CN103987863B - 卷材用分批退火炉 - Google Patents

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Abstract

本发明的分批退火炉具有：卷材支座，该卷材支座载放卷材的端面，以将卷材的轴立起的状态支撑卷材；内罩，该内罩覆罩该卷材支座上载放的卷材整体；冷却管，该冷却管从该内罩的上部下垂到卷材支座上载放的卷材的内周部分的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而从内面侧冷却卷材。

Description

卷材用分批退火炉
技术领域
本发明涉及用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的卷材用分批退火炉。
背景技术
近年来，出于环保措施的目的，要求通过钢材的进一步高性能化而实现各种设备的轻量化和小型化。例如在汽车领域中，作为对环保的响应，通过轻量化来改善油耗从而减少排出气体，同时提高抵抗碰撞的强度从而确保安全性，此外还必须降低成本，而这些各自相悖的要求正在进一步提高。作为针对这些要求的回应之一，包括钢板的高张力化在内的特性改善是重要的课题。另外，对于作为功能性材料的电磁钢板而言，在想要将其用于各种设备的情况下，也无法摆脱轻量化和小型化的问题。针对这样的课题，必须改善电磁钢板的电磁特性。
作为改善钢板的特性的方法之一，有利用分批退火进行的特性改善。例如，为了改善在成型得到广泛用于汽车和家电的冷轧钢板时可能发生的滑移线痕(Stretcher-Strain)的缺陷、或在成型得到罐时可能发生的起棱(fluting)现象等，可以通过退火和调质轧制来避免这些现象。
调质轧制及之后的应变时效会根据如何进行退火而发生变化。即，目的因分批退火或连续退火而不同。分批退火能够采用较长的加热和均热时间，因而容易使固溶的碳(C)、氮(N)等析出。因此，分批退火容易获得软质化，可以得到具有时效效果小的特性的钢板。在连续退火的情况下则正好相反。
另外，分批退火对电磁钢板起到非常重要的作用。即，对于电磁钢板而言，分批退火炉中的退火不仅使固溶元素析出，而且还能够通过进行再结晶而得到作为起初目标的电磁钢板特性。换言之，对于电磁钢板(以圆筒状卷绕而制成卷材状)而言，分批退火炉中的退火是无法省略或用其它手段替代的不可或缺的制造工序。
但是，通过退火得到的卷材中含有一些缺陷(卷材上部的“边浪(耳伸び)”、卷材下部的“边变形(耳歪み)”、卷材中央部的“中浪(腹伸び)和纵向褶皱(縦じわ)”等、以及无法实现与特定的相变相伴的特性提高等特性降低的缺陷)。因此，为了将该缺陷卷材用作钢材，对于形状缺陷，通过重卷作业线中的缺陷检测系统或拉矫机来指出缺陷及除去缺陷部，进而对形状进行矫正，从而能够作为制品使用。因此，通过退火得到的卷材存在下述问题：制品化之前的成品率低、生产效率低、以及检查和形状矫正带来的高成本。
另外，通过退火得到的卷材在特性提高方面未得到设定以上的特性时，切除劣化部分后使用。因此，必须使卷材通过检查作业线，实施划线和在线切除，并实施卷材的再次卷取。因此，存在引起制品合格率和生产效率降低的问题。另外，由于使卷材再次通过作业线，一边进行特性测定一边卷取卷材，要追加实施该操作的成本，因而具有成本大幅增加的问题。
于是，对于这样的分批退火炉中的各种问题，一直以来提出了下述各种应对措施，通过实施这些应对措施，与以往相比能够在应对措施后降低缺陷的产生。
例如，专利文献1中记载的技术中，观察卷材内部产生的缺陷，对于这些缺陷实施应对措施。即，专利文献1中记载的技术中，为了减少在卷材的外周侧下部产生的缺陷，焊接板厚不同的卷材，以厚的板厚在外侧、薄的板厚在内侧的方式进行重卷，由此形成一捆卷材，然后实施退火。
另外，专利文献2中记载的技术中，为了解决卷材钢板的密合与松卷，对冷却时的温度差进行管理，由此防止密合和松卷。
另外，专利文献3中记载的技术中，使分批退火炉的结构为带内罩的双层结构，并使冷却速度的温度条件为5.0℃/小时～15.0℃/小时，由此能够解决烧结瑕疵的问题。
另外，专利文献4中公开了下述方法：并不是利用速度来管理炉的加热和冷却，而是求出退火时烧结产生的极限应力与温度在半径方向上的关系，基于该关系来避免瑕疵。
另外，专利文献5、专利文献6中记载了在退火炉中退火时产生的卷材缺陷及其应对措施。例如专利文献5中公开了一种方法，对卷材的内侧进行覆盖，从而防止卷材的屈曲(buckling)。另外，专利文献6中记载了通过使炉内为均匀温度分布以解决卷材中产生的缺陷的内容。此时，专利文献6中记载的技术中，用绝热材料对炉的内罩进行覆盖或内衬，由此提供均匀的温度分布，从而实施加热。
