(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚鋼板を圧延後、水で冷却する冷却方法において、圧延後の鋼板に厚さが１０〜３０μｍのスケール層を生成させ、次いで高さが１０〜３０μｍの凹凸を表面に有するロールで圧下した後、水で冷却することを特徴とする厚鋼板の冷却方法。
【請求項２】
請求項１に記載の凹凸は、互いに隣接する凸部の頂点、稜線または頂上部の間隔が凹凸の高さの２〜１０倍であることを特徴とする厚鋼板の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚鋼板の冷却方法に関し、特に、圧延直後の厚鋼板を均一かつ急速に冷却して熱処理する加速冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、厚鋼板の製造プロセスにおいて、圧延パス毎の圧下量と圧延温度を制御して所定の特性を得る制御圧延を行った後、鋼板を水冷（加速冷却）することにより高強度、高靭性鋼板を得る技術が広く行われている。制御圧延及び加速冷却を組み合わせることにより、添加元素を削減して製造コストを大幅に削減できるばかりでなく、溶接性にも優れた厚鋼板を製造することが可能になった。
【０００３】
加速冷却においては、冷却ノズルから冷却水を２００〜９００℃の高温の鋼板の表面に噴射するため、鋼板表面において沸騰熱伝達がおきる。この現象により空冷などに比べ数十〜数百倍の高い冷却速度が得られるため、微細な結晶組織を有する鋼板が得られ、前記のように高強度、高靭性を有する鋼板を製造することができる。
【０００４】
しかし、この沸騰熱伝達現象は、膜沸騰の状態では熱伝達率が小さく、核沸騰の状態では熱伝達率が大きい。鋼板温度が高いときは膜沸騰が主体であるが、低温になると核沸騰に遷移し、熱伝達率が急増する傾向がある。膜沸騰から核沸騰に遷移する温度は冷却水の運動量の条件や鋼板表面状態によって変動し、一定ではないために、鋼板の一部で膜沸騰から核沸騰に遷移すると局部的に冷却速度が増加し、熱伝達が非常に不安定になる。従って、鋼板全体の冷却速度を均一に制御することは困難であり、大きな温度むらが発生しやすい。
【０００５】
このような温度むらの発生は、製品の機械特性のばらつきを生じるばかりでなく、耳波や中伸びなどの変形が生じ、圧延後の工程で平坦矯正や再度熱処理をしなければならないなど、生産効率を低下させる。
【０００６】
温度むらの発生原因として、表面粗さ等の鋼板表面性状の不均一が大きく影響していることが近年明らかになってきた。加熱炉での加熱むらや、圧延中に生じる温度むらによって鋼板上でスケール厚さの分布むらが生じ、圧延ロールの表面磨耗の進行度合いが部分的に異なっていると鋼板表面粗さのむらが生じ、これを冷却すると膜沸騰から核沸騰に遷移する時期が局部的にばらつき、冷却速度に大きなばらつきが発生する機構が解明されてきた。前記問題点を解決するため、例えば以下に示す対策が試みられてきた。
【０００７】
例えば、特公昭６３−５４０４６号公報には、金属管を高温から冷却する際に、冷却前にミルスケールを除去した後、表面に２μｍ以上の平均粗さで、且つＰＰＩ値が５０〜５００（山部の間隔が５０〜５００μｍ）の均一な粗面を形成させて冷却を行う技術が開示されている。
【０００８】
特開平１―２８４４１８号公報には、被圧延材の圧延後の表面粗さを冷却媒体の蒸気膜厚さ（水の場合１０μｍ程度）以上、Rz表示で３０μｍ以下に調整し、かつ圧延後の新生面を加速酸化した後、冷却を行う技術が開示されている。
【０００９】
