JPH0587801A - 鋼板の材質予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最終的な組織及び固溶・析出状態を算出する
ことによって、与えられた条件に従って、鋼片の材質予
測を自動的に行えるようにする。 【構成】 連続鋳造または鋼塊法によって作られた鋼片
に圧延及び冷却を施して製造される鋼板に対し、鋼片の
サイズ、成分情報及び圧延条件に基づいて圧延後のオー
ステナイト粒径及び平均転位密度を算出し（モデル２
０）、この算出結果及び冷却条件に基づいて変態組織の
構成各相の分率、平均生成温度及びフェライト粒径を算
出し、さらにその後の熱処理条件に基づいて最終的な組
織の分率、平均生成温度、フェライト粒径及び各元素の
固溶・析出状態を算出し（モデル４０）、これらによっ
て鋼板の材質を推定する（モデル７０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製品に対する物理的評
価を行うことなく厚鋼板などの組織や材質を製造段階で
予測できるようにした鋼板の材質予測方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】例えば、厚鋼板などのユーザーにおいて
は、製品の納入とともにその材質検査結果を添付するこ
とを要求してくる場合がある。この要求に対し、従来、
メーカー側は製品の一部を切り出し、これに対し物理的
な特性測定（引張強度、靭性など）を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な人為的な特性測定は多大な時間を要し、製品の出荷・
納品などに影響を与えている。

【０００４】また、現状では、完成品になった後でしか
その材質を知ることができないが、将来的には、製造前
に材質を予測し、要求される材質を精度良く確実に得ら
れる製造条件を設定するような技術の開発が望まれてい
る。

【０００５】そこで、本発明の目的は、与えられた条件
にしたがって材質予測を自動的に行えるようにした鋼板
の材質予測方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はサイズと化学成分などの鋼片情報および圧
延条件に基づいて圧延後のオーステナイト粒径および平
均転位密度を算出し、この算出結果および冷却条件に基
づいて変態組織状態を算出し、さらに熱処理条件に基づ
いて最終的な組織状態および固溶・析出物状態を算出
し、これらによって鋼板の材質を推定するようにしてい
る。

【０００７】また、加熱炉を通す場合、その加熱による
影響を考慮するため、加熱条件を入力条件に加えること
が望ましい。

【０００８】

【作用】上記した手段によれば、鋼板の製造実績もしく
は製造前に設定される条件を入力し演算させることによ
り、材質（引張強度、靭性など）の判定の鍵となる組織
構成相の分率、平均生成温度、フェライト粒径および各
元素の固溶・析出状態などが製造工程の任意の段階で求
めることができる。これにより、製造段階で材質予測を
行うことができ、また要求される材質仕様を確実に実現
可能な製造条件が設定可能であり、従来のように完成品
に対する検査測定が不要になる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明による鋼板の材質予測方法を示
す演算フローチャート、図２は本発明が適用される鋼板
製造ラインの一例を示す設備構成図である。なお、以下
においては厚鋼板の製造を例に説明する。

【００１０】図２に示すように、製造設備は圧延の前に
鋼片（例えば、長さ１〜５ｍ、幅１〜２．５ｍ、厚み２
５０ｍｍ前後）を加熱する加熱炉１、大まかな圧延を行
う粗圧延機２、粗圧延された鋼板を要求板厚に圧延する
仕上圧延機３、この仕上圧延機３によって圧延された鋼
板に生じた反りを調整するホットレベラー（ＨＬ）４、
このホットレベラー４を出た厚鋼板を冷却する冷却装置
５、および厚鋼板を熱処理する熱処理装置６の各々を備
えて構成されている。

【００１１】なお、加熱炉１、粗圧延機２、仕上圧延機
３、ホットレベラー４、冷却装置５および熱処理装置６
の各々には、その駆動を制御し、また稼動中の情報を得
るためにプロセスコンピュータ（以下、プロコンとい
う）が接続されている（加熱プロコン７、圧延プロコン
８、冷却プロコン９および熱処理プロコン１０）。これ
らプロコンは、中央制御室１２に設置された上位コンピ
ュータ（不図示）に接続され、この上位コンピュータは
生産計画にしたがって加熱プロコン７、圧延プロコン
８、冷却プロコン９および熱処理プロコン１０を管理す
る。また製品となった厚鋼板に対し、材質試験を行うた
めの機械試験システム１１が設けられ、その試験結果は
中央制御室１２に送られる。

【００１２】次に、図１に示す鋼板の材質予測法につい
て説明する。

【００１３】図１の処理を実行するには、これを実現す
るソフトウェアを作成し、これをコンピュータにロード
すればよい。

【００１４】本発明による鋼板の材質予測法は、大別す
ると製造工程に対応した初期状態モデル、熱間加工モデ
ル、変態モデル、熱処理モデルと各工程を通して元素の
固溶・析出状態を演算する析出モデルおよびそれらの演
算結果から材質を計算する組織−材質モデルの６つのモ
デルから構成されている。

