厚鋼板の圧延方法および厚鋼板の製造方法
【課題】厚板圧延でのワークロールと被圧延材の焼き付きやワークロールに発生する亀裂等を抑制でき、ワークロールの割損も防止する。
【解決手段】厚鋼板の圧延に、鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いる。
【解決手段】厚鋼板の圧延に、鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板の圧延方法およびそれを用いた厚鋼板の製造方法に関する。厚鋼板は、平鋼や帯鋼と比べ、製品幅が広い。平鋼が製品幅５００ｍｍ以下、帯鋼が６００〜２３００ｍｍであるのに対し、厚鋼板は多くの場合、製品幅２３００ｍｍ超、と平鋼よりもはるかに製品幅が広く、帯鋼とは一部製品幅のラップする領域があるものの、概して帯鋼よりも製品幅が広い。厚鋼板と帯鋼とは、一部製品厚もラップする領域があるが、前者が圧延後に巻き取られないのに対し、後者は巻き取られるという大きな相違があって、当業者間では区別されている。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼スラブを熱間圧延して厚鋼板（以下、厚板）となす工程（厚板圧延工程）では、鋼スラブを加熱炉で例えば１０５０〜１３５０℃に加熱した後、１基または２基の可逆式圧延機で複数パス熱間圧延して、所望の板厚、板幅の厚鋼板（製品板厚範囲：４．５〜４００ｍｍ ）となす。厚板圧延用可逆式圧延機（厚板圧延機）のワークロールには、通常、鋼製のロールが用いられる。
【０００３】
しかし、圧延温度が高いため、ワークロールと被圧延材との間に焼付が発生しやすく、製品鋼板の表面に肌荒れが生じる問題があった。また、圧延反力（圧延荷重）、熱負荷に伴う大きな応力を受けることにより、ワークロールの表面に亀裂が入りやすく、亀裂が入ると、それが製品厚鋼板の表面に転写して肌荒れが生じたり、ロール研削量が増えてロール原単位が悪化したり、亀裂が大きいと、ロールの折損（スポーリング）に至る場合もある、という問題もあった。
【０００４】
また、圧延温度の比較的低いものを多く圧延すると、圧延荷重が高くまた被圧延材表面に比較的硬いスケールが生成することから、ワークロールが早期に摩耗してロールプロフィルが変わってしまい、ロール再研磨の頻度が高く、ロールコストが高くなるという問題もあった。亀裂発生に対する抵抗や耐摩耗性の大きいロールとしては、従来、特許文献１に示すような、ロール外殻層の組成、硬度、残留圧縮応力を規制した高炭素系高速度鋼ロールや、特許文献２に示すような、内層が鋼製、外層が超硬合金製の内外２層スリーブをもつ複合ロールの外層／内層の断面積比を規制した超硬合金製複合ロールなどが用いられてきた。
【０００５】
しかし、前記特許文献１のロールは、厚板圧延機のワークロールに用いても、前記焼付や亀裂等（亀裂、摩耗）を十分に防止できなかった。また、前記特許文献２のロールは、前記焼付や亀裂等を有効に防止できるものの、その複合スリーブは外層の超硬合金の混合粉末を焼結させると同時に内層に拡散接合させて製作されるものであるため、厚板圧延用ワークロールのような大径長尺（例えば外径１２００ｍｍφ×圧延部幅５５００ｍｍW）のロールに見合うサイズ範囲では精度良くまた作業性良く製作することが困難であり、厚板圧延機のワークロールには適用できていなかった。そのため、被圧延材の表面品質を良好な状態で何百本も圧延しようとすれば、頻繁にラインを停止してはロールを交換して操業せざるを得なかった。
【０００６】
こうしたことから、厚板圧延機でのワークロールの焼付や亀裂等を防止し、厚板製品の表面品質を向上するとともに、厚板圧延操業において圧延能率を向上する、という両方の要求に応えるべく、特許文献３では、超硬合金製の円筒をます焼結して作成し、それをいくつか継ぎ足してＨＩＰ（熱間等方加圧）した後、鋼製軸心に嵌め込むことで、表層が超硬合金からなるロールを製造し、厚鋼板の圧延に用いることを提案している。
【０００７】
なお、後述の本発明を実施するための最良の形態に引用するため、特許文献４にここで言及しておく。
【特許文献１】特開平０９−０７８１８６号公報
【特許文献２】特開平１０−００５８２５号公報
【特許文献３】特開２００２−２２４７１５号公報
【特許文献４】特開平１０−３１７１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献３に示されているような、ワークロールの表層の材質を超硬合金とする方法では、超硬合金が脆性材料であるため、ワークロールが割損しやすい問題があった。しかも、１本被圧延材を圧延しただけですぐさま割損するというわけではなく、何本も被圧延材を圧延しているうちに突然割損する。何本目に割損するかはばらつきがあって、ひとたび割損すると厚板圧延操業が突然中断して被圧延材の圧延が何時間かできなくなる。このような問題があるため、適用が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上述のような従来技術の問題を解決するべくなされたものである。
【００１０】
（１）鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いることを特徴とする厚鋼板の圧延方法。
【００１１】
（２）（１）の厚鋼板の圧延方法を用いた厚鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特許文献３に示したワークロールのように割損してしまうことを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、厚板圧延機のワークロールに鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いる。
【００１４】
