JP7666660B2 - 連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法に関する。本開示は、特に、自動車用構造材などに用いられる高強度鋼板を製造する連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法に関する。

自動車用薄鋼板の製造では、連続鋳造されたスラブは最終板厚に達するまで、熱間圧延、冷間圧延によって大きく加工される。続いて行われる焼鈍処理において、冷間加工組織の回復、再結晶及び粒成長、さらに、変態組織制御が行われ、強度と加工性のバランスが調整される。

近年、焼鈍処理では、帯状に繋がった鋼板を搬送しながら加熱、均熱、冷却を連続的に行う、連続焼鈍炉が用いられるのが一般的である。また、鋼板の用途に応じて、上記冷却の後に、溶融亜鉛めっき処理及び過時効処理などが行われる。

焼鈍炉の加熱手段としては、ガス燃焼で金属管（輻射管）を加熱して、その輻射熱で鋼板を間接加熱するラジアントチューブバーナーが一般的である。また、溶融亜鉛めっき鋼板の製造では、めっき性確保のため、ガス燃焼の火炎を直接鋼板に噴射して加熱する直火炉を加熱炉の前段部分に採用することがある。

ラジアントチューブ炉は、輻射管及び炉壁からの輻射熱で鋼板を加熱するため、熱源の体積が非常に大きく、熱慣性が大きい。そのため、設定温度の変化に迅速に追随することが難しい。さらに、加熱終盤は鋼板の温度上昇速度が遅く、組織制御のために一定の均熱時間が必要であることから、必要な炉長が伸び、熱慣性がさらに大きくなるため、目標温度への追随がより遅延する。その結果、コイルを連続処理する過程で、鋼板の一部の温度が所定の焼鈍温度範囲に収まらず、機械的特性のばらつきによる歩留まり低下、温度制御のためのライン速度変更による生産性の低下などの問題が生じ得る。

上記のような問題に対して、特許文献１は、予熱帯と加熱帯（直火加熱炉）の間に、又は、複数の直火加熱炉で構成される加熱帯の中間に、誘導加熱装置を設置して、加熱能力を補うことで応答性を高める技術を開示する。特許文献２は、均熱帯出口に通電加熱装置又は誘導加熱装置を設置して高能率に連続焼鈍を行うことができる技術を開示する。特許文献３は、６５０℃以上７５０℃以下までは緩速加熱し、そこから７５０℃以上９１０℃以下の焼鈍最高到達温度まで急速加熱する技術を開示する。特許文献４は、再結晶・粒成長モデルによって鋼板長手方向に焼鈍最高到達温度を変化させることで、鋼成分及び熱延条件の変動による機械特性のばらつきを安定化することを開示する。

特開平１１－０６１２７７号公報 特開平０９－００３５５２号公報 特開２０００－１４４２６２号公報 特開平１０－１５２７２８号公報

しかし、特許文献１の技術は、鋼板表面の過剰酸化を防ぐため、直下式加熱炉の出口での鋼板温度が低く、ラジアントチューブ炉でも加熱を行う必要がある。そのため、炉長の短縮は困難となり、炉温設定変更の影響が広範囲に及ぶ。さらに、誘導加熱装置の出力を高速に制御することで炉温変動の影響を吸収できるとしているが、誘導加熱装置に続く直下式加熱炉では鋼板の酸化制御に重点が置かれ、鋼板温度制御を柔軟に行うことは難しい。そのため、炉温変動の影響を吸収する効果は十分に発揮できない。

特許文献２の技術は、塗装焼き付け硬化（ＢＨ）鋼板を対象とし、均熱帯出口に加熱装置を設置することで、小型の焼鈍炉であっても搬送速度を低下させずに高い焼鈍温度を実現できるとしている。また、特許文献２の技術は、焼鈍パラメータと呼ばれる鋼板温度に関する関数を導入し、焼鈍パラメータが閾値を上回るようにすることで最適な材質が得られるとしている。しかし、近年の製品の高強度化が求められる中で、製造量が増加しているＤｕａｌ Ｐｈａｓｅ鋼（ＤＰ鋼）では、焼鈍中にα相からγ相に変態させる必要がある。ＤＰ鋼を対象とする場合に、焼鈍炉内でＡ_１変態点以上Ａ_３変態点未満の最高到達温度まで加熱し、その到達温度によってα相とγ相の分率を制御する必要がある。ＤＰ鋼の製造においても焼鈍温度の制御は重要なパラメータであるものの、材質を制御する上ではα相とγ相の分率が第一義的な指標となる。そのため、特許文献２の技術が必ずしも鋼板の材質を安定化できるわけではない。

特許文献３の技術は、Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｆｒｅｅ鋼（ＩＦ鋼）を対象とし、均熱前の誘導加熱装置又は通電加熱装置を用いた急速加熱によって焼鈍最高到達温度を制御して、前工程の実績から予測される材質ばらつきを焼鈍後のα再結晶粒の粒径変化で吸収させている。しかし、ＤＰ鋼を対象とする場合に、特許文献３の技術のように、緩速加熱後に均熱温度つまり最高到達温度まで急激に昇温させると、結晶粒径が微細なままα相が急激にγ相へと変態してしまうため、狙った相分率に制御することができなくなってしまう。

