JP3774619B2 - 二次加工性に優れた厚鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板厚５ｍｍ以上かつ板幅２．５ｍ以上の曲げ加工やプレス加工や剪断加工などの二次加工性に優れた厚鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、板厚５ｍｍ以上かつ板幅２．５ｍ以上の厚鋼板と呼ばれる鋼材の品質要求は厳格化されつつ有り、この要求に応えるために様々な圧延および矯正技術が開発されている。一般に、上述した厚鋼板は、厚鋼板圧延設備すなわち厚板圧延工場において、仕上圧延を終了した圧延板が、冷却装置および／または冷却床を経て、せん断、熱処理、形状矯正、塗装等の精整工程に搬送され、ここで製品となって出荷されている。加工メーカではこの製品を用いて、所望の寸法に切断した後、曲げ加工やプレス加工等の二次加工を行い、溶接等を行って最終製品を製造している。
メーカで二次加工する際、同じ材料でもプレスや曲げ等の加工力が小さくかつ局部的に変形が集中せず均一に変形が進行する加工性の優れた製品や、所定の寸法に製品を切断した際のうねりや曲がりの無い製品が望まれている。
【０００３】
これらの要求に対し、二次加工性に関しては厚鋼板の合金成分を変更することによって対応してきたが、合金成分添加や製造条件の変更によるコストアップを招くという問題があった。また、所定の寸法に製品を切断した際のうねりや曲がりに際しては、対応手段が無く、製品出荷時の平坦度を保証するために、レベラーやプレスによる矯正行うことによって対処してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、二次加工性に優れ、切断した際のうねりや曲がりのない厚鋼板の製造方法の提供を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述のような課題を解決するため、
本発明の請求項１は、少なくとも仕上圧延機で圧延された圧延板の冷却装置を有し、該冷却装置の下流側に、少なくとも１台の軽圧下圧延機を配備した厚鋼板圧延設備により、板厚５ｍｍ以上かつ板幅２．５ｍ以上の厚鋼板を製造するに際し、
軽圧下圧延を施す圧延機として、上下少なくともどちらか一方のロールアセンブリーが、軸方向に３分割以上に分割された分割バックアップロールによってワークロールを支持する機構を有し、各分割バックアップロールには独立した荷重検出装置と圧下装置とが配置された板圧延機を用い、
下記（３）式、（４）式及び（５）式により求められたｑ _ｉ に基づいてバックアップロール変位を制御しながら、
前記軽圧下圧延機で圧延材を伸び率０．２％以上１．２％以下で冷間軽圧下圧延することによって製造することを特徴とする厚鋼板の製造方法であり、ここで、
ｑ _ｉ ＝［Ｋ ^Ｂ ＋Ｋ ^Ｗ ］ ^−１ _ｉｊ （Ｋ ^Ｗ _ｊｋ ｐ _ｋ −Ｃ ^Ｗ _ｊ −Ｃ ^Ｂ _ｊ ） （３）
ｐ _ｉ ＝ｐ _ｉ （Ｈ、ｈ、ｋ、μ、σ _ｂ 、σ _ｆ 、Δε） （４）
Δσ _ｉ ＝Δε・Ｅ （５）
ｑ _ｉ ：第ｉ分割バックアップロールに作用する荷重
ｐ _ｉ ：その位置に対応する圧延材〜ワークロール間荷重
Ｋ ^Ｗ _ｉｊ ：ワークロール軸心たわみの変形マトリクス
Ｋ ^Ｂ _ｉｊ ：バックアップロール系の変形マトリクス
Ｃ ^Ｗ _ｉ ：ロールクラウンの型式で表現したワークロールプロフィル
Ｃ ^Ｂ _ｉ ：分割バックアップロールプロフィル
［Ｋ ^Ｂ ＋Ｋ ^Ｗ ］ ^−１ _ｉｊ ：Ｋ ^Ｗ _ｉｊ ＋Ｋ ^Ｂ _ｉｊ の逆マトリクス
Ｈ：入側板厚
ｈ：出側板厚
ｋ：変形抵抗
μ：摩擦係数
σ _ｂ ：平均入側張力
σ _ｆ ：平均出側張力
Δε：伸びひずみ差
Δσ _ｉ ：残留応力−２０≦Δσ _ｉ ≦２０［ＭＰａ］
Ｅ：材料のヤング率、であり、
本発明の請求項２は、前記厚鋼板が質量で、
Ｃ：０．０８〜０．４６％、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：０．６６〜１．６７％
