(57)【要約】【課題】鋼材製品の機械的性質に大きなばらつきが生じることがなく、また必要以上の熱履歴を与えることを抑制することにより、鋼材の加熱燃料原単位を低減して、製造原価を低く抑えることが可能な鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】加熱炉内での加熱を経て、その後圧延を行う鋼材の製造方法において、前記加熱炉内にある個々の被加熱鋼材の鋼中成分における析出強化元素の固溶度Ｋｃを計算するとともに、予め該固溶度の到達目標値Ｋｏを設定しておいて、下記（１）式を満たすことを条件として、前記被加熱鋼材を前記加熱炉から取り出して圧延する。Ｋｃ≧Ｋｏ                                                （１）【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉内での加熱を経て、その後圧延を行う鋼材の製造方法において、前記加熱炉内にある個々の被加熱鋼材の鋼中成分における析出強化元素の固溶度Ｋｃを計算するとともに、予め該固溶度の到達目標値Ｋｏを設定しておいて、
下記（１）式を満たすことを条件として、前記被加熱鋼材を前記加熱炉から取り出して圧延する鋼材の製造方法。
Ｋｃ≧Ｋｏ                                                （１）
【請求項２】
前記析出強化元素の固溶度Ｋｃを下記（２）式により計算することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の製造方法。
Ｋｃ＝  Ａ／Ｂ×１００                                    （２）
ここに、Ｋｃ：析出強化元素の固溶度（％）
Ａ：その時点での析出強化元素の計算による固溶量（質量％）
Ｂ：鋼材中の析出強化元素の含有量（質量％）
【請求項３】
前記固溶度の到達目標値Ｋｏは、９０（％）以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼材の製造方法。
【請求項４】
前記析出強化元素の一つがＮｂ、Ｔｉ、及びＶのうちのいずれかである請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【請求項５】
前記析出強化元素がＮｂ、Ｔｉ、及びＶのうち、２種以上含有されている鋼材の場合、前記含有量（質量％）が最も多い元素について前記固溶度Ｋｃを計算することを特徴とする請求項４に記載の鋼材の製造方法。
【請求項６】
前記析出強化元素はＮｂである請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【請求項７】
前記析出強化元素の固溶度Ｋｃは、炭化物の固溶を対象として計算される請求項１〜６のいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【請求項８】
前記固溶度Ｋｃの計算を１０分以下の間隔で行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の製造方法に関し、特に鋼材の加熱燃料原単位を低減させ、機械的性質のばらつきを低減させることが可能な鋼材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材を加熱炉により熱履歴を与えて所定の機械的性質を付与し、その後圧延する熱間圧延において、従来は、加熱炉内の被加熱鋼材に予め目標加熱温度を設定しておき、目標温度に達した時点で被加熱鋼材を加熱炉から取り出し、圧延する方法が取られていた。より具体的には、被加熱鋼材の加熱炉内の現在温度を計算し、取り出しまでの在炉時間を計算し、目標加熱温度、在炉時間、均熱度等を考慮し、現在から取り出しまでの昇温パターンを決定し、その昇温パターンに近づくように加熱炉内の温度を制御し、被加熱鋼材の計算値温度が目標加熱温度に達したら加熱炉から取り出し、圧延する方法が一般的であった。
【０００３】
例えば、特許文献１には、定常状態では所定の昇温パターンに沿った燃焼制御を実行し、休止時間が長じたり、焼け過ぎが発生したりする非定常状態では、燃焼装置への燃料ガスの供給を最小値にすると共に、当該燃焼装置から大量の空気を炉内に供給し、この低温の空気による対流熱伝達で炉内温度を急速に且つ一様に低下させることを可能とする鋼片加熱炉の燃焼制御方法について開示されている。また特許文献２には、実在炉時間を考慮することにより、実際の操炉で発生する、被加熱物の加熱状況や仕上げ圧延状況による取り出ピッチの変更や、ライン休止による取り出ピッチの変更にも対応可能な在炉時間の制御方法について提案されている。
