JP2509485B2 - 鋼板材質予測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製品に対する物理的評
価を行うことなく、厚鋼板などの組織材質を製造段階で
予測できるようにした鋼板材質予測方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、厚鋼板などのユーザにおいて
は、製品の納入と共に、その材質検査結果を添付するこ
とを要求されている場合がある。この要求に対し、従
来、メーカー側は製品の一部を切り出し、これに対し物
理的な特性測定（引張り強度，靭性など）を行ってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
な人為的な特性測定は、多大な時間を要し、製品の出
荷，納品などに影響を与えている。

【０００４】また、現状では、完成品になった後でしか
その材質を知ることができないが、将来的には、製造前
に材質を予測し、要求される材質を精度よく確実に得ら
れる製造条件を設定するような技術の開発が望まれてい
る。

【０００５】そこで、本発明の目的は、与えられた条件
に従って、材質予測を自動的に行えるようにした鋼板材
質予測方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、鋼片の厚みと鋼成分、鋳造条件、炉挿入
温度、炉内保持時間等の熱片挿入条件、圧延条件（入側
及び出側の鋼板厚み、パス間時間など）に基づいて圧延
後のγ組織を算出し、この算出結果及び冷却条件（水冷
・空冷領域、冷却帯通板速度など）に基づいて変態後の
金属組織の単位（フェライト粒径、マルテンサイトのラ
スサイズなど）及び組織分率を算出し、この算出結果及
び焼き戻し条件（焼き戻し温度、焼き戻し炉内保持時
間、昇温速度など）に基づいて焼き戻し組織の析出物の
析出状態、残留γの分解状態を算出し、これらによって
鋼板の材質を推定するようにしている。

【０００７】

【作用】上記した手段によれば、材質（引張強度，靭性
など）の判定の鍵となるフェライト粒径、組織分率など
を、この各々の算出のために必要となる入力条件から各
工程に対応した前計算を順次実行しながら求めることが
できる。これにより、製造段階で材質予測を行うことが
でき、また、要求される材質仕様を確実に実現可能な製
造条件が設定可能であり、従来のように完成品に対する
検査測定が不要になる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明による鋼板材質予測方法を示す
演算フローチャートである。また、図２は本発明が適用
される鋼板製造ラインの例を示す設備構成図である。な
お、以下においては、厚鋼板の製造を例に説明する。

【０００９】図２に示すように、鋼板の製造設備として
は、まず成分を調整する製鋼工程１０２、溶鋼を鋳造す
る連続鋳造設備１０３がある。さらに、連続鋳造された
鋼片の温度を低下させずに、圧延前の加熱炉まで搬送す
る熱片搬送１０５がある。

【００１０】圧延設備は圧延の前にスラブ（例えば、長
さ２〜４ｍ，幅１〜２．５ｍ，厚み２５０ｍｍ前後）を
加熱する加熱炉２，大まかな圧延を行う粗圧延機３，粗
圧延された鋼板を要求板厚に圧延する仕上圧延機４，こ
の仕上圧延機４によって圧延された鋼板に生じた反りを
調整するホットレベラ（ＨＬ）５，このホットレベラ５
を出た厚鋼板１を冷却する冷却装置６，冷却された厚鋼
板を熱処理する熱処理装置（焼き戻し炉など）２００２
の各々を備えて構成されている。

【００１１】なお、加熱炉２，粗圧延機３，仕上圧延機
４，ホットレベラ５，冷却機６及び熱処理装置２００２
の各々には、その駆動を制御し、また稼働中の情報を得
るためにプロセスコンピュータ（以下、プロコンとい
う）が接続されている。また、製鋼工程及び連続鋳造、
造塊工程の駆動を制御し、また稼働中の情報を得るため
にもプロセスコンピュータが接続されている（製鋼プロ
コン１０１，加熱プロコン７，圧延プロコン８，冷却プ
ロコン９及び熱処理プロコン２００１）。これらプロコ
ンは、中央制御室１０に設置された上位コンピュータ
（不図示）に接続され、この上位コンピュータは生産計
画に従って製鋼プロコン１０１，加熱プロコン７，圧延
プロコン８，冷却プロコン９及び熱処理プロコン２００
１を管理する。また、製品となった厚鋼板１に対し、機
械試験を行う場合の機械試験システム１１が設けられ、
その試験結果は中央制御室１０に送られる。

