JP5817430B2 - シートバーの接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、シートバー接合部の幅方向エッジ部周辺の接合性を改善することにより、完全連続熱間圧延での板破断を防止することが可能なシートバーの接合方法に関するものである。

熱延鋼板の製造プロセスでは、仕上板厚が薄いほど仕上圧延中に先端部の突っかけや尾端部の絞りや折れ込みといったトラブルが発生しやすく、復旧のためのロール組み替えや板切れした材料の除去に要する時間により、ラインの能率を大きく悪化させる要因となっている。これは、板圧延では圧延機各部のガタや圧延ロールの摩耗などによる設備上の非対称性、圧延材の非対称な温度分布、そしてシートバーの鼻曲がりと呼ばれる局所曲がりやキャンバと呼ばれる全長にわたる大曲り等により、圧延方向に対して圧延材が非対称に変形することが主な発生原因である。そして、特に張力のかからない先尾端部で不安定な圧延状態となりやすく、かつ仕上板厚が薄くなるほど影響を受けやすくなる。また、仕上板厚が薄くなるほど、仕上圧延後の冷却テーブル上にて先端部のフライング現象（空気抵抗による浮き上がり現象）が発生しやすいことから圧延速度を低下させる必要があり、圧延能率上のネックとなっている。このようなことから、従来の１本のスラブより１つ熱延鋼板コイルを順番に製造するバッチ圧延プロセスでは、製造可能な最小板厚が１．２ｍｍ程度に限られていた。

このような状況を打開するための対策として、熱間スラブを粗圧延した後、先行シートバーの尾端部と後行シートバーの先端部を接合して仕上圧延することにより、複数本のスラブから連続して複数の熱延鋼板コイルを製造する完全連続熱間圧延方法が実用化されている。完全連続熱間圧延方法では、最先端のコイルの先端部と連続化最後のコイルの尾端部以外では、仕上圧延中は張力を負荷した状態でほぼ定常的な圧延状態となるため、仕上圧延機内での通板が非常に安定し、絞り等のトラブルもほとんど発生することなく圧延が可能である。そして、走間板厚変更技術や走間コイル切断、巻き取り技術等と組合せ、１．０ｍｍ以下の薄物熱延鋼板を含め、異なる仕上板厚の熱延鋼板コイルの連続製造も可能となっている。

実用化されているシートバーの接合方式としては、シートバーの接合面を融点近傍まで加熱し、接合面をアップセットすることにより接合するものである。

その際、接合面近傍の加熱は誘導加熱方式にてシートバーの板厚方向に磁束を貫通させ、誘導電流によるジュール熱により急速に昇温し、わずか数秒の間で加熱、アップセットを終了する技術が提案されている（例えば特許文献１）。

また、接合部の板幅方向エッジ周辺の温度を上げて接合性を向上させるため、接合部の両エッジの外側にエッジ加熱専用の高周波コイルを設置することが提案されている（例えば特許文献２）。

また、同じくエッジ部周辺の接合性を向上させる技術として、板厚方向に貫く交番磁界を印加して接合部を幅方向の全域にわたって加熱・昇温するとともに、温度変動の大きい領域には該交番磁束と逆向きの交番磁束を発生させることにより、エッジ部の温度分布を改善する技術が提案されている（例えば特許文献３）。

そして、接合部のエッジ部周辺に磁性体を配置して板厚方向に貫く交番磁界を印加することにより、エッジ部の温度分布を改善する技術が提案されている（例えば特許文献４）。

特開昭６２−２３４６７９号公報 特開平７−１６４０１８号公報 特開平８−１２０３号公報 特開平８−１２０２号公報 特開平９−８５３１０号公報

しかし、前記した誘導加熱によるシートバー接合加熱方式に関する従来技術では、各々以下のような問題点を有していた。

特許文献１に開示されている技術では、交番磁界によって発生する周回電流が接合部のエッジ部付近を迂回する現象が発生するため、半溶融状態となっている板幅中央部にくらべて、エッジ部近傍は温度が上がらず低温で硬度が高くなる。このため、接合面を突合せてアップセットする際、このエッジ周辺の未溶融部分が抵抗となってアップセット荷重が増大し、板幅中央のアプセット量を充分確保できず、全体の接合状態に悪影響を及ぼすことが不可避であり、仕上圧延の通板中に板破断が起こる確率が高くなるという問題点があった。

また、特許文献２〜特許文献４に開示されている技術は、特許文献１にて問題となるエッジ部温度の改善方法として考案された技術であり、まず、特許文献２は接合部全域に交番磁束を印加するための誘導加熱コイルとは別のエッジ部専用の誘導加熱コイルを配置してエッジ部温度の改善を図るものであり、確実にエッジ部の温度を改善する効果は認められるものの、設備の大型化と建設コストの増大が不可避であった。