特開平２―７００１７号公報には、金属材料の伝熱面に、溝の深さがRz表示で２５μｍ以下の多数の線状溝からなる均一な粗さ模様を付与して、冷却を行う技術が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に開示された技術は、以下に示す問題点がある。
(a) 前記３件の公報に開示された技術は、比較的膜沸騰状態が形成されにくい強冷却タイプの冷却装置、すなわちローラまたはプラテン（鋼板を上下から押させる治具）等で鋼板を拘束しつつ、冷却ノズルを被冷却体に近接させることにより冷却を行う装置の場合には比較的効果がある。しかし、厚板の制御冷却で一般的に用いられる弱冷タイプの冷却装置、すなわちローラ等の拘束がなく、冷却ノズルと鋼板の距離１ｍ以上ある装置の場合には、依然として局部的に膜沸騰域が発生し、大きな温度むらが生じやすい。
【００１１】
(b) 特開平２―７００１７号公報に開示された技術は、スケールがない状態、または非常に薄いスケールに覆われた状態で鋼材表面に規則的な凹凸を付与するものであるが、規則的な凹凸は比較的目立ちやすいため、製品での表面外観が悪化し、製品・用途によっては適用できない場合がある。
【００１２】
前記の問題を解決するため、本発明の課題は圧延後の鋼板を均一に加速冷却する方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため発明者らは種々検討の試験を行い、下記の知見を得た。
【００１４】
(a) 鋼板表面に、ある厚さのスケールが形成されると、水冷によってスケールに亀裂が生じ、亀裂の尖端部に核沸騰の起点が生成され、熱伝達率が増加する。
【００１５】
また、亀裂の入ったスケールからその破片が鋼板から剥離し、冷却水中に分散することにより、冷却水と鋼板間の蒸気膜が破壊され、冷却水と鋼板間の熱伝達率が増加する効果がある。しかし、スケール破片のすべてが鋼板から剥離すると鋼板への熱伝達率は再び低下したり、冷却水の流動によって局部的に熱伝達率の不均一が生じる。
【００１６】
(b) 軽圧下によってスケールの一部を鋼板に食い込ませれば、核沸騰の起点とすることができる。食い込ませるスケールの分布密度を調整することにより、熱伝達率を調整できる。また、スケールを食い込ませる深さをある限度以下とすれば、スケール噛み込みの問題はなく、鋼板表面に目立った模様を生じることもない。
【００１７】
本発明は上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は下記(1) 〜(2) にある。
(1) 厚鋼板を圧延後、水で冷却する冷却方法において、圧延後の鋼板に厚さが１０〜３０μｍのスケール層を生成させ、次いで高さが１０〜３０μｍの凹凸を表面に有するロールで圧下した後、水で冷却することを特徴とする厚鋼板の冷却方法。
【００１８】
(2) 前記(1) 項に記載の凹凸は、互いに隣接する凸部の頂点、稜線または頂上部の間隔が凹凸の高さの２〜１０倍であることを特徴とする厚鋼板の冷却方法。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、水冷前の鋼板表面に所定の厚さのスケール層を形成し、スケールの一部を鋼板表面に固定して核沸騰の起点とすることにある。これにより、鋼板をローラまたはプラテンによって拘束しつつ、冷却ノズルを接近させ高圧冷却水を噴射する強冷却タイプの冷却装置を用いる必要はなくなって、鋼板を非拘束として冷却ノズルと鋼板間の距離を１ｍ以上確保する比較的弱冷タイプの冷却装置で、均一かつ安定的に冷却を行うことができる。以下に本発明の原理を説明する。
【００２０】
