(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロールをハウジングに転がり軸受により回転自在に支持する連続鋳造設備のロール支持装置において、前記軸受の少なくとも軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたことを特徴とする連続鋳造設備のロール支持装置。
【請求項２】
前記鋼材に、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上で５．０％以下添加した請求項１に記載の連続鋳造設備のロール支持装置。
【請求項３】
前記軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とした請求項１または２に記載の連続鋳造設備のロール支持装置。
【請求項４】
前記転がり軸受が複列ころ軸受である請求項１乃至３のいずれかに記載の連続鋳造設備のロール支持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、連続鋳造設備のピンチロールやガイドロール等を、ハウジングに回転自在に支持するロール支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板や棒鋼等の素材となるスラブやブルーム等の鋳片は、ほとんど連続鋳造設備で製造されている。また、アルミニウム等の非鉄金属の分野でも、鋳片の製造に連続鋳造設備が使用される場合がある。スラブやブルームの連続鋳造設備には、垂直型、湾曲型、または、これらを組み合わせた垂直湾曲型のものが多く使用され、非鉄金属や異形部材の連続鋳造設備には、一部で水平型のものも使用されている。
【０００３】
図１は、連続鋳造設備の例として、本発明の実施形態である垂直湾曲型のものを示す。この連続鋳造設備は、鋼板用のスラブを製造するものであり、取鍋２に入れられた溶鋼がタンディシュ３を介して鋳型４に鋳入され、鋳型４内で１次冷却されて表層部の凝固した鋳片５が、ピンチロール６で鋳型４の下方へ垂直に引き抜かれる。ピンチロール６で引き抜かれた鋳片５は、多数のガイドロール７に挟持されて湾曲状に案内され、各ロール間に配置されたスプレー（図示省略）で２次冷却されて全体が凝固したのち、湾曲部の出口に配置されたトーチ８で所定の長さに切断される。
【０００４】
上記ピンチロールやガイドロールは、連続鋳造設備の型式等によって異なるが、これらのロールは転がり軸受でハウジングに回転自在に支持され、鋳造速度に合わせて低速で回転駆動される。転がり軸受としては複列ころ軸受が用いられることが多い。かかるロールの支持装置は、鋳片からの熱により高温環境下におかれ、かつ、鋳片から剥離したスケール等の異物や、冷却水およびその水蒸気が飛散する劣悪な環境下で高負荷を受ける。これらのロール支持装置の転がり軸受は、高炭素クロム軸受鋼のＳＵＪ２を焼入れ処理したものが用いられ、温度上昇時の寸法変化を防止するために、これらの軸受はその使用温度よりも高温で焼戻し処理されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、連続鋳造設備のロール支持装置の転がり軸受は、高温環境下で高負荷、低速回転で使用されるため、潤滑グリースの油膜ができ難く、かつ冷却水等の侵入でグリースが洗い流されるので、軌道面の摩耗や、ピーリングおよびスミアリング等の表面損傷が生じることがある。また、スケール等の異物を噛み込んで軌道面に圧痕が生じる場合もある。このため、これらの摩耗や表面損傷で軌道面が荒れてロール支持装置のメインテナンス周期が短い等の問題となることがある。
【０００６】
通常、連続鋳造設備は昼夜連続で運転され、その定期修理の時期は、上工程の製鋼工程や下工程の圧延工程と調整して決められるので、ロール支持装置のメインテナンスのために連続鋳造設備を不定期に停止させることは、連続鋳造設備の稼働率を低下させるのみでなく、製鋼工程や圧延工程の稼働率にも影響する。近年は、連鋳鋳片を再加熱なしで圧延するダイレクト圧延や、連鋳鋳片を熱い間に再加熱炉に装入するホットチャージド圧延の比率が増加しているため、連続鋳造設備の突発停止が圧延工程へ与える影響はさらに大きくなっている。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、メインテナンス周期の長い連続鋳造設備のロール支持装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、ロールをハウジングに転がり軸受により回転自在に支持する連続鋳造設備のロール支持装置において、前記軸受の少なくとも軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした構成を採用したのである。
【０００９】
前記軸受の少なくとも軌道輪を形成する鋼材の合金元素について、Ｓｉ量を０．３〜３．０％含有させたのは、Ｓｉは高温域での軟化を抑制し、転がり軸受の耐熱性を改善する作用があるためである。０．３％未満ではその効果が得られず、Ｓｉ量の増加に伴って耐熱性は向上するが、３．０％を越えて多量に含有させてもその効果は飽和し、かつ、熱間加工性や被削性が低下するので、上限を３．０％に限定した。
【００１０】
Ｎｉを０．１〜３．０％、Ｖを０．０５〜１．０％、Ｍｏを０．０５〜０．２５％未満ずつ単独または複合で含有させたのは、以下の理由による。
【００１１】