特許文献４の技術は、再結晶域まで鋼板を加熱した後、いったんその領域で保持することで再結晶を十分進行させてから再度急速加熱で目標焼鈍温度まで加熱する。この手法であれば、急速加熱によるα相からγ相への急激な変態を防ぐことが可能になり、原理的には最高到達温度を制御することで相分率を制御することが可能になる。しかし、実際の製造工程では素材の化学成分の変動によって変態挙動が変動するため単純に鋼板温度のみで相分率を制御することは難しく、製品毎の材質ばらつきを抑制することができない。

本開示は、上記の問題を鑑み、素材特性の変動に対して迅速に応答可能であり、製品の機械特性の変動を極小化できる連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

（１）本開示の一実施形態に係る連続焼鈍設備は、
加熱帯、均熱帯及び冷却帯をこの順に備えて構成される鋼板の連続焼鈍設備であって、
前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた少なくとも１つの誘導加熱装置と、
前記誘導加熱装置の出口以降に、少なくとも１つの前記鋼板の相分率を測定する測定装置と、を備える。

（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記相分率測定装置の測定結果に基づいて前記誘導加熱装置の操業条件を決定する制御装置を備える。

（３）本開示の一実施形態として、（１）又は（２）において、
前記誘導加熱装置の昇温速度は１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下である。

（４）本開示の一実施形態に係る連続焼鈍方法は、
加熱帯、均熱帯及び冷却帯をこの順に搬送される鋼板の連続焼鈍方法であって、
前記均熱帯において、前記鋼板の温度を再結晶温度域で保持した後、
前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた少なくとも１つの誘導加熱装置で鋼板を急加熱するステップと、
均熱帯出口から冷却帯入口までの間に取得した前記鋼板の相分率に基づいて前記誘導加熱装置の操業条件を制御するステップと、を含む。

（５）本開示の一実施形態として、（４）において、
前記誘導加熱装置では１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下で前記鋼板を加熱する。

（６）本開示の一実施形態に係る冷延鋼板の製造方法は、
（４）又は（５）の連続焼鈍方法によって調整された焼鈍温度で、冷延鋼板である前記鋼板を焼鈍するステップを含む。

（７）本開示の一実施形態に係るめっき鋼板の製造方法は、
（６）の冷延鋼板の製造方法によって焼鈍された前記鋼板の表面にめっき処理を施すステップを含む。

（８）本開示の一実施形態として、（７）において、
前記めっき処理は、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理又は合金化溶融亜鉛めっき処理である。

本開示によれば、素材特性の変動に対して迅速に応答可能であり、製品の機械特性の変動を極小化できる連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法が提供される。そのため、従来の焼鈍炉よりも、安定的に目標の機械特性を備えた薄鋼板などを製造することが可能になる。

図１は、一実施形態に係る連続焼鈍設備を備えた溶融亜鉛めっきプロセスを示す模式図である。 図２は、鋼板温度履歴の一例を示す図である。 図３は、連続焼鈍方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本開示の一実施形態に係る連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法が説明される。

＜設備構成＞
図１は、本実施形態に係る連続焼鈍設備を備えた溶融亜鉛めっきプロセスの一部を示す。本実施形態において、溶融亜鉛めっきプロセスを用いて製造される鋼材は薄鋼板である。また、製造される鋼材は冷延鋼板である。図１の矢印はライン進行方向を示す。以下において、この進行方向における上流側を「前」と、下流側を「後」と表現することがある。連続焼鈍設備は、ペイオフリール１、溶接機２、電解清浄装置３、入側ルーパー４、予熱帯５、加熱帯６、均熱帯７及び冷却帯８を備える。また、連続焼鈍設備は、誘導加熱装置９（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ、以下「ＩＨ」と称されることがある）及び変態率計１０を備える。連続焼鈍設備は、少なくとも１つの誘導加熱装置９を備える。また、連続焼鈍設備は、少なくとも１つの変態率計１０を備える。本実施形態において、冷却帯８は第１の冷却帯８Ａと、第２の冷却帯８Ｂと、を含む。また、連続焼鈍設備は、所定の温度まで冷却された薄鋼板を浸漬する亜鉛めっき槽（亜鉛ポット１１）、合金化帯、保熱帯、最終冷却帯、調質圧延設備、出側ルーパー、テンションリールなどをさらに備えてよい。

前工程でコイル状に巻き取られた薄鋼板はペイオフリール１で巻き戻される。巻き戻された薄鋼板は、予熱帯５を通過した後、連続焼鈍炉へ進入する。連続焼鈍設備は、予熱帯５に続く、加熱帯６、均熱帯７及び冷却帯８を、この順に備えて構成される。連続焼鈍設備において、誘導加熱装置９が均熱帯７と冷却帯８との間に設けられている。また、連続焼鈍設備は、誘導加熱装置９の出口以降に変態率計１０を備える。図１の例では、変態率計１０は、誘導加熱装置９と冷却帯８との間に設けられているが、誘導加熱装置９の出口以降であれば設置位置が限定されるものでない。ここで、変態率計１０は、鋼板の相分率を測定する測定装置の一例である。

さらに、連続焼鈍設備は、変態率計１０の相分率の測定結果を用いて、誘導加熱装置９の出力を調整する制御装置を備える構成である。ここで、本実施形態に係る連続焼鈍設備は、図１の構成に限定されるものでなく、製造する鋼板の目的とする品質に応じて変形され得る。例えば連続焼鈍炉に続いて亜鉛ポット１１と合金化帯などが設けられたり、亜鉛ポット１１が省略されたりしてよい。また、連続焼鈍設備は、一部の設備を分割することができる。例えば均熱帯７を分割して、分割された均熱帯７のそれぞれが雰囲気又は温度を独立に制御するようにしてよい。

