(57)【要約】【課題】  粗加工工程に板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、熱間スラブの板厚プレス加工を行う際に、鋼板の長手方向に歪量分布が生じたとしても、鋼板の結晶粒を極力均一にして、均一で超微細な組織を有する鋼板を製造することのできる方法を提供する。【解決手段】    熱間スラブを板厚方向にプレス加工する板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、前記板厚プレス装置により熱間スラブを板厚プレス加工する際の圧下率と圧下後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきとの関係を予め求めておき、該ばらつきを所定の範囲に抑えるように板厚プレス装置による圧下率を設定して熱間スラブを板厚プレス加工することを特徴とする鋼板の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間スラブを板厚方向にプレス加工する板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、前記板厚プレス装置により熱間スラブを板厚プレス加工する際の圧下率と圧下後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきとの関係を予め求めておき、該ばらつきを所定の範囲に抑えるように板厚プレス装置による圧下率を設定して熱間スラブを板厚プレス加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【請求項２】
熱間スラブを板厚方向にプレス加工する板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、前記板厚プレス装置により熱間スラブを板厚プレス加工する際の圧下率を６５〜８０％に設定して熱間スラブを板厚プレス加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間スラブの板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱間圧延設備による鋼板の製造においては、通常、連続鋳造によって鋳造されたスラブを、粗圧延工程（粗加工工程）において粗圧延して粗バーとし、さらに仕上圧延工程において所定の板厚まで仕上圧延して鋼板とする。その際、スラブ厚さから所定の粗バー厚さまでの圧延には、粗圧延機による圧延を複数パス要するのが一般的である。したがって、その間の空冷や圧延ロールへの抜熱などにより材料温度が低下するため、従来の粗圧延では、熱間スラブが圧延開始前に保持していた熱量の消失量が大きく、仕上圧延機入側での粗バー温度を高温に保つことが難しい場合があった。
【０００３】
そこで、粗圧延工程において、従来の粗圧延機よりも短時間あるいは少ない加工回数で粗バーまで減厚することができる大圧下手段の検討が行われてきた。その一例として、粗加工工程の減厚手段の少なくとも一部として鍛造加工手段（板厚プレス装置）を有する設備、およびこの装置を用いて圧下率３０％以上の鍛造加工（板厚プレス）を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この板厚プレス装置によれば、従来の粗圧延機による圧延よりも大圧下が可能となり、また、スラブ内の空隙などの内部欠陥に対しても、ロールによる圧延よりもプレスによる圧下の方が板厚中央部まで圧下歪が浸透しやすく内部欠陥の圧着に有利であることも示されている。
【０００４】
また、上述した板厚プレス装置を長手方向に複数台設置した例として、被成形材料の搬送ライン上流側金型（板厚プレス装置）により第１の板厚減縮を行った後、下流側金型を上流側金型と逆の位相となるように互いに同調させて第２の板厚減縮を行う方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平１１−７７１０３号公報
