JP2006265584A

JP2006265584A - 熱間圧延時のＣｕ含有鋼材の加熱方法

Info

Publication number: JP2006265584A
Application number: JP2005081800A
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: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-05

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、加熱方法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質量％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、当該鋼材を鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態でＣｕの含有量が０．０５質量％未満である鋼材に接触させた状態の酸化雰囲気中で加熱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。
【選択図】図３

Description

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。

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生成する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。

ところで、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、０〜１０％の酸素、０〜３０％の水蒸気、０〜３０％の二酸化炭素などの酸化性ガスを含むために、加熱炉で高温に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、鋼が高温で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。特に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。

このＣｕ起因の赤熱脆性の防止には例えば非特許文献１などのように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。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、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。しかし、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、細かい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。
赤松ら:材料とプロセスvol.7 p1712 (1994) 特開平６−２９７０２６号公報

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ものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の（１）及び（２）を要旨とするものである。

（１）Ｃｕを０．０５質量％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、当該鋼材を鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態でＣｕの含有量が０．０５質量％未満である鋼材に接触させた状態の酸化雰囲気中で加熱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）Ｃｕを０．０５質量％以上３質量％以下で含有する複数の鋼材をプッシャー式の加熱炉を用いて熱間圧延に先立ち加熱する方法において、当該鋼材とＣｕの含有量が０．０５質量％未満である鋼材が加熱炉内の１０８０℃以上の領域に同時に存在するように、酸化雰囲気中で加熱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。

本発明方法では、鋼材の成分を変えることなく、加熱炉内の鋼材の加熱方法を変更するだけでＣｕを含有する鋼の加熱後のスケール／地鉄界面のＣｕの濃化量を大幅に減じることができ、圧延時のＣｕ起因の赤熱脆性を抑制することができる。

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。

これまで、赤熱脆性を引き起こすＣｕの濃化はスケール／地鉄界面でのみ起こる現象と考えられてきた。しかしながら、本発明者らは数多くの実験検証の結果、このＣｕがスケール／地鉄界面に濃化する現象以外にも、Ｃｕがスケールの粒界を移動する現象、さらにはスケールのマグネタイト層にＣｕが固溶する現象を見出した。本発明はこれらの現象を利用してＣｕ起因の赤熱脆性を抑制しようとするものである。

本発明者らは実験を通して、赤熱脆性を引き起こすＣｕの濃化は、スケール／地鉄界面でのみで起こる現象ではなく、図１に示すように地鉄の表面上に形成するスケールのマグネタイト層内にＣｕが固溶されることをはじめて知見した。通常、スケールは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層構造で生成する。このうちマグネタイトはスピネル構造をとり、Ｃｕを固溶できる構造をしている。また、マグネタイト層の上層部（ヘマタイト）は熱力学的にＣｕが酸化物として存在できる領域であることから、マグネタイト上層部にＣｕが固溶することを説明できる。

また、同じく図１に示すようにスケール／地鉄界面に濃化し析出した液相Ｃｕがスケールの表層に近いマグネタイト層内までスケールの粒界を通って移動することも新に知見した。鉄の酸化物であるスケールと液相のＣｕは非常に濡れ性がよいことが知られている。さらにスケールの粒界、特に粒界の三重点には微細な隙間がある。このため、スケール／地鉄界面で生成した液相Ｃｕは、毛細管現象により濡れ性のよいスケールの粒界を浸透してスケールの表層に近いマグネタイト層にまで達し、マグネタイト上部層に固溶するのである。このため、本発明では液相のＣｕが生成するＣｕの融点である１０８０℃以上であることが前提となる。すなわち、鋼材表面（少なくともスケール層）が１０８０℃以上であることが前提となる。

さらに、本発明者らはスケールの生成挙動を鋭意検討し、鋼の表面上に形成し得るスケールが、別の鋼の表面上に形成し得るスケールと接触していると、両者のスケールが一体化した組織となり、スケール中の各層の境界がまったくなくなることもわかった（図２）。

