JP2009535512A - 連続熱処理ラインの急速加熱区間に対する改良 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱区間を通過する際における金属細長片の名目速度を保持しつつ、すなわち、生産量の損失を招くことなく、急速加熱中に金属細長片にしわが形成されることを抑制する方法を提供する。
【解決手段】連続した異なる加熱手段（５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を含む加熱区間（２）を金属細長片が通過する連続的な加熱処理ラインにおいて、急速加熱を受ける金属細長片（１）のしわ形成を低減する方法であって、加熱手段に入ってから出るまでの間における金属細長片の温度上昇の平均温度変化率を、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させることを特徴とする方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属細長片を熱処理するための連続熱処理ラインの急速加熱区間に対する改良に関する。

本発明は、特に連続熱処理ラインにおいて急速加熱する金属細長片に形成される、熱誘起のしわ（wrinkles）の発生する危険性を低減することを提案する。金属細長片は、連続熱処理ラインにおいて、不連続の加熱手段を備えた急速加熱帯を通過する。

“急速加熱”とは、加熱開始において、少なくとも１００℃／秒の変化率で、金属細長片を温度上昇させる加熱を意味する。

本発明を適用する技術分野を適切に定めるため、添付図面である図１を最初に参照する。図１は、熱処理ラインにおいて、金属細長片を加熱する区間の例を模式的に表したものである。

この図１では、金属細長片１は、供給ロール３及び送り出しロール４上を通って、急速加熱区間２を通過する。急速加熱区間２の通過中に、金属細長片１は、連続して４つの異なる加熱手段５、それぞれ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、に曝される。これらの加熱手段５は、金属細長片１の両側に配置され、金属細長片１が送られる方向に沿って、距離Δ、例えば、加熱手段５ａと５ｂの間はΔａｂ、の間隔で隔てられている。

加熱手段５は、金属細長片を大きな熱フラックスに曝すことによって、金属細長片の温度を少なくとも１００℃／秒の変化率で、急速に上昇させる。これらの急速加熱手段を使用した方法は、例えば、縦方向フラックス又は横方向フラックスを誘導した加熱である。加熱は空気中又は金属細長片を酸化しない雰囲気下で行うことができる。

図２に示したように、金属細長片は、２つの異なる加熱手段５の間では、熱供給フラックスに曝されない。したがって、金属細長片は、不連続な加熱を受けることになる。これら２つの加熱手段間における絶縁の質によって、１つの加熱手段を出る時に達している金属細長片の温度が、次の加熱手段に入るまで最も良好な状態で維持されるかどうかが決まる。また、金属細長片の温度は、熱損失によって低下することがある。

この加熱の不連続性は、金属細長片の軸に対して垂直方向に、横引張応力及び横圧縮応力を金属細長片に生じさせる。これらの応力を生じさせる現象について、以下に述べる。

急速加熱によって、金属細長片が移動する方向に対して平行又は垂直方向に、金属細長片の材料に膨張が起こる。金属細長片が移動する方向の膨張は、金属加熱区間又はこの加熱区間を統合するラインに備えられた、金属細長片の張力を調整する装置によって調節される。

金属細長片の移動方向に対して垂直方向に起こる膨張によって、材料内に力が発生する。金属細長片の軸から端に向かうのは引張応力であり、金属細長片の軸に向かうのは圧縮応力である。

加熱手段５の全体の長さにわたって、金属細長片を加熱するフラックスの強度が一定であれば、この金属細長片が移動する方向において、金属細長片の１つの部分に存在する圧縮応力と、先行する部分に存在する圧縮応力との間には顕著な違いはない。

金属細長片が最初あるいは次の加熱手段に入るとき、金属細長片は，受け取る熱フラックスの強度において、非常に速い正の変動を受ける。これは加熱の再開に相当する。この関数（ｄ温度／ｄ時間）の変動率の変化は、金属細長片に引張応力を生じさせる。

