JP2006206927A

JP2006206927A - 鋼材の熱処理方法

Info

Publication number: JP2006206927A
Application number: JP2005016411A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Watanabe; 裕一郎渡辺; Yoshimichi Hino; 善道日野; Nobuyuki Shigaki; 伸行紫垣; Masatoshi Sugioka; 正敏杉岡; Yasuyuki Kajita; 恭之梶田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】加熱均一性に優れ、残留応力を低減する、鋼材の熱処理方法に関する。
【解決手段】誘導加熱装置の加熱目標温度を、加熱される鋼材の磁気変態温度、好ましくは700℃以上、760℃以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却後の鋼材を加熱して残留応力を低減する熱処理方法に関し、特に厚鋼板製造における加熱均一性に優れた熱処理方法に関する。

近年、厚鋼板製造プロセスにおいて、制御圧延後に鋼板を強水冷して高強度、高靭性鋼板を得る加速冷却技術の適用が拡大し、多数の鋼種が製造されている。加速冷却によれば、鋼板の強度および靭性の確保が添加元素成分を低減して可能となり、従って、製造コストが大幅に削減され、且つ、溶接性に優れた鋼板を製造することが可能となる。

加速冷却は、高温の鋼板表面に冷却ノズルより冷却水を噴射し、鋼板表面の対流沸騰熱伝達現象により自然放冷の数百倍の高冷却速度を達成させるので、より微細な結晶構造を有する鋼板、すなわち、高強度、高靭性の鋼板を製造することが可能となる。

一方、加速冷却はその高冷却性のため、冷却水の水量密度や鋼板表面温度の不均一性、スケール厚などの鋼板表面性状の僅かな変動が、鋼板に大きな温度むらを生じさせる。特に、板端部近傍においては鋼板が冷えやすいため温度が急激に低下する場合がある。

このような温度むらが発生すると鋼板の機械的特性にばらつきが生じるだけでなく、耳伸びや腹伸びなどの形状不良、および、残留応力による条切り時の横曲がり、すなわち、条切りキャンバーが発生するため、加速冷却後に鋼板を加熱する熱間矯正が行われている。

特許文献１は加熱装置を誘導加熱手段、レーザ加熱手段またはプラズマ加熱手段によるものとし、２℃／S以上の急速加熱により鋼材表層部を内部の加熱温度より高い温度に加熱して、熱処理後の鋼材を切断した際の残留応力による曲がりを減少させることを提案している。
特開2002-235112号公報

しかしながら、特許文献１記載のように、温度偏差が生じた低温部だけに集中して熱量を供給し、温度偏差を解消することは難しく、また、加熱中の鋼板温度の測定結果からフィードバックやフィードフォワード制御を実施するにしろ、制御の応答遅れや制御ゲインの不適切などにより加熱過剰や加熱不足を起こす問題がある。

そこで、本発明は、誘導加熱装置を用いた、鋼板内の温度均一性に優れる、鋼板の熱処理方法を提供するものである。

本発明の課題は、以下の手段により達成される。
１誘導加熱装置の加熱目標温度を、加熱される鋼材の磁気変態温度とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。
２誘導加熱装置の加熱目標温度を700℃以上、760℃以下とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。

本発明によれば、誘導加熱装置により、板内温度均一性に優れる加熱が可能となるので、加速冷却後、熱間矯正を行う際の鋼板内において残留応力が均一に低減され、条切りキャンバーを抑制することが可能となる。また、鋼板の材質特性を劣化させることもない。

本発明は、A2点である770℃近傍で強磁性体から常磁性体へ変化する磁気変態、および比熱の温度依存性を利用することを特徴とする、誘導加熱装置による鋼材の加熱方法である。尚、本発明において加熱目標温度は鋼材の表面温度とする。以下、鋼材を鋼板として本発明を説明する。

図１に鋼板の搬送ライン上に誘導加熱装置を配置した製造ラインを示す。図において１は圧延ロール、２は加速冷却装置、３はＮｏ．１〜３の３基の誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置、４は誘導加熱装置により加熱された鋼板を矯正する熱間矯正機、５は誘導加熱装置の入側、出側に配置された表面温度計、６は鋼板の搬送ラインを示す。

本発明は、誘導加熱装置３の加熱目標温度を加熱される鋼板の磁気変態温度とする。誘導加熱は、１次コイル側に電流を流すことで磁界を発生させ、鋼板側に磁界にともなう誘導電流を発生させてジュール熱により加熱を行なうものである。

