JP6790909B2

JP6790909B2 - 熱延鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP6790909B2
Application number: JP2017032373A
Authority: JP
Inventors: 寛志多根井; 和彦西岡
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: JP2018134677A

Description

本発明は、熱延鋼板のスケール剥離、特に仕上圧延後の冷却ライン（ランナウトテーブル（ＲＯＴ））におけるスケール剥離を抑制することのできる、熱延鋼板の製造方法に関係する。

熱間圧延される高温の鋼板は、圧延のために加熱された鋼板が大気中で通板されるため、鋼板表面が酸化されて金属酸化物等からなるスケールが生成する。通常、これらのスケールはデスケーリング処理によって除去される。しかしながら、スケールは鋼板温度及び酸化性雰囲気に晒された時間に応じて成長する（非特許文献１）。そのため、いったんデスケーリングした後であっても、ランナウトテーブルに到達するまでの間にスケールが生成することがある。ランナウトテーブル上では、鋼板を冷却するために、鋼板表面に冷却水が吹き付けられる（この冷却が、ＲＯＴ冷却と呼ばれる）。この冷却水によってスケールが鋼板から剥離することがある。また、その後鋼板を巻き取る際にスケールが剥離することもある。スケールの剥離した箇所は鋼板表面の疵となり、また剥離したスケールが鋼板表面でさらに疵を生じることもある。

特許文献１は、プレス加工や曲げ加工時にスケール剥離が少ない、表面性状およびスケール密着性に優れた熱延鋼板を提供することを目的としており、具体的には、表面のスケール厚さが１０μｍ以下、かつ、スケール中のＦｅ_３Ｏ_４比率が８０％以上である熱延鋼板を提案している。特許文献１は、製品鋼板を加工する際のスケール剥離性およびスケール厚について検討しており、ＲＯＴ冷却におけるスケール剥離性やスケール厚については記載も示唆もしていない。

特開２０００−８７１８５号公報

斎藤安俊、阿竹徹、丸山俊夫編訳、「金属の高温酸化」、内田老鶴圃、２０１３年、ｐ.３２−３４、７１

本発明は、熱延鋼板の製造方法において、ＲＯＴ冷却時のスケール剥離を抑制することを課題とする。熱延鋼板の仕上圧延後の冷却ライン（ＲＯＴ）におけるスケール剥離は、鋼板表面の疵を生じる原因となるからである。

そのため、ＲＯＴ冷却時のスケール剥離を抑制するための、有効な手段が求められている。この求めに応じて、ＲＯＴにおけるスケール剥離についての研究も進められており、圧延の最終温度（ＦＴ）や冷却パターンの影響があること等が示唆されているが、そのメカニズムの詳細は不明な点も多い。

そのような状況において、本発明者は、鋭意研究の結果、ＲＯＴにおけるスケール剥離は、Ａｒ３変態温度（Ａｒ３点）におけるスケール厚が強く関係していることを見出し、ＲＯＴにおけるスケール剥離を抑制することのできる本願発明を完成させた。

本発明により以下が提供される。

［１］鋼板の熱間圧延において、Ａｒ３点以上の温度で仕上げ圧延を終了し、Ａｒ３点におけるスケール厚を、予め求めたＡｒ３点スケール厚とスケール剥離程度との関係に基づき、所定の程度のスケール剥離となるスケール厚とすることを特徴とする熱延鋼板の製造方法。
［２］前記鋼板の組成が、質量％でＣ≦０．２、Ｓｉ≦０．５、Ｍｎ≦２．０、Ｐ≦０．０４５、Ｓ≦０．０３５、Ａｌ≦０．１、その他Ｆｅ及び不可避元素である、［１］に記載の方法。
［３］前記鋼板の組成が、さらに０．２質量％以下のＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂを含む、［２］に記載の方法。

本発明により、鋼板の熱間圧延において、Ａｒ３点におけるスケール厚を適切に設定することによってＲＯＴ冷却時におけるスケール剥離を抑制することができる。その結果、鋼板表面の疵を低減することができ、表面性状に優れた鋼板を製造することができる。

図１は、熱間圧延設備の例を模式的に示す。図２は、Ａｒ３点スケール厚とスケール剥離評点の関係を示す。図３は、仕上圧延直後のスケール厚とスケール剥離評点の関係を示す。図４は、スケール厚の計算例を示す。

