JP2009000711A

JP2009000711A - 棒鋼制御冷却方法

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Publication number: JP2009000711A
Application number: JP2007163358A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yamada; 勝彦山田
Original assignee: ARUKEMII KK
Current assignee: ARUKEMII KK
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】熱間圧延直後の棒鋼を全長均一に制御冷却して各種の高強度鋼棒を製造する方法を提供する。
【解決手段】棒鋼を並列させ、自転させつつ且つ斜行に並進させつつ冷却帯を通過させる。冷却帯は常温流動床で構成し、通過軌跡の下方には遮蔽板を設けて適宜開閉して棒鋼と流動床を間欠接触させ、同様に上方には保温板を設けて適宜開閉することにより空冷と保温を選択して合わせて所望の冷却パタンを得る。棒鋼に直接パテンティング、直接焼入、直接焼入焼戻し、細粒化処理等の熱処理が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の高強度の棒鋼を熱間圧延により製造するに適した制御冷却方法に関するものである。

棒鋼圧延においては通常、圧延直後の棒鋼は個々に冷却台上に並列され、棒軸方向と直交して並進しつつ空冷される。その結果焼準と同様の金属組織を持ち、中庸の強度と安定した延靭性が得られている。特別の機械的性質例えば高強度、低強度、高加工性、高延性等を必要とする場合には２次加工処理例えば焼入れ焼戻し、焼鈍等が施される。

線材では圧延直後の制御冷却の技術が充実していて各種の熱処理が施され２次加工の多くが省略されているが、棒鋼では例が多くない。
その理由は、需要面からは素材に特別の熱処理を要しない製品が多い、要する場合でも多少の性能向上程度では熱処理省略は無理である、等によりあまり期待されていない。
技術面からは棒径が大きいので金属組織の改質に必要な冷却速度・冷却パタンが得にくい、合金量で改質しようとするとが経済性に問題が生ずる、必要な冷却能をもつ冷却方法があっても圧延工場の大きな生産能率（５０〜１５０ｔ／ｈ）に対処して並列並進する棒鋼に適切な冷却パタンで均一に冷却し得る設備を考案することは極めて困難であること等が挙げられる。

棒鋼の中で最大生産量を占める汎用鉄筋の降伏強度は約３００ＭＰａ、細径（１０〜１８ｍｍ）では合金添加と制御冷却の適用により６００ＭＰａとなる高強度品が製造されているが、近年太径（２０〜５０ｍｍ径）の高強度材が期待されている。これは本発明の目的の一つである。

棒鋼の高強度化を目指した制御冷却に関連する先行事例を検討する。
テンプコア法：非特許文献１
主に鉄筋用低炭素鋼を対象に仕上げ圧延直後の直進する棒鋼を強力な水冷装置により急冷して表層をＭｓ点（マルテンサイトが発生する温度）以下に冷却して焼入れし、以後空冷して内部の自己熱により焼入れ部を焼き戻す方法で降伏強度は約５００ＭＰａ、合金添加により６００ＭＰａが得られる。問題は、棒径が大きいほど強度、延靭性が低下する。金属組織が同心多層となり、鉄筋用には向いても一般構造用には向きにくい。又表層は焼戻しマルテンサイトであるから、腐蝕環境や、表面キズ等に関連して遅れ破壊が起こりやすく品質の安定性に欠く。更に中高炭素鋼ではＭｓ点が低く、焼き入れ歪みも大きく、硬化脆化が大きなって上手く行かない。

ミスト冷却法：特許文献１、特許文献２
圧延後の棒鋼を棒列に形成して冷却台上で並列並進させるに当たり、上方にミストスプレイ・ノズルを全面に配置し、且つ各棒を自転させつつ斜めに並進させることによりスプレイ冷却が棒軸方向、接線方向共に均等冷却となるよう工夫されている。問題は、スプレイ冷却は基本的には沸騰冷却であり、冷却強化のためスプレイ水量を増加すると作業温度で膜沸騰と核沸騰が混在して不均一冷却となること、上方だけからの噴射であるため実効表面積が約１／３となり、この２点から大きな冷却能が得られず、平均総括熱伝達率は高々１５０Ｗ／ｍ^２Ｋ程度である。そのため高炭素低合金鋼の微細パーライト組織を持つ高強度ＰＣ鋼棒には適するが鉄筋の高強度化や中炭素鋼の調質高強度鋼の製造には冷却能不足である。

