JP7747181B2 - 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。

自動車用薄鋼板の製造において、鋼板の温度管理は所望の材料特性を得るために非常に重要である。例えば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。

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、機械的性質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、生産性の向上及び材質ばらつきの抑制のために誘導加熱装置が設置される場合がある。しかしながら、誘導加熱装置により鋼板を加熱する場合に、鋼板の端部が過加熱になる問題がある。過加熱を抑制するために、例えば特許文献１は、ソレノイド型の誘導加熱装置を使用する場合に、鋼板の端部に集中する磁束を緩和する磁束密度緩和手段を設ける技術を開示する。例えば特許文献２は、誘導加熱装置に鋼板の端部を強制的に冷却する冷却手段を設ける技術を開示する。例えば特許文献３は、トランスバース型の誘導加熱装置を使用する場合に、エッジマスク特有の温度低下を考慮して鋼板温度を均一化させる技術を開示する。

特開平１－２３２６８５号公報 特開２００１－６８６０号公報 特開２０１９－１７９７３３号公報

ここで、特許文献１～３の技術は、あくまで焼鈍後の鋼板温度の均一化を目的とする。特許文献１～３の技術によって、結果的に過加熱による鋼板の端部の材質変化の影響は抑えられる可能性があるが、さらなる鋼板の材質ばらつきの抑制が求められている。

特許文献１の手法は、鋼板の端部の過加熱を抑制するが、焼鈍炉へ適用する場合に、焼鈍炉以前の熱延工程又は冷延工程における熱履歴又は加工履歴の影響で既に生じている板幅方向の材質ばらつきを含めて材質を均一化するものでない。

また、特許文献２及び特許文献３の技術は焼鈍炉への適用を想定しているが、焼鈍炉以前の工程で既に生じている板幅方向の材質ばらつきを含めて材質を均一化するものでない。

本開示は、上記の問題を鑑み、板幅方向の材質ばらつきの発生を抑制することが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誘導加熱装置と、
前記誘導加熱装置の入口で前記鋼板の端部をガスによって冷却する冷却装置と、
前記誘導加熱装置より下流における前記鋼板の相分率に基づいて、前記誘導加熱装置及び前記冷却装置の操業条件を制御する制御装置と、を備える。

（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記相分率は、前記誘導加熱装置より下流に設置された変態率計を用いて測定される。

（３）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備えて構成される鋼板の連続焼鈍設備で実行される連続焼鈍方法であって、
前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた誘導加熱装置によって急速加熱を実施するステップと、
冷却装置によって前記誘導加熱装置の入口で前記鋼板の端部を冷却するステップと、
前記誘導加熱装置より下流における前記鋼板の相分率に基づいて、前記誘導加熱装置及び前記冷却装置の操業条件を制御するステップと、を含む。

（４）本開示の一実施形態として、（３）において、
前記誘導加熱装置は１０℃／ｓ以上、２００℃／ｓ以下で前記鋼板を加熱する。

（５）本開示の一実施形態として、（３）又は（４）において、
前記相分率は、前記誘導加熱装置より下流に設置された変態率計を用いて測定される。

（６）本開示の一実施形態に係る冷延鋼板の製造方法は、
（３）から（５）のいずれかの連続焼鈍方法によって冷延鋼板である前記鋼板を焼鈍する。

（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、板幅方向の材質ばらつきの発生を抑制することが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ができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る連続焼鈍設備の概略構成を示す模式図である。 図２は、本開示の一実施形態に係る連続焼鈍設備の別の構成を示す模式図である。 図３は、冷却装置と誘導加熱装置の配置関係を示す概略図である。 図４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。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。以下の実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

＜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）、変態率計１０及び冷却装置１３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。本実施形態において、連続焼鈍設備は少なくとも１つの変態率計１０を備える。しかし、連続焼鈍設備は、誘導加熱装置９で焼鈍した後の相分率を把握できれば、変態率計１０を備える構成に限定されない。例えば、連続焼鈍設備は、変態率計１０でなく、設置された温度計の情報に基づいて変態率を予測する構成であってよい。また、連続焼鈍設備は少なくとも１つの冷却装置１３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より下流に変態率計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の出口より下流であれば設置位置が限定されるものでない。

