(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延された高温の鋼板をオンラインで制御冷却するに際し、前記制御冷却を前段冷却と後段冷却との２段階に分け、前記前段冷却を全面膜沸騰冷却で行い、引き続いて行われる前記後段冷却を、所定の冷却停止温度まで全面核沸騰冷却で行う、熱間圧延鋼板の制御冷却方法において、
前記前段冷却における冷却水の水量密度を１００〜３００ｌ／ｍｉｎ．ｍ2の範囲内とし、前段冷却終了時の鋼板の表面温度を５５０〜６００℃の範囲内とし、そして、後段冷却開始時における冷却水の水量密度を８００ｌ／ｍｉｎ．ｍ2以上とすることを特徴とする、熱間圧延鋼板の制御冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱間圧延された高温鋼板特に厚鋼板の制御冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、厚鋼板の製造プロセスとして、圧延直後の高温鋼板をオンラインで制御冷却するオンライン制御冷却法の適用が拡大している。このような、オンライン制御冷却法によれば、鋼板に対し高強度、高靱性を付与することができるほか、鋼中に含有されている合金元素の低減を図ることができ、且つ、省熱処理が可能になるなど、コストの削減効果が得られる。
【０００３】
しかしながら、一般に、熱間圧延された高温の鋼板は、温度分布、板形状、表面性状等が必ずしも均一ではないので、冷却中に鋼板に冷却むら即ち温度むらが発生しやすく、その結果、冷却後の鋼板に、変形、残留応力、材質不均一等が生ずる問題があり、製品の品質不良や操業上のトラブルを招いていた。
【０００４】
そこで、従来から、高温の鋼板を均一に冷却して、温度むらの発生を抑制する手段が数多く提案されており、例えば、次のような技術が開示されている。
（１）特開昭６２−２８９３１６号公報：
鋼板の冷却を、前段冷却と後段冷却の２段階に分け、前段冷却で鋼板の表面温度を１００℃以上低下させるように急冷し、次いで、後段冷却で鋼板を所定温度まで冷却することにより、鋼板の板幅方向の温度差を減少させる（以下、先行技術１という）。
【０００５】
（２）特開平７−２８４８３６号公報：
鋼板の冷却を、前段冷却と後段冷却の２段階に分け、前段冷却と後段冷却との間で一旦冷却を停止し、鋼板表面温度が復熱して６５０〜７５０℃になるように前段冷却を調整し、後段冷却において、所望の冷却水量で冷却を行うことにより、鋼板温度の均一性を向上させる（以下、先行技術２という）。
【０００６】
図２は、先行技術２の方法を実施するための装置の概略側面図で、１次冷却ゾーンａ、復熱ゾーンｂ、２次冷却ゾーンｃからなる冷却装置を使用し、テーブルローラ２によって移送される鋼板１に対し、１次冷却ゾーンａにおいて冷却ノズル８から噴射される冷却水により冷却した後、復熱ゾーンｂにおいて復熱させ、復熱後の鋼板の表面温度を７５０〜６５０℃となして鋼板の変態を極力生じさせないようにし、次いで、２次冷却ゾーンｃにおいて、冷却ノズル９から噴射される冷却水により冷却して膜沸騰持続時間を短縮し、速やかに核沸騰に移行させている。１０はエアノズルである。
【０００７】
（３）特開昭５７−１５２４３０号公報：
鋼板の表面硬化を抑制するために、鋼板を前段で緩冷却し、後段で強冷却する方法であって、前段冷却により鋼板表面温度が４５０〜５００℃に達するまで、０．３〜０．７ m3/min.m2の水量密度で冷却し、それ以下の温度域では、鋼板中心温度が５００〜４５０℃以下になるまで、１．０ m3/min.m2の水量密度で冷却する（以下、先行技術３という）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先行技術１の方法においては、前段冷却で鋼板に冷却むらや変形が発生すると、引き続き行われる後段冷却において、前段冷却時の冷却むらや変形が積算される結果、鋼板内の温度差が更に拡大する問題が生ずる。
【０００９】
先行技術２の方法によれば、後段冷却時に全面的に均一な核沸騰状態になるので、鋼板の温度分布の均一性が向上する。しかしながら、核沸騰によって鋼板表面が急冷されるために、冷却後における鋼板表面の硬度が上昇し、鋼板の板厚方向に好ましくない硬度分布が生ずる。特に、前段冷却において変態が進んでいないために、鋼板の表層部は、急冷によってオーステナイト組織からベイナイトまたはマルテンサイト組織になるため、表面硬度の著しい上昇が避けられない。
