JP6496933B2 - 連続鋳造用ロールの材料選定方法および連続鋳造用ロール - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造用ロールの材料選定方法および連続鋳造用ロールに関し、より詳しくは、胴部に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールの材料選定方法および連続鋳造用ロールに関する。

連続鋳造機では、鋳型内に溶融金属を注入し、溶融金属が冷却されることによって生成された鋳片を鋳型の下方から連続的に引き抜く。引き抜かれた鋳片は、多数のロール（連続鋳造用ロール）によって搬送される。ロールが回転しながら安定的に鋳片を搬送することによって、安定した連続鋳造の操業が可能になる。

上記のような連続鋳造機において、鋳片は、ロールによって搬送される過程で徐々に冷却される。鋳型から引き抜かれた鋳片の表面は高温であり、また冷却の過程で内部から表面へと熱が伝達されるため、ロール表面には鋳片から大きな熱が加えられる。それゆえ、ロール表面の鋳片に接触する部分は熱膨張する。ロールが回転すると熱膨張した部分は鋳片から離れ、収縮する。

このとき、熱膨張時にロール表面に発生する圧縮応力がロール材料の降伏応力を超えると塑性変形が生じ、その後の収縮時にロール表面に亀裂が発生することになる。亀裂が進展するとロールが折損する可能性があるため、亀裂が発生したロールは交換する必要がある。特許文献１には、ロール表面に周方向の深いスリット（深さが幅の１０倍以上）を形成することによって熱膨張を吸収し、上記のような亀裂の発生を防止することによってロールの使用寿命を延長することを可能にした技術が記載されている。

特開２００４−１９５５１７号公報

しかし、特許文献１に記載されたようにスリットを形成したロールであっても、亀裂の発生による折損を完全に防止できるわけではない。例えば、ロール表面にスリットに垂直な方向（ロール軸方向）の亀裂が発生し、想定よりも使用寿命が短くなってしまうケースがあった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、胴部に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールにおいて、より確実に使用寿命を延長することを可能にする、新規かつ改良された連続鋳造用ロールの材料選定方法および連続鋳造用ロールを提供することにある。

本発明のある観点によれば、胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールの材料選定方法であって、５００℃以上の温度で胴部の表面に発生する周方向応力を超える０．２％耐力を有する材料を選定する、連続鋳造用ロールの材料選定方法が提供される。
また、本発明の別の観点によれば、胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールの材料選定方法であって、所定条件下での連続鋳造用ロールの操業時における胴部の表面の温度を数値計算によって算出し、胴部の表面に発生する周方向の最大応力を、上記算出された温度に基づき、弾塑性解析によって算出し、上記算出された温度の最高が５００℃以上である場合、上記算出された最大応力を超える０．２％耐力を有する材料を選定する、連続鋳造用ロールの材料選定方法が提供される。

また、本発明のさらに別の観点によれば、胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールであって、ＳＵＨ６１６を用いて、又はＳＵＨ６１６以上の０．２％耐力を有する材料を用いて形成された連続鋳造用ロールが提供される。

上記のような構成によって、例えばロール表面の温度が５００℃を超え、スリットでは吸収しきれないロール周方向の熱膨張が顕著になった場合でも、ロール表面における亀裂の発生を防止することができる。

以上説明したように本発明によれば、胴部に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールにおいて、より確実に使用寿命を延長することができる。

本発明の一実施形態に係る連続鋳造用ロールの概略的な斜視図である。 ロール表面温度の数値計算の手法について説明するための図である。 数値計算によって算出されたロール表面温度の変化を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る連続鋳造用ロールの概略的な斜視図である。図１を参照すると、連続鋳造用ロール１は、胴部２と、軸部３とを有する。胴部２には、周方向に多数のスリット４が形成されている。スリット４は、例えば特開２００４−１９５５１７号公報に記載されたものと同様に形成されてもよい。より具体的には、スリット４の幅を０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ、深さを１０ｍｍ〜２０ｍｍにしてもよい。また、スリット４のピッチは、例えば２０ｍｍ程度にすることができる。

本実施形態に係る連続鋳造用ロール１は、５００℃以上の温度で胴部２に発生する周方向応力を超える０．２％耐力を有する材料、より具体的には、例えばＳＵＳ６３０、またはＳＵＨ６１６で形成される。これによって、例えば胴部２の表面（以下、ロール表面ともいう）で温度が５００℃を超えるような場合にも亀裂の発生を防止し、使用寿命を延長することができる。なお、連続鋳造用ロール１をＳＵＳ６３０やＳＵＨ６１６のようなステンレス鋼または耐熱鋼で形成することは、胴部２における亀裂の防止だけではなく、スリット４の底部の腐食防止にも効果的である。

以下では、本実施形態における連続鋳造用ロール１の材料の選定方法について、さらに詳細に説明する。

上記の通り、連続鋳造用ロール１が搬送する鋳片は高温であるため、鋳片に接するロール表面では熱膨張が発生する。通常の操業時には主に連続鋳造用ロール１の軸方向（以下、ロール軸方向ともいう。ロール周方向についても同様）への熱膨張が発生するが、このようなロール軸方向の熱膨張はスリット４によって吸収され、ロール表面に亀裂が発生するには至らない。ところが、例えば後述する極低速鋳造時にはロール表面温度が通常の範囲を超えて上昇し、ロール軸方向に加えてロール周方向への熱膨張も顕著になる。ロール軸方向の熱膨張については上記の通りスリット４によって吸収することが可能であるが、ロール周方向の熱膨張はスリット４によって吸収することができないため、ロール表面を構成する材料の降伏強度を高めることによって塑性変形を防止する必要がある。

