(57)【要約】  【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と製品表面品質の向上を図る。  【解決手段】  ロール径比とロール周速比の２条件の特定により圧延前材料に降伏力相当の後方張力を与え、噛み込み直前までに材料の延伸を誘発させる。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。従来圧延の６パス相当の減面率も可能となる。低アスペクト比は孔型圧延に不可避のシワ発生、脱炭層の局所集積を解消する。  【選択図】  図１
2005118867.tif 000002
【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圧延する方法において、一定速度で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て該入口において該鋼材に延伸を誘発させ、結果的に圧延による拡幅を消去することによって断面アスペクト比（＝幅／厚さ）の増加を抑制するとともに減面率を増大させることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法。
【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に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法。
μ２γ＞2k／(1−h)＋2k＋k(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）
k ；  形状係数（円、オーバル；k＝(π／４)２、長方形；k＝1）
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】
圧延前後の材料の速度比を材料の断面形状によって（２）式又は（３）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（４）式に従い、減面比ｒを（５）式又は（６）式に従う範囲で調節することを特徴とする請求項２に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法。
長方形      ；  1.0／h＜Vi／Vo≦1.0／(he×h)        −−−−−（２）
円、オーバル；  1.0／f＜Vi／Vo≦1.0／(he2 ×f)       −−−−−（３）
各断面共通  ；  1／h＞α≧he／h                     −−−−−（４）
長方形；        h＜r≦he×h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  f＜r≦he2 ×f                        −−−−−（６）
ただし、
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A        −−−−−（７）
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
f ；  正味圧延における減面比（＝圧延後断面積／噛み込み直前断面積）
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】
請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の圧延方法による圧延装置２台を直列に配置して鋼材を同一方向又は直角方向に２パス圧下し、円断面の材料の場合は直径比を０．１〜０．５に縮小し、長方形断面の材料の場合には厚さ比を０．１〜０．５、幅比を０．２〜１．０に縮小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。
【請求項５】
材料が一定速度で供給され特定速度で圧延される張力圧延装置であって、圧延機後方張力に耐える拘束力を保有した材料供給装置と、ロール径比が（１）式に従う孔型ロール又は平ロールから成る圧延機と、材料の圧延前後の速度を検出する速度計と、圧延された材料の寸法を検出する測長器と、該各検出器からの信号を受けて材料の圧延前後速度比を材料断面形状と所定圧下率に対応して（２）式又は（３）式に従ってロール回転数を介して設定・調節し、圧延後寸法を所定値に制御する制御装置と、からなることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延装置。
【請求項６】
材料供給装置が、冷間又は熱間で材料に反復曲げを作用させる多段曲げローラーを内蔵したピンチローラー、又は材料を事前に圧下する冷間圧延機のいずれかから成ることを特徴とする請求項５に記載の低アスペクト比・高減面率圧延装置。
【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孔型ロールによる熱間圧延を繰り返し、所定寸法に仕上げる方法で製造されている。製造上の大きな問題として、線材を例に挙げると、減面率は通常１パス当たり１０〜３０％に制限されているためパス数は２５〜３５回になる。多数の圧延機を必要とし、予備品を含めて設備費が高く、エネルギーロス、ロール摩耗、付帯設備維持等操業コストに大きな負担となっている。現在高速大量生産方式の効果によって当該問題はあまり強く意識されていないが、高減面率圧延が可能となると単に設備費削減等上記問題解決に止まらず、小投資・小規模生産でもコスト上不利にならない可能性も生じ、経営上大いに期待される。
【０００３】
減面率が上記のように制限されている第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、ネジレ等が起こりやすく所望形状になりにくい。そのため圧下を細分化しなければならない。結局パス数は減少しない。
【０００４】
第２の理由は、孔型圧延と言えども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逓減する。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
以下高減面率圧延方法の先行事例を検討する。
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る中間圧延以後（秒速１〜１００ｍ）には適用困難という問題がある。
【０００８】
特開2000-197907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。拡幅が発生しない板状材料では圧下率＝減面率であり、張力の付加が減面を無理なく促進するのは理解できるが、圧下による拡幅が必然である棒・線状の材料に対しては何ら言及がなく当該方法の有効性は不明確である。
【０００９】
文献２には、拡幅によるロスを小さくして圧下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容易に理解できる。該理論から張力が上記値を超えると圧延方向歪みは一層増加し、終局の降伏応力値に達すると圧下歪みの２倍になることが誘導される。Ｙ／√３以上の範囲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。
