JP6234871B2

JP6234871B2 - 表面疵の少ない鋼材の製造方法

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Publication number: JP6234871B2
Application number: JP2014077750A
Authority: JP
Inventors: 昌平中久保; 武田　実佳子; 実佳子武田; 伸芳近田; 浩三朗大村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: JP2015199073A

Description

本発明は、表面疵の少ない鋼材の製造方法に関し、特に鋼片を熱間圧延する前の加熱工程の加熱雰囲気を各温度域でコントロールすることにより表面疵の少ない鋼材を得る新規な方法に関する。

一般に、鋼材の表面に発生する傷はその表面品質を劣化し、またこれを取り除くためには鋼材の製造歩留まりを低下させるため、この表面疵の発生を極力抑制する必要がある。とりわけ、表面品質が厳しく要求される熱延鋼板、冷延鋼板、表面処理鋼板などの鋼板においてはその表面に形成されるヘゲ疵が大きな問題となっている。このヘゲ疵は連続鋳造で製造したスラブ表面の疵が原因であることが知られている。

従来、このスラブの表面疵の除去方法として、スラブ表面を研削する技術（特許文献1など）が知られている。しかし、この方法ではスラブ1本あたりの製造コストが増加するため量産に適した方法とは言えない。また、他の方法として、加熱炉で水分を投入することでスケールオフする技術（特許文献２など）も知られている。しかし、この方法ではスケールが厚く生成されてしまうためスケール量が増加し、製造歩留りが低下する問題がある。

特許２７７１４６０号公報特開平６−１８４６２７公報

本発明は上記のような従来技術の問題に着目してなされたものであって、生産性を阻害することなく、高歩留りで表面疵の少ない鋼材の製造方法を提供することをその課題とするものである。

この課題を解決した本発明に係る鋼材の製造方法は、Ｃ：０．０４質量％以上０．５０質量％以下、Ｓｉ:１質量％以上３質量％以下、Ｍｎ:０．１質量％以上３.０質量％以下を含有する鋼片を加熱工程により加熱した後に熱間圧延して、鋼材を製造するにあたり、前記加熱工程を温度域により下記３つに分けたとき(工程１、工程２、工程３)、各工程の加熱雰囲気におけるＯ_２濃度、Ｈ_２Ｏ濃度を下記のように保持することにより鋼材の表面疵を低減することを特徴とするものである。
工程1(温度域：鋼片装入温度〜９００℃未満)
Ｏ_２濃度：１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％未満
工程２(温度域：９００〜１１７０℃未満)
Ｏ_２濃度：１容量％以上、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％以上
工程３(温度域：１１７０℃〜鋼片抽出温度)
Ｏ_２濃度：１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％未満

また、かかる本発明に係る鋼材の製造方法は、鋼板表面のヘゲ疵を低減させる方法として特に有効な方法である。

本発明によれば、研削などの特別の疵取作業を施すことなく、熱間圧延に先立つ加熱炉での鋼片の加熱工程に工夫を加えるだけで通常のスケールオフ作業により鋼材の表面疵を効果的に除去、低減できるとともに、加熱炉で発生する全体のスケール量も抑制されるため、スケールロスが低減し、高歩留りで鋼材を製造することができるなど優れた効果を奏する。

本発明の実施例における鋼供試材の評価について説明するための酸化処理前後の供試材の模式的断面図である。

以下、本発明の内容について詳述する。
まず、本発明が採用した鋼材の表面疵の低減方法につき、その考え方、すなわち解決原理、作用などにつき、前記鋼板ヘゲ疵を例にとりその発生機構から説明する。

