(57)【要約】      （修正有）【課題】棒・線の熱間圧延において、低アスペクト比・高減面率圧延を実現することにより圧延設備全体の簡素化を図る。【解決手段】圧延前鋼材に後方張力を与える際、噛み込み直前において最高温度となるよう該鋼材２を加熱し、ロール１’径比とロール周速比の２条件の特定して該鋼材に噛み込み部の降伏力相当の後方張力を与え、該鋼材を噛み込み前延伸を誘発させる。圧下・幅両方向の事前縮小により拡幅が消滅し、圧下によるアスペクト比の増加が抑制されるとともに圧下率以上の高減面率が得られる。噛み込み部の高温設定と圧延後の前方張力により破断や絞り切れが無く安定した過張力圧延が可能となり、低拡幅・高減面率が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒・線・条状の鋼材を圧延方向に張力を作用させつつ熱間で圧延するに際して、一定速度を維持しつつ圧延機に供給される鋼材に対して延機自体の引き込み力によりロールバイト入口における該鋼材の降伏力に等しい後方張力を発生させ、該入口において該鋼材に延伸を誘発させて減面率を増大させるとともに圧延による拡幅を消去して断面アスペクト比の増加を抑制することを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法において、圧延機上流側においては前記鋼材の温度分布が前記ロールバイト入口部で最高温度となるよう加熱を附加し、且つ金属組織をオーステナイトとし、下流側には前方張力を作用させることを特徴とする圧延方法。
【請求項２】
ロール径比γを（１）式に従って設定することを特徴とする請求項１に記載の圧延方法。
μ2γ＞2／(1−h)＋2＋(1-h)／2         −−−−（１）
ただし、
h ；  全圧下比（＝材料の圧延後厚さG／圧延前厚さHo）
μ；  ロールと鋼材間の摩擦係数
γ；  ロール径比（＝ロール直径2R／圧延前厚さHo）
【請求項３】
長方形断面の鋼材に対してロール周速Viを（２）式に従う範囲で調節することにより、比アスペクト比αを（３）式に従い、減面比ｒを（４）式に従う範囲で調節することを特徴とする請求項２に記載の圧延方法。
1／h＜Vi／Vo≦1／(he×h)            −−−−−（２）
1／h＞α≧he／h                     −−−−−（３）
he×h≦r＜h                         −−−−−（４）
ただし、
he＝〔−B−√(B2−4AC)〕／2A        −−−−−（５）
A＝9，  B＝−6h−2F／k，  C＝h(h＋2F／k)
he；  延伸圧下比（＝噛み込み直前厚さHe／圧延前厚さHo）
F ；  摩擦指数（＝μ2γ）
Vo；  供給鋼材の圧延前速度
Vi；  圧延後速度
α；  比アスペクト比（＝圧延後断面アスペクト比／圧延前アスペクト比）
r ；  減面比（＝圧延後断面積／圧延前断面積＝1−減面率）
【請求項４】
加熱方法が鋼材に直接通電する方法であって一方の電極が圧延機のロールであることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の圧延方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱間圧延によって製造される鋼線材、棒鋼、条鋼等長尺物の圧延方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記対象鋼材は鋼片を材料として熱間圧延を繰り返して所定寸法に仕上げられる。減面率は通常１パス当たり１０〜３０％であるから多数の圧延機が必要となって設備費が高く、又エネルギーロス、ロール摩耗、付帯設備維持等操業コストも大きい。
【０００３】
減面率が上記範囲である第１の理由は、高減面を得るため大圧下すると断面アスペクト比（＝幅／厚さ）が過大になる。幅方向に圧下される次のパスではタオレ、挫屈、ネジレ等が起こり易く所望形状になりにくい。
第２の理由は、圧下率が大きくなるほど拡幅が加速的に大きくなり、圧下に対する減面率の増加は急速に低下する。
