JP2004223523A

JP2004223523A - 熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法

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Publication number: JP2004223523A
Application number: JP2003011080A
Authority: JP
Inventors: Yasumitsu Kondo; 泰光近藤; Kaoru Kawasaki; 薫川崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP3837115B2

Abstract

【課題】鋼材を熱間圧延する際のＣｕに起因する鋼材の赤熱脆性の発生を、ＮｉやＳｉの添加による場合のような問題を生じることなく、加熱条件を工夫することにより抑制できる鋼材の加熱方法を提供すること。
【解決手段】Ｃｕを０．０５〜３質量％含有する鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態において、Ｃｕの濃化速度よりもＣｕの拡散速度が大きくなるように、加熱条件を加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方で制御することで、スケール／地鉄界面に析出したＣｕの一部を地鉄中に拡散させ、スケール／地鉄界面でのＣｕ濃化量を減少させ、鋼材におけるＣｕ起因の赤熱脆性を抑制する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃｕ含有鋼材を熱間圧延する際の鋼材の加熱方法において、Ｃｕに起因する鋼材の赤熱脆性を抑制する鋼材の加熱方法に関する。より具体的には、鋼材の加熱時の鋼材表面へのＣｕの濃化を抑制して鋼材の赤熱脆性を防止し表面形状の優れた鋼材を得る鋼材の加熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼材料の鉄源としてスクラップが利用されているが、スクラップを用いた場合には、スクラップ中に含まれるＣｕが鋼材に混入する。Ｃｕは熱間圧延時に先立つ鋼材の加熱時に、スケールと地鉄の界面に濃化し、このＣｕ濃化量が多いと鋼材表面に割れを生じる赤熱脆性の問題が起きることが知られている。Ｃｕは精錬による除去が困難であるため、この問題を回避するためにＣｕを含有する鋼材スクラップの使用量が制限されているという状況がある。
しかしながら、鋼材を製造する際のエネルギー消費量や、蓄積された鋼材スクラップ量の増加を考えると、今後、鉄源としてより多くのスクラップを使用することが望まれており、Ｃｕを含有しても赤熱脆性が発生しない製造方法の開発が強く要求されている。
【０００３】
熱間圧延に先立ち鋼材は加熱炉に装入され、燃焼ガスにより加熱されて１１００〜１３００℃の温度で抽出後、高圧水でデスケーリングされ熱間圧延機で熱間圧延される。通常、加熱炉内に供給される燃焼ガスは、酸素、水蒸気、二酸化炭素などの酸化性ガスを含むために、加熱炉で高温で加熱された鋼材表面にはスケール層が生成する。このスケール層は、主に鉄の酸化物からなり、一般に表層からヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）、ウスタイト（ＦｅＯ）の３層からなる。
そして、鉄が高温下で燃焼ガス中の酸化性ガスによって酸化する際に、Ｃｕ、Ｎｉなどの鉄より貴な金属を含有している場合は、これらの金属は酸化されず、スケール層と地鉄の界面で濃化する。Ｃｕの場合には、γ鉄中に数％程度の溶解度しかなく、Ｃｕ濃化量がそれ以上となる場合にはＣｕが金属相として析出する。Ｃｕの融点は１０８０℃であり、通常熱間圧延前の鋼材の加熱はそれ以上の温度で行われるために、溶融状態のＣｕの液相がスケール／地鉄界面に生成し、これが地鉄の粒界に侵入して熱間圧延時のせん断応力や引張応力に耐えられなくなり、赤熱脆性による表面割れが発生する。
【０００４】
このＣｕ起因の赤熱脆性の防止にはＮｉの添加が有効であることが知られている。これはＮｉを添加することで鋼中のＣｕの溶解度が増すために、スケール／地鉄界面でのＣｕの析出を抑制できることによる。