［鋼板のヘゲ疵の発生機構について］
通常、精錬を終えた溶鋼は、連続鋳造工程へ運ばれ、タンディッシュから鋳型に注がれる。鋳型で溶鋼を凝固させて一定の形の半製品である鋳片が作られる。連続鋳造機は、鋳型に垂直に注がれた溶鋼は冷え固まって水平方向に引き抜かれる。引き抜かれた鋳片は、所定長さにガスカットされ、熱間圧延に供する鋼片（スラブ）となる。スラブは熱間圧延に運ばれ、加熱炉で再加熱されて、１０００〜１２００℃で粗圧延、９００〜１１００℃で仕上圧延、３００〜７００℃で巻き取られて熱延鋼板となる。熱延鋼板は、その後、酸洗、冷間圧延されることで冷延鋼板となる場合、酸洗、冷延、亜鉛めっき等が施されて表面処理鋼板となる場合もある。

ヘゲ疵は、熱延鋼板、冷延鋼板、表面処理鋼板のすべてで認められる疵であり、介在物に起因するものとスラブ表面疵に起因するものに大別される。本発明では後者の表面疵に起因するものを対象とする。主なスラブ表面疵の発生機構については、以下の２点が指摘されている。鋳型の内の冷却が不均一になると、凝固収縮のムラによる応力不均一でスラブ表面に縦方向の割れが発生する。また連鋳圧延中にスラブ表面にかかる曲げ／曲げ戻し加工によってスラブ表面にヨコワレが発生する。これらのスラブ表面疵は熱間圧延で延ばされ、鋼板表面にかぶさり状のヘゲ疵を形成することになる。特に鋼成分としてＳｉを１％以上含む場合は、固液共存領域が広く凝固ムラが発生しやすくタテワレが起こりやすいのに加え、脆化温度域が広いので、連鋳圧延中の曲げ/曲げ戻し加工でヨコワレが発生しやすい。本発明はこのＳｉを１％以上を含む高Ｓｉ含有鋼を対象とする。

［本発明のヘゲ疵低減の考え方］
加熱炉でのスラブの加熱工程で酸化生成するスケールは、元の鋼表面（地鉄面）から外方に向かって成長する外方酸化層と内側に向かって成長する内方酸化層に分けることができる。ヘゲ疵は鋼表面の内側近傍に発生するため、この疵の消失に効果があるのは内方酸化層で、この成長を促進することが肝要である。本発明では、この内方酸化層を成長、発達させ、この疵の内部にこれを侵入、充填して同酸化層に疵を一体的に取り込んで、疵の消失、あるいは最少化を図るものである。一方、外方酸化層はスケールロスとなるためできるだけその成長を抑制する必要がある。Ｓｉが１％以上添加される高Ｓｉ含有鋼では、スケール/鋼界面にファイアライト(Ｆｅ_２ＳｉＯ_４)というＦｅとＳｉの複合酸疵化物が形成される。ファイアライトは約１１７０℃で液相となり、このファイアライトが液相となると外方酸化層の成長が急激に促進されるためスケールロスが大きく増加することになる。

本発明はＳｉが１％以上の高Ｓｉ含有鋼を対象（対象鋼の成分については後述）とした場合の上記ヘゲ疵の発生やスケールの生成、成長メカニズムに着目し、加熱炉での加熱（酸化）工程で、スケール層を構成する上記外方酸化層と内方酸化層のうち、内方酸化層を極力促進させ、内方酸化層内に疵の全部もしくは一部を取り込むことによって鋼（地鉄）内に形成された疵を消失、減少させ、また、歩留り低下をもたらす外方酸化層の急成長を抑制することによって全体のスケール量を減少させて歩留りを向上させ、その後の通常のスケールオフにより効率的に鋼材のヘゲ疵を除去、低減する技術思想に立脚しており、そしてこの考え方を具現化するため、同加熱工程においてその各温度域ごとにその加熱雰囲気におけるＯ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度を適切に調整、保持する手段を採用し、本発明の完成に至ったものである。

