(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間圧延完了後の鋼材の熱処理方法において、誘導加熱、レーザ加熱、およびプラズマ加熱のうち１種以上の加熱方法により、鋼材の表層部を２℃／ｓ以上、且つ板厚中央部より０．５℃／ｓ以上高い加熱速度で急速加熱することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
【請求項２】
熱間圧延機の後面のライン上に設置された鋼材の熱処理装置において、ソレノイド型誘導加熱手段、レーザ加熱手段、およびプラズマ加熱手段の内１種以上の加熱手段を備え、且つこの加熱手段は鋼材表層部を２℃／ｓ以上、且つ板厚中央部より０．５℃／ｓ以上高い加熱速度で急速加熱する能力を有することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱間圧延完了後の鋼材の熱処理方法および熱処理装置に関し、特に圧延ライン上に熱処理装置を配置したインライン熱処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材は、一般に熱処理を行うことにより、目的とする材質を確保することが多い。熱処理としては、高温から急冷する焼入れと、焼入後の鋼材を種々の温度に加熱する焼戻しからなる調質処理が一般的である。また、焼入れ時の急冷等により、鋼材は製造過程で材質の不均一を生じるため、熱処理によって均一化を図る必要がある。これまでは、燃焼をエネルギー源とした炉による熱処理が一般的であり、温度パターンを工夫して能率を上げることが行われていた。
【０００３】
例えば、特開平9-256053号公報には、炉内で鋼材を連続的に搬送して熱処理する場合において、鋼材の進行方向に向かって炉の設定温度を変化させ、炉の入り側を高温に、出側を低温に設定する技術が提案されている。さらにこの技術では、炉の入り側を目的とする熱処理温度より200℃以上高く設定し、炉の出側に向かって段階的に設定炉温を低下させ、炉の出口前での炉の設定温度を目的とする熱処理温度±20℃以内とするというものである。
【０００４】
また、特開平4-358022号公報記載の技術のように温度上昇速度を大きくとることで能率を上げる方法もあった。また、この技術は、焼戻し中の昇温速度を1℃／秒以上とすることにより、昇温中における転位の回復、組織・析出物の粗大化、固溶炭素原子の析出を防止し、強度、靱性を高めることができるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
熱処理炉による鋼材の熱処理の能率を上げるためには、炉の温度を上昇せしめる必要がある。しかし、特開平9-256053号公報記載の技術のように、熱処理炉による加熱は輻射によるため、加熱速度には上限があった。例えば、1000℃の炉からの輻射熱エネルギーは150000W/m2程度でしかなく、板厚40mmの鋼板に対して2℃/s弱の温度上昇速度しか得られなかった。
【０００６】
特開平4-358022号公報記載の技術では、焼戻し中の昇温速度を１℃／秒以上とすると言うものの、具体的な加熱手段が開示されていない。唯一記載されていることは、同公報の段落００１９に、「焼戻し装置の加熱方式は通電加熱、誘電加熱、赤外線輻射加熱、強制対流加熱、雰囲気加熱などで所要の昇温速度が達成されればそのようなものでもよい」と言うことだけである。しかし、これらの加熱方法を鋼材に適用するには、次のような問題がある。
【０００７】
通電加熱は、鋼材に低電圧大電流を流すため、電極との接触抵抗を極力低くする必要がある。焼入後の鋼材に電極を接触させても、鋼材表面のスケール層のため接触抵抗が高く、急速加熱に必要な大電流が得られない。
【０００８】
誘電加熱は、交番電界内に誘電体を置き、誘電体内部の電気双極子を振動させて発生する熱を利用する加熱方法である。従って、一般に木材、布、紙、プラスチック等の絶縁体の加熱に用いられることが多く、金属等には用いられない。
【０００９】
赤外線輻射加熱は、線状の熱源からの輻射熱を直接および凹面の反射鏡で集光させて、被加熱物に照射して加熱する方式で、通常規模では試験片の加熱等に利用する程度が限度である。
【００１０】
強制対流加熱は、被加熱物に高温ガスを吹き付けて加熱する方式で、高温ガス用のブロワ等、耐熱性の高い機器を装備する必要がある。そのため、耐火物や耐熱金属の使用その他、設備コストが高くなる。
【００１１】
雰囲気加熱は、通常の加熱炉がこれに該当しており、雰囲気ガスを別のガスに換えたところで、加熱能力が飛躍的に増加するとは考えにくく、急速加熱は困難と言える。
【００１２】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、厚鋼板等の鋼材の加熱速度を高め、熱処理能率を上げるとともに、熱処理による残留応力を低減する鋼材の熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。さらに、圧延ライン上で効率的に熱処理を行う熱処理装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題は次の発明により解決される。