本発明について、より詳細に説明する。

まず、熱延鋼板の製造方法およびそこに含まれるＲＯＴ冷却について、図１を用いて説明しておく。図１は、熱間圧延設備１の例を模式的に示している。この熱間圧延設備１は、加熱したスラブＳをロールで上下に挟んで連続的に圧延し、最小１ｍｍ程度まで薄くしてこれを巻き取ることを目的とした設備である。この熱間圧延設備１は、スラブＳを加熱するための加熱炉１１と、この加熱炉１１において加熱されたスラブＳを幅方向に圧延する幅方向圧延機１６と、この幅方向に圧延されたスラブＳを上下方向から圧延して粗バーにする粗圧延機１２と、粗バーをさらに所定の厚みまで連続して熱間仕上圧延をする仕上圧延機１３と、この仕上圧延機１３により熱間仕上圧延された熱延鋼板Ｈを冷却水によりＲＯＴ冷却する冷却装置１４と、冷却装置１４によりＲＯＴ冷却された熱延鋼板Ｈをコイル状に巻き取る巻取装置１５とを備えている。

ＲＯＴ冷却される鋼板は、圧延のために加熱された鋼板であり、その高温の鋼板が大気中で通板されるため、鋼板表面が酸化されて金属酸化物等からなるスケールが生成する。通常、これらのスケールはデスケーリング処理によって除去される。例えば、粗圧延機、仕上圧延機に進入する直前の鋼板にデスケーリングを行って、圧延工程でのスケール疵の発生の低減を図ることもできる。しかしながら、スケールは鋼板温度及び酸化性雰囲気に晒された時間に応じて成長するので、いったんデスケーリングした後であっても、スケールが生成することがある。つまり、冷却装置すなわちランナウトテーブルに達するまでにスケールが生成することがある。ランナウトテーブル上では、鋼板を冷却するために、鋼板表面に冷却水が吹き付けられる（この冷却が、ＲＯＴ冷却と呼ばれる）。この冷却水によって、鋼板は温度が低下する。その冷却水によって、既に発生しているスケールが鋼板から剥離することがあり、また、その後鋼板を巻き取る際にスケールが剥離することもある。スケールの剥離した箇所は鋼板表面の疵となり、また剥離したスケールが鋼板表面でさらに疵を生じることもある。

本発明は、熱延鋼板の製造方法において、ＲＯＴ冷却時のスケール剥離を抑制することを課題の一つとしている。上記のとおり、ＲＯＴ冷却時にスケールが剥離すると、鋼板にスケール疵を生じることがあるためである。

本発明者は、ＲＯＴスケール剥離は、Ａｒ３変態温度（Ａｒ３点）におけるスケール厚が強く関係していることを見出した。

本発明者は、ＳＰＨＣ（熱延鋼板一般材）を対象としてラボでの圧延試験を行い、Ａｒ３温度におけるスケール厚と、ＲＯＴスケール剥離の程度について調査を行った。その結果、図２のように、Ａｒ３温度におけるスケール厚が厚いほど、スケールの剥離の程度が悪くなっている（スケールの剥離面積が大きくなっている）ことを知見した。これに基づいて、Ａｒ３温度におけるスケール厚を調整することにより、それに応じたスケール剥離の程度が得られることに、本発明者は想到した。例えば、Ａｒ３温度におけるスケール厚を４μｍ以下とすることにより、評点が０または１である、スケール剥離の少ない、表面性状に優れた熱延鋼板を得ることが可能である。

なお、ＲＯＴスケール剥離の程度は、ＲＯＴ冷却後の鋼板表面の剥離面積率で評価しており、剥離面積率０％のものを剥離評点０、剥離面積率０％超５％以下のものを評点１、剥離面積率５％超２５％以下のものを評点２、剥離面積率２５％超５０％以下のものを評点３、剥離面積率５０％超のものを評点４としている。剥離面積率が少ないほど、鋼板にスケール疵の低減が期待され、好ましい。ただし、最終的な製品の用途に応じて、許容される剥離面積率は適宜変化し得る。すなわち、得ようとする（達成しようとする）スケール剥離の程度は、製品の用途等に応じて、適宜設定することができるものである。

