JP5756889B2 - 圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、製鉄圧延設備に使用する圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置に関する。

従来、例えば、形鋼の圧延において、圧延材の高品質化と省力及び省エネルギー化を図るため、より過酷な圧延条件に耐え、かつ、長寿命の圧延ロールが求められてきた。
このため、例えば、特許文献１に示すように、ロール胴部材の表層部が硬質の金属（例えば、高速度鋼系多合金白鋳鉄）で構成された圧延ロール等が使用されている。この圧延ロールは、芯材の外周に硬質の金属層を形成したロール用素材から、ロール胴部材とその軸方向両側に設けられた軸材とが一体となった圧延ロールを削り出すことで製造されていた。

しかし、ロール用素材から軸材が長い圧延ロールを削り出す場合、削り出し時における余分な削り代が多くなり、製造時間を短縮することができず、また、削り刃のランニングコストがかかり不経済であった。更に、１つのロール用素材から複数本の圧延ロールを製造することができなくなるため、例えば、新たにロール用素材を準備する必要があり、圧延ロールの納期短縮や製造コストの削減を図ることが難しかった。
そこで、例えば、特許文献２のように、ロール胴部材の両側に、それぞれ開先を設けて軸材を配置し、この各開先を溶接して、ロール胴部材と軸材とを接合する方法が提案されていた。

特開２０００−１５８０２０号公報 特開２００５−３２４２０４号公報

しかしながら、圧延ロールは、大きな荷重がかかる製鉄圧延設備で使用するため、ロール胴部材と軸材を接合する場合、その接合部分が損傷し易く、更なる寿命の延長を図ることが難しかった。
また、特許文献２記載の技術においては、ロール胴部材に対して軸材が偏心又は曲がって溶接され易く、溶接後の歪取りを必要とし、歪取りを完全に行うのは、困難であるので、多少太めの軸材を使用する必要があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、短工期で安価に製造でき、従来よりも長寿命化が図れる圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る圧延ロールの製造方法は、クロム−モリブデン鋼又は炭素鋼からなる円柱状の芯材の外周に、硬質の鋳掛け肉盛層が形成されたロール胴部材と、クロム−モリブデン鋼からなり、前記芯材の軸方向両側にそれぞれ設けられた軸材とを備える圧延ロールの製造方法において、
前記軸材の接合端部の直径を前記芯材の直径より小さくし、
前記ロール胴部材及び前記軸材のいずれか一方又は双方の少なくとも接合端部を、予め設定した温度に予熱する予熱工程と、
前記芯材の軸心に前記軸材の軸心を合わせた状態で、前記軸材を前記芯材に押圧しながら回転させて前記芯材及び前記軸材の接合端部を摩擦加熱した後、前記芯材に前記軸材を強圧して接合する摩擦圧接工程とを有し、前記芯材は前記ロール胴部材の端部から突出している。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記軸材の接合端部の直径は前記芯材の直径の０．８６倍以上０．９６倍以下にできる。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法は、前記芯材が前記ロール胴部材の端部から突出している。
この場合の突出量は１〜１０ｍｍあれば十分であるが、本発明はこの数値に限定されない。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記摩擦圧接工程の後に、前記ロール胴部材と前記軸材の接合部分に機械加工して金属面を露出させ、前記接合部分の円周溶接を行うことが好ましい。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記予熱工程における前記接合端部の予熱温度は、５００℃以上、前記軸材の融点以下であるのがよい。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記ロール胴部材に、その外周に新たな前記鋳掛け肉盛層が形成された使用済みのロールを用いることができる。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記使用済みのロールは、焼鈍後、外周の鋳掛け肉盛層が機械加工によって一部又は全部が除去されていることが好ましい。

第１の発明に係る圧延ロールの製造方法において、前記軸材は使用済みのロールから切断分離された軸材を使用することもできる。

前記目的に沿う第２の発明に係る圧延ロールは、第１の発明に係る圧延ロールの製造方法によって製造されている。

前記目的に沿う第３の発明に係る圧延ロールの製造装置は、第１の発明に係る圧延ロールの製造方法に用いる製造装置であって、
前記ロール胴部材を水平又は垂直に把持する第１の把持手段と、
前記軸材を前記ロール胴部材の軸心に合わせて把持する第２の把持手段と、
前記第２の把持手段に設けられ、前記軸材をその軸心を中心として回転させる回転手段と、
前記第１の把持手段又は前記第２の把持手段に設けられ、前記芯材と前記軸材の接合面同士を突き合わせ、前記芯材と前記軸材とを軸方向に押圧する押圧手段と、
前記ロール胴部材及び前記軸材の双方の接合端部を予熱する予熱手段とを有し、
前記予熱手段は、間隔を有して対向配置された前記ロール胴部材と前記軸材の各接合端部にそれぞれ向かい合って配置される複数のバーナで構成され、かつ前記接合端部に向かい合って配置される複数の前記バーナは、前記接合端部の周縁部よりも中央部の方が密に配置されている。

第３の発明に係る圧延ロールの製造装置において、複数の前記バーナの火炎噴出口側には、耐熱部材が設けられているのがよい。

第３の発明に係る圧延ロールの製造装置において、複数の前記バーナには、水冷手段が設けられているのがよい。

第３の発明に係る圧延ロールの製造装置において、前記予熱手段は、前記ロール胴部材と前記軸材の接合端部を予熱する予熱位置と、該予熱位置の側方に位置する非予熱位置との間を移動可能な移動手段に設けることもできる。