Ｎｉは、鋼中に固溶してマトリックスを強化するとともに、特に軸受が高温下で使用された場合に、転動疲労過程における組織の変化を抑制し、かつ高温域での硬さの低下も抑制する。したがって、Ｎｉは高温環境下での転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性を向上させる効果を有する。Ｎｉは耐食性を改善する効果もある。これらの効果を得るためには、Ｎｉを０．１％以上含有させる必要があるので、添加する場合の下限を０．１％とした。しかし、３．０％を越えてＮｉを含有させると、焼き入れ処理時に多量の残留オーステナイトが生成されて、所定の硬さを得られなくなり、また鋼材コストも高価になるので、上限を３．０％に限定した。
【００１２】
Ｖは、炭素と結合して微細な炭化物を析出させ、結晶粒を微細化して強度、靱性を改善するとともに、高温焼戻し処理時の軟化を抑制し、さらに高温域での軟化も抑制する。したがって、上述したＮｉと同様に、Ｖは高温環境下での転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｖ含有量の下限を０．０５％とした。上限を１．０％に限定したのは、１．０％を越えてＶを多量に含有させると、被削性と熱間加工性が低下するからである。
【００１３】
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を改善するとともに、焼戻し脆性を防止し、さらに高温域での軟化も抑制する。したがって、Ｍｏも高温環境下での転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｍｏ含有量の下限を０．０５％とした。Ｍｏ含有量を０．２５％以上にすると被削性が低下し、かつ鋼材コストも上昇するので、上限を０．２５％未満に限定した。
【００１４】
上述した各合金元素の働きで、軸受が高温で焼戻し処理を施されても、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とすることにより、優れた転動疲労特性を確保した上で、耐摩耗性と耐表面損傷性を向上させ、軸受の耐久寿命を延ばして、ロール支持装置のメインテナンス周期を長くすることができる。
【００１５】
前記鋼材に、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３以上で５．０％以下添加することにより、軸受の転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性をさらに向上させることができる。
【００１６】
すなわち、ＭｎとＣｒは、いずれも鋼材の焼入れ性を改善し、Ｍｎは鋼中に固溶して鋼を強靱化し、Ｃｒは炭化物を形成して鋼を強化する。Ｍｎ含有量の下限を０．２％、Ｃｒ含有量の下限を０．３％としたのは、これらの効果を得るためである。また、Ｍｎ含有量の上限を１．５％に限定したのは被削性の低下を避けるためであり、Ｃｒ含有量の上限を５．０％に限定したのは、大形の炭化物の生成による脆化を防止するためである。
【００１７】
前記軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすることにより、軌道輪の表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進展を抑え、軸受の耐久寿命をさらに延ばすことができる。
【００１８】
すなわち、浸炭窒化処理で表面層の窒素含有量を高めると、表面層のＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低くなり、これを焼き入れすると、表面層に未変態のオーステナイトが多く残留する。残留オーステナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、亀裂の発生や進展を抑える働きをする。また、Ｍｓ点が低下した表面層は、マルテンサイト変態が内部よりも遅れて始まり、かつ変態量も内部より少ないので、表面層には圧縮の残留応力が形成され、表面層の疲労強度が向上する。浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上としたのは、これらの効果を得るためである。一方、内部は高温焼戻しにより残留オーステナイト量が減少するので、使用時の残留オーステナイトの分解による寸法経年変化は抑えられる。
【００１９】
前記転がり軸受装置としては複列ころ軸受を採用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、本発明のロール支持装置１を用いた連続鋳造設備を示す。この連続鋳造設備は、前述したように鋼板用のスラブを製造するものであり、取鍋２に入れられた溶鋼がタンディシュ３を介して鋳型４に鋳入され、鋳型４内で表層部の凝固した鋳片５が、ピンチロール６で鋳型４の下方へ垂直に引き抜かれる。ピンチロール６で引き抜かれた鋳片５は、多数のガイドロール７に挟持されて湾曲状に案内され、スプレー冷却されて全体が凝固したのち、湾曲部の出口に配置されたトーチ８で所定の長さに切断される。なお、図示は省略するが、各ガイドロール７も別のハウジングのロール支持装置で回転自在に支持されている。
【００２１】
前記ロール支持装置１は、図２（ａ）に示すように、ピンチロール６のネック部９を、複列の自動調心ころ軸受１０でハウジング１１に回転自在に支持しており、軸受部の両側は、それぞれシールリング１２、１３とオイルシール１４、１５でシールされている。自動調心ころ軸受１０は、図２（ｂ）に拡大して示すように、外周面に複列の軌道１６を有する内輪１７と、内周面に球面軌道１８を有する外輪１９の間に、複列のたる形のころ２０を保持器２１で転動自在に保持したものであり、外輪１９はハウジング１１の内周面に嵌合され、内輪１７はピンチロール６のネック部９に、シールリング１２、１３で軸方向を固定されている。