【００１２】次に、図１に示す鋼板の材質予測方法につ
いて説明する。図１の処理を実行するには、これを実現
するソフトウェアを作成し、これをコンピュータにロー
ドすればよい。

【００１３】本発明による鋼板の材質予測方法は、大別
して鋳造組織モデル，熱片搬送モデル，圧延モデル，熱
処理モデル，及び組織・材質モデルから成る。

【００１４】 鋳造モデル１０７は、成分条件と鋳造条
件をもとに、連続鋳造後の析出物の状態、偏析の状態及
び金属組織の状態を計算するモデルであり、その詳細は
図３に示す通りである。

【００１５】熱片搬送モデル１０８は、鋳造後の鋼片が
圧延前の過熱炉に挿入されるまでの温度履歴を計算する
モデルであり、その詳細は図４に示すとおりである。圧
延モデル１１０は鋳造モデルおよび熱片搬送モデルで計
算された偏析濃度、析出物状態、金属組織をもとに、圧
延および引続き行われる冷却中の加熱、温度保持、圧
延、変態を通じての元素の析出、元素の拡散、金属組織
の状態を計算するモデルであり、その詳細は図５に示す
とおりである。熱処理モデル１００１は、鋳造モデル、
熱片搬送モデル及び圧延モデルで計算された偏析濃度、
析出物状態、金属組織をもとに、熱処理中の加熱、保
持、変態を通じての元素の析出、元素の拡散、金属組織
の状態を計算するモデルであり、その詳細は図６に示す
通りである。

【００１６】組織・材質モデル１１１は、固溶強化、析
出硬化、金属組織単位の大きさの影響を分離して定式化
することで材質を算出するために設けられたモデルであ
り、その詳細は図７に示す通りである。

【００１７】次に、各モデルの演算の詳細について図３
〜図１１を参照して説明する。

【００１８】図３は鋳造モデル１０７の処理の詳細を示
すフローチャートである。成分１１５をインプットし、
次に連続鋳造の場合は鋳片厚及び引抜き速度、冷却水量
密度及び引抜き後の経過時間をもとに鋳造温度モデル１
１４で計算された温度履歴１１６をインプットし、計算
に必要な初期状態を設定する（ステップ１１８）。

【００１９】また鋳造後温度低下中に熱片搬送用の保熱
炉または保熱台車に挿入する場合は図４に示す熱片搬送
モデル１０８で計算された温度履歴１１６をインプット
し、計算に必要な初期状態を設定する（ステップ１１
８）。ついで状態図の計算を行う（ステップ１１９）。

【００２０】また成分条件１１５は、ＷＴ％で示され、
炭素（Ｃ），シリコン（Ｓｉ），マンガン（Ｍｎ），燐
（Ｐ），硫黄（Ｓ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），
クロム（Ｃｒ），モリブデン（Ｍｏ），ニオブ（Ｎ
ｂ），バナジウム（Ｖ），チタン（Ｔｉ），タンタル
（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ），窒素（Ｎ），希土類
元素（Ｒｅｍ），カルシウム（Ｃａ），ボロン（Ｂ），
タングステン（Ｗ），及び酸素（Ｏ）などである。

