JP6164315B1 - 鋼帯のノッチング設備、鋼帯のノッチング方法、冷間圧延設備および冷間圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、接合部破断（溶接部破断）を生じることなく冷間圧延することを可能にする、鋼帯のノッチング設備、鋼帯のノッチング方法、冷間圧延設備および冷間圧延方法を提供する。【解決手段】先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端との接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング設備であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部をせん断加工により１段目のノッチを形成するせん断加工手段と、当該接合部の鋼帯幅方向両縁部の端面を研削により２段目のノッチを形成する研削手段とを備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。【選択図】図６

Description

本発明は、鋼帯の接合部にノッチングを施すためのノッチング設備、同じくノッチング方法、冷間圧延設備および冷間圧延方法に関する。

鋼帯の冷間圧延工程においては、生産性の向上や歩留りの向上を目的に、先行材（先行鋼帯）の後端と後行材（後行鋼帯）の先端とを接合し、連続的に冷間圧延ラインに供給することが一般的である。これにより、鋼帯の全長にわたり、張力を付与した状態で圧延することが可能になり、鋼帯の先端や後端においても、板厚や形状を高精度に制御することができる。

冷延鋼帯の高合金化やレーザ溶接機の進歩に伴い、先行材と後行材の接合は、従来のフラッシュバット溶接等に替わって、レーザ溶接で接合されることが主流になりつつあるが、フラッシュバット溶接やレーザ溶接などの溶接手段に関わらず、先行材と後行材の接合部（溶接部）の板幅方向端部（エッジ部）は、先行材と後行材の鋼帯幅の差や位置ずれなどのために、不可避的に幅段差部が形成される。そして、このままの状態で圧延すると、前記幅段差部に応力集中が生じ、溶接部で破断に至る可能性がある。溶接部での破断（溶接部破断）が生じると、冷間圧延ラインを停止せざるを得ないため、生産性を著しく低下させるとともに、ワークロールを交換する必要が生じるため、生産コストの上昇を招く。

特に、近年は、部材の軽量化や特性向上を目的に、冷延鋼帯の薄ゲージ化に対する要求はますます強くなっている。それに伴い、冷間圧延に要求される圧下率は高くなりつつあり、溶接部の破断率が高くなっているのが現状である。

そこで、溶接部での破断を防止するために、溶接部の板幅方向端部にノッチ（切り欠き）を形成するノッチングを行ってから圧延することが行われている。また、このノッチングには、鋼帯の板幅端部は突合せ精度なども悪く、溶接が不十分になり、強度が低くなり易いため、強度の低い部分（概ね、板幅端３０ｍｍ程度）を切り落とす狙いもある。

ノッチングの方法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、角部を有しない半円形状に、機械的にせん断加工するのが一般的である。ただし、この半円形状のノッチは、外縁の曲率が一律であり、接合部において鋼帯の幅が最も小さくなるため、接合部において最大の応力が発生することになる。

これに対し、特許文献１の問題点を解消するために、特許文献２には、最大応力発生点が、溶接部以外に位置するように、略等脚台形状にノッチングする方法が開示されている。

特開平０５−０７６９１１号公報 特開２０１４−５０８５３号公報

しかしながら、上記のようなノッチング方法では、特に、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の冷間圧延においては、十分な効果を発揮できず、冷間圧延における接合部破断（溶接部破断）を十分に防止できていないのが現状である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、接合部破断（溶接部破断）を生じることなく冷間圧延することを可能にする、鋼帯のノッチング設備、鋼帯のノッチング方法、冷間圧延設備および冷間圧延方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、詳細は後述するが、従来のように、せん断加工で溶接部にノッチングを行った場合、それによって溶接部の板幅方向端部が加工硬化し、これが溶接部破断の原因となることを知見することに到った。そして、そのような溶接部破断を防止するために、溶接部の板幅方向端部に加工硬化個所がほとんど無いノッチを形成することを着想した。具体的には、せん断加工と研削とを組み合わせたノッチング、または、研削によるノッチングである。

本発明は、上記の着想に基づいてなされたものであり、以下の特徴を有している。

［１］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端との接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング設備であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部をせん断加工により１段目のノッチを形成するせん断加工手段と、当該接合部の鋼帯幅方向両縁部の端面を研削により２段目のノッチを形成する研削手段とを備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。