第４の発明に係る圧延ロールの製造装置は、第１の発明に係る圧延ロールの製造方法に用いる製造装置であって、
前記ロール胴部材を水平又は垂直に把持する第１の把持手段と、
前記軸材を前記ロール胴部材の軸心に合わせて把持する第２の把持手段と、
前記第２の把持手段に設けられ、前記軸材をその軸心を中心として回転させる回転手段と、
前記第１の把持手段又は前記第２の把持手段に設けられ、前記芯材と前記軸材の接合面同士を突き合わせ、前記芯材と前記軸材とを軸方向に押圧する押圧手段と、
前記ロール胴部材及び前記軸材の双方の接合端部を予熱する予熱手段とを有し、
前記予熱手段は、前記ロール胴部材及び前記軸材の接合端部を同時に又は順次加熱するバーナと、先部に前記バーナが取付けられたロボットアームとを有し、前記ロボットアームによって前記バーナの向き及び移動軌跡を決める。

第４の発明に係る圧延ロールの製造装置において、前記バーナは、前記ロール胴部材の接合端部を予熱する第１のバーナと、前記軸材の接合端部を予熱する第２のバーナを有して構成されているのが好ましい。

本発明に係る圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置は、予熱工程と摩擦圧接工程により、ロール胴部材と軸材との接合を行うので、短工期で安価に製造でき、従来よりも長寿命化が図れる。

また、軸材の接合端部の直径を芯材の直径より小さくしているので、クロム−モリブデン鋼又は炭素鋼からなる芯材と、クロム−モリブデン鋼からなる軸材が確実に軸心を合わせて当接して溶接（摩擦圧接）することができる。そして、ロール胴部材の外側の硬質の鋳掛け肉盛層が軸材とは接しないので、圧延ロールとして十分な接合強度を有する捩れや歪の少ない摩擦圧接が確実に行える。

特に、ロール胴部材から芯材を突出させるので、更に、軸材がロール胴部材の硬質の鋳掛け肉盛層に接することがなく、摩擦圧接が確実に行える。

また、本発明に係る圧延ロールの製造装置において、ロール胴部材と軸材の接合端部を予熱する予熱手段として、ロボットアームの先部に設けられたバーナを用いる場合は、ロボットアームを制御することによって、ロール胴部材と軸材の任意の箇所を任意の時期にバーナで加熱することができる。そして、ロボットアームのプログラムを変更することによって、任意の直径のロール胴部材及び軸材に合わせて加熱領域を変えることができる。

本発明の一実施例に係る圧延ロールの説明図である。 本発明の第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同圧延ロールの製造方法に使用する圧延ロールの製造装置の予熱手段の側断面図、正面図である。 同予熱手段が設けられた移動手段の正面図である。 本発明の第２の実施例に係る圧延ロールの製造方法の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明に用いる予熱手段の説明図である。 本発明に用いる別の予熱手段の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施例に係る圧延ロール１０について説明する。

圧延ロール１０は、鉄鋼の圧延において、特に、薄板、棒鋼、線材、又は形鋼の熱間圧延作業や冷間圧延作業（圧延や矯正）に用いられるロールであり、使用目的に応じた所定の加工処理が施されたロールである。
この圧延ロール１０は、円柱状の芯材１１の外周に鋳掛け肉盛層１２が形成されたロール胴部材１３と、芯材１１の軸方向両側にそれぞれ設けられた軸材１４、１５とを備える。なお、圧延ロール１０の寸法は、ロール胴部材１３の外径（胴径）Ｄが、例えば、３００〜９００ｍｍ程度であり、幅（胴長）Ｗが、例えば、１５００〜２５００ｍｍ程度であり、軸材１４、１５も含めた全長Ｌが、例えば、４０００〜７０００ｍｍ程度である。

ここで、ロール胴部材１３の芯材１１は、クロム−モリブデン（Ｃｒ−Ｍｏ）鋼又は炭素鋼からなり、軸材１４、１５はクロム−モリブデン（Ｃｒ−Ｍｏ）鋼からなる。
芯材１１の外周に形成された鋳掛け肉盛層１２は、例えば、日本国特開２０１２−１１０９６８号公報に記載された鉄系外層材（ショアー硬さ（ＨＳ）が７０〜１００程度）や、高速度鋼系多合金白鋳鉄（高速度鋼の一例）等の硬質の材料からなる。なお、鋳掛け肉盛層１２の厚みは、使用目的に応じて種々変更できるが、例えば、５０〜１５０ｍｍ程度である。
このロール胴部材１３は、例えば、日本国特開２０００−１５８０２０号公報に開示された方法等で製造できるため、ここでは、説明を省略する。

上記した圧延ロール１０は、ロール胴部材１３と軸材１４、１５とを別個に形成し、ロール胴部材１３の芯材１１の一方側の接合端部１６と、一方側の軸材１４の接合端部１７とを摩擦接合し、芯材１１の他方側の接合端部１８と、他方側の軸材１５の接合端部１９とを摩擦接合したものである。
しかし、必要に応じて、芯材の一方側の軸材のみを、機械加工によって芯材と一体的に形成し、芯材の他方側の軸材のみを、芯材とは別個に形成し、芯材と軸材の接合端部を摩擦接合することもできる。

このように、軸材１４、１５はロール胴部材１３に摩擦接合するため、芯材１１と軸材１４、１５との接合が良好な状態で行われるように、軸材１４、１５の接合端部１７、１９の直径（外径）を、芯材１１の直径より小さくしている。具体的には、軸材１４、１５の接合端部１７、１９の直径を、芯材１１の直径の０．８６倍以上０．９６倍以下にするのがよい。
なお、ロール胴部材１３と軸材１４、１５の接合部分（周方向の境界部分）には、更に円周溶接（肉盛溶接）を行い、補強することが好ましい。この溶接には、例えば、高張力鋼（ハイテン）等の溶加材を使用したＭＩＧ法又はＴＩＧ法が適用できる。

