(57)【要約】【課題】  芯材を予熱して芯材全体を略均一な温度に加熱しておくことで、従来よりも優れた品質のロールを製造でき、しかもロールの製造時間を従来よりも短縮させることが可能なロールの製造方法を提供する。【解決手段】  電磁誘導加熱コイル２５を備えた耐火性加熱型１８の下部に冷却型１９が配置された組み合わせモールド１０の内部に、芯材１１を同心垂直に挿入し、加熱コイル２６で芯材１１の周囲を固相線温度Ｔｓ近傍まで加熱しながら、芯材１１の周囲の環状空隙部２２に溶湯１２を注入して芯材１１を降下させ、その外周に溶湯１２を溶着させながら鋳掛け肉盛層１３を形成するロールの製造方法において、芯材１１を加熱コイル２６で加熱する前に、芯材１１の中心部と表層部の温度差が１００℃以内で、しかも芯材１１の表層部の温度が３００℃以上かつ固相線温度Ｔｓ以下となるように芯材１１を予熱する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導加熱コイルＡを備えた耐火性加熱型の下部に冷却型が一体的に配置された組み合わせモールドの内部に、芯材を同心垂直に挿入し、加熱コイルＢで前記芯材の周囲を固相線温度Ｔｓ近傍まで加熱しながら、該芯材の周囲の環状空隙部に溶湯を注入して前記芯材を降下させ、該芯材の外周に前記溶湯を溶着させながら凝固させて鋳掛け肉盛層を形成するロールの製造方法において、
前記芯材を前記加熱コイルＢで加熱する前に、前記芯材の中心部と表層部の温度差が１００℃以内で、しかも前記芯材の表層部の温度が３００℃以上かつ前記固相線温度Ｔｓ以下となるように該芯材を予熱することを特徴とするロールの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のロールの製造方法において、前記芯材の予熱は、前記組み合わせモールドとは別に設けられた予熱炉で、又は前記加熱コイルＢとは別に設けられた誘導加熱コイルＣを用いて行われることを特徴とするロールの製造方法。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載のロールの製造方法において、前記溶湯にする金属は、その液相線温度が前記芯材の固相線温度Ｔｓ以上のものを選ぶことを特徴とするロール製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のロールの製造方法において、前記芯材の予熱は、該芯材の外周に、該芯材の予熱温度より高く該芯材の固相線温度Ｔｓより低い融点を有する酸化防止膜を形成した後に行うことを特徴とするロールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例えば、製鉄圧延設備における圧延用ロール及び矯正用ロールに使用可能なロールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、製鉄圧延設備においては、圧延用及び矯正用の各ロールが使用され、鋼板の圧延及び矯正が行われている。
このロールの製造方法としては、電磁誘導加熱コイルを備えた耐火性加熱型の下部に冷却型を一体的に配置した組み合わせモールドを用い、この組み合わせモールドの内部に鋼製の芯材を挿入し、加熱コイルで芯材の周囲を加熱しながら、芯材の周囲の環状隙間部に別途準備した溶湯を注入した後、芯材を降下させて芯材表面に溶湯を溶着させながら鋳掛け肉盛層（以下、単に肉盛層ともいう）を形成する方法が開示されている。このロールの製造方法は、ＣＰＣ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｐｏｕｒｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ
Ｃｌａｄｄｉｎｇ：連続注入クラッド）法とも呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。