超硬合金は、WC,TaC,TiC等の超硬材料粉末に、Co,Ni,Cr,Ti 等の金属粉末のうちから選ばれる１種または２種以上を質量％にして５〜５０％添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、超硬材料混合粉末としては、質量％にして５〜５０％Coを添加したＷＣ粉末を焼結したものとするのが、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れかつ靭性が良好であるので好ましい。
【００１５】
本発明の厚鋼板の圧延方法に用いられるロールについて、以下に説明する。
【００１６】
本発明の実施形態に用いるワークロール（以下、ロール）を図１〜図５に示す。それぞれの図において、（ａ）は半径方向断面図であり、（ｂ）は胴長方向断面図である。それらのロールの基本的な構造上の特徴は、鉄系材料からなる外層１と、その内側に超硬合金からなる内層２を形成したことにある。
【００１７】
図１に示したロールは、内部を全て超硬合金からなる内層２とした場合である。なお、図中の５は、ネック部である。
【００１８】
図２に示したロールは、鉄系材料よりなる軸芯４の周りに、超硬合金からなる内層２を設け、その外側に鉄系材料よりなる外層１を設けたものである。
【００１９】
図３〜図５に示したロールは、図２に示したロールにおいて、超硬合金からなる内層２に接するようにして、それぞれ、内層２の内側、外側、両側に、鉄系材料または、上記と同じか異なる組成の超硬合金よりなる中間層３を設けたものである。これは、後述するスリーブ状の超硬合金層を形成する場合に発生する残留応力や、圧延時に発生する熱応力により、ロールに内部応力が発生する影響を緩和する目的で設けている。
【００２０】
外層１をなす鉄系材料は、鉄系という言葉の通り、鉄を質量％にして５０％以上含有するものであればいかなるものでも良いが、例えば、特許文献４に記載されている以下のような合金成分を有するようにするのが好ましい。
【００２１】
質量％にして、C：１．１〜１．５％、Si：０．１５〜１．０％、Mn：０．１５〜１．５％、Ni：１．０％以下、Cr：９．０〜１５．０％、Mo：１．０％未満、V：０．８％未満、Ti：０．３％以下を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鉄系合金。
【００２２】
一方、内層２をなす超硬合金は、WC、TaC、TiCなどの超硬材料粉末に、Co、Ni、Cr、 Ti等の金属粉末のうちから選ばれる１種あるいは２種以上を総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合で添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、特に、WCに総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合でCo粉末を添加した超硬材料混合粉末を焼結したものとするのが、使用時の熱特性、製造時の割損抑制などの耐事故性が良好であるので好ましい。
【００２３】
また、図３〜図５に示したロールにおいて、中間層３をなす鉄系材料は、外層１をなす鉄系材料と同一の材質としても良いし、それとは異なる異種の鉄系材料としても良い。異種の鉄系材料としては、例えば、鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鉄、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれも好ましく、以下のような合金成分を有するようにするのも好ましいが、これに限るものではない。
【００２４】
質量％にして、C：１．３％以下、Si：１．０％以下、Mn：１．５％以下、Ni：１．０％以下、Cr：１０％以下、Mo：１．０％未満、V：０．８％未満、Ti：０．３％未満を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鉄系合金。
【００２５】
また、超硬合金を中間層３として用いるのも好ましく、その場合、その超硬合金は、WC、TaC、TiCなどの超硬材料粉末に、Co、Ni、Cr、 Ti等の金属粉末のうちから選ばれる１種あるいは２種以上を総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合で添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、特に、WCに総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合でCo粉末を添加した超硬材料混合粉末を焼結したものとするのが、使用時の熱特性、製造時の割損抑制などの耐事故性が良好であるので好ましい。
【００２６】
なお、上記のような異種の鉄系材料あるいはそれとはさらに異なる異種の鉄系材料は、溶製材とするのが好ましいので、以下、溶製材の鉄系材料の場合を例に説明するが、本発明に用いるロールの鉄系材料の部分は溶製材に限定されるものではない。
【００２７】
また、図２〜図５に示したロールの軸芯４は、例えば、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、高速度鋼を調質することで製造することもできる。
【００２８】
以上述べた基本的なロールの構造に基づいて、詳細な構造は、ロール寸法、使用条件、製造コストの許容範囲などにより適宜決定すれば良いが、ロール寸法のうち、各部のものに関しては、以下に述べるようにすることが好ましい。
【００２９】
すなわち、鉄系材料からなる外層１の厚みは薄ければ薄いほどロール偏平が抑制され、圧延中、ロールと被圧延材との間の接触弧長が短くなる。これにより、圧延中のロールの回転に伴うロールと被圧延材との接触時間も短くなって、ロールへの入熱が減少し、熱応力が軽減されるため、ワークロール表層に亀裂が入りにくくなり、ロール研削量が減ってロール原単位が悪化するのを抑制できる。
【００３０】