【００１０】
当該具体策によると張力発生のためには３段以上の圧延機が必要で初段、終段は片側張力になる。片側張力の場合は効果はほぼ半減と見積もられる。従って総合的には拡幅がある程度抑制されて圧下効率が改善され、その分圧下率を上げて減面率を稼ぐことは可能となるが圧延機台数を大幅削減するほどには到らない。
【００１１】
【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
【特許文献１】特開2000-197907
【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”
【発明の開示】
【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】
本発明は以上のような問題に対して、圧延速度が大きい場合でも高減面率が得られ、しかもアスペクト比の増加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を提供することを第１の目的としている。
【００１４】
本発明の他の目的は、１）課題の趣旨に従い、比較的簡単、低廉な設備で実施できること、２）孔型圧延に不可避の表皮の脱炭層の局所集積による脱炭欠陥を低減すること、３）パスラインの不備に起因する表面傷の頻度を低減すること４）圧延エネルギー効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するに当たり、発明者は鋼線の熱間圧延において後方張力の影響を調査する過程で、ある条件下で拡幅が生じないことに気づき、ロールバイトまでに既に延伸が発生していることを発見した。これは従来の張力圧延の範囲を超えるものであり、過張力圧延と定義し、その発現条件を定量的に検討して以下の発明をなした。
【００１６】
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圧延する方法において、一定速度で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て該入口において該鋼材に延伸を誘発させ、結果的に圧延による拡幅を消去することによって断面アスペクト比の増加を抑制するとともに減面率を増大させることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
【００１７】
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発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
μ２γ＞2k／(1−h)＋2k＋k(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）
k ；  形状係数（円、オーバル；k＝(π／４)２、長方形；k＝1）
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）
【００１８】
第３発明は、圧延前後の材料の速度比を材料の断面形状によって（２）式又は（３）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（４）式に従い、減面比ｒを（５）式又は（６）式に従う範囲で調節することを特徴とする第２発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
長方形      ；  1.0／h＜Vi／Vo≦1.0／(he×h)        −−−−−（２）
円、オーバル；  1.0／f＜Vi／Vo≦1.0／(he2 ×f)       −−−−−（３）
各断面共通  ；  1／h＞α≧he／h                     −−−−−（４）
長方形      ；  h＜r≦he×h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  f＜r≦he2 ×f                        −−−−−（６）
ただし、
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A        −−−−−（７）
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
f ；  正味圧延における減面比（＝圧延後断面積／噛み込み直前断面積）
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）
【００１９】
第４発明は、第１発明又は第２発明又は第３発明に記載の圧延方法による圧延装置２台を直列に配置して鋼材を同一方向又は直角方向に２パス圧下し、円断面の材料の場合は直径比を０．１〜０．５に縮小し、長方形断面の材料の場合には厚さ比を０．１〜０．５、幅比を０．２〜１．０に縮小することを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
【００２０】
第５発明は、材料が一定速度で供給され特定速度で圧延される張力圧延装置であって、圧延機後方張力に耐える拘束力を保有した材料供給装置と、ロール径比が（１）式に従う孔型ロール又は平ロールから成る圧延機と、材料の圧延前後の速度を検出する速度計と、圧延された材料の寸法を検出する測長器と、該各検出器からの信号を受けて材料の圧延前後速度比を材料断面形状と所定圧下率に対応して（２）式又は（３）式に従ってロール回転数を介して設定・調節し、圧延後寸法を所定値に制御する制御装置とからなることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延装置である。
【００２１】
第６発明は、材料供給装置が、冷間又は熱間で材料に反復曲げを作用させる多段曲げローラーを内蔵したピンチローラー、又は材料を事前に圧下する冷間圧延機のいずれかから成ることを特徴とする第５発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延装置である。
【発明の効果】
【００２２】
上記の発明による第１の効果は、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、圧下率を通常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材料圧延前速度／圧延後速度の比を（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。
【００２３】
第２の効果は、圧延装置の構造は材料定速供給装置と、ロール径が相対的に大きい一般の２重圧延機とそれらの制御装置からなり、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。
【００２４】
第３に、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起因する各種表面傷の低減にも効果がある。
【００２５】
第４に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は鋼片を熱間でタンデム圧延により線材に仕上げる工程の途中に挿入された本発明の実施事例を示す低アスペクト比・高減面率圧延装置の概略側面図である。該装置は主に前後２段の圧延機と圧延状態を安定させる制御システムから成る。図２は円断面の材料が圧延機により圧下される状況の寸法記号を示す。
