JP6380669B2 - 鋼材の製造方法、鋼材の冷却装置および鋼材 - Google Patents
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Description
まず、連続鋳造によって鋳造されたブルームが1100℃以上まで再加熱された後、粗圧延、仕上げ圧延によって所定のレール形状に熱間圧延される。各圧延工程における圧延方法はカリバー圧延とユニバーサル圧延の組み合わせもしくは、カリバー圧延のみで行われ、粗圧延は複数パス、仕上げ圧延は複数パスまたは単数パス行われる。この際、レールは、熱間圧延されることで、通常50m〜200m程度の長さとなる。
熱間鋸断工程の後、冷却装置にてレールに冷却媒体(空気、水、ミストなど)が噴射されることで強制冷却が行われる(熱処理工程)。熱処理工程では、レールがクランプなどの拘束装置によって拘束され、頭部、足部、さらに必要に応じてウェブに冷却媒体が噴射される。冷却装置では通常、レールの頭部の温度が650℃以下となるまで冷却が行われる。強制冷却が完了した後、レールが拘束装置から開放され、さらに、冷却床に搬送されて100℃以下まで冷却される。
また、特許文献2には、均一に鋼材を冷却する方法として、H形鋼の加速冷却時にノズルピッチをパラメータとした式によって得られた量、H形鋼をオシレーションさせる方法が開示されている。さらに、特許文献3には、均一に鋼材を冷却する方法として、ガイドローラーの材料長手方向距離の5倍〜10倍、鋼材をオシレーションする方法が開示されている。
また、特許文献2,3に記載の方法では、冷却設備に生じた弱冷却部による冷却速度の低下を緩和させることができるが、鋼材の長手方向において冷却ヘッダ間隔で冷却速度のバラツキが生じた場合、均一な冷却速度を得ることが困難であった。このため、長手方向で硬度等の材質が均一な鋼材を製造することが困難であった。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、長手方向における材質が均一な鋼材の製造方法、鋼材の冷却装置および鋼材を提供することを目的としている。
(m−0.20)×Lh≦Lo≦(m+0.20)×Lh ・・・(1)
Lo:鋼材の搬送距離(m)
m:自然数
Lh:鋼材の長手方向における冷却部の長さ(m)
<冷却装置の構成>
まず、図1〜図3を参照して、本発明の一実施形態に係る鋼材の冷却装置2の構成について説明する。なお、本実施形態では、鋼材としてレール1を製造する。冷却装置2は、後述する熱間圧延工程または熱間鋸断工程の後に行われる熱処理工程で用いられ、高温のレール1を強制冷却する。レール1は、図2に示すように、長手方向に垂直な断面視において、幅方向に延在し、互いに上下方向に対向する頭部11および足部13と、上側に配された頭部11と下側に配された足部13とをつなぎ、上下方向に延在するウェブ部12とからなる。
頭部冷却ヘッダ21a〜21cは、数mm〜100mmピッチで配置された冷却媒体噴射出口を有し、各頭部冷却ヘッダ21a〜21cの冷却媒体噴射出口が頭部11の頭頂面(z軸正方向の端面)、頭側面(x軸正方向の両端面)にそれぞれ対向して設けられる。頭部冷却ヘッダ21a〜21cは、不図示の供給部から供給される冷却媒体を頭部11の頭頂面および頭側面に噴射することで、頭部11を強制冷却する。冷却媒体には、空気やスプレー水、ミスト等が用いられる。また、頭部冷却ヘッダ21a〜21cの冷却媒体の供給経路には、圧力測定装置211a〜211cがそれぞれ設けられ、冷却媒体の噴射圧力が監視される。
機内温度計24は、放射温度計等の非接触型の温度計であり、頭部11の頭頂面の少なくとも一か所の表面温度を測定する。
上記構成の冷却装置2は、不図示の制御部によって頭部冷却ヘッダ21a〜21cおよび足部冷却ヘッダ22から噴射される冷却媒体の噴射量が調整される。この際、制御部は、機内温度計24の測温結果を取得し、取得した測温結果に基づいて噴射量を随時調整する。
次に、本実施形態に係る鋼材の製造方法について説明する。本実施形態では、鋼材としてパーライト系のレール1を製造する。レール1としては、例えば、以下の化学成分組成からなる鋼を用いることができる。なお、化学成分に関する%表示は、特に断らない限り質量パーセントを意味する。