ＴＭＣＰ法：非特許文献２
成分、圧延条件、冷却条件の３要因を総合的に組み合わせて所望の結晶粒度と金属組織を得る方法であり、特に微細粒効果によって高強度を目指す。
上記文献には、細粒化元素（Ｖ，Ｎｂ）の添加、８００℃以下の低温圧延によるオーステナイトの微細化、再結晶粒の成長抑止と変態組織制御のための適切な水冷の３プロセスにより３μｍ径以下の微細フェライトを主組織とし、厚板において５００〜８００ＭＰａの高強度化が可能と示されている。

本方法の問題は、棒鋼に応用する場合圧延機耐力の強化と圧延後の強制冷却が不可欠となる。後者に対して棒鋼を直進させつつ水冷により制御冷却する方法では走行距離が過大になってスペース上実施困難になる。厚板では断面積が大きいので走行速度は小さく、必要冷却時間約１００秒に対してスペース上の問題は大きくない。
他の実施方法として上記低温圧延後、既述のミスト冷却法を適用するなら６００〜７００ＭＰａの強度が期待されるがマルテンサイトの混入を前提とする高強度材は冷却能不足の故に困難である。

棒鋼の圧延・冷却とは直接関係が無いが、特許文献３には常温流動床が実質的に鉛浴焼入より大きな冷却能を持つこと、冷却能の調節方法として間欠接触が効果的であり、線材のパテンティングに対して効果的であり品質は従来方法より優れると開示されている。直進する線材に対して適切な応用方法が示されているが、棒鋼や、冷却帯を並進横断する棒鋼に対しては何ら示唆が無い。

日本鉄鋼協会、鉄鋼技術の流れ４：制御圧延・制御冷却、P.151 公開特許公報平１−２３４５２７公開特許公報昭６１−２６７３０新日本製鐵（株）監修、NIPPON STEEL MONTHRY 2007,6,p.7~8 特許３９１４９５３

解決しようとする問題点は、棒鋼の制御冷却において、圧延後並列並進する棒鋼に対して各種の熱処理効果を生むために必要な冷却強さとその調節性を持った冷却方法が見当たらないことである。本発明は実生産に適した該問題の解決策を提起することを課題とする。

本発明は、上記問題の解決のため、先行例の棒列を自転させつつ並列斜行並進させて冷却帯を通過させる方法に対して、強冷却能を持ち且つ間欠接触方式により自在に冷却調節可能とする常温流動床を適用することを最も主要な特徴とする。

第１発明は、熱間圧延直後の棒鋼の制御冷却方法であって、個々の棒を順次所定間隔を持って水平平行に並列させて棒列を形成し、個々の棒を棒軸回りに自転させつつ棒軸に対して斜めに並進させ、冷却帯を通過させて強制冷却する方法において、該冷却帯を常温流動床槽によって構成し、該流動床内において個々の棒を同一条件且つ全長同一条件で間欠冷却することにより冷却のタイミングと冷却強さを調節することを特徴とする棒鋼制御冷却方法である。

第２発明は、棒列を流動床内で間欠冷却する方法が、流動床内において個々の棒に対して噴流砂を遮蔽する多数の長方形の遮蔽板を棒列の下方に且つ平行に並列して設け、該遮蔽板を棒軸方向軸の回りに水平から垂直位置まで回転可能にし、該遮蔽板を個々に開閉を設定して該棒と該噴流砂との接触を間欠させることを特徴とする第１発明に記載の棒鋼制御冷却方法である。

第３発明は、棒列に平行して且つ上方に多数の長方形の保温板を密接して天井を設け、該保温板を、棒軸方向軸の回りに水平から垂直位置まで回転可能にし、該保温板の開閉により空冷と保温を切り替えることを特徴とする第１又は第２発明に記載の棒鋼制御冷却方法である。

第４発明は、個々の棒を棒軸回りに自転させつつ棒軸に対して斜めに並進させる方法が、流動床槽内を貫通して水平且つ棒軸方向と斜めに走行するベルト上に棒を載せると共に、該流動床槽の上方に該槽を横断して棒軸方向に直交して設けられたループ・コンベアの外周に所定ピッチの仕切り爪を取り付け、該仕切り爪により該ベルト上の棒鋼を個々に挟んで、該ループ・コンベアを圧延サイクルと同期した速度で走行させ、ベルト走行速度を該同期速度と異ならせることにより該棒に自転力とスラスト力を与えることを特徴とする第１又は第２又は第３発明に記載の棒鋼制御冷却方法である。

