JP4677685B2

JP4677685B2 - 厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法

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Publication number: JP4677685B2
Application number: JP2001178203A
Authority: JP
Inventors: 克浩竹林; 才二松岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP2002361312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原油や天然ガス等を輸送するためのパイプラインに用いられる鋼管用素材の製造に際し、とくに低温でのＤＷＴＴ(落重引裂試験、Drop weight tear test)特性に優れる厚肉の高張力熱延鋼板を製造する際の、熱間仕上圧延後の該熱延鋼帯の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原油や天然ガス等を輸送するパイプラインに用いられる大径高張力鋼管は、主としてＵＯＥ法、スパイラル造管法またはロールフォーム後電縫溶接する方法によって製造されている。このうちＵＯＥ鋼管は厚板ミルで製造される鋼板を素材とし、スパイラル鋼管および電縫鋼管は熱延鋼板を素材としている。
【０００３】
近年、パイプラインにおいては、輸送の効率を上げるために、高圧の操業が指向されている。このため、パイプラインに用いられる素材としては、強度が高くかつ板厚の厚いものが望まれている。さらに、こうした素材としては、脆性破壊に対する安全性を高めるため、脆性破壊の発生特性自体を向上させることは勿論、発生した脆性亀裂の伝播を停止させる能力に優れた素材とすることが求められている。なお、前者は、シャルピー衝撃試験の破面遷移温度やＣＴＯＤ試験で評価され、後者は、ＤＷＴＴの破面遷移温度で評価される。
【０００４】
従来、シャルピー衝撃試験の破面遷移温度とＤＷＴＴの破面遷移温度とは相関があり、ＤＷＴＴ破面遷移温度を低下させるには、結晶粒の微細化が重要であると考えられてきた。このため、例えば、熱延鋼板の製造方法として、制御圧延等の結晶粒微細化技術が発展してきたことは周知のとおりである。
【０００５】
上記熱延鋼板、とくに、低温靭性に優れた高張力熱延鋼板を製造する従来技術としては、例えば、特開平4-325626号公報に記載の方法などが既知である。この技術は、990℃以下、Ar₃変態点以上の温度域で圧下率60％以上の仕上圧延を行い、10℃/s以上の冷却速度で冷却し、500〜600℃の温度で巻き取るという方法である。すなわち、この技術は、未再結晶温度域で強度のコントロールドローリングを行うことにより結晶粒を微細化し、かつ仕上圧延後からコイラーまでのホットランテーブル上で急冷することによって、ほぼアシキュラーフェライト単相組織とし、さらに、600℃以下まで冷却することによって、組織のフェライト＋パーライト２相化を抑制して、強度低下や靭性劣化を防止する方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術は、低温靭性に優れた高張力鋼板をホットストリップミルで製造することを可能にした。しかしながら、この技術では、板厚が16mmを超えるような場合に、結晶粒の微細化により、シャルピーの破面遷移温度は低温側に移行するものの、ＤＷＴＴの破面遷移温度は必ずしも低温側には移行せず、しばしば要求特性を満たさないことがあるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、厚肉であっても低温でのＤＷＴＴ特性ならびにシャルピー衝撃特性の優れた鋼管用素材を、熱間圧延で安定して製造しうる技術を提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、厚肉材におけるＤＷＴＴ特性不良の原因を追求した結果、熱間仕上圧延後のホットランテーブル上での冷却パターンに問題があるとの知見を得、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、熱間仕上圧延後の鋼帯をコイラーに巻き取るまでの、ホットランテーブル上での該鋼帯の冷却方法において、鋼板に要求されるｖＴｒｓおよびＤＷＴＴの８５％遷移温度（以降、「ＤＷＴＴ８５」と略記する。）から、鋼帯の目標巻取温度ＣＴと許容表面最低温度Ｔｍｉｎを求め、次いで、該目標ＣＴを得るための冷却条件を決定するに際し、鋼帯の表面温度Ｔｓが許容表面最低温度Ｔｍｉｎを下回らないように冷却手段を制御することを特徴とする厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法である。
