JP5050537B2 - 厚鋼板の切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャー剪断のような機械的切断方法による厚鋼板の切断方法に関し、特に搬送ライン上に設けた冷却装置で冷却を行う高強度鋼板のオンライン切断時に生じる、鋼中残留水素に起因した断面割れの発生防止に好適なものに関する。

近年、厚鋼板は高強度化と厚肉化が要求され、その生産性確保のため、加熱・圧延・冷却・精整の各工程においてオンライン処理化が求められている。ラインパイプ用厚鋼板の場合、大量に生産されるため、オンライン処理化の要望が強く、Ｘ１２０グレード鋼板をオンラインで安定的に生産する技術の確立が急務となっている。

オンライン化された高強度厚鋼板の量産プロセスにおける課題の一つとして、オンライン切断時に生じる断面割れが挙げられる。断面割れは高強度材ほど発生し易く、切断後の断面に板厚１／２部（中心部）の偏析部近傍を起点とした水平割れ及び斜め割れが生じる。

特に、ラインパイプ用厚鋼板の場合、切断時に２〜３ｍｍ程度の深い亀裂が生じると、造管時に割れが拡大して重大な欠陥となるため、断面割れの防止が必要である。

断面割れは鋼板中の水素に起因する水素脆化割れによるものとされ、断面割れを防止する方法として、切断前における鋼板徐冷プロセスが有効なことが従来から知られている。

鋼板徐冷により水素割れを抑制する技術として、例えば特許文献１には、特に鋼板端部において効率的な徐冷を行うための鋼板積重ね方法が開示され、特許文献２には、徐冷ボックス内に鋼板を積置きした後、減圧する事により徐冷効率の向上を図る方法が開示されている。

また、特許文献３には、鋼板の降伏応力（ＹＳ）の予測値から割れ臨界水素濃度Cthを求め、スラブ徐冷及び成品徐冷による残留水素率から最適な徐冷時間を算定する方法が開示されている。
特開平１０−２０２３１２号公報 特開２００１−３０３１２７号公報 特開平１０−２５１７４６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている鋼板徐冷を行う方法は、冷却床上の鋼板をクレーンにより持ち上げ、徐冷場所に山積みするオフライン処理が必要で、長い処理時間を要する上に、表面疵発生等も懸念される。

更に、一般に積重ね徐冷は、板厚，冷却終了温度によって徐冷温度，徐冷時間が変化するため、十分な徐冷効果が常に得られるわけではない。

また、特許文献３記載の方法は水素割れに及ぼす徐冷の影響のみを考慮したものであり、鋼板の加速冷却の影響は考慮されておらず、ある特定の温度、例えば、切断時の温度（１００〜２００℃）における鋼板水素量を予測する方法については明記されていない。

例えば、加熱炉挿入直前のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）／鋳込み直後のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）で定義されるα，工場より出荷する直前の製品残留水素値（ｐｐｍ）／加熱炉挿入直前のスラブ残留水素値（ｐｐｍ）で定義されるβで規定される残留水素率の値も、実際の水素の拡散現象を的確に評価して与えられたものではなく、切断後の水素割れ発生有無を評価する方法として用いる事は出来ない。

このように、特許文献１〜３に記載の、切断後の水素割れ発生を防止するため、鋼板を徐冷して水素を除去する方法は、実操業においてはその効果が不安定で、Ｘ１００グレードを超えて、より高強度化・薄肉化が予想されるラインパイプ用厚鋼板に適用できる技術とは言い難い。

そこで、本発明は、加速冷却により製造されるＸ１００グレードを超える高強度厚鋼板であっても、オンライン切断において鋼中水素に起因する断面割れを水冷後における厚鋼板の徐冷を行うことなく防止する方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成される。
１．熱間圧延後に冷却し、切断後は切断面が溶接される厚鋼板の切断方法であって、前記厚鋼板の切断面を切断面の温度Ｔ_ｓがＡ_ｃ１ 変態温度以上となるまで３５℃／ｓｅｃ以上で加熱することを特徴とする、厚鋼板の切断方法。
２．熱間圧延後に冷却した厚鋼板を切断した後、切断面を３５℃／ｓｅｃ以上でＡ _ｃ１ 変態温度以上まで加熱する厚鋼板の切断方法において、前記切断面に対して垂直方向に距離α＋β（α：切断面切削予定代，β：溶接時の溶接金属との融合代、但し、α＝０を含む）以上内側となる母材側の最高到達温度Ｔ_ｍａｘが、５００℃以下になるように切断面を３５℃／ｓｅｃ以上で加熱することを特徴とする、厚鋼板の切断方法。
３．切断面の加熱を行った直後に、前記切断面を冷却することを特徴とする、１または２記載の厚鋼板の切断方法。