此外，专利文献7中记载的技术中，在炉的内罩的中央部制作凹形的凹部，利用该凹部使加热时还可以从卷材的内部加热，从而使卷材内部的温度分布均匀。另外，专利文献7中记载的技术中，在冷却时也借助同样的效果使卷材内的温度分布均匀。并且，由此专利文献7中记载的技术公开了一种方法：在降低卷材内产生的应力、减少缺陷的同时，可实现加热和冷却时间的降低，能够提高生产率。
另外，专利文献8中公开了一种技术，在炉内放入能够对卷材实施加热和冷却的装置，将卷材的内外表面直接加热和冷却，由此使卷材内部温度均匀化，在减少缺陷的同时实现生产率的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭59-35635号公报
专利文献2：日本特开平5-287390号公报
专利文献3：日本特开平5-295453号公报
专利文献4：日本特开平11-293348号公报
专利文献5：日本特开2006-274343号公报
专利文献6：日本特开2006-257486号公报
专利文献7：日本特开2008-195998号公报
专利文献8：日本特开2005-226104号公报
非专利文献
非专利文献1：马口铁和无锡钢(ぶりきとティンフリースチール)：アグネ(出版)，东洋钢钣株式会社(著)
发明内容
发明要解决的课题
但是，专利文献1中记载的技术中，在对卷材进行退火时需要准备具有厚板厚的卷材和具有薄板厚的卷材，因而生产效率非常差。此外，还必须实施重卷，不仅工序繁杂，而且还会牵涉到成本增加的问题。
另外，专利文献2中记载的技术虽然通过管理冷却时的温度差来防止密合和松卷，但是实际上在加热和均热时也会产生缺陷，因而仅通过冷却时的温度差管理无法根本性地解决。
另外，专利文献3中记载的技术虽然使分批式的退火炉的结构为带内罩的双层结构、并使冷却速度的温度条件为5.0℃/小时～15.0℃/小时，由此来解决烧结瑕疵的问题，但是冷却时的温度降低相当慢，因而若从效率的方面考虑则具有难以工业化的问题。
另外，专利文献4中公开了求出退火时烧结所产生的极限应力、并在该极限应力以下进行退火的方法，但是极限应力因卷材材质和形状以及分批退火炉的状态而不同。因此，每次均需要计算应力，因而很费事。除此以外，需要加热和冷却时间，存在为了实施退火而需要大量时间的问题。
另外，专利文献5中公开了对卷材的内侧进行遮盖来防止卷材的屈曲的技术，但是对于温度分布对卷材的遮盖所得到的压曲的影响并不明确，由此，完全不清楚卷材缺陷是否减少。
另外，专利文献6中记载的技术通过用绝热材料对炉的内罩进行覆盖或炉衬而使炉内的温度分布均匀，但是并不清楚在对衬有绝热材料的内罩进行加热时是否得到了最佳的卷材温度分布。由此，完全不清楚卷材缺陷是否因该应对措施而减少。
另外，专利文献7中记载的技术中，在炉的内罩的中央部制作凹形的凹部，使加热冷却时的卷材内部的温度分布均匀而实现缺陷的减少，由此实现了加热和冷却时间的缩短。但是，只在内罩的中央部制作凹形的凹部的情况下，卷材内的温度不能完全均匀。因此，依然会产生应力，因而在稳定制造高品质的卷材方面不足。
另外，专利文献8中记载的技术中，在炉内放入能够加热和冷却卷材的装置，将卷材的内外表面直接加热和冷却，由此使卷材的内部温度达到均匀化，在减少缺陷的同时实现生产率的提高。但是，在这样的构成的情况下，与以往相比配置于炉内的装置及其运转费用非常高。因此，具有成本升高、无法得到操作上的优点的问题。
这样，在现有的分批退火中，关于退火时卷材中产生的各种缺陷(边浪、边变形、纵向褶皱等)，虽然如上述专利文献1～专利文献8所例示的那样提供了各种解决方案，但是还没有彻底的解决方案，而且即便是解决方案在实施上也会引起生产效率的降低或成本升高。因此，现状是因缺陷产生而导致效率差和成本高、或者利用上述文献所示的应对措施在实现缺陷减少的同时却导致效率差和成本高的二者择一的状态。
因此，本发明是为了解决上述课题而进行的，本发明的目的在于提供一种卷材用分批退火炉，该卷材用分批退火炉是用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的分批退火炉，可减少卷材在退火时产生的卷材缺陷，同时确保生产率，而且在成本方面也有利。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的一个方式的卷材用分批退火炉是用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的卷材用分批退火炉，其特征在于，该卷材用分批退火炉具有：卷材支座，该卷材支座载放上述卷材的端面，以将上述卷材的轴立起的状态支撑上述卷材；内罩，该内罩覆罩上述卷材支座上载放的上述卷材整体；冷却管，该冷却管从上述内罩的上部下垂到上述卷材支座上载放的上述卷材的内周部分的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而从内面侧冷却上述卷材。
