熱間圧延用複合ロールおよびその製造方法
【課題】 芯材および外層材を要求材質特性に応じて自由に選択でき、かつ、サーマルクラウンが小さく良好な平坦度を実現することが可能な複合ロールを簡素化した工程で製造する方法とその複合ロールを提供することである。
【解決手段】 遠心鋳造法により、外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールを形成するにあたり、ターンテーブル８上に配置した鋳型４を複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸６の周りに回転させると同時に、鋳型４の第１の回転軸方向中央の位置で第１の回転軸６に直交する第２の回転軸１１の周りに回転させ、外殻層１３の肉厚を複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸１１から遠ざかるにつれて厚く形成するのである。従来よりもロールバレル中央部の外殻層１３の肉厚が薄く形成されるため、圧延材との接触による入熱の蓄積が緩和され、サーマルクラウンが軽減される。
【解決手段】 遠心鋳造法により、外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールを形成するにあたり、ターンテーブル８上に配置した鋳型４を複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸６の周りに回転させると同時に、鋳型４の第１の回転軸方向中央の位置で第１の回転軸６に直交する第２の回転軸１１の周りに回転させ、外殻層１３の肉厚を複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸１１から遠ざかるにつれて厚く形成するのである。従来よりもロールバレル中央部の外殻層１３の肉厚が薄く形成されるため、圧延材との接触による入熱の蓄積が緩和され、サーマルクラウンが軽減される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐摩耗性などの表面性状が優れることに加えて、サーマルクラウンが小さく良好な平坦度が得られる熱間圧延用複合ロールの製造方法とこの方法により製造した複合ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の熱間圧延用ロールには、強靭性、耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐熱亀裂性などの特性が要求される。これらの要求特性を単一の材質で満足させることは困難であるため、強靭性を有する材料を芯材に、耐摩耗性、耐熱亀裂性に優れる材料を外層材、即ち外殻層に用いた複合ロールが開発されている。この複合ロールは、遠心鋳造法、連続肉盛り鋳造法またはスリーブの外周に外殻層を金属接合した複合スリーブ組立て法などにより製造される。とくに、遠心鋳造法または連続肉盛り鋳造法によって製造可能となった外殻層に高速度工具鋼に準じた高合金組成のハイス系材料を用い、芯材に強靭性に優れた材料を用いた複合ロールであるハイスロールは、従来の熱間圧延用ロールに比べて数倍の耐摩耗性を有し、仕上げ圧延機の前段スタンドから中・後段スタンドへとその適用範囲が広がっている。このハイスロールの適用により、ロールの耐摩耗性が向上してロールの交換頻度が減り、ロール原単位および生産性の向上への寄与が認められる。
【０００３】
前記ハイスロールは耐摩耗性に優れる反面、表１に常温での一例を示すように、外殻層のハイス系材料は、芯材に比べて線膨張係数が大きく、また熱伝導率がかなり低いため、圧延材との接触によりロール側に流入する熱量が拡散しにくく、ロールバレル内での圧延材との接触部と非接触部との温度差が大きくなり、しかも、線膨張係数が高いために熱膨張量も大きくなって、大きなサーマルクラウンが発生する。このため、良好な平坦度を得る圧延が難しくなり、従って、ハイスロールを最終スタンドに用いることは困難となり、また平坦度が乱れやすい薄物材の圧延には、仕上げ圧延機列の中段スタンドにおいても、ハイスロールに比べて摩耗量の多い通常の圧延ロールを使用せざるを得ない場合がある。
【０００４】
【表１】
【０００５】
従来、外殻層の厚さを胴部軸心方向に亘って変化させ、ロールの剛性を部分的に変化させることにより圧延における形状制御能力の向上に寄与するような複合ロールの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１に開示された製造方法では、第１の工程で、胴部チラーの内周面に周凹部または周凸部を有する鋳造用鋳型を配置し、まず、外殻層を鋳造し、次いで芯材を鋳造して、胴部外周面に周凸面または周凹面を有する外殻層が一定でない複合ロール素材を鋳造する。この第１工程での複合ロール素材は、胴部チラーの内周面が曲率を有しない従前の鋳造用鋳型を用いて、通常の複合ロール鋳造法によって、胴部外周面が平坦面でかつ外殻層の厚さが一定の複合ロール鋳物の、外周面を切削加工により周凸面または周凹面にして形成することもできる。そして、第２の工程で、第１工程で得られた複合ロール素材に対して、既知の加工手段である鍛造または回転鍛造により、周凸面または周凹面を有するロール胴部を平坦面にまで加圧成形して、芯材と接合する外殻層の内周面側に元の外周面における周凸面または周凹面と対称的な周凸面または周凹面が形成された複合ロールを得る製造方法である。また、特許文献２に開示された製造方法では、鋳造用鋳型に外殻層を鋳造し、その内周面が凝固した後に、この外殻層内に切削部材を挿入し、外殻層内周面を、軸心方向にわたりその肉厚を変えるように切削した後、芯材を鋳造して軸方向に外殻層厚さが一定でない複合ロールを製造する方法である。
