JP4655684B2 - 鋼板の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の熱処理方法に関し、特に、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形不具合を低減するのに好適な鋼板の熱処理方法に関するものである。

近年、厚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るようになってきている。加速冷却は、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。加速冷却においては、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させ、より微細な結晶構造を有する鋼板、すなわち、高強度、高靭性の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、スケール厚等の鋼板表面性状といった冷却時のわずかな不均一要因が鋼板の大きな温度むらを生じさせる。特に、板幅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、あるいは、残留応力による条切り時の横曲がり（条切りキャンバー）といった変形不具合が生じる可能性がある。

近年、厚鋼板製造ライン上にソレノイド型誘導加熱装置等の加熱装置を設置して、従来製造ライン通過後に改めて加熱炉に装入して行なう熱処理（焼戻し等）をオンラインで行なう試みがなされているが、その際に、上記の問題に対応するために、鋼板を２℃／ｓ以上の加熱速度で急速加熱することによって、残留応力を減少し、条切りキャンバーを軽減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２３５１１２号公報

しかし、加速冷却後の鋼板の板幅端部近傍における温度降下は非常に大きく、特許文献１に記載の技術のように、鋼板を２℃／ｓ以上で急速加熱するだけでは、鋼板の板幅方向の温度不均一を十分に解消することが難しく、条切りキャンバー等の変形不具合を的確に抑止することができない。特に、最近、鋼板の形状に対する要求精度は日々厳しくなっており、なお一層の温度不均一の解消と変形不具合の低減が望まれている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鋼板の温度不均一を解消し、条切りキャンバーに代表される鋼板の形状不具合を的確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を目的とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］ソレノイド型誘導加熱装置を用いて鋼板を複数回誘導加熱する鋼板の熱処理方法において、少なくとも最初は、電流浸透深さδが３ｍｍ以下となるように投入電力を小さくした誘導加熱を行って板幅方向の温度不均一を解消し、その後、投入電力を大きくして電流浸透深さδが３ｍｍよりも大きい誘導加熱を材質確保のために必要な回数行うとともに、前記誘導加熱における周波数を一定とし、投入電力の大きさにより前記電流浸透深さδの大きさを調整することを特徴とする鋼板の熱処理方法。

本発明によれば、鋼板の温度不均一を解消し、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形不具合を的確に低減することが可能となる。

本発明の一実施形態を以下に述べる。

誘導加熱は、１次コイル側に電流を流すことで磁界を発生させ、鋼板側に磁界にともなう誘導電流を発生させてジュール熱により加熱を行なうものである。

鋼板に流れる誘導電流の形態は加熱装置の出力や周波数、材料の物性値などの条件に左右される。誘導電流の形態を表現する代表的なものに、（１）式で示される電流浸透深さδがある。

ここで、δ：電流浸透深さ、ρ：鋼板の抵抗率、μ：比透磁率、ｆ：周波数である。

鋼板に流れる誘導電流は、図２（ａ）に示すように、表面からの距離ｘに伴って指数関数的に減少するように分布し、表面からδの位置で表層の約３７%となる。そして、表面からδまでの範囲で誘導加熱による発熱の約９０%が発生する。

通常、厚鋼板の場合δは板厚より小さく、誘導加熱による発熱は鋼板の表層近傍となるが、誘導加熱装置として、ソレノイド型誘導加熱装置を用いた場合、図２（ｂ）に示すように、鋼板１０の周辺をソレノイドコイル１１が囲むため、鋼板１０の上下面近傍のみならず、左右の側面近傍からも発熱し、板幅端部での温度降下を解消する効果が生じる。

したがって、ソレノイド型誘導加熱装置（以下、単に誘導加熱装置はソレノイド型誘導加熱装置を意味する）を用いて、（１）式で示される電流浸透深さδを小さくし、誘導加熱による発熱が板幅端部に集中するようにすれば、加速冷却によって生じた板幅端部の温度降下（板幅方向の温度不均一）を解消することが可能になる。

ここで、誘導加熱における電流浸透深さδは、（１）式より、周波数ｆ、比透磁率μ、抵抗率ρによって定まるが、一般に、誘導加熱装置の周波数ｆは固定式であり、均一な熱処理を考える場合には周波数ｆをあまり大きな値とすることができない。また、熱損失や設備費用の面からも周波数を大きくするのには限界がある。

そこで、周波数ｆを変更せずにδを小さくすることを考えた場合、比透磁率μを大きくするか、抵抗率ρを小さくすることになる。

図３は、鋼を誘導加熱した際の比透磁率μと鋼板表面の電力密度Ｗ（単位表面積当たりの投入電力）との関係を示す図であり、電力密度Ｗが小さいほど比透磁率μが大きくなっている。したがって、誘導加熱装置の投入電力を小さくするほど電流浸透深さδは小さくなり、より鋼板表面、すなわち、鋼板の板幅端部近傍での発熱割合が増加し、板幅端部の温度降下を解消する効果が大きくなる。

