378-07版下

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ひとおぜんじゅう
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1 Steels for Marine Transportation and Construction

2 図１厚板製造プロセス TMCP の概要と金属組織の変化の様子却の状態で生じさせ結晶粒を微細にすることやベイナイ２つの社内研究プロジェクトを経て 1981 年には八幡製鐵トやマルテンサイトにすることで鋼材の強度の増加や靱性所にオンライン冷却のパイロットプラントが 1983 年にを著しく向上させることができるは君津製鐵所に本格的なオンライン冷却の製造設備が実際の TMCP では制御圧延や加速冷却に加えて再加熱 CLC 冷却装置として完成したこの CLC 冷却装置は冷却を低温で行うことやTiやNbといったMAE Micro Alloying 前に HL Hot Leveler 熱間矯正機を有しロールによ Element の固溶析出を利用して粒成長や再結晶を抑制る鋼板の拘束スプレーによる強冷却鋼板通過型冷却なして制御圧延や加速冷却の細粒化を最大限に得ることがどを特徴とする当時としては極めてユニークな設備仕様を行われている制御圧延の歴史は 1950 年代の欧州にお持つ当社独自のオンライン冷却装置で冷却の均一性形ける低温仕上圧延再結晶γ低温域圧延に端を発し状緩冷却からDQの強冷却まで自在に行うことができる 1958 年には米国の National Steel による Nb 鋼の実用化 5)に特徴があった今日の加速冷却装置は CLC 冷却装置の特より大きく進展した 1960 年代には BISRA 英国鉄鋼公徴のいずれかを導入しているものが多い社や日本の研究者により制御圧延の研究が行われたこ一方国内では当時の日本鋼管株が1980年にOLAC れらの成果は1969年に日本の各社によりX65の実用化とし川崎製鉄株当時を設置し 10) 住友金属工業株て結実した 1) 株神戸製鋼所もそれぞれ独自の冷却装置を実用化したその後当社では1 000 以下の低温加熱とCR 制御圧これにより TMCP技術は世界に先駆けて日本の技術とし延厳密には未再結晶域圧延あるいは２相域圧延を行て確立した 6) う NIC Nippon Steel Inter-critical Rolling プロセスや LCB 現在では CLCの適用鋼材は造船建築海洋構造物 7) 鋼 Ultra Low Carbon Bainite 鋼極低炭素ベイナイト鋼ラインパイプ建産機タンクペンストックなど全分野 8) の実用化圧延中の冷却制御やこのプロセスを利用してに広がり厚板製造に不可欠の技術となっている特に造られた高いアレスト性能を有するHIAREST 表層超細造船分野への適用はCLCの開発と同時に行われ新HT50を粒鋼が実用化された他社では住友金属工業株のSHT 開発したこの鋼材は従来のノルマライジングまたは 9) 法圧延中に冷却再加熱を行うという特殊な制御圧 CR の HT50 に比べて細粒化や組織強化により同一成分で延がなされた一方加速冷却は制御圧延の発達により広 100N mm2程度の強度アップが可能でありその分Ceqをく実用化されることとなるがその研究開発の歴史は古大幅に低減できた 4) これにより溶接部のく当社では 1960 年に広畑製鐵所で DQ Direct Quench 硬さを低減でき溶接性が飛躍的に改善した図２ 2 直接焼入れによる HT60 TS590N mm 鋼の製造が行また CLC冷却装置は広い冷却速度範囲を有しておりわれたまた 1970 年には熱処理の RQ Roller Quench 強冷却機能を利用した焼入れ焼戻しのプロセスとして設備を用いた加速冷却による極低 Ceq 炭素当量のク HT60 HT120 TS N mm2 鋼の高強度鋼材ラックフリータイプの HT50 TS490N mm2 鋼の製造がに適用されているまたその発展形のプロセス11)も含め行われている橋梁 SM570TMC て造船 YP N mm2 鋼その後年にはDQの総合的研究が行われ建築 BT-HT 海洋高性能鋼 BHS