C:0.60%以上1.05%以下
C(炭素)は、パーライト系レールにおいて、セメンタイトを形成し硬さや強度を高め、耐摩耗性を向上させる重要な元素である。しかし、C含有量が0.60%未満ではそれらの効果が小さい。このことから、C含有量は、0.60%以上であることが好ましく、0.70%以上であることがより好ましい。一方、Cの過度の含有は、セメンタイト量の増加を招くため、硬さや強度の上昇が期待できるが、逆に延性を低下させる。また、C含有量の増加は、γ+θ域の温度範囲を拡大させ、溶接熱影響部の軟化を助長する。これらの悪影響を考慮して、C含有量は、1.05%以下であることが好ましく、0.97%以下であることがより好ましい。
Si(シリコン)は、レール材において脱酸剤およびパーライト組織強化のために添加するが、含有量が0.1%未満ではこれらの効果が小さい。このため、Siの含有量は、0.1%以上であることが好ましく、0.2%以上であることがより好ましい。一方、Siの過度の含有は、脱炭を促進させ、レール1の表面疵の生成を促進させる。このため、Si含有量は、1.5%以下であることが好ましく、1.3%以下であることがより好ましい。
Mn(マンガン)は、パーライト変態温度を低下させ、パーライトラメラー間隔を緻密にする効果があるため、レール1の内部まで高硬度を維持するために有効な元素である。しかし、Mn含有量が0.01%未満では、その効果が小さい。このため、Mn含有量は、0.01%以上であることが好ましく、0.3%以上であることがより好ましい。一方、Mn含有量が1.5%を超える場合、パーライトの平衡変態温度(TE)が低下するとともに、組織がマルテンサイト変態し易くなる。このため、Mn含有量は、1.5%以下であることが好ましく、1.3%以下であることがより好ましい。
P(リン)は、含有量が0.035%を超えると靱性や延性を低下させる。このため、P含有量を抑制することが好ましい。具体的には、P含有量は、0.035%以下であることが好ましく、0.025%以下であることがより好ましい。なお、P含有量を極力低減するために特殊な精錬などを行うと溶製時のコスト上昇を招く。このため、P含有量は、0.001%以上であることが好ましい。
S(硫黄)は、圧延方向に伸展し、延性や靱性を低下させる粗大なMnSを形成する。このため、S含有量を抑制することが好ましい。具体的には、S含有量は、0.030%以下であることが好ましく、0.015%以下であることがより好ましい。なお、S含有量を極力低減するには溶製処理時間や媒溶剤の増大など溶製時のコスト上昇が著しい。このため、S含有量は0.0005%以上であることが好ましい。
Cr(クロム)は、平衡変態温度(TE)を上昇させ、パーライトラメラー間隔の微細化に寄与して、硬度や強度を上昇させる。また、Crは、Sbとの併用効果で脱炭層の生成抑制に有効である。そのため、Cr含有量は、0.1%以上であることが好ましく、0.2%以上であることがより好ましい。一方、Cr含有量が2.0%を超える場合、溶接欠陥が発生する可能性が増加するとともに、焼き入れ性が増加し、マルテンサイトの生成が促進される。そのため、Cr含有量は、2.0%以下であることが好ましく、1.5%以下であることがより好ましい。
なお、SiおよびCrの含有量の総量は、2.0%以下であることが望ましい。SiおよびCrの含有量の総量が2.0%超となる場合、スケールの密着性が過度に増すために、スケールの剥離が阻害され、脱炭が促進される可能性があるからである。
Sb(アンチモン)は、レール鋼素材を加熱炉で加熱する際に、その加熱中の脱炭を防止するという顕著な効果を有する。特に、Sbは、Crとともに添加する際、Sbの含有量が0.005%以上で脱炭層を軽減する効果がある。このため、Sb含有量は、0.005%以上であることが好ましく、0.01%以上であることがより好ましい。一方、Sb含有量が0.5%を超えると、効果が飽和する。このため、Sb含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましい。
