JP6720894B2 - 鋼板の冷却方法および鋼板の冷却装置ならびに鋼板の製造方法 - Google Patents

鋼板の冷却方法および鋼板の冷却装置ならびに鋼板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱間圧延された高温の鋼板を、ロールにより拘束した状態で通過冷却を実施する制御冷却に関する。特に板厚が10mm以下と薄く、且つ板幅が3000mm以上厚鋼板に対して、歪の少ない鋼板を製造することができる、鋼板の冷却方法および冷却装置ならびに鋼板の製造方法に関する。
鋼板の製造に当たっては、鋼板に要求される機械的性質、特に強度と靭性を確保する必要がある。これを達成するために、圧延後の高温の鋼板をそのまま冷却したり、一旦室温まで空冷して、オフラインで再加熱・焼入れしたりする作業が行われる。この冷却では、鋼板に要求される材質上の特性を確保するために、冷却速度を大きくすることが必要である。同時に、材質の均一性を確保し、冷却時の歪み(冷却歪)の発生を抑制するために冷却が鋼板面全体にわたって均一に行われることが重要である。冷却歪が発生した場合、冷却後の鋼板をローラー矯正機やプレスなどの矯正機を用いて平坦度を確保することが必要となるため、追加工程が発生することから納期短縮の大きな障害となる。
これに対応して、現在、鋼板の冷却は複数のロールにより鋼板を拘束し、その拘束ロール間に冷却ノズルを配置して、鋼板を通過させながら冷却する手法が広く行われており、これにより歪の少ない鋼板を製造している。
このような方法で制御冷却する理由として、通過冷却とすることで短い設備長で冷却が可能になるため、初期投資コストの抑制が可能であることが挙げられる。また、拘束ロールは冷却中の鋼板上下面や鋼板面内の温度分布の不均一に起因して発生する歪を押さえ込み、且つロール間に冷却ノズルを配置することにより、冷却装置外部に冷却水が出ないようにして、鋼板上に冷却水が滞留する事を防止している。
以上の観点から、たとえば特許文献1には、冷却後の鋼板温度分布の不均一に起因した形状不良に対して、冷却後の鋼板の温度分布の測定から鋼板に発生する残留応力を予測することで、矯正の必要可否を判断する方法が記載されている。
また、特許文献2には、水冷中に発生するC反りを抑制する観点で、拘束ロールに着目し、そのロールピッチ、鋼板厚みの関数として必要な拘束ロールの拘束力の範囲で負荷をかけることにより、平坦度のよい鋼板の製造方法について記載されている。
特許第2843273号公報 特許第3925789号公報
上記で説明したような手法により歪の少ない鋼板が製造できるようになったものの、幅方向や上下面の温度均一性を確保して冷却しても、依然として歪が発生することがある。そこで本発明者らが歪の発生について検討した結果、水冷時の鋼板幅方向の収縮による座屈変形に起因して冷却歪が発生することがわかった。座屈変形に起因する冷却歪は、板厚が薄く且つ板幅が広い鋼板の場合、上記で説明したような手法による低減効果が発現しにくく、特に板厚が10mm以下であり且つ板幅3000mm以上の鋼板の冷却時には、幅方向や上下面の温度均一性を確保して冷却しても歪が発生するということがわかった。
水冷時の鋼板幅方向の収縮による座屈変形は、これまでに想定されている上下面の温度偏差による歪と異なるメカニズムであるため、従来の手法で冷却を行っても歪が発生すると考えられる。特許文献1のような鋼板の冷却後の温度分布から予測する方法では、予測した板形状よりも大きな変形が発生する。そのため予測が外れ、矯正の発生率の削減は困難である。また、特許文献2では、上下面の温度偏差起因の歪の抑制は可能であるものの、水冷時に伴う板幅収縮に起因した座屈変形は考慮してないため、板厚が薄く且つ板幅が広い領域に関して効果が発現しない。
そこで本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とし、熱間圧延後の鋼板をロールで拘束しながら冷却する制御冷却において、歪の少ない鋼板の冷却方法および鋼板の冷却装置ならびに鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の要旨は、以下の通りである。
