JP7180636B2 - 金属板の焼入れ装置及び金属板の焼入れ方法並びに鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板を連続的に通板しながら焼鈍を行う連続焼鈍設備において、金属板の板幅方向の冷却速度を常に均一にすることのできる金属板の焼入れ装置及び金属板の焼入れ方法並びに鋼板の製造方法に関する。

鋼板をはじめとする金属板の製造においては、連続焼鈍設備において、金属板を加熱後に冷却し、相変態を起こさせる等して材質の造り込みを行う。近年、自動車業界では車体の軽量化と衝突安全性の両立を目的として、薄肉化した高強度鋼板（ハイテン）の需要が増している。ハイテンの製造時には、鋼板を急速に冷却する技術が重要となる。鋼板の冷却速度が最も速い技術の１つとして、水焼入れ法が知られている。水焼入れ法では、加熱された鋼板を水中に浸漬させると同時に、水中内に設けられたスリットノズルにより冷却水を鋼板に噴射することで、鋼板の焼入れが行われる。

鋼板の焼入れ時に、鋼板の板幅方向の冷却速度が不均一になると、鋼板の引張強度が板幅方向で不均一になるという問題が生じる。このような鋼板の焼入れ時における不均一な冷却を防止するために、従来、様々な手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、浸漬水中にスリットノズルを多段に設け、各スリットノズルを金属板の通板方向に対し離間させることで、金属板の被冷却面に衝突させた冷却水の噴流を、各ノズル間の隙間からノズル後方に流出させることにより、金属板を幅方向に均一に冷却する手法が開示されている。

また特許文献２では、スリットノズルが水中内に設けられているわけではないが、スリットノズルの端部に移動可能なマスキング装置を使用することで、板幅端部に高圧の水流が直接衝突することがなくなり、板幅方向の温度むらの発生を防止できる手法が開示されている。

特開昭５９-１５３８４３号公報 特開２００７-３１９９２８号公報

スリットノズルにより噴射する冷却水を循環させて用いる場合、配管の腐食等に起因して冷却水中に錆などの異物が混入する場合がある。この異物が一定以上の大きさの場合には、異物がスリットノズルの開口部を通過できず、スリットノズルの詰まりが生じる可能性がある。

特に、スリットノズルの開口部の一部にだけ異物の詰まりが生じた場合、スリットノズルが水を板幅方向に均一に噴射することができなくなる。これにより、金属板の板幅方向の冷却速度が不均一となり、金属板の物性にむらが生じる。特許文献１及び特許文献２では、当該異物の詰まりに起因する問題については記載も示唆もされていない。

本発明は、当該問題に鑑みて完成されたものであり、スリットノズルの開口部における異物の詰まりを早期に解消することで、金属板の板幅方向の冷却速度を均一に維持できる金属板の焼入れ装置及び金属板の焼入れ方法並びに鋼板の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］金属板を液体に浸漬させて冷却する金属板の焼入れ装置であって、前記金属板を浸漬させる液体を収容した槽と、前記金属板の両面に前記液体を噴射する複数のスリットノズルを有し、少なくとも一部が前記槽の液体中に設けられた噴出装置と、前記スリットノズルの開口部について、金属板の長手方向の開口量を変化させる開口量可変手段と、を備える金属板の焼入れ装置。
［２］［１］に記載の金属板の焼入れ装置を用いて行われる金属板の焼入れ方法。
［３］前記スリットノズルの開口部の少なくとも一部に詰まりが発生した際に、前記開口量を大きくする［２］に記載の金属板の焼入れ方法。
［４］鋼板に連続焼鈍を行った後に、［２］又は［３］に記載の金属板の焼入れ方法を用いて焼入れを行い、高強度冷延鋼板、溶融亜鉛鍍金鋼板、電気亜鉛鍍金鋼板、及び合金化溶融亜鉛鍍金鋼板のいずれか一種を製造する鋼板の製造方法。