図２の例のように、変態率計１０は、誘導加熱装置９の直後に設置することも可能である。ここで、変態率計１０は、鋼板のオーステナイト分率（γ相分率）を測定する測定装置の一例である。また、オーステナイト分率を把握するために、各焼鈍帯に板幅方向に温度計を設置し、鋼板寸法及び成分実績等から予測した結果が用いられてよい。ここで、板幅方向は鋼板の幅方向である。

さらに、連続焼鈍設備は、変態率計１０のγ相分率の測定結果を用いて、誘導加熱装置９の出力、冷却装置１３の出力を調整する機構を備える構成ある。連続焼鈍設備は、必要に応じて均熱帯７の炉温など、その他の焼鈍設備条件を変更する構成であってよい。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。

（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。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。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ことを主な役割とする。ただし、この際に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。

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。

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相分率を制御できる上限の温度である。鋼板のいずれの場所でも同一のγ相分率が得られるように、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る。誘導加熱装置９を採用することにより、設備全体の小型化にも寄与することができる。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性質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より大きいと板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、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て硬質化し、最終製品において必要な伸びが得られない。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による加熱が終了してから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との間に設けられればよい。例えば、誘導加熱装置９を均熱帯７と冷却帯８との接続部分に設ければ、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。

また、分割式の均熱帯７が用いられる場合に、誘導加熱装置９が２つ以上、設置されてよい。例えば均熱帯７は、上流側の区画で再結晶域での保持を行い、下流側の区画で鋼板表面の還元反応促進のために高温域での保持を行う、二つの区画に分割された構成であり得る。区画ごとの最適温度範囲に差があるため、低温区画から高温区画の温度まで急速に加熱する第一の誘導加熱装置９と、冷却帯８に入る直前で材質制御のための温度調整を目的とした第二の誘導加熱装置９と、が設置されてよい。

（冷却装置）
誘導加熱装置９で鋼板を加熱する場合に、鋼板に発生した渦電流は板幅方向の両端部（エッジ）に集中する性質がある。そのため、板幅方向の両端部は、中央部分よりも高温になることが知られている。加熱後の鋼板の温度を板幅方向で均一化するため、図３のように鋼板の両端部を予め冷却する冷却装置１３が誘導加熱装置９の入側に設置される。

冷却装置１３はガスを噴出して冷却する装置であることが好ましい。本実施形態において、冷却装置１３は鋼板の端部をガスによって冷却する。冷却装置１３はノズルを備え、鋼板の端部の両面（表裏）に対してガスが噴射されるように、ノズルが鋼板を挟んで対向するように表側及び裏側のそれぞれに取り付けられてよい。

過昇温が生じる範囲は、板幅方向において、鋼板の両方の縁からそれぞれ内側に向かって２００～３００ｍｍ程度の範囲である。そのため、この範囲を特に冷却できるようにノズルを配置できれば、ノズルの取り付けは特定の形態に限定されない。ここで、変態率計１０を使用して測定した板幅方向の変態率分布に応じて、板幅方向の全体にわたって材質ばらつきが目標範囲内となるように冷却範囲を決定することがより好ましい。冷却範囲の変更が可能なように、板幅方向に向かって複数の冷却装置１３が設置されることが好ましい。

冷却装置１３のノズルは、板幅方向にスリットが延伸するスリットノズルであってよいし、板幅方向に延伸するノズルヘッダに小孔が空けられたノズルであってよい。スリットの厚みは例えば１～５ｍｍの間で任意の幅を設定することができる。小孔は例えば１～２０ｍｍの範囲で任意の径を設定することができる。単一のノズルでは冷却量が不十分な場合に、ノズルを多段に設置することができる。冷却ガスは非酸化性のガス（Ｎ_２、Ｈ_２又はこれらの混合ガス等）が好ましい。このとき、冷却ガスは高温の炉内ガスでなく、炉外から引き込んだガスであることが好ましい。

