JP4815913B2 - 厚鋼板の剪断割れ防止方法 - Google Patents

Description

本発明は鋼中の残留水素に起因する厚鋼板の剪断割れ防止方法に関し、特に搬送ライン上に設けた冷却装置で、冷却を行う高強度ラインパイプ用鋼板に好適なものに関する。

ラインパイプ用厚鋼板は厚板分野における収益の一翼を担う重要な製品で、大量生産を特徴とし、年々高強度化している。量産にあたっては、将来的にＸ７０〜Ｘ１００グレードの安定生産を目的とした技術の確立が求められている。

高強度ラインパイプ材の量産プロセスにおける課題の一つとして、オンライン剪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、剪断後の断面に板厚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。特に剪断時に２〜３ｍｍ程度の深い亀裂が生じた場合、造管時に割れが拡大して重大な欠陥となるため、その抑制に十分な配慮が必要である。

剪断前における鋼板徐冷プロセスが、この剪断割れを防止する方法として有効である事は従来から知られ、剪断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であると想定されている。

特に近年、厚板はＨＣＲやＴＭＣＰを用いた製造方法が主流で、鋼中水素が十分に除去されないまま冷却され、水素過飽和の状態でシャーラインに搬送される傾向にあるため、剪断後の水素割れが発生し易い環境となっている。

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）予測値を元に割れ臨界水素濃度Ｃ_ｔｈ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。

上述した鋼板を徐冷して水素を除去する方法は水素割れを抑制する方法として、実際の鋼板製造プロセスにおいても実施されており、剪断後の水素割れ抑制にも有効と考えられている。
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記載の方法は徐冷による影響のみを考慮したものであり、鋼板の加速冷却による影響や、ある特定の温度、例えば剪断時の温度（１００〜２００℃）における鋼板水素量を予測する方法を明記したものではない。

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た形で与えられたものではなく、剪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、剪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、より高強度化が予想されるラインパイプ用鋼に適用できる技術とは言い難く、生産性も大きく低下させる。

そこで、本発明は、Ｘ７０〜Ｘ１００グレード高強度ラインパイプ用鋼の鋼中水素に起因する剪断割れを、生産性を低下させる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により達成される。
１．熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断機により剪断後、更に剪断後の端部を切断して剪
断割れを防止する方法において、
剪断時の前記厚鋼板中水素濃度Ｃ_Ｈを求め、Ｃ_Ｈが２ｐｐｍ以上の場合は前記剪断後の端部から、前記剪断機の上刃と下刃のクリアランス量以上を切断除去する事を特徴とする厚鋼板の剪断割れ防止方法。

２．前記剪断時の厚鋼板中水素濃度Ｃ_Ｈを、前記厚鋼板のスラブ製造時の水素レードル分析値、或いは前記水素レードル分析値から予測される圧延終了時の厚鋼板水素濃度Ｃ_Ｈ０を元に、計算により求めることを特徴とする１記載の厚鋼板の剪断割れ防止方法。

本発明によれば、剪断後、水素割れが発生し易い鋼板と発生し難い鋼板とが剪断前に予め分別され、水素割れが発生し易い鋼板についてのみ剪断後、切断を行うため、剪断ライン負荷を抑えつつ高強度材のオンライン剪断を行う事が可能となる。その結果、ガス切断のような低能率な切断方法を行う必要が無くなり、高強度材の大量受注にも柔軟に対応出来、産業上極めて有用である。

本発明は、剪断時における鋼中水素量を予測し（第１工程）、水素割れの発生が懸念される場合は、引張応力の原因となる剪断面の残留応力を低減させるため、剪断された端部の一部を切断除去すること（第２工程）を特徴とする。
（第１工程）
スラブ鋳造前の水素のレードル分析値よりスラブ段階での水素濃度を求める事は可能で、スラブ寸法、スラブ加熱温度、圧延パススケジュール等が明確な場合は、圧延終了時点における厚鋼板中の水素濃度を前記レードル分析値に関連付けて予め求めておく事が可能であるから、
スラブ段階または圧延終了時点での鋼中水素濃度（以下、初期水素濃度：Ｃ_Ｈ０）と、圧延終了後冷却して剪断する時点における厚鋼板中の水素濃度（以下、剪断時の水素濃度：Ｃ_Ｈ）の関係を拡散モデルを用いた計算や、小サンプルによる実験的手法により予め求めておく。