これにより、芯材の外周に肉盛層を一層で形成できるので、芯材に対する熱の集中度を極めて小さくでき、従来の溶接肉盛法では不可能であった材質、例えば、過共晶材の肉盛層を形成することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５８３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来のロールの製造方法には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
芯材は、溶湯を溶着させる寸前に加熱コイルを使用して加熱されているので、芯材の表層部のみが目的の温度まで加熱され、芯材の内部が十分に加熱されていない。このため、芯材の中心部と表層部との温度差が大きくなり、加熱コイルによる加熱が終了した表層部には、急激な温度低下が生じる。
ここで、溶湯にする金属の液相線温度が芯材の固相線温度よりも低い場合は、芯材の表層部の温度が低下しても、溶湯が芯材の外周に容易に溶着し、略安定した品質のロールを製造できる。
しかし、溶湯にする金属の液相線温度が芯材の固相線温度以上の場合は、上記した場合よりも芯材への溶湯からの熱の移動が顕著になる。このとき、溶湯の溶着が進行するに伴って芯材の温度が上昇するため、芯材の温度上昇に伴って芯材への熱の移動が減少するので、芯材表層部への溶湯の溶け込み量が、芯材の長手方向の各部分で不均一となり、ロール品質が安定しなかった。なお、この現象は、芯材の降下速度を現状よりも遅くし、芯材へ溶湯を溶着させる時間を長くするに伴って、更に顕著になる傾向があった。
【０００５】
また、例えば一方向から注入される溶湯の温度が芯材の円周方向で不均一になった場合、芯材表層部への溶湯の溶け込み量が芯材の円周方向の各部分で不均一となり易くなるため、形成される肉盛層の成分にばらつきが生じ、ロール品質が安定しなかった。
特に、前記したような液相線温度が高い金属を使用した場合は、芯材への溶湯の溶着不良が起こり易いためロール品質が安定せず、また溶湯の注入時の温度低下に伴って溶湯が凝固し易く、ロールの製造作業を安定に実施できない問題もあった。
更に、このロールの製造方法は、芯材を組み合わせモールドに配置した後に芯材の加熱を行うので、ロール１本当りの製造時間の短縮を図ることが難しく、しかも芯材の加熱中は組み合わせモールドを使用できないため製造効率が悪かった。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、芯材を予熱して芯材全体を略均一な温度に加熱しておくことで、従来よりも優れた品質のロールを製造でき、しかもロールの製造時間を従来よりも短縮させることが可能なロールの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係るロールの製造方法は、電磁誘導加熱コイルＡを備えた耐火性加熱型の下部に冷却型が一体的に配置された組み合わせモールドの内部に、芯材を同心垂直に挿入し、加熱コイルＢで前記芯材の周囲を固相線温度Ｔｓ近傍まで加熱しながら、該芯材の周囲の環状空隙部に溶湯を注入して前記芯材を降下させ、該芯材の外周に前記溶湯を溶着させながら凝固させて鋳掛け肉盛層を形成するロールの製造方法において、
前記芯材を前記加熱コイルＢで加熱する前に、前記芯材の中心部と表層部の温度差が１００℃以内で、しかも前記芯材の表層部の温度が３００℃以上かつ前記固相線温度Ｔｓ以下となるように該芯材を予熱する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のロールの製造方法は、芯材を加熱コイルで加熱する前に、芯材の中心部と表層部の温度差が１００℃以内で、芯材の表層部の温度が３００℃以上かつ固相線温度Ｔｓ以下となるように予熱するので、芯材の表層部のみならず中心部も含めて加熱できる。従って、芯材の表層部の温度低下を従来よりも大幅に低減できるので、溶湯の注湯時における芯材への熱の移動量を小さくでき、また溶湯の溶着時における芯材の表層付近の昇温速度を従来よりも速くでき、芯材への溶湯の溶着をばらつきなく安定して行い、従来よりも優れた品質のロールを製造できる。
