　圧延の原理は、うどんの生地を麺棒で延ばす原理と同じです。素材を上下のロールの間に送り込み、上下から荷重を加えて素材を変形させながら一定の方向に延ばしていきます。圧延された素材は、長さ方向に厚みが均一な材料となります。圧延では複雑な形状の材料を製作することができませんが、板、丸、角といった単純形状の材料を効率的に量産することができます。そのため、圧延された材料は比較的低コストな材料と言えます。

図4　圧延の原理［クリックで拡大］

　ここで、金属の変形機構について簡単に説明します。金属に荷重を加えて変形させたとき、小さい荷重であれば、荷重を取り除くと金属の弾性によって変形が元に戻ります。荷重が一定のレベル（弾性限界）を超えると、金属が元に戻らない変形が生じます。

　この変形のさまを“塑性（そせい）変形”といいますが、圧延はこの塑性変形を利用した成形法となります。そのため、圧延は塑性加工法の一種として分類されます。圧延された金属材料は垂直方向に圧縮するため、内部に存在する引け巣やポロシティなどの鋳造欠陥が圧着して無くなります。また、塑性変形に伴って結晶粒が微細化するため、良質な材料が得られます。

鋼材の圧延プロセス

　鉄鋼メーカーでは、「ストリップミル」と呼ばれる製造設備によって鋼材の圧延が行われています。ストリップミルは加熱炉、粗圧延機、仕上圧延機、巻取機などを備えた製造設備で、これらを一直線上に配置することにより、粗圧延から仕上圧延までをノンストップで行うことができます。日本の鉄鋼生産を支える重要な設備となっています。

図5　ストリップミル［参考文献2］［クリックで拡大］

　鉄鋼を圧延する場合、うどんの生地と違って鉄鋼は硬いため、鉄鋼からの反発力によってロールがたわんでしまいます。これを制御しないと、圧延された材料は幅方向の厚みが不均一になってしまいます。そこで、一般的に鉄鋼材料の圧延では図6に示すような構造の圧延機が用いられます。鉄鋼材料を延ばすワークロールを、バックアップロールが支えて剛性を保っています。

図6　圧延機の構造［参考文献3］［クリックで拡大］

熱間圧延と冷間圧延

　圧延の種類は、圧延温度の違いによって大きく「熱間圧延」と「冷間圧延」に分けられます。これらは、材料の厚みや仕上がりの程度などに応じて使い分けられています。

　熱間圧延は、鋼材の場合、1000～1200℃程度に加熱してから圧延する方法です。加熱することで金属が軟らかくなり、変形抵抗が下がるため、効率よく素材を圧延することができます。ただし、圧延後の材料表面に黒い酸化膜（スケール）が生じるため、必要に応じて酸洗などの表面処理が必要となります。また、冷却後に材料の収縮が起こるため、熱間圧延した材料は寸法精度に劣ります。

　冷間圧延は、素材を加熱せず、常温で圧延する方法です。一般的に熱間圧延＋酸洗が施された素材が用いられます。冷間圧延では圧延後の材料表面にスケールが生じないため、滑らかな表面に仕上げることができます。また、高い寸法精度をもつ材料を製作することができます。当然ながら常温で圧延するため材料は硬く、厚さがある材料を圧延することはできません。薄板などの圧延に限定して用いられます。

さまざまな圧延法

　図4に示した圧延法は鋼板の製造に用いられている圧延法ですが、鋼材の圧延では他にもさまざまな圧延法が用いられています。以下に代表的な圧延法を紹介します。

孔型圧延

　孔型圧延は、凹凸の溝が切られたロールを使用して異形材を製造する圧延法です。棒鋼、軌条（レール）、鋼矢板などを圧延する際に用いられています。

図7　孔型圧延の例［クリックで拡大］

ユニバーサル圧延

　ユニバーサル圧延は、上下一対の水平ロールと、左右一対の垂直ロールを組み合わせて行う圧延法です。建設現場で用いられるH形鋼やI形鋼などを圧延する際に用いられています。

図8　ユニバーサル圧延の例［クリックで拡大］

センジミア圧延

　センジミア圧延は、小径のワークロールと、それを取り囲む多数の中間ロール、バックアップロールによって行う圧延法です。板材を薄く圧延するためにワークロールの径が細くなっており、ワークロールのたわみを抑えるために複数の中間ロールとバックアップロールが支えています。ステンレス鋼板や電磁鋼板などの冷間圧延に用いられています。