(57)【要約】【課題】熱疲労による亀裂発生を抑制し、長時間の操業を可能とし、メンテナンスコストを削減し得る連続鋳造ロール及び冷却方法を提供する。【解決手段】表層部に溝を有する連続鋳造ロールにおいて、連続鋳造ロールの表面から溝底までの間に軸方向に貫通する空隙２を周方向に９〜２４０本設け、軸方向に垂直な断面で、隣り合う前記軸方向に貫通する空隙２の中心と前記連続鋳造ロールの軸中心とを結ぶ線分のなす空隙中心角θ［°］が１．５〜４０°であることを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。軸方向に貫通する空隙２を連結する連通管７により冷却流体の流路を形成することが好ましい。周方向に貫通する空隙３を設けても良い。冷却流体の流路に冷却流体を供給することを特徴とする耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層部の周方向に溝を有する連続鋳造ロールにおいて、連続鋳造ロールの表面から溝底までの間で軸方向に貫通する空隙２を同一円周上に９〜２４０本設け、軸方向に垂直な断面で、隣り合う前記軸方向に貫通する空隙２の中心と前記連続鋳造ロールの軸中心とを結ぶ線分のなす空隙中心角θ［°］が１．５〜４０°であることを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項２】
表層部の周方向に溝を有する連続鋳造ロールにおいて、隣り合う溝の間の連続鋳造ロールの表面から溝底までの間で、周方向に貫通する空隙３を設けたことを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項３】
請求項１記載の軸方向に貫通する空隙２を連結する連通管７により冷却流体の流路を形成することを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項４】
請求項２記載の周方向に貫通する空隙３の少なくとも１箇所に軸方向の孔を有し、前記孔を連結する連通管７により溝を挟んで隣り合う前記周方向に貫通する空隙３同士が連通する冷却流体の流路を形成することを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項５】
表層部に耐熱材料の溶接肉盛を有することを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項６】
表層部の耐熱材料の溶接肉盛の厚みが、表層部の溝の深さよりも薄いことを特徴とする請求項５記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項７】
表層部に耐熱材料のスリーブを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項８】
表層部の耐熱材料のスリーブの厚みが、表層部の溝の深さよりも薄いことを特徴とする請求項７記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【請求項９】
請求項３〜８の何れか１項に記載の冷却流体の流路に冷却流体を供給することを特徴とする耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【請求項１０】
冷却流体の流路の全てに冷却流体を供給することを特徴とする、請求項９記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【請求項１１】
冷却流体の流路のうち、スラブに面する１〜１２０本に冷却流体を供給することを特徴とする請求項１０記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【請求項１２】
冷却流体が空気、窒素ガス、水、油の１種または２種以上の混合流体からなることを特徴とする、請求項９〜１１の何れか１項に記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱疲労による亀裂発生に対する耐性（耐熱亀裂性という）を向上させた、連続鋳造装置の鋳片のガイドロール（連続鋳造ロールという）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄用連続鋳造装置の一例を模式的に図１に示す。図１において、連続鋳造ロールと接触している鋳片は、鋳型内で表面層のみが凝固した半凝固状態であり、その後二次冷却帯でスプレー状の水を吹き付けられ、内部の凝固が促進される。連続鋳造ロールは、鋳片の溶鋼の静圧、冷却による熱応力等による変形を矯正し、また鋳片のガイド機構として配置されている。
【０００３】
