(57)【要約】【課題】ウェブ厚が１５ｍｍを越え、ウエブの靭性に優れる鋼矢板の製造方法を提供する。【解決手段】鋼素材を１１００℃〜１３５０℃に再加熱後、ブレークダウン圧延、中間圧延、爪曲げ成形を含む仕上圧延の工程を経て鋼矢板を製造するに際して、中間圧延の圧延中にウェブ部にのみ水冷、好ましくは長さ０．５〜１．５ｍにわたって流量密度１〜５ｍ３／ｍ２  ｍｉｎで水冷を行い、中間圧延の圧延中に、フランジや継手に相当する部分の左右少なくとも２ヶ所以上に対して圧搾空気を噴射して非水冷とする。ウェブ部の中間圧延条件は９５０℃以下の累積圧下率：２０％以上、圧延仕上温度：９００℃以下〜８００℃以上であって、且つ、ウェブ部の圧延仕上温度をフランジ部の圧延仕上温度＋５０℃以下とする。【選択図】図３
2008221318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼素材を１１００℃〜１３５０℃に再加熱後、ブレークダウン圧延、中間圧延、爪曲げ成形を含む仕上圧延の工程を経て鋼矢板を製造するに際して、中間圧延の圧延中にウェブ部にのみ水冷を行うことを特徴とする鋼矢板の製造方法。
【請求項２】
中間圧延の圧延中に、フランジや継手に相当する部分の左右少なくとも２ヶ所以上に対して圧搾空気を噴射して非水冷とすることを特徴とする、請求項１記載の鋼矢板の製造方法。
【請求項３】
前記水冷は、前記中間圧延を行う中間圧延機の入側および／または出側で、長さ０．５〜１．５ｍにわたって流量密度１〜５ｍ３／ｍ２ｍｉｎでウエブ部に対してのみの水冷とするを特徴とする請求項１または２記載の鋼矢板の製造方法。
【請求項４】
ウェブ部の中間圧延条件が９５０℃以下の累積圧下率：２０％以上、圧延仕上温度：９００℃以下〜８００℃以上であって、且つ、ウェブ部の圧延仕上温度をフランジ部の圧延仕上温度＋５０℃以下とすることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の鋼矢板の製造方法。
【請求項５】
鋼矢板の化学組成が質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％，Ｓｉ：０．０５〜１．０％，Ｍｎ：０．１〜２．０％，Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０２５％以下，Ａｌ：０．１％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％，Ｎ：０．０１０％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物である請求項１乃至４のいずれか一つに記載の鋼矢板の製造方法。
【請求項６】
化学組成に、更に、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下，Ｎｉ：１．０％以下，Ｃｒ：１．０％以下，Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．３％以下，Ｎｂ：０．０５％以下，Ｂ：０．００５％以下の１種または２種以上を添加する請求項５記載の鋼矢板の製造方法。
【請求項７】
化学組成に、更に、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下，ＲＥＭ：０．０１％以下の１種または２種以上を添加することを特徴とする請求項６記載の鋼矢板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼矢板の製造方法に関し、特にウェブ厚が１５ｍｍを越え、ウェブの靭性に優れる鋼矢板の製造方法として好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼矢板は、土木工事、港湾の護岸工事などに欠かせない部材であり、大地震時の大変形や繰り返し歪に伴う鋼矢板の脆性破壊を防止し、土木、港湾施設の被害を最小限とするために溶接性や靭性、歪時効特性が求められている（２０００年に制定されたＪＩＳＡ５５２３のＳＹＷ規格）。
【０００３】
鋼矢板は、その用途や目的に応じて断面性能の異なるI〜VI形（I、II、III、IV形、I ｗｉｄｅ、II  ｗｉｄｅ、III  ｗｉｄｅ、IV  ｗｉｄｅ形、VＬ形、VIＬ形などの多様な種類が規格化され、図１に一例を示すように、孔形圧延プロセスによりブレークダウン圧延、中間圧延、及び爪曲げ成形を含む仕上げ圧延によってにて製造されている。
【０００４】
一般に、鋼矢板ではフランジや継ぎ手部よりもウェブ厚が厚く、I形→II形→III形となるに従いウェブ厚が大きく、VIＬ形にいたっては２８ｍｍまで厚くなるが、ウェブ厚の増大に伴いミクロ組織が粗大化して、ウェブの靭性が低下する傾向がみられる。
【０００５】