第３の理由は、一旦アスペクト比が過大になると、過大になった周長の故に以後の圧延で余剰表皮の不均一集積が不可避となり、シワ傷が発生し易くなること、孔型圧延に不可避の脱炭層の局所集積が増幅するからである。
上述のごとく単なる大圧下は充分な減面率が得られないだけでなく、アスペクト比が過大になって表面品質の低下を誘発する。
【０００４】
以下高減面率圧延方法の先行事例を検討する。
非特許文献１にＰＣＲＭ法（Planetary Cross Rolling Mill, 遊星傾斜圧延機）が説明されている。該方法によると円柱状材料に対して円錐傾斜３方ロールの自転・公転による絞り圧延により約６倍の延伸（減面率約８４％）が可能となる。しかし圧延機の構造からくる速度上の制約から粗圧延（秒速約０．１ｍ）に対しては効果的に適用できても走行速度が加速的に大きくなってくる中間圧延以後（秒速１〜１００ｍ）には適用できないという問題がある。
【０００５】
特許文献１に開示された方法によると、薄板の可逆冷間圧延において材料に材料の降伏応力の約８５％の前方・後方張力を作用させることにより減面率を５５％に向上させることができる。従来方法では形状制御の問題から高々約４０％であった。引張応力下での圧下によって従来の作用限界を拡張した意義はあるが効果は従来の延長上数１０％である。
【０００６】
非特許文献２には、拡幅による減面ロスを小さくして圧延効率を向上させる理論及び具体策が提起されている。それによるとＹ／√３（Ｙ；材料の降伏応力）の張力下にある材料を圧下すると拡幅は発生せず圧下率≒減面率となる。その結果アスペクト比の増加が抑制されることは理解できる。張力が上記値を超えると効果も一層増加すると期待されるが具体的にどのような変形挙動になるのかについては実験も無ければ言及もなされていない。またそのような圧延が容易になし得るかどうかも疑問である。
【０００７】
特許文献２には上記理論を発展させ熱間圧延において減面率を飛躍的に増大させる圧延方法が開示されている。それによると一定速度で圧延機に供給される被加工材に対して後方張力をロール噛込み部の降伏力の強さまで大きくすることにより噛み込み直前において被加工材に延伸を誘発させ、減面率を大幅に増大させ、且つ圧下に伴う拡幅を消去又は縮幅に変えて断面アスペクト比の増加を抑制することができる。後方張力を従来の弾性限内を越えて塑性域まで強化するので過張力圧延という新しい述語を使っている。
【０００８】
圧下比（＝圧延後厚さ／圧延前厚さ）、ロール径比（＝ロール直径／圧延前厚さ）、速度比（圧延後速度／圧延前速度）の３条件の適切な組合せにより、１パスで従来の圧延の数パス相当分の減面が可能と理論的に解明され、又断片的実験だが実証もなされている。
【０００９】
前記理論に従う圧延機を製作し実証試験を行ったところ、低拡幅・高減面率の圧延がなされ理論には大きな間違いが無いことが証明された。しかししばしば絞り切れが発生し、当該高減面率圧延の実用には決定的な障害であると判明した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】日本鉄鋼協会編、鉄鋼便覧第４版、３−２巻、３編、１０・４・１−４  特殊圧延機
【非特許文献２】齋藤・宇都宮ら：塑性と加工40-465 (1999-10),p.966~p.970:”延伸制御圧延機の開発と平線圧延への適用”
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開2000-197907
【特許文献２】特許第4284396
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
棒・線状材料を高減面率で加工することにより圧延パス数を大幅削減して圧延設備全体を簡素化することは当業者にとって意義ある課題である。その場合、１）単なる大圧下では圧延効率が低下して減面率が頭打ちになる上、アスペクト比が過大になって以後の成形即ち、寸法・形状不良、シワ傷・局所脱炭欠陥の発生等の問題が生ずる、２）既述の傾斜圧延方式は粗圧延に対しては有効であるが中間圧延以後の圧延速度の大きい領域では使用できない、３）張力付加によって拡幅を抑制することにより結果的に減面率を向上させる方法では効果が限られていると言う問題があった。