【００１５】初期状態モデル２０は、鋼片情報１５およ
び加熱条件２１により加熱組織（オーステナイト、γ）
情報２２を演算する。熱間加工モデル３０は、初期状態
モデルの演算結果２２および圧延条件３１により圧延組
織情報３２を演算する。変態モデル４０は、熱間加工モ
デルの演算結果３２および冷却条件４１により変態組織
情報４２を演算する。熱処理モデル５０は、変態モデル
の演算結果４２および熱処理条件５１により熱処理後の
組織情報５２を演算する。

【００１６】析出モデル６０は、鋼片情報１５と製造条
件（加熱条件２１、圧延条件３１、冷却条件４１、熱処
理条件５１）とから各元素の固溶・析出状態を演算する
ものである。この析出モデル６０は上記各モデルと並行
して演算が行われ、逐次各モデルの演算に利用される一
方、それらの演算結果（組織情報）がモデルにフィード
バックされる。最終目的は、熱処理を終えた最終的な固
溶・析出情報６５を演算することにある。また、組織−
材質モデル７０は、熱処理モデルの演算結果５２と析出
モデルの最終演算結果６１により強度、靭性などの材質
を演算する。

【００１７】なお、組織および固溶・析出情報算出のた
めの分割時間間隔、鋼板板厚方向分割数などは必要に応
じて任意に設定でき、板厚方向の組織・材質偏差情報も
得ることができる。

【００１８】次に、各モデルの演算の詳細について図３
〜図８を参照して説明する。

【００１９】図３は初期状態モデル２０の処理の詳細を
示すフローチャートである。

【００２０】入力項目は成分・サイズなどの鋼片情報１
５および加熱条件２１としての鋼片の温度・時間情報２
０４である。この鋼片の温度・時間情報２０４は製造前
に設定される条件２０２（昇温速度、保定温度・時間）
もしくは加熱実績２０１（炉雰囲気温度、在炉時間な
ど）に基づいて加熱モデル２０３から計算される。

【００２１】計算の実行は、まず必要な定数および初期
値を設定することから始まる（ステップ２０５）。次い
で加熱中であれば状態図の計算を行う（ステップ２０
７）。周知のように鋼は温度によって結晶構造が変化
（変態）するため、ステップ２０７で計算された各状態
ごとに異なった手法で加熱組織状態（オーステナイト粒
径）を算出する。すなわち、温度に応じてオーステナイ
ト＋フェライト＋セメンタイト域、オーステナイト＋フ
ェライト域およびオーステナイト単相域の各々について
オーステナイト粒成長の計算を行うのである（ステップ
２０８）。このとき、並行して析出モデル６０を演算さ
せ、加熱中の各元素の固溶・析出状態６１を加熱組織
（オーステナイト粒径）算出条件に加える。

【００２２】図４は熱間加工モデル３０の処理の詳細を
示すフローチャートである。

【００２３】入力項目は、初期状態モデル２０の演算結
果２２、圧延時の温度・時間情報３０２および相当歪・
相当歪速度３０４などである。

【００２４】温度・時間情報３０２は、加熱温度、圧延
スケジュール（各パス毎の入・出側厚、パス間時間な
ど）および圧延ロール径・回転数などの圧延条件３１に
基づいて圧延温度モデル３０１から計算される。また相
当歪・相当歪速度３０４は、同じく圧延条件３１に基づ
き歪モデル３０３から計算される。

【００２５】鋼板を複数回パスさせて圧延を行った場
合、各パス間において、圧延→回復→再結晶を経る過程
で転位密度が図５のように変化する。このため各パス毎
に再結晶、回復を計算する必要がある。各パス毎および
圧延終了後のオーステナイト粒径、平均転位密度などの
計算は以下のように行う。

【００２６】まず、計算に必要な定数・初期値を設定す
る（ステップ３０５）。次いで、前記入力条件に基づ
き、圧延後のオーステナイトの単位体積当りの粒界面積
を計算する（ステップ３０７）。

【００２７】圧延の圧下量が大きいと、瞬時的に再結晶
すなわち動的再結晶を生じる。そこで、動的再結晶が生
じているか否かを判定し、生じている場合には転位密度
および再結晶粒径を計算する（ステップ３０８）。動的
再結晶が完了しない場合には、この後再結晶が生じるま
での時間を計算し、さらに回復の時間および静的再結晶
を計算（再結晶率、再結晶粒径）する（ステップ３０
９）。

