JPS582246B2 - 熱間圧延鋼材の材質を調整する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱間圧延鋼材の材質を調整する方法、特に圧
延後の冷却速度を制御することによって鋼材の機械的性
質を最適化するようにした熱間圧延鋼材の材質調整方法
に関する。

鋼材を熱間圧延によって製造する場合に、鋼材の材質に
影響を及ぼす要因として化学的成分のほかに熱間圧延後
の冷却速度がある。

この熱間圧延後の冷却については、通常最終段圧延機の
出側温度あるいはコイル巻取温度を制御してその冷却状
態を管理している。

しかし圧延機の出側温度とコイル巻取温度とが同じであ
っても、その途中の冷却過程が異なると鋼材の機械的性
質が異なってくる。

例えば、鋼材の熱間圧延では、通常オーステナイト相の
状態で圧延が終了し、その後の冷却によってフエライト
相、パーライト相、ベイナイト相、さらにはマルテンサ
イト相などの各相が変態によって生成する。

この中でもつとも簡単な例として亜共析組成の普通炭素
鋼を素材として通常のフエライト＋パーライト組織の熱
間圧延鋼帯をとってみると、この場合の金相学的な冷却
条件の影響としては、 （ａ） 初析フエライトの析出開始からパーライト変態
開始までの温度領域においては主としてフエライト粒度
およびパーライト率、 （ｂ） パーライト変態領域においてはパーライトの組
織構造、すなわちラメラー間隔の大小、（ｃ）変態終了
以降の温度領域においてはフエライト粒内に過飽和に固
容したＣの析出秋態、あるいはパーライトの分解、炭化
物の凝集、球状化の進行程度 におよぼすのが重要である。

このような金相学的な変化は各種の機械的性質にそれぞ
れ異なった影響をおよぼす。

たとえばフエライト粒度については降伏強度に大きな影
響をおよぼし、パーライトのラメラー間隔は引張強さに
大きな影響をおよぼす。

したがって複数の機械的性質を最適化するように材質設
計する場合には、以上に述べた諸現象を各々独立に制御
することが理想であるが、これは圧延機の出側温度とコ
イル巻取温度のみを管理し制御する従来の方法ではまつ
たく達成し得ない。

そこで、圧延からコイル巻取りに至るまでの間で前半急
冷、後半急冷、あるいは徐冷というような種々の冷却パ
ターンを用いる方法が考えられる。

例えば実際のホットストリップミルの例をとると、仕上
圧延機の出側温度とコイル巻取温度とを特定しその間を
きまった冷却パターンで冷却する方法が行なわれている
。

しかしこのような方法でも圧延後の冷却過程で生じる変
態あるいは析出といった現象を定量的に厳密に制御する
には不完全であり、製品の材質予測が大きくはずれると
いう結果を生じている。

本発明は、このような不具合をなくし、熱間圧延後の変
態にともなう金相学的な組織の変化を利用して、熱間圧
延後の冷却曲線（温度一時間曲線）を設定し冷却速度を
制御することにより、熱間圧延鋼材の材質を調整する方
法を提供することを目的とする。

本発明では、冷却過程の各温度におけるフエライト、パ
ーライト、ベイナイトおよびマルテンサイト各相の量的
比率を算出するモデルと、各温度で変態したフエライト
、パーライト、ベイナイトおよびマルテンサイト各相の
量的比率を主要なパラメータとし、その他補足的なパラ
メータと併せて材質を表現するモデルとによって目標と
する材質が得られるような冷却曲線を設定し、この冷却
曲線をもとにして圧延後の冷却速度を制御する。

上述の補足的なパラメータとしては、材料の化学成分そ
の他種々の製造要因が含まれる。

また、冷却過程における各相の量的比率を算出するには
、定量的に表現された等温変態曲線（Ｓ曲線）を用いる
のが便利である。

まず、定量的に表現された等温変態曲線から、冷却過程
の各温度で生成する各相の量的比率を導くモデルについ
て説明する。

第１図はこの場合の各温度で生成する変態量を求める１
つの例を示した図であって、符号１で示す曲線はフエラ
イト変態についての等温変態曲線、符号２の曲線は冷却
曲線である。

