(57)【要約】【課題】鉄鋼製造において鋼材の熱間圧延前の再加熱では、鋼材表面に一次スケールが生成する。この一次スケールは歩留まり落ちとなることや、一次スケールに起因する鋼材表面疵を発生させる問題があり、本発明では鋼材材表面に均一に酸化防止処理ができる方法及び設備を提供する。【解決手段】連続鋳造された鋼材を再加熱して熱間圧延を行って鉄鋼材料を製造するに際し、鋳造された鋼材表面の温度が６００℃以上の状態で、鋼材表面にアルミナ繊維を含有するセラミックシートを貼り付け、その後再加熱することを特徴とする鋼材のスケール抑制方法およびそのための設備。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造された鋼材を再加熱して熱間圧延を行って鉄鋼材料を製造するに際し、
鋳造された鋼材表面の温度が６００℃以上の状態で、鋼材表面にアルミナ繊維を含有するセラミックシートを貼り付け、その後再加熱することを特徴とする鋼材のスケール抑制方法。
【請求項２】
セラミックシートの厚みが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、アルミナ含有率が６０質量％以上であることを特徴とする請求項１記載の鋼材のスケール抑制方法。
【請求項３】
鋼材を連続鋳造する設備であって、冷却設備の下流側にロール状に巻かれたセラミックシートを鋼材表面に鋼材の長手方向に連続的に供給する供給装置を備え、更に、前記供給装置の下流側に鋼材表面にセラミックシートを圧着させる圧着装置を備えることを特徴とする鋼材の連続鋳造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材表面の酸化スケールの生成を抑制する鋼材表面処理方法およびそのための設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉から取出された銑鉄は、転炉に送られ、その後連続鋳造されてスラブとなる。このスラブはその後加熱炉内で燃焼ガスにより９００〜１３００℃の温度に再加熱され、熱い状態まま熱間圧延機で圧延される。この再加熱の工程において、加熱炉から出た鋼材（スラブ）の表面には、スケール層が形成されている。このスケールは一次スケールと呼ばれる。一次スケール層は、表層から順に、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、ウスタイト（ＦｅＯ）の３層構造からなっている。
【０００３】
一次スケールは、熱間圧延する前に除去される（デスケーリング）。デスケーリングは通常、高圧水を鋼材表面に噴射することによって行われる。しかし、一次スケールが除去されても、熱間圧延は高温で、大気中で行われるため、鋼材は直ちに酸化して、再度スケールが表面に生成される。このように熱間圧延中に生成するスケールを、二次スケールと呼ぶ。
【０００４】
再加熱時に生成するスケールは歩留まり落ちとなる。再加熱は９００〜１３００℃の温度で加熱されるため、１ｍｍから２ｍｍの厚みの一次スケールが生成する。一次スケールは鉄の酸化物であるため、鉄鋼製品にとってスケール生成は歩留まり落ちとなる。従って、一次スケールの生成を抑制することが歩留まり向上に繋がる。さらに、一次スケール及び二次スケールが厚い場合やデスケーリングが十分でない場合には、鋼材の表面疵、模様を形成する。
【０００５】
又、Ｎｉを含有する鋼では再加熱時のスケール生成が起因する表面疵が発生しやすい。Ｎｉ含有鋼では一次スケールの下部にいわゆるサブスケールと呼ばれる内部酸化層が形成されるためである。Ｎｉ含有した鋼が酸化されると鉄が酸化してスケールとなるため、鋼表面のＮｉ濃度が上昇する。このＮｉ濃化部位は、高いＮｉ濃度のＦｅとＮｉの合金となっており、この状態で酸化が進行しつづけると、ここにＦｅが内部酸化して内部酸化層を形成する。この部位ではＮｉの母相内にＦｅが内部酸化しているため、剥離させることが困難である。これが高Ｎｉ含有鋼のサブスケール層とよばれる表面疵である。
【０００６】