第５発明は、高炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼に第１又は第２又は第３又は第４発明の方法によってパテンティング処理を行い、パーライト組織を微細化して抗張力を１２００ＭＰａ以上としたことを特徴とする高強度ＰＣ鋼棒である。

第６発明は、中炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼に第１又は第２又は第３又は第４発明の方法によって焼き入れ処理とその直後の空冷又は保温を行い、主たる金属組織をマルテンサイトと焼戻しマルテンサイトとして降伏強度を６００ＭＰａ以上としたことを特徴とする高強度棒鋼である。

第７発明は、低中炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼を８５０℃以下で仕上げ圧延し、第１又は第２又は第３又は第４発明の方法によって急冷し、金属組織が４μｍ径以下の微細フェライトが５０％以上として降伏強度が６００ＭＰａ以上としたことを特徴とする鉄筋用高強度異形棒鋼である。

本発明の棒鋼の制御冷却方法は、常温流動床を使用するため冷却能が極めて大きく且つ間欠冷却により冷却パタンを調節することができるので、鋼種と製品と棒径に応じて適切な熱処理を附加することができるという利点がある。
又冷却能が大きいので棒径の大きい場合でも焼入性合金量が少なくてよい。
高炭素低合金鋼のＰＣ鋼棒の高強度化に利用することができる。
中低炭素鋼の調質（焼入焼戻し）された高強度棒鋼の製造に適用することができる。
低炭素鋼の細粒化による高強度溶接性の鉄筋用異形棒鋼の製造を可能にする。

圧延直後の棒鋼に適切な制御冷却を施し、熱処理効果を得て製品の機械的性質を向上させるという目的を、比較的困難でない方法、比較的高額でなく、しかもこぢんまりした設備で実現した。
図１（平面図）、図２（縦断面）は本発明の方法を実施する設備の例を説明する概略図である。仕上げ圧延を通過し、所定長さに切断され、ローラーガンク２上を走行し、冷却床である流動床槽３の横に到着した棒鋼１は順次直交方向にけり出され、傾斜レール１２上を滑落して該槽３内の平行数条の斜行ベルト７上に載せられる。

該ベルト７は槽３内を横断方向に貫通し、水平且つ棒軸方向と斜めに張られて駆動する。他方、該槽３の上には横断方向に跨いで棒軸方向と直角に走行するループ・コンベアを設け、該コンベアの外周に所定ピッチの仕切りし爪１１を取り付け、該仕切り爪１１により該ベルト７上の棒を個々に挟んで、圧延サイクルと同期した速度で走行する。ベルト７上に棒列６が形成される。圧延サイクルが大きい場合には爪ピッチを飛ばしてもよい。

斜行ベルト７の駆動と仕切り爪１１による拘束をともなう移送により棒列６にはそれぞれ自転力とスライス力が作用し、自転しながら斜めに水平走行する。このときコンベアとベルトの速度が一致すると自転も斜行も生じない。斜行角は一定ではなく両速度比に依存する。この自転斜行は棒鋼の強制冷却において、１）棒と構造物との接触に起因する局所冷却を弱め、且つ冷媒との接触状態を平準化し、合わせて棒軸方向、接線方向の冷却の均一性を確保するために必要な機構である。

流動床槽３の底面には棒軸と平行に多条の空気噴射ノズル列４を設け、槽内には約０．１〜１．０ｍｍ径のジルコン砂を約２００〜３００ｍｍ厚堆積させる。圧縮空気の噴射により該砂は浮遊し、約１００ｍｍ厚膨れあがった流動床を形成する。斜行ベルトの走行レベルは静止砂の高さ以上で流動床高さ以下である。棒列６は流動床内を通過しつつ冷却される。

強制冷却を施すタイミングと冷却強さの調節方法を図３に従って説明する。
まず冷却能を決定する流動床温度の制御方法として、通常は加熱装置、冷却装置、制御装置が付設されるが本発明では冷却装置のみ付設され他は不要で常温に維持する。（本発明において常温とは作業上の常温を意味し、１００℃以下と定義する。）その第１の理由は、被処理材との温度差が大きく冷却能（＝熱伝達率×温度差）が最大となること、第２は温度制御が容易で設備が簡素になること、第３に冷却能を大きく調節し得る機構が考案できたからである。

流動床を常温に維持する具体的方法は、槽３を水冷壁で構成し、且つ底面より水冷フィン１３を升目状に配置し、流動砂と壁面との接触面積を増加させて積極的に砂を冷却する。
棒と流動床間の熱伝達率の値は流動床と水冷壁間とのそれに近い。従って１区画における水冷壁の表面積を該区画内の棒の表面積の１０倍以上にすると、流動床の温度は棒温度（９００〜５００℃）から水冷壁温度（約３０℃）側へ１：１０以上偏り、１００℃以下に容易に維持される。