【００２２】
前記内輪１７と外輪１９は、後の表１に実施例として示す化学成分を有する鋼を素材として、８４０℃〜８６０℃に加熱したのち塩浴中へ焼入れし、３５０℃で焼戻ししたものである。一部の実施例では、焼入れ前の加熱をアンモニアガスが添加された浸炭性雰囲気中で行い、浸炭窒化処理も施した。浸炭窒化処理を施したものについては、焼戻し温度を２３０℃とした。
【００２３】
前記実施例の自動調心ころ軸受１０の内輪１７および外輪１９は、サンプル抽出による検査の結果、いずれもロックウェル硬さＨＲＣ５８以上の表面硬さを有し、浸炭窒化処理を施したものは、浸炭窒化層の残留オーステナイト量が１０体積％以上になっていた。
【００２４】
上述した実施形態は、垂直湾曲型の連続鋳造設備のピンチロール支持装置について示したが、本発明のロール支持装置は、非鉄金属分野を含めた種々の型式の連続鋳造設備において、ピンチロールやガイドロール等の支持に用いることができる。
【００２５】
【表１】
0003748730.tif 000002
【００２６】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【００２７】
【実施例】
表１に示す６種類の化学成分を有する鋼を素材として、上述した焼入れ焼戻し処理を施した試験片と軌道輪、およびこの軌道輪を用いた玉軸受（表１中の実施例１〜６）を用意した。実施例１〜６に示した一部の鋼材に浸炭窒化処理を施した試験片、軌道輪および玉軸受（表１中の実施例７〜８）も用意した。
【００２８】
【比較例】
高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２および本願の化学成分範囲を外れる２種類の化学成分を有する鋼を焼入れ焼戻し処理した試験片と軌道輪、およびこの軌道輪を用いた玉軸受（表１中の比較例１〜３）を用意した。ＳＵＪ２を素材としたものについては、浸炭窒化処理も施した試験片、軌道輪および玉軸受（表１中の比較例４）も用意した。
【００２９】
上記実施例および比較例の試験片、軌道輪および玉軸受のいずれかのサンプルについて、寸法安定性試験、ピーリング試験、スミアリング試験、サバン型摩耗試験および異物混入寿命試験を実施した。
各試験の概要と結果は以下の通りである。
【００３０】
（１）寸法安定性試験
３５０℃および２３０℃で焼戻し処理した軸受内輪を、それぞれ２５０℃と１５０℃で恒温保持し、内径の寸法変化率を測定した。保持時間は２５００時間とし、収縮の変化率は負の値で表示した。試験結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
0003748730.tif 000003
【００３２】
実施例１〜６および比較例３の内輪は、寸法変化率が０．０１％以下であり、優れた寸法安定性を示す。浸炭窒化処理を施した実施例７、８は、これらよりもわずかに寸法変化率が大きいが、規格（０．０１５％以下）の範囲内に納まっている。比較例１は、寸法変化率は小さいが、３５０℃焼戻し、２５０℃保持の試験で収縮の寸法変化を示すため、内輪の嵌め合い応力が過多となる恐れがある。また、ＣｒとＭｏを多く含有する比較例３は膨張率が高く、規格を外れている。
【００３３】
（２）ピーリング試験
ピーリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状の試験片を駆動軸と、この駆動軸に平行な従動軸に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させるものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、駆動軸側試験片の円筒面はＲmax ３μｍの粗さに研削仕上げ、従動軸側試験片の円筒面は鏡面仕上げされる。ピーリング強度は、試験終了時の従動軸側試験片円筒面のピーリング発生面積率で評価される。実施例１、７および比較例１、２について、以下の試験条件でピーリング試験を行った。なお、駆動軸側および従動軸側の両試験片は、同種のサンプルのものをペアとして用いた。
【００３４】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ（駆動軸側）、０．２μｍ（従動軸側）
・接触面圧Ｐmax ：２．３ＧＰａ
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ４６
・駆動軸回転速度：２０００ｒｐｍ
・総回転数      ：４．８×１０5 回
【００３５】
【表３】
0003748730.tif 000004
【００３６】
試験結果を表３に示す。実施例の試験片は、いずれもピーリング発生面積率が１％程度であり、優れたピーリング強度を示す。比較例の各試験片は、実施例の３倍以上の大きなピーリング発生面積率になっている。
【００３７】
（３）スミアリング試験
スミアリング試験は、ピーリング試験と同じ装置を用いて、２つのリング状試験片を同様に転動させるものである。この試験の場合は、従動軸が一定速度で回転駆動され、駆動軸は従動軸と等速回転から徐々に増速される点が異なる。また、従動軸側試験片の円筒面が駆動軸側試験片と同じ表面粗さＲmax ３μｍに仕上げられる点も異なる。スミアリング強度は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆動軸と従動軸の速度比で評価される。実施例１、７および比較例１、２、４について、以下の試験条件でスミアリング試験を行った。なお、この試験においても、摺動されるペアの試験片は同種のサンプルのものとした。