【００２７】
図１において、本発明の前段圧延機３には（１）式に基づくロール直径を持つ平ロール４が使用される。所定の圧下比h に対応してまずロール間隙G が設定され、次ぎに材料速度比Vi／Vo が（３）式に基づいて設定される。
【００２８】
熱間の材料１は既存圧延機０から速度計１０”により追跡されつつ一定速度Voで送り出され、誘導加熱装置２を通過しつつ昇温・軟化する。先端が前段圧延機３の平ロール４の表面に突き当たると噛み込みが進行する。両速度差は極めて大きいので直ちに材料１に圧延方向の張力が発生する。張力の大きさは、ロール径比γが充分大きく設定されているので圧下力が大きく、そのため引き込み力P（＝摩擦係数×圧下力）が材料の引張降伏力を超えようとする。その結果材料１は昇温による軟化にも支えられてロール・バイト５（図２の斜線部）までに圧下方向、幅方向ともほぼ同比率で収縮し、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円断面の材料が平ロール４により圧下される。即ち過張力圧延が安定する。
【００２９】
全圧下は事前の延伸と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。
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。以上から全圧下率を５０％以上に設定してもアスペクト比は約１．５以下（従来方法では３以上）に収まり以後の圧延は極めて容易になるとともに全圧下率以上の高減面率圧延がなされる。
【００３０】
断面形状が低アスペクト比のフラット・オーバルになった材料６は、後段圧延機７の後方張力に対して充分な引抜抵抗を持つブレーキ・ロール１５により一定速度Viで、圧下方向が前段に対して９０度旋回して配置された後段圧延機７に供給され、数種の円孔型を持つ孔型ロール８の所定の孔型に誘導される。前段圧延機の場合と同様に、（１）式に従ってロール径が設定され、（３）式に従って圧延後速度が設定され、延伸に必要な後方張力の発生の下でオーバル長軸方向に圧下されて円断面に回帰する。
【００３１】
過張力圧延になっているので幅は圧延前と同等以下になる。従って材料幅より小さい孔型幅による圧延が可能になる。これは従来の孔型圧延では全く気付かれなかったことである。
【００３２】
ここで後段圧延機の全圧下率を前段のそれと同一に設定すると後段のアスペクト比の変化は前段のそれとほぼ同一になる。これは後段を前段の直角方向に圧下すると必然的に前段の前のアスペクト比、即ち円断面に回帰することを意味する。以上から２パスで円断面材料を円断面に大きく縮小（直径約１／３〜１／９）することができる。
【００３３】
注意すべきことは後方張力により材料の定速供給が崩れる可能性があることである。前段圧延に対して、既存圧延機０の圧延温度が比較的低いことから無駆動にすると引抜力は比較的大きくなり、他方後方張力は高減面率の故に比較的的小さくなり前者が勝るので定速供給は可能となる。
【００３４】
材料供給速度を所定値に維持するため材料速度計１０”と各ロールの下流側にそれぞれ材料の幅と高さ及び速度を追跡する測長器９、９’、ドップラー式速度計１０、１０’が設置され、該両測長器、該各速度計からの信号が制御器１１に送られ、制御器１１からの信号により両圧延機３，７の回転数が制御される。
【００３５】
供給される材料断面寸法が比較的大きい場合には、圧延機のロール・チョック１２、１２’とスタンド１３、１３’間に設置されたロードセル１４、１４’により材料に作用している応力が追跡され、寸法制御、速度制御に活用される。
【００３６】
図３は本発明を線材の２次圧延に適用したものである。材料にはコイル状線材２１が使用される。ピンチローラー２２は材料の引き込みと送り出しを冷間で行うが、内蔵された多段曲げローラー２３は通電を円滑にする脱スケールと圧延機に対する引抜抵抗の二つの機能を持つ。一定速度で走行する線材２１は直接通電加熱装置２４により加熱され熱間圧延に供される。過張力圧延機２５と制御システム２７により円からオーバルへの高減面率圧延がなさる。
【００３７】
ピンチローラーの代わりに充分な引抜抵抗が容易に得られる冷間圧延機を使用し、材料を事前に冷間軽圧下して断面形状をオーバルにしておくと１スタンドの過張力圧延で円に回帰させることができる。
【００３８】
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。
いま正方形断面の材料について、材料の供給速度と圧延速度、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）＋（ロールによる後退力）＝（最大引抜力μ×P）という均衡式（８）と、幾何的関係から（９式）が成立する。
Y×He×He＋ΔH×P＝μ×P＝μ×Y×L×He    −−−−−（８）
L＝√(ΔH×R)                             −−−−−（９）
ΔH＝He−G                                −−−−（１０）
Y ；降伏応力、             He；延伸後の材料厚さ、    P ；圧下力、
L ；ロール・材料接触長、  ΔH；正味圧下量、
記号の説明は［００１７］、［００１８］項と図２にも示される。
【００３９】
断面が円、オーバルの場合は（８）式の左辺の張力に（π／４)２ を乗ずればよい。
長方形は正方形と同一式になる。上記式を整理すると力の均衡を表す二次方程式が得られる。
A'He２＋B'He＋C'＝0                        −−−−（１１）
ここでγ＝２R／Ho、μ２γ＝Fとし、形状係数k（角断面の場合；k＝1、円断面の場合；k＝(π／4)２）を導入し、両辺をHo２で割って無次元化し、解を求める。
Ahe２＋Bhe＋C＝0                           −−−−（１２）
A＝9，  B＝−6h−2F／k，  C＝h(h＋2F／k)
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A              −−−−−（７）
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。
【００４０】
延伸発生は次式の成立を意味し、（７）式に代入すると（１）式が誘導される。
he＜1.0
F＝μ２γ＞2k／(1-h)＋2k＋k(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。
図４は（１）式を図解したもので、ロール径比γの適正範囲が斜線で示される。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、上限近傍は仕上げ圧延の寸法上の都合からそうなっており、特別の理由は無い。図より過張力圧延ではロール径比は従来水準を大きく超えなければならないことが解る。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。
【００４１】
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流一定則から次式が成立する。
