(57)【要約】  【課題】  鋼材中の残留水素濃度を精度よく算出し、余分な脱水素処理を解消して、所望の残留水素濃度を有する鋼材を効率的に製造することができる鋼材の製造法を提供する。  【解決手段】  スラブを加熱、圧延、冷却を行って鋼材を製造する方法であって、溶鋼中の水素濃度をＨ、加熱直前での脱水素率をα、加熱終了時のスラブの脱水素率をα1 、および圧延を経て最終製品となるまでの脱水素率をβとし、以下の式(1) から最終製品水素濃度Hoを算出し、予め設定された割れ臨界水素濃度Ｄと該最終製品水素濃度Hoとを比較し、HoがＤより大きい場合はスラブおよび／または製品での徐冷を行い、HoがＤ以下の場合には徐冷を行わないようにする。        Ho＝Ｈ×α×α1 ×β  ・・・  (1) 【選択図】    図１
2005023413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼から得られたスラブに加熱、圧延、冷却を行って鋼材を製造する方法であって、溶鋼中の水素濃度をＨ、前記加熱直前でのスラブの脱水素率をα、加熱終了時のスラブの脱水素率をα1 、および圧延を経て最終製品となったときの脱水素率をβとし、下記(1) 式から最終製品水素濃度Hoを算出し、得られた最終製品水素濃度Hoと予め設定された割れ臨界水素濃度Ｄとを比較し、HoがＤより大きい場合はスラブおよび／または圧延後の製品での徐冷を行い、HoがＤ以下の場合には徐冷を行わないようにすることを特徴とする鋼材の製造方法。
Ho＝Ｈ×α×α1 ×β  ・・・  (1) 
【請求項２】
スラブの前記徐冷を、連続鋳造工程または分塊圧延工程から得たスラブの冷却の段階で行うことを特徴とする請求項１記載の鋼材の製造方法。
【請求項３】
最終製品の前記徐冷を、圧延後の冷却の段階で行うことを特徴とする請求項１記載の鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、残留水素の少ない鋼材の製造法に関し、より具体的には、所望の残留水素濃度を有する鋼材を効率的に製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、鋼材は、溶鋼に鋳型鋳造や連続鋳造および分塊圧延を行うことにより得られる厚さが50〜400mm 程度のスラブを所定の寸法に熱間圧延を行うことにより、製造される。
【０００３】
ここで、製品である鋼材に過剰に水素が含有されると、内質欠陥である水素欠陥が発生してしまう。そこで、鋼材の製造工程では脱水素を目的に、スラブ段階で連続鋳造工程からのスラブあるいは分塊圧延工程からのスラブの冷却過程で、あるいは一旦製造したスラブを加熱してから冷却する過程で、徐冷するスラブ徐冷と、圧延後に徐冷する製品徐冷とが行われる。
【０００４】
これらの徐冷を行う工程は、鋼中に含有される水素を徐々に拡散除去するものであるため、従来より極めて長時間を要し、鋼材の生産性向上を阻害する大きな要因の一つとなっていた。
【０００５】
特許文献１には、分塊圧延後のスラブをピット式またはカバー式の徐冷炉に装入してスラブ徐冷を開始し、スラブ温度が500 ℃にまで低下した時点で、徐冷炉内に圧力空気を吹き込むことにより強制冷却し、徐冷炉からの抽出温度 (約200 ℃) に低下するまでに要する時間を短縮する方法が提案されている。この方法は、スラブ温度が500 ℃に低下すると脱水素効率は目標値である60％を上回る約80％に達する、との経験則に基づくものである。
【０００６】
しかし、この方法には、高温(800℃程度) のスラブを500 ℃に徐冷するには30時間程度もの長時間を要すること、徐冷炉内に圧力空気を吹き込むには送風機等を設置する必要があり、設備費が嵩むこと、そして圧力空気にコストを要することといった問題があった。
【０００７】
そこで、特許文献２では、割れ臨界水素濃度を厚鋼板の降伏応力予測値を用いて算出し、従来から経験的に知られた上限水素濃度(ppm) との間に厚鋼板の残留水素濃度が入るようにして製造を行い、余分な徐冷を省略する方法が開示されている。
【０００８】
ところが、この方法では鋼材の残留水素濃度の算出にスラブの徐冷と製品の徐冷による脱水素は考慮されているものの、スラブ加熱中の過程における脱水素率は考慮されておらず、残留水素濃度の計算精度が十分ではなく、また製品の徐冷による脱水素率も経験的な値を用いており、余分な脱水素工程を完全に省略するには至っていない。
【特許文献１】特公昭57−50851 号公報
