(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間で圧延され、板内に表面温度偏差を有した高温の厚鋼板を水冷する方法において、前記厚鋼板を、最低温度部位の表面温度が６３０〜５３０℃になるまで５℃／ｓｅｃ以上１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却した後、２５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することを特徴とする厚鋼板の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延された高温厚鋼板のオンライン冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延後の高温の鋼板をオンラインで連続的に冷却し、高強度、高靭性の厚鋼板を製造するプロセスが広く用いられている。この製造プロセスでは、連続的な冷却により鋼材の組織制御を行なうため、合金元素の低減や熱処理工程の省略が可能であり、製造コストの低減効果が大きい。また合金元素の低減は溶接性を向上させ、予熱の低減や大入熱溶接の適用などを可能とし、溶接作業効率が大幅に改善されている。
【０００３】
しかし、熱間圧延後の高温の鋼板をオンラインで冷却する際、特に板厚が大きく高強度の特性が要求される場合、冷却開始から終了まで一定の冷却水量を注水する方法では、板厚方向の表層部の冷却速度が大きく、中心部の冷却速度が小さくなり、両者間で速度差が生じるため板厚方向に強度分布、すなわち材質差が発生する課題があった。
【０００４】
このような課題を解決するために、特開昭６３−２０４１０号公報のように、０．０５〜０．５０ｍ3 ／ｍ2 ｍｉｎの低水量密度で冷却を開始し、その後０．３０〜１．５０ｍ3 ／ｍ2 ｍｉｎの水量密度になるまで徐々に注水量を増加させながら冷却を行い、板厚方向の強度差の小さい厚鋼板を製造する方法が提案されている。
【０００５】
しかしながら水冷時の鋼板は、図１に示すように熱伝達係数が表面温度６００℃付近から２００℃付近にかけて急激にばらつきながら増加する冷却特性を有しているため、冷却が進行し上記の温度域で冷却するにつれ板内での熱流束の偏差が増大し、板内温度偏差が拡大する傾向の特性を有する。
このため、前記公報の様に、冷却の進行と共に徐々に水量密度を増加させる方法では、上記６００℃付近〜２００℃の温度範囲での冷却時間が長くなるため、鋼板全表面に亘って冷却速度を制御し、抜熱量を増加させながら安定して冷却することは非常に困難である。加えて、一般的に冷却開始の時点で表面温度は板内でばらついているため、冷却開始以降、板内で冷却速度及び冷却温度履歴の偏差が更に増大し、その結果、熱応力による形状変化が生じ矯正作業が必要となる場合が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、板厚方向の材質を均一にし、かつ、冷却終了後の板内温度偏差が冷却開始時の板内温度偏差より増大しないような安定した冷却を行い、良好な形状を確保するための厚鋼板の冷却方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その手段は、熱間で圧延され、板内に表面温度偏差を有した高温の厚鋼板を水冷する方法において、前記厚鋼板を、最低温度部位の表面温度が６３０〜５３０℃になるまで５℃／ｓｅｃ以上１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却した後、２５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却する方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
高張力鋼板を製造するに当たり、高温の厚鋼板をオンラインで水冷する場合、一般的に表面温度は８００℃前後から４００℃〜常温の範囲迄冷却するものである。図１は冷却温度域の鋼板表面温度と熱伝達係数の関係を示した図であるが、熱伝達係数の増減方向に応じて約２００℃の表面温度を境に二つの温度領域に分割できる。
【０００９】