そこで、本発明者らは、まず、極低速鋳造時のロール表面温度を数値計算によって算出し、さらにそのような温度変化に伴って発生するロール周方向の応力を算出した。そして、算出された応力を上回る０．２％耐力を有する材料で連続鋳造用ロール１を形成することとした。

図２は、ロール表面温度の数値計算の手法について説明するための図である。図２に模式的に示されているように、ロール表面上の位置Ｐの温度の算出にあたっては、位置Ｐが鋳片６に接触または近接している間に鋳片６から与えられる熱Ｈと、ロール内部に設けられた冷却管５を流れる冷却水による水冷ＷＣと、位置Ｐが鋳片６から離れている間の空冷ＡＣとが考慮される。本実施形態では、鋳片６の温度、胴部２の外径および内径（冷却管５の管径）、ならびに冷却管５を流れる冷却水量については実測された値を与えた上で、数値計算を実施した。

図３は、数値計算によって算出されたロール表面温度の変化を示すグラフである。図３には、連続鋳造が通常の速度で実施される場合と、極低速で実施される場合とにおける、ロール表面上の点Ｐにおける温度の算出結果が示されている。この結果によれば、通常速度での操業時には表面温度は５００℃を超えないが、極低速での操業時には表面温度が５００℃を大きく超えて６００℃近くに達していることがわかる。

極低速での鋳造は、通常は実施されないものの、例えば異なる種類の鋳片を連続して鋳造する場合、鋳型に溶融金属を供給するノズルの洗浄などのメンテナンスを実施する場合、または何らかの原因で鋳型への溶融金属の供給が遅延したために鋳片の引き抜きを遅らせる必要がある場合などに実施される。極低速鋳造では、ロール表面が鋳片に接触してから離れるまでの時間が長くなるため、その間にロール表面温度は通常の範囲を超えて大きく上昇する。本実施形態では、ロール表面における亀裂の発生をより確実に防止するために、このような極低速鋳造時についてもロール表面温度の算出を実施した。

本発明者らは、上記のような温度の算出結果に基づいてロールの弾塑性解析を実施し、ロール周方向に発生する最大応力をロール表面の最高温度ごとに算出した。さらに、算出された最大応力を上回る０．２％耐力を有する材料を選定した。一例として、ロール表面の最高温度が５５０℃および６００℃の場合について選定される材料の例を、表１に示す。なお、表１において、材料がロール周方向の最大応力を上回る０．２％耐力を有するか否かは、最大応力の０．２％耐力に対する比によって示した（比が１を下回れば、ロール表面の塑性変形を防止できることを意味する）。

上記の例では、連続鋳造用ロール１の材料として、ロール表面の最高温度が５５０℃以下であればＳＵＳ６３０またはＳＵＨ６１６が、ロール表面の最高温度が５５０℃を超える場合にはＳＵＨ６１６が、それぞれ選定可能である。もちろん、これらの鋼種は一例にすぎず、同程度の０．２％耐力を有する限り、他の鋼種が材料として選定されてもよい。

なお、本実施形態では、材料の降伏強度の指標として０．２％耐力を用いているが、これには限られず、他の降伏強度の指標が用いられてもよい。また、本実施形態では５００℃以上の温度で連続鋳造用ロール１の胴部２に発生する周方向応力が算出されているが、ここでいう５００℃以上の温度領域は、例えば通常の操業では到達しないと考えられているが、極低速鋳造時などの特殊な条件下での操業では到達する可能性があるロール表面温度を意味する。従って、ロール材料の選定にあたって周方向応力が算出される温度は、上記の表１の例のように５５０℃や６００℃といった温度が典型的であるが、例えば他の操業条件によっては６００℃を上回る温度であってもよい。

本実施形態に係る連続鋳造用ロール１は、連続鋳造機の各部のロールとして使用することができる。鋳型に近い上流部（起立部）はもちろん、上記の通り冷却の過程で鋳片の内部から表面へと熱が伝達されるため、下流部においても、ロール表面の熱膨張による亀裂の発生を確実に防止できる本実施形態の連続鋳造用ロール１は有効である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 連続鋳造用ロール
２ 胴部
３ 軸部
４ スリット
５ 冷却管
６ 鋳片

Claims (3)

1. 胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールの材料選定方法であって、
   ５００℃以上の温度で前記胴部の表面に発生する周方向応力を超える０．２％耐力を有する材料を選定する、連続鋳造用ロールの材料選定方法。
2. 胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールの材料選定方法であって、
   所定条件下での前記連続鋳造用ロールの操業時における前記胴部の表面の温度を数値計算によって算出し、
   前記胴部の表面に発生する周方向の最大応力を、前記算出された温度に基づき、弾塑性解析によって算出し、
   前記算出された温度の最高が５００℃以上である場合、前記算出された最大応力を超える０．２％耐力を有する材料を選定する、連続鋳造用ロールの材料選定方法。
3. 胴部の表面に周方向のスリットが形成された連続鋳造用ロールであって、
   ＳＵＨ６１６を用いて、又はＳＵＨ６１６以上の０．２％耐力を有する材料を用いて形成された、連続鋳造用ロール。

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