また、この冷却装置１３の冷却能力は、鋼板の通板速度、鋼板の寸法、誘導加熱装置９の仕様に基づいて決定されてよい。冷却装置１３は、熱伝達係数で５０～５００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）を実現できる冷却性能を有することが望ましい。熱伝達係数が５００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）を上回ると、鋼板の形状が崩れ、搬送時にトラブルを起こす可能性がある。

ここで、冷却装置１３と誘導加熱装置９の距離が離れると、冷却装置１３から誘導加熱装置９に至るまでに鋼板が周囲雰囲気によって加熱されてしまう。その結果、誘導加熱装置９の出側の温度分布が均一にならず、幅方向で材質がばらつく原因となる。炉内雰囲気の強制対流による加熱の熱伝達係数はおおよそ２０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）と推定される。通板速度１００ｍｐｍ、板厚１ｍｍを想定した場合に、均熱帯出側での温度上昇量は距離４ｍで５℃、８ｍで１０℃程度である。以上より、幅方向の温度バラつきを均一化する観点から、冷却装置１３の出側から誘導加熱装置９の入側まで距離は８ｍ以内が好ましく、４ｍ以内がより好ましい。

（変態率計）
誘導加熱装置９より下流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は、測定したγ相分率に基づき、誘導加熱装置９、冷却装置１３などの操業条件を調整する目的で設けられている。このような調整によって、鋼板の機械的性質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より下流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など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。その観点では、冷却帯の出口よりは上流に設置することが好ましい。ただし、変態率計１０の耐熱性を考慮して設置される必要がある。より迅速にフィードバックするために、変態率計１０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より好ましい。

ここで、変態率の測定方式は特に限定されない。例えば磁気検出器、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。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。

変態率は、板幅方向の相分率分布が得られるように、測定されることが好ましい。板幅方向の相分率分布の測定が難しい場合に、板幅中央部及び両方の板幅端部の少なくとも３か所が測定されればよい。板幅中央部は鋼板の板幅方向の中央の部分であって、鋼板の中央が測定されてよい。また、板幅端部は鋼板の板幅方向の両方の縁のそれぞれに近い部分である。板幅端部における測定位置は特定の位置に限定されないが、鋼板の端部の縁から内側に向かって２５～１００ｍｍの範囲において少なくとも１か所が測定される必要がある。

ここで、上記のように、変態率を把握する方法は、変態率計１０による測定に限定されない。他の方法として、機械学習モデル又は物理モデルを用いた計算などによって、相分率の予測値が用いられてよい。この場合、予測モデル精度向上のため、焼鈍炉内部には適宜温度計を設置することが望ましい。

（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。また、冷却帯を分割した際に、分割部分に変態率計１０が設置されてよい。

（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の表面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。また、形状の乱れが生じた場合に、調質圧延設備及び矯正機を通板させることによって矯正が行われてよい。調質圧延及び矯正は、鋼板の機械的性質に影響を与えずに形状を矯正可能な条件で行えばよい。

＜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の出力又は冷却装置１３の出力を制御する。また、本実施形態では、必要に応じて均熱帯７の炉温など、その他の焼鈍設備条件についても制御する。このことによって、単に板幅方向で焼鈍時の鋼板温度を均一化する手法と比べて、さらに板幅方向における材質ばらつきを抑えて、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。

図４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。この連続焼鈍方法は、操業条件実績を蓄積、管理するプロセスコンピュータに代表される連続焼鈍設備に付帯する制御装置によって実行されてよい。

誘導加熱装置９を通過した鋼板の相分率が「変態率情報実績」として取得される。相分率は測定値であってよいし、予測値であってよい。また、材料を鋳造した際に得られた化学成分、板厚、板幅等の鋼板寸法の情報が「素材情報」として取得される。他にも、通過工程の製造条件が素材情報として取得されて構わない。また、焼鈍時の鋼板の搬送速度、設定炉温、炉内雰囲気ガス及び冷却条件などの情報が「連続焼鈍設備の操業条件」として取得される。これらの情報を元に、「材質予測モデル」を用いて、最終的に得られる製品の機械的性質（機械特性）が予測される。材質予測モデルは、オフラインでの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。また、材質予測モデルは、蓄積された製造実績を学習用データとして、機械学習によって生成された機械学習モデルであってよい。