しかしながら、製造上、薄い層になればなるほど形成が困難になるという制約や、圧延中の剛性の問題から、５ｍｍ以上とするのが好ましい。上限はロール偏平の抑制の観点から、１００ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００３１】
また、超硬合金からなる内層２の厚みは、ロール偏平を抑制する観点から、厚い方が好ましい。好適な範囲は、５０ｍｍ〜５００ｍｍである。
【００３２】
また、鉄系材料または超硬合金からなる中間層３の厚みは、ある程度の厚みがあれば、超硬合金層を安定化させることができるので、超硬合金層の厚み以下とするのが好ましい。製造上、薄い層になればなるほど形成が困難になることから、３ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００３３】
そして、図２〜図５に示したロールの軸芯４の太さは、ロールの構造上、ネック部５の代表寸法（小判状断面の部分を除いた円柱部分の直径）と同一とするのが好ましく、ロールの胴部（ネック部を除くという意味）の直径の１．５分の１ないし４分の１とするのが好ましい。軸芯４の太さを調整することで、結果的に、超硬合金からなる内層２や鉄系材料からなる中間層３の厚みも調整できる。
【００３４】
ロールの最終的な寸法は、ロールの胴長方向中央の胴部の円柱部分の直径にして５００〜２０００ｍｍ、胴長方向の長さにして２５００〜６０００ｍｍと幅広い。
【００３５】
次に、図３に示したロールの場合を例に、本発明に用いるロールの製造方法について、以下に説明する。
【００３６】
なお、本発明に用いるロール寸法は、代表的な一例を挙げると、胴部の外径１２００ｍｍφ×胴長５４９０ｍｍＷ内外と、胴長方向に非常に長いので、超硬合金部分を一体で製造することは好ましくなく、図６に示すごとく、（ａ）予め焼結にて製造された胴長数百ｍｍのものを、（ｂ）複数継ぎ足して再度焼結するようにして製造するのが好ましい。
【００３７】
そこで、例えば、粉末充填（ロール１本あたりの胴長を整数で除した寸法に後工程での収縮分を加算したのに実質的に等しい幅（胴長）を持つ複数個の成形体を製造する）→ＣＩＰ（冷間等方加圧）処理→機械加工→仮焼結→機械加工→本焼結・ＨＩＰ（熱間等方加圧）処理（複数個の成形体を胴長方向に継ぎ足して一体化し、熱間等方加圧して焼結し、超硬合金製スリーブ（円筒状部材）を製造する）→機械加工→拡散接合処理（超硬合金製スリーブの内面側に中間層として鉄系の円筒状内層部材を設ける場合）→嵌合・固定（スリーブを軸芯用部材に嵌合して固定する）という一連の製造プロセスを経て、軸芯用部材の周りに超硬合金層を有するロール部材を製造する。そして、外層の鉄系材料よりなる円筒状部材を鋳造により作成し、上記の超硬合金層を有するロール部材に焼き嵌めなどにより嵌合し一体化することで、最終的に本発明のロールを製造完了する。
【００３８】
しかる後、機械加工を施して、各部の寸法を最終的に調整したり、研磨してロール胴部の粗度や光沢度を調整することは、何らこれを妨げない。
【００３９】
以上述べた本発明のロールの製造方法の一部について補足して説明すると、超硬合金製スリーブには、必要に応じて、その内面に研削、研磨等の機械加工を行い、次いで、焼き嵌め、冷やし嵌めなどの方法で超硬合金製スリーブを軸芯に嵌合して固定する。
【００４０】
ＣＩＰ成形の条件は、例えば、１００〜３００ ＭＰａで５〜６０分保持するのが好ましい。
【００４１】
仮焼結の条件は、例えば、５５０〜８００℃で１〜３時間保持するのが好ましい。
【００４２】
本焼結・ＨＩＰ処理は、例えば、Ar雰囲気下、１００〜２００ＭＰａ、１１００〜１２００℃で、０．５〜２時間保持後、さらに１３００〜１３５０℃で１〜３時間保持するのが好ましい。なお、本焼結・ＨＩＰ処理は、同時処理に限らず、焼結後に熱間等方加圧処理を行っても良い。例えば、超硬合金製スリーブの内面に肉厚５０ｍｍの円筒状ＳＣＭ−４４０相当の鍛鋼を拡散接合する場合には、Ar雰囲気下、１２００〜１３００℃で、０．５ 〜１時間保持するのが好ましい。
【００４３】
最後に、外層の鉄系材料よりなる円筒状部材を鋳造により製造し、上記の超硬合金製スリーブの内面側にＳＣＭ４４０相当の鍛鋼を拡散接合した円筒状部材の外面側に焼き嵌めなどにより嵌合・一体化する。外層の鉄系材料よりなる円筒状部材は、必要に応じて、嵌合の前後に焼入れや浸炭により調質あるいは鍛造などを施して必要な強度と性質を与えるようにするのも好ましい。
【００４４】
以上が、本発明に用いるロールの製造方法の一例であるが、以上説明した方法はあくまで一例であり、本発明に用いるロールの製造方法は、以上説明した方法に限られるものではない。例えば、外層の鉄系材料よりなる部分は遠心鋳造、肉盛溶接、あるいは溶射などによって、ロール部材の外側に形成するなどしても良い。
【００４５】
なお、図１〜図５には示していないが、外層１及び中間層３をなす鉄系材料の層と、内層２をなす超硬合金層との間には、超硬合金材料に適宜、鉄（Fe）や炭素（C）を添加して調整した緩衝層を設けるようにするのも好ましい。緩衝層の成分は、超硬合金の拡散接合条件に応じて調整されることが好ましい。緩衝層の厚みは、超硬合金によるサーマルクラウン抑制の効果を損なわないようにするためには１０ｍｍ以下とするのが好ましく、２〜５ｍｍとするのがさらに好ましい。
【００４６】
超硬合金層２のヤング率は鉄系材料に比べて高いので、ロール偏平が抑制され、圧延中、ロールと被圧延材との間の接触弧長が短くなり、これにより、圧延中のロールの回転に伴うロールと被圧延材との接触時間も短くなって、ロールへの入熱が減少し、熱応力が軽減されるため、ワークロール表層に亀裂が入りにくくなることは先にも述べたが、ロールへの入熱が減少することで、ロールの外層１と被圧延材との間に焼き付きが発生するのも抑制される、という効果もある。
【００４７】
また、外層１は超硬合金のような脆性材料ではない鉄系材料で構成されているので、ロールの外層１と被圧延材との接触によってワークロールが割損するのも防止できる。
【００４８】
