JP2005105291A

JP2005105291A - 鋼材の製造方法

Info

Publication number: JP2005105291A
Application number: JP2003336059A
Authority: JP
Inventors: Junji Moro; 純二毛呂; Kenichi Muneda; 謙一宗田; Yuji Kunishima; 裕二國島; Susumu Kato; 将加藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】炉内温度分布を把握して鋼材の熱処理を適切に行うことができる鋼材の製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】上記課題は、鋼材を熱処理炉内に装入して熱処理する方法において、前記熱処理炉内に装入する鋼材に複数点の鋼材温度算出のための基準点を設け、熱処理炉内の複数点の炉内雰囲気温度の測定値から求めた炉内雰囲気温度分布に基づいて、伝導熱量を計算することにより前記基準点の鋼材温度を算出し、前記基準点の鋼材温度が予め設定した熱処理温度になったら鋼材を熱処理炉から抽出することを特徴とする鋼材の製造方法によって解決される。
【選択図】図１

Description

この発明は、鋼材を熱処理炉で熱処理する方法に関する。

一般に鋼材は、その材質を改善するべく熱処理炉において焼入、焼戻、焼準等の熱処理が施される。そして、この熱処理鋼材は処理温度および処理時間によって微妙な差異が生じてくることから、鋼材の熱処理方法においては、熱処理炉での温度管理が重要となる。

鋼材熱処理の温度管理は従来から炉内雰囲気温度を基に、鋼材の在炉時間を基準として管理が行われていた。いわゆる、在炉管理方法である。また、最近では、熱処理炉内の鋼材の実体温度は鋼材量に影響されやすく、炉床負荷により変化する鋼板実体温度の誤差を精度よく管理することができないことから、新しい温度管理方法として、炉内雰囲気から鋼材へと伝導する熱量から、時間の変化に対応した鋼材の温度分布を算出し鋼材温度を予測する実体温度管理方法が採用されてきた（特許文献１）。

この方法は、鋼材実体温度を精度良く把握することを目的に創案されたもので、炉内雰囲気から鋼材へと伝導する熱量、すなわち伝導熱量に着目し、その伝導熱量から鋼材の温度を算出し、その算出値を基準に、熱処理炉から鋼材の抽出を行うものである。

特開平５−４３９４９号公報

しかしながら、鋼材の実体温度は使用する熱処理炉の炉内温度分布の影響を受けるため、このような従来の温度制御方法では鋼材実体温度を精度よく管理することができなかった。すなわち、特許文献１に示す従来の熱処理温度の管理方法では、熱処理炉の１点の炉内温度に基づいて所定板厚の鋼板の実体温度をモニターしているが、この方法では複数の鋼材の実体温度を同時にモニターし管理する場合、熱処理炉内温度分布の影響を受けて、鋼材毎に熱処理温度がバラツキ、熱処理炉の炉床を十分に活用した運用ができなかった。

本発明は、炉内温度分布を把握して鋼材の熱処理を適切に行うことができる鋼材の熱処理方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するべくなされたものであり、鋼材を熱処理炉内に装入して熱処理する方法において、前記熱処理炉内に装入する鋼材に複数点の鋼材温度算出のための基準点を設け、熱処理炉内の複数点の炉内雰囲気温度の測定値から求めた炉内雰囲気温度分布に基づいて、伝導熱量を計算することにより前記基準点の鋼材温度を算出し、前記基準点の鋼材温度が予め設定した熱処理温度になったら鋼材を熱処理炉から抽出することを特徴とする鋼材の熱処理方法によってかかる目的を達成したものである。

本発明にかかる鋼板の熱処理方法によれば、鋼板の実体温度を精度良く管理できることから、熱処理炉内にフルに装入することが品質的にも可能となり、ロスが減って熱処理効率が格段にアップさせることができる。

本発明の方法が適用される鋼材の種類は特に限定されるものではなく、形状も板状、粒状、塊状、管状等如何なる形状であってもよい。

熱処理炉は各種のタイプのものを使用できるが、通常の鋼板の熱処理炉は、複数の炉内ゾーンで構成され、各炉内ゾーンは独立して温度制御できる。複数のハースロールよりなるローラーテーブルで鋼板を炉内へ搬入搬出できるようになっている。ここでは、搬送方向を炉内長手方向、ハースロールの軸方向を炉内幅方向と定義する。

熱処理炉の一例の概略構造を図２に示す。この熱処理炉は５つの炉内ゾーンで構成され、各炉内ゾーンは独立して温度制御できるようになっている。熱処理される鋼材は図面左方からハースローラーにより搬入され、熱処理後、図面右方に搬出される。