冷却が開始される７００〜８００℃の高温域では、通常膜沸騰状態にある。鋼板表面と冷却水の間に蒸気膜が形成され、伝熱は蒸気膜を介した放射伝熱のみにより行われるため、熱伝達率は小さい。冷却が進行し温度が低下すると、ある温度（以下、クエンチ温度という）でこの蒸気膜が破壊される。このクエンチ温度から核沸騰状態に遷移し、冷却水と鋼板が直接接触して伝熱が行われるようになって、急激に熱伝達率が増加して急冷される。この蒸気膜の破壊過程は非常に不安定で、鋼板の表面粗さのばらつき等により、蒸気膜が破壊されて局部的に急冷される部分と、蒸気膜が維持され冷却が遅れる部分とが混在するため、温度むらが発生しやすい。
【００２１】
７００〜８００℃の高温域でも、高圧噴流水を衝突させることにより、蒸気膜を破壊する強冷却タイプの冷却装置においては、クエンチ温度を高め、鋼板全面を同時に急冷開始して均一に冷却することができる。しかし、一般的な弱冷タイプの冷却装置では、蒸気膜が破壊されにくく、冷却むらの改善を行うことができない。
【００２２】
本発明では、第１に高温域（膜沸騰域）で冷却水中に分散したスケール破片が膜沸騰状態の蒸気膜を破壊する効果を狙っている。第２に、いわゆるフィン効果により、フィン部の先端の温度が低下し、クエンチ点以下となって核沸騰の起点が形成される効果を狙っている。かつ、フィン部として濡れ性のよいスケールを用いるものである。
【００２３】
前記効果を実現する手段として、圧延後の鋼板１表面に所定の厚さのスケールを生成させ、このスケールを軽圧下によって亀裂を入れ、同時に一部のスケールを鋼板に食い込ませる。次いで、冷却水を噴射し、前記亀裂の入ったスケールを剥離し、冷却水中に分散した状態にする。
【００２４】
図１は鋼板と冷却水との境界近傍の挙動を示す模式図である。同図において、鋼板１に対して、冷却水２は蒸気膜３で隔てられている。鋼板１から剥離したスケールの破片は、浮遊スケール４として冷却水２の中に分散している。鋼板１の近傍では浮遊スケール４は蒸気膜３中に進入し、浮遊スケール３のフィン部６が核沸騰の起点になって、同図のように蒸気膜３中での核沸騰により蒸気膜が破壊され、高温域（クエンチ点以上）での熱伝達率が向上する。
【００２５】
スケールのすべてが剥離して、冷却水中に分散すると、前記第１の効果しか期待できないが、スケールの一部は鋼板表面に固定され、同図のように食い込みスケール５となる、食い込みスケール５のフィン部６が核沸騰の起点となって蒸気泡７が生成する。この状態では鋼板が直接冷却され、冷却が一層促進される。
【００２６】
前記第１の効果を狙って、スケールに亀裂を入れる際、スケール破片のサイズを、蒸気膜の厚さと同等〜膜厚厚さの数倍程度になるようにすると、浮遊スケール４が蒸気膜に進入しやすくなり、蒸気膜破壊の効果を大きくすることができる。スケールに前記の大きさの均一な亀裂を入れるには、軽圧下するロールの表面に均一な模様を刻印することで実現できる。
【００２７】
前記第２の効果を狙って、スケールの一部を鋼板表面に固定する際にも、軽圧下するロールの表面に規則的な凹凸模様を付与することにより、均一なスケール食い込みの分布を得ることができる。スケール破片が鋼板に深く食い込みすぎるとスケール疵となるため、スケールの厚さは適切な範囲にとどめなければならないし、凹凸の深さを適切な範囲にとどめなければならない。
【００２８】
上記の考慮の元、本発明の条件の限定理由を以下に説明する。
圧延後に生成させるスケールの厚さは１０〜３０μｍとする。スケールの厚さが１０μｍ未満であると、軽圧下によりスケールに亀裂を付与しても、冷却水を噴射したときに剥離しにくいこと、剥離したスケールを冷却水中に分散させたときの分散密度が小さいこと、およびスケール破片のサイズが蒸気膜の厚さより小さくなって、蒸気膜破壊の効果が小さいこと等によって、前記第１の効果が小さくなるためである。スケールの厚さが３０μｍより大きいと、圧延後に所定厚さのスケールを生成させるまでの時間が長くなり、圧延能率が低下したり、鋼板の温度が低下して所定の冷却開始温度が確保できないこと、および軽圧下によってスケールが鋼板に深く食い込んでスケール疵となること等による。より好ましいスケール厚さは１５〜２５μｍである。