一方で、例えば、仕上圧延直後のスケール厚と、ＲＯＴスケール剥離程度を整理したところ、図３のとおりであった。図３において、仕上圧延直後のスケール厚は概ね３〜４μｍで推移しており、剥離程度との相関は見られない。また、図示しないが、ＲＯＴ冷却後の最終スケール厚と、ＲＯＴスケール剥離程度との間にも相関は見られない。

特定の理論に拘束されることを望むものではないが、Ａｒ３温度におけるスケール厚がＲＯＴスケール剥離の程度に影響することについて、以下のメカニズムが考えられる。Ａｒ３点以上の温度域では、鋼がオーステナイトの形態であって、鋼（オーステナイト）の線膨張係数がスケールのそれよりも大きい。したがって、鋼板がＡｒ３温度まで冷却される過程において、鋼（オーステナイト）の方がスケールよりも収縮し、鋼の表面に載っているスケールには圧縮応力が作用する。Ａｒ３点以下まで温度がさがると、鋼の相変態によって鋼はフェライトに変態し、オーステナイトとフェライトは充填密度が異なるため、変態に伴って鋼が膨張し、鋼の表面に載っているスケールには引張応力が作用する。ここで、スケールは、引張応力に対しては、引張応力に応じてある程度伸びることが可能であるか、またはスケールに亀裂が生じるだけであって、剥離に至ることはないと考えられる。一方で、圧縮応力がかかると、スケールはしわ寄せ状態が生じ、しわ寄せで盛り上がった箇所のスケールは鋼との密着性も低いため、容易に剥離することが考えられる。すなわち、剥離は圧縮応力によって発生すると考えることができる。また、概して、スケールの厚みが大きいほど、しわ寄せの程度は大きくなり、剥離が生じやすいと考えられる。そのため、Ａｒ３温度の時点におけるスケール厚が剥離程度と関係していると考えられる。

前記の、Ａｒ３温度におけるスケール厚とＲＯＴスケール剥離の程度の関係、は予め調査等により求めておくことができる。求めた関係に基づいて、所定の程度のスケール剥離となるスケール厚みを設定することができる。ここで、スケール剥離の所定の程度は、達成しようとするスケール剥離の程度に設定することが可能である。例えば、図２に基づけば、評点が１程度のスケール剥離を得ようとする場合、それに対応するＡｒ３点厚みとして４〜５μｍを設定すればよい。実際の鋼板の熱間圧延においても、Ａｒ３温度におけるスケール厚を、前記の所定の程度のスケール剥離となる厚みとすることにより、（当然のことながら所定の程度のスケール剥離が得られ、その結果として）表面性状に優れた熱延鋼板を得ることが可能である。

ここで、実際の鋼板のＡｒ３温度におけるスケール厚は、次のように調整してもよい。スケールは、概して、鋼板温度が高いほど成長し、またそのような高温雰囲気に曝されている時間が長いほど成長する。そのため、仕上圧延温度を制御することでスケール成長を調整することが可能であり、また、通板速度および最終圧延スタンド（仕上圧延終了地点）からＲＯＴ冷却開始位置までの距離を制御することで、冷却開始までの時間すなわちスケール成長が続く時間を、調整することが可能である。例えば、仕上圧延温度が高く、通板速度が遅く、冷却開始が遅い（仕上圧延終了地点から冷却開始地点までが遠い）ほどスケールは成長し、Ａｒ３温度でのスケールは厚くなる。したがって、これらの値を適切に設定し、Ａｒ３点におけるスケール厚がねらいの値（所定の程度のスケール剥離が得られる厚み）またはそれ以下となるように調整することで、ＲＯＴ上でのスケール剥離を抑制することができる。
なお、本発明においては、仕上げ圧延終了温度をＡｒ３温度以上とすることが前提となる。仕上圧延終了からＡｒ３温度まで冷却されるまでのスケールの厚さを調整するためである。また、前述のようにＲＯＴ冷却の冷却水によってスケールが剥離する可能性があるので、本発明においては、ＲＯＴ冷却が開始される時点での温度をＡｒ３点以下とし、この場合のＡｒ３点におけるスケールの厚さを所定厚みとすることが望ましいが、生産性や材質確保の観点から、必ずしもこのように出来ない場合がある。しかし、このような場合であっても、ＲＯＴ冷却中でのＡｒ３点のスケール厚みを本発明の範囲としておけば、Ａｒ３点以前のスケールの厚みはそれほど厚くないので、Ａｒ３点以前のＲＯＴ冷却によるスケール剥離は、生じたとしても許容範囲内である。