[1]鋼板搬送方向に所定のピッチに配置される複数のロールにより鋼板を拘束した状態で搬送し、複数のロール間に配置される冷却ノズルにより鋼板の上下面に冷却水を噴射して鋼板を冷却する鋼板の冷却方法において、
下記式(1)を満足する通板速度Vで冷却することを特徴とする鋼板の冷却方法。
V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
ただし、式(1)において、
V:通板速度(m/s)
Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
L:ロールピッチ(m)
t:板厚(m)
W:板幅(m)
である。
[2]板厚tは10mm以下であることを特徴とする[1]に記載の鋼板の冷却方法。
[3]板幅Wは3000mm以上であることを特徴とする[1]または[2]に記載の鋼板の冷却方法。
[4]鋼板搬送方向に所定のピッチで配置されて、鋼板を拘束して搬送する複数のロールと、
複数のロール間に配置されて、鋼板の上下面に冷却水を噴射して鋼板を冷却する冷却ノズルと、
下記式(1)を満足するように通板速度Vを制御する制御機構と
を備えることを特徴とする鋼板の冷却装置。
V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
ただし、式(1)において、
V:通板速度(m/s)
Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
L:ロールピッチ(m)
t:板厚(m)
W:板幅(m)
である。
[5]板厚tは10mm以下であることを特徴とする[4]に記載の鋼板の冷却装置。
[6]板幅Wは3000mm以上であることを特徴とする[4]または[5]に記載の鋼板の冷却装置。
[7]熱間圧延後の鋼板を[1]〜[3]のいずれかに記載の冷却方法を用いて冷却し、鋼板を製造することを特徴とする鋼板の製造方法。
本発明によれば、歪の少ない鋼板の製造が可能となる。特に厚鋼板のオフライン熱処理に適用することでその効果を発揮できる。
図1は、本発明の鋼板の冷却装置を用いた製造設備の一部の構成を示す模式図である。 図2は、鋼板冷却時における座屈変形を説明する図であり、(a)は本発明の冷却装置の構成を示す模式図であり、(b)は鋼板冷却時における鋼板の板幅Wの変化を説明する図である。 図3は、鋼板の形状不良(耳波)の一例を示す図である。 図4は、急峻度λの定義を説明する図である。 図5は、ロールピッチLと急峻度λとの関係を示す図である。 図6は、冷却速度Cvと急峻度λとの関係を示す図である。 図7は、通板速度Vと急峻度λとの関係を示す図である。 図8は、一部の鋼板(ロールピッチL間の鋼板)を切り出した際の、座屈変形を説明する図である。 図9は、座屈係数kと、ロールピッチLと板幅Wの2乗との関係を示す図である。
まず、冷却歪の原因と考えられる水冷時の鋼板幅方向の収縮による座屈変形について説明する。図1は、本発明の鋼板の冷却装置を用いた製造設備の一部の構成を示す模式図である。圧延機ラインで製造した所定の板厚の鋼板1を、図1の製造ラインに搬送する。加熱炉10により鋼板1を所定の温度に加熱した後、複数のロール2により拘束しながら鋼板1を搬送させ、各ロール2間に設置されている複数の冷却ノズル3により冷却を行う。なお、図中の矢印は鋼板の搬送方向である。また、ロール2および冷却ノズル3は鋼板1の上下面に設置される。
図2(a)は、本発明の鋼板の冷却装置の構成を示す模式図である。図2(a)に示すように、鋼板1は搬送方向に沿って、ロール2−0、ロール2−1、…ロール2−i、ロール2−nといった、複数のロール2により上下面を拘束されている。各ロール2間には、冷却ノズル3が鋼板1の上下面にそれぞれ設置されている。