次に、材質予測モデルから導かれた機械的性質の予測結果が、製品に許容される機械的性質の目標範囲内であるかを判断する。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４の「機械的性質目標範囲内」がＹｅｓ）、現在の条件のまま（すなわち同一条件で）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４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、その変態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。ここで、調整対象とする金属相はγ相が適している。

連続焼鈍設備は、必要な鋼板温度制御量が、誘導加熱装置９の入側の冷却装置１３の制御可能範囲に含まれると判断する場合に（図４の「冷却装置制御範囲内」がＹｅｓ）、冷却装置１３の出力変更のみで冷却量を変更する（図４の「冷却装置冷却量変更」）。連続焼鈍設備は、必要な鋼板温度制御量が、冷却装置１３の制御可能範囲に含まれないと判断する場合に（図４の「冷却装置制御範囲内」がＮｏ）、誘導加熱装置９の条件も併せて変更する。

連続焼鈍設備は、必要な鋼板温度制御量が、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４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、必要な鋼板温度制御量が、誘導加熱装置９で制御可能な範囲に含まれないと判断する場合に（図４の「ＩＨ出力制御範囲内」がＮｏ）、冷却装置１３と誘導加熱装置９以外の設備の条件も合わせて変更する（図４の「その他焼鈍設備条件変更」）。ここで、その他焼鈍設備とは、均熱帯７又は冷却帯８などを指す。その他焼鈍設備は、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、条件が変化している間も時々刻々、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性質が目標から外れる量を最小限に抑えることができる。

上記の冷却量に関して、冷却装置１３は、板幅方向の変態率分布に基づいて予測される焼鈍完了時の鋼板温度が板幅方向で差を生じる場合に、この差を解消するように板幅端部に予め板幅中央部との温度差を付与する。温度差を付与するための冷却量は下記の方法で求められる。

例えば、温度Ｔ_１の鋼板が誘導加熱装置９を通板することによって板幅中央部の温度がＴ_２になり、板幅端部の温度がＴ_３になったとする。つまり、板幅中央部の昇温量であるΔＴ_ＣはＴ_２－Ｔ_１である。また、板幅端部の昇温量であるΔＴ_ＥはＴ_３－Ｔ_１である。このとき、ΔＴ_ＥとΔＴ_Ｃは以下の式（１）の関係を有する。

エッジマスクなどの板幅端部の過加熱を抑制する設備が誘導加熱装置９に付帯されていない場合、αはおおよそ２である。αの値は、例えばラボ実験又は製造条件と実績の蓄積などにより経験的に求められる。仮に誘導加熱装置９によって板幅中央部が１００℃昇温（ΔＴ_Ｃが１００℃）される場合に、板幅端部は、板幅中央部と比較して、さらに約１００℃昇温（ΔＴ_Ｅが約２００℃）される。そのため、鋼板が誘導加熱装置９に搬送される直前に、冷却装置１３によって温度差を解消する分（この例では約１００℃）だけ板幅端部が冷却されればよい。冷却装置１３を通過後の板幅端部の温度であるＴ_ＥＡは以下の式（２）の関係を有する。

ここで、Ｔ_Ｓは冷却ガスの温度である。Ｔ_ＥＡは冷却装置１３を通過した後の板幅端部の温度である。Ｔ_ＥＢは冷却装置１３を通過する前の板幅端部の温度である。ｈはガス冷却の熱伝達係数（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））である。Ｓは冷却装置１３内にある鋼板の表面積（ｍ^２）である。ｃは鋼板の比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））である。ρは鋼板の密度（ｋｇ／ｍ^３）である。Ｖは冷却装置１３内にある鋼板の体積（ｍ^３）である。ｔは鋼板が冷却装置１３内を通過する時間（ｓ）である。