Ａｒ３点におけるスケール厚を求める手法について説明する。ラボでの圧延試験等であれば、Ａｒ３点におけるスケール厚の実測も可能である。しかしながら、実規模の圧延設備にいては、Ａｒ３点におけるスケール厚の測定が容易でない場合もある。そのような場合、Ａｒ３点におけるスケール厚は、最終デスケーリング以降の温度と時間の履歴から計算によって求めることができる。この計算によるＡｒ３点におけるスケール厚がねらいの値（所定の程度のスケール剥離が得られる厚み）以下となるように、仕上圧延温度、通板速度、最終圧延スタンド位置およびＲＯＴ冷却開始位置等を適切に設定することもできる。

より具体的には、以下のような計算でＡｒ３点におけるスケール厚を求めることができる。最終デスケーリングによって、それまでのスケールは除去されると考えられる。したがって、最終デスケーリング時のスケール厚は０μｍとすることができ、この時点からの経過時間と温度との関係をもとに、スケール厚を計算することができる。時間と温度との関係は、圧延条件から数値計算で求めてもよいし、実際に測定した温度を補間して求めてもよい。スケール厚は非特許文献１にあるように式（１）に従って成長するとし、各係数は予め鋼板サンプルを用いた酸化試験を実施して求めておくことができる。
ｄ^２＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）×ｔ（１）
ここで、ｄはスケール成長厚、Ｔは温度、ｔはＴである時間、Ｒは気体定数、Ａ、Ｑはラボ試験等によって求められる係数である。また、デスケーリング以降に圧延が施される場合、スケール厚も圧下率に従って均一に薄くなるとしてよい。温度履歴とそれに基づく計算スケール厚の一例を図４に示す。図４によれば、Ａｒ３温度におけるスケール厚は５μｍ程度である。

本発明は、Ａｒ３点およびその前後での鋼およびスケールの挙動に関するものである。そのため、鋼組成は主成分がＦｅであるかぎり、とくに限定はされない。ただし、鋼板の組成が、質量％でＣ≦０．２、Ｓｉ≦０．５、Ｍｎ≦２．０、Ｐ≦０．０４５、Ｓ≦０．０３５、Ａｌ≦０．１、その他Ｆｅ及び不可避元素であってもよい。以下に、各成分の限定理由について説明する。

Ｃ≦０．２
Ｃは、鋼材の強度を高める元素である。０．２％を超えると、鋼の融点の低下が著しいので、上限を０．２％とする。Ｃの上限は、好ましくは０.１２％であり、さらに好ましくは０.０５％であってもよい。下限は特に限定されないが、０．００１％未満であると、所要の強度が得られないことがあるので、下限を０．００１％としてもよい。

Ｓｉ≦０．５
Ｓｉは、鋼の強度上昇に寄与する元素であり、溶鋼の脱酸材としての役割も有するので、必要に応じて添加する。Ｓｉは、スケール/鋼界面の密着性を高める役割も果たし、０．５％を超えると、スケール剥離が生じなくなるため、本発明の適用範囲外となる。そのため、Ｓｉの上限値を０．５％としてもよい。Ｓｉの上限は、好ましくは０.３％であり、さらに好ましくは０.１％であってもよい。下限は特に限定されないが、０．００１％未満であると、所要の強度が得られないことがあるので、下限を０．００１％としてもよい。

Ｍｎ≦２．０
Ｍｎは、鋼材の強度の向上に有効な元素である。２．０％を超えると、加工性が低下するので、上限を２．０％としてもよい。Ｍｎの上限は、好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０.５％であってもよい。下限は特に限定されないが、０．１％未満では、強度が不足となることがあるので、下限を０．１％としてもよい。

Ｐ≦０．０４５
Ｐは、製鋼時、原料から不可避的に混入する元素である。Ｐは粒界偏析元素であり、０．０４５％を超えると、鋼板の冷間加工性や靭性を劣化させるため、上限を０．０４５％としてもよい。Ｐの上限は、好ましくは０.０３０％であり、さらに好ましくは０.０１０％であってもよい。下限は特に限定されないが、不可避的不純物であり、極端に低減するにはコスト等の負担が大きくなることから、下限を０．００１％以上としてもよい。