厚鋼板を熱間圧延して製造する工場（厚板圧延ライン）において、厚板圧延機は１基または２基配置されるが、２基配置の場合は、少なくともいずれか１基のワークロールに本発明に用いるロールを用いる。図７は、本発明の実施に適した厚板圧延ラインの例を示す配置図である。ライン上流側から順に、加熱炉１０、デスケーリング装置１１、厚板圧延機１２、冷却装置１３、冷却床１４が配置されている。この例では、厚板圧延機１２は上下１対のワークロールＷＲおよびバックアップロールＢＵＲを備えた４重式の可逆式圧延機１基で構成されているが、可逆式圧延機２基で構成されたものでもよく、また、可逆式圧延機を上下１対のワークロールのみ備えた２重式としたものであってもよい。
【００４９】
２基構成の厚板圧延機の場合、いずれか１基に対して本発明を適用してもよいが、２基に対して適用した方がさらに効果的である。
【実施例】
【００５０】
図７に示す厚板圧延ラインにて、厚板圧延機のワークロール（圧延部寸法＝外径１２００ｍｍφ×幅５４９０ｍｍＷ）として鋼ロール、図８（ａ）、（ｂ）に示す各超硬合金ロールＡ，Ｂ、図２、図３に示す本発明のロールを用い、各ロール種類毎に２０本ずつ、ＳＭ４９０相当鋼スラブ（３００ｍｍ厚）を熱間圧延（パス数１０〜１５）して製品板厚１２〜１６ｍｍの厚鋼板となした。
【００５１】
鋼ロールは高速度鋼を調質して製作された。
【００５２】
超硬合金ロールＡは図８（ａ）に示す構造を有し、超硬合金接合スリーブ２２は、タングステンカーバイド（WC）にCoを質量％にして２０% 添加したものを素材としてラバー成形により形成した厚さ２３０ｍｍｔ×幅４００ｍｍＬのWC-Co 合金中空部材を幅方向に２５個ＨＩＰ接合し、これを鋼製軸心２４に嵌合して超硬合金ロールＡを得た。なお、２１は鋼製側端リングである。
【００５３】
超硬合金ロールＢは図８（ｂ）に示す構造を有し、超硬合金接合スリーブ２２は、タングステンカーバイド（WC）にCoを質量％にして１０% 添加したものを素材としてラバー成形により形成した厚さ２３０ｍｍｔ×幅４００ｍｍＬのWC-Co 合金中空部材を幅方向に２５個ＨＩＰ接合し、これを鋼製緩衝材２５に嵌合し、さらに鋼製軸心２４に嵌合して超硬合金ロールＢを得た。なお、２１は鋼製側端リングである。
【００５４】
本発明例では、ワークロールは、図２及び図３に示した構造のものを用い、外層１は、特許文献４に記載の化学成分範囲の鉄系材料で、質量%にして、C：１．４％、Si：０．５％、Mn：０．５％、Ni：０．５％、Cr：１２％、Mo：０．８％、V：０．４％、Ti：０．１％で残部はFeと不可避的不純物である成分からなる合金とし、厚みを１５ｍｍとした。
【００５５】
超硬合金層２は質量%にして１５%のCoをＷＣに添加したものとし、図２のものは、厚みを２００ｍｍ、図３のものは、厚みを１９５ｍｍとした。図３のものの中間層３は、質量％にして０．０５%の炭素を含有する炭素鋼とし、厚みを５ｍｍとした。超硬合金層２は胴長方向５個の仮焼結体から、前記のHIPにより製造し、内側に中間層３を嵌合した。嵌合時は、超硬合金層２を３５０℃に加熱し、中間層３を−３０℃に冷却して、焼き冷やし嵌めした。外層１は遠心鋳造および機械研削により２５ｍｍの厚みの円筒を製造し、これを超硬合金層１の外周に嵌合した。嵌合時、超硬合金層２と中間層３の一体円筒は常温のまま、外層１を２５０℃に加熱して焼き嵌めた。これら３層の一体円筒を３８０℃に加熱して直径７５０ｍｍの鋼製軸芯４に焼き嵌めした。最後に、外層１を鍛造および機械研削して、ロール外周を仕上げた。
【００５６】
各ロール種類毎に最終本目に圧延された厚鋼板の表面性状を観察するとともに、最終本目の圧延を終えたワークロール表層の亀裂発生量および摩耗量を調査した。亀裂発生量は超音波探傷法で検出したロール表層亀裂の個数および最大深さで評価した。摩耗量は圧延前とのロールプロフィル差が最大となるロール胴長方向位置におけるロール半径減少量で評価した。
【００５７】
調査結果を表１に示す。ワークロールに超硬合金ロールを用いた比較例、図２及び図３に示した構造のワークロールを用いた本発明例では、圧延後のロール表層の亀裂は浅く、表面性状は良好であった。これに対し、従来例である鋼ロールでは、亀裂が深く、肌荒れしていた。
【００５８】
なお、２０本の圧延を終了後も圧延を継続したが、超硬合金ロールＡは５３本目、超硬合金ロールＢは２１５本目に割損してしまった。従来例である鋼ロールと、図２及び図３に示した構造のワークロールを用いた本発明例では、５００本以上圧延しても割損しなかった。
【００５９】
【表１】
【００６０】
なお、厚鋼板は、高炉などから出る溶銑を成分調整して溶製した後、造塊法にて鋳造後のインゴットを分塊圧延するか、あるいは連続鋳造法により直接、スラブ状の鋼塊にし、それを上記図７に示したような厚板圧延ラインにて、圧延することで製造できるが、上記図７に示したような厚板圧延ラインにて、圧延する際に、本発明の厚鋼板の圧延方法を用いて圧延することで、良好な表面品質の厚鋼板を製造できるとともに、ワークロールの割損による操業停止も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に用いるロールの断面図である。
【図２】本発明に用いるロールの断面図である。
【図３】本発明に用いるロールの断面図である。
【図４】本発明に用いるロールの断面図である。
【図５】本発明に用いるロールの断面図である。
【図６】本発明に用いるロールの製造方法について、一部を説明するための図である。
【図７】本発明の実施に適した厚板圧延ラインの例を示す配置図である。
【図８】比較例に用いるロールの断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 鉄系材料
２ 超硬合金
３ 中間層
４ 軸芯
５ ネック部
１０ 加熱炉
１１ デスケーリング装置
１２ 厚板圧延機
１３ 冷却装置
１４ 冷却床
２１ 鋼製側端リング
２２ 超硬合金接合スリーブ
２４ 鋼製軸心