【０００６】
同様に、芯材（軸材）の熱膨張係数と熱伝導率を適正な範囲に小さくすることにより、サーマルクラウンを低減させ、板平坦度を高水準に確保できる連続肉盛鋳造製複合ロールの製造方法が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開昭５７−９１８０８（第２頁〜第３頁）
【特許文献２】特開昭５７−９１８０９（第１頁〜第２頁）
【特許文献３】特開平１０−１９２９１６（［０００５］〜［０００８］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示された製造方法では、遠心鋳造により、または遠心鋳造後に切削加工を施すことにより、外殻層の周凸面または周凹面を形成した後、外殻層を平坦面にして軸方向に外殻層の厚みを変化させるために、後工程で鍛造または回転鍛造などの塑性加工が必要となり、製造工程が煩雑となる。同様に、特許文献２に開示された製造方法では、切削加工により、軸心方向にわたり外殻層の肉厚を変えるようにしているため、やはり、製造工程が煩雑となる。一方、特許文献３に開示された製造方法では、本来、芯材には強靭性という特性が求められるにも拘わらず、熱膨張係数や熱伝導率の物性値から芯材を規定しているため、必ずしも強靭性に優れる材料を芯材として選択できない虞がある。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、芯材および外層材を要求材質特性に応じて自由に選択でき、かつ、サーマルクラウンが小さく良好な平坦度を実現することが可能な複合ロールを簡素化した工程で製造する方法およびこの方法を用いて製造した複合ロールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１０】
即ち、請求項１に係る複合ロールの製造方法は、遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールの製造方法であって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させ、前記外殻層の肉厚を、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて厚く形成するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
図１に示すように、円筒状の容器１に液体を入れて、その中心軸２の周りに回転させると、液面３の形状は、（１）式に示すように、円筒状容器の中心軸２からの水平距離ρと回転速度・φによって与えられ、容器１の回転に伴う遠心力の作用で放物線状にな
る。なお、図１で液面３に作用する矢印は大気圧を示す。
【００１２】
【数１】
ここで、ｇは重力加速度、ｚ（ρ）は前記中心軸２からの水平方向の位置ρにおける液面３の高さを表す。
【００１３】
前記鋳型の第１の回転軸周りの回転により、鋳型の内壁に押し付けられた溶湯は、その凝固過程で、図１および（１）式で説明したように、第２の回転軸に直交する方向、即ちロール中心軸方向の遠心力を受けるため、前述のような、塑性加工などの加工工程を必要とせずに、外殻層の肉厚を、第２の回転軸から、即ち外殻層の中央部から遠ざかるにつれて厚く形成することができる。
【００１４】
請求項２に係る複合ロールは、遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールであって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させることにより、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて肉厚が厚く形成された外殻層を有することを特徴とする。
【００１５】
一般に、複合ロールでは、外殻層には耐摩耗性など表面性状に優れる材質が用いられ、芯材には強靭性など機械的性質に優れる材質が用いられる。このように外殻層の肉厚分布を有するように複合ロールを形成すると、圧延材との接触によるロール側への入熱量の蓄積が緩和される結果として、前述のように、芯材の線膨張係数や熱伝導率などの物性値を規定して材料を選択しなくてもサーマルクラウンを抑制することが可能となる。
【００１６】
請求項３に係る複合ロールは、上記外殻層がハイス系材料からなることを特徴とする。
【００１７】
前記のロール中心軸に沿って肉厚を変化させた外殻層をハイス系材料で形成することにより、耐摩耗性に優れ、しかもサーマルクラウンが抑制される複合ロールが実現され、ハイス系複合ロールを使用した場合の板平坦度が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