ここで、ロール胴部材１３は、未使用のロール胴部材（未使用品）を使用できるが、使用済みのロールのロール胴部材（使用済み品）を使用することもできる。なお、使用済み品を使用する場合は、使用済みのロールの軸方向両側（又は片側）の軸材を切断して除去した後、得られたロール胴部材の外周に、必要であれば機械加工後、上記した構成の新たな鋳掛け肉盛層を形成する。
また、軸材１４、１５も、未使用の軸材（未使用品）を使用できるが、使用済みのロールの軸材（使用済み品）を使用することもできる。なお、使用済み品を使用する場合は、使用済みのロールから切断分離された軸材を、必要に応じて機械加工（縮径）する。

次に、図１〜図４を参照しながら、本発明の第１の実施例に係る圧延ロールの製造装置（以下、単に製造装置ともいう）２０について説明する。
圧延ロールの製造装置２０は、ベース台２１と、このベース台２１上に設けられ、ロール胴部材１３を把持する複数（ここでは３個）のクランプ２２と、軸材１４（又は軸材１５、以下同様）を把持するチャック（第２の把持手段の一例）２３と、複数のクランプ２２で把持されたロール胴部材１３をその軸方向に押圧する油圧シリンダ（押圧手段の一例）２４とを有している。

ベース台２１の長手方向一方側（ロール胴部材１３側）端部には、油圧シリンダ２４が設けられた第１の支持台２５が取り付け固定され、長手方向他方側（軸材１４側）端部には、チャック２３が設けられた第２の支持台２６が取り付け固定されている。
チャック２３は、軸材１４が水平状態となるように、軸材１４の基側を把持するものである。なお、このチャック２３には、軸材１４の軸心を中心として回転させる回転手段の一例である減速機及びモータ（図示しない）が設けられている。また、チャック２３の前方（軸材１４の先側）には、チャック２３に把持された軸材１４の軸心位置が、軸材１４の回転時に振れることを抑制、更には防止するための振れ止め手段２７が配置されている。

ベース台２１の長手方向両側端部にそれぞれ配置された支持台２５と支持台２６の間には、ベース台２１の長手方向に沿って移動可能となったテーブル２８が配置されている。このテーブル２８上には、複数のクランプ２２が、ベース台２１の長手方向に間隔を有して取り付け固定されている。
これにより、ロール胴部材１３と軸材１４とを、その軸心を合わせてベース台２１上に水平配置できる。

なお、ここでは、クランプ２２とテーブル２８を有して第１の把持手段２９が構成される。また、テーブル２８の長手方向一方側端部に油圧シリンダ２４が接触しているため、油圧シリンダ２４は第１の把持手段２９に設けられていることになる。
これにより、油圧シリンダ２４を用いることで、第１の把持手段２９を介して、ロール胴部材１３を軸材１４に対して押圧することができる。このとき、押圧力により、支持台２５と支持台２６の上部の間隔が開くおそれがあるが、これは、支持台２５と支持台２６の下部がベース台２１で連結され、上部が連結ロッド３０で連結しているため防止できる。

上記したように、ここでは、第１の把持手段２９に設けられた油圧シリンダ２４により、ロール胴部材１３を軸材１４側に押圧した場合について説明した。しかし、ロール胴部材１３の重量や長さ等を考慮すれば、ロール胴部材１３の設置位置を固定し（移動させることなく）、ベース台２１の長手方向に沿って移動可能となったテーブルにチャック（更には振れ止め手段）を取り付け、更に、このチャックに油圧シリンダ（押圧手段の一例）を設けて、軸材１４をロール胴部材１３側に押圧することが好ましい。
なお、押圧手段は、芯材１１と軸材１４とを軸方向に押圧できるものであれば、油圧シリンダに限定されるものではなく、空圧シリンダ、電動シリンダ等であってもよい。

図２、図３（Ａ）、（Ｂ）、図４に示すように、チャック２３とクランプ２２の間には、予熱手段３１が設けられている。
予熱手段３１は、クランプ２２とチャック２３にそれぞれ把持され、間隔を有して対向配置されたロール胴部材１３と軸材１４（軸材１５も同様）の各接合端部１６、１７にそれぞれ向かい合って配置される複数のバーナ３２で構成されており、ロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４の接合端部１７の双方を、予め設定した温度に予熱するものである。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、予熱手段３１には水冷手段３３が設けられている。
水冷手段３３は、ロール胴部材１３の芯材１１の接合面に間隔を有して対向配置される円盤状の水冷ジャケット３４と、軸材１４の接合面に間隔を有して対向配置される円盤状の水冷ジャケット３５とを有している。この水冷ジャケット３４と水冷ジャケット３５は、その軸心を合わせて、取り付け台３６の厚み方向両側に取り付け固定され、この水冷ジャケット３４、３５に複数のバーナ３２がそれぞれ取り付け固定されている。
水冷ジャケット３４、３５の上部及び下部には、水冷ジャケット３４、３５への送水と、水冷ジャケット３４、３５からの排水を行う配管３７、３８が接続されている。

