JP4552731B2

JP4552731B2 - 鋼帯の熱間圧延方法

Info

Publication number: JP4552731B2
Application number: JP2005099119A
Authority: JP
Inventors: 行宏松原; 敏樹蛭田; 栄二遠山; 聖司太田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006272441A

Description

本発明は、従来に比べ高強度の熱延鋼帯を製造するための熱間圧延方法に関する。

鋼帯は、一般に、図3に示すような設備配置の熱間圧延ライン200にて熱間圧延される。
熱間圧延ライン200には、上流側から順に、加熱炉1、粗圧延機2、仕上圧延機3、水冷ゾーンを形成する冷却設備4、コイラ5a，5bが配置され、加熱炉1にて加熱後に抽出され、もしくは、加熱炉1を経ずに上工程から直送されてきたスラブ状の鋼片が、粗圧延機2にてシートバーと呼ばれる中間的な厚さ25ないし50ｍｍの鋼片にまで圧延され、しかる後に仕上圧延機3にて圧延されることで、熱延鋼帯10とされ、水冷ゾーンを形成する冷却設備４にて冷却が行われた後、5a，5bいずれか一方のコイラにコイル状に巻き取られる。符号11は、仕上圧延機3で加工された仕上圧延終了後の熱延鋼帯10（以下、鋼帯）の搬送方向である。

このようにして製造される鋼帯の高強度化のため、従来から、結晶粒の微細化を図る熱間圧延方法が種々検討されている。その代表的なものとして、特許文献１などに開示されている、いわゆる制御圧延法がある。
制御圧延法の特徴は、再結晶温度よりも高温域にある段階にて、圧延を開始し、動的、あるいは、静的再結晶により、オーステナイト(以下、単にγと記す)粒を微細化すること、および、それよりも温度が低下しながらもいまだ未再結晶温度域にある段階にても、さらに圧延することで、γ粒内に転位などの格子欠陥を導入し、変態時にそこを起点とした変態核生成を促進させ、γ粒をさらに微細化すること、の2点により、変態後のフェライト(以下、単にαと記す)粒の結晶粒微細化を図る、というものである。

すなわち、γ→α変態時のα核生成場所であるγ粒界、あるいは、転位などの格子欠陥をより多量に導入することにより、γ→α変態時にα粒を数多く生成し、結晶粒の微細化を図るものである。
しかし、このような制御圧延法では、スラブ厚と製品厚が決まっている以上、圧延により導入できるひずみ量に限界があり、結晶粒径5μm程度までしか、結晶粒を微細化できない、と言われている。

これに対し、発明者らは、特許文献２、特許文献３において、仕上圧延後の鋼帯に繰り返し曲げ加工を施すことで、スラブ厚及び製品厚を変更することなく、結晶粒を微細化し、高強度化を図る熱間圧延方法及び熱間圧延ラインを提案した。
図4に、特許文献２の熱間圧延ライン300を示すが、仕上圧延機3の下流に、繰り返し曲げ加工装置6を設置したことを特徴とする。

繰り返し曲げ加工装置(レベラとも言う)6は、図4に示すように、仕上圧延機3と水冷ゾーンを形成する冷却設備4との間に設置され、図5に要部を拡大して示すように、上下のワークロール6aを千鳥状に配列しており、上下のワークロール6aにて、通過中の熱延鋼帯10を挟圧しつつ、それら上下のワークロール6aを回転させることで、仕上圧延終了後の熱延鋼帯10に繰り返し曲げひずみを付与することができる。

また、熱間圧延ライン300には、図4に示すように、仕上圧延機3の最終圧延機（スタンド）と繰り返し曲げ加工装置6との間に冷却設備7を設置してもよく、冷却設備7で仕上圧延後の熱延鋼帯10の温度を制御することにより、結晶粒をさらに微細化することができる。
また、繰り返し曲げ加工装置6は、例えば、図5に示すように、バックアップロール6b、サイドガイド6c、などをさらに設置してもよく、あるいは、特許文献３の熱間圧延ライン400のように、スプレーノズル6dなどをさらに設置してもよい。

また、このような繰り返し曲げ加工装置6は、新設の熱間圧延ラインに適用するだけではなく、既設の熱間圧延ラインに追設することもでき、設備費を安く抑えられるとともに、生産性の悪化等を招くこともない。
特開昭63-223124号公報特開2003-220401号公報特開2003-154403号公報

しかしながら、特許文献２、あるいは、特許文献３の方法では、いまだ結晶粒の微細化、引張強度の向上の余地が残されていた。
なぜなら、工業的に実現可能なワークロール直径や設備長さには限界があるため、曲げ加工により付与できる歪量にも限界があるからである。
本発明は、従来よりもさらに高強度の熱延鋼帯を製造することの可能な、熱間圧延方法を提供することを目的とする。