ウェブの靭性低下は、大断面化に伴い中間圧延時の圧延温度が１０００℃以上の高温に上昇してオーステイトが粗大化し、継ぎ手成形を目的とした仕上げ圧延後、空冷されるが鋼矢板の冷却速度が厚肉化に伴い低下し、ミクロ組織が粗大化するためで、従来、その防止のため、主に成分設計の観点から多数の提案がなされている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４など）。
【特許文献１】特許第３７８５９４０号公報
【特許文献２】特開平８−２６９６２２号公報
【特許文献３】特開平１０−１７２１号公報
【特許文献４】特許第３５４６２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、熱間圧延材のミクロ組織を微細化するためには、厚鋼板の製造プロセスで適用されている制御圧延や制御冷却を行うことが有効である。前者は、熱間圧延温度域をγ再結晶域とγ未再結晶域に冶金的観点から区分し、その領域での圧延温度やパス圧下率を制御しながら熱間圧延して前組織（オーステナイト：γ）を最適化するものである。
【０００７】
すなわち、圧延途中でγ未再結晶域の温度まで温度を下げるために熱間圧延途中において圧延を中断し，所望の温度に到達するまで圧延を待機するＣＲプロセスである。
【０００８】
後者は、前者に加えて、更に、圧延後の冷却速度を制御して、フェライト変態の粒成長を制御するプロセスであり、いずれのプロセスもミクロ組織の微細化を通して強度と靭性を同時に向上させることが可能となる。
【０００９】
しかしながら、制御圧延プロセスを厚肉鋼矢板へ適用した場合、圧延を待機することによりウェブよりも薄いフランジや継手相当部の温度低下が大きくなるため、圧延荷重がロール強度以上に上昇するためにロール割損などのトラブル発生が懸念される。
【００１０】
また、圧延待機を行うためにウェブとフランジの温度差が通常圧延時の１００℃に対してさらに拡大することから、圧延後製品の反りが大きくなり、搬送ローラーとの接触領域が限定されるために、圧延ライン上での搬送性を阻害する。
【００１１】
従って、鋼矢板の製造においては、圧延の待機を伴う通常の制御圧延を適用することは困難で、また、制御冷却は、制御圧延により前組織の制御ができてこそ効果的であり、中間圧延仕上げ温度が１０００℃程度のウェブ温度へ制御冷却を採用すると、むしろ粗いベイナイト組織となって靭性を低下させる。
【００１２】
上述したように、鋼矢板の靭性や歪時効特性向上に関するこれまでの研究は、殆どが成分設計の観点からで、前述した孔形圧延プロセスを前提とした詳細な熱間圧延時の製造条件の検討はほとんどなされておらず、厚肉ウェブの靭性向上および生産性を同時に克服する製造方法は確立されていなかった。
【００１３】
そこで、発明は、厚肉のウェブを有する鋼矢板における、ウェブのミクロ組織の微細化が可能な鋼矢板の製造プロセスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者等は上記課題を解決するため、鋭意検討し、本発明を完成させた。発明の骨子は、以下のとおりである。
１．鋼素材を１１００℃〜１３５０℃に再加熱後、ブレークダウン圧延、中間圧延、爪曲げ成形を含む仕上圧延の工程を経て鋼矢板を製造するに際して、中間圧延の圧延中にウェブ部にのみ水冷を行うことを特徴とする鋼矢板の製造方法。
２．中間圧延の圧延中に、フランジや継手に相当する部分の左右少なくとも２ヶ所以上に対して圧搾空気を噴射して非水冷とすることを特徴とする、１記載の鋼矢板の製造方法。
３．前記水冷は、前記中間圧延を行う中間圧延機の入側および／または出側で、長さ０．５〜１．５ｍにわたって流量密度１〜５ｍ３／ｍ２ｍｉｎでウェブ部に対してのみの水冷とするを特徴とする１または２記載の鋼矢板の製造方法。
４．ウェブ部の中間圧延条件が９５０℃以下の累積圧下率：２０％以上、圧延仕上温度：９００℃以下〜８００℃以上であって、且つ、ウェブ部の圧延仕上温度をフランジ部の圧延仕上温度＋５０℃以下とすることを特徴とする、１乃至３のいずれか一つに記載の鋼矢板の製造方法。
５．鋼矢板の化学組成が質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２０％，Ｓｉ：０．０５〜１．０％，Ｍｎ：０．１〜２．０％，Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０２５％以下，Ａｌ：０．１％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０３％，Ｎ：０．０１０％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物である１乃至４のいずれか一つに記載の鋼矢板の製造方法。