【００２１】次に、析出物の固溶量及び析出物粒径の計
算を行う（ステップ１２１）。次に状態図よりγ／α変
態が開始したか否かを判定し（ステップ１３３）、否で
あればγ１相になるまで温度が低下したか否かを判定す
る（ステップ１２２）。否であれば、液相、δ相、γ相
の分率を計算し（ステップ１２３）、γ相については等
軸晶、柱状晶それぞれの分率を計算する（ステップ１２
４）。また合わせて合金元素の相間の分配を計算して
（ステップ１２６）偏析濃度の計算を行う（ステップ１
２７）。この計算をγ１相となる温度まで繰り返す。ス
テップ１２２でγ１相となる温度以下であると判定され
た場合は、γ粒径の粒成長（ステップ１２５）及び合金
元素の拡散による偏析濃度の変化（ステップ１２９）を
計算する。この計算をγ／α変態開始となる温度まで繰
り返す。次にステップ１３３でγ／α変態開始温度まで
温度が低下したと判定された場合は、変態モデル３８に
よりフェライト粒径、各相の組織分率、析出物の状態、
偏析濃度を計算する（ステップ１３０）。この変態モデ
ルの詳細は図８に示す通りである。

【００２２】これらの計算の過程で、鋳片が保熱炉また
は保熱台車に挿入された場合は、その時点の金属組織の
状態、析出物の状態、偏析濃度を初期値として圧延モデ
ルにインプットする。

【００２３】図４は熱片搬送モデルの詳細である。鋳片
が保熱炉または保熱台車に挿入された時点でのスラブ厚
と鋳片温度１０８．１と、加熱炉または保熱台車の雰囲
気温度及び保持時間１０８．２を熱片搬送温度モデル１
０８．３へインプットし、圧延前の加熱炉挿入までの温
度履歴を計算する。

【００２４】図８は変態モデル３８の処理を詳細に示す
フローチャートである。

【００２５】鋼の変態挙動は変態前のγ状態（γ粒径あ
るいは単位体積当たりの粒界面積，残留転移密度，析出
物の固溶・析出状態），冷却速度の影響を受ける。本モ
デルはこれらを３３，３７，４０から入力し、また、ス
ラブ位置による成分変動の影響は偏析の状態１２８より
入力し、変態の進行及び粒界フェライト，粒内フェライ
ト，パーライト，ベイナイト，マルテンサイトの各組織
分率、さらにフェライトのうち形状が粒状のものについ
ては、その粒径及び分率を計算するものである。この計
算方法は以下の通りである。まず、当該成分における状
態図を計算し（ステップ３８１）各組織が熱力学的に生
成可能な条件（温度領域）を求める。次に、生成可能と
判断された組織について任意の微小時間内の変態量の増
分（ステップ３８３）及びフェライトについてはこの間
の生成粒数の増分（ステップ３８２）を求める。

【００２６】また、フェライトが生成する場合には形状
が針状か粒状かの判断を行い、粒状である場合にはステ
ップ３８２で求めた生成粒数を粒状フェライトの粒数の
増分，ステップ３８３で求めた変態量の増分を粒状フェ
ライト量の増分とし、針状である場合には変態量の増分
のみを求める（ステップ３８４）。次に、変態に伴う発
熱等を冷却温度モデルにフィードバックするためにステ
ップ３８３で得られた変態量に応じた温度変化を計算す
る（ステップ３８５）。以上の計算を各板厚位置につい
て冷却終了まで繰り返し、変態量及び粒状フェライト粒
状の増分を加算することにより、最終的な組織の各組織
分率，粒状フェライトの分率及びその粒数を求めること
ができる。さらに、板厚方向のｍ点について計算が終了
した後（ステップ３８６）に粒状フェライトの粒径を粒
数と分率から求める（ステップ３８７）。また、ステッ
プ３８３，３８５の結果を基にフェライト，パーライ
ト，ベイナイトの各々が生成した平均温度（平均生成温
度）を計算する（ステップ３８８）。 以上の計算でフ
ェライトを粒状，針状に分離しておく理由は、粒状や針
状の形状が材質に関与することに着目したものであっ
て、材質の予測を高精度に行うことを可能とするためで
ある。また、平均生成温度は生成した温度によって材質
が異なることから必要になるもので、前述の組織，材質
モデル１１１の硬度算出で用いられるものである。