另外，在本发明的一个方式的卷材用分批退火炉中，优选的是，上述冷却管由套管构成，该套管由圆筒状的内管和围绕该内管的圆筒状的外管构成，上述内管作为导入管路，该导入管路从上述内罩的上部侧向上述卷材支座侧导入冷却介质，并且上述外管与上述内管之间的区域作为返回管路，该返回管路使冷却介质从上述卷材支座侧返回上述内罩的上部侧，在改变该导入管路和该返回管路内流通的冷却介质的流动方向的部位，由底板部使流动方向反转，该底板部具有直径为上述外管的半径的1/2以上且向下凸的半球形状。
另外，在本发明的一个方式的卷材用分批退火炉中，优选的是，上述冷却管具有：导入管路，该导入管路从上述内罩的上部侧向上述卷材支座侧导入冷却介质；弯曲管路，该弯曲管路使导入上述导入管路的冷却介质的流动方向变成朝向上述内罩的上部侧；返回管路，该返回管路使由上述弯曲管路改变了流动方向的冷却介质返回上述内罩的上部侧。
另外，在本发明的一个方式的卷材用分批退火炉中，优选的是，与上述导入管路连接的上述弯曲管路被分割成2个以上的管，由此使上述返回管路为2个以上。
另外，在本发明的一个方式的卷材用分批退火炉中，优选的是，上述导入管路和返回管路中的至少之一的管径随着向下游接近而扩大。
另外，在本发明的一个方式的卷材用分批退火炉中，优选的是，上述冷却介质为气体，该气体为空气；或者纯氮、纯氩或氦等惰性气体；或者降低了氧或氟等氧化性气体的空气与上述惰性气体的混合气体；或者氢或一氧化碳等还原气体与上述惰性气体的混合气体。
发明效果
根据本发明，在用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的卷材用分批退火炉中，可以减少退火中产生的卷材缺陷(边浪(卷材上部)、边变形(卷材下部)、中浪、纵向褶皱、钢板密合等形状缺陷、以及无法实现与特定的相变相伴的特性提高等特性降低的缺陷)，提高卷材退火后的工序效率和生产率，降低成本，并且实现钢板特性的提高。
此外，通过应用本发明，能够抑制在单捆卷材内产生的特性偏差，而这在以往是不可能的。由此，能够在退火工序中追求更高的特性，还能够期待制品的高品质化。
附图说明
图1是说明本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的第一实施方式的示意图(截面图)。
图2是说明本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的第二实施方式的示意图(截面图)。
图3是说明本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的第三实施方式的示意图(截面图)。
图4是说明本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的基于各实施方式的流量的比较的图，该图分别示出了研究模型的尺寸。
图5示出了图4的各研究模型中的排出流量(流速20m/s)的差异的图像。
图6示出了图4的各研究模型中的排出流量(流速50m/s)的差异的图像。
图7示出了图4的各研究模型中的通过排出部分的气体的排气量的差异的图像。
图8是示出图4的各研究模型中的通过排出部分的气体的排气量的差异的图形，该图中(a)是排出流量为流速20m/s的示例，(b)是排出流量为流速50m/s的示例。
图9是示出传热计算模型的示例的图。
图10是为了比较计算的温度结果与实际的温度测定结果而将其一并示出的曲线图((a)～(f))、以及示出在卷材上与该曲线图对应的位置的图((j))。
图11是为了比较计算的温度结果与实际的温度测定结果而将其一并示出的曲线图((g)～(i))、以及示出在卷材上与该曲线图对应的位置的图((j))。
图12中，该图的(a)是示出卷材内产生的应力的时间变化的曲线图，(b)是示出(a)中的对应的卷材的方向的图。
图13是对比表示退火中的卷材内产生的最大应力(绝对值)的曲线图，(b)是示出(a)中的对应的卷材的方向的图。
图14是示出本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的冷却管的变形例(第一变形例)的图。