［２］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端との接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング設備であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部の端面を研削によりノッチを形成する研削手段を備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。

［３］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング方法であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部をせん断加工することによって１段目のノッチを形成した後、当該接合部の鋼帯幅方向両縁部の端面を研削することによって２段目のノッチを形成することを特徴とする鋼帯のノッチング方法。

［４］先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング方法であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部の端面を研削することによってノッチを形成することを特徴とする鋼帯のノッチング方法。

［５］前記［１］または［２］に記載のノッチング設備が設置されていることを特徴とする冷間圧延設備。

［６］前記［３］または［４］に記載のノッチング方法を用いてノッチを形成して冷間圧延を行うことを特徴とする冷間圧延方法。

本発明によれば、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、接合部破断（溶接部破断）を生じることなく冷間圧延することが可能になる。

圧延評価用供試材の採取方法を示す図である。 せん断加工材の圧延後のエッジ割れ発生状況を示す図である。 せん断加工材のエッジ断面の組織と硬さ分布を示す図である。 エッジ研削材の圧延後のエッジ割れ発生状況を示す図である。 エッジ研削材のエッジ断面の組織と硬さ分布を示す図である。 本発明の実施形態１におけるノッチングを示す図である。 本発明の実施形態２におけるノッチングを示す図である。 本発明の実施例における溶接部破断率を比較した図である。

まず、前述したように、本発明者らが、従来のようにせん断加工で溶接部にノッチングを行った場合、それによって溶接部の板幅方向端部が加工硬化し、これが溶接部破断の原因となることを知見し、そのような溶接部破断を防止するために、溶接部の板幅方向端部に加工硬化個所がほとんど無いノッチを形成するノッチング手法を着想したことについて、詳しく述べる。

すなわち、本発明者らは、溶接部で破断に至り易い原因を調査するため、以下に述べる実験室規模の圧延実験を行った。

供試材として、３．３質量％のＳｉを含有する、板厚２ｍｍの珪素鋼板を用いて、図１に示すように、先行鋼帯１の後端と後行鋼帯２の先端とをレーザ溶接機を用いて接合した材料を用意し、溶接部３の一部を含むようにして、溶接方向に垂直な方向が長辺になる矩形の供試材（圧延評価用供試材）４をせん断加工により切り出し採取した。

この様にして作製した供試材４を、張力を付与することなく、ワークロール径５００ｍｍの圧延機を用い、３パスで総圧下率９０％の冷間圧延を行った。

図２に、得られた冷間圧延後の鋼板の外観を撮影した写真を示す。張力を付与しない場合でも、溶接部（溶接金属部）３でエッジ割れが発生していることが分かる。実生産のように、張力を付与して圧延するタンデム圧延では、このエッジ割れが溶接部破断の起点になると推定される。

そして、溶接部３をせん断加工した段階、すなわち、冷間圧延する前の段階において、板幅方向端部を板幅方向に切断した断面（エッジ断面）の組織観察と硬さ試験を行った。図３に結果を示す。図３（ａ）はエッジ断面の組織であり、図３（ｂ）はエッジ断面の硬度分布である。このように、溶接部の板幅方向端部がせん断加工により、加工硬化しており、これが、エッジ割れの原因になると推定された。

そこで、本発明者らは、溶接部の板幅方向端部に加工硬化個所がほとんど無いノッチを形成するノッチング手法について鋭意検討を行い、研削によって溶接部を加工することを試みた。

すなわち、上述の圧延実験において、せん断加工で切り出した圧延評価用供試材４の溶接部を板幅方向に１ｍｍ機械研削により除去してから、上記と同様の冷間圧延を行った。なお、機械研削は、以下の（Ａ）、（Ｂ）でそれぞれ行った。（Ａ）３Ｍ製シリコンカーバイト＃１２０砥石を用いたディスクグラインダー、（Ｂ）富士製砥製＃３６砥石を用いたディスクグラインダー。

図４に、得られた冷間圧延後の鋼板の外観（上記の図２に対応）を示し、図５に、エッジ断面の組織観察と硬さ試験の結果（上記の図３に対応）を示す。（Ａ）＃１２０砥石で研削した場合、エッジ割れは発生せず、エッジ部の加工硬化も認められない。一方、（Ｂ）＃３６砥石で研削した場合、わずかにエッジ割れが発生するとともに、エッジ部が加工硬化していることが観察される。ただし、図２、図３に示したせん断加工のままの場合に比べると、エッジ割れと加工硬化量は大幅に小さくなっている。