例えば、初期水素濃度をＣ_Ｈ０とし、以降の圧延，水冷，空冷における温度履歴実績等を用いて、剪断時の厚鋼板中の水素濃度Ｃ_Ｈを拡散モデル計算にて求める。ここで剪断時とは、剪断開始直前の時点を示しており、圧延終了時点を時刻０とすると、圧延終了から剪断開始までの時間の実績値或いは予測値から与えられる。

次に、鋼板材質と剪断割れ発生限界水素量とは相関があり、一般に高強度材ほど水素割れが起こり易い等の傾向があるため、所望する材質に応じた剪断時水素濃度の許容値Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}を予め求めておき、上記計算により求めた剪断時の水素濃度Ｃ_Ｈと比較し、剪断後の処理の要否を判定する。

Ｃ_Ｈ≧Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}の場合、剪断後に水素割れの発生が懸念されるとして剪断後、水素割れ防止のための処理を実施し、Ｃ_Ｈ＜Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}の場合、剪断後に水素割れが発生する可能性が低いとして、水素割れ防止のための処理は実施しない。

以下、具体的に説明する。水素の拡散は、次の数１で示す、１次元の非定常拡散方程式により表わす事にする。

ここで、〔ｘ：板厚方向（ｍｍ）（板厚２ｌ，ｘ＝０・・・板厚中央，｜ｘ｜＝ ｌ・・・表裏面），Ｃ （ｘ，ｔ）：水素濃度（ｍａｓｓ ｐｐｍ），Ｄ：拡散係数（ｍ^２／ｓｅｃ），ｔ：時間（ｓｅｃ）〕、時刻ｔ＝０における初期条件は次の数２、境界条件は次の数３とすると、上記数１の解として、次の数４が得られる。数４において、τは数５で与えられる。

水素拡散係数Ｄについては各種文献値が報告されているが、ここでは次の数６により得られるものとする。

次に初期水素濃度Ｃ_Ｈ０を、鋼板平均温度Ｔが７３０℃の時点（時間ｔ＝０とする）での次の数７による水素平均濃度とする。

Ｃ_Ｈ０が水素レードル値との相関で予め与えられているとし、例えば、Ｃ_Ｈ０＝３（ｍａｓｓ ｐｐｍ）とする。

数５の計算を行う際、数６の温度Ｔが時間ｔの関数として与えられている必要がある。高強度材の温度パターンの一例として、制御冷却時の強冷却前提で、
「温度」 冷却開始温度：７３０℃ 冷却停止温度：２００℃ 剪断温度：１００℃
「冷速」 ７３０℃〜２００℃：２０℃／ｓｅｃ ２００℃〜１００℃：０．２℃／ｓｅｃ（空冷）として与えると、温度Ｔと時間ｔの関係は、０＜ｔ≦２６．５の場合は、次の数８、２６．５＜ｔ≦５２６．５の場合は、次の数９で表される。得られた関係を数６に代入し、数５及び数４の計算を行う。

図５に、板厚２５ｍｍの厚鋼板（Ｘ１００グレード材）について上述の方法で求めた初期水素濃度分布（ｔ＝０）と、剪断時水素濃度分布（ｔ＝５２６．５）を示す。

図より、圧延終了時点（ｔ＝０）から剪断時（ｔ＝５２６．５）までの水素量の減少は小さくなっている。これは、高強度鋼板の場合、冷却停止温度が低く、十分な水素拡散時間が確保出来ない事などに起因する。

剪断時水素濃度の許容値Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}は材質によって異なるが、例えば、Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}＝２ｐｐｍとした場合、図５において剪断時水素濃度分布（ｔ＝５２６．５）から板厚平均の水素濃度を計算で求めるとＣ_Ｈ＝２．８ｐｐｍで、Ｃ_Ｈ≧Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}であるため、剪断後、水素割れを防止するための処理を実施する。

