JP4089606B2 - 鋼板の熱処理方法 - Google Patents

Description

この発明は、圧延ライン上に設置された加熱装置を用いて鋼板を連続的に加熱処理することにより、鋼板の残留応力を低減して、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形量を許容値内に低減することができる、鋼板の熱処理方法に関するものである。

近年、厚板鋼板製造プロセスにおいて、制御圧延後に鋼板を強水冷することにより高強度、高靭性鋼板を得る加速冷却技術が広く行われようになっている。加速冷却は、高温の鋼板表面に冷却ノズルより冷却水を噴射し、鋼板表面の対流沸騰熱伝達現象により自然放冷の数百倍の高冷却速度を達成するもので、これによって、従来の添加元素成分を低減して製造コストを大幅に削減できるのみならず、溶接性にも優れた鋼板を製造することが可能となる。

しかし、加速冷却は、その高冷却性ゆえに冷却水の水量密度、鋼板の表面温度、スケール厚などの冷却時のわずかな不均一要因が大きな温度むらを生じさせる。特に、板端部近傍においては鋼板が冷えやすく温度が急激に低下する。このような温度むらが発生すると、鋼板の機械的特性にばらつきが生じるだけでなく、耳伸びや腹伸びなどの形状不良、および、残留応力により条切りされた鋼板に生じる横曲がり、すなわち、条切りキャンバーが発生する。

このような問題を解決するために、例えば、特開２００１−２３９３１２号公報（特許文献１）には、鋼板の幅方向温度分布を計測して、加熱、冷却により鋼板の板幅方向温度分布を均一化する方法が開示されている。以下、この方法を従来技術という。

特開２００１−２３９３１２号公報 「厚鋼板加速冷却時の温度、熱応力、形状不良の解析」、鉄と鋼 Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２（１９９７）

しかしながら、上記従来技術は、次のような問題を有していた。すなわち、従来技術によれば、鋼板の加熱は、温度の測定結果だけに基づくものであるので、フィードバックやフィードフォワード制御を行っても、制御の応答遅れや制御ゲインの不適切などにより加熱過剰や加熱不足を起こす。また、残留応力ではなく温度の測定結果に基づく加熱制御であるため必要以上に鋼板を加熱して、材質変化が発生する問題やエネルギー原単位が著しく悪くなるといった問題があった。

従って、この発明の目的は、鋼板の材質変化を起こさずに、かつ、電力原単位を最小限に抑えることができ、さらに、残留応力を低減して、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形量を許容値以内に低減することができる、鋼板の熱処理方法を提供することにある。

この発明は、上述した目的を達成するためになされたものであり、下記を特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、鋼板の熱間圧延製造ラインに設置された加熱装置を用いて鋼板を加熱する、鋼板の熱処理方法において、鋼板の使用条件に基づく許容変形量から空冷後の鋼板の許容残留応力を求め、前記許容残留応力から空冷前の鋼板の幅方向許容温度差を求め、加熱前の鋼板の幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差以内であれば加熱せずに鋼板を次工程に搬送し、前記幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差を超えている場合には、前記幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差以内になるような前記加熱装置の出力を算出して、鋼板を加熱するものであって、前記加熱装置の出力が前記加熱装置の仕様範囲内で、かつ前記出力で加熱した場合の鋼板の表面温度が鋼板の材質から規定される材質上限温度以下か否を判定し、前記仕様範囲内かつ前記材質上限温度以下の場合に前記加熱装置による加熱を行い、前記加熱装置の出力が仕様の最大出力または前記材質上限温度を超える場合には、前記鋼板の搬送速度を変更して、前記加熱装置の新たな出力を算出することに特徴を有するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記鋼板の変形は、条切りキャンバーであることに特徴を有するものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記加熱装置は、誘導加熱装置であることに特徴を有するものである。

この発明によれば、鋼板の材質変化を起こさずに、かつ、電力原単位を最小限に抑えることができ、さらに、鋼板の残留応力を低減して、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形量を許容値以内に低減することができる。

鋼板の残留応力は、例えば、「厚鋼板加速冷却時の温度、熱応力、形状不良の解析」、鉄と鋼 Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２（１９９７）（非特許文献１）に示されるように、圧延終了時の初期幅方向温度分布から、水冷および空冷時の抜熱、熱伝導の計算により相変態を考慮して鋼板の幅方向温度分布を計算し、降伏応力、ヤング率および線膨張係数などの温度依存性を考慮しつつ弾塑性応力解析を行い、鋼板の温度むらに起因する熱膨張量差が完全冷却後の鋼板に残留応力として露見するとして求めることができる。なお、一連の計算は、幅方向温度分布の実測値に基づいて行うとより計算精度が向上する。