Ｃｕを０．０５質量％以上含有した鋼材とＣｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材を離した状態で１０８０℃以上に加熱すると、前者の鋼材（図３（ａ））ではスケールの粒界およびマグネタイトにＣｕが分布するが、後者の鋼材（図３（ａ））ではスケールの粒界やマグネタイト層にはほとんどＣｕは分布しない。これら両鋼材を接触させて、酸化雰囲気中で１０８０℃以上に加熱した場合、図３（ｂ）に示すように接触させた個所のスケールは一体化し、そのスケールの粒界が両鋼材でつながり、両鋼材間でのＣｕの移動経路ができることになる。この経路を通して高Ｃｕ濃度側の鋼材のスケール／地鉄界面に析出しているＣｕやスケールの粒界に存在するＣｕが、低Ｃｕ側鋼材のスケール内に移動する（図３（ｂ））。Ｃｕのスケールの粒界を通しての移動は極めて速く、１２００℃の温度で両鋼材の接触部から１分間で１メートルの距離を移動することを確認している。低Ｃｕ側のスケールの粒界とマグネタイト層にＣｕが移動することができる。低Ｃｕ側鋼材に移動した分だけ、高Ｃｕ側鋼材の析出したＣｕ量が低下することになり、高Ｃｕ側鋼材の赤熱脆性を抑制することが可能になる。

Ｃｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材の場合は、通常の加熱炉での加熱を行っても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、低Ｃｕ側鋼材のスケール内にＣｕを吸収しきれなくなり、高Ｃｕ側鋼材のスケール／地鉄界面のＣｕ濃化量を十分に減少させることができず、圧延時に赤熱脆性による表面の割れが発生する。したがって、本発明を適用して効果のあるのは、Ｃｕ含有量が０．０５質量％以上３質量％以下のＣｕ含有鋼材である。

また液相のＣｕがスケールの粒界を移動する必要があり、銅の融点である１０８０℃以上で処理する際にＣｕを０．０５質量％以上３質量％以下で含有する鋼材が、Ｃｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材と接触しなければならない。

なお、０．０５質量％以上のＣｕを含有する鋼材は直接Ｃｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材と隣合って接触しなくとも、複数の鋼材をそれぞれ接触させた状態で１０８０℃以上の温度域にあれば他の０．０５質量％以上のＣｕを含有する鋼材を１つ以上間に挟んで間接的にＣｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材と接触すればよい。これは高温下で接触しているスケールは全て一体化しているため、１０８０℃以上の領域内の鋼材の全スケール内をＣｕが移動できるためである。

鋼材を加熱する炉としては、２以上の鋼材が接触した状態で１０８０℃以上の温度域で加熱処理することができる炉であれば特に制限されるものではないが、例えば、鋼材同士が確実に接触するので、プッシャー方式の加熱炉を用いることが好ましい。プッシャー方式では炉内に各鋼材が接触したままで並べられ加熱され、挿入側から一つの鋼材を押し入れることで中の鋼材を抽出側に押し、抽出側に一つの鋼材が抽出されて鋼材が加熱される。このようなプッシャー炉では鋼材同士が確実に接触し、上記メカニズム（図３（ｂ））が実現する。なお、鋼材同士の接触は、接する面同士に対抗する面圧を必要とするものではなく、図２に示すスケールの一体化が生じるには鋼材表面同士が接してさえいればよい。

以上のような現象を発現させる鋼の成分はＣで１％以下、Ｓｉで３．５％以下、Ｍｎで５％以下、Ｐで０．１％以下、Ｓで０．１％以下、Ｎｉで３％以下、Ｃｒで１０％以下といった場合である。その他Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｂ等の元素が１％以下含有されていてもよい。この成分範囲では生成するスケールの組成やＣｕの移動挙動には影響しないためである。

次に、本発明の実施例について述べる。

［実施例１］
本発明の効果を実証する鋼材の加熱−圧延実験を行った。表１に示す化学成分を有する鋼材を用いた。Ａ、Ｂ、Ｃの成分はＣｕが０．０５％以上であるので単独で加熱すれば赤熱脆性による割れを起こしやすい成分であり、Ｄ、Ｅの成分はＣｕが０．０５％未満なので赤熱脆性による割れを起こさない成分である。試験片鋼材は１５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍのサイズとした。図４に示すようなLPGをバーナーとする炉にて鋼材を加熱した。なお、鋼材の加熱は、上記各鋼材のうち二つの鋼材を接触させた場合と、二つの鋼材を離した場合と、鋼材の置き方を変えて行った。加熱温度は１２００℃とし、炉内の酸素濃度が２％となるように制御した。加熱した鋼材は２パスで１５ｍｍ厚まで圧下した。圧延後の鋼材表面を目視にてさらに断面を光学顕微鏡にて観察し、赤熱脆性による割れの発生程度を観察した。◎：割れ発生なし、○：微細な割れ発生あるが、品質や外観上の問題なし、×：割れが発生、という指標とした。その結果を表２に示す。表２に示すように、Ｃｕの含有量が０．０５質量％を超える素材であっても、Ｃｕ含有量が０．０５質量％未満の含有量である鋼材と接触させて加熱した場合には赤熱脆性による品質上問題となる割れは発生しないことが示された。