また、各水冷ジャケット３４、３５の表面側、即ち、複数のバーナ３２の火炎噴出口側（ロール胴部材１３の接合面との対向面側と芯材１１の接合面との対向面側）には、セラミックス製（例えば、アルミナ）の耐熱板（耐熱部材の一例）３９、４０が、それぞれ設けられている。なお、耐熱板３９、４０には、各バーナ３２の火炎噴出口の位置に応じて、開口部４１が形成されている。
一方、各水冷ジャケット３４、３５の裏面側には、ガス供給管４２から送られたガスを各バーナ３２へ供給するためのガス供給室４３、４４が、それぞれ設けられている。

このように、複数のバーナ３２に水冷手段３３と耐熱板３９、４０を設けることで、複数のバーナ３２でロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４の接合端部１７の双方を予熱している最中に、バーナ３２の炎が各接合面で跳ね返り、バーナ３２の取り付け部分が高温になって変形、更には溶融することを抑制、更には防止できる。
なお、ここでは、複数のバーナ３２に、水冷手段３３と耐熱板３９、４０の双方を設けた場合について説明したが、バーナ３２の使用状況（予熱温度等）に応じて、これらを使用することなく、また、水冷手段３３と耐熱板３９、４０のいずれか一方のみを使用することもできる。

図３（Ｂ）、図４に示すように、複数のバーナ３２は、水冷ジャケット３４（水冷ジャケット３５も同様）の軸心位置及びその軸心位置を中心とした同心円上に配置されている。特に、本実施例では、軸材１４（軸材１５も同様）をロール胴部材１３に摩擦接合するため、芯材１１と軸材１４との接合が良好な状態で行われるように、各接合端部１６、１７に向かい合って配置される複数のバーナ３２は、接合端部１６、１７（水冷ジャケット３４、３５）の周縁部よりも中央部（軸心部）の方が密に配置されている。
これにより、各接合端部１６、１７の中央部の温度を、その周縁部よりも上昇できる。
なお、ここでは、予熱手段３１として、複数のバーナ３２を使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電磁誘導加熱コイル等を使用することもできる。

図４に示すように、予熱手段３１は、ロール胴部材１３と軸材１４（軸材１５も同様）の接合端部１６、１７を予熱する予熱位置４５（図４中の予熱手段３１の二点鎖線位置）と、この予熱位置４５の側方に位置する非予熱位置４６（図４中の予熱手段３１の実線位置、即ち、待機位置）との間を移動可能にする移動手段４７に設けられている。
移動手段４７は、予熱位置４５と非予熱位置４６との間に渡って配置されるガイドレール４８と、このガイドレール４８上を走行可能で、予熱手段３１の取り付け台３６の下端部が取り付け固定された搬送台４９とを有している。
これにより、予熱手段３１を、予熱位置４５と非予熱位置４６との間で往復移動させることができる。

また、移動手段４７には、予熱手段３１のバーナ３２にガスを供給するガス供給用ホース５０が設けられている。
ガス供給用ホース５０の先側端部は、搬送台４９に接続され、搬送台４９に接続されたガス供給管４２へ、ガスを供給可能な構成となっている。一方、ガス供給用ホース５０の基側端部は、ベース台２１の側方を、ベース台２１と平行に走行可能とした台車５１に接続されている。
また、予熱手段３１が、予熱位置４５と非予熱位置４６との間で往復移動するに際しては、ガス供給用ホース５０をガイドローラ５２によって支持すると共にガイドし（ルーパ機構）、ガス供給用ホース５０が床面５３に接触することを防止している。

なお、圧延ロールの製造装置２０には、更に、予熱されたロール胴部材１３及び軸材１４の温度を測定する温度計や、芯材１１と軸材１４との押圧時のトルクを検出するトルク検出器、更には、押圧時にかかる圧力を測定する圧力計等も設けられている。
上記したモータ、油圧シリンダ２４、及び予熱手段３１の各動作は、制御装置（図示しない）により制御できる。なお、制御装置は、温度計、トルク検出器、及び圧力計の各計測値も管理しており、これらの測定値に基づいて、モータ、油圧シリンダ２４、及び予熱手段３１の各動作を制御できる。

これにより、予熱された芯材１１の軸心に予熱された軸材１４、１５の軸心を合わせた状態で、芯材１１と軸材１４、１５の接合面同士を突き合わせ、油圧シリンダ２４により芯材１１を軸材１４、１５に押圧しながら、モータによりチャック２３（軸材１４、１５）を回転させて、芯材１１及び軸材１４、１５の接合端部１６〜１９を摩擦加熱した後、油圧シリンダ２４により芯材１１を軸材１４、１５に強圧して接合できる。なお、強圧は油圧シリンダ２４以外で行ってもよい。

次に、図１、図５を参照しながら、本発明の第２の実施例に係る圧延ロールの製造装置（以下、単に製造装置ともいう）６０について説明する。
圧延ロールの製造装置６０は、ベース台６１と、このベース台６１上に設けられ、ロール胴部材１３を把持するクランプ（第１の把持手段の一例）６２と、軸材１４（又は軸材１５、以下同様）を把持するチャック（第２の把持手段の一例）６３とを有している。
このクランプ６２は、ロール胴部材１３を、芯材１１の軸心が垂直方向となるように把持するものである。また、チャック６３は、把持した軸材１４の軸心が、芯材１１の軸心に合うように（即ち、軸材１４の軸心が垂直方向となるように）、クランプ６２の上方に配置されている。

上記したチャック６３には、このチャック６３に把持された軸材１４を、その軸心を中心として回転させる回転手段の一例であるモータ（図示しない）が設けられている。
このチャック６３には、更に、チャック６３に把持された軸材１４を、クランプ６２に把持されたロール胴部材１３に対して上下動させ、芯材１１と軸材１４、１５とを、その接合面同士を突き合わせて軸方向に押圧する図示しない押圧手段（例えば、油圧シリンダ等）が設けられている。なお、押圧手段は、クランプ側に設けることもできる。
チャック６３とクランプ６２の間には、予熱手段（図示しない）が設けられている。この予熱手段には、前記した予熱手段３１と同様の機能を有するものを使用できる。

