JP6717144B2 - 熱延鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱延鋼板の製造方法に関する。

熱延鋼板を製造するための熱間圧延設備による熱間圧延（鋼板温度が７００℃以上の高温で行う圧延）では、合金成分を多く含む硬質な材料の圧延が増えているため特に仕上げ圧延において圧延機にかかる負荷が大きくなる傾向がある。また圧延材の性能向上を目的として圧下率を高める場合もあり、圧延機への負荷増加傾向がさらに顕著になる。これに対して圧延機にかかる負荷を軽減するために潤滑剤を用いる技術がある。
しかしながら、潤滑剤を用いると摩擦係数が低下するため、圧延材の先端が噛み込まなくなる問題がある。

このような問題に対して特許文献１には、圧延中には潤滑剤を用い、圧延後に圧延ロールを洗浄することで圧延材の噛み込みの問題を解決することが開示されている

特許第５５７３５８３号公報

しかしながら、圧延の負荷低減と噛み込み性を両立させるために圧延のたびに潤滑剤の供給及び洗浄を繰り返すことは効率的とはいえなかった。また、負荷低減に対して潤滑剤を用いること自体、圧延の不安定の要因のひとつなっていた。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、潤滑剤に頼ることなく熱間圧延において負荷低減と噛み込み性とを両立させることができる熱延鋼板の製造方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。

本発明は、鋼板を熱間圧延して熱延鋼板を製造する方法であって、鋼板の圧延対象部位を加熱し、圧延機のワークロールに鋼板の圧延対象部位が噛み込むときにおいて、鋼板の厚さに対して表面から１０％となる部位である表層部が、鋼板の板厚中心部に対して５０℃以上高い温度とされている、熱延鋼板の製造方法である。

そのために、加熱装置の加熱部の出口における表層部と鋼板の板厚中心部との温度差をＸ（℃）とし、加熱部の出口から圧延機のワークロールに鋼板の圧延対象部位が噛み込むまでの時間をＹ（秒）としたとき、Ｙを０．２秒以上４．０秒以下とするとともに、
Ｘ≧４０＋２８・Ｙ
を満たすようにして鋼板の圧延対象部位を加熱してから圧延を行うことができる。

上記熱延鋼板の製造方法において、鋼板表面のデスケーリングは加熱の前に行うことができる。

本発明により、必ずしも潤滑剤を用いなくても、連続して行われる圧延対象部位の圧延については圧延荷重を低減して負荷を減らすことができ、鋼板の先端については噛み込み性の問題を解消することが可能である。

熱延鋼板の製造設備１の一部を模式的に示した図である。

本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。

図１は、１つの形態にかかる熱延鋼板の製造設備１（以下、「製造設備１」と記載することがある。）のうち、熱間仕上げ圧延機列１０、加熱装置２０、及びデスケーリング装置３０の部位を表した概念図である。図１では、鋼板Ｓ（例えば高張力鋼Ｓ）が紙面左（上流側、上工程側）から右（下流側、下工程側）の方向へと搬送され、紙面上下が鉛直方向である。ここではパスラインを破線で示している。上流側（上工程側）から下流側（下工程側）方向を通板方向と記載することがあり、これに直交する方向で、通板される鋼板Ｓの板幅の方向を板幅方向と記載することがある。また、図において見易さのため繰り返しとなる符号の記載は省略することがある。

図１に示すように、製造設備１は、熱間仕上げ圧延機列１０、加熱装置２０、及びデスケーリング装置３０を備えている。なお、図示および説明は省略するが、デスケーリング装置３０の上流側には、加熱炉、および粗圧延機列等が配置される。一方、熱間仕上げ圧延機列１０の下流側には鋼板冷却装置や巻き取り機等が配置されている。

本形態の熱間仕上げ圧延機列１０は、上流側から下流側に連続して配置された圧延スタンドを有している。図１には７つのスタンドを備える例を示す。第一スタンド１１〜第七スタンド１７を有し、これらが通板方向に沿って配列されている。