６．化学組成に、更に、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下，Ｎｉ：１．０％以下，Ｃｒ：１．０％以下，Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．３％以下，Ｎｂ：０．０５％以下，Ｂ：０．００５％以下の１種または２種以上を添加する５記載の鋼矢板の製造方法。
７．化学組成に、更に、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下，ＲＥＭ：０．０１％以下の１種または２種以上を添加することを特徴とする６記載の鋼矢板の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，従来の制御圧延方法を踏襲した、鋼矢板の製造方法で、中間圧延時の荷重増加を抑えながら容易にウェブの靭性向上を達成することができ、圧延後の反りも軽減することができ、産業上有用な効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、中間圧延の圧延中に、フランジや継手に相当する部分は水冷せず、ウェブ部のみを水冷することを特徴とする。図３は中間圧延の圧延中にウェブ部を水冷することを説明する図で、中間圧延機２の前後の少なくとも一方に水冷装置１，３を設け、被圧延材４の水冷したウェブ部を中間圧延機２で圧延することを意味する。
【００１７】
中間圧延はリバース圧延であり、ウェブのみを強制的に水冷することにより、板厚の厚いことに起因して圧延温度が高くなるウェブ部を、圧延待機を行わずに低温にすることができ、ウェブ部のミクロ組織微細化が図られ、靭性向上が可能となる。
【００１８】
ウェブ部の水冷を行う水冷装置は、中間圧延機の入側および／または出側に長さ０．５〜１．５ｍにわたって流量密度１〜５ｍ３／ｍ２ｍｉｎの冷却能力をもつものであることが望ましい。冷却装置は、中間圧延中のウェブ部の水冷を行うものであるから、圧延ロールとサイドガイドとの間に配置する等、可能なかぎり圧延機に近接配置することが好ましい。
【００１９】
長さが０．５ｍ未満では冷却能力が小さく、圧延中または搬送中の速度を小さくする必要があり、生産性を阻害する。
【００２０】
一方、１．５ｍを越えての冷却長となると、中間圧延機前後の付帯設備レイアウトの変更が必要で多大な設備改造を伴う。そのため中間圧延機前後の水冷長は０．５〜１．５ｍであることが望ましい。
【００２１】
また、ウェブ部の水冷は、中間圧延の少なくとも１パスの水冷を行う必要がある。尚、中間圧延時、フランジや継手に相当する部分には水冷は行わない。
【００２２】
表１は中間圧延の圧延中に鋼矢板の各部（ウェブ部、フランジや継手に相当する部分）に水冷を施し、圧延荷重の変化およびウェブとフランジの温度差を調査した結果を示し、フランジや継手に相当する部分を水冷した場合は、ウェブのみの水冷と比較して、フランジや継手の温度も低温化し、圧延荷重がウェブのみ水冷した場合に比べてきわめて高くなる。
【００２３】
【表１】
2008221318.tif 000003
【００２４】
また、ウェブとフランジの温度差が拡大するため、ウェブとフランジの変態時期のずれが拡大し、変態膨張に伴う反り量が増加し、搬送性を低下させる。したがって、フランジや継手に相当する部分には水冷を行わないことが必要である。
【００２５】
図４は、本発明の実施に好適なウェブの水冷装置およびフランジや継手に相当する部分へのウェブの水冷による冷却液の回り込みを防止する、圧縮空気を噴射する空冷装置の配置を示す。
【００２６】
ウェブ４１を水冷する水冷装置１，３は図３に示したように中間圧延機の前後に配置し、空冷装置５はフランジ４２やその外側に形成される継手に相当する部分へウェブの水冷による冷却液６が回り込まないように、圧縮空気７が噴射されるように、フランジ４２に略直角に配置することが望ましい。尚、空冷装置５は左右に配置する。
【００２７】
中間圧延時のウェブ部の圧延条件は９５０℃以下の累積圧下率を２０％以上、圧延仕上温度：９００℃以下〜８００℃以上であって、ウェブ部の圧延仕上温度がフランジ部の圧延仕上温度よりも０〜５０℃高くすることが望ましい。
【００２８】
図２に９５０℃以下の累積圧下率（％）が鋼の靭性、ここでは脆性破面遷移温度ｖＴｒｓ（℃）に及ぼす影響を示す。９５０℃以下の累積圧下率が２０％未満場合、図２に示すように制御圧延効果が小さく、靭性に対して改善効果が不十分であることから、９５０℃以下の累積圧下率は２０％以上必要である。圧延仕上げ温度が９００℃を超えると制御圧延効果が小さく、靭性改善が望めない。
【００２９】
一方、８００℃未満では変形抵抗が増加し、圧延荷重が増大することから、中間圧延時の圧延条件は９５０℃以下の累積圧下率を２０％以上、圧延仕上温度：９００℃以下〜８００℃以上であることが望ましい。
【００３０】