以上の説明では、水素濃度として板厚平均の水素濃度を用いたが、Ｃ_Ｈ及びＣ_{ｌｉｍｉｔ}として、鋼板中で最も水素濃度が高くなる板厚中心部の水素濃度Ｃ（０，ｔ）を用いても良い。

（第２工程）
Ｃ_Ｈ≧Ｃ_{ｌｉｍｉｔ}の場合、剪断後、水素割れを防止するための処理として、剪断機の切断により生じた端部から、前記剪断機の上刃と下刃のクリアランス量以上を切断除去する。

すなわち、厚鋼板を所望する寸法に剪断機により切断後、更に切断後の端部を、少なくとも剪断時の歪が残留する領域、剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ（通常板厚の１０％前後）内側となる領域を除去するように、新たに切断する。

ここで対象とする厚鋼板は、その強度や設備仕様にも依存するが、一般的な板厚 ６ｍｍ〜４０ｍｍ程度のものである。

ＦＥＭ解析による剪断面歪分布より、剪断時に強加工が付与される領域に残存する歪が水素割れを助長する残留応力発生の原因となっているため、強加工が付与される領域である剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ（通常板厚の１０％前後）に相当する領域を、剪断後の端部から新たに切断除去し、水素に起因する割れの開口を助長する残留応力を低減する。
尚、第２工程の実施は剪断機による切断でもエッジミラー等による切削でも可能であるので、切断には切削も含むものとする。

図６は、実際の高強度ラインパイプ材から採取した試験片を用いてラボ剪断実験を行った際の、剪断した後及び剪断後の端部を切断した後の断面を側方より撮影したものである（撮影位置を図７に示す。写真中の横縞模様は剪断前の鋸切断跡）。

剪断試験は、材質Ｘ１００の１３．４ｍｍ（板厚）×１００ｍｍ（幅）×３２０ｍｍ（長）の矩形状の試験片を実験用剪断機（剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ＝１．５ｍｍ）を用いて行い、剪断後に更に、前記実験用剪断機を用いて、剪断面（切断面）を含む端部を前記クリアランスと同じ量：１．５ｍｍだけ切断除去した。

図６（ａ）は剪断まま、（ｂ）は剪断後に剪断時の歪残留部分を切断除去したものを示しており、剪断面近傍の鋸切断跡の歪みから断面の歪状態が目視確認出来る。

図６より、剪断ままの試験片では断面近傍に歪が残存しているのに対し（図６（ａ））、剪断後、前記クリアランスと同じ量：１．５ｍｍだけ切断した試験片は元の歪部分が完全に除去されている（図６（ｂ））。

図３は、剪断ままの試験片（図では通常刃と表記）と、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量１．５ｍｍだけ端部から切断除去した試験片について、断面中央位置のＸ線残留応力測定を行い、残留応力測定値を等方引張応力と相当応力に分けて整理した結果を示している。

剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量を切断除去した試験片は、相当応力σ_ｅｑ、等方引張応力σ_ｓともに剪断ままの試験片より小さくなっている。特に等方引張応力σ_ｓの大幅な低減は割れ発生抑制に有効に作用すると考えられる。

図４に剪断ままの場合と、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を切断除去した場合の水素割れ試験結果を示す。

試験は上述した残留応力測定試験に準じた試験片を用いて行った。最初に、剪断した断面部及び剪断後、更に剪断後の端部を切断した断面部を残した状態で短冊状サンプル（１３．４ｍｍ×１００ｍｍ×３０ｍｍ）を切り出し、得られた短冊状サンプルの断面部以外を表面研磨して水素割れ試験片として、０．２Ｎ−Ｈ_２ＳＯ_４中で陰極水素チャージ（−１．０Ｖ〔_ＶＳＳＣＥ〕）を行い、チャージ後に水素割れの有無を観察した。チャージされた水素量の測定はグリセリン置換法を用いて行った。

図より、剪断ままの場合、２ｈ程度の短いチャージ時間で割れの発生が観察され、微小な水素量でも水素割れが起こり易く、一方、剪断後，剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を切断除去した場合は、長時間（７２ｈ）のチャージ後にも割れが発生せず、剪断後の水素割れ発生抑制効果が確認された。