【００１０】
先行技術３の表面硬化を抑制する方法によれば、前段冷却が遷移沸騰域の冷却となるために、局所的に核沸騰が発生し、膜沸騰の部分との間で温度むらの発生することが避けられなかった。また、前段冷却で核沸騰が発生した部分は、急激に鋼板温度が低下するために、鋼板表面全体の平均温度が所望の温度範囲に入ったとしても、核沸騰が発生した部分の表面温度は平均温度よりも低下し、その部分の鋼板表面が硬化することは避けられなかった。
【００１１】
従って、この発明の目的は、上述した問題を解決し、熱間圧延鋼板の制御冷却方法において、熱間圧延された高温鋼板の冷却中における温度むらの発生を低減し、冷却後における平坦度が良好で、且つ、全面にわたって板厚方向の硬度差が少ない鋼板が得られる冷却方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
一般に、高温の鋼板を水冷すると、図３に示すように、まず、鋼板表面と冷却水との間に蒸気膜が存在する膜沸騰状態になる。鋼板の表面温度が低下するに従って、膜沸騰から遷移沸騰へと移行し、更に鋼板の表面温度が低下すると、鋼板のほぼ全表面が冷却水と接触し局所的に蒸気泡が発泡した状態すなわち核沸騰になり、鋼板は、このような膜沸騰、遷移沸騰および核沸騰を通過して低温に到達する。
【００１３】
鋼板の表面温度が遷移沸騰領域の場合には、冷却開始時に温度の高い部分は温度の低い部分に比べて熱流束が小さいために冷却が遅れるのに対し、温度の低い部分は、逆に熱流束が大になるために冷却が促進される。その結果、冷却開始時における温度の高い部分と温度の低い部分との温度差は拡大することになる。冷却が遷移沸騰領域において行われる限り、局所的な温度むらは積算されて拡大し、冷却後の鋼板に平坦度不良、残留応力のほか、硬度分布や強度分布などのむら即ち材質むらが発生する。
【００１４】
これに対し、膜沸騰領域または核沸騰領域においては、冷却開始時に温度の高い部分は、温度が低い部分に比べて熱流束が大きいために、冷却が促進されるのに対し、温度が低い部分は、逆に熱流速が小さいために冷却が遅れ、その結果、両者の温度差は縮小し、温度むらは減少する。従って、全冷却過程を膜沸騰のみまたは核沸騰のみによって行えば、温度むらのない均一な冷却が可能になる。
【００１５】
しかしながら、膜沸騰冷却においては冷却能が低いので、膜沸騰のみで所望の冷却停止温度まで冷却しようとすると、材質制御のために必要な冷却速度が得られない。
【００１６】
一方、核沸騰冷却においては、冷却能力が高すぎるので、核沸騰のみで所望の停止温度まで冷却しようとすると、冷却中に鋼板の表面温度が１００℃まで低下し、ベイナイトやマルテンサイトが生じるために、表面硬化が避けられない。
【００１７】
そこで、本発明者等は、表面硬化を抑制し、且つ、温度むらおよび材質むらの発生しない鋼板の冷却条件について子細に検討した結果、冷却を２段階に分け、前段冷却では、全面膜沸騰冷却によって温度むらの発生を抑えつつ冷却し、表層のフェライト変態を促し、予めフェライト分率を高め、後段冷却では、全面核沸騰冷却で均一に強冷却し、所定の冷却停止温度まで冷却すれば、温度むらおよび材質むらが発生しないことを知見した。
【００１８】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、請求項１に記載の発明は、熱間圧延された高温の鋼板をオンラインで制御冷却するに際し、前記制御冷却を前段冷却と後段冷却との２段階に分け、前記前段冷却を全面膜沸騰冷却で行い、引き続いて行われる前記後段冷却を、所定の冷却停止温度まで全面核沸騰冷却で行う、熱間圧延鋼板の制御冷却方法において、前記前段冷却における冷却水の水量密度を１００〜３００ｌ／ｍｉｎ．ｍ2の範囲内とし、前段冷却終了時の鋼板の表面温度を５５０〜６００℃の範囲内とし、そして、後段冷却開始時における冷却水の水量密度を８００ｌ／ｍｉｎ．ｍ2以上とすることに特徴を有するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明においては、上述したように、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行うことによって、温度むらの発生を抑えつつ表層のフェライト変態を促進させる。このような前段冷却の終了温度について子細に検討を行った結果、鋼板表面温度で５５０℃以上、６００℃以下が望ましいことが判明した。前段冷却の終了温度が５５０℃未満では、鋼板表層でベイナイト変態が始まり表層が硬化する恐れが生ずる。一方、前段冷却の終了温度が６００℃を超えると、表層部のフェライト変態が不十分になる。