【００１０】
また、本発明における厚肉高張力熱延鋼帯とは、その板厚が16mm超えの高張力熱延鋼帯を意味する。
【００１１】
また、本発明における冷却手段を制御する方法はおよび水冷装置の使用バンクを制御する方法、水冷装置の流量を制御する方法のいずれか少なくとも一方を用いることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明においては、鋼板に要求されるｖＴｒｓおよびＤＷＴＴ８５から、鋼帯の目標巻取温度ＣＴと許容表面最低温度Ｔｍｉｎを求めるに当たり、下記の式を用いるのが好ましい。
ＤＷＴＴ８５＝ａ・ＣＴ＋ｂ・Ｔｍｉｎ＋ｃ（１）
ｖＴｒｓ＝ｄ・ＣＴ＋ｅ（２）
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明を適用するのに好適な、ホットストリップミルの設備配置列を示すものである。図示したとおり、ホットストリップミルにおける仕上圧延以降の温度制御は一般に、仕上圧延機列１の入側、出側およびコイラー３の入側に温度計４，５，６を設置し、これらの温度が目標の範囲に収まるように、各仕上圧延機のスタンド間および仕上圧延機出側テーブル２に設置された水冷装置７，８を制御することによって行われる。
たとえば、既知の技術は、仕上圧延機入側温度計４の温度（以降、「ＦＥＴ」と略記する）が990℃以下となるように圧延材を仕上ミルに進入させ、仕上圧延機列１で圧下率60％以上の圧延を行うとともに、仕上圧延機出側温度計５の温度（以降、「ＦＤＴ」と略記する）がAr₃変態点以上となるように、仕上圧延機のスタンド間の水冷装置７を調整し、さらには、コイラー入側温度計６の温度（以降、「ＣＴ」と略記する）が500〜600℃の温度となるように、ランナウトテーブル２の水冷装置８にて、10℃/s以上の冷却速度を確保しつつ冷却した後、コイラー３で巻き取るという方法である。
【００１４】
さて、発明者らは、上記の方法を前提として、種々の板厚の製造を試みた。その際、仕上圧延までは同条件とし、仕上圧延後の冷却時間、すなわち水冷装置８の冷却帯の長さを種々変化させて、鋼板の靭性に及ぼす影響を調査した。その結果、ＣＴとシャルピーの５０％破面遷移温度ｖＴｒｓとの関係を示す図３からもわかるように、ＣＴが低いほど遷移温度は低温側に移行し、靭性が向上することがわかる。ところが、ＣＴとＤＷＴＴ８５との関係は、図４に示すように、板厚によって異なる挙動を示し、板厚１３〜１６ｍｍのものでは、ＣＴの低下につれてＤＷＴＴ８５が低温側に移行するが、板厚が１８〜２１ｍｍの厚肉材に限っては、ＣＴの低下につれてＤＷＴＴ８５が逆に高温側に移行するという傾向を示した。すなわち、厚肉材の場合には、結晶粒の微細化を行えば、シャルピーの破面遷移温度は低温側に移行するが、ＤＷＴＴの破面遷移温度は必ずしも低温側に移行しないということがわかった。つまりこのことは、厚肉材を熱間圧延する場合、従来技術をそのまま適用すると、要求特性を満たさないものになるということを意味している。
【００１５】
発明者らは、上記現象について、さらに詳細に調査した。その結果、厚肉材におけるＤＷＴＴ８５は、冷却中の鋼帯表面温度に強く依存することを突き止めた。図５および図６は、仕上圧延後の鋼帯の板厚中心温度Ｔｃと表面温度Ｔｓの時間推移を、実操業の圧延・冷却条件実績をもとに計算したものである。図５は、板厚１３ｍｍ、図６は、板厚１９ｍｍの場合であり、それぞれ図４におけるプロットＡおよびＢの圧延・冷却条件に対応している。いずれも表面温度Ｔｓは、水冷によって著しく低下し、水冷終了後は復熱を示す。また、板厚中心温度Ｔｃは、水冷中は１０〜２０℃／ｓ程度の冷却速度で降下している。なお、６５０〜７００℃の間で中心温度の冷却速度が鈍化するのは、フェライト変態によるものである。
【００１６】
板厚の異なる両者の間で大きく異なる点は、表面温度Ｔsである。板厚13mmの鋼板の場合、水冷終了後の表面温度が580℃であるのに対し、板厚19mmの鋼板の場合、表面温度は480℃程度まで降下している。すなわち、巻取温度は、板厚中心部の温度を指標としていた。このため、板厚が厚い場合には、従来の冷却方法では、板厚中心部の冷却速度を確保するために、表面温度を著しく低い状態にまで冷却していたことが判明した。
【００１７】
そこで、計算から得た冷却中の鋼帯表面の最低温度と、DWTT85との関係を調査した。その結果、図７に示すように、DWTT85は、鋼帯表面の最低温度が低いほど高温側に移行し、図４に見られたような靭性の劣化現象を矛盾なく説明し得ることがわかった。