本発明により、スリットノズルの開口部に異物の詰まりが生じた場合でも、開口部の大きさを広げることで異物を迅速に除去でき、これにより金属板の板幅方向の冷却速度を均一に維持できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属板の焼入れ装置の基本構成を示す説明図である。 図２は、図１の噴出装置の付近を示す拡大図である。 図３は、図１のスリットノズルの断面図である。 図４は、図３のスリットノズルの開口部の拡大図である。 図５は、図１のスリットノズルの開口部に錆等の異物が詰まった場合の断面図である。 図６は、図５のスリットノズルの開口部の拡大図である。 図７は、図１のスリットノズルの開口部を広げた時のスリットノズルの断面図である。 図８は、図７のスリットノズルの開口部の拡大図である。 図９は、本発明例１の結果を示すグラフである。 図１０は、比較例１の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属板の焼入れ装置（以下、単に「焼入れ装置」と称することがある。）１１の基本構成を示す図であり、図２は図１に示す焼入れ装置１１の噴出装置４付近の拡大図である。焼入れ装置１１は、連続焼鈍炉の均熱帯の出側に設けられた冷却設備に適用されうる。図１では、連続焼鈍炉の均熱帯の出口に設けられた一対のシールロール３が示されている。焼入れ装置１１は、金属板５を冷却するための冷媒（液体）である水２を収容した槽（図１の例では水槽１）と、少なくとも一部が前記槽の液体（図１の例では水２）中に設けられ、金属板５の両面に液体を吹き付けて冷却するための噴出装置４とを備えている。また、噴出装置４の出側には、金属板５を水中に浸漬させつつ金属板５の長手方向（通板方向）を変更するシンクロール６が設けられる。

噴出装置４は、水を噴出する複数のスリットノズル１４、２４と、スリットノズル１４、２４を保持するノズルユニット３４、４４とからなる。一対のノズルユニット３４と４４は、その間に間隙を形成しつつ、それぞれ金属板５の表裏面と対向するように配置される。金属板５が前記間隙中を上下方向に通板される際に、金属板５の表裏面に向かってスリットノズル１４、２４から水が噴出される。図１及び図２の例では、金属板５の左側を表面とし、右側を裏面とする。図の左側には、スリットノズル１４を金属板５の表面に向けてノズルユニット３４が配置され、図の右側には、スリットノズル２４を金属板５の裏面に向けてノズルユニット４４が配置される。図示していないものの、ノズルユニット３４、４４、及びスリットノズル１４、２４は、金属板５の板幅全長にわたって延在する。スリットノズル１４、２４の先端の開口部も金属板５の板幅全長にわたって延在し、当該開口部から水を噴出することで、金属板が板幅方向全長にわたって冷却される。

ノズルユニット３４、４４は、一部が水中に浸漬し、残部が水上から出るように、設けられる。通板されてきた金属板５は、ノズルユニット３４、４４の水上に露出する部分の内側の間隙に装入され、次いで水中に浸漬し、スリットノズル１４及び２４から水が噴出される。ノズルユニット３４、４４には、複数のスリットノズル１４、２４が通板方向に沿って設けられる。一部のスリットノズル（例えば図１で最も上方に設けられたスリットノズル）は、水面よりも上部に位置していてもよく、より具体的にはスリットノズルの開口部の少なくとも一部が水中に浸漬していなくてもよい。水面よりも上部に位置するスリットノズルは、高温の金属板５が水中に導入された際に発生する水の噴き上げを抑えることを目的として、斜め下に向かって水を噴出できるように、下方向に向いて斜めに設けられることが好ましい。

図示していないが、噴出装置４における各スリットノズルは、ポンプを途中に設けた配管に接続される。ポンプによって、水槽１内の水２が配管内を汲み上げられて、スリットノズル１４、２４へと圧送されることにより、スリットノズル１４、２４の開口部から高圧水が噴出される。図３の矢印で示すように、ポンプによって圧送された水は、スリットノズル２４の開口部２４ａとは反対側の後方の内壁近傍で上下に分かれて、その後、前方に向かって圧送され、両方の流れが合流した後に、開口部２４ａから噴射される。

また、水槽１内の水２は、焼入れに適した水温となるように維持される。例えば水槽１内の水２の一部が、外部のクーリングタワー等の冷却設備に送られて冷却された後に、水槽１へと戻されることで、水槽１内の水温上昇を防止できる。例えば、焼入れに特に適した水槽１内の水温としては、０℃超５０℃以下が好ましく、１０℃以上４０℃以下が特に好ましい。

