JP2009208125A - 調質圧延機 - Google Patents

Abstract

【課題】耐ワークロール摩耗性に優れるとともに、ダル粉の発生を防止して良好な表面性状を有する金属ストリップを製造することが可能な調質圧延機を提供すること。
【解決手段】焼鈍された金属ストリップをワークロールを用いて伸び率で０．４〜１．０％の調質圧延をする調質圧延機において、前記ワークロールの表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａで、ワークロール径が２００〜４００ｍｍであることを特徴とする調質圧延機、ならびに前記ワークロールの材質がサイアロンセラミックスまたはジルコニアセラミックスであることを特徴とする前記構成の調質圧延機。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼鈍された金属ストリップを調質圧延する調質圧延機に関し、特に耐ワークロール摩耗性に優れるとともに、ダル粉の発生を防止して良好な表面性状を有する金属ストリップを安定して製造することが可能な調質圧延機に関する。
なお、調質圧延には、潤滑油を用いて調質圧延する湿式（ウェット）と潤滑油を用いないで調質圧延する乾式（ドライ）の双方を含む。また、板厚が０．１〜１．５ｍｍの金属ストリップを調質圧延する調質圧延機を対象としている。

一般に、焼鈍された金属ストリップは、腰折れやストレッチャーストレイン等の２次加工の際の表面欠陥の発生防止、降伏点伸び解消等の機械的性質の改善、形状改善と表面の平坦化、および用途に適した表面粗度の造り込みなどの目的で調質圧延される。
この調質圧延には、表面を滑らかに仕上げたブライトロールで平滑仕上げするブライト圧延と、ショットダル加工、放電ダル加工、あるいはレーザーダル加工等によって表面に粗い凹凸を付与したダルロールを用いて軽圧下して、金属ストリップにワークロールの表面粗度を転写させるダル圧延とがある。

ところで、後者のダル圧延は、一般に摩擦係数が高く圧延荷重（線荷重）も高いのでワークロールの摩耗が早く、凹凸の転写効率がすぐに低下してしまう。このため、ワークロールを頻繁に交換する必要があるので、生産性が低下するという問題がある。
これを解決する方法としては、ワークロール表面にクロムメッキを施す方法が開示されているが（例えば、特許文献１参照）、ワークロールの耐摩耗性に関しては改善の余地があり、また、メッキ加工による製造コストの増大も招く。

さらに、ダル圧延では、ダル粉と呼ばれる摩耗分が発生するので、これが金属ストリップに付着したときに汚れとなって金属ストリップの表面性状を害したり、プレス加工の際に疵を誘発するという問題がある。
これを解決する方法としては、スタンド内に飛散するダル粉をダクトで吸引する方法や、タッチロールとブラシロールを併用することによってダル粉を除去する方法が開示されているが（例えば、特許文献２〜３参照）、比較的規模の大きな設備投資が必要となるほかメンテナンス費用も発生して、製造コストの増大を招来する。また、これらの解決方法は、発生したダル粉を事後的に除去する消極的な方法であって、ダル粉自体の発生を積極的に防止するものではない。
特開昭６２−１３７１１１号公報 特開平０５−５０１２５号公報 特開２００５−２５４２９４号公報 プロセストライボロジー、日本塑性加工学会編（コロナ社発行）、１９９３年３月２５日発行、１９頁〜２２頁

本発明の解決すべき課題は、耐ワークロール摩耗性に優れるとともに、ダル粉の発生を防止して良好な表面性状を有する金属ストリップを安定して製造することが可能な調質圧延機を提供することである。

本発明者は、前記課題を解決すべく、ダル圧延におけるワークロールの磨耗量Ｗとワークロール径Ｄとの関係について様々な理論的検討および実験的検討を重ねた結果、従来技術においてはワークロール径Ｄが大きい方が磨耗量Ｗが少ないとする考え方が支配的であったが、これとは反対にワークロール径Ｄが大きい方が摩耗量Ｗが多く、また、小径のワークロールが大径のワークロールと同じ粗度を得るためには、小径ワークロールの粗度または伸び率を大きくする必要があり、ワークロール径がある程度小さくなると逆に摩耗量Ｗが増大するという技術的知見を得た。