制御圧延や加速冷却の細粒化を最大限に得ることがどを特徴とする当時としては極めてユニークな設備仕様を行われている制御圧延の歴史は 1950 年代の欧州にお持つ当社独自のオンライン冷却装置で冷却の均一性形ける低温仕上圧延再結晶γ低温域圧延に端を発し状緩冷却からDQの強冷却まで自在に行うことができる 1958 年には米国の National Steel による Nb 鋼の実用化

3 図２強度と炭素当量の関係図４船体用で最も強度の高い鋼板の推移図３厚板分野の強度クラスとCLCおよびHTUFF の適用状況図５ CLC-μとHLの外観君津製鐵所構造物 YP N mm2 鋼建産機 HT 計も重要な支配因子となるために材質予測モデルは重要ラインパイプ X タンクペンストック HT80 なツールとして使用されている 100 などが TMCP で製造されている図３ 3) 図４近年当社では CLC を第２世代の CLC μ ミュー 14) に船体用鋼の高強度化と CLC 活用の変遷を示す CLC 技へ更新した図５ CLC μではこれまでのCLCにく術の適用により鋼材の高強度化が進んできたことが判るらべても冷却時の鋼板の上下面幅方向にさらに均一な冷一方でこのような TMCP を十分に使いこなすために却を行えるよう水の核膜沸騰特性や流れの解析鋼板の変は鋳造再加熱圧延冷却焼戻しなどの製造工程に形挙動を考慮した新しい冷却方式を開発したまた冷却おける粒成長加工と回復再結晶 MAEの固溶と析出ゾーン細分化による多段冷却の実現やこれまでの CLC 以変態といった冶金現象を定量的に把握して最適に制御す上に広い冷却速度範囲の実現など世界でも最新の能力を持ることが必要であるまた金属組織と強度靱性などのつ加速冷却装置となったこれらの能力を使ってさらに新材質を関係づけておくことも重要であるこの観点から当しい商品開発を行っている例えば地震地帯や不連続凍社では一貫プロセスのメタラジーとして製造工程で生じ土地帯に敷設されるラインパイプには地盤変動による曲る冶金現象をモデル化する材質予測モデルの開発 12, 13) げ曲げ戻しに対する変形性能が要求されるが X80クラを行ってきたス以上の高強度においても充分高い変形性能を有する鋼板これは再加熱圧延冷却中の温度や鋼材中の加工歪を開発し実用に至っているまたマイナス40 以下のみを計算するプロセスモデルと再結晶や変態による組織変極寒冷地においてもこれまでにない優れた溶接性と溶接継化を計算する金属組織モデル金属組織から材質を予測す手靭性を有する海洋構造物用鋼板や橋梁用高性能鋼る組織材質モデルからなる成分やプロセス条件熱履 SBHS500の製造など多くの新商品の製造に使われている歴圧延パスの温度圧下量などの圧延条件水量冷却 2.2 HAZ 靭性制御技術時間などの CLC 冷却条件を与えることで製造工程での金属組織変化や最終的にえられる強度やシャルピー靱性厚鋼板は溶接構造用鋼として使用する場合がほとんどで vtrs を計算するこのようなモデルを利用することであることから良好な溶接性や溶接継手部の靭性確保は極成分や圧延条件を設計したり最適プロセスを検討するこめて重要となる特に溶接熱影響部 HAZ の靭性向上とができる TMCPでは成分に加えてプロセス条件の設技術は厚鋼板開発の最重要技術の１つとしてこれまで多く 39

却を行えるよう水の核膜沸騰特性や流れの解析鋼板の変は鋳造再加熱圧延冷却焼戻しなどの製造工程に形挙動を考慮した新しい冷却方式を開発したまた冷却おける粒成長加工と回復再結晶 MAEの固溶と析出ゾーン細分化による多段冷却の実現やこれまでの CLC 以変態といった冶金現象を定量的に把握して最適に制御す上に広い冷却速度範囲の実現など世界でも最新の能力を持

