JP4333282B2 - 高強度鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、熱間圧延に引続き加速冷却又は直接焼入れを行う耐サワーラインパイプ用鋼板や機械構造用鋼板等の高強度鋼板の製造方法に関する。
従来、優れた耐サワー性を有するラインパイプは、低C-極低S-Ca処理系の鋼を基本成分として、各種開発されている。近年X60ないしX65クラスの強度レベルの鋼板が開発されており、板厚に応じて合金成分の適正化、加速冷却条件の最適化が図られている。
耐サワー性の観点から、ラインパイプの表面硬さには制限があり、規格等により規制されている。例えば、NACE規格ではHv≦248と規定されている。また、近年では表面硬さ規定がさらに厳しくなり、DNV規格ではHv≦220と規定されている。さらに、ラインパイプ用の原板としては、パイプ成型時の加工硬化を考慮して、これらの値より、Hv10〜20ポイント程度低目に製造する必要がある。
その一方で、ラインパイプの強度については、X60ではYS≧413MPa, TS≧517MPa、また、X65ではYS≧448MPa, TS≧565MPaが、それぞれ規格から要求されている。ラインパイプ用の原板としては、パイプ成型時のバウシンガー効果による強度低下を考慮して、これらの値より、20〜50 MPa高目の強度を確保する必要がある。
耐サワーラインパイプの表面硬さを低減する技術として、焼き入れ後の鋼材を高周波誘導加熱により焼き戻しを行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。これによれば、焼き入れによって硬化した表層部を軟化することが可能であるというものである。
また、熱間圧延後の鋼板をライン上に設置した誘導加熱装置で鋼板表面を再加熱する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法によれば、表層のみを軟化させ、かつ高強度を確保した鋼板を効率的に大量生産することが可能となる。
特開昭５１−１４８６１１号公報
特開２００２−３２７２１２号公報
前記特許文献１に記載の技術は、焼き入れによって硬化した表層部を軟化することが可能であるが、高々Ｈｖ２２０程度が限界である。また、実施例にあるように、誘導加熱コイルの周波数が５０００Ｈｚと高く鋼板のごく表層部が加熱されるため、表層部は軟化するが少し内部で硬度が高い部分は軟化できない。この公報には高周波と低周波の誘導加熱コイルを併用する方法も提案されているが、この場合、内部まで加熱されるため、炭化物等の析出によって内部の硬度が上昇するだけでなく、ＤＷＴＴ特性の劣化を生じることが問題である。
さらに、前記特許文献１に記載の技術は、Ｃ含有量の高い鋼材を対象としているため、ＨＡＺ靱性に優れる低Ｃ系の鋼材に対して適用できない。低Ｃ系の鋼材に適用した場合、焼き戻しによる炭化物の析出量が少ないため、中心部の硬度が低下し、さらにＤＷＴＴ特性が大幅に劣化するという問題もある。
前記特許文献２に記載の誘導加熱装置を用いたインライン熱処理技術のアイディアは従来から存在していたが、実用化には至らなかった。その理由には、誘導加熱能力の不足などのハード面の問題以外にも、ソフト面の問題もあった。熱処理を行うためには、鋼板表面を所定の温度以上に加熱し、鋼板内部は材質劣化を生じない温度以下となるように加熱する必要がある。このためには、誘導加熱時の鋼板の内部温度を精度よく推定する必要があり、この温度推定モデルを用いて加熱のための電力を求める計算をする必要がある。さらには、加熱前の温度により加熱時の電力も異なるため、これらの処理をオンラインで行う必要がある。また、ライン上で熱処理するためには、圧延能率を阻害しないように鋼板の搬送速度を決定する必要があり、さらに製造コストの点からは電力量を極力低減することが要求される。しかしながら、これらの問題に対して明確な解答を与えるような、電力の計算方法や搬送速度の決め方について検討した文献は見当たらない。
本発明は以上の問題点を解決し、強度の低下とDWTT特性の劣化を防止しつつ、表面硬さを低減させることが可能なX60クラスおよびそれ以上の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板をはじめとする高強度鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