そして、本発明に係る焼入れ装置では、従来のスリットノズルとは異なり、開口部のスリットギャップを広げることが可能である。以下、図３～図８を用いて具体的に説明する。

まず、図３は、図１のスリットノズル２４を鋼板の表裏面と垂直でかつ通板方向を含む面における断面図であり、図４は、図３のスリットノズルの開口部２４ａを、液体の噴射方向と反対側から見た拡大図である。図５は、図１のスリットノズルの開口部に錆等の異物が詰まった場合の断面図であり、図６は、図５のスリットノズルの開口部の拡大図である。また、図７は、図１のスリットノズルの開口部を広げた時のスリットノズル２４の断面図であり、図８は、図７のスリットノズルの開口部２４ａを、液体の噴射方向と反対側から見た拡大図である。

開口部２４ａは、液体の噴射方向の反対側から見た平面視において、金属板の板幅方向に長手状の形状を呈することが好ましい。図４の例では、開口部２４ａは、金属板５の板幅方向（図３及び図５における紙面垂直方向、図４及び図６における左右方向）を長手とし、通板方向を短手とする略矩形を形成する。開口部２４ａの形状は、板幅方向の長さが通板方向の長さより長ければよく、例えば平面視において楕円形状であってもよい。前述した開口部２４ａのスリットギャップは、金属板５の通板方向（各図における上下方向）の開口量を意味し、図４では符号Ａとして示される。

図５及び図６に示すように、焼入れ装置の稼働を続けていると、スリットノズル２４の上流に接続されたノズルの内面が腐食する等の理由によって、開口部２４ａに錆等の異物Ｐが詰まることがある。より具体的には、比較的大型の異物Ｐが生じた場合に、異物Ｐは縦幅を通過することができずに、開口部２４ａの板幅方向の一部が異物Ｐによって塞がれる。図６のように、異物Ｐによる詰まりが板幅方向の一部にだけ発生した場合、開口部２４ａから噴出される水の流れが板幅方向で一様とならず、金属板５の板幅方向に冷却むらが生じる原因となる。

開口部２４ａの一部に異物Ｐが詰まっているかどうかは、水槽１に覗き窓等を設置して、外部から目視等によって確認が可能である。錆等の異物Ｐが詰まったことが確認された場合には、一時的に、図７及び図８のようにスリットギャップＡを広げる。より具体的に、スリットギャップＡは、異物Ｐの通板方向長さよりも大きくなるように広げられる。これにより、冷却水（冷媒）の流れによって錆等の異物が迅速に除去される。異物の除去が確認された後に、図３及び図４のようにスリットギャップＡの大きさを元に戻せばよい。

スリットギャップＡを広げる構造として、具体的にはエアシリンダ等を含む開口量可変手段を用いることができる。例えば図７において開口量可変手段は、上部エアシリンダ７と、上部エアシリンダ７に空気の出し入れを行う上部エアチューブ７１と、下部エアシリンダ８と、下部エアシリンダ８に空気の出し入れを行う下部エアチューブ８１とを有する。上部エアシリンダ７（及び下部エアシリンダ８）は、圧縮空気がシリンダ内に給気されると上部ピストン７２（及び下部ピストン８２）が押し出され、次にシリンダ内の空気が排気されると上部ピストン７２（及び下部ピストン８２）が元の位置に戻る構造を有する。上部ピストン７２（及び下部ピストン８２）は、開口部２４ａを形成するスリットノズル２４の先端部上方（及び先端部下方）に当接して設けられる。上部ピストン７２（及び下部ピストン８２）の上下動により、スリットノズル２４の先端部が変形して、スリットギャップＡの大きさが変更される。

尚、上部エアシリンダ７及び下部エアシリンダ８は、水中内で使用されるので、防水仕様の製品を採用することが好ましい。また、スリットギャップＡの大きさを開口部の長手方向（金属板の板幅方向）で均一にするために、上部エアシリンダ７及び下部エアシリンダ８は、開口部の長手方向に複数台設置することが好ましい。尚、図７に示されるスリットギャップＡの大きさを変更する態様は、スリットノズル１４にも当然適用可能である。

