JP3917901B2 - 表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延前の普通鋼スラブの加熱時における炉内雰囲気条件を制御することで、疵の起点となる粒界酸化の顕在化を防ぎ、熱間圧延時に発生する線状のスケール疵及び模様系欠陥（めっき時ムラ）の発生を少なくするための普通鋼スラブの加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
普通鋼薄板材で熱間圧延後顕在化する表面欠陥として線状のスケール疵やめっき材の模様系欠陥がある。この欠陥部には加熱炉で生成するスケールが残存し、線状のスケール疵もしくはめっきにて合金化処理時にめっきムラすなわち表面模様欠陥として顕在化し問題となる。お客様の表面品質に対する要求は厳格化する傾向を示しており、表面欠陥による歩留低下は大幅なコストアップを引き起こしている。
【０００３】
上述の表面欠陥の原因となるスケールの残存原因としては次のように考えられている。まず加熱炉内で進行した粒界酸化がスラブコーナーで顕著な場合は、圧延時にそれを起点とし割れを発生させる。その後の圧延で伸ばされ線状のスケール疵となるか、または粒界酸化部に濃化したＳｉが粗圧延でのデスケーリング後も残存し、これが圧延され表層に引きのばされて鋼板表面を覆うことで合金化挙動に影響し、模様として表面に顕在化することが原因と考えられる。
【０００４】
この疵発生の起点となる粒界酸化の抑制方法として、ステンレスの場合については、例えば特開昭６２−１３５２７号公報に酸素濃度をコントロールしてスケールオフ量をコントロールし改善する技術が、また特開平１−１２２６０６号公報にはオーステナイト系ステンレスについてスラブ加熱温度と酸素濃度及び圧下率をコントロールすることで粒界酸化を起因とする疵を低減する技術が、または特開平９−２７９３１６号公報にはフェライト系ステンレスにおいて異常ノジュール形成を抑制する技術などが報告されている。
【０００５】
しかしながら、これらには積極的に粒界酸化の生じやすい成分であるＣｒやＮｉが多い場合にのみに限定されて研究されているという特徴があり、Ｃｒ、Ｎｉが不可避的な量しか含まれない普通鋼に関して疵につながる粒界酸化を低減し、その発生を抑制する技術について最適域が求められていないのが現状である。
【０００６】
また、Ｓｉを含有している熱間圧延鋼材に関しては、例えば特開昭５３−１４０２１９号公報にスケール剥離性を向上させるためにスラブ加熱温度と酸素濃度をコントロールする技術が開示されているが、粒界酸化しやすいＳｉを含んでいることや、粒界酸化そのものが起点となり疵になるのとは異なり加熱炉内で生成されたスケールが剥離しにくいことによってスケール疵が発生するという点で本発明が課題とする疵とは発生メカニズムが異なっていることから、そのまま適用することは困難なのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、今後も品質の厳格化が進むことが予想される普通鋼用スラブにおいて、熱延加熱炉内にてスラブ表面生じる粒界酸化を抑制し、歩留低下によって大幅なコストアップを招いている線状スケール疵やめっき材のめっきムラすなわち表面模様欠陥を防止するための普通鋼スラブの加熱炉雰囲気条件を提供することを目的とする
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、普通鋼スラブにおいて加熱炉内の雰囲気変動と粒界酸化挙動の関係を実験により明らかにした。併せて、粒界酸化と熱延後表面疵発生の関係を明確にし、疵につながる粒界酸化を抑制でき、実機熱延操業に反映可能な雰囲気条件を見出した。本発明はこれらの知見に基づき完成させるに至った。
【０００９】
すなわち本発明の要旨は、以下のとおりである。
【００１０】
（１） 熱間圧延の素材として質量％でＣ：０．２０％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２％以下であり、かつＴｉ：０．０４％以下及びＮｂ：０．０４％以下を以下の式（１）の条件で含み、かつ、Ｎｉ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｓｎ：０．１０％以下を以下の式（２）の条件で含み、その他Ｆｅ及び不可避的元素からなる普通鋼スラブを、空気比で１．０〜１．２の雰囲気で、炉内雰囲気中ＣＯ濃度が０．５％以下になるように制御し、スラブ加熱温度が１０５０℃〜１２５０℃の範囲内で加熱することを特徴とする表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。