非特許文献１には、熱間圧延前の高圧水デスケーリングが不十分であった場合、熱間圧延する直前にスケールが剥離した場合、厚いスケールが熱間圧延時に割れた場合に表面疵や模様が形成されることが示されている。これらの表面疵や模様は最終鋼材製品の外観を損ねるだけでなく、鋼材表面に凹凸を形成するので腐食や破壊の起点となる。したがって、このような表面疵が形成されないようにすることが重要である。
【０００７】
非特許文献２では、Siを含有する鋼材の場合に、再加熱炉で生成する一次スケールがその後の高圧水によるデスケーリングで除去され難く、鋼材表面疵が発生することが示されている。このように再加熱炉による一次スケールの生成は歩留低下や、鋼材表面疵の原因となる。
【０００８】
このような課題に対して、一次スケールを抑制する酸化防止方法が提案されている。特許文献１ではシリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ複合酸化物等を含む酸化防止剤が示されている。この酸化防止剤は鋼材の加熱前に鋼材表面に塗布することで一次スケールを抑制する効果はあるものの、以下の問題がある。まず第一は、酸化防止剤を塗布するために室温まで鋼材を冷却し、塗布後に再加熱させるためにエネルギーの損失が多いという点である。鋳造された鋼材を高温のまま再加熱するホットチャージができないためである。また、酸化防止剤を塗布後に乾燥する工程が必要となりコストが高くなる。第二は、塗布工程で塗布の不均一部があると、不均一部に厚い一次スケールが生成し、鋼材の表面疵となるという点である。
更に、第三は、酸化防止剤を塗布する際には、鋼材の上面に塗布後、鋼材の上下面を反転して、反対側の面に塗布する工程が必要であり、この点がコスト、生産性の面で支障となるという点である。
【０００９】
特許文献２には、炭化珪素、ジルコニア、アルミナ、窒化ホウ素等を含む酸化防止剤が示されている。しかしながら酸化防止剤を塗布する必要があることから、特許文献１同様に、鋳造された鋼材を高温のまま再加熱するホットチャージができずエネルギー損失が多い、酸化防止剤を塗布後に乾燥する工程が必要となりコストが高く、さらに塗布による不均一が鋼材表面疵となる、といった問題がある。また、酸化防止剤を塗布する際には、鋼材の上面に塗布後、鋼材の上下面を反転して、反対側の面に塗布する工程が必要であり、この点がコスト、生産性の面で支障となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２２２５６４号公報
【特許文献２】特開平５−１７１２６１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「岡田光  熱間圧延におけるスケールの挙動」塑性と加工（日本塑性加工学会誌）、第４４巻、第５０５号（２００３−２）、ｐ．１２−１７
【非特許文献２】「第２版  わが国における最近のホットストリップ製造技術鋼板部会ホットストリップ分科会報告」、社団法人日本鉄鋼協会、ｐ．１５２−１５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
鉄鋼製造において鋼材の熱間圧延前の再加熱では、鋼材表面に一次スケールが生成する。この一次スケールは歩留まり落ちとなることや、一次スケールに起因する鋼材表面疵を発生させる問題がある。
従来技術提案されている酸化防止剤による酸化防止方法は、酸化防止剤を塗布するために室温まで鋼材を冷却し、塗布後に再加熱させるためにエネルギーの損失が多い。鋳造された鋼材を高温のまま再加熱するホットチャージができないためである。また、酸化防止剤を塗布後に乾燥する工程が必要となりコストが高くなる問題がある。さらに、酸化防止剤の塗布工程に不均一があると、不均一部に厚い一次スケールが生成し、鋼材の表面疵となる問題もある。
上記課題を解決するため、本発明では、高温状態にある鋼材表面に均一に酸化防止処理ができる方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は、（1）連続鋳造された鋼材を再加熱して熱間圧延を行う鉄鋼材料の製造方法において、鋳造された鋼材表面の温度が６００℃以上の状態で、鋼材表面にセラミックシートを貼り付けることを特徴とする鉄鋼材料の製造方法を提供する。