以上のように、溶接部におけるエッジ割れは、せん断加工による溶接部の加工硬化の影響が大きく、研削によって加工硬化部を除去することにより、エッジ割れを防止できることを見出した。

なお、（Ａ）＃１２０砥石を用いて研削した場合は、せん断加工による加工硬化を除去することはできるが、研削能力が低く、上記の実験において、１ｍｍを研削するのに８秒を要した。一方、（Ｂ）＃３６砥石を用いて研削した場合は、研削能力が高く、上記の実験において、１ｍｍを１秒以下で研削できたが、エッジ部が若干加工硬化している。

ここで、加工硬化とは、母材部分（板幅端部から２ｍｍ以上内側の部分）のビッカース硬度に比べ、板幅端部のビッカース硬さが５０Ｈｖ以上大きくなっている状態を指すものとする。

以上のことから、重要なことは、溶接部をノッチングした段階、すなわち、冷間圧延する前の段階において、溶接部に加工硬化した個所が無いようにすることであると言える。

次に、本発明の実施形態について述べる。

［実施形態１］
図６は、本発明の実施形態１を示す図である。この実施形態１においては、鋼帯幅方向両縁部をせん断加工するせん断加工手段（せん断加工機等）と、鋼帯幅方向両縁部の端面を研削する研削手段（ディスクグラインダー等）とを備えたノッチング設備が設置されている。そして、図６に示すように、先行鋼帯１と後行鋼帯２の溶接部３の板幅方向端部を含めた所定範囲に対して、せん断加工１１による１段目のノッチングを施して円弧状のノッチを形成した後、溶接部３を含めて溶接部３近傍のみ、加工硬化した部分を研削１２による２段目のノッチングで除去することで、最終的にノッチ１３を形成するようにしている。すなわち、先行鋼帯１と後行鋼帯２の板幅差や鋼帯接合時の幅ずれの影響をなくすための大きなノッチング（１段目のノッチング：１段目のノッチの形成）はせん断加工１１により行い、溶接部の加工硬化部のみを除去する小さなノッチング（２段目のノッチング：２段目のノッチの形成）は研削１２で行っている。

これによって、この実施形態１では、溶接部３の板幅方向端部において、加工硬化した個所がほとんど無いノッチ１３を形成することができ、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、溶接部破断を発生することなく冷間圧延することが可能になる。

［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態２を示す図である。この実施形態２においては、鋼帯幅方向両縁部の端面を研削する研削手段（ディスクグラインダー等）を備えたノッチング設備が設置されており、図７に示すように、先行鋼帯１と後行鋼帯２の溶接部３の板幅方向端部を含めた所定範囲に対して、研削１４によって円弧状のノッチ１５を形成している。すなわち、この実施形態２では、ノッチ１５全体を研削１４で形成している。

これによって、この実施形態２では、溶接部３の板幅方向端部において、加工硬化した個所がほとんど無いノッチ１５を形成することができ、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料の場合でも、溶接部破断を発生することなく冷間圧延することが可能になる。

なお、上記の実施形態１、２において、エッジ部を加工硬化させずに、研削するには、砥粒の種類や押し付け圧にもよるが、＃８０以上の砥石を用いることが好ましい。

また、冷間圧延ラインの内で鋼帯エッジ部を研削するには、産業用ロボットなどを用いれば、安全かつ短時間に研削が可能である。例えば、安川電機製ＭＯＴＯＭＡＮ−ＭＨ５０II（ＭＯＴＯＭＡＮは登録商標）などのロボットにディスクグラインダーを設置して、溶接部を研削するようにすればよい。

また、上記の実施形態１と実施形態２のどちらを適用するかは、ノッチの形成に許容される時間、設備スペース、設備費等の観点から、適宜、選択すればよい。

例えば、冷間圧延工程の能率を維持するためには、短時間でノッチを形成する必要があるからである（鋼帯長さやルーパー能力にもよるが、ノッチングは概ね１０秒以内に完了させることが望ましい）。

また、本発明において、特許文献１に記載のように半円状にノッチングしても良いし、特許文献２に記載のように略等脚台形状にノッチングしても良い。また、上記以外の形状でも何ら問題なく、本発明においては、ノッチング形状を特に規定するものではない。

