JPH05107243A - 鋼板の材質予測法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、製品に対する物理的評価を行うこ
となく、厚鋼板などの組織や材質を製造段階で予測する
方法を提供するものである。 【構成】 連続鋳造により鋳造された鋳片の再加熱、圧
延および圧延パス間での加熱または冷却、圧延終了後の
冷却、冷却後の鋼板の熱処理の各工程中の製造条件に基
づいて、鋳片ないし鋼板の温度履歴を逐次算出し、同時
に算出された温度と成分情報、製造条件に応じて鋳片な
いし鋼板の回復、再結晶、固溶・析出、変態などの冶金
現象を逐次算出して金属組織変化を予測し、さらにその
組織に基づいて最終的な材質を推定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製品に対する物理的評
価を行うことなく厚鋼板などの組織や材質を製造段階で
予測できるようにした鋼板の材質予測法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、厚鋼板などのユーザーにおいて
は、製品の納入とともにその材質検査結果を添付するこ
とを要求してくる場合がある。この要求に対し、従来、
メーカー側は製品の一部を切り出し、これに対し物理的
な特性測定（引張強度、靭性など）を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な人為的な特性測定は多大な時間を要し、製品の出荷・
納品などに影響を与えている。

【０００４】また、現状では、完成品になった後でしか
その材質を知ることができないが、将来的には、製造前
に材質を予測し、要求される材質を精度良く確実に得ら
れる製造条件を設定するような技術の開発が望まれてい
る。

【０００５】そこで、本発明の目的は、与えられた条件
にしたがって材質予測を自動的に行えるようにした鋼板
の材質予測法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、連続鋳造により鋳造された鋳片から製造
される鋼板の金属組織状態及び材質を予測する鋼板の材
質予測法において、鋳片の再加熱、圧延および圧延パス
間での加熱または冷却、圧延終了後の冷却、冷却後の鋼
板の熱処理の各工程中の製造条件に基づいて、鋳片ない
し鋼板の温度履歴を逐次算出し、同時に算出された温度
と成分情報、製造条件に応じて鋳片ないし鋼板の回復、
再結晶、固溶・析出、変態などの冶金現象を逐次算出し
て金属組織変化を予測し、さらにその組織に基づいて最
終的な材質を推定するようにしている。

【０００７】

【作用】上記した手段によれば、鋼板の製造実績もしく
は製造前に設定される条件を入力し演算させることによ
り、材質（引張強度、靭性など）の判定の鍵となる組織
構成相の分率、平均生成温度、フェライト粒径および各
元素の固溶・析出状態などが製造工程の任意の段階で求
めることができる。これにより、製造段階で材質予測を
行うことができ、また要求される材質仕様を確実に実現
可能な製造条件が設定可能であり、従来のように完成品
に対する検査測定が不要になる。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明が適用される鋼板製造ライン
の例を示す設備構成図である。また図２は、本発明によ
る鋼板の材質予測法を示す演算フローチャートである。

【０００９】以下においては厚鋼板の製造を例に説明す
る。

【００１０】図１に示すように、製造設備は圧延の前に
鋼片を加熱する加熱炉１、大まかな圧延を行う粗圧延機
２、圧延パス間での加熱または冷却を行う中間加熱・冷
却装置２．５、粗圧延された鋼板を要求板厚に圧延する
仕上圧延機３、この仕上圧延機３によって圧延された鋼
板に生じた反りを調整するホットレベラー（ＨＬ）４、
このホットレベラー４を出た厚鋼板を冷却する冷却装置
５、および厚鋼板を熱処理する熱処理装置６の各々を備
えて構成されている。

【００１１】なお、加熱炉１、粗圧延機２、仕上圧延機
３、ホットレベラー４、冷却装置５および熱処理装置６
の各々には、その駆動を制御し、また稼働中の情報を得
るためにプロセスコンピュータ（以下、プロコンとい
う）が接続されている（加熱プロコン７、圧延プロコン
８、冷却プロコン９および熱処理プロコン１０）。これ
らプロコンは、中央制御室１２に設置された上位コンピ
ュータ（不図示）に接続され、この上位コンピュータは
生産計画にしたがって加熱プロコン７、圧延プロコン
８、冷却プロコン９および熱処理プロコン１０を管理す
る。また製品となった厚鋼板に対し、材質試験を行うた
めの機械試験システム１１が設けられ、その試験結果は
中央制御室１２に送られる。

【００１２】次に、図２に示す鋼板の材質予測法につい
て説明する。

【００１３】図２の処理を実行するには、これを実現す
るソフトウェアを作成し、これをコンピュータにロード
すればよい。

【００１４】本発明による鋼板の材質予測法は、大別す
ると製造工程に対応した初期状態モデル、熱間加工モデ
ル、変態モデル、熱処理モデルと各工程を通して元素の
固溶・析出状態を演算する析出モデルおよびそれらの演
算結果から材質を計算する組織−材質モデルの６つのモ
デルから構成されている。