また、（2）セラミックシートの厚みが０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、アルミナ含有率が６０質量％以上（以下％は質量％）であることを特徴とする（1）記載の鉄鋼材料の製造方法を提供する。
さらに、（3）鋼材を連続鋳造する設備において、ロール状に巻かれたセラミックシートを鋼材表面に連続的に供給する装置と、鋼材表面にセラミックシートを圧着させるロールとを有することを特徴とする鋼材の連続鋳造設備を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱間圧延に先立つ再加熱時のスケール生成が大幅に抑制できる。これにより、歩留まりが向上すること、さらに鋼材の表面疵を大幅なコストアップや生産性の低下をさせることなく低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】アルミナがスケールを抑制するメカニズムの図
【図２】アルミナシート貼り付け設備
【図３】連続鋳造での本発明の適用例
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の方法について説明する。
鋼材表面に高温で生成する酸化スケールは表層から順に、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、ウスタイト（ＦｅＯ）の三層構造からなっている。この三層全体をスケールあるいはスケール層と呼ぶ。スケールは酸化物中をＦｅイオンが拡散することにより成長する。特にウスタイトはその中のＦｅイオンの拡散が速いために、比較的厚いスケールとなる。
【００１７】
本発明ではスピネル（ＦｅＡｌ２Ｏ４）層を鋼材表面に生成させて酸化抑制機能を発揮させる。図１に示すように、鋼材表面に酸化スケールが生成している状態で、酸化スケールの上にセラミックシートを張り付ける。
【００１８】
セラミックシートとは、セラミックファイバーの繊維を布状に加工したものである。セラミックファイバーはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）が主成分であり、有機物からなるバインダーを加えて布状に成形される。
【００１９】
セラミックシートの主成分であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とスケールの鉄の酸化物とは自発的に反応してスピネル（ＦｅＡｌ２Ｏ４）となる。このスピネル層内部のＦｅイオンの拡散は極めて遅いため、スケール生成を抑制する制作用がある。
【００２０】
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は鉄酸化物と反応してスピネル（ＦｅＡｌ２Ｏ４）になる。この反応は自発的に進行するものの、反応速度は温度が高いほど速く、６００℃以上で酸化抑制に必要なスピネル（ＦｅＡｌ２Ｏ４）層の形成が確保される。
【００２１】
連続鋳造設備内で鋳造後の鋼材が高温状態（６００℃以上）にある時にセラミックシートの貼り付けを行うことが必要である。常温でセラミックシートをバインダー等を使用して貼り付けた後再加熱すると、セラミックシートは繊維を加工したものであるため通気性があるので、再加熱の際の常温から６００℃までの間に鋼材が再加熱の際炉内で酸化されるので、これを避ける必要があるためである。また、セラミックシートを鋼材に貼り付ける際に使用するバインダーは鋼のスピネル形成に不利である場合があるので、バインダーの使用を行なわずに貼り付けるためである。
このようにして、鋳造後可能な限り早い段階でスピネル層の形成を行い、その後の熱履歴によらず酸化を防止する。そのために鋳造後６００℃以上でセラミックシートの貼り付けをバインダーを使用せずに行い、即座に鋼材表面にスピネル層の形成を行って、その後の鋼材の酸化スケールの生成を抑制する。