図１は本発明の実施形態に係る鋼材の熱処理方法の処理過程を示したフローチャートである。本実施形態においては、鋼板を製造する際の熱処理方法について説明する。

（Ｓ１）鋼板の熱処理温度設定
鋼板の熱処理温度は、鋼板の向先、用途、板厚、板幅、材質等の製品条件をもとに過去の熱処理データベースに基づいて決定される。鋼板の熱処理温度の設定に当たっては、最も効率の良い製造手順が求められ、例えば、同じ熱処理温度で処理する鋼板を複数準備し、同じチャンスで熱処理が行われる。

（Ｓ２）熱処理炉の炉内雰囲気温度設定
また、（Ｓ１）で設定した鋼板の熱処理温度になるように過去の熱処理データベースに基づいて熱処理炉の炉内雰囲気温度を設定する。

なお、運用として、熱処理炉の炉内雰囲気温度に合せて、対応する熱処理温度の鋼板を製品条件から選択し、鋼板保管ヤードから準備してもよい。

（Ｓ３）鋼板の基準点設定
図２に示すように炉内ゾーンへの鋼板の装入は複数枚の鋼板を１つの単位として扱う、いわゆるタンデム装入を行うのが効率的で、この実施形態では最大４枚の鋼板を１つの単位としてタンデム装入している。基準点の数は温度精度の観点からは多い方が好ましいが、プロセスコンピューターによる温度データ処理の関係から計算負荷が増すだけで効率的でない。現実的には、基準点の位置及び数は鋼板の形状にもよるが、鋼板全体の温度を把握するのに十分な位置及び数があればよい。例えば、図３で説明すると、基準点を４点とする場合は、１、３、７、９の位置に基準点を設定するのが好ましい。

熱処理炉内に装入する鋼板には面内に複数点の温度トラッキングポイントを設けて、鋼板の温度管理の基準点とする（以下、基準点）。本発明の実施形態では図３に示すように、それぞれの鋼板において、面内９点の基準点を設け、熱処理炉内に装入する。この基準点を設けた鋼板が炉内に装入している状態を図４に示す。熱処理中鋼板は原則的には所定位置に停止させる。しかし、同じ位置に停止させると、熱処理炉からの熱の幅射に対し鋼板を支えるハースロールの影になる部分の温度が低くなり鋼板の温度バラツキの原因になるため、前後に揺動させる程度の移動は行う。

（Ｓ４）炉内雰囲気温度計測
炉内雰囲気温度は炉内幅方向、炉内長手方向の所定位置に設置した複数の熱電対で計測した。各炉ゾーンにおいて炉内幅方向にそれぞれに少なくとも２点計測する。各炉ゾーンにおける炉内長手方向の温度分布は、幅方向の温度分布の測定に供した熱電対で代表させても良いし、別途測定点を設けても良い。前者の場合、長手方向の温度分布は１点の計測値で代表することになる。図５は炉内雰囲気温度の測定概要を示す図で、熱電対を設置した位置での炉内幅方向断面を示す。

尚、温度計測手段は熱電対に限定されるものでなく、目的温度を計測して電気信号に変えうる如何なる手段であってもよい。

（Ｓ５）鋼板の基準点に対応した炉内雰囲気温度算出
（Ｓ４）で計測した温度から例えば線形補間し、鋼板内に設定した基準点の炉内雰囲気温度を求める。図５に対応させて炉内温度を模式的に示したのが図６である。炉内幅方向に設置した２点の熱電対で計測した温度で線形補間し、炉内雰囲気温度分布を求め、そして、それに基づいて鋼板幅方向の基準点の炉内雰囲気温度を求めた例である。このようにして、仮想の熱電対で測定した基準点上の温度が求まる。上記は２点の例であるが、３点の場合もそれぞれ熱電対で計測した各温度間を線形補間すればよい。

（Ｓ６）基準点における鋼板の温度を算出
本発明において、熱処理炉の炉内雰囲気温度から鋼板温度を推定計算するにあたっては、式（４）乃至式（５）を用いた。これらの式は、下記の熱伝導のフーリエ法則を用いて求められる。

