熱間圧延鋼板および鋼帯のバックアップローラーの使用と管理

要約: 熱間圧延鋼板の生産量と品質に対する要求はますます高くなり、バックアップ ロールの使用と管理に対する要求も日々変化しています。この場合、バックアップ ロールの使用と管理を検討し、バックアップ ロールの耐用年数をできるだけ延ばし、生産と製品の品質に影響を与えるバックアップ ロールの事故を回避することが特に重要です。

キーワード: ロール、摩耗、ロールの種類、使用、管理

熱延鋼板の生産量が徐々に増加するにつれて、バックアップロールの使用に対する要件もますます高くなっています。バックアップロールの耐用年数を延ばす方法は、熱延鋼板工場が研究する主要なテーマの 1 つになっています。現在、私たちは同僚と協力して工場のバックアップロールの使用と管理を分析し、ロールの最大のコスト効率を見つけています。

熱間圧延鋼板および鋼帯の概要 バックアップロール

バックアップロールは主に生産圧延中にワークロールを支えるために使用されます。バックアップロールは耐用年数が長く、長時間にわたって交互曲げ応力を受けるため、バックアップロールには優れた靭性と耐破壊性が求められます。したがって、高い耐摩耗性、高い剥離性、耐破壊性の完璧な組み合わせは、バックアップロールの必須条件です。

一般的に、熱間圧延機のバックアップロールの開発は 4 つの段階を経てきました (表 1 を参照)。

上の表からわかるように、バックアップロール材料中のCr元素含有量の増加は、バックアップロールマトリックスの耐水性および耐摩耗性の向上に効果的です。テストと経験の要約に基づくと、バックアップロール組成中のCr含有量は5%が最適であると考えられます。そのため、現在、ほとんどの熱間圧延ストリップミルでは、鍛造Cr5バックアップロールを使用しています。この材料は、今日の熱間圧延ストリップ生産工場のニーズにより適していることが実践で証明されています。

表1 バックアップロール材料の開発段階 熱間圧延機

バックアップロールの使用

板厚は鋼板の重要な品質指標であり、ロールの摩耗は鋼板の最終板厚に影響を与える重要な要素の 1 つです。ロールの摩耗には、バックアップ ロールの摩耗とワーク ロールの摩耗が含まれます。バックアップ ロールのロール交換周期はワーク ロールのロール交換周期よりもはるかに長いため、その激しい摩耗はワーク ロールの曲げ変形に影響を与え、それによって鋼板の形状品質に影響を与えます。ロールの摩耗は、現在の生産において定量的に制御することが難しい要素の 1 つです。

ローラーの摩耗

ロール摩耗のメカニズムは他の摩耗と同じです。トライボロジーの観点から、ロール摩耗はマクロおよびミクロの寸法の変化として理解できます。一般的に議論されるロール摩耗には、マクロ摩耗とミクロ摩耗の両方が含まれており、ロール直径の減少として客観的に現れます。

バックアップ ロールの摩耗は、主にワーク ロールとの相対的な滑り摩擦と転がり摩擦によって発生します。ワーク ロールの表面と炭化物粒子がバックアップ ロールの表面の金属粒子を削り取り、バックアップ ロールの摩耗を引き起こします。摩耗量は、ロールの材質、表面硬度、粗さ、ロール間の圧力、相対的な滑り量、転がり距離などの要因に関係します。

大量の測定データからの統計によると、下部支持ローラーの摩耗量は上部支持ローラーの摩耗量よりも大きいことが示されています。この現象の主な原因は、大量の酸化鉄スケールを運ぶ冷却水が下部ローラーの表面に作用し、下部支持ローラーの動作条件が悪くなり、下部支持ローラーの摩耗が加速することです。上記の問題に対応して、現場のアンダーサポートでは、ローラーの摩耗を補うために次の対策を採用しています。

（1）圧延品種から制御します。新しく設置されたローラーは、まず、厳しい公差要求のある幅広、薄板、板、ストリップ製品を圧延し、ローラーの摩耗に応じて製品の仕様を順次変更します。幅広から幅狭、薄板から厚板へと変更し、最後に公差要求の低い製品を圧延します。

（２）圧延によるロールの摩耗を考慮する。ロールの摩耗を補うために圧延量を減らす方法を採用する必要がある。

（３）ロールの摩耗をロール冷却の観点から考える。すなわち、ロール本体の温度分布を変えることでロール摩耗の影響を補う。ロールが摩耗するにつれて、ロール端部の冷却水の量が徐々に増加し、それに応じてロールの熱クラウンが増加する。

