JP2007331017A - 熱延鋼板の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フェライト組織の結晶粒径を２μｍ近くにまで微細化することができる熱延鋼板の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】 複数スタンドＦ１〜Ｆ６がタンデムに配置された仕上圧延機１を用い、加熱した鋼板Ｘを、いずれかのスタンドの近傍および最終スタンドＦ６の下流側で冷却しながら圧延する熱延鋼板の製造方法である。後段の３スタンドＦ４〜Ｆ６における累積歪みが１．５以上になるように圧下を行うとともに、上記冷却のための手段により、最終スタンドＦ６のワークロールを鋼板が離れたのち０．５秒以内に冷却を開始し、当該冷却の開始後に毎秒２０℃以上の速度で鋼板Ｘを冷却する。
【選択図】 図１

Description

請求項に係る発明は、微細なフェライト組織を有する熱延鋼板を得るための製造方法および製造装置に関するものである。

合金元素の使用を少なくしながら結晶粒を微細化することにより熱延鋼板を高強度化することは、自動車用部材の軽量化等を通じて地球環境の保護にも貢献する重要な技術として注目されている。下記の特許文献１に記載の発明は、加熱した鋼板を高圧下しながら強冷却することにより結晶粒の成長を抑え、もって細粒鋼熱延鋼板の商業的生産を可能にしたものである。
特開２００２−２７３５０１号公報

特許文献１に記載の発明によれば、熱延鋼板におけるフェライト組織の結晶粒径を４μｍ程度以下にまで細かくすることが可能である。しかし、組織が微細であればあるほど鋼板の強度は向上し靱性の点でも好ましいことから、結晶粒径をさらに細かくすることが望まれる。

本願請求項の発明は、フェライト組織の結晶粒径を、３μｍ程度以下、２μｍ近くにまで微細化することができる熱延鋼板の製造方法および製造装置を提供するものである。

請求項に係る熱延鋼板の製造方法は、複数スタンドがタンデムに配置された圧延機を用い、加熱した鋼板を、いずれかのスタンドの近傍および最終スタンドの下流側で冷却しながら圧延する熱延鋼板の製造方法であって、
・ 最終スタンドを含む後段３スタンドにおける累積歪みが１．５以上になるように鋼板を圧下するとともに、
・ 上記冷却のための手段によって、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち０．５秒以内に冷却を開始し、当該冷却の開始後に毎秒２０℃以上の速度で鋼板を冷却する−ことを特徴とする。
なお、「累積歪み」とは下記をさす。すなわち、最終スタンド（第ｎ段）を含む後段３スタンド（それらより上流側のスタンドは影響力が小さいので無視する）を一まとまりに見て、第ｎ−２段のスタンドへの入り側での鋼板の厚さＴ_n-2,INと第ｎ段スタンドの出側での鋼板の厚さＴ_n,OUTとの比をとり、その自然対数である
ε＝ ｌｎ（Ｔ_n-2,IN／Ｔ_n,OUT）
を累積歪みとする。

請求項に係るこの方法により、合金元素の含有量が少ない炭素鋼（たとえば炭素含有量が0.5％以下で、合金元素の含有量が5％以下の鋼板。Ｃ：0.17％、Ｓｉ：0.17％、Ｍｎ：1.46％で他に有意な元素を含まないもの等）を熱間圧延して、フェライト組織の結晶粒径を３μｍ以下、２μｍ近くにすることが可能である。後段３スタンドにおける累積歪みが１．５以上という高圧下を加えたうえ加工終了後短時間に強冷却を開始することが、そのレベルまで結晶粒を微細化するものと考えられる。

上記した熱延鋼板の製造方法については、上記冷却のための手段により、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち９秒以内に当該鋼板を巻取温度にまで冷却するのが好ましい。
冷却の開始後に上記のように毎秒２０℃以上の速度で鋼板を冷却するとしても、その後すぐに冷却速度を著しく緩和するなら、当該鋼板の組織を十分に微細にできるとは限らない。しかし、９秒という限定された時間内に鋼板の温度を巻取温度にまで冷却するなら、きわめて高い細粒化効果がもたらされる。しかも、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのちそのような短時間で巻き取り温度にまで冷却することができるなら、圧延機から巻取機までの距離を短くして設備長さを短縮できるという利点もある。