图15是示出本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的冷却管的变形例(第二变形例)的图。
图16是说明现有的卷材用分批退火炉的一个示例的示意图(截面图)。
图17是第一比较例的示意图(截面图)，用于说明现有的卷材用分批退火炉的另一示例。
图18是第二比较例的示意图(截面图)，用于说明本发明的一个方式的卷材用分批退火炉。
图19是说明现有的分批退火炉的结构(实心结构)的一例的图，该图的(a)是整体的立体图，(b)是轴向的截面图，(c)是(b)的关键部分放大图，(d)是进行局部断裂来表示(a)中的卷材支座部分的图。
图20是说明现有的分批退火炉中的卷材的热膨胀变形的关键部分截面图，该图的(a)表示加热时，(b)表示冷却时。
图21是说明在现有的分批退火炉中在加热和冷却时的卷材热膨胀变形的同时在内部与外部之间产生的“偏移变形”的主要部分截面图，该图的(a)表示加热时，(b)表示冷却时。
具体实施方式
首先，对想到本发明的经过进行说明。本发明人通过如下过程对卷材中产生的缺陷的原因实施了详细的考察，确定了缺陷的产生机制。
图16是简单示出现有的卷材用分批退火炉(下文中也简称为“分批退火炉”)的结构的示意图。如该图所示，为了使炉内不产生温度不均，现有的分批退火炉100利用2个以上的燃烧器5对炉壁8内的内罩7从其外侧进行加热，同时还利用加热器6从保持有卷材C的卷材支座2的下部的炉底9侧进行加热。由此，炉内形成大致均匀的温度。预先将加热程序化，使其跟紧目标温度。
以往，测定炉内部的温度，得到炉内的温度分布，以降低该分布的方式变更加热方法或炉外壁的构成。但是，仅利用该方式并不充分，有时会产生上述缺陷。因此，无法完全取消现有的制造工序，结果无法在提高生产率的同时降低成本。
于是，本发明人还利用热电偶对卷材C的内周部分Cn和保持有卷材C的卷材支座2等测定了温度。并且同时进行传热计算，在无法用热电偶进行温度测定的部分也求出温度分布，测定了温度分布对卷材C的影响。其结果，得到了以往从未料到的结果。
即，以往，定性地认为因卷材C的内周部分Cn的温度分布导致产生了伸长应变。但是，实施了上述传热计算的结果可知，温度分布所导致的卷材C的变形对板形状产生超乎预期的大幅影响，以往单纯认为因热变形而产生了边浪、边变形、中浪、纵向褶皱等缺陷，但是它们并不是简单产生的。
具体来说，若从炉底9和内罩7的外侧对炉内进行加热，则炉内的卷材C被其热辐射所加热，卷材C的外周部分Cs的温度会首先上升。因此，在加热时，卷材C的外周部分Cs与内周部分Cn相比热膨胀更大，如图20的(a)中符号α所示，卷材C为以自身的外周部分Cs的下端部将自身抬起并保持的状态。
此外，在加热时，卷材C的外周部分Cs的上端部的温度上升，因而与卷材上端相当的部分的热膨胀量大，同样地在卷材下端部也因热膨胀而伸长。因此，卷绕的钢板的中央部分被卷材上下的伸长所拉拽而伸长，这是中浪的原因。另外，外周部分Cs的下端部在外侧膨胀，不仅形成因膨胀导致的边变形，因为该处支撑轴向立起姿态的卷材C的重量，所以还产生了因此导致的变形。于是，在卷材C膨胀时还会因卷材C的下部与卷材支座2(配置于所插入的缓冲物3上的间隔物4)的摩擦而产生变形。
另外，在冷却时，通过辐射冷却对卷材C进行冷却，因而从卷材C的外周部分Cs进行冷却。因此，卷材形状如图20的(b)中符号β所示那样发生变形，导致以卷材C的内周部分Cn的下端支撑卷材整体的重量，而这会引起内周附近的下端部的卷材变形。即，在想要防止对卷材进行退火时的变形的情况下，仅仅利用以往所考虑的单纯的升温速度和冷却速度的减缓或来自炉壁的均匀的热辐射显然是无法应对的。
除此以外，关于新的原因不明的缺陷(退火中的板的密合现象)，也通过这些温度测定实验和分析明确了其原因。这是因为，观察到了退火后卷材的一部分钢板发生密合的现象，但是迄今为止并不清楚其原因，本次实施了温度测定和传热计算，明确了卷材C因热膨胀而如图21所示那样变形。即，如图21的(a)和图21的(b)中符号γ所示，可知在卷材C的退火中，钢板有时会沿着卷材C的轴向发生“偏移”。并且，对于该结果，测定了钢板在卷材密合处的“偏移”的尺寸，结果可知该尺寸与通过计算得到的变形的尺寸大致相同。但是，关于该“偏移”何时发生有各种情形，因而不能一概而论，由这些结果可知“偏移”的发生起因于卷材的热变形和热应力。