図2(b)は、鋼板冷却時における鋼板の板幅Wの変化を説明する図であり、図2(a)に示す鋼板の冷却装置内を通過する際の、鋼板1の板幅Wの変化を上から見た図である。各ロール2を通過する際の鋼板1の板幅をW、ロールピッチをLとすると、水冷により鋼板1は収縮する。例えば、ロール2−0からロール2−1へ鋼板が移動した場合、図2(b)に示すように、板幅はΔW(Δ=W−W、なお、W:ロール2−0を通過する際の板幅、W:ロール2−1を通過する際の板幅である。)だけ収縮する。このとき、板幅の広い鋼板と板幅の狭い鋼板が同じ幅となるように接合させているのと同じ状態となるため、板幅の広い部分(例えば板幅W)は大きな圧縮応力を受ける。この圧縮応力による鋼板の変形を本発明では座屈変形とよぶ。
このとき、通板速度が遅い若しくは冷却速度が速い場合は、その搬送方向に対する収縮勾配ΔW/Lが急峻となることで大きな圧縮応力が発生し、座屈変形が発生しやすくなる。また、板厚が薄く且つ板幅が広い場合は、板の剛性が低くなることで、圧縮応力による耐性が低くなり、同じく座屈変形が発生しやすくなる。
そこで、上記の板幅Wの収縮メカニズムを確認するために、実際の製造ラインにおいて、通板速度V、板厚t、板幅Wや冷却速度Cvなど様々な条件で冷却した鋼板の形状と各冷却条件との関係について調査した。具体的には、圧延機ラインで製造した板厚6mm〜10mmの鋼板1を、図1の製造ラインに搬送し、加熱炉(ハースロール加熱炉)10により950℃まで加熱したのちに、ロール2により拘束しながら、冷却ノズル3により100℃まで冷却を行った。冷却後の鋼板形状から座屈変形したかどうかの判断を行った。
図3は、形状不良が発生した鋼板の形状を示す一例の図であり、鋼板1のエッジ部にいわゆる耳波と呼ばれる形状不良が発生していた。この耳波形状の不良を、図4および下記式(2)に示す定義で表される急峻度λ(%)を用いて定量化した。なお、耳波は一ヶ所に発生するわけではなく、鋼板の両端部に複数発生する。そこで、下記式(2)におけるδ/Pの値は、鋼板両端部に発生した全ての耳波の平均値とする。
λ=(δ/P)×100・・・(2)
ただし、式(2)において、
λ:急峻度(%)
δ:波高さ
P:波ピッチ
である。
定量化した結果、形状不良が発生した鋼板の波ピッチPは0.6〜1.4m程度であった。急峻度の許容値に関しては、たとえば複数の板を溶接する際に大きな形状不良があると、鋼板が持つ変形を拘束して平らにした状態で溶接する作業などが発生することから、可能な限り急峻度は小さい方が好ましい。一般的な基準としては、波ピッチPを2mとした時に、波高さδを10mm以下とすることが要求されている。そこで、本発明では、急峻度λ=(10/2000)×100=0.5%未満を座屈変形が無いと考え、λが0.5%以上を座屈変形があると判断した。
図5は、板厚t=10mm、板幅W=3000mm、通板速度V=0.58m/s、冷却速度Cv=220℃/sとして、ロールピッチLと耳波形状の急峻度λとの関係を示す図である。ロールピッチLが短くなるほど急峻度λは小さくなることが確認された。ロールピッチLが600mm以下の場合、耳波は発生しなかった。
図6は、板厚t=10mm、板幅W=3000mm、通板速度V=0.58m/s、ロールピッチL=750mmとして、冷却速度Cvと耳波形状の急峻度λとの関係を示す図である。冷却速度Cvが小さくなるほど急峻度λは小さくなることが確認された。冷却速度Cvが110℃/s以下の場合、耳波は発生しなかった。
図7は、板厚t=6mm、ロールピッチL=750mm、冷却速度Cv=300℃/sとして、板幅Wが1500mmと板幅Wが3000mmの場合の鋼板について、通板速度Vと急峻度λとの関係を示す図である。いずれの板幅であっても、通板速度Vが速いほど、急峻度λは小さくなることが確認された。また、板幅Wが1500mmでは、通板速度Vが1.8m/s以上で耳波が発生しなかった。一方、板幅Wが3000mmでは、通板速度Vが3.0m/s以上で耳波が発生しなかった。これらの結果から、同じ通板速度の場合、板幅が大きいほど形状が悪くなることが分かった。
