JP7307335B2 - 熱処理鋼帯の製造方法およびその製造設備 - Google Patents

Description

本発明は、特殊鋼の鋼帯に連続的な所定条件での熱処理を行なうことによって、需要家での熱処理工程の省略を可能とする熱処理鋼帯の製造方法とその製造設備とに関する。

特殊鋼の鋼帯を連続的に熱処理し、パーライト組織やベーナイト組織を形成させる熱処理は、パテンティング処理と呼ばれ、長年にわたり工業的に利用されている。このような熱処理の生産性を向上させる取り組みとして、例えば、下記の特許文献１(日本国・特開２０１４－５５３４０号公報)では、所定割合の炭素を含む鋼帯を素材とし、等温変態処理により生成するベーナイト組織を主組織とした熱処理鋼帯を製造する連続熱処理炉に関し、加熱帯・急冷帯・保持帯の３つのゾーンで形成された連続熱処理炉の急冷帯において、鋼帯が溶融金属浴中に浸漬される位置をＸ、鋼帯が溶融金属浴を出る位置をＹとした際に、鋼帯のベーナイト変態が進展して変態率が５０％となる位置Ｂ₅₀とＹの間の区間には、鋼帯に塑性変形を加える要素が存在しないようにする技術が開示されている。
かかる従来技術によれば、鋼帯が溶融金属浴中で溶融金属脆化割れによる鋼帯の破断が起きないため、熱処理鋼帯の生産性を向上させることができる。

特開２０１４－５５３４０号公報

しかしながら、上記の従来技術には次の課題がある。
上述のような連続熱処理炉を用いて熱処理鋼帯の生産性をさらに向上させたい場合には、ラインスピードを増速すれば良いが、ラインスピードを増速すると、加熱帯を経て高温となった鋼帯が溶融金属浴へと持ち込む熱量、すなわち単位時間当たりの急冷帯への入熱量が増加し、溶融金属浴での急冷効果が減少するようになる。このため、得られる熱処理鋼帯の製品硬さが低下する傾向が見られるようになる。

それゆえに、本発明の目的は、ラインスピードを増速して単位時間当たりの急冷帯への入熱量が増加しても、当該急冷帯で必要とする急冷効果を維持することが可能な熱処理鋼帯の製造方法と、その製造装置とを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１から図３に示すように、熱処理鋼帯の製造方法を次のように構成した。
すなわち、オーステナイト相を主相とする組織に調整した鋼帯１８を走行させ、溶融金属３０を貯留した溶融金属浴２０に前記鋼帯１８を浸漬させて所定温度まで急冷し、その後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持して恒温変態熱処理を行う。その際に、前記鋼帯１８を、前記溶融金属浴２０の上部空間から、その溶融金属浴２０に半浸漬している上側支持ロール４０の下方に向かって走行させるとともに、前記鋼帯１８の前記溶融金属浴２０への入浴部分から前記鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する前記上側支持ロール４０までの間の前記鋼帯１８上側に貯留する前記溶融金属３０に対して、前記鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れを与える。

溶融金属浴２０における溶融金属３０の流れとその温度分布とを解析した結果、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側の部分では、溶融金属３０に流れは殆どなく、鋼帯１８が溶融金属浴２０へと持ち込む熱が蓄積されていることが明らかとなった。
そこで、この発明では、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れを与えているので、かかる部分に熱が蓄積するのを防止することができる。

本発明のように、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れを与えるためには、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴位置から、その入浴位置よりも鋼帯１８の走行方向下流側に設けられた溶融金属浴２０への溶融金属３０の流入位置までの間において、溶融金属浴２０中の溶融金属３０を、鋼帯１８の走行方向に対して直交する１つの方向のみからオーバーフローさせるのが好ましい。
この場合、溶融金属３０に流れを与えるために新たな動力源を必要せず、既存設備の簡単な改造で上記の流れを与えることができる。
また、上記のものに代えて、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴位置から、その入浴位置よりも鋼帯１８の走行方向下流側に設けられた溶融金属浴２０への溶融金属３０の流入位置までの間において、溶融金属浴２０中の溶融金属３０を、鋼帯１８の走行方向に対して直交する２つの方向へそれぞれ異なる量でオーバーフローさせるのも好ましい。
この場合も、溶融金属３０に流れを与えるために新たな動力源を必要せず、既存設備の簡単な改造で上記の流れを与えることができるのに加え、後述するオーバーフロー配管４８などへの負荷を軽減させることもできる。