［１］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［２］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力に基づいて、前記鋼板の加熱に利用されるそれぞれの誘導加熱装置の電力値の合計値が所定の値以下である電力条件に適合するかどうかを判定する電力判定ステップと、
前記電力条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［３］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、前記搬送速度を増加した新たな搬送速度を用いて前記演算ステップ、判定ステップ、判定処理ステップを前記温度条件に適合しなくなるまで繰り返して実行し、前記温度条件に適合する最終の演算に用いられた電力と搬送速度を抽出する抽出ステップと、
抽出された搬送速度で前記鋼板を搬送しつつ、抽出された電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［４］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力に基づいて、前記鋼板の加熱に利用されるそれぞれの誘導加熱装置の電力値の合計値が所定の値以下である電力条件に適合するかどうかを判定する電力判定ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、前記搬送速度を増加した新たな搬送速度を用いて前記演算ステップ、判定ステップ、判定処理ステップを前記温度条件に適合しなくなるまで繰り返して実行し、前記温度条件に適合する最終の演算に用いられた電力と搬送速度を抽出する抽出ステップと、
抽出された搬送速度で前記鋼板を搬送しつつ、抽出された電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［５］前記［３］または［４］に記載の高強度鋼板の製造方法において、前記誘導加熱装置での加熱開始温度が確定するまでに、前記演算ステップから前記抽出ステップまでの各ステップを行って、事前に電力と搬送速度を抽出しておき、加熱開始温度が確定した時点で、前記演算ステップで予測していた加熱開始温度から前記確定した加熱開始温度への変更量に基づいて、前記事前に抽出された搬送速度を修正して新たに抽出された搬送速度とするとともに、その新たな抽出された搬送速度で電力の再計算を行って得られた電力を新たに抽出された電力とし、これらの新たに抽出された搬送速度と新たに抽出された電力を用いて前記供給ステップを行うことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
［６］鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上であることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の高強度鋼板の製造方法。
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［２］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力に基づいて、前記鋼板の加熱に利用されるそれぞれの誘導加熱装置の電力値の合計値が所定の値以下である電力条件に適合するかどうかを判定する電力判定ステップと、
前記電力条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［３］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、前記搬送速度を増加した新たな搬送速度を用いて前記演算ステップ、判定ステップ、判定処理ステップを前記温度条件に適合しなくなるまで繰り返して実行し、前記温度条件に適合する最終の演算に用いられた電力と搬送速度を抽出する抽出ステップと、
抽出された搬送速度で前記鋼板を搬送しつつ、抽出された電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［４］質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
