JP5397406B2 - 厚鋼板の剪断方法および剪断機 - Google Patents

Description

本発明は厚鋼板の剪断方法および剪断機に関し、特に搬送ライン上に設けた水冷装置で冷却を行う高強度ラインパイプ用厚鋼板の剪断時に生じる鋼中残留水素に起因する剪断割れの防止に好適なものに関する。

ラインパイプ用厚鋼板は厚板分野における収益の一翼を担う重要な製品で、大量生産を特徴とし、年々高強度化している。量産にあたっては、将来的にＸ７０〜Ｘ１００グレードの安定生産を目的とした技術の確立が求められている。

高強度ラインパイプ材の量産プロセスにおける課題の一つとして、オンライン剪断時に生じる断面割れが挙げられる。断面割れは高強度材ほど発生し易く、剪断後の断面に板厚１／２部（中心部）の偏析部近傍を起点とした水平割れ及び斜め割れが生じる。特に剪断時に２〜３ｍｍ程度の深い亀裂が生じた場合、造管時に割れが拡大して重大な欠陥となるため、その抑制に十分な配慮が必要である。

剪断前における鋼板徐冷プロセスが、この剪断割れを防止する方法として有効である事は従来から知られ、剪断割れは鋼板中の水素に起因する水素脆化割れによるものであると想定されている。

特に近年、厚板はＨＣＲやＴＭＣＰを用いた製造方法が主流で、鋼中水素が十分に除去されないまま冷却され、水素過飽和の状態でシャーラインに搬送される傾向にあるため、剪断後の水素割れが発生し易い環境となっている。

鋼板徐冷により水素割れを抑制する技術として、例えば特許文献１には、特に鋼板端部において効率的な徐冷を行うための鋼板積重ね方法が開示され、特許文献２には、徐冷ボックス内に鋼板を積置きした後、減圧する事により徐冷効率向上を図る方法が開示されている。

また、特許文献３には、鋼板の降伏応力（ＹＳ）予測値を元に割れ臨界水素濃度C_thを求め、スラブ徐冷及び成品徐冷による残留水素率から最適な徐冷時間を算定する方法が開示されている。
上述した鋼板を徐冷して水素を除去する方法は水素割れを抑制する方法として、実際の鋼板製造プロセスにおいても実施されており、剪断後の水素割れ抑制にも有効と考えられている。

特開平１０−２０２３１２号公報 特開２００１−３０３１２７号公報 特開平１０−２５１７４６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている鋼板徐冷を行う方法は、冷却床上の鋼板をクレーンにより持ち上げ、徐冷場所に山積みするオフライン処理が必要で、長い処理時間を要する上に、表面疵発生等も懸念される。

更に、一般に積重ね徐冷は、板厚，冷却終了温度によって徐冷温度，徐冷時間が変化するため、十分な徐冷効果が常に得られるわけではない。

また、特許文献３記載の方法は徐冷による影響のみを考慮したものであり、鋼板の加速冷却による影響や、ある特定の温度、例えば剪断時の温度（１００〜２００℃）における鋼板水素量を予測する方法を明記したものではない。

例えば、加熱炉挿入直前のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）／鋳込み直後のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）で定義されるα，工場より出荷する直前の製品残留水素値（ｐｐｍ）／加熱炉挿入直前のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）で定義されるβで規定される残留水素率の値も、実際の水素の拡散現象を的確に評価した形で与えられたものではなく、剪断後の水素割れ発生有無を評価する方法として用いる事は出来ない。

このように、剪断後の水素割れ発生を防止するため、鋼板を徐冷して水素を除去する方法は、実操業においてはその効果が不安定で、より高強度化が予想されるラインパイプ用厚鋼板に適用できる技術とは言い難い。

そこで、本発明は、Ｘ７０〜Ｘ１００グレード高強度ラインパイプ用厚鋼板の鋼中水素に起因する剪断割れを厚鋼板の徐冷を行うことなく防止する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、水素割れが、鋼中水素と割れを開口するように作用する引張応力の重畳作用の結果であることに着目し、鋼中水素量を低減させるための徐冷を行わず、剪断面の引張残留応力を低減させることにより水素割れを防止する方法について検討した。

まず、厚鋼板スラブの場合、その内部の水素濃度分布は、過去の実測結果より図５に示すような分布であると想定される。水素濃度分布は厚鋼板の板厚中央部（x＝０）において最も高く、表裏面がほぼ０となるような拡散律速型分布となっており、制御冷却開始時から剪断時においても、この分布形状（板厚中央部で水素濃度Max）は維持されると考えられる。

一方、このような水素濃度分布を有する厚鋼板を剪断する際、剪断面には板厚方向に非常に大きい引張残留応力が生じるため、板厚中央近傍の水素と引張残留応力の相互作用により、ごく微量の水素であっても容易に水素割れが発生する。