【００２９】
スケールを生成するには、圧延後、１０〜１５秒間大気中で放冷することにより、所定の冷却開始温度を確保しつつ、圧延能率に支障をきたすことなく、所定のスケール厚さを確保することができる。
【００３０】
スケールの厚さを確保するため、放冷時間が長くなり、圧延能率に支障がある場合や鋼板温度の低下の問題がある場合は、圧延後に加速酸化を施してもよい。加速酸化の方法としては、鋼板表面に酸素富化ガスを吹き付けたり、直火バーナーで加熱する方法がある。また、鋼板の先端部と後端部とで、冷却開始温度、スケール厚さなどに著しく差がある場合は、鋼板の後端部を還元性雰囲気で加熱してもよい。
【００３１】
なお、通常の冷却方法では仕上圧延後の鋼板が１０秒未満の時間で冷却装置に搬送されるため、スケール生成厚さは十分ではなく、本発明の冷却方法では圧延後に積極的に放冷時間を調整する必要がある。従って、本発明の冷却方法は熱延鋼板のような連続プロセスで適用するのは困難であり、厚鋼板のような、１本単位で処理可能なプロセスでの適用に限られる。
【００３２】
軽圧下するロール表面の凹凸は１０〜３０μｍとする。凹凸の高さが１０μｍ未満では、前記１０〜３０μｍの厚さのスケールに対して、有効に亀裂を入れることができないこと、およびロール凹凸の凸部に対応した部分のスケールを鋼板に有効に食い込ませることができないことによる。スケールを無理に鋼板に食い込ませようとして重圧下すると、鋼板全面でスケールが食い込んで、適切なフィン分布にならず、スケール疵発生の恐れもある。凹凸の高さが３０μｍより大きいと、凹凸の凸部に対応した部分での面圧が大きくなり、スケールが深く食い込んでスケール疵となる。より好ましい凹凸の高さは１５〜２５μｍである。
【００３３】
軽圧下ロールの凹凸パターンはランダムでもよいが、一定の規則性があるのがのぞましい。すなわち、前記第１の目的によれば、軽圧下の亀裂に従って剥離するスケール破片の大きさがある大きさ以上で、かつ揃っている方が膜沸騰の破壊効果が高められるためと、核沸騰のフィン部が、鋼板表面にほぼ均一に分布している方が、均一な抜熱効果が得られるためである。
【００３４】
図２はロール表面の凹凸の分布状態を示す概念図であり、同図(a) は点状の凸部がランダムに配置されている場合、同図(b) は形状一定の点状の凸部が格子状に配置されている場合、同図(c) は一定形状の平行線状の凸部が配置されている場合である。同図(a) では凸部の形状を円錐、同図(b) では四角錐、同図(c) では三角畝として例示しているが、一つの凸部の形状の規則性はさほど重要ではないし、凹部の形状もさほど重要ではない。しかし、凸部の分布密度は以下の説明のように、重要である。
【００３５】
互いに隣接する凸部の頂点間の距離Ｐは凹凸の大きさの２〜１０倍であるのが望ましい。この距離Ｐは例えば、同図(a) または(b) の場合は、ある凸部と最隣接する凸部の頂点間の距離で表され、同図(c) のように、線状の凸部の場合は、稜線間の距離で表される。
【００３６】
凸部の間隔Ｐが凸部の高さＨの２倍未満であると、鋼板の表面に生成したスケールに生じる亀裂が細かくなり、前記第１の効果を狙った浮遊スケールが細かくなりすぎること、および鋼板上に固定される食い込みスケールの分布密度が大きくなりすぎて、局部的に急冷されるためである。凸部の間隔Ｐが凸部の高さＨの１０倍より大きいと、軽圧下によって亀裂の入ったスケールが浮遊スケールになるとき、サイズが大きくなりすぎること、鋼板上に固定される食い込みスケールの分布密度が小さすぎて、有効に冷却できないこと、および凸部の面圧が大きくなって、食い込みスケールが深く食い込んで、スケール疵発生の恐れや、鋼板に圧痕を生じる恐れがあることによる。凸部の間隔Ｐ対凸部の高さＨのより好ましい範囲は、３〜８倍である。