＜構成要素の詳細＞
図２は、一般的な従来技術の焼鈍炉で焼鈍した場合と本実施形態における焼鈍炉で焼鈍した場合の鋼板の温度履歴を例示する。縦軸は鋼板温度である。横軸は通過時間である。ライン速度は１００ｍｐｍである。また、鋼板の板厚は１ｍｍである。本実施形態での温度の履歴が実線で示され、対応する工程（設備）は下方に記載されている。また、従来技術の温度の履歴が点線で示され、対応する工程（設備）は上方に記載されている。図２に示すように、本実施形態における焼鈍炉では、以下に説明する構成によって、従来技術と比較して焼鈍にかかる時間も短くて済む。

（予熱帯）
常温～１００℃程度の温度でペイオフリール１から払い出された薄鋼板は、まず、予熱帯５に進入し２００℃程度まで加熱される。薄鋼板の温度は加熱によって単純増加してよい。本実施形態において、予熱帯５は加熱帯６で生じる高温の排気を利用する方式が採用されている。

（加熱帯）
続いて、鋼板は加熱帯６に進入し、鋼板温度が６００～７００℃程度まで加熱される。薄鋼板の温度は加熱によって単純増加してよい。本実施形態において、加熱帯６は、短時間である程度の温度まで昇温し、かつ、表面状態を制御するため、直火加熱炉方式が採用されている。直火式加熱炉は、加熱能力が高く炉の容積を小さくできることに加え、鋼板表面の酸化還元反応について、後のめっきプロセスを考慮した柔軟な制御が可能である。

（均熱帯）
均熱帯７は、α相の再結晶を進行させる役割を主な役割とする。ただし、この際に部分的にはＡ_１変態点を通過する箇所があっても構わない。均熱帯７の加熱方式として、効率と加熱均一性の高さからガス燃焼による輻射加熱（ラジアントチューブ加熱）方式を採用することが望ましい。均熱帯７は大きな単一の炉殻で構成されてよい。また、均熱帯７は２つ以上の区画を有し、各区画を遮熱壁などで分離して、区画毎に決められた目標温度域で保持及び加熱を行う構成としてもよい。本実施形態において、均熱帯７は、鋼板の温度がＡ_１変態点より低い温度域（６００～７３０℃程度）であるように保持又は緩速加熱を行って、再結晶温度域での滞在時間を確保し、未再結晶α相の残留を抑制する。ここで、Ａ_１変態点は、オーステナイト変態を生じさせる温度であって、一例として設定炉温が７３０℃である。換言すると、Ａ_１変態点以上の温度でオーステナイト相が発生し始める。

再結晶温度域は、金属組織学状再結晶が進行する温度域である。本願では、６００℃以上、Ａ_１変態点以下の温度域を指す。特にＡ_１変態点の具体的な温度は、一般に知られている合金成分含有率を使った経験式から求めてもよいし、事前に各製品の平均的な合金成分の材料を用いた実験によって求めてもよいし、それらの実験結果から合金成分含有率による回帰式を作成して求めてもよい。合金成分による回帰式は一般的に知られている実験式を用いてもよい。

ここで、均熱帯７において鋼板の温度が低すぎると、α相の再結晶が進行せず、十分な加工性が得られない。一方、均熱帯７において鋼板の温度がＡ_１変態点以上だと、α再結晶粒が粗大になり、強度が不足する。Ａ_１変態点は、鋼板の成分によって若干変動する場合がある。そのため、再結晶温度域は、あらかじめ測定、計算又はシミュレーションにより予測し、焼鈍中の誤差範囲を考慮した上で設定されることが好ましい。

均熱帯７における鋼板の滞在時間が短すぎればα相の再結晶の進行が不十分になり、長すぎれば結晶粒が粗大になり機械特性が低下してしまう。そこで、事前に最適な滞在時間を実験により検討した結果、１５～８０秒程度必要であることが分かった。１５秒未満だと、α相の再結晶は進行が不十分で加工性に劣り、８０秒を超えると部分的に粗大な結晶粒が発生し、強度が不均一になるためである。したがって、均熱帯７において、鋼板の温度がＡ_１変態点より低い温度域に１５秒以上かつ８０秒以下の間保持される。

均熱帯７において緩速加熱する場合に、再結晶温度域の滞在時間が上記の時間だけ確保されればよい。ただし、均熱帯７において緩速加熱する場合に、加熱速度は５℃／ｓ以下であることが望ましい。５℃／ｓを超えて急速に加熱すると、未再結晶α相の残留を抑制することができなくなるためである。

また均熱帯７において、再結晶温度域の滞在時間が確保された後、７５０℃未満の範囲であれば、Ａ_１変態点以上の温度であってもさらに緩やかな加熱が行われてよい。ただし、加熱速度は５℃／ｓ以下であることが望ましい。

本実施形態に係る連続焼鈍設備は、ラジアントチューブ炉による均熱帯７を備えるが、α相の再結晶を進行させるだけの保熱時間を確保する機能を有するのであれば、このような均熱帯７を備えない構成でありえる。例えば均熱帯７は、ラジアントチューブ炉を有するものに限定されない。また連続焼鈍設備は、均熱帯７を備えず、加熱帯６がα相の再結晶を進行させるだけの保熱時間を確保する機能を有してよい。また連続焼鈍設備は、均熱帯７に代えて、保熱装置を備えてよい。連続焼鈍設備が均熱帯７を備えない場合に、誘導加熱装置９は、均熱帯７の機能を有する部分（上記の例では加熱帯６の保熱時間を確保する部分又は保熱装置）と冷却帯８との間に設けられればよい。