レール1として用いられる鋼は、上記の化学組成に加え、さらに、Cu:0.01%以上1.0%以下、Ni:0.01%以上0.5%以下、Mo:0.01%以上0.5%以下、V:0.001%以上0.15%以下およびNb:0.001%以上0.030%以下のうち1種または2種以上の元素を含有してもよい。
Cu(銅)は、固溶強化により一層の高硬度化を図ることができる元素である。また、Cuは脱炭抑制にも効果がある。この効果を期待するため、Cu含有量は、0.01%以上であることが好ましく、0.05%以上であることがより好ましい。一方、Cu含有量が1.0%を超える場合、連続鋳造時や圧延時に脆化による表面割れが生じ易くなる。このため、Cu含有量は、1.0%以下であることが好ましく、0.6%以下であることがより好ましい。
Ni(ニッケル)は、靱性や延性を向上させるのに有効な元素である。また、Niは、Cuと複合して添加することで、Cu割れを抑制するのにも有効な元素である。このため、Cuを添加する場合にはNiを添加することが望ましく、Ni含有量が0.05%以上であることがより好ましい。但し、Ni含有量が0.01%未満の場合、これらの効果が得られない。このため、Ni含有量は、0.01%以上であることが好ましい。一方、Ni含有量が0.5%を超える場合、焼き入れ性が高まり、マルテンサイトの生成が促進される。このため、Ni含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましい。
Mo(モリブデン)は、高強度化に有効な元素であるが、含有量が0.01%未満ではその効果が小さい。このため、Mo含有量は、0.01%以上であることが好ましく、0.05%以上であることがより好ましい。一方、Mo含有量が0.5%を超える場合、焼き入れ性が高まりマルテンサイトが生成されるため、靱性や延性が極端に低下する。そのため、Mo含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましい。
V(バナジウム)は、VCあるいはVNなどを形成してフェライト中へ微細に析出し、フェライトの析出強化を通して高強度化に寄与する元素ある。また、Vは、水素のトラップサイトとしても機能し、遅れ破壊を抑制する効果も期待できる。これらの効果を得るためには、V含有量は、0.001%以上であることが好ましく、0.005%以上であることがより好ましい。一方、0.15%を超えてのVの添加は、それらの効果が飽和するのに対して合金コストの上昇が甚だしい。このため、V含有量は、0.15%以下であることが好ましく、0.12%以下であることがより好ましい。
Nb(ニオブ)は、オーステナイトの未再結晶温度域を高温側に上昇させ、圧延時のオーステナイト中への加工歪の導入を促進し、これによるパーライトコロニーやブロックサイズを微細化するのに有効である。このことから、Nbは、延性や靱性向上に対して有効な元素である。これらの効果を得るためには、Nb含有量は、0.001%以上であることが好ましく、0.003%以上であることがより好ましい。一方、Nb含有量が0.030%を超える場合、ブルーム等のレール鋼素材の鋳造時における凝固過程でNb炭窒化物が晶出し、清浄性を低下させる。このため、Nb含有量は、0.030%以下であることが好ましく、0.025%以下であることがより好ましい。
次いで、加熱したブルームは、ブレイクダウン圧延機、粗圧延機および仕上圧延機でそれぞれ1パス以上圧延され、最終的に図2に示す形状のレール1へと圧延される(熱間圧延工程)。このとき、圧延後のレール1は、長手方向の長さが50m〜200m程度となり、必要があれば、熱間鋸断され、例えば25mの長さとなる(熱間鋸断工程)。なお、レール1の長手方向の長さが短い場合、その後の熱処理工程において、冷却が行われる際、意図せずとも長手方向の端面に噴射される冷却媒体の影響が出てしまう。このため、熱処理工程に用いられるレール1の長手方向の長さは、レール1の頭部11の頭頂面から足部13の下面までの高さの3倍以上とする。一方、熱処理工程に用いられるレール1の長手方向の長さの上限は、圧延長(熱間圧延工程での最大圧延長さ)とする。