この発明では、遠心鋳造法により複合ロールの外殻層を形成する際に、鋳型を、ロール中心軸に対応した回転軸（第１の回転軸）の周りに回転させる鋳造操作に加えて、鋳型のロール軸方向の中央部、即ちロールバレルの中央部の位置で、ロール軸と直交する回転軸（第２の回転軸）の周りに回転させるようにしたので、後工程を要せずに、遠心鋳造工程で外殻層の肉厚が、ロールバレルの中央部で薄く、そこから端部にかけて増加した、内面側が凹面状の外殻層が形成される。このように外殻層が肉厚分布を形成した複合ロールでは、外殻層に熱伝導率が低く、線膨張係数が高いハイス系材料を用いても、圧延材との接触によるロール側への入熱量の蓄積が緩和され、サーマルクラウンが抑制されて板平坦度が改善されるため、芯材を線膨張係数や熱伝導率の面から選択する必要もなくなる。それにより、耐摩耗性などの表面性状および強靭性に優れたハイス系複合ロールを、仕上げ圧延機列の最終スタンドまで適用できるようになり、ロール原単位や圧延能率の向上に大きく寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施形態を添付の図２から図７に基づいて説明する。
【００２０】
図２（ａ）、（ｂ）は、実施形態の複合ロールの外殻層を形成するための遠心鋳造装置を模式的に示したものである。鋳型４、および伝達部材５を介して鋳型４を複合ロール中心軸に対応する回転軸、即ち第１の回転軸６の周りに回転させるためのモータ７が、ターンテーブル８の上に配置されている。このターンテーブル８は、伝動ベルト９を介して回転ディスク１０と連結され、この回転ディスク１０は伝達部材５ａを介してモータ７ａによって回転駆動される。前記鋳型４は、図２（ｂ）に示したように、その中心Ｃ１（前記第１の回転軸６上の、鋳型４の長手方向の中央位置）とターンテーブル８の中心Ｃ２とが一致するように配置され、鋳型４が第１の回転軸６の周りに回転すると同時に、この鋳型４の中心Ｃ１を通り、第１の回転軸６に直交する第２の回転軸１１、即ちターンテーブル８の中心Ｃ２を通る中心軸の周りに回転可能となっている。
【００２１】
遠心鋳造法では、モータ７により、前記第１の回転軸６の周りに回転する鋳型４に注入箱１２から、例えば、ハイス系材料の溶湯が注入されると、遠心力によって溶湯が鋳型４の内面に押し付けられながら凝固し、通常、外殻層１３の内面は図３（ａ）に示すように平坦面に形成され、複合ロールＲＡの外殻層１３の厚みが一定となる。本実施形態では、鋳型４を複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸６の周りに回転させると同時に、モータ７ａによってターンテーブル８を回転させることにより、鋳型４が第２の回転軸１１の周りに回転するため、図４（ａ）に示すように、溶湯には鋳型４の内壁面４ａに垂直な方向の遠心力τ１とともに、この内壁面４ａに平行な方向（鋳型４の端壁面４ｂに垂直な方向）の遠心力τ２が作用する。この遠心力τ２の作用により、図１で説明したように、溶湯が第２の回転軸１１から、即ち外殻層１３のロール軸方向の中央部から鋳型４の端壁面４ｂの方へ押し付けられるため、外殻層１３の中央部では薄く、外殻層１３の端部では厚くなり、図４（ａ）に示したように、凝固後の外殻層１３の内面が凹面状に形成される。そして、外殻層１３の凝固後に、強靭性に優れる、例えば、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を含有する鋼材料等の芯材１４を鋳造して外殻層１３と一体に融着させることにより、複合ロールＲＢが形成される。なお、鋳型４の回転数については、第１の回転軸６周りの回転数Ｎ１は、例えば、ハイス系材料について設定した重力倍数Ｇと鋳型４の内径Ｄとから、横型鋳造の場合の既存の関係式（例えば、Ｎ１＝Ａ／Ｄ1/2、Ａ：定数）を用いて算出して設定することができる。また、第２の回転軸１１周りの回転数Ｎ２の概略値は、鋳型４の長さＬと鋳型４の端壁面４ｂにおける外殻層１３の厚みｔEと前記回転軸１１上での外殻層１３の厚みｔcの差Δｔ(=ｔE-ｔc)から、例えば、前述の式（１）を用いて、Ｎ２＝２ｇ・Δｔ／（Ｌ／２）2で算出することができる。前記溶湯は、第１の回転軸６に直交する方向（鋳型４の半径方向）の遠心力によって鋳型４の内壁面４ａに押し付けられているため、実際に必要な、第２の回転軸１１周りの回転数は、前記回転数Ｎ２よりも大きくなる傾向にある。なお、外殻層１３の厚みは、鋳型４の回転数Ｎ１、Ｎ２を制御することに加えて、電磁力を用いることによっても調節可能である。
【００２２】
次に、上述のような遠心鋳造法によって、外殻層の内面を凹面状に形成した複合ロールの特徴について、数値計算例を用いて説明する。図５および図６は、図３（ａ）に模式的に示した、従来の遠心鋳造法による、外殻層１３の内面が平坦面に形成されたハイス系複合ロールＲＡ（ハイスロール、図３（ｂ））、および、図２および図４（ａ）に模式的に示した、実施形態の遠心鋳造法を用いた製造法による、外殻層１３の内面が凹面状に形成されたハイス系複合ロールＲＢを（ハイスロール、図４（ｂ））、それぞれ熱延ミルの仕上げ圧延機列最終スタンドのワークロールとして用いた場合の、代表的な圧延条件について、ロール表面温度分布および発生したサーマルクラウンを比較してそれぞれ示したものである。従来の複合ロールＲＡ、実施形態の複合ロールＲＢともにロール径はφ８００ｍｍで、従来の複合ロールＲＡの外殻層１３の厚みは５０ｍｍ一様であり、実施形態の複合ロールＲＢの外殻層１３は、その厚みが、外殻層のロール軸方向中央部で３０ｍｍ、同端部で７０ｍｍの凹面状に形成されている。