【特許文献２】特開平１１−１１４６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、自動車の軽量化、建築物の高層化等のニーズに対応し、鋼材の高強度化が求められている。一般的に鋼材の強度を上げると靭性が低下するが、結晶粒微細化による強化の場合、靭性を低下させずに強度を向上させることが可能であり、種々の結晶微細化技術が提案されている。そして、その内の一つとして、大圧下加工を行うことにより結晶粒が微細化することが知られている。一般に材料の強度とフェライト（α）粒径との関係は、実用的な構造用鋼において、Hall-Petchの式（ＴＳ＝ａ＋ｂ（１／√ｄ）、ＴＳ：引張強度、ｄ：粒径、ａ、ｂ：定数）によって図２に示すような関係にある。これによれば一般の加工熱処理技術で現在までに得られている５μｍ程度の粒径では、高強度化されるもののそれほど大きな強度上昇量は得られず、５μｍ以下のフェライト粒径で強度上昇の程度が増し、フェライトの結晶粒径が３μｍ以下まで微細化されると強度は急激に大きくなることが判る。
【０００６】
平均粒径３μｍ以下の超微細粒組織を得るためには、１パスで５０％以上の圧下が必要であるといわれている。このような圧下率を実現することは、通常の粗圧延で行われている圧延ロールによる圧下による方法では、圧延ロールへの噛み込み限界などの理由により不可能であった。ところが、鍛造加工である前述した特許文献１に示すような板厚プレスによる圧下であれば、圧下率５０％以上も実現可能である。
【０００７】
そこで、本発明者等は、１台の板厚プレス装置を用いて熱間スラブに圧下率５０％の大圧下を加えることにより、結晶粒を微細化する方法を試みた。その結果、得られた鋼板には、長手方向に結晶粒径が微細化した部分と微細化しない部分とが現れた。この原因は、板厚プレス装置により熱間スラブを圧下すると、熱間スラブの長手方向に歪分布の不均一が生じるためと推察された。ここで、歪とは３軸方向の垂直歪、せん断歪から計算されるいわゆる相当歪のことを指しており、プレスによる板厚圧下では、金型と材料表面間の摩擦に起因するせん断変形が複雑に生ずるため、不均一な歪量分布となることが不可避である。すなわち、従来の粗圧延機のような圧延ロールによる連続的な圧下とは異なり、板厚プレス加工は所定の面積を持つ金型による断続的な圧下であるため、熱間スラブの送りピッチで歪が長手方向に変動し、この長手方向の歪量分布が結晶粒の微細化に影響しているものと考えられる。
【０００８】
そこで、結晶粒を均一に微細化すべく、長手方向の歪量分布を低減するためには、特許文献２に示すように板厚プレス装置を複数台設置し、各プレス装置に圧下量を配分すれば、歪量分布が分散されることが期待できる。
【０００９】
しかしながら、板厚プレス装置を長手方向に複数台設置することは、１パス当たりの圧化量が小さくなり、またパス間で歪が開放されて結晶粒の微細化効果が低減するという問題があった。さらに、特許文献２では必ず２台の板厚プレス装置が必要であって設備費が増加するという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解決し、粗加工工程に板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、熱間スラブの板厚プレス加工を行う際に、鋼板の長手方向に歪量分布が生じたとしても、鋼板の結晶粒を極力均一にして、均一で超微細な組織を有する鋼板を製造することのできる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、熱間スラブを板厚プレス加工した際、鋼板の結晶粒の大きさとばらつきの程度と長手方向の歪量分布との関係に着目して、シミュレーション計算を行った。計算条件は、厚さ２５０ｍｍ、幅１２００ｍｍのスラブを１台の板厚プレス装置により１２５ｍｍまで圧下（圧下率５０％）した場合と、５０ｍｍまで圧下（圧下率８０％）した場合である。圧下率５０％のときも圧下率８０％のときも板厚プレス装置の送り量は同じで３００ｍｍである。圧下率５０％のときおよび圧下率８０％のときの長手方向の歪量分布は極めて不均一となり、その分布（ばらつき）は最大でそれぞれ、０．５および１．３であることが判った。なお、板厚プレス加工では、板幅方向中心部の板厚中心部長手方向だけでなく板厚方向にも同様の歪量分布が生じている。
【００１２】
次に板厚プレス試験を行って、圧下率５０％および圧下率８０％で圧下した後の鋼板を切り出し、その組織を調査した。表１はその調査結果の一例であり、圧下率５０％のときの鋼板のオーステナイト（γ）粒径は２８〜７５μｍで、オーステナイト（γ）粒径のばらつきの上限値と下限値との差である粒径差は４７μｍであるし、圧下率８０％のときの鋼板のオーステナイト（γ）粒径は２３〜３１μｍで粒径差は８μｍであることが判った。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