（誘導加熱装置）
次に、誘導加熱装置９は、鋼板の温度がＡ_１変態点以上かつＡ_３変態点より低い温度域（７５０～９００℃程度）に含まれるように、出力を調整して、鋼板を急速加熱する。ここで、Ａ_３変態点は、γ相分率を抑制できる上限の温度である。このプロセスは、短時間で、鋼板全体を均一にＡ_１変態点以上の温度まで昇温することが目的であり、設備全体の小型化にも寄与する。ここで、Ａ_１変態点及びＡ_３変態点は、鋼板の成分によって若干変動する場合がある。そのため、好適な温度域は、あらかじめ測定、計算又はシミュレーションにより予測し、焼鈍中の誤差範囲を考慮した上で設定されることが好ましい。

本実施形態に係る連続焼鈍設備が対象の１つとするＤＰ鋼では、誘導加熱装置９における到達温度が最終製品の機械的特性に大きな影響を与える。そのため、誘導加熱装置９の加熱方式は温度制御指令に対する応答が速いことが必要とされる。また、このような温度域で加熱する場合、鋼板の磁性が変化するキュリー点を超えるため、誘導加熱装置９はトランスバース式であることが望ましい。

また、均熱帯７においてα相の再結晶域で保持しているため、加熱時に時間がかかってしまうとα粒の粗大化を招いてしまうことからも急速加熱が可能な誘導加熱装置９が望ましい。誘導加熱装置９は、１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下で昇温してよい。１０℃／ｓ未満ではα粒の粗大化を招き、２００℃／ｓより大きいと幅方向で局所的な高温部が生じて均一性が保たれないためである。誘導加熱装置９は、２０℃／ｓ以上かつ１００℃／ｓ以下で昇温することがより好ましい。加熱速度が２０℃／ｓ以上であればライン長の長さをより短くでき、１００℃／ｓ以下であれば、熱応力によって鋼板が座屈変形するリスクをさらに低減できるためである。

誘導加熱装置９によって目標焼鈍温度まで急速に加熱すると、加熱直後にはα相からγ相への変態が平衡状態に達していないことが起こり得る。しかしながら、目標焼鈍温度付近で保持しすぎるとα相からγ相への変態が必要以上に進行し材質制御が複雑になってしまう。従って、目標焼鈍温度に到達後は、０秒の保持時間でなるべく速やかに冷却帯８へ進入させることが最も望ましく、５秒以内に冷却が開始されることが望ましい。非平衡状態を避けるために、保持したとしても遅くとも１０秒以内に冷却が開始される。つまり、鋼板は、誘導加熱装置９による昇温が終了してから１０秒以内に、冷却帯８において冷却が開始される。

このような条件を満たすために、誘導加熱装置９は、均熱帯７と冷却帯８との接続部分に設置されることが好ましい。誘導加熱装置９を接続部分に設けることは、既存炉についても誘導加熱装置９の増設として可能である。

（変態率計）
誘導加熱装置９の出側（出口以降）には鋼板の相分率を測定する変態率計１０が配置されており、目標焼鈍温度到達後の鋼板のα相及びγ相の相分率（変態率）が測定される。この変態率計１０では、特に、γ相分率を把握することが、本発明では有効である。さらに、この変態率計１０で測定されたγ相分率に基づき、予め設定された誘導加熱装置９及び冷却帯８の操業条件を、さらに適宜微調整する目的で設けられるものである。このような調整によって、鋼板の機械的特性を安定して得ることができる。ここで、変態率計１０の設置位置としては、誘導加熱装置９の出口以降であれば特に限定されない。ただし、測定値をフィードバックして、誘導加熱装置９及び冷却帯８の制御に用いる観点から、なるべく誘導加熱装置９に近いことが望ましい。具体的には、誘導加熱装置９の出口から冷却帯８の入口の間に設けられることが好ましい。

ここで、変態率の測定方式は特に限定されないが、磁気検出器、すなわち鋼帯の磁気変態率を測定する装置として、磁場を発生する駆動コイルと、鋼帯を通過した磁場を測定する検出コイルとから構成される磁気変態率測定装置を用いて、オーステナイト分率が測定されてよい。具体的には、特開２０１９－７９０７号公報に記載された装置を用いることができる。ただし磁気変態率測定装置の場合に、変態率計１０が誘導加熱装置９の近傍に設置されると、磁場の影響を受けて測定精度が低下し得る。そのため、磁気変態率測定装置は、誘導加熱装置９の直後ではなく、均熱帯７の内部又は冷却帯８の出口などに設置されてよい。磁場の影響を受けない手法として、Ｘ線回折法を応用した装置が使用され得る。γ相とα相は結晶構造の差異により、鋼板にＸ線を照射すると各々固有の角度で回折ピークを生じる。この回折ピーク強度によりγ相分率を定量化することができる。市販されているものでは例えばＳＭＳ社製のＸ－ＣＡＰなどが挙げられる。

（冷却帯）
冷却帯８は、鋼板を所定の温度まで冷却する設備であり、冷却手段としてガスジェット冷却、ロール冷却、水冷却（ウォータークエンチ）などが用いられる。本実施形態のように、冷却帯８を第１の冷却帯８Ａと第２の冷却帯８Ｂなど複数に区分して、異なる冷却手段を組み合わせたり、同種の冷却手段の冷却条件を変更したりして、鋼板の冷却時の熱履歴が制御されてよい。