板幅端部を１００℃冷却する場合には、式（２）と鋼板の搬送速度、比熱、密度の情報などを用いて、例えば冷却前の板幅端部の温度であるＴ_ＥＢを８００℃と仮定し、Ｔ_ＥＡが７００℃となる冷却条件を算出する。

ここで、冷却量の変更は、冷却に用いられるガスの温度又は流量を制御することによって可能である。冷却量を変更する方法は限定されないが、特にガスの噴出圧（圧力）を変更して流量を制御することが望ましい。具体例として、冷却装置の熱伝達係数と制御可能なパラメータ（例えばガスの流量又は圧力）との関係を予め取得してテーブル化などを行い、板幅端部において目標の冷却量が得られるように冷却装置１３の制御パラメータを変更してよい。鋼板の幅方向の全ての位置において、例えばγ分率のばらつきの大きさが１０％の範囲内であれば、材質の均一性が確保される。

ここで、例えば参考文献（特開平７―４１８６８）は、鋼板エッジの過加熱を抑制する手法として、火炎バーナーを用いた無酸化炉方式の加熱炉において炉壁の内面に冷却媒体として空気又は水を通す冷却管を配置する構造を開示する。このような間接的な冷却では冷媒の流量などの冷却条件を変更しても、炉内の流体の温度が変わるまで時間を要する。そのため、通板速度の変更、板厚の切り替わりなど、板の熱容量が変化した場合に、目標の板温となるまである程度の時間を要する。これに対して、本開示のガスによる直接冷却では冷却条件の変更が直接に鋼板の温度変化につながる。そのため、熱容量の非定常な変化が起きても即座に対応することが可能となり、鋼板エッジの板温を安定的に制御することができ、幅方向で材質バラつきのない高品質な鋼板を製造することができる。

（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、目標とする機械的性質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０．０５％以上かつ０．２５％以下、Ｓｉが０．０１％以上かつ２．００％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０．１００％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及び図２参照）を用いて、薄鋼板を製造した条件と結果を示す。比較例１、比較例２、実施例１及び実施例２について、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。各グレードにおける各板厚の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。

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、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（長手方向）に任意の３か所を選定した後、板幅中央部と、両方の板幅端部（両方の縁より中央部に向かって５０ｍｍの位置）の３ヶ所の引張り試験片が採取されて、機械的性質が測定された。つまり、１つの最終製品コイルにつき、計９つの試験片が採取されて、機械的性質が測定された。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。引張試験によって測定されたＴＳ（引張強度）のばらつきの大きさが６０ＭＰａの範囲内の場合に材質が安定していると判定し、－３０ＭＰａ～＋３０ＭＰａの範囲より大きい場合に材質がばらついていると判定した。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、板厚に応じて鋼板温度の変化が制御された。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で更に加熱が行われた。均熱帯７の出口（冷却帯８の入口）の鋼板温度は７７０～８７０℃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、図１に示す連続焼鈍設備を用いたが、冷却装置１３を使用せずに製品を製造した結果である。そのため、表１において冷却装置は「無し」と表記している。ここで、変態率計１０は冷却帯８の中間部、すなわち第１の冷却帯８Ａと第２の冷却帯８Ｂとの間に配置されている。通板速度及び加熱帯６の出口温度は比較例１と同様の範囲で制御された。ただし、冷却帯８の出口の変態率計１０によって焼鈍時の板幅中央部の相分率が測定され、誘導加熱装置９の出力と均熱帯７の炉温が制御された。相分率を積極的に制御したため、製品の板幅中央部における機械特性のばらつきは大きく改善された。しかし、冷却装置１３を使用しなかったため、誘導加熱装置９により板幅端部が過加熱となり、板幅端部における材質ばらつきは比較例１よりも大きくなった。