【００１３】
以上のような問題に対して、圧延速度が大きい場合でも飛躍的な高減面率が得られ、しかもアスペクト比が抑制されて以後の圧延に困難をもたらさない圧延方法として過張力圧延方法（特許文献２）が提起されたが、実証実験では過大な張力故に絞り切れが頻発すると言う問題が判明した。本願発明は該過張力圧延において絞り切れの発生防止を解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実証実験における絞り切れの発生原因は単純ではなく種々の条件が絡んでいることが少しずつ明らかになり、理論の修正ないし補強の必要が無く、試行錯誤を経て作業的要因の適正化によって解決することができ以下の発明をなした。
第１発明は、棒・線・条状の鋼材を圧延方向に張力を作用させつつ熱間で圧延するに際して、一定速度を維持しつつ圧延機に供給される鋼材に対して圧延機自体の引き込み力によりロールバイト入口における該鋼材の降伏力に等しい後方張力を発生させ、該入口において該鋼材に延伸を誘発させて減面率を増大させるとともに圧延による拡幅を消去して断面アスペクト比の増加を抑制することを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法において、圧延機上流側においては前記鋼材の温度分布が前記ロールバイト入口部で最高温度となるよう加熱を附加し、且つ金属組織をオーステナイトとし、下流側には前方張力を作用させることを特徴とする圧延方法である。
【００１５】
第２発明は、ロール径比γを（１）式に従って設定することを特徴とする第１発明に記載の圧延方法である。
μ2γ＞2／(1−h)＋2＋(1-h)／2         −−−−（１）
ただし、
h ；  全圧下比（＝材料の圧延後厚さG／圧延前厚さHo）
μ；  ロールと鋼材間の摩擦係数
γ；  ロール径比（＝ロール直径2R／圧延前厚さHo）
【００１６】
第３発明は、長方形断面の鋼材に対してロール周速Viを（２）式に従う範囲で調節することにより、比アスペクト比αを（３）式に従い、減面比ｒを（４）式に従う範囲で調節することを特徴とする第２発明に記載の圧延方法である。
1／h＜Vi／Vo≦1／(he×h)            −−−−−（２）
1／h＞α≧he／h                     −−−−−（３）
he×h≦r＜h                         −−−−−（４）
ただし、
he＝〔−B−√(B2−4AC)〕／2A        −−−−−（５）
A＝9，  B＝−6h−2F／k，  C＝h(h＋2F／k)
he；  延伸圧下比（＝噛み込み直前厚さHe／圧延前厚さHo）
F ；  摩擦指数（＝μ2γ）
Vo；  供給鋼材の圧延前速度
Vi；  圧延後速度
α；  比アスペクト比（＝圧延後断面アスペクト比／圧延前アスペクト比）
r ；  減面比（＝圧延後断面積／圧延前断面積＝1−減面率）
【００１７】
第４発明は、加熱方法が鋼材に直接通電する方法であって一方の電極が圧延機のロールであることを特徴とする第１発明又は第２発明又は第３発明に記載の圧延方法である。
【発明の効果】
【００１８】
上記の発明において加熱と引抜き条件の特定により、第１の効果、『一定速度で供給される棒・線・条状の鋼材に対して、ロールによる引き込み力により材料に作用する張力を材料の降伏力と等しくしているので、ロールバイトまでに材料に延伸が誘発する。その結果、圧下率を従来より大きく設定しても圧延による拡幅が消滅ないし縮幅に転じ、アスペクト比の過大な増加が抑制されて以後の圧延の問題を解消し、且つ圧下率以上の減面率が容易に得られるようになる。さらに定量化の第１条件として、延伸に必要な大きさの圧下力を発生させるロール径比が（１）式によって規定され、第２条件として該圧下力を延伸に必要な引き込み力に転換させるロール周速／材料速度の比を（２）式又は（３）式によって規定しているので、低アスペクト比、高減面率が得られるだけではなく、それらを広範に調節することが可能となる。１パスで従来の６パス相当分の加工も可能になり、圧延工場における圧延機必要台数を大幅削減することができる。』が補強される。