Vi×Si＝Vo×So                            −−−−（１３）
Vi；材料出側速度、  Si；材料出側断面積、    So；材料入側断面積
【００４２】
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                             −−−−（１４）
【００４３】
円、オーバルの場合のSi／Soは、延伸による減面比he2 と正味圧延部の減面比f の積であり、f はほぼ収縮円からフラット圧延による割円分を除いた部分の割合である。
f は正味圧下比hrを変数にした割円の積分公式から計算される。
Si／So＝he2 ×f                            −−−−（１５）
f≒(2h／he×√(1-(h／he)2)＋sin−1(h／he))／π  −−（１６）
【００４４】
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。
長方形      ；  Vi／Vo＝1／(he×h)                  −−−−（１７）
円、オーバル；  Vi／Vo＝1／(he2 ×f)                 −−−−（１８）
【００４５】
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）、（１８）式の右辺においてhe＝1.0 とすれば求めら以下となる。
長方形      ；  Vi／Vo＞1／h                        −−−−（１９）
円、オーバル；  Vi／Vo＞1／f                        −−−−（２０）
【００４６】
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。
長方形      ；  1／h＜Vi／Vo≦1／(he×h)            −−−−−（２）
円、オーバル；  1／f＜Vi／Vo≦1／(he2 ×f)           −−−−−（３）
これが過張力圧延の第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。図５は（２）、（３）式を図解したもので所定圧下率に対して過張力圧延が起こる速度比の範囲示す。図より圧下率が大きいほど速度比の範囲が拡大することが解る。
【００４７】
上記の上限、下限における比アスペクト比αについて説明する。
拡幅を近似的に無視すると断面形状と無関係に、
α≒He／G＝he／h                 
（２）、（３）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                           −−−−−（４）
【００４８】
速度比の上限、下限における減面比r を求める。（１４）、（１５）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。
長方形      ；  h＞r≧he×h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  f＞r≧he2 ×f                        −−−−−（６）
【００４９】
図６は（４）式、図７は（５）、（６）式を図解したものである。
図には無張力圧延の場合のα、r も併記した。ただしロール径比はそれぞれ現実性のある20、15とした。α、r の値の算出は文献（３）の柳本式により求めた。この場合、圧下率に対して減面率が過小、アスペクト比が過大になっているのはロール径比が相対的に過大のため拡幅が過大になったためである。図中の過張力圧延と無張力圧延の間の領域は公知の張力圧延に相当する。
図より、過張力圧延は無張力圧延に比較して著しく低アスペクト比、高減面率であること、及び速度比の範囲に対応してα、r が大きく変化することが解る。即ち一定圧下率においても速度比の調節によりα、rを所望値に制御することが可能となる。
【００５０】
文献（３）；柳本：塑性と加工5-40 (1964-5),p.315~p.322:”線材及び板材における幅拡がり値を求める実験式に関する研究”
【００５１】
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。図８は円断面についてはμ＝0.4、γ＝35、角断面に対してはμ＝0.4、γ＝50の場合のhe、hr、r'の計算例を示す。図より一旦過張力の範囲に入ると、延伸圧下比heは全圧下比hに対してほぼ直線的に減少、即ち延伸分が着実に増加して低アスペクト比、高減面率になることが理解される。さらにhe=0 とすれば下限速度比、下限減面比、下限比アスペクト比等が順繰りに算出される。
【００５２】
過張力圧延機２台を連続する場合も特定条件に合致するなら特異な現象の介在は無く同様の現象・効果が累積されるの。第４発明において２段の圧延による厚さ比と幅比を特定した根拠は、実施が容易な範囲であり且つ効果が充分である範囲とした。
【００５３】
第５発明において制御系を不可欠要因とした根拠は、既述のように過張力圧延が維持される範囲においては速度比がアスペクト比、減面率に決定的に影響しているからである。
【実施例】
【００５４】
制御精度に問題があるが最初の実験として、線径５．５ミリ線材を平ロールを持つピンチローラーにより２０％の軽圧下率で圧下しつつ線速４ｃｍ／ｓで供給し、高周波誘導により１０００℃に加熱し、ロール径２００ｍｍの平ロールで周速１２ｃｍ／ｓで同一方向に圧下率５０％で熱間圧延した。断面形状は５．５ｍｍ円から４．４×５．７５オーバルを経て２．２×（３．６〜３．７）オーバルに変化した。比アスペクト比は約１．３，減面率約０．７が得られ過張力圧延が確認された。以上から本発明の理論が基本的に大きな間違いが無いとされる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施例を示す熱間圧延線材の低アスペクト比・高減面率圧延装置の概略側面図。
【図２】圧延状況における寸法記号を示す。
【図３】本発明を線材の２次圧延に適用した例を示す。
【図４】過張力圧延の第１必要条件であるロール径比を示す。
【図５】過張力圧延の第２必要条件である速度比を示す。
【図６】過張力圧延が維持される圧下率と比アスペクト比の範囲を示す。
【図７】過張力圧延が維持される圧下率と減面率の範囲を示す。
【図８】過張力圧延の上限条件における圧下と変形の関係を示す。
【符号の説明】
【００５６】
０：既存圧延機    １：材料    ２：誘導加熱装置    ３：前段圧延機    ４：平ロール    ５：ロールバイト    ６：圧延後材料    ７：後段圧延機    ８：孔型ロール    ９，９’：測長器    １０，１０’１０”：速度計    １１：制御器    １２，１２’：ロールチョック    １３，１３’：スタンド    １４，１４’：ロードセル    １５：ブレーキロール    ２１：線材コイル    ２２：ピンチローラー    ２３：曲げローラー    ２４：通電加熱装置    ２５：過張力圧延機    ２６：制御器    ２７，２７’：速度計    ２８：測長器
【図１】
2005118867.tif 000003