実施例１は、図１に示す連続焼鈍設備を用いて、冷却装置１３を使用して製品を製造した結果である。ここで、変態率計１０は冷却帯８の中間部、すなわち第１の冷却帯８Ａと第２の冷却帯８Ｂとの間に配置されている。変態率計１０によって板幅中央部と板幅端部の相分率が測定され、誘導加熱装置９の出力、均熱帯７の炉温及び誘導加熱装置９の入側の冷却装置１３の冷却量が図４の制御フローに則って適宜制御された。測定された板幅端部の相分率に基づいて、冷却装置１３の適切な冷却量を設定することができ、材質のばらつきは板幅中央部、板幅端部ともに大きく改善した。また、板幅端部の材質ばらつきは板幅中央部の材質ばらつきと同程度になった。

実施例２は、図２に示す連続焼鈍設備を用いて、冷却装置１３を使用して製品を製造した結果である。ここで、変態率計１０は誘導加熱装置９の直後に配置されている。変態率計１０によって板幅中央部と板幅端部の相分率が測定され、誘導加熱装置９の出力、均熱帯７の炉温及び誘導加熱装置９の入側の冷却装置１３の冷却量が制御された。測定された板幅端部の相分率に基づいて、冷却装置１３の適切な冷却量を設定することができ、材質のばらつきは板幅中央部、板幅端部ともに大きく改善した。板幅端部の材質ばらつきは板幅中央部の材質ばらつきと同程度になった。また、変態率計１０を誘導加熱装置９の直後に設置したことで、より焼鈍終了直近のγ分率を測定することが可能となり、操業条件の修正を迅速に実施できる。そのため、実施例１と比較して材質ばらつきが低減した。

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、板幅方向の材質ばらつきの発生を抑制することができる。また、本実施形態に係る連続焼鈍設備は、加熱能力が高く、温度制御に対する応答性が速い誘導加熱装置９を用いることによって、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。

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、誘導加熱装置９の出力、均熱帯７の炉温及び冷却装置１３の冷却量を制御する処理などを実行してよい。つまり、プロセスコンピュータのプロセッサがプログラムによって上記の制御装置として機能してよい。

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
１３ 冷却装置

Claims (9)

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誘導加熱装置と、
   前記誘導加熱装置の入口で前記鋼板の端部をガスによって冷却する冷却装置と、
   前記誘導加熱装置より下流における前記鋼板の相分率に基づいて、前記誘導加熱装置及び前記冷却装置の操業条件を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記操業条件の制御として、鋼板温度制御量が前記冷却装置の制御可能範囲に含まれると判断する場合に、前記冷却装置の前記ガスの温度又は流量のみを制御し、前記鋼板温度制御量が前記冷却装置の制御可能範囲に含まれないと判断する場合に、前記誘導加熱装置の出力も併せて変更する、連続焼鈍設備。
2. 前記相分率は、前記誘導加熱装置より下流に設置された変態率計を用いて測定される、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備えて構成される鋼板の連続焼鈍設備で実行される連続焼鈍方法であって、
   前記均熱帯と前記冷却帯との間に設けられた誘導加熱装置によって急速加熱を実施するステップと、
   冷却装置によって前記誘導加熱装置の入口で前記鋼板の端部をガスによって冷却するステップと、
   制御装置が、前記誘導加熱装置より下流における前記鋼板の相分率に基づいて、前記誘導加熱装置及び前記冷却装置の操業条件を制御するステップと、を含み、
   前記制御装置は、前記操業条件の制御として、鋼板温度制御量が前記冷却装置の制御可能範囲に含まれると判断する場合に、前記冷却装置の前記ガスの温度又は流量のみを制御し、前記鋼板温度制御量が前記冷却装置の制御可能範囲に含まれないと判断する場合に、前記誘導加熱装置の出力も併せて変更する、連続焼鈍方法。
4. 前記誘導加熱装置は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. 前記相分率は、前記誘導加熱装置より下流に設置された変態率計を用いて測定される、請求項３に記載の鋼板の連続焼鈍方法。
6. 前記相分率は、前記誘導加熱装置より下流に設置された変態率計を用いて測定される、請求項４に記載の鋼板の連続焼鈍方法。
7. 請求項３から６のいずれか一項に記載の連続焼鈍方法によって冷延鋼板である前記鋼板を焼鈍する、冷延鋼板の製造方法。
8. 請求項７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。
9. 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８に記載のめっき鋼板の製造方法。