Rolling - Atsuenn (English spelling)

Japanese: 圧延 - あつえん（英語表記）rolling

This is a metal processing method in which a metal material is forced into the gap between a pair of rotating cylindrical bodies called rolls, and the pressure from the rolls extends the length of the material and reduces its cross-sectional area. This method makes use of the property of metal materials that they can be permanently deformed without breaking when a moderate force is applied (plasticity), and is one of the plastic processing methods for metals, along with forging. This method is used to manufacture steel materials such as thick steel plates, thin steel plates, bars, shaped steel, and seamless steel pipes, as well as foils, plates, bars, and pipes of various metals and alloys. Depending on the temperature of the material during rolling, it is broadly divided into hot rolling and cold rolling. Blooming, in which ingots are rolled into semi-finished steel billets at steel factories, is a typical example of hot rolling. In hot rolling, the metal is rolled at a temperature above the recrystallization temperature at which it does not harden due to processing, so large deformation processing can be achieved with relatively small roll pressure. Blooming can remove bubbles and coarse crystal structures from the ingot to produce a slab of homogeneous structure. However, in hot rolling, the hot material surface reacts with oxygen in the air during rolling to produce an oxide film (mill scale), resulting in a rough surface, no metallic luster, and poor dimensional accuracy. Cold rolling is a method of rolling material at room temperature, resulting in a smooth surface, metallic luster, and good dimensional accuracy. A typical example is the cold strip mill used to manufacture thin steel plates. By appropriately combining cold rolling with heat treatment, the crystal structure of the rolled product can be improved to give it excellent mechanical and physical properties.

[Muneaki Shimura and Zenshiro Hara]

Principles of rolling

Consider the case of rolling a material with a rectangular cross section. Let the thickness and width of the material before and after rolling be _h1 , _h2 , _b1 , and _b2 , respectively. ( _h1 _-h2 ) is called the reduction amount, ( _h1 _-h2 )/ _h1 is called the reduction ratio, and ( _b1 _-b2 ) is called the width spread. The contact area between the material and the roll during rolling increases with the roll diameter and reduction amount. The larger this contact area, the larger the friction coefficient between the roll and the material, and the material's deformation resistance (yield stress), the larger the rolling pressure required. Therefore, small diameter rolls are recommended for rolling hard, difficult-to-deform materials and thin plates. However, small diameter rolls can bend during rolling, resulting in poor dimensional accuracy of the product plate (the plate becomes thicker at the center than at both ends), or the rolls can break. For this reason, a method was devised to reinforce the work rolls by placing a support roll on the opposite side of the work roll that directly contacts the material, and various types of multi-stage rolling mills were born. At the entrance to the rolling mill, the material moves slower than the roll surface, and vice versa at the exit. The point where the speeds of the material and the roll surface are the same is called the neutral point. The pressure on the roll and material is greatest at the neutral point. Applying tension from either the front or rear of the material, or both, during rolling has the effect of moving the neutral point and reducing the pressure. This tension rolling is used in the cold rolling of strip thin plates.

[Muneaki Shimura and Zenshiro Hara]

History of rolling

The first practical metal rolling mill in Europe was a hand-operated mill used to make lead frames (H-sections) for stained glass in medieval churches. Leonardo da Vinci left sketches of two types of rolling mills, one for making lead frames and one for making tin plates. In the early 16th century, Italy, followed by France and Austria, started to use hand-operated mills to roll silver coinage sheets, and in the late 17th century and early 18th century, hot rolling of iron profiles and iron plates began in Germany and England, respectively. All of these were powered by water wheels (which is why rolling mills are called mills). The key to Henry Cort's wrought iron manufacturing method (1784) was to immediately roll the wrought iron smelted in a coal-fired reverberatory furnace in a steam-powered rolling mill, and the wrought iron shapes, rails, and iron plates produced by this method became new industrial materials during the Industrial Revolution.

