(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延後の鋼材、または、再加熱した鋼材を、Ａｒ３点以上の温度域からベイナイト変態温度域まで冷却するに際し、
高圧空気とミストを、別々のノズルから高圧空気の圧力を０．３ＭＰａ以上、ミストの平均粒径を０．１ｍｍ以下、水量密度を１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）で、同時に鋼材に噴射する鋼材の冷却方法。
【請求項２】
前記噴射は、
高圧空気噴射とミスト噴射を近接させ、ミストと高圧空気を混合し鋼材へ衝突させる請求項１に記載の鋼材の冷却方法。
【請求項３】
高圧空気とミストを鋼材に噴射する前および/または後に、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する請求項１または２に記載の鋼材の冷却方法。
【請求項４】
熱間圧延後、または、再加熱後の、Ａｒ３点以上の温度の鋼材に、
高圧空気とミストを、別々のノズルから
高圧空気の圧力を０．３ＭＰａ以上、ミストの平均粒径を０．１ｍｍ以下、水量密度を１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）で、
同時に噴射し、ベイナイト変態温度域まで冷却する鋼材の製造方法。
【請求項５】
前記噴射は、
高圧空気噴射とミスト噴射を近接させ、ミストと高圧空気を混合し鋼材へ衝突させる請求項４に記載の鋼材の製造方法。
【請求項６】
高圧空気とミストを鋼材に噴射する前および/または後に、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する請求項４または５に記載の鋼材の製造方法。
【請求項７】
熱間圧延後の鋼材、または、再加熱した鋼材に、圧力０．３ＭＰａ以上の高圧空気を噴射する高圧空気噴射ノズルと、平均粒径０．１ｍｍ以下で水量密度１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）のミストを噴射するミストノズルを有し、前記高圧空気噴射ノズルと前記ミストノズルを同時に噴射してベイナイト変態温度まで冷却する鋼材の冷却装置。
【請求項８】
前記高圧空気噴射ノズルと前記ミストノズルは、スプレー冷却水またはラミナー冷却水を用いた加速冷却装置の前面あるいは後面の少なくとも一方に設けられている請求項７に記載の鋼材の冷却装置。
【請求項９】
前記加速冷却装置は、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する請求項８に記載の鋼材の冷却装置。
【請求項１０】
圧延機と、請求項７乃至９のいずれかの冷却装置と、を有する鋼材の製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材を均一に冷却することによって、材質の均一性に優れた鋼材を製造する鋼材の冷却方法、鋼材の製造方法、鋼材の冷却装置および鋼材の製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚鋼板（板厚6ｍｍ〜200ｍｍ）（以下、鋼材と称する）を製造するプロセスにおいては、例えば、加熱炉によって加熱されたスラブを、圧延機を用いて熱間で粗圧延及び仕上げ圧延を行った後、冷却装置で水冷または空冷を行って、鋼材の組織を制御する。あるいは、圧延後に一旦例えば室温近くまで冷却された鋼材をＡｒ３点以上の温度に再加熱した後、冷却装置で水冷または空冷を実施して鋼材の組織を制御する。このとき、室温近くまで冷却した後、製品幅及び長さに切断した後に再加熱し、冷却を行う場合もある。
【０００３】
特に、仕上げ圧延後の鋼材をＡｒ３点以上の温度域から比較的低い温度、例えば３００〜４５０℃程度の温度域に所定の冷却速度で冷却すると、あるいは、Ａｒ３点以上の温度域に再加熱された鋼材を例えば３００〜４５０℃程度の温度域に所定の冷却速度で冷却すると、ベイナイト組織が得られ、強度や靭性に優れる鋼材を製造することが出来る。冷却装置においては、スプレー冷却水やラミナー冷却水などを用いた水冷によって、鋼材を冷却する技術が一般的である。
【０００４】
近年、鋼材の上下面に対し、多数のノズルから冷却水を高速で噴射して、非常に高い冷却速度で鋼材を冷却し、組織をより微細化して、製品となる鋼材の強度を上げる技術が研究されている。鋼材の板厚中心で所定の冷却速度を得るためには、表層を急速に冷却する必要がある。表層を急冷する場合には、長手方向及び幅方向の冷却が均一となり、表層の材質が均一になるという利点がある。
【０００５】
