三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009) ものづくりを支える機械・技術特集

技 術 論 文43

熱間エンドレス圧延用バー接合装置の開発
Development of Bar Joining Apparatus for Endless Hot Rolling

堀井 健治

宇杉 敏裕

Kenji Horii

Toshihiro Usugi

古元 秀昭
Hideaki Furumoto

熱間エンドレス圧延は仕上圧延の前でバーを接合して仕上圧延を切れ目なく行うもので，生産性向上や歩留り向上などに貢献する生産方式である．このエンドレス圧延のキー技術の 1 つがバー接合技術である．接合部位を加熱し接合する従来方式に対して，特別な加熱を行うこと無しに0.5 秒以下の極短時間で信頼性の高い接合ができるユニークな固相接合方式を新たに開発した． この接合法を適用した接合装置は POSCO Pohang 第二熱延ラインに導入され，熱間エンドレス圧延の操業が本格的に行われている．

|1. はじめに
熱間薄板圧延における極限プロセスともいえる完全連続熱間圧延技術は，1996 年に実用化された．これは，間欠的に供給される粗バーを接合し，エンドレス状態で仕上圧延を行う技術である．エンドレス圧延は，間欠的圧延(バッチ圧延)の操業上の課題であった先端の曲がりや尾端の絞りを防ぐことができるので安定な圧延が継続でき，全長にわたって均一な品質が得られる．また，アイドルタイムが無くなるので生産性を向上できる．さらに，走間板厚変更技術を使って 1.0mm の極薄鋼板が製造可能となる．図１にバッチ圧延とエンドレス圧延の２つの熱間薄板圧延設備の比較を示す．
このエンドレス圧延実現のキーとなる技術の１つが接合技術である．これまでに採用された接合技術としては，誘導加熱＋アップセット(1)とレーザ接合(2)がある．これらの接合はいずれもやや長い接合時間を要するため，接合装置は粗バーと共に長い距離を並走する必要があり，大掛かりな設備となっていた．そこで，熱間エンドレス圧延により広く採用されるために，簡単な接合機で，瞬間的に接合ができて，母材並みの強度が確実に得られる接合方法を目指し，強変形せん断接合(Super Deformation Joining：以下｢SDJ｣)を開発した(3) (4)．SDJ は２枚の粗バーを重ね合せ，接合位置をせん断しつつ上下刃物を接近させて接合を完了する短時間固相接合であり，熱間圧延で破断しない十分な接合強度を得ることができる．SDJ を適用した接合装置は POSCO Pohang
第二熱延ライン(以下「P2H」)に導入され，2007 年１月から本格的にエンドレス圧延が行われている(5)．生産性向上，生産サイズ拡大，品質向上などのメリットが確認され，毎月 10 万トンがエンドレス圧延で生産されており，バー枚数 45 枚(1000 トン以上)，1 時間連続のエンドレス圧延を記録している．本報告では，開発した接合技術 SDJ の特徴，接合試験結果，及び，実機熱間エンドレス圧延用バー接合に SDJ を適用した結果について紹介する．

図１ ２つの熱間薄板圧延設備の比較

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)44|2. 開発した接合技術 SDJ とその特徴
2.1 SDJ 適用の接合プロセス
図２は SDJ 適用の接合プロセスを示す．ステップ１で接合部となる重ね合せ面に高圧水を噴射して酸化スケールを除去する．ステップ２で後行材を加速減速して，先行材後端部に後行材先端部を接合に必要十分な長さだけ重ねる．ステップ３で刃物のせん断動作により接合する．ステップ４で接合時生ずるクロップ連結部を分断してクロップを除去する．

2.2 SDJ の接合機構
SDJ 装置は上下の刃物をせん断方向に移動して接合するものである．図３は接合開始から完了までの接合プロセスと状態変化を模式的に示す．上下刃物の押込み過程 a)において，重ね合せ面の空気が排除され大気遮断状態となる．a)の図中に細部図として示す上下刃物と接しない重ね合せ面の一部は，その後のせん断過程で接合面を形成していく．せん断過程 b)では，加圧力と支持力の作用により重ね合せ面の一部が引き伸ばされ，酸化スケールも分断されて清浄な接合面が形成されていく．同時に密着化も進むため清浄面は維持され，押込み終了時に支持力と加圧力の合力である大きな押圧力が負荷されて接合が完了する．さらに，せん断過程では発熱するため接合が加速すると推定される．
以上から SDJ の接合機構は，強変形せん断によって清浄面を創生し，押圧力で金属結合ができる位置まで原子を接近させて接合する固相接合(6)と考えられる．