【図２】
2005118867.tif 000004
【図３】
2005118867.tif 000005
【図４】
2005118867.tif 000006
【図５】
2005118867.tif 000007
【図６】
2005118867.tif 000008
【図７】
2005118867.tif 000009
【図８】
2005118867.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月3日(2003.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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圧延する方法において、一定速度で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て該入口において該鋼材に延伸を誘発させ、結果的に圧延による拡幅を消去することによって断面アスペクト比（＝幅／厚さ）の増加を抑制するとともに減面率を増大させることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法。
【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に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法。
μ２γ＞2k／(1−h)＋2k＋k(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）
k ；  形状係数（円、オーバル；k＝(π／４)２、長方形；k＝1）
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】
圧延前後の材料の速度比を材料の断面形状によって（２）式又は（３）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（４）式に、減面比ｒを（５）式又は（６）式にそれぞれ従う範囲で調節することを特徴とする請求項２に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法。
長方形      ；  1.0／h＜Vi／Vo≦1.0／(he×h)        −−−−−（２）
円、オーバル；  1.0／f＜Vi／Vo≦1.0／(he2 ×f)       −−−−−（３）
各断面共通  ；  1／h＞α≧he／h                     −−−−−（４）
長方形；        he×h≦r＜h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  he2 ×f≦r＜f                        −−−−−（６）
ただし、
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A        −−−−−（７）
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
f ；  正味圧延における減面比（＝圧延後断面積／噛み込み直前断面積）
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】
請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の圧延方法による圧延装置２台を直列に配置して鋼材を同一方向又は直角方向に２パス圧下し、円断面の材料の場合は直径比を０．１〜０．５に縮小し、長方形断面の材料の場合には厚さ比を０．１〜０．５、幅比を０．２〜１．０に縮小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。
【請求項５】
材料が一定速度で供給され特定速度で圧延される張力圧延装置であって、圧延機後方張力に耐える拘束力を保有した材料供給装置と、ロール径比が（１）式に従う孔型ロール又は平ロールから成る圧延機と、材料の圧延前後の速度を検出する速度計と、圧延された材料の寸法を検出する測長器と、該各検出器からの信号を受けて材料の圧延前後速度比を材料断面形状と所定圧下率に対応して（２）式又は（３）式に従ってロール回転数を介して設定・調節し、圧延後寸法を所定値に制御する制御装置と、からなることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延装置。
【請求項６】
材料供給装置が、冷間又は熱間で材料に反復曲げを作用させる多段曲げローラーを内蔵したピンチローラー、又は材料を事前に圧下する冷間圧延機のいずれかから成ることを特徴とする請求項５に記載の低アスペクト比・高減面率圧延装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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孔型ロールによる熱間圧延を繰り返し、所定寸法に仕上げる方法で製造されている。製造上の大きな問題として、線材を例に挙げると、減面率は通常１パス当たり１０〜３０％に制限されているためパス数は２５〜３５回になる。多数の圧延機を必要とし、予備品を含めて設備費が高く、エネルギーロス、ロール摩耗、付帯設備維持等操業コストに大きな負担となっている。現在高速大量生産方式の効果によって当該問題はあまり強く意識されていないが、高減面率圧延が可能となると単に設備費削減等上記問題解決に止まらず、小投資・小規模生産でもコスト上不利にならない可能性も生じ、経営上大いに期待される。
【０００３】
減面率が上記のように制限されている第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、ネジレ等が起こりやすく所望形状になりにくい。そのため圧下を細分化しなければならない。結局パス数は減少しない。
【０００４】
第２の理由は、孔型圧延と言えども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逓減する。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
以下高減面率圧延方法の先行事例を検討する。
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る中間圧延以後（秒速１〜１００ｍ）には適用困難という問題がある。
【０００８】
特開2000-197907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。拡幅が発生しない板状材料では圧下率＝減面率であり、張力の付加が減面を無理なく促進するのは理解できるが、圧下による拡幅が必然である棒・線状の材料に対しては何ら言及がなく当該方法の有効性は不明確である。
【０００９】
文献２には、拡幅によるロスを小さくして圧下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容易に理解できる。該理論から張力が上記値を超えると圧延方向歪みは一層増加し、終局の降伏応力値に達すると圧下歪みの２倍になることが誘導される。Ｙ／√３以上の範囲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。