【００２７】図５は圧延モデルの詳細を示すフローチャ
ートである。計算は主として、加熱、保定間の計算、圧
延工程の計算及び圧延終了後の変態の計算からなる。

【００２８】鋳造モデルより計算された偏析濃度２０．
２、析出物の状態２０．３、金属組織２０．１をインプ
ットする。さらに、スラブ厚・炉雰囲気温度・時間から
加熱モデル２２により算出された温度履歴をインプット
する。これをもとに初期状態モデル２０により加熱γ粒
径、析出物の状態を算出し、さらに拡散モデル１２８に
より偏析濃度を計算する。これらの計算結果２６は熱間
加工モデル２７にインプットされる。

【００２９】熱間モデルの計算結果３３及び析出物状態
３７、さらに圧延終了後の冷却温度モデルにより算出さ
れた温度履歴４０は変態モデル３８にインプットされ、
フェライト粒径、各相の組織分率、析出物の状態、偏析
濃度、平均生成温度を計算する。この変態モデルは図８
に示したものと同一である。

【００３０】図９は初期状態モデルの詳細を示すフロー
チャートである。偏析濃度２５．２、析出物の状態２
５．１、金属組織２５．３をインプットする。

【００３１】次にスラブ温度・時間情報２３または加熱
条件２１よりスラブ加熱履歴をインプットし、計算に必
要な定数及び初期値を設定する（ステップ２０１）。次
いで、状態図の計算を行う（ステップ２０２）。

【００３２】次に、加熱時間が設定値をオーバーしたか
否か判定（ステップ２０３）し、否であれば析出物の固
溶量及び析出物粒径の計算を行う（ステップ２０４）。

【００３３】この後、設定時間内であればγ粒成長を計
算する。ただし、周知のように鋼材は、温度が高くなる
に伴って結晶構造の変化によってα粒状態あるいはθ
（セメンタイト）からγ粒状態へ変態する。

【００３４】そこで、このγ粒の成長状態を、ステップ
２０２で計算された各状態ごとに異なった手法により計
算する。すなわち、温度に応じてγ単相域のほかγ＋α
域、γ＋α＋θ域の各々についてもγ粒成長の計算を行
うのである（ステップ２０５）。

【００３５】熱間加工モデル２７は、再結晶の潜伏期を
定式化することにより、回復と再結晶を明確にし、圧延
中と圧延後の粒径（単位体積当りの粒界面積）や残留転
移密度などのオーステナイト状態を安定的に計算するた
めに設けられている。

【００３６】この熱間加工モデル２７は、γ粒径析出物
状態、偏析濃度２６，圧延温度モデル２８に基づく温度
・パス間時間情報２９，及び歪モデル３０に基づく相当
歪・歪速度情報３１とにより、演算結果３３（圧延γ粒
径，転移密度，歪み）を演算する。なお、圧延温度モデ
ル２８及び歪モデル３０は、圧延条件３２（入側板厚，
出側板厚，加熱温度，パス間時間，ロール径，ロール回
転数）に基づいて算出される。

【００３７】析出モデル３５は、核生成と成長を分離
し、さらに個々の析出粒子の成長を考慮することで圧延
中及び圧延後のオーステナイト中における析出物状態を
算出するために設けられている。この析出モデル３５に
より析出物状態を求めるに際しては、圧延温度モデル２
８による温度情報３４，成分情報３６及び熱間加工モデ
ルの演算結果３３に基づいて析出元素（例えば、Ｔｉ，
Ｔａ，Ｖ，Ｎｂ）の固溶量，析出量，析出物平均粒径を
演算し、析出物状態３７として出力する。

【００３８】図１０は熱間加工モデル２７の処理の詳細
を示すフローチャートである。

【００３９】 この処理は、加熱γ粒径２６，析出物の
状態２６．１，偏析濃度２６．２，温度・パス間時間情
報２９及び相当歪・歪速度情報３１を入力条件として行
われる。鋼板を複数回パスさせて圧延を行った場合、各
パス間において、圧延→回復→再結晶を経る過程で、転
位密度が図１１のように変化する。このため、各パス毎
に再結晶，回復を計算する必要がある。各パス毎及び圧
延終了後のγ粒径，平均転位密度等の計算は以下のよう
に行う。