より具体的には、表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａのワークロール（ダルロール）を用いて伸び率で０．４〜１．０％のダル圧延をする場合には、ワークロール径が４００ｍｍを超えると摩耗量Ｗが増大する傾向にあり、一方２００ｍｍ未満であっても摩耗量Ｗが増大するので、ワークロールの磨耗量Ｗを抑制する観点からは、ワークロール径をその中間範囲である２００〜４００ｍｍの範囲に設定することが望ましいという技術的知見を得た。

上記の知見に基づき、本発明者は、耐ワークロール摩耗性に優れるとともに、ダル粉の発生を防止して良好な表面性状を有する金属ストリップを安定して製造することが可能な調質圧延機に想到した。その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）焼鈍された金属ストリップをワークロールを用いて伸び率で０．４〜１．０％の調質圧延をする調質圧延機において、前記ワークロールの表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａで、ワークロール径が２００〜４００ｍｍであることを特徴とする調質圧延機。
（２）前記ワークロールの材質が、サイアロンセラミックスまたはジルコニアセラミックスであることを特徴とする前記（１）に記載の調質圧延機。

本発明に係る調質圧延機は、耐ワークロール摩耗性に優れることから、ワークロールを交換する回数が減り、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。
また、ダル粉が少なくなるので汚れが少なく、高光沢な製品を安定して製造することができる。

以下、図１〜２を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明は、本発明者による理論的検討および実験的検討によって導出された新たな技術的知見に基づいて完成された発明であるので、はじめに前者の理論的検討から導出された技術的知見について説明する。

非特許文献１に開示されているように従来技術においては、ワークロールの摩耗量Ｗと、線荷重ｐ、摩擦距離Ｌ、硬さＨの関係については一般に次式で表されてきた。
Ｗ∝ｐ・Ｌ／Ｈ ・・・ （１）
ここで、一般的な冷間圧延における線荷重ｐはワークロール径Ｄの平方根に比例し、摩擦距離Ｌはワークロールの回転回数に比例するのでワークロール径Ｄに反比例する。したがって、式（１）は次式で表現することができる。なお、摩擦距離Ｌとワークロールの転動回数については等価と考える。
Ｗ∝１／Ｄ^０．５／Ｈ ・・・ （２）

したがって、式（２）から明らかなように、従来技術においてはワークロール径Ｄが大きい方が磨耗量Ｗが少ないとする考え方が支配的であった。換言すると、式（２）からはワークロール径が大きい方が摩耗に有利との見解しか得られない。
ただし、ワークロール径が大きくなると設備費の増大や形状制御性の悪化を誘発するので、一般には４５０〜７００ｍｍのものが使われているのが現状である。

しかしながら、本発明者は、同じ伸び率においてダル圧延のようなロール扁平が円弧ではない圧延の場合には、線荷重ｐはワークロール径Ｄの１．５〜２．５乗に比例することから、さらには、ワークロール径Ｄが小さくなると被圧延材への粗度転写効率が小さくなることから、小径のワークロールが大径のワークロールと同じ転写効率を確保するためには、伸び率を大きくするか粗度を粗くする必要があると考えた。伸び率を大きくしたり、あるいは粗度を粗くすると当然ながら圧延荷重は増大する。本発明者は実験により、大径ワークロールと同じワークロール粗度で調質圧延して小径ワークロールでも大径ワークロールと同じ圧延後の金属ストリップの表面粗度を得るために伸び率を増大した際の圧延荷重の増大代、または、大径ワークロールと同じ伸び率で圧延後の金属ストリップの表面粗度を得るために小径ワークロールの粗度を粗くした際の圧延荷重の増大代は、ほぼワークロール径の平方根に比例することを見出した。以上のことから結果的には、線荷重ｐはワークロール径Ｄの２〜３乗に比例することとなり、摩耗量は式（３）で表される。
Ｗ∝ｐ・Ｌ／Ｈ ∝D^{１．０〜２．０}／H ・・・ （３）

したがって、当該式によれば、ワークロール径Ｄが大きい方が摩耗量Ｗが多く、また、小径のワークロールが大径のワークロールと同じ粗度を得るためには、小径ワークロールの粗度または伸び率を大きくする必要があり、即ち、線荷重は増大するので、ワークロール径がある程度小さくなると逆に摩耗量Ｗは増大することになる。

なお、ワークロールおよび金属ストリップが摩耗して剥離したものがダル粉であるため、硬さの小さい金属ストリップの摩耗量が圧倒的に多い。これは、式（１）からも明らかである。したがって、ワークロールの摩耗を減らすこととダル粉を減らすことは等価であるといえる。