【００１０】
当該具体策によると張力発生のためには３段以上の圧延機が必要で初段、終段は片側張力になる。片側張力の場合は効果はほぼ半減と見積もられる。従って総合的には拡幅がある程度抑制されて圧下効率が改善され、その分圧下率を上げて減面率を稼ぐことは可能となるが圧延機台数を大幅削減するほどには到らない。
【００１１】
【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
【特許文献１】特開2000-197907
【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”
【発明の開示】
【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】
本発明は以上のような問題に対して、圧延速度が大きい場合でも高減面率が得られ、しかもアスペクト比の増加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を提供することを第１の目的としている。
【００１４】
本発明の他の目的は、１）課題の趣旨に従い、比較的簡単、低廉な設備で実施できること、２）孔型圧延に不可避の表皮の脱炭層の局所集積による脱炭欠陥を低減すること、３）パスラインの不備に起因する表面傷の頻度を低減すること４）圧延エネルギー効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するに当たり、発明者は鋼線の熱間圧延において後方張力の影響を調査する過程で、ある条件下で拡幅が生じないことに気づき、ロールバイトまでに既に延伸が発生していることを発見した。これは従来の張力圧延の範囲を超えるものであり、過張力圧延と定義し、その発現条件を定量的に検討して以下の発明をなした。
【００１６】
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圧延する方法において、一定速度で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て該入口において該鋼材に延伸を誘発させ、結果的に圧延による拡幅を消去することによって断面アスペクト比の増加を抑制するとともに減面率を増大させることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
【００１７】
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発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
μ２γ＞2k／(1−h)＋2k＋k(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）
k ；  形状係数（円、オーバル；k＝(π／４)２、長方形；k＝1）
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）
【００１８】
第３発明は、圧延前後の材料の速度比を材料の断面形状によって（２）式又は（３）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（４）式に、減面比ｒを（５）式又は（６）式にそれぞれ従う範囲で調節することを特徴とする第２発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
長方形      ；  1.0／h＜Vi／Vo≦1.0／(he×h)        −−−−−（２）
円、オーバル；  1.0／f＜Vi／Vo≦1.0／(he2 ×f)       −−−−−（３）
各断面共通  ；  1／h＞α≧he／h                     −−−−−（４）
長方形      ；  he×h≦r＜h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  he2 ×f≦r＜f                        −−−−−（６）
ただし、
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A        −−−−−（７）
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
f ；  正味圧延における減面比（＝圧延後断面積／噛み込み直前断面積）
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）
【００１９】
第４発明は、第１発明又は第２発明又は第３発明に記載の圧延方法による圧延装置２台を直列に配置して鋼材を同一方向又は直角方向に２パス圧下し、円断面の材料の場合は直径比を０．１〜０．５に縮小し、長方形断面の材料の場合には厚さ比を０．１〜０．５、幅比を０．２〜１．０に縮小することを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延方法である。
【００２０】
第５発明は、材料が一定速度で供給され特定速度で圧延される張力圧延装置であって、圧延機後方張力に耐える拘束力を保有した材料供給装置と、ロール径比が（１）式に従う孔型ロール又は平ロールから成る圧延機と、材料の圧延前後の速度を検出する速度計と、圧延された材料の寸法を検出する測長器と、該各検出器からの信号を受けて材料の圧延前後速度比を材料断面形状と所定圧下率に対応して（２）式又は（３）式に従ってロール回転数を介して設定・調節し、圧延後寸法を所定値に制御する制御装置とからなることを特徴とする低アスペクト比・高減面率圧延装置である。
【００２１】
第６発明は、材料供給装置が、冷間又は熱間で材料に反復曲げを作用させる多段曲げローラーを内蔵したピンチローラー、又は材料を事前に圧下する冷間圧延機のいずれかから成ることを特徴とする第５発明に記載の低アスペクト比・高減面率圧延装置である。
【発明の効果】
【００２２】
上記の発明による第１の効果は、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、圧下率を通常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材料圧延前速度／圧延後速度の比を（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。
【００２３】
第２の効果は、圧延装置の構造は材料定速供給装置と、ロール径が相対的に大きい一般の２重圧延機とそれらの制御装置からなり、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。
【００２４】
第３に、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次のパスでの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起因する各種表面傷の低減にも効果がある。
【００２５】
