JP2006326594A - 表面性状の優れた鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の対処策だけでは低減できなかったヘゲの発生率を、効果的にさらに低減可能とする表面性状の優れた鋼材の製造方法を提供する。
【解決手段】鋼片を１１７０℃以上に加熱し、熱間圧延を行う鋼材の製造方法において、加熱後の鋼片が最初に接触する搬送テーブルの搬送ロールの設置高さの誤差を規定値以内とし、搬送ロールと接触する面の鋼片の表層温度が規定の温度以下になるまで、その搬送テーブル上で冷却する。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面欠陥を低減し、表面性状の優れた鋼材を製造するための方法に関するものである。

通常、鋼材は鋳造にて成形された鋼片を加熱炉で所定の温度まで加熱し、熱間圧延工程にて所定の板厚まで減厚し、さらに必要に応じて、次工程以降で処理される。このようにして製造される鋼材の特性としては、機械的性質や寸法精度はもちろんのこと、用途によっては表面性状も重要視される。表面性状の観点からは、ヘゲ、スリバー、スケール疵など表面欠陥の防止が特に重要である。中でも、薄鋼板ではプレス加工や打ち抜き加工が行われるため、この際の破断や鋼板と金型との焼き付きの原因となるヘゲの防止が最も重要である。ヘゲは様々なメカニズムで発生すると言われている。以下に従来のメカニズムとその対処策の例を挙げる。

一つ目に、異物の付着に起因するヘゲ発生のメカニズムが挙げられる。熱間圧延工程での鋼材の搬送中あるいは圧延中にはライン上の異物が鋼片に付着しやすく、このような異物が圧延によって押し込まれることによってヘゲが発生する。この異物は主に他の鋼材を搬送もしくは圧延した際に、その一部が高温のまま設備に付着しスケール化したものである。また、鋼片の表面に発生したスケールが、その鋼片自身に押し込まれることによっても発生する。いずれもスケールが鋼材の地鉄に押し込まれ、地鉄中に噛み込むことにより発生する。このメカニズムに対して、各パス圧延前のデスケーリング条件の最適化によってヘゲの発生を低減させている（例えば、特許文献１参照。）。

二つ目に、鋼片の割れに起因するヘゲ発生のメカニズムが挙げられる。鋼片の割れは、加熱あるいは冷却時の熱応力や圧延応力によって発生する。この割れた部分にスケールが生成し、その後の圧延によって割れが閉口することによってスケールが地鉄中に残存するためにヘゲとなる。このような割れは、強度が弱く、合金元素が偏析しやすい鋼片表層の結晶粒界を起点に発生しやすい。これに対して、鋼片のスカーフィング、在炉時間の調整、合金元素添加量の最適化、熱応力の緩和や冷却条件の最適化、あるいは圧延条件の最適化によってヘゲの発生を低減させている（例えば、特許文献２参照。）。

三つ目に、鋼片内の気泡に起因するヘゲ発生のメカニズムが挙げられる。鋳造工程でブローホールと呼ばれる気泡が鋼片中の表面近傍に存在する場合、熱間圧延によって表面に顕在化することによって鋼板表面に開口部が発生し、その後割れと同様のメカニズムでヘゲとなる。これに対して、鋳造時の浸漬ノズル形状の最適化や溶鋼の流動制御によってヘゲの発生を低減させている。
特開平８−１９７１３０号公報 特開平８−１４１６３２号公報

しかし、上述したヘゲ発生のメカニズムに対して、その対処策を行ってもヘゲの発生率は、未だ満足されるものではなく、従来の対処策だけでは十分とはいえなかった。

本発明は、従来の対処策だけでは低減できなかったヘゲの発生率を、効果的にさらに低減可能とする表面性状の優れた鋼材の製造方法を提供することを目的とする。

前記の各対処策によってヘゲの発生率は低下する傾向にあるため、これらの対処策は決して効果がないわけではないが、未だヘゲが少なからず発生しているので、ヘゲ発生には他のメカニズムが存在するものと発明者らは考えた。そこで、ヘゲ発生の未知なるメカニズムを明らかにすべく、鋼材の製造プロセス全般の操業条件とヘゲの発生状況について鋭意調査を行った。この結果、これまでに知られていなかったヘゲの発生メカニズムを明らかにし、これによる表面欠陥を防止し、従来技術では実現できなかった高レベルの表面性状を有する、表面性状の優れた鋼材の製造方法を発明した。

