JP7156220B2

JP7156220B2 - 優れた靭性を有する厚鋼板およびその製造方法、ならびに厚鋼板の素材となる鋼片

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Publication number: JP7156220B2
Application number: JP2019166759A
Authority: JP
Inventors: 隆志平出; 茂樹木津谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: JP2021041446A

Description

本発明は、船舶、海洋構造物、橋梁、建築物等に使用する構造用材料として好適な厚鋼板およびその製造方法、ならびに厚鋼板の素材となる鋼片に関するものである。本発明は、特に、板厚が50～150mmかつ引張強さが490～720MPaである厚鋼板の靭性の改善、とりわけ－45℃以下の極低温における靭性の改善に有効である。

近年、船舶や海洋構造物、橋梁、建築物等の構造物が大型化していくに連れて、使用される厚鋼板の強度と板厚の増加が求められている。大型の構造物の信頼性および健全性を確保する観点から、脆性破壊を防止するための靭性の向上は最も重要な課題の一つであり、溶接部のみならず厚鋼板自体の靭性を向上する技術が検討されている。

一般に、高強度の厚鋼板では、厚鋼板の組織（以下、母相という）中に存在する非金属介在物等を起点として亀裂が発生し易いことが知られている（非特許文献１参照）。つまり、割れ易い非金属介在物が亀裂を発生させて、靭性を低下させる原因となっている。

この現象を詳しく研究すると、高強度の厚鋼板が優れた靭性を発揮するためには、母相を均一で非金属介在物（たとえばMnS等）のない組織とする必要があることが分かる。

しかし、従来の厚鋼板の製造技術、とりわけ板厚50～150mmかつ引張強さ490～720MPaである厚鋼板の製造技術では、素材となるスラブを連続鋳造する工程にて中心偏析（すなわち合金元素が中心部で濃化する現象）が発生し、非金属介在物の生成を助長するという問題、および、スラブを圧延する工程にてスラブ表面とスラブ内部の温度や塑性変形量に差が生じるという問題が残されており、その問題を解消する技術は確立されていない。

つまり、従来の技術では、圧延された厚鋼板の板厚方向の中央部にも合金元素の濃化領域が形成されるのを防止できず、その領域にて濃化した合金元素が非金属介在物となって析出し、厚鋼板の靭性を低下させる原因となっている。

村上敬宜著「金属疲労微小欠陥と介在物の影響」養賢堂出版、１９９３年３月８日

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、優れた靭性を有する厚鋼板およびその製造方法、ならびに厚鋼板の素材となる鋼片を提供することを目的とする。

本発明者は、スラブを連続鋳造する工程で不可避的に発生する中心偏析と、スラブを圧延する工程を経て得られた厚鋼板に残留する合金元素の濃化領域との関係について調査した。その結果、スラブの圧延工程において板厚方向中央部に加えられる塑性変形が不十分な場合に、スラブの中心偏析に起因する合金元素の濃化領域が厚鋼板にも残留することが分かった。そして、厚鋼板に残留する合金元素の濃化領域にて非金属介在物が生成され、その非金属介在物を起点とした脆性亀裂が発生することが明らかになった。したがって、厚鋼板の靭性を向上するためには、圧延工程にて合金元素の濃化領域を消滅させる、あるいは、非金属介在物を微小化する必要がある。

次に、本発明者は、合金元素の濃化領域を消滅するための圧延技術について詳細に研究した。その結果、板厚方向中央部は圧延工程における塑性変形が加わり難いので、スラブを圧延した後も中心偏析が厚鋼板の板厚方向中央部に合金元素の濃化領域となって残留することを見出した。

ところが、板厚が小さいスラブ、すなわち板厚方向中央部がスラブ表面に近くなるものを圧延した場合は、得られる厚鋼板の板厚方向中央部における合金元素の濃化が軽減される現象が認められた。これは、圧延工程において圧延ロールによって付与される剪断ひずみが、スラブの板厚方向中央部に強く作用し、合金元素が濃化した領域に塑性加工が加えられたためである。

つまり、板厚が大きいスラブに対しても、連続鋳造されたスラブに不可避的に発生する中心偏析をスラブの板厚方向中央部から外れた位置に移動させた後、圧延工程に供することによって、圧延工程にて十分な塑性変形が合金元素の濃化領域に加わり、合金元素の濃化領域が消滅するという知見を得た。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、連続鋳造によって得られた板厚Ｔ_CASTED（mm）のスラブを熱間圧延することによって製造される厚鋼板であって、スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面から層状に一定の厚みΔＴ（mm）≧Ｔ_CASTED／100を取り除く除去加工を施してスラブの板厚を減少させた後に、熱間圧延を行なって製造された厚鋼板である。