また、第２の発明にかかる熱処理鋼帯の製造装置は、上述した熱処理鋼帯の製造方法を実行するための装置であって、例えば、図１から図３に示すように、当該装置を次のように構成した。
鋼帯１８を、オーステナイト相を主相とする組織に調整する加熱帯１２と、溶融金属３０が貯留された溶融金属浴２０に前記鋼帯１８を浸漬させて所定温度まで急冷させる急冷帯１４と、その急冷の後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持する保持帯１６とをこの順に備え、前記鋼帯１８に対して恒温変態熱処理を行う。前記急冷帯１４では、前記鋼帯１８の前記溶融金属浴２０への入浴位置から、その入浴位置よりも前記鋼帯１８の走行方向下流側に設けられた前記溶融金属浴２０への前記溶融金属３０の流入位置までの間において、前記溶融金属浴２０中の前記溶融金属３０を、前記鋼帯１８の走行方向に対して直交する１つの方向のみからオーバーフローさせる。または、前記溶融金属浴２０中の前記溶融金属３０を、前記鋼帯１８の走行方向に対して直交する２つの方向へそれぞれ異なる量でオーバーフローさせる。

これらの発明において、溶融金属浴２０は、前記溶融金属３０としてＢｉ（ビスマス）またはＰｂ（鉛）の少なくとも一方を用いるのが好ましい。

さらに、本発明は、後述する実施形態に記載された特有の構成を付加することが好ましい。

本発明によれば、ラインスピードを増速して単位時間当たりの急冷帯への入熱量が増加しても、当該急冷帯で必要とする急冷効果を維持することが可能な熱処理鋼帯の製造方法と、その製造装置とを提供することができる。

本発明における一実施形態の熱処理鋼帯の製造装置の概略を示すフロー図である。 本発明の熱処理鋼帯の製造装置における急冷帯の要部の一例を示す平面視の部分断面図である。 本発明の熱処理鋼帯の製造装置における溶融金属浴のオーバーフロー口変更に伴う冷却効果の違いを示すもので、図３Ａは、オーバーフロー口の変更に伴う溶融金属の通流パターンを示す説明図であり、図３Ｂは、オーバーフロー口変更による鋼帯の冷却速度の変化をプロットしたグラフである。

以下、本発明の熱処理鋼帯の製造方法と、かかる方法に用いる熱処理鋼帯の製造装置について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明における一実施形態の熱処理鋼帯の製造設備１０の概略を示すフロー図であり、これらの図が示すように、本発明の熱処理鋼帯の製造装置１０は、熱処理炉であって、加熱帯１２と、急冷帯１４と、保持帯１６とをこの順に備える。
なお、本明細書においては、各部位に付される符号に関し、各部位を上位概念で示す場合にはアルファベットの枝番をつけずアラビア数字のみで示し、各部位を区別する必要がある場合（すなわち下位概念で示す場合）にはアルファベット小文字の枝番をアラビア数字に付して区別する。

加熱帯１２は、支持ロール２２上を走行する鋼帯１８に対して、例えば９００±５０℃と言ったオーステナイト変態開始温度よりも高い温度で所定時間加熱することによって、鋼帯１８の組織をオーステナイト相を主相とする組織に調整するパートである。この加熱帯１２での鋼帯１８に対する処理温度や処理時間(ラインスピード)などの条件は、走行する鋼帯１８の板厚や板幅或いは鋼種などによって適宜選択される。
なお、「オーステナイト相を主相とする組織」は、オーステナイトが主組織であるならば如何なるものであってもよく、例えば、「オーステナイト＋セメンタイト」や「オーステナイト＋フェライト」などを挙げることができる。勿論、「オーステナイト単相」であってもよい。

急冷帯１４は、上記の加熱帯１２を経て高温に加熱された鋼帯１８を、溶融金属３０が貯留された溶融金属浴２０に浸漬させて所定温度まで急冷させるパートである。ここで、溶融金属浴２０に用いる溶融金属３０としては、３００℃前後の融点を持つ金属が好ましく、例えば、Ｂｉ(ビスマス)やＰｂ(鉛)を挙げることができる。これらの金属を単体もしくは混合して溶融金属浴２０に使用することができる。
また、この急冷帯１４を構成する溶融金属浴２０は、鋼帯１８が浸漬される上鍋２６と、その上鍋２６の下に配設され、上鍋２６との間で溶融金属３０を循環させる下鍋２８とを有する。