Ｐ：０．０１７％以下、
Ｓ：０．００７％以下、
及び不可避的不純物元素を含み、残部Ｆｅからなることを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の製造方法であり、
本発明の請求項３は、前記厚鋼板が質量で、
Ｃｕ：０．１４％以下、
Ｎｉ：０．０８％以下、
Ｃｒ：０．２５％以下、
Ｖ：０．２３％以下、
Ｔｉ：０．０８％以下の合金元素をいずれか又は２つ以上含むことを特徴とする請求項２に記載の厚鋼板の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。先ず、本発明の厚鋼板の製造方法を完成するに至った経緯に関して具体的に述べる。
図１は市販の厚鋼材を引っ張り試験した際の応力−伸び線図の一例である。図１に示したように、市販の厚鋼板には伸びが約０．０５〜０．２％の間に上下降伏点が有る。このような材料を加工する場合には、上降伏点以上の応力を加える必要があるためにそれに相当するプレスの圧力または、曲げの荷重を加える必要がある。従って、このような二次加工をする加工装置にはより大きな能力が必要となり、設備費が増大する。また、荷重が高いと加工装置の工具の寿命が摩耗等によって短くなるという問題がある。さらに、上下降伏点が有ると二次加工次の変形中にリューダース帯が発生し、表面の性状を乱し微細な凹凸面を発生させ、また、変形が局所的に集中するという問題がある。このような変形が生じると、その部分の耐腐食性が悪化するという問題がある。これをさけるためには、加工時の歪み速度を上げる必要がある。即ち、高速加工が必要であり、それに伴う高応答の制御が必要となってくる。従って、これもまた設備費の増大や製造コストの増大を招いている。発明者らは様々な厚鋼板で曲げ試験および腐食試験を行い上記課題を解決するには、材料の上下降伏点を無くすことで対策が得られることを見出した。
【０００７】
また、厚鋼板を加工する際、厚鋼板を予め所望の寸法に切断する場合がある。このような切断加工を行うのは板幅２．５ｍ以上の厚鋼板であり、この厚鋼板が加工する前に完全なフラットであっても切断した場合に、反りやキャンバーと呼ばれる曲がりが発生し、生産性を著しく低下させていることを見出した。これらの発見に基づいて、本発明がなされた。
【０００８】
次に、本発明の他の特徴について以下に具体的に述べる。上下降伏点を無くす方法として薄板材の調質圧延の効果が公知である。この効果が厚鋼板でも有効であるかを確認するため、表１に示す化学成分を持つ板厚２０ｍｍの厚鋼板を伸び率２．０％までの軽圧下圧延して、圧延後のサンプルを切り出し引っ張り試験を行った。
【０００９】
【表１】

【００１０】
上下降伏点は伸び率０．２％以上の圧下を加えることによって解消することを確認した。次に、軽圧下後の圧延方向および板幅方向の耐力の平均値を原板の圧延方向および板幅方向の耐力の平均値で除した値を耐力比と定義し、耐力比に及ぼす軽圧下の影響を調べた。その結果を図２に示す。図２より明らかなように軽圧下を加えることによって、耐力が原板よりも低減することが明らかになった。その効果は厚鋼板の種類によって異なるが伸び率が０．２％未満では耐力として原板とあまり変わらないことが判明した。このことから伸び率の下限は０．２％とした。また、図２より明らかなように。伸び率が大きくなると耐力は原板以上になる。耐力が原板よりも小さくなる範囲は厚鋼板の種類によって異なるが伸び率が約１．２％までは耐力が小さいことが明らかになった。なお、耐力の観点からは伸び率の好ましい値は図２より約０．５％程度であることが分かる。以上のことから伸び率の上限は１．２％とした。また、種々の検討を行った結果、実機では、製造コスト面を考慮すると、少なくとも仕上圧延機で圧延された圧延板の冷却装置を有し、該冷却装置の下流側に、少なくとも１台の軽圧下圧延機を配備した厚鋼板圧延製造設備において、上述の伸び率を与えるのが最も有利であることを突き止め、これを本発明の限定範囲とした。