以上で述べた異物Ｐの除去操作は、生産効率を向上させる観点から、連続焼鈍設備の操業を停止させることなく行うことが好ましい。連続焼鈍設備の操業を停止させることなく異物Ｐの除去操作を行うために、スリットノズル１４、２４の開閉を遠隔操作により行ってもよい。操業中に目視で異物の詰まりを確認した際に、遠隔操作によって異物を除去することで、操業を止めることなく即座に異物の詰まりによる悪影響を最小限に抑えることができる。これにより、金属板の冷却むらの発生が長時間継続することを防止し、製品における品質むらの発生を抑えることができる。一例として、上部エアチューブ７１及び下部エアチューブ８１を水槽１の外側まで配線して、コントローラ等と接続すればよい。作業者は系外で当該コントローラを操作することで、上部ピストン７２及び下部ピストン８２の動作を制御して、遠隔操作により異物を除去できる。

なお、図３及び図４のように異物Ｐの詰まりが生じていない場合のスリットギャップＡの大きさは、２～５ｍｍであることが好ましい。また、図７及び図８のように異物Ｐの詰まりを解消する場合のスリットギャップＡの大きさは、異物Ｐの通板方向長さの最大値よりも大きくすることが好ましく、具体的には１０～５０ｍｍであることが好ましい。スリットノズル１４、２４の板幅方向長さの具体的な値としては、１０００～２５００ｍｍであることが好ましく、スリットノズル１４、２４の開口部１４ａ、２４ａの板幅方向長さも当該範囲内とすることが好ましい。

上述のような本実施形態に係る焼入れ装置及びそれを用いた焼入れ方法は、金属板製品（製品として出荷される金属板）の製造に適用することができ、高強度鋼板（ハイテン）の製造方法に適用することが特に好ましい。より具体的には、引張強度が５８０ＭＰａ以上である鋼板の製造方法に適用することが好ましい。引張強度の上限は特に制限されないが、一例として１６００ＭＰａ以下であればよい。

また、鋼板の冷却開始温度（噴出装置４に入る直前の温度）は、上記の高強度鋼板（ハイテン）を製造可能であれば特に制限されないが、例えば４００℃超９００℃以下が好ましく、６００℃以上８００℃以下が特に好ましい。

ちなみに、上記の高強度鋼板（ハイテン）としては、高強度冷延鋼板、およびそれらに表面処理を施した溶融亜鉛鍍金鋼板、電気亜鉛鍍金鋼板、合金化溶融亜鉛鍍金鋼板等がある。

ハイテンの製造時には、鋼板を急速に冷却することで緻密な組織制御を行うことが重要であり、鋼板の表裏面における冷却の均一性が厳密に要求される。本発明に係る焼入れ装置を適用してハイテンを製造することで、錆等の異物による詰まりを迅速に解消でき、当該詰まりによる冷却むらの発生を防止し、物性が均一なハイテンを精度よく生産できる。

高強度鋼板の組成の具体例として、質量％で、Ｃが０．０４％以上０．２５％以下、Ｓｉが０．０１％以上２．５０％以下、Ｍｎが０．８０％以上３．７０％以下、Ｐが０．００１％以上０．０９０％以下、Ｓが０．０００１％以上０．００５０％以下、ｓｏｌ．Ａｌが０．００５％以上０．０６５％以下、必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＴｉの少なくとも１種以上がそれぞれ０．５％以下、さらに必要に応じて、Ｂ、Ｓｂがそれぞれ０．０１％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる例が挙げられる。

尚、本発明の実施形態は、鋼板を急冷する例に限定されるものではなく、鋼板以外の金属板全般の急冷に適用することができ、また、水以外の液体を用いた焼入れにも適用できる。

以下に、実施例を用いて本発明についてより具体的に説明する。

（本発明例１）
板厚１．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍで引張強さ１４７０ＭＰａ級の高強度冷延鋼板を製造する際に、図１、２に示した焼入れ装置および図３～８に示したスリットノズルを用いて、通板速度１．０ｍ／ｓで焼入れを行った。また、スリットノズルの開口部は、初期のスリットギャップＡが３ｍｍで、板幅方向全体の長さは２０００ｍｍとした。また、一部のスリットノズルの板幅方向中央部には、図５、６のように錆等の異物Ｐ（板幅方向長さ２００ｍｍ）が予め詰まった状態とした。当該スリットノズルにつき、スリットギャップＡが２０ｍｍになるまで開口部を広げることで、冷却水の流れの力によって錆等の異物が迅速に除去されたことを確認し、スリットギャップＡを３ｍｍに戻した。