［Ｃ］−１２／４８［Ｔｉ］−１２／９３［Ｎｂ］≦０ ・・・・（１）
（但し、［Ｃ］、［Ｔｉ］、［Ｎｂ］は、各元素の含有量（質量％））
［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］＋［Ｓｎ］≦０．２０％ ・・・・（２）
（但し、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、［Ｓｎ］は、各元素の含有量（質量％））
【００１３】
（２）空気比とスラブ加熱温度の関係として
疵発生指数＝２２９０．４×（空気比−１）^２＋６．０２×１０^−４×（スラブ加熱温度（℃）−１０６０）^２≦４５
の関係を満たすことを特徴とする上記（１）に記載の表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。
【００１４】
（３）スラブ加熱時間を３５０分以内となるよう制御することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、熱間圧延に起因すると思われる普通鋼の線状スケール疵及びめっき模様系欠陥について多くの調査をした結果、次のような現象を見出した。
【００１７】
（１） 線状スケール疵は、コイルのコーナー側に発生しやすい。また、疵部の断面調査ではスケールの上にメタルが被さったスケール疵となっている。
【００１８】
（２） 模様系欠陥部を調査すると、めっきと鋼板の界面にスケールが存在する。そのスケール部には、ＥＰＭＡやＳＩＭＳによる調査結果、ＳｉやＮｉのような元素が確認できる。
【００１９】
（３） スケール疵やめっき表面模様欠陥を発生しやすい普通鋼スラブの熱延加熱直後のスケール性状は、地鉄／スケール界面にＳｉの濃化層が存在し、Ｓｉを含んだスケールをもつ粒界酸化部が数多く存在する。
【００２０】
（４） 粒界酸化がコーナー側に存在する場合、その後の粗圧延での幅方向の圧下により、割れを生ずることがある。また、コーナーにない場合では、粒界酸化の深さが深い場合は粒界酸化のみがデスケでも取り除かれないことがある。
【００２１】
（５） 上記した幅圧下による割れが存在しない場合、製品にて線状スケール疵は発生しない。また、デスケにて粒界酸化が消失している場合、めっき材にて模様系欠陥が発生しない。
【００２２】
このような現象から、普通鋼の線状スケール疵及びめっき模様系欠陥は、加熱炉にて生成した粒界酸化部が熱間圧延時幅圧下するために割れに結びついたり、粒界酸化部のみがスケールを噛み込んだまま引きのばされたりしたため、合金化時にムラとなり模様系の欠陥となることを見出した。
【００２３】
そこで本発明者らは、実機における通常のスラブ加熱温度である１１００℃〜１２５０℃の条件で、普通鋼として一般的なアルミキルド鋼について、粒界酸化を顕在化させない加熱炉内雰囲気と加熱条件を調査した。
【００２４】
厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍの表１に示す成分のサンプルを、ＬＮＧガス雰囲気でスラブ加熱温度と空気比を変更して加熱した。その後サンプルの断面検鏡を行い、サンプル界面の割れや模様系欠陥の原因となる粒界酸化の個数を調査した。その結果を図１に示す。
【００２５】
この結果、粒界酸化は図１に示すように空気比が低下すると深さ及び個数は低下して品位改善されるが、空気比が１．０未満になると粒界酸化の品位は悪化する。加えて、高温加熱を実施した場合は空気比に関係なく総じて悪化することが判明した。これより、粒界酸化を起点とする表面疵を防止するにはスラブ加熱温度及び空気比に適正範囲が存在することを知見し、これらを制御するに至ったのである。
【００２６】
次に本発明が対象とする鋼成分の限定理由について説明する。Ｃ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓに関しては、普通鋼の一般的成分として使用されている範囲として、それぞれ質量％でＣ：０．２０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２％以下に限定したものである。
【００２７】
Ｓｉに関しては、０．１％以上の場合は加熱炉雰囲気に関係なくスケール生成時に地鉄スケール界面に濃化し、割れやすくデスケさせにくいスケールを含んだ粒界酸化部を生成するため限定する。
【００２８】
また、鋼中のＣを無害化して加工性を向上するために、Ｔｉ：０．０４％以下及びＮｂ：０．０４％以下を含有させる。このときの含有量としては、Ｔｉ及びＮｂを、Ｃとの関係で、［Ｃ］−１２／４８［Ｔｉ］−１２／９３［Ｎｂ］≦０
（但し、［Ｃ］、［Ｔｉ］、［Ｎｂ］は、各元素の含有量（質量％））