本発明の要旨構成は以下のとおりである。

［１］１１７０℃以上に加熱した鋼片を、複数の搬送ロールからなる搬送テーブルにより圧延機まで搬送して熱間圧延を行う鋼材の製造方法において、加熱後の鋼片が最初に接触する搬送ロールを含み、前記鋼片の搬送方向長さ以上の範囲にある複数の搬送ロールの設置高さの誤差を規定値以内とし、搬送ロールと接触する面の鋼片の表層温度が規定の温度以下になるまで、前記設置高さの誤差を規定値以内とした搬送ロール上で冷却することを特徴とする表面性状の優れた鋼材の製造方法。

［２］前記設置高さの誤差を規定値以内とした搬送ロール上で前記鋼片を往復させて冷却する前記［１］に記載の表面性状の優れた鋼材の製造方法。

本発明によれば、表面欠陥を低減し、表面性状の優れた鋼材を製造することが可能である。

以下、本発明を具体的に説明する。

発明者らは、以下のようなメカニズムでヘゲが発生していることを発見した。まず、鋼中のＳｉ量が２．０ｍａｓｓ％以上である鋼片を１１７０℃以上に加熱する場合、加熱後の鋼片が通過した直後の搬送ロールに高温の異物が付着していることがわかった。ただし、このような異物の付着は、すべての搬送ロールで観察されるわけではなかった。また、加熱後の鋼片を圧延機まで搬送する搬送テーブル（搬送ロール群）を調査すると、上流側すなわち鋼片の表面温度が高温である搬送テーブルほど異物の付着が多発し、鋼片の表面温度が１１７０℃以下の場合、異物の付着が発生しないことがわかった。この付着物を採取し分析を行ったところ、この付着物は通過した鋼片の地鉄が搬送ロールに付着し、酸化したスケールであることが判明した。さらにこの鋼片の搬送ロールと接触する面（以下、裏面とする）を観察したところ、部分的に深さ２〜１０ｍｍ、長さ、幅５〜２０ｍｍの穴状の窪みが観察された。これより推定されるヘゲ発生のメカニズムを図１に示す。鋼片を１１７０℃以上に加熱することによって、鋼片表層に生成したファイアライトスケール１（２ＦｅＯ・ＳｉＯ₂）が液相化する。鋼片が搬送される際、搬送ロール４と接触することによって、ファイアライトスケールが急速に冷却されると同時に固化し（固相のファイアライトスケール２）、ファイアライトスケールを介して鋼片地鉄３と搬送ロール４が圧着する（図１（ａ））。圧着した鋼片が引き続き搬送されることによって、搬送ロール４とファイアライトスケール２の接触界面における強度や、ファイアライトスケール２と地鉄３の界面における強度よりも強度の弱い地鉄の粒界部分あるいは粒内部分を起点として、ファイアライトスケールが地鉄の一部とともに強制的に引き剥がされ、局所的に穴状の窪みが形成される（図１（ｂ））。その後の搬送中に、この穴状の窪みに再びファイアライトスケールが形成される。この部分が圧延ロール５で圧延されると、窪みに形成されたファイアライトスケール（固相）２が地鉄に噛み込むことになり（図１（ｃ））、ヘゲの発生にいたるというメカニズムである。