そして、特許文献３ではエッジ部温度の改善は認められるものの、依然として再エッジ部近傍では迂回電流により温度上昇がほとんど得られないことから、エッジ部の接合性に問題を残していた。

また、特許文献４ではエッジ部周辺に磁性体を配置し、磁束密度を高めることによりエッジ部周辺の温度上昇量を改善するものであるが、エッジ部の温度を改善する効果は認められるものの、磁性体の配置のために加熱用コイルの上下位置調整等が必要であり、設備の大型化が不可避であった。

本発明は上述した従来技術の問題点を克服すべく鋭意検討を重ねてなされたものであり、接合装置の大型化を伴うことなく、シートバー接合部の幅方向エッジ部周辺の接合性を改善することにより、完全連続熱間圧延での板破断を防止することが可能なシートバーの接合方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ね、シートバー接合部のエッジ部周辺の接合性を改善することにより、完全連続熱間圧延での板破断を防止することが可能なシートバーの接合方法を想到した。本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであり、以下のような特徴を有する。

［１］熱間圧延ラインの仕上圧延の直前にて、先行シートバーの尾端部と後行シートバーの先端部をシャーにてせん断した後に加熱、アップセット接合して連続的に仕上圧延することにより、複数本のスラブから連続して複数の熱延鋼板コイルを製造する完全連続熱間圧延方法において、先行シートバーあるいは後行シートバーの少なくとも一方の接合端面の幅方向両エッジ部をテーパ状に面取り成形した後に加熱、接合を行うことを特徴とする、シートバーの接合方法。

［２］熱間圧延ラインの仕上圧延の直前にて、先行シートバーの尾端部と後行シートバーの先端部をシャーにてせん断した後に加熱、アップセット接合して連続的に仕上圧延することにより、複数本のスラブから連続して複数の熱延鋼板コイルを製造する完全連続熱間圧延方法において、先行シートバーと後行シートバーのそれぞれの接合端面の板幅中心に対して幅方向に点対称のエッジ部をテーパ状に面取り成形した後に加熱、接合を行うことを特徴とする、シートバーの接合方法。

［３］接合端面の幅方向エッジ部に成形するテーパ形状を、板幅方向の板幅端部からの長さを５０ｍｍ以上、長手方向の長さをアップセット量の５０％以上でかつアップセット量以下とすることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のシートバーの接合方法。

本発明によれば、接合装置の大型化を伴うことなく、シートバー接合部の幅方向エッジ部周辺の接合性を改善することにより、完全連続熱間圧延での板破断を防止して安定した圧延が可能となる。

本発明の実施形態１によるシートバーの接合方法を示す図である。 本発明の実施形態２によるシートバーの接合方法を示す図である。 本発明の実施形態３によるシートバーの接合方法を示す図である。 本発明の実施形態によるシートバーのエッジ部のテーパ形状を示す図である。 従来のシートバーの接合方法を示す図である。 シートバーの誘導加熱による誘導電流の流れを示す図である。

本発明の実施形態について、図１〜６に基づいて説明する。

図６は、従来のシートバー接合法、すなわち先行シートバー１の尾端部と後行シートバー２の先端部を、各々、シャーにて板幅方向に一直線に切断し、矩形形状となったシートバーの接合面同士を数ｍｍ隔てた状態に保ちながら誘導加熱コイル３にて交番磁束を印加している状態である。この際、各々のシートバー先尾端近傍に誘導電流６が発生して接合面近傍の温度が急激に上昇する。通常、シートバーの板厚は２５ｍｍ〜５０ｍｍ程度であり、仕上圧延前の温度は１０００℃〜１１００℃程度である。この温度からシートバー先尾端を加熱して接合を行うが、鋼の溶融が始まる温度（固相線）は含有する炭素量によって変化するものの、薄板用途として使われる成分の鋼種を半溶融状態として接合するためには、少なくとも１４５０℃〜１５００℃程度まで加熱する必要がある。完全連続熱間圧延では、先行材を仕上圧延しながら後行材との接合を行う必要があることから、設備スペースや加熱効率の観点から少なくとも２００℃／ｓｅｃ程度以上の昇温能力を持つ誘導加熱装置を用い、アップセットまで含めて数秒の間に接合を完了することが望ましい。しかしながら、本方式によって発生する誘導電流は、特性上、図６に示すように矩形シートバーの角部を迂回してしまうため、板幅中央部を固相線以上の温度まで加熱したとしても、板幅方向エッジ部周辺の温度を大きく上昇させることは困難である。また、誘導加熱装置の出力を極端に上げてエッジ部周辺温度を固相線以上とした場合、板幅中央部付近の温度が液相線を超えて溶け落ちてしまうため、通常は板幅中央部の温度が固相線以上、液相線未満の間となるように加熱条件を設定している。