この際、冷却装置2に搬送されるレール1の温度は、オーステナイト温度域であることが望ましい。鉱山用やカーブ区間用に用いられるレールは、高硬度にする必要があるため、圧延後に冷却装置2にて急速に加速させる必要がある。これは、パーライトのラメラー間隔を微細にさせることによって高硬度な組織とするためであり、変態中の過冷度を上げること、すなわち、変態中の冷却速度を上げることでこのような高硬度な組織を得ることができる。しかし、冷却装置2での冷却が行われる前にレール1の組織が変態してしまうと、自然放冷中の極めて遅い冷却速度での変態となるため、高硬度な組織を得ることができなくなる。したがって、冷却装置2にて冷却が開始される際に、レール1の温度がオーステナイト温度域以下となる場合には、レール1をオーステナイト温度域まで再加熱をした後、熱処理工程が行われることが好ましい。
(m−0.20)×Lh≦Lo≦(m+0.20)×Lh ・・・(1)
V=Lh/(T×n) ・・・(2)
以上の工程を経ることにより、長手方向における材質が均一なレール1を製造することができる。
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである
(m−0.10)×Lh≦Lo≦(m+0.10)×Lh ・・・(3)
これにより、冷却部のヘッダ単位で生じる冷却速度のバラツキをより低減させることができる。
さらに、上記実施形態では、熱処理工程において搬送部25がレール1をオシレーションさせて搬送するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、搬送部25は、レール1をオシレーションさせずにy軸正方向またはy軸負方向のいずれか一方向へのみ、搬送距離Loだけ搬送させる構成であってもよい。
(1)本発明の一態様に係る鋼材の製造方法は、鋼材の長手方向に並んで配された複数の冷却部(頭部冷却ヘッダ21a〜21c,足部冷却ヘッダ22)を有する冷却装置2にて、熱間加工後あるいは冷却・再加熱後の鋼材を冷却する際に、鋼材を、冷却装置2内で、鋼材の長手方向に(1)式を満たす搬送距離Lo(m)搬送する。
上記構成によれば、鋼材の長手方向の長さに対して、冷却装置の長さに余裕が十分にない場合でも、長い総搬送距離をとすることができる。
(3)上記(1)または(2)の構成において、鋼材は、レール材である。
上記構成によれば、長尺な鋼材であるレール材において、長手方向の材質にバラツキの少ないレール材を得ることができる。例えば、レール材が高硬度なレール1である場合、熱処理工程における冷却のバラツキを20℃以下に抑えることができ、結果として、硬度のバラツキを表面より1mmの深さ位置でHV13以下、5mmの深さ位置でHV10以下に抑えることが可能となる。
上記構成によれば、上記(1)の構成と同様な効果を得ることができる。
上記構成によれば、鋼材が長手方向に均一に冷却されるため、長手方向の材質が均一な鋼材を得ることができる。
従来例では、まず、表1に示す条件Aの化学成分組成のブルームを、連続鋳造法を用いて鋳造した。なお、ブルームの化学成分組成の残部は、実質的にFeであり、具体的には、Feおよび不可避的不純物である。
さらに、熱間圧延されたレール1を冷却装置2に搬送し、レール1を冷却した(熱処理工程)。この際、圧延姿勢ではレール1が倒立姿勢で圧延されたため、冷却装置2に搬入する際にレール1を転回させ、足部13が鉛直方向下型となり頭部11が鉛直方向上側となる図2に示す正立姿勢にさせ、クランプ23a,23bでレール1を拘束した。そして、冷却ヘッダから冷却媒体を噴射して冷却を行った。冷却をする際、冷却媒体は空気とし、冷却ヘッダ〜レール間の距離を20mmまたは50mmとした。また、特許文献1に示す通り、表層より5mmの深さ位置の670℃〜770℃における冷却速度が3℃/秒〜7℃/秒となるように、冷却媒体の噴射圧力を1.3kPa〜130kPaに設定し、機内温度計24で測温を行いながら頭部11の表面温度が530℃以下になるまで冷却を行った。