請求項に係る上記熱延鋼板の製造方法はとくに、最終スタンドのワークロールを離れた時点（離れた瞬間）の鋼板の温度を７５０℃以上・８００℃以下に（望ましくは７８０℃前後に）するのが好ましい。
同じ累積歪みの加工を与えるとしても、加工温度（最終スタンドのワークロールを離れた時点の鋼板の温度に相当）が仮に８００℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化して結晶粒径を３μｍ以下にすることができない。また、加工温度が仮に７５０℃以下であれば、累積歪みが上記の値に達するまでの十分な圧下は困難となる。そのため、加工温度を上記の温度範囲に保つのが好ましい。なお、鋼板の巻取温度は、５５０℃〜６００℃とするのがよい。

上記した熱延鋼板の製造方法では、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち冷却開始までの上記の時間、および当該冷却開始直後の鋼板の冷却速度を変更可能とするのもよい。
鋼板の加工後のいつから冷却をするか、また冷却開始後にどのような強さで冷却するか（たとえば開始直後に急冷してその後に徐冷もしくは保温をするか、冷却速度が略均一な緩冷却をするか等）は、同じ巻取温度を採用するとしても鋼板の組織を異なったものにする。加工後すぐに冷却を開始して強冷却をする（必要に応じてその後に巻取温度にまで緩冷却をする）場合には（たとえば図２のパターンＡにしたがって冷却する場合）、フェライト粒径の微細な鋼板を製造することができる。一方、緩冷却を行う場合（たとえば図２のパターンＢにしたがって冷却する場合）には、粒径はやや粗いがパーライト分率が少ないという利点をもつ鋼板を製造できる。したがって、上記した時間や冷却速度を選択的に変更可能にするなら、目的に応じた適切な鋼板製造が可能になるといえる。

請求項に係る熱延鋼板の製造装置は、上記いずれかに記載した製造方法を実現する装置であって、
・ 最終段を含む後段３スタンドに異径ロールミルまたは極小径ロールミルを配置するとともに、
・ 上記冷却のための手段として、当該後段３スタンドの各下流側にカーテンウォール型水冷手段を配置し、最も下流にあるカーテンウォール型水冷手段のさらに下流側に、巻取機に至るまでの鋼板を冷却する連続型水冷手段を配置する−ことを特徴とする。
なお、上にいう極小径ロールミルは、一対のワークロールがともに直径６００ｍｍを下回る小径のものである圧延機をさし、異径ロールミルとは、上下一対のワークロールについて直径が等しくなく、各一対のワークロールの平均ロール径が直径で６００ｍｍ未満のものをいう。カーテンウォール型水冷手段とは、上方および下方から幕のように連ねて大量の冷却水を層流状態で流し、それを、圧延方向の特定箇所で圧延材の全幅にわたりその上下面に当てる形式の冷却手段をいう。

この装置によれば、上記した熱延鋼板の製造方法を円滑に実現することができる。最終段を含む後段３スタンドの異径ロールミルまたは極小径ロールミルによって上記のように累積歪みが１．５以上という高圧下を行うことができるうえ、カーテンウォール型水冷手段等により適切な冷却を行えるからである。より詳しく述べると、第一に、異径ロールミルまたは極小径ロールミルはワークロール径が小さいために、低い圧延荷重で高圧下の圧延を行うことができる。第二に、カーテンウォール型水冷手段は上記したような大量の冷却水によって圧延材を強く冷却するので、適切な温度範囲に圧延材を維持できるうえ、配置位置に応じた適切な時期から十分な速度で鋼板を冷却できるのである。下流側に配置した連続型水冷手段の作用により、鋼板を、巻取温度まで連続的に短時間に冷却することもできる。

上記の製造装置については、カーテンウォール型水冷手段のそれぞれについて使用・不使用を選択可能にするとともに、連続型水冷手段については、上流寄りの部分で冷却強さを変更可能とし下流寄りの部分で水冷・空冷間の変更を可能とするのが好ましい。
そのようにすれば、前述のように、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち冷却を開始するまでの時間や、当該冷却開始直後の鋼板の冷却速度を選択的に変更することができる。これにより、前述のように目的に応じた適切な鋼板製造が可能になる。