また、特許文献１では、Ｓｉの添加も赤熱脆性の防止効果があるとしている。Ｓｉを添加すると、スケール／地鉄界面付近でファイアライトを生成し、１１７０℃以上でスケール中のウスタイトと反応して液相を生成させる。この液相中にＣｕの液相が取り込まれるために、Ｃｕの地鉄粒界への液相Ｃｕの侵入が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】
【特開平６−２９７０２６号公報】
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｎｉを添加してＣｕ起因の赤熱脆性を防止する方法は、高価な金属であるＮｉを使用するためにコスト増につながるという問題がある。
また、Ｓｉを添加してＣｕ起因の赤熱脆性を防止する方法は、Ｓｉを添加した鋼材はスケールの剥離性が悪く、圧延前の高圧水によるデスケーリングによってもスケールの剥離・除去が困難となり、スケールが残留し鋼材表面が赤くなるなど表面性状が損なわれ、その後、酸洗工程がある場合には、酸洗でスケールが溶解し難いため、酸洗工程のコスト増、生産性の低下の問題がある。
本発明は、Ｃｕ含有鋼材を熱間圧延する際のＣｕに起因する鋼材の赤熱脆性の発生を、ＮｉやＳｉの添加のような鋼成分の変更を行うことなく抑制できる鋼材の加熱方法、より具体的には、Ｃｕを０．０５〜３質量％含有する鋼材の加熱時に鋼材表面でのＣｕの濃化を抑制して、赤熱脆性がなく表面性状の優れた圧延鋼材を得るＣｕ含有鋼材の加熱方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の（１）〜（３）を要旨とするものである。
（１）Ｃｕを０．０５以上３％（質量％）以下で含有する鋼材を熱間圧延に先立ち加熱する方法において、鋼材を圧延前の最終加熱段階の鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態において、Ｃｕの濃化速度よりもＣｕの拡散速度が大きくなるように、加熱条件を加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方で制御することを特徴とする熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。
（２）最終加熱段階にて加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方を制御する時間ｔ（分）が、鋼材表面の最低温度Ｔ（Ｋ）との間で次式で示されるＬｏｇ_１０（ｔ）以上であることを特徴とする（１）に記載の熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。
Ｌｏｇ_１０（ｔ）＝−０．００３０１×（Ｔ−２７３）＋４．０１
（３）加熱炉最終段階での加熱条件の制御を、加熱炉内をゾーン分割して行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｃｕを含有する鋼材を熱間圧延するための鋼材の加熱方法であって、鋼の基本成分を変えることなく、熱間圧延時のＣｕ起因の赤熱脆性の発生を抑制し、表面形状の優れた熱間圧延鋼材の製造を可能にするものである。
赤熱脆性を引き起こすＣｕの濃化はスケール／地鉄界面濃化し析出したＣｕが引き起こす現象である。本発明者らは数多くの実験検証の結果、スケール／地鉄界面に濃化したＣｕの挙動を定量的に検討し、Ｃｕの析出が回避できる条件を見出した。それは、（１）式に示すようにスケール生成に伴いスケール地鉄界面にＣｕが濃化する速度（Ｃｕの濃化速度）と、濃化したＣｕがその濃度勾配により鋼中に拡散する速度（Ｃｕの拡散速度）を比較し、拡散速度が濃化速度より大きい場合にはＣｕの液相としての析出を回避でき、Ｃｕ起因の赤熱脆性を抑制できるというものである。本発明で用いるＣｕの濃化速度およびＣｕの拡散速度は後述するように数式にて定義され、計算により値を得られるものである。
（Ｃｕの濃化速度）＜（Ｃｕの拡散速度）（１）
【０００９】