另外，关于退火中的特性劣化，可知其也与上述热变形和热应力有关。即，用于特性改善的相变从卷材C的加热时起实施至均热。通常，卷材C通过辐射从其外周部分Cs被加热，但同时内周部分Cn也被辐射所加热。特别是若想要提高升温速度而使卷材温度及早升高至目标温度，则连卷材C的内周部分Cn也被辐射，温度也会从卷材C的内部上升。若为了提高升温速度而也从炉底9加热，则辐射从炉底9进行，因此卷材C的内周部分Cn进一步被加热，来自内部的温度上升进一步变大。由此，在从外周部分Cs加热时也会因内周部分Cn的膨胀而在卷材内部产生压缩应力，这被认为是抬起卷材C的原因。同时在该值大的情况下，在卷材内部产生压缩应力，据认为这会进一步成为防止相变发展的原因。
图9是说明上述传热计算中使用的传热计算模型的图。图9(a)示出作为模型化基础的分批退火炉(图16的分批退火炉100或后述的图1的分批退火炉1)和卷材C的截面的右半部分(1/2)的示例。以该图9(a)为基础，以周期对称的方式将从中心起的15°模型化(如图9(b)所示)。放热部设置在炉壁8的壁面(如图9(c)所示)和炉底9的一部分(如图9(d)所示)。对于图9的(c)的壁面的放热部，提供来自炉壁8的燃烧器5的热通量。对于图9(d)的炉底9中的放热部，设定利用电热丝实际进行加热的部位，利用电热丝提供热通量。使用该传热计算模型，通过有限元法求出卷材C的内部温度分布，由该内部温度分布的结果通过数值计算求出卷材C的内部应力。卷材C的内部应力的计算与传热计算耦合地进行，但是为了缩短计算时间，较小地设定局部的热膨胀差而进行弱耦合。关于卷材C的内部应力，由于无法忽视高温蠕变所产生的影响，因此除了内部温度分布外还使用高温蠕变的数据进行内部应力计算。除此以外，对于承受卷材C的卷材支座2、缓冲物3和间隔物4也一并进行传热计算，计算出温度分布，由该温度分布计算出热所导致的变形。并且，还考虑因热而产生了变形的卷材支座2、缓冲物3和间隔物4与卷材C的接触的影响。关于以下说明的作为本发明的实施方式例的分批退火炉1(图1～图3)和作为现有例的分批退火炉100(图16～图19)所涉及的传热计算及卷材C的内部应力计算，将作为模型化基础的分批退火炉适当替换为图9的(a)的分批退火炉1或分批退火炉100而使用，制作同样的模型并利用同样的方法进行计算。
本发明人根据关于这种缺陷产生机制的见解而想到了本发明。下面，对本发明的一个方式的卷材用分批退火炉的一个实施方式进行说明。该分批退火炉对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材实施退火以赋予钢板各种特性。
图1中示出本发明的一个方式的分批退火炉的第一实施方式的示意图。为了进行比较，参照图16和图19所示的现有的分批退火炉的示意图，同时对本发明的一个方式的分批退火炉的结构进行说明。包括上述说明在内，对同样的构成或对应的构成标注相同符号。
图1所示的本实施方式的分批退火炉1与图16(图19)所示的现有的分批退火炉100的构成的明显区别在于，本实施方式的分批退火炉1在卷材C的内周部分Cn具有冷却管10，而现有的分批退火炉100中没有冷却管10。
详细地说，如图1等所示，本实施方式的分批退火炉1和现有的分批退火炉100在炉壁8内设有卷材支座2。卷材支座2是载放卷材C的端面并以将卷材C的轴立起的状态进行支撑的底座。在卷材支座2的上表面隔着缓冲物3和间隔物4载放卷材C(图1中省略了缓冲物3和间隔物4的图示)。另外，以覆罩所载放的卷材C和卷材支座2整体的方式，在炉壁8内配置有内罩7。并且，为了使炉内不产生温度不均，利用2个以上的燃烧器5对炉壁8内的内罩7从其外侧进行加热，同时还利用加热器6从保持有卷材C的卷材支座2的下部的炉底9侧加热，由此，使炉内为大致均匀的温度。预先将加热程序化，设定成跟紧目标温度。
本实施方式的分批退火炉1具有冷却管10，该冷却管10从内罩7的上部下垂到卷材支座2上载放的卷材C的内周部分Cn的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而从内面侧冷却卷材C。该本实施方式的冷却管10由套管构成，该套管由圆筒状的内管11和围绕该内管11的圆筒状的外管12构成，内管11作为导入管路，该导入管路从内罩7的上部侧向卷材支座2侧导入冷却介质，并且外管12与内管11之间的区域作为返回管路，该返回管路使冷却介质从卷材支座2侧返回内罩7的上部侧。此外，对于该冷却管10，在改变该导入管路和该返回管路内流通的冷却介质的流动方向的部位(该图最下端的位置)，由底板部13使流动方向反转，该底板部13具有直径为外管12的半径的1/2以上且向下凸的半球形状。内管11的上部的开口部(在冷却管10内流通的冷却介质的入口)14以漏斗状形成，并且直径向上部而扩大。