これらの圧延スタンドは公知の通りであり、圧延スタンドに具備される各構成要素も公知の通りである。そして、第一スタンド１１〜第七スタンド１７で最終製品において必要とされる厚さ、機械的性質、表面品質等の条件を満たすことができるように圧下率等の圧延条件が設定されている。

加熱装置２０は、圧延荷重を低減しつつ噛み込み性を確保する圧延機の上流側に配置される加熱装置である。このとき加熱装置２０と対象となる圧延機のワークロールとの間には鋼板に触れる機器や冷却媒体の噴射がないことが好ましい。これにより後で説明するような、加熱装置２０で形成した鋼板の温度状態をより確実に維持しつつ圧延ができる。本形態では加熱装置２０は第一スタンド１１の上流側に配置されており、ここではこの形態を例に説明する。ただし、本発明はこの形態に限定されることはなく、対象とする圧延機の直前に加熱装置が配置されればよい。例えば第四スタンド１４の圧延機が対象であれば第三スタンド１３と第四スタンド１４との間、第七スタンド１７の圧延機が対象であれば第六スタンド１６と第七スタンド１７との間に加熱装置２０を配置すればよい。

加熱装置２０は、加熱部として機能する誘導加熱コイル２１、及び制御手段２２を有して構成されている。

誘導加熱コイル２１は、実際に鋼板を加熱する加熱部として機能する。加熱部は、限られた時間内に必要な加熱をすることができる手段であれば特に限定されることはないが、次に説明する観点から高周波誘導加熱であることが好ましいことから本形態では誘導加熱コイルとした。後述するように本発明では鋼板の表層部と内部との間に温度差を与えるように表層部を選択的に加熱する必要がある。またこのような加熱を限られた時間で必要な昇温量で行わなくてはならない。そして、高周波誘導加熱によれば周波数を変えることにより表層の深さの程度を変更することができる。

誘導加熱には加熱コイル内に鋼板を通過させるソレノイド型とコイルの外部にある鋼板を加熱する方式がある。いずれの加熱方式もコイルと鋼板との距離が近い方が加熱効率がよく、いずれの方式を適用してもよい。ソレノイド型の誘導加熱装置で鋼板を加熱する場合、例えば３０ｋＨｚ以上の周波数を用いると表層部を選択的に加熱することが可能となる。

加熱部による加熱は鋼板の上下面に対して均等であることが望ましい。上下面に温度差が付きすぎると反りの原因となる。ただし、加熱前の段階で鋼板の上下面に温度差が付いている場合には、これを修正するように上下不均等に加熱してもよい。ソレノイド型の誘導加熱装置を適用する場合、コイルの位置を上下方向に移動させることで鋼板と上下コイルとの間の距離を不均一とし、コイルとの距離が近い方がより強く加熱される状況を作ることによって、上下の加熱配分を調整することが可能である。

また、本形態では上記の理由により利点の多い誘導加熱装置としたが、加熱部としてはこれに限定されることはなく燃焼バーナーや赤外線加熱などを加熱部に適用することができる。

本形態における１つの態様は、誘導加熱コイル２１により、鋼板Ｓの圧延対象部位が第一スタンド１１のワークロール１０ｂに噛み込まれるときにおいて、鋼板Ｓの表層部が板厚中心部に対して５０℃以上高い温度となるように加熱される。ここで「表層部」とは鋼板の厚さ方向において、表面から厚さに対して１０％となる位置を意味する。例えば３０ｍｍ厚さの鋼板であれば表面から３ｍｍの位置の温度である。そして「板厚中心部」とは板厚方向において中心となる部位である。
なお、ここで「１０％」としたのは、この領域がこれより薄いと加熱後の熱の保持が不十分となり、表面が高温の状態を保持しにくくなり、これより厚いと鋼板内部の温度上昇による特性変動が無視できなくなるためである。