次に、上記知見の確認実験に使用した調質圧延機（実機）について説明する。
図１は確認実験に使用した調質圧延機の模式図である。この調質圧延機１１は、１基の圧延スタンドから構成される６段圧延機であり、上下ワークロール（１ａ，１ｂ）、上下中間ロール（２ａ，２ｂ）、および上下バックアップロール（３ａ，３ｂ）から構成される。
この圧延機は、直径１６５〜５５０ｍｍまでのワークロール（１ａ，１ｂ）を組み替えることによりワークロール径を段階的に変更できる。駆動は中間ロール駆動であり、胴長は２２００ｍｍである。
また、上下中間ロール（２ａ，２ｂ）にはスピンドル（図示しない）が連結されており、電動機（図示しない）によって駆動される。電動機にはパルスジェネレータ（以降、ＰＬＧと記す。）が設置されており、その回転数が検出される。そして、この回転数と減速機のギア比およびワークロール径を用いて調質圧延機の圧延速度（Ｖ）が測定される。

形状制御手段としては、上下ワークロールチョック（図示しない）を支点として上下ワークロール（１ａ，１ｂ）の垂直方向の撓みを制御するためのインクリースおよびディクリースベンダー力を付与することが可能なワークロールベンダー（図示しない）とハウジングポストを支点として上下中間ロール（２ａ，２ｂ）の垂直方向の撓みを制御するためのインクリースおよびディクリースベンダー力を付与することが可能な中間ロールベンダー（図示しない）、および上下の中間ロールをロール幅方向にシフトする中間ロールシフト装置（図示しない）を備える。
中間およびワークロールベンダー力は各ロールベンダーを操作する油圧ポンプの油圧を検出し、油圧シリンダー径を用いて演算することによって測定される。
中間ロールのシフト量は中間ロールを支える中間ロールチョック（図示しない）をスケールを内蔵した油圧シリンダーの位置を調整することにより制御している。

上バックアップロール３ａのロールチョック（図示しない）の上部には、圧延荷重検出装置５が配置され、ワークサイドおよびドライブサイドの荷重が検出される。
また、圧延荷重検出装置５の上部には電動圧下装置６が配置されており、金属ストリップＳを圧延する際のパスライン調整が行われる。
さらに、下バックアップロール３ｂのロールチョック（図示しない）の下部には、圧延力を付与するための油圧圧下装置４が配置されている。
調質圧延機１１の入側には被圧延材である金属ストリップコイルを払い出すペイオフリール９とタッチロール７が、調質圧延機１１の出側にはタッチロール８と圧延後の金属ストリップを巻き取るテンションリール１０が配備されている。

図示していないがペイオフリール９とテンションリール１０にはスピンドル（図示しない）が連結されており、電動機（図示しない）によって駆動され、調質圧延機の入側および出側の張力を目標値に制御している。
なお、図示していないが、調質圧延機入・出側のタッチロール７，８にはＰＬＧが取り付けられており、調質圧延機入・出側の金属ストリップＳの板速度を検出して、伸び率が測定される。
また、図示していないが、調質圧延機入・出側のタッチロール７，８を支持するチョック部にはロードセルが配置されており、調質圧延機入・出側の金属ストリップＳに作用する力を検出・演算して調質圧延機入・出側の金属ストリップＳに作用する張力が測定される。

次に、確認実験で使用した被圧延材であるが、使用した被圧延材は２種類で、一つは板厚が０．２ｍｍ、板幅が１２００ｍｍの連続焼鈍炉で焼鈍された金属ストリップであり、０．２％耐力が２２０ＭＰａの普通鋼である。もう一つは板厚が１．０ｍｍ、板幅が１２００ｍｍの連続焼鈍炉で焼鈍された金属ストリップであり、０．２％耐力が４４０ＭＰａの高張力鋼である。

次に、ダル圧延の条件であるが、伸び率は０．８％（ワークロール径φ６００ｍｍ、ロール粗度３．０μｍＲａ、材質：鍛鋼）を基準とした。
張力は入側５０ＭＰａ、出側９８ＭＰａ、圧延速度４００ｍ／ｍｉｎとした。
潤滑油を使用する際には、水溶性調質圧延潤滑油を用い圧延機入側にて金属ストリップの表裏面に供給した。