In the first half of the 19th century, the production of thin steel sheets for tinplate using steam-powered double-rolling mills became popular in the UK, and wide copper sheets for protecting ship bottoms were also rolled. In the mid-19th century, the invention of the Bessemer converter and other steel smelting processes made it possible to produce large steel ingots, and high-power blooming mills appeared to roll them into various shapes of billets. Triple-rolling mills were also developed, which could roll in both directions so that the rolling into billets was completed before the ingots cooled. From the second half of the 19th century, electric motors brought about major advances in rolling mills. In the case of plate rolling mills, universal rolling mills equipped with a pair of horizontal and vertical rolls that could roll both thickness and width accurately appeared in the UK, and proved to be effective in producing thick plates for shipbuilding. In the case of thin plate rolling mills, winding mills that cold-roll brass strips while winding them into coils were put to practical use in the UK. In the 20th century, the demand for tinplate for cans and thin steel sheets for automobile bodies increased rapidly in the United States, and a continuous rolling method for wide steel strips called strip mills developed rapidly from the 1920s onwards. This method involves continuously rolling the steel strip material by passing it through several rolling mills (mainly quadruple type) arranged in a vertical line, and winding the finished steel strip into a coil at the exit. The resulting thin steel sheets have good surface finishes and deep drawability, making them suitable for press processing of automobile bodies, etc.

The first strip mill was introduced in Japan in 1941 (Showa 16), but full-scale development did not begin until after World War II. After the war, engineering theories such as automatic control theory and plasticity mechanics also developed, and from the 1960s automatic plate thickness control technology and roll bending technology, which controls the cross-sectional shape of the rolled plate by bending the rolls, were developed. Computer control was also put to practical use from the 1970s, and Japanese strip mills reached a high level of technology. Today, wide thin steel plates over 2 meters in width are produced at rolling speeds of 1,300 meters per minute in hot rolling and 2,500 meters per minute in cold rolling.

[Muneaki Shimura and Zenshiro Hara]

Rolling mill

Rolling mills are classified into double, triple, quadruple, sextuple, multiple, etc., depending on the total number of rolls (n) including work rolls and support rolls (also called n-stage type). They are also classified by the arrangement of the rolls. A rolling mill equipped with vertical rolls in addition to horizontal rolls is called a universal rolling mill, and a rolling mill with many small diameter rolls arranged in a planetary shape around the outer periphery of a large diameter support roll is called a planetary rolling mill.

The double-reversing mill is the oldest type, and before the advent of strip mills, thin steel plates were produced by handing the rolled plate back to the entrance of the mill (pull-over method) by workers at the entrance and exit of the mill. Today, double-reversing mills are used in blooming mills along with triple-reversing mills, and as roughing mills in hot strip mills. Four-reversing mills are suitable for rolling wide plates such as mild steel, copper, and aluminum, and are the main rolling mills in plate mills and hot and cold strip mills. Six- or more-high multi-stage rolling mills were invented for cold rolling hard materials such as stainless steel and silicon steel sheets, and for rolling extremely thin sheets up to foil. Examples include the Lawn rolling mill (invented in 1923) with 12- to 32-high rolls with bearings on both ends, and the Sendzimir rolling mill (invented in 1934) with 6, 12, or 20-high rolls without bearings. In Japan, cold strip mills with four of the latter mills arranged in a tandem are operated for the production of stainless steel sheets. Universal rolling mills have recently been used as rolling mills for large steel sections. Planetary rolling mills can roll hard material sheets such as alloy steel to a reduction rate of 90% or more in one pass through the rolls, and one of the world's largest was built in Japan in 1966.

The Mannesmann steel pipe mill (also called the piercing machine), which pierces round steel bars into steel pipes and rolls them at the same time, is the main machine in the Mannesmann steel pipe manufacturing process, which is famous for its seamless steel pipe manufacturing method. Its structure and principle differ from that of a steel plate rolling mill, in that when round steel bars are inserted between a pair of double conical rolls arranged at an angle to each other and rotating in the same direction, a hole formed in the central axis is enlarged by a mandrel, and the round steel bars are pierced and rolled into steel pipes. In the Mannesmann steel pipe manufacturing process, the blank pipes made by the piercing machine are then finish-rolled by various steel pipe rolling mills.

