JP2015117415A

JP2015117415A - 仕上焼鈍後コイルの冷却方法

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Publication number: JP2015117415A
Application number: JP2013262081A
Authority: JP
Inventors: 智宣村上; Tomonobu Murakami; 山口　誠; Makoto Yamaguchi; 誠山口; 純一鳥生; Junichi Torio
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: JP6024922B2

Abstract

【課題】コイルの層間に空間を設けたり、コイルを巻き直したりするような特別な処理を必要とせず、かつ、多大な設備投資をすることなく、コイルを効率よく冷却することができる仕上焼鈍後コイルの冷却方法を提案する。【解決手段】バッチ式焼鈍炉で仕上焼鈍を施した後のコイルの冷却方法であって、上記焼鈍炉から取り出された３００℃以上のコイルを、中央に開口部を有し、床面から好ましくは５０ｍｍ以上離間して敷設された、中央部に開口部を有するスペーサ上にアップエンドに載置して冷却することを特徴とする仕上焼鈍後コイルの冷却方法。【選択図】図１

Description

本発明は、仕上焼鈍後コイルの冷却方法に関し、具体的には、バッチ式焼鈍炉で方向性電磁鋼板に仕上焼鈍を施した後の冷却方法に関するものである。

方向性電磁鋼板は、Ｓｉを７ｍａｓｓ％以下含有し、結晶方位が｛１１０｝＜００１＞方位に高度に集積した結晶粒で構成された、優れた磁気特性を有する軟磁性材料である。斯かる方向性電磁鋼板における結晶方位の制御は、一般的には、二次再結晶とよばれる高温での粒成長現象を利用することにより行われる。この二次再結晶は、高温、長時間の熱処理が必要であるため、現在のところ、バッチ式焼鈍炉（箱型焼鈍炉）を用いた仕上焼鈍において発現させている。

上記バッチ式焼鈍炉を用いた仕上焼鈍は、コイル状に巻き取った鋼板（鋼帯）を、コイルの軸芯が垂直方向（アップエンド）となるよう炉床（ベース）上に載置し、その上にインナーカバーと称する容器を被せ、その内部の雰囲気をＮ_２ガスやＨ_２ガス等に制御した上で、さらに、上記インナーカバーの上に炉体を被せて、インナーカバーの外部から加熱することで行っている。

上記仕上焼鈍で二次再結晶を発現させるためには、８００℃以上の温度に加熱・保持する必要がある。また、磁気特性を向上するため、上記二次再結晶を起こさせた後、さらに１１００〜１２００℃程度の温度まで加熱し、数時間保持してインヒビター成分等を除去する純化処理を施す場合もある。上記仕上焼鈍後のコイルを次工程に送るためには、１００〜２００℃程度の温度に冷却する必要がある。しかし、上記冷却に要する時間は、仕上焼鈍時間の中で最も長く、生産性を阻害する要因の一つとなっている。

そこで、冷却時間を短縮するため、上記仕上焼鈍後コイルを強制冷却する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、鋼板をコイル状に巻き取る際、鋼板の層間に波型の挿入板を入れて空間を設け、焼鈍時の雰囲気ガスまたは冷却時の空気（冷却媒体）を通じることで加熱、冷却の焼鈍時間を短縮する技術が、特許文献２には、仕上焼鈍後のコイルを冷却するにあたり、該コイルの内径よりも小さい径で巻き取り機に巻き、コイル層間に空間を生じさせ、該空間にコイル側面から冷却媒体を吹き付けて冷却を行う技術が、特許文献３には、加熱帯、冷却帯を有するバッチ式焼鈍炉の冷却帯に、給排水手段を有するとともに、コイル側面に接触・離間が可能な水冷ボックスで構成した冷却設備を設けた熱処理炉が、また、特許文献４には、炉内に形成されたガス流路中に設置されたコイル支持台の上に、薄板を隙間をあけて粗に巻いたコイルが軸線を鉛直方向に向けて置き、コイル支持台に形成された多数のガス噴出ノズルから噴出する雰囲気ガスによって前記コイルを加熱したり冷却したりするコイル熱処理炉が開示されている。

