(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024106010
(43)【公開日】2024-08-07
(54)【発明の名称】鋼線材の高減面率延伸装置
(51)【国際特許分類】
B21C 3/08 20060101AFI20240731BHJP
B21B 1/16 20060101ALI20240731BHJP
B21C 51/00 20060101ALI20240731BHJP
B21B 38/04 20060101ALI20240731BHJP
【FI】
B21C3/08 A
B21B1/16 B
B21B1/16 A
B21C51/00 J
B21B38/04 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023010045
(22)【出願日】2023-01-26
(71)【出願人】
【識別番号】306030275
【氏名又は名称】山田 榮子
(72)【発明者】
【氏名】山田 勝彦
【テーマコード(参考)】
4E002
4E096
【Fターム(参考)】
4E002AC12
4E002BC02
4E002BC04
4E002BC05
4E002BD03
4E002BD06
4E002BD08
4E096EA12
4E096EA13
4E096FA03
4E096FA41
4E096GA17
4E096GA18
4E096HA22
(57)【要約】
【課題】 市販の熱間圧延線材を材料とし、より細径の線材を製造する装置を提供する。
【解決手段】 線材コイルの一端を引き出し、一定速度の線材供給装置により直進走行させる。該線材を引き抜く引抜装置を後続させ、その間、被加工材を直接通電により約1000℃に加熱する。引抜入口部で温度が最高、降伏力が最低、延伸・減面による引抜応力が最大となって延伸が継続する。前後速度比に対応した延伸比(減面率)が得られる。プロセス安定化条件として引抜装置は弾性圧下を保持する多段のピンチロールから構成し、各段引抜力を累積し、異常変形を防止する。引抜速度の調整により無停止で且つ任意の線径の細径線材が得られる。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鋼の熱間圧延線材を素材として、より細径の熱間加工線材を製造する装置であって、主に線材を定速で直進走行させる線材供給装置と、該線材を該定速よりも大きい速度で引き込む引抜装置と、該線材供給装置と該引抜装置間の線材に直接通電して該引抜装置入口部において最高温度に誘導する加熱装置との3点から構成され、1)該引抜装置は該線材(被加工材)を把持し引っ張る把持部を多段に具備し、2)各段の把持部はそれぞれ所定の圧下力を以て弾力的に被加工材を押圧し、3)各段の圧下力は前段の圧下力以上とし、4)各段の走行速度は前段以上とし、供給と引抜の速度差に対応して相似変形で延伸し、速度比に比例して延伸比を発現させることを特徴とする細径線材の製造装置。
【請求項2】
下記5条件、
1)把持部がピンチロール又は被加工材を挟む上下のキャタピラ式無限ベルトコンベアの履板(Track shoe)から成ること、
2)加熱装置の電源は単相交流であって、電源の一端は該線材供給装置と該引抜装置間の線材の中間点に、他端は該線材供給装置と該引抜装置を電気結合するブスバーに結合し、上記区間以外の装置全体の電位が同一でアース電位とすること、
3)多段の把持部の圧下は空圧シリンダーによること、
4)供給装置の入口から引抜装置の出口間に少なくとも1台の圧下方向が直交する矯正ロールを設けること、
5)引抜装置の下流側にレーザー式線径測定器と、切断転轍機と、巻取ルートと屑ルートを設けること、
のうちどれか一つ以上を組み込んだことを特徴とする請求項1に記載した細径線材の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は熱間圧延によって製造された鋼線材を素材としてさらに細径の線材を製造する装置に関している。
【背景技術】
【0002】