【００１４】
その発明は、鋼材の熱処理方法において、誘導加熱、レーザ加熱、およびプラズマ加熱の内１種以上の加熱方法により、鋼材を2℃/s以上の加熱速度で急速加熱することを特徴とする鋼材の熱処理方法である。
【００１５】
この発明は、鋼材を誘導加熱、レーザ加熱、又はプラズマ加熱により、2℃/s以上の加熱速度で急速加熱する。このように加熱速度を2℃/s以上とすることにより、例えば焼戻し処理の場合、数分間で加熱することが可能となる。このため、圧延ピッチと同程度の能率で熱処理できるため、圧延ライン上に熱処理装置を設置して効率的に大量の熱処理を行うことが出来る。たとえば、圧延後、加速冷却装置により焼入れを行った鋼材をライン上で焼戻し熱処理することが可能となる。また、2℃/s以上の加熱速度で急速加熱することにより、後述のように、熱処理後の鋼材を切断した際の曲がりを減少させることができる。
【００１６】
加熱方法には、誘導加熱、レーザ加熱、又はプラズマ加熱のいずれかの方法を用いればよいが、これらを組合わせて用いることもできる。
【００１７】
この発明において、誘導加熱、レーザ加熱、およびプラズマ加熱の内１種以上の方法により、鋼材の表層部を2℃/s以上の加熱速度で急速加熱する鋼材の熱処理方法とすることもできる。
【００１８】
この発明は、鋼材の表層を内部より予め定めた所定の温度以上の温度に加熱する。これは、レーザ加熱、およびプラズマ加熱の場合は、表層から加熱するので容易に実現できる。誘導加熱の場合は、ソレノイド型コイルを用いて、鋼材の板厚に応じて誘導加熱の浸透深さを調整することにより実施することができる。
【００１９】
この熱処理方法により、鋼材表層部に内部と異なる熱履歴を付与すること、あるいは鋼材表層部の到達温度を鋼材内部の到達温度より高く設定することができる。例えば、加速冷却により表層が硬化した鋼材の硬度の均一化や鋼材表層のみの軟化等、鋼材板厚方向の硬度調整を行うことができる。
【００２０】
この発明においては、更に表層部を板厚中央部より0.5℃/s以上高い加熱速度で急速加熱することもできる。
【００２１】
この発明は、熱処理後の鋼材を切断した際の残留応力による曲がりを減少させる方法を検討する中で得られた知見に基づいている。それは、鋼材表層部と板厚中央部の加熱速度の差がある程度大きい場合、上記の鋼材の曲がりが低下するということである。加熱速度の差としては、後述のように0.5℃/s以上とすることにより、急速加熱を行わなかった場合と比べて、曲がりを大幅に縮小することができる。
【００２２】
以上の鋼材の熱処理方法を実現するための熱処理装置の発明は、次のようになる。その発明は、鋼材の熱処理装置において、誘導加熱手段、レーザ加熱手段、およびプラズマ加熱手段の内１種以上の加熱手段を備え、かつこの加熱手段は鋼材を2℃/s以上の加熱速度で急速加熱する能力を有することを特徴とする鋼材の熱処理装置である。
【００２３】
この発明において、誘導加熱手段としては、ソレノイド型のコイルを用いることができる。ソレノイド型誘導加熱では、50Hz以上、望ましくは1000Hz以上の周波数とし、その投入電力がコイル内の加熱される範囲にある鋼材の質量M[kg]に対して、少なくとも750×M[W]以上の出力で加熱することで実現できる。たとえば、25mmt×4000mmW×1000mmLでは588kW以上の出力とすればよい。
【００２４】
レーザー加熱、プラズマ加熱の場合は、加熱設備で熱を加える領域の鋼材の質量M[kg]に対して、加熱の熱エネルギーが750×M[W]以上になるような加熱を行うことで実現される。これは、厚さH（m）に比べ幅W（m）が充分に大きい板状の鋼材であれば、5890000×H[W/m2]の熱流束に相当し、板厚40mmの場合で235600[W/m2]と輻射による加熱よりも大きなエネルギーを与えることに相当する。
【００２５】
また、鋼材の熱処理装置において、ソレノイド型誘導加熱手段、レーザ加熱手段、およびプラズマ加熱手段の内１種以上の加熱手段を備え、かつこの加熱手段は鋼材表層部を2℃/s以上の加熱速度で急速加熱する能力を有することを特徴とする鋼材の熱処理装置とすることもできる。
【００２６】
この発明において、誘導加熱手段を用いる場合は、ソレノイド型のコイルを用いることにより、鋼材表層部の加熱速度を高くすることができる。レーザ加熱手段、およびプラズマ加熱手段を用いる場合は、いずれも鋼材表層部から加熱するので、鋼材表層部の加熱速度が高くなる。鋼材表層部の加熱速度を2℃/s以上とすることは、誘導加熱手段を用いる場合は浸透深さと投入電力の調節により設定可能であり、レーザ加熱手段又はプラズマ加熱手段を用いる場合はそれぞれ必要な投入電力の確保により設定可能である。
【００２７】
浸透深さは、板厚に応じて周波数を調節することにより、所望の値に制御できる。例えば、板厚12mm未満では周波数を1KHzにすることで、表層2mm部分が急速加熱され、板厚12mm以上では周波数を50KHzとすることで、表層4mm部分が急速加熱される。
【００２８】