本発明ではこの原理を利用して、鋼材を加熱し圧延する際の少なくとも圧延前の最終加熱段階で、Ｃｕの濃化速度よりもＣｕの拡散速度が大きくなるように、加熱条件を加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方で制御し、スケール／地鉄界面に析出したＣｕの一部の地鉄中への拡散を進行させることによりスケール／地鉄界面でのＣｕ濃化量を減少させ、赤熱脆性による表面割れの発生を抑制するものである。
本発明の加熱を、少なくとも圧延前の最終加熱段階で行う必要がある。その理由は、上記（１）式の関係が圧延の前工程に実施されている必要があるためである。すなわち、圧延前の最終加熱段階で（１）式の関係が成立していないとＣｕは濃化するため、圧延時に赤熱脆性による表面割れが発生するためである。従って、圧延前の最終加熱段階で（１）式が成立していれば良い。
【００１０】
熱間圧延に先立ち鋼材は加熱される。鋼材の加熱は燃焼ガス雰囲気で行った場合には鋼材が酸化されその表面に鉄の酸化物のスケールが生成する。この際に、Ｃｕなどの鉄より貴な金属を含有している場合は、これらの金属は酸化されずスケール層と地鉄の界面で濃化する。Ｃｕの場合には、γ鉄中に数％程度の溶解度しかなく、Ｃｕ濃化量がそれ以上となる場合にはＣｕが金属相として析出する。
本発明者は、数多くの実験検証の結果、スケール／地鉄界面に濃化したＣｕの挙動を定量的に検討した。その結果、スケール／地鉄界面に濃化して、析出に関与するＣｕ量はＣｕの濃化速度とＣｕの拡散速度の差で表されることを突き止めた。
【００１１】
まず、本発明におけるＣｕの濃化速度について説明する。Ｃｕの濃化速度とは、鋼材の酸化によりスケール／地鉄界面にＣｕが濃化する速度であり鋼中のＣｕ濃度と、酸化により鉄が消費される速度の積で表される。Ｃｕの濃化速度を定量的に定義するには鋼材の酸化速度を知る必要がある。鉄の酸化速度は雰囲気の酸素が鋼材表面に充分に供給される場合と、充分に供給されない場合とに分けられ、それぞれの領域でのスケール構造と酸化速度に関する説明が必要である。
鉄が酸化される場合には、一般に上述したようなヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層構造のスケール構造をとるが、これは雰囲気の酸素が鋼材表面に充分に供給されることで生成し、この様な状態を満足する条件を高酸素濃度雰囲気条件と定義する。この時の酸化速度は酸化増量がスケール厚に反比例する放物線則で成長する。
一方、鋼材表面近傍における気相中の酸素ガスの拡散が律速になり、雰囲気の酸素が鋼材表面に充分に供給されない場合、ヘマタイトやマグネタイトは生成せず、ウスタイトからなるスケール構造となる。この様な状態を満足する条件を低酸素濃度雰囲気条件と定義する。この時の酸化速度は、雰囲気の酸素濃度と時間とに比例する直線則となる。
【００１２】
この高酸素濃度雰囲気条件と低酸素濃度雰囲気条件との間を移行する場合にスケール構造は変化する。すなわち、高酸素濃度雰囲気条件でヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層構造のスケールが生成した鋼材を低酸素濃度雰囲気条件に移すと、ヘマタイトとマグネタイトはウスタイトに変化しウスタイト層からなるスケール構造に変化する。逆に、低酸素濃度雰囲気条件でウスタイト層からなるスケールが生成した鋼材を高酸素濃度雰囲気条件に移すと、ヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層構造のスケールに変化する。
【００１３】
次に、高酸素濃度雰囲気条件での酸化速度を詳細に説明する。一般に、高温で鉄が酸化すると、表層からヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層からなるスケールが生成することが知られている。この場合は酸化増量が時間の平方根に比例して進行する放物線則で進行する。ただし、これはスケール生成に見合うだけの酸素ガスが気相から供給する場合、すなわち高酸素濃度雰囲気条件に成立する現象である。この時の酸化速度は次式のように表される。
ｗ＝√（ｋｐｔ）（２）
ｄｗ／ｄｔ＝ｋｐ／２ｗ（３）
ｋｐ＝ｋｐｏｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）（４）
ｗ：酸化増量
ｔ：時間
ｋｐ：放物線則速度定数
Ｒ：気体定数
Ｔ：温度
Ｅ：活性化エネルギー