図４は、板厚プレス装置による歪量と圧下後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきとの関係を示す一例で、表１に示したオーステナイト（γ）粒径差と、シミュレーション計算による鋼板の歪量分布とから求めたものである。図４によれば、圧下率を上げることによって、歪量分布が増加するにも拘わらず結晶粒の大きさのばらつき、すなわちオーステナイト（γ）粒径差が小さくなることが判った。さらに、板厚方向の歪量分布に対しても圧下率を上げることによって、歪量分布が増加するにも拘わらずオーステナイト（γ）粒径差が小さくなることが判った。
【００１５】
本発明の鋼板の製造方法は、このようなシミュレーション計算や実際の板厚プレス試験などにより得られた知見に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する。
【００１６】
（１）熱間スラブを板厚方向にプレス加工する板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、前記板厚プレス装置により熱間スラブを板厚プレス加工する際の圧下率と圧下後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきとの関係を予め求めておき、該ばらつきを所定の範囲に抑えるように板厚プレス装置による圧下率を設定して熱間スラブを板厚プレス加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【００１７】
（２）熱間スラブを板厚方向にプレス加工する板厚プレス装置を備えた熱間圧延設備による鋼板の製造方法において、前記板厚プレス装置により熱間スラブを板厚プレス加工する際の圧下率を６５〜８０％に設定して熱間スラブを板厚プレス加工することを特徴とする鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、鋼板を製造するに際し、熱間スラブの板厚プレス加工を最適な圧下率で行うことにより、鋼板の長手方向および板厚方向に歪量分布が生じたとしても、鋼板の結晶粒の大きさのばらつきを小さくして、長手方向および板厚方向に均一で超微細な組織を有する鋼板を製造することが可能となる。本発明は、特に結晶粒径が３μｍ以下の超微細組織を有する高張力鋼板の製造に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の実施に供する熱間圧延設備の一例を示す全体構成図である。この熱間圧延設備は、熱間スラブ４を粗バーへ加工する粗加工工程の粗加工設備１と、粗バーを所定の鋼板板厚へ圧延する仕上圧延工程の仕上圧延機列２と、鋼板を冷却する冷却装置３およびこれを巻取るコイラー６とを備えている。また、本発明では、粗加工設備１として、少なくとも１台の板厚プレス装置５を備えているが、図１に示す実施形態では、粗加工設備１として、１基の粗圧延機７と１台の板厚プレス装置５を設けている。
【００２０】
図１の熱間圧延設備では、粗加工設備１の入側へ搬送されてきた熱間スラブ４を、粗加工設備１の粗圧延機７による圧延および板厚プレス装置５による板厚プレス加工（減厚加工）を施して所定の板厚の粗バーとする。そして、引き続き仕上圧延工程の仕上圧延機列２により所定の板厚まで仕上圧延し、冷却装置３で冷却して鋼板とし、これをコイラー６へ巻取る。
【００２１】
本発明では、粗加工工程へ搬送されてきた熱間スラブ４に対し、少なくとも１台の板厚プレス装置５により板厚方向の圧下を行う。
【００２２】
その際、板厚プレス装置による圧下率と圧下後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきとの関係を予め求めておき、このばらつきを所定の範囲に抑えるように板厚プレス装置による圧下率を設定して熱間スラブを板厚プレス加工する。
【００２３】
図３は、板厚プレス試験を行って、圧下率５０％、６０％、６５％、７０％、８０％で圧下した後の鋼板を切り出し、その組織を調査して、圧下率に対する鋼板のオーステナイト（γ）粒径の大きさのばらつきの範囲を求めた結果の一例である。
【００２４】