また、図４は、抵抗率ρと鋼板温度との関係を示す図であり、鋼板温度が低いほど抵抗率ρが小さくなる。したがって、鋼板温度が低い段階で誘導加熱するほど電流浸透深さδは小さくなり、鋼板の板幅端部近傍での発熱割合が増加し、板幅端部の温度降下を解消する効果が大きくなる。

ちなみに、これまでの試験結果等から、電流浸透深さδが３ｍｍ以下となるようにして誘導加熱すれば、加速冷却によって生じた板幅端部の温度降下を大幅に解消できることを確認している。

一方、誘導加熱装置の本来の目的である所定の材質を得るための熱処理を行うことを考えた場合、鋼板表面近傍のみが発熱すると板厚方向に材質の不均一が生じるため、電流浸透深さδをなるべく大きくする必要がある。

したがって、加速冷却後、材質確保のために誘導加熱による熱処理を行う鋼板については、温度不均一解消のための電流浸透深さδを３ｍｍ以下に小さくした誘導加熱と、材質確保のための電流浸透深さδをできるだけ大きくした誘導加熱の両者を行うことになる。

その場合、前述したように、鋼板温度が低い段階で誘導加熱するほど電流浸透深さδは小さくなり、板幅端部の温度降下を解消する効果が大きくなることから、まず最初に、投入電力を小さくして、温度不均一解消のための電流浸透深さδを３ｍｍ以下に小さくした誘導加熱（低電力誘導加熱）を必要回数行い、その後、投入電力を大きくして、材質確保のための電流浸透深さδをできるだけ大きくした誘導加熱（高電力誘導加熱）を必要回数行うようにするのが好ましい。

すなわち、誘導加熱装置が１機の場合には、鋼板をレバース搬送して複数パスの誘導加熱を行うことにして、少なくとも最初のパスは低電力誘導加熱を行い、必要なら次パス以降でも低電力誘導加熱を行った後、所定の熱処理温度が得られるまで必要パス数の高電力誘導加熱を行えばよい。

また、誘導加熱装置が直列に複数基設置されている場合には、少なくとも最初の誘導加熱装置では低電力誘導加熱を行い、必要なら次以降の誘導加熱装置でも低電力誘導加熱を行った後、それ以降の誘導加熱装置で、所定の熱処理温度が得られるまで高電力誘導加熱を行えばよい。必要に応じてレバース搬送してもよい。

ちなみに、上記における低電力誘導加熱の回数は、加速冷却後の鋼板の板幅方向温度分布に基づいて定めればよく、誘導加熱装置の近傍に温度計を設置して、その測定温度に基づいて、低電力誘導加熱の回数をフィードバックやフィードフォワードで調整するようにしてもよい。

また、電流浸透深さδが小さければ小さい程、板幅端部の温度降下を解消する効果が大きくなるので、低電力誘導加熱を行う際には、誘導加熱装置の最低電力で誘導加熱するのが好ましい。

そして、材質確保のための誘導加熱を行う必要がない鋼板については、低電力誘導加熱のみ行うようにすればよいことはいうまでもない。

このようにして、この実施形態においては、ソレノイド型誘導加熱装置を用いて、加速冷却後の鋼板を、少なくとも１回は電流浸透深さδが３ｍｍ以下となるように誘導加熱するようにしているので、鋼板の温度不均一を解消し、条切りキャンバーに代表される鋼板の変形不具合を的確に低減することが可能となる。

本発明の実施例を以下に述べる。

図１は、この実施例で用いた厚鋼板製造ラインを示すものであり、上流側から順に、仕上圧延機１と、加速冷却装置２と、誘導加熱装置群３と、熱間矯正機４を備えている。そして、誘導加熱装置群３は直列に配置された３基のソレノイド型誘導加熱装置（上流側から順に、第１誘導加熱装置３ａ、第２誘導加熱装置３ｂ、第３誘導加熱装置３ｃ）からなっている。また、誘導加熱装置群３の上流側と下流側にそれぞれ温度計５が設置されている。図中１０は鋼板である。

上記のような厚板製造ラインにおいて、寸法が板厚１５ｍｍ、板幅２５００ｍｍで、加速冷却装置２で加速冷却された後の温度が５５０℃の鋼板を、誘導加熱装置群３で熱処理温度６５０℃に誘導加熱した。その際、誘導加熱装置群３を１パスで通過させて、各誘導加熱装置３ａ〜３ｃで１回ずつの誘導加熱を行うようにした。加熱時間は約２０秒である。なお、各誘導加熱装置３ａ〜３ｃの周波数は１７００Ｈｚに固定されている。