【００１５】初期状態モデル２０は、鋼片情報１５およ
び加熱条件２１により加熱組織（オーステナイト、γ）
情報２２を演算するものである。

【００１６】熱間加工モデル３０は、初期状態モデルの
演算結果２２および圧延条件３１により圧延組織情報３
２を演算するものである。

【００１７】変態モデル４０は、熱間加工モデルの演算
結果３２および冷却条件４１により変態組織情報４２を
演算するものである。

【００１８】熱処理モデル５０は、変態モデルの演算結
果４２および熱処理条件５１により熱処理後の組織情報
５２を演算するものである。

【００１９】析出モデル６０は、鋼片情報１５と製造条
件（加熱条件２１、圧延条件３１、冷却条件４１、熱処
理条件５１）とから各元素の固溶・析出状態を演算する
ものである。この析出モデル６０は上記各モデルと並行
して演算が行われ、逐次各モデルの演算に利用される一
方、それらの演算結果（組織情報）がモデルにフィード
バックされる。最終目的は、熱処理を終えた最終的な固
溶・析出情報６５を演算するものである。

【００２０】組織−材質モデル７０は、熱処理モデルの
演算結果５２と析出モデルの最終演算結果６１により強
度、靭性などの材質を演算するものである。

【００２１】なお、組織および固溶・析出情報算出のた
めの分割時間間隔、鋼板板厚方向分割数などは必要に応
じて任意に設定でき、板厚方向の組織・材質偏差情報も
得ることができる。

【００２２】次に、各モデルの演算の詳細について図３
〜図８を参照して説明する。

【００２３】図３は初期状態モデル２０の処理の詳細を
示すフローチャートである。

【００２４】入力項目は成分・サイズなどの鋼片情報１
５および加熱条件２１としての鋼片の温度・時間情報２
０４である。この鋼片の温度・時間情報２０４は製造前
に設定される条件２０２（昇温速度、保定温度・時間）
もしくは加熱実績２０１（炉雰囲気温度、在炉時間な
ど）に基づいて加熱モデル２０３から計算される。

【００２５】計算は、まず必要な定数および初期値を設
定する（ステップ２０５）。次いで加熱中であれば状態
図の計算を行う（ステップ２０７）。周知のように鋼は
温度によって結晶構造が変化（変態）するため、ステッ
プ２０７で計算された各状態ごとに異なった手法で加熱
組織状態（オーステナイト粒径）を算出する。すなわ
ち、温度に応じてオーステナイト＋フェライト＋セメン
タイト域、オーステナイト＋フェライト域およびオース
テナイト単相域の各々についてオーステナイト粒成長の
計算を行うのである（ステップ２０８）。このとき、並
行して析出モデル６０を演算させ、加熱中の各元素の固
溶・析出状態６１を加熱組織（オーステナイト粒径）算
出条件に加える。

【００２６】図４は熱間加工モデル３０の処理の詳細を
示すフローチャートである。

【００２７】入力項目は、初期状態モデル２０の演算結
果２２、圧延時の温度・時間情報３０２および相当歪・
相当歪速度３０４などである。

【００２８】温度・時間情報３０２は、加熱温度、圧延
スケジュール（各パス毎の入・出側厚、パス間時間な
ど）、圧延ロール径・回転数、圧延パス間の加熱ないし
冷却条件等の圧延条件３１に基づいて圧延温度モデル３
０１から計算される。また相当歪・相当歪速度３０４
は、同じく圧延条件３１に基づき歪モデル３０３から計
算される。

【００２９】鋼板を複数回パスさせて圧延を行った場
合、各パス間において、圧延→回復→再結晶を経る過程
で転位密度が図５のように変化する。このため各パス毎
に再結晶、回復を計算する必要がある。各パス毎および
圧延終了後のオーステナイト粒径、平均転位密度などの
計算は以下のように行う。

【００３０】まず、計算に必要な定数・初期値を設定す
る（ステップ３０５）。次いで、前記入力条件に基づ
き、圧延後のオーステナイトの単位体積当りの粒界面積
を計算する（ステップ３０７）。

【００３１】圧延の圧下量が大きいと、瞬時的に再結晶
すなわち動的再結晶を生じる。そこで、動的再結晶が生
じているか否かを判定し、生じている場合には転位密度
および再結晶粒径を計算する（ステップ３０８）。動的
再結晶が完了しない場合には、この後再結晶が生じるま
での時間を計算し、さらに回復の時間および静的再結晶
を計算（再結晶率、再結晶粒径）する（ステップ３０
９）。

