JP6564209B2 - 鋼帯の冷間圧延設備および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼帯の冷間圧延設備および製造方法に関し、特に熱延鋼帯を冷間圧延によって極薄鋼帯（箔）に仕上げる鋼帯の冷間圧延設備および製造方法に関する。

ステンレス箔などの極薄鋼帯は、一般に、被圧延材を熱間圧延機によって板厚を２．０〜５．０ｍｍ程度の熱延鋼帯にした後、その熱延鋼帯を冷間圧延機にて目標の板厚（例えば、０．１ｍｍ以下）まで圧延して製造される。

このような極薄鋼帯を製造するための冷間圧延では、通常、ロール径が小さなゼンジミア圧延機やクラスター圧延機などの多段式リバース圧延機が用いられる。

図１は、一般的なゼンジミア圧延機の設備構成を示したものである。圧延機１の片側に設けられたテンションリール２ａに装着されたコイル３から巻き戻された鋼帯４は、デフレクターロール５ａを介して圧延・通板され、引き続き反対側に設けられているデフレクターロール５ｂを介して、テンションリール２ｂに巻き取られる作業が行われて、１回の圧延通板が終了する。そして、設備の圧延荷重制約などで目標の板厚までの圧延が実施できない場合には、圧延方向を逆転し、再度圧延作業を行う。

このとき、鋼帯４にはユニット張力として、１０〜７０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の張力が付与されるが、鋼帯４の板幅方向にはユニット張力にポアソン比を乗じた値に相当する圧縮応力が作用する。この圧縮応力が大きく、すなわち張力が高く、かつ鋼帯４の板厚が薄く、板幅が広くなればなるほど、鋼帯４は板幅方向に座屈が生じやすくなる。

すなわち、一般的に、圧延された鋼帯４は板幅中央の板厚に比べて、板幅端部の板厚が薄くなるため、鋼帯４をテンションリール２ｂに巻き取ってゆくと、巻取り重量（巻き数）の増加に伴い、コイルは板幅中央の外径が板幅端部の外径より大きくなっていく。そのため、コイルに巻取られる直前の鋼帯４部分では、コイル外径が大きくなっている板幅中央付近に大きな張力が作用し、図２に示すような張力分布が生じる。このとき、板幅中央に作用する張力は巻き数が多くなるほど大きくなり、張力によって作用する板幅方向の圧縮応力が鋼帯４の座屈応力以上になった場合、鋼帯４が板幅方向に座屈して、板幅中央部にしわが発生する。しわが発生した場合には、コイルを切断し、再度コイル径が小さい状態から圧延を行う必要があり、生産性や歩留りを大きく悪化させる。

なお、圧延された鋼帯４において、板幅中央の板厚に比べて、板幅端部の板厚が厚くなる場合は、コイルは板幅中央の外径より板幅端部の外径が大きくなり、板幅端部に作用する張力が大きくなって、板幅端部に座屈による疵が発生する可能性がある。ここでは、この板幅端部の座屈による疵もしわに含めることにする。

上記のようなしわの発生を防止する技術としては、例えば、特許文献１〜３に開示された方法がある。

特開平４−２９４８１３号公報 特開平６−６３６０６号公報 特開２００１−２３９３０３号公報

しかしながら、上述した特許文献１〜３に開示された方法では、特に、広幅で板厚０．１ｍｍ以下の極薄鋼帯の圧延において、しわの発生を完全に抑制するには不十分である。

すなわち、特許文献１に開示されている方法は、通板中の極薄鋼帯に発生する座屈を防止するために、幅中央から対称に端部に行くに従って径を順次増大せしめられる断面弧状の凹部を有する形状のロール（凹ロール）を押し込むことによって、鋼帯中央部に作用する張力を小さくする効果とロールとの接触による拘束効果によってしわの発生を防止する方法である。

しかし、この方法では、凹ロールのロール径の幅方向変化（ロール軸方向変化）が、鋼帯の板クラウン（＝（板幅中央の板厚）−（板幅端部の板厚））によって生じる張力分布を小さくするように、上手に凹ロールを設定できている場合は問題ないが、鋼帯の板クラウンに対して凹ロールの設定がずれた場合には、十分な効果を得ることができない。実際には、冷間圧延の圧延素材となる熱延鋼帯の板クラウンは、熱延条件によって大きく変動するため、特許文献１に開示されている方法では、その板クラウンの変動に対応することができない。

また、特許文献２に開示されている方法は、コイル巻取り時の張力分布の発生原因となる熱延鋼帯の板クラウンを小さくし、板クラウン比率（＝（板クラウン）／（板幅中央の板厚）×１００）を０．１〜０．７％の範囲に制御することで、しわの発生を抑制する方法である。