同様にして、金属細長片が加熱手段５から出るとき、金属細長片は，受け取る熱フラックスの強度において、非常に速い負の変動を受ける。これは加熱の停止に相当する。この関数（ｄ温度／ｄ時間）又は（ｄ温度／ｄ長さ）の変動率の変化は、金属細長片に圧縮応力を生じさせる。

図３は、金属細長片の加熱中における応力の変動を表す。曲線Ｔ１は、金属細長片が加熱手段５を通過するときの、金属細長片のＴａ及びＴｂ間の温度上昇を表す。曲線Ｃ１は、金属細長片の横応力の程度を示す。応力がプロットされたＹ軸のゼロ点を通る水平方向の直線Ｈは、ゼロの横応力に対応している。直線Ｈの上にある曲線Ｃ１の正の部分に示された箇所は、引張応力に相当し、直線Ｈの下にある曲線Ｃ１の負の部分に示された箇所は、圧縮応力に相当する。

Ｔ１の加熱勾配の変動に該当する関数（ｄ温度／ｄ時間）又は（ｄ温度／ｄ長さ）の変動率の各変化において、曲線Ｃ１上の応力の絶対値に対応してピークが現れることを明確に理解することができる。最初の応力ピークＣａは、温度上昇を開始する、曲線Ｔ１のポイントＴａに該当する。これは引張応力である。第二の応力ピークＣｂは、温度上昇が停止する、曲線Ｔ１のポイントＴｂに該当する。これは圧縮応力である。

これらの応力のピークの大きさは、金属細長片の型、及びＴａとＴｂ間の温度曲線の勾配の変動、すなわち、金属細長片が加熱手段５に対応した加熱帯に入るとき又は出るときに対応する、曲線上のポイントにおける加熱速度の変動に応じて決まる。

圧縮応力をもたらす金属細長片の軸に垂直方向の応力は、それがあまりに高いレベルに達すると、金属細長片に、小じわ、膨れ、しわ、あるいは裂け目などの品質上の欠陥を表面に生じさせる。これらの表面の欠陥は、種々の態様を取り、金属細長片の全長にわたって連続的あるいは不連続的であったり、金属細長片の軸に対して平行であったり、幅にわたって蛇行したりする。該欠陥は、１つだけであったり、あるいは、平行、連続的、不連続的、直線、規則又は不規則な曲線である複数のしわの形で生じ得る。説明を簡略にするため、用語“しわ”は、過剰な横圧縮応力によって起こる金属細長片の全ての欠陥を意味する形で使用する。

これらの欠陥は、金属細長片の横圧縮応力の程度が、“臨界応力”と呼ばれる応力閾値よりも大きい場合に現れる。臨界応力は、主として、金属細長片の組成及び機械的特性、その金属状態；金属細長片の温度；そして、金属細長片の型、その幅と厚さ、によって決まる。

臨界圧縮応力を超えると表面に欠陥が生じるが、臨界圧縮応力は、金属細長片材料の機械的強度に比例する。温度が上昇した場合に、金属細長片材料の機械的強度が低下すると、また、温度の上昇に伴い、いっそう速く機械的強度が低下すると、臨界圧縮応力のレベルは温度と共に低下し、金属細長片材料の温度が上昇するにつれて、それに応じてしわが形成される危険性が高まる。

従来技術においては、金属細長片のための連続した加熱処理ラインの急速加熱区間は、しわ形成の危険性を考慮せずに設計されている。このため、ある特定の加熱区間に対し、ライン操作に責任があるオペレーターは、公知方法がない場合は、これらの欠陥を制限する操作ポイントを見付けるまで、連続的な試行錯誤によって、加熱炉の配置を変更しなければならない。この配置は、利用できるエネルギーを十分に利用しない作業に至り、例えば、オペレーターが金属細長片の移動速度を落とす場合には、生産量の損失となる。

本発明の目的は、特に、加熱区間を通過する際における金属細長片の名目速度を保持しつつ、すなわち、生産量の損失を招くことなく、急速加熱中に金属細長片にしわが形成されることを抑制する方法を提供することである。