したがって、たとえば薄肉材については、巻取温度のみの管理でも有効であるが、厚肉材については、冷却中の鋼帯表面温度をも含めて管理することが必要であることがわかる。
【００１８】
鋼帯表面温度をＴｍｉｎ以下まで冷却した場合、ＤＷＴＴ８５が劣化する原因は、鋼板表面をＴｍｉｎ以下の温度まで冷却してしまうと、鋼板表面に上部ベイナイトが生成するとともに、圧延による加工組織が残存してしまうため、著しい低温脆性の劣化が生じるためと考えられる。
【００１９】
本発明は、このような知見に基いてなされたものであって、素材に要求されている靭性特性から、目標巻取温度ＣＴおよび許容表面最低温度Ｔminを求め、次いで、仕上圧延以降の冷却中の鋼帯表面温度Ｔsを予測して、表面温度Ｔsが許容表面最低温度Ｔminを下回らないように、冷却パターンを決定することを特徴とする方法である。
【００２０】
すなわち、本発明においては、まず、仕上圧延以降の鋼帯の表面温度を計算する。計算方法としては、例えば文献「板圧延の理論と実際」（社団法人日本鉄鋼協会編 1984）などに示されている差分法や、有限要素法などの一般的な解法が利用できる。オンラインで計算を行う場合には、一次元差分法が、計算機負荷などの面で有利である。
【００２１】
次に、対象とする鋼種について、靭性値に及ぼす温度の影響を定量化する。材質には上掲の要因以外にも、成分組成、ＦＥＴ、仕上圧下率、ＦＤＴ、ランナウトテーブルでの冷却速度推移（冷却パターン）などの種々の要因が影響を及ぼす。これらの要因をすべて考慮することが、厳密化する上では望ましい。しかし、例えば、対象鋼種を限定し、仕上圧延までの条件が同一であれば、下記のような簡略式の適用が可能である。
ＤＷＴＴ８５＝ａ・ＣＴ＋ｂ・Ｔｍｉｎ＋ｃ（１）
ｖＴｒｓ＝ｄ・ＣＴ＋ｅ（２）
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数である。
なお、上記（１）式のＤＷＴＴ８５および（２）式のｖＴｒｓで表わされた遷移温度は、破面率に依存する値であるが、破面率が異なっても、同様の関係式が成り立つ。
【００２２】
次に、ｖＴｒｓとＤＷＴＴ８５の双方の要求特性を満たす冷却パターンを決定する。決定ロジックの一例を、図１に示す。まず、要求された目標靭性値ｖＴｒｓとＤＷＴＴ８５から、目標ＣＴと許容表面最低温度Ｔｍｉｎを計算する。ここで、冷却設備の制御最小単位である１バンク当たりの抜熱量が把握できている場合は、ＦＤＴ、目標ＣＴと鋼帯の走行速度、板厚に応じて、必要な冷却バンクの概略数Ｎを計算でき、計算時間が短縮できる。概略数Ｎが不明な場合は、保有するバンク数以内の適当な数としても、計算負荷は大きくなるが、機能上は差し支えない。
【００２３】
さて、高靭性高強度鋼板を製造するには、フェライト変態域での冷却速度を極力大きく取ることが有利である。そこで、表面温度Ｔsが許容表面最低温度Ｔminを下回らない限りは連続的に冷却することが好ましい。よって、まずは連続的に冷却を行う場合の表面温度Ｔsを冷却バンク数から計算する。薄肉材などで、ＴsがＴminを下回らないまま必要バンク数Ｎに到達した場合は、その後、空冷としてＣＴまで計算し、ＣＴが目標範囲に入っていなければ、必要バンク数Ｎを増減して補正計算を行えばよい。ところが、厚肉材で、必要バンク数Ｎに到達する以前にＴsがＴminを下回ってしまう場合には、そのバンクを空冷として、ＴsがＴminを下回らないようにし、次のバンクで再び水冷を行うようにする。
【００２４】
なお、計算のロジックに関しては上掲のものは一例であって、他のロジックや、評価関数を用いた最適化手法などを適用してもよい。また、上記ではＴsがＴminを下回る場合に、該当バンクを空冷としたが、流量調節ができる場合には、ＴsがＴmin以上を保持できるよう流量を制御してもよい。
さらに、ここではオンラインで設定することを想定した例となっているが、あらかじめオフラインで同様の計算を行っておき、パターンを記憶させておいてもよい。また、ランナウトテーブル上に複数の温度計が配置できる場合には、それらを用いて修正を行ってもよい。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例に従って本発明による効果を説明する。
［発明例］
発明の実施の形態において紹介したのと同じ鋼種に対し、本発明を適用した。
まず、図４および図７から、DWTT85とＣＴおよびＴminとの関係式(1)の係数を求めたところ、ａ＝0.27，ｂ＝−0.77，ｃ＝235であった。また、図３より，vＴrsとＣＴの関係式(2)の係数を求めたところ、ｄ＝0.45，ｅ＝−385であった。