5 図８超大入熱溶接条件 39kJ mm における造船用鋼の継手ミクロ組織20) 図10 コンテナ船サイズと使用最大板厚の関係裂伝播停止靭性 Kca として 4 000N mm N mm1.5 が必要 ② ボンドに沿った伝播亀裂は入熱にかかわらず継手靭性が十分であれば伝播する間に母材に逸れて伝播停止するという結論が得られていた23) そこで溶接部の脆性破壊発生を防止するとともに重要部材に高靭性母材を配置してアレスト性を確保することで二重の安全性が実現されており万が一の脆性破壊発生の場合でも大規模な船体の破壊は防止できると考えられた図９ HAZ靭性制御技術と開発鋼材の変遷脆性破壊の発生特性は中央切り欠きタイプのディープノッチ試験を用いて評価されてきたまた船級規則の要求シャルピー衝撃値とディープノッチのKc値との整合性 HAZ 靭性のさらなる向上を目指すためには靭性支配が報告されており船級規則の要求シャルピー衝撃値を満因子の明確化 HAZ靭性予測技術の確立も重要であるそ足すれば破壊の発生特性を確保できると考えられるこで当社では HAZ靭性に及ぼす各因子有効結晶粒径一方アレスト特性については前述のアレストに関す脆化相硬さ等の影響を定量的に把握しこれらに及ぼる既存知見は板厚40mm以下の鋼板の実験で得られたもす合金元素や溶接熱履歴の影響を定式化することによっのであり検証されていない厚手での板厚効果による脆性て鋼材の化学成分と溶接条件から遷移温度を予測するモ破壊特性の低下が推察され最近のコンテナ船用鋼板の厚デルの構築を進めている 21) 手化によりこれら厚手鋼板の破壊性能が危惧されること 3. となった造船分野における取り組み状況そこで新日本製鐵では三菱重工業株と共同で50mm 3.1 アレスト特性コンテナ船用厚手 EH47 鋼 70mmの板厚の鋼板を用いて 8 000ton 80MN の載荷 21世紀に入りコンテナ船は急激に大型化したコンテ能力を有する大型引張試験機を用いたアレスト実験を行っナ船はコンテナの積み下ろしのために大きな開口部を有たその結果厚手材では脆性き裂が溶接継手部から逸するため開口部周縁に配置されるハッチサイドコーミンれることが無いこと 50mm以上の厚手材母材ではシャグには厚手の高強度鋼が用いられる図 10 はコンテナ船ルピー衝撃値が良好でも脆性き裂が止められないことがのサイズと使用最大板厚の関係を示した図であるが両者有ることを実証し公表した 24) はほぼ比例関係にあり TEU になると 100mm 程度この研究報告は従来の船舶設計で想定している脆性きの板厚の鋼板が必要になってくる22) 鋼板の脆性破壊特性裂伝播停止のストーリーが厚手材では成立しないことを示は板厚を増すほど低下することからコンテナ船用鋼板の唆しており大きな衝撃を持って受け止められた一方厚手化によりこれら厚手鋼板の破壊性能が危惧されたアレスト特性を確保して大型コンテナ船の安全性を確保以下では造船用鋼の必要特性とコンテナ船用厚手するソリューションとして当社は三菱重工業株財 EH47 鋼開発の経緯について簡単に示す日本海事協会と共同でアレスト性を具備し溶接部破壊国内造船分野では脆性破壊の防止に関して 1980 年代靭性に優れるEH47鋼を開発したこれは脆性破壊発生までの研究成果から ① 長大き裂のアレストには脆性き特性向上のために前述した HTUFF 技術を適用して大入 41

HAZ靭性制御技術と開発鋼材の変遷脆性破壊の発生特性は中央切り欠きタイプのディープノッチ試験を用いて評価されてきたまた船級規則の要求シャルピー衝撃値とディープノッチのKc値との整合性 HAZ 靭性のさらなる向上を目指すためには靭性支配が報告されており船級規則の要求シャルピー衝撃値を満因子の明確化 HAZ靭性予測技術の確立も重要であるそ足すれば