本発明、すなわち、連続した異なる加熱手段を含む加熱区間を金属細長片が通過する連続的な加熱処理ラインにおいて、急速加熱を受ける金属細長片のしわ形成を低減する方法は、加熱手段に入ってから出るまでの間における金属細長片の温度上昇の平均温度変化率を、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させる点に特徴付けられる。

本発明により、図１及び２に示す２個のドライブロール３，４の間に位置する１つの金属細長片に、しわが形成することを低減させることができる。本発明によって減少が可能となるしわは、金属細長片とデフレクターロールとの接触とは無関係に、金属細長片の熱経路によって発生する。

好ましくは、加熱手段に入る時と出る時の金属細長片の温度差とこの加熱手段の入口と出口の間の距離の割合を、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させる。

対象とする距離の関数として、加熱手段の入口と出口の間における金属細長片の瞬間温度変化率は、加熱手段の入口の方が加熱手段の出口よりも高いことが好ましい。

金属細長片の温度が上昇するに従って、金属細長片の全箇所における加熱速度の変動を減少させるため、２つの連続した加熱手段間の加熱強度差が高温において小さくなるように、該加熱強度差を徐々に低下させることができる。

各加熱手段間の加熱強度を徐々に変化させ、金属細長片の温度が上昇するに従って、２つの連続した加熱手段間の加熱強度を低下させる。

好ましくは、金属細長片が低い温度のときは、より大きな熱フラックスを金属細長片に導入し、その後、金属細長片の温度が上昇したとき、導入する熱フラックスを徐々に減少させる。

最初の加熱手段で金属細長片の温度上昇を最も大きくし、温度上昇が次第に少なくなるように各加熱手段で加熱することができる。

好ましくは、金属細長片と加熱手段との間で交換される熱フラックスを徐々に変化させる、すなわち、加熱変動率を徐々に変化させる。

最初の加熱区間における金属細長片の温度上昇率は、１００℃／秒より大きいことが好ましい。

１つの加熱区間を通過して次の加熱区間に行くときの温度上昇率の減少度は、金属細長片の型と鋼材の質に基づいて決定する。１つの加熱区間を通過して次の加熱区間に行くとき、金属細長片の温度上昇率は、少なくとも１５℃／秒で低下させることが好ましい。

本発明の方法は、材料の応力ピークと金属細長片が移動する方向に対して垂直方向の圧縮応力の減少度を限定する。この圧縮応力は、連続した２つの部分の間にある金属細長片の位置に現れ、しわの原因となる。

本発明は、上述した構成以外には、図面を参照して記述される実施例において示される他の構成を含む。しかし、実施例は、限定するものではない。

ここで、図４について説明する。図４は、ｘ軸は金属細長片のあるポイントが移動した、４個のインダクターを備えた加熱区間の長さ、ｙ軸は金属細長片の該ポイントにおける温度を示すグラフである。同じ加熱目標（加熱区間の最後の温度Ｔ、そのときの長さＬに該当）を達成するためには、種々の熱経路が可能であることがわかる。
経路Ａは、各加熱手段において、金属細長片の温度上昇率が同じであることを示す。経路Ｂは、最も高い最初の加熱手段から、各加熱手段において徐々に低下する金属細長片の温度上昇率を示す。経路Ｃは、最も低い最初の加熱手段から、各加熱手段において徐々に増加する金属細長片の温度上昇率を示す。経路Ｄは、最初と最後の加熱手段は高くて、２個の中央部の加熱手段は低い金属細長片の温度上昇率を有する経路Ｂと経路Ｃの組み合わせである。

これらの４つの経路は、他の多くのバリエーションがあることを知りつつ、例示として挙げたものである。

本発明では、加熱区間において、金属細長片を、熱経路Ｂの温度上昇に従って加熱する。図５に示すように、この熱経路は、加熱開始の時点で、大きな加熱フラックスφａを導入することによって得られる。加熱開始の時点では、この金属細長片は、最も低い温度にあり、その後、金属細長片の温度が上昇するに従って、導入するフラックスをφｂ、φｃ、φｄに徐々に制限していく。