発明者らはこのような知見に基づき、地鉄と搬送ロールの圧着を防止するための対処策を検討し、その効果を検証した。対処策の要点は以下のとおりである。異物の付着がすべての搬送ロールで発生しているわけではないことに注目して鋭意調査したところ、異物の付着の原因が、加熱直後に鋼片が接触する搬送テーブルの各搬送ロールの設置高さ（搬送ロールの最上部の高さ位置）に関連していることを見出した。そして、図２に示すように、実験的に特定の搬送ロールの設置高さを種々に変更し、搬送ロールへの異物の付着量を目視で定性的に評価したところ、他の搬送ロールと比較して設置高さがある程度高い搬送ロールで異物の付着が発生することがわかった。この実験例においては、具体的には、隣接する搬送ロール間の設置高さの差が±１０ｍｍを越えている場合に異物の付着が発生していた。そこで、異物の付着が発生していた搬送ロールの中で、最も下流側にあった搬送ロールよりも上流側にある搬送ロールに対して、これら搬送ロールの設置高さの誤差（隣接する搬送ロール間の設置高さの差）をすべて±１０ｍｍ以内に調整し、最終製品での製品全長に対するヘゲ発生長さの総和の割合（以下、不良率）を設置高さの調整前後で比較したところ、図３に示すように不良率が大幅に低減した。このように、搬送ロールの設置高さの誤差を小さくすることによって、鋼片と搬送ロールとの接触が局所的に高面圧となることが防止され、ひいては鋼片と搬送ロールの圧着が防止されたためであると推定される。以上により、上記のヘゲ発生メカニズムおよび本対処策の妥当性が確認された。ここで、設置高さの誤差の規定値を±１０ｍｍとしたが、これは搬送ロールの材質や鋼片の成分に基づいて定められるべき値である。したがって、設置高さの誤差の規定値は、各ラインにて決定すべき値であって、本発明はこれを厳密に規定するものでない。

ところで、加熱炉から圧延機までの搬送ロールは、摩耗が激しいため、搬送ロール設置後の高さの経時変化が大きい。さらに、圧延機までの広い範囲の搬送ロールの設置高さを管理することはコストおよび生産性の観点から困難である。また、上述したように、上流側すなわち鋼片の温度が高温である搬送ロールほど異物の付着が多発することから、鋼片の表面温度（以下、単に温度とする）を測定し、異物の付着が発生する搬送ロールの分布と比較したところ、鋼片温度が１１７０℃以下では、異物の付着が発生しないことがわかった。したがって、鋼片の加熱温度を１１７０℃以下にすることによって、付着を防止できると推測できるが、加熱温度は鋼中の合金元素の均一固溶を目的に決定されるものであるから、表面欠陥低減のために加熱温度を変更することは困難である。

そこで発明者らは、加熱温度を変更せずに、かつ設置高さを管理する搬送ロールの本数を最低限にして、ヘゲの発生率を低減する技術を開発した。

図４に本発明における鋼材の製造方法を実施する製造設備を示す。図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は平面図である。加熱炉７で加熱された直後に鋼片６が接触する搬送ロールとその下流側数本分の搬送ロール（搬送ロール群１１）、すなわち、加熱後の鋼片が最初に接触する搬送テーブルの搬送ロールを含み、該搬送テーブル上で前記鋼片の搬送方向長さ以上の範囲にある複数の搬送ロールの設置高さの誤差を±１０ｍｍ以下に設置し、前記搬送ロール群の上で往復搬送させて規定の鋼片表面温度になるまで空冷した後に、前記搬送ロール群より下流側に搬送を開始し、熱間圧延機８で熱間圧延を行う方法である。ここで往復搬送させる理由は、鋼片６の搬送ロールとの接触部分が局所的に温度低下することを防止するためである。

次に、前記搬送ロール群より下流側に搬送を開始する鋼片表面温度の規定方法について説明する。搬送を開始する際の鋼片表面温度は１１７０℃以下が好ましく、１１７０℃以上の場合、鋼片表面温度が低温であるほど、不良率を低減することが可能である。これは上記メカニズムからも明らかなように、ファイアライトを固化させることにより圧着が発生しないためである。しかしながら、搬送を開始する鋼片表面温度を低温にするほど、すなわち往復搬送時間を長くするほど、搬送ライン上を対象鋼片が占有する時間が長くなり、その間は他の鋼片の搬送ができなくなるため、熱間圧延ラインの上下流における各製造ラインの鋼片の搬送ピッチを考慮し、生産能率を著しく低下させない範囲で、搬送を開始する鋼片表面温度を決定する。なお、このような搬送待ち時間による制約を排除するために、搬送ライン外に別途往復搬送用のテーブルを設置するのも効果的である。また、強度や延性などの製品特性を保持するために規定されている圧延温度や、圧延機の耐荷重などの設備能力を考慮して鋼片の表面温度を規定することも重要である。