次に、上記知見の確認方法であるが、先ずはじめに板厚０．２ｍｍの金属ストリップを用いて、上記の鍛鋼ロールのワークロール径を変えてダル圧延を行った。
その結果、同一伸び率の場合、ワークロール径が小さくなるほど圧延荷重および被圧延材への粗度転写効率が減少することを確認することができた。
また、ワークロール粗度が同一の場合には、基準圧延状態と同じ転写効率を確保するためには、ワークロール径が小さくなるほど伸び率を増大させる必要があることを確認することができた。
なお、これらの結果は、板厚１．０ｍｍの金属ストリップを用いた場合についても同様の結果となった。

ただし、伸び率を増大させると圧延後の金属ストリップの機械的特性、例えば、前伸びや一様伸びが劣化するため、あるいは板厚不良が発生するために、伸び率には上限を設定する必要がある。そこで、伸び率の上限を、圧延後の金属ストリップの機械的特性の劣化や板厚不良が発生しない１．０％と制限し、上限を超えた場合にはワークロールの表面粗度を変更し、基準状態と同じ粗度が得られるようにした。
この結果、基本的にワークロール径が小さくなるほどワークロールの表面粗度は粗くなり、これに伴いワークロールが小さいほど摩擦係数は大きくなった。
一方、伸び率の下限については、ストレッチャーストレインを防止する観点から０．４％以上とする。

次に、耐ワークロール摩耗性の評価方法であるが、上記圧延条件、すなわち、伸び率上限１．０％、ワークロール径φ６００ｍｍ、ロール粗度３．０μｍＲａ、伸び率０．８％と同様になるようにワークロール粗度を調整して、連続して圧延を行い耐ワークロール摩耗性を評価した。
耐ワークロール摩耗性の評価指標としては、圧延後の金属ストリップの粗度を測定し、伸び率１．０％まで増大させても２．０μｍＲａが確保できなくなるまでの圧延長を各ワークロール径毎に求め、その値をワークロール径φ６００ｍｍの場合の値で除した演算結果の逆数である耐ワークロール摩耗比なるものを採用した。

その結果を図２に示す。図２に示されるようにワークロール径が大きいと、転動回数は少なくなるものの圧延荷重が増大して耐ワークロール摩耗性が悪化する結果となった。
一方、ワークロール径が小さいと、圧延荷重は減少するものの転動回数は多くなり、また摩擦係数も増大して、耐ワークロール摩耗性が悪化する結果となった。
なお、図２は、板厚０．２ｍｍの金属ストリップを調質圧延したときの結果を示したものであるが、板厚１．０ｍｍの金属ストリップを用いた場合についても同様の結果となった。
さらに当該結果は、伸び率０．８％（ワークロール径φ６００ｍｍ、ロール粗度３．０μｍＲａ、材質：鍛鋼）を基準としたときの結果であるが、表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａのダルロールを用いて伸び率で０．４〜１．０％の調質圧延する場合についても、当該結果と同様の傾向を示すことが確認された。このような結果となる理由としては、図２に示す評価指標はワークロール径を変化させたときの基準ロールとの相対比較なので、比較するものの中で伸び率や粗度が同じであれば同一の傾向を示すものと考えられる。
これらの結果から本発明者は、表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａのダルロールを用いて伸び率で０．４〜１．０％の調質圧延をする場合には、ワークロール径が４００ｍｍを超えると摩耗量Ｗが増大する傾向にあり、一方２００ｍｍ未満であっても摩耗量Ｗが増大するので、ワークロールの磨耗量Ｗを抑制する観点からは、ワークロール径をその中間範囲である２００〜４００ｍｍの範囲に設定することが望ましいという技術的知見を得た。さらに好ましくは、ワークロールの磨耗量Ｗを半減させてロール寿命を基準ロールの約２倍に引き上げる観点から、図２に示すところの耐ワークロール磨耗比が０．５以下の範囲である２５０〜３５０ｍｍのワークロール径を用いるのが望ましい。

次に、板厚１．０ｍｍの金属ストリップを用いて、鍛鋼ロールのワークロール径を変えてダル圧延を行った。
ダル粉の発生量の評価方法としては、ワークロール粗度３．０μｍＲａのものを用いてワークロール径を変えて上記の基準圧延条件で圧延を３Ｋｍほど無潤滑で行い、その時点のストリップ表面に付着した鉄粉量で評価した。
また、ダル粉の発生量の評価指標としては、ワークロール径６００ｍｍの場合の鉄粉量を基準として、各ワークロール径毎に鉄粉量を基準値で除した鉄粉発生量比なるものを採用した。