【特許文献２】特開平10−251746号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここに、本発明の課題は、スラブ加熱工程や圧延終了から冷却に至るまでの水素濃度を厳密に計算することにより、鋼材中の残留水素濃度を精度よく算出し、余分な脱水素処理を不用として、所望の残留水素濃度を有する鋼材を効率的に製造することができる鋼材の製造法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討を重ねた結果、従来では考慮されていなかったスラブの加熱段階でも脱水素効果があり、加熱時の脱水素率や圧延終了から冷却過程の水素濃度を厳密に計算することにより、製品最終水素濃度を正確に把握でき、その結果、スラブ徐冷や製品徐冷を省略できること並びに、従来では徐冷していなかったものを徐冷することにより、製品での水素割れを防止できることを新たに知見した。
【００１１】
これにより、本発明者らは、鋼材の残留水素濃度を精度よく計算することにより、必要以上の徐冷を行わずに鋼材を製造できるので、従来よりも脱水素処理工程をさらに削減することができること、そして、このように脱水素処理工程の一部をさらに省略することができることにより、鋼材の生産性を著しく向上することができることを、新たに知見した。さらには徐冷指示を的確にできるので、製品の水素割れを防止できることも、新たに知見した。
【００１２】
本発明者らは、これらの新らたな知見に基づいてさらに検討を重ね、本発明を完成した。
【００１３】
ここに、本発明は、最も広義には、溶鋼から得られたスラブの加熱、圧延、そして冷却を行って鋼材を製造する方法であって、溶鋼中の水素濃度をＨ、加熱直前でのスラブの脱水素率をα、加熱終了時のスラブの脱水素率をα1 、および圧延を経て最終製品になるまでの製品における脱水素率をβとし、下記(1) 式から最終製品水素濃度Hoを算出し、予め設定された割れ臨界水素濃度Ｄと該最終製品水素濃度Hoを比較し、HoがＤより大きい場合はスラブおよび／または圧延後の製品での徐冷を行い、HoがＤ以下の場合には徐冷を行わないようにすることを特徴とする鋼材の製造方法である。
【００１４】
Ho＝Ｈ×α×α1 ×β  ・・・  (1) 
ここで「スラブ」とは、製銑、製鋼、連続鋳造等を経て得られるものだけではなく、電気炉等で溶解した溶鋼から得たもの、また連続鋳造の代わりに鋳型凝固 (インゴット造塊) され、分塊圧延を経たものも含む。
【００１５】
本発明において水素の測定方法については特に指定しないが、本発明の実施例ではハイドリス(Hydris)方式を用いた。ハイドリス(Hydris)方式とは、プローブ、ランスおよび分析装置から構成され、N2キャリアガス中の水素分圧を溶鋼中の水素濃度に平衡させて、ジーベルツ(Sieverts)の基本原理を用いて測定する方法である。
【００１６】
「加熱直前での脱水素率」とは、製鋼工場での鋳造終了後のスラブを製品製造工場に受け入れ、加熱炉に装入する直前のスラブの局所的最大水素濃度を、溶鋼水素濃度で割った値である。このスラブの局所的最大水素濃度は、計算値であっても、従来からの経験値であってもよいし、実際のスラブの各位置の水素濃度を計測した最大値でもよい。
【００１７】
ここで「局所的最大水素濃度」とは、鋼材の板厚方向での水素濃度は異なることから、その中での最大値を示す水素濃度のことをいう。
【００１８】
また「加熱終了時のスラブの脱水素率」とは、加熱炉内で温度上昇に伴うスラブの脱水素率を拡散方程式で計算し、加熱炉抽出時のスラブ中の局所的最大水素濃度を加熱直前のスラブの局所的最大水素濃度で割った値のことである。
【００１９】
「圧延を経て最終製品となったときの脱水素率」とは、加熱炉を出たスラブが圧延され、その後冷却されて製品になった時点の製品中の局所的最大水素濃度 (計算値) を、加熱終了時のスラブ中の局所的最大水素濃度 (計算値) で割った値である。
【００２０】
なお、圧延終了後に強制冷却や加速冷却を行って一旦所定の温度以下まで冷却した製品を、その後、保温炉等に製品を装入して再加熱した後に徐冷した場合には、その徐冷後の製品の局所的最大水素濃度をもって計算するものとする。      ここで、「冷却」とは、圧延後の放冷、加速冷却、強制冷却などのことをいう。
【００２１】