連続鋳造ロールは操業中に高温の鋳片と接触し、操業間には冷却水により冷却されるという加熱・冷却サイクルを受ける。この加熱・冷却サイクルの繰り返しと鋳片からの反力により、連続鋳造ロールの表面に亀裂が発生し、中心に向け進展し、折損に至ることもある。
【０００４】
そのため、連続鋳造ロールは、亀裂の深さを定期的に、少なくとも修理、保守、点検時に測定し、状態を管理しながら折損時期を見込んだ使用期間を定めて交換される。この連続鋳造ロールの交換は、連続鋳造装置のメンテナンスコストの大半を占め、製造コスト上、連続鋳造ロールの長寿命化、即ち亀裂の発生及び進展の抑制が大きな課題となっている。
【０００５】
図２および図３は、連続鋳造ロールの表面に生じた亀裂を模式的に示したものである。亀裂１は、連続鋳造ロールの表面に円周方向に発生し、軸方向に向かって進展している。この亀裂１の進展により、構造的に曲げやせん断応力に耐えられない状態になると折損に至る。
【０００６】
このような問題に対して、特許文献１、２には、溶接肉盛材料に合金を採用し、かつ表面に亀裂を分散させるための熱処理を施す方法が開示されている。また、特許文献３には、亀裂発生の原因となる熱負荷を低減するために、冷却水路によって表層を冷却する方法が開示されている。しかし、これらの対策によっても、連続鋳造ロールの表面における亀裂の発生及び進展を防止することは困難であった。
【０００７】
また、特許文献４には、表面に凹部を設け、凹部の側面から冷却水を噴出する熱間スラブ用ピンチロールが開示されている。しかし、製鉄用連続鋳造装置では、連続鋳造ロールが百本以上も配置されているため、スラブが大量の水によって冷却され、異常収縮が生じるなどスラブ品質に問題が生じる可能性がある。また、連続鋳造設備全体で莫大な量の冷却水が必要であるため、工業的に現実的でないという問題を抱えていた。
【０００８】
このような問題に対し、本発明者は、特許文献５に、図３に示すように、連続鋳造ロールの表面に深さと幅の比を最適化した円周状の溝を設け、熱亀裂発生の要因である熱応力を緩和する連続鋳造用ロールを提案した。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３１４１４５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９７３２８号公報
【特許文献３】
特開平９−１９２８０８号公報
【特許文献４】
特開平１１−５７８３１号公報
【特許文献５】
特願２００２−３６７８９６号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱疲労による亀裂発生を抑制し、長時間の操業を可能とし、メンテナンスコストを削減し得る連続鋳造ロールを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、連続鋳造ロールの表面に円周状の溝を設けて熱亀裂発生の要因である熱応力を緩和する方法において、表面の凸部に熱応力を緩和する空隙を軸方向又は周方向に設けたものであり、更に空隙を連結して冷却流体を供給し、連続鋳造ロールの表面の熱亀裂を大幅に抑制するものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００１２】
（１）  表層部の周方向に溝を有する連続鋳造ロールにおいて、連続鋳造ロールの表面から溝底までの間で軸方向に貫通する空隙２を同一円周上に９〜２４０本設け、軸方向に垂直な断面で、隣り合う前記軸方向に貫通する空隙２の中心と前記連続鋳造ロールの軸中心とを結ぶ線分のなす空隙中心角θ［°］が１．５〜４０°であることを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１３】
（２）  表層部の周方向に溝を有する連続鋳造ロールにおいて、隣り合う溝の間の連続鋳造ロールの表面から溝底までの間で、周方向に貫通する空隙３を設けたことを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１４】
（３）  （１）記載の軸方向に貫通する空隙２を連結する連通管７により冷却流体の流路を形成することを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１５】
（４）  （２）記載の周方向に貫通する空隙３の少なくとも１箇所に軸方向の孔を有し、前記孔を連結する連通管７により溝を挟んで隣り合う前記周方向に貫通する空隙３同士が連通する冷却流体の流路を形成することを特徴とする、耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１６】
（５）  表層部に耐熱材料の溶接肉盛を有することを特徴とする、（１）〜（４）の何れか１項記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１７】