流動床の熱伝達率はほぼ一定で自在に調節することはできない。従って冷却強さの調節は棒と流動床との間欠接触によって行う。流動床内においてノズル列４と棒列６との間に多数の長方形遮蔽板８を棒と平行に設ける。幅は仕切り爪のピッチ程度がよい。該遮蔽板８は棒軸と平行な回転軸１４を持ち、垂直位置（図３Ｃ）では噴出する流動砂は棒を覆い、水平位置（図３Ｂ）では遮断して空冷となる。該遮蔽板８を個別に調節して所望の冷却パタンを得る。

空冷以下の速度で冷却したい場合には、棒列の上方を保温し且つ下方は遮蔽するか噴出停止する。槽３の上方に棒軸と平行に多数の長方形保温板９を密接して架橋する。個々の保温板９は棒軸と平行な回転軸１５を持ち、水平位置（図３Ａ）では上方が閉じられ下方の静止砂で挟まれて容易に保温される。垂直位置では空冷となる。該保温板９を個別に開閉して所望の冷却パタンを得る。

制御冷却の終わった棒はループ・コンベア５により斜行ベルト７上から上方傾斜レール（図示せず）に押し上げられて搬出用ローラーガンク１０により搬出される。

流動床による冷却の進行について解析する。熱伝達率αの値は先行実験で７００〜１４００ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃と解明されている。多くの文献で８００〜１５００程度と示されている。α＝１０００として２２，３２，５１ｍｍ径の棒鋼の冷却速度を解析した。
棒径が大きいこと、α値が大きいことから断面内温度分布に不均一が生ずるのでベッセル関数を使用した解析解により算出した。図４に結果を示す。棒径による冷却速度と内外温度差が判明し、所望の冷却パタンに対してどのタイミングでどの程度遮蔽すべきかの指針を読みとることができる。

特許文献２に開示された高強度ＰＣ鋼棒の製造方法を本発明の常温流動床の間欠冷却によって実験室的試作試験を行った。供試材の鋼種は、０．７％Ｃ−０．８％Ｓｉ−１．２％Ｍｎ−０．７％Ｃｒ−０．０３％Ｍｏであり、３２ｍｍ径×８００ｍｍ長の圧延棒鋼を９５０℃に加熱、幅１００ｍｍ×長さ１ｍの常温流動床に間欠浸漬して冷却した。３秒浸漬７秒空冷により６００℃まで冷却し、放置空冷し、変態発熱昇温の開始を確認し、５秒浸漬５秒空冷を３回継続して昇温温度を６２０℃以下としその後空冷した。比較的作業が上手くできたサンプル５本の抗張力は１２７０〜１３７０ＭＰａ、絞りは３３〜３７％で開示されたより多少よい性能が得られた。本発明によりパテンティングは容易であることが確認された。文献２にも示されたように成分と冷却強さと得られる強度の関係は当業者には自明のことである。

上記と同様の実験方法で高強度鉄筋を試作した。目標強度は降伏応力で８００ＭＰａ以上、抗張力で９５０ＭＰａ以上、目標伸びは８％以上である。本製品は現在１３ｍｍ径までの細径では線材圧延・制御冷却法で製造・市販されている。当該製品を２２〜５１ｍｍ径まで拡張することが目的である。

供試材の鋼種は、０．１７％Ｃ−０．８％Ｓｉ−１．５％Ｍｎ−０．９％Ｃｒ−０．０３％Ｍｏであり、３２ｍｍ径×８００ｍｍ長の圧延棒鋼を９５０℃に加熱、幅１００ｍｍ×長さ１ｍの常温流動床に２０〜５０秒浸漬して以後放冷した。浸漬時間２５秒までは強度不足、３０秒で降伏強度は８６０ＭＰａ、抗張力９７０ＭＰａで目標値を得た。浸漬時間４０秒以上では強度は一層向上したが伸びが５％以下で延靭性が不足した。金属組織は、浸漬時間が少ないとフェライトとパーライトの混合、適正時間では焼戻しマルテンサイトが主で、フェライト、ベイナイト、パーライトの混合、浸漬過剰では、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイトが主で、フェライト以下他の組織を少量含む。本発明の方法により圧延工程で焼入焼戻し主体の混合組織を持つ高強度鉄筋用異形棒鋼が製造可能と証明された。なお成分と焼入焼戻し条件と強度との関係は当業者にとっては自明である。

