値解析によって、前記カリバー形状パラメータのリブ山高さへの影響、圧延ロールと材料間の摩擦係数や鋼板に付与する前後方張力、ロールクラウン等の影響を調査し、リブ山高さ形成メカニズムについて総合的な検討を実施した。

その結果、リブ山高さの形成には、圧延中にリブ山部周辺に作用する圧延方向応力、すなわち、前後方張力分布が大きく影響しており、カリバー形状や圧延条件によって張カ分布が変化することにより、リブ山高さが変化することを見出した。図7には、縦縞板圧延における圧延方向の伸びElを模式的に示した。
被圧延材の平板を縦縞鋼板用圧延ロールで圧延した場合、リブ山部はそれにつながる母板部に比べて圧下量が小さいため、圧延方向の伸びＥlが小さくなる。これは、縦縞鋼板のように、板幅方向の材料流れの起こりやすさを表す板厚/板幅の比が小さい圧延では、最板幅端部を除く大部分において平面歪状態と近似でき、圧下量と圧延方向の伸びが略比例関係となるからである。

このような場合、圧延方向の伸びの小さいリブ山部は、圧延方向の伸びが大きい母板部に引っ張られて強制的に圧延方向に伸ばされてしまい、リブ山部高さが低減することになる。
要するに、リブ山高さを高くするためには、リブ山部に働く圧延方向応力を圧縮傾向とすればよいのであるが、リブ山部周辺のみを局所的に圧縮傾向とすることは困難である。したがって、ロ一ルバイト内全体にわたって圧縮傾向とすることでリブ山高さを高くすることにした。図５は、2次元圧延理論式によって縦縞鋼板圧延での変形を計算した際のリブ山高さの計算結果例であり、横軸に、被圧延材の鋼板に付与する前後方張力を取り、それがリブ山高さに及ぼす影響を示している。
（2次元圧延理論式の解析条件）
カリバー形状：底面幅ｗ＝7.8mm、カリバー傾斜角θ＝60°、カリバー溝間ピッチｐ＝36.3mm。
圧延条件：圧下量＝14mm（圧延前の板厚：32 mmと圧延後の板厚18mmとの差）、圧延ロールの直径＝700mm、ロールと材料間の摩擦係数＝O.25、前後方張力は同じ値。

この2次元圧延理論式による解析結果によれば、リブ山高さは、圧延方向に圧縮応力が作用するほど高くなり、引張力が作用するほど低くなっている。
この知見をもとに、本発明者らは実用的で普遍的なリブ山高さ改善方法について鋭意検討を重ねた。その結果、圧延ロ一ルと材料間の摩擦係数を高くすることにより、リブ山部周辺に作用する圧延方向の圧縮傾向が大きくなり、リブ山高さを高くすることが可能であることを見出した。

圧延での摩擦係数を高くするためには、圧延ロールの表面粗度を大きくすることが一般的であるが、通常、圧延ロールの表面は研削加工によって仕上げられていることから、圧延ロールの表面粗度のみによって摩擦係数を大幅に高くすることは困難である。例えば、熱間仕上圧延では、圧延ロールと材料間の摩擦係数は一般にO.20〜O.30であると言われている。そして、研削加工によって仕上げられるロール表面の粗さは、通常、たかだかRa(中心線平均粗さ)にて1〜2μmm程度であり、この程度の粗さでは熱間圧延にてすぐに摩耗して平滑化するか、あるいはロ一ル表面に黒皮と呼ばれる酸化膜が形成され、ほとんど無視できる程度となってしまう。

そこで、本発明者らは、縦縞鋼板圧延における摩擦係数を高める手段として、カリバーロールのカリバー溝部以外のロールバレルに前述したナーリング加工によりナーリング溝を形成することを着想したのである。このナーリング溝の作用・効果は、基礎実験と計算により確認した。まず、カリバーロールに従来の研削加工を施し、カリバー溝部以外のロールバレルの表面を従来の研削加工面に仕上げ、次いで、スパイラルナーリング加工、ダイヤ目ナーリング加工を施して実験用カリバーロールを作成した。実験用カリバーロールと、平圧延ロールを実験用の圧延機に組み込んで縦縞鋼板圧延を行い、実測圧延荷重と計算荷重を比較することにより、カリバーロールと材料間の摩擦係数を推定した。

その結果、従来の研削加工面に仕上げた場合、摩擦係数＝0.25、スパイラルナーリング加工を施した場合、摩擦係数＝0.50、ダイヤ目ナーリング加工を施した場合、摩擦係数＝0.55であった。
図6には、この結果に基づき、縦縞圧延条件におけるロールバイト内での圧延方向応力分布を、前記した2次元圧延理論式により計算した例を示した。圧延条件のうち摩擦係数以外の条件は、図５と同じとした。ただし、前後方張力は０とした。図６の縦軸で正の値が圧縮応力を示している。

カリバー溝部以外のロールバレル部にナーリング加工を施してなるカリバーロールを用いることにより、従来のカリバーロールを使用した場合に比べ、ロールバイト内での圧延方向の圧縮応力の最大値が2倍にまで上昇する効果があることがわかる。このことから、第１、第２実施の形態にかかるカリバーロールを、熱間仕上圧延機の最終スタンドの上下いずれか一方の圧延ロールとして用い、残った方の圧延ロールに平ロールを用いることで、リブ山高さを高くする効果が大きいことを知見した。