なお、鋼片表面を規定温度まで冷却する方法は、空冷に限定するものではない。例えば、多少の設備コストを要するものの、加熱直後の鋼片の裏面を規定温度まで強制的に水冷しても同様の効果が期待できる。ただし、鋼片表層を水冷すると、復熱によって水冷直後の表層温度より高温になるため、水冷直後の鋼片表面温度を搬送を開始する鋼片表面温度とする場合は、複熱を考慮して定めることが好ましい。

Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．０４５ｍａｓｓ％を含む鋼片を加熱し、加熱炉からの抽出直後に接触する搬送ロールとその下流側数本分の搬送ロールで１５秒間往復搬送により待機させた。なお、加熱炉抽出直後および往復搬送後の鋼片の表面温度はそれぞれ１２５０℃、１１８５℃であった。また、抽出直後に接触する搬送テーブルの搬送ロールの直径はφ４５０±１ｍｍ、搬送ロール間隔は７５０ｍｍであり、鋼片の長さは１２ｍであった。そこで往復搬送する距離を考慮して、加熱炉からの抽出直後に接触する搬送ロールおよびその下流側の搬送ロールである２０本分の搬送ロール（搬送ロール群）の設置高さの誤差を±４ｍｍ以内に調整した。その後、前記搬送ロール群より下流に搬送を開始し、熱間圧延を施し、さらに冷間圧延および焼鈍を行い、最終製品とした。前記搬送ロール群よりも下流側で圧延機までの搬送ロールの設置高さの誤差は最大±２５ｍｍであった。この実験を１０個の鋼片で実施した（本発明例）。

さらに、比較のため、同一製造ライン、同一成分の鋼片にて、従来通り、往復搬送を行わないで熱間圧延機に搬送した場合についても１０個の鋼片で実験を実施した（従来例）。

図５に、本発明例と従来例の最終製品での不良率を比較したものを示す。同図から明らかなように、本発明によって、ヘゲの発生率を大幅に低減することが可能である。

本発明において、新たに考慮したヘゲ発生のメカニズムを説明する図である。 搬送ロールへの異物の付着状況に及ぼす搬送ロールの設置高さ誤差の影響を示す図である。 搬送ロールの設置高さ誤差と不良率との関係を示す図である。 本発明における鋼材の製造方法を実施する製造設備を示す図である。 本発明による不良率の低減効果を示す図である。

符号の説明

１ ファイアライトスケール（液相）
２ ファイアライトスケール（固相）
３ 鋼片の地鉄
４ 搬送ロール
５ 圧延ロール
６ 鋼片
７ 加熱炉
８ 圧延機
１１ 設置高さの誤差を所定値以内に規定する搬送ロール群

Claims (2)

1. １１７０℃以上に加熱した鋼片を、複数の搬送ロールからなる搬送テーブルにより圧延機まで搬送して熱間圧延を行う鋼材の製造方法において、加熱後の鋼片が最初に接触する搬送ロールを含み、前記鋼片の搬送方向長さ以上の範囲にある複数の搬送ロールの設置高さの誤差を規定値以内とし、搬送ロールと接触する面の鋼片の表層温度が規定の温度以下になるまで、前記設置高さの誤差を規定値以内とした搬送ロール上で冷却することを特徴とする表面性状の優れた鋼材の製造方法。
2. 前記設置高さの誤差を規定値以内とした搬送ロール上で前記鋼片を往復させて冷却する請求項１に記載の表面性状の優れた鋼材の製造方法。

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