1. 鋼帯の熱間圧延に際し、前記鋼帯を仕上圧延終了後、1.5sec以内に、前記鋼帯に冷却と繰り返し曲げ加工を開始し、前記繰り返し曲げ加工終了時の前記鋼帯の温度を600℃以上に調整するとともに、前記繰り返し曲げ加工にて前記鋼帯に付与する歪を0.4以上とすることを特徴とする鋼帯の熱間圧延方法。

本発明によれば、従来よりもさらに高強度の熱延鋼帯を製造することが可能となる。

本発明の特徴は、仕上圧延終了後、繰り返し曲げ加工を施すまでの時間と、鋼帯の冷却方法にある。
特許文献２、あるいは、特許文献３にもあるように、繰り返し曲げ加工を施す温度域としては、過冷γ域が最適であり、鋼帯組織がγであれば、鋼帯温度が低温になるほど有利になる。

発明者らは、これを実現しようと鋭意検討した結果、仕上圧延終了後、同一の設備にて、可及的速やかに鋼帯を冷却し、可及的速やかに鋼帯に曲げ加工を施すことが、非常に有効であることを知見し、本発明を完成させるに至った。
以下に、本発明を完成するに至った実験について述べる。
図１(a)は、本発明の熱間圧延ライン100を模した実験設備の設備列であり、圧延機41、冷却設備42、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44の順に設置している。

比較のために、特許文献２に相当する、従来の熱間圧延ライン300の設備列を模した実験設備を図１(b)に、特許文献３に相当する、従来の熱間圧延ライン400の設備列を模した実験設備を図1(c)に、それぞれ要部を拡大して示すが、それぞれ、圧延機41、冷却設備42、繰り返し曲げ加工装置43、あるいは、圧延機41、冷却設備42、装置内に冷却装置を有する繰り返し曲げ加工装置44の順に設置している。

図１(a)に示す、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44は、隣接する各ワークロール44a間に20〜50L/minの範囲で冷却水の流量を調整可能な冷却装置44d（スプレーノズル）を有し、各ノズルの開閉により、冷却水の総流量を調整し、繰り返し曲げ加工終了後の鋼帯の温度を調整することができる。
図１(a)では、冷却装置44d（スプレーノズル）は、隣接するワークロール44a間に設置しているが、本発明はこれに限るものではなく、鋼帯10を間接的にでも、冷却できればよく、この意味からは、例えば、ワークロールの直上に設置するなどしてもよい。

また、図１(a)では、冷却設備42（図4に示す従来の熱間圧延ライン300にいう冷却設備7に相当）を、繰り返し曲げ加工装置44内に設置した冷却装置44d（スプレーノズル）とは別に設置しているが、繰り返し曲げ加工装置44内に設置した冷却装置44d（スプレーノズル）から鋼帯10に向けて供給される冷却水の流量が、十分に確保できれば、冷却設備42は、省略することもできる。

各設備列にて、0.15mass%のC、0.01mass%のSi、0.75mass%のMnを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる供試鋼（γ→α変態点温度Ar₁=723℃）を、圧延機41の出側温度が850℃、あるいは、800℃となるように、厚さ3mmに仕上圧延し、引き続き、表1に示す各条件で、冷却、並びに、曲げ加工を施し、その後、空冷した。
図１(b)の、従来の熱間圧延ライン300の設備列を模した実験設備、図１(a)の、本発明の熱間圧延ライン100の設備列を模した実験設備、の両者とも、繰り返し曲げ加工装置43a、44は、ワークロール本数23本、ワークロール直径70mm、ワークロール中心軸間隔90mmとした。

なお、上下のワークロールで鋼帯10を挟んだ状態から、上ワークロールを押し込んだ距離で定義される、ロール締め込み量を種々変更することにより、繰り返し曲げ歪の量を調整した。
得られた各供試鋼について、結晶粒径および引張強さの調査を行った。結晶粒径については、JIS G 0552に準拠して結晶粒の平均断面積を求め、それを円形と仮定して平均結晶粒径を算出した。引張強さについては、JIS Z 2201に準拠して5号試験片を切り出して引張試験を行い、引張強さをその値とした。

結果を表1にあわせて示す。特許文献２に相当する、図１（ｂ）の、従来の熱間圧延ライン300の設備列を模した実験設備では、No.2に示すように、冷却設備42で鋼帯10を冷却し、過冷γ域である750〜730℃で繰り返し曲げ加工を施すことが有効であり、No.3に示すように、冷却設備42で700℃まで冷却した場合、繰り返し曲げ加工を施す前にγ→α変態しているために、曲げ加工を施す効果が小さくなっていた。