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Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１）
［５］前記［３］または［４］に記載の高強度鋼板の製造方法において、前記誘導加熱装置での加熱開始温度が確定するまでに、前記演算ステップから前記抽出ステップまでの各ステップを行って、事前に電力と搬送速度を抽出しておき、加熱開始温度が確定した時点で、前記演算ステップで予測していた加熱開始温度から前記確定した加熱開始温度への変更量に基づいて、前記事前に抽出された搬送速度を修正して新たに抽出された搬送速度とするとともに、その新たな抽出された搬送速度で電力の再計算を行って得られた電力を新たに抽出された電力とし、これらの新たに抽出された搬送速度と新たに抽出された電力を用いて前記供給ステップを行うことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
［６］鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上であることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の高強度鋼板の製造方法。
本発明は、加速冷却又は直接焼入れ後の鋼板を、高周波加熱により急速加熱することにより、表層のみを軟化させることができる。その結果、本発明により耐サワー性の優れた高強度パイプライン用鋼を安価に大量生産することが可能となり、パイプラインの安全性を著しく向上させることができる。
また、ライン上に設置された誘導加熱装置での高精度の熱処理が可能となり、生産性が大幅に向上し工業上有益な効果が得られる。
本発明は、前述の課題を解決するために、加速冷却または直接焼き入れによって製造される鋼板の表面硬度を軟化させる方法について鋭意研究を行った結果なされた。その過程で、周波数の低いソレノイド型誘導加熱装置によって、大電力密度の急速加熱焼戻しを行うことによって、鋼板中心部の過度の温度上昇を防ぎながら、表面のみを加熱できること、そして焼戻し時の加熱温度を一定範囲に制限することで、表層部の硬度を効果的に低減できるという知見が得られた。
以下、本発明の耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法について詳しく説明する。まず、本発明においては、重量％にて、Ｃ：０．０２〜０．０８％を含有し、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣｅｑ値が０．４％以下である鋼を用いる。
Ｃ：０．０２〜０．０８％
Ｃは、鋼板の強度を確保するために含有されるが、０．０２％未満ではＸ６０グレード以上の十分な強度を確保できず、０．０８％を超えるとＨＡＺ靭性および耐HIC性を劣化させるだけでなく、誘導加熱による急速加熱時に炭化物の析出を生じるため、ＤＷＴＴ特性が著しく劣化する。従って、Ｃ量を０．０２〜０．０８％に規定する。
Ｃｅｑ値：０．４％以下
本発明においては、Ｃ以外の合金元素を含有してもよい。しかし、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣｅｑ値が０．４％を超えると、ＨＡＺ靭性およびＤＷＴＴ特性が劣化するため、Ｃｅｑ値の上限を０．４％とする。Ｃｅｑ値の下限は特に規定しないが、十分な強度と靱性を得るためには、０．２５％以上であることが望ましい。
Ｃ：０．０２〜０．０８％
Ｃは、鋼板の強度を確保するために含有されるが、０．０２％未満ではＸ６０グレード以上の十分な強度を確保できず、０．０８％を超えるとＨＡＺ靭性および耐HIC性を劣化させるだけでなく、誘導加熱による急速加熱時に炭化物の析出を生じるため、ＤＷＴＴ特性が著しく劣化する。従って、Ｃ量を０．０２〜０．０８％に規定する。
Ｃｅｑ値：０．４％以下
本発明においては、Ｃ以外の合金元素を含有してもよい。しかし、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣｅｑ値が０．４％を超えると、ＨＡＺ靭性およびＤＷＴＴ特性が劣化するため、Ｃｅｑ値の上限を０．４％とする。Ｃｅｑ値の下限は特に規定しないが、十分な強度と靱性を得るためには、０．２５％以上であることが望ましい。