6 熱溶接 HAZ 組織を微細化するとともにアレスト特性向上のために化学成分と TMCP 条件加熱温度 CR 温度圧下率冷却速度等の最適化により母材組織微細化を図ったものである25) 本鋼材は最低使用温度である 10 においても YP460鋼の使用応力下で脆性き裂発生後短い距離で停止させることができるこのEH47鋼は三菱重工業株で建造された株商船三井向けコンテナ船に初採用され発生特性とアレスト特性による安全性の向上と高強度化による軽量化を両立させた鋼材として大きく図12 実船適用結果注目された 3.2 耐食性原油タンカー用高耐食鋼 NSGP -1 の安全性向上に大きく寄与している 1990年代図11に一例を示すように原油タンカー底 3.3 造船疲労ソリューション板に原因不明の最大深さ10mmにも及ぶ食孔が１タンク当たり最大千数百個という膨大な頻度で発生し穴あきによ多くの溶接鋼構造物の長寿命化のためには耐疲労特性のる海洋汚染の懸念から点検補修の負荷は急増し世界的向上が重要であり ① 疲労き裂の発生抑制技術や ② 疲労な対策が求められたき裂伝播阻止技術が求められている特に船舶においては EU 諸国は塗装強制化の国際条約案を国連国際海事機関外洋での厳しい海象条件を考慮した繰り返し負荷に対して IMO に提示したが何らかの原因で塗膜に欠陥が生じた各種規定で定められた寿命や定期検査までの期間を考慮し場合の腐食懸念は依然高くその結果塗料有機揮発物た耐疲労性能が求められるまた ① ② のような疲労質 VOC の使用量増大という新たな問題が生じている対策の効果を船舶の疲労設計に合理的に活用していくため 2002年に新日本製鐵と日本郵船株は鋼材によるには気象海象などで変動する応力振幅やき裂進展先の残防食対策が実現できれば海洋汚染リスク低減と同時に留応力の状態をも考慮して疲労寿命を高い精度で予想す VOC 抑制等の多大な貢献に繋がると考え協同で研究開ることが必要であるこのため造船をはじめとした溶接構発に着手した造物の疲労問題には ① ② と ③ 疲労寿命推定技術を合その結果独自に孔食過程を解明し食孔内部を再現するわせた疲労トータルソリューションが極めて重要であ試験方法を考案し試験結果と実船孔食速度の定量的対応りこの詳細については第３章３５原理原則に迫る現を明確化したさらに漏洩リスク排除メンテナンス負荷象解析２疲労トータルソリューション技術で紹介す最小化 VOC 低減そして経済性を両立する耐食目標を明るらかにして世界初の原油タンカー底板用耐食鋼NSGP 造船分野における溶接技術 1 Nippon Steel Green Protect-1 を開発した 26) 本鋼を超大型タンカーに適用することで実船での効果確認を行い造船分野における溶接技術の進歩としては高効率化や図12 27) 2007年度に市販を開始した本鋼はこれまで継手の高強度高靱性化に対応する新技術の開発が行われに９隻に適用されている 2010 年に IMO 第 87 回海上安たまずコンテナ船の大型化に伴う板厚の増大に対し全委員会で原油タンカーの貨物タンクの腐食防止措置を高能率なワンパス溶接を可能とする２電極 V E G A 規定した条約改正が採択され塗装とともにNSGP -1を Vibratory Electro-Gas Arc welding 溶接法を新日本製鐵含む耐食鋼が有効な耐食技術として認められた腐食評価日鐵住金溶接工業株および三菱重工業株の３社の試験方法およびクライテリアは IMOルールとなり船舶共同研究を通じて開発した 28) 本溶接法の概要を図 13 に示す２電極VEGA 溶接法は従来の１電極VEGA 溶接法を２電極化することにより適用板厚範囲の増大と溶接速度の向上を図ったものである２電極化の開発にあたっては ① ２電極の極性の適正化 ② 電極間距離の適正化 ③ 溶接材料のフラックス組成の適正化 ④ ２電極の揺動条件の適正化を検討しアーク干渉やスラグスパッタ跳ね現象の抑制を図っているこれらの開発を通じ板厚 65mmを超える厚手鋼板に対する施工においても良好な作業性を備えつつ安定した溶込みを実現し施工工数の短縮図11 原油タンカー底板に発生する食孔の概要 COT Cargo Oil Tank と溶接欠陥の効果的な排除を可能とする立向エレクトロガ 42