以下では、主にロール プロファイル設計によるバックアップ ロールの摩耗の補正の問題について紹介します。

ローラー形状設計 バックアップロール

バックアップローラーの摩耗は、鋼材圧延工程担当者が特に注意しなければならない問題です。バックアップローラーの摩耗に関する正確で合理的な統計を実行することによってのみ、各バックアップローラーの合理的な使用期間、バックアップローラーの実際の摩耗量、およびローラー本体に沿った摩耗の分布を決定できます。形状制御に不可欠で正確な情報を提供し、最終的に製品の品質を保証します。

（１）ローラー型設計

当工場では、バックアップローラー研磨前の実際の状況に基づいて大量のデータ統計を実施し、平ローラーと正弦ローラーを使用したバックアップローラーのロールカーブは、機械から取り外された後、適切に維持されていないことを発見しました。ロール表面には不均一な摩耗が発生することが多く、この現象は下流のスタンドで特に深刻です。この問題は常に圧延鋼板の形状を制御する難しさの核心であり、克服する必要があります。実験と探索を通じて、バックアップローラーのロール形状は、元の正弦曲線から「6乗」曲線に変更されました。実験結果によると、機械から降りた後のロール形状は、機械に乗る前に設定されたロール形状と基本的に一致しており、バックアップローラーの不均一な摩耗という元々の問題を大幅に解決し、板形状制御の難しさを大幅に軽減します（図1を参照）。

「6乗」曲線の採用により、バックアップロールの中間部分とワークロールは圧延中に完全に接触できます。摩耗後のバックアップロールの自己保持が大幅に改善され、元の設計されたロール形状が基本的に維持されます（図2を参照）。新しいローラータイプの設計と使用により、不均一な摩耗が改善されます。

（２）エッジ面取り設計

バックアップローラーのロールタイプを合理的に選択すれば、バックアップローラーの不均一な摩耗による問題のほとんどを解決できます。しかし、圧延工程において、バックアップローラーの肩部に面取りがないか、面取りが小さすぎるか、あるいは面取りの設計が不合理な場合、バックアップローラーの肩部に有害な接触が発生します。バックアップローラーの肩部に作用する交互接触圧力応力により、バックアップローラーのエッジが剥がれ、バックアップローラーが事前に廃棄され、さらには生産事故を引き起こす可能性があります。したがって、バックアップローラーの肩部への応力集中の問題を解決し、バックアップローラーのエッジが剥がれるのを防ぐために、バックアップローラーのエッジに合理的な遷移曲線を設けることが非常に重要です。バックアップローラーのエッジには円弧複合面取りが採用されており、肩部への応力集中を軽減する効果に優れています（図3を参照）。面取りが小さすぎるように設計すると、圧延の後の段階で面取りが機能しなくなり、面取りが大きすぎるように設計すると、面取りのかかとに応力集中が発生します。バックアップローラーの使用経験によると、バックアップローラーの片側の長さ200mm以内に、半径方向に1〜2mmの複合円弧面取りを行う必要があります。これにより、応力集中ポイントを効果的に減らし、有害な接触面を減らし、バックアップロールの使用期間中のロール事故を回避できます。

図1 第6乗曲線ローラー曲線

図2 摩耗後のバックアップローラーのロールプロファイル曲線

図3 バックアップローラーショルダー面取り

バックアップロールの管理

また、ロール使用品質の鍵はバックアップロールの管理にあり、管理品質はバックアップロールの耐用年数とコスト指標に直接関係しています。バックアップロールの管理は工場ごとに検討する必要があり、無差別にコピーすることはできません。バックアップロールを使用する工場の圧延品種と設備状況に基づいて関連対策を策定し、バックアップロールの管理レベルを徐々に向上させる必要があります。

工場に入るバックアップロールの管理

バックアップ ローラーの工場入庫後の超音波検査は特に重要です。バックアップ ローラーは製造工程で欠陥が生じることは避けられないため、工場入庫後は入念に検査して確認する必要があります。ロールに小さな欠陥があると、大きな事故や凶悪な事故につながる可能性があることを知っておくことが重要です。そのため、超音波検査担当者の仕事は非常に重要です。サポート ローラーの内部欠陥は、使用前に発見した場合にのみ、欠陥の状況に応じて必要な対策を講じることができます。問題のあるバックアップ ローラーの使用に関する具体的な追跡計画を作成し、バックアップ ローラーの欠陥の拡大による生産事故を回避するようにします。ロールの欠陥が見つかった場合は、欠陥の位置、深さ方向などを記録して、使用中のバックアップ ロールの追跡を容易にする必要があります。欠陥が拡大していることが判明したら、事故を防ぐためにすぐに使用を中止する必要があります。

正常および異常シャットダウン管理

正常に取り外した後のサポートローラーは、所定の研削量に従って加工する必要があります。加工前にサポートローラーを完全に冷却しないと、温度の影響で加工されたローラーの形状が変化し、生産作業が不安定になるのを防ぐことができます。また、バックアップローラーの表面硬度を定期的に測定し、硬度の変化に応じてバックアップローラーの研削量を調整することで、バックアップローラーの表面の硬化層を除去し、剥離を防ぐ必要があります。

