熱間連続圧延高クロム鉄のワークロールにおける熱損傷亀裂の調査

さまざまな種類の亀裂が発生します 熱間圧延作業ロール 圧延機とロールの生産安全性を確保するには、これらの亀裂、特に機械的衝撃亀裂と製造欠陥亀裂を生産プロセスの要求に従って除去する必要があります。しかし、ロールは鋼圧延プロセスの主要なスペアパーツです。ロールの異常が多ければ、必然的に鋼圧延コストが増加します。また、ロールの回転効率とロール準備効率に影響を与え、生産の安定性と安全性に影響を与えます。上記の問題を解決するために、仕上げ圧延の前部に熱損傷亀裂がある高クロム鉄ワークロールの実験ストリップを機械に使用しました。

熱間圧延ワークロールの使用中に発生する亀裂には、主に機械的亀裂、疲労亀裂、熱損傷亀裂（固着鋼の過熱などによる）の3種類があります。ある熱間圧延ラインでは、仕上げ圧延の前部（F1〜F4）での事故率が高く、主にF1の滑りや詰まり、F1〜F4の鋼材の堆積などが含まれます。これにより、仕上げ圧延の前段階での高クロム鉄ワークロールの損失が高く、平均して月60 mm以上になり、そのうち熱損傷亀裂損失は約80%を占めています。生産プロセスの要件によると、これらの亀裂を除去して、圧延機とロールの操作上の安全性を確保する必要があります。ただし、鋼圧延コスト（ローラー消費コストと研削コスト）を削減し、ロールの研削効率と回転効率を向上させるには、熱間亀裂のあるワークロールを仕上げ圧延の高クロム鉄材に使用するメカニズムを調査する必要があります。

応力解析 ワークロール 仕上げ圧延の前部

仕上げ圧延ワークロールは、圧延工程中に圧延力のほかに、摩擦力、微小張力、熱応力なども受ける。しかし、摩擦、微小張力、熱応力は圧延力よりもはるかに小さい。そのため、仕上げ圧延ワークロールの応力を解析する際には、主に圧延力の役割を考慮する。図1に示すように、ローラー表面Aがストリップに接触しているとき、そこにある正圧と摩擦力の合力が圧延力とほぼ等しいと考えられる。熱間タンデム圧延ラインの仕上げ圧延前端スタンドの最大圧延力は35MNである。通常、通常生産時の圧延力は15〜20MNである。

図1 仕上げ圧延作業ロールの圧延工程中の応力の模式図

熱損傷亀裂伝播の臨界条件の解析 高クロム鉄製ワークロール 操作中

本稿では、仕上げ圧延の初期段階における高クロム鉄ワークロールの熱損傷亀裂の利用について検討します。この目的のために、材料破壊基準の概念を引用します。弾性力学方程式または弾塑性力学方程式から始めて、亀裂を条件と見なし、亀裂先端の応力、ひずみ、および変位場を考慮し、亀裂拡大の臨界条件-破壊基準を確立します。

部品の亀裂の形状に応じて、一般的には、図 2 に示すように、貫通亀裂、表面亀裂、および埋没亀裂の 3 つのタイプに分類されます。

図2 さまざまな亀裂形状の模式図: (a) 貫通亀裂、(b) 表面亀裂、(c) 埋没亀裂

高クロム鉄製ワークロールの仕上げ圧延初期段階における熱損傷割れは、一般的に表面割れです。このため、私たちは主に表面割れの破壊靭性を研究しています。実験室では、高クロム鉄製のロールに対して破壊靭性実験を実施しました。亀裂先端近くの各点における応力の強さは、σ√πa の量と関係しています。つまり、亀裂先端近くの各点における応力は、部品の引張応力 σ に比例して増加または減少するのではなく、σ√πa に比例して増加または減少します。σ√πa は応力拡大係数と呼ばれ、KI と記録されます。単位は MPa⋅m1/2MPa⋅m1/2、KI =σ√πa で、a は亀裂の深さです。

荷重が増加すると、応力集中係数 KI も徐々に増加します。実験結果によると、特定の臨界値 KIc に達すると、亀裂が不安定に伝播し、コンポーネントが破損します。KIc は、短亀裂靭性と呼ばれます。つまり、破壊強度係数 KI が KIc より低い場合、コンポーネントで亀裂の伝播は発生しません。