［実施例２］
本発明の効果を実証する鋼材の加熱−圧延実験を行った。表１に示す化学成分を有する鋼材を用いた。試験片鋼材は１０００ｍｍ×２０００ｍｍ×２５０ｍｍのサイズとした。図５に示すような燃焼ガスで加熱できるプッシャー炉にて鋼材を加熱した。加熱炉内の燃焼は２％の酸素と１２％の水蒸気と１０％の二酸化炭素と残部が窒素からなる酸化雰囲気下とした。図５に示す加熱炉の左側（鋼材挿入口）から鋼材を挿入し炉内の鋼材を右側（鋼材抽出口）に押し出す。炉内は３ゾーンに分かれており、鋼材挿入口側から１ゾーン、２ゾーン、３ゾーンと呼ぶことにする。各ゾーンには３枚の鋼材が入ることができる。全ゾーンの温度を１２００℃とし、５分毎に鋼材を挿入した。挿入された鋼材は２ゾーンまでに１０７０℃まで加熱され、３ゾーンに移動後約２分で１０８０℃を超え、抽出時には１２００℃まで達する。すなわち３ゾーン内では３枚の鋼材は１０８０℃以上の温度域で接触して存在することになる。挿入と同時に反対側から抽出される鋼材は３パスで１００ｍｍ厚まで圧下した。

表３に示すパターンで表１に示す種類の鋼材を順に炉内に挿入して加熱し圧延を行っていった。なお、表３の挿入順１に示す鋼材Ａを炉内に挿入する前や、挿入順２０に示す鋼材Ｄを炉内に挿入した後に、低Ｃｕ濃度材のＥ材を続けて炉内に挿入し加熱した。圧延後の鋼材表面を目視にてさらに断面を光学顕微鏡にて観察し、赤熱脆性による割れの発生程度を観察した。◎：割れ発生なし、○：微細な割れ発生あるが、品質や外観上の問題なし、×：割れが発生、という指標とした。その結果を表３に合わせて示す。Ｃｕを０．０５質量％以上含有する鋼材であっても、その前後にＣｕ含有量が０．０５質量％未満の鋼材が存在し接触している場合、品質上問題となる赤熱脆性による割れの発生を回避することができている。また、前後にＣｕ含有量が０．０５質量％未満の鋼材がなくとも、２枚先あるいは２枚後にＣｕ含有量が０．０５質量％未満の鋼材がある場合（挿入順で６，１０，１６，１８番）でも問題となる赤熱脆性の発生を回避できている。

本発明の一実施形態において、鋼材のスケール／地鉄界面において析出した液相Ｃｕが、スケールの粒界を移動してスケールのマグネタイト層内に固溶する現象を説明するための図である。本発明の一実施形態において、鋼材同士（ａ）が接触すると、両鋼材のスケールが一体化し、スケール中の各層の境界がなくなること（ｂ）を説明するための図である。本発明の一実施形態において、Ｃｕ含有量が０．０５質量％以上の鋼材とＣｕ含有量が０．０５質量％未満の鋼材とを離した状態で１０８０℃以上に加熱した場合（ａ）、及びＣｕ含有量が０．０５質量％以上の鋼材とＣｕ含有量が０．０５質量％未満の鋼材とが接触した状態で１０８０℃以上に加熱した場合（ｂ）にＣｕの分布状態を説明するための図である。なお、図３（ｂ）中の矢印は、析出した液相Ｃｕの移動方向を示し、図３（ａ）及び（ｂ）中のスケールの模様は、Ｃｕが分布していることを意味する。本発明の一実施例において用いた鋼材の加熱炉の概略構成を示す図である。本発明の一実施例において用いたプッシャー式加熱炉の概略構成を示す図である。

Claims

Ｃｕを０．０５質量％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、当該鋼材を鋼材表面の最低温度が１０８０℃以上の状態でＣｕの含有量が０．０５質量％未満である鋼材に接触させた状態の酸化雰囲気中で加熱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。
Ｃｕを０．０５質量％以上３質量％以下で含有する複数の鋼材をプッシャー式の加熱炉を用いて熱間圧延に先立ち加熱する方法において、当該鋼材とＣｕの含有量が０．０５質量％未満である鋼材が加熱炉内の１０８０℃以上の領域に同時に存在するように、酸化雰囲気中で加熱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。