【００１１】
図３に圧延機の形状制御端であるワークロールベンダーを操作して端伸びから中伸び方向に変化させた際の形状変化挙動を示す。図３に示すように板厚が５ｍｍ未満の材料を圧延した場合、フラットな板形状が得られるベンダーの値は１点であり、その際圧延された材料を切断しても反りや曲がりが発生しないことを確認した。これに対し、板厚が５ｍｍ以上の材料を圧延した場合、フラットな板形状が得られるベンダーの値は複数存在し、その際圧延された材料を切断すると、反りや曲がりが発生したりしなかったりすることを確認した。以上のことから板厚５ｍｍ以上の厚鋼板では形状不感帯が存在し、見掛け上フラットな材料でも切断すると反りや曲がりが発生する、潜在的な平坦度不良製品があり得ることが判明した。また、幅方向に複数の歪みゲージを材料の表裏目に張り付け切断し、切断しても反りや曲がりが発生しない残留応力分布差を明らかにした結果、切断しても反りや曲がりが発生しない板幅方向の残留応力分布差は±２０ＭＰａ以下で有ることが明らかになった。この知見をもとに本発明がなされた。
【００１２】
上述の板幅方向の残留応力差が±２０ＭＰａ以下である板厚５ｍｍ以上の厚鋼板は、圧延機の後の圧延材の板形状を目視やセンサーをもってしても、形状不感帯のために製造することは困難である。これを実現するためには圧延機自体が圧延時の板幅方向の残留応力分布を推定することの可能な圧延機が不可欠である。以上の理由から、該軽圧下圧延機として、上下少なくともどちらか一方のロールアセンブリーが、軸方向に３分割以上に分割された分割バックアップロールによってワークロールを支持する機構であり、各分割バックアップロールには独立した荷重検出装置と圧下装置とが配置された板圧延機を用いることが最良であることを見出した。この知見をもとに本発明がなされた。
【００１３】
【実施例】
実施は図４に示す厚鋼板製造設備で行った。図４において、冷却装置２は、仕上圧延機１の下流側に位置し、圧延方向を３で示している。冷却装置２の下流側に、軽圧下圧延機４が配備されている。軽圧下圧延機４の前後にピンチロール５および６が配備されており、軽圧下圧延機４の後ろには幅方向板厚測定装置７が設置されている。
【００１４】
本発明の実施例では仕上圧延機１は、一対のワークロールを一対のバックアップロールで支持する機構の４段圧延機を用いた。冷却装置２では、仕上圧延機１の下流側に位置し、圧延が終了した後の厚鋼板を所定の温度まで冷却する。冷却装置２は、水を冷媒として使用する設備を用いた。仕上圧延機１と冷却装置２との間には、図示はしていないがローラレベラー等の装置が配備されている。冷却装置２の下流側には、軽圧下圧延機４が配備されている。この軽圧下圧延機４の詳細を図５に示す。
【００１５】
この軽圧下圧延機４は、電動モータによるパスライン調整機８（ロール交換した際のロール径の変化に対応してパスラインを調整する装置）および油圧圧下を用いた主圧下装置９（圧下位置は油圧シリンダーの位置を検出することによって測定）で上下する上下のインナーハウジング内に、図５（ｂ）に示すように、軸方向に１５分割した直径７５０ｍｍ、胴長３００ｍｍの分割バックアップロール１０、１１によって直径３００ｍｍ、胴長４５００ｍｍの上下のワークロール１２を支持する機構を有しており、各々の分割バックアップロール１０ａ〜１０ｇ、１１ａ〜１１ｈには、それぞれ独立に荷重検出装置と圧下機構および位置検出機構を備えている。図示はしていないが上下のワークロールは駆動モータによって圧延に必要なトルクを伝達されている。さらに、インナーハウジング内にワークロールチョックが設けられている。板厚測定装置７としてγ線による非接触板厚計が軽圧下知能圧延機から８ｍ下流に設置されている。
【００１６】
厚鋼板の板幅方向の残留応力分布差を±２０ＭＰａ以下にする具体的な方法に関しては、例えば発明者らが既に出願している特開平６−２６２２２８号公報に公示されている方法を用いた。