また、連続鋳造で酸化抑制の処理ができれば、鋼材を高温状態のまま再加熱させるいわゆるホットチャージが可能となる。これにより常温で酸化防止剤を塗布する時の、エネルギー損失がなくなる。図２に連続鋳造機の鋳造された鋼材が水平に移動する部位に、セラミックシートの貼り付け装置を設けた図を示す。この部位では鋼材が低速で移動するため、セラミックシートの貼り付けが容易である。
【００２２】
ここで６００℃以上の状態とは、鋳造後冷却前に鋼材表面の最も温度の低い部位が６００℃以上であることである。連続鋳造された鋼材は表面から冷却することで内部まで凝固された鋼材となる。この冷却時に次の要因で温度分布が発生する。まず、鋼材表面から冷却することで鋼材内部より鋼材表面の温度が低い状態となる。次に鋼材の表面の面内に温度分布ができる。鋼材のエッジ部は熱の放散量が多いため、鋼材の板面内よりも温度が低くなる。さらに、鋼材表面のスケールが不均一に剥離すると、スケール剥離部は水冷時に温度が高くなる。スケールは鋼と比べて熱伝導性が低く、スケールが付着した部分の表面温度は比較的早く伝熱速度の速い核沸騰領域に遷移するため、冷速が速くなるからである。（スケール剥離部は、冷速が速くならないので、水冷時に温度が高くなる。）
【００２３】
セラミックシートを利用することで次の四つの効果がある。まず、高温の鋼材表面の酸化防止処理が可能であること。上述したようにむしろ６００℃以上の高温でのみセラミックシートと酸化スケールとの反応によるスピネル層形成が可能になる。また、シート状で扱うため表面と裏面ともに貼りつけることが可能である。さらに、大気中でスケールと反応させるだけでスピネル層が形成され、乾燥のような付加工程を必要としない。その上、シートを張り付けるため、鋼材表面全面での均一性を確保できる。
【００２４】
用いるセラミックシートの成分であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やシリカ（ＳｉＯ２）は鋼材の材質に影響を与えない。これらはスケールと反応してスピネルやファイアライトになるものの、酸化物であり、鋼内部にこれらの成分が侵入することはない。さらに、これらは鋼材表面に酸化物として付着している状態であり、再加熱後熱間圧延前の高圧水によるデスケーリングで容易に除去される。
【００２５】
セラミックシートのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）含有量は６０％以上、１００％以下が好ましい。セラミックシートはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）を含有してもよい。さらに、セラミックシートには上記以外にＣ、Ｈ、Ｏを含む炭化水素系のバインダー成分を含んでもよい。これらは６００℃以上の高温状態では燃焼してガスとして消失するので、従ってこれらの炭化水素系成分は最大１０％まで含んでいても本発明の作用には影響しない。
【００２６】
アルミナは鉄酸化物と高温で反応しスピネル（ＦｅＡｌ２Ｏ４）を形成して、酸化防止機能を発揮する。一方シリカ（ＳｉＯ２）は鉄酸化物と反応してファイアライト（Ｆｅ２ＳｉＯ４）を形成する。ファイアライトは鉄酸化物との間に１１７０℃に共晶点を持つため、それ以上の温度では液相が生成する。この液相は酸化を促進させる作用がある。従って、セラミックシート中のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）含有量は６０％以上が好ましい。この点で、アルミナ含有量は、高いほど好ましく、１００％であってもよい。ただし、シリカが少なすぎると、セラミックシートのアルミナ繊維の製造が難しくなるため、シリカの含有量を約１％以上としてもよい。
【００２７】
反応を円滑に進めるには繊維状で形成されたシートを使用することが望ましい。シートを貼り付けることで鋼材表面に均一にアルミナを鋼材表面スケールと接触させることができる。鋼材表面に反応を形成させる場合に表面の不均一性が原因となり表面の外観不良につながることがあり、シート状にアルミナを供給することで外観不良の心配がなくなる。セラミックシートは外径が５μｍから２０μｍの繊維状のアルミナ等を布状にしたものでセラミックペーパーとも呼ばれる。シート状であるため鋼材表面に均一にアルミナを供給できる。さらに、シートを巻き取ってロール状とすることで連続的にアルミナを鋼材表面に供給することが可能になる。