また、加熱炉を出て、圧延される場合、板厚が圧延パス毎に変化し、温度も変化するが、これを厳密に計算して加熱炉をスラブが出た時点から圧延終了までを厳密に水素濃度計算してもよい。しかし、厳密に計算しても、圧延に要する時間は、スラブ加熱および圧延後に冷却されて製品になるまでの時間に比較し、わずかであるため、この計算をしない場合に比べ、予測精度としては影響がほとんどない。したがって、計算機の負荷等を考えれば、加熱炉をスラブが出た時点から圧延終了までは、特に厳密な水素濃度計算はしなくてもよい。
【００２２】
「予め設定された割れ臨界水素濃度Ｄ」とは、材質で変化するもので、理論的に決めた値でもよく、従来からの経験で決められた値でよい。本発明では、材質ごとにＤの値を従来からの経験値としてテーブル化しており、その値を用いた。
【００２３】
このように、本発明にかかる鋼材の製造法は、鋼材の残留水素濃度を正確に予測計算し、割れ臨界水素濃度を上限値として鋼材の残留水素濃度を管理し、適切な徐冷指示をすることにより、結果的に、従来よりも徐冷基準を緩和することができ、これにより、スラブ徐冷および製品徐冷の一方または双方の時間短縮や省略が可能となり、鋼材の生産性向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
従来では考慮されていなかったスラブ加熱時の脱水素効果に着目し、スラブ中心部の最大水素濃度を厳密に計算することにより、適切な徐冷指示が確実に行えるようになり、その結果、製品の割れを未然に防止することができる。
【００２５】
また、従来に比較し、水素濃度が精度よく計算できるので、徐冷の省略または割れを防止するための更なる徐冷強化等が可能であり、製品品質が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明にかかる鋼材の製造法の実施形態を、熱間圧延による厚板の場合を例にとって順次詳細に説明する。
【００２７】
もちろん、本発明は厚板の熱間圧延に限られることなく、水素欠陥が問題になる限り、熱間圧延による鋼材 (熱延コイル) 、鋼管、形鋼、鋼線、棒鋼、さらには熱間鍛造によるそれらの鋼材の製造方法にも応用できるものであることは、これまでの説明からも当業者には容易に理解されよう。
【００２８】
溶鋼の溶製工程
これは、転炉あるいは電気炉等の溶製炉によって予め決められた鋼組成の溶鋼を製造する工程である。本発明の場合、スラブ製造の原料となる溶鋼が得られれば、その具体的操作は特に制限されないが、スラブ製造に先立って溶鋼中の水素濃度Ｈを計測する。このときの水素濃度の計測は、通常の分析操作で行えば良く、この点においても本発明にあっては特に制限されないが、好ましくは、前述のハイドリス方式による。
【００２９】
スラブの製造工程
溶鋼からスラブを製造するには、連続鋳造を行う、あるいはインゴットとしてから分塊圧延を行う方法などがあるがいずれであってもよい。この点においても本発明は特に制限されない。後続の熱間圧延に対する素材が製造・供給されればよい。
【００３０】
圧延工程に送るには、予め圧延温度に加熱する必要があり、その加熱開始時点でのスラブの脱水素率αを求める。
【００３１】
なお、スラブの段階での徐冷による脱水素は、前述の連続鋳造法あるいは分塊圧延法で得られたスラブをピット式またはカバー式の徐冷炉でそのまま徐冷すればよい。
【００３２】
スラブの圧延工程
所要の圧延温度にまで加熱されたスラブは、加熱終了時点での脱水素率α1 を求める。
【００３３】
スラブの熱間圧延は、従来法のように行えばよく、本発明においても特に制限されない。最終圧延製品である鋼材の種類によって、圧延の形態は、例えば、板材のためのロール圧延、管材のための各種製管圧延、形材のための形ロール圧延、棒材のための孔型ロール圧延などが例示されるが、本発明において、その趣旨からも、特定のものに制限されるものではない。
【００３４】
圧延工程が終了してから、得られた圧延製品については、圧延製品中の水素濃度を計測するか、あるいは計算で求め、次いで、最終製品になるまでの脱水素率βを決めてから、最終製品水素濃度Hoを下記(1) 式によって、計算する。
【００３５】
Ho＝Ｈ×α×α1 ×β  ・・・  (1) 
ここに、Ｈ、α、α1 についてはすでに説明した通りである。
【００３６】
圧延製品の冷却工程
圧延終了後に圧延製品は室温にまで冷却するが、本発明によれば、上記(1) 式により得られたH0と臨界水素濃度Ｄとを対比し、H0がＤより大きい場合にはスラブおよび／または圧延後の製品の徐冷を行う。
【００３７】
スラブの徐冷についてはすでに述べたところであるが、圧延製品の徐冷は、上述の圧延終了後の冷却の段階で徐冷を行えばよいが、一旦冷却してから再度加熱してその段階で徐冷を行うこともできる。