しかし、鋼材を表層から急冷すると、必然的に板厚方向に冷却速度のばらつきが生じ、板厚方向で強度・靭性などの材質ばらつきが生じてしまう。強度・靭性などの材質ばらつきがあると、鋼材の用途によっては、部分的な（表層）の硬度上昇や、伸び低下、溶接性悪化などをきたす場合がある。特に、冷却速度が大きくなるほどマルテンサイトが生成しやすくなり、材質ばらつきは顕著に表れる。
【０００６】
そのため、表層の冷却を過度に大きくせずに、表層をいわゆる緩冷却させることが有効である。緩冷却を行って、表層のマルテンサイト分率を低下させるための技術が特許文献１及び２に開示されている。特許文献１では、冷却ゾーンを、加速冷却する冷却ゾーンと自然放熱で復熱させる空冷ゾーンとに区切り、間欠的に加速冷却を実施することで目標の冷却温度に制御する方法が開示されている。
【０００７】
特許文献２では、特許文献１のように間欠的に加速冷却を実施する方法において、マルテンサイト変態開始点以下まで水冷により加速冷却した後、加速冷却を停止して復熱させる方法が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１５４８４１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０６７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、加速冷却の冷却水が、冷却区間において鋼板上に残存し、冷却での復熱量が長手・幅方向にばらついて、材質が不均一になるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２に記載された方法では、最初に水冷による加速冷却でマルテンサイト変態点以下まで冷却するため、表層にマルテンサイト組織が形成されて、表層の延性及び靭性が低下するという問題がある。
【００１１】
なお、復熱量の増加によりマルテンサイト分率を低下させ、ベイナイト変態させる方法も知られているが、マルテンサイト分率をゼロにすることは困難であり、また材質の不均一性も大きい。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱間圧延後の鋼材を冷却する場合において、表層におけるマルテンサイト組織の生成とそれに伴う鋼材の表層の硬度上昇を抑制し、厚み方向において均一な硬さを持つ鋼材を製造する技術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】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］熱間圧延後の鋼材、または、再加熱した鋼材を、Ａｒ３点以上の温度域からベイナイト変態温度域まで冷却するに際し、  高圧空気とミストを、別々のノズルから高圧空気の圧力を０．３ＭＰａ以上、ミストの平均粒径を０．１ｍｍ以下、水量密度を１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）で、同時に鋼材に噴射する鋼材の冷却方法。
［２］前記噴射は、高圧空気噴射とミスト噴射を近接させ、ミストと高圧空気を混合し鋼材へ衝突させる上記［１］に記載の鋼材の冷却方法。
［３］高圧空気とミストを鋼材に噴射する前および/または後に、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する上記［１］または［２］に記載の鋼材の冷却方法。
［４］熱間圧延後、または、再加熱後の、Ａｒ３点以上の温度の鋼材に、高圧空気とミストを、別々のノズルから高圧空気の圧力を０．３ＭＰａ以上、ミストの平均粒径を０．１ｍｍ以下、水量密度を１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）で、同時に噴射し、ベイナイト変態温度域まで冷却する鋼材の製造方法。
［５］前記噴射は、高圧空気噴射とミスト噴射を近接させ、ミストと高圧空気を混合し鋼材へ衝突させる上記［４］に記載の鋼材の製造方法。
［６］高圧空気とミストを鋼材に噴射する前および/または後に、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する上記［４］または［５］に記載の鋼材の製造方法。
［７］熱間圧延後の鋼材、または、再加熱した鋼材に、圧力０．３ＭＰａ以上の高圧空気を噴射する高圧空気噴射ノズルと、平均粒径０．１ｍｍ以下で水量密度１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）のミストを噴射するミストノズルを有し、前記高圧空気噴射ノズルと前記ミストノズルを同時に噴射してベイナイト変態温度まで冷却する鋼材の冷却装置。
［８］前記ノズルは、スプレー冷却水またはラミナー冷却水を用いた加速冷却装置の前面あるいは後面の少なくとも一方に設けられている上記［７］に記載の鋼材の冷却装置。
