JP2000301302A

JP2000301302A - 入熱の少ない連続鋳造ロール

Info

Publication number: JP2000301302A
Application number: JP10710999A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Ono; 圭一郎大野; Yasunori Miyamoto; 泰憲宮本; Yukihisa Hino; 幸久日野
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Hardfacing Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Hardfacing Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】連続鋳造ロールにおいて、ロールが受ける熱
負荷を軽減し、ロール表面に発生する亀裂の進展速度を
低減する。【解決手段】ロール表面をショットブラストにてＲａ
８μｍ以上に粗面化し、更にロール本体より硬度が高く
耐高温酸化性・耐食性に優れるＣｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒを
７〜３０μｍの厚みにて薄膜溶射することで、表面の耐
摩耗性すなわち凹凸を維持させながら、金属光沢すなわ
ち低放射率にすることで、相手高温鋳片から受ける接触
伝熱及び輻射伝熱を低減し、ロール表面に発生・進展す
る亀裂を抑制する。また、このロールを実ラインにて使
用する前に、予めバフ研磨して常温放射率をε＝０．７
５以下にしておけばなお一層の効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は連続鋳造設備の連続
鋳造ロールに関し、ロールが高温鋳片から受ける入熱を
低減し、ロールに発生・進展する亀裂を抑制する技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄設備の連続鋳造装置は、図２に示す
ように、溶鋼をレードル６からタンディッシュ７を経て
モールド８に注入し、これを裏側内部が水冷されている
モールド及び連続鋳造ロール１の間に設置されている外
部スプレー水（図示なし）で冷却し、凝固させながら出
側に引き抜いていくことで、被鋳造材すなわち鋳片５を
連続して製造している。

【０００３】連続鋳造ロール１は、鋳片を約２ｍ／min
以下の低速で鉛直状態から徐々に後処理しやすい水平状
態に矯正しながら引き抜き搬送していくと共に、鋳片に
ロール圧力をかけて所定厚みに仕上げていく役割を持
つ。従って、図３に示すごとく、連続鋳造ロール１は１
回転の中で高温の鋳片５と接触した後、外部スプレー水
ノズル９による急冷を受け、この繰り返しのための熱応
力、及び機械的曲げ応力を同時に受けながら、ロールの
周方向に亀裂が入りそれが進展していく。

【０００４】特に近年、一杯のレードルの鋳造が終わっ
て、次の成分の異なるレードルの鋳造を行うときに、モ
ールド内において先行する鋳片の尾端の上に溶鋼を注い
でそのまま鋳造を続ける、連々鋳といわれる操業が主流
となっている。この場合、モールド内において異鋼種が
交じり合わないように、継ぎ目に仕切りの鉄板を敷く作
業があり、その際に鋳片を一定時間停止させなければな
らない。このことはマシンストップと称されるが、この
マシンストップがあることで、熱応力がより一層厳しい
ものとなり、亀裂進展速度が速くなってきている。

【０００５】通常、直径４００mm程度のロールで、亀裂
の限界を亀裂深さ４０〜５０mm程度で管理されている。
すなわち、亀裂がこの限界を超えるとロールが折損する
可能性が大きくなってくるため、亀裂深さに応じてロー
ル取替えを行う必要がある。一般に、連続鋳造設備のロ
ール本数は１生産ラインで数百本にも上るため、このロ
ール取替え再生費用は莫大なものとなっており、当該ロ
ールの寿命延長は極めて重要な課題となっている。

【０００６】ロールに発生する熱応力を軽減しようとす
るためには、ロールの温度を低減させるのが有効な手段
の一つである。通常の連続鋳造ロールでは、図３に示す
ようにロールの中心に軸方向に冷却孔４を加工し、ここ
に冷却水を流す方法が採用される。また別の手段とし
て、実公昭５２−５６３４６号公報に示されるように、
ロール表面直下にスパイラル状の冷却溝を設け、入熱源
である鋳片と接触する表面近傍を冷やすことで効率よく
ロール温度を下げる方法がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロール
の抜熱性能の向上を狙った従来の冷却方法においては、
次の欠点があった。すなわち、連続鋳造設備のロール冷
却に使用している水は、いわゆる循環水であり、酸化鉄
粉・カルシウム・シリカ等のスケール生成源を多量に含
んでおり、これがロール内部の冷却孔内壁に付着・成長
する。このスケールの成長厚みは１年間程度使用して通
常数mm以内であるが、スケールの組成が主として酸化物
から成るものであるため鋼に比べ熱伝導率が極めて低
く、スケールの厚みが僅かでも大きな冷却能低下に繋が
る。