好ましい化学成分の範囲としては、上記のＣ：０．０２〜０．０８％の他、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１０％、残部実質的に鉄である。また、必要に応じてＮｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００４０を添加することもできる。また、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ等の合金元素もそれぞれ０．５％以下添加することもできる。
その後、インラインまたはオフラインで、誘導加熱装置を用いて鋼板に急速加熱の焼戻しを施す。この場合、誘導加熱コイルは、磁束が鋼板の板面に平行となるように配置し、表層のみを加熱できるソレノイド型の誘導加熱装置を用いる。加熱条件としては、周波数は誘導電流の浸透深さの観点から２００〜２０００Ｈｚ、電力密度は急速加熱の観点から１００Ｗ／ｃｍ2以上で加熱することが望ましい。
鋼板表面の加熱温度：４５０〜６５０℃
加速冷却または直接焼き入れした低Ｃ鋼の表層部は、マルテンサイトまたは下部ベイナイトを含んだ組織となるため硬化するが、焼き戻しを行うことでマルテンサイトまたは下部ベイナイトが分解され、硬度が低下する。しかし、鋼板表面の加熱温度が４５０℃未満ではマルテンサイトまたは下部ベイナイトの分解が遅いため、急速加熱によって十分に軟化することができない。また、加熱温度が６５０℃を超えると、鋼板中心部の温度も上昇するため、強度の低下やＤＷＴＴ特性の劣化をまねく。よって、急速加熱による鋼板表面の加熱温度を４５０〜６５０℃に規定する。
加速冷却または直接焼き入れした低Ｃ鋼の表層部は、マルテンサイトまたは下部ベイナイトを含んだ組織となるため硬化するが、焼き戻しを行うことでマルテンサイトまたは下部ベイナイトが分解され、硬度が低下する。しかし、鋼板表面の加熱温度が４５０℃未満ではマルテンサイトまたは下部ベイナイトの分解が遅いため、急速加熱によって十分に軟化することができない。また、加熱温度が６５０℃を超えると、鋼板中心部の温度も上昇するため、強度の低下やＤＷＴＴ特性の劣化をまねく。よって、急速加熱による鋼板表面の加熱温度を４５０〜６５０℃に規定する。
鋼板中心温度：４５０℃未満
熱処理中の鋼板内部の温度が高くなりすぎると炭化物等の析出が生じるため、ＤＷＴＴ特性が大きく劣化し、この傾向は鋼板中心温度が４５０℃以上で顕著となる。従って、熱処理中の鋼板中心温度を４５０℃未満とする。
熱処理中の鋼板内部の温度が高くなりすぎると炭化物等の析出が生じるため、ＤＷＴＴ特性が大きく劣化し、この傾向は鋼板中心温度が４５０℃以上で顕著となる。従って、熱処理中の鋼板中心温度を４５０℃未満とする。
鋼板表層部最高硬さ：Ｈｖ２２０未満
耐サワー性の観点から、NACE規格ではHv≦248、DIN規格ではHv≦220が規定されているが、ラインパイプ用原板としては、パイプ成形時の加工硬化を考慮して、さらに低めにする必要がある。このため、Hv２２０未満、好ましくはHv２００以下であることが望ましい。
耐サワー性の観点から、NACE規格ではHv≦248、DIN規格ではHv≦220が規定されているが、ラインパイプ用原板としては、パイプ成形時の加工硬化を考慮して、さらに低めにする必要がある。このため、Hv２２０未満、好ましくはHv２００以下であることが望ましい。
降伏強度：４１３ＭＰａ以上
高強度ラインパイプ用鋼として、本発明ではＸ60以上の強度レベルを対象とする。このため、Ｘ60ではYS≧413MPa、Ｘ65ではYS≧448MPaである。
高強度ラインパイプ用鋼として、本発明ではＸ60以上の強度レベルを対象とする。このため、Ｘ60ではYS≧413MPa、Ｘ65ではYS≧448MPaである。
次に、誘導加熱装置による再加熱の際の制御方法を説明する。
誘導加熱装置による加熱方法には、表面加熱と均一加熱がある。
どちらの場合にも、鋼板の表面温度と内部温度をそれぞれ別の目標に加熱する。内部温度とは、板厚方向の平均温度（平均温度）の場合、板厚中心部の温度（中心温度）の場合等がある。
表層加熱の場合は、加熱終了時に表面温度を目標温度に加熱を行う。その場合に、加熱過程中の内部温度が上限温度を超えないように加熱を行う。
均一加熱の場合は、加熱終了時に内部温度を目標温度に加熱を行う。その場合に、加熱過程中の表面温度が上限温度を超えないように加熱を行う。
均一加熱を行うためには、誘導加熱装置を複数台用意して加熱過程と冷却過程を繰り返しながら徐々に加熱する必要がある。