［９］前記加速冷却装置は、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する上記［８］に記載の鋼材の冷却装置
［１０］圧延機と、請求項７乃至９のいずれかの冷却装置と、を有する鋼材の製造設備。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、表層の硬度上昇を抑制し、厚み方向において均一な硬さを持つ鋼材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる鋼材製造ラインの一例を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態にかかる鋼材製造ラインの冷却装置を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態にかかる緩冷却装置の概略を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態にかかる緩冷却装置のミストノズルと空気噴射ノズルの配置を示す平面図である。
【図５】図５は、ミスト粒径の測定方法を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態にかかる緩冷却装置のミストノズルと空気噴射ノズルの配置を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態にかかる緩冷却装置のミストノズルと空気噴射ノズルの配置を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態にかかる緩冷却装置のミストノズルと空気噴射ノズルの配置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態にかかる鋼材製造ラインの一例を示す概略図である。この鋼材製造ラインでは、加熱炉１から抽出されたスラブが、圧延機２によって粗圧延と仕上げ圧延が施され、所定の仕上げ板厚とされる。なお、熱間圧延後の鋼材の温度はＡｒ３点以上である。熱間圧延終了後に、鋼材はオンラインにて冷却設備に搬送される。冷却設備は、第１加速冷却装置３、緩冷却装置４及び第２加速冷却装置５を有している。なお、第１加速冷却装置３の前に、プリレベラを配置して、鋼材の形状を整えてから冷却を行えば、冷却後の鋼材形状をより良好とすることが出来る。
【００１８】
また、熱間圧延後に一旦例えば室温近くまで冷却された鋼材をＡｒ３点以上の温度域に再加熱した後、第１加速冷却装置３、緩冷却装置４及び第２加速冷却装置５を用いて水冷または空冷を実施して鋼材の組織制御をしても良い。このとき、室温近くまで冷却した後、製品幅及び長さに切断した後に再加熱し、冷却を行っても良い。
【００１９】
第１加速冷却装置３及び第２加速冷却装置５としては、スプレー冷却水やラミナー冷却水を供給する冷却装置を用いることが出来る。
【００２０】
なお、本発明では、第１加速冷却装置３の前面、第２加速冷却装置５の後面、もしくは第１加速冷却装置３と第２加速冷却装置５の間のうち、少なくとも１箇所以上に、緩冷却装置４を配置すればよい。図１の例では、第１加速冷却装置３と第２加速冷却装置５の間に、緩冷却装置４が配置されている。
【００２１】
緩冷却装置４は、後述するように、高圧空気とミスト状の冷却水（以下、ミストという）を同時に噴射し、好ましくは混合しながら鋼材を冷却する。
【００２２】
本発明においては、緩冷却装置４において、ミスト状の水が空気と同時に噴射されるので、鋼材にミストが噴射された後、空気によって吹き飛ばされるため、ミストが鋼材に残存しづらくなる。また、水滴径が微小であるほど、蒸発に要する時間が短くなるため、鋼材衝突より安定した冷却挙動を実現することが出来る。
【００２３】
緩冷却装置４においては、熱伝達係数１００〜３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の条件で鋼材を冷却することが好ましい。熱伝達係数が１００Ｗ／（ｍ２Ｋ）未満では冷却速度が非常に遅くなるため、表層硬度及び中心硬度が低下し、また、急冷後に緩冷却を行う場合、内部よりの熱伝導によって復熱してしまうため、一部がフェライトやパーライトといった目的組織以外へ変態してしまい、厚み方向において硬度のばらつきが大きくなる場合がある。熱伝達係数が３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）を超えると表層がマルテンサイト組織へ変態を起こし、靭性、延性を損なうため、好ましくない。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態にかかる鋼材製造ラインの冷却設備を示す図である。第１加速冷却装置３、緩冷却装置４及び第２加速冷却装置５は、それぞれ複数のゾーンに分かれており、目標の冷却速度を達成するために、冷却水（緩冷却装置４では、高圧空気とミスト）の噴射の有無や、冷却媒体噴射量をゾーンごとに制御することが出来る。