上述のように鋼板Ｓの表層部が板厚中心部に対して５０℃以上高い温度で圧延される状態を実現するために、誘導加熱コイル２１の出口における、鋼板の圧延対象部位の表層部の温度と板厚中心部の温度との温度差をＸ（℃）とし、加熱装置２０の誘導加熱コイル２１の出口から第一スタンド１０ｂのワークロール１０ｂまでの通板時間をＹ（秒）としたとき、Ｙが０．２秒以上４．０秒以下の場合に、
Ｘ≧４０＋２８・Ｙ
を満たすように誘導加熱コイル２１で鋼板の対象部位を加熱することが好ましい。この式は実験や温度シミュレーションにより求めたものであるが、Ｙが上記に示す範囲であれば、表層部の熱が鋼板内部に拡散して低下する挙動がほぼ線形であることを示している。

上記の製造方法により、第一スタンド１１において潤滑剤を用いることがないために鋼板の先端における噛み込み性を確保することができるとともに、圧延負荷を軽減することが可能となる。
発明者は、圧延実験や伝熱解析等により、圧延時の表層部の温度が板厚中心部の温度に対して５０℃以上高い場合、表層部の変形抵抗は中心部に対して少なくとも１０％は低くなり、圧延荷重は５％以上も顕著に低下するという知見を得た。
これは、圧延対象部位における鋼板の表層部の温度を板厚中央部の温度に対して高くすることで、表層部のせん断降伏応力が温度が低いままの場合に比べて温度上昇の影響分低くなり、鋼板全体のせん断応力が低下するという現象が発生し、あたかも摩擦係数が低下したのと同じようなせん断応力分布となるためと考えられる。尚、表層部の最高到達温度が１３００℃を超えると、表層部のスケールが融点に達して肌荒れが生じる場合があるので、表層部の最高到達温度は１３００℃以下が望ましい。

制御手段２２は上記の条件を満たすように、誘導加熱コイル２１を制御し、鋼板が必要な温度分布を具備するようにする機器である。主な機能として板厚、板幅、通板速度、入側板温度などの情報に基づき加熱装置の出力などを制御するものである。
例えば、加熱装置入側および出側の鋼板Ｓの表面温度を測定し、その差を上述のＸ（℃）と近似することにより必要な加熱状態が得られるように加熱装置の出力を制御する形態があり得る。
より正確な制御を行うために鋼板内部の温度分布を誘導加熱や放射、熱伝導での冷却などを考慮して伝熱計算する機能を有する形態もあり得る。

例えば、ソレノイド型の誘導加熱コイルを有する加熱装置で鋼板を加熱する場合、３０ｋＨｚ以上の周波数を用いると、鋼板の圧延対象部位の表層部を選択的に加熱することが可能となる。厚さ３０ｍｍ程度の鋼板を加熱する場合、鋼板の板厚中央部の温度に対して、表層部（すなわち表面から３ｍｍの部位）の温度を１００℃以上高い温度に加熱することが可能であり、誘導加熱コイル出口から２秒程度で、熱伝導により表層部と板厚中央部との温度差は５０℃程度に半減する。これに対して、当該２秒以内に圧延すれば、表層部が中央部に比べて十分に温度が高い状態で圧延することができる。このようなことは誘導加熱や放射、熱伝導による冷却などを考慮した伝熱計算により得ることができる。本形態でも不図示の温度センサにて加熱装置２０の入側および出側の鋼板Ｓの表面温度を測定しておき、板厚、板幅、通板速度などの情報を加味して制御手段２２に備えられるプログラムに基づいて誘導加熱コイル２１の出力制御をおこなう。

このような制御をおこなう制御手段としては、特に限定されることはないが、電子回路基板を挙げることができる。当該基板は演算手段、ＲＡＭ、記憶手段、受信手段、及び出力手段を備えている。