これに対し、特許文献３に相当する、図１（ｃ）の、従来の熱間圧延ライン400の設備列を模した実験設備では、No.15に示すように、繰り返し曲げ加工装置44内で鋼帯10を冷却することにより、繰り返し曲げ加工を終了する温度が650℃の場合も、過冷γ域であり、No.2に比べ、効果的に結晶粒を微細化することができていた。これは、γ→α変態点温度近傍での鋼帯10の冷却速度が大きいため、過冷γ域をより低温まで拡大できたためと考えられる。

これに対し、図１（a）の、本発明の熱間圧延ライン100の設備列を模した実験設備では、No.5，6，7，9，10，14に示すように、圧延終了後、1.5sec以内に、鋼帯10の冷却と繰り返し曲げ加工を開始し、かつ、繰り返し曲げ加工終了時の鋼帯10の温度が600℃以上、繰り返し曲げ歪が0.4以上では、従来に比べ、結晶粒を格段に微細化できており、非常に有効であることが分かる。

本発明が結晶粒の微細化に格段に有効である理由は、明らかではないが、圧延により扁平したままのγ粒に、直ちに、繰り返し曲げ歪を付与した場合、その後のα変態の際に、α粒の核生成が促進されるからである可能性がある。
また、圧延終了後、冷却した後、繰り返し曲げ加工を施す場合、時間とともにγ→α変態は進行してしまうため、過冷γ域にある状態とするのにも限界があったのに対し、冷却と曲げ加工を同一の設備にて施すことにより、γ→α変態が進行する前に繰り返し曲げ加工を施すことが可能となり、より低温の過冷γ域で繰り返し曲げ加工を施すことができるようになった効果も大きい。

これは、従来の熱間圧延ライン400の設備列を模した実験設備では、曲げ加工出側温度が650℃の場合に最も効果的に結晶粒を微細化できていたのに対し、本発明の熱間圧延ライン100の設備列を模した実験設備では、曲げ加工出側温度が600℃の場合に最も効果的に結晶粒を微細化できていることと対応する。
本発明において、仕上圧延後、鋼帯10への繰り返し曲げ加工を開始するまでの時間を1.5 sec以内に限定したのは、上記したように、γ→α変態が進行する前に繰り返し曲げ加工を施すためであり、1.5 secを越えると、γ→α変態が進行しやすいため、繰り返し曲げ加工を施す効果が小さくなるからである。

一方、通常、仕上圧延終了後の温度は、900℃内外である。繰り返し曲げ加工に最適な温度域は、750℃以下の過冷γ域であるため、鋼帯を強制冷却することなく、1.5 sec以内に繰り返し曲げ加工を施した場合、850℃を越える温度域内外で繰り返し曲げ加工を施すことになり、歪の回復、再結晶により、蓄積効果が小さくなるため、結晶粒微細化効果は小さくなる。このため、従来、700℃内外まで冷却した後に、繰り返し曲げ加工を施していたが、この場合、繰り返し曲げ加工を施すまでに時間を要し、そのため、γ→α変態が進行する時間を与えてしまうことになり、十分な結晶粒の微細化効果を得ることができていなかったようである。

これに対し、本発明では、圧延後、鋼帯10への繰り返し曲げ加工を施すとともに、鋼帯10の強制冷却を開始するので、γ→α変態が進行する時間をさして与えることなく、過冷γ域での繰り返し曲げ加工を施すことができるようになり、顕著な結晶粒の微細化効果を得られるのである。
繰り返し曲げ加工終了後の鋼帯10の温度を600℃以上に限定したのは、繰り返し曲げ加工終了後の鋼帯10の温度が600℃未満の場合、No.8にも示すように、鋼帯10の組織がベイナイト組織となるからである。ベイナイト組織は、延性、低温靭性が低化するため、好ましくない。また、ベイナイト組織は、結晶が粒状ではないため、結晶粒径がうまく測定できない。No.8はその例である。

繰り返し曲げ歪を0.4以上に限定したのは、No.13にも示すように、曲げ歪が小さいと、結晶粒の微細化に有効でないからである。なお、繰り返し曲げ歪(ε)は、ワークロール中心軸間隔(2L)、ワークロール数(N)、ロール締め込み量(δ)、板厚(t)を用い、以下の式により、算出される。
ε=(N-2)2tδ/L²
なお、本発明では、当然ながら、熱間圧延ライン100における仕上圧延機3の下流に、仕上圧延終了後、1.5sec以内に、繰り返し曲げ加工を開始可能なように、繰り返し曲げ加工装置44を設置する。鋼帯10の仕上圧延機3の出側における搬送速度には範囲があるが、本発明の方法が対象とするような、従来よりもさらに高強度の熱延鋼帯を製造する場合の搬送速度の際に、仕上圧延終了後、1.5sec以内に、繰り返し曲げ加工を開始可能なように、繰り返し曲げ加工装置44を設置すればよい。