また、芯材への溶湯の溶着をばらつきなく安定して行うことができるので、芯材の降下速度を従来よりも速くでき、ロールの生産性を向上できる。更に、溶湯の注湯時における溶湯の温度低下を低減できるので、注湯の際の溶湯の凝固を抑制でき、ロールの製造作業を作業性よく実施できる。
【０００９】
ここで、芯材の予熱を、組み合わせモールドとは別に設けられた予熱炉で、又は加熱コイルＢとは別に設けられた誘導加熱コイルＣを用いて行う場合には、組み合わせモールドを芯材への溶湯の溶着のみに使用できる。従って、組み合わせモールドの稼働率を現状よりも高めることができ、ロールの製造を効率的に実施できる。
【００１０】
また、溶湯にする金属として、その液相線温度が芯材の固相線温度Ｔｓ以上のものを選んだ場合には、従来、ＣＰＣ法を使用して芯材へ溶着させることが困難であった金属を、芯材の外周に安定に溶着させることができる。従って、ＣＰＣ法によって製造可能なロールの種類を、従来よりも大幅に広げることができる。
【００１１】
更に、芯材の外周に、芯材の予熱温度より高く芯材の固相線温度Ｔｓより低い融点を有する酸化防止膜を形成した後に、芯材の予熱を行う場合には、芯材の予熱時における酸化防止膜の剥離を防止でき、芯材の表層部の酸化を抑制しながら、鋳掛け肉盛層を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係るロールの製造方法の説明図である。
【００１３】
本発明の一実施の形態に係るロールの製造方法は、図１に示すように、電磁誘導加熱コイル（電磁誘導加熱コイルＡ）２５を有する組み合わせモールド１０の内部に芯材（母材ともいう）１１を挿入し、加熱コイル（加熱コイルＢ）２６で芯材１１の周囲を固相線温度Ｔｓ近傍まで加熱しながら、芯材１１の外周に溶湯１２を溶着し凝固させて鋳掛け肉盛層（以下、単に肉盛層ともいう）１３を形成する（即ちＣＰＣ法による）ロールの製造方法において、芯材１１を加熱コイル２６で加熱する前に芯材１１を予熱する方法である。以下、詳しく説明する。
【００１４】
ロールの製造に使用する芯材１１は、例えば、直径が５０ｍｍ以上６５０ｍｍ以下で、長さが最長８０００ｍｍ程度のものであり、芯材１１の両側に軸部１４、１５が設けられた中実のものである。なお、芯材としては、芯材の片側のみに軸部が設けられた中実のもの、また円筒状となった中空のものを使用することもできる。この芯材１１の材質は、例えば、クロム−モリブデン鋼（ＳＣＭ材）、一般構造用圧延鋼（ＳＳ材）、０．３５％炭素鋼（Ｓ３５Ｃ）、及び０．４５％炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）がある。
【００１５】
芯材１１の予熱を行う前に、まず、芯材１１の外周に、芯材１１の予熱温度より高く芯材１１の固相線温度Ｔｓより低い融点を有する酸化防止膜１６を形成する。
芯材１１の外周に形成する酸化防止膜１６としては、例えば、ニッケル基自溶合金（例えば、液相線温度が１１００℃以下、固相線温度が９５０℃以下）又はコバルト基自溶合金（例えば、液相線温度が１１５０℃以下、固相線温度が１０５０℃以下）を使用できる。
なお、不活性雰囲気（例えば、アルゴンガス及び窒素ガス）中で芯材１１の予熱を行う場合は、芯材１１の外周に酸化防止膜を形成することなく、芯材１１の予熱を実施してもよい。
【００１６】
このように、酸化防止膜１６が形成された芯材１１を、組み合わせモールド１０とは別に設けられた予熱炉（図示しない）内に装入し、芯材１１の大きさ、形状、及び材質に応じて、例えば５時間以上１０時間放置して、芯材１１の温度が３００℃以上固相線温度Ｔｓ（例えば、１４００℃以下）以下になるまで予熱を行う。