加熱フラックスは、好ましくは次のように選択する。すなわち、最初の加熱区間、つまり、最初の加熱手段５ａによる金属細長片の温度上昇率を１００℃／秒よりも大きくする；あるいは、１つの加熱区間を通過して次の加熱区間に行くとき、つまり、１つの加熱手段から次の加熱手段に行くとき、金属細長片の温度上昇率を少なくとも１５℃／秒で減少させる。

図６に示すように、本発明に係る熱経路は、金属細長片の温度が上昇するに従って、各加熱要素を出たときに、金属細長片の温度曲線の勾配の変動を制限する。金属細長片の軸に対して垂直な圧縮応力は、しわを形成させる可能性があるが、連続した急速加熱帯をそれぞれ出るとき、徐々に低くなっていく（Ｃ２ａ＞Ｃ２ｂ＞Ｃ２ｃ＞Ｃ２ｄ）。

連続した加熱手段５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによって確保される加熱は、加熱区間の長さの関数としたときに、金属細長片の温度上昇を表す平均曲線が、長さをプロットしたｘ軸に向かって窪みがあるようにする。“平均曲線”は、図６に示した実際の温度上昇曲線のまっすぐな水平部分の中央部を通る曲線を意味する。加熱手段に入って出るまでの間における、金属細長片の平均温度上昇率は、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させる。

図７に示したように、しわ形成の臨界応力の程度（絶対値）は、温度が上昇したとき、曲線Ｋに従って減少する。曲線Ｋは、ｙ軸に応力、ｘ軸に温度をプロットしている。従来技術に従って設けられる加熱区間、すなわち、本発明の加熱方法を適用していないものは、例えば、図４の熱経路Ａに対応する応力曲線Ｃ３となる。この曲線上の横圧縮応力は、臨界閾値よりもＣ３ｂ、Ｃ３ｃ、Ｃ３ｄの箇所で大きくなっていることがわかる。したがって、その金属細長片は、表面欠陥で覆われており、販売することができないであろう。

熱経路Ｃ及びＤは適切ではないことが理解できる。なぜなら、それらは、金属細長片が最も高温である区域において、閾値を超える大きな応力をもたらすからである。

前に図５で示したように、本発明の加熱方法は、金属細長片が低温であるときに、高温の熱フラックスを金属細長片に導入し、次いで、金属細長片の温度が上昇したときは、徐々にこのフラックスを低減させることを含むものである。

図８は図７に対応するが、本発明の方法に基づいて、加熱を行っている。この図８に示した応力曲線Ｃ２上の横圧縮応力は、常に曲線Ｋで示される閾値よりも小さい（絶対値）。したがって、金属細長片にしわはなく、販売することができるであろう。

さらに、しわ形成の危険性を限定するため、本発明は、金属細長片と交換されるフラックスの変化が漸進する、すなわち、関数（ｄ温度／ｄ時間）の変動率の変化が漸進するように、各加熱手段５での加熱強度を徐々に変更することを含む方法であることを特徴とする。

この方法は、材料の応力ピークの制限及び金属細長片が移動する方向に対して垂直方向の圧縮力の低減又は除去を可能にする。該圧縮力は、金属細長片の２つの連続した部分の間の部位に発生し、しわの原因となる。

本発明方法は、図９において、さらに詳細に図示される。この図９に示したように、本発明において、金属細長片と加熱手段５との間のフラックスの変動は、各加熱手段５に入ってから出るまでの間、徐々に変化するのに対し、従来技術では、急速に加熱することにより、フラックスの変動が急に現れる変化をもつフラックス曲線Ｐ（図１０及び１１中、細い線で表される）が得られる。本発明において、フラックスのこの漸進的変動は、温度上昇、上部プラトー、次いで下降及び低位レベルの間の勾配が変化する間、丸いフラックス曲線で図９に示している。一方、従来技術では、これらの変化は曲線Ｐの急な変わり目で起こっている。