また、誘導加熱装置群を複数回往復させて加熱を行うこともある。圧延能率を阻害しないように搬送速度を上げるには、加熱能力（最大電力）をあげ、数多くの台数を用意する必要があるが、これには装置コストと設置スペースがかさむためである。
さらに、同じ製造条件でも、加速冷却後の鋼板温度が操業条件により異なる。このため、電力をテーブル等であらかじめ用意しておくよりは、加速冷却後の鋼板温度を実測した後、オンラインで求めるような仕組みを構築する必要がある。
誘導加熱装置によりオンラインで上記熱処理を精度良く行うためには、以下の課題がある。
（ａ）誘導加熱時の鋼板の内部温度を精度良く推定する。
（ｂ）加熱温度の目標、制限を満たす、電力と搬送速度を求める。
さらに、実用化にあたって、
（ｃ）消費電力を、なるべく小さくする。
（ｄ）操業を阻害しない搬送速度で熱処理を行う。
（ｅ）加熱前の鋼板温度を実測し、その値により加熱電力、搬送速度等を決定する。
（ａ）誘導加熱時の鋼板の内部温度を精度良く推定する。
（ｂ）加熱温度の目標、制限を満たす、電力と搬送速度を求める。
さらに、実用化にあたって、
（ｃ）消費電力を、なるべく小さくする。
（ｄ）操業を阻害しない搬送速度で熱処理を行う。
（ｅ）加熱前の鋼板温度を実測し、その値により加熱電力、搬送速度等を決定する。
本発明では上記課題を解決するために以下の手段を用いる。
（ａ）誘導加熱時の鋼板の内部温度を精度良く推定するため、厚み方向の差分式を採用して、鋼板温度、電力により透磁率と浸透深さを推定し、鋼板の厚み方向の誘導電流分布を求め、発熱量を計算する。
（ｂ）加熱電力設定を求めるために、温度条件が複数あり、操作量（電力）も複数あり、モデルが非線形であるため、非線形計画法で算出する。その結果、表面温度と内部温度は独立変数ではないが、誘導加熱装置を複数台配置して加熱することである程度独立とみなせ、別々に目標設定することが可能となる。
式で表すと以下のようになる。
変数：各誘導加熱装置に与える電力Ｐ＝［ｐ１，……，ｐｉ，……，ｐｎ］
表面温度条件：｜Ｔｓ−Ｔｒ｜＜ｃ （ｃは定数）
内部温度条件：Ｔｕ−Ｔｉ＞０
目的関数：消費電力の和（ｋＷｈ）Σ（ｐｉ＊ｖ）
ただし、Ｔｓ：表面温度最大値、Ｔｒ：加熱目標温度、Ｔｕ：上限温度、Ｔｉ：内部温度最大値、ｖ：搬送速度 である。
式で表すと以下のようになる。
変数：各誘導加熱装置に与える電力Ｐ＝［ｐ１，……，ｐｉ，……，ｐｎ］
表面温度条件：｜Ｔｓ−Ｔｒ｜＜ｃ （ｃは定数）
内部温度条件：Ｔｕ−Ｔｉ＞０
目的関数：消費電力の和（ｋＷｈ）Σ（ｐｉ＊ｖ）
ただし、Ｔｓ：表面温度最大値、Ｔｒ：加熱目標温度、Ｔｕ：上限温度、Ｔｉ：内部温度最大値、ｖ：搬送速度 である。
（ｃ）非線形計画法の目的関数を消費電力の和とすることにより、温度条件を満たす中で消費電力が最小となる電力が求まる。
（ｄ）ある速度で電力設定を求めてから、加熱可能な範囲で、搬送速度を変更しながら繰り返し計算を行うことで、温度条件を満たす中で、操業条件を阻害しない搬送速度が求まる。
（ｅ）オンラインで電力と速度を求めるために、初期設定において事前に電力設定を行い最適化計算を簡略化する。また、加速冷却終了時に実測温度により電力と搬送速度の修正計算を行うことで、さらに高精度の制御が可能となる。
誘導加熱による鋼材の温度分布は以下のようにして求める。
鋼材内部の電流分布は、浸透深さで表される。浸透深さは式（２）のように周波数、比透磁率で表される。
δ=50.3*SQRT*(R/μ/fx)/100 ……（２）
ただし、δ：浸透深さ、Ｒ：比抵抗、μ：比透磁率、fx ：周波数
浸透深さの値が大きい場合には誘導電流が鋼材内部まで流れるが、浸透深さが小さい場合には、誘導電流が表面に集中するため加熱も表面に集中し、鋼材内部は表面からの熱伝達により加熱されることになる。したがって、同じ電力を投入しても、浸透深さにより表面の加熱温度は変わってくる。そこで、比透磁率等により浸透深さを求め、浸透深さにより鋼材内部での電流分布を算出し、電流分布により鋼材内部の温度分布を求める。
δ=50.3*SQRT*(R/μ/fx)/100 ……（２）
ただし、δ：浸透深さ、Ｒ：比抵抗、μ：比透磁率、fx ：周波数
浸透深さの値が大きい場合には誘導電流が鋼材内部まで流れるが、浸透深さが小さい場合には、誘導電流が表面に集中するため加熱も表面に集中し、鋼材内部は表面からの熱伝達により加熱されることになる。したがって、同じ電力を投入しても、浸透深さにより表面の加熱温度は変わってくる。そこで、比透磁率等により浸透深さを求め、浸透深さにより鋼材内部での電流分布を算出し、電流分布により鋼材内部の温度分布を求める。