結晶粒の超細粒化による高強度化に関し、制御冷却の速度は再結晶粒の成長を抑止し得る程度でよいから５℃／秒以上あればよく、本発明の方法により容易に実施できる。尚成分と圧延温度とオーステナイト粒度・フェライト粒度・フェライト面積率と強度との関係は非特許文献２のほか周知であり、フェライト粒径が４μｍ以下になると強化が鮮明になる。又フェライト面積率は伸びに強く関係し、該率が５０％以上有れば１０％以上の伸びが得られる。

本発明の方法による設備の設計例を表１に示す。２２，３２，５１ｍｍ径の棒鋼を実生産規模で制御冷却する設備の全体構成が明らかになり、比較的簡素・コンパクトで実施困難でないことが読みとれる。

本発明の棒鋼制御冷却方法は常温流動床の間欠冷却を使用することによって、強冷却から緩冷却まで自在に調節可能のため、パテンティングのみならず、焼入又は焼入焼戻しが不可欠な製品や熱間低温圧延後の強冷却による微細粒の高強度フェライト鋼にも適用できる。
流動床を停止し保温板を閉じると保温効果が向上し、軟質材の製造も可能になる。
既存の棒鋼冷却台を部分改造して実施することもできる。

本発明の棒鋼制御冷却方法の実施方法を示した説明図（平面図）である。図１の要部を示した説明図（縦断面図）である。冷却能の調節方法を説明する図である。棒鋼の冷却の解析図である。

符号の説明

１：棒鋼２：ローラーガンク３：流動床槽４：ノズル列５：ループ・コンベア６：棒列７：斜行ベルト８：遮蔽板９：保温板１０：搬出ローラーガンク１１：仕切り爪１２：傾斜レール１３：水冷フィン１
４、１５：回転軸

Claims

熱間圧延直後の棒鋼の制御冷却方法であって、個々の棒を順次所定間隔を持って水平平行に並列させて棒列を形成し、個々の棒を棒軸回りに自転させつつ棒軸に対して斜めに並進させ、冷却帯を通過させて強制冷却する方法において、該冷却帯を常温流動床槽によって構成し、該流動床内において個々の棒を同一条件且つ全長同一条件で間欠冷却することにより冷却のタイミングと冷却強さを調節することを特徴とする棒鋼制御冷却方法。
棒列を流動床内で間欠冷却する方法が、流動床内において個々の棒に対して噴流砂を遮蔽する多数の長方形の遮蔽板を棒列の下方に且つ平行に並列して設け、該遮蔽板を棒軸方向軸の回りに水平から垂直位置まで回転可能にし、該遮蔽板を個々に開閉を設定して該棒と該噴流砂との接触を間欠させることを特徴とする請求項１に記載の棒鋼制御冷却方法。
棒列に平行して且つ上方に多数の長方形の保温板を密接して天井を設け、該保温板を、棒軸方向軸の回りに水平から垂直位置まで回転可能にし、該保温板の開閉により空冷と保温を切り替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の棒鋼制御冷却方法。
個々の棒を棒軸回りに自転させつつ棒軸に対して斜めに並進させる方法が、流動床槽内を貫通して水平且つ棒軸方向と斜めに走行するベルト上に棒を載せると共に、該流動床槽の上方に該槽を横断して棒軸方向に直交して設けられたループ・コンベアの外周に所定ピッチの仕切り爪を取り付け、該仕切り爪により該ベルト上の棒鋼を個々に挟んで、該ループ・コンベアを圧延サイクルと同期した速度で走行させ、ベルト走行速度を該同期速度と異ならせることにより該棒に自転力とスラスト力を与えることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の棒鋼制御冷却方法。
高炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼に請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４の方法によってパテンティング処理を行い、パーライト組織を微細化して抗張力を１２００ＭＰａ以上としたことを特徴とする高強度ＰＣ鋼棒。
中炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼に請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４の方法によって焼き入れ処理とその直後の空冷又は保温を行い、主たる金属組織をマルテンサイトと焼戻しマルテンサイトとして降伏強度を６００ＭＰａ以上としたことを特徴とする高強度棒鋼。
低中炭素低合金鋼の２２〜５１ｍｍ径の棒鋼を８５０℃以下で仕上げ圧延し、請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４の方法によって急冷し、金属組織が４μｍ径以下の微細フェライトが５０％以上として降伏強度が６００ＭＰａ以上としたことを特徴とする鉄筋用高強度異形棒鋼。