735 論 文 熱延ロールに生じる黒皮の熱伝達に及ぼす影響 1 1 1 Influence of Work Roll Surface Oxide Scale on Interface Thermal Transfer Shohei Fujiwara, Eiji Abe and Nobuki Yukawa Synopsis : In hot rolling processes, an accurate prediction of thermal expansion of work rolls is necessary because it affects profile of strips. A precise calculation of thermal expansion requires an accurate heat transfer coefficient between the roll and the strip, and the oxide scale on the surface of the work roll (mill scale) is one of the important factor that affects the heat transfer coefficient. Although clear relation between the mill scale and the heat transfer coefficient is required, it has not clarified because forming mill scale in a laboratory is difficult. In this study, first, we developed a generating method of the mill scale of hot rolling mill in a laboratory. Uniaxial compression contact experiments are used to simulate the contact between the work roll and the strip during the hot rolling. An oxide scale layer that simulates the mill scale was obtained on the surface of punch. The thickness of mill scale which was generated from the different kinds of strips material was measured. Second, the interface heat transfer coefficient for various thickness of mill scale are measured. Heat transfer coefficient is obtained from comparing the measured temperature of punch and the results of computer simulation by FEM. From these results, the relation between the thickness of mill scale and the heat resistance is clarified. Key words: hot rolling; thermal expansion; heat transfer coefficient; mill scale. 1. 緒言 1,2 Cr Mo W V 3 4,5 6 8 9,10 11 12 18 19 30 4 6 30 9 6 Received on Apr. 6, 2018 ; Accepted on Sep. 6, 2018 1 Department of Materials Science and Engineering, Nagoya University, Furo-cho Chikusa-ku Nagoya 464-8603 Corresponding author : E-mail : yukawa@numse.nagoya-u.ac.jp DOI : https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.tetsu-2018-049 15
736 2. 黒皮生成実験 2 1 実験方法 Fig.1 19 SKH51 S45C SUS310S Table 1 24 mm 30 mm 27 mm 20 mm 10 1180 YAMATO FO310 20 1 30 h30 Fig.1 50 MPa 0.0018 ml/mm 2 9.9 10 50 MPa MARUI 3 4 5 1 1 60 Table 2 10 1180 20 5 10 t2 mm XRD X 120 400 1000 2000 SEM ImageJ 3 2 2 実験結果 考察 Table 1. Chemical compositions (mass%). Grade C Mn Ni Cr Mo V W SKH51 0.87 0.32 4.02 4.82 1.80 6.15 S45C 0.44 0.68 0.06 0.10 SUS310S 0.01 1.11 19.05 24.12 Contact time Table 2. Experiment condition. Number of contacts 10 20 24 30 40 60 3 sec 4 sec 5 sec Fig. 1. Experiment configuration (a) schematic of actual rolling, (b) photo of experiment and (c) schematic of experiment. (Online version in color.) 16
737 S45C SUS310S Fig.2 a b XRD S45C SUS310S Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 Fig.3 S45C 3 40 XRD FeO Fe 3 O 4 15,20 23 Fig.4 a b SEM Fig.4 S45C SUS310S SEM Fig.5 Fig.5 S45C SUS310S 15 Fig. 3. XRD results of punch surface. Experiment without water. Fig. 2. XRD results of punch surface in experiment condition (a) workpiece S45C (b) workpiece SUS310S. Fig. 4. SEM results of cross section mill scale in experiment condition (a) workpiece S45C (b) workpiece SUS310S. 17