（６）  表層部の耐熱材料の溶接肉盛の厚みが、表層部の溝の深さよりも薄いことを特徴とする（５）記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１８】
（７）  表層部に耐熱材料のスリーブを有することを特徴とする（１）〜（５）の何れか１項に記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００１９】
（８）  表層部の耐熱材料のスリーブの厚みが、表層部の溝の深さよりも薄いことを特徴とする（７）記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロール。
【００２０】
（９）  （３）〜（８）の何れか１項に記載の冷却流体の流路に冷却流体を供給することを特徴とする耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【００２１】
（１０）  冷却流体の流路の全てに冷却流体を供給することを特徴とする、（９）記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【００２２】
（１１）  冷却流体の流路のうち、スラブに面する１〜１２０本に冷却流体を供給することを特徴とする（１０）記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【００２３】
（１２）  冷却流体が空気、窒素ガス、水、油の１種または２種以上の混合流体からなることを特徴とする、（９）〜（１１）の何れか１項に記載の耐熱亀裂性に優れた連続鋳造ロールの冷却方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の連続鋳造ロールを模式的に示したものである。図４ｃは、連続鋳造ロールの軸方向に垂直な断面であり、表面から軸方向に溝を設け、更に表面から溝底に相当する位置までの間に軸方向に貫通する空隙２を設けたものである。本発明の連続鋳造ロールにおいて、軸方向に貫通する空隙２は、表面に加えられたスラブからの熱を効率よく冷却し、連続鋳造ロールの中心への熱の伝播を抑制するために、間隔が狭いことが必要である。しかし、軸方向に貫通する空隙２の間隔が狭いと連続鋳造ロールの強度が低下するため、軸方向に垂直な断面において、隣り合う軸方向に貫通する空隙２のそれぞれの中心と連続鋳造ロールの軸中心９とを結ぶ線分のなす角（空隙中心角θ［°］という。以下同じ。）を１°以上とすることが好ましい。
【００２５】
軸方向に貫通する空隙２の空隙中心角θは、連続鋳造ロールの冷却を促進すれば、大きくしても良い。例えば、熱伝導係数の大きい材質とすること、軸方向に貫通する空隙２の径を大きくすることなどは、連続鋳造ロールの冷却の促進に効果的である。しかし、空隙中心角θが４０°を超えると、表面から軸方向への熱伝播を防止する効果が不十分であるため、上限を４０°以下とすることが好ましい。
【００２６】
図４ａに示したように、連続鋳造ロールの表面の軸方向に設けた軸方向に貫通する空隙２を連通管７によって連結し、冷却流体の流路（冷却流路という）を形成して、冷却水を流すことにより、連続鋳造ロールの表面から中心への熱の伝播を著しく抑制することができる。また、冷却流路に冷却水を流すことにより、スラブへの冷却水の噴出を防止することができるため、スラブの冷却を抑制することができ、スラブの品質を損なうことがない。
【００２７】
連続鋳造ロールの表面を効率良く冷却するためには、図５ｃに示したように、連続鋳造ロールの表面から溝底に相当する位置までの間に、周方向に貫通する空隙３を設けても良い。
【００２８】
更に図５ａに示したように、溝の側面に周方向に貫通する空隙３の開口部を軸方向に設け、隣り合う周方向に貫通する空隙３の開口部を連通管７により連結して冷却流路を形成することが好ましい。この冷却流路に冷却流体を流すと、連続鋳造ロールの表面から軸の中心に伝播する熱は、この周方向に貫通する空隙３の位置で大幅に低減される。
【００２９】
図４、５に示した何れの連続鋳造ロールも、軸の中心から溝底に相当する部位までの間では、温度勾配が極めて小さい。そのため、溝の形状によって溝底部に応力が集中しても、亀裂が発生するほどの応力には到達せず、亀裂１の発生を抑制できる。また、図４の軸方向に貫通する空隙２又は図５の周方向に貫通する空隙３は、何れも、連続鋳造ロールの表面から溝底に相当する位置までの間に形成すれば良い。
【００３０】
一方、連続鋳造ロールの軸方向に貫通する空隙２又は周方向に貫通する空隙３よりも表面側の部分は、温度勾配が急激になり、大きな熱応力が発生するが、溝を深くすること、溝の間隔を小さくすること等により、連続鋳造ロールの表面の熱膨張による変形に対する拘束を軽減し、熱応力の発生を抑制することができる。