第４に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は鋼片を熱間でタンデム圧延により線材に仕上げる工程の途中に挿入された本発明の実施事例を示す低アスペクト比・高減面率圧延装置の概略側面図である。該装置は主に前後２段の圧延機と圧延状態を安定させる制御システムから成る。図２は円断面の材料が圧延機により圧下される状況の寸法記号を示す。
【００２７】
図１において、本発明の前段圧延機３には（１）式に基づくロール直径を持つ平ロール４が使用される。所定の圧下比h に対応してまずロール間隙G が設定され、次ぎに材料速度比Vi／Vo が（３）式に基づいて設定される。
【００２８】
熱間の材料１は既存圧延機０から速度計１０”により追跡されつつ一定速度Voで送り出され、誘導加熱装置２を通過しつつ昇温・軟化する。先端が前段圧延機３の平ロール４の表面に突き当たると噛み込みが進行する。両速度差は極めて大きいので直ちに材料１に圧延方向の張力が発生する。張力の大きさは、ロール径比γが充分大きく設定されているので圧下力が大きく、そのため引き込み力P（＝摩擦係数×圧下力）が材料の引張降伏力を超えようとする。その結果材料１は昇温による軟化にも支えられてロール・バイト５（図２の斜線部）までに圧下方向、幅方向ともほぼ同比率で収縮し、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円断面の材料が平ロール４により圧下される。即ち過張力圧延が安定する。
【００２９】
全圧下は事前の延伸と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。
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。以上から全圧下率を５０％以上に設定してもアスペクト比は約１．５以下（従来方法では３以上）に収まり以後の圧延は極めて容易になるとともに全圧下率以上の高減面率圧延がなされる。
【００３０】
断面形状が低アスペクト比のフラット・オーバルになった材料６は、後段圧延機７の後方張力に対して充分な引抜抵抗を持つブレーキ・ロール１５により一定速度Viで、圧下方向が前段に対して９０度旋回して配置された後段圧延機７に供給され、数種の円孔型を持つ孔型ロール８の所定の孔型に誘導される。前段圧延機の場合と同様に、（１）式に従ってロール径が設定され、（３）式に従って圧延後速度が設定され、延伸に必要な後方張力の発生の下でオーバル長軸方向に圧下されて円断面に回帰する。
【００３１】
過張力圧延になっているので幅は圧延前と同等以下になる。従って材料幅より小さい孔型幅による圧延が可能になる。これは従来の孔型圧延では全く気付かれなかったことである。
【００３２】
ここで後段圧延機の全圧下率を前段のそれと同一に設定すると後段のアスペクト比の変化は前段のそれとほぼ同一になる。これは後段を前段の直角方向に圧下すると必然的に前段の前のアスペクト比、即ち円断面に回帰することを意味する。以上から２パスで円断面材料を円断面に大きく縮小（直径約１／３〜１／９）することができる。
【００３３】
注意すべきことは後方張力により材料の定速供給が崩れる可能性があることである。前段圧延に対して、既存圧延機０の圧延温度が比較的低いことから無駆動にすると引抜力は比較的大きくなり、他方後方張力は高減面率の故に比較的的小さくなり前者が勝るので定速供給は可能となる。
【００３４】
材料供給速度を所定値に維持するため材料速度計１０”と各ロールの下流側にそれぞれ材料の幅と高さ及び速度を追跡する測長器９、９’、ドップラー式速度計１０、１０’が設置され、該両測長器、該各速度計からの信号が制御器１１に送られ、制御器１１からの信号により両圧延機３，７の回転数が制御される。
【００３５】
供給される材料断面寸法が比較的大きい場合には、圧延機のロール・チョック１２、１２’とスタンド１３、１３’間に設置されたロードセル１４、１４’により材料に作用している応力が追跡され、寸法制御、速度制御に活用される。
【００３６】
図３は本発明を線材の２次圧延に適用したものである。材料にはコイル状線材２１が使用される。ピンチローラー２２は材料の引き込みと送り出しを冷間で行うが、内蔵された多段曲げローラー２３は通電を円滑にする脱スケールと圧延機に対する引抜抵抗の二つの機能を持つ。一定速度で走行する線材２１は直接通電加熱装置２４により加熱され熱間圧延に供される。過張力圧延機２５と制御システム２７により円からオーバルへの高減面率圧延がなさる。
【００３７】
ピンチローラーの代わりに充分な引抜抵抗が容易に得られる冷間圧延機を使用し、材料を事前に冷間軽圧下して断面形状をオーバルにしておくと１スタンドの過張力圧延で円に回帰させることができる。
【００３８】
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。
いま正方形断面の材料について、材料の供給速度と圧延速度、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）＋（ロールによる後退力）＝（最大引抜力μ×P）という均衡式（８）と、幾何的関係から（９式）が成立する。
Y×He×He＋△H×P＝μ×P＝μ×Y×L×He    −−−−−（８）
L＝√(△H×R)                             −−−−−（９）
△H＝He−G                                −−−−（１０）
Y ；降伏応力、             He；延伸後の材料厚さ、    P ；圧下力、
L ；ロール・材料接触長、  △H；正味圧下量、
記号の説明は［００１７］、［００１８］項と図２にも示される。
【００３９】
断面が円、オーバルの場合は（８）式の左辺の張力に（π／４)２ を乗ずればよい。
長方形は正方形と同一式になる。上記式を整理すると力の均衡を表す二次方程式が得られる。
A'He２＋B'He＋C'＝0                        −−−−（１１）
ここでγ＝２R／Ho、μ２γ＝Fとし、形状係数k（角断面の場合；k＝1、円断面の場合；k＝(π／4)２）を導入し、両辺をHo２で割って無次元化し、解を求める。
Ahe２＋Bhe＋C＝0                           −−−−（１２）
A＝9，  B＝−6h−2F／k，  C＝h(h＋2F／k)
he＝〔−B−√(B２−4AC)〕／2A              −−−−−（７）
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。
【００４０】
延伸発生は次式の成立を意味し、（７）式に代入すると（１）式が誘導される。
he＜1.0
F＝μ２γ＞2k／(1-h)＋2k＋k(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。
図４は（１）式を図解したもので、ロール径比γの適正範囲が斜線で示される。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、上限近傍は仕上げ圧延の寸法上の都合からそうなっており、特別の理由は無い。図より過張力圧延ではロール径比は従来水準を大きく超えなければならないことが解る。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。
【００４１】