さらに付け加えると、通常の低炭素鋼であれば、せん断加工の場合でもエッジ割れは発生しないが、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板や高張力鋼板などの脆性材料・高合金材料では溶接部の加工性が乏しいため、せん断加工により加工硬化するとエッジ割れが発生し易い。すなわち、通常の低炭素鋼など、せん断加工でもエッジ割れが発生せず、溶接部破断がほとんど発生しない鋼種には、必ずしも本発明を適用する必要はなく、せん断加工では溶接部で破断する脆性材料や高合金材料などの鋼種に適用すべきである。ただし、冷間タンデム圧延機では、珪素鋼板や高張力鋼板の専用ミルである場合もあるが、そうではなく、低炭素鋼なども合わせて圧延する兼用ミルの場合もある。その場合、低炭素鋼にも本発明を適用して何ら問題はない。

ちなみに、ＳｉやＭｎの含有量が多い珪素鋼板とは、例えば、Ｓｉ：１．０〜６．５質量％、Ｍｎ：０．２〜１．０質量％を含有した鋼板であり、ＳｉやＭｎの含有量が多い高張力鋼板とは、例えば、Ｓｉ：１．０〜２．０質量％、Ｍｎ：１．５〜２０．０質量％を含有し、引張強度が５９０〜１４７０ＭＰａの鋼板である。

本発明の実施例として、５スタンドの冷間タンデム圧延機を備えた冷間圧延設備によって珪素鋼板を製造して評価した。

その際に、従来例として、溶接部を含めて所定の範囲に対して、せん断加工により半円状にノッチングを行った。

これに対して、本発明例１として、上記の本発明の実施形態１に基づいてノッチングを行った。すなわち、溶接部を含めて所定の範囲に対して、せん断加工により半円状に１段目のノッチングを行った後、溶接部とその近傍に対して、＃８０砥石を用いて２段目のノッチングとして２ｍｍ研削除去した。

また、本発明例２として、上記の本発明の実施形態２に基づいてノッチングを行った。すなわち、溶接部を含めて所定の範囲に対して、＃３６砥石を用いて研削することで半円状にノッチングを行った。

いずれの例においても、Ｓｉ含有量が３．１質量％以上３．５質量％未満、板厚１．８ｍｍ以上２．４ｍｍ以下の鋼帯を１００コイル用意し、上記の５スタンドの冷間タンデム圧延機で冷間圧延を行い、板厚０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に仕上げた。この際、溶接部での破断発生率を比較した。その結果を図８に示す。

図８に示すように、従来例では、溶接部破断の発生率が７％であるのに対し、本発明例１では、溶接部破断を１％まで低下することができ、本発明例２では、溶接部破断を３％まで低下することができた。

これによって、本発明の有効性が確認された。すなわち、先行鋼帯と後行鋼帯との溶接部をノッチングする際に、本発明を適用して、溶接部の板幅方向端部に加工硬化個所がほとんど無いノッチを形成することにより、冷間圧延における溶接部破断を防止することが可能となり、生産性の向上、歩留りの向上を達成することができる。

１ 先行鋼帯
２ 後行鋼帯
３ 溶接部
４ 圧延評価用供試材
１１ せん断加工
１２ 研削
１３ ノッチ
１４ 研削
１５ ノッチ

Claims (6)

1. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端との接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング設備であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部にせん断加工による１段目のノッチを形成するせん断加工手段と、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部に研削による２段目のノッチを形成する研削手段とを備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。
2. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端との接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング設備であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部に研削によるノッチを形成する研削手段を備えていることを特徴とする鋼帯のノッチング設備。
3. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング方法であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部をせん断加工することによって１段目のノッチを形成した後、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部を研削することによって２段目のノッチを形成することを特徴とする鋼帯のノッチング方法。
4. 先行鋼帯の後端と後行鋼帯の先端とを接合した接合部の鋼帯幅方向両縁部にノッチを形成するノッチング方法であって、当該接合部を含めて鋼帯幅方向両縁部を研削することによってノッチを形成することを特徴とする鋼帯のノッチング方法。
5. 請求項１または２に記載のノッチング設備が設置されていることを特徴とする冷間圧延設備。
6. 請求項３または４に記載のノッチング方法を用いてノッチを形成して冷間圧延を行うことを特徴とする冷間圧延方法。