【００３８】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ
・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ４６
・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ増速
・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定
試験結果を表３に併せて示す。実施例の試験片は、比較例１に対して、いずれも１．４倍以上の大きな速度比までスミアリングが発生しない。比較例の各試験片は、実施例の半分程度の速度差でスミアリングが発生している。
【００３９】
（４）サバン型摩耗試験
サバン型摩耗試験は、平板試験片を硬質の回転円筒の円筒面に一定時間押圧し、回転円筒との摺動で生じる平板試験片の摩耗痕の幅を測定して、体積摩耗量を算出するものである。実施例１、７および比較例１、２、４について、以下の試験条件でサバン型摩耗試験を行った。耐摩耗性は、比較例１の焼戻し温度が１８０℃のものとの体積摩耗量の比で評価した。
【００４０】
・平板試験片    ：幅５ｍｍ
・回転円筒      ：直径４０ｍｍ、幅４ｍｍ、硬さＨＲＣ６２
・押圧荷重      ：７８．４Ｎ
・接触面圧Ｐmax ：２０６ＭＰａ
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ６８
・回転速度      ：２０００ｒｐｍ
・試験時間      ：１０分
試験結果を表３に併せて示す。実施例の試験片は、高温で焼戻しされても表面硬さが低下していないため、優れた耐摩耗性を示し、いずれも浸炭窒化処理を施された比較例４よりも体積摩耗量が少ない。
【００４１】
（４）異物混入寿命試験
実施例１、７および比較例１、２、４の玉軸受を硬質異物が混入された油浴中の回転軸に取り付け、ラジアル荷重を負荷して寿命試験を行った。この試験では、サンプル数Ｎを６とし、耐久寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える時間）で評価し、寿命比は比較例１の焼戻し温度が１８０℃のもののＬ１０寿命を基準値とした。
【００４２】
・玉軸受寸法  ：内径３０ｍｍ、外径６２  ｍｍ、幅１６ｍｍ
・回転速度    ：２０００ｒｐｍ
・ラジアル荷重：６．８６ｋＮ
・潤滑油      ：タービン油ＶＧ５６（２５ｃｃの油浴、油温６０℃）
・異物        ：ガスアトマイズ金属粉（粒径１００〜１８０μｍ、硬さＨＶ７００〜８００、混入量０．１ｇ／リットル）
試験結果を表３に併せて示す。実施例の玉軸受は、浸炭窒化処理なしの実施例１でも寿命比が２倍を越え、浸炭窒化処理をした実施例７は寿命比が１０倍近い長寿命になっている。
【００４３】
以上の各試験結果より、実施例のものは、優れた耐摩耗性と耐表面損傷性を有するとともに、異物混入下でも耐久寿命が長く、かつ使用中の寸法の経年変化も少ないことがわかる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、この発明の連続鋳造設備のロール支持装置は、ロールを支持する転がり軸受の少なくとも軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、焼入れ焼戻し処理後の軸受の材質と表面硬さを高温下でも安定して転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性に優れたものとし、高温環境下で使用されるロール支持装置のメインテナンス周期を長くして、連続鋳造設備の稼働率、さらには連続鋳造設備の上下工程の稼働率を高めることがきる。
【００４５】
また、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３以上で５．０％以下添加することにより、前記転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性をさらに向上させることができ、軸受の少くとも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすることにより、表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進展を抑え、ロール支持装置のメインテナンス周期をさらに延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のロール支持装置が組み込まれた連続鋳造設備の外観斜視図
【図２】ａは図１のロール支持装置の軸受部示す縦断面図、ｂはａの要部拡大断面図
【符号の説明】
１  ロール支持装置
２  取鍋
３  タンディシュ
４  鋳型
５  鋳片
６  ピンチロール
７  ガイドロール
８  トーチ
９  ネック部
１０  自動調心ころ軸受軌道
１１  ハウジング
１２、１３  シールリング
１４、１５  オイルシール
１６  軌道
１７  内輪
１８  軌道
１９  外輪
２０  ころ
２１  保持器
【図１】
0003748730.tif 000005
【図２】
0003748730.tif 000006