本発明の厚鋼板においては、厚みΔＴを取り除く除去加工が、スラブを層状に切り取る切削加工、スラブを層状に削り取る研削加工、または、スラブを層状に溶かして除去する溶削加工であることが好ましい。厚鋼板の板厚は50～150mm、引張強さは490～720MPaであることが好ましい。

また本発明は、連続鋳造によって得られた板厚Ｔ_CASTED（mm）のスラブを熱間圧延して厚鋼板を製造する厚鋼板の製造方法において、スラブを冷却した後、スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面から層状に一定の厚みΔＴ（mm）≧Ｔ_CASTED／100を取り除く除去加工を施し、次いでスラブを加熱し、引き続きスラブを熱間圧延して厚鋼板とする厚鋼板の製造方法である。

本発明の厚鋼板の製造方法においては、厚みΔＴを取り除く除去加工として、スラブを層状に切り取る切削加工、スラブを層状に削り取る研削加工、または、スラブを層状に溶かして除去する溶削加工を行なうことが好ましい。厚鋼板の板厚は50～150mm、引張強さが490～720MPaであることが好ましい。

さらに本発明は、連続鋳造によって得られたスラブの片面または両面について除去加工を施した鋼片であって、鋼片の偏析が鋼片中心からΔＴ／２以上離れている鋼片である。

なお、本発明において除去加工を施した後のスラブの板厚をＴ_REMOVED（mm）とすれば、
ΔＴ＝Ｔ_CASTED－Ｔ_REMOVED
である。

本発明によれば、優れた靭性を有する厚鋼板を得ることができる。特に板厚が50～150mm、引張強さが490～720MPaの厚鋼板においても、－45℃以下の極低温における靭性を向上することができるので、産業上格段の効果を奏する。また、副次的効果として疲労特性の向上も期待できる。

連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTEDと、除去加工を施した後のスラブの板厚Ｔ_PLANEDとを示す断面図である。試験片の形状を示す斜視図である。

図１は、連続鋳造によって得られたスラブの板厚Ｔ_CASTED（mm）と、除去加工（たとえばスラブを層状に切り取る切削加工、スラブを層状に削り取る研削加工、スラブを層状に溶かして除去する溶削加工等）を施した後のスラブの板厚Ｔ_REMOVED（mm）とを示す断面図である。

図１に示すように、連続鋳造によって得られたスラブ１の板厚はＴ_CASTEDである。スラブ１の、板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面に除去加工を施すことによって、板厚はＴ_REMOVEDとなる。以下では、除去加工を施した後のスラブの符号を３とする。

連続鋳造に起因する中心偏析は、スラブ１の板厚方向の中心線２近辺に発生する。そのスラブ１を圧延工程に供すると、板厚方向の中心線２近辺に塑性変形が加わり難いので、圧延工程を終了した厚鋼板（図示せず）の板厚方向の中心線近辺に合金元素の濃化領域が残存する。

ところがスラブ１を圧延に供する前に除去加工すると、得られたスラブ３の板厚方向の中心線４は、中心偏析が残留する中心線２とは異なる位置に移動する。そのスラブ３を圧延工程に供すると、板厚方向の中心線４には塑性変形が加わり難いが、中心偏析が残留する中心線２には十分な塑性変形を加えることができる。

したがって圧延工程にて、十分な塑性変形を中心偏析の部位に加えることが可能となり、合金元素の濃化領域を消滅させることができる。こうして非金属介在物の生成を防止し、ひいては脆性亀裂の発生を防止できる。

スラブ１の板厚Ｔ_CASTED（mm）とスラブ３の板厚Ｔ_REMOVED（mm）との差ΔＴ（＝Ｔ_CASTED－Ｔ_REMOVED）が小さすぎる場合は、スラブ３の中心線４に極めて近い位置に中心偏析が存在することになるので、スラブ３を圧延する工程において塑性変形を中心偏析の部位に加えることが困難になる。そのため、ΔＴはＴ_CASTED／100以上（ΔＴ≧Ｔ_CASTED／100）が必要である。

また、ΔＴが大きすぎる場合は、除去加工に長時間を要するので、加工コストの上昇を招く。したがって、Ｔ_CASTED／10≧ΔＴ≧Ｔ_CASTED／100が好ましい。

連続鋳造によって得られたスラブ１（板厚Ｔ_CASTED）の表面を層状に除去する除去加工は、板厚方向に対向する互いに平行な２面の片方に施しても良いし、両方に施してもよい。除去加工を両面に施す場合は、層状に除去する厚さに差を設けることによって、除去加工したスラブ３（板厚Ｔ_REMOVED）の中心線４をスラブ１（板厚Ｔ_CASTED）の中心線２とは異なる位置に移動させることができる。つまり、スラブ１の両面または片面に除去加工を施して得た鋼片に残留する偏析が、鋼片の中心からΔＴ／２以上離れるように除去加工を施す。