【特許文献１】
特開平１０−６０５３５号公報
【特許文献２】
特開平７−２４２９５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２で提案されている方法においては、両者とも被加熱鋼材を予め決定されている目標加熱温度まで加熱することを前提としている。この目標加熱温度は、長年にわたる鋼材の製造実績、経験、あるいは実験装置による実験結果から得られる加熱温度と被加熱鋼材の機械的性能との関係に基づき決定されている。そして例え被加熱鋼材の在炉時間に変動が生じることがあろうとも、このように決定された目標温度まで加熱炉で被加熱鋼材を加熱し、圧延に供していた。したがって、例えばトラブル等の発生により長時間圧延作業を停止した場合、加熱炉においては炉内温度を低下させ、トラブル復旧後再び昇温して、被加熱鋼材を目標加熱温度まで加熱していた。このため、場合によっては、必要以上の熱履歴を被加熱鋼材に与え、その結果鋼材製品の機械的性質にばらつきが生じることがあった。また必要以上の熱履歴を与えると、鋼材の加熱燃料原単位が高くなり、製造原価を高めてしまうことになる。
【０００５】
そこで本発明は、鋼材製品の機械的性質にばらつきが生じることがなく、また必要以上の熱履歴を与えることを抑制することにより、鋼材の加熱燃料原単位を低減して、製造原価を低く抑えることが可能な鋼材の製造方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のように、従来は加熱炉内の被加熱鋼材を次工程の圧延に供するために、加熱炉から取り出すかどうかの判断は、加熱炉内の被加熱鋼材の温度（計算値）が目標温度となったかどうかにより行われていた。本発明者らは、被加熱鋼材の鋼中成分における析出強化元素の固溶度に着目し、加熱炉中の被加熱鋼材を目標加熱温度まで加熱しなくとも、加熱炉から取り出される時点での各析出強化元素の固溶度が目標の状態に達してさえいれば、所定の機械的性質を備えた鋼材を得ることが可能であることの知見を得た。
【０００７】
本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであって、加熱炉の操業方法において、析出強化に寄与する成分について目標固溶度をあらかじめ設定し、加熱炉に装入された被加熱鋼材の該成分の固溶度を計算して、計算された固溶度が目標固溶度以上であれば、被加熱鋼材を加熱炉から取り出して圧延する、鋼材の製造方法を提供するものである。
【０００８】
以下、本発明について具体的に説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、加熱炉（５）内での加熱を経て、その後圧延を行う鋼材（４ａ、４ｂ、４ｃ、…）の製造方法において、前記加熱炉内にある個々の被加熱鋼材の鋼中成分における析出強化元素の固溶度Ｋｃを計算するとともに、予め該固溶度の到達目標値Ｋｏを設定しておいて、下記（１）式を満たすことを条件として、前記被加熱鋼材を前記加熱炉から取り出して圧延する鋼材の製造方法を提供するものである。
【００１０】
Ｋｃ≧Ｋｏ                                                （１）
この発明によれば、被加熱鋼材を加熱炉内から取り出して圧延するかどうかの判断の基準を、鋼材の機械的性質に直接結びつく析出強化元素の固溶度Ｋｃに求めているので、従来の目標温度を基準とする場合と比べ、鋼材の機械的性質のばらつきを減少させることができ、加えて熱履歴を過剰に与えることを抑制できるので、燃料原単位を低く抑えて製造原価を低減することが可能となる。
【００１１】
上記鋼材の製造方法において、前記析出強化元素の固溶度Ｋｃは、下記（２）式により計算しても良い。
Ｋｃ＝  Ａ／Ｂ×１００                                    （２）
ここに、Ｋｃ：析出強化元素の固溶度（％）
Ａ：その時点での析出強化元素の計算による固溶量（質量％）
Ｂ：鋼材中の析出強化元素の含有量（質量％）
また、前記固溶度の到達目標値Ｋｏは、製品の機械的性質を管理値内におさめるという観点から、９０（％）以上であることが好ましく、より好ましくは９２％以上、さらに好ましくは９５％以上である。
【００１２】
また、前記析出強化元素の一つがＮｂ、Ｔｉ、及びＶのうちのいずれかであることが好ましい。これらのうち最も好ましい元素はＮｂである。
【００１３】
また、前記析出強化元素がＮｂ、Ｔｉ、及びＶのうち、２種以上含有されている鋼材の場合、前記含有量（質量％）が最も多い元素について前記固溶度Ｋｃを計算することが好ましい。