請求項に係る熱延鋼板の製造方法によれば、合金元素の含有量が少ない炭素鋼を熱間圧延して、フェライト組織の結晶粒径が２μｍ近くに微細化された熱延鋼板を製造することが可能である。そしてそれにより、自動車用部材の軽量化等を通じて地球環境の保護・改善をはかることにも貢献できる。

また、請求項に係る熱延鋼板の製造装置によれば、上記のような鋼板の製造を円滑に行うことができる。さらには、圧延機の設備長さを短縮したり、目的に応じた適切な鋼板製造を可能にしたりすることも可能である。

発明の実施形態を図１および図２に示す。図１は、仕上圧延機１を含む熱延鋼板Ｘの製造装置について全体配置を概念的に示す側面図である。また図２は、仕上圧延機１の最終スタンド（Ｆ６）を離れたのち巻き取られるまでの鋼板Ｘの温度変化を示す線図である。

図１に示す仕上圧延機１の上流側（図示省略）には加熱炉と粗圧延機があり、厚さ２００ｍｍ程度のスラブ（図示省略）を粗圧延することにより厚さ３０〜４０ｍｍのシートバー（粗バー）とし、それを仕上圧延機１に供給する。仕上圧延機１として図示のようにタンデムに配置した６スタンドのミルＦ１〜Ｆ６は、そのシートバーに対して連続的に圧下を加えることにより、厚さ４ｍｍ程度以下の薄い鋼板Ｘを生産する。そうして仕上圧延された鋼板Ｘは、ランアウトテーブル２０を経由し、巻取機３０によってコイルに巻き取られる。

図１に示す仕上圧延機１は、微細なフェライト組織を有する細粒鋼熱延鋼板を製造できるよう、つぎのように構成している。

上記のとおり６スタンドのミルＦ１〜Ｆ６で構成した仕上圧延機１において、まず前段の３スタンドには、いわゆるＣＶＣミルＦ１・Ｆ２・Ｆ３を設けている。ミルＦ１は、図１のようにワークロール１ａ・１ｂとバックアップロール１ｃ・１ｄとからなる４重の圧延機とし、ワークロール１ａ・１ｂには、軸長方向へ相対移動（シフト）させることによって鋼板Ｘの形状制御を可能にする適切なクラウン（ＣＶＣすなわち直径の連続的変化）をロール表面に付与している。ワークロール１ａ・１ｂの各直径は７００ｍｍである。以上の構成は、他の２段のＣＶＣミルＦ２・Ｆ３でも同様にしている。こうしたミルＦ１・Ｆ２・Ｆ３を使用することにより、後段のミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６を経て得られる鋼板Ｘの形状精度を高くすることができる。

続く後段の３スタンドとしては、いわゆる異径ロールミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６を配置している。ミル１から数えて第４番目のスタンドである異径ロールミルＦ４は、図１のようにワークロール４ａ・４ｂとバックアップロール４ｃ・４ｄとからなる４重の圧延機とし、ワークロール４ａ・４ｂとして図のように互いに直径の異なるものを使用している。そしてワークロール４ａ・４ｂのうち下部にある大径のロール４ｂのみをモータ等（図示せず）にて回転駆動し、上部の小径のロール４ａについては、回転自在にして駆動力をかけないこととした。ワークロール４ａの径は４８０ｍｍ、ワークロール４ｂの径は６００ｍｍで、両者の平均ロール径は５４０ｍｍである。こうした構成は、後方に設けた他の２段の異径ロールミルＦ５・Ｆ６も同じである。なお、ワークロール４ａ・４ｂにＣＶＣのクラウンを付与するなど、ミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６にもいわゆるＣＶＣミルの構成および機能をもたせている。前段のミルＦ１・Ｆ２・Ｆ３を含む全６スタンドのスタンド間隔は、等しく５．５ｍである。

これら３スタンドの異径ロールミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６は、ロール径が細いことと、一方のワークロール（４ｂ等）のみを駆動するため鋼板Ｘに剪断力が作用することから、比較的低い圧延荷重でも圧下率の高い（たとえば圧下率５０％に近い）圧延を実施できる。そのため、鋼板Ｘの結晶粒を微細化するための高圧下圧延等を小さな圧延荷重で行うことができ、しかも、圧延荷重が小さいために、ロール偏平やエッジドロップによる不都合も発生しない。