２５ 鋼製緩衝材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板の圧延方法およびそれを用いた厚鋼板の製造方法に関する。厚鋼板は、平鋼や帯鋼と比べ、製品幅が広い。平鋼が製品幅５００ｍｍ以下、帯鋼が６００〜２３００ｍｍであるのに対し、厚鋼板は多くの場合、製品幅２３００ｍｍ超、と平鋼よりもはるかに製品幅が広く、帯鋼とは一部製品幅のラップする領域があるものの、概して帯鋼よりも製品幅が広い。厚鋼板と帯鋼とは、一部製品厚もラップする領域があるが、前者が圧延後に巻き取られないのに対し、後者は巻き取られるという大きな相違があって、当業者間では区別されている。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼スラブを熱間圧延して厚鋼板（以下、厚板）となす工程（厚板圧延工程）では、鋼スラブを加熱炉で例えば１０５０〜１３５０℃に加熱した後、１基または２基の可逆式圧延機で複数パス熱間圧延して、所望の板厚、板幅の厚鋼板（製品板厚範囲：４．５〜４００ｍｍ ）となす。厚板圧延用可逆式圧延機（厚板圧延機）のワークロールには、通常、鋼製のロールが用いられる。
【０００３】
しかし、圧延温度が高いため、ワークロールと被圧延材との間に焼付が発生しやすく、製品鋼板の表面に肌荒れが生じる問題があった。また、圧延反力（圧延荷重）、熱負荷に伴う大きな応力を受けることにより、ワークロールの表面に亀裂が入りやすく、亀裂が入ると、それが製品厚鋼板の表面に転写して肌荒れが生じたり、ロール研削量が増えてロール原単位が悪化したり、亀裂が大きいと、ロールの折損（スポーリング）に至る場合もある、という問題もあった。
【０００４】
また、圧延温度の比較的低いものを多く圧延すると、圧延荷重が高くまた被圧延材表面に比較的硬いスケールが生成することから、ワークロールが早期に摩耗してロールプロフィルが変わってしまい、ロール再研磨の頻度が高く、ロールコストが高くなるという問題もあった。亀裂発生に対する抵抗や耐摩耗性の大きいロールとしては、従来、特許文献１に示すような、ロール外殻層の組成、硬度、残留圧縮応力を規制した高炭素系高速度鋼ロールや、特許文献２に示すような、内層が鋼製、外層が超硬合金製の内外２層スリーブをもつ複合ロールの外層／内層の断面積比を規制した超硬合金製複合ロールなどが用いられてきた。
【０００５】
しかし、前記特許文献１のロールは、厚板圧延機のワークロールに用いても、前記焼付や亀裂等（亀裂、摩耗）を十分に防止できなかった。また、前記特許文献２のロールは、前記焼付や亀裂等を有効に防止できるものの、その複合スリーブは外層の超硬合金の混合粉末を焼結させると同時に内層に拡散接合させて製作されるものであるため、厚板圧延用ワークロールのような大径長尺（例えば外径１２００ｍｍφ×圧延部幅５５００ｍｍW）のロールに見合うサイズ範囲では精度良くまた作業性良く製作することが困難であり、厚板圧延機のワークロールには適用できていなかった。そのため、被圧延材の表面品質を良好な状態で何百本も圧延しようとすれば、頻繁にラインを停止してはロールを交換して操業せざるを得なかった。
【０００６】
こうしたことから、厚板圧延機でのワークロールの焼付や亀裂等を防止し、厚板製品の表面品質を向上するとともに、厚板圧延操業において圧延能率を向上する、という両方の要求に応えるべく、特許文献３では、超硬合金製の円筒をます焼結して作成し、それをいくつか継ぎ足してＨＩＰ（熱間等方加圧）した後、鋼製軸心に嵌め込むことで、表層が超硬合金からなるロールを製造し、厚鋼板の圧延に用いることを提案している。
【０００７】
なお、後述の本発明を実施するための最良の形態に引用するため、特許文献４にここで言及しておく。
【特許文献１】特開平０９−０７８１８６号公報
【特許文献２】特開平１０−００５８２５号公報
【特許文献３】特開２００２−２２４７１５号公報
【特許文献４】特開平１０−３１７１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献３に示されているような、ワークロールの表層の材質を超硬合金とする方法では、超硬合金が脆性材料であるため、ワークロールが割損しやすい問題があった。しかも、１本被圧延材を圧延しただけですぐさま割損するというわけではなく、何本も被圧延材を圧延しているうちに突然割損する。何本目に割損するかはばらつきがあって、ひとたび割損すると厚板圧延操業が突然中断して被圧延材の圧延が何時間かできなくなる。このような問題があるため、適用が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上述のような従来技術の問題を解決するべくなされたものである。
【００１０】
（１）鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いることを特徴とする厚鋼板の圧延方法。
【００１１】
（２）（１）の厚鋼板の圧延方法を用いた厚鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特許文献３に示したワークロールのように割損してしまうことを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、厚板圧延機のワークロールに鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いる。
【００１４】
超硬合金は、WC,TaC,TiC等の超硬材料粉末に、Co,Ni,Cr,Ti 等の金属粉末のうちから選ばれる１種または２種以上を質量％にして５〜５０％添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、超硬材料混合粉末としては、質量％にして５〜５０％Coを添加したＷＣ粉末を焼結したものとするのが、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れかつ靭性が良好であるので好ましい。
【００１５】
本発明の厚鋼板の圧延方法に用いられるロールについて、以下に説明する。