一般に、鋼材表面からの距離zと、誘導電流I(z)の関係は式（３）で表される。αは定数である。
I(z)=αexp(-z/δ) ……（３）
よって、鋼材表面からの距離zにおける消費電力の比は式（４）で表される。
E0(z)= I(z)2/∫I(z)2 ……（４）
すなわち、式（４）を誘導加熱の際の電力分布と考えることができる。
I(z)=αexp(-z/δ) ……（３）
よって、鋼材表面からの距離zにおける消費電力の比は式（４）で表される。
E0(z)= I(z)2/∫I(z)2 ……（４）
すなわち、式（４）を誘導加熱の際の電力分布と考えることができる。
次に、誘導加熱装置を用いた加熱過程における鋼材の温度変化を数式で表す。熱伝導方程式の差分式から、式（５）を得る。
式（５）〜（８）を用いることにより、加熱後の鋼材の温度分布（x1,j x2,j … xnb-1,j xnb,j） を求めることができる。これの計算フローを図２に示す。鋼材が誘導加熱装置を抜けたところで計算終了となる。
次に、この温度モデルを用いた加熱電力の求め方を図３に示す。
まず適当な初期値電力ｕk,jを与えて、誘導加熱装置出側の加熱温度分布xi,jを計算する。そして、各誘導加熱装置での加熱温度と温度条件を比較し、温度条件を満たしているかどうかの判定を行う。温度条件に合致していれば、その加熱電力を最終的な加熱電力として計算を終了する。合致していない場合は、新たな加熱誘導加熱電力を与えて温度計算のやり直しを行う。新しい加熱電力ｕk,jを与える方法は、線形計画法、非線形計画法など一般的な方法でかまわない。温度条件が実現可能であるならば、有限回の計算で収束する。
さらに、目的関数として各誘導加熱装置での消費電力量の和を与える。加熱後の鋼材温度が温度条件に合致するかどうかの判定を行った後、各誘導加熱装置での消費電力量が最少になるかどうかの判定も重ねて行う。すなわち、この処理によって求められる加熱電力が誘導加熱装置での消費電力量を最少にするようにする。この場合も、新しい加熱電力ｕk,jを与える方法は、線形計画法、非線形計画法など一般的な方法でかまわない。この計算フローを図４に示す。
搬送速度の決定には、始めにパス数を決めておき、図５に示すような収束計算を行う。適当な初期速度から始めて、電力設定計算を行う。速度によっては、電力能力の上限や、温度の条件によっては、加熱が不可能の場合がある。その場合は、速度を下げて電力の設定計算を行う。加熱可能なら、搬送速度を上げて電力の設定計算を行う。加熱可能な範囲の中で最も早い速度を求める。
そして、ここで決まった搬送速度をもとに、前項の電力設定計算を用いて加熱電力を求める。求めた加熱電力と搬送速度を使用して、鋼材の加熱を行う。
このようにして求まる加熱電力・搬送速度は事前に計算してテーブル等に保存しておき利用することもできるし、鋼材の加速冷却が終了し、加熱開始温度が確定した時点にオンラインで計算して求めることもできる。
しかしながら、事前に計算しておいた場合は、加速冷却終了時の温度が予定と異なる場合がある。また、複雑なモデルを用いて収束計算を繰り返し行うため膨大な計算量になり、オンラインでは計算が間に合わないことも考えられる。このような場合は、以下のような修正方式が有効である。これは、加熱電力と搬送速度を事前に計算しておき、加速冷却終了後の実績温度で搬送速度を修正し、電力を再計算する方式である。これを以下に示す。
まず、図５に示す事前に搬送速度を求める計算を行った後に、加熱開始温度が変更になった場合の搬送速度の影響係数を求めておく。この手順を図６に示す。加熱開始温度をＴｉ、加熱開始温度の変更量をΔＴiとし、加熱開始温度がＴi+ΔＴiの場合に搬送速度をどれだけ変更すれば良いのかの係数を求める。影響係数を１から処理を始めて、加熱可能で最も処理時間が短くなるように影響係数を調整する。この値をｑとすると、実際の加熱開始温度がＴｉ＋ΔＴの場合の搬送速度ｖ’は、下式（９）で求められる。
ｖ’（ｎp）＝（ｑΔＴ＋１）ｖ（ｎp） ……（９）
ただし、ｎp：パス数、ｖ’（ｎp）：修正された搬送速度、ｖ（ｎp）：事前に求めておいた速度、ｑ：影響係数
加速冷却を終了し、実績温度が検出された時点で、このようにな搬送速度の修正を行う。さらに、修正された速度で図３または図４に示す電力計算を再度行う。電力計算の収束計算のみであれば、時間はさほどかからない。修正方式を利用することにより、最も効率のよい搬送速度を求めることができ、加熱電力を精度よく設定することができる。