本発明によれば、鋸刃切削方式やシャーによる剪断方式などオンライン化が容易な非加熱式切断方法において割れ発生を効果的に抑制する事が可能で、厚鋼板の切断作業前に、水素除去のための徐冷が不要となる。

その結果、厚鋼板搬送ライン上に設けた冷却装置による冷却後、引き続き、オンライン上で切断し、生産性良く大量の高強度厚鋼板を製造することが可能で、産業上極めて有用である。

本発明は、厚鋼板の切断面を局所的に急速加熱してＡ_ｃ１変態温度以上まで加熱する事により、切断面近傍の加工組織のみを選択的に変態させ組織を軟化させると共に、切断時の残留応力を低減させる方法である。以下、説明する。

まず、鋼板１を切断線１１で機械的切断すると（図１（ａ）），鋼板１に切断面２が生じる。切断面２の近傍は、加工歪を受けた領域２１となり変形する（図１（ｂ））。

本発明で、切断面のみを局所的に急速加熱する理由は、シャー剪断など厚鋼板の機械的切断では、切断時に加工歪を受ける部分は切断面近傍に限定されるためである。

加工歪を受ける部分は、切断面から母材側へ切断時の上下刃のクリアランス（通常、板厚の約１０％程度）分だけ内側にはいった領域で、当該領域は加工硬化して割れ易くなっている上に、高い引張り残留応力が残存しているため、偏析や鋼中水素等による僅かな脆化要因でも割れが発生する。本発明で切断面とは切断面と上記領域を含む部分までとする。

本発明では、加工硬化（即ち転位歪）及び残留応力に伴う残存歪エネルギーを低減するため、切断面の急速加熱を行い、該加工組織をＡ_ｃ１変態温度以上まで加熱する。即ち、変態により残存歪エネルギーを低減させる。

Ａ_ｃ１変態温度未満で回復・再結晶主体に残留応力を低減する方法と異なり、切断面の材質そのものが急速加熱前の材質から変化するが、厚鋼板の場合、溶接により切断面は溶融されるので当該切断面における材質変化は許容される。

即ち、切断面のごく近傍は切断後の溶接により、溶接材料と共に高温で溶融されて溶接金属となるため、溶接前に自由に熱履歴を与える事が可能である。

切断面加熱を急速加熱とする理由は、溶接により溶融しない、切断面から離れた母材側も、切断面を加熱することにより材質が変化する可能性があるためで、該切断面加熱を急速加熱、即ち切断面近傍の局所領域のみを短時間で昇温させ、母材側への入熱を出来るだけ小さくする。

急速加熱の昇温速度は、例えば加熱前の切断処理ピッチを阻害しないように、少なくとも２８℃／ｓｅｃ以上（７００℃昇温であれば２５秒以内）の昇温速度を選択すればよい。

本発明では、急速加熱は、前記切断面に対して垂直方向に距離α＋β（α：切断面切削予定代，β：溶接時の溶接金属との融合代、但し、α＝０を含む）以上内側となる母材側の最高到達温度Ｔ_ｍａｘが、母材材質に影響を及ぼす最低温度Ｔ_ｒ以下になるように行う。

本発明を突合せ溶接継手を対象に説明する。開先加工のために切断面から切削する切削代（開先加工前の切断面４を原点とし、切断面４から開先線３までの切削距離）を距離α、突合せ溶接継手における溶接金属６の幅の１／２を距離βとすると、切断面４から距離α＋β以内の部分は、切断面加熱後に切削または溶接により溶融されるため、切断面加熱の段階では自由に熱履歴を与える事が可能である（図２、３）。

一方で、距離α＋βを超えて母材側に近づいた位置における入熱量、即ち昇温量が大きくなり、該位置での最高到達温度Ｔ_ｍａｘが、母材材質に影響を与える温度Ｔ_ｒを超える温度まで上昇すると、母材材質が変化する。

従って、本発明では、母材材質への影響を回避しつつ、切断面近傍の硬度低減及び残留応力低減効果のみを得るため、Ｔ_ｍａｘ≦Ｔ_ｒとなるように切断面の加熱速度を制御する。

具体的な加熱条件は、予め、実験により、切断面を加熱する際の加熱速度が、切断面より母材側で、溶接後も残留する位置での最高到達温度Ｔ_ｍａｘに及ぼす影響を求めておき、得られた結果を利用して選定する。
例えばαとしては５〜１０ｍｍ、βは板厚によるが１５ｍｍ厚の板で１０ｍｍ、Ｔ_ｒとしては、例えば再結晶温度（５００℃前後，内部歪等に依存して変化）等を対象材の目標材質に応じて決定する。Ｔ_ｍａｘについては、例えば伝熱距離が短いために１次元的な熱拡散のみを考慮すれば、端面入熱条件と一般的な1次元非定常熱伝導方程式を与える事で容易に導出出来る。