すなわち、第ｉ分割バックアップロールに作用する荷重をｑ_ｉ、その位置に対応する圧延材〜ワークロール間荷重をｐ_ｉとし、ワークロール軸心たわみの変形マトリクスをＫ^Ｗ _ｉｊ、バックアップロール系の変形マトリクスをＫ^Ｂ _ｉｊ、ロールクラウンの型式で表現したワークロールプロフィルをＣ^Ｗ _ｉ、分割バックアップロールプロフィルをＣ^Ｂ _ｉ、上ワークロール軸心たわみをｙ^Ｗ _ｉとすると、分割バックアップロールとワークロールの適合条件より、式（１）が得られる。
ｙ^Ｗ _ｉ＝Ｋ^Ｂ _ｉｊｑ_ｊ＋Ｃ^Ｗ _ｉ＋Ｃ^Ｂ _ｉ （１）
【００１７】
なお、本明細書の数式では、同添字の繰り返しがある場合にはアインシュタインの総和規約を用いて表現する。また、Ｋ^Ｂ _ｉｊは第ｊ分割バックアップロールに単位荷重が負荷された時の第ｉ分割バックアップロールの変位を表す影響係数マトリクスであるが、ここでは、ハウジングの変形およびワークロール〜分割バックアップロールの接触による両ロールの偏平変形を含めた変形マトリクスを表す。Ｋ^Ｂ _ｉｊ、Ｋ^Ｗ _ｉｊ、ｙ^Ｗ _ｉはすべてミルセンターからの相対位置のみを抽出する。
【００１８】
一方、上ワークロールたわみは、変形マトリクスＫ^Ｗ _ｉｊおよび圧延材〜ワークロール間に作用する圧延荷重分布ｐ_ｉを用いて、式（２）で表される。
ｙ^Ｗ _ｉ＝Ｋ^Ｗ _ｉｊ（ｐ_ｊ−ｑ_ｊ） （２）
式（１）、式（２）よりｙ^Ｗ _ｉを消去し、整理すると式（３）が得られる。
ｑ_ｉ＝［Ｋ^Ｂ＋Ｋ^Ｗ］^−１ _ｉｊ（Ｋ^Ｗ _ｊｋｐ_ｋ−Ｃ^Ｗ _ｊ−Ｃ^Ｂｊ） （３）
上式の右辺で、［Ｋ^Ｂ＋Ｋ^Ｗ］^−１ _ｉｊはＫ^Ｗ _ｉｊ＋Ｋ ^Ｂ _ｉｊ の逆マトリクスである。
【００１９】
ところで、圧延荷重ｐ_ｉは、一般に、入側板厚Ｈ、出側板厚ｈ、変形抵抗ｋ、摩擦係数μ、平均入側張力σ_ｂ、平均出側張力σ_ｆ、板形状を表現する伸びひずみ差Δεの関数であり、式（４）で与えられる。
ｐ_ｉ＝ｐ_ｉ（Ｈ、ｈ、ｋ、μ、σ_ｂ、σ_ｆ、Δε） （４）
ここで、ロールバイト中のｋ、μは板幅方向にほとんど一定であり計算および実験によって求めることができ、入側板厚Ｈと出側板厚ｈと平均入側張力σ_ｂと平均出側張力σ_ｆは所望とする圧延条件を入力することによって与えられる。
残留応力Δσ_ｉと伸びひずみ差Δεの関係は材料のヤング率Ｅを用いると式（５）で与えられる。
Δσ_ｉ＝Δε・Ｅ （５）
【００２０】
従って、式（５）より、目標とする伸びひずみ差Δεを求め、この値を式（４）に代入すれば、所望の残留応力差が得られるための圧延荷重ｐ_ｉが求められる。
この圧延荷重ｐ_ｉを式（３）に代入することによって、所望の形状が得られるための各分割バックアップロールの荷重ｑ_ｉが求められる。従って、各分割バックアップロールの荷重がｑ_ｉと一致するように各分割バックアップロールの荷重を見ながら各分割バックアップロールの変位を調整した。
【００２１】
圧延材として、材質は表１のＡと同じもので、板厚４０ｍｍ、板幅４０００ｍｍ、長さ６０ｍの厚鋼板（耐力約４５０ＭＰａ）を用いた。板形状は見掛け上フラットであった。この材料を伸び率０．５％で、残留応力分布差として±５ＭＰａ目標で圧延した。残留応力分布の評価方法として圧延前後の材料を２ｍに切断し切断前後の曲がりやうねりを調べた。また、耐力に関しては圧延前後の板から引っ張り試験片を作成し、引っ張り試験を行い比較した。圧延前後の材料で均一変形に関しては３点曲げを行い、リューダース帯の発生や表面の性状を調べた。また、加工性に関しては３点曲げを行う際の荷重で評価した。結果を表２に示す。表中で従来技術は圧延前の材料の特性を表す。表２から明らかなように本発明によって、曲げ加工やプレス加工や剪断加工などの二次加工性に優れた厚鋼板が得られた。
【００２２】
【表２】

【００２３】
【発明の効果】
本発明の製造方法によって得られる厚鋼板を用いることにより、曲げ加工やプレス加工時の加工力や摩耗およびその製造設備コストを低減でき、剪断加工などを行っても曲がりやうねりの発生しないため、矯正や仕上げ加工を省略し、製造コストを低減できる。また、本発明の製造方法によれば、上記した二次加工性の優れた厚鋼板を確実に得ることができることから、その工業上の寄与するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 市販の厚鋼材を引っ張り試験した際の応力−伸び線図の一例である。