【００２８】
セラミックシートの厚みは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。再加熱後のスケール生成防止に必要なスピネル層厚さ確保の点では、セラミックシートは０．１ｍｍあれば十分である。０．１ｍｍのセラミックシートのアルミナから得られるスピネル層はおおよそ１００μｍであり、この厚みでＦｅイオンの拡散を効果的に抑えることが可能である。しかしながら、０．２ｍｍ未満のセラミックシートはシートとしての強度が弱く、連続的にセラミックシートを供給して張り付ける場合、貼り付け前に破断する危険性が高くなる。従ってセラミックシートは０．２ｍｍ以上であるのが望ましい。また厚みは３ｍｍ以下であることが好ましい。これ以上厚い場合にはセラミックシートの材料コストが高くなるためである。
【００２９】
セラミックシートをロール状で供給し、鋼材表面に貼り付けることが好ましい。ロール状のセラミックシートを用いることで、広い面積の鋼材表面の酸化抑制処理が可能になるためである。
【００３０】
セラミックシートと鋼材とを貼りつけるには両者を圧着させることがこのましい。これは圧着することで、セラミックシートと酸化スケールとを均一に反応させることができるからである。圧着させる方法として圧着ロールを用いて貼り付けることが好ましい。図３に示すようにセラミックシートを圧着させることで、セラミックシート内の隙間をつぶし緻密なスピネル層を形成させることができる。鋼材が高温であるためセラミックシートと鋼材間に接着剤のようなバインダーを利用することは難しい。下記に示す適当な圧着条件とすることで、両者を貼りつけることが可能になる。圧着条件は圧着ロールの幅方向１ｍｍ長さあたり、０．１以上１0Ｎの荷重で押し付けることが好ましい。０．１Ｎ／ｍｍ未満の荷重の場合、セラミックシートのアルミナと酸化スケールのＦｅＯとの接触が不十分でスピネル生成反応が進行しにくい。１０Ｎ／ｍｍ超の荷重ではセラミックシートの破断の危険性が高くなる。
【００３１】
セラミックシート貼り付け後の鋼材の再加熱は燃焼ガスにて行われる。熱間圧延に必要な加熱温度は１１００℃以上で１４００℃以下である。この温度域ではセラミックシートと酸化スケールとの反応で生成するスピネル層は酸化抑制機能を十分発揮することができる。
【００３２】
上記作用を確認するために、セラミックシートによる酸化抑制効果を調査する実験を行った。用いたセラミックシートはアルミナ７２％、シリカ２８％を含有し（バインダーを、アルミナ、シリカの合計を基準として１％含む）、厚み０．２ｍｍと３ｍｍの２種類を用いた。０．００３％の炭素を含む極低炭素鋼の鋼材試験片を所定の予備加熱温度まで加熱後、予備加熱温度のままセラミックシートを線荷重１０Ｎ／ｍｍの条件で圧着させた。該鋼材を高温状態のまま１２００℃の温度の加熱炉に挿入し、１時間の加熱を行った。加熱炉内はＬＰＧの燃焼ガス雰囲気とした。次に、冷却した試料のスケール厚を測定した。セラミックシート圧着前のスケール厚と、セラミックシートを圧着し１２００℃での加熱処理を施した場合のスケール厚とを比較した。セラミックシートを貼り付けない場合１２００℃での加熱処理で１７００μｍのスケールの成長があるのに対して、本発明による方法を適用すると１２００℃加熱処理後のスケール厚を、セラミックシート圧着前のスケールから１００μｍ以下の成長範囲に抑えることができ、本発明によるスケール抑制効果を確認できた。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
次に本発明の装置について図２、３を用いて説明する。
図２に示したように、望ましくは連続鋳造機の鋳造された鋼材が水平に移動する部位に、セラミックシートを貼り付ける装置を取り付ける。水による冷却が終了していること、一定速度で鋼材が移動することからセラミックシートの貼り付けに適している。水が存在するとセラミックシートが濡れることでアルミナと酸化スケールとの反応が進行しにくい。鋼材が一定速度で移動することで、貼り付け装置を固定して設置できることと、アルミナシートを一定速度で供給することで貼り付けが可能になるなどの利点がある。