図５は、従来のシートバー接合法にて接合面近傍を加熱し、両シートバーをアップセットして接合する状況を示す図であり、塗り潰し領域４は半溶融状態の領域を表している。通常、エッジから５０ｍｍ程度までは迂回電流による昇温不足領域であり、アップセット時にも完全な固体の状態である。アップセットにより、半溶融部４は上下方向に押し出されながら変形が進行して接合状態となるが、エッジ部は完全な固体状態のまま強接触するため、板幅方向の外側に向かって両エッジが張り出す方向に塑性変形する。このような状況では、エッジ部の強接触部がアップセット変形に抗する抵抗となっており、必要以上に大きなアップセット力が必要となる。このため、特に高張力鋼などの硬質材や広幅材ではアップセット荷重が高荷重となってしまうことから、仕上圧延を実施するために十分な接合強度を得るためのアップセット変形を加えることが困難となる。特に、近年、地球環境問題により自動車軽量化のニーズが急拡大し、薄板の高張力化に対する要求が急速に高まっており、強度を上げるためにＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏといった合金成分が多用されている。これら強化合金のうち、Ｃｒ、Ｍｏ等の酸化物の融点は鋼の融点より数百度℃も高いことから、シートバーの接合時には接合界面に固体として残存しやすく、接合強度を低下させる要因となっている。また、Ｓｉ、Ｍｎ等は融点が鋼の融点より低く、半溶融状態の鋼に混じって凝集して酸化され易く、シリカ，酸化マンガンとなると融点が高くなって固化して残存し、接合強度を低下させる要因となる。このことから、アップセット変形による上下方向の材料流れにより、接合界面付近の酸化物を接合界面より排出することが望ましく、必要十分なアップセット量を実現することが重要である。なお、ここでのアップセット量は、両シートバーの圧縮方向の移動量と定義する。

そこで本発明者らは、このエッジ低温部による抵抗を減じ、アップセットによる酸化物の排出を促進して接合強度を向上させる手段として、シートバー接合時に幅方向エッジ部をテーパ状に成形することを着想した。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１によるシートバーの接合方法を示す図である。図１は、先行シートバー１の尾端部と後行シートバー２の先端部の誘導加熱を行う以前に、接合端部の幅方向の両エッジ部をテーパ状に成形した例である。幅方向両エッジ部をテーパ状に成形するためには、例えば特許文献５に開示されているようなシートバーの先端部と尾端部を各々別のせん断刃にて切断することが可能なシャーを用い、板幅方向両端部に傾斜部を有するせん断刃を先端用と尾端用で逆向きに設置して切断すればよい。あるいは、シャーにてシートバーの先端と尾端を板幅方向に一直線に切断し、矩形形状となったシートバーの板幅方向両端部をテーパ状に切断する別のせん断装置を用いることも可能である。このように板幅方向の両エッジ部をテーパ状に成形したシートバーを誘導加熱してアップセットすることにより、幅方向エッジ周辺の完全固体部を強接触することが防止できることから、半溶融部の上下方向の流出変形が促進される。さらに、図１に示した形状のテーパを有するシートバーをアップセットした場合、接合界面の溶融部が板幅方向へも絞り出されるため、接合界面からの酸化物の排出が大きく促進される。

図４は、テーパ部５を拡大した図である。本発明者らの検討によると、誘導加熱による誘導電流の迂回特性より、従来の接合方法では幅方向エッジより５０ｍｍ程度の長さの範囲が非接合状態となることが不可避であった。このため、この実施形態１では幅方向テーパ部の板幅方向の長さａを５０ｍｍ以上としている。また、先行材尾端と後行材先端の幅が異なる場合は、狭幅材の端部から５０ｍｍ以上を幅方向長さａとした。なお、幅方向長さａが大きすぎると接合部破断となるため１００ｍｍを上限とするとよい。

テーパ部の長手方向の長さｂは、アップセット時の片方のシートバーの移動量、すなわちアップセット量の５０％より小さい場合にはエッジ部の固体同士の接触が発生する可能性があることから、この実施形態１ではアップセット量の５０％以上としている。また、長手方向の長さｂを必要以上に長くすると、シャーのせん断刃の傾斜角度が大きくなってこの部分でのせん断が困難になることから、テーパ部の長手方向の長さｂをアップセット量以下と規定している。

［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２によるシートバーの接合方法を示す図である。図２に示すように、この実施形態２では、先行シートバーの尾端部を板幅方向に一直線にせん断し、後行シートバーの先端部の両エッジ部をテーパ状に成形している。

［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３によるシートバーの接合方法を示す図である。図３に示すように、この実施形態３では、先行シートバーの尾端部の板幅方向の片方のエッジ部をテーパ状に成形し、後行シートバーの接合部板幅方向中心に点対称の他方のエッジ部をテーパ状に成形している。これによって、例えば板幅方向にせん断刃がシフトする機構を有するせん断装置を用いることにより、様々な板幅のシートバーに対して、同等なテーパ形状を成形することが可能である。