鉄粉発生量比の傾向は、ほぼ図２と同様であったが、鉄粉発生量比の下限は０．８程度であり、著しい効果が得られるという訳ではなかった。したがって、ワークロール径を変えるだけでは著しい効果が得られないことが分かった。
そこで、ワークロール径はφ３５０ｍｍとし、ワークロール材質を変えてダル圧延をした。比較としてはワークロールφ６００ｍｍの鍛鋼ロールを用いた。
使用した材質は、（ａ）鍛鋼、（ｂ）ハイス、（ｃ）サイアロンセラミックス、（ｄ）アルミナセラミックス、（ｅ）ジルコニアセラミックス、および（ｆ）超硬（ＷＣ）の６種であり、これらを材質とするワークロールを作製し、表面粗さを３．０μｍＲａに調整し、潤滑ありなしで同様の実験を行った。

その結果を表１に示す。
鉄粉は金属ストリップとワークロール、ワークロールと中間ロールの間で発生しているようであり、ヤング率が高い方が良いというものではなかった。
また、相対的にセラミックスは鉄粉発生が少なく良好であるものの、アルミナは強度が不足して高荷重で破損した。
これに対して、サイアロンセラミックスは、鉄粉発生量比が潤滑なしで０．２１、潤滑ありで０．１９、ジルコニアセラミックスは潤滑なしで０．２４、潤滑ありで０．２３という結果となり、これらの２種がロール材質として優れていることが分かった。この理由としては、これら２種のセラミックス系材料と金属ストリップ間との凝着が小さい（摩擦係数が小さい）ことによるものと考えられる。鉄粉発生量比が０．３以下であれば、２次加工時に傷が発生することなく、また、簡単な設備（例えばタッチロールによる除去）で表面についたダル粉を除去することができる。
なお、これらの結果は、板厚０．２ｍｍの金属ストリップを用いた場合についても同様の結果となった。

図１に示した調質圧延機を用いて圧延試験を行った。
潤滑は無潤滑で、被圧延材は板厚が０．２ｍｍ、板幅が１２００ｍｍの連続焼鈍炉で焼鈍された金属ストリップ（コイル単重１５ｔｏｎ）であり、０．２％耐力が２２０ＭＰａの普通鋼である。
ワークロール材質は鍛鋼であり、ワークロール径は３５０ｍｍ（本発明例）と６００ｍｍ（比較例）で、ロール粗度は伸び率０．８％で圧延された金属ストリップの表面粗度が一致するように加工され、本発明例はロール粗度４．５μｍＲａで、比較例はロール粗度３．０μｍＲａである。
張力は入側５０ＭＰａ、出側９８ＭＰａ、圧延速度４００ｍ／ｍｉｎとした。
そして、板粗度下限（２．０μｍＲａ）、伸び率上限（１．０％）にて何コイル連続して圧延できるかを調査した。

その結果、比較例では平均２１コイル、本発明例では平均４０コイルであった。すなわち、従来技術ではロール交換を頻繁に行う必要があったが、本発明によればロール寿命が約２倍になることを確認することができた。したがって、本発明に係る調質圧延機によれば、生産性が向上するとともに製造コストを低減することができる。
また、本発明例は比較例と比較して汚れが少なかった。したがって、本発明に係る調質圧延機によれば、ダル粉の発生が少なくなるので高光沢な製品を安定して製造することができる。

確認実験に使用した調質圧延機の模式図である。 ワークロール径と耐ワークロール摩耗比の関係を示す特性図である。

符号の説明

１１ 調質圧延機
１ａ，１ｂ ワークロール
２ａ，２ｂ 中間ロール
３ａ，３ｂ バックアップロール
４ 油圧圧下装置
５ 圧延荷重検出装置
６ 電動圧下装置
７，８ タッチロール
９ ペイオフリール
１０ テンションリール
Ｓ 金属ストリップ

Claims (2)

1. 焼鈍された金属ストリップをワークロールを用いて伸び率で０．４〜１．０％の調質圧延をする調質圧延機において、
   前記ワークロールの表面粗度が２．０〜８．０μｍＲａで、ワークロール径が２００〜４００ｍｍであることを特徴とする調質圧延機。
   
2. 前記ワークロールの材質が、サイアロンセラミックスまたはジルコニアセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の調質圧延機。

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