JP2012037316A

JP2012037316A - 電子ビーム照射装置

Info

Publication number: JP2012037316A
Application number: JP2010176131A
Authority: JP
Inventors: Seiji Okabe; 誠司岡部; Hiroshi Yamaguchi; 山口　　広; Takeshi Omura; 大村　　健
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-05
Also published as: JP5521871B2

Abstract

【課題】電子ビームの照射に伴って発生するＸ線の遮蔽を、真空槽壁面のシールド層の増厚に頼ることなく効率良く行うための手法について提案する。
【解決手段】真空槽内に通した金属ストリップに向けて設置した複数の電子銃により、該金属ストリップに電子ビームを照射する電子ビーム照射装置であって、前記金属ストリップの搬送方向を横切る向きに延びて電子ビーム照射域を分断する、Ｘ線吸収能を有する隔壁を、少なくとも１つ設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属ストリップに電子ビームを連続的に照射し金属ストリップの特性を改善する際に用いる電子ビーム照射装置に関するものであり、特に、方向性電磁鋼板の表面に電子ビームを照射して磁区細分化を施すことにより鉄損を改善する際に好適の電子ビーム照射装置に関するものである。

方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性（歪）を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることによって、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。また、特許文献２には、電子ビームを照射することにより、磁区幅を狭くして鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。この電子ビーム照射により鉄損を低減する方法では、電子ビームの走査を磁場制御によって高速に行うことが可能である。したがって、レーザーの光学的な走査機構に見られるような機械的な可動部がないことから、特に１ｍ以上の広い幅のストリップに対して、連続かつ高速でビームを照射処理する場合に有利である。

ここで、電子ビームの照射によっても、鉄損低減効果を十分に生じさせるには、電子ビームの走査速度、および鋼板への入射角度に制限を設ける必要がある。したがって、高速で走行する広い幅のストリップの全面に均一に電子ビームを照射するために、複数の電子銃を配置することが、特許文献３に開示されている。
一方、金属ストリップに電子ビームを照射するとＸ線が発生するため、金属ストリップを導入する真空槽の壁面に沿って鉛などのＸ線を吸収するシールド層を設けて遮蔽することが、特許文献４に開示されている。

特公昭57−2252号公報特公平６−72266号公報特開平６−192749号公報特開平６−109900号公報

前述のように、複数の電子銃を設置する場合、電子ビームの照射によるＸ線の発生源も複数となるため、発生した多量のＸ線を真空槽壁面のシールド層のみで遮蔽するには、鉛のような重金属の板を厚く張りめぐらす必要があり、設備の重量やコストが過大になるという問題があった。ちなみに、一般に流通している鉛板の板厚は６mmが上限であり、より厚い鉛板の入手は困難である。さらに、鉛は比重が高い割には強度が低いため、重量が嵩むと真空槽へ容易に取り付けできないことから、結局はシールド能力が限られることになり、Ｘ線漏洩の観点から電子ビームの照射強度も制限されることになる。従って、例えば、方向性電磁鋼板の磁区細分化を行う場合、所期する鉄損低減効果を得るために必要となる照射量を確保するためには、電子ビームの走査速度を遅くしなければならず、生産性の低下が避けられなかった。

そこで、本発明は、電子ビームの照射に伴って発生するＸ線の遮蔽を、真空槽壁面のシールド層の増厚に頼ることなく効率良く行うための手法について提案することを目的とする。

発明者らは従来のように、真空槽の外壁の一層のみで装置外部へのＸ線漏洩を遮蔽するのではなく、真空槽内部にもＸ線を吸収する隔壁を設けることによって、Ｘ線漏洩を確実に遮断可能であることを知見した。特に、Ｘ線の発生源から外部に達するまでの経路を考慮したとき、複数の電子銃の電子ビーム照射域を相互に区切るようにＸ線吸収能を有する隔壁を配置することにより、実効的なシールド層厚みを増加させる効果のあることを見出した。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。

（１）真空槽内に通した金属ストリップに向けて設置した複数の電子銃により、該金属ストリップに電子ビームを照射する電子ビーム照射装置であって、前記金属ストリップの搬送方向を横切る向きに延びて電子ビーム照射域を分断する、Ｘ線吸収能を有する隔壁を、少なくとも１つ設けることを特徴とする電子ビーム照射装置。

（２）前記電子ビーム照射域を電子銃各々の電子ビーム照射域に区画する、複数の前記隔壁を有することを特徴とする前記（１）に記載の電子ビーム照射装置。
ここで、前記電子ビーム照射域とは、電子銃で発生した電子ビームが金属ストリップに照射されて発生するＸ線が到達する範囲の真空槽内の空間を指す。