（溶融亜鉛めっき浴）
冷却帯８に溶融亜鉛めっき浴を後続させ、冷却帯８から排出される鋼板に溶融亜鉛めっきを施すことができる。溶融亜鉛めっきは常法に従って行えばよく、必要に応じて、スナウト、浴中ロールなどを設けてよい。

（合金化設備）
溶融亜鉛めっき浴に続いて合金化処理設備が設けられてよい。合金化処理設備では鋼板を加熱し合金化処理を施す。合金化処理は常法に従って行えばよい。

（その他設備）
合金化設備に続いて、最終製品の品質向上と製造安定性及び効率化のため、保熱帯、最終冷却帯、調質圧延設備、矯正機、出側ルーパー、テンションリールなどがさらに備えられてよい。これらの設備は製品に要求される品質に応じて設け、使用されればよく、特に限定されるものではない。

＜操業方法（制御方法）＞
本実施形態では、製品毎に最適な相分率の範囲を事前に把握して、変態率計１０での相分率の測定結果が、目標の範囲に収まるように焼鈍炉の操業条件を制御する。制御対象として均熱帯７の炉温、誘導加熱装置９の出力以外に誘導加熱装置９の下流側に設置された冷却帯８又は合金化帯の操業条件が採用されてよい。ただし、応答性の観点から材質安定化に最も効果があるのは誘導加熱装置９の出力である。また制御方法は、装置のオペレーターによる手動制御でもよい。具体的には、運転室に変態率計１０の測定結果と当該コイルの目標範囲を連続的に表示するモニターを設置し、測定結果が目標範囲に収まるように手動で上述の制御対象の操業条件を変更すればよい。ただし、手動制御では条件変更の遅れ又は誤操作の可能性があるため、製品毎に最適な相分率の範囲を事前に把握して変態率制御モデルを構築し、変態率計１０での相分率の測定結果が、目標の範囲に収まるように誘導加熱装置９の自動フィードバック制御を行う制御システムを構築することが望ましい。このことによって、予め設定された鋼板の焼鈍温度が適宜調整されて、機械特性が非常に安定した製品を製造することが可能になる。変態率制御モデルは製品毎に構築されるが、本実施形態において製品を区分する要素として強度のグレードが用いられる。製品を区分する要素は、強度のグレードに限定されない。例えば鋼種、強度以外の機械的特性、表面特性など、必要とされる製品特性によって製品の区分が行われて、製品毎の変態率制御モデルが構築されてよい。

図３は、本実施形態において、上記の連続焼鈍設備で実行される連続焼鈍方法の一例を示すフローチャートである。

焼鈍炉内の変態率計１０を用いた相分率測定結果（図３の「変態率情報実績」）と、当該材料を鋳造した際に得られた化学成分の情報（図３の「素材情報」）と、連続焼鈍設備の現在の操業条件（特に冷却帯８の操業条件）から、材質予測モデルを用いて、最終的に得られる製品の機械特性（機械的性質）が予測される。このとき、使用される材質予測モデルはオフラインでのラボ実験又は数値解析によって得られる物理モデルだけでなく、製造実績の蓄積から得られる機械学習モデルを用いてよい。

次に、予測された機械特性（図３の「機械的性質の予測結果」）が当該製品に許容される機械的性質の目標範囲内に含まれるかを判断する。機械的性質の目標範囲は、上位コンピュータから与えられる。上位コンピュータは、連続焼鈍設備の操業を統括するプロセスコンピュータに対して、製造情報等を与えるコンピュータである。連続焼鈍設備は、目標範囲内であれば（図３の「機械的性質目標範囲内」がＹｅｓ）、現在の条件のまま操業を継続する。連続焼鈍設備は、目標範囲から外れていた場合に（図３の「機械的性質目標範囲内」がＮｏ）、操業条件の変更を行う。操業条件の変更にあたっては、上記の材質予測モデルから材質を目標範囲内に収めるために必要な相分率の調整量を求め、その相分率の調整量を実現するための鋼板温度制御量を求める変態率制御モデルを使用する。変態率制御モデルは、オフラインでのラボ実験又は数値解析によって得られる物理モデルであってよいし、製造実績の蓄積から得られる機械学習モデルであってよい。

連続焼鈍設備は、必要な温度制御範囲が、誘導加熱装置９によって制御可能な範囲に含まれると判断する場合に（図３の「ＩＨ出力制御範囲内」がＹｅｓ）、誘導加熱装置９の出力を変更する。連続焼鈍設備は、必要な温度制御範囲が、誘導加熱装置９によって制御可能な範囲に含まれないと判断する場合に（図３の「ＩＨ出力制御範囲内」がＮｏ）、誘導加熱装置９以外の設備の操業条件も合わせて変更する（図３の「他設備操業条件変更」）。制御対象は変態率計１０より上流側に設置された装置で、例えば冷却帯８又は均熱帯７を対象とすればよい。制御項目は冷却帯８にガスジェット冷却を採用した場合に冷却ガスの噴射圧力とすればよく、均熱帯７の場合に炉温とすればよい。これらの装置は誘導加熱装置９に比べて操業条件変更に対する応答性が低いが、上記の制御フローを経て誘導加熱装置９と組み合わせて制御していくことで製品の機械的特性が目標から外れる量を最小限に抑えることができる。

