パス:鋼製造および加工における重要なロール操作
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定義と基本概念
鋼鉄業界において、「パス」とは、金属が圧延機または引き抜き金型を通過する単一の動きを指し、これにより断面積が減少し、長さが増加します。この基本的な操作は、鋳造材料を特定の寸法と強化された機械的特性を持つ有用な製品に変換する鋼の加工において最も重要なステップの一つを表しています。
パスの概念は、金属成形操作、特に鋼が望ましい形状と特性を達成するために複数のパスを通じて進行的に変形する圧延機において中心的な役割を果たします。各パスは、全体的な減少比、ひずみ硬化、および材料の微細構造の進化に寄与します。
冶金学の広い分野の中で、パスの概念は鋳造と仕上げ操作をつなぐものであり、冶金技術者が鋼製品の最終的な微細構造と特性を制御するための主要な手段を表しています。パスの順序、数、および設計は、製品の品質、生産効率、および鋼製造におけるエネルギー消費を根本的に決定します。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
微細構造レベルでは、圧延パスは鋼の結晶格子内での転位の移動と増殖を通じて塑性変形を引き起こします。これらの転位は互いにおよび粒界、析出物、その他の格子欠陥などの障害物と相互作用し、ひずみ硬化を引き起こします。
各パスの間に、粒子は圧延方向に伸び、法線方向に平坦化され、好ましい結晶方位またはテクスチャを形成します。この異方性の粒構造は、特に強度と成形性特性において、圧延製品の機械的特性に大きな影響を与えます。
材料がロールに接触する変形ゾーンでは、法線方向の圧縮と圧延方向の引張を含む複雑な応力状態が経験されます。塑性変形中に生成される熱は、温度とひずみ速度の条件に応じて動的回復または再結晶を引き起こす可能性があります。
理論モデル
Simsの圧延理論は、平面圧延のための主要な理論モデルを表し、ロール力、トルク、およびプロセス変数との関係を説明します。このモデルは20世紀中頃に開発され、変形ゾーンを摩擦のあるロール-材料界面での平面ひずみ圧縮問題として扱います。
歴史的な理解は、初期の冶金技術者による経験的観察から洗練された計算モデルへと進化しました。von Kármán(1925年)やOrowan(1943年)による初期の研究は、スリップライン場分析を通じて現代の圧延理論の基礎を確立しました。
代替アプローチには、電力要件を推定する上限法、複雑な変形パターンを捉える有限要素モデル、および過去のデータに基づいて圧延結果を予測する人工知能モデルが含まれます。各アプローチは、精度、計算効率、および特定の圧延条件への適用可能性において異なる利点を提供します。
材料科学の基礎
パス変形は、転位密度を増加させ、結晶学的テクスチャを生成することによって結晶構造に直接影響を与えます。粒界では、変形が回転、スライドを引き起こし、場合によっては動的再結晶を通じて新しい境界が形成されます。
微細構造は、複数のパスを通じて徐々に進化し、粒子の細化がパス間の再結晶(熱間圧延の場合)または蓄積されたひずみ(冷間圧延の場合)を通じて発生します。この進化は、最終的な粒子サイズ、相分布、および包含形態を制御します。
パス操作を支配する基本的な材料科学の原則には、作業硬化、回復、再結晶、および相変換が含まれます。これらのメカニズムは、材料が変形にどのように反応し、その特性が連続するパスを通じてどのように発展するかを決定します。
数学的表現と計算方法
基本定義式
パスごとの厚さの減少または減少率は次のように定義されます:
$$r = \frac{h_0 - h_1}{h_0} \times 100\%$$
ここで:
- $r$ はパスごとの減少率のパーセンテージ
- $h_0$ は入口の厚さ
- $h_1$ は出口の厚さ
関連計算式
パスに必要なロール力は次のように計算できます:
$$F = w \cdot L \cdot Y_{avg} \cdot Q$$
ここで:
- $F$ はロール力
- $w$ はストリップの幅
- $L$ は接触の投影長
- $Y_{avg}$ は材料の平均フロー応力
- $Q$ は摩擦と不均一な変形を考慮した係数です
ロールトルクは次のように決定できます:
$$T = F \cdot a \cdot 2$$
ここで:
- $T$ はロールごとのトルク
- $F$ はロール力
- $a$ はレバーアーム(通常は接触長の0.4-0.5倍)
適用条件と制限
これらの式は、材料の幅が厚さの少なくとも10倍以上である場合に有効な平面ひずみ変形の条件下で適用されます。狭いストリップや特殊なプロファイルの場合、エッジ効果が重要になり、より複雑なモデルが必要になります。
モデルは均一な材料特性と等温条件を仮定していますが、高速圧延や温度勾配が大きい材料には当てはまらない場合があります。さらに、これらの式は非常に高い減少率(>50% per pass)では精度が低下し、厳しい変形が発生します。
ほとんどの圧延理論は剛性ロールを仮定していますが、実際には、特に広いストリップ圧延ではロールの平坦化や曲げが発生します。高度なモデルは、影響係数や有限要素分析を通じてロール変形を組み込んでいます。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
ASTM A1030: 鋼板製品の平坦性特性を測定するための標準的な実践。
ISO 6892: 金属材料 — 引張試験、圧延パス後の機械的特性を評価するために使用されます。
ASTM E112: パス後の微細構造変化を評価するために重要な平均粒