ロールが異常に機械から外れた場合（ロールが機械上で鋼材詰まりや鋼材固着などの事故を起こした場合）、バックアップロールの加工量が変わります。ロールが機械内にあるときに鋼材詰まりや鋼材固着などの事故が発生した場合は、サポートロールを機械から取り外した後、表面欠陥に基づいて加工量と研削量を再決定する必要があります。超音波検査と渦電流検査を組み合わせて、欠陥部品の亀裂の深さを正確に特定して決定する必要があります。加工中に欠陥を検出する原理を採用し、亀裂の深さを常に決定し、加工量を可能な限り減らしながら亀裂を完全に加工します。このアプローチはロールの加工時間を延長する可能性がありますが、この方法はロールの異常な加工消費を節約できます。研削とプロービングを同時に行う方法を使用することによってのみ、ロールの異常消費を真に削減できます。そうでなければ、通常のシャットダウン後の限られた量の研削だけでは消費を真に削減することはできません。 1回あたりの加工・研削量は少なく、すぐに事故が発生することはないかもしれませんが、時間の経過とともに蓄積された疲労亀裂は処理されておらず、最終的には圧延工程中にロール上で事故につながる可能性があり、そうなると利益が損失を上回ります。

したがって、熱間圧延機には、対応する検出装置を装備する必要があります。 超音波探傷検査と渦電流探傷検査は、研削前後のサポートローラーに対して実行できます。 必要に応じて、磁粉探傷検査、着色探傷などの手段を使用して、サポートローラーの内部に疲労亀裂があるかどうか、表面に残留亀裂があるかどうかを確認できます。 硬度検査を通じて明らかな加工硬化領域があるかどうかを判断し、バックアップローラーの表面硬度が均一であることを確認し、バックアップローラーの欠陥が機械に入るのを防ぎます。 バックアップローラーの交換サイクルは、ショルダーの加工硬化状態に応じて調整し、使用中に硬度が4HSを超えて増加しないようにする必要があります。 加工硬化層は研削中に完全に除去し、研削後にローラー表面硬度をテストして、硬度値をサポートローラーの元の硬度に戻す必要があります。

ロールファイル管理

ロールの使用記録を完全に作成する必要があります。特に、ロールの渦電流および超音波探傷ファイルを作成する必要があります。統計によると、機械で事故が発生したロールのほとんどは、異常な状態で機械から取り外され、修理されてから再度使用されたロールです。

そのため、サポートロールは、渦電流、表面超音波、接合部の微小亀裂超音波探傷検査によって定期的に検査する必要があります。また、圧延事故を経験したバックアップロールは、100%で亀裂検査する必要があります。同時に、探傷器の動作レベルを向上させて、機器の漏洩の可能性を減らす必要があります。

これらの対策を講じることで、サポートローラーでの事故を軽減または回避し、サポートローラーの耐用年数を延ばし、サポートローラーの消耗を抑えることができます。

バックアップロールの故障モードと予防

バックアップロールの主な故障モードは、ロール本体の剥離とロール側面の剥離です。また、ロールネックの疲労破壊やロール本体の応力破壊などの故障モードもあります。ロールの故障は使用中によく発生します。この問題は、ロールの損傷、耐用年数の短縮、さらには早期廃棄の直接的な原因です。したがって、ロールの故障はロールユーザーにとって最も避けたいことです。しかし、この問題が存在するため、現場のロールの管理には常に悩まされてきました。ここでは、バックアップロールの故障モードをさまざまな側面から分析し、ロールの使用と管理を強化し、この問題の発生を回避するよう努めます。

バックアップローラーの剥離

（１）バックアップロールの製造工程において、バックアップロールとワークロールの不均一な摩耗により、ワークロールの正負の曲げ力により、バックアップロール本体の中央に凹みが生じ、両端に膨らみが生じます。ロール本体の端部の接触応力が増大し、材料の降伏限界を超えると塑性変形が発生します。複数の交互変形により微小亀裂が発生し、亀裂の拡大により大きな破片が剥がれます。

（２）バックアップローラは高硬度ワークローラと常に転がり接触しており、ローラ表面は周期的な接触圧力応力を受ける。周期的な転がり接触応力により、バックアップローラ表面には加工硬化層が形成されることが多いが、すべての加工硬化が剥離につながるわけではない。硬化度合いによって増加した応力値と転がり応力が材料の降伏限界を超えた場合にのみ、微小亀裂が伝播して剥離を引き起こす。4HSの加工硬化硬度増加が本来の硬度を超えると、剥離の恐れがある。根本的な解決策は、硬化層を加工除去し、表皮の微小亀裂が剥離を引き起こすのを防ぐことである。