【００３８】
本発明においてスラブおよび圧延製品における水素濃度は、溶鋼中の水素濃度を基準に計算で求めるが、場合によって実際に計測する場合があるときは通常の分析手段によって行えばよく、特定の手段に制限されないが、好ましくは、昇温分析によるのが、迅速精密分析という観点から推奨される。
【００３９】
ここに、本発明にあっては、各工程で水素濃度を決定することが重要であり、それによってその後に続く工程の処理条件が変更されることから、以下においては水素濃度の決定方法についてさらに補足して説明する。
【００４０】
加熱スラブにおける水素濃度の計算
鋼中の水素濃度の計算には一般に一次元拡散方程式が用いられる。例えば、理工学社編「溶接工学」(1987.２.20 発行) Ｐ33に示されている下記式はその一例である。
【００４１】
∂Ｃ／∂(Ｄt)＝∂2 Ｃ／∂z2
Ｄ：拡散定数、ｔ：時間、ｚ：距離、Ｃ：水素濃度
図１に、スラブを加熱した時の時系列的な水素濃度の変化を示す。
【００４２】
この計算条件としては、製鋼工場から受け入れた常温時のスラブを加熱炉内に挿入し、加熱していく段階での水素量を時系列的にシミュレーションした。
【００４３】
溶鋼水素量：1.40(ppm) スラブ放冷後 (加熱炉装入前) の常温での平均水素濃度：0.40(ppm) スラブの板厚中央部の水素濃度 (スラブ中心部前後７mmの平均値として) ：1.61(ppm) 、拡散速度定数：５×10-5cm2/s)として計算した。計算ピッチは１時間ごとで、加熱温度は1140℃として計算した。
【００４４】
なお、シミュレーション条件は、ここでは上述の式を用いて水素濃度を計算した。
【００４５】
図１に示す結果より常温ではスラブの中心部で水素値が高くなっていたものが、加熱するに従い、中央部の水素値が低くなっていることがわかる。つまり４時間後の加熱後には、スラブ中央部の水素量は0.834(ppm)に低減している。水素はスラブの表裏面から抜けるので、加熱されるにつれて、スラブ中心部の水素は表裏面方向に拡散し、このような結果となる。
【００４６】
この場合のスラブでの脱水素率α1 は0.834/1.40＝0.596(≒0.6)となる。
【００４７】
なお、従来ではα1 は全く考慮しておらず、αを経験的に「１」とし、結果的にα×α1 は「１」としていた。
【００４８】
圧延以降の水素濃度の計算
図２に圧延以降の水素濃度計算結果を示す。
【００４９】
計算条件としては、図１の水素濃度分布をそのまま用い、圧延での最終板厚 (製品厚) が10、20、30、40mmの４種類で計算した。
【００５０】
計算条件は、圧延終了温度を600 ℃とし、常温まで放冷とした。
これより、例えば10mm板厚の場合、鋼板中心部の局所的最大水素濃度は0.313(ppm)であり、脱水素率βは0.313/0.834 ＝0.38となる。
【００５１】
次に、鋼材の製品最終水素濃度Hoの計算例を示すと次の通りである。
【００５２】
鋼材の製品最終水素濃度Ho(ppm) を、下記(1) 式で計算する。
【００５３】
Ho＝Ｈ×α×α1 ×β  ・・・  (1) 
例えば上記のようにして求めた各数値を当てはめると、
Ｈ＝1.4 、α＝１、α1 ＝0.6 、β＝0.38であるから、上記式の値Ho＝0.319 となる。
【００５４】
この場合の成分、製造プロセス、製品厚における割れ臨界水素濃度は0.7ppm  であるので、徐冷は不要との指示になる。
【００５５】
ここに本発明によれば、徐冷指示のタイミングと指示する徐冷の種類が問題となるが、最終製品となってしまってはそのメリットを生かせないので、これは次のように行うのが好ましい。
【００５６】
溶鋼中の水素量は鋳込み段階でないとわからないので、製鋼工場での溶鋼中の水素量測定終了後に、脱水素率の計算を行い、徐冷指示を出すことが望ましい。
【００５７】
徐冷には、すでに述べたようにスラブ段階での徐冷と、製品段階での徐冷がある。どちらの段階の徐冷も、大きく別けるとパイリング徐冷 (重ねる) 、カバー徐冷 (重ねてから保温用カバーをかける) 、保温徐冷 (保温炉内に入れる、もしくは徐冷効果を有する温度まで再加熱して保温する) の３種類に区分することができる。いづれも冷却速度を遅くすることで、徐冷効果を有する温度をなるべく長くするものである。
【００５８】