表面温度８００℃付近から２００℃付近の領域は、表面温度が低温であるほど熱伝達係数が増加する領域で、一般的に遷移沸騰域と呼ばれている。この遷移沸騰域では表面温度が低温であるほど冷却能が高くなるため、板内に温度偏差を有している場合、冷却が進行するにつれ、温度偏差は拡大する。一方、表面温度が２００℃付近から常温の低温領域は、表面温度が低温であるほど熱伝達係数が減少する領域で、一般的に核沸騰域と呼ばれている。この核沸騰域では遷移沸騰域の現象とは逆で、温度偏差は収束する。
【００１０】
このような冷却特性を考慮すると、冷却むらの少ない安定した冷却を行なうためには、可能な限り遷移沸騰域、その中でも特に熱伝達係数が急激に増大しばらつきが大きくなる６００〜２００℃付近の温度域を短時間で通過、つまり大きな冷却速度で鋼板表面温度を急降下させ、２００℃以下の核沸騰域で冷却を行なうことが望ましいことがわかる。
【００１１】
しかしながら、前記の様に、冷却開始から終了までの全てにおいて冷却装置からの給水量を一律に増加させ冷却する場合、板厚方向表層部のみ急速に冷却され板厚方向に急峻な温度分布が形成され、遷移沸騰域を短時間で通過して冷却むらが少なく比較的良好な形状が確保できるものの、表層部における冷却開始から変態完了までの冷却速度が過大であるため、中心部に比較して表層部が急速に焼入され強度が増大すると共に靱性が劣化し、その結果、板厚方向の材質偏差が増大する。
【００１２】
したがって、板厚方向の材質偏差を低減するには表層部の強度増大を防止することが必要であり、そのためには表層部の変態完了までの冷却速度を小さくする必要がある。
【００１３】
そこで本発明者らは、冷却開始段階を緩冷却し、その後、続いて急冷却する方法を発案し、種々の実験、シミュレーションを実施した結果、この方法によって所望の特性、すなわち板厚方向の材質均一化と冷却むら低減による鋼板平坦度確保の両立が可能であることを確認した。本発明において冷却速度、及び冷却速度を変更する鋼板表面温度を限定した理由を以下に説明する。
【００１４】
冷却開始時における冷却速度を１５℃／ｓｅｃ以下とした理由は、１５℃／ｓｅｃより大きい冷却速度では鋼板表層部の強度が大きくなり、冷却後半で冷却速度を大きくしても中心部の強度を表層部と同程度まで上昇させることが困難で、結果的に板厚方向に材質偏差が発生するためである。また、５℃／ｓｅｃ以上とした理由は、５℃／ｓｅｃより小さい冷却速度では冷却時間が長くなり、生産性が悪化すると共に高張力厚鋼板としての強度要求値４９０Ｎ／ｍｍ2 が得られないためである。
【００１５】
次に冷却後半において２５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却するとした理由を説明する。
一般的に冷却前の鋼板の表面温度は板内でばらついている。これは、スラブの加熱段階で生じた温度偏差、熱間圧延中のデスケーリングによる温度偏差、鋼板四周部の温度低下などによるものである。図２は、このような板内温度偏差を有した鋼板を冷却する際に、途中で冷却速度を一気に増加させた場合の板内の高温部分と低温部分の熱流束、つまり単位時間、単位面積あたりの抜熱量の推移を表したものである。ここで熱流束は（１）式で表される。
ｑ＝α×（Ｔａ−Ｔｗ）          ・・・・・（１）
ただし、ｑ：熱流束〔Ｗ／ｍ2 〕、α：熱伝達係数〔Ｗ／（ｍ2 Ｋ）〕、Ｔａ：鋼板表面温度、Ｔｗ：水の飽和温度である。
また、図１に示したように鋼板表面温度に応じて熱伝達係数の値は異なるため、板内の高温部分と低温部分では熱流束が異なる。その結果、冷却前半の遷移沸騰域では高温部分よりも低温部分の熱流束が大きく、板内温度偏差は拡大に向かっている。
【００１６】
冷却途中の冷却速度を増加させたタイミングで急激に熱流束が増加し、その後、熱流束はピークを迎え、高温部分と低温部分の熱流束が逆転する。これは表面温度がおおよそ２００℃以下まで冷却され核沸騰域に突入したことを示しており、低温部分よりも高温部分の熱流束が大きく、板内温度偏差は収束に向かっている。
【００１７】