【００３７】
ロールの加工は、実際には、図２(b) のような格子状、または同図(c) のような線状とするのが加工しやすい。とくに、同図(b) のように稜線方向をロールの周方向にすれば、ロール旋盤での加工が容易である。凸部の断面形状は、四角形、台形、三角形等が考えられるが、頂点の形状が鋭いと、磨耗が早いため頂点の曲率半径を３〜１０μｍ程度、または台形の場合は頂辺を３〜１０μｍ前後とするのが望ましい。
【００３８】
前記の軽圧下は所定厚さのスケールを生成後、ワークロールに所定の凹凸を有する厚板圧延機で行ってもよいし、厚板圧延機とは別に軽圧下専用の圧延機で行ってもよい。ただし、厚板圧延機に所定の凹凸をつけても、各パスの圧延中に凹凸が急速に摩耗したり、バックアップロールとワークロールとの面圧によって凹凸が圧壊するため、専用の軽圧下圧延機を設けるのが望ましい。
【００３９】
軽圧下によって鋼板表面に微少な凹凸が生じるが、水冷後に通常実施する熱間レベリングによる軽圧下で容易にならすことができ、最終的な製品の外観を損なうことはない。
【００４０】
図３は本発明の冷却方法を適用する厚板制御冷却設備を示す概要図である。厚板圧延機１１により目標板厚まで圧延された鋼板１は、ローラテーブル１２上を搬送されつつ、所定のスケール厚さを生成させるため所定の放冷時間を経過後、冷却装置１３に達する。次いで鋼板１は冷却装置１３の中を通過しながら、上下面を水冷される。冷却前及び冷却後の鋼板温度は、それぞれ冷却装置１３の入側に設けられた上下の温度計１６ａ、１６ｂ及び出側に設けられた上下の温度計１７ａ、１７ｂで測温される。制御冷却をする場合は、これらの温度計で冷却前および冷却後の温度が所定の範囲に入るように、水冷中の搬送速度、或いは使用する冷却水の量を制御する。冷却装置１３の出側には幅方向温度計１８が設置されている。
【００４１】
水冷装置には、上面水冷ノズル１４、下面水冷ノズル１５を、例えば１０基ずつ搬送方向に並べて設置している。上面水冷ノズル１４はラミナーフロー型で、膜状の層流冷却水を鋼板表面に噴射して水冷するもので、熱伝達率が大きい。上面水冷ノズル１４は冷却中に板が変形しても衝突しないように、鋼板面からの高さを１ｍ程度に離して配置しているため、鋼板を拘束するローラもしくはプラテンは不要である。この形式の冷却装置は厚板、熱延鋼板の制御冷却装置に一般的に用いられているものであり、鋼板を高速で搬送でき、設備費・コスト・能率面で有利である。
【００４２】
冷却装置１３の入側には、鋼板を軽圧下するための軽圧下装置１９を設置している。この軽圧下装置１９は上下１対のロール２０、２１を有し、上側ロール２０は、使用しない場合に上方に待避可能なように昇降装置（図示せず）が設けられている。ロール２０、２１には凹凸模様が付けられている。軽圧下装置１９は同図に示すような２段ロールのほか、４段ロールタイプまたは数本のロール列で構成したレベラータイプのものであってもよい。
【００４３】
【実施例】
本発明の冷却方法と従来法による冷却方法とを比較する試験を行った。試験は図３に示す圧延ラインで行った。同図の軽圧下装置１９のロール２０、２１には、図２(c) に示す線状の凹凸を設けた。ロール２０、２１のロール径は５００ｍｍで、表面の凹凸の高さを１５μｍ、また隣り合う凸部頂点の間隔を、ロールの周方向、軸方向共に、１００μｍとした。
【００４４】
本発明例では、表面スケールを１５μｍ程度生成するよう、圧延後約１５秒放冷した後、軽圧下装置１９で軽圧下し、さらに冷却装置１３で冷却した。