［本発明の加熱工程］
すなわち、本発明では、加熱工程をその温度域により下記の３つの工程（工程１〜工程３）分け、各工程での加熱雰囲気のＯ_２濃度、Ｈ_２Ｏ濃度を下記の条件を満たすように調整、保持してスラブなどの鋼片の加熱、酸化を実施する。
工程1(温度域：鋼片装入温度〜９００℃未満)
Ｏ_２濃度：１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％未満
工程２(温度域：９００〜１１７０℃未満)
Ｏ_２濃度：１容量％以上、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％以上
工程３(温度域：１１７０℃〜鋼片抽出温度)
Ｏ_２濃度：１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％未満

これら各工程につき説明すると、工程1は加熱炉内に鋼片を装入した時の温度から９００℃未満の温度域で、この温度域では、加熱雰囲気のＯ_２濃度を１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度を１５容量％未満に保持する。これは次の工程２での内方酸化層の成長を阻害するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３)が鋼材（鋼板）表面に生成するため、酸化を抑制するためである。Ｏ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度が上記規定範囲外の雰囲気になると、ヘマタイトが多量に生成し、工程２での内方酸化層の成長が阻まれ、スケールオフによる疵の除去、低減が不十分となる。

工程２は９００℃から１１７０℃未満の温度域で、この温度域では、加熱雰囲気のＯ_２濃度を１容量％以上、Ｈ_２Ｏ濃度を１５容量％以上に保持する。これは、加熱雰囲気のＯ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度を前工程よりも高く維持して酸化を促進することにより、内方酸化層を十分に成長させ、鋼片表面の疵を同層に取り込んで、消失、減少させるためであり、特に重要である。上記規定範囲外の雰囲気になると、内方酸化層の成長が阻害され、スケールオフによる疵の除去、低減が困難となる。なお、加熱雰囲気のＯ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度の上限については特に規定されないが、Ｏ_２濃度については２０容量％、Ｈ_２Ｏ濃度については３０容量％をそれぞれ上限とすることが好ましいといえる。

工程３は１１７０℃から鋼片の炉外抽出温度までの温度域で、この温度域においては、加熱雰囲気のＯ_２濃度を１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度を１５容量％未満に保持する。これは、１１７０℃以上の高温ではファイアライトの液相化により外方酸化層の成長が著しく促進されるため、この過剰な酸化を抑制するためである。上記規定範囲外の雰囲気になると、スケールが多量に発生し、スケールロスが増加するため、鋼材の歩留りが悪化することになる。なお、スケールロス低下、すなわち鋼材歩留り向上の観点から加熱炉における鋼片抽出温度は１３００℃以下とすることが好ましい。

また、本発明の前記各工程での加熱時間は、工程１、工程３は１０〜６０分の短時間が好ましく、工程２は６０〜２４０分の長時間が好ましい。スラブの熟熱を考えると全工程で１５０分以上の在炉時間が必要である。加熱時間はスラブの加熱炉への装入温度、スラブサイズにより適宜調整することができる。

なお、各工程での加熱雰囲気のＯ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度の調整、制御は、各温度域でのＯ_２濃度及びＨ_２Ｏ濃度を測定器で測定しておき、規定の濃度の範囲外である場合には、例えば、Ｏ_２濃度については窒素で適宜必要濃度に希釈された酸素ガスを、またＨ_２Ｏ濃度についてはミスト水や水蒸気をそれぞれ加熱炉内へ供給、添加することにより行って、規定の濃度の範囲に保持するようにすれば良い。

このような、本発明の加熱工程を経た鋼片は、圧力水などを用いてその表面に形成されたスケールを取り除いて（スケールオフ）、熱間圧延を行い、その後適宜熱処理、冷間圧延、酸洗、表面処理などを行って所望の特性を有する鋼材製品を得ることができる。本加熱工程の採用により、鋼片の表面に存在していたヘゲ疵などの表面疵は、スケール中の成長した内方酸化層に取り込まれているためスケールオフにより容易に除去、低減された高品質の鋼材を製造することができ、また外方酸化層の生成が抑制されているため全体のスケール量も少ないことから生産性に優れ、高い歩留りで同鋼材を製造することができる。