【００３１】
連続鋳造ロール４の材質は、鋼、鋳鋼、鋳鉄、低合金、ステンレス、各種合金、セラミックスなどの単一の材料で構成しても構わないが、高温に晒される表面から溝底よりも厚い部位に、耐熱性に優れたステンレス鋼、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金などをスリーブや溶接肉盛によって形成しても良い。また、図６に示したように、軸方向に貫通する空隙２よりも表面側（図中斜線部）を、連続鋳造ロール本体とは異なる材質のスリーブ又は溶接肉盛によって構成しても良い。
【００３２】
本発明の連続鋳造ロールは、機械加工、電解加工、放電加工等によって表面に溝を設け、その後、表面から溝底までの部位に軸方向に、ドリルによる孔加工などの機械加工、電解加工、放電加工して形成することができる。
【００３３】
また、連続鋳造ロールの周方向に貫通する空隙３は、連続鋳造ロールの表面に溝を設け、内側に溝を設けたスリーブを嵌め、ロウ付けや溶接によって接合することにより形成することができる。即ち、連続鋳造ロールの表面及びスリーブの内側の溝を、嵌めた際に互いの溝が周方向に貫通する空隙３を形成する位置に、機械加工、電解加工、放電加工等によって形成し、鋳造ロールにスリーブを嵌めて接合すれば良い。この際には、リング状のスリーブを用いても良く、円筒状のスリーブを接合した後に、円筒状スリーブ外表面から機械加工等によって研削し、連続鋳造ロールの周方向に貫通する空隙３よりも深い位置に達する溝を形成しても良い。
【００３４】
図４ａ、図５ａに示した連通管７は、軸方向に力を加えると縮み、軸方向の力を解除すると再び元の長さに戻るように、中央部分をジャバラとし、凹部に装入しやすい構造であることが好ましい。連通管７は耐食性に優れ、加工しやすい銅合金、ステンレス鋼などが好ましい。ジャバラは、連通管７をバルジ加工して形成すれば良い。また、ジャバラと管を溶接等により接合しても良い。
【００３５】
冷却流体の供給は、連続鋳造ロール４の軸方向に貫通する空隙２又は周方向に貫通する空隙３の全てに、同時に供給しても良い。また、図７に示したように、スラブと接触する部位の近傍の冷却流路に部分的に供給しても良い。
【００３６】
図７は、連続鋳造ロールの周方向において、スラブと接触する部分の近傍に、ノズル６つを配したノズルヘッド８を配置した例であり、６列の軸方向に貫通する空隙２に同時に冷却水を供給することができる。このノズルヘッド８は、連続鋳造ロール４の軸方向に貫通する空隙２の位置を自動で検出する機能をもち、連続鋳造ロールの回転停止位置にあわせて、６つのノズルが確実に軸方向に貫通する空隙２に押し付けることができるように上下左右の移動機構を有している。
【００３７】
連続鋳造ロールは、回転と停止を繰り返してスラブの引き抜きを行うものである。連続鋳造ロールの回転時には、軸方向に貫通する空隙２への冷却水の注入は行わないが、回転が停止している間に、ノズルを自動で押し当て冷却水を供給する。冷却水は、それぞれ６つの流路を通り、連続鋳造ロールの反対側で排出される。なお、図７では６本の冷却水路に冷却流体を供給する例であるが、冷却流体を供給する冷却水路は、１〜１２０本の範囲であることが好ましい。冷却流体は、気体や液体など、いかなる流体でも構わないが、工業的に入手の簡便な空気、窒素ガス、水、油の１種または、２種以上を混合した流体であることが好ましい。
【００３８】
さらに、鋳造速度などの操業条件によっては、連続鋳造ロールの中心方向の温度勾配が大きくなることがある。これを防止するために、図４ｂ、図５ｂに示したように、溝底に相当する位置よりさらに深い位置に冷却水路６を配することが好ましい。
【００３９】
【実施例】
図６に模式的に示したように、鋳鋼からなるロールの表面にマルテンサイト系ステンレス鋼を肉盛溶接して、直径２８０ｍｍの連続鋳造ロールを製造した。連続鋳造ロールの中心には、ドリルにてφ５０の冷却孔５を設けた。連続鋳造ロールの表面には、幅２０ｍｍ、深さ１０ｍｍの円周方向の溝をバイト加工により２０ｍｍの間隔で設けた。即ち表面とスラブが接触する部分（ロール凸部という）の幅は、それぞれ２０ｍｍである。
【００４０】
ロール凸部の表層から７ｍｍの深さに、軸方向に貫通する空隙２を、連続鋳造ロールを軸方向に貫通するように設けた。軸方向に貫通する空隙２は、空隙中心角θを６°、直径をφ４ｍｍとし、ドリルによる機械加工によって形成した。連続鋳造ロールの溝底、直径の１／２深さの位置に、それぞれ一本ずつ熱電対を設置した。
【００４１】