しかし、熱延鋼帯の板クラウンは一般的に熱延条件によって大きく変動し、また小さな板クラウン比率を狙った場合には、熱延仕上げ圧延機内での通板性が悪くなるといった問題があるため、実用的に安定的に全熱延鋼帯の板クラウン比率を０．１〜０．７％の範囲に制御することは困難である。

また、特許文献３に開示されている方法は、鋼帯のしわを防止するために、しわが発生しない板幅をあらかじめ算出しておき、その板幅以下の圧延を行うものである。

しかし、これでは広幅材の圧延は困難であり、製造可能な製品寸法に制約が生じる。

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、熱延鋼帯を冷間圧延によって極薄鋼帯に仕上げるに際して、極薄鋼帯のしわの発生を的確に防止することができる鋼帯の冷間圧延設備および製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］鋼帯の冷間圧延を行う冷間圧延機と、冷間圧延された鋼帯を巻き取るテンションリールと、前記冷間圧延機と前記のテンションリールの間に設置され、鋼帯のしわの発生を防止するしわ抑制ロールとを備え、前記しわ抑制ロールが、鋼帯に接触する円筒状のスリーブと、前記スリーブの外径の幅方向分布を変更して、当該しわ抑制ロールの幅方向のロールプロフィルを変更するロールプロフィル変更機構とを有していることを特徴とする鋼帯の冷間圧延設備。

［２］前記［１］に記載の鋼帯の冷間圧延設備を用いた鋼帯の製造方法であって、鋼帯の熱間圧延時の幅方向の板厚分布を測定し、該板厚分布の測定結果に基づき、冷間圧延時の巻取り張力の板幅方向分布を算出し、該算出結果に基づき、巻取り時の板幅方向の張力分布が均一化するように、前記ロールプロフィル変更機構によって前記しわ抑制ロールの幅方向のロールプロフィルを変更することを特徴とする鋼帯の製造方法。

本発明によれば、熱延鋼帯を冷間圧延によって極薄鋼帯に仕上げるに際して、極薄鋼帯のしわの発生を的確に防止することができる。その結果、極薄鋼帯の製造工程において、生産性や歩留りを大きく向上させることが可能となる。

一般的なゼンジミア圧延機の設備構成を示した図である。 コイル巻取り時の幅方向張力分布を示した図である。 本発明の一実施形態の設備構成を示した図である。 本発明の一実施形態におけるしわ抑制ロールの構造を示したものである。 コイル重量および板クラウン比率による巻取り時の最大張力の変化を示した図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図３は本発明の一実施形態である冷間圧延設備の模式図である。図３において、冷間圧延機１の片側に設けられたテンションリール２ａに装着されたコイル３から巻き戻された鋼帯４は、デフレクターロール５ａを介して圧延・通板され、引き続き反対側に設けられているデフレクターロール５ｂを介して、テンションリール２ｂに巻き取られる作業が行われて１回の圧延通板が終了する。

このとき、テンションリール２ａとデフレクターロール５ａの間のテンションリール２ａに近接した位置に、しわ抑制ロール６ａとパスラインロール７ａが配置され、同様に、テンションリール２ｂとデフレクターロール５ｂの間のテンションリール２ｂに近接した位置に、しわ抑制ロール６ｂとパスラインロール７ｂが配置される。しわ抑制ロール６ａは通板ラインから鋼帯４を押し込みことによって、テンションリール２ａとパスラインロール７ａ間の鋼帯４に曲げ変形を付与し、しわ抑制ロール６ｂは通板ラインから鋼帯４を押し込みことによって、テンションリール２ｂとパスラインロール７ｂ間の鋼帯４に曲げ変形を付与する。これによって、しわ抑制ロール６ａ、６ｂと鋼帯４の摩擦力による拘束効果も加えて、鋼帯４の耐座屈性を向上させて、しわの発生を抑制する。

その上で、この実施形態における最大の特徴は、しわ抑制ロール６ａ、６ｂの構造にある。

図４は、しわ抑制ロール６ａ、６ｂの構造を詳細に示したものである。しわ抑制ロール６ａ、６ｂは、鋼帯４に接触するスリーブ８と、軸芯となるアーバ９と、ロータリージョイント１０を備えており、スリーブ８はアーバ９に焼嵌等で固定され、ロータリージョイント１０はアーバ９端に設置される。スリーブ８とアーバ９の間には円筒状の油圧室１１が設けてあり、アーバの中心部には油道１２があって油圧室１１へと繋がっている。高圧油が油圧装置１３から油道１２を通して油圧室１１へと導かれ、スリーブ８の中央部を拡径する。