鋼線の製造に当たって、材料として適切に制御冷却された熱延線材が使用され、多段の連続伸線機によって引抜加工が施され、所定の直径と所定の機械的性質が与えられる。鋼線径が約2mm以上の場合線材から直接製造されるが、以下の場合には所望の細径の線材が市販されていないので、線材を1次伸線してその後熱処理を加えて2次線材とし、これを材料とする。通常素線と称される。当然コストは線材から大幅に増加するだけでなく少量多品種に分散し生産効率にも問題が大きい。
【0003】
既存よりも細径になる線材を効率的に製造する方法を検討する。
特許文献1はダイレス伸線の1事例で、原理は古くから研究されている。それによると直進走行する鋼線に張力を負荷しつつ誘導加熱により急熱して当外部を軟化させ、直後に水冷を配して急冷し、当該部を強化し、巻取ボビンの引張力により急冷直前部で局所延伸させる。高減面率が得られること、断面形状は素材の相似変形であること、走行速度と巻取速度比に対応して線径を自在に変更することができるの3特長が得られる。多品種小ロット生産に活用できそうである。
【0004】
本方法の問題点は、絞り切れを発現させないため、加熱直後の急冷が不可欠であって、後続工程の伸線に必要な適切な制御冷却(熱処理)を作用させることができないことである。どうしても制御冷却を組み込むならば再加熱工程の後続が必要になる。全体制御の難易度が問題となる。
【0005】
特許文献2には、線材に熱間圧延と直後の制御冷却を付加して2次線材を製造する方法が開示されている。それによると線材を直進走行させ、通電加熱し、タンデムミル(多頭連続圧延機)により所定径に圧延し、レイング式巻取機により垂直螺旋リング列を形成し、該リング列を規則的に集積するとともに制御冷却を付加する。
言はば通常の線材製造方法のダウンサイジングと見なされる。既存の2次線材(伸線+熱処理)に比較してそれなりのコスト低減は可能になる。
【0006】
問題点は、種々の寸法変更に際して、圧延や伸線と同様、ロール列又はダイス列を組み換えしなければならず、操業上、煩雑・能率低下・必要部品数等に負荷が大きく、少量多品種への対応に欠く。
【0007】
既述の一種の引抜であるダイレス伸線は1回のパスで高減面率と寸法変更自在が得られるが、当原理を熱間圧延に代替させ、且つ高温保持を狙ったのが以下の方法である。
特許文献3には、棒線の高減面率(高延伸比)の圧延方法が開示されている。それによると線材をピンチロールにより直進走行させ、圧延機に供給し、ピンチロールと圧延機間で加熱し、圧延機の周速を給材速度よりも過剰に設定し、且つロール径比(=ロール径/材料径)を過大にして摩擦引抜力を増大させてロール面での滑り発生を抑制し、過張力下で大きな熱間延伸と圧延を併発させ、1パスの圧延で高減面率の加工を誘発する。過張力圧延と称する。延伸比10(減面率90%)も理論的に可能となる。
特徴は、高摩擦力に支えられて高速度比が得られ、高減面率が得られる。速度比に比例して任意の断面積が得られることである。
【0008】
本方法の問題点は、加工原理は強固であるが、実証が不十分であること、他に円断面の線材から加工された断面形状が圧延故に円が圧下され長円状になると言うことである。
【0009】
特許文献4には、前記の棒線の高減面率(高延伸比)の圧延方法の改良が開示されている。それによると、パイロットプラントによる試作において、加工条件のわずかな変動が前後ロール間で絞り切れ、また圧延機入口で引き込み不足による挫屈・キンクを誘発し、圧延停止がしばしば発生する。当該問題に対して、1)直接通電加熱を付加することにより圧延噛込部を最高温度に誘導して絞り位置を圧延機内に引き込み、絞り切れを防止する、2)圧延機下流側に補助ピンチロールを設けて圧延滑りを防止し、キンクの発現を抑止する。
【0010】
本方法の問題点は、プロセスは安定したが加工後の断面形状が従来同様円形ではなくなり実用上の不都合が生じたことである。引抜力を強化するために圧延が適用されている以上、これは避けられない問題である。当弱点を防止するには矯正圧延機を後続させなければならない。寸法調整が二重になって煩雑であり実施に気後れする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】公開特許公報昭61-88916
【特許文献2】公開特許公報2005-246401
【特許文献3】特許公報4284396