のように含有させる。但し、多すぎても効果が飽和するばかりか、鋼の強度が低下するなどの弊害があるため、Ｔｉ及びＮｂのそれぞれの上限を０．０４質量％以下に制限する
【００２９】
さらに、不可避的不純物もしくは特性向上を狙って添加される元素のうち、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳｎのようなＦｅよりも酸化されにくくスケール生成時に地鉄スケール界面に濃化する元素も、粒界酸化を顕在化させる。それぞれの元素が単独で０．１０％超、もしくはＮｉ、Ｃｕ、Ｓｎの合計で０．２０％超存在した場合には、加熱炉雰囲気と関係なく表面疵が発生する。よって、この範囲にて規制する。
【００３０】
このような成分構成の普通鋼スラブの加熱温度を１０５０℃〜１２５０℃の範囲内とする。１０５０℃より低温にて加熱した場合は、圧延可能な温度まで均一にスラブを昇温するためには長時間保定が必要となるため、生産性を阻害される。また高温で加熱した場合は、空気比つまりは酸素濃度を制御しても、生成スケールが非常に厚くなるため地鉄スケール界面にＳｉが多量に濃化する。これが極度に粒界酸化を進行させ、疵発生率を上昇させる問題が発生するためこの範囲で規制する。
【００３１】
また加熱時間は、加熱炉総在炉時間を１００分以上かつ３５０分以下の範囲内にて加熱する。１００分未満ではスラブを均一に加熱できないためスラブコーナー部とセンター部で変形応力が大きく異なるため疵発生率は高くなり、また熱間圧延自体も困難となる。また３５０分を超えると、空気比つまりは酸素濃度を制御した場合も生成スケールが厚くなるためスケール界面にＳｉが多量に濃化する。この結果、図２に示すように疵発生率が高くなる傾向を示す。
【００３２】
このスラブ加熱温度及び時間条件のもとＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＯＧ燃焼ガス中で加熱する。このときの燃焼ガスと空気の空気比は、１．０〜１．２の範囲として、ＣＯ濃度が０．５Ｖｏｌ％以下となる条件に調整する。このときの酸素濃度はおよそ０．０〜４．０Ｖｏｌ％程度となる。空気比を制御することにより、粒界酸化を疵発生に影響しない個数・深さまで低減できる。ＣＯが０．５Ｖｏｌ％を超えると、図３に示すように疵発生個数が大幅に増加する。
【００３３】
空気比が１．０未満でＣＯ濃度が０．５Ｖｏｌ％超存在する状態となると、スケールオフ量が少なくなるため地鉄界面に濃化するＳｉ量は少なくなるものと予想されてきたが、調査結果ではこの予想に反しＳｉが多量に濃化し、粒界酸化が顕著となった。ＥＰＭＡによるＳｉ定量分析の結果、鋼中のスケールオフによってスケール／地鉄界面に濃化する量が、想定されるよりも明らかに多いことが判明した。
【００３４】
本発明者は多くの調査を実施した結果、加熱炉内に存在するスケールや耐火物等のＳｉ酸化物が雰囲気中のＣＯガスと、以下の反応式
ＳｉＯ₂＋ＣＯ→ＣＯ₂＋ＳｉＯ（ｇ）
で示される反応を起こし、Ｓｉ酸化物が還元され、雰囲気中にＳｉＯガスとして存在することを知見した。さらに調査の結果、還元されたＳｉＯガスがスラブ表層に析出することでスケール生成時に地鉄／スケール界面に濃化するために、粒界酸化が顕在化したことを突き止めた。よって空気比は、必ずＣＯ濃度が０．５Ｖｏｌ％以下の領域、つまり空気比１．０以上にする必要がある。
【００３５】
また空気比１．２超となる場合は、スケール生成量が多くなる。このため地鉄スケール界面にＳｉが濃化し、粒界酸化は顕在化する。加えて実操業にて高酸素濃度で操業した場合は、排ガス中のＮＯ_xの濃度が高くなるため、実操業面からも空気比は下げるほうが好ましい。
【００３６】
以上のように得られた空気比及びスラブ加熱温度と表面疵の発生量との関係についてさらに調査した結果、空気比及びスラブ加熱温度の関係について、以下の式で示される疵発生指数
疵発生指数＝２２９０．４×（空気比−１）²＋６．０２×１０^-4×（スラブ加熱温度（℃）−１０６０）²
を定義し、この疵発生指標で４５以下となる場合は疵が発生しないことを知見した。
【００３７】
以上のような成分かつ加熱炉雰囲気条件にて熱間圧延された場合、線状のスケール疵及び模様系欠陥（めっき時ムラ）の発生は、非常に少なくすることができる。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例を以下に示す。
【００３９】
厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍの表１に示す成分組成（質量％）のサンプルを、ＬＮＧ燃料ガス雰囲気でスラブ加熱温度及び空気比を変更して加熱した。このときの加熱時間は２００分とした。