なお、厚鋼板では板厚が厚いほど、冷却時に鋼板表面と鋼板中心において、温度差が生じる。そのため、ここでの冷却速度Cvは、板厚方向の平均温度に対する冷却速度である。
これらの知見から、座屈変形は、通板速度V、冷却速度Cv、ロールピッチL、板厚t、板幅Wに起因して発生するといえる。そこで本発明者らがさらに検討した結果、下記式(1)で表される通板速度Vを満足すれば、座屈変形が発生せず、歪の少ない鋼板を得られることがわかった。
V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
ただし、式(1)において、
V:通板速度(m/s)
Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
L:ロールピッチ(m)
t:板厚(m)
W:板幅(m)
である。
以下、上記式(1)の導出について説明する。
弾性学ハンドブック(中原ら,2001年,朝倉書店,P.264)によれば、座屈限界の圧縮応力は以下のように記載されている。
σ:座屈限界応力(MPa)
k:座屈係数
E:ヤング率(MPa)
π:円周率
ν:ポアソン比
t:板厚(m)
L:ロールピッチ(m)
W:板幅(m)
m:波数(通常1をとる)
なお、Lは弾性学ハンドブックでは板長さと記載されているが、今回はロールで拘束している系であるため、応力の方向から判断してロールピッチと読み替える。また、座屈係数kに関しては、式(4)は初等解析の一例である。実際は鋼板の拘束状態などが変化するため、この式(4)通りの座屈係数にはならない。そのため、座屈係数kは、式(4)を参考に実態に合うように適宜修正して利用されることが多い。
図8のように、一部のロール間の鋼板(ロールピッチL間の鋼板)を切り出して考えると、ロール間入側温度およびロール間出側温度から、鋼板の幅方向に及ぼす圧縮応力は以下のように記載できる。
σ:幅方向の圧縮応力(MPa)
α:線膨張率(1/℃)
E:ヤング率(MPa)
in:ロール間入側温度(℃)
out:ロール間出側温度(℃)
ロール間において、一定の冷却速度で冷却されたとすると、上記の式(5)のロール間入側温度Tinおよびロール間出側温度Toutは以下のように記載することができる。
Cv:冷却速度(℃/s)
V:通板速度(m/s)
すなわち、幅方向の圧縮応力σは次のように記載することができる。
幅方向の圧縮応力σが、座屈限界応力σよりも小さい場合は座屈しないことから、式(8)の関係式を満たせば座屈変形はしない。
式(8)を通板速度Vに対して書き直すと以下のようになる。
なお、鋼の場合は、ポアソン比ν及び熱膨張率αは固有値を持つため、定数として考えると、座屈変形しない通板速度Vは以下のように記載できる。(高温域での操業を想定し、ポアソン比ν及び熱膨張率αはそれぞれν=0.3、α=2.0×10−5で換算)
座屈係数kは、上記式(10)から導き出される下記式(11)となる。
ここで、座屈係数kはプロセス固有の値となるため、種々の実験を実機で行い、座屈係数kを実際に求めた。実際に座屈係数kを求めるべく、実験条件としては、板厚tを5〜15mm、板幅Wを3000〜5000mm、ロールピッチLを500〜750mm、通板速度を0.3〜2.0m/sとした。
一方、実際に座屈する境界の座屈定数kは、上記式(4)から、ロールピッチLと板幅Wの2乗に関係すると考えられる。先に述べたように、座屈係数kは各端部の拘束や変形条件などで式(4)の理論式からずれることがあり、例えばせん断力がある場合は(W/L)項を省略する例も存在する。そこで、今回は(W/L)項を省略した場合で実機にて実際に求めた座屈係数kと、ロールピッチLと板幅Wの2乗との関係をプロットした。その結果を図9に示す。図9において、○は急峻度λが0.5%未満であり、×は急峻度λが0.5%以上であることを示す。図9から、実際に座屈する境界の座屈定数kと急峻度λとの間に相関関係があるといえる。
図9の結果から、座屈係数kは、以下の関係で表すことができる。