熱処理が完了した後、レール1を冷却装置2から搬出テーブル4へ取り出し、図5および図6に示すように、搬出テーブル4に設けられた出側温度計5を用いて冷却後のレール1の頭部11の表面温度を測定した。この際、出側温度計5を用いてレール1の長手方向の全長に渡って複数個所で測温を行い、測定結果の最高値と最低値とから冷却後の温度のバラツキを算出した。
しかし、冷却ヘッダ〜レール間の距離を50mmとする際、高硬度な組織を得るために冷却速度を7℃/秒にしようとすると、130kPaという1気圧を超える高圧ガスが必要となる。このため、設備コストやエネルギーコストの観点から好ましくない。以上のことから、従来例1〜9の条件では、高い冷却速度を得ながらも、長手方向に均一な材質得ることが困難であることを確認した。
実施例1では、まず、表1に示すA〜Cの化学成分組成のブルームを、連続鋳造法を用いて鋳造した。なお、ブルームの化学成分組成の残部は、実質的にFeであり、具体的には、Feおよび不可避的不純物である。
次いで、従来例と同様に、鋳造されたブルームを加熱炉にて1100℃以上に再加熱した後、加熱炉より抽出し、断面形状が最終形状となるようにブレイクダウン圧延機、粗圧延機および仕上げ圧延機を通じて熱間圧延を行った。熱間圧延では、レール1が、頭部11と足部13とが搬送台に接した倒立姿勢で圧延を行った。
熱処理が完了した後、レール1を冷却装置2から搬出テーブル4へ取り出し、図5および図6に示すように、搬出テーブル4に設けられた出側温度計5を用いて冷却後のレール1の頭部11の表面温度を測定した。この際、出側温度計5を用いてレール1の長手方向の全長に渡って複数個所で測温を行い、測定結果の最高値と最低値とから冷却後の温度のバラツキを算出した。
なお、実施例1では、比較として搬送距離Loの条件が上記実施形態と異なる比較例1についても同様に行い、製造されたレール1の材質を評価した。
実施例2および比較例2における冷却条件および材質の評価結果について、表5に示す。
一方、比較例2−1〜2−2に示す、オシレーション距離Loが冷却ヘッダの長さLhより短い条件では、温度のバラツキを20℃以下に抑えられず、硬度のバラツキが表面より1mm深さ位置でHV40以上、5mm深さ位置でHV20以上と大きくなることを確認した。
11 頭部
12 ウェブ部
13 足部
2 冷却装置
21a〜21c 頭部冷却ヘッダ
22 足部冷却ヘッダ
23a,23b クランプ
24 機内温度計
25 搬送部
24 機内温度計
3 搬入テーブル
4 搬出テーブル
5 出側温度計
Claims (3)
- 鋼材の長手方向に並んで配され、それぞれの前記長手方向の長さが0.5m以上4m以下である複数の冷却ヘッダを有する冷却装置にて、熱間加工後あるいは冷却・再加熱後の前記鋼材を冷却する際に、
前記冷却装置内で、前記鋼材の長手方向に沿った一方向および他方向の両方向に前記鋼材をオシレーションさせて搬送し、前記オシレーションの振幅を、(1)式を満たす搬送距離Lo(m)とすることを特徴とする鋼材の製造方法。
(m−0.20)×Lh≦Lo≦(m+0.20)×Lh ・・・(1)
Lo:鋼材の搬送距離(m)
m:自然数
Lh:鋼材の長手方向における冷却ヘッダの長さ(m) - 前記鋼材は、レール材であることを特徴とする請求項1に記載の鋼材の製造方法。
- 熱間加工後あるいは冷却・再加熱後の鋼材を冷却する冷却装置であって、
前記鋼材の長手方向に並んで配され、それぞれの前記長手方向の長さが0.5m以上4m以下である複数の冷却ヘッダと、
前記鋼材を前記冷却ヘッダにて冷却する際に、前記冷却装置内で、前記鋼材の長手方向に沿った一方向および他方向の両方向に前記鋼材をオシレーションさせて搬送し、前記オシレーションの振幅を、(1)式を満たす搬送距離Lo(m)とする搬送部と
を備えることを特徴とする鋼材の冷却装置。
(m−0.20)×Lh≦Lo≦(m+0.20)×Lh ・・・(1)
Lo:鋼材の搬送距離(m)
m:自然数
Lh:鋼材の長手方向における冷却ヘッダの長さ(m)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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