更にこの発明においては、加熱手段は鋼材表層部を板厚中央部より0.5℃/s以上高い加熱速度で急速加熱する能力を有する鋼材の熱処理装置とすることもできる。
【００２９】
この発明において、鋼材表層部の加熱速度を板厚中央部より0.5℃/s以上高くすることは、誘導加熱手段を用いる場合は鋼材の板厚に応じて浸透深さを調整可能にしておけば実現可能である。レーザ加熱手段又はプラズマ加熱手段を用いる場合は、それぞれ投入電力の確保により、鋼材表層部を板厚中央部より0.5℃/s以上高い加熱速度とすることが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の手段を図１に従って説明する。熱間圧延機１によって熱間圧延を施した鋼材２に対し水冷装置３による焼き入れ処理を施した後、誘導加熱装置４によって焼戻し等の熱処理を行う。このとき、鋼材の温度を測定する温度計５の情報を利用して、誘導加熱装置の出力を調整したり、鋼板の通過速度を調整するなどの制御を施すことができる。なお、誘導加熱装置は、１台ではなく、直列に複数台配置して、所定の温度まで段階的に加熱することが望ましい。
【００３１】
また、誘導加熱装置は図２に示すように、ソレノイド型の装置を使用することができる。
【００３２】
【実施例】
本発明の実施例を小型の実験装置を用いた実験結果によって示す。厚さ40mmの試験片を10mmまで熱間圧延した後、意図的に冷却が不均一になるように冷却水量密度を不均一にした焼き入れを行った。次いで、630℃の加熱炉に入れることによる熱処理、あるいはソレノイド型の誘導加熱装置を用いて630℃まで加熱して保持する熱処理を行った。なお、ここでは、誘導加熱装置内に鋼材を往復動させることで、鋼材の連続熱処理のシミュレーションを行った。
【００３３】
熱処理の効果は、鋼材を切断した後の試験片の曲がり量を、熱処理しなかった場合の曲がり量で除した値、即ち曲がり量比で評価した。熱処理の結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0003820974.tif 000002
【００３５】
表１に示すように、加熱炉による温度上昇速度（加熱速度）は1.1℃/sであった。これに対して、誘導加熱装置による場合は、1.1〜102℃/sであり、これは、鋼材が誘導加熱装置を通過する瞬間に1〜100℃/sの温度上昇速度となるように調整することにより達成された。このように、ソレノイド型誘導加熱装置の場合、電力の調節により従来の加熱炉に比べて加熱速度が各段に大きくなり、熱処理能率が向上する。なお、ソレノイド型誘導加熱では表層部から加熱されるので、表層部と内部は温度差がある状態で温度が上昇する。
【００３６】
表１に示す結果の内、保持時間が20分の場合について、温度上昇速度と曲がり量比の関係をまとめて、図３に示す。温度上昇速度の増加に伴い、曲がり量比が低下しており、特に、温度上昇速度が2℃/s以上になるとこの傾向が顕著である。この温度上昇速度の効果は、誘導加熱装置を通過するような短時間の繰り返しによる加熱であっても有効であった。なお、この実施例では誘導加熱装置を用いたが、レーザ加熱手段やプラズマ加熱手段を用いて表層を強く加熱してもよい。
【００３７】
表層と内部に温度上昇速度差を付けたソレノイド型誘導加熱を行った場合、残留応力が低減するのは表層と内部の温度差によると推測される。この温度差により、表層は膨張するため圧縮応力が働く。この圧縮応力により表層に微弱な降伏作用を生じ、残留応力の低減の効果が得られると考えられる。
【００３８】
この観点から、表層と内部の温度上昇速度の差を熱伝導計算により求めた。その結果を図４に示す。この図より、温度上昇速度差が0.5℃/s以上の領域で、上記の熱処理の効果（曲がりの低減）が得られることがわかった。
【００３９】
このように、従来より大きな温度上昇速度を瞬間的にかつ繰り返して与えることにより、特に鋼材の形状について、従来よりも良好な熱処理結果を得ることができた。また、表層部に大量の熱を与えるソレノイド型誘導加熱などの手段により、表層と内部の温度差を付けることにより、より高い熱処理結果（残留応力の低減）を得ることができた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明により、鋼材を急速加熱することで、熱処理能率が大幅に向上し、圧延ライン上でのインライン熱処理が可能となる。また、鋼材表面を急速加熱することで、鋼板の残留応力を除去し、鋼材切断後の曲がり量を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図。
【図２】誘導加熱装置（ソレノイド型）を示す図。
【図３】温度上昇速度と曲がり量比の関係を示す図。
【図４】表層部と内部の温度上昇速度の差が曲がり量比に及ぼす影響を示す図。
【符号の説明】
１  熱間圧延機
２  鋼材
３  水冷装置
４  誘導加熱装置
５  温度計
６  コイル
７  電源
【図１】
0003820974.tif 000003
【図２】
0003820974.tif 000004
【図３】
0003820974.tif 000005
【図４】
0003820974.tif 000006