JP2003277833A

JP2003277833A - 金属板の製造方法および製造装置

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Publication number: JP2003277833A
Application number: JP2002080846A
Authority: JP
Inventors: Toru Minote; 徹簑手; Hideyuki Tsurumaru; 英幸鶴丸; Hiroshi Sawada; 弘澤田; Masayuki Yamazaki; 雅之山崎; Kenji Umadate; 健治馬立; Hiroshi Yoshimura; 洋吉村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、鋼帯をはじめとする金属板を製造す
る際に、冷却時に面外変形による形状不良を生じさせる
ことなく金属板を製造することができる金属板の製造方
法および製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】走行する金属板を冷却装置で冷却する金属
板の製造方法において、金属板の冷却により板幅方向で
の圧縮応力が発生している領域またはその近傍領域で、
金属板両面側から拘束することにより面外変形を抑制す
ることを特徴とした金属板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属板の冷却中に
発生する金属板の面外変形による形状不良を防止するた
めの、金属板の製造方法および製造装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】鋼帯をはじめとする金属板の製造におい
ては、熱間加工後、または加熱後に金属板を冷却して、
相変態を起こさせるなどして材質の作り込みを行う。そ
の際、金属板に反りや波型変形などの面外変形による形
状不良が発生することがあり問題となっている。

【０００３】この問題が特に顕著になる例として、連続
焼鈍ラインにおける焼入れ冷却がある。

【０００４】たとえば、特開平１１−１９３４１８号に
は、冷間圧延後の連続焼鈍過程において焼鈍後の高温の
鋼帯に焼入れ冷却を行うと、鋼板の板幅方向に円弧状の
反りが発生し、鋼帯形状の平坦性の劣化が著しくなるこ
とが示されている。鋼帯の形状不良が発生すると連続焼
鈍炉内の通板性が劣化し、搬送速度の低下や通板トラブ
ルを招いてしまい、また、プレス加工などの次工程にお
いても支障をきたすことになる。

【０００５】連続焼鈍ラインの焼入れ冷却時に発生する
鋼帯の形状不良対策として、特開平４−２８９１２０号
には、組織制御により鋼帯形状を改善しようとする方法
が示されており、また、特開平１１−１９３４１８号に
は、焼入れの際に、鋼帯表裏面の少なくとも幅方向の全
域に渡って５００Ｎ／ｍ²以上の圧力で加圧する方法が
示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術には、それぞれ下記のような課題がある。

【０００７】特開平４−２８９１２０号の方法は、フェ
ライトを３〜２０％析出させてから冷却し、マルテンサ
イト変態による変形をフェライトに吸収させて、鋼帯の
形状を安定化する技術であるので、当然のことながら、
マルテンサイト単相鋼には適用できない。

【０００８】特開平１１−１９３４１８号の方法では、
原理的には任意の組織を持った鋼に対応できるが、次の
ような問題がある。すなわち特開平１１−１９３４１８
号に記載の図１によれば、この発明を実施した場合で
も、浮き高さ（反り量）が１０ｍｍ程度になる場合があ
り、また張力の影響を示した図２では、張力１５Ｎ／ｍ
ｍ²で反り量が数ｍｍ程度まで減少しているが、このよ
うな高張力では鋼帯に絞りが発生する恐れがある。最近
の需要家からの要求は厳しく、反り量５ｍｍ以下という
制限を設けられることもあり、このような厳しい要求に
は特開平１１−１９３４１８号の方法では対応できな
い。

【０００９】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決し、鋼帯をはじめとする金属板を製造する際に、
冷却時に面外変形による形状不良を生じさせることなく
金属板を製造することができる金属板の製造方法および
製造装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】金属板の面外変形による
形状不良の特に顕著な例として、鋼帯の連続焼鈍ライン
における焼入れ冷却によって生じる鋼帯幅方向の形状不
良があるが、この形状不良が発生する原因について発明
者らが鋭意検討を進めた結果、以下のような機構により
形状不良が発生していることが判った。

【００１１】まず、第一の発生機構は、図７に模式的に
示すように、焼入れ開始点（冷却開始点）において鋼帯
幅方向で圧縮方向の熱応力が発生し、鋼帯が幅方向に座
屈するというものである。つまり、鋼帯のある部分が焼
入れを開始すると、焼入れ部は幅方向に熱収縮を起こす
が、焼入れ部に接した焼入れが始まっていない高温部分
は、焼入れ部の熱収縮に引っ張られて圧縮の熱応力を受
ける。そして、このように圧縮の熱応力を受ける鋼帯の
高温部分は容易に幅方向に座屈して形状不良が発生する
ことになる。