図５は切断面から母材側に１ｍｍとなる位置での最高到達温度を、切断面の加熱速度（本実験では、バーナー火口送り速度とする）ｖを種々に変化させた場合について求めた結果で、加熱速度ｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃの条件にて切断面温度は最も上昇し、最高到達温度はＡ_ｃ１変態温度以上の約７４０℃に達している。

同時に、切断面から母材側に１０ｍｍとなる位置での最高到達温度を求めた結果を図６に示す。切断面から母材側に１ｍｍとなる位置での最高到達温度と比較すると、加熱速度ｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃの条件では母材側の昇温も大きくなり、最高到達温度は５００℃以上に達している。

鋼材は、５００℃を超えると、一般に回復や再結晶により材質変化が生じるので、５００℃をＴ_ｒとすると、図５、６より母材の材質変化をもたらさずに切断面を局所的に急速加熱してＡ_ｃ１変態温度以上まで加熱する場合、必要な加熱速度としてｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃ以上が必要なことが、把握される。

切断面近傍の昇温速度は、図５のＡ_ｃ１変態温度以上まで加熱する際の加熱速度ｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃでの昇温カーブの平均的な勾配より、昇温速度３５℃／ｓｅｃ以上となる。尚、Ｔ_ｍａｘは、切断面の温度を加熱条件から推定した
計算値、或いは放射温度計により実測して得られた値とし、距離α＋βにおける温度の最高温度とする。

図７、８は上述の実験結果を模式的に示し、切断面での加熱速度（昇温速度）を早くして（図７）、切断面より内側となる母材での最高到達温度をＴｒ以下とする（図８）本発明の技術的思想を示している。

上述した実験は、図４に示す試験片（１８厚×１００幅×２５長（ｍｍ））を用いて、機械的切断法による切断面２をアセチレンガスバーナーのバーナー火口送り速度ｖを２〜１０ｍｍ／ｓｅｃで変化させて加熱を行った。

切断面２の中央において、垂直距離ａがそれぞれ１ｍｍ（切断面）、１０ｍｍ（母材側）となる位置にφ０．５ｍｍのＫシース熱電対を取り付け、切断面２を加熱した際の温度履歴を記録した。

バーナーは厚鋼板溶断用の火口を用いた。加熱条件は、酸素分圧０．２ＭＰａ、アセチレンガス分圧０．０３ＭＰａ、火口高さ１０ｍｍとした。

ここで、距離ａ＝１０ｍｍが前記α＋βに相当する距離と仮定すれば、切断面から１０ｍｍを超えて母材側に近づいた位置での温度が母材側熱影響を表す指標となる。

切断面の加熱速度の調整のみで母材の最高到達温度をＴｒ温度とすることが難しい場合は、切断面を加熱後に、冷却を行う。

例えば誘導加熱装置のように材料自体の発熱を利用した加熱方法を用いる場合、加熱速度は大きくとれるものの、発熱領域が大きければ母材側への入熱も同時に大きくなる。

また、加熱する板自体の板厚が大きい場合、必然的に断面からの入熱量が大きくなるため、母材側への入熱も大きくなる。

このような場合、切断面を十分に昇温させた後に切断面を衝風ないし水冷等の方法で冷却する事により、切断面へ与えた熱を外部に逃がし、母材側への入熱を抑える事が可能である。

尚、距離βより母材側となる部分は溶接前にＴｒ以下に加熱され、溶接により更に溶接熱サイクルが重畳されるが、本発明では当該溶接熱サイクルによる材質劣化は考慮しない。

１４ｍｍ厚のＸ１００グレードの鋼板（Ac1変態点：７２３℃）より、１４ｍｍ厚×１００ｍｍ幅×３２０ｍｍ長のサンプル２枚を切り出した後、実験用剪断機によりクリアランスｄ＝１．５ｍｍでそれぞれ切断を行った。

切断後サンプルのうち１枚について加熱速度を変えて、切断面加熱を行い、切断面近傍の残留応力変化及び水素割れ感受性の比較を行った。他の一枚は切断ままで、切断面近傍の残留応力及び水素割れ感受性を測定した。

切断面加熱は、アセチレンガスバーナー（酸素分圧０．２ＭＰａ、アセチレンガス分圧０．０３ＭＰａ、火口高さ１０ｍｍ）を用いた。バーナー火口送り速度ｖは、切断時に加工歪みを受ける部分が切断面から深さ方向１．５ｍｍ程度であるので、当該部分の到達温度が４４０℃となるｖ＝６ｍｍ／ｓｅｃと、７４０℃となるｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃの加熱速度で加熱した。