【００４０】まず、鋼板の内部の状態を知るために、表
面から中心部に向かって一定距離ごとにｍ個の位置を定
める（ステップ２７１）。そして、この各々について前
記入力条件に基づき圧延後のγの単位体積当りの粒界面
積を計算する（ステップ２７２）。

【００４１】 圧延の圧下量が大きいと、瞬時的に再結
晶すなわち動的再結晶を生じる。そこで、動的再結晶が
生じているか否かを判定し、生じている場合には転位密
度及び再結晶粒径を計算する（ステップ２７３）。動的
再結晶が完了しない場合には、この後再結晶が生じるま
での時間を計算し、さらに回復による転位密度の減少及
び静的再結晶を計算（再結晶率，再結晶粒径）する（ス
テップ２７４）。

【００４２】また、再結晶が終了している場合には粒成
長を計算し（ステップ２７５）、さらに結晶粒の平均粒
径及び平均転位密度を算出（ステップ２７６）する。こ
れを最終パスまで繰返すことにより最終パス情報（板厚
ｍ点のオ−ステナイト粒界面積及びその転位密度）を得
る（ステップ２７７）。図６は、熱処理モデル１００１
の処理の詳細を示すフローチャートである。

【００４３】ここでの熱処理は焼戻しを意味し、冷却ま
での変態組織・析出状態、偏析の状態、熱処理条件の影
響を受ける。まず本モデルは変態モデル３８の演算結果
４３、析出モデル３５の演算結果３７及び熱処理の温度
・時間情報１００３に基づき、過飽和に固溶した炭素の
析出及び残留オーステナイトの分解量を計算する（ステ
ップ６００１）。次いで析出炭化物のセメンタイト化及
び析出物の成長を計算し（ステップ６００２、６００
３）する。以上の計算が板厚方向のｍ点について計算が
終了した後（ステップ６００４）、最終的な組織情報及
びセメンタイト・析出物のサイズを計算する（ステップ
６００５）。

【００４４】図７は組織−材質モデル４４の処理の詳細
を示すフローチャートである。

【００４５】ここでは、鋼板１の材質を表現する降伏
点、引張強さ及び靭性を計算することを目的としてい
る。まず、成分情報３６及び熱処理モデルでの演算結果
１００６（組織及び炭化物・析出物情報）の各入力条件
に基づいて、フェライト，ベイナイト，パーライト，及
びマルテンサイトの各々の硬さを計算する（ステップ４
４１）。

【００４６】さらに、同じく熱処理モデル演算結果１０
０６に基づいて降伏点の計算（ステップ４４２）を行
い、次いでステップ４４１による硬度計算値を用いて引
張強さを計算（ステップ４４３）する。また、熱処理モ
デル演算結果である粒径情報，成分情報及び炭化物・析
出物情報などに基づいて靭性を計算する（ステップ４４
４）。以上の処理をｍ個の点について実行し（ステップ
４４５）、すべてについて行われた場合には、処理が終
了し、材質予測を行うことができる。この結果は、フロ
ッピーディスクなどの記録媒体に保存されると共に、プ
リンタによって打出される。 ＜試験例＞図１２は本発明に供した鋼の化学成分、図１
３は製造条件、図１４は粒径・分率などの組織因子及び
材質の実測値と上記予測方法による計算値を示すもので
ある。

【００４７】図１４より明らかなように、実測値と計算
値とは近似し、極めて高い精度で予測できたことがわか
る。

【００４８】このように、高信頼な予測が可能になるこ
とから、将来的には、客先が要求する材質に応じ製品の
製造条件を容易に算出することも可能になる。

【００４９】なお、以上の説明においては、厚鋼板のス
ラブ再加熱プロセスを例にしたが、熱延鋼材全般及びそ
のスラブ直送プロセスに本発明は適用することが可能で
ある。