演算手段は、いわゆるＣＰＵ（中央演算子）により構成されており、上記した各構成部材に接続され、これらを制御することができる手段である。また、記憶媒体として機能する記憶手段等に記憶された各種データベースから選択しつつ、プログラムを実行し、これに上記した熱伝導解析や誘導加熱コイルの出力指令などを含む各種演算や各種データの生成を行う手段としても機能する。

ＲＡＭは、演算手段の作業領域や一時的なデータの記憶手段として機能する構成部材であり、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、フラッシュメモリ等で構成することができ、公知のＲＡＭと同様である。

記憶手段は、上記したような演算、及び生成されるべきデータを得るための根拠となる各種プログラムやデータベースが保存される記憶媒体として機能する構成部材である。ここで、プログラムの１つとして熱伝導計算や誘導加熱コイルの条件演算のための演算プログラムを挙げることができる。また記憶手段には、プログラムの実行により得られた各種結果を保存することができてもよい。

受信手段は、外部からの情報を演算装置に適切に取り入れるための機能を有する構成部材であり、入力手段が接続される。いわゆる入力ポート、入力コネクタ等もこれに含まれる。本形態では例えば温度センサが接続され鋼板の温度情報を取り込むことができるように構成されている。

出力手段は、得られた結果のうち外部に出力すべき情報を適切に外部に出力する機能を有する構成部材であり、通信装置や表示装置等の出力装置がここに接続される。いわゆる出力ポート、出力コネクタ等もこれに含まれる。本形態では誘導加熱コイルが接続されている。

このような制御手段２２には例えばコンピュータを挙げることができる。コンピュータ本体には通常、演算装置に相当する各機器が具備されており、これに入力装置、及び出力装置を接続することができるようにも構成されている。従って制御手段２２は、誘導加熱コイル２１を制御する専用の装置である必要はなく、製造設備１を制御するコンピュータの一部であってもよい。

デスケーリング装置３０は、鋼板Ｓの表面に形成されたスケールを除去する機器である。通常デスケーリング装置３０は水を鋼板Ｓに向けて噴射することによりスケールを除去するように構成されている。本形態でもデスケーリング装置３０自体の構造は公知のものを適用することができる。
ただし、本発明では、上記したように加熱装置２０とワークロール１０ｂとの間には機器を配置しないので、デスケーリング装置３０は加熱装置２１の上流側に配置されている。

以上のような製造設備１によれば、特に加熱装置２０による鋼板Ｓの加熱態様により、潤滑剤を用いなくても、鋼板の先端についてはワークロールへの噛み込み不良を防止しつつ、連続してワークロールを通過する圧延対象部位についてはワークロールの圧延荷重を低減することができる。

次に、一つの形態の熱延鋼板の製造方法について説明する。ここでは分かり易さのため上記した製造設備１を用いて熱延鋼板を製造する過程の例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

加熱炉から抽出され、粗圧延機列で所定の厚さまで圧延された粗バーが、デスケーリング装置３０によるデスケーリングを経て熱間仕上げ圧延機列１０に供給される。

本形態では第一スタンド１１による圧延に対して加熱装置２０を適用することから、デスケーリング装置３０を経た粗バーが第一スタンド１１のワークロールに達する前に加熱装置２０にて加熱される。

加熱装置２０による加熱は次のように行われる。
制御手段２２で制御された誘導加熱コイル２１により、鋼板Ｓの圧延対象部位が第一スタンド１１のワークロール１０ｂに噛み込まれるときにおいて、鋼板Ｓの表層部が板厚中心部に対して５０℃以上高い温度となるように加熱する。

上記の状態を実現するため、鋼板の圧延対象部位の誘導加熱コイルの出口における、表層部の温度と板厚中心部の温度との温度差をＸ（℃）とし、加熱装置２０の誘導加熱コイル２１の出口から第一スタンド１０ｂのワークロール１０ｂまでの通板時間をＹ（秒）としたとき、Ｙを０．２秒以上４．０秒以下とするとともに、
Ｘ≧４０＋２８・Ｙ
を満たすように加熱する。