【００１４】
また、前記析出強化元素の固溶度Ｋｃは、炭化物の固溶を対象として計算されることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記固溶度Ｋｃの計算は、計算の精度を高めるという観点から、計算間隔を１０分以下とすることが好ましい。より好ましくは５分以下、さらに好ましくは３分以下の間隔で計算する。なお、ここでいう計算間隔とは、加熱炉内に挿入された個々の被加熱鋼材に対し、固溶度の計算を行う計算ピッチのことをいう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（１）製造方法の概要
図１は、本発明にかかる鋼材の製造方法の概要を示すフローチャートである。このフローは加熱炉内に挿入された個々の鋼材について実行される。まず、鋼材の中心温度が８００℃を超えたかどうかが判断される（ステップＳ１）。ステップＳ１で否定判断された場合はステップＳ１の処理が繰り返される。ステップＳ１において肯定判断がされた場合は、続くステップＳ２において、鋼中成分における析出強化元素、たとえばＮｂの固溶度Ｋｃが計算される。
【００１７】
次いでステップＳ３では、Ｋｃが９５％に達したか否かが判断される。ステップＳ３において肯定判断された場合には、処理はステップＳ４へと進められ、鋼材は加熱炉から取り出される。そして、さらに次工程の圧延に供され（ステップＳ５）処理は終了する。
【００１８】
ステップＳ３において否定判断された場合には処理はステップＳ６へと進められ、前回計算から３分が経過しているかどうかが判断される。ステップＳ６において肯定判断された場合には処理はステップＳ２へと戻され、前述の処理が繰り返される。ステップＳ６において否定判断された場合は、ステップＳ６の処理が繰り返される。
【００１９】
なお、上記ステップＳ１において、計算機の負荷を減らすために鋼材の中心温度が８００℃を超えてから後に固溶度Ｋｃの計算を開始するようにしているが、計算は、被加熱鋼材を加熱炉内に挿入した時点から開始するように構成しても良い。
【００２０】
また、上記ステップＳ３においてＫｃが９５％以上となったかどうかを判断するようにしているが、本発明において固溶度Ｋｃは９０％以上であることが好ましい。固溶度Ｋｃが９０％未満で加熱炉から取り出されると、製品の機械的性質（引張り強さ、降伏点、伸び、衝撃値等）が管理値を外れる恐れがあり、好ましくない。固溶度Ｋｃは、好ましくは９２％以上であり、より好ましくは９５％以上である。
【００２１】
また、上記ステップＳ６において、固溶度Ｋｃの計算を３分ごとに行うようにしているが、計算の精度を高めるという観点から、本発明において、計算間隔は１０分以下とすることが好ましい。より好ましくは５分以下、さらに好ましくは３分以下の間隔で計算するものとする。被加熱鋼材の中心温度の伝熱計算は、通常加熱炉内に鋼材が挿入された時点から開始する。
【００２２】
（２）加熱炉
図２は、本発明の製造方法に使用される加熱炉の一例を示す概念図である。加熱炉５内には図の右方向から被加熱鋼材（スラブ）４ａ、４ｂ、４ｃ、…が挿入され、図の左方向へと炉内を移動される。炉内は、右側から順に予熱帯、加熱帯、均熱帯の順に構成されており、各帯域は燃焼装置等により所定の高温に保たれている。被加熱鋼材（スラブ）４ａ、４ｂ、４ｃ、…は、このように構成された加熱炉５内を通過することにより、所定の熱履歴を受けて、しかる後に次工程たる圧延工程に供される。
【００２３】
図２に示されるように、加熱炉５には記憶装置１と、制御装置３とが備えられている。記憶装置１は、例えばＲＡＭ等により構成され、各被加熱鋼材４ａ、４ｂ、４ｃ、…に関するそれぞれの成分、寸法、目標固溶度Ｋｏ等の情報が保存されている。これらの情報は制御装置３へと伝えられる（図中▲１▼）。加熱炉５の内部には、各被加熱鋼材４ａ、４ｂ、４ｃ、…の加熱炉内温度実績を検知する温度実績検知装置２が設けられている。温度実績検知装置２は、温度センサや制御装置３への通信線などから構成されている。温度実績検知装置２からの情報も制御装置３へと伝えられる（図中▲２▼）。
【００２４】
制御装置３は、記憶装置１、及び温度実績検知装置２からの情報に基づいて、各被加熱鋼材の固溶度Ｋｃを逐次計算する装置である。これら記憶装置１、及び制御装置３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマ等を備えた一体の制御装置として構成しても良い。
【００２５】
（３）固溶度Ｋｃの計算