また、図５は、板厚プレス装置による圧下率５０％、６０％、６５％、７０％、８０％で圧下した後の鋼板を仕上圧延した後の鋼板のフェライト（α）粒径の大きさのばらつきの範囲を求めた結果の一例である。
【００２５】
また、図６は、板厚プレス装置による圧下率と仕上圧延後の鋼板の組織の結晶粒の大きさのばらつきの関係を示す一例で、図５によりフェライト（α）粒径差を求め、そのフェライト（α）粒径差と板厚プレス装置による圧下率との関係を示したものである。
【００２６】
次に、図７は、図５の各圧下率に対するフェライト（α）粒径のばらつきを基にして、図２のフェライト（α）粒径と材料強度の関係より、圧下率と材料強度のばらつきとの関係の一例を求めたものである。ここで、材料強度はばらつきの下限に律速され、材料強度をその下限で比較すると、圧下率が小さいと材料強度が著しく低下することが判る。
【００２７】
このようにフェライト粒径（α）のばらつきが大きいとそれに応じて材料特性も異なるため、均質な材料特性を得るためにはフェライト（α）粒径のばらつきを低減する必要がある。フェライト（α）粒径のばらつきの許容量を２μｍとすると、図６より圧下率は６５％以上に設定して熱間スラブを板厚プレス加工するとよい。さらに、好ましくはフェライト（α）粒径のばらつきの許容量を１μｍとすると、図６より圧下率は７０％以上に設定して熱間スラブを板厚プレス加工するとよい。
【００２８】
つまり、圧下率を６５％以上に設定して熱間スラブを板厚プレス加工すれば、フェライト（α）粒径のばらつきが２μｍ以下の組織が均一の鋼板を製造できるし、さらに、圧下率を７０％以上に設定して熱間スラブを板厚プレス加工すれば、フェライト（α）粒径のばらつきが１μｍ以下の組織がより均一の鋼板を製造できる。
【００２９】
図８は板厚プレス装置による圧下率と圧延動力との関係の一例を示したものである。これより圧下率が大きくなると圧延動力も増加することが判る。
【００３０】
図６および図７より圧下率を８０％を超えて設定しても、結晶粒均一化の効果に与える影響が小さいことに加え、図８より圧下率が大きくなると駆動系を含め、大圧延荷重、大トルクに耐えうる板厚プレスが必要となり一般的な使用の圧延設備での実施は困難である。
【００３１】
よって、板厚プレス装置による圧下率を６５〜８０％に設定して熱間スラブを板厚プレス加工することが好ましいし、さらに板厚プレス装置による圧下率を７０〜８０％に設定して熱間スラブを板厚プレス加工することがより好ましい。
【００３２】
本発明では、このようにして設定した板厚プレス装置による圧下率で熱間スラブを板厚プレス加工して鋼板を製造する。
【００３３】
なお、粗圧延の板厚プレス加工後は、速やかに仕上圧延を行って板厚プレス加工後の粒成長を抑制する、または板厚プレス加工の後、例えば直ちに１５℃／秒を超える冷却速度にてＡｅ3変態点直上まで冷却し、その温度を保持した後に仕上圧延を行って板厚プレス加工後の粒成長を抑制する、または板厚プレス加工の後、例えば直ちに１５℃／秒を超える冷却速度にてＡｒ1変態点以下の温度に冷却し、冷却した粗バーをＡｃ3変態点以上に加熱してオーステナイトへ逆変態させ板厚プレス加工後の粒成長を抑制した後に仕上圧延を行うことが望ましい。
【００３４】
本発明を適用することにより、長手方向および板厚方向均一に直径３μｍ以下の超微細組織を得ることができる。このような超微細組織を有する高張力鋼板を製造する場合に、本発明は特に効果的である。
【００３５】
なお、本発明の適用は上記の超微細組織を有する高張力鋼板の製造に限定されるものではなく、熱間スラブの板厚プレス加工を最適な圧下率で行うことにより、他の品種の鋼板の製造においても、鋼板長手方向の材質を均一にする効果が得られる。
【００３６】
なお、粗加工設備は、板厚プレス装置１台でも複数台でもよいし、１または複数基の粗圧延機と組み合わせてもよいが、板厚プレス装置を複数台設置する場合、全ての板厚プレス装置による圧下率が前述した本発明の圧下率範囲とすることが好ましい。例えば、１台でも圧下率を６５％未満とすると、結晶粒にばらつきを生じるからである。また、板厚プレス装置と粗圧延機とを組み合わせて設置する場合、粗加工設備の最も下流側に板厚プレス装置を設置することが望ましい。この理由は大圧下である板厚プレス加工後に粗圧延を行うと、組織の微細化効果を低減するからである。
【００３７】
さらに、本発明の対象とする鋼板とは熱延鋼板のみならず、厚板に対しても適用可能である。
【実施例１】
【００３８】