いずれも、誘導加熱にて昇温不足となる幅方向エッジ部が接合時に抵抗となることを防止することが可能であり、かつ板幅方向への酸化物の排出も促進される。

以上の実施形態１（図１）、実施形態２（図２）、実施形態３（図３）では、いずれもその効果は同等であり、シャー設備や接合する材料の板幅の範囲などを勘案してその形式を選択すればよい。

本発明の実施例について、表１に基づいて説明する。

対象とした材料は、常温での引張強さが５９０ＭＰａ級の高張力鋼であり、シートバー寸法は先行材、後行材ともに厚み２８ｍｍ、板幅１３００ｍｍである。また、全ての条件にて接合加熱前のシートバー温度が１０５０℃程度となるように加熱温度を設定した。シートバー接合部を加熱するための誘導加熱条件は、周波数１ｋＨｚ、投入電力は１０６０ｋＷとした。接合装置前のシャーのせん断刃の形状を変えることにより、先行材の尾端部と後行材の先端部を各々、図１〜図３および図５に示した形状に成形し、加熱、接合を行った。アップセット量は１５ｍｍと２５ｍｍの２水準とした。そして、シートバーの接合後、仕上圧延前に設置してある別のシャーを用い、長手方向に接合部を跨いで５００ｍｍ程度の長さのサンプルを切り出し、常温まで冷却後に接合部の状況を観察した。

表１に、各接合条件での接合部のエッジ部未接合部長さ（両エッジの平均値）とアップセット荷重の比較を示す。

従来例である図５の従来の接合方式では、エッジ未接合部長さが１００ｍｍ程度もあるに対し、本発明例（本発明例１、２）では、いずれも３０〜６５ｍｍ程度と大きく改善した。そして、所定の同一量のアップセットを実施するために必要であった荷重も従来例より大幅に低減した。特に、本発明例１とした、テーパ部の板幅方向長さａが５０ｍｍ以上で長手方向の長さｂがアップセット量の５０％以上の場合には、アップット荷重が低く、エッジ未接合部長さが３０〜４０ｍｍと著しく改善した。

なお、表１の条件と全く同じ条件にてシートバーの接合を行った後に仕上圧延を行った。その際、仕上圧延後の冷却テーブル上に設置したＣＣＤ方式のカメラにて仕上圧延後の接合部を観察した。シートバー状態でのエッジ未接合部が、仕上圧延にて長手方向に拡大し、この状態でのエッジからの未接合部長さが５０ｍｍ未満であれば◎、５０ｍｍ以上１００ｍｍ未満であれば○、１００ｍｍ以上２００ｍｍ未満であれば△、２００ｍｍ以上であれば×と評価した。

従来例では、アップセット量１５ｍｍの条件にて仕上圧延機内で接合部が破断した（×）。また、アップセット量２５ｍｍの条件でも、仕上圧延後のエッジ部の未接合部長さが２００ｍｍ以上になった（×）。

これに対して、本発明例（本発明例１、２）では、全て◎または○の評価であり、安定した仕上圧延が可能であることを確認した。

１ 先行材
２ 後行材
３ 誘導加熱コイル
４ 半溶融部
５ テーパ部
６ 誘導電流

Claims (2)

1. 熱間圧延ラインの仕上圧延の直前にて、先行シートバーの尾端部と後行シートバーの先端部をシャーにてせん断した後に加熱、アップセット接合して連続的に仕上圧延することにより、複数本のスラブから連続して複数の熱延鋼板コイルを製造する完全連続熱間圧延方法において、先行シートバーあるいは後行シートバーの少なくとも一方の接合端面の幅方向両エッジ部をテーパ状に面取り成形した後に加熱、接合を行い、
   接合端面の幅方向エッジ部に成形するテーパ形状を、板幅方向の板幅端部からの長さを５０ｍｍ以上、長手方向の長さをアップセット量の５０％以上でかつアップセット量以下とすることを特徴とするシートバーの接合方法。
2. 熱間圧延ラインの仕上圧延の直前にて、先行シートバーの尾端部と後行シートバーの先端部をシャーにてせん断した後に加熱、アップセット接合して連続的に仕上圧延することにより、複数本のスラブから連続して複数の熱延鋼板コイルを製造する完全連続熱間圧延方法において、先行シートバーと後行シートバーのそれぞれの接合端面の板幅中心に対して幅方向に点対称のエッジ部をテーパ状に面取り成形した後に加熱、接合を行い、
   接合端面の幅方向エッジ部に成形するテーパ形状を、板幅方向の板幅端部からの長さを５０ｍｍ以上、長手方向の長さをアップセット量の５０％以上でかつアップセット量以下とすることを特徴とするシートバーの接合方法。