ここで、芯材１１の予熱は、芯材１１表層部の急激な温度低下を抑制できる温度、即ち、芯材１１の中心部と表層部との温度差が、１００℃以内、好ましくは７０℃以内、更に好ましくは５０℃以内になるまで加熱すればよいが、芯材１１全体が略均一な温度になるまで行うことが好ましい。
なお、芯材１１は、予熱炉を使用することなく、例えば、組み合わせモールド１０の上方に設置され、組み合わせモールド１０とは別に設けられた誘導加熱コイルＣ（図示しない）を用いて、前記した条件になるように芯材１１を予熱することもできる。
【００１７】
芯材の予熱が３００℃未満の場合、例え芯材全体を略均一に予熱できたとしても、芯材自体の予熱温度が低くなり過ぎ、芯材への溶湯の溶着を良好に行うことができない。一方、固相線温度Ｔｓを超える場合、固液共存相が生成するため、例えば、芯材自体が部分的に溶融し始め、芯材の結晶組織が変化したり、また芯材の形状が崩れ、安定した品質のロールを製造できない恐れがある。
従って、安定した品質のロールを製造するには、予熱の下限値を３００℃、好ましくは４００℃、更に好ましくは５００℃（最も良い条件としては８００℃）にする。
このように予熱された芯材１１の外周に、以下に示すように、例えば、前記した特許文献１に開示された方法を使用し、鋳掛け肉盛層１３を形成して、ロールを製造する。
【００１８】
ロール製造装置として、図１に示すように、電磁誘導加熱コイル２５が内部に配置された中空環状の耐火枠１７を備えた耐火性加熱型１８と、耐火性加熱型１８の下部に配置され、これと同軸の内孔を有する冷却型１９とを、一体的に配置した組み合わせモールド１０を使用する。なお、組み合わせモールド１０の下部には、油圧シリンダーなどの昇降手段（図示しない）によって上下させることができ、上部に配置された芯材１１を徐々に降下させる昇降装置２０を備えている。
【００１９】
これを用いてロールを製造する場合、芯出し装置２１を用いて、組み合わせモールド１０の内部中央に、芯材１１を同心垂直に挿入する。そして、別途溶解炉にて準備した鋳掛け肉盛層１３になる溶湯１２を、芯材１１と組み合わせモールド１０との環状空隙部２２に、電磁誘導加熱コイル２５に電流を流しながら注入し、芯材１１を断続的に降下させる。
なお、芯材１１の外周には、合金で構成される酸化防止膜１６が形成されているので、この酸化防止膜が溶融した後、芯材１１の表層部に溶湯１２が溶着する。ここで、図１中の２３は溶融部、２４は溶融フラックスを示す。
【００２０】
溶湯にする金属（以下、溶湯金属ともいう）としては、溶湯金属の液相線温度が芯材の固相線温度Ｔｓ以上のものを選んで使用することが好ましいが、溶湯金属の液相線温度が芯材の固相線温度Ｔｓよりも低い従来使用されている金属を使用することも勿論可能である。
ここで、芯材の固相線温度Ｔｓ以上の液相線温度を備える溶湯金属としては、例えば、液相線温度が１４００℃以上１５００℃以下のＦｅ−Ｃｒ系合金又はＮｉ−Ｃｒ系合金がある。なお、これらの溶湯金属の液相線温度と固相線温度との差は、例えば、１５０℃以上３００℃以下である。
また、芯材の固相線温度Ｔｓよりも低い液相線温度を備える溶湯金属としては、例えば、液相線温度が１２５０℃以上１３５０℃以下のＦｅ−Ｃｒ系合金、高速度鋼（例えば、高速度鋼系多合金白鋳鉄）、及びＮｉ−Ｃｒ系合金がある。これらの金属の液相線温度と固相線温度との差は、前記した金属よりも小さい５０℃以上１４０℃以下程度である。
【００２１】
組み合わせモールド１０の上に配置された加熱コイル２６によって、芯材１１の周囲を固相線温度Ｔｓ近傍（例えば、１４００℃±５０℃程度）まで加熱した後、更に溶湯１２に接触させることで、酸化防止膜１６の一部又は全部が軟化状態、更には溶融状態になる。これにより、溶湯１２をそのまま又は酸化防止膜１６を介して芯材１１の表面に溶着させながら、冷却型１９によって順次冷却して凝固され、鋳掛け肉盛層１３が形成される。