また、焼入れ装置に通板中の鋼板の温度を測定した。具体的には、熱電対型の温度計を用いて、鋼板の被測定領域の温度を経時的に測定した。鋼板の冷却開始温度（噴出装置４に入る直前の温度）は７３０℃であり、冷却終了温度（水槽１から出た直後の温度）は３０℃であった。冷却開始後の経過時間と鋼板の温度との関係から、鋼板がスリットノズルを通過している瞬間の、鋼板の板幅方向の冷却速度分布を計算した。結果を図９に示す。

（比較例１）
特許文献１に記載の焼入れ装置を用いて、本発明例１と同様にして実験を行った。当該例では、スリットギャップＡを広げることはできず、予め詰まっていた錆等の異物を除去できなかった。冷却速度分布の計算結果を図１０に示す。

＜冷却速度の評価＞
図９（本発明例１）では、鋼板の板幅方向の冷却速度分布は、板幅位置によらずほぼ一定であり、均一に冷却されている。冷却速度は１５００℃／ｓであった。

一方、図１０（比較例１）では、詰まりが発生している箇所に相当する中央部よりもそれ以外の部分の冷却速度が高くなり、不均一な冷却が生じていた。冷却速度は、中央部が約９００℃／ｓでそれ以外は約１５００℃／ｓであり、中央部はそれ以外の部分に対して冷却速度が約４０％（約１５００℃／ｓ→約９００℃／ｓ）低下していた。

これにより、本発明を適用することで、錆等の異物が詰まった位置に相当する金属板の冷却速度の低下を抑え、板幅方向の冷却速度を均一にできることが示された。

＜引張強度の評価＞
本発明例１によって製造された鋼板の引張強度は、板幅方向全域で約１４７０ＭＰａであった。

これに対し、比較例１によって製造された鋼板の引張強度は、板幅中央部は約１３５０ＭＰａで、それ以外は約１４７０ＭＰａであり、中央部の引張強度の低下と板幅方向における引張強度の不均一性が見られた。

これにより、本発明を適用することで、錆等の異物が詰まった位置に相当する鋼板の冷却速度の低下に伴う、鋼板特性の低下や不均一性を防止できることが示された。

１ 水槽
２ 水
３ シールロール
４ 噴出装置
５ 金属板
６ シンクロール
１１ 焼入れ装置
１４、２４ スリットノズル
１４ａ、２４ａ 開口部
３４、４４ ノズルユニット
７ 上部エアシリンダ
７１ 上部エアチューブ
７２ 上部ピストン
８ 下部エアシリンダ
８１ 下部エアチューブ
８２ 下部ピストン
Ａ スリットギャップ
Ｐ 異物

Claims (4)

1. 金属板を液体に浸漬させて冷却する金属板の焼入れ装置であって、
   前記金属板を浸漬させる液体を収容した槽と、
   前記金属板の両面に前記液体を噴射する複数のスリットノズルを有し、少なくとも一部が前記槽の液体中に設けられた噴出装置と、
   前記スリットノズルの開口部について、金属板の長手方向の開口量を、前記開口部の長手方向で均一に変化させる開口量可変手段と、を備える金属板の焼入れ装置。
2. 請求項１に記載の金属板の焼入れ装置を用いて行われる金属板の焼入れ方法。
3. 前記スリットノズルの開口部の少なくとも一部に詰まりが発生した際に、前記開口量を大きくする請求項２に記載の金属板の焼入れ方法。
4. 鋼板に連続焼鈍を行った後に、請求項２又は３に記載の金属板の焼入れ方法を用いて焼入れを行い、高強度冷延鋼板、溶融亜鉛鍍金鋼板、電気亜鉛鍍金鋼板、及び合金化溶融亜鉛鍍金鋼板のいずれか一種を製造する鋼板の製造方法。

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