鉄の場合の放物線則速度定数は次のように近似できる。
ｋｐｏ＝０．６０（ｇ^２ｃｍ^−２ｓ^−１）（５）
Ｅ＝１４０（ｋＪｍｏｌ^−１）（６）
また、鉄の場合のスケール厚と酸化増量の関係は次のように近似できる。
ｗ＝ｘ／７５００（７）
ｗ：酸化増量（ｇｃｍ^−２）
ｘ：スケール厚（μｍ）
【００１４】
また、通常の燃焼ガス中に含まれる酸化元素である水蒸気と二酸化炭素が酸素源となる場合には、酸化と同時に還元性の水素や一酸化炭素が表面で発生するために、ヘマタイト、マグネタイトが生成せず、ウスタイトからなるスケールとなる。また、これら水蒸気や二酸化炭素のガスによる酸化速度は、酸素による酸化速度に比べて遅いために、燃焼ガス中の酸化速度は、ほぼ酸素濃度によって決まる。したがって、燃焼ガス中の酸化速度を考慮するには、酸素による酸化を主に考慮してよい。
【００１５】
続いて、低酸素濃度雰囲気条件での酸化速度を詳細に説明する。放物線則を維持するのに充分な酸素ガスを供給できない低酸素濃度雰囲気条件では、気相からの酸素ガスの供給が律速となり、その場合、酸化速度は酸素濃度と時間に比例して、（８）式で表される。この時の酸化速度（ｄｗ／ｄｔ）は（９）式で表される。この時はヘマタイト層とマグネタイト層がなく、ウスタイト層からなるスケールが生成する。
ｗ＝ｋ_１ｐｏ_２ｔ（８）
ｋ_１：直線則速度定数
ｐｏ_２：酸素濃度
ｄｗ／ｄｔ＝ｋ_１ｐｏ_２（９）
鉄の場合、直線則速度定数は温度に関係なく（１０）式で近似できる。
ｋ_１＝９．６×１０^−６（ｇ^２ｃｍ^−２ｓ^−１％^−１）（１０）
従って、燃焼加熱時のような数％程度の酸素濃度条件では、高酸素濃度雰囲気条件や低酸素濃度雰囲気条件の両方を考慮する必要があり、その酸化速度は（３）式および（９）式でそれぞれ表される酸化速度の遅いほうが律速する。すなわち（１１）式のように表される。
ｄｗ／ｄｔ＝ｍｉｎ（ｋｐ／２ｗ，ｋ_１ｐｏ_２）（１１）
【００１６】
以上により、ヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層からなるスケールが生成し、放物線則で酸化が進行する高酸素濃度雰囲気条件と、ウスタイトからなるスケールが生成し、直線則で生成する低酸素濃度雰囲気条件の境界は（１２）式で求まる。
ｐｏ_２＝ｋｐ／２ｗｋ_１（１２）
ここで（７）式で示される鉄の場合の酸化増量とスケール厚の関係を用いると、高酸素濃度雰囲気条件と低酸素濃度雰囲気条件は（１３）式のように表される。（１３）式から求まる低酸素濃度雰囲気条件を図１に示す。
ｐｏ_２＝７５００ｋｐ／２ｘｋ_１（１３）
図１の酸素濃度を示す実線より下の領域（実線を含む）が、低酸素濃度雰囲気条件を示している。
【００１７】
尚、（１３）式では、スケール厚をμｍの単位から酸化増量をｇｃｍ^−２の単位に変換する７５００の係数を用いており、ｐｏ_２が容量％で表示される様にｋｐ、ｋ_１の次元を合わせている。また、（１２）式から低酸素濃度雰囲気条件等を求める際には、放物線則および直線則の酸化を（２）および（８）式で定義する限りにおいて、特に次元は特定するものではなく、比較する条件について同一次元であれば、どんな次元を用いても良い。
【００１８】
本発明におけるＣｕの濃化速度は、鋼材の酸化によりスケール／地鉄界面にＣｕが濃化する速度であり、鋼中のＣｕ濃度と酸化により鉄が消費される速度の積であり、鋼中のＣｕ濃度（Ｃ_Ｃｕ）、鉄の原子量、酸素の原子量および（１１）式の酸化速度を用いて、（１４）式のように表される。（１４）式で表されるＣｕの濃化速度の単位は（ｇ−Ｃｕｃｍ^−２ｓ^−１）である。

ここで、Ｃ_Ｃｕ：鋼中のＣｕ濃度（質量％）
（１４）式において、ｋｐは上述した定数と鋼材の温度から（４）式にて得られる。ｋ_１は上述した値を用いる。酸化増量ｗは鋼材の加熱温度履歴と鋼材がさらされた雰囲気の酸素濃度の履歴から（１１）式を積分することにより得ることができる。Ｃｕの濃化速度を求めようとする鋼材が存在する位置の酸素濃度（容量％）と鋼材表面の温度から（１４）式を用いて、加熱炉内の鋼材の任意の時点でのＣｕの濃化速度を求めることができる。
【００１９】
次に、本発明におけるＣｕの拡散速度について説明する。Ｃｕの拡散速度とは、スケール／地鉄界面から鋼中にＣｕが拡散する速度であり、γ鉄中のＣｕの拡散濃度と、スケール／地鉄界面でのγ鉄中のＣｕ濃度勾配の積で表される。