ここで、従来の連続焼鈍設備でも、変態率計１０を設置し板温の高精度制御によって変態率の制御を試みることは可能である。しかし、従来の輻射加熱式の焼鈍炉のみの設備仕様では加熱に時間がかかるため（例えば１００～２００秒程度）、制御指令に対する炉温の応答性が非常に悪い。また、炉温変化の影響を受ける鋼板長も長くなるため、鋼板温度を細かく制御することができない。一方、本実施形態に係る連続焼鈍設備では、鋼板温度を高速（例えば１０以下、５秒程度）に制御できる。また、均熱帯７でγ相への変態を完了させる必要がなく炉長を短縮できるため（例えば７０～１１０ｍ）、鋼板サイズの変更又は鋼種変更などに伴う炉温変更の指令に対する応答性が高くなる。その結果、素材起因の変態挙動変動への応答だけでなく、製品継目で焼鈍条件が変化する際にも加熱条件の変更を素早く反映させることが可能になる。そして、狙いの焼鈍条件から外れる範囲を縮小することができ歩留まりが格段に向上する。

鋼板には、連続焼鈍設備での焼鈍処理に続いて、めっき処理、合金化処理、調質圧延、形状矯正処理が実施されてよい。めっき処理及び合金化処理は、製品の表面特性に要求される品質を満足するための常法でよく、特に限定するものでない。

また、形状の乱れが生じた場合は、続けて調質圧延及び矯正機を通板させて矯正してよい。調質圧延及び矯正は、鋼板の機械的特性に影響を与えずに形状を矯正するに留まる条件で行えばよく、限定するものでない。

（対象材）
本実施形態に係る連続焼鈍設備は、ＤＰ鋼を含む鋼材を焼鈍し、目標とする機械的特性を安定的に得るものである。対象とする鋼板の具体例として、重量％で、Ｃが０．０３％以上かつ０．２５％以下、Ｓｉが０．０１％以上かつ２．５０％以下、Ｍｎが０．５０％以上かつ４．００％以下、Ｐが０．１００％以下、Ｓが０．０５００％以下、Ｓｏｌ．Ａｌが０．００５％以上かつ２．０００％以下、Ｎが０．１００％以下を含有し、必要に応じてＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ（いずれも１．００％以下）、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ（いずれも０．５０％以下）、Ｔａ（０．１０％以下）、Ｍｇ、Ｚｒ（いずれも０．０５０％以下）、Ｂ、Ｃａ、ＲＥＭ（いずれも０．００５０％以下）を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるものが挙げられる。ただし、対象とする鋼板は、α相、γ相の二相組織を制御する必要性があるものであれば限定されない。

（実施例）
表１は、従来の連続焼鈍設備、本実施形態に係る連続焼鈍設備（図１参照）を用いて、薄鋼板を製造した条件と結果を示す。ここで比較例４以外では、製品の機械特性のばらつきを調べるために、複数の強度レベルの製品をそれぞれコイルで３０本ずつ製造した。強度レベルが７８０ＭＰａ、９８０ＭＰａ、１１８０ＭＰａ級の３種類を製造し、板厚は各々の強度レベルで１．０、１．５、２．０ｍｍの３種類を１０本ずつ製造した。これら各グレード及び各板厚の１０本のスラブは、連続鋳造機において全て異なるロットで鋳造されたものを使用した。そのため、製造管理範囲内ではあるが各スラブの化学成分はばらついており変態挙動も均一にはなっていない。表１において設備構成は、設備を構成する装置などを示している。また、表１において、ＦＢがフィードバックを示し、ＦＦがフィードフォワードを示す。

各々のスラブは、一般的な手法で熱間圧延、酸洗を施され、必要に応じて、焼鈍、冷間圧延を施された後、実験室での焼鈍、従来技術の連続焼鈍設備及び本開示の連続焼鈍設備で熱処理されて、その後に、冷却、めっき等の後処理が実施された。最終製品コイルの鋼板搬送方向に１００ｍおきに引張り試験片が採取されて、機械的特性が測定された。ここで、引張り試験片はＪＩＳ５号とした。引張り試験はＪＩＳＺ２２４１に従って行われた。コイル全長に対する、引張試験結果が目標値の下限を外れた場合、試験片採取箇所から前後１０ｍの間は材試外れ長さとした。コイル全長に対する、この材試外れ長さの比が「材試（材料試験の略）外れ率」として求められた。また、７８０ＭＰａ、９８０ＭＰａ、１１８０ＭＰａ級の各グレードにおいて、必要な強度範囲はそれぞれ７８０ＭＰａ以上、９８０ＭＰａ以上、１１８０ＭＰａ以上である。

比較例１は、誘導加熱装置９及び変態率計１０が設置されていない、予熱帯５、加熱帯６、均熱帯７から構成される従来の焼鈍炉を用いて、上記の素材から製造された。製造におけるライン速度は６０～１２０ｍｐｍの範囲であり、板厚と成分に応じて鋼板焼鈍時のヒートパターンを制御した。加熱帯６（直火加熱）の出口の鋼板温度は６００～７００℃の範囲内として、表面の酸化還元反応を制御した。その後ラジアントチューブ方式の均熱帯７に導入して更に加熱を行い、再結晶域（６００～７３０℃程度）での滞在時間は１５～８０秒であった。再結晶域以降の加熱／均熱時間は１００～２００秒であった。均熱帯７の出口（冷却帯８の入口）の鋼板温度は７５０～８５０℃の範囲にあった。均熱帯７の炉温は出口の鋼板温度が目標値となるよう制御された。その後、冷却、溶融亜鉛めっき、合金化処理等を経て最終製品から材料試験片が複数採取されて、機械特性のばらつきが調査された。その結果、各グレードで引っ張り強さは大きくばらつき、グレード毎の下限値を下回るものが存在し、材料特性未達部が多数発生した。この原因は、素材の化学成分の変動で焼鈍時の相分率が狙った値になっていなかったことと、板厚及びグレードの異なるコイルの継目で焼鈍条件が変化した際に、加熱条件が追随できない部分が生じたことであると推定される。