また符号３は近似冷却曲線である。縦軸には温度（Ｔｉ
）を、横軸には時間（ｔ）をとってある。

いま、ある材料についてその等温変態特性曲線、すなわ
ちＳ曲線を、温度（Ｔ）、時間（ｔ）におけるフエライ
ト変態量（Ｆ）、バーライト変態率（Ｐ）、ベイナイト
変態量（Ｂ）およびマルテンサイト変態量（Ｍ）のとし
て表現すると、任意の冷却曲線に対する変態現象の定量
的記述が、以下に述べる近似計算を行なうことによって
可能となる。

すなわち、ある連続冷却曲線をＴ１， Ｔ２，・・・・
・・Ｔｉの各温度で△ｔ１，△ｔ２，・・・・・・△ｔ
１の時間等温保持しながら冷却した階段状の冷却曲線で
近似すると変態開始の条件についてはすでに知られてい
る方法にしたがって、 として決定できる。

ここにＺｉは（５）式から定まる等温変態のときの各温
度の潜伏期間である。

なお、冷却曲線を階段状に分割近似する場合、１ステッ
プ当りの分割温度幅は多くとも５０℃を超えないように
する必要がある。

その理由はこの分割温度幅がこれ以上太き過ぎると、近
世度が悪くなり、以降に述べる変態率の計算に際して誤
差が太き〈なり易いためである。

変態開始以降は次の手順で計算する。

まず、変態開始温度Ｔｎにおける変態開始等価時間ｔｎ
は、フエライト変態開始条件、 ｔｎ＝ｇＦ（Ｔｎ，Ｆ＝０）・・・（１０）から、そし
てｔｎ＋△ｔｎ時間後の変態量Ｆｎは、Ｆｎ＝ｆＦ（Ｔ
ｎ，ｔｎ＋△ｔｎ）・・・（１１）から求める。

次段階の温度Ｔｎ＋１については変態量が等価になるよ
うな時間ｔｎ＋１を として求め、これからその温度での変態量Ｆｎ＋１を Ｆｎ＋１＝ｆＦ（Ｔｎ＋１，ｔｎ＋１＋△ｔｎ＋１）・
・・（１３） として計算する。

パーライト変態の開始条件については、フエライト変態
との相対的な関係、すなわち温度Ｔｍにおいてフエライ
ト変態から定まる変態等価時間、が、パーライト変態開
始等価時間 と等しくなった時にパーライト変態が始まるとして計算
する。

パーライト変態が開始してからの変態率の変化は上述の
フエライト変態の場合と同様に計算する。

フエライトとペイナイトを分別する次式の条件、より低
温側の領域におけるペイナイト変態についてはフエライ
ト変態と同じ手法でフエライト変態から連続して計算す
る。

マルテンサイト変態については一般に変態量を時間の関
数と考えなくてよいので、マルテンサイト変態開始温度
で残存したオーステナイト相の量から容易に計算できる
。

以上の計算を変態が完了するまで繰返すことによって各
温度Ｔｉで変態した各相の変態率△Ｆｉ，△Ｐｉおよび
△Ｂｉを求める。

その量的な比率ＶＦ（フエライト）、ＶＰ（パーライト
）、ＶＢ（ベイナイト）およびＶＭ（マルテンサイト）
は次のように計算される。

ここにＣＦ（ｖ）はＣ（炭素）の拡散を介してパーライ
ト量が冷却速度の関数になると考えた時の修正係数であ
り、０．８５（％）は共析組成のＣの含有量である。

以上の手法によって冷却過程の各温度（Ｔｉ）で変態し
たフエライト、パーライトおよびベイナイト相の量的な
比率ＶＦ，ＶＰおよびＶＢそしてマルテンサイト相の量
的な比率ＶＭが計算される。