【特許文献4】特許公報6084817
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本願発明の目的は、通常の鋼線材を材料とし、より細径の熱間圧延線材を設備的・操業的に有利な方法で製造する装置を提供することであり、従来の1次伸線と2次熱処理に代替可能な2次線材を製造することである。そのために下記4機能、
1) 1パス高減面率加工(設備・操業の簡素化)
2) 断面の相似変形(円形の維持)
3) 線径の無停止変更、且つ自在変更(操業効率の向上)
4) 高温保持(制御冷却の後続)
を同時に併立させることを解決すべき課題とする。先行例はいずれもどれかが欠落している。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題解決のため発明者は、先行例4の高減面率を可能とし、且つ高温保持が得られる『安定化熱間延伸圧延』と、先行例1の相似変形を可能とする『ダイレス伸線』とを巧みに組み合わせ、両者のそれぞれの欠点を排除し、長所を具備する装置を構成した。
【0014】
第1の発明は、鋼の熱間圧延線材を素材として、より細径の熱間加工線材を製造する装置であって、主に線材を定速で直進走行させる線材供給装置と、該線材を該定速よりも大きい速度で引き込む引抜装置と、該線材供給装置と該引抜装置間の線材に直接通電して該引抜装置入口部において最高温度に誘導する加熱装置との3点から構成され、1)該引抜装置は被加工材を把持し引っ張る把持部を多段に具備し、2)各段の把持部はそれぞれ所定の圧下力を以て弾力的に被加工材を押圧し、3)各段の圧下力は前段の圧下力以上とし、4)各段の走行速度は前段以上とし、供給と引抜の速度差に対応して相似変形で延伸し、速度比に比例して延伸比を発現させることを特徴とする細径線材の製造装置である。
【0015】
第2の発明は、下記5条件、
1)把持部がピンチロール又は被加工材を挟む上下のキャタピラ式無限ベルトコンベアの履板(Track shoe)から成ること、
2)加熱装置の電源は単相交流であって、電源の一端は該線材供給装置と該引抜装置間の線材の中間点に、他端は該線材供給装置と該引抜装置を電気結合するブスバーに結合し、上記区間以外の装置全体の電位が同一でアース電位とすること、
3)多段の把持部の圧下は空圧シリンダーによること、
4)供給装置の入口から引抜装置の出口間に少なくとも1台の圧下方向が直交する矯正ロールを設けること、
5)引抜装置の下流側にレーザー式線径測定器と、切断転轍機と、巻取ルートと屑ルートを設けること、
のうちどれか一つ以上を組み込んだことを特徴とする第1発明に記載した細径線材の製造装置である。
【0016】
ここで述語の定義として、『定速』とは前方又は後方張力が作用してもロール接触面で滑りが発生せず一定速度が維持されることである。
『把持部』とは走行する線材を上下から圧下し、且つ引っ張る作用部位である。
履板(track shoe)とは連続結合して履帯(track link、キャタピラ式ベルト)を構成する板状部品である。
【発明の効果】
【0017】
一定速度を持つ線材供給装置と該一定速度よりも高速で線材を引き抜く引抜装置により線材は両装置間で引張作用を受け、且つ該両装置間が加熱されるので前後の速度比に対応して線材の高温部が延伸する。速度比と断面積比は反比例し高減面率加工も可能になる。
当原理は古くから知られ、当該能力を発揮しつつ、引用1(ダイレス伸線)や引用3,4(過張力圧延)に内在する問題点を本願発明は解決した。
【0018】
直接通電加熱により引抜装置前端部(電気接点となる)が加熱最高温度になって延伸の局所化と絞り部の引き込みが発現し、従来の加熱直後の急冷処理による降伏力強化が不要となり、加工後も高温が保持され、制御冷却の後続が可能となる。
【0019】
引抜方法として多段の把持部を採用し、引用3,4の圧延を排除しので変形は単純延伸のみとなって相似変形する。圧延に起因する異形変形を矯正する後続圧延は不要になる。円断面の線材から直接円断面の細径線材が得られる。
【0020】
供給速度に対して引抜速度を自在に変更することができるので速度比に対応して線径を自在に変更することができる。後者を連続的に増減することにより線径は連続的に変化して所定線径に移行し、その間オフライン処理がなされるので無停止で線径変更が可能になる。