【００１２】次に第二の発生機構は、同じく図７に模式
的に示すように、冷却開始温度より低温における相変
態、特にマルテンサイト変態によるものである。オース
テナイトがマルテンサイトに変態すると体積の膨張を伴
う。そこで、鋼帯のマルテンサイト変態を起こしている
部分は幅方向に広がろうとする。ところが、その部分に
接してマルテンサイト変態を起こしていない部分がマル
テンサイトを起こした部分の幅広がりを拘束するため、
マルテンサイト変態を先に起こした部分は幅方向に発生
した圧縮応力により座屈して、形状不良が発生すること
になる。

【００１３】両者を比較すると、より高温で起こる第一
の機構のほうが形状不良の主たる発生原因となってい
る。

【００１４】さらに発明者らは、以上の発生機構の解明
に基づき、鋼帯幅方向に圧縮応力が働いている領域また
はその近傍領域において、鋼帯両面側から拘束すること
により面外変形を抑制すれば鋼帯の幅方向座屈、すなわ
ち、鋼帯の形状不良を防止できることを見出し本発明を
完成した。鋼帯両面側から拘束することにより、鋼帯の
幅方向座屈荷重を高くできるからである。

【００１５】本発明はこのような知見に基づきなされた
もので、その特徴は以下の通りである。

【００１６】（１）走行する金属板を冷却装置で冷却す
る金属板の製造方法において、金属板の冷却により板幅
方向での圧縮応力が発生している領域またはその近傍領
域で、金属板両面側から拘束することにより面外変形を
抑制することを特徴とした金属板の製造方法。

【００１７】（２）金属板の板幅方向に発生する圧縮応
力が極大となる位置と金属板をその両面側から拘束する
位置との金属板長手方向の間隔を０．２ｍ以内とするこ
とを特徴とする上記（１）に記載の金属板の製造方法。

【００１８】（３）金属板の温度を搬送方向位置で２回
微分した微分係数が１０００℃/ｍ²以上となる位置にお
いて、金属板をその両面側から拘束して面外変形を抑制
することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の
金属板の製造方法。

【００１９】（４）金属板通板ライン上において、冷却
装置による冷却開始位置の０．２ｍ以内の位置に、金属
板をその両面側から拘束して面外変形を抑制する金属板
の拘束装置を設けたことを特徴とする金属板の製造装
置。

【００２０】（５）金属板の拘束装置がピンチロールか
らなることを特徴とする上記（４）に記載の金属板の製
造装置。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の金属板の製造装
置の一実施形態を示す側面図である。

【００２２】図１の実施形態は、本発明を連続焼鈍炉の
焼鈍帯の出側に設けられた冷却装置に適用したもので、
この冷却装置は、水槽８と連続焼鈍炉の焼鈍帯で焼鈍さ
れた鋼帯４を冷却水を吹付けて所定の温度まで冷却する
ための冷却ユニット２と、鋼帯を上方に引上げるための
シンクロール３とを備えている。そして、強冷却開始位
置である冷却ユニット入口面から鋼帯長手方向０．２ｍ
以内に、鋼帯をその両面側から拘束するピンチロール１
が設けられている。

【００２３】連続焼鈍炉の焼鈍帯で焼鈍された鋼帯４は
上方から、水面５に入り、冷却ユニット２で冷却水を吹
付けられて強冷却され、所定の温度まで冷却されて、シ
ンクロール３を介して上方に引上げられる。

【００２４】このとき強冷却が開始される冷却ユニット
入口面において、鋼帯４の幅方向に圧縮熱応力が発生
し、鋼帯４は幅方向に座屈して面外変形により形状不良
が発生する原因となる。これに対して本発明では、強冷
却開始位置付近にピンチロール１を設けて、鋼帯４をそ
の両面側から拘束して面外変形を抑制する。強冷却開始
位置である冷却ユニット入口面とピンチロール１による
鋼帯拘束位置との鋼帯長手方向の間隔Ｓは、後述する実
施例における実験結果から明らかなように、０．２ｍ以
内であることが望ましい。図１の場合、ピンチロール１
による鋼帯の拘束位置は水面上と水面下のどちらでも構
わない。