川崎製鉄水島製鉄所の田中文雄技師によると、ロールの使用限界を決定するために破壊力学基準KI=1.12σ√πa⩽KIcが使用された。この式から理論的に計算すると、深さ10.59mm未満の亀裂は、34MNの圧延力の作用下で正常に使用できる。したがって、圧延ラインの仕上げ圧延の前部セクションにある高クロム鉄ワークロールは、機械上で正常に使用できる。

コンピュータ実験と分析

熱損傷による亀裂形態と渦電流特性の評価

仕上げ圧延中の高クロム鉄ワークロールが詰まった後、一般的には鋼材通過部に熱損傷亀裂帯が発生します。亀裂の形状は一般的に格子状（図3）、深さは3〜10mmで、機械から取り外すとローラー表面の異常が明らかになります。ロールを研磨した後、渦電流テストを実行します。検出結果には、ロールの軸方向に沿って、ロール本体の亀裂に対応する亀裂値バンドとソフトポイント値バンドが含まれています（図4）。渦電流亀裂値とソフトポイント値の閾値はそれぞれ0.2と0.4で、それを超えるものは異常と見なされます。

図3 固着した鋼製ローラー表面の高温割れの形態

図4 固着した鋼製ローラー表面の高温割れの形態

ひび割れ実験の検出と保証作業

渦電流試験の結果は、熱亀裂の変化をフィードバックします。高温亀裂領域の渦電流亀裂値とソフトポイント値は、一般的にほとんど変化しないか、または減少し続けており、亀裂が徐々に弱くなっていることを示しています。同時に、亀裂領域の形状の観察（高温亀裂領域の軸方向と円周方向の幅が狭くなる、亀裂境界が薄くなるなど）と組み合わせて、ロールが機械で継続的に使用できるかどうかを判断します。

角度プローブを使用して、亀裂の深さの変化を検出および分析します。熱亀裂のあるワークロールを研磨するたびに、超音波斜めプローブを使用して亀裂の深さを検出できます。斜めプローブで検出された深さが徐々に減少する場合、亀裂が徐々に解消されていることを示します。

デュアルエレメントストレートプローブを使用して、熱亀裂の成長を検出および分析します。デュアルエレメントストレートプローブの検出は最も重要であり、その主な機能は、亀裂が斜めに拡大しているかどうかを確認することです。縦波の特性によると、亀裂がロール表面の断面に垂直である場合、デュアルエレメントプローブはそれを検出できず、結合層の反射波のみを検出できます。亀裂が伝播すると、双晶によって検出された亀裂波は「波歩行」現象を示し、浅い部分から浅い部分へと徐々に深くなります。

実験作業と結果

実験開始当初は、まず亀裂の浅いロールを実験対象とした。亀裂が正常に除去された後、亀裂の深いロールを徐々に試験し、その後の実験はスクラップに近い直径のロールで実施した。その結果、亀裂が正常に除去されるまで、または亀裂が正常でスクラップになるまで、8つの実験ロールすべてが使用され、仕上げ圧延の前部セクションの高速度鋼ワークロールは、高温亀裂があっても安全に使用できることが示された。詳細な実験データを表1に示す。

表1 仕上げ圧延前部における高クロム鉄ワークロールの高温割れの実験条件

その後、使用システムを修正して、機械上で熱亀裂が発生したロールを通常使用に含めると、機械上で亀裂が発生した事故ロールのロール交換周期と研磨量は正常ロールと同じです。システム実施後、高クロム鉄の熱亀裂研磨損失は1か月あたり40 mm以上削減され、研磨ホイール、切削液、手研磨などの多額のコストが節約され、現場仕上げ圧延の前段階でのワークロールへの多額の投資、大きな資本占有、回転率の低い状況を緩和します。

結論

理論計算と実験検証の結果、仕上げ圧延前部の高クロム鉄ワークロールは、熱損傷亀裂のある機械で使用でき、ロール交換サイクルと研削量は通常のロールと一致できます。亀裂の成長速度はロールの通常の直径減少よりも小さく、ロールの使用とともに熱損傷亀裂は徐々に消えます。使用現場では、超音波デュアルエレメントプローブは亀裂の存在を検出できません。つまり、亀裂の方向は超音波の方向と一致し、ロール表面の切断面に対して垂直です。

仕上げ圧延前段の熱損傷亀裂のある高クロム鉄ワークロールを本機に搭載することで、高クロム鉄ワークロールの異常損失が低減されるだけでなく、研削砥石、切削液、手作業研磨などのコストを大幅に節約できます。また、現場仕上げ圧延前段のワークロールの投入量が多く、回転が速いという状況も緩和され、大きな意義があります。