この連続鋳造ロールの軸方向に貫通する空隙２を銅管からなる連通管７で連結し、軸方向に貫通する冷却水路を形成した。連通管７は、溝の側面に形成された軸方向に貫通する空隙２の開口部を連結するものであり、溝部に嵌め易いように中央部近傍にジャバラを設けている。連通管７は、伸縮可能であり、溝の側面の開口部に嵌めたときには、ジャバラの復元力によって押し当てられ、連続鋳造ロールの膨張、収縮に追従できる。軸方向に貫通する空隙２の開口部と連結管７は銀ロウ付けにて接合している。
【００４２】
連続鋳造ロールの中心の冷却孔５には、毎分５０リットルの水を流して、水温を４０℃に管理した。水温は連続鋳造ロールの入り口で熱電対によって測定し、複数の冷却塔の稼動数を調整することで、水温を常に一定に保つように管理した。水量は連続鋳造ロール入り口で熱電対によって測定し、複数の冷却塔の稼動数を調整することで、水温を常に一定に保つよう管理した。水量は連続鋳造ロール入り側に流量計を設置して測定した。
【００４３】
連続鋳造ロールの周方向において、スラブと接触する部位の近傍の６本の軸方向に貫通する空隙２と連通管７からなる冷却流路には、１本あたり、毎分１０リットルの水を流した。
【００４４】
このような条件で本発明の連続鋳造ロール（本発明ロールという）を操業した。比較として、本発明の連続鋳造ロールとサイズ及び材質が同等であり、表面に溝を設けた、軸方向に貫通する空隙２のない連続鋳造ロール（比較ロールという）についても、同条件で操業した。
【００４５】
操業中の連続鋳造ロールの溝底、直径の１／２深さの位置における温度を、予め設置した熱電対によって測定し、表１に示した。表１の温度は、操業中の最高温度とした。また、これらの温度と軸方向の距離から連続鋳造ロール内部の熱応力に相関のある温度勾配を求め、表１に示した。表１から、本発明ロールは、比較ロールよりも温度勾配が極めて小さいことがわかる。
【００４６】
また、操業を３６ヶ月行い、操業開始から１ヶ月後、６ヶ月後、１２ヶ月後、２４ヶ月後、３６ヶ月後に亀裂の有無を判定し、亀裂が見られた場合は亀裂長さを測定した。比較ロールでは、表面、溝底の両方にクラックが発生したが、本発明による連続鋳造ロールでは、亀裂が発生しなかった。亀裂の測定は電気抵抗法によるクラックメーターで測定した。
【００４７】
【表１】
2004298918.tif 000003
【００４８】
【表２】
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【００４９】
【発明の効果】
本発明の耐熱亀裂性を向上させた連続鋳造ロールにより、長時間の操業が可能となり、メンテナンスコストを削減し得るなど、産業上の貢献が極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】連続鋳造ラインを説明する図。
【図２】一般的な連続鋳造ロールとそれに発生する亀裂を説明する図。
【図３】一般的な連続鋳造連続鋳造ロールの表面の亀裂分布を説明する図。
【図４】本発明を適用した連続鋳造ロールを説明する図で、（ａ）はロール軸方向に貫通する空隙を連通管で連結して冷却流路を形成した例を示す正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はロール周方向に貫通する空隙を設け冷却流路を形成した例を示す正面図、（ｄ）はその側面図である。
【図５】本発明を適用した連続鋳造ロールを説明する図で、空隙の開口部を連通管により連結して冷却流路を形成した例を示す正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はロール周方向に貫通する空隙を設け冷却流路を形成した例を示す正面図、（ｄ）はその側面図である。
【図６】本発明を適用した連続鋳造ロールを説明する図で、（ａ）はロール概観図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ａ）の拡大図で、ロール表層をスリーブまたは溶接開盛した例を示す図である。
【図７】本発明を適用した連続鋳造ロールの冷却方法を説明する図。
【符号の説明】
１…連続鋳造ロールの表面の亀裂
２…連続鋳造ロール軸方向に貫通する空隙
３…連続鋳造ロール周方向に貫通する空隙
４…連続鋳造ロール
５…冷却水路（連続鋳造ロール中心位置）
６…冷却水路（連続鋳造ロール表層近傍位置）
７…連通管
８…冷却水供給ノズル（ノズルヘッド）
９…連続鋳造ロールの軸中心
θ…空隙中心角
【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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【図６】
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【図７】
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