特開昭５７−１１６７３１号公報特開２００３−３２８０３８号公報特公昭６２−０５６２１１号公報特公平０７−０００８１４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術は、コイルの層間に波型の挿入板を入れてコイルに巻き取ることが難しく、また、挿入物によって鋼板に疵が発生するという問題がある。また、特許文献２に開示の技術は、コイルの層間に空間を作り、その空間にコイル側面から冷却媒体を吹き付けるために焼鈍後コイルを巻き直す必要があるが、高温での巻き直しは、鋼板の形状不良や外観不良を引き起こすという問題がある。また、特許文献３，４に開示の技術は、焼鈍炉内での冷却を効率化するための設備が必要とされ、設備費用やメンテナンス費用が嵩み、製造コストの面で問題がある。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイルの層間に空間を設けたり、コイルを巻き直したりするような特別な処理を必要とせず、かつ、多大な設備投資をすることなく、コイルを効率よく冷却することができる仕上焼鈍後コイルの冷却方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題を解決するべく、鋭意検討を重ねた。その結果、仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板は、鋼板表面にフォルステライトからなるガラス質の被膜が形成されているため、一般冷延鋼板よりも高温の５００〜６００℃程度でインナーカバーを外され、仕上焼鈍炉から取り出されることから、上記残熱による煙突効果を活用すれば、コイルをアップエンドに載置したまま効率よく冷却できることに想到し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、バッチ式焼鈍炉で仕上焼鈍を施した後のコイルの冷却方法であって、上記焼鈍炉から取り出された３００℃以上のコイルを、中央に開口部を有し、床面から離間して敷設されたスペーサ上にアップエンドに載置して冷却することを特徴とする仕上焼鈍後コイルの冷却方法である。

本発明の仕上焼鈍後コイルの冷却方法は、上記スペーサの床面との離間距離を５０ｍｍ以上とすることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍後コイルの冷却方法に用いる上記スペーサは、コイルとの接触部分に空隙部を設けてなることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍後コイルの冷却方法に用いる上記スペーサは、コイルとの接触部分に設けた空隙部の空隙率が１０％以上であることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍後コイルの冷却方法おける上記コイルは、方向性電磁鋼板用の素材鋼板であることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍後コイルの冷却方法おける上記仕上焼鈍は、方向性電磁鋼板に二次再結晶を起こさせる焼鈍であることを特徴とする。

本発明によれば、特別な処理や設備投資をせずに、仕上焼鈍後のコイルを効率的に冷却することができるので、生産性の向上、製造コストの低減に寄与する。さらに、本発明の冷却方法によれば、冷却中のコイル内径部の圧縮応力が緩和され、かつ、コイル内温度分布が均質化することにより、仕上焼鈍後の形状不良を低減できるという副次的な効果があるので、歩留り向上や製品品質の向上にも寄与することができる。

本発明のコイルの冷却方法を模式的に説明する図である。スペーサと床面との離間距離が冷却に及ぼす効果を示したグラフである。本発明に用いるスペーサを模式的に説明する図である。本発明に用いる他のスペーサ例を模式的に説明する図である。

前述したように、バッチ式焼鈍炉を用いた方向性電磁鋼板の仕上焼鈍においては、コイルの軸芯が垂直方向（アップエンド）となるよう炉床（ベース）上に載置し、その上にインナーカバーを被せ、さらに、上記インナーカバーの上に炉体を被せて加熱している。また、冷却時には、上記炉体を取り外して、インナーカバーを被せたままで所定の温度まで冷却した後、インナーカバーを取り外して、炉外に取り出し、コイルヤード等にアップエンドにして載置し、１００〜２００℃程度の温度まで冷却している。

なお、上記のインナーカバーの取り外しは、方向性電磁鋼板の場合、鋼板表面にフォルステライト被膜が形成されているため、一般冷延鋼板よりも高温の５００〜６００℃の温度で行われている。しかし、上記仕上焼鈍後のコイルを、コイルヤード等に載置して１００〜２００℃程度の温度まで冷却するには、２０〜５０ｈｒという長時間を要しており、生産性を阻害する要因の一つとなっている。

そこで、本発明は、図１に示したように、床面との間に隙間を設けたコイル置台を設けて、その上に仕上焼鈍後のコイルをアップエンドにして載置することによって、上記コイルが有する高温の残熱により、コイル内径部に空気の流れ（上昇気流）を起こさせて、いわゆる「煙突効果（ドラフト力）」によって、コイルの冷却を促進する。

したがって、上記煙突効果を活用するためには、焼鈍炉から取りだしたコイルの温度は高温であることが望ましく、本発明では、コイル温度（焼鈍炉のベースと接するコイル側面の温度）を３００℃以上とする。好ましくは３５０℃以上である。ただし、３００℃以下でも上記煙突効果による冷却促進効果が得られる。なお、コイル温度の上限は、特に制限しないが、大気に曝されることによって磁気特性や品質に悪影響を及ぼさないためには６５０℃以下とするのが好ましい。