第２工程の具体的実施例を図１に示す。図１は実機における剪断機を想定した場合の剪断面切断方法を示し、図において１は鋼板、２は上剪断刃、３は下剪断刃、４は剪断機の一部を構成する鋼板押さえ台を示す。

鋼板１を上剪断刃２及び下剪断刃３により剪断時の上刃と下刃のクリアランスをｄ_１として１ストローク目で剪断を行った後（図１（ａ））、切断量ｄ_２が、剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ_１以上となるように厚鋼板位置を修正し（図１（ｂ））、２ストローク目として上剪断刃２で切断を行う（図１（ｃ））。また、２ストローク目の剪断における剪断時の上刃と下刃のクリアランスｄ_１´は、可能な限り小さくなるように切断刃の位置調整を行う。

尚、第２工程の実施においては、厚鋼板を所望する寸法に切断する剪断機と、更に切断後の端部を切断する剪断機の２台としても良い。

図２は他の実施例を示し、図において２１は切欠部、２２は１段目の刃、２３は２段目の刃を示す（その他は図１と同じ記号とする）。剪断機が、剪断方向に２段で、その間に切欠部２１を有する上刃（段付き剪断刃）２を有することを特徴とし、１段目の刃２２で剪断を行った後、２段目の刃２３で更に、端部を剪断時の上刃２と下刃３のクリアランスｄ_１と等しい量だけ切断する。

上述した構成の剪断機を用いると、最初の剪断後、厚鋼板の位置を調整したり（剪断機が一台の場合）、厚鋼板を搬送したり（剪断機が２台の場合）することが必要でなく、生産性がより向上し好ましい。

第２工程は、図１，２に上述した方法以外にエッジミラー等を用いて、剪断面を所定量だけ切削する方法によっても実施可能である。尚、剪断後、更に剪断刃を用いて所定量を切断除去する場合、主な剪断変形領域は削り屑側に移行して材料側の変形が小さく、その結果、新たに導入される歪量は少なく、水素割れ発生を助長する残留応力は生じない。

本発明の実施においては、厚鋼板搬送ライン上に、冷却装置、加熱装置とともに剪断機を配置して、該剪断機で剪断とその後の切断を行うと生産性が向上し望ましい。これらの配置は所望する材質に応じて適宜選定する。

また、本発明は第１工程において、水素割れの発生する可能性が低いと判断された場合であっても、第２工程の実施を妨げるものでない。

本発明の一実施例を示す図。 本発明の他の実施例を示す図。 剪断ままと、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランスと同じ量を切断除去したものの残留応力を示す図。 剪断ままと、剪断後、剪断時の上刃と下刃のクリアランス量を切断除去したものの水素割れ試験結果を示す図。 鋼中水素濃度の時間的変化を示す図。 剪断後の剪断方向直角断面で、（ａ）は剪断まま、（ｂ）は剪断後、剪断時の歪残留部分を除去したものを示す図。 剪断後、剪断後の端部を切断した後の断面の撮影位置を説明する図。

符号の説明

１ 鋼板
２ 上剪断刃
３ 下剪断刃
４ 鋼板押さえ台
２１ 切欠部
２２ １段目の刃
２３ ２段目の刃

Claims (2)

1. 熱間圧延後に水冷した厚鋼板を剪断機により剪断後、更に剪断後の端部を切断して剪断割れを防止する方法において、剪断時の前記厚鋼板中水素濃度Ｃ_Ｈを求め、Ｃ_Ｈが２ｐｐｍ以上の場合は前記剪断後の端部から、前記剪断機の上刃と下刃のクリアランス量以上を切断除去する事を特徴とする厚鋼板の剪断割れ防止方法。
2. 前記剪断時の厚鋼板中水素濃度Ｃ_Ｈを、前記厚鋼板のスラブ製造時の水素レードル分析値、或いは前記水素レードル分析値から予測される圧延終了時の厚鋼板水素濃度Ｃ_Ｈ０を元に、計算により求めることを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の剪断割れ防止方法。