【００２５】本発明は、原理的には金属板を搬送しなが
ら冷却する任意の製造装置に適用可能である。しかし、
本発明の効果がはっきりと現れるのは金属板の幅方向
（搬送方向に垂直な方向）に圧縮応力が発生し、それに
よって金属板が幅方向に座屈してできた面外変形が形状
不良の原因となっている場合である。そのような製造装
置には一般的には以下のような前提条件がある。

【００２６】まず、金属板の板厚は３ｍｍ以下である必
要がある。材質を作り込むために高温の金属板を冷却す
る場合、冷却前の金属板の温度は１０００℃以下であ
る。この温度域では、板厚３ｍｍ以上の金属板を一般的
に知られている冷却方向で冷却しても座屈しない。

【００２７】本発明が対象としている冷却装置では、冷
却装置前後における金属板のある点の温度Ｔは模式的に
図２のように変化する。このとき、同じ領域での金属板
のある点の温度Ｔを搬送方向位置Ｘで微分した微分係数
∂Ｔ／∂Ｘ、および、温度Ｔを搬送方向位置Ｘで２回微
分した微分係数∂²Ｔ／∂Ｘ²を、やはり模式的に示した
のが図３および図４である。発明者らの検討によると、
金属板の幅方向に働く応力σ_Yは、∂²Ｔ／∂Ｘ²に比例
することがわかっている。図４からわかるように、冷却
開始位置において∂²Ｔ／∂Ｘ²は最も大きくなってい
る。すなわち、金属板の幅方向圧縮応力が最大となり面
外変形が発生しやすいのは、冷却が開始される位置であ
る。金属板が幅方向の圧縮応力で面外変形するために
は、後述する実施例における実験結果から明らかなよう
に、金属板の冷却開始位置において、∂²Ｔ／∂Ｘ²が１
０００℃／ｍ²以上である必要がある。つまり、金属板
の温度を搬送方向位置で２回微分した微分係数∂²Ｔ／
∂Ｘ²が１０００℃/ｍ²以上となる位置において、金属
板をその両面側から拘束して面外変形を抑制することが
効果的で好ましい。

【００２８】連続焼鈍炉で使用されている冷却方式とし
ては、ガスジェット冷却やロールクエンチ、ミスト冷
却、ウオータークエンチがある。ロールクエンチは、水
冷ロールに金属板を巻きつけることにより冷却する方式
であるが、この方式では面外変形を許していることにな
るので、本発明における金属板をその両面側から拘束す
ることには該当しない。図５に示すように、水冷ロール
６と反対側の方向には面外変形が発生し得るからであ
る。図６のように、水冷ロール６の反対側に、金属板を
その両面側から拘束して面外変形を抑制するための拘束
ロール７を設置して金属板４をピンチすることは、本発
明の実施にあたる。

【００２９】以上の説明では、冷却開始位置での面外変
形を問題としてきたが、実際には、マルテンサイト変態
をはじめとする、他の要因によっても面外変形による形
状不良は発生しうる。金属板の板幅方向に働く圧縮応力
が発生する領域またはその近傍領域で、金属板両面側か
ら拘束することにより面外変形を抑制することは、すべ
て金属板の形状改善効果がある。

【００３０】

【実施例】連続焼鈍ラインの焼入れ冷却(ウォーターク
エンチ)による、鋼帯の幅方向形状不良について検討す
るため、図８に示すような実験装置を製作した。鋼帯の
コイルＪ２を電気加熱炉Ｊ１にて所定の温度まで加熱し
た後、鋼帯Ｊ９を払い出してコイラーＪ１１まで搬送す
る。途中、冷却ユニットＪ６にて、鋼帯Ｊ９に冷却水を
噴き付け所定の温度まで冷却する。冷却後の鋼帯Ｊ９
は、シンクロールＪ７を介しコイラーＪ１１にて巻取ら
れる。冷却装置入側温度計Ｊ４は鋼帯Ｊ９の焼入れ開始
温度を、冷却装置出側温度計Ｊ１０は鋼帯Ｊ９の焼入れ
終了温度を、それぞれ測定する。

【００３１】実験に用いた鋼帯Ｊ９は、板厚１．０ｍ
ｍ、幅１０００ｍｍで、成分として０．１％の炭素、
１．５％のマンガンおよび不可避的な不純物を含んでい
る。鋼帯Ｊ９のマルテンサイト変態開始温度は約４５０
℃である。コイルＪ２を電気加熱炉Ｊ１で８５０℃まで
加熱して払い出し、１ｍ／ｓで搬送した。冷却ユニット
Ｊ６で冷却水を噴付けて冷却し、コイラーＪ１１で巻取
った。焼入れ開始温度は７５０℃、焼入れ終了温度は１
５０℃であった。