このうち、下鍋２８内には、上鍋２６よりオーバーフローして戻されて来る溶融金属３０を大凡３００℃前後にまで冷却する冷却ブロアー配管３２が延設されている。また、下鍋２８には、内部に貯留する溶融金属を汲み上げて上鍋２６へと供給するポンプ３４が設けられる。なお、このポンプ３４の吐出側に取り付けられた溶融金属吐出配管３６の先端は、上鍋２６における溶融金属３０の流入位置に配置される。

一方、上鍋２６内には、その下半分が溶融金属３０に浸漬され、加熱帯１２を通過後、ガイドロール２４を経て、溶融金属浴２０の上部空間から溶融金属３０中へと浸漬される鋼帯１８の上側を支持して案内する複数の上側支持ロール４０と、その全体が溶融金属３０に浸漬され、上記の鋼板１８の下側を支持して案内する複数の下側支持ロール４２とが配設されている。

また、図２に示すように、この上鍋２６における幅方向左右の両壁には、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴位置から、その入浴位置よりも鋼帯１８の走行方向下流側に設けられた溶融金属浴２０への溶融金属３０の流入位置までの間に、複数のオーバーフロー口４４が開設されている。図示実施形態の場合、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴位置と鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０との間における鋼帯１８の走行方向右側の上鍋２６側壁にはオーバーフロー口４４ａが開設され、同左側の上鍋２６側壁にはオーバーフロー口４４ｂが開設される。また、鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０と、これに隣接する上側支持ロール４０との間における鋼帯１８の走行方向右側の上鍋２６側壁にはオーバーフロー口４４ｃが開設され、同左側の上鍋２６側壁にはオーバーフロー口４４ｄが開設される。そして、オーバーフロー口４４ａ乃至４４ｄが設けられた上鍋２６側壁の外側には、オーバーフロー口４４ａ乃至４４ｄからオーバーフローした溶融金属３０を集める樋部材４６が左右それぞれに取り付けられており、この樋部材４６の底部には、溶融金属３０を下鍋２８へと戻すオーバーフロー配管４８が接続される。

なお、本実施形態の熱処理鋼帯の製造装置１０では、溶融金属浴２０の上鍋２６において、少なくとも、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れが与えられるので、上記のオーバーフロー口４４は、常時全てが開放されて溶融金属３０をオーバーフローさせているのではなく、以下に述べる通り、開放するオーバーフロー口４４は適宜選択される。

ここで、図３は、本実施形態の熱処理鋼帯の製造装置１０における溶融金属浴２０のオーバーフロー口４４変更に伴う冷却効果の違いを示すものである。このうち、図３Ａは、上鍋２６のオーバーフロー口４４の開閉状況を表し、図３Ｂは、かかるオーバーフロー口４４の開閉状況それぞれにおいて、板厚０．６ｍｍ、板幅２００ｍｍ、初期温度９３０℃の鋼帯１８を、溶融金属３０として３７５℃の溶融Ｂｉ(ビスマス)を用いた上鍋２６にラインスピード３．０ｍ／分で浸漬した際の鋼帯１８の表面温度の履歴を数値解析したものである。
これらの図が示すように、オーバーフロー口４４が鋼帯１８の走行方向に対して直交する１つの方向のみ開放されたＤのパターン、および、鋼帯１８の走行方向に対して直交する２つの方向へそれぞれ異なる量の溶融金属３０をオーバーフローさせるべく左右で非対称に開放されたＣのパターンでは、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れが生じており、鋼板１８の冷却速度(＝抜熱速度)を増加させることができる。

保持帯１６は、上記の急冷帯１４を経て例えばベーナイト変態温度のような所定の温度まで急冷された鋼帯１２を、所定の恒温状態、例えばベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持して変態を終了させるパートである。
なお、図１中の符号５０は、急冷帯１４の溶融金属浴２０を通過した鋼帯１８を保持帯１６へと案内するためのガイドロールであり、符号５２は、保持帯１６内を走行する鋼帯１８を下から支える支持ロールである。

以上のように構成された熱処理鋼帯の製造装置１０を用いて、例えばベーナイト鋼帯のような熱処理鋼帯を製造する際には、まず、鋼帯１８として質量％で０．３～１．２％の炭素を含むものを準備し、これを加熱帯１２に通して、鋼組織がオーステナイト相を主相とする組織になるまで加熱する。