k=204.3(L/W)+24.2・・・(12)
式(10)および式(12)を組み合わせることで、座屈しない通板速度Vは、下記式(1)で表すことができる。
V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
ただし、式(1)において、
V:通板速度(m/s)
Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
L:ロールピッチ(m)
t:板厚(m)
W:板幅(m)
である。
なお、ロールピッチLは機械構成から来るパラメータであるため、機械設置後は変更できないパラメータである。また、板厚t、板幅Wや冷却速度Cvは、商品の特性を決定するのに関連するパラメータであり、これも単純に変更することができない。そこで、操業上、適宜変更が可能なパラメータである通板速度Vに着目して式(1)を整理している。
上記式(1)から、座屈変形は板厚tが薄いほど、ロールピッチLが広いほど、冷却速度Cvが速いほど、板幅が広い場合、座屈変形させないためには早い通板速度Vで冷却する必要があることがわかる。ここで、ロールピッチL、冷却速度Cv、通板速度Vは冷却設備固有の値であり、板厚t、板幅Wは製品により決まる。一方、冷却速度Cvは冷却装置の冷却水の流量、通板速度Vはテーブルロールの回転数であり、それぞれ変更可能である。そこで、設計段階で予め製造品種の範囲に応じて、冷却装置のロールピッチを可能な限り短く設計しておき(たとえば500mmピッチ)、テーブルロールの回転数はなるべく早く回転するようにし(たとえば2m/s以上まで)、冷却水の流量の調整範囲も広くするように設計するのがよい。また、既存の設備を活用するなどのロールピッチLを短縮できない場合は、冷却水の流量の調整範囲を広くして、少ない流量での冷却を可能とすることで冷却速度Cvを遅くするのが有効である(たとえば、板厚10mmで100℃/s以下)。熱延鋼帯を製造するホットストリップミルや厚鋼板のオンライン制御冷却では、板厚10mmの厚みでおおよそ2.5m/s程度の通板速度となり、比較的速度が早いため、このような座屈変形は発生しにくい。一方、厚鋼板のオフライン熱処理時の冷却では、加熱炉の抽出速度と連動して水冷するため、1.0m/s程度の通板速度となるため、本発明で説明したような座屈変形が発生しやすい。
以上より、本発明では、上記式(1)を満足する通板速度Vで鋼板を冷却させることにより、冷却歪の少ない鋼板の製造が可能となる。本発明では、板厚が薄く且つ板幅が広い鋼板に関して効果が発現する。特に板厚が10mm以下および/または板幅3000mm以上の厚鋼板の冷却に好適であり、厚鋼板のオフライン熱処理に適用することができる。
図1に示す製造設備を用いて、鋼板を冷却させた。ここで、加熱炉10における加熱温度は930℃とし、板厚は座屈変形が発生しやすい板厚5mm、10mm、12mmとした。冷却ノズル3はフラットスプレーを幅方向に複数並べたものを用いた。冷却水量は変更可能であり、最大水量を噴射した場合の板厚5mmの厚鋼板の冷却速度は400℃/s、最小流量を噴射した時の冷却速度は100℃/sである。なお、冷却水量を一定として、板厚だけ変更して冷却した場合、冷却速度は板厚に逆比例する。よって、板厚10mmの場合の最大冷却速度は200℃/s、最小冷却速度は50℃/sとなる。また、ロールピッチLは各条件毎に変更した。
鋼板形状は急峻度λで判断した。急峻度λが0.5%未満を鋼板形状がフラットであると判断し、一方、急峻度λが0.5%以上を鋼板形状が座屈変形していると判断した。なお、急峻度λを求めるに際し、δ/Pは鋼板両端部に発生した全ての耳波の平均値から算出した。
結果を表1に示す。
本発明例は、式(1)で求められる通板速度Vよりも速い通板速度にて冷却している。いずれの本発明例も座屈変形は発生せずフラットな形状となった。一方、比較例はいずれも、式(1)で求められる通板速度Vよりも遅い通板速度にて冷却している。いずれの比較例もすべての条件で座屈変形が発生した。その結果、比較例の全ての鋼板は、冷却後にローラー矯正機で形状修正を行って出荷した。本発明例の全ての鋼板は、再矯正せずにそのまま出荷が可能であった。