各元素の固溶度Ｋｃの計算式は何を使ってもよいが、例えば朝倉書店「機械材料学」６８頁〜７１頁（１９９９年３月１０日初版発行、著者：平川賢爾ら）に開示されているＮｂ、Ｔｉ、ＶのＣ、Ｎに対する溶解度積に関する計算式を用いてもよいし、独自の式を用いてもよい。計算式には、鋼材中の炭化物を対象として計算する固溶度、および被加熱鋼材の中心温度を用いることが好ましい。なお、中心温度とは、加熱炉内の実測雰囲気温度から計算した鋼材の中心部計算温度をいうが、鋼材の代表値であれば特に中心温度でなく、鋼材の厚み方向１／４部でも表面、裏面部でもよい。
【００２６】
【実施例】
本実施例において使用した鋼の成分を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
また加熱炉に挿入した鋼材の寸法は、２３５×１７００×３４００（ｍｍ）であり、圧延仕上げ寸法は、１５×２４００×３８０００（ｍｍ）であった。なお、目標とする強度レベルは引張り強さで４９０ＭＰａ級である。
【００２９】
上記鋼材を、加熱炉中に挿入して本発明者らが独自に開発した下記計算方法に基づきＮｂ（ニオブ）の固溶度Ｋｃを求め、Ｋｃが９５％を越えたものを加熱炉から取り出して圧延に供した。
【００３０】
（Ｎｂの固溶度Ｋｃの計算）
以下の項目を入力データとする。
Ｎｂ  ：ニオブ含有量（質量％）
Ｃ    ：炭素含有量（質量％）
Ｔ    ：加熱温度（１／２厚さ計算温度、℃）
Δｔ  ：計算間隔（秒）
出力データは、
ＲａｔｉｏＮｂ：ニオブの固溶度（％）
である。また、式中で使用されている以下の記号は関数である。
ｍａｘ（ａ１，ａ２）：ａ１，ａ２の最大値
ａｂｓ（ｂ）：ｂの絶対値
ＰＮ１〜ＰＮ８は定数である。
計算開始時には、パラメーターｓｏｌＮｂＴ、ａＮｂＣの初期値を下式（Ｎ１）、（Ｎ２）で与える。
ｓｏｌＮｂＴ＝０．０                                                                                                    （Ｎ１）
ａＮｂＣ＝Ｎｂ−（９２．９１／１２．０１）×Ｃ                                                                          （Ｎ２）
Ｔ≧８００（℃）より計算を開始する。以下の式（Ｎ３）〜（Ｎ１３）を、Δｔ毎に計算する。本実施例ではΔｔは、１８０秒（３分）である。
ｋＮｂＣ＝１０｛ＰＮ１−ＰＮ２／（Ｔ＋２７３）｝                                                                              （Ｎ３）
ＥｓＮｂ＝０．５×［ａＮｂＣ＋｛ａＮｂＣ２＋４×（９２．９１／１２．０１）×ｋＮｂＣ｝０．５］                      （Ｎ４）
ＥｐＮｂ＝Ｎｂ−  ＥｓＮｂ                                                                                                    （Ｎ５）
ｐＮｂ＝ｍａｘ（ＥｐＮｂ，０）                                                                                              （Ｎ６）
ｓｏｌＮｂ＝Ｎｂ−ｐＮｂ                                                                                                  （Ｎ７）
ＤＮｂ＝ＰＮ３×ｅｘｐ［−ＰＮ４／｛８．３１×（Ｔ＋２７３）｝］                                                      （Ｎ８）
ＸＮｂ＝（２×ＤＮｂ×Δｔ）０．５×ＰＮ５                                                                            （Ｎ９）
ＹＮｂ＝１−ｅｘｐ｛−（ＸＮｂ）ＰＮ６／ＰＮ７｝                                                                            （Ｎ１０）
ＦＮｂ＝［ａｂｓ｛（ｓｏｌＮｂ−ｓｏｌＮｂＴ）／ｓｏｌＮｂ｝］ＰＮ８                                                    （Ｎ１１）
ｓｏｌＮｂＴ＋（ｓｏｌＮｂ−ｓｏｌＮｂＴ）×ＹＮｂ×ＦＮｂの値を計算して、それをｓｏｌＮｂＴの値に置き換える。                                                                                                                （Ｎ１２）