図５から、外殻層１３の厚みが一定である従来の複合ロールでは、熱伝導率が小さいハイス系材料で形成された外殻層１３の中央部（ＷＲセンター、即ちロールバレル中央部）から両側へ広がる、圧延材と接触する領域の温度が高く、この領域にロール側に流入した熱量が蓄積していることがわかる。一方、実施形態の、外殻層１３の内面を凹面状に形成した複合ロールでは、ロールバレル中央部（ＷＲセンター）で外殻層１３が従来の複合ロールよりも薄く形成されているため、ロール半径方向の熱抵抗が小さくなり、ロール側への入熱が芯材１４へ拡散しやすくなる。それにより、圧延材と接触する領域の外殻層での熱量の蓄積が低減して、ロールバレル中央部の表面温度は、外殻層１３の厚みが一定である従来の複合ロールの場合よりも低くなる。これとは逆に、外殻層１３の圧延材と接触しない領域では、とくに、ロールバレル端部域では、熱伝導率の低い外殻層１３の厚みが厚く形成されているため、ロール側への入熱が芯材１４の方へ拡散しにくくなり、外殻層の厚みが一定の従来の複合ロールに比べて蓄積する熱量が増える。それにより、ロールバレル端部域の表面温度は、従来の複合ロールよりもむしろ上昇する傾向を示す。それにより、ロールバレル中央部から端部にかけての温度分布は、従来の複合ロールに比べて小さくなることがわかる。
【００２３】
ロールのサーマルクラウン、即ち熱膨張したロールプロファイルは、ロール軸方向（ｚ方向）の熱膨張量Ｕ（ｚ）から求めることができ、この熱膨張量熱膨張量Ｕ（ｚ）は、（１）式から算出することができる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
ここで、Ｒはロール半径を、ｒおよびｚは、ロールの半径方向および軸方向の座標を、αはロールの線膨張係数を、νはポアソン比を、Ｔ（ｒ，ｚ）は、座標（ｒ，ｚ）におけるロール温度をそれぞれ表す。（１）式の右辺の積分値は数値計算により求めることができる。前記複合ロールの場合には、その際、温度Ｔ（ｒ，ｚ）のｒ、即ちロール半径方向の座標が外殻層にある場合には、線膨張係数αは外殻層の線膨張係数α１を、芯材にある場合には芯材の線膨張係数α２を用いる。また、ポアソン比νは、鋼系材料では、ほぼ一定値（ν≒０．３）を用いることができる。
【００２６】
図６は、実施形態および従来のそれぞれのハイス系複合ロール（ハイスロール）について、（２）式を用いて算出したサーマルクラウンを示したものである。実施形態の複合ロールでは、図５に示したように、従来の複合ロールに比べて、ロールバレル中央部での表面温度が低下し、ロールバレル端部域での表面温度が上昇する結果、ロールバレル全体としては温度分布が小さくなり、ロールバレル中央部の熱膨張量は、従来の複合ロールでは３４０μｍ程度であるのに対して、実施形態の複合ロールでは２５０μｍ程度と２０％以上減少し、サーマルクラウンが抑制される。その結果、図７に示すように、従来の複合ロールでは、ロールベンディング力の設定を下限値にしても中伸びは修正できなかったが、実施形態の複合ロールでは、ロールベンディング力設定値の上下限の範囲内で、中伸びも耳波も発生しない平坦制御を行うことが可能となり、平坦な板材を得ることができる。それにより、熱延ミルの仕上げ圧延機列の最終スタンドまでハイス系複合ロールの使用が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
この発明は、耐摩耗性および強靭性等の材質特性を兼ね備え、サーマルクラウンが低減するハイス系複合ロールの製造に利用することができ、このような複合ロールは、熱延ミルの仕上げ圧延機列の最終スタンドにまで適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】液体を円筒状容器に入れてその中心軸の周りに回転させたときの液面形状を示す説明図である。
【図２】実施形態の複合ロールの製造方法を模式的に示す説明図である。
【図３】（ａ）従来の遠心鋳造法を模式的に示す説明図である。（ｂ）従来の遠心鋳造法による複合ロールの構造を模式的に示す説明図である。
【図４】（ａ）実施形態の、鋳型を２軸の周りにそれぞれ回転させる遠心鋳造法を模式的に示す説明図である。（ｂ）実施形態の遠心鋳造法による複合ロールの構造を模式的に示す説明図である。
【図５】従来および実施形態の複合ロールの、圧延直後の表面温度分布を示す説明図である。
【図６】従来および実施形態の複合ロールのサーマルクラウンの推定結果を示す説明図である。
【図７】従来および実施形態の複合ロールを用いた場合の板平坦度の予測結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・容器
２・・・中心軸
３・・・液面
４・・・鋳型
４ａ・・・内壁面
４ｂ・・・端壁面
５、５ａ・・・伝達部材
６・・・第１の回転軸
７、７ａ・・・モータ
８・・・ターンテーブル
９・・・伝動ベルト
１０・・・回転ディスク
１１・・・第２の回転軸
１２・・・注入箱
１３・・・外殻層
１４・・・芯材
ＲＡ・・・複合ロール（従来技術）