さらに、ウェブ部の圧延仕上温度がフランジ部の圧延仕上温度よりも０〜５０℃高くすることが望ましい。これは、ウェブとフランジの変態がほとんど同時に生じることから反りが軽減され、搬送性が向上して生産性を向上させるためである。
【００３１】
ウェブの圧延仕上げ温度がフランジよりも低くなると、下反りが顕著になる。逆に５０℃を超えると上反りが顕著になり、生産性を阻害することからウェブ部の圧延仕上温度がフランジ部の圧延仕上温度よりも０〜５０℃高くすることが望ましい。
【００３２】
尚、本発明の鋼素材は、常用の転炉ないしは電気炉および脱ガス処理を行い成分調整された溶鋼を連続鋳造により素材としたものを用いる。
【００３３】
ブレークダウン圧延、中間圧延、爪曲げ成形を含む仕上圧延の工程を経て鋼矢板を製造するに際して、鋼素材は１１００℃〜１３５０℃に再加熱を行う。
【００３４】
再加熱温度が１１００℃未満では、十分な均熱を得ることができず、変形抵抗が高くブレークダウン圧延において粗形圧延不十分となる。
【００３５】
一方、１３５０℃を超えて再加熱を行うと、靭性の低下が顕著になるとともにスケールロスや表面傷の発生が多発することから、再加熱温度は１１００〜１３５０℃の範囲とした。好ましくは、１２００〜１３２０℃の範囲である。
【００３６】
本発明は、制御圧延に適した鋼素材であれば良く、特にその成分組成は規定しないが、好ましい成分組成は以下の様である。尚、以下の説明において、それぞれの元素の含有量（％）は全て質量％を意味する。
Ｃ：０．０１〜０．２０％
Ｃは厚肉鋼矢板の強度を得るために必要不可欠な元素であり最低０．０１％以上が必要である。一方、０．２０％を超えての添加は溶接部、特に小入熱での仮付け溶接部などにおいて硬化し、溶接割れを生じる懸念があり、上限を０．２０％とした．
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは安価でかつ鋼中に固溶して強度を上昇させる効果と溶製段階で脱酸処理を行う効果があるが、０．０５％未満ではその効果は小さく、１．０％を超えての添加は靭性を低下させるので、その範囲を０．０５〜１．０％とした。好ましくは、０．１０〜０．６０％とする。
【００３７】
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎも厚肉鋼矢板の強度向上に有効な元素であり、最低０．１％以上必要である。しかし、逆に２．０％を超えての添加は溶接性を低下させるので、上限を２．０％とした。好ましくは、０．６〜１．６％の範囲である。
【００３８】
Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０２５％以下
ＰおよびＳは、鋼中に不可避的不純物として存在し，靭性や焼き戻し脆性などに対して有害であり、極力低いことが望ましい。しかしながら、Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０２５％以下であれば，それらの有害性は小さいので、Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．０２５％以下に限定した。
【００３９】
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸材として有用な元素であり、高強度鋼ではほとんどＡｌ脱酸処理がなされるが、０．１％を超えての添加は，鋼の清浄性を低下させることから、０．１％以下に制限した。なお，Ｓｉ、Ｍｎ、ＲＥＭなどの他元素にて脱酸処理を行う場合には，無添加でもよい。
【００４０】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３％
ＴｉはＴｉＮを形成して固溶Ｎを固定化し、歪時効特性、靭性を向上させる有用な元素である。また、溶接部の高靭化にも有効であることから、これらの効果を期待するためには０．００５％以上の添加が必要である。一方、０．０３％を越えての添加はＴｉＣの析出に伴う脆化が助長されるので、上限は０．０３％とした。
好ましくは、０．００８〜０．０２０％である。
【００４１】
さらに、本発明においては、主として固溶強化、変態強化および析出強化元素であり、溶接性を重視して低Ｃｅｑで高強度化を図る場合に、Ｃｕ：１．０％以下，Ｎｉ：１．０％以下，Ｃｒ：１．０％以下，Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．３％以下，Ｎｂ：０．０５％以下，Ｂ：０．００５％以下を１種または２種以上を添加することが好ましい。
【００４２】
Ｃｕ：１．０％以下，Ｎｉ：１．０％以下，Ｃｒ：１．０％以下
これらは，固溶強化元素であり、焼入れ性を大きく向上させることなく厚肉鋼矢板の強度を上昇させることが可能であり、厚肉鋼矢板の高強度化に対して有効である。
【００４３】
しかしながら、Ｃｕについては圧延時の表面割れを助長する元素であり、１．０％を超えると顕著なＣｕ析出脆化も生じる。
