JP2004174600A

JP2004174600A - 連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロール

Info

Publication number: JP2004174600A
Application number: JP2002382644A
Authority: JP
Inventors: Noboru Hiraoka; 昇平岡; Teruyuki Uchiyama; 輝之内山; Kizo Maruyama; 貴三丸山
Original assignee: Nippon Steel Hardfacing Corp
Current assignee: Nippon Steel Hardfacing Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールの提供
【解決手段】ロール胴部表面に、Ｎｉ基またはＣｏ基の高合金層を肉盛溶接法または肉盛溶射法などにより形成し、旋削仕上加工後の高合金層の有効厚さを０．５〜３．０ｍｍとし、ロール胴部表面に高合金層の有効厚さを超える深さの溝加工を施す。
【効果】高合金層の熱応力に起因する残留応力の軽減、熱応力の開放、溝による熱拡散、冷却の効率化、熱亀裂発生の防止、熱亀裂伝播経路の誘導などが可能となり、連続鋳造ロールの耐久性向上に大きく寄与する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱亀裂伝播特性を改善した、鋳片を保持する連続鋳造用ピンチロールなど、とくに連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続鋳造設備の鋳片案内部および引き抜き部には、鋳片を誘導する多数のロールが配置されているが、耐熱性と高温強度および冷却水による腐食防止のため、主にマルテンサイト系ステンレス鋼が肉盛されてきた。これはロール基材の低合金炭素鋼と肉盛ステンレス鋼の熱膨張係数が１１〜１３×１０^−６と低く、かついずれも同程度であることにより耐熱亀裂性が良好なためでもあった。
【０００３】
しかし、近年の連続鋳造設備は、モールドと鋳片間に添加するフッ素系化合物が、冷却水に混入するために起こる激腐食環境下のトップ部や湾曲部、水平部では、注水の少ない緩冷部あるいは無冷却操業を行なうようになり、ロール温度は上昇し、操業条件は過酷となっている。
【０００４】
そこで、耐フッ素腐食性およびおよび耐熱性に優れ、高温強度が高いＮｉ基あるいはＣｏ基の耐熱高合金材料で肉盛溶接あるいは両成分系材料の自溶合金溶射などが行なわれるようになり、特開２００２−２３９６９７号公開特許公報などで提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらオーステナイト系Ｎｉ，Ｃｏ合金の熱膨張係数は１６〜２０×１０^−６あり、その熱亀裂伝播特性からみて剥離割れを起こしやすく、厚盛りするかまたは低い熱膨張係数の基材から徐々に熱膨張係数の高い材料で中間肉盛を施し、傾斜機能を持たせた上で熱膨張係数の高い高合金を肉盛する方法がとられていた。
【０００６】
すなわち、表面に熱亀裂が発生すると、曲げ応力負荷により亀裂は深さ方向に伝播するが、高合金層と基材の界面を通過する際に、高合金と基材の熱膨張係数を含めた物性差により抵抗が生じ、界面を通過せずに図１のごとく界面に沿って亀裂が伝播し、隣接する亀裂から同様な伝播により発生した亀裂とつながり、被覆層が剥離する傾向があった。
【０００７】
特に、いったん界面に沿った亀裂が生じると、高合金層と基材の間で熱遮断が生じ、高合金層内の加熱、冷却の温度差が非常に大きくなり、界面に沿った亀裂伝播速度が速くなり、剥離を起こし短寿命でロール機能を十分果たせなくなる欠点があり、その欠点を若干補う厚盛りや傾斜機能の中間肉盛の施策は不経済で十分とはいえなかった。
本発明は前記従来技術における問題点を解消し、熱亀裂伝播特性が改善された連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ロール表面に形成した高合金層の厚さより深い溝を設けた構造が有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
前記の知見に基づいてなされた本発明は、肉盛溶接または肉盛溶射によりロール胴部表面に形成された、旋削加工後の有効厚さ０．５〜３．０ｍｍのＮｉ基またはＣｏ基高合金層に、前記有効厚さを超える深さの溝が形成されていることを特徴とする連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールを要旨としている。
【００１０】
また本発明は、ロール胴部表面に加工した溝の底部断面コーナー部が、曲率半径０．１〜２．０ｍｍとなるようにし、ロール負荷による応力集中を軽減した連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールや、Ｎｉ基またはＣｏ基の高合金材料で被覆したロール胴部表面につける溝の深さが、高合金層の有効厚さを超え、かつ隣接する溝との間隔が５〜６０ｍｍ、溝表面巾が０．２〜１０ｍｍである連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールならびにＮｉ基またはＣｏ基の高合金材料で被覆したロール胴部表面につける溝の断面形状がＵ形、溝コーナー部が曲率半径０．１〜２．０ｍｍに加工されたＶ形、角形、表面側が開口の大きい台形、半円形または半楕円形である連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールもその要旨である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の構成と作用を説明する。