図９に各サンプルの断面中央位置Ｘ線残留応力測定結果及び硬度測定結果を示す。縦軸のσ_ｚは板厚方向、σ_ｙは板幅方向の残留応力を示す。切断ままのサンプルは強加工の影響で非常に大きい引張り残留応力が生じているのに対し、切断後に断面バーナー加熱を行った試験材のうち、加熱速度ｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃで加熱した場合、即ちＡ_ｃ１変態温度以上まで急速加熱を行ったサンプルにおいて、σ_ｚ、σ_ｙともに切断ままのサンプルより大幅に低減されている。また、残留応力の低減と共に、硬度についても大幅に低減された。
一方、加熱速度ｖ＝６ｍｍ／ｓｅｃで加熱した場合は、図５の結果に示したように到達温度がＡ_ｃ１変態温度以下であるため、若干の残留応力低減が見られるものの、効果は極めて限定的である。

次に水素割れ感受性を調査するため、切断ままのサンプルと切断後にバーナー加熱を行ったサンプルに水素チャージを行った後、カラーチェックにより断面割れの有無を観察した。

まず、前記Ｘ線残留応力測定後の各サンプルから、当該測定面、すなわち切断面を残して、１４ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍの寸法に切り出し、断面部以外を表面研磨し０．１Ｎ−Ｈ_２ＳＯ_４中で陰極水素チャージ（−１．２Ｖ〔ｖｓＳＣＥ〕，２４ｈ）を行った。

カラーチェック後に断面観察を行ったところ、切断ままのサンプルでは断面に多数の割れが発生しており、微小な水素量でも水素割れが起こり易い事が認めら、一方、切断後に加熱速度ｖ＝２ｍｍ／ｓｅｃでバーナー加熱を行ったサンプルについては割れが発生せず、切断後の急速加熱による水素割れ発生抑制効果が確認された。
加熱速度ｖ＝６ｍｍ／ｓｅｃでバーナー加熱を行ったサンプルについては微小ではあるが割れが発生しており、図９の残留応力測定結果も含め、加熱効果が不十分である事を示している。表１に試験結果を示す。

図１０は、バーナー加熱の替わりに誘導加熱装置（５０ｋＨｚ，Ｍａｘ１５０ｋＷ）を用いて上記同様にサンプルの急速加熱を行い、更に、加熱直後に水冷を行ったサンプル切断面について、Ｘ線残留応力の測定を行った結果である。

切断ままのサンプルの試験結果を合わせて示す。切断ままの時点で大きな引張り残留応力が発生しているのに対し、誘導加熱＋水冷後のサンプルでは残留応力が低減され、むしろ冷却時の温度履歴に起因して若干の圧縮残留応力となっていることが確認された。

表２に水素チャージ実験を行った結果を示す。誘導加熱＋水冷を行ったサンプルでは割れ抑制効果が確認された。本発明によれば、切断面急速加熱を行った後に水冷を行った場合も、割れ抑制効果が得られる。

厚鋼板の切断作業を模式的に説明する図で（ａ）は切断位置、（ｂ）は切断面を説明する模式図。 開先加工を説明する模式図。 突合せ溶接継手を説明する図。 試験片形状を説明する図。 切断面から母材側に１ｍｍとなる位置での最高到達温度に及ぼす、切断面の加熱速度の影響を示す図。 切断面から母材側に１０ｍｍとなる位置での最高到達温度に及ぼす、切断面の加熱速度の影響を示す図。域βを示す図。 図５の試験結果を模式的に示す図。 図６の試験結果を模式的に示す図。 実施例（断面中央位置Ｘ線残留応力測定結果及び硬度測定結果を示す図）。 実施例（誘導加熱装置による、加熱直後に水冷を行った場合の、Ｘ線残留応力測定結果を示す図）。

符号の説明

１、１ａ，１ｂ 鋼板
１１ 切断線
２ 切断面
２１ 領域
３ 開先線
３１ 突合せ面（ルートフェース）
４ 切断面
６ 溶接金属
７ 溶接熱影響部
８ 試験片

Claims (3)

1. 熱間圧延後に冷却し、切断後は切断面が溶接される厚鋼板の切断方法であって、前記厚鋼板の切断面を切断面の温度Ｔ_ｓがＡ_ｃ１ 変態温度以上となるまで３５℃／ｓｅｃ以上で加熱することを特徴とする、厚鋼板の切断方法。
2. 熱間圧延後に冷却した厚鋼板を切断した後、切断面を３５℃／ｓｅｃ以上でＡ _ｃ１ 変態温度以上まで加熱する厚鋼板の切断方法において、前記切断面に対して垂直方向に距離α＋β（α：切断面切削予定代，β：溶接時の溶接金属との融合代、但し、α＝０を含む）以上内側となる母材側の最高到達温度Ｔ_ｍａｘが、５００℃以下になるように切断面を３５℃／ｓｅｃ以上で加熱することを特徴とする、厚鋼板の切断方法。
3. 切断面の加熱を行った直後に、前記切断面を冷却することを特徴とする、請求項１または２記載の厚鋼板の切断方法。

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