なお、保温徐冷で再加熱する場合は、スラブ段階では最高で1290℃程度までの加熱を行う場合があるが、製品では機械特性が変化しないように400 ℃以下とすることが通常である。また、製品での再加熱は水素による割れが発生する前に速やかに行う必要があり、圧延終了後48時間 (好ましくは８時間) 以内に再加熱を行う。
【００５９】
さらに細かく分類すると、製品段階でのパイリング徐冷には、オンラインパイリング徐冷 (連続ライン上で重ねる) と、土間パイリング徐冷 (連続ラインから下ろしてから重ねる) がある。
【００６０】
なお、製鋼工場から厚板工場にスラブが搬送されてくるまでに、カバーをかけて運搬するものについてはカバー徐冷と見なすことができる。
【００６１】
次に、本発明の作用効果について実施例に基づいて具体的に説明する。
【実施例１】
【００６２】
さらに、本発明にかかる厚鋼板の製造法を、実験データを参照しながらより詳細に説明する。
【００６３】
本例における化学成分を表１に、圧延および水冷条件を表２に示す。
【００６４】
本例で用いる鋼材は、連続鋳造された300mm 厚のスラブを徐冷せずに室温まで放冷し、厚150mm ×幅120mm ×長100 mmの試験片を切り出し、1140℃×４時間加熱後、表２に示すような板厚に圧延し、その後、放冷または水冷を実施した。
【００６５】
その時に供試したサンプルの溶鋼水素濃度は表２に示す通りである。
【００６６】
また、表２には、製品徐冷も実施せずに製造を行い、従来の条件と本発明の条件での、局所的最大水素濃度にもとづく最終製品での水素濃度Ho (計算値) 、各段階での脱水素率、製品での割れ有無を示す。
【００６７】
製品での割れの発生有無については、水素性欠陥を考慮して圧延後48時間以上経過してから超音波試験により確認した。超音波試験は、JIS G0801 に準じて実施し、板厚60mmまでは５MHz 、60mmを超える場合には２MHz で、探触子の有効ビーム幅の10％をオーバーラップさせた製品全面探傷を実施した。
【００６８】
評価は、軽欠陥が１個も無いものを割れなしとし、１個以上のものを割れ有りとした。
【００６９】
なお、割れなしと判定されたものを、念のため、感度を12db上げて評価したが、軽欠陥は発見されなかった。
【００７０】
これらの結果より、次のような点が判明した。
【００７１】
条件１〜３は、従来 (比較例) から徐冷は必要ない条件であり、本発明でも徐冷は不要となり、徐冷しなくても実際に割れが生じなかった。
【００７２】
条件４および７〜９は、従来では徐冷を必要とするが、本発明では徐冷が不要となるものであり、徐冷を実際に行わなくても割れは発生しなかった。
【００７３】
条件５は、従来では徐冷は必要としないが、本発明では徐冷が必要となるものであり、徐冷を実際に行わなかった結果、割れが確認された。
【００７４】
条件６および10は、従来でも、本発明でも徐冷が必要となるものであり、徐冷を実際に行わなかった結果、割れが確認された。
【実施例２】
【００７５】
表３は、徐冷を行わないで製造した場合に割れが発生した (表２の条件６) スラブを用い、同一の圧延仕上げ温度と水冷条件で、製品徐冷を８Hr実施して製造を行ったものである。その結果、従来 (比較例) では製品徐冷を20Hr実施してようやく計算水素濃度≦割れ臨界水素濃度となる計算だが、本発明では８Hrの徐冷でも十分であり、実際の製品でも８Hrの製品徐冷により、割れは発生しなかった。
【００７６】
ここに、実施例１、２の結果からは、従来は条件４、６〜10についてはスラブおよび／または製品での徐冷を行っていたが、本当に徐冷が必要なものは条件５、６、10であり、条件４、７〜９は不必要な徐冷を行っていたり、条件11のように過剰な徐冷を行っていたことが判る。また条件５については、必要な徐冷が行われず水素性欠陥、つまり割れが発生していた。
【００７７】
したがって、本発明は、スラブから圧延製品を製造する際におけるスラブおよび／または圧延製品における徐冷要否の判断方法ということもできるのである。
【００７８】
【表１】
2005023413.tif 000003
【００７９】
【表２】
2005023413.tif 000004
【００８０】
【表３】
2005023413.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】スラブ加熱時における板厚方向水素濃度分布の計算例のグラフである。
【図２】ＣＲ材の放冷後における板厚方向水素濃度分布の計算例のグラフである。
【図１】
2005023413.tif 000006
【図２】
2005023413.tif 000007