条切りキャンバーは、求めた残留応力を用いて、例えば、以下の方法により算出する。

まず以下の仮定を設ける。
（１）条切り前後で塑性歪は生じない。
（２）長手方向に垂直な横断面は平面を保持する（平面歪）。
（３）キャンバーは円弧を描く。

上記の仮定から、図９に示すように、板幅方向位置をｘとして、簡単のため板厚方向平均値を用いて全歪をε（ｘ）、応力をσ（ｘ）、条切り前の残留応力分布をσ_b（ｘ）とすると、
ε（ｘ）＝ε（ｘ₁）＋ｎ₁・（ｘ−ｘ₁）
σ（ｘ）＝Ｅ・ε（ｘ）−σ_b（ｘ）
ここで、ε（ｘ₁）：条切り位置ｘ₁の全歪
ｎ₁ ：条切り位置ｘ₁のキャンバーの曲率
Ｅ：ヤング率
となる。

上記式を、以下の力とモーメントの釣り合い式、

に代入して、条切り位置ｘ₁のキャンバーの曲率ｎ₁について解くと、

となる。

これにより、条切り位置ｘ₂のキャンバーの曲率ｎ₂は、

となる。

従って、条切り位置ｘ₁でのキャンバー量ｄ₁、条切り位置ｘ₂でのキャンバー量ｄ₂は、以下のようになる。

この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、厚鋼板の製造ラインを示す概略図である。

図１において、１は、圧延機、２は、加速冷却装置、３は、ホットレベラー、４は、ソレノイド型誘導加熱装置、５は、加速冷却装置２、ホットレベラー３および誘導加熱装置４の鋼板出側にそれぞれ設置された温度計である。

圧延機１で圧延された鋼板は、加速冷却装置２で水冷、ホットレベラー３で熱間矯正、誘導加熱装置４でインライン加熱される。また、各温度計５によって鋼板の板幅方向温度分布が測定される。

上述した厚鋼板の製造ラインにおいて、鋼板を条切りする場合に、条切りキャンバー量を許容範囲内に低減することができる最適加熱条件の決定方法について説明する。

図３は、板幅方向に温度偏差がある鋼板を、直列に配置した３台（Ｎｏ．１〜３）の誘導加熱装置４により加熱した場合の鋼板の板幅方向温度分布を示す図である。今、板端部の５０ｍｍ範囲を切り落とし代として幅１５０ｍｍの条切り部分に着目すると、加熱前の幅方向温度分布は、板端部から５０ｍｍ位置と板端部から２００ｍｍ位置との間に温度差が約２０℃生じている。誘導加熱装置４で加熱することにより鋼板の上下面および側面が発熱し、加熱に伴い板端部の温度が相対的に上昇する。その後、熱伝導により加熱してから１２０秒後には、板端部から５０ｍｍ位置と板端部から２００ｍｍ位置との間の温度差は約５℃まで平滑化されている。

なお、誘導加熱装置４により加熱する場合、板表面も発熱するため板中央定常部の表面温度が高くなり、変態点を超えて材質変化を起こす懸念がある。図４は、板幅方向中央部表面の加熱に伴う温度履歴を示す図であり、変態点７２０℃を超えないように各加熱装置の出力を制限した例である。図５は、板厚２５ｍｍの鋼板について、冷却停止温度および通板速度を変えたとき、鋼板の表面温度が変態点７２０℃を超えないための各誘導加熱装置の出力の制限値である。加熱装置出力は、この制限値を超えないように設定する必要がある。

以上のように加熱を実施した場合と実施しなかった場合の残留応力を、上述した計算法に従って計算した結果を図６に示す。図６から明らかなように、板端部から５０ｍｍ位置と板端部から２００ｍｍ位置との残留応力の差は加熱を実施しなかった場合は６８ＭＰａ、実施した場合は３３ＭＰａに低減している。このように鋼板加熱に伴う残留応力の低減効果は、前記非特許文献１に記載された予測モデル式により正確に求めることができる。

次に、この発明の実施の形態を、図２のフローチャートを参照しながら説明する。

最初にユーザーでの鋼板の使用条件から、鋼板の許容変形量を決定する。例えば、条切り加工の場合、条切り位置と許容キャンバー量とを客先仕様等により決定する。そして、上記の計算から求めた回帰式などを用いて、許容残留応力を求める。残留応力は、空冷前の鋼板の幅方向温度分布により決定されるため、許容残留応力から鋼板の幅方向許容温度差を算出する。このときの鋼板の温度差は、鋼板幅端部の切断代を除いた位置と、条切り幅に相当する位置との幅方向許容温度差とする。