【００２５】
第１加速冷却装置３、緩冷却装置４及び第２加速冷却装置５には、それぞれ、鋼材の上面を冷却する上面ヘッダと、鋼材の下面を冷却する下面ヘッダが設けられている。緩冷却装置４の前面及び後面には、それぞれ温度計６３、６４が備わっており、緩冷却中の鋼材の温度を管理している。
【００２６】
冷却ゾーンや冷却媒体の噴射量を用い、差分法などによって計算された値と温度計６３、６４によって測定された実績の値を比較し、差があった場合は学習係数を用い、熱伝達係数を修正することにより、鋼材温度履歴の制御を行う。
【００２７】
第１加速冷却装置３の前面、後面及び中間、第２加速冷却装置５の前面、後面及び中間には、それぞれ温度計（図示せず）が１箇所以上配置され、温度計によって計測された鋼材の温度に基づいて、鋼材の品質管理、冷却媒体を噴射するゾーンの設定、冷却水の流量制御を行う。各温度計は、鋼材の１点のみを測定する温度計でも良いし、幅方向及び長手方向に温度分布を測定できる温度計でもよい。
【００２８】
テーブルロール６１や水切りロール６２は、鋼材に残った冷却水を除去する機能を有している。
【００２９】
なお、図１及び２では、第１加速冷却装置３と第２加速冷却装置５の間に、緩冷却装置４が配置されている例を示したが、所望の熱履歴にあわせ、第１加速冷却装置３及び第２加速冷却装置５のいずれか一方、もしくは両方を配置しなくても良い。また、さまざまな熱履歴に対応できるように、第１加速冷却装置３及び第２加速冷却装置５を配置したまま、第１加速冷却装置３及び第２加速冷却装置５による冷却が不要の場合には、それぞれの冷却装置の冷却水を供給する水系統バルブを閉にして、冷却水の噴射を停止し、第１加速冷却装置３及び第２加速冷却装置５に鋼材を通過させるように構成しても良い。
【００３０】
また、第１加速冷却装置３および/または第２加速冷却装置５を配置し、第１加速冷却装置３、第２加速冷却装置５の少なくとも一つにおいて、熱伝達係数３０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）超えで鋼材を冷却する構成としても良い。このように、緩冷却の前および/または後に加速冷却を行うことで、冷却にかかる時間を短縮しつつ、表層におけるマルテンサイト組織の生成とそれに伴う鋼材の表層の硬度上昇を抑制し、厚み方向において均一な硬さを持つ鋼材を製造することが可能となる。
【００３１】
続いて緩冷却装置４の概要について説明する。図３は、本発明の実施の形態にかかる鋼材製造ラインの緩冷却装置の概要を示す図である。
【００３２】
緩冷却装置４は、ミストノズル４１と空気噴射ノズル４２を有しており、ミストと高圧空気を同時に鋼材に噴射するように構成されている。ミストノズル４１と空気噴射ノズル４２は、鋼材の上下にそれぞれ設けられている。
【００３３】
ミストノズル４１はミスト状の水を噴射する。ミストノズル４１は、水のみを噴射する一流体ノズルでも良いし、水と空気を同時に噴射するに流体ノズルでも良い。図３のミストノズル４１は、二流体ノズルを例として示している。図３のミストノズル４１は、水槽４４に貯留された水を、空気供給ヘッダ４３から供給される空気と混合して噴射する。
【００３４】
ミストの大きさは、平均粒径で０．１ｍｍ以下であり、０．０５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．０２ｍｍ以下であることがさらに好ましく、０．０１ｍｍ以下であることが一層好ましい。ミストの粒径が小さいほど鋼材にミストが凝縮しにくくなり、鋼材に冷却水が不均一に残存して鋼材の温度が不均一となることを低減することが出来る。
【００３５】
二流体ノズルの場合、ミストの大きさは一般的にノズル形状及び気水比（空気量と水量との割合）によって決定される。ミストの大きさの管理については実際に用いるミスト形状によって気水比を管理することが好ましい。
【００３６】
ミストノズル４１から鋼材までの距離は、１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすることが好ましい。ミストノズル４１から鋼材までの距離が１０ｍｍ未満では、ミストが蒸発後、逃げ場がなくなる。逃げ場がなくなったミストは、凝縮して大きな水滴となって鋼材に付着し、鋼材の表面に水滴が残存して温度不均一の原因となるためである。また、ミストノズル４１から鋼材までの噴射距離が５００ｍｍを超えると、ミストが鋼材まで届かないため、冷却能力が低下し、また、ミストが鋼材に付着しづらくなるためである。
【００３７】