図２ SDJ 適用の接合プロセス

図４ 試験機における接合試験の手順

図３ 接合開始から完了までの接合プロセスと状態変化|3. SDJ 接合試験結果
3.1 実験方法
幅 100 mm まで接合可能な SDJ 基礎試験機と幅 450 mm まで接合可能な SDJ 広幅試験機を作成し，SDJ 試験を行った(4)．図４は試験機における接合試験の手順を示す．接合材の温度と重ね合せ面の状態を実際の熱間圧延に合わせるため，電気炉にて２枚重ね状態で 1200～1300 ℃に加熱し，出炉後に２枚を開放して重ね合せ面に酸化スケールを生成する．その後，高圧水で接合部位を部分的にデスケーリングして再度重ね合せ，試験機へセットして接合を行う．
接合後，手作業でクロップ連結部を数回折り曲げてクロップを分断し，接合材から引張試験片などを採取し分析に供した．接合材は，引張強度が 394～436 MPa の炭素鋼(以下，CS と略す)を用いた．

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3.2 実験結果及び考察(1) 接合部の強度； 図５は板幅方向位置と接合部の対母材強度比 βj の関係を示す．βj は接合部の引張強度(以下｢接合強度｣)を母材の引張強度(394 MPa)で割った値である．板幅方向位置における接合強度は，板幅端部を除きほぼ等しい値となっており，βj が 0.70～0.85 程度であることが分かった．引張破断面の観察によれば，板幅端から数 mm の範囲に未接合部が見られることから，板幅端部の接合強度が低いのは，この未接合部の影響が出ていると考えられる．デスケーリング圧力 pd が高いほど接合強度が高くなる傾向があるが，これはデスケーリングによって酸化スケールがより少なくなっているためと考えられる．
(2) 接合部の組織分析； 図６は，CS の a)接合部断面のマクロ写真，b)ミクロ組織及び c)母材断面のミクロ組織を示す．b)は a)に○印で示した厚さ方向中央の接合部を拡大したものである．
接合線近傍はフェライトとパーライトの組織からなり，接合界面部の結晶粒は母材原質部に比べ細粒で母材と一体化しており，接合線を明確に識別できない状態になっている．また，結晶粒内には接合時に分断され形成されたと考えられる微細な酸化スケールも認められた．結晶粒の細粒化は，接合時の強変形と再結晶によって生成されたことを示すもので，接合過程での強変形が短時間接合一体化に大きく寄与しているものと考えられる．
(3) 圧延後の接合部の形態変化； 図７は，圧延前後の接合部断面形状を示す．１パス圧延によって，接合部の段差は平坦化し接合角度 θj も小さくなる．上下のクロップ分断端部は圧延後も接合線延長上に存在しているが，圧延破断に結びつくような有害な欠陥とはなっていない．

図５ 板幅方向位置と接合部の対母材強度比
βj の関係接合材: CS，サイズ: 厚さ 28×幅 200 mm，母材の引張強度: 394 MPa

図６ CS の接合部断面;母材の引張強度:436 MPa

図７ 圧延前後の接合部断面形状
接合材: CS，サイズ: 厚さ 28×幅 450 mm，母材の引張強度: 436 MPa|4. 実機熱間エンドレス圧延用バー接合に SDJ を適用した結果
4.1 エンドレス圧延用機器のレイアウト
図８はエンドレス圧延用機器のレイアウトを示す．粗圧延機と仕上圧延機の間の主な設備としては，コイルボックス，クロップシヤー，レベラ，部分デスケーリング装置，重ね合せ装置，接合機，クロップ処理装置がある．コイルボックスは，粗圧延後の粗バーの巻取りと巻出しを行い，保温と接合タイミング調整の機能を有する．クロップシヤーは，粗圧延によって後端や先端に生じて三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)