セラミックシートを連続的に供給する装置は鋼材の表裏面に設置する。図２に示すように表裏面は同一位置で行ってもよいし、貼り付け位置が異なっていてもよい。鋼材表面温度が６００℃以上であれば貼り付けたセラミックシートのスケール抑制効果を期待できる。
図３に示すようにセラミックシートを圧着させる装置はセラミックシート供給装置、圧着用ロールからなる。ロール状のセラミックシートを装着したセラミックシート供給装置が回転することでセラミックシートが鋼材表面に供給される。圧着用ロールが鋼材表面にセラミックシートを押し付ける。圧着ロールの押しつけ荷重は制御され線荷重として幅方向１ｍｍ長さあたり、０．１以上１０Ｎの荷重で押し付けられる。圧着用ロール軸には荷重を測定する測定装置と荷重を与える圧下機構を備えていることが好ましい。セラミックシートの供給速度と鋼材の移動速度をそれぞれ検知する速度検出装置を備え、鋼材速度に応じたセラミックシートの供給速度とする制御機能を有することが好ましい。ロール状のセラミックシートを交換する装置を備えていることが好ましい。
【実施例】
【００３５】
実施例１
鉄鋼製造の連続鋳造設備にてセラミックシート貼付け設備を設け、熱間圧延の再加熱炉でのスケール抑制効果を確認した。連続鋳造設備の二次冷却終了後の鋼材の水平搬送部にセラミックシートの貼り付け装置を設置した。０．００３％のＣを含有する極低炭素鋼で鋳造厚み２５０ｍｍの鋼材上面と下面に、セラミックシートを連続的に圧着させた。圧着部の鋼材温度（最冷点）を放射温度計で測定したところ８２０℃であった。酸化防止処理を施した鋼材を高温まま熱間圧延の再加熱炉に挿入し、１２００℃の温度で１時間の再加熱を行った。再加熱後の鋼材表面の酸化スケールを測定した。尚、連続鋳造で製造し、セラミックシートを貼り付け処理を施す前の鋼材のスケール厚は１２０μｍであった。
【００３６】
【表２】
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＊：スケールの抑制作用は確認できたものの、セラミックシートの貼付け不良があり、その部分ではスケールの抑制ができなかった。貼り付け不良部は１０％程度発生した。
尚  歩留まり落ちは、厚さ２５０ｍｍのスラブにおいて、上下面のスケール生成によって消費された鋼の厚みを基に算出した。
＊＊：アルミナとシリカの合計を１００％とし、これを基準としてバインダーを１％含む。
【００３７】
実施例２
鉄鋼製造の連続鋳造設備にてセラミックシート貼付け設備を設け、熱間圧延の再加熱炉でのスケール抑制効果を確認した。ここでは一次スケール起因の表面疵の発生しやすいＮｉ添加鋼での表面疵への本発明の表面疵抑制効果を確認した。
Ｎｉ添加鋼はスケール生成と同時にサブスケールと呼ばれる内部酸化層が鋼表面に形成される。サブスケールは鋼内部に酸化物が分布しており、高圧水デスケーリングでは除去されず、圧延終了後の鋼材表面に内部酸化層が存在しており、機械加工にて内部酸化層を取り除く必要がある。
連続鋳造設備の二次冷却終了後の鋼材の水平搬送部にセラミックシートの貼り付け装置を設置した。種々の濃度のＮｉを含有する鋼材を２５０ｍｍに鋳造し、その鋼材上面と下面に、セラミックシートを連続的に圧着させた。圧着部の鋼材温度（最冷点）を放射温度計で測定したところ７３０℃であった。７２％のアルミナを含む０．３ｍｍ厚みのセラミックシートを圧着させた鋼材を高温まま熱間圧延の最加熱炉に挿入し、１２００℃の温度で１時間の再加熱を行い、その後熱間圧延を施し、１５ｍｍ厚の鋼材とした。鋼材表面を観察し疵の有無を確認した。また、比較例としてセラミックシートを貼り付けなかった場合の結果も比較して示す。
尚  歩留まり落ちは、厚さ２５０ｍｍのスラブにおいて、上下面のスケール生成によって消費された鋼の厚みを基に算出した。
【００３８】
【表３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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