なお、ミストの水量密度は、１０〜５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）とする。ミストの水量密度が１０ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）未満では、ミストの熱伝達係数が非常に小さく、鋼材を十分に冷却することが出来ず、鋼材の内部強度が低下する。また、ミストの水量密度が５００ｍＬ／（ｍ２・ｍｉｎ）を超えると、冷却終了後にミストを除去できず、残留水が発生するため、冷却停止温度制御が困難となる。
【００３８】
なお、鋼材を冷却した水を回収し、ろ過や水温調整を行った後、水槽４４へ戻して循環させるように構成しても良い。さらに、ミスト噴射時に必要な温度とするため水槽内に、電気ヒーターや蒸気を吹き込み、水槽内温度を加熱させて良い。また、配管にヒーターを取り付け、加熱しても良い。
【００３９】
水温の管理は、水槽４４の直近もしくは図３に示すように、ミストノズル４１の直近に温度計４５を設置すればよい。ただし、水温は配管通過時に変化するため、ミストノズル４１の直近位置に配置するほうが好ましい。ミストノズル４１から噴射される水温は３０℃以上であり、さらに高温であるほど好ましい。
【００４０】
空気噴射ノズル４２は、空気供給ヘッダ４３より空気が送られ、高圧空気を噴射する。なお、空気噴射ノズル４２直前に圧力計を設置し、空気供給ヘッダ４３の圧力を測定するように構成する。空気噴射ノズル４２は、０．３ＭＰａ以上の噴射圧で空気を噴射する。空気噴射圧が０．３ＭＰａ未満であると、ミストの加速が不十分で鋼材にミストが衝突せず、冷却能力が低下するためである。
なお、高圧空気の量は、１４０Ｌ／（ｍ２・ｍｉｎ）（ｎｏｒ）以上が好ましく、１４０Ｌ／（ｍ２・ｍｉｎ）（ｎｏｒ）未満だと、０．３ＭＰａ以上の高圧の空気を作り出すことが困難となる場合がある。
【００４１】
図４は、本発明の実施の形態に係る緩冷却装置のミストノズルと空気噴射ノズルの配置を示す平面図である。ミストノズル４１から噴射されたミストを、鋼材に確実に到達させるためには、図４に示すように、ミストノズル４１の周囲に、空気噴射ノズル４２を配置することが好ましい。
【００４２】
高圧空気噴射とミスト噴射を近接させ、ミストノズル４１と空気噴射ノズル４２のノズル中心間の距離は、２００ｍｍ以下とすることが好ましい。ノズルの中心間の距離が２００ｍｍを超えると、ミストが高圧空気によって加速されなくなるため、ミストの鋼材衝突速度が低下する。また、幅方向に冷却ムラが発生しやすくなる。なお、隣接する空気噴射ノズル４２同士のノズル中心の距離も、ミストノズル４１と空気噴射ノズル４２のノズル中心の距離と同程度に設定すればよい。
【００４３】
なお、本発明は鋼材製造ラインを例として説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、薄板製造ラインや形鋼製造ライン、パイプ製造ラインにも適用することも出来る。
【００４４】
次に、本発明かかる鋼材の冷却方法について説明する。
【００４５】
本発明は、表層に硬質相（マルテンサイト組織）を出さない鋼材の冷却方法に適用することが出来る。このような冷却方法の一例として、熱間圧延後の鋼材をあるいは、再加熱した鋼材を、Ａｒ３点以上の温度（オーステナイト相温度域）から、ベイナイト変態温度域まで冷却する方法がある。しかしながら、マルテンサイト変態開始点よりも低い温度域まで冷却をしてしまうと、厚み方向に温度分布が発生し、表層が冷えすぎて表層の延性、靭性が著しく低下する。そのためマルテンサイト変態開始点以上の温度で冷却を停止させる必要がある。また、加速冷却で使用した水が鋼材上に残留してしまうと、残留水によって冷却速度が上昇し、マルテンサイト変態してしまう。そのため、テーブルロール６１及び水きりロール６２を用いて残留水を除去することが好ましい。また、例として、テーブルロール６１と水きりロール６２によって残留水を除去する方法を挙げたが、エアパージをはじめとするほかの方法で残留水を除去しても良い。
【００４６】
通常、水を用いて鋼材を冷却する過程においては、高温域では、鋼材と冷却水との間に蒸気膜が形成されて、その蒸気膜を通して熱が伝達される膜沸騰状態が支配的となっている。この膜沸騰状態は、鋼材に直接冷却水が接触する核沸騰状態に比べて冷却能力が小さい。しかし、鋼材温度が４５０℃を下回ると、沸騰によって発生する蒸気膜が維持できなくなり、局所的に鋼材と冷却水とが直接接触する核沸騰状態の場所が発生する。
【００４７】
このような核沸騰状態の場所では、冷却速度が急激に上昇するため、鋼材の表層は、ベイナイト変態を起こす前に、マルテンサイト変態開始点を下回り、表層がマルテンサイト組織になる恐れがある。したがって、表層を例えば３００〜４５０℃の範囲でベイナイト変態させるためには、緩冷却を行うことが好ましい。そして、本発明では、緩冷却を行うために、ミストによる冷却を行い、ミストの粒径を細かくさせたり、ミストの水温を上昇させることで、ミストを沸騰しやすくさせる。ミストを沸騰しやすくすることで、４５０℃以下の領域でも膜沸騰状態が安定しやすくなり、安定した緩冷却を行うことが出来る。