後段に配置した３スタンドの異径ロールミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６の各出側には、カーテンウォール型の水冷手段１１・１２・１３を配置している。同水冷手段１１・１２・１３はそれぞれ、上下のヘッダーより鋼板Ｘの全幅表面に向けて大量の常温冷却水を層流状態で幕状（カーテンウォール状。厚さは１０〜２０ｍｍ）に流し当てることにより、鋼板Ｘを強く冷却するものである。冷却水の量は、鋼板Ｘの単位幅（１ｍ）あたり１００〜５００ｍ³／ｈの範囲内で調整可能で、冷却による鋼板Ｘの温度降下は最大２０℃／ｓｅｃ以上になる。ミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６のそれぞれ（の中心線）から各水冷手段１１・１２・１３までの距離は約２ｍである。

仕上圧延機１の下流側に配置したランアウトテーブル２０においても、鋼板Ｘを効果的に冷却できるよう水冷手段２０ａおよび２０ｂを配置している。水冷手段２０ａ・２０ｂは、仕上圧延機１の出口付近から巻取機３０付近に至るまでの長い区間に冷却水スプレーを備えていて、その区間で鋼板Ｘを連続的に冷却できる連続型の水冷手段である。スプレーより噴射される冷却水によって、鋼板Ｘを１０℃／ｓｅｃ以上の速度で冷却することができる。水冷手段２０ａと２０ｂとは、それぞれ冷却水量を調整して冷却強さを変更可能であるほか、下流寄りの水冷手段２０ｂは、冷却水を噴射しないで鋼板Ｘを空冷するために使用することも可能である。最終段のミルＦ６（の中心線）から水冷手段２０ａの上流端までの距離は約９ｍ、水冷手段２０ａ・２０ｂの長さはそれぞれ約４５ｍ・約１５ｍである。

カーテンウォール型水冷手段１１・１２・１３と連続型水冷手段２０ａ・２０ｂとを使用することにより、圧延中の加工発熱による温度上昇を抑制して適切な温度範囲に鋼板Ｘを保つとともに、圧延後も適切に温度降下させて、鋼板Ｘにおけるオーステナイト粒の成長を抑制することができる。そしてそのことが、ミルＦ４・Ｆ５・Ｆ６による高圧下の圧延と相まって、変態後のフェライト粒径が微細な熱延鋼板Ｘを製造可能にするのである。

仕上圧延機１を含む上記の装置を用い、種々の条件で熱延鋼板Ｘを製造した。以下、そうした例（試験No.１〜７）について示す。

スラブとして、Ｃ：0.17％、Ｓｉ：0.17％、Ｍｎ：1.46％、Ｐ：0.012％、Ｓ：0.004％の化学組成を有する厚さ２００ｍｍのものを使用し、粗圧延によって厚さ３４ｍｍのシートバー（粗バー）にしたうえ、仕上圧延機１による圧延を行って熱延鋼板Ｘとし、冷却して巻き取った。仕上圧延および冷却等の条件は表１のとおりである。各段の圧下率から、後段３スタンドのミルＦ４〜Ｆ６によって鋼板Ｘに与える累積歪みεは、
ε＝ ｌｎ（Ｔ_４,IN／Ｔ_６,OUT）＝ｌｎ（９．３／２．０）＝１．５４
であることが分かる。圧延速度については、最終段のミルＦ６以降における鋼板Ｘの速度が５〜８ｍ／ｓになる範囲で適宜に選択した。

各例では、最終段のミルＦ６を離れたのちの鋼板Ｘを種々のパターンで冷却することとした。図２には、そのような冷却パターンを説明すべく、ミルＦ６を離れたのちの鋼板Ｘの一般的な温度変化を示している。この図２において時間Δｔ₁は、ミルＦ６を離れた瞬間の時刻ｔ₀から冷却が開始される時刻ｔ₁までの時間を表し、時刻ｔ₁以降の線図は、初めに急冷したのち巻取温度まで徐冷もしくは保温をするパターンＡ（実線表示）の冷却を行う場合と、冷却速度が略均一な緩冷却を巻取温度まで行うパターンＢ（破線表示）の冷却を行う場合とがあることを示している。表１の「冷却パターン」の欄には、こうした時間Δｔ₁のほか、パターンＡ・Ｂのいずれを採用したか、また冷却開始直後（たとえば図２中の時刻ｔ₂）の冷却速度Δθ/Δｔがいくらかを示している。