ここでＣｕの濃度勾配を求める必要がある。本発明者らは化学成分の異なる種々の鋼材のＣｕが濃化したスケール／地鉄界面のＣｕ濃度分布を詳細に分析した結果、Ｃｕの濃化はスケール／地鉄界面から鋼材側に約４μｍ程度に濃化していることを見出した。さらに析出したＣｕが存在する場合に、スケール地鉄界面の地鉄側のＣｕ濃度はγ鉄中のＣｕの固溶限となっていることも確認した。
以上のことから、（１５）式に示すようにＣｕの拡散速度を記述することができる。Ｃｕの固溶限は温度によって変わる値であるが、Ｆｅ−Ｃｕの状態図からその値を読み取ることができる。

Ｄ：オーステナイト鉄中のＣｕの拡散定数
ρ_Ｆｅ：鉄の密度
ｄＣ／ｄｘ：スケール／地鉄界面近傍地鉄側のＣｕの濃度勾配
Ｃ_Ｂ，_Ｃｕ：スケール地鉄界面でのＣｕ濃度（Ｃｕの固溶上限濃度）
Ｃ_Ｃｕ：鋼中のＣｕ濃度
Ｌ：Ｃｕの濃化域長さ＝４μｍ
（１５）式は温度の関数であり、鋼中のＣｕ濃度が０．３質量％以下の場合には（１６）式で温度の関数として近似することができる。（１６）式で表されるＣｕの拡散速度の単位は（ｇ−Ｃｕｃｍ^−２ｓ^−１）である。
Ｃｕの拡散速度＝３．２８×１０^−９０×Ｔ^２６．０（１６）
【００２０】
析出に関与するＣｕ量はＣｕの濃化速度とＣｕの拡散速度の差で表される。これはスケール生成に伴ってスケール／地鉄界面に濃化するが、一方でそれ自身の濃度勾配で鋼中に拡散しようとする。従って、Ｃｕの拡散速度がＣｕの濃化速度を上回れば、Ｃｕは鋼中に固溶できる領域まで拡散することができＣｕの析出挙動には関与せず、Ｃｕの赤熱脆性を回避できる。
本発明では、この知見に基づき、赤熱脆性となるＣｕが液相で析出する温度、すなわちＣｕの融点である１０８０℃以上の状態において、一旦、通常の燃焼ガスによる雰囲気でＣｕの融点である１０８０℃以上で加熱して、ヘマタイト、マグネタイト、ウスタイト層からなるスケールを鋼材表層に生成させた後に、圧延前の最終加熱段階で、Ｃｕの濃化速度よりもＣｕの拡散速度が大きくなるように、加熱条件を加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方で制御し、スケール／地鉄界面に析出したＣｕの一部の地鉄中への拡散を進行させる必要がある。この場合に、とりうる手段としては、スケール厚に応じて温度を制御したり、空気比を減じて酸素濃度を下げるなどの手段がある。
Ｃｕの濃化速度は、雰囲気の酸素濃度を下げて酸化速度を遅くすることによって下げることができる。また、Ｃｕの拡散速度は、加熱温度を上げることによって大きくすることができる。この場合、酸化速度が上がらないように極力酸素濃度を下げることが好ましい。
【００２１】
赤熱脆性の問題は前述したようにスケール／地鉄界面でＣｕが液相で析出することが原因で起きるものであり、本発明の適用域もＣｕの融点である１０８０℃以上が対象となる。
ここで、Ｃｕの含有量が０．０５％（質量％）未満の鋼材の場合は、通常の加熱炉で加熱を行ってもＣｕ起因の赤熱脆性は発生しない。また、Ｃｕ濃度が３％（質量％）を超える場合、本発明により酸素濃度や温度の加熱条件を加熱炉の最終段階にて制御して加熱してもスケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を充分に減少させることができず、圧延時に赤熱脆性が発生する。したがって、本発明を適用して効果のあるは、Ｃｕ含有量が０．０５％以上３％（質量％）以下のＣｕ含有鋼材である。
【００２２】
この加熱条件の調整過程では、析出状態にあるＣｕを再度鋼中に拡散させるために、一定以上の時間を保持することが好ましい。すなわち、加熱温度が高いほど拡散速度が速くなることから、この調整加熱の保持時間ｔ（分）は、鋼材表面の最低温度Ｔ（Ｋ）との間で次式で得られるｔ（分）以上保持することが好ましい。
Ｌｏｇ_１０（ｔ）＝−０．００３０１×（Ｔ−２７３）＋４．０１
加熱炉の最終段階にて加熱条件を切り替えるには、加熱炉内を仕切壁などの分割手段でゾーン分割することが好ましい。こうすることで空間的に酸素濃度条件や炉の温度条件を分けることができるからである。
【００２３】