本発明に従えば、少ないシールド量であっても十分にＸ線を遮蔽することができ、設備の重量、およびコストが増大することなく、方向性電磁鋼板を典型例とする金属ストリップの処理能力を向上させて生産性を高めることが可能である。

従来の電子ビーム照射装置の構造を示す図である。本発明の電子ビーム照射装置の構造を示す図である。本発明の他の電子ビーム照射装置の構造を示す図である。

本発明は、金属ストリップに対して連続的に電子ビームを照射する装置に適用するものである。この種の装置としては、例えば図１に示すように、大気圧中の金属ストリップＳを導入する真空槽１を備え、この真空槽１の金属ストリップＳの入側および出側にはそれぞれ差圧室２ａおよび２ｂを有し、これらを差圧室２ａおよび２ｂを介在させて真空槽１内を低圧に保持している。真空槽１には、複数、図示例で４台の電子銃３ａ〜３ｄ、金属ストリップＳの搬送経路に向けて設置し、各電子銃３ａ〜３ｄから金属ストリップＳに向けて電子ビームを照射可能にしている。

ここで、電子ビームを照射する真空槽１内の圧力は10Pa以下とすることが、電子ビームの散乱防止に有効である。一方、圧力の下限は特に必要はないが、真空ポンプや差圧室の能力から、一般的には0.01Pa以上とされる。差圧室を用いず、コイルを含む全設備を真空状態にする方法も取り得るが、図１に示す差圧方式の方が真空設備の規模を小さくすることができて有利である。

この電子ビーム照射装置を用いて、例えば方向性電磁鋼板に対して磁区細分化処理を施すには、方向性電磁鋼板（金属ストリップ）に対して、図１に示すように、複数の電子銃で電子ビームを照射する。すなわち、方向性電磁鋼板の鉄損低減のためには、照射位置でのビーム径を0.05〜１mmに収束させた電子ビームを、鋼板の幅方向（圧延方向と交差する方向）に走査して、線状に熱歪みを導入する。電子ビームの出力は10〜2000Ｗ、走査速度は1〜100m/sとして、さらに単位長さ当たりの出力が１〜50J/mになるように調整し、線状に1〜20mm間隔で照射するのが好適である。

かような電子ビーム照射装置において、電子ビーム照射時に真空槽１外部へのＸ線漏洩を抑制することが安全上重要であり、そのために、真空槽１の内側（または外側）にＸ線吸収能をもつ鉛板をシールド層４として設けることが通例である。このシールド層４により、例えば、真空槽１外部へのＸ線漏洩量を３か月の労働時間当たり1.3ミリシーベルト以下にすることができれば、放射線管理区域を装置外部に設ける必要がなくなり、操業管理上有利である。

ここで、金属ストリップに対する電子ビーム照射処理における、単位時間当たりの処理量を増加させるためには、電子ビームの走査速度を上げる必要がある。所定の照射量を確保したまま走査速度を上げるには、電子ビームの出力を上げる必要があるため、電子線照射位置で発生するＸ線の強度も増加することになる。特に、上記したように、複数の電子銃を用いる場合は、それぞれの照射位置で発生したＸ線が重畳するため、Ｘ線の強度がさらに増加し、これを真空槽１の壁面のシールド層４だけで遮蔽しようとすると、シールド層４の厚みをより厚くする必要がある。しかし、シールド層４の厚みを増すことは、シールド層となる鉛板の取り付けが難しくなる上、真空槽全体の重量が増加し、設備を支持する架構が大規模になり、設備コストが増加することになる。シールド層の材料そのもののコストも増加する上、過大な重量となった真空槽は形状の歪みを生じやすくなり、真空槽内への空気漏れが生じやすくなるなどの問題も懸念される。したがって、設備コストや設備構造上から可能となる範囲でＸ線の遮蔽をはかることが余儀なくされ、上記した処理量の増加を進めることは難しいため、製造能力は制限されることになる。

そこで、本発明では、電子ビーム照射装置において、電子銃からの電子ビーム照射域を分断する、Ｘ線吸収能を有する隔壁を、少なくとも１つ設けることによって、とりわけ複数の電子銃をそなえる真空槽におけるＸ線強度を低下させてＸ線の漏洩を抑制し、結果として、処理量の増加を実現するものである。
具体的には、図２に示すように、図１に示した電子ビーム照射装置において、電子銃３ｂと３ｃとの間に、金属ストリップＳの搬送方向と直交する向きに延びる、Ｘ線吸収能を有する隔壁５を設けることによって、複数の電子銃３ａ〜３ｄからの電子ビームの照射域を分断する。この隔壁５により、金属ストリップにおける複数の電子ビーム照射点にて生じたＸ線が、真空槽の内壁面付近で重畳する前に隔壁５に吸収されて、その強度が弱められるため、真空槽１壁面のシールド層４厚みを増加することなしにＸ線の漏洩を極力抑えることができるため、その抑制量に比例したかたちで電子ビーム処理による生産量を増加させられることになる。