3 造船疲労ソリューション板に原因不明の最大深さ10mmにも及ぶ食孔が１タンク当たり最大千数百個という膨大な頻度で発生し穴あきによ多くの溶接鋼構造物の長寿命化のためには耐疲労特性のる海洋汚染の懸念から点検補修の負荷は急増し世界的向上が重要であり ① 疲労き裂の発生抑制技術や ② 疲労な対策が求められたき裂伝播阻止技術が求められている特に船舶においては EU

7 4. 建築分野における取り組み状況 1995年に起きた阪神淡路大震災の教訓をもとに建築構造物の破壊性能に関する研究が進み鉄骨構造物の品質が見直されて合理的な実施工に結び付けようとする試みが進んだ31) その結果建築鉄骨の溶接部に対して従来よりも高い破壊靭性が要求されるようになり例えば高層建築物に用いられる鉄骨の溶接部に対して０で70J 程度の高いシャルピー吸収エネルギーを要求する物件も登場した32) 加えて建築構造物の複合用途化大型化や無柱大スパン空間の実現要求による高強度化厚手化と鉄骨製作での高能率溶接施工の要求が高まった31, 33) 日本では特に超高層建築物のもっとも一般的なディテールは４面ボックス柱であるが32) これに対しては高能率溶接の例としてダイアフラム溶接部のエレクトロスラグ溶接 Electroslag Welding ESW や多電極のサブマージアーク溶接 Submerged Arc Welding SAW などがあり溶接入熱量は kJ mm に及ぶ従来の建築鉄骨用鋼材にこのような大入熱溶接を適用すると HAZ のミクロ組織が著しく粗大化し靭性が劣化す図13 ２電極VEGA 溶接法の模式図る懸念があったそこで大入熱溶接を適用しても高い HAZ靭性を確保できる建築鉄骨用鋼材の開発が望まれたスアーク溶接技術として 2001年以来三菱重工業株新日本製鐵ではこのようなニーズに対しても既述ののコンテナ船建造において適用されてきたまた前述し HTUFF を適用することで建築鉄骨用高 HAZ 靭性鋼をた高アレスト性を有し溶接部破壊靱性に優れたEH47 鋼開発することに成功した 33-36) 図 14 に BT-HT355C およびの開発にあたっては同時に大入熱の適用を可能とする BT-HT440C の４面ボックス柱を例として大入熱継手靭フラッ溶接材料開発を行い YP460N mm2級高靭性fcw 性を０におけるシャルピー吸収エネルギーの平均値で示クス入りワイヤ溶接材料 EG-47T を開発した本溶接材すが 70J を超える良好な靭性が得られている 33) 料を適用することで２電極VEGA 溶接法により作製し現実に使用される様々な板厚に対する鋼材開発および新たEH47鋼溶接継手の機械的特性は船級規格の要求水準鋼材に適用する溶接技術の開発に際しては ESW のよう 29) を十分満足したものが得られているな大入熱溶接時におけるオーステナイト域での滞留時間に一方タンカー建造にあたっては二重構造ダブルハ加えて特にオーステナイトからフェライトへの変態メカルダブルボトム法制化の動き等により板継ぎ工程のニズムに大きく影響する 800 から 500 の冷却時間に代より高能率化が必要となっている造船の大板継ぎには表されるような溶接時の冷却挙動を知ることが重要であ高能率溶接方法として従来から F C u B F l u x C o p p e r るまた実際の施工への適用のためには適正な溶込み形 Backing 片面サブマージアーク溶接が各造船所で広く適状を得るための溶接条件を提案することも必要になるそ用されてきたが更なる高能率化の背景から FCuB片面こで当社では利用技術の一環として溶込み形状と温度溶接の速度を２倍以上にすることを目標に新日本製鐵履歴を推定する手法も開発し実測値と良く一致すること日鐵住金溶接工業株ユニバーサル造船株有明工を確認している 37) 場の共同研究により４電極による高速片面溶接法 NH- その他ここでは詳述はしないが建築分野において 30) HISAW 法を開発した本溶接法は裏当て銅板上には第１章１４社会の発展を支える鋼材と鋼構造イ裏フラックスを散布しエアーホースによりこれを大板のンフラ分野で述べられている通り建築物の安全性向裏面に押し上げながら表側より４電極のサブマージアー上のためさらには施工性意匠性の向上を図るためにク溶接を行い第１第２電極で裏ビードを第３第４耐火鋼や低降伏点鋼等が開発され広く利用されている電極で表ビードを同時に形成する施工方法でありたとえ 5. ば板厚16mmの場合1.5m minの高速溶接速度が得られる建産機分野における取り組み状況この新しい溶接方法は既に造船所のブロック組立てライン近年新興国における旺盛な産業基盤整備を背景に油で実用化されている圧ショベルトラクターショベルクレーン他の建設機 43