【００４０】
加熱後サンプルの断面検鏡を行い、割れや模様系欠陥につながる粒界酸化の個数を調査した。その結果を図１に示す。本発明範囲においては、粒界酸化個数は低位安定することが判る。
【００４１】
【表１】

【００４２】
（実施例２）
厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍの表１の鋼１に示す成分組成（質量％）のサンプルを、ＬＮＧ燃料ガス雰囲気でスラブ加熱温度１２３０℃、空気比１．１として、加熱時間を種々変更して加熱した。
【００４３】
加熱後サンプルの断面検鏡を行い、割れや模様系欠陥につながる粒界酸化の個数を調査した。その結果を図２に示す。本発明範囲においては、粒界酸化個数は低位安定することが判る。
【００４４】
（実施例３）
厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍの表１の鋼１に示す成分組成（質量％）のサンプルを、ＬＮＧ燃料ガス雰囲気でスラブ加熱温度１２３０℃、ＣＯ濃度が０〜４％となるよう、空気比を変更して加熱した。このときの加熱時間は２００分とした。
【００４５】
加熱後サンプルの断面検鏡を行い、割れや模様系欠陥につながる粒界酸化の個数を調査した。その結果を図３に示す。本発明範囲においては、粒界酸化個数は低位安定することが判る。
【００４６】
（実施例４）
厚み２５２ｍｍ、幅１０００ｍｍ、長さ６０００ｍｍの表２に示す成分組成（質量％）の普通鋼スラブを、ＬＮＧ燃料ガス雰囲気でスラブ加熱温度及び空気比を変更して加熱した。このスラブを２００分間加熱した後に熱間にて圧延を実施、３ｍｍの熱延鋼板を得た。さらに、７〜１０％かつ７０〜９０℃のＨＣｌで酸洗を５０〜２５０ｓｅｃ実施した。その後、めっきを施し線状スケール疵や表面模様の有無を評価した。評価結果を表３に示す。本発明条件を適用すると、疵発生もなく表面外観良好な製品を製造できることが判る。
【００４７】
【表２】

【００４８】
【表３】

【００４９】
【発明の効果】
本発明は、熱間圧延前の普通鋼スラブの加熱時における炉内雰囲気条件を制御することで、疵の起点となる粒界酸化の顕在化を防ぎ、熱間圧延時に発生する線状のスケール疵及び模様系欠陥（めっき時ムラ）の発生を低減でき、表面外観良好な製品を製造できる。これにより、疵や模様発生に伴い生じていた歩留ロスを改善できるため、工業的価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はスラブ加熱温度、空気比と粒界酸化の発生数との関係を示す図である。
【図２】図２はスラブ加熱時間と疵発生の関係を示す図である。
【図３】図３はＣＯ濃度と疵発生率の関係を示す図である。

Claims (3)

1. 熱間圧延の素材として質量％でＣ：０．２０％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０２％以下であり、かつＴｉ：０．０４％以下及びＮｂ：０．０４％以下を以下の式（１）の条件で含み、かつ、Ｎｉ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｓｎ：０．１０％以下を以下の式（２）の条件で含み、その他Ｆｅ及び不可避的元素からなる普通鋼スラブを、空気比で１．０〜１．２の雰囲気で、炉内雰囲気中ＣＯ濃度が０．５％以下になるように制御し、スラブ加熱温度が１０５０℃〜１２５０℃の範囲内で加熱することを特徴とする表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。
   ［Ｃ］−１２／４８［Ｔｉ］−１２／９３［Ｎｂ］≦０ ・・・・（１）
   （但し、［Ｃ］、［Ｔｉ］、［Ｎｂ］は、各元素の含有量（質量％））
   ［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］＋［Ｓｎ］≦０．２０％ ・・・・（２）
   （但し、［Ｎｉ］、［Ｃｕ］、［Ｓｎ］は、各元素の含有量（質量％））
2. 空気比とスラブ加熱温度の関係として
   疵発生指数＝２２９０．４×（空気比−１）^２＋６．０２×１０^−４×（スラブ加熱温度（℃）−１０６０）^２≦４５
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。
3. スラブ加熱時間を３５０分以内となるよう制御することを特徴とする請求項１または２に記載の表面疵の少ない熱延板を得るための普通鋼スラブの加熱方法。

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