本材料の靭性要求値は、vＴrsは−130℃以下、DWTT85の要求値は−30℃以下であった。そこで、式(2)より、目標巻取温度ＣＴは567℃以下、また式(1)より、許容表面最低温度Ｔminは543℃であることが判明した。
次に、図１に示したロジックを用いて、冷却パターンの設定を行った。表面温度Ｔsは、第３バンク目まではＴmin以上であったが、第４バンクまで水冷すると、ＴsはＴminを下回る結果となった。そこで，第４バンクは空冷とし、引き続いて第５バンク以降の計算を同じように継続した。最終結果として、図８に示すように、第４バンク以降は１つおきに空冷と水冷を第11バンクまで繰り返す冷却パターンとなり、冷却中の鋼板表面の最低温度は560℃が得られた。
この冷却パターンに従って，圧延および冷却を実施したところ、ＣＴはほぼ目標通りの565℃となった。また鋼板の靭性特性は、vＴrsは−132℃とほぼ従来法と同じ値であったが、DWTT85は−35℃と従来法と較べて飛躍的に低温側に移行した。
以上のように、本発明例においては特定鋼種および寸法の場合について説明したが、本発明に従えば、各種の鋼種および寸法において同様の効果が得られる。
【００２６】
［比較例］
従来の方法で、仕上圧延後から連続的に冷却を行い、560℃で巻取り、板厚19mmの厚肉材を製造した。この鋼板について靭性特性を評価したところ、vＴrsは−130℃であったが、DWTT85は＋30℃と高温側に移行していた。なお、このときの冷却中の表面最低温度は480℃であり、冷却を行ったバンク数は７バンクであった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、原油や天然ガス等を輸送するためのパイプラインに用いられる厚肉鋼管用素材を製造するに当たり、仕上圧延後の冷却中の表面温度を予測し、その最低値を許容範囲に収めることにより、低温でのＤＷＴＴ特性やvＴrs特性に優れる厚肉の高張力熱延鋼板の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却パターンの決定方法例を示す流れ図である。
【図２】本発明を適用するに好適な設備列を示す図である。
【図３】巻取温度ＣＴとシャルピー50％破面遷移温度vＴrsとの関係を示す図である。
【図４】従来冷却法における巻取温度ＣＴとＤＷＴＴ85％破面遷移温度との関係を示す図である。
【図５】従来の方法により薄肉材(板厚13mm）を冷却した場合の、仕上圧延後の鋼板温度推移の計算値を示す線図である。
【図６】従来の方法により厚肉材(板厚19mm）を冷却した場合の、仕上圧延後の鋼板温度推移の計算値を示す線図である。
【図７】冷却中の鋼板表面最低温度の計算値とＤＷＴＴ85％破面遷移温度との関係を示す図である。
【図８】本発明の方法により厚肉材(板厚19mm）を冷却した場合の、仕上圧延後の鋼板温度推移の計算値を示す線図である。
【符号の説明】
１熱間仕上圧延機列
２ランナウトテーブル（ホットランテーブル）
３コイラー
４仕上圧延機入側温度計
５仕上圧延機出側温度計
６コイラー入側温度計
７仕上圧延機スタンド間冷却設備
８ランナウトテーブル冷却設備

Claims

熱間仕上圧延後の鋼帯をコイラーに巻き取るまでの、ホットランテーブル上での該鋼帯の冷却方法において、鋼板に要求されるｖＴｒｓおよびＤＷＴＴ８５％遷移温度から、鋼帯の目標巻取温度ＣＴと許容表面最低温度Ｔｍｉｎを求め、次いで、該目標ＣＴを得るための冷却条件を決定するに際し、鋼帯の表面温度Ｔｓが許容表面最低温度Ｔｍｉｎを下回らないように冷却手段を制御することを特徴とする厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法。
厚肉高張力熱延鋼帯は、その板厚が１６ｍｍ超えの厚肉材であることを特徴とする請求項１に記載の厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法。
冷却手段を制御する方法として、水冷装置の使用バンクを制御する方法および水冷装置の流量を制御する方法のいずれか少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法。
鋼板に要求されるｖＴｒｓおよびＤＷＴＴ８５％遷移温度から、鋼帯の目標巻取温度ＣＴと許容表面最低温度Ｔｍｉｎを求めるに当たり、下記の式を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の厚肉高張力熱延鋼帯の冷却方法。
ＤＷＴＴ８５＝ａ・ＣＴ＋ｂ・Ｔｍｉｎ＋ｃ（１）
ｖＴｒｓ＝ｄ・ＣＴ＋ｅ（２）
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数、ＤＷＴＴ８５は、ＤＷＴＴ８５％遷移温度である。