鋳掛け肉盛層１３が形成された芯材１１を、仕上げ状態に近い状態まで加工装置を用いて粗加工し、更に調質処理、即ち所定の焼入れ及び焼戻しの熱処理を行う。このように調質処理された中間製品ロールを、圧延用ロール又は矯正用ロールに使用可能な製品形状に機械加工して、製品となるロールを製造する。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。ここで、図２は芯材に対する溶湯の平均溶け込み量とクラッド速度との関係を示すグラフ、図３は芯材の加熱に要する出力とクラッド速度との関係を示すグラフである。なお、図２及び図３において、実施例では、５００℃の温度に設定された予熱炉内で８時間予熱した芯材に鋳掛け肉盛層を形成（図２の□、図３の×及び■）し、比較例では室温の芯材（冷材）を予熱することなく鋳掛け肉盛層を形成（図２の×、図３の▲及び●）している。
【００２３】
図２に示すように、実施例及び比較例は共に、クラッド速度の上昇に伴って芯材への平均溶け込み量が小さくなっている。
ここで、平均溶け込み量（ｍｍ）とは、前記したＣＰＣ法を使用して製造したロールを、ロールの軸心に対して垂直平面で切断し、各切断部の円周方向の各位置における溶け込み量（溶け込み深さ）を求め、これを平均化した値である。なお、この作業は、ロールを長手方向に４つから５つに切断し、それぞれの断面視野で測定して行っているため、図２の最大値と最小値との差がばらつきの大きさを示している。
また、クラッド速度は、従来クラッドを行っている速度範囲４×１０4 （ｍｍ3 ／ｓｅｃ）から１×１０5 （ｍｍ3 ／ｓｅｃ）の範囲内で検討した。
【００２４】
図２から明らかなように、各クラッド速度における平均溶け込み量の最大値と最小値との差は、クラッド速度９．１×１０4 （ｍｍ3 ／ｓｅｃ）を除いては、実施例が比較例よりも小さくなっている。なお、クラッド速度９．１×１０4 （ｍｍ3 ／ｓｅｃ）において、平均溶け込み量の最大値と最小値との差が、実施例が比較例よりも大きくなっているのは、クラッド速度の上昇に伴って溶け込み量が小さくなることに起因するものである。
このことから、予熱した芯材の外周に鋳掛け肉盛層を形成することで、冷材に対する溶湯の溶け込み量のばらつきを改善できたことを確認できた。
【００２５】
また、各クラッド速度における平均溶け込み量の平均値を比較すると、予熱を行った芯材を使用して製造したロールの方が、予熱無しの芯材を使用して製造したロールよりも大きな数値を示しており、芯材の予熱を行うことによって芯材への溶湯の溶着効率が高められたことも確認できた。
以上のことから、芯材を予熱炉で赤熱状態まで加熱した後、加熱コイル及び耐火性加熱型の電磁誘導加熱コイルの出力をフルパワーに近い状態にし、芯材の降下スピードを従来より早くしてロールを製造しても、良好な品質のロールを製造できることを確認できた。
【００２６】
次に、芯材への溶湯の溶着性を検討した結果について説明する。なお、溶着が良好に行われているか否かの判定は、浸透探傷試験（試験体表面に開口している傷に浸透液を浸透させた後、拡大した像の指示模様として傷を観察する非破壊試験方法）により行った。また、図３において、加熱出力とは、加熱コイル及び耐火性加熱型の電磁誘導加熱コイルの総出力である。
図３に示すように、ＣＰＣ法での加熱出力は、予熱した芯材を使用することで、予熱を行っていない芯材を使用するよりも、大幅に低減でき経済的である。また、予熱した芯材を使用することで、予熱を行っていない芯材よりも、クラッド速度を上昇させることができる。
以上のことから、芯材を予熱することで、従来よりも経済的にロールの生産性を向上させることができる。
【００２７】
ここで、溶湯にする金属の組成について検討した結果について説明する。
溶湯金属として、液相線温度が芯材の固相線温度Ｔｓよりも低い従来使用されている溶湯金属、即ち、液相線温度が１３３３℃及び１３５０℃のＦｅ−Ｃｒ系合金、１３１０℃の高速度鋼、及び１２７３℃のＮｉ−Ｃｒ系合金を使用した。なお、これらの溶湯金属の液相線温度と固相線温度との差は、液相線温度が１３３３℃のＦｅ−Ｃｒ系合金で９８℃、液相線温度が１３５０℃のＦｅ−Ｃｒ系合金で１４０℃、高速度鋼で６０℃、及びＮｉ−Ｃｒ系合金で７３℃である。