冷却開始までの時間Δｔ₁は、ミルＦ６の出側にあるカーテンウォール型水冷手段１３を使用するか使用しないか、また圧延速度を速くするか遅くするかによって適宜に変更する。冷却速度Δθ/Δｔをいくらにするか、したがって冷却パターンＡ・Ｂのいずれを採用するかは、上記の水冷手段１３における冷却水量、ランアウトテーブル２０における連続型水冷手段２０ａ・２０ｂにおける冷却水量をどれくらいにするか、さらには水冷手段２０ａにどの程度水量を集中させるか、後方の水冷手段２０ｂにおいては冷却水を止めて空冷にするか、等により圧延方向に沿った冷却強さの分布を変更して定める。なお、表１における「仕上温度」は、図２中の時刻ｔ₁での（つまりミルＦ６を離れた時点での）鋼板Ｘの温度を示し、「巻取温度」は、巻取機３０に巻き取られる際の鋼板Ｘの温度を示している。

各例の圧延によって得た熱延鋼板Ｘについて、フェライト組織の平均公称粒径を線分法によって求めると表１右欄のとおりとなった。実施例１および２（試験No.４、６）、すなわち冷却開始までの時間Δｔ₁を０．３秒にし、パターンＡにしたがって冷却開始直後に２０℃／ｓｅｃまたは３５℃／ｓｅｃの冷却速度で急冷したのち巻取温度まで徐冷をした例（その他の条件は表１参照）において、フェライト粒径が２μｍに近い鋼板Ｘが得られた。図３は、実施例２（試験No.６）による鋼板Ｘについて示す光学顕微鏡組織写真である。

仕上圧延機１を含む熱延鋼板Ｘの製造装置について全体配置を概念的に示す側面図である。 図１の製造装置において最終段のミルＦ６を離れたのちの鋼板Ｘの一般的な温度変化を示す線図である。 図１の製造装置によって得られた熱延鋼板Ｘに関する光学顕微鏡組織写真である。

符号の説明

１ 仕上圧延機
１１・１２・１３ カーテンウォール型水冷手段
２０ ランアウトテーブル
３０ 巻取機
Ｘ 熱延鋼板

Claims (6)

1. 複数スタンドがタンデムに配置された圧延機を用い、加熱した鋼板を、いずれかのスタンドの近傍および最終スタンドの下流側で冷却しながら圧延する熱延鋼板の製造方法であって、
   最終スタンドを含む後段３スタンドにおける累積歪みが１．５以上になるように圧下を行うとともに、
   上記冷却のための手段により、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち０．５秒以内に冷却を開始し、当該冷却の開始後に毎秒２０℃以上の速度で鋼板を冷却すること
   を特徴とする熱延鋼板の製造方法。
2. 上記冷却のための手段により、最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち９秒以内に当該鋼板を巻取温度にまで冷却することを特徴とする請求項１に記載した熱延鋼板の製造方法。
3. 最終スタンドのワークロールを離れた時点の鋼板の温度を７５０℃以上・８００℃以下にすることを特徴とする請求項１または２に記載した熱延鋼板の製造方法。
4. 最終スタンドのワークロールを鋼板が離れたのち冷却開始までの上記の時間、および当該冷却開始直後の鋼板の冷却速度を変更可能とする請求項１〜３のいずれかに記載した熱延鋼板の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載した熱延鋼板の製造方法を実現する装置であって、
   最終段を含む後段３スタンドに異径ロールミルまたは極小径ロールミルが配置されているとともに、
   上記冷却のための手段として、当該後段３スタンドの各下流側にカーテンウォール型水冷手段が配置され、最も下流にあるカーテンウォール型水冷手段のさらに下流側に、巻取機に至るまでの鋼板を冷却する連続型水冷手段が配置されている
   ことを特徴とする熱延鋼板の製造装置。
6. カーテンウォール型水冷手段のそれぞれについて使用・不使用が選択可能であるとともに、連続型水冷手段については、上流寄りの部分で冷却強さが変更可能であり下流寄りの部分で水冷・空冷間の変更が可能であることを特徴とする請求項５に記載した熱延鋼板の製造装置。