なお、圧延ロールの製造装置６０には、更に、前記した圧延ロールの製造装置２０と同様、温度計やトルク検出器、更には、圧力計等も設けられている。
また、上記したモータ、押圧手段、及び予熱手段の各動作は、制御装置（図示しない）により制御できる。なお、制御装置は、温度計、トルク検出器、及び圧力計の各計測値も管理しており、これらの測定値に基づいて、モータ、押圧手段、及び予熱手段の各動作を制御できる。
これにより、予熱された芯材１１の軸心に軸材１４、１５の軸心を合わせた状態で、芯材１１と軸材１４、１５の接合面同士を突き合わせ、押圧手段により軸材１４、１５を芯材１１に押圧しながら、モータによりチャック６３（軸材１４、１５）を回転させて、芯材１１及び軸材１４、１５の接合端部１６〜１９を摩擦加熱した後、押圧手段により芯材１１に軸材１４、１５を強圧して接合できる。

続いて、図１〜図４を参照しながら、本発明の第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法について説明する。
圧延ロールの製造方法は、準備工程、予熱工程、摩擦圧接工程、及び仕上げ工程を有している。

まず、準備工程について説明する。
この準備工程では、ロール胴部材１３と軸材１４、１５を準備する。
ロール胴部材１３として、未使用のロール胴部材（未使用品）を使用する場合、まず、長尺のロール用素材（Ｃｒ−Ｍｏ鋼又は炭素鋼）を機械加工して、芯材１１と同径の長尺芯材（芯材１１の複数本分の長さを有する芯材）を製造する。次に、製造した長尺芯材の外周に、鋳掛け肉盛層１２を形成した後、この長尺芯材を切断してロール胴部材１３を得る。
なお、ロール用素材から、芯材の一方側の軸材のみを、機械加工によって芯材と一体的に形成してもよい。

このロール胴部材１３として、使用済みのロールのロール胴部材（使用済み品）を使用する場合、使用済みのロールの軸方向両側の軸材を切断して除去した後、得られたロール胴部材の外周に、新たな鋳掛け肉盛層１２を形成する。この新たな鋳掛け肉盛層１２の形成は、使用済みのロールの軸方向両側の軸材を切断して除去したロール胴部材を焼鈍した後、機械加工により、外周の既存の鋳掛け肉盛層の一部又は全部を除去して（残厚を０又は０を超え３０ｍｍ以下程度にして）行うのがよい。
なお、使用済みのロールからの軸材の切断は、圧延ロールの一方側の軸材についてのみ行ってもよい。
ここで、上記したロール胴部材１３（芯材１１）の軸材１４、１５との接合端部１６、１８には、軸材１４、１５と同一径又は大径の突出部（軸心方向の突出量：例えば、１〜１００ｍｍ程度、より好ましくは、２〜１０ｍｍ）を形成しておくことが好ましい。

また、軸材１４（軸材１５も同様）として、未使用の軸材（未使用品）を使用する場合、ロール用素材（Ｃｒ−Ｍｏ鋼）を機械加工・切断（機械加工や切断）して、接合端部１７端面が平面な軸材１４を得る。
なお、使用済みのロールの軸材（使用済み品）を使用する場合、使用済みのロールから切断分離された軸材を、必要に応じて機械加工（縮径）する。この場合も、上記した使用済みのロールのロール胴部材と同様、機械加工前に予め焼鈍するのがよい。
ここで、軸材１４の接合端部１７の直径は、芯材１１の直径よりも小さくしておく（芯材１１の直径の０．８６〜０．９６倍）。

上記した方法で得られたロール胴部材１３と軸材１４、１５を、圧延ロールの製造装置２０まで搬送し、クランプ２２にロール胴部材１３を把持させ、チャック２３に軸材１４（軸材１５も同様）を把持させる。
このとき、ロール胴部材１３の芯材１１の軸心と、軸材１４の軸心とが一致するように、クランプ２２とチャック２３との相対位置も調整する。

次に、予熱工程について説明する。
この予熱工程では、前記した予熱手段３１により、ロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４（又は軸材１５、以下同様）の接合端部１７を、予め設定した温度に予熱する。
まず、移動手段４７の搬送台４９を動かし、非予熱位置４６に位置していた予熱手段３１を、予熱位置４５（ロール胴部材１３と軸材１４の各接合端部１６、１７にそれぞれ向かい合って配置される位置）まで移動させる。
次に、接合端部１６、１７が、上記した温度となるように予熱を行う。

この予熱を行うに際しては、前記した予熱手段３１を使用するため、芯材１１と軸材１４の各接合端部１６、１７の中央部の温度が、その周縁部よりも上昇する（例えば、中央部の温度を周縁部よりも５０℃以上１５０℃以下の範囲で高くする）。これにより、芯材１１と軸材１４の各接合端部１６、１７の中央部における軸心方向の突出量は、各接合端部１６、１７の周縁部よりも大きくなる。
なお、予熱は、少なくともロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４の接合端部１７に対して行えばよいため、接合端部１６を含むロール胴部材１３の一部又は全部、また、接合端部１７を含む軸材１４の一部又は全部に対して行ってもよい。
また、予熱は、必要に応じて、ロール胴部材１３の接合端部１６のみ、又は、軸材１４の接合端部１７のみに対して行ってもよい。
更に、芯材１１と軸材１４の各接合端部１６、１７の少なくとも一方の端面を、予め中央部における他の部分（中央部を除く部分）に対する軸心方向の突出量が０．１ｍｍ〜数ｍｍ突出した略円弧形状、山形状、凸形状等に、機械加工しておいてもよい。この場合、接合端部を略均一に加熱できる加熱手段を用いてもよい。