【0021】
引抜は多段に分散されているので1段での過大な圧下力は不要になり圧下に伴う変形はほとんど発生しない。最悪を想定して少なくとも1段は直交圧下としているので真円化へ微調整することも容易である。
ピンチロールの各段は弾力的に圧下するので被加工材の寸法が変化しても常に一定圧下力となり、問題なく引き抜くことができる。
同様に各段の圧下力と引抜速度は後段ほど大きくしているので微妙な変動があっても引抜は安定し、延伸条件の安定度が強化され高速延伸に際して有効に作用する。
【0022】
直接通電の場合、機器への漏電対策が問題となる。本願発明では加熱区間のほぼ中央に一方の電極を置き、他方はそれぞれ直近のロールとしており、両ロールをブスバーで電気結合し、装置全体をアース電位としていて安全性が高い。
また回路は直列から並列となって同一出力に対して使用電圧は半減し、安全性に有利に働く。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【
図1】本願発明の細径の2次線材製造装置の概略図である。
【
図2】本願発明の細径の2次線材製造装置の加熱装置部分の概略図である。
【
図4】本願発明の細径の2次線材製造装置の引抜装置部分の概略図である。
【
図5】本願発明の細径の2次線材製造装置の引抜安定化条件を示す。
【
図6】本願発明の引抜装置の他の例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
図1に従って本願発明の鋼の細径線材の製造装置を説明する。
1は材料となる通常市販されている熱間圧延の線材コイルである。線材径は通常の最小径である5.5mmとするのが望ましい。鋼種は特に限定されない。
該線材コイル1は、先端が引き出されて一定速度の線材供給装置3により直進する被加工材2になる。一定とは前方又は後方張力が作用しても線速が変動せず、一定を維持することである。
【0025】
被加工材2は上記一定速度よりも速い速度を持つ引抜装置5に侵入する。線材供給装置3と引抜装置5の間にある被加工材2は直接通電加熱装置4により加熱される。走行する被加工材への通電加熱であるから下流へ向かうほど通電時間が長く、傾斜加熱となり、引抜装置入口の電極接点において最高温度約1000℃となる。
【0026】
線材供給装置3と引抜装置5の速度差に起因して被加工材2には張力が発現し、最高温度部で降伏応力を超えると延伸が発生する。その際張力によって滑りが発生しないよう該引抜装置5は把持部を持つ装置、例えばピンチロールを多段に設けて構成され、多段の把持点を持ち、且つ各段とも適切な圧下力を持つ。適切とは滑りが生ぜず、また圧下による変形も生じない範囲である。
【0027】
速度比が4倍になると4倍に延伸する。細径の被加工材2は4倍の速度で巻取装置(図示せず)の向かう。その間レーザー式寸法測定器6により線径を測定し、所定径になるよう引抜速度を調節する。
線径を変更する場合、切断転轍機7により被加工材2は巻取ルート9から屑ルート8に切り換えられ、引抜速度を変更しつつ所望径になるまで屑処理する。所望径になると切断転轍機7により巻取ルート9へ復帰して正常生産が続行される。
【0028】
直接通電加熱装置4について
図2に従い説明する。
被加熱材21は線材供給装置の最下段ロール22を通過して押圧ロール24を付随する電極ロール23に接触しつつ引抜装置の最上段ロール25を通過する。
上記の上下のロール22,25は接点26,27を介してブスバー28によって電気結合されており、その間抵抗が無く同一電位となる。単相交流電源29の一端は該ブスバー28,他端は電極ロール23に結合される。該ブスバー28がアース30とも結合している。
【0029】
回路の結線方法は漏電対策に関係する。
図3に示すように、Aのように両ロール間を単純通電すると被加熱材からの漏電対策が極めて煩雑になる。