続いて、オーステナイト相を主相とする組織に調整した鋼帯１８を急冷帯１４の溶融金属浴２０に通して、例えば、鋼帯１８の材料温度が９３０℃から１秒以内に５００℃未満となるような冷却速度で、最終的に３８５℃まで急冷する。この際、溶融金属浴２０の上鍋２６に設けられるオーバーフロー口４４は、図３ＡのＣのパターンに設定される。ここで、上鍋２６に設けられるオーバーフロー口４４をこのような開閉パターンに設定した理由は次の通りである。すなわち、溶融金属浴２０での冷却効果を極大化させるためには、図３ＡのＤのパターンにすれば良いが、そうすると、鋼帯１８の走行方向左側の樋部材４６とこれに接続されたオーバーフロー配管４８とに負荷が集中し、これらの部材の損傷が激しくなる虞が有る。このため、設備保全の観点から、上鍋２６設けられるオーバーフロー口４４の開閉パターンを図３ＡのＣの通りとした。なお、この場合の鋼帯１８の冷却効果については、図３Ｂに示す通り、オーバーフロー口４４の開閉パターンが図３ＡのＤの場合に比べて遜色がない。

そして、急冷帯１４を経て、その材料温度が所定の変態温度まで急冷された鋼帯１８は、保持帯１６を通る間に所定の恒温状態に保持されて恒温変態熱処理が終了する。これにより、本発明の熱処理鋼帯の製造方法が完了する。

ここで、実際の製造装置１０において、上述のようにオーバーフロー口４４ａおよび４４ｄの２つを閉塞させた場合、従来の製造方法である図３ＡのＡのパターンのように４つのオーバーフロー口４４全てが開放されている場合と比較して、ラインスピードを約１０％強増速しても、得られるベーナイト鋼帯の硬さに変化は見られなかった。つまり、ラインスピードを増速しても急冷帯１４が十分に機能していることが窺えた。

なお、上述の実施形態では、上鍋２６に４つ設けられたオーバーフロー口４４が、図３ＡのＣパターンやＤパターンと言った所定のパターンになるよう、事後的に不要なオーバーフロー口４４を閉塞する場合を示しているが、このオーバーフロー口４４は、鋼帯１８の溶融金属浴２０(より具体的には上鍋２６)への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れが与えられるものであれば、その態様は如何なるものであってもよい。このため、予めそのような流れを生じさせる形態のオーバーフロー口４４を設計し、製造設備の完成当初よりかかるオーバーフロー口４４を上鍋２６に設置することができるのは勿論である。

また、上述の実施形態では、オーバーフロー口４４の形態を所定のものとすることによって、鋼帯１８の溶融金属浴２０への入浴部分から鋼帯１８の走行方向最上流側に位置する上側支持ロール４０までの間の鋼帯１８上側に貯留する溶融金属３０に対して、鋼帯１８の走行方向を横切る方向の流れを与えるようにしているが、かかる方向の流れを生じさせるものは、オーバーフロー口４４の形態に限定されるものではなく、例えば、攪拌装置などを用いるようにしてもよい。

また、本発明は、当業者が想定できる範囲でその他の変更を行えることは勿論である。

１０：熱処理鋼帯の製造設備，１２：加熱帯，１４：急冷帯，１６：保持帯，１８：鋼帯，２０：溶融金属浴，３０：溶融金属，４０：上側支持ロール．

Claims (7)