ＲＢ・・・複合ロール（実施形態）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐摩耗性などの表面性状が優れることに加えて、サーマルクラウンが小さく良好な平坦度が得られる熱間圧延用複合ロールの製造方法とこの方法により製造した複合ロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の熱間圧延用ロールには、強靭性、耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐熱亀裂性などの特性が要求される。これらの要求特性を単一の材質で満足させることは困難であるため、強靭性を有する材料を芯材に、耐摩耗性、耐熱亀裂性に優れる材料を外層材、即ち外殻層に用いた複合ロールが開発されている。この複合ロールは、遠心鋳造法、連続肉盛り鋳造法またはスリーブの外周に外殻層を金属接合した複合スリーブ組立て法などにより製造される。とくに、遠心鋳造法または連続肉盛り鋳造法によって製造可能となった外殻層に高速度工具鋼に準じた高合金組成のハイス系材料を用い、芯材に強靭性に優れた材料を用いた複合ロールであるハイスロールは、従来の熱間圧延用ロールに比べて数倍の耐摩耗性を有し、仕上げ圧延機の前段スタンドから中・後段スタンドへとその適用範囲が広がっている。このハイスロールの適用により、ロールの耐摩耗性が向上してロールの交換頻度が減り、ロール原単位および生産性の向上への寄与が認められる。
【０００３】
前記ハイスロールは耐摩耗性に優れる反面、表１に常温での一例を示すように、外殻層のハイス系材料は、芯材に比べて線膨張係数が大きく、また熱伝導率がかなり低いため、圧延材との接触によりロール側に流入する熱量が拡散しにくく、ロールバレル内での圧延材との接触部と非接触部との温度差が大きくなり、しかも、線膨張係数が高いために熱膨張量も大きくなって、大きなサーマルクラウンが発生する。このため、良好な平坦度を得る圧延が難しくなり、従って、ハイスロールを最終スタンドに用いることは困難となり、また平坦度が乱れやすい薄物材の圧延には、仕上げ圧延機列の中段スタンドにおいても、ハイスロールに比べて摩耗量の多い通常の圧延ロールを使用せざるを得ない場合がある。
【０００４】
【表１】
【０００５】
従来、外殻層の厚さを胴部軸心方向に亘って変化させ、ロールの剛性を部分的に変化させることにより圧延における形状制御能力の向上に寄与するような複合ロールの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１に開示された製造方法では、第１の工程で、胴部チラーの内周面に周凹部または周凸部を有する鋳造用鋳型を配置し、まず、外殻層を鋳造し、次いで芯材を鋳造して、胴部外周面に周凸面または周凹面を有する外殻層が一定でない複合ロール素材を鋳造する。この第１工程での複合ロール素材は、胴部チラーの内周面が曲率を有しない従前の鋳造用鋳型を用いて、通常の複合ロール鋳造法によって、胴部外周面が平坦面でかつ外殻層の厚さが一定の複合ロール鋳物の、外周面を切削加工により周凸面または周凹面にして形成することもできる。そして、第２の工程で、第１工程で得られた複合ロール素材に対して、既知の加工手段である鍛造または回転鍛造により、周凸面または周凹面を有するロール胴部を平坦面にまで加圧成形して、芯材と接合する外殻層の内周面側に元の外周面における周凸面または周凹面と対称的な周凸面または周凹面が形成された複合ロールを得る製造方法である。また、特許文献２に開示された製造方法では、鋳造用鋳型に外殻層を鋳造し、その内周面が凝固した後に、この外殻層内に切削部材を挿入し、外殻層内周面を、軸心方向にわたりその肉厚を変えるように切削した後、芯材を鋳造して軸方向に外殻層厚さが一定でない複合ロールを製造する方法である。
【０００６】
同様に、芯材（軸材）の熱膨張係数と熱伝導率を適正な範囲に小さくすることにより、サーマルクラウンを低減させ、板平坦度を高水準に確保できる連続肉盛鋳造製複合ロールの製造方法が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開昭５７−９１８０８（第２頁〜第３頁）
【特許文献２】特開昭５７−９１８０９（第１頁〜第２頁）
【特許文献３】特開平１０−１９２９１６（［０００５］〜［０００８］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示された製造方法では、遠心鋳造により、または遠心鋳造後に切削加工を施すことにより、外殻層の周凸面または周凹面を形成した後、外殻層を平坦面にして軸方向に外殻層の厚みを変化させるために、後工程で鍛造または回転鍛造などの塑性加工が必要となり、製造工程が煩雑となる。同様に、特許文献２に開示された製造方法では、切削加工により、軸心方向にわたり外殻層の肉厚を変えるようにしているため、やはり、製造工程が煩雑となる。一方、特許文献３に開示された製造方法では、本来、芯材には強靭性という特性が求められるにも拘わらず、熱膨張係数や熱伝導率の物性値から芯材を規定しているため、必ずしも強靭性に優れる材料を芯材として選択できない虞がある。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、芯材および外層材を要求材質特性に応じて自由に選択でき、かつ、サーマルクラウンが小さく良好な平坦度を実現することが可能な複合ロールを簡素化した工程で製造する方法およびこの方法を用いて製造した複合ロールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１０】