在冷却管10内流通的冷却介质为气体，作为该气体，优选为空气；或者纯氮、纯氩或氦等惰性气体；或者降低了氧或氟等氧化性气体的空气与上述惰性气体的混合气体；或者氢或一氧化碳等还原气体与上述惰性气体的混合气体。
接下来，对图1所示的本实施方式的分批退火炉1与图16(图19)所示的现有的分批退火炉100的作用效果的区别进行说明。
如图16所示，以往卷材C的内周部分Cn仅仅以空洞的状态被退火。因此，直接被来自内罩7的辐射和来自位于炉底9的加热器6的辐射所加热，若想要将卷材温度提高至所期望的温度，卷材C的内周部分Cn的温度也不得不上升。因此，如图19(b)所示，以往为了将卷材C的内周部分Cn的温度抑制得较低，将绝热材料110配置于卷材C的上部以防止辐射热进入内周部分Cn的空洞内。但是，这个方法也不彻底，辐射也会通过绝热材料110而进行，还有来自炉底9的加热器6的辐射，因而不能避免卷材内侧的温度上升。
因此，以往为了以保持卷材C的内周部分Cn的温度低于外周部分Cs的方式进行加热，减慢升温速度来进行加热。但是，在炉内冷却中，卷材C的内周部分Cn的温度无论如何也会升高。因此，需要减慢冷却速度，使温度分布降至不影响卷材品质的程度来进行冷却。由此，成本会进一步增加。
与之相对，在本实施方式的分批退火炉1中，为了同时解决缩短退火时间和维持高品质的问题，通过在卷材C的内周部分Cn的空洞内配置冷却管10，形成了在冷却管10的外侧配置卷材C的结构。由此，若利用分批退火炉1，冷却管10从内罩7的上部下垂到卷材支座2上载放的卷材C的内周部分Cn的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而能够从内面侧冷却卷材C，因此能够抑制卷材内侧的温度上升。
该分批退火炉1与图16所示的现有的分批退火炉100相比，乍一看认为仅仅是具有冷却管10，但实际上具有很大的区别。
详细来说，本实施方式中，如图1中示意图所示，在卷材C的内周部分Cn的空洞内配置冷却管10，在该冷却管10内流通冷却介质(冷却用气体)而将卷材C从其内周部分Cn侧进行冷却。即，该分批退火炉1的冷却管10并不是直接向炉内喷射冷却用气体，而是通过辐射传热从内侧冷却卷材C。由此，根据本实施方式，通过在加热时适用该分批退火炉，能够在卷材内部不产生热应力的条件下进行加热，同时在冷却时从内侧冷却卷材C，从而能够以大于现有的冷却速度的速度高效地进行冷却。
与此相对，在图16所示的现有的分批退火炉100中，仅仅是利用燃烧器5从外部加热内罩7，利用内罩7的辐射热加热卷材C。因此，根据卷材材质的不同，在该加热时需要按照卷材C内部形成不影响品质的范围的应力的方式进行加热和冷却，因而退火时间变长。由此，无法发挥与本实施方式的分批退火炉1同样的作用效果。
另外，图17所示的第一比较例仅仅是将圆筒状的冷却管120下垂到卷材内部的示例，其与专利文献7所示的示例一样，并没有进行主动的加热和冷却。因此，在加热时加热气体会钻入冷却管120与卷材内部的间隙(凹部)，因而卷材也会从卷材内部被加热，由此可实现加热时间的缩短。此外，在冷却时也可以说是同样的情况。即，为该结构时，结果如专利文献7中示出的温度分布那样，在卷材的厚度方向加热时温度分布向下凸、冷却时温度分布向上凸，因此依然会产生应力，为了避免该应力而必须规定加热和冷却速度，因此是不充分的。由此，依然无法发挥与本实施方式的分批退火炉1同样的作用效果。
此外，图18所示的第二比较例仅仅是想要通过在圆筒状的冷却管120内主动地流通冷却介质，从而获得与利用图1所示的本实施方式的分批退火炉1的构成所发挥的效果同样的效果，但这样的仅仅利用圆筒状的冷却管120的情况下，作为冷却介质的气体无法顺利地进入冷却管120内。因此，依然无法发挥与本实施方式的分批退火炉1同样的作用效果。
接下来，为了验证图1所示的本实施方式的分批退火炉1的效果，将上述分批退火炉1作为第一实施方式，利用数值计算对其冷却管10的形状与本发明的其它方式的冷却管的形状进行比较并确认了其效果。图2和图3中示出比较形状(本发明的其它方式)的示意图。
图2所示的第二实施方式是将图1所示的第一实施方式的附设于冷却管10的下部的形成向下凸的半球形状的底板替换成平板的示例。另外，图3所示的第三实施方式采用图1所示的第一实施方式的底板(直径为外管的半径的1/2以上的向下凸的半球形状)，同时使外管的形状的直径随着向上部接近而扩大。将计算中使用的具体的模型形状比较示于图4，并且将计算的结果示于图5至图8。图4中，对于对应的相同尺寸省略了表示。对于本发明的实施方式与各模型的对应关系来说，模型A对应于第二实施方式(图2)，模型B对应于第一实施方式(图1)，模型C对应于第三实施方式(图3)。