なお、一般的な厚鋼板のオフライン熱処理装置の搬送速度制御は、加熱炉の駆動機構に影響され、搬送速度はおよそ0.02〜0.5m/s程度の速度制御が可能なものが多い。実施例の結果からもわかるように、特に板厚12mmの実験条件では、冷却速度が速くても、本発明の式(1)で求められる通板速度、すなわち搬送速度は、実機の搬送速度制御範囲に入るため、形状調整は容易である。更に板幅の狭い鋼板も、同じく本発明の式(1)で求められる通板速度、すなわち搬送速度が実機の搬送速度制御範囲に入るため、形状調整は容易である。一方、特に本発明の冷却速度制御やロールピッチの変更などは、板厚10mm以下、および/または、板幅3000mm以上の鋼板においては、本発明の式(1)で求められる通板速度、すなわち搬送速度が実機の搬送速度制御範囲外となることがある。このため、板厚10mm以下、および/または、板幅3000mm以上の鋼板に対して本発明を実施する場合には、冷却速度制御やロールピッチの変更などが必要であることが分かる。また、特に板厚5mmと薄く且つ板幅5000mmの条件では、ロールピッチを500mmと狭くするのに加えて、通板速度を2.0m/sと一般的な設備より若干早く制御することで、座屈変形が防止できることがわかる。
1 鋼板
2 ロール
2−0 ロール
2−1 ロール
2−i ロール
2−n ロール
3 冷却ノズル
10 加熱炉(ハースロール加熱炉)
δ 波高さ
P 波ピッチ

Claims (7)

  1. 鋼板搬送方向に所定のピッチに配置される複数のロールにより鋼板を拘束した状態で搬送し、複数のロール間に配置される冷却ノズルにより鋼板の上下面に冷却水を噴射して鋼板を冷却する鋼板の冷却方法において、
    下記式(1)を満足する通板速度Vで冷却することを特徴とする鋼板の冷却方法。
    V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
    ただし、式(1)において、
    V:通板速度(m/s)
    Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
    L:ロールピッチ(m)
    t:板厚(m)
    W:板幅(m)
    である。
  2. 板厚tは10mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の鋼板の冷却方法。
  3. 板幅Wは3000mm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の鋼板の冷却方法。
  4. 鋼板搬送方向に所定のピッチで配置されて、鋼板を拘束して搬送する複数のロールと、
    複数のロール間に配置されて、鋼板の上下面に冷却水を噴射して鋼板を冷却する冷却ノズルと、
    下記式(1)を満足するように通板速度Vを制御する制御機構と
    を備えることを特徴とする鋼板の冷却装置。
    V>2.21×10−5×Cv×L×t−2×(24.2+204.3×(L/W)−1・・・(1)
    ただし、式(1)において、
    V:通板速度(m/s)
    Cv:板厚方向の鋼板平均温度に対する冷却速度(℃/s)
    L:ロールピッチ(m)
    t:板厚(m)
    W:板幅(m)
    である。
  5. 板厚tは10mm以下であることを特徴とする請求項4に記載の鋼板の冷却装置。
  6. 板幅Wは3000mm以上であることを特徴とする請求項4または5に記載の鋼板の冷却装置。
  7. 熱間圧延後の鋼板を請求項1〜3のいずれかに記載の冷却方法を用いて冷却し、鋼板を製造することを特徴とする鋼板の製造方法。
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