ここで、図１に示したコイル置台は、Ｈ形鋼３を、フランジ部が垂直になるようにして床面２の上に放射状に配置し、その上に、アップエンドにしたコイル１を載せるための、中央に開口部５を有する円板状のスペーサ４を敷設し、上記開口部５を、前述した上昇気流が流れるようにしたものである。なお、この図１のコイル置台は、１つの例であり、アップエンドに載置したコイルと床面との間に空気が流れる隙間を設けられるものであれば、他の形態のコイル置台であってよい。

ここで、上記コイル置台のスペーサと床面との間の離間距離、即ち、空気が流れる隙間は５０ｍｍ以上とするのが好ましい。図２は、上記隙間の大きさが、熱伝達係数比に及ぼす影響を、隙間がない場合を基準（１．００）として比較して示したものである。ここで、上記熱伝達係数は、コイル置台のスペーサと床面との間の離間距離を０ｍｍから３００ｍｍまで変化させたときに、コイルが４００℃から１５０℃まで冷却するときの温度変化を実測し、その結果を下記の式；
Ｔ（ｔ）＝Ｔ_ａ＋（Ｔ_０＋Ｔ（ｔ））ｅｘｐ（−αＡｔ／Ｃ_ｐＭ）
ここで、Ｔ_ａ：大気の温度（Ｋ）
Ｔ_０：コイル初期温度（Ｋ）
Ｔ（ｔ）：コイル温度（Ｋ）
Ａ，Ａ´：コイル表面積
α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）
Ｃ_ｐ：比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
Ｍ：質量（ｋｇ）
で表したときのαの値をいう。なお、上記式中のＡは、離間距離が０ｍｍのときのコイル表面積（コイル上面の面積と外周面の面積の和）であり、離間距離が０ｍｍ超えのときは、上記Ａに代えて、上記表面積Ａにさらに内周面の面積を加えた面積Ａ´を用いる。
図２から、コイル置台のスペーサと床面との間に５０ｍｍ以上の隙間を設けることで冷却能を１．３倍以上に高めることができることがわかる。ただし、２００ｍｍを超えて高くしても、上記効果は飽和するので、２００ｍｍ以上であれば十分である。

また、上記コイル置台の上に敷設するスペーサは、最大３０トン程度のコイルを載置できる大きさと強度を有するとともに、熱伝導性に優れるものであることが好ましく、斯かる観点からは、鋼製または鋳鉄製のものであることが好ましい。例えば、ＪＩＳＧ３１０１「一般構造用圧延鋼材」に規定された厚鋼板を用いたスペーサであれば、好適に用いることができる。

また、本発明の上記スペーサ４は、図３に示したように、その中央部に、コイル内径部を流れる上昇気流が通る開口部５が形成されていることが必要である。上記開口部の形状と大きさは、冷却媒体である空気がスムーズにかつ均一に流れることができれば特に制限はないが、製造のし易さやその後のメンテナンス上からは、形状は円形とし、その大きさ（内径）は、コイル内径の８０％以上コイル内径以下とするのが好ましい。８０％未満では、空気の流れが不十分となり、一方、コイル内径より大きくなると、コイル内径部が冷却時の収縮により開口部内に垂下してしまうおそれがあるからである。

また上記スペーサは、コイルからの大気への熱放散を高めるため、コイル側面と接触する部分にも空隙部を設けることが好ましく、例えば、図４（ａ）のように、スリット状の溝６を放射状に形成したものでも、また、図４（ｂ）のように、円形の空隙部７を分散させて形成したものでもよく、その空隙部の形状や分布には特に制限はない。ただし、上記熱放散を高める効果を発現させるためには、上記空隙部の面積率（空隙率）は１０％以上とするのが好ましい。なお、上限については、スペーサの強度が確保できればよく、特に制限はしない。

なお、上記のコイル置台を用いて仕上焼鈍後のコイルを冷却した場合には、冷却時間を大幅に短縮する冷却効率の向上効果に加えてさらに、仕上焼鈍後の鋼板の形状を改善し、形状不良率を約１／３以下に低減するという効果が得られる。このような効果が得られる機構については、まだ十分に明らかとなっていないが、コイル置台で冷却する場合には、コイル内周側からの冷却が促進されるため、コイル内径部の残留応力が緩和されたり、冷却中のコイル内の温度分布が均質化されたりするためではないかと考えている。