本発明は、例えば図２に示すような加熱炉を適用することにより実施できる。この例は、Ｃｕを０．０５％〜３％（質量％）含有する鋼材１を、常温で通常の燃焼ガスによる加熱炉２に挿入し、１１００〜１３００℃の温度まで加熱して抽出後、高圧水３でデスケーリングを施して熱間圧延機４で熱間圧延する場合において、本発明を適用する場合のものであり、設備的には燃焼ガス雰囲気で加熱する一般的な加熱炉２の最終加熱段階に、本発明を実施するための加熱雰囲気（酸素濃度、温度の制御）およびその保持時間を調整する制御機能５を設けたところに特徴がある。
【００２４】
【実施例】
［実施例１］
化学成分として質量％でＣ：０．０４％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．３％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％、Ｃｕ：０．７％、Ｎｉ：０．０４％、Ｃｒ：０．０７％を含有するＣｕ含有鋼材を対象として、図２に示したような加熱炉２で鋼材１を加熱・保持して抽出し、高圧水３によるデスケーリングを施してから熱間圧延実験を行った。
この実施例１では、図３に示すように、加熱炉２の加熱雰囲気を酸素濃度３％（容量％）にして約６０分間で１２００℃まで加熱した後、加熱雰囲気の酸素濃度を１％（容量％）に制御して、鋼材表面の最低温度Ｔ（Ｋ）との間で示される式Ｌｏｇ_１０（ｔ）＝−０．００３０１×（Ｔ−２７３）＋４．０１で得られるｔ（分）以上となる４０分間保持する。
【００２５】
酸素濃度３％程度の酸化雰囲気で１２００℃まで加熱した段階では、従来の操業例の場合と同様、Ｃｕが液相でグネタイト層中に移動し、Ｃｕの一部がマグネタイト層中に固溶・吸収されるが、酸素濃度を１％に制御後のＣｕの濃化速度は、従来の操業例（後述）の場合の約半分まで激減し、Ｃｕの拡散速度以下まで減少する。
Ｃｕの拡散速度は、１０８０℃付近からほぼ一定に推移するが、Ｃｕの濃化速度がＣｕの拡散速度以下に減少する結果、Ｃｕの濃化速度とＣｕの拡散速度との関係は、
Ｃｕの濃化速度＜Ｃｕの拡散速度
の状態を維持することになり、Ｃｕの拡散が進行し、スケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を充分に減少させることができ、抽出後デスケーリングを施して熱間圧延したところ鋼材表面に赤熱脆性の発生は全く認められなかった。熱間圧延後に鋼材表層でのスケール／地鉄界面でのＣｕの濃化状況を調査したところ、スケール／地鉄界面のＣｕの濃化量が大幅に減少しており、析出したＣｕ層はスケール内にも地鉄内にも認められなかった。
【００２６】
［実施例２］
実施例１と同様のＣｕ含有鋼材を対象として、図２に示したような加熱炉２で鋼材１を加熱・保持して抽出し、高圧水３によるデスケーリングを施してから熱間圧延実験を行った。
この実施例２では、図４に示すように、加熱炉２の加熱雰囲気を酸素濃度３％（容量％）にして約６０分間で１２００℃まで加熱した後、加熱雰囲気の酸素濃度を変えないで加熱雰囲気の温度を４０分で１３００℃まで上げて抽出する。この時の４０分の保持時間は、鋼材表面の最低温度Ｔ（Ｋ）との間で示される式Ｌｏｇ_１０（ｔ）＝−０．００３０１×（Ｔ−２７３）＋４．０１で得られるｔ（分）以上である。
加熱雰囲気を酸素濃度３％（容量％）にして約６０分間で１２００℃まで加熱した段階で、鋼材表層には、ヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトの３層からなるスケールが生成し、加熱雰囲気の温度を４０分で１３００℃まで上げることにより、Ｃｕの拡散速度が急激に上昇することにより、スケール／地鉄界面で濃化したＣｕの地鉄中への拡散・固溶が進行し、スケール／地鉄界面のＣｕ濃化量が大幅に減少させることができる。
【００２７】
すなわち、Ｃｕの濃化速度が、１２００℃での加熱終期においてスケールの成長によって僅かに減少するが、雰囲気温度を１３００℃に制御後に回復してほぼ一定に推移する。一方、拡散速度は、１０８０℃付近からほぼ一定に推移するが、雰囲気温度を１２００℃から１３００℃に制御することによって４倍強上昇し、Ｃｕの濃化速度とＣｕの拡散速度との関係は、
Ｃｕの濃化速度＜Ｃｕの拡散速度