上記の製造方法により、第一スタンド１１において潤滑剤を用いることがないために鋼板の先端における噛み込み性を確保することができるとともに、圧延負荷を少なくとも５％以上軽減することが可能となる。
なお、必要に応じて、上記した加熱をいずれかのスタンド間でおこなってもよい。

熱間仕上圧延機の第１スタンドの直前で、鋼板表面を誘導加熱装置で加熱する実験を行った。鋼板の温度分布は放射温度計による鋼板表面の温度測定を行うとともに、内部温度は熱伝導シミュレーションにて算出した。
圧延対象としたのは、０．１％Ｃ−１．０％Ｍｎ鋼である。この鋼材のＡｅ３変態温度は約８３０℃である。本実施例は図１に示した設備を用い、表１に条件を示した。鋼材の厚さは３０ｍｍ、幅は１０００ｍｍであり、加熱装置２０の誘導加熱コイルは３０ｋＨｚのソレノイド型誘導加熱コイルである。この鋼材を熱間仕上げ圧延機１０により板厚１８ｍｍまで圧延した。仕上げ圧延機出側における鋼板の平均温度は１１５０℃とした。

結果も表１に合わせて示した。尚、表１の結果は、全て熱間圧延機の第１スタンドのものである。表１において「Ｘ」は、誘導加熱コイルの出口における表層部の温度と板厚中心部の温度との温度差である。表１において「Ｙ」は鋼板の圧延対象部位において、加熱装置の誘導加熱コイルの出口からワークロールまでの通板時間である。また、Ｘ_Ｋは鋼板の圧延対象部位がワークロールに噛み込むときにおける表層部と温度と板厚中心部の温度との温度差である。Ｘ_Ｋは噛み込み直前の材料表面の温度計測結果を用いて、温度シミュレーションを行い、噛み込み時の表面温度と内部温度の計算結果の差を算出したものである。Ｙは、加熱装置と圧延機の距離、及び圧延機入側の通板速度を基に算出した。「圧延荷重」はワークロールにかかる荷重であり、「荷重低減率」は条件１に対する荷重の低減の程度を百分率で表したものである。

表１からわかるように、条件５〜条件８においてＸ_Ｋが５０℃以上となり、このときには荷重低減率は５％以上を得ることができ、顕著な負荷低減効果があるといえる。なお、今回はいずれの条件も潤滑剤を用いない条件としているので、噛み込み性については問題が生じない例である。

このように５％以上の荷重低減率を得ることができた条件５〜８は、
０．２≦Ｙ≦４の範囲において、
Ｘ≧４０＋２８・Ｙ
の条件を満たしているが、荷重低減率が５％未満の条件２〜４は、この条件を満たしていない。

１ 熱延鋼板の製造設備
１０ 熱間仕上げ圧延機列
２０ 加熱装置

Claims (2)

1. 鋼板を熱間圧延して熱延鋼板を製造する方法であって、
   前記鋼板の圧延対象部位を加熱し、
   圧延機のワークロールに前記鋼板の前記圧延対象部位が噛み込むときにおいて、前記鋼板の厚さに対して表面から１０％となる部位である表層部が、前記鋼板の板厚中心部に対して５０℃以上高い温度とされており、
   前記鋼板の前記圧延対象部位の前記加熱では、加熱装置の加熱部の出口における前記表層部と前記鋼板の板厚中心部との温度差をＸ（℃）とし、前記加熱部の出口から前記圧延機の前記ワークロールに前記鋼板の前記圧延対象部位が噛み込むまでの時間をＹ（秒）としたとき、Ｙを０．２秒以上４．０秒以下とするとともに、
   Ｘ≧４０＋２８・Ｙ
   を満たすように前記鋼板の前記圧延対象部位を加熱してから圧延を行う、
   熱延鋼板の製造方法。
2. 鋼板表面のデスケーリングは前記加熱の前に行う請求項１に記載の熱延鋼板の製造方法。

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