次に、本発明の対象とする鋼材の成分（鋼片の成分も同じ）について、必須元素、不純物元素及び選択元素の順にその成分範囲の規定理由を中心に説明する。本発明の対象鋼材は基本的にはこの必須元素と不可避的不純物元素からなり、必要に応じて更に後述の選択元素を一種以上含有させることができる。なお、成分の含有量の単位は質量％である（以下では単に％と表記）。

（必須元素）
「Ｓｉ:１％以上３％以下」
Ｓｉは強度を発現しつつ、延性や加工性を確保できる重要な元素であるため１％以上添加する。一方過剰添加は、溶接性、延性を損なうためその上限を３％とする。

「Ｃ：０．０４％以上０．５０％以下」
Ｃは鋼材の強度を高めるために必要な元素であり０．０４％以上添加することが好ましいが、０．５０％を超えると冷間加工性が低下する。

「Ｍｎ：０．１％以上３．０％以下」
Ｍｎは強度及び靭性を確保できる重要な元素であり高強度鋼材に最低限必要なＭｎ量としてその下限を０．１％とする。しかし過剰添加は延性を損なうためその上限を３．０％とする。

（不純物元素）
「Ｐ：０．０３％以下（０は含まない）」
Ｐは不可避的に含有される元素であるが、微量のPの存在はセメンタイトの析出を遅延し変態を抑制する。しかしながら、過剰添加は延性の劣化とめっき密着性の悪化を招くため０．０３％以下とする。

「Ｓ：０．０３％以下(０を含まない)」
Ｓは不可避的に含有される元素であるが、硫化物系介在物ＭｎＳを形成し、これが鋼材の熱間圧延時に偏析することにより鋼材を脆化させるので、０．０３％以下にすることが望ましい。

（選択元素）
「Ａｌ：０．１％以下」
Ａｌは、脱酸のため、及び焼ならし加熱の際にオーステナイト結晶粒の粗大化を防止するため、好ましくは鋼材に添加する。一方、過剰添加は効果を飽和することに加えて、結晶粒が不安定になるため、０．１％以下にする。より好ましくは０．０５％以下である。

「Ｃｒ：２％以下（０％は含まない）」
Ｃｒは鋼材および冷間鍛造品に強度を付与するために必要に応じて添加することができる。効果を発現するために好ましくは０．０１％以上添加する。しかし、多量に添加すると延性を失うので２％以下とする。

「Ｔｉ：０．１％以下」
Ｔｉは、脱酸剤として添加され、好ましくは０．０１％以上添加する。しかし、多量に添加すると靭性が低下するので０．１％以下とする。

「Ｎｉ：２％以下（０％は含まない）」
Ｎｉは焼き入れ性を向上させる元素であり、適量添加すれば、ＣＡＬ焼鈍、冷却時点でのマルテンサイト比率の増大とマルテンサイトのラス構造を微細化する作用を通じて、次工程のＣＧＬ焼鈍時における２相域再加熱-冷却処理時の焼き入れ性を良好にし、冷却後の最終的な複合組織を良好なものとし、各種整形加工性を向上させることができる。Ｎｉを微量添加することでかかる効果を得ることができるが、かかる効果を得るために好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上添加する。しかしながら高価な元素であるため、製造コストの観点から２％以下にする。好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは１．０％以下である。

「Ｃｕ：２％以下（０％は含まない）」
ＣｕもＮｉと同様に焼き入れ性を向上させる元素であり、Ｎｉと同様の作用により各種成型加工性を向上する。かかる効果を得るために好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２%以上添加する。しかしながら高価な元素であるため、製造コストの観点から２％以下にする。好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは１．０％以下である。