ｖ’（ｎp）＝（ｑΔＴ＋１）ｖ（ｎp） ……（９）
ただし、ｎp：パス数、ｖ’（ｎp）：修正された搬送速度、ｖ（ｎp）：事前に求めておいた速度、ｑ：影響係数
加速冷却を終了し、実績温度が検出された時点で、このようにな搬送速度の修正を行う。さらに、修正された速度で図３または図４に示す電力計算を再度行う。電力計算の収束計算のみであれば、時間はさほどかからない。修正方式を利用することにより、最も効率のよい搬送速度を求めることができ、加熱電力を精度よく設定することができる。
図１は、本発明に係る高強度鋼板の製造方法が適用される熱処理装置の概略構成を示す側面図である。
鋼材２は、誘導加熱装置５の中を搬送ローラ１１によって移動しながら加熱される。誘導加熱装置５の入り口には鋼材２の温度を検出する温度検出器９が備えられている。上記温度検出器９で得られた温度信号は、制御装置１３に入力される。制御装置１３は、鋼板２の温度若しくは加熱開始の予定温度と搬送速度とに基づいて誘導加熱装置５に供給する電力を計算し、その値を電力供給装置１２に出力する。電力供給装置１２は、供給電力が制御装置１３から与えられた値になるように誘導加熱装置５の出力を制御する。
本発明の実施例について述べる。表１に示す化学成分の鋼を溶製して、スラブに鋳造し、加熱炉で加熱後、制御圧延を行って種々の板厚の鋼板を製造した。ここで、鋼Ａ〜Ｃは化学成分が本発明の範囲であるが、鋼ＤはＣ含有量が高く、鋼ＥはＣｅｑ値が高い。
圧延後の鋼板は、引き続き加速冷却し、次いで、ライン上に３台直列に配置されたソレノイド型誘導加熱装置で熱処理を行った。鋼板の圧延、冷却条件及び誘導加熱条件を表２に示す。誘導加熱は１パス加熱とし、周波数は３台とも１０００Ｈｚとした。
鋼板を加熱するための搬送速度及び電力は、Ｎｏ．１、５、８については事前処理方式により決定した。すなわち、予め鋼板の加熱開始予定温度と加熱目標温度とから搬送速度とパス数を決め、その値をもとに加熱に必要な電力を計算した。
上記以外については、修正処理方式により決定した。すなわち、鋼板の加熱開始前温度を実測し、実測された加熱開始前温度と、搬送速度とに基づいて加熱に必要な電力を計算した。この計算においては、必要に応じて搬送速度を修正しつつ所望の電力を求めた。内部温度としては、板厚方向の平均温度を用いた。
次に、これらの鋼板について、引張特性、最高硬さ、耐HIC性、及びDWTT特性を調べた。引張特性は圧延方向と垂直方向から採取した全厚引張試験片により測定した。最高硬さは、荷重１０ｋｇのビッカース硬さ試験機によって鋼板の板厚方向断面の硬さを１ｍｍピッチで測定し、その表層部での最高値を最高硬さとした。耐HIC性は、pHが約3の硫化水素を飽和させた5%NaCl+0.5%CH3COOH水溶液(通常のNACE溶液)中で行ったHIC試験により調べた。DWTT特性は、API規格のプレスノッチ試験片によるDWTT試験(Drop Weight Tear Test)を行い、延性破面率が85%となる温度(85%SATT)で評価した。
鋼板の引張特性、最高硬さ、耐HIC性、及びDWTT特性を、表３に示す。ここで、強度はAPI X65グレードとして要求される降伏強度448MPa以上を目標とし、最高硬さはHv200、耐HIC性はHIC試験で割れ長さ率(CLR)が10%以下、DWTTは-30℃以下を目標とした。
本発明例であるＮｏ.１〜Ｎｏ.４は、いずれも再加熱後の表面温度、内部温度が発明範囲内であり、Hv200以下の表層硬さを示し、良好な耐HIC性及びDWTT特性が得られた。なお、Ｎｏ.１とＮｏ.２を比較すると、冷却後の鋼板温度を実測して設定したＮｏ.２の方が、再加熱後の表面温度は目標温度に近い値が得られた。
これに対して、Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７は電力、搬送速度の設定が不適当であったため、本発明を満足する加熱ができなかった。すなわち、Ｎｏ.５は表面温度が４５０℃未満と低く、硬さがHv200を超えた結果耐HIC性が劣っている。Ｎｏ.６、Ｎｏ.７は、表面温度が６５０℃を超えており、板厚中心温度も４５０℃を超えて加熱された。その結果、DWTT特性の劣化を生じ、発明例に比べて強度低下も顕著であった。Ｎｏ.８、Ｎｏ.９は加熱条件は適正であったが、鋼板の成分が本発明の範囲を外れているため、耐HIC性またはDWTT特性が劣っている。