即ち、請求項１に係る複合ロールの製造方法は、遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールの製造方法であって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させ、前記外殻層の肉厚を、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて厚く形成するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
図１に示すように、円筒状の容器１に液体を入れて、その中心軸２の周りに回転させると、液面３の形状は、（１）式に示すように、円筒状容器の中心軸２からの水平距離ρと回転速度・φによって与えられ、容器１の回転に伴う遠心力の作用で放物線状にな
る。なお、図１で液面３に作用する矢印は大気圧を示す。
【００１２】
【数１】
ここで、ｇは重力加速度、ｚ（ρ）は前記中心軸２からの水平方向の位置ρにおける液面３の高さを表す。
【００１３】
前記鋳型の第１の回転軸周りの回転により、鋳型の内壁に押し付けられた溶湯は、その凝固過程で、図１および（１）式で説明したように、第２の回転軸に直交する方向、即ちロール中心軸方向の遠心力を受けるため、前述のような、塑性加工などの加工工程を必要とせずに、外殻層の肉厚を、第２の回転軸から、即ち外殻層の中央部から遠ざかるにつれて厚く形成することができる。
【００１４】
請求項２に係る複合ロールは、遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールであって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させることにより、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて肉厚が厚く形成された外殻層を有することを特徴とする。
【００１５】
一般に、複合ロールでは、外殻層には耐摩耗性など表面性状に優れる材質が用いられ、芯材には強靭性など機械的性質に優れる材質が用いられる。このように外殻層の肉厚分布を有するように複合ロールを形成すると、圧延材との接触によるロール側への入熱量の蓄積が緩和される結果として、前述のように、芯材の線膨張係数や熱伝導率などの物性値を規定して材料を選択しなくてもサーマルクラウンを抑制することが可能となる。
【００１６】
請求項３に係る複合ロールは、上記外殻層がハイス系材料からなることを特徴とする。
【００１７】
前記のロール中心軸に沿って肉厚を変化させた外殻層をハイス系材料で形成することにより、耐摩耗性に優れ、しかもサーマルクラウンが抑制される複合ロールが実現され、ハイス系複合ロールを使用した場合の板平坦度が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
この発明では、遠心鋳造法により複合ロールの外殻層を形成する際に、鋳型を、ロール中心軸に対応した回転軸（第１の回転軸）の周りに回転させる鋳造操作に加えて、鋳型のロール軸方向の中央部、即ちロールバレルの中央部の位置で、ロール軸と直交する回転軸（第２の回転軸）の周りに回転させるようにしたので、後工程を要せずに、遠心鋳造工程で外殻層の肉厚が、ロールバレルの中央部で薄く、そこから端部にかけて増加した、内面側が凹面状の外殻層が形成される。このように外殻層が肉厚分布を形成した複合ロールでは、外殻層に熱伝導率が低く、線膨張係数が高いハイス系材料を用いても、圧延材との接触によるロール側への入熱量の蓄積が緩和され、サーマルクラウンが抑制されて板平坦度が改善されるため、芯材を線膨張係数や熱伝導率の面から選択する必要もなくなる。それにより、耐摩耗性などの表面性状および強靭性に優れたハイス系複合ロールを、仕上げ圧延機列の最終スタンドまで適用できるようになり、ロール原単位や圧延能率の向上に大きく寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施形態を添付の図２から図７に基づいて説明する。
【００２０】
図２（ａ）、（ｂ）は、実施形態の複合ロールの外殻層を形成するための遠心鋳造装置を模式的に示したものである。鋳型４、および伝達部材５を介して鋳型４を複合ロール中心軸に対応する回転軸、即ち第１の回転軸６の周りに回転させるためのモータ７が、ターンテーブル８の上に配置されている。このターンテーブル８は、伝動ベルト９を介して回転ディスク１０と連結され、この回転ディスク１０は伝達部材５ａを介してモータ７ａによって回転駆動される。前記鋳型４は、図２（ｂ）に示したように、その中心Ｃ１（前記第１の回転軸６上の、鋳型４の長手方向の中央位置）とターンテーブル８の中心Ｃ２とが一致するように配置され、鋳型４が第１の回転軸６の周りに回転すると同時に、この鋳型４の中心Ｃ１を通り、第１の回転軸６に直交する第２の回転軸１１、即ちターンテーブル８の中心Ｃ２を通る中心軸の周りに回転可能となっている。
【００２１】