このフラックスの漸進的変化によって、各加熱要素に対して、金属細長片の温度の漸進的変化、すなわち、図１２に示すように、従来技術に比較して、関数（ｄ温度／ｄ時間）の変動率の漸進的変化がもたらされる。そのため、加熱強度を急速に変化させて加熱する従来技術における温度曲線Ｔ１の突然の変化率の点Ｔａ１及びＴｂ１は、加熱強度を漸進的変化させる本発明に対応する曲線Ｔ２では除去されている。

金属細長片に送られるフラックスを漸進的変化させる加熱に対応する曲線Ｔ２で表される、金属細長片の温度変化は、引張応力のピーク値Ｃａ２と圧縮応力ピーク値Ｃｂ２の大きさが、従来技術の応力曲線Ｃ１の対応するピーク値Ｃａ１、Ｃｂ１と比較して、大幅に低減する応力曲線Ｃ２をもたらすことが、図１２から、はっきり理解することができる（Ｃａ２≪Ｃａ１及びＣｂ２≪Ｃｂ１）。

したがって、得られた横圧縮応力Ｃｂ２の減少レベルは、臨界閾値よりも小さいので、金属細長片はしわがなく、よって販売することができる。

金属細長片のための加熱処理ラインの急速加熱区間の垂直断面模式図である。 従来技術である加熱手段のそれぞれによって導入される熱フラックスを図１に示した図である。 温度変動によって金属細長片に生じた応力の出現を示すグラフである。 本発明に係る加熱方法を含むいくつかの加熱方法を示すグラフである。 本発明に係る加熱手段のそれぞれによって導入される熱フラックスを図２に示した図である。 本発明に係る方法で加熱された金属細長片の応力を示すグラフである。 従来の一般方法で加熱された金属細長片の応力を示すグラフである。 本発明に係る方法で加熱された金属細長片の応力を示すグラフである。 本発明に係る加熱手段のそれぞれによって導入される熱フラックスを図５に示した図である。 図９で示したＸの詳細拡大図である。 図９で示したＸＩの詳細拡大図である。 本発明に係る方法で加熱された金属細長片の応力変化と温度変化を示すグラフである。

Claims (10)

1. 連続した異なる加熱手段（５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を含む加熱区間（２）を金属細長片が通過する連続的な加熱処理ラインにおいて、急速加熱を受ける金属細長片（１）のしわ形成を低減する方法であって、加熱手段に入ってから出るまでの間における金属細長片の温度上昇の平均温度変化率を、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させることを特徴とする方法。
2. 加熱手段に入る時と出る時の金属細長片の温度差とこの加熱手段の入口と出口の間の距離の割合を、１つの加熱手段より次の加熱手段を低下させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 対象とする距離の関数として、加熱手段の入口と出口の間における金属細長片の瞬間温度変化率は、加熱手段の入口の方が加熱手段の出口よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 金属細長片の温度が上昇するに従って、金属細長片の全箇所における加熱速度の変動を減少させるため、２つの連続した加熱手段（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）間の加熱強度差が高温において小さくなるように、該加熱強度差を徐々に低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 各加熱手段間の加熱強度を徐々に変化させ、金属細長片の温度が上昇するに従って、２つの連続した加熱手段間の加熱強度を低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 金属細長片が低い温度のときは、より大きな熱フラックス（φａ）を金属細長片に導入し、その後、金属細長片の温度が上昇したとき、導入する熱フラックス（φｂ、φｃ、φｄ、）を徐々に減少させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
7. 最初の加熱手段で金属細長片の温度上昇を最も大きくし、温度上昇が次第に少なくなるように各加熱手段で加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
8. 金属細長片と加熱手段との間で交換される熱フラックスを徐々に変化させる、すなわち、加熱変動率を徐々に変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
9. 最初の加熱区間における金属細長片の温度上昇率は、１００℃／秒より大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. １つの加熱区間を通過して次の加熱区間に行くとき、金属細長片の温度上昇率は、少なくとも１５℃／秒で低下させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。

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