本発明は、ロール基材と高合金被覆層の熱膨張特性の差による熱亀裂の発生、基材と高合金被覆層の界面に沿った亀裂伝播防止をロール形状面から解決することを意図している。
【００１２】
本発明における高合金層の肉盛溶接法としては、溶接欠陥の生じ難い潜弧溶接法またはプラズマ溶接法が主に使用され、肉盛溶射としては基材との接着力が強い自溶合金溶射法によって目的のものが得られる。
【００１３】
本発明で高合金層の有効厚さを０．５〜３．０ｍｍとした理由は次の通りである。すなわち、下限値の０．５ｍｍは摩耗の使用基準により定めた。また上限値の３．０ｍｍは、有効厚さを超える深さの溝加工を施すために、３．０ｍｍを超える溝加工を施すとロールの亀裂使用基準に早期に達するため３．０ｍｍを上限とした。
【００１４】
高合金層の有効厚さを超える溝加工を施す理由としては、予め基材と高合金層の界面を通過する亀裂を、溝が設けてあれば亀裂伝播方向の道筋が定められ、基材と高合金層の界面に沿った亀裂が発生しにくくなるためである。また、肉盛溶接、溶射した表面は残留応力が残っているが、溝加工により残留応力が大幅に軽減され、溝以外の表面の伸び収縮に自由度がでて、熱亀裂が生じにくくなるためである。
【００１５】
図２は、本発明の溝加工を施したロール表層部の断面形状の例を示している。（ａ）は底部にＲ加工したＶ溝加工を行なった例であり、Ｖ溝４の底部は、溝の深さを高合金層１の有効厚超にするのでロール基材部２にあるのが特徴である。こうすることにより高合金層１はロール基材部２より応力的に開放され、両者の界面に働く熱膨張係数差に基づく界面剪断応力は軽減される。すなわち、高合金層１とロール基材部２との亀裂は生じにくくなる。
【００１６】
この場合、溝４の深さが浅く、高合金層１の有効厚さ以下では、もし底部に割れが発生した場合には図１の場合と同じになり、割れは界面方向に進展しやすくなるので、高合金層の有効厚さ超の深さに溝加工することが必要である。
【００１７】
すなわち、この溝は局部的熱応力の開放と、熱亀裂８の発生を溝の底部に誘導することにより、表面の高合金層の剥離を抑制することが出来る。またロール基材２には、靱性の高い高強度基材を使用することにより割れ進展を遅滞させれば高耐久性ロールが得られることになる。
【００１８】
本発明において、溝の底部断面コーナー部曲率半径を０．１〜２．０ｍｍとした理由は以下の通りである。
下限値の０．１ｍｍは、これ未満になると亀裂先端が鋭利となり、以降の亀裂進展速度が速くなってロールの亀裂使用基準に早期に達するため、下限値を０．１ｍｍとした。上限値の２．０ｍｍを超えると、図２の亀裂８が発生しにくくなり、本発明の効果がなくなる。
【００１９】
加工溝の配置、開口幅について、溝と次列溝との間隔を５〜６０ｍｍ、溝開口幅を０．２〜１０ｍｍと限定した理由は次の通りである。
溝と次列溝との間隔との間隔の下限値５ｍｍ未満になると亀裂が直進せず、斜めに伸展した場合に次列溝からの亀裂と繋がり、高合金層剥離の原因となるために５ｍｍ以上とした。また上限値６０ｍｍは、一つの直線亀裂が入った場合、両サイド３０ｍｍの範囲には、応力が開放された範囲で亀裂が生じがたいために規定した。
【００２０】
溝開口幅の下限値０．２ｍｍは、溝形状がＵ形の場合、底部Ｒの曲率半径の下限が０．１ｍｍのため、開口幅下限を０．２ｍｍとした。また上限値の１０ｍｍは、これを超えると製品鋳片（スラブ）を傷つけやすくなるために１０ｍｍとした。好ましい範囲はロール長、ロール径、使用環境によって左右されるので、選定にあたってはこれらを考慮して決定する。
【００２１】
溝の断面形状としては、Ｕ形、Ｖ形、角形、台形、半円形、半楕円形などが使用できるが、これらの例を図２の（ａ）〜（ｄ）に示す。図２（ｂ）はコーナー底部にＲをつけた表面開口の大きい台形溝の場合、図２（ｃ）は半円形溝の場合、図２（ｄ）はロール中央に半円形溝加工を行ない、両側に順次対称的に半楕円溝加工を行なう例を示した。
【００２２】
半楕円形溝の長所は、曲げモーメントの大きいロール中央側に小曲率側をもってくることにより、底部の熱亀裂の発生を少なくすることが出来ることである。この考え方をとれば、ロール中央部は半円形の溝加工を行ない、端部ではＶ溝加工ですますなど、応力集中と応力配分を考慮したロール設計を行なうことも可能である。
【００２３】
溝方向は円周方向直線とは限らず、螺旋状や円周方向直線から角度を持たせた斜め方向、または軸方向にすることも可能である。これについてもロール長、ロール径、使用環境によって左右されるので選定にあたってはこれらを考慮して決定する。
【００２４】
本発明に用いるロール基材としては、溝加工を行なう関係上、靱性が高く、かつ高温特性も良好な材料であることが望ましい。従来使用されているＪＩＳ−ＳＣＭ鋼あるいはＳＮＣＭ鋼が供用できる。
また、ロール基材の疲労強度を高めるため、高合金層を被覆する前に低膨張係数のＳＵＳ系表面硬化肉盛処理、あるいは靱性改善のための表面熱処理などの前処理を行なったロールを加工する場合も本発明の技術範囲である。
【００２５】
耐熱性表層を形成するための高合金材料としては、Ｎｉ基またはＣｏ基の耐熱合金はもとより、析出硬化型オーステナイト耐熱合金など、従来連続鋳造ロール表面に肉盛された材料はすべて適用しうることは当然である。
溶射の場合では、ＪＩＳ−Ｈ８３０３に規定するＮｉ自溶合金、Ｃｏ自溶合金なども当然含まれる。また、自溶合金溶射の場合には、後の再溶融処理を行なう場合も当然含まれる。
【００２６】
【実施例】
本発明連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロールの実施例について説明するが、これにより本発明が限定されるものではない。
湾曲型スラブ連続鋳造機の湾曲エプロンロールとして、Ｕ型溝を加工したロールを使用し、操業した。ロールの構成条件は次の通りである。
【００２７】