図３に示すように、高温部分の熱流束と低温部分の熱流束で囲まれた面積は両者間の抜熱量差を表している。それぞれの面積をΔＪ1 、ΔＪ2 、ΔＪ3 とすると、ΔＪ1 及びΔＪ2 は温度偏差を拡大させる方向の抜熱量差、ΔＪ3 は温度偏差を収束させる方向の抜熱量差であるから、冷却終了後の板内温度偏差を冷却開始時の板内温度偏差より悪化させないためには、
ΔＪ1 ＋ΔＪ2 ≦ΔＪ3           ・・・・・（２）
の条件が必要となる。種々の条件でシミュレーションした結果、この（２）式を満足するためには、本発明のように冷却途中で急速に冷却速度を向上して、表面温度を急降下させることにより短時間で熱流束をピークに到達させ、ΔＪ3 の面積を大きく確保する必要があり、冷却後半で少なくとも２５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却する必要があることが判明した。なお、上限は好ましくは７０℃／ｓｅｃである。
【００１８】
前記従来法のように、冷却完了まで冷却速度を一定のまま、あるいは徐々に増加させる方法では、冷却中に板厚方向に急峻な温度分布を形成できず、なだらかな温度分布で鋼板全体が冷却されるため、表面温度が核沸騰域に到達する前あるいは到達した付近で中心部は既に要求される強度を十分確保可能なまで冷却されており、それ以上冷却させて表面温度を低下させると強度オーバーになるだけでなく靱性が劣化する。
したがって、核沸騰域で十分な冷却が行えず、図４に示すように温度偏差を収束させる方向の抜熱量差ΔＪ3 が存在しない、あるいは小さい結果となり、冷却完了後の板内温度偏差は冷却開始の状態から拡大したままで、良好な形状を確保するのは困難である。
【００１９】
冷却速度を変更するタイミングを板内最低表面温度が６３０℃から５３０℃の温度範囲とした理由を以下に説明する。
【００２０】
冷却後の板内温度偏差を小さく抑えるためには、温度偏差を拡大させる方向の抜熱量差ΔＪ1 ＋ΔＪ2 が最小になるようなタイミングで冷却速度を変更することが最も効果的である。例えば、変更タイミングが遅く、表面温度が低温になった場合、図５に示すようにΔＪ1 の面積が増大する。これは、冷却初期の表面温度が高温の時は表面温度に対する熱伝達係数の変化が小さく、高温部分と低温部分の熱流束差が小さいものの、比較的小さい冷却速度で冷却するため冷却前半の経過時間が長くなるためである。逆に変更タイミングが早く、表面温度が高温であった場合、図６に示すようにΔＪ2 の面積が増大する。これは、冷却速度を大きくした場合、表面温度に対する熱伝達係数の変化が大きくなるためである。いずれの場合も、ΔＪ1 ＋ΔＪ2 を小さくするためには相応しくない。
【００２１】
これらのことを考慮し、種々の条件でシミュレーションを行なった結果、ΔＪ1 ＋ΔＪ2 は図７に示すように表面温度に対して変化し、板厚、冷却開始温度、冷却開始時の冷却速度などの条件に大きく左右されず、５８０℃付近で最小となることが判明した。
【００２２】
このシミュレーション結果に基づいて実験を行い、効果の確認をしたところ、６３０℃から５３０℃の温度範囲であれば冷却後の板内温度偏差に関して有意差は見られず、良好な形状が得られた。このような結果になったのは、シミュレーションで利用した熱伝達係数は平均値としての熱伝達係数であり、実際にはスケール厚や粗度など表面性状の影響で熱伝達係数が変化し、ΔＪ1 ＋ΔＪ2 を最小にする表面温度が高温側及び低温側にばらつくためと推定される。また、上記の温度範囲内で変化する２００ｋＪ／ｍ2 程度の抜熱量差が及ぼす影響は、板内温度偏差としては５℃にも満たない程度であり、形状が大きく変化するほどの影響ではない。
【００２３】
ただし、表面温度が上記温度範囲の下限温度５３０℃より低温側になると熱伝達係数が急激にばらつきながら増大し始めるため、図７に示すように温度偏差を拡大させる抜熱量ΔＪ1 ＋ΔＪ2 が急増する。このことから、板内温度偏差を拡大させないように冷却するためには、冷却速度変更温度は板内において、温度の低い部位（低温部）、好ましくは最低温度部位の温度を基準にして決定する必要がある。
また、この板内温度の検知方法としては、圧延完了後の板内温度分布をライン上に設置されたサーモトレーサーにて測定するのがよい。冷却中の温度履歴は、冷却前にサーモトレーサーにより測定した板内温度分布をもとに伝熱計算により推定し、その計算結果をもとに冷却速度の変更タイミングは決定される。