の状態を維持することになり、Ｃｕの地鉄中への拡散が活発化して、スケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を充分に減少させることができ、抽出後デスケーリングを施して熱間圧延したところ鋼材表面に赤熱脆性の発生は全く認められなかった。熱間圧延後に鋼材表層でのスケール／地鉄界面でのＣｕの濃化状況とを調査したところ、スケール／地鉄界面のＣｕの濃化量が大幅に減少しており、析出したＣｕ層はスケール内にも地鉄内にも認められなかった。
【００２８】
【比較例】
実施例１、２と同様のＣｕ含有鋼材を対象として、図２に示したような加熱炉２で鋼材１を加熱・保持して抽出し、高圧水３によるデスケーリングを施してから熱間圧延実験を行った。この比較例では、図５に示すように、加熱炉２の加熱雰囲気を酸素濃度３％（容量％）にして約６０分間で１２００℃まで加熱した後１２０分保持して抽出する。
一方Ｃｕの拡散速度は、１０８０℃付近からほぼ一定に推移する。しかし、Ｃｕの濃化速度とＣｕの拡散速度との関係は、
Ｃｕの濃化速度＞Ｃｕの拡散速度
の状態を維持することになるため、Ｃｕの拡散の進行が充分ではなくスケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を充分に減少させることができず、抽出後デスケーリングを施して熱間圧延した場合に赤熱脆性による鋼材表面の割れが発生した。熱間圧延後に鋼材表層でのスケール／地鉄界面でのＣｕの濃化状況を調査したところ、スケール／地鉄界面のＣｕに析出したＣｕ相が存在した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、Ｃｕを０．０５〜３％（質量％）含有する鋼材を対象として、ＮｉやＳｉの添加など鋼材の成分を変えることなく、加熱炉内の加熱雰囲気を、Ｃｕの融点である１０８０℃以上の状態で、酸化雰囲気で加熱し、圧延前の加熱最終段階で加熱雰囲気の酸素濃度を下げ、または加熱雰囲気の温度を上げて、加熱することで、スケール／地鉄界面でのＣｕの濃化速度を抑制し、拡散速度をＣｕの濃化速度より大きくして、析出したＣｕの地鉄中への拡散を進行させることによりスケール／地鉄界面のＣｕの濃化量を大幅に減じることができ、熱間圧延時のＣｕ起因の赤熱脆性を抑制し、表面性状の良好な熱間圧延鋼材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱炉内における鋼材表面の酸化の進行に関与する酸素濃度条件をスケール厚と温度との関係で示す説明図。
【図２】本発明を実施する加熱炉例を示す側断面説明図。
【図３】本発明の実施例１における加熱操業例と鋼材表面のスケール生成状況を示すスケール断面の説明図。
【図４】本発明の実施例２における加熱操業例と鋼材表面のスケール生成状況を示すスケール断面の説明図。
【図５】比較例における加熱操業例と鋼材表面のスケール生成状況を示すスケール断面の説明図。
【符号の説明】
１鋼材
２加熱炉
３高圧水
４熱間圧延機
５加熱雰囲気制御機能

Claims

Ｃｕを０．０５以上３％（質量％）以下で含有する鋼材を熱間圧延に先立ち加熱する方法において、鋼材を圧延前の最終加熱段階の鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態において、Ｃｕの濃化速度よりもＣｕの拡散速度が大きくなるように、加熱条件を加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方で制御することを特徴とする熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。
最終加熱段階にて加熱雰囲気の温度、加熱雰囲気の酸素濃度のいずれか一方または双方を制御する時間ｔ（分）が、鋼材表面の最低温度Ｔ（Ｋ）との間で次式で示されるＬｏｇ_１０（ｔ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。
Ｌｏｇ_１０（ｔ）＝−０．００３０１×（Ｔ−２７３）＋４．０１
加熱炉最終段階での加熱条件の制御を、加熱炉内をゾーン分割して行うことを特徴とする請求項１または２に記載の熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法。