【０００８】前記実公昭５２−５６３４６号公報に示す
方法では、スケールの付着がない場合には、ロール表面
温度は中心冷却孔４の場合に比べ３００℃以上も低減で
きる。しかしながら実際には水質の問題から、スケール
付着・成長の影響が大きく、所期の効果が得られていな
い。更に、このロールは表面近傍に冷却孔を設ける構造
であるため、ロール本体の強度上の制約から、冷却孔の
大きさは中心に１個の孔を設ける場合と比べ小さくせざ
るを得ない。そのため特に水質の悪いラインでは、冷却
孔の内壁全体から中心に向かって成長したスケールで孔
が閉塞してしまう、というトラブルも発生し得る。また
当該ロールは他に製造・再生コストが高いという難点も
あり、実ラインへの本格採用は難しい。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の従来技
術がロールの冷却効率向上すなわち抜熱を考えたもので
あったのに対し、ロールへの入熱負荷を減らすことに着
目して為したもので、その要旨は次の通りである。すな
わち、ロール表面に適切な凹凸を設け、更にロール本体
より硬度が高く耐高温酸化性・耐食性に優れる材料を薄
膜溶射することで、表面の耐摩耗性すなわち凹凸を維持
させながら、金属光沢すなわち低放射率にすることで、
相手高温鋳片から受ける接触伝熱及び輻射伝熱を低減
し、ロール表面に発生・進展する亀裂を抑制するもので
あり、具体的な構成は次の通りである。

【００１０】（１）表面をショットブラストで粗さＲ
ａ８μｍ以上に粗面化し、かつその上にＣｒ₃Ｃ₂−Ｎ
ｉＣｒ溶射を７〜３０μｍの厚みにてコーティングした
ことを特徴とする、入熱の少ない連続鋳造ロール。（２）上記（１）に記載のロールの表面を、更にバフ
研磨して、全放射計により測定した常温放射率εをε＝
０．７５以下にしたことを特徴とする、入熱の少ない連
続鋳造ロール。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
図４に示すごとく、連続鋳造ロール１の高温の鋳片５と
接触している側は、鋳片から２種の入熱負荷、すなわち
接触伝熱１０及び輻射伝熱１１を受け、当該部が高温に
加熱される。ロールの回転速度によっても異なるが、接
触部近傍の温度は４００〜７００℃以上にもなることが
分かっている。この温度上昇がロール表層の肉盛層を降
伏させ、亀裂・進展の主因となる。

【００１２】従来の連続鋳造ロールは、表層に１３Ｃｒ
系ステンレス鋼を溶接肉盛した後、旋盤で加工して表面
粗さを中心線平均粗さＲａで２〜６μｍ程度に加工して
使用される。ここでＲａとは、表面の粗さ曲線からその
平均線の方向に基準長さＬを抜き取り、この抜き取り部
分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取
り、粗さ曲線をｙ＝ｆ(x) で表わしたとき、下記計算式
で得られる値をμｍで表わしたものである。

【数１】なお、粗さを測定する条件としては、カットオフ値λす
なわち基準長さＬを２．５mm、評価長さを１２．５mmと
して測定したデータで評価することにした。

【００１３】実ラインで前記の溶接肉盛後旋盤加工した
ロールを使用すると、ロール表面の凹凸が小さいので、
鋳片が高温で軟化していることもあいまって、ロールと
鋳片の接触はいわゆるべた当たりの状況になり、ミクロ
的に見た真実接触面積も大きい状態となっており、鋳片
〜ロールの接触面を通じた伝熱が行われ易い状態となっ
ている。

【００１４】一方、ロール表面の色は、製造直後すなわ
ち旋盤加工後は銀白色の明るい金属光沢を呈し、低い放
射率を示す。しかし実ラインに組み込んで数日後には、
鋳片と接触している範囲は高温酸化及び腐食を受けて黒
色ないし茶褐色に変色し、放射率εは極めて高くなり、
輻射エネルギーを吸収しやい状態となってしまい、輻射
による入熱量も定常的に大きい状態となってしまう。

【００１５】次に本発明の実施の形態を図１を用いて説
明する。図１に示すごとく、本発明者等はロールへの入
熱負荷を低減させる手段として、ロール表面をショット
ブラストで符号２で示す如く粗面化しておき、その上に
硬度が高くかつ金属光沢をもつ溶射３を下地の粗度をな
るべく落とさない範囲で薄膜溶射することを発明した。