【００４８】
本発明においては、核沸騰状態遷移しやすい温度域である３００〜５００℃での温度域で、緩冷却を実施することが好ましく、前記温度域内でベイナイト変態を終了させるまで保持させることが重要である。例えば、３００℃以下まで急冷したのち、復熱させ、緩冷却を利用しつつ、温度保持させる方法や、４００℃まで急冷させた後、緩冷却させ、３００〜５００℃の温度域に復熱制御、温度保持、緩冷却のいずれの温度パターンも行うことが出来る。また、ミストと同時に空気を噴射することで、鋼材の残留水を低減させることが出来るため、核沸騰が起こりづらくなり、より安定した緩冷却が可能となる。膜沸騰状態となる高温域やベイナイト変態が完了したあとの低温域では、ラミナー冷却やスプレー冷却など、水冷による加速冷却を実施してもかまわない。
【００４９】
表層のベイナイト変態が完了した後は、鋼材内部の硬度上昇させるために、再び加速冷却することが出来る。
【００５０】
ここで、表層のベイナイト変態が完了したか否かは、以下のように判断すればよい。ベイナイト変態を起こす温度範囲と変態完了時間を、実験室的に、例えば加工フォーマスタのような熱間加工シミュレータを用いた試験を実施して、求めておく。そして鋼材の製造時に、緩冷却装置４の前後に配置した温度計６３、６４によって、鋼材の温度を測定する。そして、温度計６３、６４によって測定された温度と、緩冷却装置４の通過時間からベイナイト変態が完了したかどうかを判断すればよい。
【００５１】
なお、本発明で用いる「表層」は、鋼材表面から３ｍｍ以内の深さの部分を言うものとする。表面から３ｍｍを超える深さでは、表面より冷却速度が大きくなることはないため、表層にマルテンサイト組織が形成されなかった場合、３ｍｍより深い位置でマルテンサイト変態することはない。
【実施例１】
【００５２】
以下、実施例に基づいて説明する。
図１及び２に記載した鋼材製造ラインを用い、引張強さが６００ＭＰａ級で、表層のビッカース硬さの上限がＨｖ２２０である造船用鋼材を製造して、本発明の効果を検証した。鋼材の成分組成は、質量％で、Ｃ：0.06％、Ｓｉ：0.15％、Ｍｎ：1.85％、Ｐ：0.005％、Ｓ：0.0005％、Cr：0.2％、Mo：0.2％、Nb：0.05％、残部はＦｅ及び不可避的不純物であった。用いた緩冷却装置４の構成は、図３のとおりである。本実施例では引張強さ６００ＭＰａ級の鋼種の鋼材を使用した。この鋼材のＡｒ３点は７２４℃、ベイナイト変態温度は冷却速度によって異なるが３００℃〜４５０℃の間である。
【００５３】
図１に示すように、加熱炉１から抽出されたスラブを、圧延機２によって、粗圧延を行い、さらに仕上げ圧延を行って板厚を２０ｍｍ、板幅を４．５ｍとした。仕上げ圧延直後に測定した鋼材の表面温度、すなわち仕上げ温度は８００℃であった。
【００５４】
本発明例１〜４および比較例１〜４では、仕上げ圧延後に、プリレベラを通し、第１加速冷却装置３における第１の加速冷却を行なわずに、緩冷却装置４によりミストと高圧空気を同時に鋼材に噴射して緩冷却を行った。緩冷却開始温度は供試鋼のＡｒ３点（７２４℃）よりも高温である７８０℃とし、緩冷却終了温度を比較例２以外は３００〜３５０℃、比較例２は水量密度が足りず所望の冷却速度が得られないため４５０〜５００℃とした。なお、鋼材の搬送速度は、１２．５ｍｐｍとした。緩冷却終了後は第２加速冷却装置５による加速冷却を行わずに表層温度が１００℃以下となるまで放冷した。
【００５５】
本発明例５〜１７および比較例５〜７では、仕上げ圧延後に、プリレベラを通して、第１加速冷却装置３において、熱伝達係数６５００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の第１の加速冷却を行った後、緩冷却装置４によりミストと高圧空気を同時に鋼材に噴射して緩冷却を行った。加速冷却開始温度は供試鋼のＡｒ３点（７２４℃）よりも高温である７８０℃、加速冷却終了温度は４５０〜５００℃とし、緩冷却終了温度を３００〜３５０℃とした。なお、鋼材の搬送速度は、１２．５ｍｐｍとした。緩冷却終了後は再び第２加速冷却装置５によって、熱伝達係数３２００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の加速冷却を行い、表層温度が１００℃以下となるまで第２加速冷却を行った。
【００５６】
ここで、緩冷却装置のノズル配置は図４に示す配置とした。ここで各ノズルの間隔は５０ｍｍとした。
【００５７】
表１に、緩冷却中の条件である、空気の噴射圧力、ミスト平均粒径、水量密度、ミスト水温を示す。