【００３２】また、再結晶が終了している場合には粒成
長を計算し（ステップ３１０）、さらに結晶粒の平均粒
径および平均転位密度を算出（ステップ３１１）する。
これを最終パスまで繰り返すことにより最終パス情報
（オーステナイト粒界面積およびその転位密度）を得
る。なお、並行して析出モデル６０を演算させ、圧延中
の各元素の固溶・析出状態６２を上記圧延組織算出条件
に加える。

【００３３】なお、圧延パス間の加熱・冷却条件により
変態を伴う場合には、後述する変態モデル４０を経由
し、その後の復熱により逆変態を伴う場合には初期状態
モデルを経由する（ステップ３１２、３１３）。

【００３４】図６は変態モデル４０の処理を詳細に示す
フローチャートである。

【００３５】入力項目は、熱間加工モデル３０の演算結
果３２、冷却条件４１（板厚、空冷・水冷区分、水量密
度、水冷装置内通板速度など）に基づいて冷却温度モデ
ル４０１から計算される冷却時の温度・時間情報４０２
および析出モデル６０で計算される冷却中の固溶・析出
状態６３である。

【００３６】鋼の変態挙動は変態前のオーステナイト状
態（オーステナイト粒径あるいは単位体積当りの粒界面
積、残留転位密度、析出物の固溶・析出状態）、冷却速
度の影響を受ける。本モデルは、上記入力項目から変態
の進行および粒界フェライト、粒内フェライト、パーラ
イト、ベイナイト、マルテンサイトなどの各組織分率、
さらにフェライトのうち形状が粒状のものについては、
その粒径および分率を計算するものである。この計算方
法は以下の通りである。

【００３７】まず、当該成分における状態図を計算し
（ステップ４０３）、各組織が熱力学的に生成可能な条
件（温度領域）を求める。次に、生成可能と判断された
組織について任意の微小時間内の変態量の増分（ステッ
プ４０６）およびフェライトについてはこの間の生成粒
数の増分（ステップ４０５）を求める。

【００３８】また、フェライトが生成する場合には形状
が針状か粒状かの判断を行い、粒状である場合にはステ
ップ４０５で求めた生成粒数を粒状フェライト粒数の増
分、ステップ４０６で求めた変態量の増分を粒状フェラ
イト量の増分とし、針状である場合には変態量の増分の
みを求める（ステップ４０７）。次に、変態に伴う発熱
などを冷却温度情報としてフィードバックするためにス
テップ４０６で得られた変態量に応じた温度変化を計算
する（ステップ４０８）。なお、この温度変化は並行す
る析出モデル６０にもフィードバックされ、冷却中の固
溶・析出状態算出に用いられる。

【００３９】以上の計算を冷却（変態）終了まで繰り返
し、変態量および粒状フェライト粒数の増分を加算する
ことにより、最終的な組織の各組織分率、粒状フェライ
トの粒径をその分率および粒数から求める（ステップ４
０９）。また、ステップ４０６、４０８の結果を基にフ
ェライト、パーライト、ベイナイトなどの各々が生成し
た平均温度（平均生成温度）を計算する（ステップ４１
０）。

【００４０】以上の計算でフェライトを粒状、針状に分
離しておく理由は、粒状や針状の形状が材質に関与する
ことに着目したものであって、材質の予測を高精度に行
うことを可能とするためである。また、平均生成温度は
生成した温度によって材質が異なることから必要になる
もので、後記する組織−材質モデル７０などで用いられ
るものである。

【００４１】図７は熱処理モデル５０の処理の詳細を示
すフローチャートである。

【００４２】入力項目は、変態モデル４０の演算結果４
２、熱処理条件５１（板厚、昇温速度、保定温度・時
間、空冷・水冷区分、水量密度など）に基づいて熱処理
温度モデル５０１から計算される熱処理の温度・時間情
報５０２および析出モデル６０で演算される熱処理前の
固溶・析出状態６３である。

【００４３】ここでの熱処理は焼入−焼戻処理を意味
し、モデルは焼入演算部５３と焼戻演算部５４とに分か
れている。

【００４４】焼入演算部５３は、前述の初期状態モデル
２０および変態モデル４０で構成され、再加熱組織状態
と焼入条件に応じた変態（焼入）組織を演算する。

【００４５】焼戻演算部５４は、焼入時の組織情報５０
５および固溶・析出状態６４とから焼戻条件に基づいて
炭化物・析出物の状態、組織の分解・生成を算出する
（ステップ５０７）。このとき析出モデル６０を並行し
て演算し、その結果はステップ５０７の演算に用いられ
る。