【００４４】
また、Ｎｉは高価な元素であることから、その上限をそれぞれ１．０％および１．０％とした。Ｃｒについても、１．０％を越えるとスケールの密着性が高まり表面疵が発生することから上限を１．０％とした。
【００４５】
Ｍｏ：０．５％以下，Ｖ：０．３％以下，Ｎｂ：０．０５％以下
これらの元素は，主として変態および析出強化元素であり，多量に添加した場合には主組織となる軟質フェライト相の分率が低下し、延性や靭性を阻害する。また、熱間での変形抵抗を上昇させることから，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂを添加する場合はＭｏ：０．５％以下，Ｖ：０．３％以下，Ｎｂ：０．０５％以下とする。
【００４６】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは焼入れ性に対して有効な元素であり，変態強化により高強度化を図る場合に有効な元素であるが、０．００５％を超えると脆化するので、上限を０．００５％とした。また、Ｂを積極的に活用する場合には，母材靭性、延性の観点からＣ量は０．０７％以下とする必要がある。
【００４７】
さらに，溶接ＨＡＺ靭性を向上させる場合、Ｃａ：０．０１％以下，ＲＥＭ：０．０１％以下を１種または２種添加することができる。これらは，溶接ＨＡＺ靭性を向上させる際に，その旧オーステナイト粒径を微細化させる有効な元素である。
【００４８】
しかしながら，他方で鋼の清浄性を阻害する元素であるので、必要以上の添加は鋼の靭性や延性を低下させることから、その上限を０．０１％とした。なお，これら元素は，いずれも強い脱酸元素でもあり，ＳｉやＡｌに変り，脱酸材として添加することもできる。
【実施例】
【００４９】
常用工程を経て溶製した表２に示す化学組成の鋼素材を用いてウェブ厚１５ｍｍ以上の厚肉鋼矢板（Ｕ形鋼矢板）を製造した。表３に、その中間圧延における圧延条件および圧延荷重や反りの状態、及び表４に圧延材のウェブ部の機械的性質を示す。
【００５０】
尚、発明例においては、中間圧延におけるウェブの冷却は、中間圧延機の出側にライン方向に沿って表中に示したゾーン長に亘って設けた冷却装置により行い、この冷夏ｙ区の際には、左右それぞれのフランジには圧縮空気を噴射してフランジへの冷却水の回り込みを防止した。Ｎｏ．４の比較例では中間圧延機前後でウェブのみでなく、フランジ部の冷却を行った。
【００５１】
また、機械的特性については、最終的に得られた鋼矢板のウェブ部より引張試験片（ＪＩＳ１Ａ号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０１図１１に規定されるＶノッチ試験片）を採取し、これらを用いて調査した。
【００５２】
【表２】
2008221318.tif 000004
【００５３】
【表３】
2008221318.tif 000005
【００５４】
【表４】
2008221318.tif 000006
【００５５】
Ｎｏ．３，６，７、９〜１１、１３，１４は本発明例で、本発明範囲で実施することにより、中間圧延時の圧延荷重の増加を抑制しつつ制御圧延が可能となり、ウェブ靭性は現行の高温圧延材（Ｎｏ．１，５，１２）を比較して、少なくとも破面遷移温度で２０℃以上低温側へ移行している。
【００５６】
更に、ウェブとフランジ部の温度差が小さくなった結果，鋼矢板の反りも軽減されており、ライン上で反りが軽減するまでの時間が短縮され、圧延の能率も向上したことが認められた。
【００５７】
一方，Ｎｏ．２は中間圧延において水冷することなく待機した場合，Ｎｏ．４はフランジや継手相当部も冷却した場合で、中間圧延途中で圧延荷重がロールの耐荷重を越えることが予想されたので、圧延を途中で中止した。
【００５８】
また、水量密度が小さい場合にはウェブの冷却効果が小さく、温度低下が小さく靭性改善効果が見られなかった。逆にＮｏ．８は水量密度が本発明範囲を超える場合で、ウェブの冷却が過度に大きくなり、鋼矢板が下反りとなって、ライン上から搬送できなくなった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】鋼矢板の圧延方法を説明する模式図。
【図２】９５０℃以下での累積圧下率がウェブの靭性に及ぼす影響を示す図。
【図３】中間圧延機と水冷装置の配置関係を説明する図。
【図４】水冷装置と空冷装置の配置を説明する図。
【符号の説明】
【００６０】
１、３    水冷装置
２    中間圧延機
４    被圧延材
５    空冷装置
６    冷却水
７    圧縮空気
４１  ウェブ
４２  フランジ
【図１】
2008221318.tif 000007
【図２】
2008221318.tif 000008
【図３】
2008221318.tif 000009
【図４】
2008221318.tif 000010