对于各模型，图5示出由喷嘴排出的排出速度为20m/s的流速分布，图6示出由喷嘴排出的排出速度为50m/s的流速分布。由图5和图6所示的模拟结果可知，与冷却管10的底部为平板(模型A)的情况相比，冷却管10的底部形成向下凸的半球形(模型B和C)的情况下底部的气体流速提高，特别是在使外管直径向其下游侧(上部)扩大的模型C中，冷却管10的底部的气体流速最高。
此外，对于各模型比较了开口部附近的气体的流量(通过开口部附近的气体的体积)。在图7中示出各模型的开口部附近的流量的测量位置PA、PB、PC，并且在图8中示出其比较结果。由该结果可以确认，与冷却管10的底部为平板(模型A)的情况相比，通过使冷却管10的底部形成向下凸的半球形(模型B和C)，流量增加，此外通过使外管直径向其下游侧(上部)扩大(模型C)，流量进一步增加。
即，作为从卷材C的内侧进行冷却的构成，相对于第二实施方式，优选使冷却管10的底部形状为向下凸的圆滑的半球形状(第一实施方式)。由此，能够更有效地进行卷材C的冷却。另外，通过进一步使外管直径为向其下游侧(上部)扩大的形状(第三实施方式)，能够进一步提高冷却效果。
总之，根据本发明的一个实施方式的各形态，如图1所示，在炉内的中心设置冷却管10，同时在该冷却管10内流通冷却介质，从而在卷材C的加热和冷却时能够从卷材C的内侧进行冷却，由此能够基本上消除在卷材内部产生的应力。因此，可以抑制卷材C的温度不均所导致的变形，特别是可以防止在卷材C的内周和外周产生的卷材缺陷(边浪(卷材上部)、边变形(卷材下部)、中浪、纵向褶皱、钢板密合等形状缺陷、以及无法实现与特定的相变相伴的特性提高等特性降低的缺陷)，能够得到具有由此获得的良好形状的薄板制品。
实施例
下面，对实施例进行说明。作为对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的功能性材料，可以例示出电磁钢板，但是该情况下要附加更严格的条件。该条件为磁特性的条件，而在退火时的内部应力过多的情况下，存在再结晶状态变差、磁特性大幅劣化的现象。因此，本实施例中利用对应力敏感的电磁卷材进行了确认。
本实施例中，为了研究在现有的卷材中产生的退火中的再结晶不良所导致的特性劣化，使用小型实验炉实施了研究。在该小型实验炉中的退火实验中，以单板的形式切出钢板的一部分，对该切出的单板预先施加与卷材内部产生的应力相当的应力，利用小型实验炉将其加热，此时观察该单板(钢板)的相变所导致的再结晶化的状态。另外，还对此时的特性实施了测定。通过退火进行了再结晶，进一步通过使用与能够显著评价特性的电磁钢板的磁特性相关的测定而实施了退火的评价。其结果可知，若应力变高则存在特性的劣化，其值为约10MPa。
此外，基于上述结果，利用实际设备实施了退火实验(卷材形状：板宽1000mm，板厚300μm，卷材重量8吨，内径除了现有的温度模式以外，利用预先在传热计算中研究过的加热模式实施退火时，按照能够使实际设备中的应力为上述10MPa以下来实施退火。另外，在实施实际设备实验时，为了确认通过传热计算得到的温度分布是否与实验值一致，在将热电偶装入卷材内的状态下实施卷绕，将该卷材放入分批退火炉中与温度测定实验一并实施。将其结果示于图10和图11。图10和图11的(j)示出了对于卷材C的温度测定部位，图10和图11的曲线图的符号与(j)中显示的温度测定部位的符号对应。根据图10和图11所示的结果，温度测定结果与由传热计算得到的卷材的温度分布的结果正好一致，能够得到传热计算方法的验证。于是，之后使用数值计算来实施分析并进行研究。
基于上述传热计算的结果实施了应力计算，进而作为其结果的代表例，将卷材半径方向的应力示于图12，进而将半径方向的最大应力的内径的差异的结果示于图13。图12的(b)和图13的(b)中的符号PO是卷材截面的中央部。由图12和图13可知，若卷材内径增大则在卷材内部产生的应力降低。另外，由内径为时其应力接近10MPa可知，退火条件轻微摆动的情况下有时会导致特性的劣化。于是，从安全考虑，使应力为不会引起特性劣化的6MPa以下。
根据上述结果，对使用了本发明的一个方式的卷材用分批退火炉时的分批退火时间与利用图16(图19)所示的现有的卷材用分批退火炉的分批退火时间实施了比较。作为参考，还对其它情况进行了研究。