なお、ナーリング加工を施してなるカリバーロールを用いることにより、ナーリング加工を施してない従来のカリバーロールに比べて、製造した縦縞鋼板を鋼管柱とした際、コンクリートとの密着強度が高まることも期待できる。
また、片面のみに縦縞を有する縦縞鋼板を製造するには、ナーリング加工を施してなるカリバーロールを熱間仕上圧延機の最終スタンドの上下いずれか一方の圧延ロールとして用い、他方の圧延ロールに平ロ一ル（従来の研削加工仕上ロール）を用い、圧延する。この際、材料と上下の圧延ロ一ル間の摩擦係数の差に起因して上下方向に鋼板が反る現象が発生する恐れがある。この現象については、特許文献2、特許文献3にも説明されているように、平ロ一ルにも、反対側に組み込むカリバーロールと同様のナーリング加工を施しておくことが好ましい。このようにすることによって材料と上下の圧延ロ一ル間の摩擦係数の差を小さくでき、縦縞鋼板を製造する際、上下方向の板反りが大きく緩和できる。

また、表裏両面に縦縞を有する縦縞鋼板を製造するには、上下の圧延ロールに本発明によるカリバーロールを適用すればよい。

以下、圧延スタンドが２基である仕上圧延機により片面のみに縦縞を有する縦縞鋼板の圧延を行い、リブ山高さと圧延での材料上がり量を調査した結果について述べる。
第1番目の圧延スタンドでは、板厚を43 mmから32mmに減厚し、第2番目の圧延スタンドでは板厚を32mmから18mmに減厚して縦縞鋼板とした。
その際、発明例１は、第2番目の圧延スタンドの上圧延ロ一ルに、スパイラルナーリング加工によりロールバレル表面を仕上げたカリバーロールを組み込み、下圧延ロールに研削加工あるいは上ロールと同じ加工によりロールバレル表面を仕上げた平ロールを組み込んだ。

発明例２は第2番目の圧延スタンドの上圧延ロ一ルに、ダイヤ目ナーリング加工によりロールバレル表面を仕上げたカリバーロールを組み込み、下圧延ロールには研削加工あるいは上ロールと同じ加工によりロールバレル表面を仕上げた平ロールを組み込んだ。
従来例は、第2番目の上圧延スタンドに、研削加工によりロールバレル表面を仕上げたカリバーロールを組み込み、下圧延ロールに研削加工によりロールバレル表面を仕上げた平ロールを組み込んだ。ただし、第1番目の圧延スタンドには平ロールを上下の圧延ロールに組み込んだ。

その他の条件は以下のとおりとした。
上下の圧延ロ一ルの直径＝700mm。
カリバ一溝の形状：深さd＝4.5mm、底面幅ｗ＝7.8mm、カリバー壁面の傾斜角度θ＝60°、カリバー溝間のピッチｐ＝36.3mm。
ナーリング形状：スパイラルナーリング角度φ＝45度、ダイヤ目ナーリング角度φ₁、φ₂＝45度。ナーリング溝の深さ＝O.5mm、ナーリング溝のピッチ＝1mm。

図1に従来例と比較して、発明例１、２のリブ山高さと圧延での材料上がり量の結果を示した。
ただし、リブ山高さは縦縞鋼板の圧延を行った後、コイル冷却後に測定した。また、材料上がり量XDは圧延中の状況を写真撮影し、写真からパスラインを基準とした反り量を測定し、圧延ロールの直径に対する比（反り量／圧延ロールの直径）で示した。

図1に示した結果から、従来例に比べて発明例１、２では、30%程度リブ山高さが高くなっており、カリバー溝への材料の充填度を高めることができていることがわかる。
また、第2番目の圧延スタンドの平ロールにも、反対側に組み込むカリバーロールと同様のナーリング加工を施した場合には、材料上がり量XDも小さく、安定した圧延が可能であつた。

なお、圧延の進行に伴いナーリング溝も摩耗するので、カリバーロールの改削周期に合わせて再度ナーリング加工を施せばよい。

本発明の効果を示す特性図である。 本発明の第１実施形態にかかるカリバーロールを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかるカリバーロールを示す斜視図である。 カリバー溝の形状を示す断面図である。 リブ山高さに及ぼす、前後方張力の影響を示す特性図である。 圧延中のロールバイト内での圧延方向応力分布を示す特性図である。 縦縞鋼板圧延での圧延方向伸びを説明する斜視図である。 熱間仕上圧延機の最終スタンドでの圧延状態を示す側面図である。

符号の説明

１ カリバー溝
２、３、４ ナーリング溝
５ 母板部
６ リブ山部
７ 上圧延ロ一ル
８ 下圧延ロ一ル
φ、φ₁、φ₂ ナーリング角度
ｗ 底面幅
θ カリバー壁面の傾斜角度
p カリバー溝間のピッチ
d カリバー深さ
El 伸び
ｈ₀ 板厚（母板部の厚み）
ｈ₁ リブ山高さ

Claims (3)

1. 縦縞鋼板を製造するために熱間仕上圧延機の最終スタンドに用いる圧延ロールであって、カリバー溝部以外のロールバレル部にスパイラル状またはダイヤ目状のナーリング溝を形成するナーリング加工を施してなることを特徴とする縦縞鋼板用カリバーロール。
2. 鋼板の片面のみに縦縞を有する縦縞鋼板を製造する方法であって、熱間仕上圧延機の最終スタンドの上下いずれか一方の圧延ロールとして請求項1の縦縞鋼板用カリバーロールを用い、他方の圧延ロールに平ロールを用いることを特徴とする縦縞鋼板の圧延方法。
3. 一方の圧延ロールとして請求項１の縦縞鋼板用カリバーロールを用い、他方の圧延ロールに、縦縞鋼板用カリバーロールと同じナーリング加工をロールバレル部に施してなる平ロールを用いることを特徴とする請求項２に記載の縦縞鋼板の圧延方法。
   

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