【００２８】また、再結晶が終了している場合には粒成
長を計算し（ステップ３１０）、さらに結晶粒の平均粒
径および平均転位密度を算出（ステップ３１１）する。
これを最終パスまで繰り返すことにより最終パス情報
（オーステナイト粒界面積およびその転位密度）を得
る。なお、並行して析出モデル６０を演算させ、圧延中
の各元素の固溶・析出状態６２を上記圧延組織算出条件
に加える。

【００２９】図６は変態モデル４０の処理を詳細に示す
フローチャートである。

【００３０】入力項目は、熱間加工モデル３０の演算結
果３２、冷却条件４１（板厚、空冷・水冷区分、水量密
度、水冷装置内通板速度など）に基づいて冷却温度モデ
ル４０１から計算される冷却時の温度・時間情報４０２
および析出モデル６０で計算される冷却中の固溶・析出
状態６３である。

【００３１】鋼の変態挙動は変態前のオーステナイト状
態（オーステナイト粒径あるいは単位体積当りの粒界面
積、残留転位密度、析出物の固溶・析出状態）、冷却速
度の影響を受ける。本モデルは、上記入力項目から変態
の進行および粒界フェライト、粒内フェライト、パーラ
イト、ベイナイト、マルテンサイトなどの各組織分率、
さらにフェライトのうち形状が粒状のものについては、
その粒径および分率を計算するものである。この計算方
法は以下の通りである。

【００３２】まず、当該成分における状態図を計算し
（ステップ４０３）、各組織が熱力学的に生成可能な条
件（温度領域）を求める。次に、生成可能と判断された
組織について任意の微小時間内の変態量の増分（ステッ
プ４０６）およびフェライトについてはこの間の生成粒
数の増分（ステップ４０５）を求める。

【００３３】また、フェライトが生成する場合には形状
が針状か粒状かの判断を行い、粒状である場合にはステ
ップ４０５で求めた生成粒数を粒状フェライト粒数の増
分、ステップ４０６で求めた変態数の増分を粒状フェラ
イト量の増分とし、針状である場合には変態量の増分の
みを求める（ステップ４０７）。次に、変態に伴う発熱
などを冷却温度情報としてフィードバックするためにス
テップ４０６で得られた変態量に応じた温度変化を計算
する（ステップ４０８）。なお、この温度変化は並行す
る析出モデル６０にもフィードバックされ、冷却中の固
溶・析出状態算出に用いられる。

【００３４】以上の計算を冷却（変態）終了まで繰り返
し、変態量および粒状フェライト粒数の増分を加算する
ことにより、最終的な組織の各組織分率、粒状フェライ
トの粒径をその分率および粒数から求める（ステップ４
０９）。また、ステップ４０６、４０８の計算結果を基
にフェライト、パーライト、ベイナイトなどの各々が生
成した平均温度（平均生成温度）を計算して（ステップ
４１０）処理を終了する。

【００３５】以上の計算でフェライトを粒状、針状に分
離しておく理由は、粒状や針状の形状が材質に関与する
ことに着目したものであって、材質の予測を高精度に行
うことを可能にするためである。また、平均生成温度は
生成した温度によって材質が異なることから必要になる
もので、後記する組織−材質モデル７０などで用いられ
るものである。

【００３６】図７は熱処理モデル５０の処理の詳細を示
すフローチャートである。

【００３７】入力項目は変態モデル４０の演算結果４
２、熱処理条件５１（板厚、昇温速度、保定温度・時
間、空冷・水冷区分、水量密度など）に基づいて熱処理
モデル５０１から計算される熱処理の温度・時間情報５
０２および析出モデル６０で演算される熱処理前の固溶
・析出状態６３である。

【００３８】ここでの熱処理は焼入−焼戻処理を意味
し、モデルは焼入演算部５３と焼戻演算部５４とに分か
れている。焼入演算部５３は、前述の初期状態モデル２
０および変態モデル４０で構成され、再加熱組織状態と
焼入条件に応じた変態（焼入）組織を演算する。焼戻演
算部５４は、焼入時の組織情報５０５および固溶・析出
状態６４とから焼戻条件に基づいて炭化物・析出物の状
態、組織の分解・生成を算出する（ステップ５０７）。
このとき析出モデル６０を並行して演算し、その結果は
ステップ５０７の演算に用いられる。

【００３９】以上の計算により、最終組織構成各相の分
率、平均生成・分解温度およびフェライト粒径を算出さ
れる（ステップ５０８）。

【００４０】図８は組織−材質モデル７０の処理の詳細
を示すフローチャートである。

【００４１】ここでは、鋼板の材質を表現する降伏点、
引張強さおよび靭性を計算することを目的としている。
入力項目は、熱処理モデル５０の演算結果５２と析出モ
デル６０の演算結果である最終的な各元素の固溶・析出
状態６５である。