遠心鋳造法では、モータ７により、前記第１の回転軸６の周りに回転する鋳型４に注入箱１２から、例えば、ハイス系材料の溶湯が注入されると、遠心力によって溶湯が鋳型４の内面に押し付けられながら凝固し、通常、外殻層１３の内面は図３（ａ）に示すように平坦面に形成され、複合ロールＲＡの外殻層１３の厚みが一定となる。本実施形態では、鋳型４を複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸６の周りに回転させると同時に、モータ７ａによってターンテーブル８を回転させることにより、鋳型４が第２の回転軸１１の周りに回転するため、図４（ａ）に示すように、溶湯には鋳型４の内壁面４ａに垂直な方向の遠心力τ１とともに、この内壁面４ａに平行な方向（鋳型４の端壁面４ｂに垂直な方向）の遠心力τ２が作用する。この遠心力τ２の作用により、図１で説明したように、溶湯が第２の回転軸１１から、即ち外殻層１３のロール軸方向の中央部から鋳型４の端壁面４ｂの方へ押し付けられるため、外殻層１３の中央部では薄く、外殻層１３の端部では厚くなり、図４（ａ）に示したように、凝固後の外殻層１３の内面が凹面状に形成される。そして、外殻層１３の凝固後に、強靭性に優れる、例えば、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を含有する鋼材料等の芯材１４を鋳造して外殻層１３と一体に融着させることにより、複合ロールＲＢが形成される。なお、鋳型４の回転数については、第１の回転軸６周りの回転数Ｎ１は、例えば、ハイス系材料について設定した重力倍数Ｇと鋳型４の内径Ｄとから、横型鋳造の場合の既存の関係式（例えば、Ｎ１＝Ａ／Ｄ1/2、Ａ：定数）を用いて算出して設定することができる。また、第２の回転軸１１周りの回転数Ｎ２の概略値は、鋳型４の長さＬと鋳型４の端壁面４ｂにおける外殻層１３の厚みｔEと前記回転軸１１上での外殻層１３の厚みｔcの差Δｔ(=ｔE-ｔc)から、例えば、前述の式（１）を用いて、Ｎ２＝２ｇ・Δｔ／（Ｌ／２）2で算出することができる。前記溶湯は、第１の回転軸６に直交する方向（鋳型４の半径方向）の遠心力によって鋳型４の内壁面４ａに押し付けられているため、実際に必要な、第２の回転軸１１周りの回転数は、前記回転数Ｎ２よりも大きくなる傾向にある。なお、外殻層１３の厚みは、鋳型４の回転数Ｎ１、Ｎ２を制御することに加えて、電磁力を用いることによっても調節可能である。
【００２２】
次に、上述のような遠心鋳造法によって、外殻層の内面を凹面状に形成した複合ロールの特徴について、数値計算例を用いて説明する。図５および図６は、図３（ａ）に模式的に示した、従来の遠心鋳造法による、外殻層１３の内面が平坦面に形成されたハイス系複合ロールＲＡ（ハイスロール、図３（ｂ））、および、図２および図４（ａ）に模式的に示した、実施形態の遠心鋳造法を用いた製造法による、外殻層１３の内面が凹面状に形成されたハイス系複合ロールＲＢを（ハイスロール、図４（ｂ））、それぞれ熱延ミルの仕上げ圧延機列最終スタンドのワークロールとして用いた場合の、代表的な圧延条件について、ロール表面温度分布および発生したサーマルクラウンを比較してそれぞれ示したものである。従来の複合ロールＲＡ、実施形態の複合ロールＲＢともにロール径はφ８００ｍｍで、従来の複合ロールＲＡの外殻層１３の厚みは５０ｍｍ一様であり、実施形態の複合ロールＲＢの外殻層１３は、その厚みが、外殻層のロール軸方向中央部で３０ｍｍ、同端部で７０ｍｍの凹面状に形成されている。図５から、外殻層１３の厚みが一定である従来の複合ロールでは、熱伝導率が小さいハイス系材料で形成された外殻層１３の中央部（ＷＲセンター、即ちロールバレル中央部）から両側へ広がる、圧延材と接触する領域の温度が高く、この領域にロール側に流入した熱量が蓄積していることがわかる。一方、実施形態の、外殻層１３の内面を凹面状に形成した複合ロールでは、ロールバレル中央部（ＷＲセンター）で外殻層１３が従来の複合ロールよりも薄く形成されているため、ロール半径方向の熱抵抗が小さくなり、ロール側への入熱が芯材１４へ拡散しやすくなる。それにより、圧延材と接触する領域の外殻層での熱量の蓄積が低減して、ロールバレル中央部の表面温度は、外殻層１３の厚みが一定である従来の複合ロールの場合よりも低くなる。これとは逆に、外殻層１３の圧延材と接触しない領域では、とくに、ロールバレル端部域では、熱伝導率の低い外殻層１３の厚みが厚く形成されているため、ロール側への入熱が芯材１４の方へ拡散しにくくなり、外殻層の厚みが一定の従来の複合ロールに比べて蓄積する熱量が増える。それにより、ロールバレル端部域の表面温度は、従来の複合ロールよりもむしろ上昇する傾向を示す。それにより、ロールバレル中央部から端部にかけての温度分布は、従来の複合ロールに比べて小さくなることがわかる。
【００２３】
ロールのサーマルクラウン、即ち熱膨張したロールプロファイルは、ロール軸方向（ｚ方向）の熱膨張量Ｕ（ｚ）から求めることができ、この熱膨張量熱膨張量Ｕ（ｚ）は、（１）式から算出することができる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
ここで、Ｒはロール半径を、ｒおよびｚは、ロールの半径方向および軸方向の座標を、αはロールの線膨張係数を、νはポアソン比を、Ｔ（ｒ，ｚ）は、座標（ｒ，ｚ）におけるロール温度をそれぞれ表す。（１）式の右辺の積分値は数値計算により求めることができる。前記複合ロールの場合には、その際、温度Ｔ（ｒ，ｚ）のｒ、即ちロール半径方向の座標が外殻層にある場合には、線膨張係数αは外殻層の線膨張係数α１を、芯材にある場合には芯材の線膨張係数α２を用いる。また、ポアソン比νは、鋼系材料では、ほぼ一定値（ν≒０．３）を用いることができる。
【００２６】