このような微小亀裂は、ロールの使用中に発見することが難しく、亀裂の拡大を検知することも困難です。ロールを機械から取り外して研削を行ったときに発見されず、大量の研削が行われた場合、再度使用したときに亀裂が急速に拡大し、剥離を引き起こす可能性があります。バックアップローラーの耐用年数が長いため、バックアップローラーの中央の摩耗が大きく、両端の摩耗が小さいため、ローラーの形状がU字型になります。これにより、ローラー本体の両端に局所的な接触圧力のピークが発生し、両端の交番せん断応力が増加し、疲労損傷が加速されます。また、ロールの端の摩耗が少ないため、最大交番せん断応力点は基本的に移動しません。その繰り返し作用により、局所的な亀裂が発生する可能性があります。亀裂が伝播するにつれて、最終的に剥離を引き起こします。バックアップローラーの剥離は、主に小さな破片の剥離であり、ロール本体が圧延材に接触する範囲内に分布しています。

バックアップローラーの故障モードの防止

（1）加工硬化の監視支持ローラーを加工した後、ローラー表面の硬度をテストします。1つ目は硬度が増加傾向にあるかどうかを確認することであり、2つ目は硬度の均一性を判断することです。機械を稼働させる前と比較して硬度が4HS以上増加した場合、研削量を適切に増やして、圧延サイクルを効果的に短縮する必要があります。ローラー表面を複数回加工し、ローラー表面の硬度を繰り返しチェックして、加工硬化層がきれいで、前回機械を機械に取り付けたときの硬度に達しているかどうかを確認します。

（２）疲労亀裂モニタリングは、磁性粒子、浸透探傷法、超音波探傷法を用いて疲労亀裂が除去されたかどうかを確認し、疲労層を除去するために研削量を適切に増加させることができる。

（3）ロール交換周期を調整する。バックアップロールの疲労亀裂は、ロールの使用周期、研削システム、およびロールを機械に載せる前のロール表面の状態に密接に関係しています。そのため、バックアップロールのロール交換周期は、バックアップロール表面の硬度の変化に応じて徐々に調整する必要があり、さまざまな非破壊検査方法を使用してロール表面の亀裂を検出し、疲労亀裂の除去を確認する必要があります。長年の経験の蓄積を経て、合理的なローラー交換システムと研削システムがまとめられ、策定されました。これは、サポートローラーの接触疲労亀裂を防ぐための非常に効果的なメンテナンス方法です。

製造における欠点 バックアップロール

（1）硬度低下抑制問題技術協定の要求によると、新品のバックアップローラーの硬度は基本的にHSD68前後です。バックアップローラーが使用中期から後期にかけて、硬度の低下が著しく、基本的にHSD60以下になります。サポートローラーの硬度が低下すると、耐摩耗性がなくなり、ローラー本体に毛羽立った綿毛のような鉄毛が発生しやすくなり、サポートローラーが理論設計周期通りに機能できなくなります。これにより、バックアップローラーの頻繁な交換が必要になり、コストが増加するだけでなく、従業員の労働強度も増加します。

（２）硬度均一性の問題バックアップローラーの硬度均一性が悪いため、ローラー本体の摩耗が不均一になり、プレートの形状制御と製品品質に直接影響を及ぼします。

（3）表面製造欠陥の問題。一部のバックアップローラーは鍛造時の工程要件を満たしていないため、ローラー本体内部の「気孔」が一定直径で表面に多数露出しています。「気孔」の存在により、バックアップローラーの研磨量が増加し、バックアップローラーの利用率が低下し、サービスサイクルが大幅に短縮されます。同時に、バックアップローラーは長期使用後に「気孔」に亀裂が生じやすく、ローラー表面に剥離事故を引き起こす可能性があります。

結論

バックアップ ローラーの最終的な使用品質は、機械上のバックアップ ローラーの事故件数とさまざまな圧延指標によって評価されます。現在、大手製鉄所では省エネと消費量の削減が主流となっており、現場でのサポート ローラーの使用と管理レベルを向上させる必要があります。サポート ローラーの消費量を削減することは、技術者の主な仕事となっています。

まとめると、バックアップローラーを期待されるスクラップの直径まで使用できることを望むなら、バックアップローラーの欠陥検出、使用、管理に力を入れ、事故を最小限に抑える必要があります。サポートローラーの使用を新しいレベルに向上させ、生産プロセスの円滑な進行を確保します。同時に、製造業界が熱延鋼板およびストリップミルに、より優れた、より洗練されたバックアップローラーを提供できることも期待されています。これにより、双方がウィンウィンの状況を実現し、共通の成功を達成できます。