ここでミスト粒径の測定方法について図５を用いて説明する。ノズル７１の下に、ノズル７１側から順にシャッター７２と、油７４が塗られた油付着板７３を配置する。シャッター７２には、穴またはスリット７２ａが形成されている。シャッター７２は、水平方向に移動可能である。ノズル７１からミストを噴射して、シャッター７２を水平方向に高速で移動させる。これにより、ノズル７１から噴射されたミストのうち、穴またはスリット７２ａを通過したミスト７５が油付着板７３に到達する。油付着板７３に到達したミスト７５を、拡大鏡や顕微鏡等により観察し、画像処理することによって、ミストの粒径を測定することが出来る。本実施例においては、各条件に対して油付着板７３に到達したミスト７５を５００個以上観察し、その平均粒径を「ミスト平均粒径」と称することとした。
【００５８】
製造された鋼材のサンプルを切り取って以下の硬度測定を行った。得られた結果を表１に示す。
【００５９】
表１中の「硬度ばらつき」は、幅方向、長手方向、及び鋼材の厚み方向でＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、それぞれ硬度を測定し、得られた硬度の中から最大値と最小値の差がＨｖ４０の範囲内であったものを「○」とし、Ｈｖ４０の範囲を超えるものを「×」として示した。
【００６０】
表層硬度は以下の方法にて行った。圧延方向に直角な断面について、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、ビッカース硬さを測定した。
サンプルは厚鋼板の長手両端部より１０ｍｍの位置、長手１／４位置、１/２位置の幅方向板厚方向の１０ｍｍの位置、幅１／４位置、１/２位置計２５箇所よりサンプルを採取し、板厚方向に、１ｍｍピッチで硬さを測定し、得られた硬さの中で一番高い硬さを表層硬度として表１に示す。
【００６１】
【表１】
0006343842.tif 000002
【００６２】
本発明例１〜１７では、表層硬度Ｈｖ（９８Ｎ）は、最高でＨｖ２１９であり、硬度の許容上限の硬さＨｖ２２０を満足した。また、本発明例１〜１７では、硬度のばらつきもＨｖ４０の範囲内となった。
【００６３】
比較例１、３〜７では、表層硬度がＨｖ２２０超えで、かつ硬度ばらつきがＨｖ４０の範囲外となり、目標の表層の硬度及び硬度ばらつきが得られなかった。比較例２は、水量密度が小さく、所望の冷却速度が得られず、緩冷却終了温度が高かったため、鋼の組織が所望のベイナイト単層ではなく、パーライトが混ざった組織となった。結果、表層硬度は許容範囲内であったが、硬度のばらつきが生じた。
【００６４】
さらに、従来例１として、特許文献１に記載された方法を用いて鋼材を製造した。具体的には、緩冷却装置を用いずに、熱伝達係数６５００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の１つの加速冷却装置により鋼材を冷却した。加速冷却装置では、全１１ゾーンのうち、第１、３、５〜１１ゾーンで水冷を行い、第２、４ゾーンでは空冷を行った。表層硬度は、最高でＨｖ４００となり、硬度の許容上限Ｈｖ２２０を大きく上回り、硬度ばらつきも大きかった。
【００６５】
従来例２として、特許文献２に記載された方法を用いて鋼材を製造した。具体的には、緩冷却装置を用いずに、熱伝達係数６５００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の１つの加速冷却装置より鋼材を冷却した。冷却開始温度を７８５℃とし、最初の水冷により鋼材表層部を３５０℃以下まで冷却し、水冷を停止して復熱し、復熱後の到達温度を６５０℃とし、冷却停止温度を最高温度４２０℃、最低温度３８０℃とした。この結果、表層硬度は最大でＨｖ３００となり、従来例１よりは低下したものの、目標であるＨｖ２２０以下にはならず、硬度ばらつきも大きかった。
【００６６】
従来例１、２及び表１の本発明例および比較例の表層、１／４ｔ、板厚中心部の断面を光学顕微鏡で観察したところ、本発明例の条件では全位置でベイナイト組織であったが、従来例１、２および比較例１、３〜７では表層にマルテンサイト組織が少なくとも１０％以上観察され、比較例１、２、５では１/４ｔ位置でパーライトが少なくとも１０％以上観察された。
【００６７】
比較例２では、水量密度が小さすぎ、所望の冷却速度が得られなかったため、板厚１／４付近にパーライト組織が生じた。比較例１、５では、空気噴射圧力が小さすぎたため、ミストにより表層が過冷却され、表層にマルテンサイト組織が生じた。比較例３、４、６、７では、ミスト平均粒径が大きすぎるまたは水量密度が大きすぎるため、ミストにより表層が過冷却され、表層にマルテンサイト組織が生じた。以上により、比較例１〜７ではいずれも硬度のばらつきが大きくなった。