これらの溶湯金属を使用した場合においては、芯材を予熱することで、予熱を行わなかった芯材を使用した場合よりも、より安定した品質のロールを製造できた。
【００２８】
また、溶湯金属として、液相線温度が芯材の固相線温度Ｔｓ以上の金属、即ち、液相線温度が１４４０℃のＦｅ−Ｃｒ系合金、及び前記した液相線温度が１２７３℃のＮｉ−Ｃｒ系合金を改良した液相線温度が１４２０℃のＮｉ−Ｃｒ系合金を使用した。
なお、これらの溶湯金属の液相線温度と固相線温度との差は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金で２４０℃、及びＮｉ−Ｃｒ系合金で２２０℃である。
【００２９】
この液相線温度が１４４０℃のＦｅ−Ｃｒ系合金は、芯材の予熱を行わない場合、満足な溶着（クラッド）を得ることができない合金である。ここで、満足な溶着を得るために、合金中のカーボン量を増加させ、融点調整を行う方法が考えられるが、この合金の場合、カーボン成分がシグマ脆性に影響するため、この影響を無くすためカーボン量を極力低くすることが望ましい。即ち、カーボン量を増加させた合金は、本来の性能を発揮できず、要をなさないものであるため、カーボン量を低減した液相線温度が１４４０℃のＦｅ−Ｃｒ系合金は、芯材の予熱を行わない従来のＣＰＣ法では、芯材に溶着させることができない合金成分であった。
【００３０】
また、液相線温度が１４２０℃のＮｉ−Ｃｒ系合金は、液相線温度が１２７３℃のＮｉ−Ｃｒ系合金を改良した合金である。液相線温度が１２７３℃のＮｉ−Ｃｒ系合金は、芯材への健全な溶着を得るために、カーボン成分を０．９質量％含有させているが、Ｃ−Ｂ−Ｃｒの粗大な化合物を形成し、耐摩耗性が得られるものの、耐衝撃性に乏しく、亀裂発生から剥離に至る場合がある。そこで、耐衝撃性を改善するため、液相線温度が１２７３℃のＮｉ−Ｃｒ系合金のカーボン成分を低く（０．１質量％）した。
これらの金属を芯材への溶着に使用した際、予熱を行わない芯材では溶湯を溶着させることができなかったが、芯材を予熱することで、安定した品質のロールを製造できた。
以上のことから、芯材を予熱することで高融点合金を芯材へ溶着させることが可能になるので、実施例のように溶湯金属のカーボン成分を低く設計でき、例えば剥離の問題を解消でき、安定した品質のロールを製造できることを確認できた。
【００３１】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のロールの製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、芯材及び溶湯金属について、特定の材質について説明したが、本発明はこれらの材質に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の材質も含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るロールの製造方法の説明図である。
【図２】芯材に対する溶湯の平均溶け込み量とクラッド速度との関係を示すグラフである。
【図３】芯材の加熱に要する出力とクラッド速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０：組み合わせモールド、１１：芯材、１２：溶湯、１３：鋳掛け肉盛層、１４、１５：軸部、１６：酸化防止膜、１７：耐火枠、１８：耐火性加熱型、１９：冷却型、２０：昇降装置、２１：芯出し装置、２２：環状空隙部、２３：溶融部、２４：溶融フラックス、２５：電磁誘導加熱コイル、２６：加熱コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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