【００２４】
また、冷却速度の変更温度が６３０℃から５３０℃の範囲内であれば、板厚方向に均一な材質分布が得られた。これは、冷却速度変更タイミング付近で鋼板表層部の変態はほぼ終了しているが、鋼板中心部まで抜熱は十分に行なわれていないため中心部の変態は未だ始まっておらず、その後、冷却速度を増加させ強冷却を行なうと鋼板中心部での変態を促進させ、表層部と同様な組織が得られるためである。
【００２５】
【実施例】
本発明の実施例を図８、表１、２を参照して以下に説明する。
【００２６】
図８は本発明の一実施例に係る厚鋼板の冷却方法を適用した設備の全体概念図である。この図に示すように、加熱炉１にて加熱されたスラブ２は、熱間で圧延機３によって圧延され、厚鋼板４となる。ライン上に設置されたサーモトレーサー５で厚鋼板の温度分布を測定し、その後、ホットレベラー６を経て、オンライン冷却装置７で連続的に冷却される。
【００２７】
本実施例で使用した厚鋼板の化学成分を表１に示す。また、表２に冷却条件、機械的性質、断面硬度差、冷却後の坂内温度偏差を示す。冷却条件の中で示した冷速変更表面温度は、板内での最低温度を表しており、冷却速度は冷却装置から注水される水量を変化させることで変更した。また断面硬度差は、板厚方向の最高硬度と最低硬度の差であり、板内温度偏差は板内における最高温度と最低温度の差である。
【００２８】
【表１】
0003777076.tif 000002
【００２９】
【表２】
0003777076.tif 000003
【００３０】
実施例１〜３は本発明で限定された冷却条件を適用した例で、機械的性質、断面硬度差、板内温度偏差、鋼板形状共に良好であり、従来技術では困難であった材質と形状を両立が実現できている。
【００３１】
比較例１は冷却開始時の冷却速度が本発明範囲の下限を外れた例で、機械的性質においてＴＳ≧４９０Ｎ／ｍｍ2 の要求値を満足できなかった。比較例２は冷却開始時の冷却速度が本発明範囲の上限を外れた例で、断面硬度差が増加すると共に板内温度偏差も大きく、鋼板に変形が生じた。比較例３は冷却後半の冷却速度が本発明範囲の下限を外れた場合、比較例４は冷却前半後半共に冷却速度の条件が本発明範囲より外れた例で、両者共に板内温度偏差低減効果が不十分で良好な形状が得られなかった。比較例５は冷却速度を変更する際の鋼板表面温度が本発明範囲の上限を外れた例で、表層部の硬度が増大し、板厚方向に均一な材質が得られなかった。比較例６は比較例５とは逆に冷却速度を変更する際の鋼板表面温度が本発明範囲の下限を外れた例で、板内温度偏差が大きくなり、鋼板に変形が生じた。
【００３２】
また、従来例１は冷却開始から終了まで徐々に冷却速度を大きくした例で、断面硬度差は小さく材質面では良好な結果が得られているものの、板内温度偏差が増大し鋼板に著しい変形が生じた。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明を実施することにより、高温鋼板全表面に亘って冷却むらの少ない安定した冷却を行い、板厚方向の材質差が小さく、かつ形状の良好な厚鋼板を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板表面温度と熱伝達係数の関係を示したグラフである。
【図２】冷却過程の熱流束の変化を表したグラフである。
【図３】高温部分と低温部分の抜熱量差を表したグラフである。
【図４】一定の冷却速度で冷却した場合の熱流束の変化を表したグラフである。
【図５】冷却速度変更温度が低温である場合の熱流束の変化を表したグラフである。
【図６】冷却速度変更温度が高温である場合の熱流束の変化を表したグラフである。
【図７】表面温度と温度偏差拡大方向の抜熱量差の関係を表したグラフである。
【図８】本発明の一実施例に係る厚鋼板の冷却方法を適用した設備の全体概念図である。
【符号の説明】
１：加熱炉、２：スラブ、３：圧延機、４：厚鋼板、５：サーモトレーサー、６：ホットレベラー、７：オンライン冷却装置
【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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