このようにしてスラブ１の両面または片面に除去加工を施した鋼片を熱間圧延に供して、厚鋼板を製造する。

ただし、スラブ１の両面に除去加工を施す場合は、除去加工のコストが倍増し、ひいては厚鋼板の製造コストの上昇を招く。したがって、スラブ１の片面に除去加工を施すことが好ましい。

本発明によれば、厚鋼板の鋼種や寸法に関わらず、厚鋼板の靭性を向上する効果が得られる。特に、板厚が50～150mmかつ引張強さが490～720MPaである厚鋼板（たとえばC：0.05～0.18質量％、Mn：0.9～2.0質量％、Si：0.10～0.55質量％、P：0.005～0.035質量％、S：0.001～0.035質量％を含有し、さらにCu、Cr、TI、Niの中の１種以上を含有する厚鋼板）では、靭性を向上する技術、とりわけ－45℃以下の極低温における靭性を向上する技術が確立されておらず、本発明を適用することによって多大な効果を発揮することが可能となる。

連続鋳造によって製造した板厚310mmのスラブを用いて、発明の効果を調査した。スラブの成分は、C：0.06質量％、Mn：1.91質量％、Si：0.15質量％、P：0.005質量％、S：0.002質量％、Cu：0.35質量％、Cr：0.21質量％、Ti：0.01質量％、であった。

本調査で利用した圧延機に圧延可能な板厚の制約があったため、まずスラブの両面を65mmずつ切削加工し、板厚180mmの加工スラブを得た。続いて、加工スラブに除去加工として片面切削加工を施して、板厚120mmの素材鋼板とした。これによりスラブの中心偏析を厚鋼板の板厚方向60mm（すなわち板厚方向の中心線）の位置から30mmずらすことができた。その素材鋼板を圧延に供して板厚60mmの厚鋼板を得た。圧延に際しては、スラブを1050℃に加熱し、１時間以上均熱保持したものを圧延に供した。また、圧延パス数は13とし、それぞれのパスにおける圧下率は４～６％とした。最終圧延パスの後、水冷による加速冷却を行ない、鋼板温度の制御冷却を行なった。これを発明例とする。

また比較のために、同じ成分のスラブ（板厚310mm）を従来の方法で圧延し、板厚70mmの厚鋼板を得た。これを比較例とする。

これらの厚鋼板の中心偏析領域から、夫々、Ｖノッチシャルピー衝撃試験の試験片（図２参照）を採取し、Ｖノッチシャルピー衝撃試験を－75℃で行なった。その結果を表１に示す。なお、図２中の数値の単位はmmである。

表１から明らかなように、発明例の厚鋼板は、比較例の厚鋼板よりも吸収エネルギーが向上し、脆性破面率が減少していることから、靭性が優れていることが分かる。つまり、スラブの板厚方向の中心線に加わる塑性変形が、厚鋼板内部の中心偏析領域の靭性に影響を及ぼしたと考えられる。

１連続鋳造によって得られたスラブ
２スラブ１の板厚方向の中心線
３除去加工を施した後のスラブ
４スラブ３の板厚方向の中心線

Claims

連続鋳造によって得られた板厚Ｔ_CASTED（ｍｍ）のスラブを熱間圧延して厚鋼板を製造する厚鋼板の製造方法において、前記スラブを冷却した後、前記スラブの板厚方向に対向する互いに平行な２面のうちの片面から層状に一定の厚みΔＴ（ｍｍ）≧Ｔ_CASTED／１００を取り除く除去加工を施し、次いで前記スラブを加熱し、引き続き前記スラブを前記熱間圧延して前記厚鋼板とすることを特徴とする厚鋼板の製造方法。
前記厚みΔＴを取り除く前記除去加工として、前記スラブを層状に切り取る切削加工、前記スラブを層状に削り取る研削加工、または、前記スラブを層状に溶かして除去する溶削加工を行なうことを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の製造方法。
前記厚鋼板の板厚が５０～１５０ｍｍかつ引張強さが４９０～７２０ＭＰａであることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の製造方法。
連続鋳造によって得られたスラブの片面または両面について層状に一定の厚みΔＴ（ｍｍ）≧Ｔ _CASTED ／１００を取り除く除去加工を施して鋼片とする鋼片の製造方法であって、該鋼片の偏析が鋼片中心からΔＴ／２以上離れていることを特徴とする鋼片の製造方法。