ここで、予熱温度（芯材１１と軸材１４の各接合端部１６、１７の中央部の温度）は、ロール胴部材１３と軸材１４との接合が良好に行われる温度であれば、特に限定されるものではないが、特に、５００℃以上、軸材１４の融点以下で行うのがよい。
予熱温度が５００℃未満の場合、温度が低過ぎて、ロール胴部材と軸材との接合強度が十分に高められない恐れがある。一方、予熱温度が軸材の融点を超える場合、例えば、軸材が軟化し、また、金属組織が変化し、軸材として使用できなくなる恐れがある。
従って、予熱温度を、５００℃以上、軸材１４の融点以下としたが、下限を５５０℃、更には６００℃とすることが好ましく、上限を「軸材１４の融点−５０℃」、更には「軸材１４の融点−１００℃」とすることが好ましい。
このように、予熱が終了した後は、移動手段４７の搬送台４９を動かし、予熱位置４５に位置していた予熱手段３１を、非予熱位置４６まで移動させる。

続いて、摩擦圧接工程について説明する。
この摩擦圧接工程では、ロール胴部材１３に軸材１４を接合する。
まず、上記した予熱工程で予熱された芯材１１の軸心に軸材１４の軸心を合わせた状態で、モータによりチャック２３（軸材１４、１５）を回転させながら、油圧シリンダ２４により芯材１１を軸材１４に押圧して、芯材１１及び軸材１４の接合端部１６、１７を摩擦加熱する。

ここで、芯材１１の押圧力と軸材１４の回転速度は、十分な摩擦加熱を実施できれば、特に限定されるものではないが、押圧力は、例えば、１０ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下（好ましくは、下限値が１５ＭＰａ、上限値が３０ＭＰａ）程度であり、回転速度は、例えば、１００ｒｐｍ（回／分）以上５００ｒｐｍ以下（好ましくは、下限値が１５０ｒｐｍ、上限値が３００ｒｐｍ）程度である。
これにより、芯材１１と軸材１４は、その中央部からまず接触して摩擦加熱・溶融（摩擦加熱して溶融）し、続いて、周縁部が接触して摩擦溶融するので、芯材１１と軸材１４の各接合端部１６、１７は、その全面にわたって溶融する。このように、中央部から周縁部に向けて徐々に摩擦加熱が生じること、及び溶融した金属がいわば潤滑剤的な役割を果たすことにより、芯材１１と軸材１４との間の摩擦トルクが小さくてすみ、接合端部１６、１７の径が太くても、パワーが小さなモータを使用できる。

上記したように、芯材１１及び軸材１４の接合端部１６、１７を摩擦加熱・溶融した後、油圧シリンダ２４によって芯材１１を軸材１４に強圧し、軸材１４の回転を停止して接合する（アプセット）。即ち、芯材１１と軸材１４の接合端部１６、１７の摩擦加熱で溶融した金属同士が冷却・固化（冷却し固化）することで、芯材１１と軸材１４とが強固に接合するのである。

ここで、摩擦加熱後の芯材１１の軸材１４への強圧は、芯材１１と軸材１４との接合強度を、充分に高めることができれば、特に限定されるものではないが、強圧力は、上記した摩擦加熱時の押圧力よりも高く、例えば、２０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下（好ましくは、下限値が３０ＭＰａ、上限値が６０ＭＰａ）程度である。
また、軸材１４の回転を停止するタイミングは、芯材１１及び軸材１４の接合端部１６、１７を摩擦加熱したときに、この接合端部１６、１７が軟化（溶融）することによる変形量で設定できるが、芯材１１を軸材１４に強圧する強圧開始のタイミングからの時間（例えば、５秒以下）で設定することもできる。

最後に、仕上げ工程について説明する。
この仕上げ工程では、摩擦接合した圧延ロールを仕上げ加工する。
まず、摩擦接合した圧延ロールを、仕上げ状態に近い状態まで粗加工し、更に、調質処理、即ち所定の焼入れ、焼戻し等の熱処理を行う。そして、調質処理された圧延ロールを、使用用途に応じた製品形状に機械加工して、圧延ロール１０とする。
なお、前記した摩擦圧接工程の後に、ロール胴部材１３と軸材１４の接合部分に機械加工して金属面を露出させ、この接合部分に円周溶接（肉盛溶接）を行うことが好ましい。
また、上記したように、ロール胴部材１３と軸材１４の接合部分の金属面を露出させた後、この接合部分に対して超音波検査を行い、ロール胴部材１３と軸材１４との接合が良好に行われているか否かを検査することが好ましい（品質検査）。

続いて、図１、図５を参照しながら、本発明の第２の実施例に係る圧延ロールの製造方法について説明するが、本方法は、前記した本発明の第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法とは、圧延ロールの製造装置６０の使用方法以外、略同じであるため、異なる部分についてのみ説明する。

まず、準備工程について説明する。
前記した第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法で準備したロール胴部材１３と軸材１４、１５を、圧延ロールの製造装置６０まで搬送し、クランプ６２にロール胴部材１３を把持させ、チャック６３に軸材１４（軸材１５も同様）を把持させる。
そして、ロール胴部材１３の芯材１１の軸心と、軸材１４の軸心とが一致するように、クランプ６２とチャック６３との相対位置を調整する。