「Ｍｏ：２％以下（０％は含まない）」
Ｍｏは、めっき性を損ねることなく、固溶強化を図る上で重要な元素である。また、Ｎｉ、Ｃｕと同様に焼き入れ性を向上させる元素であり、Ｎｉと同様の作用により各種成型加工性を向上する。かかる効果を得るために好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上添加する。しかしながら高価な元素であるため、製造コストの観点から２％以下にする。好ましくは１．５％以下、さらに好ましくは１．０％以下とする。

「Ｂ：０．０１％以下（０％は含まない）」
Ｂは焼き入れ性を向上する効果があり、必要に応じて添加する。かかる効果を得るために好ましくは０．０００１％以上、さらに好ましくは０．０００２％以上添加する。しかしながら過剰添加するとめっき性を劣化するため、０．０１％以下とする。好ましくは０．００５％以下、さらに好ましくは０．００１％以下とする。

「Ｎｂ：１％以下（０％は含まない）」
Ｎｂは、微量の添加で微細組織を得ることができ、靭性を損なわずに高強度化を図れる元素である。かかる効果を得るために好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００５％以上添加する。しかしながら、多量添加により過剰に炭化物が生成し、マルテンサイトの堆積率減少或いはその析出強化により強度と加工性のバランスを劣化する。そのため、上限は１％とする。好ましくは０．５％以下、さらに好ましくは０．１％以下とする。

「Ｖ：１％以下（０％は含まない）」
ＶもＮｂ同様炭化物の生成する元素であり、鋼板の強度向上に寄与する。かかる効果を得るために好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００５％以上添加する。しかしながら、過剰添加は、コスト高の原因となるだけでなく、降伏点（降伏比）を上昇させて加工性を低下してしまうため、その添加量は１％以下とし、好ましくは０．５％以下、さらに好ましくは０．１％以下とする。

「Ｗ：０．３％以下（０％は含まない）」
Ｗは、析出物強化、フェライト結晶粒の成長抑制による細粒強化および再結晶の抑制を通じた転移強化により、鋼板の強度上昇に寄与する。かかる効果を得るために好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００５％以上添加する。しかしながら、過剰添加は炭窒化物の析出を過剰にし、成形性劣化を招くため上限を０．３％とする。好ましくは０．２％以下、さらに好ましくは０．１％以下とする。

「Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種または２種以上の元素：合計で０．０３％以下（０％は含まない）」
これらの元素は、脱酸に用いられる元素であり、好ましくは０．００２％以上、さらに好ましくは０．００３％以上添加する。しかしながら、０．０３％を超えて添加した場合は、成形性を劣化するのでこれ以下とする。好ましくは合計で０．０２％以下、さらに好ましくは０．０１％以下である。

（実施例）
以下に実施例を挙げて本発明の優れた効果を実証することにする。
表１に示す各種成分（鋼種Ａ〜Ｏ））の鋼を真空誘導溶解炉にて溶解・鋳造して作製した鋳塊に対して、１１００℃×１０ｈの加熱処理を施した後、鍛造（１１００℃×２ｈ：３０ｔ）、熱間圧延（１１００℃×１．５ｈ：３０ｔ⇒１０ｔ）を施した。当該熱間圧延材から、２０ｍｍ×２０ｍｍ×８ｍｍの小片サンプル（本発明の鋼片に相当）を切り出し、小片表面に０．５ｍｍ×５ｍｍ、深さ２ｍｍの人工疵を放電加工により形成して供試材とした。なお、人工疵は疵の消失状況や内方酸化層厚さを評価するための指標として設けたものである。

この供試材を、雰囲気制御可能な赤外線イメージ炉を用いて、本発明の工程１〜３に対応する各温度域（工程１：室温〜９００℃未満、工程２：９００〜１１７０℃未満、工程３：１１７０℃〜抽出温度）で炉内雰囲気の酸素（Ｏ_２）濃度、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）濃度を調整しながら加熱を実施した。この時の加熱酸化処理条件を表２に示す。なお、加熱時間については、工程１は約７分、工程２は約２０分、工程３は約５分として実施した。これは実炉におけるスラブ在炉時間とは異なり、短いが、サンプルサイズを考慮したものである。そしてこの加熱による酸化処理後の供試材についてスケールと人工疵の状態変化を光学顕微鏡により調査し、それらの評価を行った。