【００４６】以上の計算で、最終組織構成各相の分率、
平均生成・分解温度およびフェライト粒径を算出する
（ステップ５０８）。

【００４７】図８は組織−材質モデル７０の処理の詳細
を示すフローチャートである。

【００４８】ここでは、鋼板の材質を表現する降伏点、
引張強さおよび靭性を計算することを目的としている。
入力項目は、熱処理モデル５０の演算結果５２と析出モ
デル６０の演算結果である最終的な各元素の固溶・析出
状態６５である。

【００４９】まず、上記入力項目に基づいて、各組織
（フェライト、ベイナイトおよびパーライトなど）の各
々の硬さの計算（ステップ６０１）、および降伏点の計
算（ステップ６０２）を行う。次いでステップ６０１に
よる硬度計算値を用いて引張強さを計算（ステップ６０
３）する。さらに入力項目に基づいて靭性を計算（ステ
ップ６０４）し、処理を終了する。

【００５０】以上、一連の演算を行うことにより、材質
予測を行うことができる。この結果は、フロッピーディ
スクなどの記録媒体に保存されると共にプリンタによっ
て打ち出される。

【００５１】〈試験例〉図９は本発明に供した鋼の化学
成分、図１０は製造条件、図１１は粒径・分率などの組
織因子および材質の実測値と上記予測法による計算値を
示すものである。

【００５２】図１１より明らかなように、実測値と計算
値とは近似し、きわめて高い精度で予測できたことがわ
かる。

【００５３】このように、高信頼な予測が可能になるこ
とから、将来的には、客先が要求する材質に応じ製品の
製造条件を容易に算出することも可能になる。

【００５４】なお、以上の説明においては、厚鋼板のス
ラブ再加熱プロセスを例にしたが、熱延鋼材全般および
そのスラブ直送プロセスに本発明は適用することが可能
である。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、上記の通り構成されているの
で、連続鋳造により鋳造された鋳片に再加熱、圧延およ
び圧延パス間で加熱または冷却、圧延終了後に冷却、冷
却後の鋼板に熱処理を施して製造される鋼板の最終的な
組織情報が計算でき、これによって最終的な製品の材質
が予測できるようにしたので、製造段階で材質使用を確
実に実現可能な製造条件が設定可能であり、従来のよう
に完成品に対する検査測定が不要になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される鋼板製造ラインの概要を示
す設備構成図である。

【図２】本発明による鋼板の材質予測法を示す演算フロ
ーチャートである。

【図３】初期状態モデルの処理の詳細を示すフローチャ
ートである。

【図４】熱間加工モデルの処理の詳細を示すフローチャ
ートである。

【図５】圧延時の転位密度変化を示す特性図である。

【図６】変態モデルの処理の詳細を示すフローチャート
である。

【図７】熱処理モデルの処理の詳細を示すフローチャー
トである。

【図８】組織−材質モデルの処理の詳細を示すフローチ
ャートである。

【図９】本発明に供した鋼の化学成分を示す図である。

【図１０】本発明に供した鋼の製造条件を示す図であ
る。

【図１１】本発明に供した鋼の粒径の分率などの組織因
子および材質の実測値と本実施例の予測法による計算値
を示した図である。

【符号の説明】 １ 加熱炉 ２ 粗圧延機 ２．５ 中間加熱・冷却装置 ３ 仕上圧延機 ４ ホットレベラー ５ 冷却装置 ６ 熱処理装置 ７ 加熱プロセスコンピュータ ８ 圧延プロセスコンピュータ ９ 冷却プロセスコンピュータ １０ 熱処理プロセスコンピュータ １１ 機械試験システム １２ 中央制御室 １５ 鋼片情報 ２０ 初期状態モデル ２１ 加熱条件 ３０ 熱間加工モデル ３１ 圧延条件 ４０ 変態モデル ４１ 冷却条件 ５０ 熱処理モデル ５１ 熱処理条件 ６０ 析出モデル ７０ 組織−材質モデル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤岡 政昭 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造により鋳造された鋳片から製造
   される鋼板の金属組織状態及び材質を予測する鋼板の材
   質予測法において、鋳片の再加熱、圧延および圧延パス
   間での加熱又は冷却、圧延終了後の冷却、冷却後の鋼板
   の熱処理の各工程中の製造条件に基づいて、鋳片ないし
   鋼板の温度履歴を逐次算出し、同時に算出された温度と
   成分情報、製造条件に応じて鋳片ないし鋼板の回復、再
   結晶、固溶・析出、変態などの冶金現象を逐次算出して
   金属組織変化を予測し、さらにその組織に基づいて最終
   的な材質を推定することを特徴とする鋼板の材質予測
   法。