これらが機械的性質に直接的な影響をおよぼす金相学的
な組織を定量化したパラメータ（以下組織パラメータと
呼ぶ）である。

次に、上述のようにして定量化された組織パラメータと
その他の補足的なパラメータとによって、材質特にその
機械的性質を表現するモデルについて説明する。

このモデルの作成には統計的手法を利用する。

いまホットストリップミルの場合について、熱間圧延鋼
帯の機械的性質Ｍを、前記組織パラメータを用いて線形
形式で表現すれば、次のようになる。

Ｍ＝Σｆ△ＶＦｉ＋ΣＰ△ＶＰｉ＋Σｂ△ＶＢｉ・・・
（２１）ここにｆは変態温度、化学成分および圧延機出
側温度の影響を受ける係数、Ｐおよびｂは温度および化
学成分の影響を受ける係数であり、それらの必要な相互
作用の取捨およびその定量化は実績データをもとに重回
帰分析によって決定する。

上述した２つのモデルによって目標材質となる最適の冷
却曲線を設定する。

そして、この冷却曲線にしたがって熱間圧延後の冷却過
程における冷却速度を制御する。

即ち熱間圧延鋼板が圧延機を出てから巻取られるまでに
至る特定区間を複数個のゾーンに分割し、該分割された
各ゾーン毎に複数個の注水用スプレーヘツダーを割当て
る。

そして各ゾーン毎に目標とする冷却曲線から定まる冷却
速度、鋼板速度および前段のゾーン出側目標温度に応じ
ての目標温度を設定し、この設定された目標温度と熱伝
達率等に基づき対応するゾーンの複数個の注水用スプレ
ーヘツダーの中で注水すべきスプレヘツダー数を選択決
定し、該決定に基づき選ばれたスプレーヘツダーに対し
て注水を指示し、該指示に基づき該当するスプレーヘツ
ダーにより鋼板に注水して冷却を行なわせる。

次に、材質を表現するモデルについて、式（２１）から
具体的に表現した実施例を述べる。

この例で目的とする所は硬度がある範囲内で降伏強度が
高く、伸びが優れているフエライト−パーライト組織の
中炭素熱間圧延鋼板を製造することにある。

その化学成分はＣ；０．４０％，Ｓｉ；０．１０％，
Ｍｎ ； １．２０％で、この成分について硬度（ＨＢ
）、降伏強度（ＹＳ）および伸び（Ｅｌ）におよぼす組
織パラメータと圧延温度の影響は（２１） ， （２２
）および（２３）であらわされることがそれまでのデー
タの統計解析によってわかっている。

なおこの計算式において組織パラメータはフエライトお
よびパーライトの平均変態温度すなわちΣＴｉ・△Ｆｉ
およびΣＴｉ・△Ｐｉと両相の量的な比率すなわちここ
で上式のＦＤＴなる記号は仕上圧延機の出側温度を表わ
す。

さて、材質設計としては可能な圧延条件、冷却条件の範
囲内で目標とするＨＢに対してＹＳとＥｌのバランスを
最適化すればよい。

その計算には上記化学成分に対して以下の（２５）〜（
３０）式で与えられるようなＳ曲線を用いるのがよい。

ここで、Ｔａは析出速度最大点（Ｓ曲線のノーズ）の温
度（°Ｋ） ｔａは析出速度最大点（Ｓ曲線のノーズ）の時間（ｓｅ
ｃ） ＡＦ（ｏｒｐ）は、フエライト変態（又はパーライト変
態）の係数 を表わす。

本例では、となる。

本例における冷却曲線は、それに基づく温度制御を容易
とするために、あるピボットとなる温度とその前後で、
各々所要の温度範囲内における冷却速度を示す曲線とす
る。

その物理的意味としては前段の温度領域は主としてフエ
ライト変態の制御、後段の温度領域は主としてパーライ
ト変態の制御に対応している。

なおその範囲以外の温度領域における冷却速度はほとん
ど材質に影響を与えないものであって、圧延温度、圧延
速度の変化などの外乱を吸収するように本例では制御開
始温度６９０℃、ピボット温度５７５℃、制御終了温度
５４０℃，６９０℃から５７５℃の間の冷却速度２５℃
／ｓｅｃ， ５７５℃から５４０℃の間の冷却速度２．
５℃／ｓｅｃが目標硬度ＨＢ＝２１０に対する最適解と
して選ばれた。