図１に示す熱間圧延設備を用いて熱延鋼板の製造を行った。ただし、粗加工設備１としては、上流側から、複数基の粗圧延機７（図１では１基のみ図示）、板厚プレス装置５をこの順に備えた。
【００３９】
発明例１として初期板厚が２５０ｍｍの極低炭素鋼スラブを加熱炉にて約１２００℃に加熱後、粗圧延機を５パス通して９０ｍｍまで減厚した。そして、板厚プレス装置５により３１ｍｍ（圧下率６５％）まで減厚して粗バ−とした。その後、７スタンドからなる仕上圧延機列２により板厚２．０ｍｍまで減厚し、引き続き冷却装置３により冷却し、コイラー６へ巻取って熱延鋼板とした。
【００４０】
また、発明例２として板厚プレス装置５により２７ｍｍ（圧下率７０％）まで減厚して粗バ−とした。他は発明例１と同じ条件である。
【００４１】
さらに、比較例として粗圧延機を６パス通して６０ｍｍまで減厚し、板厚プレス装置５により３０ｍｍ（圧下率５０％）まで減厚して粗バ−とした。他は発明例１と同じ条件である。
【００４２】
そして、得られた冷却後の熱延鋼板から長手方向にサンプルを切出し、組織を調査した。その結果、圧下率６５％の発明例１においては鋼板長手方向および板厚方向ほぼ均一に直径約３〜４．５μｍ程度のミクロ組織となっており、本発明の効果が確認できた。さらに、圧下率７０％の発明例２においては鋼板長手方向および板厚方向ほぼ均一に直径約２．５〜３．５μｍ程度のミクロ組織となっており、本発明の効果が確認できた。しかし、圧下率５０％の比較例においては鋼板長手方向および板厚方向で直径約４μｍから２０μｍ程度の不均一なミクロ組織となっており、目的とするミクロ組織を得ることができなかった。
【実施例２】
【００４３】
図１に示す熱間圧延設備を用いて熱延鋼板の製造を行った。ただし、粗加工設備１としては、板厚プレス装置を２台（１台は図示せず）備えた。
【００４４】
発明例３として初期板厚が２５０ｍｍの極低炭素鋼スラブを加熱炉にて約１２００℃に加熱後、板厚プレス装置により７５ｍｍ（圧下率７０％）まで減厚した。そして、板厚プレス装置５により２３ｍｍ（圧下率７０％）まで減厚して粗バ−とした。その後、７スタンドからなる仕上圧延機列２により板厚２．０ｍｍまで減厚し、引き続き冷却装置３により冷却し、コイラー６へ巻取って熱延鋼板とした。
【００４５】
そして、得られた冷却後の熱延鋼板から長手方向にサンプルを切出し、組織を調査した。その結果、鋼板長手方向および板厚方向ほぼ均一に直径約２〜３μｍ程度のミクロ組織となっており、本発明の効果が確認できた。
【実施例３】
【００４６】
図１に示す熱間圧延設備を用いて熱延鋼板の製造を行った。ただし、粗加工設備１としては、板厚プレス装置１台を備えた。
【００４７】
発明例４として９０ｍｍ板厚の極低炭素鋼薄スラブを、板厚プレス装置５により２７ｍｍ（圧下率７０％）まで減厚して粗バ−とした。その後、７スタンドからなる仕上圧延機列２により板厚２．０ｍｍまで減厚し、引き続き冷却装置３により冷却し、コイラー６へ巻取って熱延鋼板とした。
【００４８】
そして、得られた冷却後の熱延鋼板から長手方向にサンプルを切出し、組織を調査した。その結果、鋼板長手方向および板厚方向ほぼ均一に直径約２．５〜３．５μｍ程度のミクロ組織となっており、本発明の効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施に供する熱間圧延設備の一例を示す全体構成図
【図２】材料の強度とフェライト（α）粒径との関係を示すグラフ
【図３】圧下率が５０〜８０％のときの圧下率とオーステナイト（γ）粒径との関係の一例を示すグラフ
【図４】歪量分布とオーステナイト（γ）粒径差との関係の一例を示すグラフ
【図５】圧下率が５０〜８０％のときの圧下率とフェライト（α）粒径との関係の一例を示すグラフ
【図６】圧下率とフェライト（α）粒径差との関係の一例を示すグラフ
【図７】圧下率と材料強度のばらつきとの関係の一例を示すグラフ
【図８】板厚プレス装置による圧下率と圧延動力との関係の一例を示すグラフ
【符号の説明】
【００５０】
１    粗加工設備
２    仕上圧延機列
３    冷却装置
４    熱間スラブ
５    板厚プレス装置
６    コイラー
７    粗圧延機
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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