これによって、しわ抑制ロール６ａ、６ｂは、油圧室１１内の油圧力を変更することで、スリーブ８の幅方向（ロール軸方法）の外径分布が変更されて、幅方向のロールプロフィルを瞬時に変更することが可能となる。このとき、あらかじめロールプロフィルを幅中央のロール径が幅端部のロール径より小さい凹形状のロールプロフィルとしておくことで、油圧室１１内の油圧力を変更することにより、ロールプロフィルを凹形状から凸形状まで変更することが可能となる。

しわ抑制ロール６ａのロールプロフィルが変化すると、テンションリール２ａとしわ抑制ロール６ａまでの距離が板幅方向で変化し、その結果、鋼帯４に作用する張力の幅方向分布が変化する。同様に、しわ抑制ロール６ｂのロールプロフィルが変化すると、テンションリール２ｂとしわ抑制ロール６ｂまでの距離が板幅方向で変化し、その結果、鋼帯４に作用する張力の幅方向分布が変化する。

例えば、しわ抑制ロール６ａのプロフィルを凹形状した場合、テンションリール２ａとしわ抑制ロール６ａ上で鋼帯４が接触している位置の距離は幅端部ほど長くなり、鋼帯４には板幅端部に大きな張力が作用することになる。同様に、しわ抑制ロール６ｂのプロフィルを凹形状した場合、テンションリール２ｂとしわ抑制ロール６ｂ上で鋼帯４が接触している位置の距離は幅端部ほど長くなり、鋼帯４には板幅端部に大きな張力が作用することになる。

したがって、板クラウンによって板幅中央部のコイル径が大きくなり、板幅中央部に大きな張力が作用した場合には、上記のようなしわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを制御することによって、板幅中央に大きな張力が作用することを防ぐことができる。

なお、しわ抑制ロール６ａ、６ｂのプロフィルを凸形状した場合は、板幅端部に大きな張力が作用することを防ぐことができる。

また、この実施形態では、しわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを油圧力の制御によって、ロール交換することなく、任意に変更できることも大きな特徴である。

前述したように、しわの発生原因となる熱延鋼帯の板クラウンは熱延条件によって変動するが、この実施形態では、その変動に対応してしわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを変更することによって、安定的にしわ発生を防止することができる。

具体的には、あらかじめ熱延鋼帯の板クラウン比率を測定し、その測定実績に基づき、冷間圧延でのコイルの巻戻し時および巻取り時におけるしわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを制御する。すなわち、以下の如くである。

まず、熱延鋼帯の板クウラン比率を熱延仕上げ圧延機出側に設置されたγ線もしくはＸ線を用いた板厚計で測定する。通常は、鋼帯長手方向の複数点の測定を行うので、その平均値を代表値として用いる。

次に、測定された板クラウン比率を有する熱延鋼帯が冷間圧延されたときの、コイル重量に対する鋼帯４に作用する巻戻し張力の板幅方向での最大値および巻取り張力の板幅方向での最大値を弾性解析で算出する。図５は板クラウン比率ならびにコイル重量の変化に対する、巻取り張力の最大値の計算結果の一例を示したものである。板クラウン比率が大きいほど、小さなコイル重量で大きな巻取り張力が作用して、しわが発生し易くなることが分かる。

次に、巻戻し時の板幅方向の張力分布および巻取り時の板幅方向の張力分布を均一にするために、板クラウンによって生じるコイル幅方向の外径差に比例したロールプロフィル（幅方向のロール径差）をしわ抑制ロール６ａ、６ｂに与える油圧力を弾性解析で算出して、圧延中にしわ抑制ロール６ａ、６ｂに与える油圧力を制御する。

なお、上記の「板幅方向の張力分布を均一にする」とは、「板幅方向の張力分布の最大値にポアソン比を乗じて得られる圧縮応力が、鋼帯４の座屈限界応力未満になるようにする」という意味である。ちなみに、鋼帯４の座屈限界応力は、弾性力学における平板の座屈限界応力の計算式によって算出することができる。

これによって、しわの発生を抑制でき、安定的に極薄鋼帯を製造することが可能となる。

したがって、前記特許文献１〜３に開示された方法では、熱延鋼帯の板クラウン変動に的確には対応できないのに対して、この実施形態では、その課題を克服することができる。

なお、この実施形態では、しわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを変更するロールプロフィル変更機構として、油圧機構を用いているが、機械的な機構を用いてもよい。例えば、スリーブ８とアーバ９の間にテーパピストンを挿入し、その挿入位置を調整することで、しわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを変更するようにしてもよい。