以上の製造条件で製造した熱間圧延鋼帯の降伏強度と延
性の関係を第２図に示す。

また第２図には冷却パターンを一定として巻取温度を管
理する従来の方法で同一素鋼から同じ硬度水準を目標と
して製造した例を併せて示した。

符号４の黒点で示す点は従来の方法で製造したもの、符
号５の白点は本発明に係る方法で製造したもの、また符
号６の２重点は本発明において材質を表現するモデルで
設定した目標材質を表わす点である。

両者を比較して、本発明に係る方法が材質設計、あるい
は製造条件設計の手段として優れていることは明らかで
ある。

さらに加えて、本発明では従来の例に見られる圧延条件
の変動による材質のバラツキも少なくなっていることも
大きな特長である。

これは、前にも述べたように、本発明の方法が材質に敏
感に影響をおよぼす温度範囲の冷却条件を外乱から保護
して厳密に制御することを可能としていることによるも
のである。

以上の説明から明らかなように、本発明は熱間圧延後の
冷却過程における金相学的な組織の変化をその制御手段
である冷却条件と定量的に結びつけ、総合的な材質調整
を行なうことをはじめて可能としたものである。

本発明を材質あるいは製造条件の最適化手法として適用
することによって、機械的性質が優れしかもその変動も
小さい熱間圧延鋼材を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は等温変態曲線から各温度での変態量を求める方
法を示した図、第２図は降伏強度と伸びとの関係を本発
明による方法と従来の方法と比較して示した図である。 １・・・・・・等温変態曲線、２・・・・・・冷却曲線
、３・・・・・・近似冷却曲線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間圧延後の冷却速度を制御して熱間圧延鋼材の材
   質を調整する方法において、熱延鋼材の冷却曲線を冷却
   温度範囲において１ステップ当り最大５０℃の範囲の間
   隔となるように任意に分割した階段状の温度降下として
   近似せしめ、分割せしめた各温度での等温保持中に生じ
   るフエライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイ
   ト等の各変態相の変態量を、予め公知の文献もしくは適
   宜実験によって求める等の方法により統計的に定量化せ
   しめた等温変態曲線図に照らして、各分割温度毎に求め
   、次いで該変態量と熱延鋼材のＣ含有量から定まる各変
   態相の量的比率を下記（イ）〜（ニ）式によって算出す
   る方法によって行う変態相の量的比率を導くモデルと、
   上記変態相の量的比率ならびに各変態相の変態温度、熱
   延鋼材の化学成分および仕上圧延温度等をパラメータと
   した下記（ホ）式によって表現される材質計算モデルと
   を組み合せて、目標材質となる冷却曲線を設定し、この
   冷却曲線にしたがって熱間圧延後の冷却条件を制御する
   ことを特徴とする熱間圧延鋼材の材質調整方法。 △ＶＭｉ＝１−△ＶＦｉ−△ＶＰｉ−△ＶＢｉ・・・（
   ニ）Ｍ＝Σｆ△ＶＦｉ＋ΣＰ△Ｐｉ＋Σｂ△ＶＢｉ＋Σ
   ｍ△ＶＭｉ・・・（ホ） ただし、 △ＶＦｉ；分割温度で等温保持中に変態したフエライト
   相の相対比率（％）、 △ＶＰｉ；分割温度で等温保持中に変態したパーライト
   相の相対比率（％）、 △ＶＢｉ；分割温度で等温保持中に変態したベイナイト
   相の相対比率（％）、 △ＶＭｉ；分割温度で等温保持中に変態したマルテンサ
   イト相の相対比率（％）、 △Ｆｉ；分割温度で等温保持中に変態したフエライト相
   の変態量（％）、 △Ｐｉ；分割温度で等温保持中に変態したパーライト相
   の変態量（％） △Ｂｊ；分割温度で等温保持中に変態したベイナイト相
   の変態量（％）、 Ｃ；熱延鋼材の炭素含有量（％） ＣＦ；統計的な修正係数、 Ｍ；熱延鋼材の機械的性質（例えば降伏応力、抗張力、
   硬度、伸び等）、 ｆ，Ｐ，ｂ ，ｍ；変態温度、化学成分および仕上圧延
   温度によって影響を受ける係数。