738 が水や水蒸気と反応して Fe OH 2 などの中間生成物が生 面の熱伝達係数の関係を調査した 接触界面の熱伝達係数 成し それが圧縮時にパンチ材側で反応し Fe3O4 が主成分 を決定するため まずパンチ材に熱電対を挿入し被圧延材 の黒皮になるとする考え を支持していると思われる S45C/SUS310S を接触させ 温度履歴を測定する実験を 15,23 SUS304S の場合 被圧延材表面は強固な Cr 系酸化物で覆わ 行った 続いて温度測定実験を再現した有限要素解析を行 れていると考えられ 22 接触時に SUS310S からパンチ材と い 校正曲線を作成し実験値と解析値の誤差が小さくなる の界面への Fe の拡散が S45C より少ないことにより中間生 よう解析を繰り返すことで 接触界面の熱伝達係数を同定 成物の生成が少なく そのため黒皮厚さが薄くなったと考 した えられる 3 1 温度履歴測定実験 高温の被圧延材にパンチ材を接触させ パンチ材内部に 3. 熱伝達係数測定実験 挿入した 3 本の熱電対から パンチ材内部の温度上昇量と 時間の関係を測定する 被圧延材からパンチ材への熱伝達に黒皮が及ぼす影響を 3 1 1 調査するため 黒皮の厚さと被圧延材とパンチ材の接触界 実験試料 実験に用いるパンチ材は SKH51 で形状は直径φ24 mm 高さ h17 mm とした 被圧延材は 2 章の黒皮生成実験と同 じ形状と組成である ダイスは窒化ケイ素で 2 章と同じ形 状と組成である パンチ材には 3 本のφ1.6 のシース型 K 熱 電対を埋め込むため 端面の中心から半径 5 mm の円周上 に 120 毎に上部から直径 1.7 mm の穴を 3 か所にあけた そ れぞれ深さを下端から 0.5 mm 1.0 mm 1.5 mm とした パ ンチ材に穴を空ける加工を行ったあと 続いて黒皮生成実 験を行い パンチ材表面に黒皮を生成させた 黒皮を生成 するための接触保持時間と接触回数は Table 2 の通りで 被 圧延材が S45C と SUS310S の場合で 16 種類の実験条件で パンチ材に黒皮を生成させた パンチ材の穴と熱電対の位 置さらに実験の概略図を Fig.6 に示す 温度履歴測定実験 に使用したシース直径φ1.6 mm の K 熱電対の応答速度は 63.2% で 0.9 sec 99.9% で 2.1 sec である 実験装置は 2 章の 黒皮生成実験に用いたものと同じである 3 1 2 実験方法 ま ず 被 圧 延 材 S45C ま た は SUS310S を 大 気 炉 Fig. 5. R elation between number of contact and thickness of scale. (Online version in color.) YAMATO 科学社製大気炉 FO310 で温度 1080 保持時 Fig. 6. E xperiment configuration (a) photo of experiment, (b) schematic of experiment configuration and (c) scope of punch and thermocouple. (Online version in color.) 18
739 10 S45C S45C SUS310S SUS310S 50 MPa 30 0.1 7.9 0.1 50 MPa 3 2 有限要素解析 3 2 1 Scientific Forming Technologies DEFORM-2D TM 10000 1000 5000 0.1 kwm 2 K 1 0.5 kwm 2 K 1 24 1080 7.9 7.9 4 3.9 3 2 2 Fig.7 Fig.7 b Fig.7 S45C 5 24 3.7 kwm 2 K 1 Fig.8 SUS310S Fig. 7. (a) Temperature change of punch and fitting curves (b) enlarged view between 12-15 s. (Online version in color.) 19
740 4. 考察 Fig.9 5 R workpiece-scale R oxide scale Fig. 8. Relation between thickness of oxide scale and heat transfer. (Online version in color.) R interface R mill scale R mill scale-punch R 1 1 R workpiece-scale R mill scale-punch R oxide scale R interface R mill scale R workpiece-scale R mill scale-punch 2 2 10 2 R oxide scale R interface Fig.10 0 Fig.11 S45C SUS304S Fig. 9. Schematic of heat transfer from workpiece to punch. (Online version in color.) 20
741 Fig. 10. Relation between thickness of mill scale and total heat resistance. Fig. 11. Relation between thickness of mill scale and heat resistance. (Online version in color.) 5. 結言 1 S45C SUS310S Fe 3 O 4 2 S45C SUS310S Fe Fe 3 4 文 1 ) 31(1995), 37. 2 ) R.Nawata, Y.Sugimura and Y.Sano: J. Jpn. Soc. Technol. Plast., 36(1995), 1128. 3 ) J.Ikeda: J. Jpn. Soc. Technol. Plast., 40(1999), 17. 4 ) K.Goto, Y.Matsuda, K.Sakamoto and Y.Sugimoto: ISIJ Int., 32(1992), 1184. 5 ) Y.Sano, T.Hattori and M.Haga: ISIJ Int., 32(1992), 1194. 6 ) A.Ishikawa: Nisshin steel Tech. Rep., 73(1996), 55. 7 ) M.Hashimoto, T.Kawakami, T.Oda, R.Kurahashi and K.Hokimoto: Nippon Steel Tech. Rep., 356(1995), 76. 8 ) T.Tsuchihashi, J.Satoh, T.Shiraishi, K.Kawashima, K.Hirata and Y.Ooike: CAMP-ISIJ, 9(1996), 968. 9 ) J.D.Fletcher and J.H.Beynon: Ironmaking Steelmaking, 23(1996), 52. 10) S.Araya: CAMP-ISIJ, 10(1997), 397. 11) H.Okada: Nippon Steel & Sumitomo Metal Tech. Rep., 401(2015), 75. 12) T.Fukawa: Tetsu-to-Hagané, 82(1996), 63. 13) K.Fukuda: Tetsu-to-Hagané, 84(1998), 345. 14) 20(2008), 65. 15) Y.Sekimoto, M.Tanaka and T.Yoshimura: Tetsu-to-Hagané, 61(1975), 869. 16) T.Oohata, T.Hattori, G.Sano and J.Kihara: CAMP-ISIJ, 3(1990), 422. 17) S.Araya, T.Inoue and S.Uchida: CAMP-ISIJ, 10(1997), 1076. 18) K.C.Hwang, L.Sunghak and L.Eonsik: Tetsu-to-Hagané, 83(1997), 383. 19) S.Fujisaki: CAMP-ISIJ, 28(2015), 451, CD-ROM. 20) K.Kusabiraki, T.Sugihara and T.Ooka: Tetsu-to-Hagané, 77(1991), 123. 21) H.Hori: Tetsu-to-Hagané, 55(1969), 163. 22) M.Kikuchi: Sanyo Tech. Rep., 21(2014), 1, 11. 23) H.H.Kim, J.W.Lim and J.J.Lee: ISIJ Int., 43(2003), 1983. 24) Y.Nakashima: J. Jpn. Soc. Technol. Plast., 55(2014), 1124. 献 21