図６は、実施形態および従来のそれぞれのハイス系複合ロール（ハイスロール）について、（２）式を用いて算出したサーマルクラウンを示したものである。実施形態の複合ロールでは、図５に示したように、従来の複合ロールに比べて、ロールバレル中央部での表面温度が低下し、ロールバレル端部域での表面温度が上昇する結果、ロールバレル全体としては温度分布が小さくなり、ロールバレル中央部の熱膨張量は、従来の複合ロールでは３４０μｍ程度であるのに対して、実施形態の複合ロールでは２５０μｍ程度と２０％以上減少し、サーマルクラウンが抑制される。その結果、図７に示すように、従来の複合ロールでは、ロールベンディング力の設定を下限値にしても中伸びは修正できなかったが、実施形態の複合ロールでは、ロールベンディング力設定値の上下限の範囲内で、中伸びも耳波も発生しない平坦制御を行うことが可能となり、平坦な板材を得ることができる。それにより、熱延ミルの仕上げ圧延機列の最終スタンドまでハイス系複合ロールの使用が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
この発明は、耐摩耗性および強靭性等の材質特性を兼ね備え、サーマルクラウンが低減するハイス系複合ロールの製造に利用することができ、このような複合ロールは、熱延ミルの仕上げ圧延機列の最終スタンドにまで適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】液体を円筒状容器に入れてその中心軸の周りに回転させたときの液面形状を示す説明図である。
【図２】実施形態の複合ロールの製造方法を模式的に示す説明図である。
【図３】（ａ）従来の遠心鋳造法を模式的に示す説明図である。（ｂ）従来の遠心鋳造法による複合ロールの構造を模式的に示す説明図である。
【図４】（ａ）実施形態の、鋳型を２軸の周りにそれぞれ回転させる遠心鋳造法を模式的に示す説明図である。（ｂ）実施形態の遠心鋳造法による複合ロールの構造を模式的に示す説明図である。
【図５】従来および実施形態の複合ロールの、圧延直後の表面温度分布を示す説明図である。
【図６】従来および実施形態の複合ロールのサーマルクラウンの推定結果を示す説明図である。
【図７】従来および実施形態の複合ロールを用いた場合の板平坦度の予測結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・容器
２・・・中心軸
３・・・液面
４・・・鋳型
４ａ・・・内壁面
４ｂ・・・端壁面
５、５ａ・・・伝達部材
６・・・第１の回転軸
７、７ａ・・・モータ
８・・・ターンテーブル
９・・・伝動ベルト
１０・・・回転ディスク
１１・・・第２の回転軸
１２・・・注入箱
１３・・・外殻層
１４・・・芯材
ＲＡ・・・複合ロール（従来技術）
ＲＢ・・・複合ロール（実施形態）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールの製造方法であって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させ、前記外殻層の肉厚を、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて厚く形成するようにしたことを特徴とする複合ロールの製造方法。
【請求項２】
遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールであって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させることにより、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて肉厚が厚く形成された外殻層を有することを特徴とする複合ロール。
【請求項３】
前記外殻層がハイス系材料からなることを特徴とする請求項２に記載の複合ロール。
【請求項１】
遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールの製造方法であって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させ、前記外殻層の肉厚を、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて厚く形成するようにしたことを特徴とする複合ロールの製造方法。
【請求項２】
遠心鋳造法により形成した外殻層と、この外殻層と一体に溶着した芯材とからなる複合ロールであって、前記外殻層を形成する鋳型を、前記複合ロールの中心軸に対応する第１の回転軸の周りに回転させると同時に、前記鋳型の第１の回転軸方向中央の位置で、この第１の回転軸に直交する第２の回転軸の周りに回転させることにより、複合ロールの中心軸方向に沿って第２の回転軸から遠ざかるにつれて肉厚が厚く形成された外殻層を有することを特徴とする複合ロール。
【請求項３】
前記外殻層がハイス系材料からなることを特徴とする請求項２に記載の複合ロール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−９５５６４（Ｐ２００６−９５５６４Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８４７４５（Ｐ２００４−２８４７４５）
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２９日（２００４．９．２９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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