如上所述，利用图16(图19)所示的现有的卷材用分批退火炉通过热辐射实施卷材的加热和冷却时，卷材内部的温度分布不平衡，会产生内部应力。因此，为了解决上述问题，对于作为本发明的第一实施方式的图1(底为凸半球形状的冷却管10)、作为本发明的第二实施方式的图2(底为平板的冷却管10)和作为本发明的第三实施方式的图3(底为凸半球形状且上部直径扩大)、以及作为比较的图16所示的不具有冷却管的现有分批退火炉，分别利用如下所示的方法比较研究了退火时间。
对于(1)使用了本发明的第一实施方式(图1)的退火、(2)使用了本发明的第二实施方式(图2)的退火、(3)使用了本发明的第三实施方式(图3)的退火、和(4)使用了现有的分批退火炉(图16)的退火，分别设为不产生应力的6MPa以下而进行了退火计算，将该情况下的退火时间的比较示于表1。关于退火时间，将使用了现有分批退火炉(图16)的退火中的退火时间设为1，以相对比例来表示。因此，数值越小则退火时间越短、生产效率越好。
[表1]
由表1所示的退火时间的比较结果可以确认，与现有例相比，根据本发明的示例，通过使用冷却管，退火时间被缩短，并且应力也进一步被管理为6MPa以下，能够以高生产率制造高品质的卷材。
关于本发明的冷却管的形状，不限于图1至图3所示的套管型的冷却管10。例如，如图14和图15所示，可以组合两根以上的管构成单层管型的冷却管。即，该冷却管20具有：导入管路21，其从内罩的上部侧向卷材支座侧导入冷却介质；弯曲管路22，其使导入该导入管路21的冷却介质的流动方向改变为朝向内罩7(该图中未图示)的上部侧；返回管路23，其将由该弯曲管路22改变了流动方向的冷却介质返回内罩7的上部侧。
在形成这种构成的情况下，重要的是将形成折返的弯曲管路22平滑地与导入管路21和返回管路23连接。另外，如图15所示，优选使导入管路21和返回管路23中的至少之一的形状(该图中为两者)为直径朝向冷却介质的排出口侧(随着向下游接近)扩大。
符号说明
1分批退火炉
2卷材支座
3缓冲物
4间隔物
5燃烧器
6加热器
7内罩
8炉壁
9炉底
10(套管型的)冷却管
11内管
12外管
13底板部
20(单层管型的)冷却管
21导入管路
22弯曲管路
23返回管路
110绝热材料
C卷材

Claims (5)

1.一种卷材用分批退火炉，其为用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的卷材用分批退火炉，
该卷材用分批退火炉具有：
卷材支座，该卷材支座载放所述卷材的端面，以将所述卷材的轴立起的状态支撑所述卷材；
内罩，该内罩覆罩所述卷材支座上载放的所述卷材整体；和
冷却管，该冷却管从所述内罩的上部下垂到所述卷材支座上载放的所述卷材的内周部分的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而从内面侧冷却所述卷材，
所述冷却管由双重管构成，该双重管由圆筒状的内管和围绕该内管的圆筒状的外管构成，
所述内管作为导入管路，该导入管路从所述内罩的上部侧向所述卷材支座侧导入冷却介质，并且所述外管与所述内管之间的区域作为返回管路，该返回管路使冷却介质从所述卷材支座侧返回所述内罩的上部侧，
在改变该导入管路和该返回管路内流通的冷却介质的流动方向的部位，由底板部使流动方向反转，该底板部具有直径为所述外管的半径的1/2以上且向下凸的半球形状。
2.如权利要求1所述的卷材用分批退火炉，其中，所述导入管路和返回管路中的至少之一的管径随着向下游接近而扩大。
3.一种卷材用分批退火炉，其为用于对以圆筒状卷绕钢板而成的卷材进行退火的卷材用分批退火炉，
该卷材用分批退火炉具有：
卷材支座，该卷材支座载放所述卷材的端面，以将所述卷材的轴立起的状态支撑所述卷材；
内罩，该内罩覆罩所述卷材支座上载放的所述卷材整体；和
冷却管，该冷却管从所述内罩的上部下垂到所述卷材支座上载放的所述卷材的内周部分的空洞内，并且在自身内部流通有冷却介质，从而从内面侧冷却所述卷材，
所述冷却管具有：
导入管路，该导入管路从所述内罩的上部侧向所述卷材支座侧导入冷却介质；
弯曲管路，该弯曲管路使导入所述导入管路的冷却介质的流动方向改变为朝向所述内罩的上部侧；和
返回管路，该返回管路使由所述弯曲管路改变了流动方向的冷却介质返回所述内罩的上部侧。
4.如权利要求3所述的卷材用分批退火炉，其中，与所述导入管路连接的所述弯曲管路被分割成2个以上的管，从而使所述返回管路为2个以上。
5.如权利要求3或4所述的卷材用分批退火炉，其中，所述导入管路和返回管路中的至少之一的管径随着向下游接近而扩大。
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