Bに示すような安全性の高い通電方法が一部で実施されている。それによると、被加熱材を包囲してリングトランス31を設ける。該リングトランスでは交流電源32から1次コイルに通電され、2次コイルは被加熱材と両ロールを電気結合するブスバー33とから成る1巻の回路である。鉄心内で電位が上昇、鉄心前後で電位が下降、両ロールの電位はほぼアース電位となり安全性が高い。敢えて問題とするなら、出力調整用を含め変圧器が二重に必要となることである。
【0030】
本願発明Cでは、両ロールの中間部に給電ロール34を、両ロール間を結合するブスバー35を設けているので前後に向かう並列回路を形成する。両ロールの電位は前記のBと同様アース電位となり、漏電問題は大きく改善される。
その上同一電力を負荷させる場合、本願方法ではBと比較して負荷電圧は並列回路故に1/2に半減する。安全性にはより有利になる。
ブスバーは断面積が過大であるから抵抗がほとんど無く、電位差が生じない。
【0031】
引抜装置のメカニズムを
図4に従って説明する。
被加工材41を引き抜く引抜装置は多段のピンチロール、例えばPR1,,,PR5から成る。各段及び上下ロール44のすべては駆動源42からギア43,45を介して同一回転速度(rpm)で駆動される。
上段ロールは弾力的に被加工材41を圧下し、線径の変更に際しロール間隙が変化ても同一圧下力で把持する。そのため各段とも空圧シリンダー46が付設される。
ピンチロールのどれか1段以上、例えば47は他に対して直交配置される。圧下により多少変形した断面形状を矯正することできる。配置部位は最終段よりも前後とも張力が作用している中間が望ましい。
駆動源(例;電動機)は1個の例を示したが駆動源を各ロール個別に設け同期制御させても良い。
【0032】
引抜装置の制御方法について
図5に従って説明する。
生産能率上、高速引抜例えば400m/分を前提とするので、加工条件のわずかな変動でも絞り切れや挫屈・キンクが発生して加工停止となる。両不具合の発現は確実に防止しなければならない。
ピンチロールが1段だけでは先行例4で経験したことだが、単なる圧下だけでは延伸比が大きくなると滑りが発生する。圧延が生ずるまで圧下すると摩擦が増加し、延伸はほぼ安定する。ロール径比が大きいほど摩擦は安定する。残念なことに圧延により断面形状は円形から長円になってしまう。
【0033】
滑り防止と異形変形防止を両立させるには、引抜点を多段に分散することである。
1)異形変形を抑制しつつ、
2)圧下力(∽摩擦力)を増強し、
3)各段がすべて引抜に効果的に作用するよう引抜力を累積させる、
ことが必要になる。
被加工材51は初段ピンチロール53により引き抜かれ、最高温度となっている入口において延伸部52を形成しつつ前方へ走行する。該プロセスを高速下においても安定させるよう多段ピンチロール間には以下の条件を設定する。
各段の圧下力Pを前段以上とする。 P1≦P2≦P3≦P4・・・
各段の周速Vを前段以上とする。 V1≦V2≦V3≦V4・・・
各段の回転速度Nを同一とする。 N1=N2=N3=N4・・・
各段のロール径Dを前段以上とする。 D1≦D2≦D3≦D4・・・
【0034】
引抜装置の構造の他の例を
図6に示す。
被加工材61は、キャタピラ式の上下のコンベア62,63に把持されて引き抜かれる。該コンベア62,63は無限軌道の履帯(track link)64,65と該履帯を駆動する動輪66,67とから成り、該履帯64,65は多数の履板(track shoe)68,69の連結から成る。各履板68,69は引抜装置の把持部となる。各履板は電極接点の機能も果たす。
履帯64の内側には固定摺動ガイド70,履帯67には弾力圧下摺動ガイド71が設けられる。該弾力圧下摺動ガイド71は空圧シリンダー72,73より適切な圧下力が付与される。両シリンダーの圧力設定により傾斜圧下が可能になる。
把持部は板状の履板になって接触点はロールの場合の点から線に拡大するともに、一層多段に構成されるので引抜の安定度は格段に向上する。
なお、通電接点は固定摺動ガイド70が担うことになる。
【実施例0035】
約2.5mm径までの細径線材を製造する場合の製造装置の概略は以下である。
生産能力; 1000kg/h
材料; 5.5mm線材
線材送給速度; 0~100m/min
加熱装置出力; 200kW(=40V×2500A×2)
把持部段数; 5(4H+1V)
引抜速度; 0~500m/min
細径線材径; 4.4~2.5mm