このスケールと疵の評価について、酸化処理前後の供試材の断面を模式的に示した図１により説明する。図１の左側の図は酸化（加熱）処理前の状態、右側の図は処理後の状態を表しているが、深さ２ｍｍの人工疵が形成された供試材は酸化処理により、その鋼（地鉄）表面の外側（上部）に外方酸化層が、またその内側（下部）には内方酸化層が生成しており、人工疵の内部空間は内方酸化層が成長、侵入し、疵の深さが減少している様子が分かる。従って、図１右側の内方酸化層厚さがある一定値以上であれば、酸化処理によって疵が実質的に消失あるいは減少したものとみなすことができる。この実施例における疵の消失状況の評価は、この内方酸化層厚さが１．０ｍｍ以上の場合を合格とし、これを下回るものは不合格とした。また、スケールの外方酸化層の評価については、その層厚さが小さいほど成長が抑制されたことを示すが、この実施例においては１．５ｍｍを基準値としてこれ以下を合格、これを超えるもの不合格とした。

表２は各鋼種の加熱処理条件と上記供試材の評価結果を合わせて示したものである。同表２から明らかなように、本発明の実施例では内層酸化層の層厚さにおいてすべて前記基準の１．０ｍｍ以上をクリアしており、且つスケールの外方酸化層の層厚さにおいても前記基準の１．５ｍｍ以下をクリアしており、優れた結果が得られているが、一方、本発明の加熱工程における条件を満たさない比較例は内層酸化層の層厚さあるいは外方酸化層の層厚さが上記基準をクリアできない結果になっていることが判明する。

本実施例の結果からも、本発明によって鋼材の表面疵を効果的に除去、低減できるとともに、加熱炉で発生する全体のスケールロスが低減し、高歩留りで表面疵の極めて少ない鋼材を製造することが可能であることが容易に理解できる。

Claims

成分組成が、Ｃ：０．０４質量％以上０．５０質量％以下、Ｓｉ：１質量％以上３質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上３．０質量％以下、Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％を含む）、Ｃｒ：２質量％以下（０質量％を含む）、Ｔｉ：０．１質量％以下（０質量％を含む）、Ｎｉ：２質量％以下（０質量％を含む）、Ｃｕ：２質量％以下（０質量％を含む）、Ｍｏ：２質量％以下（０質量％を含む）、Ｂ：０．０１質量％以下（０質量％を含む）、Ｎｂ：１質量％以下（０質量％を含む）、Ｖ：１質量％以下（０質量％を含む）、Ｗ：０．３質量％以下（０質量％を含む）、及び、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種または２種以上の元素：合計で０．０３％以下（０％は含まない）であり、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼片を加熱工程により加熱した後に熱間圧延して、鋼材を製造するにあたり、前記加熱工程を温度域により下記３つに分けたとき（工程１、工程２、工程３）、各工程の加熱雰囲気におけるＯ_２濃度、Ｈ_２Ｏ濃度を下記のように保持することにより鋼片疵を低減することを特徴とする表面疵の少ない鋼材の製造方法。
工程１（温度域：鋼片装入温度〜９００℃未満）
Ｏ_２濃度：１容量％以下、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％未満
工程２（温度域：９００〜１１７０℃未満）
Ｏ_２濃度：１容量％以上、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％以上
工程３（温度域：１１７０℃〜鋼片抽出温度）
Ｏ_２濃度：１容量％未満、Ｈ_２Ｏ濃度：１５容量％以下
前記鋼材が鋼板である請求項１に記載の製造方法。