【００２８】
湾曲型スラブ連続鋳造機のスラブ鋳造能力は、３００ｔ／取鍋、１６００〜２０００ｍｍ幅、厚さ２５０ｍｍ、１５，０００ｃｈ（２０ヵ月）であり、上記した本発明ロールは、１５，０００ｃｈ（２０ヵ月）以上使用しても、基材と高合金層の界面剥離は起こらなかったのにたいし、溝なしのロールでは、３０００ｃｈで界面剥離を起こし、ロール交換が必要となった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているから、高合金層の熱応力に起因する残留応力の軽減、熱応力の開放、溝による熱拡散、冷却の効率化、熱亀裂発生の防止、熱亀裂伝播経路の誘導などが可能となり、連続鋳造ロールの耐久性向上に大きく寄与し、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高合金層に発生した熱亀裂の界面への伝播状態を示す断面説明図である。
【図２】高合金層下まで溝加工した本発明連続鋳造ロールの溝形状断面説明図である。
【符号の説明】
１耐熱性高合金被覆層
２ロール基材
３高合金層に発生した熱亀裂
４底部をＲ加工したＶ形溝
５底部コーナーをＲ加工した台形溝
６半円形溝
７ロール中央部に対称に加工した半楕円形溝
８熱亀裂

Claims

肉盛溶接または肉盛溶射によりロール胴部表面に形成された、旋削加工後の有効厚さ０．５〜３．０ｍｍのＮｉ基またはＣｏ基高合金層に、前記有効厚さを超える深さの溝が形成されていることを特徴とする連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロール。
ロール胴部表面に加工した溝の底部断面コーナー部が、曲率半径０．１〜２．０ｍｍとなるようにし、ロール負荷による応力集中を軽減した請求項１記載の連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロール。
Ｎｉ基またはＣｏ基の高合金材料で被覆したロール胴部表面につける溝の深さが、高合金層の有効厚さを超え、かつ隣接する溝との間隔が５〜６０ｍｍ、溝表面巾が０．２〜１０ｍｍである請求項１または２記載の連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロール。
Ｎｉ基またはＣｏ基の高合金材料で被覆したロール胴部表面につける溝の断面形状がＵ形、溝コーナー部が曲率半径０．１〜２．０ｍｍに加工されたＶ形、角形、表面側が開口の大きい台形、半円形または半楕円形である請求項１、２または３記載の連続鋳造用溝付き高合金肉盛ロール。