【００５０】

【発明の効果】本発明は上記のとおり構成されているの
で、次に記載する効果を奏する。

【００５１】請求項１の鋼板の材質予測方法において
は、連続鋳造によって作られた鋼片を鋳造後の温度が低
下する過程において加熱炉または保熱台車等に挿入して
熱片搬送後、圧延前の加熱炉に挿入し、引き続き圧延、
冷却及び焼き戻しを施して製造される鋼板に対して、前
記鋼片の厚み炉成分情報及び圧延条件に基づいて圧延後
のγ組織を算出し、この算出結果及び冷却条件に基づい
て、変態後の金属組織、偏析の状態、析出物の状態等を
算出し、この算出結果及び焼き戻し条件に基づいて、焼
き戻し後の金属組織、偏析の状態、析出物の状態等を算
出し、これらによって前記鋼板の材質を推定するように
したので、製造段階で材質予測を行うことができ、ま
た、要求される材質仕様を確実に実現可能な製造条件が
設定可能であり、従来のように完成品に対する検査測定
が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による鋼板材質予測方法を示す演算フロ
ーチャートである。

【図２】本発明が適用される鋼板製造ラインの概要を示
す設備構成図である。

【図３】鋳造モデルの詳細を示すフローチャートであ
る。

【図４】熱片搬送モデルの詳細を示すフローチャートで
ある。

【図５】圧延モデル詳細を示すフローチャートである。

【図６】熱処理モデルの詳細を示すフローチャートであ
る。

【図７】組織−材質モデルの処理の詳細を示すフローチ
ャートである。

【図８】変態モデルの処理の詳細を示すフローチャート
である。

【図９】初期状態モデルの処理の詳細を示すフローチャ
ートである。

【図１０】熱間加工モデルの処理の詳細を示すフローチ
ャートである。

【図１１】 圧延時の転位密度変化を示す特性図であ
る。

【図１２】本発明に供した鋼の化学成分を示した図であ
る。

【図１３】本発明に供した鋼の製造条件を示した図であ
る。

【図１４】本発明に供した鋼の粒径・分率などの組織因
子及び材質の実測値と上記予測方法による計算値を示す
ものである。

【符号の説明】

１ 厚鋼板 ２ 加熱炉 ３ 粗圧延機 ４ 仕上圧延機 ６ 冷却装置 ７ 加熱プロセスコンピュータ ８ 圧延プロセスコンピュータ ９ 冷却プロセスコンピュータ １０ 中央制御室 ２０ 初期状態モデル ２１ 加熱条件 ２７ 熱間加工モデル ３２ 圧延条件 ３８ 変態モデル ４２ 冷却条件 １０１ 製鋼分塊プロセスコンピュータ １０７ 鋳造モデル １０８ 熱片搬送モデル １１１ 組織−材質モデル １００１ 熱処理モデル ２００１ 熱処理プロセスコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下村 慎一 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株 式会社 君津製鐵所内 (56)参考文献 特開 平４−369003（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−361158（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造によってつくられた鋼片を、加
   熱炉に挿入し熱間圧延温度域まで温度調節をした後に、
   圧延、冷却及び焼き戻しを施して製造される鋼板に対
   し、前記鋼片の成分、製造条件に基づいて鋼板の金属組
   織、析出物の析出状態、偏析の濃度を予測し、さらに鋼
   板の材質を推定する鋼板の材質予測方法において、圧延
   に先立つ加熱前の上記鋼材の金属組織、析出物の析出状
   態、偏析の濃度を、成分条件と鋳造条件をもとに連続鋳
   造後の鋼片が圧延前の加熱炉に挿入されるまでの析出物
   の状態、偏析の状態及び金属組織の状態を計算するモデ
   ルである鋳造モデル１０７、鋳造後の鋼片が圧延前の加
   熱炉に挿入されるまでの温度履歴を計算するモデルであ
   る熱片搬送モデル１０８で演算し、さらに圧延及び冷却
   に引き続く焼き戻し後の上記鋼材の金属組織、析出物の
   析出状態、偏析の濃度を、成分条件、冷却後の金属組
   織、析出物の析出状態、偏析の濃度及び焼き戻し条件を
   もとに計算するモデルである熱処理モデル１００１で演
   算することを特徴とする鋼板材質予測方法。