次に、予熱工程について説明する。
この予熱工程では、前記した予熱手段により、ロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４（又は軸材１５、以下同様）の接合端部１７を、前記した第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法で示したように、予め設定した温度に予熱する。

続いて、摩擦圧接工程について説明する。
まず、上記した予熱工程で予熱された芯材１１の軸心に軸材１４の軸心を合わせた状態で、押圧手段により軸材１４を芯材１１に押圧しながら、モータによりチャック６３（軸材１４、１５）を回転させて、芯材１１及び軸材１４の接合端部１６、１７を摩擦加熱する。なお、軸材１４の押圧力は、前記した第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法で示した芯材１１の押圧力を適用できる。
上記したように、芯材１１及び軸材１４の接合端部１６、１７を摩擦加熱した後、押圧手段によって軸材１４を芯材１１に強圧し、軸材１４の回転を停止して接合する。なお、軸材１４の強圧力は、前記した第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法で示した芯材１１の強圧力を適用できる。

最後に、仕上げ工程について説明する。
前記した第１の実施例に係る圧延ロールの製造方法で示した方法で、摩擦接合した圧延ロールを仕上げ加工して、圧延ロール１０とする。なお、前記した摩擦圧接工程の後に、ロール胴部材１３と軸材１４の接合部分に機械加工して金属面を露出させ、この接合部分に円周溶接（肉盛溶接）を行うことが好ましく、また、接合部分の金属面を露出させた後、この接合部分に対して超音波検査を行い、ロール胴部材１３と軸材１４との接合が良好に行われているか否かを検査することが好ましい（品質検査）。

続いて、図６（Ａ）〜（Ｃ）、図７を参照しながら、予熱工程で使用する予熱手段の別の例について説明する。この予熱手段においては、周知構造のロボットアーム（６軸多関節ロボットを使用するのが好ましい）６５と、ロボットアーム６５のアーム６６の先部に取付けられたバーナ６７とを有している。ロボットアーム６５は図示しない制御部を有し、制御部に入力されたプログラムに従い、バーナ６７の向き及び移動軌跡を決めて、バーナ６７を任意の位置に任意の方向に向けて配置できる。なお、バーナ６７は水冷構造となって、バーナ６７自体が発する熱によって加熱されないようになっている。ロボットアーム６５のアーム６６も必要によって水冷することができる。

従って、ロボットアーム６５を操作し、通常はバーナ６７を待機位置に配置しておくが、ロール胴部材１３の接合端部１６（１８も同様）及び軸材１４（１５も同様）の接合端部１７（１９も同様）を予熱する場合は、ロール胴部材１３の接合端部１６と軸材１４の接合端部１７との間に十分な隙間を設け、この隙間の間の中央位置にバーナ６７を配置する。そして、バーナ６７に可燃ガス（例えば、ＬＰＧ、ＬＮＧ）と酸素（又は空気）とを送って、着火する。なお、６９はウォータジャケットを示す。

次に、ロボットアーム６５を操作して、バーナ６７を接合端部１６に向け、バーナ６７の火炎が渦巻き状に接合端部１６を加熱するようにする。この接合端部１６の加熱が終えた後、バーナ６７を１８０度回転させて、接合端部１７を渦巻き状に加熱するようにする。なお、バーナ６７の渦巻き運動は、図６（Ｂ）のＡからＢに（即ち、外周から中心側に）移動してもよいし、図６（Ｂ）のＢからＡに向かうように渦巻き移動をしてもよい。
なお、図６（Ｃ）のＤ→Ｃ、又はＣ→Ｄに示すように、異なる径の円上を移動することも可能である。

また、一つのバーナ６７を用いると、一方の接合端部１６から他方の接合端部１７にバーナ６７の火炎吹き出し方向を、短時間のうちに変えることが必要であるので、図７に示すように、バーナを構成する第１、第２のバーナ７１、７２を背向かい（１８０度異なる角度）に配置し、両方の第１、第２のバーナ７１、７２から火炎を発して、接合端部１６、１７の両方を同時に加熱することもできる。

ここで、接合端部１６、１７の直径が異なる場合は、両方の第１、第２のバーナ７１、７２のバルブ７３、７４を設けるのがよい。小径の接合端部１７に対して第２のバーナ７２を一部不使用とする場合は、バルブ７４をオフにして非加熱とすることもできる。なお、この第１、第２のバーナ７１、７２は図示しないロボットアームのアームの先に設けられている。

以上に示した本発明の圧延ロールの製造方法を用いることで、圧延ロールを短工期で安価に製造でき、従来よりも長寿命化が図れる。

以上、本発明を、実施例を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施例に記載の構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施例や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

本発明に係る圧延ロールの製造方法及び圧延ロール並びに圧延ロールの製造装置は、予熱工程と摩擦圧接工程により、ロール胴部材と軸材との接合を行うので、材料費を節約でき、従来よりも簡単な方法で、より精度の高い圧延ロールを製造できる。