【００２１】
また、前段冷却における冷却水の水量密度について子細に検討を行った結果、前段冷却時における水量密度は、１００〜３００ l/min.m2 の範囲内が望ましいことが判明した。前段冷却時における水量密度が１００ l/min.m2 未満では冷却速度が低く、前段冷却時間が長くなり、生産性が低下するおそれが生ずる。一方、水量密度が３００ l/min.m2 を超えると、全面膜沸騰を維持することが困難になり、部分的に核沸騰が生じて、温度むらや表面硬度むらの原因になる問題が生ずる。
【００２２】
後段冷却開始時における冷却水の水量密度を子細に検討した結果、鋼板表面温度によって、鋼板全面にわたり安定した核沸騰状態を維持するのに必要な水量密度は大きく異なることがわかった。スリットノズルで種々の温度の鋼板を冷却したときの鋼板表面温度と、鋼板全面にわたり安定して核沸騰を維持するのに必要な冷却水の水量密度との関係を調べた結果を図４に示す。図４から、鋼板表面温度を６００℃以下とし、後段冷却開始時の水量密度を８００ l/min.m2 以上とすることにより、安定して核沸騰を維持し得ることがわかる。
【００２３】
冷却方式は、前段冷却が全面膜沸騰状態になり、後段冷却が全面核沸騰状態になる方式であれば、特に限定されるものではないが、冷却の均一性の点から、スプレー冷却やスリットノズルによる冷却を行うことが好ましい。
【００２４】
【実施例】
次に、この発明を実施例により説明する。図１は、この発明の方法を実施するための装置の一例を示す概略側面図である。図１に示すように、熱間圧延された高温の鋼板１は、一定ピッチで設けられたテーブルローラ２によって制御冷却装置に移送される。制御冷却装置には、テーブルローラ２の上方に、テーブルローラ２と対をなす水切りロール６が複数設けられており、水切りロール６の相互間の上面側には、上流側ロールから下流側ロールに向けたスリットノズル４が設けられ、その下面側には、スプレーノズル５が設けられている。３は冷却水供給用ヘッダ、７は流量調整弁である。
【００２５】
このような制御冷却装置の全長は例えば約２０ｍであって、前段冷却ゾーンと後段冷却ゾーンとが組み合わされた、テーブルロール単位の２０ゾーンからなっている。前段冷却ゾーンと後段冷却ゾーンとの組み合わせは、板厚、冷却速度、冷却停止温度等によって、自由に選択し得るようになっている。
【００２６】
鋼板１は、テーブルローラ２によって、前段冷却ゾーンおよび後段冷却ゾーンを搬送される間に、鋼板上面側はスリットノズル方式によって冷却され、鋼板下面側はスプレー方式によって冷却される。各ゾーンにおける冷却水の水量密度は、流量調整弁７によって小水量から大水量まで調整される。
【００２７】
Ｃ：０．１２wt.%、Ｓｉ：０．３wt.%、Ｍｎ：１．３wt.%を含有する化学成分組成の鋼片を、加熱炉において１１５０℃の温度に加熱した後、熱間圧延機によって、板厚３０mm、板幅３０００mm、長さ１２０００mmの鋼板に熱間圧延した。
【００２８】
熱間圧延された高温鋼板を、図１に示した制御冷却装置にテーブルローラ２によって移送し、前段冷却ゾーンにおいて冷却した後、引き続き後段冷却ゾーンにおいて目標冷却停止温度まで冷却した。冷却速度および冷却停止温度は、前段冷却装置の水量、使用ゾーン数、鋼板の移送速度等によって制御した。前段冷却終了時の鋼板表面温度を伝熱計算によって求め、最終冷却後の鋼板の温度分布を走査型放射冷却温度計によって測定した。
【００２９】
表１に、熱間圧延された高温鋼板を、上記により約８００℃から約５００℃まで種々の条件で冷却したときの、前段冷却ゾーン数、後段冷却ゾーン数、鋼板の搬送速度、前段冷却水量密度、後段冷却開始温度、後段冷却水量密度、冷却停止温度、冷却後の鋼板の温度分布、鋼板の板厚方向硬度差および鋼板面内硬度分布を示す。表１において、No. １〜４は本発明例であり、No. ５〜１０は比較例である。
【００３０】
【表１】
0003656707.tif 000002
【００３１】
表１において、冷却後の鋼板の温度分布は、鋼板面内の最高温度と最低温度との差に基づいて、下記により評価した。温度差が低いほど温度むらは少なく、鋼板の温度均一性が良好であることを示している。
【００３２】
○：鋼板面内の最高温度と最低温度との差が２０℃以内の場合