【００１６】ロールは粗面化により鋳片との真実接触面
積が減って、接触の熱伝達率が下がり接触伝熱量が低減
される。粗面化した上に、硬度が高く金属光沢を持つＣ
ｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒ溶射を行う。溶射後の粗度は若干低
下し凹凸が小さくなるが、表面硬度が高くなり耐摩耗性
が向上するため、付与した粗度（凹凸）、すなわち低い
熱伝達率を長期間に渡って維持することができる。

【００１７】一方、当該溶射被膜は金属光沢を持つため
放射率εが低いので、鋳片から受ける輻射熱の吸収率が
小さくなり輻射入熱が減る。Ｃｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒ溶射
被膜は耐高温酸化性、耐食性に極めて優れるので、従来
１３Ｃｒ系ステンレス鋼のように実ラインに組み込む
と、極く短期間のうちに酸化及び腐食が進み黒色〜茶褐
色状となり、放射率が上がってしまうこともない。

【００１８】前記の凹凸付与及び放射率低減の効果は、
本発明者等の実験及び解析によれば、およそ次の通りで
ある。従来ロールとして、０．０８Ｃ−１３Ｃｒ−１Ｎ
ｉ系ステンレス鋼を溶接肉盛し６５０℃×４時間の応力
除去焼鈍を行った後、旋盤加工によりＲａ２．８μｍに
加工したロール、及び本発明ロールとして、前記方法と
同じ手順で製作したロールに、更にショットブラストに
よる粗面化処理を行い、その後Ｃｒ₃Ｃ₂−２０％Ｎｉ
Ｃｒ溶射被膜を約１２μｍの厚みにて形成し、更にバフ
研磨して粗度をＲａ１１．５μｍにしたロールを試作し
た。

【００１９】これら２つのロールの表面を、平坦な加圧
面を持つプレスで線圧３０kgf/mmで部分的に押し付けて
表面をある程度潰した。線圧３０kgf/mmは、実ラインの
水平部でロールが鋳片から受ける反力により発生する線
圧と同レベルの値である。この試作ロールの表面のプロ
フィールを測定し、そのチャートからロールが鋳片と接
触するであろう真実接触長さを読み取り、比較した。そ
の結果、従来ロールに対し本発明ロールの真実接触長さ
は約２／３に低減できることが分かった。接触伝熱量は
接触面積に比例するので、ロール周方向の接触幅が同じ
と考えても、伝熱量は２／３に低減できる。伝熱量低減
効果からロール表面の温度低減効果を推定計算すると、
約８４℃程度の温度低減が可能であることが分かった。

【００２０】一方、上記の本発明ロールの放射率を測定
したところε＝０．６８であった。従来ロールは実ライ
ン使用開始１０日後測定したデータではε＝０．９５程
度であった。この放射率の差を基に、ロールが受ける輻
射伝熱量低減代から推定した結果、５２℃のロール表面
温度低減が期待できることが分かった。

【００２１】なおここで放射率εの意味は次の如くであ
る。すなわち、輻射伝熱により入射するエネルギーを１
００％吸収する物体（完全黒体）が、その単位表面積・
単位時間当たり吸収する輻射エネルギーの大きさ（放射
能という）をＥｂとする。一方、ロール表面の放射能を
Ｅとしたとき、放射率はε＝Ｅ／Ｅｂで表わされる値で
ある。なお放射能Ｅ、Ｅｂは温度すなわち輻射エネルギ
ーの波長の変化によって変化するが、その比である放射
率εは灰色体と呼ばれる通常の工業材料であれば、温度
によって変化しない。当該ロールに使用している金属材
料は灰色体であり、放射率εは温度によって殆ど変化し
ないと考えられるので、放射率は常温にて測定した値で
規定した。測定に用いた計器は全放射計（サーモパイ
ル）と呼ばれるものである。

【００２２】ロール表層の１３Ｃｒ系ステンレス鋼は特
に５００℃以上の高温となると、急激に耐力が低下する
ので、当該温度域では本発明の上記のような温度低下代
でも、塑性歪みの抑制すなわち亀裂の発生・進展を遅ら
せる効果は非常に大きいものがある。