【００１６】
本発明の実施形態に用いるワークロール（以下、ロール）を図１〜図５に示す。それぞれの図において、（ａ）は半径方向断面図であり、（ｂ）は胴長方向断面図である。それらのロールの基本的な構造上の特徴は、鉄系材料からなる外層１と、その内側に超硬合金からなる内層２を形成したことにある。
【００１７】
図１に示したロールは、内部を全て超硬合金からなる内層２とした場合である。なお、図中の５は、ネック部である。
【００１８】
図２に示したロールは、鉄系材料よりなる軸芯４の周りに、超硬合金からなる内層２を設け、その外側に鉄系材料よりなる外層１を設けたものである。
【００１９】
図３〜図５に示したロールは、図２に示したロールにおいて、超硬合金からなる内層２に接するようにして、それぞれ、内層２の内側、外側、両側に、鉄系材料または、上記と同じか異なる組成の超硬合金よりなる中間層３を設けたものである。これは、後述するスリーブ状の超硬合金層を形成する場合に発生する残留応力や、圧延時に発生する熱応力により、ロールに内部応力が発生する影響を緩和する目的で設けている。
【００２０】
外層１をなす鉄系材料は、鉄系という言葉の通り、鉄を質量％にして５０％以上含有するものであればいかなるものでも良いが、例えば、特許文献４に記載されている以下のような合金成分を有するようにするのが好ましい。
【００２１】
質量％にして、C：１．１〜１．５％、Si：０．１５〜１．０％、Mn：０．１５〜１．５％、Ni：１．０％以下、Cr：９．０〜１５．０％、Mo：１．０％未満、V：０．８％未満、Ti：０．３％以下を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鉄系合金。
【００２２】
一方、内層２をなす超硬合金は、WC、TaC、TiCなどの超硬材料粉末に、Co、Ni、Cr、 Ti等の金属粉末のうちから選ばれる１種あるいは２種以上を総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合で添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、特に、WCに総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合でCo粉末を添加した超硬材料混合粉末を焼結したものとするのが、使用時の熱特性、製造時の割損抑制などの耐事故性が良好であるので好ましい。
【００２３】
また、図３〜図５に示したロールにおいて、中間層３をなす鉄系材料は、外層１をなす鉄系材料と同一の材質としても良いし、それとは異なる異種の鉄系材料としても良い。異種の鉄系材料としては、例えば、鋳鋼、鍛鋼、黒鉛鋳鉄、炭素鋼及び合金炭素鋼のいずれも好ましく、以下のような合金成分を有するようにするのも好ましいが、これに限るものではない。
【００２４】
質量％にして、C：１．３％以下、Si：１．０％以下、Mn：１．５％以下、Ni：１．０％以下、Cr：１０％以下、Mo：１．０％未満、V：０．８％未満、Ti：０．３％未満を含有し、残部鉄及び不可避的不純物からなる鉄系合金。
【００２５】
また、超硬合金を中間層３として用いるのも好ましく、その場合、その超硬合金は、WC、TaC、TiCなどの超硬材料粉末に、Co、Ni、Cr、 Ti等の金属粉末のうちから選ばれる１種あるいは２種以上を総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合で添加した超硬材料混合粉末を焼結したものであり、特に、WCに総質量に対し質量％にして５〜５０％の割合でCo粉末を添加した超硬材料混合粉末を焼結したものとするのが、使用時の熱特性、製造時の割損抑制などの耐事故性が良好であるので好ましい。
【００２６】
なお、上記のような異種の鉄系材料あるいはそれとはさらに異なる異種の鉄系材料は、溶製材とするのが好ましいので、以下、溶製材の鉄系材料の場合を例に説明するが、本発明に用いるロールの鉄系材料の部分は溶製材に限定されるものではない。
【００２７】
また、図２〜図５に示したロールの軸芯４は、例えば、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、高速度鋼を調質することで製造することもできる。
【００２８】
以上述べた基本的なロールの構造に基づいて、詳細な構造は、ロール寸法、使用条件、製造コストの許容範囲などにより適宜決定すれば良いが、ロール寸法のうち、各部のものに関しては、以下に述べるようにすることが好ましい。
【００２９】
すなわち、鉄系材料からなる外層１の厚みは薄ければ薄いほどロール偏平が抑制され、圧延中、ロールと被圧延材との間の接触弧長が短くなる。これにより、圧延中のロールの回転に伴うロールと被圧延材との接触時間も短くなって、ロールへの入熱が減少し、熱応力が軽減されるため、ワークロール表層に亀裂が入りにくくなり、ロール研削量が減ってロール原単位が悪化するのを抑制できる。
【００３０】
しかしながら、製造上、薄い層になればなるほど形成が困難になるという制約や、圧延中の剛性の問題から、５ｍｍ以上とするのが好ましい。上限はロール偏平の抑制の観点から、１００ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００３１】
また、超硬合金からなる内層２の厚みは、ロール偏平を抑制する観点から、厚い方が好ましい。好適な範囲は、５０ｍｍ〜５００ｍｍである。
【００３２】
また、鉄系材料または超硬合金からなる中間層３の厚みは、ある程度の厚みがあれば、超硬合金層を安定化させることができるので、超硬合金層の厚み以下とするのが好ましい。製造上、薄い層になればなるほど形成が困難になることから、３ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００３３】