【００３２】実験終了後のコイルを巻戻すと、図９に示
すように、板幅方向に波型の形状不良が観察された。コ
イルの断面を検鏡したところ、ほぼ１００％がマルテン
サイト組織のマルテンサイト単相鋼であった。そこで、
鋼帯Ｊ９が冷却開始される位置に近接して、鋼帯全幅を
ピンチするピンチロールＪ５により鋼帯両面側から拘束
することにより面外変形を抑制した。

【００３３】形状不良の度合いを表わすために、反り量
δを定義する。鋼帯Ｊ９の定常部分を切り出して平面上
に置き、平面と鋼帯Ｊ９が最も離れた場所における距離
を反り量δとする。図９に反り量δの定義を示す。ピン
チロールＪ５を使用しないとき反り量δは約２０ｍｍで
あった。

【００３４】ピンチロールＪ５の最適な設置場所を検討
するため以下のような実験を行った。ピンチロールＪ５
で鋼帯Ｊ９を拘束する位置と、冷却開始位置との間隔Ｓ
を図８に示すように定義し、この間隔Ｓを変化させて実
験終了後のコイルを巻戻して形状を観察した。Ｓは冷却
ユニットによる強冷却開始位置である冷却ユニット入口
面とピンチロールＪ５との間隔である。Ｓ≧０のとき、
ピンチロールＪ５は冷却開始位置よりも上にある。Ｓ＜
０のとき、ピンチロールＪ５は冷却開始位置よりも下に
あることを意味する。Ｓ＜０の実験を行うときは、冷却
ユニットＪ６を上下に分割し、上下２つの冷却ユニット
Ｊ６の間にピンチロールＪ５を設置した。

【００３５】図１０に、強冷却開始位置とピンチロール
で鋼帯を拘束する位置との間隔Ｓと鋼帯の反り量との関
係の実験結果を示す。ピンチロールＪ５を設置した位置
と強冷却開始位置の間の距離Ｓを横軸にとり、図９で定
義した反り量δを縦軸にプロットした。ピンチロールが
強冷却開始位置から離れるにつれて、反り量δは大きく
なる。−０．２≦Ｓ≦０．２の範囲では、反り量δは５
ｍｍ以下となっている。これは、現在、需要家から要望
されている最も厳しい条件を、充分に満足するものであ
る。

【００３６】発明者らが行った理論的な検討によると、
冷却の過程で金属板に発生する圧縮応力σ_Yは、∂²Ｔ／
∂Ｘ²に比例し、冷却開始位置において最大となる。σ_Y
によって、金属板が座屈して幅方向の形状不良が発生す
ることは、上述したとおりである。そこで、次に∂²Ｔ
／∂Ｘ²と形状不良の因果関係を調べるための実験を行
った。

【００３７】図１１に∂²Ｔ／∂Ｘ²を調べるための実験
装置を示す。熱電対を装着したサンプルＫ１を、加熱装
置Ｋ２で所定温度に加熱した後、サンプル搬送装置Ｋ４
でサンプルＫ１を冷却水を噴出している冷却ユニットＫ
３に送り込んで冷却する。図１１（ａ）は、サンプル搬
送装置Ｋ４でサンプルＫ１を冷却水を噴出している冷却
ユニットＫ３に送り込む前の状態を示し、図１１（ｂ）
は、サンプル搬送装置Ｋ４でサンプルＫ１を冷却水を噴
出している冷却ユニットＫ３に送り込んだ状態を示して
いる。

【００３８】冷却ユニットＫ３と図８の冷却ユニットＪ
６は同じものである。熱電対で測定した温度履歴と、加
熱装置Ｋ２から冷却ユニットＫ３へのサンプルＫ１の搬
送速度をもとに、冷却開始点における∂²Ｔ／∂Ｘ²を算
出した。冷却ユニットＫ３からの冷却水の噴出量と、サ
ンプルＫ１の搬送速度を種々変更し、それぞれの条件に
ついて冷却開始点における∂²Ｔ／∂Ｘ²を求めた。