1. オーステナイト相を主相とする組織に調整した鋼帯(１８)を走行させ、溶融金属(３０)を貯留した溶融金属浴(２０)に前記鋼帯(１８)を浸漬させて所定温度まで急冷し、その後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持して恒温変態熱処理を行う熱処理鋼帯の製造方法であって、
   前記鋼帯(１８)を、前記溶融金属浴(２０)の上部空間から、その溶融金属浴(２０)に半浸漬している上側支持ロール(４０)の下方に向かって走行させるとともに、
   前記鋼帯(１８)の前記溶融金属浴(２０)への入浴部分から前記鋼帯(１８)の走行方向最上流側に位置する前記上側支持ロール(４０)までの間の前記鋼帯(１８)上側に貯留する前記溶融金属(３０)に対して、前記鋼帯(１８)の走行方向を横切る方向の流れを与える、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造方法。
2. オーステナイト相を主相とする組織に調整した鋼帯(１８)を走行させ、溶融金属(３０)を貯留した溶融金属浴(２０)に前記鋼帯(１８)を浸漬させて所定温度まで急冷し、その後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持して恒温変態熱処理を行う熱処理鋼帯の製造方法であって、
   前記鋼帯(１８)を、前記溶融金属浴(２０)の上部空間から、その溶融金属浴(２０)に半浸漬している上側支持ロール(４０)の下方に向かって走行させるとともに、
   前記鋼帯(１８)の前記溶融金属浴(２０)への入浴位置から、その入浴位置よりも前記鋼帯(１８)の走行方向下流側に設けられた前記溶融金属浴(２０)への前記溶融金属(３０)の流入位置までの間において、前記溶融金属浴(２０)中の前記溶融金属(３０)を、前記鋼帯(１８)の走行方向に対して直交する１つの方向のみからオーバーフローさせる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造方法。
3. オーステナイト相を主相とする組織に調整した鋼帯(１８)を走行させ、溶融金属(３０)を貯留した溶融金属浴(２０)に前記鋼帯(１８)を浸漬させて所定温度まで急冷し、その後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持して恒温変態熱処理を行う熱処理鋼帯の製造方法であって、
   前記鋼帯(１８)を、前記溶融金属浴(２０)の上部空間から、その溶融金属浴(２０)に半浸漬している上側支持ロール(４０)の下方に向かって走行させるとともに、
   前記鋼帯(１８)の前記溶融金属浴(２０)への入浴位置から、その入浴位置よりも前記鋼帯(１８)の走行方向下流側に設けられた前記溶融金属浴(２０)への前記溶融金属(３０)の流入位置までの間において、前記溶融金属浴(２０)中の前記溶融金属(３０)を、前記鋼帯(１８)の走行方向に対して直交する２つの方向へそれぞれ異なる量でオーバーフローさせる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造方法。
4. 請求項１または２の熱処理鋼帯の製造方法において、
   前記溶融金属浴(２０)は、前記溶融金属(３０)としてＢｉ（ビスマス）またはＰｂ（鉛）の少なくとも一方が用いられる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造方法。
5. 鋼帯(１８)を、オーステナイト相を主相とする組織に調整する加熱帯(１２)と、溶融金属(３０)が貯留された溶融金属浴(２０)に前記鋼帯(１８)を浸漬させて所定温度まで急冷させる急冷帯(１４)と、その急冷の後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持する保持帯(１６)とをこの順に備え、前記鋼帯(１８)に対して恒温変態熱処理を行う熱処理鋼帯の製造装置であって、
   前記急冷帯(１４)では、前記鋼帯(１８)の前記溶融金属浴(２０)への入浴位置から、その入浴位置よりも前記鋼帯(１８)の走行方向下流側に設けられた前記溶融金属浴(２０)への前記溶融金属(３０)の流入位置までの間において、前記溶融金属浴(２０)中の前記溶融金属(３０)を、前記鋼帯(１８)の走行方向に対して直交する１つの方向のみからオーバーフローさせる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造装置。
6. 鋼帯(１８)を、オーステナイト相を主相とする組織に調整する加熱帯(１２)と、溶融金属(３０)が貯留された溶融金属浴(２０)に前記鋼帯(１８)を浸漬させて所定温度まで急冷させる急冷帯(１４)と、その急冷の後、ベーナイト変態のための恒温保持を終了し室温まで冷却してもマルテンサイト変態を起こさせない状態まで恒温に保持する保持帯(１６)とをこの順に備え、前記鋼帯(１８)に対して恒温変態熱処理を行う熱処理鋼帯の製造装置であって、
   前記急冷帯(１４)では、前記鋼帯(１８)の前記溶融金属浴(２０)への入浴位置から、その入浴位置よりも前記鋼帯(１８)の走行方向下流側に設けられた前記溶融金属浴(２０)への前記溶融金属(３０)の流入位置までの間において、前記溶融金属浴(２０)中の前記溶融金属(３０)を、前記鋼帯(１８)の走行方向に対して直交する２つの方向へそれぞれ異なる量でオーバーフローさせる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造装置。
7. 請求項５または６に記載の熱処理鋼帯の製造装置において、
   前記溶融金属浴(２０)は、前記溶融金属(３０)としてＢｉ（ビスマス）またはＰｂ（鉛）の少なくとも一方が用いられる、ことを特徴とする熱処理鋼帯の製造装置。
   

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