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流一定則から次式が成立する。
Vi×Si＝Vo×So                            −−−−（１３）
Vi；材料出側速度、  Si；材料出側断面積、    So；材料入側断面積
【００４２】
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                             −−−−（１４）
【００４３】
円、オーバルの場合のSi／Soは、延伸による減面比he2 と正味圧延部の減面比f の積であり、f はほぼ収縮円からフラット圧延による割円分を除いた部分の割合である。
f は正味圧下比hrを変数にした割円の積分公式から計算される。
Si／So＝he2 ×f                            −−−−（１５）
f≒(2h／he×√(1-(h／he)2)＋sin−1(h／he))／π  −−（１６）
【００４４】
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。
長方形      ；  Vi／Vo＝1／(he×h)                  −−−−（１７）
円、オーバル；  Vi／Vo＝1／(he2 ×f)                 −−−−（１８）
【００４５】
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）、（１８）式の右辺においてhe＝1.0 とすれば求めら以下となる。
長方形      ；  Vi／Vo＞1／h                        −−−−（１９）
円、オーバル；  Vi／Vo＞1／f                        −−−−（２０）
【００４６】
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。
長方形      ；  1／h＜Vi／Vo≦1／(he×h)            −−−−−（２）
円、オーバル；  1／f＜Vi／Vo≦1／(he2 ×f)           −−−−−（３）
これが過張力圧延の第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。図５は（２）、（３）式を図解したもので所定圧下率に対して過張力圧延が起こる速度比の範囲示す。図より圧下率が大きいほど速度比の範囲が拡大することが解る。
【００４７】
上記の上限、下限における比アスペクト比αについて説明する。
拡幅を近似的に無視すると断面形状と無関係に、
α≒He／G＝he／h                 
（２）、（３）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                           −−−−−（４）
【００４８】
速度比の上限、下限における減面比r を求める。（１４）、（１５）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。
長方形      ；  h＞r≧he×h                         −−−−−（５）
円、オーバル；  f＞r≧he2 ×f                        −−−−−（６）
【００４９】
図６は（４）式、図７は（５）、（６）式を図解したものである。
図には無張力圧延の場合のα、r も併記した。ただしロール径比はそれぞれ現実性のある20、15とした。α、r の値の算出は文献（３）の柳本式により求めた。この場合、圧下率に対して減面率が過小、アスペクト比が過大になっているのはロール径比が相対的に過大のため拡幅が過大になったためである。図中の過張力圧延と無張力圧延の間の領域は公知の張力圧延に相当する。
図より、過張力圧延は無張力圧延に比較して著しく低アスペクト比、高減面率であること、及び速度比の範囲に対応してα、r が大きく変化することが解る。即ち一定圧下率においても速度比の調節によりα、rを所望値に制御することが可能となる。
【００５０】
文献（３）；柳本：塑性と加工5-40 (1964-5),p.315~p.322:”線材及び板材における幅拡がり値を求める実験式に関する研究”
【００５１】
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。図８は円断面についてはμ＝0.4、γ＝35、角断面に対してはμ＝0.4、γ＝50の場合のhe、hr、減面率r'の計算例を示す。図より一旦過張力の範囲に入ると、延伸圧下比heは全圧下比hに対してほぼ直線的に減少、即ち延伸分が着実に増加して低アスペクト比、高減面率になることが理解される。さらにhe=1.0 とすれば下限速度比、下限減面比、下限比アスペクト比等が順繰りに算出される。
【００５２】
過張力圧延機２台を連続する場合も特定条件に合致するなら特異な現象の介在は無く、同様の現象・効果が累積される。第４発明において２段の圧延による厚さ比と幅比を特定した根拠は、実施が容易な範囲であり且つ効果が充分である範囲とした。
【００５３】
第５発明において制御系を不可欠要因とした根拠は、既述のように過張力圧延が維持される範囲においては速度比がアスペクト比、減面率に決定的に影響しているからである。
【実施例】
【００５４】
制御精度に問題があるが最初の実験として、線径５．５ミリ線材を平ロールを持つピンチローラーにより冷間で２０％の軽圧下率で圧下しつつ線速４ｃｍ／ｓで供給し、高周波誘導により１０００℃に加熱し、ロール径２００ｍｍの平ロールで周速１２ｃｍ／ｓで同一方向に圧下率５０％で熱間圧延した。断面形状は５．５ｍｍ円から４．４×５．７５オーバルを経て２．２×（３．６〜３．７）オーバルに変化した。比アスペクト比は約１．３，減面率約０．７が得られ過張力圧延が確認された。以上から本発明の理論が基本的に大きな間違いが無いとされる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施例を示す熱間圧延線材の低アスペクト比・高減面率圧延装置の概略側面図。
【図２】圧延状況における寸法記号を示す。
【図３】本発明を線材の２次圧延に適用した例を示す。
【図４】過張力圧延の第１必要条件であるロール径比を示す。
【図５】過張力圧延の第２必要条件である速度比を示す。
【図６】過張力圧延が維持される圧下率と比アスペクト比の範囲を示す。
【図７】過張力圧延が維持される圧下率と減面率の範囲を示す。
【図８】過張力圧延の上限条件における圧下と変形の関係を示す。
【符号の説明】
【００５６】
０：既存圧延機    １：材料    ２：誘導加熱装置    ３：前段圧延機    ４：平ロール    ５：ロールバイト    ６：圧延後材料    ７：後段圧延機    ８：孔型ロール    ９，９’：測長器    １０，１０’１０”：速度計    １１：制御器    １２，１２’：ロールチョック    １３，１３’：スタンド    １４，１４’：ロードセル    １５：ブレーキロール    ２１：線材コイル    ２２：ピンチローラー    ２３：曲げローラー    ２４：通電加熱装置    ２５：過張力圧延機    ２６：制御器    ２７，２７’：速度計    ２８：測長器