46いる形状急変部を切断するものである．部分デスケーリング装置からクロップ処理装置までが接合装置である．部分デスケーリング装置は粗バー表面に高圧水を噴射して酸化スケールを接合直前に除去する．重ね合せ装置は，先行材後端部の粗バー自身のたわみを利用して後行材を重ねるようにしている．クロップ処理装置は接合機に近接設置され，接合後，短時間のうちにクロップを分断してライン外へ排出する．

図８ エンドレス圧延用機器のレイアウト

図９ ペンジュラム式接合機の接合動作

4.2 接合機の構造
図９は実機で採用した接合機の接合動作を示す．ペンジュラム形フライングシヤー(7)と同様機構で，クランク軸には２つの偏心があり，偏心１は上刃物と上クランプに，偏心２は下刃物と下クランプに連結されている．クランク軸を回転すると上下刃物が接近離反する．また，クランク軸と揺動軸がレバーで連結されていて，クランク軸の回転が揺動ハウジングの粗バー進行方向の揺動に変換される．重なり合った粗バーが接合機内に進入してきたところでクランク軸を反時計回りに回転すると，上下刃物は粗バーとほぼ等しい進行速度で粗バーに接触し，接近してせん断しつつ接合を完了する。クランク軸を図９ b)の状態から更に反時計方向に回すと刃物が離反していく．
上下刃物は上下動と揺動が組み合わさり，楕円に似た軌跡となる．
従来の誘導加熱＋アップセット接合は，接合端面を３～５秒で接合温度まで昇温し，その後アップセットするもので，接合機は粗バーとともに長い距離並走する必要があった (1)．これに対し，
SDJ は 0.5 秒以下の短時間で接合が完了するため，基礎に固定されたペンジュラム式でも粗バーとの速度同期が実現できる．この結果，部分デスケーリング装置からクロップ処理装置までの接合装置の長さは約 15 m となり，接合機自身が走行する方式に比べて設備長が短いコンパクトな設備にすることができる．

4.3 P2H での接合及び圧延状況
図１０は P2H で得られた接合材の板幅方向位置における接合部の対母材強度比 βj を示す．
接合前に部分デスケーリングを行わなかったときは，βj が 0.70 程度であったが，部分デスケーリングを行ったときは，0.85～1.00 であり平均 0.90 以上となっていた．βj が 1.00 のときは，接合界面ではなく母材で破断が生じていた(5)．部分デスケーリングの条件は，デスケーリング圧力 pd が 25MPa で噴射距離は 100 mm であった．接合材は試験機で用いた CS よりも低い引張強度の低炭素鋼であったが，βj は試験機で得た値と同等の結果を得た．

図１０ 実機で得られた接合材の板幅方向位置における接合部の対母材強度比 βj
接合材：低炭素鋼，サイズ:厚さ 31× 1200㎜，母材の引張強度: 308～319 MPa

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474.4 熱間エンドレス圧延のメリット
熱間エンドレス圧延のメリットとして実機で得られた実例を以下に示す．
(1) 生産性向上； 図１１に熱間エンドレス圧延のバッチ圧延に対する圧延時間短縮の一例を示す．バッチ圧延では後端が最終スタンドを抜けてから次の材料を圧延するまでのアイドルタイムがある．また，先端を通板する際の圧延速度は低く，先端が最終スタンドを通過後に増速する．
さらに薄物圧延においては，後端が最終スタンドを通過する前に減速する．一方エンドレス圧延では，アイドルタイムは無く，２本目以降は薄物圧延でもエンドレス圧延最終１本前まで最高速度で圧延できる．このように，エンドレス圧延では大幅な時間短縮が実現できる．
図１２はエンドレス圧延のバッチ圧延に対する生産性の向上割合を示す．図１１及び図１２の条件で，エンドレス圧延はバッチ圧延に対して生産性が 25～30 %向上し，仕上圧延機の能力は最大限利用されることとなる．
(2) 品質安定化； 図１３は P2H でのエンドレス圧延材の品質の一例を示す．コイルの機械的強度や組織に影響を及ぼす巻取り温度が均一化し，板厚や板クラウンが所望の値にコントロールされ，品質が安定化している．