鋼板内の時間の変化に対応した熱伝導は図１５に示す微小な立方体を考え、板厚方向をｘ軸とした一元伝導モデルを想定し求めた。

まず、炉内の境界条件、すなわち炉内雰囲気から鋼板表面への単位時間、単位面積あたりの熱量は上記式（１）により次のようになる。

また、炉内伝導体については幅射伝熱と対流伝熱があることから、上記式の境界条件は次のようになる。

従って、上記境界条件および式（２）、式（３）より次の式が成り立つ。

一方、時間的変化に対応する鋼板内の温度は鋼板内の伝導熱量から、鋼板内温度分布の時間的変化が下式（５）で表すことができる。

式（４）を用いて、炉内雰囲気温度（Ｔ_雰囲気）から基準点における鋼板表面温度（Ｔ_表面）を求め、次いで、求めた鋼板表面温度と式（６）を用いて鋼板内部への熱伝導を所定の時間経過毎に求める。こうすることによって、熱処理開始後所定時間後（ｔ）における鋼板表面から厚さ方向に所定位置（ｘ）の温度（Ｔ（ｘ、ｔ））が計算できる。例えば鋼板内部の１／２板厚位置における温度が計算できる。

図７、８に鋼板温度の確性のために、鋼板の実体温度測定を行った例を示した。また、使用した鋼板を表１に示した。

この例では、鋼板中央部に基準点を１点設定し、板厚方向１ｔ／４、２ｔ／４、３ｔ／４の位置にφ５ｍｍの穴を開け、そこに熱電対を埋め込んで測定を実施した。図６の黒丸●は鋼板温度の計算値、白四角□は熱電対による測定値のブロットである。黒丸●は炉内雰囲気温度と式（４）式（５）から求めた計算値をブロットし線で結んだものである。

鋼板Ｎｏ．１の中央部に設定した基準点の板厚２ｔ／４位置の実体温度測定結果と温度の算出結果を図９に示した。昇温段階では計算結果（●黒丸）と測定結果（□白四角）のずれがあるものの、均熱期では両者はほぼ一致した。また、経過時間毎の板厚平均実体温度と温度の算出結果とを比較した結果、温度較差は最大８℃であり、目標の±１０℃以内を満足した。したがって、本発明の熱処理方法における温度トラッキング推定温度は基準を満足する精度であった。なお、実際の熱処理では（Ｓ３）の基準点の説明にあるように、基準点は複数点で実施する方が鋼板の熱処理温度の精度が向上するので、複数点で鋼板の熱処理を管理する方が好ましい。

（Ｓ７）基準点における鋼板の温度が鋼板の熱処理温度となったら鋼板を熱処理炉から抽出する
基準点における算出温度が鋼板の熱処理温度になったら、熱処理炉外へ鋼板を抽出する。基準点９点すべての温度が熱処理温度に達したところで鋼板を抽出する。またすべての鋼板の温度が熱処理温度に達したところですべての鋼板を抽出する。
この場合、熱処理パターンによっては、所定時間保持してから抽出することもある。

このようにして熱処理され、鋼板が製造される。製造された鋼板はそのまま後工程に搬送され出荷される場合もあるが、熱処理炉から抽出後に鋼板を最終製品形状に切断して後工程に搬送する場合もある。

本発明による熱処理方法の熱処理温度精度の把握と、本発明の熱処理方法を利用して製造した鋼板の材質その他の効果について試験を行った。試験には溶接構造用６０キロ鋼を用いた。その他の試験条件を表２に示した。

これらの鋼板の熱処理温度を９００℃とした。

熱処理炉にはラジアンとチューブ炉を用い、上記の板厚の異なる鋼板４枚をローラーに搭載し、図１０に示すように熱処理炉にタンデム装入した。炉内雰囲気温度は鋼板の熱処理温度が９００℃になるよう設定した。温度トラッキングは、図１０に示すように、各鋼板に９点の基準点を設けた。

本発明で算出した鋼板温度と鋼板の実測温度とを比較し、その精度を計測した。熱処理炉の各炉ゾーンに２箇所熱電対を設置した。熱電対は炉ゾーンの長手方向のほぼ中間位置で、かつ、幅方向に２箇所設置した。幅方向には炉幅の４分の１の位置に両側にほぼ対象位置に設置した。高さ方向の設置位置はハースロール上５００ｍｍの位置に設置した。各熱電対設置個所の温度を測定し、各熱電対からの信号を接続されているプロセスコンピュータで各熱電対設置個所間を線形補間して、各鋼板の各基準点の炉内雰囲気温度を求めた。