本発明者等は、ＦＥＭ解析による剪断面歪分布より、剪断時に強加工が付与される領域が剪断時の上刃と下刃のクリアランスd（通常板厚の１０％前後）程度の領域であり、この領域に残存する歪が水素割れを助長する残留応力発生の原因となっていることを見出した。本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１ 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断機により剪断後、更に他の剪断機により剪断後の端部を剪断することを特徴とする厚鋼板の剪断方法。

２ 剪断後の端部から、前記剪断機の上刃と下刃のクリアランス量以上を前記他の剪断機により剪断除去することを特徴とする１記載の厚鋼板の剪断方法。

３ 剪断後の端部から、前記剪断機の剪断時の歪残留部分を他の剪断機により剪断除去することを特徴とする１記載の厚鋼板の剪断方法。

４ ２台の剪断機が、厚鋼板搬送ライン上に配置されている水冷装置の下流側で、前記搬送ライン上に配置されていることを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の厚鋼板の剪断方法。

５ 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断機により剪断する際、前記剪断機の上刃が、剪断方向に、その間に切欠部を有する２段で構成され、前記上刃の上段側と前記切欠部は、厚鋼板を剪断後の端部を更に、少なくとも下刃と前記上刃の下段側とのクリアランス量で切断できるように設けられていることを特徴とする厚鋼板の剪断方法。

６ 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断する剪断機であって、前記剪断機の上刃が、剪断方向に、その間に切欠部を有する２段で構成され、前記上刃の上段側と前記切欠部は、厚鋼板を剪断後の端部を更に、少なくとも下刃と前記上刃の下段側とのクリアランス量で切断できるように設けられていることを特徴とする剪断機。

本発明によれば、剪断作業前に、厚鋼板の水素除去のための徐冷が不要となるため、厚鋼板搬送ライン上に設けた水冷装置による冷却後、引き続き、オンライン上で剪断し、生産性良く大量の厚鋼板を製造することが可能となり、産業上極めて有用である。

本発明の一実施例を示す図。 本発明の他の実施例を示す図。 剪断ままと、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量を切断除去したものの残留応力を示す図。 剪断ままと、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を切断除去したものの水素割れ試験結果を示す図。 厚鋼板の板厚方向における鋼中水素量の分布状態を示す図。 剪断後の剪断方向直角断面で、（ａ）は剪断まま、（ｂ）は剪断後、剪断時の歪残留部分を除去したものを示す図。 図６の剪断方向直角断面の撮影方法を示す模式図。

本発明は、剪断面において水素に起因する割れの開口を助長する残留応力を低減することを特徴とする。

本発明では、厚鋼板を剪断機により剪断後、更に剪断後の端部を、少なくとも剪断時の歪が残留する領域、剪断時の上刃と下刃のクリアランスd（通常板厚の10％前後）程度剪断面から内側となる領域を除去するように切断する。ここで対象とする厚鋼板は、その強度や設備仕様にも依存するが、板厚６ｍｍ〜４０ｍｍ程度のものである。

前記領域は、ＦＥＭ解析による剪断面歪分布によれば、剪断時に強加工が付与される領域であり、この領域に残存する歪が水素割れを助長する残留応力発生の原因と推定される。
尚、本発明の実施は剪断機による切断でもエッジミラー等による切削でも可能であるので、本発明での切断には切削も含むものとする。

図６は、実際の高強度ラインパイプ材から採取した試験片を用いてラボ剪断実験を行った際の、剪断した後及び剪断後の端部を切断した後の断面を側方より撮影したものである（撮影位置を図７に示す。写真中の横縞模様は剪断前の鋸切断跡を示す）。

剪断試験は、熱間圧延後に水冷した材質Ｘ１００の１３．４ｍｍ（板厚）×１００ｍｍ（幅）×３２０ｍｍ（長）の矩形状の試験片及び実験用剪断機（剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ＝１．５ｍｍ）を用いて行い、剪断後に更に、前記実験用剪断機を用いて、剪断面を含む端部を前記クリアランスと同じ量：１．５ｍｍだけ切断除去した。

（ａ）は剪断まま、（ｂ）は剪断後に剪断時の歪残留部分を除去したものを示し、剪断面近傍の鋸切断跡の歪みから断面の歪状態が目視確認出来る。

図６より、剪断ままの試験片では剪断面近傍に歪が残存しているのに対し（図６（ａ））、剪断後、前記クリアランスと同じ量：１．５ｍｍだけ切断除去する切削を行った試験片は元の歪部分が完全に除去されている（図６（ｂ））。

図３は、剪断ままの試験片（図では通常刃と表記）と、剪断後に、剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量１．５ｍｍだけ端部から切断除去した試験片について、断面中央位置のX線残留応力測定を行い、残留応力測定値を等方引張応力と相当応力に分けて整理した結果を示している。

剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量を切断除去した試験片は、相当応力σ_ｅｑ、等方引張応力σ_ｓともに剪断ままの試験片より小さくなっている。特に等方引張応力σ_ｓの大幅な低減は割れ発生抑制に有効に作用すると考えられる。

図４に剪断ままの場合と、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を端部から切断除去した場合の水素割れ試験結果を示す。

試験は上述した残留応力測定試験に準じた試験片を用いて行った。最初に、剪断した断面部及び剪断後、更に剪断後の端部を切断した断面部を残した状態で短冊状サンプル（１３．４ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍ）を切り出し、得られた短冊状サンプルの断面部以外を表面研磨して水素割れ試験片として、０．２N−H_２ＳＯ_４中で陰極水素チャージ（−１．０Ｖ〔_ＶＳＳＣＥ〕）を行い、チャージ後に水素割れの有無を観察した。チャージされた水素量の測定はグリセリン置換法を用いて行った。

図より、剪断ままの場合、２ｈ程度の短いチャージ時間で割れの発生が観察され、微小な水素量でも水素割れが起こり易く、一方、剪断後，剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を切断除去した場合は、長時間（７２ｈ）のチャージ後にも割れが発生せず、剪断後の水素割れ発生抑制効果が確認された。

本発明の具体的実施例を図１に示す。図１は実機における剪断機を想定した場合の剪断面の切断方法を示し、図において１は厚鋼板、２は上剪断刃、３は下剪断刃、４は剪断機の一部を構成する鋼板押さえ台を示す。

鋼板1を上剪断刃2及び下剪断刃3により剪断時の上刃と下刃のクリアランスをｄ１として1ストローク目で剪断を行った後（図１（ａ））、切断量ｄ_２が、剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ_１以上となるように厚鋼板の位置を修正し（図１（ｂ））、2ストローク目として上剪断刃2で切断を行う（図１（ｃ））。

また、2ストローク目の切断における切断時の上刃と下刃のクリアランスｄ_１´を可能な限り小さくした方が、新たな剪断面に導入される引張残留応力が小さくなるため、ｄ_１´を小さくするように切断刃の位置調整を行う。
尚、本発明の実施においては、厚鋼板を所望する寸法に剪断する剪断機と、更に剪断後の端部を切断する剪断機の２台を配置しても良い。

図２は本発明の他の実施例を示し、図において２１は切欠部、２２は1段目の刃、２３は2段目の刃を示す（その他は図１と同じ記号とする）。剪断機が、剪断方向に２段で、その間に切欠部２１を有する上刃（段付き剪断刃）２を有することを特徴とし、1段目の刃２２で剪断を行った後、２段目の刃２３で更に、端部を剪断時の上刃２と下刃３のクリアランスｄ１と等しい量だけ切断する。

上述した構成の剪断機を用いると、最初の剪断後、厚鋼板の位置を調整したり（剪断機が１台の場合）、厚鋼板を搬送したり（剪断機が２台の場合）することが必要でなく、生産性がより向上し好ましい。

本発明は、図１，２に上述した方法以外にエッジミラー等を用いて、剪断面を所定量だけ切削する方法によっても実施可能である。尚、剪断後、更に剪断刃を用いて所定量を切断除去する場合、主な剪断変形領域は削り屑側に移行して材料側の変形が小さく、その結果、水素割れ発生を助長する残留応力は生じない。

本発明の実施においては、厚鋼板搬送ライン上に、冷却装置、加熱装置とともに剪断機を配置して、該剪断機で剪断とその後の切断を行うと生産性が向上し望ましい。これらの配置は所望する材質に応じて適宜選定する。

１ 厚鋼板
２ 上剪断刃
３ 下剪断刃
４ 鋼板押さえ台
２１ 切欠部
２２ 1段目の刃
２３ 2段目の刃

Claims (5)

1. 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断機により剪断後、更に他の剪断機により剪断後の端部を剪断することを特徴とする厚鋼板の剪断方法。
2. 剪断後の端部から、前記剪断機の上刃と下刃のクリアランス量以上を前記他の剪断機により剪断除去することを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の剪断方法。
3. 剪断後の端部から、前記剪断機の剪断時の歪残留部分を他の剪断機により剪断除去することを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の剪断方法。
4. ２台の剪断機が、厚鋼板搬送ライン上に配置されている水冷装置の下流側で、前記搬送ライン上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の厚鋼板の剪断方法。
5. 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断する剪断機であって、前記剪断機の上刃が、剪断方向に、その間に切欠部を有する２段で構成され、前記上刃の上段側と前記切欠部は、厚鋼板を剪断後の端部を更に、少なくとも下刃と前記上刃の下段側とのクリアランス量で切断できるように設けられていることを特徴とする剪断機。