図１１ 熱間エンドレス圧延のバッチ圧延に対する圧延時間短縮の一例ストリップサイズ:厚さ 1.40×幅 1219 ㎜，
バー枚数:５枚，バー単位幅重量:18.0 kg/㎜，バー重量:22.0 ton

図１２ エンドレス圧延のバッチ圧延に対する生産性の向上割合
バー枚数:５枚，バー単位幅重量:18.0 kg/㎜，バー重量:22.0 ton，バッチ圧延のバー間
アイドルタイム:20 s

図１３ エンドレス圧延材の品質の一例
圧延材:SAE1022，エンドレス圧延
コイル数:15 コイル

4.5 従来方式に対する SDJ 採用の設備メリット
図１４に各バー接合方式におけるエンドレス用機器のレイアウトを示す．接合時の最大バー進行速度を 70 m/min とし，接合装置と F1 との距離 La 及びコイルボックスと接合装置との距離 Lb を同一としてレイアウトの比較を行ったものである．また，誘導加熱＋アップセット接合方式の場合，最大バー進行速度が 60 m/min のときの走行距離が 20 m であること(8)を考慮して設備長さを考察したものである．粗圧延機とコイルボックスとの距離は，最終粗圧延の２パス前の圧延後のバー長さを考慮すると 45 m 程度は必要である．そのため，図 14 a)の場合は粗圧延機と F1 の距離が45+74=119 m となる．これに対し，図１４ b) SDJ の場合は 45+55=100 m とできるので，従来方式よりもコンパクトな設備とすることができる．また，これまで既存の設備長の制約でエンドレス圧延を断念したラインにも，エンドレス圧延が適用できる可能性が広がったと考えられる。

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図１４ 各バー接合方式におけるエンドレス用機器のレイアウト
接合時の最大バー進行速度:70 m/min|5. まとめ(1) 熱間エンドレス圧延用バー接合に好適な信頼性の高い短時間接合技術 SDJ を開発し，実機に適用した．
(2) SDJ 適用によって，接合機を基礎に固定した装置とし，コイルボックスを含めたエンドレス圧延用機器の設備長を短くすることができた．このことにより，多くの既存設備を含めエンドレス圧延適用の可能性が広がった．
謝 辞本研究は，三菱日立製鉄機械(株)設立以前の(株)日立製作所において開始され，その後POSCO と共同で研究を推進してきた．この間，日立協和エンジニアリング(株)の舟本孝雄博士,POSCO の李 鍾燮博士，他多くの方々の協力を得た．ここに謝意を表する．

参考文献(１) 二階堂英幸ほか，千葉製鉄所第 3 熱延工場におけるエンドレス圧延技術，川崎製鉄技報 Vol. 28 No.
4(1996), p. 224～230.
(2) 松尾慎二ほか，新日鐵大分の熱延連続化操業の全体概要，材料とプロセス Vol. 13(2000), p. 1056.
(3) Horii, K. et al., In-line Bar Joining – A Key Technology for Endless Hot Rolling, AISE Steel Technology,
Vol. 79 No. 6(2002), 55～60.
(4) 堀井健治ほか，強変形せん断接合技術とその実機適用，第 58 回塑性加工連合講演会講演論文集,(2007), p. 443～444.
(5) Lee, J.S. et al., Introduction of Endless Hot Rolling at Pohang Works of POSCO, 材料とプロセス Vol.
20(2007), p. 987.
(6) 橋本達哉ほか，固相溶接・ろう付，産報出版，(1979), p. 19～29.
(7) 福井嘉吉ほか，ホットストリップミルにおける極厚板用ペンジュラム形フライングシヤーの開発，日立評論
Vol. 61 No. 9(1979), p. 7～12.
(8) 山崎孝博ほか，千葉 3HOT エンドレス圧延における走間接合制御，材料とプロセス Vol. 10(1997), p.
1092.

執筆者紹介
堀井健治
三菱日立製鉄機械㈱技術開発部
研究開発室長宇杉敏裕
三菱日立製鉄機械㈱広島事業所
圧延機設計部

古元秀昭
技術本部
広島研究所
主席
工博