本発明例では、誘導加熱時の鋼板の表層温度と内部温度を精度良く推定して電力設定したため、表面が目標温度を超えて過加熱されることはなく、内部温度も目標温度範囲に加熱することができた。また、誘導加熱装置で再加熱する際の搬送速度を最適化したため、次に熱処理される鋼板を誘導加熱装置前で待機させたり、圧延能率を阻害させることなく、効率的な熱処理が可能であった。
２ 鋼材
５ 誘導加熱装置
９ 温度検出器
１１ 搬送ローラ
１２ 電力供給装置
１３ 制御装置
５ 誘導加熱装置
９ 温度検出器
１１ 搬送ローラ
１２ 電力供給装置
１３ 制御装置
Claims (6)
- 質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１） - 質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力に基づいて、前記鋼板の加熱に利用されるそれぞれの誘導加熱装置の電力値の合計値が所定の値以下である電力条件に適合するかどうかを判定する電力判定ステップと、
前記電力条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１） - 質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、前記搬送速度を増加した新たな搬送速度を用いて前記演算ステップ、判定ステップ、判定処理ステップを前記温度条件に適合しなくなるまで繰り返して実行し、前記温度条件に適合する最終の演算に用いられた電力と搬送速度を抽出する抽出ステップと、
抽出された搬送速度で前記鋼板を搬送しつつ、抽出された電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１） - 質量％でＣ：０．０２〜０．０８％を含有し、（１）式で示されるＣｅｑの値が０．４％以下の鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼入れ後に誘導加熱装置を用いてライン上で焼戻しを行う高強度鋼板の製造方法において、
前記鋼板の搬送速度と前記誘導加熱装置に供給予定の電力とを含むデータから誘導加熱後における前記鋼板の表面温度と厚み方向内部の温度を推定する演算ステップと、
焼戻し熱処理中の鋼板表面の最高温度が４５０〜６５０℃の範囲となり、焼戻し熱処理中の鋼板中心温度が４５０℃未満となるかどうかを判定する判定ステップと、
前記温度条件に適合しない場合は、前記電力を修正して前記演算ステップと前記判定ステップとを繰り返して実行する判定処理ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、その演算に用いられた電力に基づいて、前記鋼板の加熱に利用されるそれぞれの誘導加熱装置の電力値の合計値が所定の値以下である電力条件に適合するかどうかを判定する電力判定ステップと、
前記温度条件に適合する場合は、前記搬送速度を増加した新たな搬送速度を用いて前記演算ステップ、判定ステップ、判定処理ステップを前記温度条件に適合しなくなるまで繰り返して実行し、前記温度条件に適合する最終の演算に用いられた電力と搬送速度を抽出する抽出ステップと、
抽出された搬送速度で前記鋼板を搬送しつつ、抽出された電力を前記誘導加熱装置に供給する供給ステップと、
を備えたことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５ ……（１） - 請求項３または４に記載の高強度鋼板の製造方法において、前記誘導加熱装置での加熱開始温度が確定するまでに、前記演算ステップから前記抽出ステップまでの各ステップを行って、事前に電力と搬送速度を抽出しておき、加熱開始温度が確定した時点で、前記演算ステップで予測していた加熱開始温度から前記確定した加熱開始温度への変更量に基づいて、前記事前に抽出された搬送速度を修正して新たに抽出された搬送速度とするとともに、その新たな抽出された搬送速度で電力の再計算を行って得られた電力を新たに抽出された電力とし、これらの新たに抽出された搬送速度と新たに抽出された電力を用いて前記供給ステップを行うことを特徴とする高強度鋼板の製造方法。
- 鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高強度鋼板の製造方法。
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