【００３９】図１１に示す実験装置での冷却ユニットＫ
３からの冷却水の噴出量と、サンプルＫ１の搬送速度の
組み合わせと全く同一の条件で、図８に示す実験装置で
の冷却ユニットＪ６からの冷却水の噴出量と、鋼帯Ｊ９
の搬送速度の組み合わせを設定して実験を行い、鋼帯の
反り量δを測定した。つまり、図１１に示す実験装置か
らサンプルＫ１の冷却開始点における∂²Ｔ／∂Ｘ²を算
出し、図８に示す実験装置からサンプルＫ１と同一組
成、同一板厚の鋼帯Ｊ９の反り量δを測定した。実験に
使用した鋼帯Ｊ９およびサンプルＫ１の板厚は０．８〜
１．２ｍｍである。ピンチロールＪ５は使用していな
い。

【００４０】図１２に、図１１の実験装置を用いて測定
した∂²Ｔ／∂Ｘ²を横軸、図８の実験装置を用いて測定
した反り量δを縦軸にプロットしたものを示す。

【００４１】∂²Ｔ／∂Ｘ²が１０００を越えたところ
で、δが急速に立ち上がっていることが判る。この結果
から、本発明は、冷却開始点における∂²Ｔ／∂Ｘ²が、
１０００を越える冷却装置に適用されるべきであること
が判る。

【００４２】

【発明の効果】本発明により、冷却による金属板の形状
不良が改善できた。その結果、次のような効果が期待で
きる。歩留まりが向上する。搬送速度を上げること
ができ、生産性が向上する。プレス成型などの後工程
におけるハンドリング性が改善する。テンパーなど、
形状矯正の工程が省略され製造コストが低減できる。
金属板をコイル状に巻いて出荷する場合には、巻姿が良
くなり需要家に好印象を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属板の製造装置の一実施形態を示す
側面図

【図２】金属板の温度変化を示す説明図

【図３】金属板の温度を搬送方向位置で微分した微分係
数の変化を示す説明図

【図４】金属板の温度を搬送方向位置で２回微分した微
分係数の変化を示す説明図

【図５】ロールクエンチの実施例を示す説明図

【図６】ロールクエンチに本発明を適用したときの実施
例を示す説明図

【図７】金属板の形状不良の発生機構を示す説明図

【図８】本発明の効果を検証した実験装置を示す説明図

【図９】鋼帯の形状不良と反り量の定義を示す説明図

【図１０】ピンチロール設置位置と鋼帯の反り量との関
係の一例を示すグラフ

【図１１】サンプルの∂²Ｔ／∂Ｘ²を測定するための実
験装置を示す説明図

【図１２】∂²Ｔ／∂Ｘ²と反り量δとの関係の一例を示
すグラフ

【符号の説明】

１ピンチロール２冷却ユニット３シンクロール４鋼帯５水面６水冷ロール７拘束ロール８水槽Ｊ１加熱炉Ｊ２コイルＪ３ルーパーＪ４冷却装置入側温度計Ｊ５ピンチロールＪ６冷却ユニットＪ７シンクロールＪ８水槽Ｊ９鋼帯Ｊ１０冷却装置出側温度計Ｊ１１コイラーＫ１サンプルＫ２加熱装置Ｋ３冷却ユニットＫ４サンプル搬送装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者澤田弘東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者山崎雅之東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者馬立健治東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者吉村洋東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 4K032 BA01 CJ00 CM00 4K037 FF00 FH01 FJ00 FK00 JA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走行する金属板を冷却装置で冷却する金
属板の製造方法において、金属板の冷却により板幅方向
での圧縮応力が発生している領域またはその近傍領域
で、金属板両面側から拘束することにより面外変形を抑
制することを特徴とした金属板の製造方法。
【請求項２】金属板の板幅方向に発生する圧縮応力が
極大となる位置と金属板をその両面側から拘束する位置
との金属板長手方向の間隔を０．２ｍ以内とすることを
特徴とする請求項１に記載の金属板の製造方法。
【請求項３】金属板の温度を搬送方向位置で２回微分
した微分係数が１０００℃/ｍ²以上となる位置におい
て、金属板をその両面側から拘束して面外変形を抑制す
ることを特徴とする請求項１または２に記載の金属板の
製造方法。
【請求項４】金属板通板ライン上において、冷却装置
による冷却開始位置の０．２ｍ以内の位置に、金属板を
その両面側から拘束して面外変形を抑制する金属板の拘
束装置を設けたことを特徴とする金属板の製造装置。
【請求項５】金属板の拘束装置がピンチロールからな
ることを特徴とする請求項４に記載の金属板の製造装
置。