JP2007044706A - 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】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から、熱間圧延の１パス目の圧延を行う圧延機までの複数の搬送ロールについて、ロール周速の最大値と最小値との差を規定値以下（例えば、１０ｍｐｍ以下）と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。
【選択図】図３

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、表面性状に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から、熱間圧延の１パス目の圧延を行う圧延機までの複数の搬送ロールについて、ロール周速の最大値と最小値との差を規定値以下と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］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についてロール周速の最大値と最小値との差を規定値以下に調整し、該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、前記ロール周速を調整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。

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。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、および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部を起点としてファイアライトスケール２が地鉄３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３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周速に関連していることを見出した。そこで、各搬送ロールのロール周速を測定し、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結果と比較したところ、図２に示すように、他の搬送ロールとの周速差が大きい搬送ロールで異物の付着が発生することがわかった。そこで、異物の付着状態に及ぼす搬送ロール周速の影響を明確にすべく実験を行った。実験では、特定の搬送ロールのロール径を変更することによってロール周速を種々に変更し、搬送ロールへの付着量を目視で定性的に評価した。この際、周速を変更する搬送ロールを除いて、加熱直後に鋼片が接触する搬送ロールから１パス目の圧延を行う圧延機に至るまでのすべての搬送ロール周速を１４３〜１４５ｍｐｍの範囲、すなわち搬送ロールの周速差を２ｍｐｍとした。また、搬送ロール径が変化することによって鋼片と搬送ロールとの接触状態が変化するのを避けるために、搬送ロールの設置高さは隣接する搬送ロールと±０．５ｍｍの精度で合わせた。この結果を図３に示す。この図３から明らかなようにロール周速を変更した搬送ロールの周速と他の搬送ロールの周速を比較して、周速差が１０ｍｐｍより大きい場合に異物の付着が発生することがわかった。

以上の知見より、異物の付着が発生していた搬送ロールのうち、最下流側の搬送ロールよりも上流側の搬送ロールの周速差をすべて１０ｍｐｍ以下に調整した。調整前後での搬送ロール計１７７本の周速の度数分布図を図４に示す。調整前後での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）を図５に示す。このように搬送ロールの周速差を１０ｍｐｍ以下とすることによって不良率が大幅に低減した。これは、搬送ロールの周速差を小さくすることによって、鋼片と搬送ロール間に生じていた相対速度（速度差）が低減され、それより異物付着の低減効果があらわれたものと考えられる。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、周速差の規定値を１０ｍｐｍ以内とすることが好ましいが、規定値は、搬送ロールの材質、鋼片の成分、各ラインでの製造条件や製品の合格基準等に基づいて定められるべき値である。したがって、周速差の規定値は、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はない。

ところで、搬送ロールの周速差を規定値以内に管理するための保全手段としては、上述したような高速度カメラなどによる回転数の測定値と搬送ロール径の測定値から周速を計算し、周速差が大きい搬送ロール周りの設備を補修することが考えられるが、この場合、周速差発生の原因究明、その補修および周速の測定という３つの段階を繰り返す必要があり、複数の搬送ロールを同じ駆動装置で回転させるような従来の設備では多大な労力を必要とする。そこで、各搬送ロールの駆動を無段階に変速可能な独立モーターにより行い、適宜回転数を変更することによって各搬送ロール毎に周速を調整することが可能な設備とすることが望ましい。

しかしながら、搬送ロールを独立駆動させるためには新たな設備投資が必要となるため、このような設備費用をなるべく低減すべく、鋼板とロールとの圧着の発生条件に関して、さらなる調査を行った。