比較例２は、比較例１と同じ従来の焼鈍炉を使用し、均熱帯７の出口に変態率計を設置して最終製品コイルを製造した。基本的な製造条件は比較例１と同様に設定したが、均熱帯７の出口の変態率計１０によって変態率を測定し、均熱帯７の炉温制御を行った。得られた変態率を反映させて均熱帯７の炉温を変更したため、比較例１に比べて冷却帯８の入口の温度の変動幅が大きくなったが、均熱帯７の炉温制御を積極的に行ったため材試外れ率が比較例１より改善した。しかし、板厚の異なるコイルの継ぎ目、焼鈍条件が異なるコイルの継ぎ目などで焼鈍炉の制御が追随できない部分が生じたと推定され、材試外れを抑制することはできなかった。

比較例３は、比較例１と同じ従来の焼鈍炉を使用し、冷却帯８の出口に変態率計を設置して最終製品コイルを製造した。基本的な製造条件は比較例１と同様に設定したが、冷却帯８の出口の変態率計１０によって変態率を測定し、均熱帯７の炉温制御と冷却帯８の冷媒噴射圧の制御を行った。得られた変態率を反映させて均熱帯７の炉温を変更したため、比較例１に比べて冷却帯８の入口の温度の変動幅が大きくなったが、均熱帯７の炉温制御を積極的に行ったため材試外れ率が比較例１より改善した。また冷却帯８の冷媒噴射圧の制御も行ったため比較例２に比べて材試外れ率が改善した。しかし、板厚の異なるコイルの継ぎ目、焼鈍条件が異なるコイルの継ぎ目などで焼鈍炉の制御が追随できない部分が生じたと推定され、材試外れを抑制することはできなかった。

比較例４は、従来の焼鈍炉の均熱帯７の出口に誘導加熱設備を設けた。通板速度及び加熱帯６の出口における鋼板温度は、比較例１と同様の範囲で制御した。誘導加熱装置９を設けたものの、変態率計１０の測定値を誘導加熱装置９の出力制御及び炉温制御にフィードバックせずに、従来と同様に、炉内で計測、あるいは計算によって求められる鋼板温度のみで制御が行われた。その結果、鋼板温度の制御性が向上して製品の機械特性のばらつきに改善が見られたが、素材の化学成分による変動を吸収することができず、材試外れ率は比較例１から大きくは改善しなかった。

比較例５は、従来の焼鈍炉の均熱帯７の入口に誘導加熱設備を設けた。また均熱帯７の出口に変態率計１０が設けられた。通板速度及び加熱帯６の出口における鋼板温度は、比較例１と同様の範囲で制御した。また変態率計１０の測定結果をもとにオペレーターが手動で焼鈍炉の各設備の操業条件を制御した。誘導加熱装置９を設けたものの、再結晶域での滞在時間が非常に短くなり、再結晶が十分進行しないままα相からγ相へと急速に変態が進行した。そのため、均熱帯７出口で変態率を測定してもγ単相のまま変化することが無く、狙い通りの組織制御が全くできなかった。

比較例６は、比較例５に対して変態率計１０の測定結果をもとに均熱帯７と誘導加熱装置９の操業条件を制御する自動フィードバック制御システムを適用した例である。制御方式は変化したものの、比較例５同様にα相からγ相への変態を制御することができず、狙い通りの組織を得ることができなかった。

比較例７は、従来の焼鈍炉の均熱帯７の出口に変態率計１０を設け、その下流側に誘導加熱装置９を設けた。変態率計１０で測定した相分率情報から下流側の誘導加熱装置９の操業条件を制御するフィードフォワード制御システムが採用された。しかし均熱帯７出口の時点ではほとんどがα単相のままのため、誘導加熱装置９の出力がほぼ一定のまま製造したため機械特性の変動は改善しなかった。

実施例１は、図１に示す本開示の連続焼鈍設備を用いて、上記の素材から製品を製造した結果である。通板速度及び加熱帯６の出口における鋼板温度は、比較例１と同様の範囲で制御した。ただし、実施例１では誘導加熱装置９の出口の変態率計１０によって焼鈍直後の相分率を測定し、均熱帯７の出口の誘導加熱装置９の出力と均熱帯７の炉温を制御した。このように、相分率に基づいて制御したことによって、製品の機械特性が安定し、全長にわたって材試外れが発生しなかった。

実施例２は、実施例１と同様に、図１に示す本開示の連続焼鈍設備を用いて、上記の素材から製品を製造した結果である。ただし、変態率計１０の設置位置は冷却帯８の出口に変更されている。センサーである変態率計１０と優先して使用するアクチュエーターである誘導加熱装置９の距離が離れるため実施例１に比べて応答に遅れが生じた。誘導加熱装置９の出力変更が追従しない箇所が発生したため、材試外れ率の改善に一定の効果は見られたものの、実施例１に比べると材試外れ率が若干劣っていた。ただし、実施例１に比べて、実施例２は、変態率計１０の設置位置の制約及び耐熱処理の簡素化が可能という利点を有する。