Electroslag Welding ESW や多電極のサブマージアーク溶接 Submerged Arc Welding SAW などがあり溶接入熱量は 50 100kJ mm に及ぶ従来の建築鉄骨用鋼材にこのような大入熱溶接を適用すると HAZ のミクロ組織が著しく粗大化し靭性が劣化す図13 ２電極VEGA 溶接法の模式図る懸念があったそこで大入熱溶接を適用しても高い

10 ä

11 植森龍治 Ryuji UEMORI 長工博千葉県富津市新富皆川昌紀 Masanori MINAGAWA 主幹研究員藤岡政昭 Masaaki FUJIOKA 主幹研究員白幡浩幸 Hiroyuki SHIRAHATA 主任研究員井上健裕 Takehiro INOUE 主幹研究員 Ph.D. 野瀬哲郎 Tetsuro NOSE 鉄鋼研究所接合研究センター所長工博執筆協力金子道郎 Michio KANEKO 主幹研究員工博橋場裕治 Yuji HASHIBA 鉄鋼研究所接合研究センター主任研究員市川和利 Kazutoshi ICHIKAWA 主幹研究員 Ph.D. 中村修一 Shuichi NAKAMURA 鉄鋼研究所接合研究センター研究員島貫広志 Hiroshi SHIMANUKI 主幹研究員工博斎藤直樹 Naoki SAITOH 名古屋技術研究部研究審議役井上裕滋 Hiroshige INOUE 鉄鋼研究所接合研究センター主幹研究員工博星野学 Manabu HOSHINO 大分技術研究部主幹研究員 47

野瀬哲郎 Tetsuro NOSE 鉄鋼研究所接合研究センター所長工博執筆協力金子道郎 Michio KANEKO 主幹研究員工博橋場裕治 Yuji HASHIBA 鉄鋼研究所接合研究センター主任研究員市川和利 Kazutoshi

Process Casting Reheating Multi-pass rolling Flattening by hot leveller Microstructural control by on-line cooling Heavey plate Continuous casting Reh

Process Casting Reheating Multi-pass rolling Flattening by hot leveller Microstructural control by on-line cooling Heavey plate Continuous casting Reh 新日鉄住金技報第 400 号 (2014) 技術展望 UDC 669. 14. 018. 292-413 高機能厚鋼板の技術進歩と今後の展望 Progress of High Performance Steel Plates 児島明彦 * 藤岡政昭星野学 Akihiko KOJIMA Masaaki FUJIOKA Manabu HOSHINO 重里元一金子道郎田中睦人 Genichi SHIGESATO