加熱炉から圧延機までの搬送テーブルについて、異物付着の発生状況を詳細に比較すると、上流側すなわち鋼片の表面温度が高温であるほど異物の付着が多発し、一方、下流側であって鋼片の表面温度が１１７０℃以下で鋼片と接触する搬送ロールでは、周速差に関わらず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、異物の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として規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、かつ周速差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６に本発明の鋼材の製造方法を実施する装置を示す。図６（ａ）が側面図であり、図６（ｂ）が平面図である。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上下流側数本分の搬送ロールのみ（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周速差を１０ｍｐｍ以下とし、そのように周速差が管理された搬送ロール上のみで往復搬送させて、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の温度を搬送を開始する鋼板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％を含む板厚２２０ｍｍ、板幅１２７０ｍｍ、長さ１２ｍの鋼片から冷延鋼板を製造した。この鋼片を加熱して熱間圧延する前に、加熱炉から熱延工程での１パス目を行う圧延機までの搬送テーブルの搬送ロール１７７本（搬送ロール群）の直径を測定したところ、φ４３８〜φ４５０ｍｍの範囲であった。これと高速度カメラによって測定した搬送ロールの回転数から、ロール周速に換算したところ、各搬送ロールの周速は８０〜１４６ｍｐｍの範囲であった。この状態で鋼片１０個から冷延鋼帯を製造した（条件Ａ）。また、ロール回転数を調整することによって、前記搬送ロール群のロール周速差を１０ｍｐｍ以下、具体的には各搬送ロールの周速を１３８〜１４６ｍｐｍの範囲に調整し、鋼片１０個から冷延鋼帯を製造した（条件Ｂ）。なお、搬送ロールの材質はＳ３５Ｃであり、搬送ロール間隔は７５０ｍｍであり、条件Ａと条件Ｂでは同一成分の鋼片を使用し、同一の製造ラインによって同一の製造条件で製品とした。なお、加熱炉抽出直後の鋼片の表面温度は１２５０℃であった。その後搬送を開始し、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。図７に最終製品での条件Ａと条件Ｂでの不良率を示す。搬送ロールの周速差が最大６６ｍｐｍである条件Ａと比較して、搬送ロールの周速差１０ｍｐｍ以下とした条件Ｂでは、不良率が大幅に低減した。

Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．０４５ｍａｓｓ％を含む板厚２２０ｍｍ、板幅１２７０ｍｍ、長さ１２ｍの鋼片から冷延鋼板を製造した。事前に熱延工程での１パス目の圧延機までの搬送テーブルの搬送ロール１７７本（搬送ロール群Ａ）の直径を測定したところ、φ４３８〜φ４５０ｍｍの範囲であった。これと高速度カメラによって測定した搬送ロールの回転数から、ロール周速に換算したところ、各搬送ロールの周速は８０〜１４５ｍｐｍの範囲であった。このうち、抽出直後に接触する搬送テーブルの搬送ロールの周速は調整前において９０〜１４４ｍｐｍの範囲であった。搬送ロール間隔は７５０ｍｍであるため、往復搬送する距離を考慮して、前記抽出直後に接触する搬送ロールを含む２０本分の搬送ロール（搬送ロール群Ｂ）の周速差を１０ｍｐｍ以下、具体的には１３６〜１４４ｍｐｍの範囲に調整した。まず鋼片１０個については、加熱炉抽出後にすぐに搬送を開始し、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（条件Ｃ）。また、別の鋼片１０個については、加熱炉からの抽出直後から搬送ロール群Ｂ上で１５秒間往復搬送により待機させた後に、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（条件Ｄ）。なお、条件Ｃ、条件Ｄでの加熱炉抽出後に搬送ロール群Ｂより下流に搬送開始する時点での鋼片表面温度はそれぞれ１２５０℃、１１８５℃であった。図８に最終製品での条件Ｃと条件Ｄの不良率を示す。加熱炉抽出後すぐに搬送を開始した条件Ｃと比較して、加熱炉からの抽出直後から搬送ロール群Ｂ上で１５秒間往復搬送により待機させた条件Ｄでは、不良率が大幅に低減した。

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。 各搬送ロールの周速と異物の付着状態との関係を示す図である。 搬送ロールへの異物の付着状態に及ぼす搬送ロール周速差の影響を示す図である。 ロール周速の調整前後における搬送ロール周速の度数分布を示す図である。 搬送ロールの周速差の調整有無と不良率の低減効果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。 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 ロール周速差を１０ｍｐｍ以下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から、熱間圧延の１パス目の圧延を行う圧延機までの複数の搬送ロールについて、ロール周速の最大値と最小値との差を規定値以下と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. 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についてロール周速の最大値と最小値との差を規定値以下に調整し、該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、前記ロール周速を調整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。
   

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