１０：圧延ロール、１１：芯材、１２：鋳掛け肉盛層、１３：ロール胴部材、１４、１５：軸材、１６〜１９：接合端部、２０：圧延ロールの製造装置、２１：ベース台、２２：クランプ、２３：チャック（第２の把持手段）、２４：油圧シリンダ（押圧手段）、２５、２６：支持台、２７：振れ止め手段、２８：テーブル、２９：第１の把持手段、３０：連結ロッド、３１：予熱手段、３２：バーナ、３３：水冷手段、３４、３５：水冷ジャケット、３６：取り付け台、３７、３８：配管、３９、４０：耐熱板（耐熱部材）、４１：開口部、４２：ガス供給管、４３、４４：ガス供給室、４５：予熱位置、４６：非予熱位置、４７：移動手段、４８：ガイドレール、４９：搬送台、５０：ガス供給用ホース、５１：台車、５２：ガイドローラ、５３：床面、６０：圧延ロールの製造装置、６１：ベース台、６２：クランプ（第１の把持手段）、６３：チャック（第２の把持手段）、６５：ロボットアーム、６６：アーム、６７：バーナ、６９：ウォータジャケット、７１、７２：バーナ、７３、７４：バルブ

Claims (14)

1. クロム−モリブデン鋼又は炭素鋼からなる円柱状の芯材の外周に、硬質の鋳掛け肉盛層が形成されたロール胴部材と、クロム−モリブデン鋼からなり、前記芯材の軸方向両側にそれぞれ設けられた軸材とを備える圧延ロールの製造方法において、
   前記軸材の接合端部の直径を前記芯材の直径より小さくし、
   前記ロール胴部材及び前記軸材のいずれか一方又は双方の少なくとも接合端部を、予め設定した温度に予熱する予熱工程と、
   前記芯材の軸心に前記軸材の軸心を合わせた状態で、前記軸材を前記芯材に押圧しながら回転させて前記芯材及び前記軸材の接合端部を摩擦加熱した後、前記芯材に前記軸材を強圧して接合する摩擦圧接工程とを有し、前記芯材は前記ロール胴部材の端部から突出していることを特徴とする圧延ロールの製造方法。
2. 請求項１記載の圧延ロールの製造方法において、前記軸材の接合端部の直径は前記芯材の直径の０．８６倍以上０．９６倍以下であることを特徴とする圧延ロールの製造方法。
3. 請求項１又は２記載の圧延ロールの製造方法において、前記摩擦圧接工程の後に、前記ロール胴部材と前記軸材の接合部分に機械加工して金属面を露出させ、前記接合部分の円周溶接を行うことを特徴とする圧延ロールの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法において、前記予熱工程における前記接合端部の予熱温度は、５００℃以上、前記軸材の融点以下であることを特徴とする圧延ロールの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法において、前記ロール胴部材は、その外周に新たな前記鋳掛け肉盛層が形成された使用済みのロールを用いることを特徴とする圧延ロールの製造方法。
6. 請求項５記載の圧延ロールの製造方法において、前記使用済みのロールは、焼鈍後、外周の鋳掛け肉盛層が機械加工によって一部又は全部が除去されていることを特徴とする圧延ロールの製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法において、前記軸材は使用済みのロールから切断分離された軸材を使用することを特徴とする圧延ロールの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法によって製造されたことを特徴とする圧延ロール。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法に用いる製造装置であって、
   前記ロール胴部材を水平又は垂直に把持する第１の把持手段と、
   前記軸材を前記ロール胴部材の軸心に合わせて把持する第２の把持手段と、
   前記第２の把持手段に設けられ、前記軸材をその軸心を中心として回転させる回転手段と、
   前記第１の把持手段又は前記第２の把持手段に設けられ、前記芯材と前記軸材の接合面同士を突き合わせ、前記芯材と前記軸材とを軸方向に押圧する押圧手段と、
   前記ロール胴部材及び前記軸材の双方の接合端部を予熱する予熱手段とを有し、
   前記予熱手段は、間隔を有して対向配置された前記ロール胴部材と前記軸材の各接合端部にそれぞれ向かい合って配置される複数のバーナで構成され、かつ前記接合端部に向かい合って配置される複数の前記バーナは、前記接合端部の周縁部よりも中央部の方が密に配置されていることを特徴とする圧延ロールの製造装置。
10. 請求項９記載の圧延ロールの製造装置において、複数の前記バーナの火炎噴出口側には、耐熱部材が設けられていることを特徴とする圧延ロールの製造装置。
11. 請求項９又は１０記載の圧延ロールの製造装置において、複数の前記バーナには、水冷手段が設けられていることを特徴とする圧延ロールの製造装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造装置において、前記予熱手段は、前記ロール胴部材と前記軸材の接合端部を予熱する予熱位置と、該予熱位置の側方に位置する非予熱位置との間を移動可能な移動手段に設けられていることを特徴とする圧延ロールの製造装置。
13. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧延ロールの製造方法に用いる製造装置であって、
    前記ロール胴部材を水平又は垂直に把持する第１の把持手段と、
    前記軸材を前記ロール胴部材の軸心に合わせて把持する第２の把持手段と、
    前記第２の把持手段に設けられ、前記軸材をその軸心を中心として回転させる回転手段と、
    前記第１の把持手段又は前記第２の把持手段に設けられ、前記芯材と前記軸材の接合面同士を突き合わせ、前記芯材と前記軸材とを軸方向に押圧する押圧手段と、
    前記ロール胴部材及び前記軸材の双方の接合端部を予熱する予熱手段とを有し、
    前記予熱手段は、前記ロール胴部材及び前記軸材の接合端部を同時に又は順次加熱するバーナと、先部に前記バーナが取付けられたロボットアームとを有し、前記ロボットアームによって前記バーナの向き及び移動軌跡を決めることを特徴とする圧延ロールの製造装置。
14. 請求項１３記載の圧延ロールの製造装置において、前記バーナは、前記ロール胴部材の接合端部を予熱する第１のバーナと、前記軸材の接合端部を予熱する第２のバーナを有して構成されていることを特徴とする圧延ロールの製造装置。

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