【００１９】
第２の効果、『圧延機の構造はロール径が相対的に大きいだけの一般の２重圧延機が主体であり特別の機構や設計を要せず、第１の効果と合わせて圧延設備全体を低廉、簡素化する。』が補強される。
【００２０】
第３の効果、『断面減少に際して単純延伸の割合が大きく、且つアスペクト比が小さく維持されるので従来圧延に見られる圧下に伴う側面表皮の異常集積、局所集積は起こりにくくなる。即ち局部脱炭欠陥や、シワ傷発生の問題が解消される。パス数の大幅削減はパスに付随する各種表面傷の低減にも効果がある。』が補強される。
第４の効果、『拡幅が発生しないこと、ロール接触による動力ロスや鋼材冷却等が少ないこと等により加工エネルギー効率が向上する。』が補強される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の鋼材の低アスペクト比・高減面率圧延方法の説明図である。
【図２】圧延状況における寸法記号を示す。
【図３】本発明の加熱装置を付加する事例１を示す。
【図４】本発明の加熱装置を付加する事例２を示す。
【図５】速度比と減面比の理論と実際の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明を実施する低アスペクト比・高減面率圧延装置の概略説明図である。該装置は主に平ロール１’を持つ圧延機１と該圧延機１に鋼材２を一定速度で供給する鋼材供給手段３（例：ピンチロール、圧延機）と該鋼材２を該圧延機１の上流側で加熱する直接通電加熱装置電源４と該鋼材１を回路の一部とする回路５と該圧延機１の前方に配置され圧延後の鋼材に前方張力を与える鋼材引出手段６（例：ピンチロール）とから成る。
【００２３】
まず角断面の鋼材２を一定速度で平ロール１’を持つ圧延機１に供給し、該ロール１’に噛み込むと同時に鋼材供給手段３と平ロール１’の間の鋼材２に直接通電して加熱し、その結果下流に向かって傾斜的に昇温し、平ロール１’との接触点において最高温度となる。該点で約９００℃以上とする。
次いで該ロール１’の周速Viを鋼材供給速度の２倍以上の所定値に向け徐々に増加させ、同時にロール間隙Gを所定圧下比となるよう縮小してゆく。該鋼材２は平ロール１’に噛み込まれるが周速が供給速度を大きく上回るので鋼材２には後方張力が発生する。
【００２４】
本願発明ではロール径比γが大きく設定されているので圧下力が大きく、従って引込み力P（＝摩擦係数×圧下力）が大きく、滑らずに張力を増加させる。一方鋼材は噛み込み部では断面積が僅かだが本体よりも小さいこと、且つ高温であってより軟化していることから張力が噛み込み部降伏力に達した段階（過張力の発生）で該部で延伸が発生する。
図２は角断面の鋼材がロールにより圧下されている状況と寸法記号を示す。圧下方向、幅方向にもほぼ同比率で延伸する。延伸の結果、順次ロールバイトが縮小し、引き込み力が低下し、延伸量が減少し、ある均衡点で安定する。従って以後は縮小された角断面の鋼材（厚さHe）が平ロール１’により圧下される。
過張力圧延が安定する力学的条件として、ロール径比、圧下比、速度比の適正な組合せが必要であり先行例において該条件が解明された。
【００２５】
他方過張力圧延の安定の作業上の第１条件は噛み込み部がその上流側よりも高温になっていて降伏力が引張区間で最少になっていることである。
第２条件は、圧延後の鋼材がロール引き込み力を僅かでも阻害しないことである。そのため圧延機から押し出されてきた鋼材２は鋼材引出手段６であるピンチロールにより常時前方に引張を加えなければならない。
【００２６】
加熱方法として、既述の直接通電が適切である。場合により図３に示すように高周波誘導加熱コイル７を付設しても良い。
通電加熱方法として、図４に示すように鋼材供給手段３と平ロール１’の間に通電ロール８を設けて両側に通電し、両端をアースする方法がより望ましい。
【００２７】