【００２３】本発明において、溶射被膜をもっと厚くし
て溶射後ショットブラストを行い、溶射被膜層の中で凹
凸を付与する方法をとらなかった理由は次の通りであ
る。すなわち、この方法では被膜の厚みは少なくとも厚
い部分で５０μｍを超える厚みになってしまう。当該溶
射はいわゆる高速フレーム溶射機で施工されるものであ
り、母体への密着力はメカニカルな結合が主体であり、
自溶性合金溶射被膜のように強いものではない。溶射被
膜は厚くなるほど剥離し易くなるのは周知の事実であ
り、連続鋳造ロールのごとき熱応力の厳しい条件では、
厚みが厚いと剥離し易くなってしまうので、必要な機能
を満足できる範囲で被膜は薄いほど耐久性の良いものが
できる。また言うまでもなく、本発明の方が表面を改善
するためのコストは大幅に安価になる。

【００２４】次に本発明の数値限定根拠を説明する。シ
ョットブラスト処理後の粗度をＲａ８μｍ以上としたの
は、これ未満では真実接触面積を低減する実質的効果が
得られないからである。溶射被膜の種類をＣｒ₃Ｃ₂−
ＮｉＣｒとしたのは、ある程度硬度が高く金属光沢も得
られる材料の中で、当該被膜が最も硬度が高く、かつ低
い放射率が得られたからである。溶射被膜の厚みを７〜
３０μｍに限定したのは、７μｍ未満だと凹凸の保持性
が悪いからである。３０μｍ以下としたのは、これを超
えると被膜の剥離が起こり易くなるのと、溶射後の凹凸
が少なくなり過ぎてしまうからである。

【００２５】本発明のロールの放射率は溶射のままでは
ε＝０．８程度で、従来ロールの実ライン使用後の放射
率と比べて低減代は少ない。しかしながら、本発明ロー
ルは実ラインに組み込むと、操業中の鋳片との適度な摩
擦・研磨作用により金属光沢が出て放射率が更に下が
る。従って溶射ままでもよいが、予めバフ研磨で凹凸を
小さくし過ぎない範囲で粗く磨いておくと、最初から放
射率をもっと下げることができ、より好ましい。バフ研
磨後の放射率を０．７５以下としたのは、環境条件のば
らつきによりロール寿命が大きくばらつく実ラインにお
いて、有意な寿命延長が期待出来る放射率の差が、０．
９４に対して０．７５だからである。

【００２６】

【実施例】本発明の一実施例を表１に基づいて説明す
る。表１は従来の方法で製造されたロール、及び本発明
技術の構成を考えるために各種条件で表面を形成したロ
ールに対し、粗さ、放射率等を計って性能を調べてみた
結果である。No.１は従来ロールとして通常用いられる
もので、０．０８Ｃ−１３Ｃｒ−１Ｎｉ系のステンレス
鋼を溶接肉盛した後、６５０℃×４時間の応力除去焼鈍
を行い、旋盤で仕上げ加工を行ったものである。 No.２
は No.１のロールを実ラインに組み込んで１０日後に測
定したものである。No.３は No.１ロールにショットブ
ラストを加えたもの、 No.４〜９は硬度が１３Ｃｒ系ス
テンレス鋼より高くかつ金属光沢を持つ３種類の溶射を
No.３ロールの上に薄膜コーティングしたもの、及び更
にバフ研磨を実施したものである。No.１０〜１１は N
o.８〜９のロールを実ラインに組み込んで２４０日間使
用した後、測定したものである。

【００２７】なお、試作条件は以下の通りである。（１）ロール：直径４００mm （２）ショットブラスト：アルミナセラミックス粒使用（３）バフ研磨条件：炭化珪素セラミックスの粒を埋め
込んで成形した直径０．２mmのナイロン製ワイヤーを束
ねて幅１７mm、直径１５０mmのブラシとしたものを使用
した。粒度は＃８０番相当である。当該ブラシを旋盤の
往復台にセットして、回転数５００rpm 、送り１０mmで
２往復の研磨を行った。研磨中のロールの回転数は６０
rpm とした。

【００２８】従来ロール No.１、 No.２は、製作後旋盤
加工状態では表面は一定ピッチの凹凸の小さいバイト目
が形成され、表面粗さＲａは４〜６μｍ程度である。実
ライン使用前の表面の色調は銀白色で輝いた状態であ
り、放射率は０．２５と極めて低い。しかしながら、 N
o.２の結果から分かるように当該ロールは耐酸化性・耐
食性に劣るため、実ライン使用１０日の後にはもはや、
放射率は０．９４にまで上昇し極めて輻射熱を吸収し易
い状態となってしまった。No.３は従来ロールにショッ
トブラスト処理を行ったもので、表面粗さはＲａ１４．
４μｍと十分な凹凸が形成された。