誘導加熱はMaxwellの方程式により表現される。

(透磁率)×（磁界の時間変化）＝−（渦電流の起電力）
ここで、鋼板の物性値である透磁率μによって起電力、すなわち、発熱量が異なる。

鋼板はA2点である770℃近傍で磁気変態を起こし、強磁性体から常磁性体へと変化する。強磁性体の透磁率は比較的大きな値であるが、常磁性体の透磁率は真空のものに等しく、強磁性体には大きな誘導電流が流れるが、常磁性体には誘導電流はほとんど流れない。

鋼板の加熱中に、A2点近傍で強磁性体から常磁性体に変化すると、常磁性体に変化した領域には電流が流れず、未だ低温で強磁性体である領域に電流が流れて発熱する。

図２は誘導加熱により鋼板の板厚方向で発生する電流の大きさを模式的に示し、誘導加熱当初においては、(a)に示すように鋼板表層のごく近傍に電流が流れ、その鋼板表層が発熱する。

発熱により鋼板表層部がA2点近傍に加熱され、強磁性体から常磁性体に変化すると、(b)に示すように、鋼板からあたかもその部分が消失し、その板厚方向の内側部分でA2点より温度が低い、強磁性体の領域に誘導電流が流れ始める。

その結果、誘導加熱中の鋼板において、A2点近傍となった領域の温度上昇速度はより低温部に比べて低下するため、鋼板内温度偏差が著しく解消される。

図３にαFeの比熱に及ぼす温度の影響を示す。強磁性状態から常磁性状態への磁気変態が引き金となる相変態（格子配列変化）のエネルギーにより、A2点を最大値とする変化を示す。

鋼板をA2点まで加熱する場合、A2点に近づくほど比熱が大きくなるので、投入熱量に対する温度上昇量は減少し、低温部に比べて高温部の温度上昇量が低下する。比熱はＡ２点近傍の700℃以上、760℃以下において急激に上昇するので、誘導加熱装置の加熱目標温度は当該温度範囲とすると鋼板内温度がより均一となり好ましい。尚、本発明において誘導加熱時間は所望する加熱均一性に応じて適宜設定すれば良く特に規定しない。

板厚14mm、板幅2500mmの鋼板を図１に示す製造ラインを用いて、加速冷却装置２で加速冷却後、誘導加熱装置３で加熱目標温度760℃と680℃、いずれにおいても加熱時間7秒で誘導加熱した。

図４、５に加熱前後の鋼板表面板幅方向での温度分布を温度計５により測定した結果を示す。目標加熱温度680℃の場合、加熱前の温度偏差が加熱後にも同様な分布として残っており、温度偏差は殆ど解消されない。尚、温度偏差は温度のバラツキを意味する。

一方、目標加熱温度をA2点近傍の760℃として加熱を行なった場合、加熱前の温度偏差は加熱後には消失しており、板端部での温度降下も著しく改善されている。

図６、７に誘導加熱装置入出側の板幅中央表面温度の長手方向測定結果を示す。目標加熱温度680℃の場合、フィードフォワード制御により長手方向の全体的な温度偏差は解消されているが、局所的な温度降下を皆無にすることはできない。

一方、目標加熱温度をA2点近傍の760℃として加熱を行なった場合、短周期で変動する局所的温度変動が抑制され、誘導加熱装置出側で平坦な温度分布が得られる。

次に、本発明に係る熱処理方法による、鋼板の材質に及ぼす影響について述べる。水冷後の焼戻し工程で生じる冶金現象は、以下の４点であることが知られている。

(1)固溶炭素原子がセメンタイトとして排出する。(2)固溶炭素原子がFe以外の金属元素との炭化物として析出する。(3)変態時に生じた多数の転位が消滅あるいは著しく消滅する。(4)マルテンサイト、ベイナイトの結晶粒が回復成長する。

このような現象の反応が進行する速度は、温度Ｔに比例して増大し、反応速度は反応時間ｔの逆数なので以下の（２）式の関係が成り立つ。

ここで、A、Bは定数である。したがって、同様な焼戻し効果が得られる温度（℃）T₁、T₂と時間（hr）t₁、t₂との関係は、以下の（３）式で表される。

Cの値は実験によって求める定数である。

表１に誘導加熱装置により加熱目標温度760℃（本発明法）、加熱目標温度680℃（従来法１）、およびバッチ炉加熱620℃×１時間（従来法２）の熱処理を施した材料の鋼材の引張試験結果（降伏応力の目標範囲３６０ＭＰａ以上、引張強度の目標範囲５００ＭＰａ以上、６００ＭＰａ以下、伸びの目標範囲１６％以上）を示す。誘導加熱装置により加熱目標温度760℃で加熱した鋼材の降伏応力、引張強度はその他の方法によるものと比較して低いが、目標範囲内である。