【図２】 耐力比に及ぼす軽圧下の影響を示す図である。
【図３】 ワークロールベンダーを操作して端伸びから中伸び方向に変化させた際の形状変化挙動を示す一例である。
【図４】 本発明の実施例に用いた厚鋼板製造設備の概略を示す図である。
【図５】 （ａ）は本発明の実施例に用いた軽圧下圧延機の概略を示す図、（ｂ）は軽圧下圧延機における分割バックアップロールの具体例を示す平面略図である。
【符号の説明】
１ 仕上圧延機
２ 冷却装置
３ 圧延板進行方向
４ 軽圧下圧延機
５ 軽圧下圧延機前面ピンチロール
６ 軽圧下圧延機後面ピンチロール
７ 幅方向板厚測定装置
８ パスライン調整機
９ 主圧下装置
１０、１１ バックアップロール
１０ａ〜１０ｇ、１１ａ〜１１ｈ 分割バックアップロール
１２ ワークロール

Claims (3)

1. 少なくとも仕上圧延機で圧延された圧延板の冷却装置を有し、該冷却装置の下流側に、少なくとも１台の軽圧下圧延機を配備した厚鋼板圧延設備により、板厚５ｍｍ以上かつ板幅２．５ｍ以上の厚鋼板を製造するに際し、
   軽圧下圧延を施す圧延機として、上下少なくともどちらか一方のロールアセンブリーが、軸方向に３分割以上に分割された分割バックアップロールによってワークロールを支持する機構を有し、各分割バックアップロールには独立した荷重検出装置と圧下装置とが配置された板圧延機を用い、
   下記（３）式、（４）式及び（５）式により求められたｑ _ｉ に基づいてバックアップロール変位を制御しながら、
   前記軽圧下圧延機で圧延材を伸び率０．２％以上１．２％以下で冷間軽圧下圧延することによって製造することを特徴とする厚鋼板の製造方法。
   ｑ _ｉ ＝［Ｋ ^Ｂ ＋Ｋ ^Ｗ ］ ^−１ _ｉｊ （Ｋ ^Ｗ _ｊｋ ｐ _ｋ −Ｃ ^Ｗ _ｊ −Ｃ ^Ｂ _ｊ ） （３）
   ｐ _ｉ ＝ｐ _ｉ （Ｈ、ｈ、ｋ、μ、σ _ｂ 、σ _ｆ 、Δε） （４）
   Δσ _ｉ ＝Δε・Ｅ （５）
   ｑ _ｉ ：第ｉ分割バックアップロールに作用する荷重
   ｐ _ｉ ：その位置に対応する圧延材〜ワークロール間荷重
   Ｋ ^Ｗ _ｉｊ ：ワークロール軸心たわみの変形マトリクス
   Ｋ ^Ｂ _ｉｊ ：バックアップロール系の変形マトリクス
   Ｃ ^Ｗ _ｉ ：ロールクラウンの型式で表現したワークロールプロフィル
   Ｃ ^Ｂ _ｉ ：分割バックアップロールプロフィル
   ［Ｋ ^Ｂ ＋Ｋ ^Ｗ ］ ^−１ _ｉｊ ：Ｋ ^Ｗ _ｉｊ ＋Ｋ ^Ｂ _ｉｊ の逆マトリクス
   Ｈ：入側板厚
   ｈ：出側板厚
   ｋ：変形抵抗
   μ：摩擦係数
   σ _ｂ ：平均入側張力
   σ _ｆ ：平均出側張力
   Δε：伸びひずみ差
   Δσ _ｉ ：残留応力−２０≦Δσ _ｉ ≦２０［ＭＰａ］
   Ｅ：材料のヤング率
2. 前記厚鋼板が質量で、
   Ｃ：０．０８〜０．４６％、
   Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
   Ｍｎ：０．６６〜１．６７％
   Ｐ：０．０１７％以下、
   Ｓ：０．００７％以下、
   及び不可避的不純物元素を含み、残部Ｆｅからなることを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の製造方法。
3. 前記厚鋼板が質量で、
   Ｃｕ：０．１４％以下、
   Ｎｉ：０．０８％以下、
   Ｃｒ：０．２５％以下、
   Ｖ：０．２３％以下、
   Ｔｉ：０．０８％以下の合金元素をいずれか又は２つ以上含むことを特徴とする請求項２に記載の厚鋼板の製造方法。

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