【００４５】
比較例１では、圧延後の鋼板にデスケーリング装置２２で１５０kgf/cm2 の高圧水を噴射し、スケールを除去した。次いで、軽圧下により鋼板表面に高さ１５μｍの凹凸を付与した後、冷却装置１３で冷却した。
【００４６】
比較例２では、表面スケールを１５μｍ程度生成するよう、圧延後約１５秒放冷したのち、軽圧下をせずに冷却装置１３で冷却した。
【００４７】
仕上げ圧延終了時の鋼板板厚は２０．５ｍｍ、目標冷却開始温度は７５０℃、目標冷却停止温度は４５０℃である。また軽圧下装置での圧下による板厚減少量は、０．５mmとした。
【００４８】
図４は、冷却試験後の幅方向温度分布を示すグラフである。
同図に示すように、本発明例では、比較例１および２に比べて、水冷後の温度偏差が大幅に減少していた。また、軽圧下による鋼板表面の圧下模様もほとんどなかった。
【００４９】
本発明例と比較例１の差異は、軽圧下を施す場合の表面スケールの有無の差異である。比較例１は比較例２に比べて鋼板表面の粗度化により冷却の均一化に若干の改善が見られるものの、本発明例に比較すると冷却の均一化は劣っていた。また、鋼板表面には線状模様が残っており、品質面での問題があった。
【００５０】
本発明例と比較例２の差異は、軽圧下の有無の差異があり、表面スケール厚さの条件は同じであった。比較例２を本発明例と比較すると、鋼板表面に単にスケールを生成させただけでは、冷却の均一化には寄与しないことがわかった。
【００５１】
以上のように、本発明方法により、制御冷却により生じる温度むらを大幅に改善でき、安定して製造できることが明らかとなった。
【００５２】
なお本発明による冷却方法は、厚鋼板の冷却プロセスに限らず、鋼管や形鋼等の他の鋼材制御冷却プロセスへ適用した場合も、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の冷却方法によれば、高温の厚鋼板を冷却むらなく、大きな冷却速度が得られる。このため、厚鋼板の制御冷却の適用が容易になる。しかも、圧延能率低下やコスト増大を生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板と冷却水との境界近傍の挙動を示す模式図である。
【図２】ロール表面の凹凸の分布状態を示す概念図であり、同図(a) は点状の凸部がランダムに配置されている場合、同図(b) は形状一定の点状の凸部が格子状に配置されている場合、同図(c) は一定形状の平行線状の凸部が配置されている場合である。
【図３】本発明の冷却方法を適用する厚板制御冷却設備を示す概要図である。
【図４】冷却試験後の幅方向温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１    鋼板              ２    冷却水
３    蒸気膜            ４    浮遊スケール
５    食い込みスケール  ６    フィン部
７    蒸気泡            ８    凸部
１１  厚板圧延機        １２  ローラテーブル
１３  冷却装置          １４  上面水冷ノズル
１５  下面水冷ノズル    １６ａ、１６ｂ  温度計
１７ａ、１７ｂ  温度計  １８  幅方向温度計
１９  軽圧下装置        ２０  上側ロール
２１  下側ロール        ２２  デスケーリング装置
Ｈ    凸部高さ          Ｐ    凸部間隔
【図１】
0003709706.tif 000002
【図２】
0003709706.tif 000003
【図３】
0003709706.tif 000004
【図４】
0003709706.tif 000005