【００６８】
なお、本発明では、表層のマルテンサイト分率を必ずしも０％とする必要はなく、１０％未満であれば、厚み方向において均一で十分な硬さを得るという本発明の効果を得ることが出来る。
【実施例２】
【００６９】
次にミストノズル４１と空気噴射ノズル４２の配置による効果の検証を実施した。
【００７０】
図１及び２に記載した鋼材製造ラインを用い、引張強さが６００ＭＰａ級で、表層のビッカース硬さの上限がＨｖ２２０である造船用鋼材を製造して、本発明の効果を検証した。用いた緩冷却装置４の構成は、図３のとおりである。鋼材は、実施例１と同じ引張強さ６００ＭＰａ級の鋼種の鋼材を使用した。
【００７１】
図１に示すように、加熱炉１から抽出されたスラブを、圧延機２によって、粗圧延を行い、さらに仕上げ圧延を行って板厚を２０ｍｍ、板幅を４．５ｍとした。仕上げ圧延直後に測定した鋼材の表面温度、すなわち仕上げ温度は８００℃であった。
仕上げ圧延後に、プリレベラを通して、第１加速冷却装置３において、熱伝達係数３２００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の第１の加速冷却を行った後、緩冷却装置４によりミストと高圧空気を同時に鋼材に噴射して緩冷却を行った。本発明を適用した本発明例では、加速冷却開始温度は供試鋼のＡｒ３点よりも高温である７８０℃、加速冷却終了温度は４５０〜５００℃とし、緩冷却終了温度を３００〜３５０℃とした。なお、鋼材の搬送速度は、１２．５ｍｐｍとした。緩冷却終了後は再び第２加速冷却装置５によって、熱伝達係数５０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）の加速冷却を行い、表層温度が１００℃以下となるまで第２加速冷却を行った。
【００７２】
緩冷却装置のノズル配置の効果を検証するために、ミストノズル４１の割合を少なくし、空気噴射ノズル４２の割合を増やした本発明例（本発明例１８、図６に示す配置）、ミストノズル４１と空気噴射ノズル４２の数を同数とした本発明例（本発明例１９、図７に示す配置）、同様にミストノズル４１と空気噴射ノズル４２の数を同数としたが、ミストノズル４１が隣接するノズルが必ずしも空気噴射ノズル４２ではなく、ミストノズル４１と空気噴射ノズルの中心間距離が２００ｍｍを超えるノズルがある本発明例（本発明例２０、図８に示す配置）とした。図６、７、８で隣接するノズルの間隔は５０ｍｍである。
【００７３】
表２に、緩冷却中の条件である、空気噴射圧力、ミスト平均粒径、水量密度、ミスト水温を示す。ノズル配置以外は実施例１と同条件として試験を実施した。ミストノズル４１の個数を変化させたが、水量密度も実施例１と同じとしたため、ミストノズル１本当たりの流量噴射量は変化している。
ミスト粒径の測定方法、硬度ばらつきおよび表層硬度の測定方法、判断基準は実施例１と同様である。得られた結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
0006343842.tif 000003
【００７５】
本発明例１８及び１９では、表層硬度Ｈｖ（９８Ｎ）は、最高でＨｖ１８３であり、硬度の許容上限の硬さＨｖ２２０を十分に満足した。また、本発明例１８、１９では、硬度のばらつきもＨｖ４０の範囲内となった。本発明例２０では、表層の硬度が最高でＨｖ２１９となり、硬度の許容上限Ｈｖ２２０をぎりぎり下回り、ばらつきも許容範囲内ではあったが、Ｈｖ３８とぎりぎりであった。ミストノズル４１が隣接するノズルが必ずしも空気噴射ノズル４２ではなく、ミストノズル４１と空気噴射ノズルの中心間距離が２００ｍｍを超えるノズルがある場合は冷却が過度になってしまうため、ミストノズル４１は空気噴射ノズル４２と隣接させることが好ましい。
【符号の説明】
【００７６】
１    加熱炉
２    圧延機
３    第１加速冷却装置
４    緩冷却装置
５    第２加速冷却装置
４１    ミストノズル
４２    空気噴射ノズル
４３    空気供給ヘッダ
４４    水槽
４５    温度計
６１    テーブルロール
６２    水切りロール
６３、６４    温度計
７１    ノズル
７２    シャッター
７２ａ    穴またはスリット
７３    油付着板
７４    油
７５    ミスト
【図１】
0006343842.tif 000004
【図２】
0006343842.tif 000005
【図３】
0006343842.tif 000006
【図４】
0006343842.tif 000007
【図５】
0006343842.tif 000008
【図６】
0006343842.tif 000009
【図７】
0006343842.tif 000010
【図８】
0006343842.tif 000011