さらに、好ましくは、図３に示すように、電子ビーム照射域を電子銃３ａ〜３ｄ各々の電子ビーム照射域に区画する、複数の隔壁５ａ〜５ｃを設けることによって、金属ストリップにおける電子ビームの照射点にて生じたＸ線は隔壁にて確実に吸収されるから、Ｘ線の漏洩をさらに制限することが可能になる。

なお、隔壁は、図２や図３に示した例に限らず、１以上であれば任意であり、１つの照射域を複数の隔壁で複数に区画することも可能であるが、１つの電子銃からの電子ビーム照射域を最小単位として区画すれば十分である。また、隔壁を設ける位置は、
前後に位置する電子銃の中央（電子銃相互の間隔の中央）におくことが好ましい。

さらに、隔壁は、金属ストリップの搬送方向を横切る向きに搬送ラインを阻害しない範囲まで近接させて延在させることがＸ線強度の低下にとって好ましい。
さらにまた、隔壁に施すシールド材は、鉛のほか、スズ、アンチモン、タンタル、タングステン、ビスマス等の重金属や、ストロンチウム、バリウム、ランタノイド等の重元素の化合物を含有するシート等を用いることができる。

図１、図２および図３に示した装置を用いて、電磁鋼板に連続的に電子ビームの照射を行った。電磁鋼板の幅は１ｍであり、電子銃はストリップの搬送方向に４台設置し、１台の電子銃で鋼板の幅方向１／４幅の範囲に照射を行い、電子銃を４台通過後に電磁鋼板全幅に電子ビームが照射されるように走査を行った。なお、真空槽１は厚み25mmの鋼板で製造された、縦0.6ｍ、横1.6ｍおよび長さ2.8ｍの箱形であり、内面に張り巡らせた鉛板によるシールド層４の厚みは６mmである。

図２に示した装置では、真空槽の内部に設置された４台の電子銃に対して、２台ずつの電子ビーム照射域に区切るように隔壁５を設け、シールド層４として厚さ６mmの鉛板を貼った。
図３に示した装置では、真空槽の内部に設置された４台の電子銃に対して、１台ごとの電子ビーム照射域を相互に区切るように隔壁５ａ〜５ｃを設け、シールド層４として厚さ６mm の鉛板を張った。

また、電磁鋼板は、3.4質量％Siを含有する、厚さ0.23mmの方向性電磁鋼板であり、真空槽の１／２の高さで水平にサポートロール上を通るように、一定の通板速度で搬送した。
電子銃は、加速電圧150kVで、照射点におけるビーム径を直径0.2mmに絞り、一定のビーム電流、一定の走査速度で鋼板に対して幅方向に６mm間隔で線状に照射した。ここで、ビーム電流を真空槽外部の全ての位置でＸ線漏洩量が１時間当たり1.2マイクロシーベルトを超えない範囲でできる限り大きくするように調整した。ビーム電流が大きい程、走査速度を大きくすることができることから、ビームの走査速度と鋼板の通板速度をビーム電流に応じて鉄損が最小になるように設定した。

その結果、図１の装置では、ビーム電流は最大８mAが可能であり、この場合の鉄損が最小となるビームの走査速度は20m/sであったため、鋼板の通板速度は28.8m/min、生産量は3.0トン/ｈが可能であった。一方、図２の装置では、12mAまで照射することができ、走査速度は30m/sであったため、通板速度は43.2m/s、生産量は4.5トン/ｈと増加させることができた。さらに、図３の装置では16mAまでの照射が可能となり、走査速度は40m/sであったため、通板速度は57.6m/s、生産量は6.1トン/ｈと大幅に増加させることができた。

本発明の電子ビーム照射装置は、上記した方向性電磁鋼板に対する磁区細分化処理のほか、凹凸の除去、梨地加工、筋加工等の表面加工や、溶接、表面焼き入れ、合金化、アモルファス化、マーキングなどの処理に有利に適合する。

１真空槽
２ａ、２ｂ差圧室
３ａ〜３ｄ電子銃
４シ−ルド層
５隔壁
５ａ〜５ｃ隔壁
Ｓ金属ストリップ

Claims

真空槽内に通した金属ストリップに向けて設置した複数の電子銃により、該金属ストリップに電子ビームを照射する電子ビーム照射装置であって、前記金属ストリップの搬送方向を横切る向きに延びて電子ビーム照射域を分断する、Ｘ線吸収能を有する隔壁を、少なくとも１つ設けることを特徴とする電子ビーム照射装置。
前記電子ビーム照射域を電子銃各々の電子ビーム照射域に区画する、複数の前記隔壁を有することを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム照射装置。