【００２９】次に、当該ロールに更に３種類の溶射被膜
を形成させた。溶射材料は粗度維持性及び低放射率（金
属光沢）特性から考えてＮｉＣｒ、トリバロイ、及びＣ
ｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒの３種類を選定した。被膜厚みはい
ずれも１０〜１５μｍとした。 No.４のＮｉＣｒは溶射
ままでも放射率が比較的低く良好であるが、硬度が低い
ため No.５にてバフ研磨したところ、溶射被膜が部分的
に露出してしまった。なお、下地が露出していないか否
かの確認は硫酸銅溶液を用いて確認した。硫酸銅は鉄と
反応して変色するので、研磨跡を濡らして変色すれば、
下地溶接肉盛層すなわち鉄成分を含むステンレス鋼が露
出しているか否かが判断できるからである。

【００３０】No.６・７のトリバロイは、ＮｉＣｒとＣ
ｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒの中間の硬さを持つ被膜であるが、
No.７においてバフ研磨したものでも放射率がそれほど
下がらず、輻射入熱低減効果が今一歩であった。 No.
８，９のＣｒ₃Ｃ₂−２０％ＮｉＣｒは最も硬度が高
く、粗度維持性が期待できる被膜である。放射率測定結
果も溶射ままではトリバロイと同レベルであったが、バ
フ研磨により放射率が更に１７％低下し、０．６８にな
った。

【００３１】更にＣｒ₃Ｃ₂−２０％ＮｉＣｒを実ライ
ンで使用して状況をフォローした結果が No.１０〜１１
である。 No.１０で分かる通り、当該被膜は実ラインで
使用後２４０日という長期間経過しても、粗度の低下は
余りなく、接触伝熱低減効果を維持している。また、放
射率は鋳片から適度な研磨作用を受けることで、使用前
に対し１２％程度低下し輻射入熱抑制効果が増している
ことが確認できた。

【００３２】以上の結果から、粗度保持性及び輻射入熱
低減の両方に有効なＣｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒを溶射被膜と
して選定することにした。なお、Ｃｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒ
溶射は、ＮｉＣｒの含有率の異なる何種類かの原料があ
るが、ＮｉＣｒが重量％で１５〜５０％の範囲であれ
ば、硬度・放射率両方の観点から有効にその効果を発揮
する。

【００３３】本発明ロール、すなわちショットブラスト
後Ｃｒ₃Ｃ₂−２０％ＮｉＣｒの薄膜溶射を実施したロ
ールと、更にバフ研磨したロール各１０本を実ラインに
適用し、１．５年の間亀裂進展状況を追跡した。亀裂深
さは各ロールの最大深さの亀裂の１０本の平均値で評価
した。追跡調査の結果亀裂深さは、従来１３Ｃｒ系ステ
ンレス鋼溶接肉盛・旋盤仕上のロールに対し、亀裂深さ
が１／１．７から１／２．３に低減出来ることが確認で
きた。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によればロールの
実ラインでの取替周期は上記低減率の割合で延長できる
ので、亀裂補修のための取替工事費及び取り外し後の肉
盛再生費、すなわちランニングコストの大幅削減が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の連続鋳造ロールの表面の構成を示す模
式図である。

【図２】連続鋳造設備の構成を示す図である。

【図３】連続鋳造ロールの受ける熱サイクルを説明する
ための模式図である。

【図４】連続鋳造ロールに加わる入熱を説明するための
模式図である。

【符号の説明】

１：連続鋳造ロール２：連続鋳造ロールの表面にショットブラストすること
により生じた粗面３：溶射被膜４：連続鋳造ロールの冷却孔５：鋳片６：レードル７：タンディッシュ８：モールド９：外部スプレー水ノズル１０：接触伝熱１１：輻射伝熱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本泰憲君津市君津１番地新日本製鐵株式会社君津製鐵所内 (72)発明者日野幸久君津市君津１番地日鉄ハード株式会社君津製造所内Ｆターム(参考） 3J103 AA02 AA51 EA03 EA20 FA01 FA09 FA13 FA15 GA02 GA15 HA04 HA31 HA33 4E004 LC00 4K031 AA01 AB08 BA01 CB10 CB14 CB22 CB45 FA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面をショットブラストで粗さＲａ８μ
ｍ以上に粗面化し、かつその上にＣｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒ
溶射を７〜３０μｍの厚みにてコーティングしたことを
特徴とする、入熱の少ない連続鋳造ロール。
【請求項２】請求項１記載のロールの表面を、更にバ
フ研磨して、全放射計により測定した常温放射率εをε
＝０．７５以下にしたことを特徴とする、入熱の少ない
連続鋳造ロール。