[Muneaki Shimura and Zenshiro Hara]

[Reference item] | Pipe reduction rolling

How to assemble rolling rolls
©Shogakukan ">

How to assemble rolling rolls

Steel plate manufacturing process by strip mill
©Shogakukan ">

Steel plate manufacturing process by strip mill

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

回転している1対のロールとよばれる円柱体の間隙(かんげき)へ金属素材をかみ込ませ、ロールからの圧力で素材の長さを延ばし、断面積を縮小させる金属加工法。金属材料には適度の力を加えると破壊することなく永久変形する性質（塑性）があることを利用しており、鍛造などとともに金属の塑性加工法の一種である。厚鋼板、薄鋼板、棒鋼、形鋼(かたこう)、継目なし鋼管などの鋼材をはじめ、各種金属や合金の箔(はく)、板、棒、管などがこの方法で製造されている。圧延の際の素材の温度により熱間圧延（熱延）、冷間圧延（冷延）に大別される。鉄鋼工場で鋳塊を半成品の鋼片に圧延する分塊圧延は熱間圧延の代表例である。熱間圧延では、金属が加工による硬化を生じない再結晶温度以上の温度で圧延が行われるから、比較的小さいロール圧力で大きな変形加工ができる。分塊圧延では、鋳塊の中にある気泡や粗大結晶組織をなくして均質な組織の鋼片とすることができる。ただし熱間圧延では、圧延中に高温の素材表面が大気中の酸素と化合して酸化膜（ミル・スケールmill scale）を生ずるから製品の肌は粗く、金属光沢はなく、寸法精度も悪い。冷間圧延は室温のままの素材を圧延する方式で、製品の表面は平滑で、金属光沢があり、寸法精度もよい。薄鋼板製造用の冷間ストリップ・ミルstrip millはその代表例である。冷間圧延と熱処理とを適切に組み合わせることにより、圧延製品の結晶組織を改善して優れた機械的、物理的性質を与えることができる。

［志村宗昭・原善四郎］

圧延の原理

いま長方形断面の素材を圧延する場合を考える。圧延前後の素材の厚さと幅をそれぞれh₁、h₂及びb₁、b₂とする。（h₁-h₂）を圧下量、（h₁-h₂）/h₁を圧下率、（b₁-b₂）を幅ひろがりという。圧延中に素材とロールとが接触している面積は、ロール径および圧下量が大きいほど大きい。この接触面積とロール、素材間の摩擦係数および素材の変形抵抗（降伏応力）がそれぞれ大きいほど大きな圧延圧力が必要になる。したがって、硬くて変形しにくい材料や薄板の圧延には小径ロールを用いるとよい。しかし小径ロールは圧延中に湾曲して製品板の寸法精度が悪くなったり（板が両端より中央で厚くなる）、ロールが折損することもある。そのため直接に素材に接触するロール（作業ロール）の、素材と反対側に支持ロールを配置して作業ロールを補強することが考案され、各種の多重（多段）式圧延機が生まれた。圧延機の入口側では素材はロール表面よりも遅く移動し、出口側ではその逆である。素材とロール表面の両移動速度が一致する点を中立点という。ロールおよび素材にかかる圧力は中立点で最大である。圧延中に素材の前方、後方のいずれか、また双方から張力をかけると、中立点の位置が移動し、圧力が減少するという効果がある。帯状薄板の冷間圧延ではこの張力付加圧延が適用されている。

［志村宗昭・原善四郎］

圧延の歴史

ヨーロッパで最初に実用された金属圧延機は中世教会のステンドグラス用鉛縁（H形断面）を成形加工する手動圧延機であったらしい。レオナルド・ダ・ビンチは鉛縁用およびスズ板用の2種の圧延機のスケッチを残している。16世紀前半からイタリアで、ついでフランス、オーストリアで銀貨素材板を手動圧延機で圧延することが始まり、17世紀後半および18世紀前半には形鉄および鉄板の熱間圧延がそれぞれドイツおよびイギリスで始まった。動力はいずれも水車であった（圧延機をミルとよぶのはこのためである）。ヘンリー・コートの錬鉄製造法（1784）の要点は、石炭反射炉で製錬した錬鉄をただちに蒸気力駆動の圧延機で圧延することにあり、同法で製造された錬鉄の形材やレール、鉄板が産業革命時代の新工業材料となった。