誘導加熱装置でのA2点近傍での焼戻しは、温度保持時間が短いためA1点を越しているにもかかわらず、材質的な悪影響を生じない。

本発明に係る誘導加熱方法を用いて、鋼板を製造する場合、焼戻し効果が若干大きいようであれば、加速冷却過程での冷却速度、冷却開始温度、および、冷却停止温度などの冷却条件を適宜、変更し所望の特性が得られるように調整する。

また、鋼種や鋼板寸法ごとに、加速冷却後の温度偏差、誘導加熱温度、および、加熱後の温度偏差との関係を、理論計算や実績温度収集などで予め求めておけば、水冷後の温度の測定結果から目標温度偏差を達成するための必要加熱温度が算出でき、過剰加熱による鋼板の材質劣化や電力原単位の悪化を防止することができる。

板厚１４mm，板幅２５００mmの加速冷却条件が同じ鋼板について、図１に示す製造ラインで誘導加熱により種々の加熱目標温度で焼戻しを行なった。比較例としてバッチ加熱炉を用いた加熱を行った。

誘導加熱での焼戻しは、水冷後、加熱時間約20秒で加熱目標温度まで加熱、ホットレベラー後、雰囲気大気中で空冷する熱履歴とし、バッチ加熱炉での焼戻しは、製造ライン通過後、所定温度雰囲気加熱炉に６０分保持後、空冷する温度履歴とした。

加熱温度と引張強度、および残留応力との関係をそれぞれ図８および図９に示す。残留応力は板端部から50mm位置と200mm位置との偏差で評価し、残留応力の目標範囲を９０MPa以下とした。図８および図９において、加熱温度は誘導加熱の場合は、加熱目標温度、バッチ式加熱炉の場合は雰囲気温度とする。

バッチ加熱炉で高温に加熱すると残留応力は低減するが、本発明に係る磁気変態効果を利用した誘導加熱には及ばず、また、温度が高い場合には材質の目標範囲を逸脱してしまう。

誘導加熱の場合にもA2点近傍まで加熱しないと加熱炉による残留応力低減効果に及ばず、少なくとも700℃以上の加熱温度が要求される。760℃以上では材質の目標範囲を逸脱する懸念があり、適正加熱温度は700〜760℃の範囲である。

板厚14〜25mm、板幅2000〜4000mmの加速冷却材について、本発明法１（誘導加熱温度760℃）、本発明法２（水冷後の温度測定結果から加熱温度を700〜760℃の値に設定）、従来法（バッチ炉加熱620℃、１時間）でそれぞれ20枚の鋼板を製造した。

得られた鋼板の残留応力と引張強度との関係を図10に示す。従来法では、ほとんどの材料で残留応力の目標範囲を達成できなかったが、本発明法１および２では、残留応力および引張強度の目標範囲をほぼ達成できた。

尚、本発明法２のように温度の測定結果から加熱温度を定めると引張強度が下限値を下回る危険度が減少し、より効果的である。

本発明法を適用する厚板鋼板の製造ラインの一例を示す図。 A2点近傍で誘導加熱した際の表層からの距離と誘導電流の模式図。 αFeの比熱と温度との関係を示す図。加熱目標温度７６０℃で誘導加熱した際の加熱前後の板幅方向鋼板温度偏差を示す図。加熱目標温度６８０℃で誘導加熱した際の加熱前後の板幅方向鋼板温度偏差を示す図。加熱目標温度７６０℃で誘導加熱した際の加熱前後の長手方向鋼板表面温度を示す図。加熱目標温度６８０℃で誘導加熱した際の加熱前後の長手方向鋼板表面温度を示す図。実施例。実施例。実施例。

符号の説明

１圧延機
２加速冷却装置
３誘導加熱装置
４熱間矯正機
５温度計
６搬送ライン

Claims

誘導加熱装置の加熱目標温度を、加熱される鋼材の磁気変態温度とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。
誘導加熱装置の加熱目標温度を700℃以上、760℃以下とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。