そして、本発明法の熱処理として、第１誘導加熱装置３ａでは２ＭＷの低電力誘導加熱を行った後、目標熱処理温度６５０℃を達成できるように、第２誘導加熱装置３ｂと第３誘導加熱装置３ｃでそれぞれ約１０ＭＷの高電力誘導加熱を行った。

これに対して、従来法の熱処理として、各誘導加熱装置３ａ〜３ｃの電力を同程度にして目標熱処理温度６５０℃が達成できるように、それぞれで約８ＭＷの高電力誘導加熱を行った。

本発明法及び従来法における誘導加熱前後のワークサイド（ＷＳ）とドライブサイド（ＤＳ）の板幅端部近傍の温度偏差（板幅中央部との温度差）分布を、それぞれ図５と図６に示す。また、板幅端部位置の温度偏差の値を図７に示す。

図５〜図７で明らかなように、従来法でも若干の温度偏差解消効果はみられたが、本発明法では大幅な温度偏差解消効果が見られた。

ちなみに、本発明法において、第１誘導加熱装置３ａでの２ＭＷの低電力誘導加熱による電力密度は２００Ｗ／ｃｍ²であり、図３から比透磁率μは７となる。また、誘導加熱開始時の鋼板の温度は５００℃なので、図４から抵抗率ρは４２μΩｃｍとなる。したがって、（１）式より電流浸透深さδを計算すると、以下のように３ｍｍとなる。

一方、同様にして、従来法における第１誘導加熱装置３ａでの電流浸透深さδを計算すると、５ｍｍとなる。

これにより、電流浸透深さδが３ｍｍ以下になる誘導加熱を少なくとも１回行うことによって、大幅な温度偏差解消効果が得られることが再確認された。

さらに、板厚２５ｍｍおよび４０ｍｍの鋼板について、それぞれ本発明法の熱処理と従来法の熱処理を行った。その際の、誘導加熱前後の板幅端部位置の温度偏差と、その温度偏差の減少量（解消量）を、前述の板厚１５ｍｍの場合も含めて表１に示す。

この結果、本発明法によれば、従来法の２〜３倍程度の温度偏差解消効果があることが分かる。

そして、本発明法の熱処理を行って製造した鋼板と、従来法の熱処理を行って製造した鋼板をそれぞれ５０枚ずつ、耳切代３０ｍｍ、条切り幅１５０ｍｍで条切りを行った。なお、鋼板の板厚は１５〜４０ｍｍ、板幅は２０００〜３５００ｍｍである。

その際の板幅端部における条切りキャンバー量を図８に示す。ここでの条切りキャンバーの許容値は±１０ｍｍ／１０ｍであるが、本発明法の熱処理を行って製造した鋼板は、条切りキャンバーが全て許容値内であるのに対して、従来法の熱処理を行って製造した鋼板は、条切りキャンバーが許容値を外れたものが多数あった。

本発明の実施例において用いた厚鋼板製造ラインを示す図である。 ソレノイド型誘導加熱装置を用いた誘導加熱の説明図である。 比透磁率と鋼板表面の電力密度との関係を示す図である。 鋼板温度と抵抗率との関係を示す図である。 本発明法による誘導加熱前後の鋼板温度偏差分布を示す図である。 従来法による誘導加熱前後の鋼板温度偏差分布を示す図である。 本発明法及び従来法での板幅端部の温度偏差量を示す図である。 本発明法及び従来法での条切りキャンバー量を示す図である。

符号の説明

１ 仕上圧延機
２ 加速冷却装置
３ ソレノイド型誘導加熱装置群
３ａ 第１誘導加熱装置
３ｂ 第２誘導加熱装置
３ｃ 第３誘導加熱装置
４ 熱間矯正機
５ 温度計
１０ 鋼板
１１ ソレノイドコイル

Claims (1)

1. ソレノイド型誘導加熱装置を用いて鋼板を複数回誘導加熱する鋼板の熱処理方法において、少なくとも最初は、電流浸透深さδが３ｍｍ以下となるように投入電力を小さくした誘導加熱を行って板幅方向の温度不均一を解消し、その後、投入電力を大きくして電流浸透深さδが３ｍｍよりも大きい誘導加熱を材質確保のために必要な回数行うとともに、前記誘導加熱における周波数を一定とし、投入電力の大きさにより前記電流浸透深さδの大きさを調整することを特徴とする鋼板の熱処理方法。

Images