そして、図２〜図５に示したロールの軸芯４の太さは、ロールの構造上、ネック部５の代表寸法（小判状断面の部分を除いた円柱部分の直径）と同一とするのが好ましく、ロールの胴部（ネック部を除くという意味）の直径の１．５分の１ないし４分の１とするのが好ましい。軸芯４の太さを調整することで、結果的に、超硬合金からなる内層２や鉄系材料からなる中間層３の厚みも調整できる。
【００３４】
ロールの最終的な寸法は、ロールの胴長方向中央の胴部の円柱部分の直径にして５００〜２０００ｍｍ、胴長方向の長さにして２５００〜６０００ｍｍと幅広い。
【００３５】
次に、図３に示したロールの場合を例に、本発明に用いるロールの製造方法について、以下に説明する。
【００３６】
なお、本発明に用いるロール寸法は、代表的な一例を挙げると、胴部の外径１２００ｍｍφ×胴長５４９０ｍｍＷ内外と、胴長方向に非常に長いので、超硬合金部分を一体で製造することは好ましくなく、図６に示すごとく、（ａ）予め焼結にて製造された胴長数百ｍｍのものを、（ｂ）複数継ぎ足して再度焼結するようにして製造するのが好ましい。
【００３７】
そこで、例えば、粉末充填（ロール１本あたりの胴長を整数で除した寸法に後工程での収縮分を加算したのに実質的に等しい幅（胴長）を持つ複数個の成形体を製造する）→ＣＩＰ（冷間等方加圧）処理→機械加工→仮焼結→機械加工→本焼結・ＨＩＰ（熱間等方加圧）処理（複数個の成形体を胴長方向に継ぎ足して一体化し、熱間等方加圧して焼結し、超硬合金製スリーブ（円筒状部材）を製造する）→機械加工→拡散接合処理（超硬合金製スリーブの内面側に中間層として鉄系の円筒状内層部材を設ける場合）→嵌合・固定（スリーブを軸芯用部材に嵌合して固定する）という一連の製造プロセスを経て、軸芯用部材の周りに超硬合金層を有するロール部材を製造する。そして、外層の鉄系材料よりなる円筒状部材を鋳造により作成し、上記の超硬合金層を有するロール部材に焼き嵌めなどにより嵌合し一体化することで、最終的に本発明のロールを製造完了する。
【００３８】
しかる後、機械加工を施して、各部の寸法を最終的に調整したり、研磨してロール胴部の粗度や光沢度を調整することは、何らこれを妨げない。
【００３９】
以上述べた本発明のロールの製造方法の一部について補足して説明すると、超硬合金製スリーブには、必要に応じて、その内面に研削、研磨等の機械加工を行い、次いで、焼き嵌め、冷やし嵌めなどの方法で超硬合金製スリーブを軸芯に嵌合して固定する。
【００４０】
ＣＩＰ成形の条件は、例えば、１００〜３００ ＭＰａで５〜６０分保持するのが好ましい。
【００４１】
仮焼結の条件は、例えば、５５０〜８００℃で１〜３時間保持するのが好ましい。
【００４２】
本焼結・ＨＩＰ処理は、例えば、Ar雰囲気下、１００〜２００ＭＰａ、１１００〜１２００℃で、０．５〜２時間保持後、さらに１３００〜１３５０℃で１〜３時間保持するのが好ましい。なお、本焼結・ＨＩＰ処理は、同時処理に限らず、焼結後に熱間等方加圧処理を行っても良い。例えば、超硬合金製スリーブの内面に肉厚５０ｍｍの円筒状ＳＣＭ−４４０相当の鍛鋼を拡散接合する場合には、Ar雰囲気下、１２００〜１３００℃で、０．５ 〜１時間保持するのが好ましい。
【００４３】
最後に、外層の鉄系材料よりなる円筒状部材を鋳造により製造し、上記の超硬合金製スリーブの内面側にＳＣＭ４４０相当の鍛鋼を拡散接合した円筒状部材の外面側に焼き嵌めなどにより嵌合・一体化する。外層の鉄系材料よりなる円筒状部材は、必要に応じて、嵌合の前後に焼入れや浸炭により調質あるいは鍛造などを施して必要な強度と性質を与えるようにするのも好ましい。
【００４４】
以上が、本発明に用いるロールの製造方法の一例であるが、以上説明した方法はあくまで一例であり、本発明に用いるロールの製造方法は、以上説明した方法に限られるものではない。例えば、外層の鉄系材料よりなる部分は遠心鋳造、肉盛溶接、あるいは溶射などによって、ロール部材の外側に形成するなどしても良い。
【００４５】
なお、図１〜図５には示していないが、外層１及び中間層３をなす鉄系材料の層と、内層２をなす超硬合金層との間には、超硬合金材料に適宜、鉄（Fe）や炭素（C）を添加して調整した緩衝層を設けるようにするのも好ましい。緩衝層の成分は、超硬合金の拡散接合条件に応じて調整されることが好ましい。緩衝層の厚みは、超硬合金によるサーマルクラウン抑制の効果を損なわないようにするためには１０ｍｍ以下とするのが好ましく、２〜５ｍｍとするのがさらに好ましい。
【００４６】
超硬合金層２のヤング率は鉄系材料に比べて高いので、ロール偏平が抑制され、圧延中、ロールと被圧延材との間の接触弧長が短くなり、これにより、圧延中のロールの回転に伴うロールと被圧延材との接触時間も短くなって、ロールへの入熱が減少し、熱応力が軽減されるため、ワークロール表層に亀裂が入りにくくなることは先にも述べたが、ロールへの入熱が減少することで、ロールの外層１と被圧延材との間に焼き付きが発生するのも抑制される、という効果もある。
【００４７】
また、外層１は超硬合金のような脆性材料ではない鉄系材料で構成されているので、ロールの外層１と被圧延材との接触によってワークロールが割損するのも防止できる。
【００４８】
厚鋼板を熱間圧延して製造する工場（厚板圧延ライン）において、厚板圧延機は１基または２基配置されるが、２基配置の場合は、少なくともいずれか１基のワークロールに本発明に用いるロールを用いる。図７は、本発明の実施に適した厚板圧延ラインの例を示す配置図である。ライン上流側から順に、加熱炉１０、デスケーリング装置１１、厚板圧延機１２、冷却装置１３、冷却床１４が配置されている。この例では、厚板圧延機１２は上下１対のワークロールＷＲおよびバックアップロールＢＵＲを備えた４重式の可逆式圧延機１基で構成されているが、可逆式圧延機２基で構成されたものでもよく、また、可逆式圧延機を上下１対のワークロールのみ備えた２重式としたものであってもよい。
【００４９】
２基構成の厚板圧延機の場合、いずれか１基に対して本発明を適用してもよいが、２基に対して適用した方がさらに効果的である。
【実施例】
【００５０】