【００４２】まず、上記入力項目に基づいて、各組織
（フェライト、ベイナイトおよびパーライトなど）の各
々の硬さの計算（ステップ６０１）、および降伏点の計
算（ステップ６０２）を行う。次いでステップ６０１に
よる硬度計算値を用いて引張強さを計算（ステップ６０
３）する。さらに入力項目に基づいて靭性を計算（ステ
ップ６０４）し、処理を終了する。

【００４３】以上、一連の演算を行うことにより、材質
予測を行うことができる。この結果は、フロッピーディ
スクなどの記録媒体に保存されると共にプリンタによっ
て打ち出される。 〈試験例〉図９は本発明に供した鋼の化学成分、図１０
は製造条件、図１１は粒径・分率などの組織因子および
材質の実測値と上記予測法による計算値を示すものであ
る。

【００４４】図１１より明らかなように、実測値と計算
値とは近似し、きわめて高い精度で予測できたことがわ
かる。

【００４５】このように、高信頼な予測が可能になるこ
とから、将来的には、客先が要求する材質に応じ製品の
製造条件を容易に算出することも可能になる。

【００４６】なお、以上の説明においては、厚鋼板のス
ラブ再加熱プロセスを例にしたが、熱延鋼材全般および
そのスラブ直送プロセスに本発明は適用することが可能
である。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、上記の通り構成されているの
で、次に記載する効果を奏する。

【００４８】請求項１の鋼板の材質予測方法において
は、連続鋳造または鋼塊法によって作られた鋼片に圧延
および冷却を施して製造される鋼板に対し、前記鋼片の
厚みと鋼成分情報および圧延条件に基づいて圧延後のオ
ーステナイト粒径を算出し、この算出結果および冷却条
件に基づいてフェライト粒径、組織分率および各組織の
平均生成温度を算出し、さらに熱処理条件に基づいて最
終組織情報および固溶・析出情報を算出し、これらによ
って前記鋼板の材質を推定するようにしたので、製造段
階で材質仕様を確実に実現可能な製造条件が設定可能で
あり、従来のように完成品に対する検査測定が不要にな
る。

【００４９】請求項２の鋼板材質予測方法においては、
圧延条件に加え、加熱炉による加熱条件を入力条件に加
えるようにしたので、加熱炉を通した場合の影響を材質
予測に加味させることができ、より正確な材質予測が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による材質予測方法を示す演算フローチ
ャートである。

【図２】本発明が適用される鋼板製造ラインの一例を示
す設備構成図である。

【図３】初期状態モデルの詳細処理を示すフローチャー
トである。

【図４】熱間加工モデルの詳細処理を示すフローチャー
トである。

【図５】圧延時の転位密度変化を示す特性図である。

【図６】変態モデルの詳細処理を示すフローチャートで
ある。

【図７】熱処理モデルの詳細処理を示すフローチャート
である。

【図８】組織−材質モデルの詳細処理を示すフローチャ
ートである。

【図９】本発明の実施に供した鋼の化学成分を示す説明
図である。

【図１０】本発明における鋼の製造条件の一例を示す説
明図である。

【図１１】粒径・分率などの組織因子及び材質の実測値
及び本発明による予測方法による計算結果を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 加熱炉 ２ 粗圧延機 ３ 仕上圧延機 ４ ホットレベラー ５ 冷却装置 ６ 熱処理装置 ７ 加熱プロセスコンピュータ ８ 圧延プロセスコンピュータ ９ 冷却プロセスコンピュータ １０ 熱処理プロセスコンピュータ １１ 機械試験システム １２ 中央制御室 １５ 鋼片情報 ２０ 初期状態モデル ２１ 加熱条件 ３０ 熱間加工モデル ３１ 圧延条件 ４０ 変態モデル ４１ 冷却条件 ５０ 熱処理モデル ５１ 熱処理条件 ６０ 析出モデル ７０ 組織−材質モデル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤岡 政昭 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社中央研究本部内 (72)発明者 西岡 潔 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続鋳造または鋼塊法によってつくられ
   た鋼片に圧延および冷却を施して製造される鋼板に対
   し、前記鋼片のサイズ、成分情報および圧延条件に基づ
   いて圧延後のオーステナイト粒径および平均転位密度を
   算出し、この算出結果および冷却条件に基づいて変態組
   織の構成各相の分率、平均生成温度およびフェライト粒
   径を算出し、さらにその後の熱処理条件に基づいて最終
   的な組織の分率、平均生成温度、フェライト粒径および
   各元素の固溶・析出状態を算出し、これらによって前記
   鋼板の材質を推定することを特徴とする鋼板の材質予測
   方法。
2. 【請求項２】 前記圧延条件に加え、加熱炉による加熱
   条件を前記オーステナイト粒径の算出に用いることを特
   徴とする請求項１記載の鋼板の材質予測方法。