　19世紀前半には蒸気力駆動の二重式圧延機によるブリキ板用薄鉄板の製造がイギリスで盛んになり、船底保護用などの広幅銅板も圧延されるようになった。19世紀中期のベッセマー転炉などの溶鋼製錬法の発明で鋼の大形鋳塊が製造可能になると、それを各種形状の鋼片に圧延するために大馬力の分塊圧延機が現れ、鋳塊が冷却しないうちに鋼片への圧延が完了するように往復両行程で圧延が可能な三重式圧延機も開発された。19世紀後半から電動機が圧延機にも大きな進歩をもたらした。厚板圧延機では、各1対の水平・垂直ロールを備えて厚さ、幅ともに正確に圧延できるユニバーサル圧延機がイギリスに出現し、造船用厚板の製造に威力を発揮した。薄板圧延機では、黄銅の帯状薄板をコイルに巻き取りつつ冷間圧延する巻取圧延機がイギリスで実用化された。20世紀に入って、缶詰用ブリキ板や自動車車体用の薄鋼板の需要が急増したアメリカでは、ストリップ・ミルとよばれる広幅帯鋼（ストリップ）の連続圧延方式が1920年代以降急速に発展した。これは、縦列に配置した数台の圧延機（主として四重式）に帯鋼素材を通過させて連続的に圧延し、出口で製品帯鋼をコイルに巻き取る方式である。製品の薄鋼板は表面仕上げや深絞り性が良好で、自動車車体などをプレス加工するのに適している。

　日本には1941年（昭和16）最初のストリップ・ミルが導入されたが、本格的な発展は第二次世界大戦後であった。戦後は自動制御理論や塑性力学など工学理論も発展して、1960年代から自動板厚制御技術やロールに曲げを加えることによって圧延板の断面状形を制御するロール・ベンディングroll bending技術も開発され、計算機制御も1970年代から実用され、日本のストリップ・ミルは高度の技術水準に達した。今日では幅2メートル以上の広幅薄鋼板が熱間圧延では毎分1300メートル、冷間圧延では毎分2500メートルの圧延速度で生産されている。

［志村宗昭・原善四郎］

圧延機

圧延機は作業ロール、支持ロールを含めたロールの総数（n）によって二重式、三重式、四重式、六重式、多重式などに分類される（n段式ともいう）。またロールの配置形式によって分類され、水平ロールの外に垂直ロールを備えたものはユニバーサル圧延機とよばれ、大径の支持ロールの外周に多数の小径ロールを遊星状に配置したものはプラネタリ圧延機とよばれる。

　二重式圧延機は最古の形式のもので、ストリップ・ミル出現以前には、この圧延機の出口側、入口側に工員がいて、出てくる圧延板を入口側へ手渡しで戻して圧延を繰り返すという方法（プル・オーバーpull over方式）で薄鉄板が製造されていた。現在では二重式逆転圧延機が三重式圧延機とともに分塊圧延機に用いられ、また熱間ストリップ・ミルの粗圧延機としても用いられている。四重式圧延機は軟鋼、銅、アルミニウムなどの広幅板材の圧延に適し、厚板圧延機や熱間、冷間ストリップ・ミルの主力圧延機となっている。六重式以上の多重式圧延機は、ステンレス鋼板やケイ素鋼板などの硬い材料の冷間圧延や箔に至る極薄板の圧延用として考案されたもので、両端軸受付きの12段ないし32段ロールを備えたローン圧延機（1923発明）、6段、12段ないし20段の軸受なしロールを配置したゼンジミア圧延機（1934発明）などがあり、日本では後者4台を縦列に配置した冷間ストリップ・ミルがステンレス鋼板生産用に運転されている。ユニバーサル圧延機は最近では大形形鋼の圧延機としても重用されている。プラネタリ圧延機は合金鋼などの硬質材料板を1回のロール通過で90％以上の圧下率まで圧延でき、1966年（昭和41）には日本に世界最大級のものが建設された。

　丸鋼を鋼管に穿孔(せんこう)すると同時に圧延作用もあるマンネスマン鋼管圧延機（穿孔機ともよばれる）は、継目なし鋼管製造法として有名なマンネスマン式鋼管製造法の主力機となっている。その構造と原理は鋼板圧延機とは異なり、互いに角度をなして配置された同方向回転の左右1対の二重円錐(えんすい)形ロールの間へ丸鋼を挿入するとき、その中心軸に形成される孔をマンドレルmandrelとよばれる心金(しんがね)によって拡大することによって丸鋼を鋼管に穿孔、圧延する。マンネスマン式鋼管製造法では、この穿孔機でつくった素管をさらに各種の鋼管圧延機で仕上げ圧延する。

［志村宗昭・原善四郎］

[参照項目] | 管絞り圧延

圧延ロールの組み方

ストリップ・ミルによる鋼板の製造工程

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

<<: Rolling machine - Atsuenki

>>: Thick board - hot