方向性電磁鋼板用の素材鋼板を内径５０８ｍｍのコイルに巻き取り、バッチ式の焼鈍炉を用いて、二次再結晶焼鈍した後、さらに１２００℃または１１５０℃の温度で純化焼鈍し、その後、冷却する仕上焼鈍を施した。上記仕上焼鈍の二次再結晶焼鈍および純化焼鈍は、コイルを焼鈍炉のベース上にアップエンドに載置し、インナーカバーを被せ、さらにその上に炉体を被せて加熱することにより行った。一方、冷却は、炉体を取り外して放冷して、焼鈍炉のベースと接するコイル側面温度が５５０℃または５８０℃の温度になるまで冷却した後、インナーカバーを取り外して炉外に取り出した。なお、インナーカバー内の雰囲気は、加熱時および冷却時はＮ_２ガス、二次再結晶焼鈍および純化焼鈍はＨ_２ガス雰囲気とした。

上記炉外に取り出したコイルは、下記Ａ〜Ｄの４条件で冷却し、コイル温度が２００℃以下に低下するまでの冷却時間を、各条件について１０コイルずつ測定した。なお、コイル温度の測定は、図１に示したように、アップエンドに置いたコイルの上側側面の巻厚中央部で行った。
・条件Ａ：フランジ高さが２００ｍｍのＨ形鋼を、フランジ部が垂直になるようにして放射状に配置し、その上に、図３（ａ）に示したように、中央に４５０ｍｍφの開口を有する円板状の鋼製スペーサ（材質：ＳＳ４００、厚さ：２５ｍｍ）を敷設したコイル置台を設け、前述した炉外に取り出した５５０℃のコイルを、図１に示したように、上記鋼製スペーサの上にアップエンドに載置して冷却。
・条件Ｂ：フフランジ高さが２５０ｍｍのＨ形鋼を、フランジ部が垂直になるようにして放射状に配置し、その上に、図３（ｂ）に示したように、中央に４３０ｍｍφの開口を有し、かつ、放射状に多数のスリットを形成した（空隙率１５％）円板状の鋼製スペーサ（材質：ＳＳ４００、厚さ：２０ｍｍ）を敷設したコイル置台を設け、前述した炉外に取り出した５８０℃のコイルを、図１に示したように、上記鋼製スペーサの上にアップエンドに載置して冷却。
・条件Ｃ：前述した５５０℃まで冷却後、炉外に取りだしたコイルを、厚鋼板（厚さ：２０ｍｍ）を敷設したコイルヤードの床面上にアップエンドに載置して冷却。
・条件Ｄ：前述した５８０℃まで冷却後、炉外に取りだしたコイルを、厚鋼板（厚さ：２０ｍｍ）を敷設したコイルヤードの床面上にアップエンドに載置して冷却。

上記のようにして２００℃以下まで冷却したコイルは、その後、平坦化焼鈍を施し、その際、コイル内に発生した形状不良部の長さを測定し、形状不良の発生率を求めた。

上記測定の結果を、冷却条件および１０時間冷却後のコイル温度、２００℃以下までの冷却時間と併せて、表１に示した。表１から、コイル置台上で冷却したコイルについては、コイル置台無しに比べて冷却時間が大幅に短縮され、さらに、コイルの形状不良の発生率も約１／３以下に低減していることがわかる。特に、上記効果はスリットを形成したスペーサを用いた場合に大きい。

本発明の技術は、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍後コイルの冷却方法に限定されるものではなく、一般冷延鋼板等、その他の鋼板や金属板の焼鈍後コイルの冷却にも適用することができる。

１：コイル
２：床面
３：Ｈ形鋼
４：スペーサ
５：開口部
６：スリット状空隙部
７：円形状空隙部

Claims

バッチ式焼鈍炉で仕上焼鈍を施した後のコイルの冷却方法であって、
上記焼鈍炉から取り出された３００℃以上のコイルを、中央に開口部を有し、床面から離間して敷設されたスペーサ上にアップエンドに載置して冷却することを特徴とする仕上焼鈍後コイルの冷却方法。
上記スペーサの床面との離間距離を５０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の仕上焼鈍後コイルの冷却方法。
上記スペーサは、コイルとの接触部分に空隙部を設けてなることを特徴とする請求項１または２に記載の仕上焼鈍後コイルの冷却方法。
上記スペーサは、コイルとの接触部分に設けた空隙部の空隙率が１０％以上であることを特徴とする請求項１〜３に記載の仕上焼鈍後コイルの冷却方法。
上記コイルは、方向性電磁鋼板用の素材鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の仕上焼鈍後コイルの冷却方法。
上記仕上焼鈍は、方向性電磁鋼板に二次再結晶を起こさせる焼鈍であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の仕上焼鈍後コイルの冷却方法。