本発明の効果を実証するため、図3に示す従来の熱間圧延ライン200に追設する形で、各水準を設け、以下の実験を行った。本発明の場合は、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44を、従来の熱間圧延ライン200に追設して、以下の実験を行った。
本発明の、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44を、従来の熱間圧延ライン200に追設した熱間圧延ライン100では、仕上圧延機3の最終圧延機（スタンド）のワークロール中心と、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44の第1番目のノズルまでの距離、及び、仕上圧延機3の最終圧延機（スタンド）のワークロール中心と、装置内に冷却装置44dを有する繰り返し曲げ加工装置44の第1番目のワークロール中心までの距離は、いずれも8mである。

また、比較のため、従来例として、図4に示すような、特許文献２の熱間圧延ライン300も用いた。仕上圧延機3の最終圧延機（スタンド）のワークロール中心と冷却設備7の第1番目のノズルまでの距離は8m、仕上圧延機3の最終圧延機（スタンド）のワークロール中心と繰り返し曲げ加工装置6の第1番目のワークロール中心までの距離は30mである。
本発明例、従来例のいずれの場合も、ワークロール本数27、ワークロール直径190mm、ワークロール中心軸間隔200mmとした繰り返し曲げ加工装置を用い、繰り返し曲げ加工にて鋼帯10に付与する曲げ歪を1.2〜0.4とした。また、装置内に冷却装置を有する繰り返し曲げ加工装置の冷却装置には、スリットタイプの冷却ノズルを用いた。

0.15mass%のC、0.01mass%のSi、0.75mass%のMnを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる供試鋼を用い、仕上圧延機3の出側における鋼帯10の温度が850℃、仕上圧延機3の出側における鋼帯10の搬送速度が750m/minとなるように、3mmに仕上圧延した。
本発明例では、仕上圧延後、0.64sec後に冷却と繰り返し曲げ加工を開始し、繰り返し曲げ加工装置44の出側での鋼帯10の温度が650℃となるよう、繰り返し曲げ加工装置44の出側での鋼帯10の温度の実績を、図示しない制御装置にフィードバックし、繰り返し曲げ加工装置から鋼帯10に向けて供給される冷却水の流量を調整した。

従来例では、仕上圧延後、0.64sec後に冷却を開始し、750℃まで冷却した後、仕上圧延後、2.4sec後に繰り返し曲げ加工を開始した。
いずれも、繰り返し曲げ加工終了後、冷却設備4にて600℃まで冷却し、その後、コイラ5aにて巻き取った。
本発明例、従来例の両者について、巻き戻した鋼帯10の長手方向中央部、幅方向中央部において、JIS Z 2201に準拠して、5号試験片を10個切り出し、引張試験を行った。引張強さは、引張試験により得られた引張強さの平均値とした。

結果を図2に示す。本発明例では、従来例に比べ、格段に高強度の熱延鋼帯を得られることがわかる。

本発明あるいは従来の、熱間圧延ラインを模した実験設備の設備列の要部を拡大して示した図である。本発明の効果を示す図である。従来の熱間圧延ラインの設備列を模式的に示した図である。従来の熱間圧延ラインの設備列を模式的に示した図である。従来の熱間圧延ラインの設備列を模式的に示した図である。

符号の説明

１加熱炉
２粗圧延機
３仕上圧延機
3a 仕上圧延機最終スタンド
４冷却設備
5a、5b コイラ
６、43、44 繰り返し曲げ加工装置
6a 44a ワークロール
6b バックアップロール
6c サイドガイド
6d スプレーノズル
７冷却設備
10 熱延鋼帯（鋼帯）
11 熱延鋼帯（鋼帯）の搬送方向
41 圧延機
42 冷却設備
44d 冷却装置
200、300、400 熱間圧延ライン

Claims

鋼帯の熱間圧延に際し、前記鋼帯の仕上圧延終了後、1.5sec以内に、前記鋼帯に冷却と繰り返し曲げ加工を開始し、前記繰り返し曲げ加工終了時の前記鋼帯の温度を600℃以上に調整するとともに、前記繰り返し曲げ加工にて前記鋼帯に付与する歪を0.4以上とすることを特徴とする鋼帯の熱間圧延方法。