過張力圧延において全圧下は噛み込み部の延伸と噛み込み後の正味圧延に分配される。前者の減面比r は延伸圧下比heの自乗になり、後者のそれは後方張力により拡幅が抑制されるので圧延効率が改善され、合算すると減面率は格段に向上する。減面比（＝圧延後断面積／圧延前断面積）は速度比（＝圧延速度／供給速度）の逆数になる。
一方断面形状については、延伸による縮幅と正味圧延分の小さな拡幅を合算すると全体幅は圧延前と同等以下になるのでアスペクト比の圧延による増加は著しく抑制される。
以上から例えばロール径比５０，圧下比（＝圧延後厚さ／圧延前厚さ）０．５、速度比（圧延速度／供給速度）２．５で減面率０．６（通常の４パス比分）と言う大きな値が得られ、アスペクト比は１．８で収まる。
【００２８】
以上、本発明の実施の態様について定性的に説明した。以下本発明の理論的根拠と諸要因の定量的関係を明らかにする。
今正方形断面の材料について、材料の供給速度とロール周速との比、その他要因が適切な状態にあるとすると、材料に延伸が発生し、材料に生ずる張力とロールによる後退力の和は最大引抜力μ×Pと均衡し、以下の式が成立する。
降伏力＋ロール後退力＝ロール引抜力
Y×He×He＋ΔH×P＝μ×P＝μ×Y×L×He    −−−−−（６）
L＝√(ΔH×R)                             −−−−−（７）
ΔH＝He−G                                −−−−−（８）
Y ；降伏応力、             He；延伸後の鋼材厚さ、    P ；圧下力、
L ；ロール・鋼材接触長、  ΔH；正味圧下量、
記号の説明は段落［００１５］、段落［００１６］と図２にも示される。
【００２９】
上記式を整理すると二次方程式が得られる。
A'He2＋B'He＋C'＝0                        −−−−−（９）
ここでγ＝２R／Ho、μ2γ＝Fとし、両辺をHo2で割って無次元化し、解を求める。
Ahe2＋Bhe＋C＝0                           −−−−（１０）
he＝〔−B−√(B2−4AC)〕／2A              −−−−−（５）
A＝9，  B＝−6h−2F，  C＝h(h＋2F)
即ち、全圧下比h と摩擦指数F から延伸圧下比heが算出される。
【００３０】
延伸発生は次式の成立を意味し、（５）式に代入すると（１）式が誘導される。
he＜1.0
F＝μ2γ＞2／(1−h)＋2＋(1-h)／2            −−−−（１）
即ち過張力圧延の第１の必要条件は（１）式になる。
γの値は通常、粗圧延から仕上げ圧延まで約３〜２０であるが、上限近傍は構造上の都合からそうなっており、特別の理由は無い。式より過張力圧延では少なくとも４０以上が必要で従来水準を大きく超えるロール径が必要と解る。以上が第２発明に記されたロール径比γの特定の根拠である。
【００３１】
過張力圧延の第２条件となる速度比の特定について説明する。
正常な圧延が維持されている状態では物量一定則から次式が成立する。
Vi×Si＝Vo×So                              −−−（１１）
Vo；鋼材入側速度、  Vi；鋼材出側速度、 Si；鋼材出側断面積、  So；鋼材入側断面積
断面積比Si／Soは、長方形断面の場合以下の式で表される。
Si／So＝He2×Hr／He／Ho2＝he2×hr
一方、定義より
he×hr＝He／Ho×G／He＝G／Ho＝h
故に、    Si／So＝he×h                             −−−−（１２）
以上から速度比Vi／Voは以下となる。速度比がこれを超えると引抜力が負け均衡が崩れて滑り圧延に落ちる。
Vi／Vo＝1／(he×h)                        −−−−（１３）
【００３２】