ＲａｔｉｏＮｂ＝（ｓｏｌＮｂＴ／Ｎｂ）×１００                                                                          （Ｎ１３）
上記ＲａｔｉｏＮｂがすなわちニオブの炭化物の固溶に対する固溶度Ｋｃである。
【００３１】
なお、上述したごとく、本実施例においては、固溶度９５％で鋼材を加熱炉から取り出した。すなわちＫｏ＝９５％とした。
【００３２】
図３は、固溶度Ｋｃに関して、実測値と上記計算方法による計算値とを比較して示す図である。実測値は、実験室において試験片を各温度まで加熱し１時間保持した後急冷し、合金析出量を電解抽出残渣分析により定量し、固溶度を算出した値である。固溶度の計算値Ｋｃは、上記したように本願発明者らが独自に開発した計算式により求められた計算値である。図３からも明らかなように、計算によって、実際の固溶度をほぼ正確に予測することが可能であることがわかる。
【００３３】
図４は、被加熱鋼材の在炉時間と、固溶度及び鋼材の中心計算温度との関係を示す図である。従来の方法においては、鋼材が加熱炉取り出し時に達すべき温度を鋼材の中心温度で１１４０℃に設定しており、この温度に達するまで加熱を行っていた。本実施例の場合、１１４０℃に達する前に、約１０９０℃近傍において固溶度が９５％に達しており、この時点で加熱炉から取り出して次工程の圧延に供することが可能である。したがって、従来の中心温度を１１４０℃に設定する場合に比べ、短時間内に鋼材を加熱炉から取り出すことが可能となり、結果として大幅に加熱燃料原単位を低減することができる。
【００３４】
図５は、燃料の平均原単位、及び圧延後の製品の機械試験ばらつきに関して、従来の鋼材の製造方法と本発明にかかる鋼材の製造方法とを比較して示す図である。これは従来の方法での燃料原単位、機械試験のばらつき（σ）を各々１とした場合に、本発明での各項目の比率を示したものである。これより本発明にかかる鋼材の製造方法を用いると、従来の製造方法と比較して低燃料原単位で鋼材を加熱することが可能であり、また機械試験値のばらつきも低減されていることが分かる。
【００３５】
以上本願発明にかかる鋼材の製造方法を連続式加熱炉による加熱を例にとって説明したが、本発明でいう加熱炉は、図２に示す連続式加熱炉であっても、バッチ式加熱炉であってもよく、加熱炉の形式にはこだわらない。連続加熱炉からは、被加熱鋼材は原則として、加熱炉内への挿入順に取り出されるが、炉内のスラブ搬送装置に工夫を加えて、目標固溶度Ｋｏに達した物から順次取り出すようにしてもよい。また、計算固溶度Ｋｃの結果を炉内温度管理にフィードバックして、炉内にある被加熱鋼材に与える熱履歴の最適化を図ることも可能である。さらに、鋼材毎の圧延に要する時間を、予測計算して、その後に熱処理炉から取り出す被加熱鋼材に与える熱履歴の最適化を図ってもよい。
【００３６】
さらに、本発明が適用される鋼材の種類は、厚板、熱延、鋼管、条鋼、ステンレス鋼等、その種類を問わない。
【００３７】
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う鋼材の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明による鋼材の製造方法、及び製造装置によれば、被加熱鋼材を加熱炉において加熱する際、鋼材の機械的性質に直接結びつく固溶度に着目して管理を行うため、必要以上の加熱を行うことなく、低燃料原単位の操業が可能となる。また、機械的性質のばらつきを低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる鋼材の製造方法の概要を示すフローチャートである。
【図２】本発明の製造方法に使用される加熱炉の一例を示す概念図である。
【図３】固溶度に関して、実測値と計算値とを比較して示す図である。
【図４】被加熱鋼材の在炉時間と、固溶度及び鋼材の中心計算温度との関係を示す図である。
【図５】燃料の平均原単位、及び圧延後の製品の機械試験ばらつきに関して、従来の鋼材の製造方法と本発明にかかる鋼材の製造方法とを比較して示す図である。
【符号の説明】
１  記憶装置
２  温度実績検知装置
３  制御装置
４ａ，４ｂ，４ｃ，…  被加熱鋼材
５  連続式加熱炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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