次に、式（１）乃至式（２）を用いて、上記の炉内雰囲気温度から鋼板温度を算出した。なお、実施例では熱処理炉にラジアントチューブ炉を用いたので、式（２）の対流伝熱項は削除して用いた。
放射率は鋼板の温度の実測値に対し、計算値が合うように何度か実験し定める。実測例では熱処理中に時々刻々変化する鋼板温度の実測値と計算値が合うように放射率を定め、０．８７一定とした。
また、形態形状係数は放射率の設定と同じ設定で設定する。すなわち、鋼板の温度の実測値に対し、計算値が合うように何度か実験し定め、１．０で一定とした。

その結果を図１２に示した。図１２のａ、ｂ、ｃ、ｄの温度は図１０のａ、ｂ、ｃ、ｄの４枚の鋼板のＮｏ．５の２ｔ／４位置の温度の経時変化を示すグラフで、それぞれの位置での測温結果と計算結果の誤差の変化を経過時間に対して示したものである。いずれの板厚の場合も算出温度と実測温度との温度差が８℃で目標の±１０℃以内であった。

比較例

実施例と同様に板厚の異なった鋼板２枚をタンデム装入するが、温度トラッキング基準点を所定の１枚の鋼板の１点のみに設け、熱処理炉内の１点の熱電対により計測した炉内雰囲気温度に基づいて伝熱計算により実体温度をモニターし熱処理を行った例を比較例として試験を行った。鋼板の抽出の時期は、基準点が熱処理温度になった時点とした。また、鋼板の抽出タイミング、熱処置条件としては、鋼板は基準点が所定の熱処理温度になった時点で一度に全部抽出する。比較例の場合は２枚である。実測例は全部で４枚の鋼板を処理しているが、それぞれの鋼板の９点の基準点の温度が熱処理温度に達した時点で４枚同時に抽出する。

熱処理後の鋼板の引張強度のバラツキを上記実施例の鋼板の結果と併せて図１３、１４引張試験に供試した試験片は実施例に使用した４枚の鋼板、比較例に使用した２枚の鋼板からそれぞれ７４試験片、１１４試験片を試験しデータとした。

試験の結果、実施例の引張強度のバラツキはσ：１１．７、比較例の引張強度のバラツキはσ：１９．８であった。本発明の熱処理方法を利用した鋼板の引張強度バラツキは少なく、品質が格段に向上した。

また、本発明の熱処理方法を利用した鋼板の製造方法では、熱処理能率が７%向上した。比較例の方法では実質的に複数枚のタンデム装入は品質上困難であることから、現実的でなく、精々２枚のタンデム装入が限度であったのに対し、本発明法では４枚タンデム装入が品質的にも可能となったからである。

本発明の鋼材は、焼入、焼戻等の熱処理されて、造船、建設機械、橋梁等の用途に用いられる。

本発明の鋼材の熱処理方法を示すフローチャートである。本発明に使用される熱処理炉の一例の概略構造を示す斜視図である。その鋼材に設定された基準点の位置を示す平面図である。その鋼板を熱処理炉に搬入する配置を示す平面図である。熱処理炉内の鋼板と炉内雰囲気温度を測定する熱電対の配置を示す縦断面図である。基準点の炉内雰囲気温度を線形補間して求める状態を示す図である。本発明の実施形態において基準点と実体温度測定点との位置関係を示す平面図である。その各鋼板の熱処理炉へ搬入する配置を示す平面図である。この実施形態の基準点における温度トラッキングと実体温度の経時変化を示すグラフである。本発明の実施例における鋼板の基準点の位置と該鋼板の熱処理炉に搬入する配置を示す平面図である。本発明の比較例における鋼板の基準点の位置と該鋼板の熱処理炉に搬入する配置を示す平面図である。本発明の実施例で得られた、基準点における実体温度に対する温度トラッキングのかい離の経時変化を示すグラフである。本発明の実施例で得られた熱処理鋼板の引張り強さのバラッチを示すグラフである。本発明の比較例で得られた熱処理鋼板の引張り強さのバラッチを示すグラフである。鋼板内の熱伝導を求めるのに使用した一定伝導モデルを示す図である。

Claims

鋼材を熱処理炉内に装入して熱処理する鋼材の製造方法において、前記熱処理炉内に装入する鋼材に複数点の鋼材温度算出のための基準点を設け、熱処理炉内の複数点の炉内雰囲気温度の測定値から求めた炉内雰囲気温度分布に基づいて、伝導熱量を計算することにより前記基準点の鋼材温度を算出し、前記基準点の鋼材温度が予め設定した熱処理温度になったら鋼材を熱処理炉から抽出することを特徴とする鋼材の製造方法。
熱処理炉内に装入した鋼材は複数の鋼材であり、それぞれの鋼材に１点乃至複数点の鋼材温度の算出のための基準点を設けることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の製造方法。