以上の説明は最大延伸が得られる場合である。速度比が逆に微少量減少する場合は、降伏力より引抜力の増加が相対的に勝り延伸は維持され、比アスペクト比αの微小増加、減面比rの微小増加となる。この作用は延伸圧下比he が１．０になるまで続く。従ってロールバイトまでに延伸が発生するという過張力圧延の現象は速度比に対してある範囲で起こり得るものであり、且つ速度比次第で変形量が変化することが理解される。過張力圧延が発現する下限速度は（１７）式の右辺においてhe＝1.0 とすれば求めら以下となる。
Vi／Vo＞1／h                              −−−−（１４）
以上をまとめて過張力圧延が発現する速度比範囲は以下となる。
1／h＜Vi／Vo≦1／(he×h)                  −−−−−（２）
上記式が過張力圧延の第２条件であり、第３発明における速度比Vi／Voの特定の根拠である。
【００３３】
上記の上限、下限における比アスペクト比α（＝圧延後断面アスペクト比／圧延前アスペクト比）について説明する。拡幅を近似的に無視すると、
α≒He／G＝he／h
（２）式の速度比に対応してαは次式に示される範囲で変化する。
1／h＞α≧he／h                           −−−−−（３）
【００３４】
速度比の上限、下限における減面比r を求める。（１２）式におけるSi／So は実は減面比r を表している。従って次式が容易に得られる。
h＞r≧he×h                               −−−−−（４）
以上から全圧下比h を与えると、延伸圧下比he、圧延圧下比hr、減面比r、比アスペクト比α、速度比Vi／Voが算出される。
【実施例】
【００３５】
実施例１：  図３に示すような実証用過張力圧延装置により実験を行った。供試材は線径５．５ｍｍの炭酸ガスアーク溶接用線材である。ロール径は２５０ｍｍである。線材供給速度を２５ｍｍ／ｓとし、圧延速度はその２倍に設定、圧延機のローギャップは軽圧下とし、高周波誘導加熱装置により約８００℃に加熱した。その結果滑り状態で軽度の引張圧延が維持された。ギャップを徐々に縮小していくと突然滑りが無くなり圧延速度が急増し、しばらくすると破断した。破断前の断面積は半減しており一時的だが過張力圧延が確認された。両線速を約半減して加熱温度を約９５０℃に上げると圧延継続時間が増加し、高温加熱が必要と解った。フェライト域引張り加工では延性が不足と解釈される。しかし圧延は長く続かず絞り切れが発生した。単なる熱間圧延では噛み込み部が優先的に延伸する異は不安定と解った。
【００３６】
実施例２：  誘導加熱装置の能力不足を補うため直接通電装置を附加した。電極の一方を圧延機ロールとした。その結果下流ほど高温になり噛み込み部が最高温度約１０００℃になった。噛み込み部の延伸が安定し、所定の速度で数１０ｍの過張力圧延が可能となっって噛み込み部の軟化が有効と判明した。しかししばしば絞り切れが発生した。供給速度と圧延速度の記録から速度の微小変動後に発生しており、一定速度の供給が必要と解った。
【００３７】
実施例５：  供給速度と圧延速度の比を一定とするよう連動機構を附加して速度比変動を無くしたところ過張力圧延は安定した。
新たに圧延機出側において線材の走行に少しの抵抗が作用すると、一瞬の滑りの後絞りが発生、破断した。また滑りが認められるとキンク（はみ出し）が発生し、圧延不能となった。常に引張り出すように案内すると絞り切れが無くなった。常時引張を作用させることが必要と解った。
図５に示すように適当な圧下量で速度比を２．５倍とすると理論通り減面率６０％が達成された。３．０倍の場合は新たに滑りが発生し理論の６７％に対して５５％に止まった。しかし滑り圧延は安定していた。設定した圧下比が条件式（２）の限界に近いところにあった。
【符号の説明】
【００３８】
１：圧延機    １’：平ロール    ２：鋼材    ３：鋼材供給手段    ４：通電加熱電源    ５：通電加熱回路    ６：鋼材引出手段    ７：高周波誘導加熱コイル    ８：通電ロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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