△：鋼板面内の最高温度と最低温度との差が２０℃超〜５０℃の場合
×：鋼板面内の最高温度と最低温度との差が５０℃超の場合
鋼板の硬度は、荷重１０Kgのヴイッカース硬さによって評価し、鋼板表面と板厚中心部との板厚方向硬度差および鋼板面内硬度分布に基づいて、下記によって評価した。
（１）板厚方向硬度差：
○：表面硬度と板厚中心部硬度との差がＨｖで２０以内の場合
△：表面硬度と板厚中心部硬度との差がＨｖで２０超〜４０の場合
×：表面硬度と板厚中心部硬度との差がＨｖで４０超の場合
（２）鋼板面内硬度分布：
○：表面硬度の鋼板面内における最大と最小との差がＨｖで２０以内の場合△：表面硬度の鋼板面内における最大と最小との差がＨｖで２０超〜４０の場合
×：表面硬度の鋼板面内における最大と最小との差がＨｖで４０超の場合
表１に示す如く、比較例５のように前段冷却水量密度が５００ l/min.m2 で高く、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行うことができなかった場合は、冷却後における鋼板の温度分布の均一性が不良で且つ板厚方向の硬度差が多く、特に、鋼板面内硬度分布が極めて悪かった。比較例６のように、後段冷却水量密度が６００ l/min.m2 で低く、後段冷却を全面核沸騰冷却で行うことができなかった場合は、冷却後の鋼板の温度分布の均一性が極めて悪く、鋼板面内硬度分布も不良であった。
【００３３】
比較例７のように、前段冷却終了時即ち後段冷却開始時の鋼板表面温度が７００℃で高く、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行うことができなかった場合は、冷却後の鋼板の温度分布の均一性および鋼板面内硬度分布が不良であり、特に、板厚方向の硬度差が極めて大であった。比較例８のように、前段冷却終了時即ち後段冷却開始時の鋼板表面温度が５１０℃で低く、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行うことができなかった場合は、冷却後の鋼板の温度分布の均一性、板厚方向の硬度差および鋼板面内硬度分布が不良であった。
【００３４】
比較例９のように、全面核沸騰冷却からなる後段冷却を行わなかった場合は、板厚方向の硬度差が極めて大であった。そして、比較例１０のように、前段冷却と後段冷却との間において空冷を行い、且つ、前段冷却の水量密度が２０００ l/min.m2 で極めて高く、前段冷却終了時即ち後段冷却開始時の鋼板表面温度が６９０℃で高く、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行うことができなかった場合は、冷却後の鋼板の温度分布および鋼板面内硬度分布が不良であり、特に、板厚方向の硬度差が極めて大であった。
【００３５】
これに対し、前段冷却を全面膜沸騰冷却で行い、引き続き行われる後段冷却を全面核沸騰冷却で行った本発明例No. １〜４の場合は、冷却後の鋼板の温度分布が均一で、板厚方向の硬度差および鋼板面内の硬度差が少なく、材質の均一性に優れたいた。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の方法によれば、熱間圧延された鋼板を制御冷却するに際し、冷却中における温度むらの発生を低減し、冷却後における平坦度が良好で、且つ、全面にわたって板厚方向の硬度差が少ない鋼板が得られ、これによって、冷却後の鋼板の再矯正や手入れが不必要になり、材質のばらつきが少なく、製造歩留りを向上させることができ等、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法を実施するための装置の一例を示す概略側面図である。
【図２】従来の冷却装置の一例を示す概略側面図である。
【図３】鋼板表面温度と熱流束との関係を示した図である。
【図４】鋼板表面温度と水量密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  鋼板
２  テーブルローラ
３  冷却水ヘッダー
４  スリットノズル
５  スプレーノズル
６  水切りロール
７  流量調整弁
８  冷却ノズル
９  冷却ノズル
10  エアノズル
【図１】
0003656707.tif 000003
【図２】
0003656707.tif 000004
【図３】
0003656707.tif 000005
【図４】
0003656707.tif 000006