Ｓ≦０．０３５
Ｓは、製鋼時、原料から不可避的に混入する元素である。Ｓは耐食性および成形性を劣化させる元素であるため、上限を０．０３５％としてもよい。Ｓの上限は、好ましくは０.０２０％であり、さらに好ましくは０.０１０％であってもよい。下限は特に限定されないが、不可避的不純物であり、極端に低減するにはコスト等の負担が大きくなることから、下限を０．００１％以上としてもよい。

Ａｌ≦０．１
Ａｌを０．１％以下とする理由は、通常、精練時に脱酸材として用いる場合、Ａｌが含まれることは不可避であるが、０．１％を超えると酸化物の生成量が増加し、表面性状が悪化するので上限を０．１％としてもよい。Ａｌの上限は、好ましくは０.０５％であり、さらに好ましくは０.０１％であってもよい。また、下限は特に定めないが、脱酸材としてＡｌを用いるので０．００５％以上としてもよい。

前記鋼板の組成が、さらに０．２質量％以下のＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂを含んでもよい。これらの元素の添加は必要とする材質特性、特に強度向上の要望を満たすために経済的許容範囲において添加することは妨げられない。

本発明ではとくに鋼板の厚みを限定しない。つまり、本発明の鋼板は、厚さが数ｍｍ程度の薄板鋼板であってもよい。スケールは鋼板の表面で生成するものであり、鋼板の厚みに依存するものではないからである。

本発明について、以下の実施例を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定して解釈されるべきものではない。

表１に示す組成を有する、鋼材を用意した。

上記の鋼材を３５ｍｍ厚に切り出し、１２００℃に加熱したのちラボ圧延機で粗圧延および仕上圧延を施して３ｍｍまで圧延し、圧力０．７ＭＰａでラミナー冷却（ＲＯＴ冷却に相当）した。冷却終了後、鋼板表面のスケール剥離程度を観察した。仕上圧延出側温度（ＦＴ）、通板速度、空冷時間（仕上圧延終了からラミナー冷却開始までの時間）を変化させることにより、Ａｒ３温度でのスケール厚を変化させた。それらの条件と、その結果得られたＡｒ３点スケール厚および剥離評点を表２に示す。但し、Ａｒ３温度でのスケール厚は、測定温度と式(1)に基づいて計算によって求めたものである。
スケールの剥離程度は、冷却後の鋼板表面におけるスケールの剥離面積率で評価しており、剥離評点として表現している。剥離評点の基準は以下のとおりである。
剥離評点０：剥離面積率０％、
剥離評点１：剥離面積率０％超５％以下、
剥離評点２：剥離面積率５％超２５％以下、
剥離評点３：剥離面積率２５％超５０％以下、
剥離評点４：剥離面積率５０％超。

表２のデータをプロットしたものが図２のグラフである。Ａｒ３点スケール厚を４μｍ以下とすることによって、剥離評点を１以下に抑えることができることが確認された。

１熱間圧延設備
１１加熱炉
１２粗圧延機
１２ａワークロール
１２ｂ４重圧延機
１３仕上圧延機
１３ａ仕上げ圧延ロール
１４冷却装置
１５巻取装置
１６幅方向圧延機
Ｈ熱延鋼板
Ｓスラブ

Claims

鋼板の熱間圧延において、Ａｒ３点以上の温度で仕上げ圧延を終了し、Ａｒ３点におけるスケール厚を、予め求めたＡｒ３点スケール厚とスケール剥離程度との関係に基づき、所定の程度のスケール剥離となるスケール厚に調整すること、
前記鋼板の組成が、質量％でＣ≦０．２、Ｓｉ≦０．５、Ｍｎ≦２．０、Ｐ≦０．０４５、Ｓ≦０．０３５、Ａｌ≦０．１、その他Ｆｅ及び不可避元素であること、
前記スケール剥離程度は、ＲＯＴ冷却後の鋼板表面の剥離面積率で評価されること、および、
前記所定の程度のスケール剥離とは、前記剥離面積率が５％以下であること、
を特徴とする熱延鋼板の製造方法。
前記鋼板の組成が、さらに０．２質量％以下のＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂを含む、請求項１に記載の方法。