図７に示す厚板圧延ラインにて、厚板圧延機のワークロール（圧延部寸法＝外径１２００ｍｍφ×幅５４９０ｍｍＷ）として鋼ロール、図８（ａ）、（ｂ）に示す各超硬合金ロールＡ，Ｂ、図２、図３に示す本発明のロールを用い、各ロール種類毎に２０本ずつ、ＳＭ４９０相当鋼スラブ（３００ｍｍ厚）を熱間圧延（パス数１０〜１５）して製品板厚１２〜１６ｍｍの厚鋼板となした。
【００５１】
鋼ロールは高速度鋼を調質して製作された。
【００５２】
超硬合金ロールＡは図８（ａ）に示す構造を有し、超硬合金接合スリーブ２２は、タングステンカーバイド（WC）にCoを質量％にして２０% 添加したものを素材としてラバー成形により形成した厚さ２３０ｍｍｔ×幅４００ｍｍＬのWC-Co 合金中空部材を幅方向に２５個ＨＩＰ接合し、これを鋼製軸心２４に嵌合して超硬合金ロールＡを得た。なお、２１は鋼製側端リングである。
【００５３】
超硬合金ロールＢは図８（ｂ）に示す構造を有し、超硬合金接合スリーブ２２は、タングステンカーバイド（WC）にCoを質量％にして１０% 添加したものを素材としてラバー成形により形成した厚さ２３０ｍｍｔ×幅４００ｍｍＬのWC-Co 合金中空部材を幅方向に２５個ＨＩＰ接合し、これを鋼製緩衝材２５に嵌合し、さらに鋼製軸心２４に嵌合して超硬合金ロールＢを得た。なお、２１は鋼製側端リングである。
【００５４】
本発明例では、ワークロールは、図２及び図３に示した構造のものを用い、外層１は、特許文献４に記載の化学成分範囲の鉄系材料で、質量%にして、C：１．４％、Si：０．５％、Mn：０．５％、Ni：０．５％、Cr：１２％、Mo：０．８％、V：０．４％、Ti：０．１％で残部はFeと不可避的不純物である成分からなる合金とし、厚みを１５ｍｍとした。
【００５５】
超硬合金層２は質量%にして１５%のCoをＷＣに添加したものとし、図２のものは、厚みを２００ｍｍ、図３のものは、厚みを１９５ｍｍとした。図３のものの中間層３は、質量％にして０．０５%の炭素を含有する炭素鋼とし、厚みを５ｍｍとした。超硬合金層２は胴長方向５個の仮焼結体から、前記のHIPにより製造し、内側に中間層３を嵌合した。嵌合時は、超硬合金層２を３５０℃に加熱し、中間層３を−３０℃に冷却して、焼き冷やし嵌めした。外層１は遠心鋳造および機械研削により２５ｍｍの厚みの円筒を製造し、これを超硬合金層１の外周に嵌合した。嵌合時、超硬合金層２と中間層３の一体円筒は常温のまま、外層１を２５０℃に加熱して焼き嵌めた。これら３層の一体円筒を３８０℃に加熱して直径７５０ｍｍの鋼製軸芯４に焼き嵌めした。最後に、外層１を鍛造および機械研削して、ロール外周を仕上げた。
【００５６】
各ロール種類毎に最終本目に圧延された厚鋼板の表面性状を観察するとともに、最終本目の圧延を終えたワークロール表層の亀裂発生量および摩耗量を調査した。亀裂発生量は超音波探傷法で検出したロール表層亀裂の個数および最大深さで評価した。摩耗量は圧延前とのロールプロフィル差が最大となるロール胴長方向位置におけるロール半径減少量で評価した。
【００５７】
調査結果を表１に示す。ワークロールに超硬合金ロールを用いた比較例、図２及び図３に示した構造のワークロールを用いた本発明例では、圧延後のロール表層の亀裂は浅く、表面性状は良好であった。これに対し、従来例である鋼ロールでは、亀裂が深く、肌荒れしていた。
【００５８】
なお、２０本の圧延を終了後も圧延を継続したが、超硬合金ロールＡは５３本目、超硬合金ロールＢは２１５本目に割損してしまった。従来例である鋼ロールと、図２及び図３に示した構造のワークロールを用いた本発明例では、５００本以上圧延しても割損しなかった。
【００５９】
【表１】
【００６０】
なお、厚鋼板は、高炉などから出る溶銑を成分調整して溶製した後、造塊法にて鋳造後のインゴットを分塊圧延するか、あるいは連続鋳造法により直接、スラブ状の鋼塊にし、それを上記図７に示したような厚板圧延ラインにて、圧延することで製造できるが、上記図７に示したような厚板圧延ラインにて、圧延する際に、本発明の厚鋼板の圧延方法を用いて圧延することで、良好な表面品質の厚鋼板を製造できるとともに、ワークロールの割損による操業停止も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に用いるロールの断面図である。
【図２】本発明に用いるロールの断面図である。
【図３】本発明に用いるロールの断面図である。
【図４】本発明に用いるロールの断面図である。
【図５】本発明に用いるロールの断面図である。
【図６】本発明に用いるロールの製造方法について、一部を説明するための図である。
【図７】本発明の実施に適した厚板圧延ラインの例を示す配置図である。
【図８】比較例に用いるロールの断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 鉄系材料
２ 超硬合金
３ 中間層
４ 軸芯
５ ネック部
１０ 加熱炉
１１ デスケーリング装置
１２ 厚板圧延機
１３ 冷却装置
１４ 冷却床
２１ 鋼製側端リング
２２ 超硬合金接合スリーブ
２４ 鋼製軸心
２５ 鋼製緩衝材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いることを特徴とする厚鋼板の圧延方法。
【請求項２】
請求項１の厚鋼板の圧延方法を用いた厚鋼板の製造方法。
【請求項１】
鉄系材料を外層とし、内部に超硬合金層を有するロールを用いることを特徴とする厚鋼板の圧延方法。
【請求項２】
請求項１の厚鋼板の圧延方法を用いた厚鋼板の製造方法。
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１８１６２８（Ｐ２００６−１８１６２８Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３８１１６３（Ｐ２００４−３８１１６３）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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