まず、圧延、加速冷却された鋼板の幅方向温度分布が温度計５によって測定され、その結果はプロセスコンピューターに読み込まれる。また、鋼板の板厚および通板速度もプロセスコンピューターに入力される。次に、読み込まれた幅方向温度分布と事前に算出されている鋼板の幅方向許容温度差との比較を行う。鋼板の幅方向温度分布が幅方向許容温度差以内であれば、加熱せずにそのまま次工程に搬送する。鋼板の幅方向温度分布が幅方向許容温度差を超えている場合には、加熱装置４にて加熱を行う。このとき、各加熱装置の出力は、鋼板の板厚、通板速度、鋼板の冷却停止温度、鋼板の初期幅方向温度差を基に算出される。

そして、算出された出力が加熱装置４の仕様範囲内(仕様最大出力以下)であり、かつ前記出力で加熱した場合の鋼板の表面温度が鋼板の材質から規定される材質上限温度(例えば、変態点７２０℃)以下か否かを判定する。仕様範囲内、かつ材質上限温度以下であれば、算出された出力で加熱を行う。この一連の処理により、キャンバー量を許容値以下に収めることができる。

一方、算出された出力が加熱装置４の仕様範囲外または材質上限値を超える場合には、通板速度を変更して、再度、幅方向許容温度差以内になるような加熱装置４の出力を算出ずる。通板速度を変更しても幅方向許容温度差以内になる加熱が不可能な場合には、その許容最大出力で加熱した後、あるいは加熱しないでコールドレベラーやバッチ熱処理など後工程で残留応力を除去する。

なお、ここでは条切りキャンバーについて説明してきたが、鋼板の加工後の変形は、条切りキャンバーに限定されるものではなく、溶接の開先加工等のその他の加工も含まれる。

また、加熱装置としてソレノイド型誘導加熱装置を用いると、急速加熱が可能でありライン上で圧延能率を阻害することなくインライン熱処理が可能となり望ましい。

板厚１４から２５ｍｍ、板幅２２００から３２００ｍｍの加速冷却材について、この発明の方法を用いて加熱装置の出力を決定した場合と、加熱装置出側温度計を用いて鋼板温度が均一となるように加熱装置の出力をフィードバック制御した場合（従来法）とについて、条切り幅２５０ｍｍでそれぞれ１００枚ずつ条切りした際の条切りキャンバー量を図７に示す。また、その際の鋼板表面のビッカース硬度を図８に示す。

図７から明らかなように、この発明によれば、条切りキャンバーは全て許容値内であり、鋼板強度にもばらつきがないが、従来法ではキャンバーの許容値を外れたものが多数あった。また、図８から明らかなように、一部の材料は加熱過多で鋼板が軟化する不具合が生じたことが分かった。

厚板鋼板の製造ラインの一例を示す概略図である。 この発明による加熱装置の出力を決定する一例を示すフロー図である。 鋼板加熱時の板端部近傍での板幅方向温度分布を示すグラフである。 板中央部の時間に伴う温度変化を示すグラフである。 鋼板の温度の上限を超えないための加熱装置の出力の上限値を示すグラフである。 加熱有無による残留応力の違いを示すグラフである。 実施例における条切りキャンバー量を示すグラフである。 実施例における鋼板表面のビッカース硬度を示すグラフである。 条切りキャンバーの説明図である。

符号の説明

１：圧延機
２：加速冷却装置
３：ホットレベラー
４：誘導加熱装置
５：温度計

Claims (3)

1. 鋼板の熱間圧延製造ラインに設置された加熱装置を用いて鋼板を加熱する、鋼板の熱処理方法において、
   鋼板の使用条件に基づく許容変形量から空冷後の鋼板の許容残留応力を求め、前記許容残留応力から空冷前の鋼板の幅方向許容温度差を求め、加熱前の鋼板の幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差以内であれば加熱せずに鋼板を次工程に搬送し、前記幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差を超えている場合には、前記幅方向温度分布が前記幅方向許容温度差以内になるような前記加熱装置の出力を算出して、鋼板を加熱するものであって、前記加熱装置の出力が前記加熱装置の仕様範囲内で、かつ前記出力で加熱した場合の鋼板の表面温度が鋼板の材質から規定される材質上限温度以下か否を判定し、前記仕様範囲内かつ前記材質上限温度以下の場合に前記加熱装置による加熱を行い、前記加熱装置の出力が仕様の最大出力または前記材質上限温度を超える場合には、前記鋼板の搬送速度を変更して、前記加熱装置の新たな出力を算出することを特徴とする、鋼板の熱処理方法。
2. 前記鋼板の変形は、条切りキャンバーであることを特徴とする、請求項１に記載の、鋼板の熱処理方法。
3. 前記加熱装置は、誘導加熱装置であることを特徴とする、請求項１または２記載の、鋼板の熱処理方法。

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