本発明の有効性を確認するために、図３に示した冷間圧延設備を用いて、１８質量％のＣｒおよび３質量％のＡｌを含有するステンレス鋼の冷間圧延を行った。

圧延素材となる熱延鋼帯は板厚１．８ｍｍ、板幅１０００ｍｍ、重量１３トンのコイルである。冷間圧延機はワークロール径φ７０ｍｍの２０段式ゼンジミア圧延機であり、複数パスの圧延で最終仕上げ板厚を１００μｍおよび５０μｍとする冷間圧延を行った。圧延時の入側張力（巻戻し張力の平均値）は３０ｋｇｆ／ｍｍ^２（２９４Ｎ／ｍｍ^２）、出側張力（巻取り張力の平均値）は４０ｋｇｆ／ｍｍ^２（３９２Ｎ／ｍｍ^２）とした。

まず、従来例として、図４に示したしわ抑制ロール６ａ、６ｂに替えて、前記特許文献１に開示された凹ロールを設置した。凹ロールの最大ロール径（バレル端部の外径）はφ２００ｍｍ、バレル長さは１３００ｍｍで、ロールバレル中央とバレル端部の外径差の最大ロール径に対する比率を０．０３とした。そして、板クラウン比率の異なる複数の熱延鋼帯（コイル）を圧延し、それぞれについて、しわが発生するまでのコイル重量を調査した。

次に、本発明例として、上記の凹ロールに替えて、図４に示したしわ抑制ロール６ａ、６ｂを設置した。しわ抑制ロール６ａ、６ｂは、ロール径はφ２００ｍｍ、バレル長さは１３００ｍｍである。そして、圧延素材（熱延鋼帯）の板クラウン比率に応じて、しわ抑制ロール６ａ、６ｂのロールプロフィルを油圧力によって制御して、巻戻し時の板幅方向の張力分布および巻取り時の板幅方向の張力分布が均一となるようにしながら、板クラウン比率の異なる複数の熱延鋼帯（コイル）を圧延し、それぞれについて、しわが発生するまでのコイル重量を調査した。

表１に、圧延素材（熱延鋼帯）の板クラウン比率と、しわが発生するまでに巻き取られたコイル重量の調査結果を示す。

従来例では、熱延鋼帯の板クラウン比率が大きくなるにつれて、小さなコイル重量でしわが発生するようになるのが分かる。また、仕上げ板厚が薄くなるほど、しわが発生するコイル重量は小さくなり、薄物材ほど生産性や歩留りが低下してしまう。

一方、本発明例では、全てのコイルにおいて、圧延素材（熱延鋼帯）のコイル重量まで圧延しても、しわが発生しなかった。

これによって、本発明が極めて有効であることが分かる。

以上説明したように、本発明においては、極薄鋼帯の冷間圧延で問題となっていたしわの発生を抑制することができ、極薄鋼帯の冷間圧延の生産性や製品歩留りを大きく向上することが可能となる。

１ 冷間圧延機
２ａ、２ｂ テンションリール
３ コイル
４ 鋼帯
５ａ、５ｂ デフレクターロール
６ａ、６ｂ しわ抑制ロール
７ａ、７ｂ パスラインロール
８ スリーブ
９ アーバ
１０ ロータリージョイント
１１ 油圧室
１２ 油道
１３ 油圧装置

Claims (2)

1. 板クラウン比率が０．８１％以上２．０３％以下の熱延鋼帯を冷間圧延し、板厚０．１ｍｍ以下の極薄鋼帯とする鋼帯の冷間圧延設備であって、
   鋼帯の冷間圧延を行う冷間圧延機と、冷間圧延された鋼帯を巻き取るテンションリールと、前記冷間圧延機と前記のテンションリールの間に、前記冷間圧延機側からその順に設置された、デフレクターロールと、パスラインロールと、鋼帯のしわの発生を防止するしわ抑制ロールとを備え、
   通板する鋼帯に対し、前記デフレクターロールは下方側から、前記パスラインロールは上方側から、前記しわ抑制ロールは下方側から、それぞれ前記鋼帯に接触するように設置され、
   前記しわ抑制ロールが、
   鋼帯に接触する円筒状のスリーブと、
   前記鋼帯の熱間圧延時の幅方向の板厚分布を測定し、前記板厚分布の測定結果に基づき弾性解析することにより、巻戻し時及び巻取り時の板幅方向の張力分布を算出し、前記板幅方向の張力分布の最大値にポアソン比を乗じて得られる圧縮応力が前記鋼帯の座屈限界応力未満とするため、前記板幅方向における前記圧縮応力が大きい部位が前記鋼帯を押し込む距離を小さくするように、前記しわ抑制ロールの板幅方向のロールプロフィルを変更するロールプロフィル変更機構と
   を有していることを特徴とする鋼帯の冷間圧延設備。
2. 請求項１に記載の鋼帯の冷間圧延設備を用いた鋼帯の製造方法。

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