実施例３は、実施例１と同様に、図１に示す本開示の連続焼鈍設備を用いて、上記の素材から製品を製造した結果である。ただし、ＩＨの昇温速度が５～１０℃／ｓになっている。また、用意したコイルのうち、板厚２ｍｍのもののみが使用された。ＩＨの昇温速度が遅いため、目標温度に到達させるためにＩＨ設備長を長くせざるを得ず、結果的に目標到達温度前後での保持時間が長くなった。また、加熱に時間がかかり、素材（目標グレード）が変化する等の条件変化点において想定よりも変態が進行してオーバーシュートが発生した。そのため、比較例１に比べると大きく改善したものの、実施例１に比べて材試外れ率は若干劣っていた。

実施例４は、実施例１と同様に、図１に示す本開示の連続焼鈍設備を用いて、上記の素材から製品を製造した結果である。ただし、ＩＨの昇温速度を２００～２５０℃／ｓに上昇させて運用が行われた。また、用意したコイルのうち、板厚２ｍｍのもののみが使用された。板厚の厚いコイルを使用したため、ＩＨの昇温速度が速くても変形による搬送不良は発生しなかったが、加熱速度が大きいために温度制御の際にオーバーシュートが発生した。そのため、比較例１に比べると大きく改善したものの、実施例１に比べて材試外れ率は若干劣っていた。

実施例５は、実施例１の設備で自動フィードバック制御を使用せずオペレーターによる手動制御で操業条件の調整を行った。自動制御に比べて応答に遅れが生じたため、実施例１に比べると材試外れ率は劣っていたが、比較例１に比べると大きな改善が見られた。

以上のように、本実施形態に係る連続焼鈍設備、連続焼鈍方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法は、上記の構成によって、素材特性の変動に対して迅速に応答可能であり、製品の機械特性の変動（ばらつき）を極小化できる。また、本実施形態に係る連続焼鈍設備は、従来よりもライン長を抑えられるため、製造設備の導入コスト低減も期待できる。

本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示に係る実施形態は装置が備えるプロセッサにより実行されるプログラム又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

上記の実施形態において亜鉛ポット１１は薄鋼板を浸漬する亜鉛めっき槽であるとして説明されたが、別のめっき処理が実行されてよい。めっき処理は、例えば電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理又は合金化溶融亜鉛めっき処理であってよい。

また、例えばプロセスコンピュータの記憶部（例えばメモリ）に記憶されたプログラムを、プロセスコンピュータのプロセッサが読み込んで実行することによって、材質予測モデルから最終的に得られる製品の機械特性を予測する処理、及び、変態率制御モデルを構築し、相分率が目標の範囲に収まるように誘導加熱装置９の出力を制御する処理などを実行してよい。また、材質予測モデル及び変態率制御モデルは、プロセスコンピュータの記憶部に記憶されてよい。

１ ペイオフリール
２ 溶接機
３ 電解清浄装置
４ 入側ルーパー
５ 予熱帯
６ 加熱帯
７ 均熱帯
８ 冷却帯
８Ａ 第１の冷却帯
８Ｂ 第２の冷却帯
９ 誘導加熱装置
１０ 変態率計
１１ 亜鉛ポット

Claims (7)

1. 加熱帯、均熱帯及び冷却帯をこの順に備えて構成される鋼板の連続焼鈍設備であって、
   前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた少なくとも１つの誘導加熱装置と、
   前記誘導加熱装置の出口以降に、少なくとも１つの前記鋼板の相分率を測定する測定装置と、
   前記測定装置の測定結果に基づいて前記誘導加熱装置の操業条件を決定する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記均熱帯において、前記鋼板の温度を再結晶温度域で保持した後、
   前記誘導加熱装置で鋼板を急加熱させて、
   均熱帯出口から冷却帯入口までの間の前記誘導加熱装置の下流において取得した前記鋼板の相分率に基づいて前記誘導加熱装置の操業条件を制御する、連続焼鈍設備。
2. 前記誘導加熱装置の昇温速度は１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下である、請求項１に記載の連続焼鈍設備。
3. 加熱帯、均熱帯及び冷却帯をこの順に搬送される鋼板の連続焼鈍方法であって、
   前記均熱帯において、前記鋼板の温度を再結晶温度域で保持した後、
   前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた少なくとも１つの誘導加熱装置で鋼板を急加熱するステップと、
   均熱帯出口から冷却帯入口までの間の前記誘導加熱装置の下流において取得した前記鋼板の相分率に基づいて前記誘導加熱装置の操業条件を制御するステップと、を含む連続焼鈍方法。
4. 前記誘導加熱装置では１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下で前記鋼板を加熱する、請求項３に記載の連続焼鈍方法。
5. 請求項３又は４に記載の連続焼鈍方法によって調整された焼鈍温度で、冷延鋼板である前記鋼板を焼鈍するステップを含む、冷延鋼板の製造方法。
6. 請求項５に記載の冷延鋼板の製造方法によって焼鈍された前記鋼板の表面にめっき処理を施すステップを含む、めっき鋼板の製造方法。
7. 前記めっき処理は、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理又は合金化溶融亜鉛めっき処理である、請求項６に記載のめっき鋼板の製造方法。

Images