JP2017218637A - 鋼材の焼鈍方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、比較的低コストで酸化皮膜の生成を抑制できる鋼材の焼鈍方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、鋼材を加熱炉内に配置して熱処理する鋼材の焼鈍方法であって、上記加熱炉内に、上記鋼材とは別にＦｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｈ若しくはＹの純金属又はこれらの合金のうち熱処理の最高温度よりも高い融点を有する合金をその合計体積が加熱炉の内容積の１．０％以上となるよう配置することを特徴とする。上記加熱炉としてバッチ式加熱炉を用い、熱処理中の加熱炉に不酸化性ガスを供給するとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の焼鈍方法に関する。

鋼材を焼鈍する際、加熱炉内の雰囲気中に水分が存在すると、鋼材の酸化が促進されるため、鋼材の表面に酸化皮膜が形成されて例えば変色による外観不良等の欠陥を生じさせるおそれがある。このため、例えば炉内を窒素ガス等の不活性ガスでパージ（置換）することも行われているが、鋼材の酸化を十分に抑制することは難しい。

炉内のパージでは鋼材の酸化を十分に抑制できない理由としては、加熱炉の炉壁に用いられる断熱材の存在が考えられる。具体的には、断熱材は、多孔性材料から形成されるため、その気孔内に水分を吸着しており、熱処理時の温度上昇に伴って水分を放出することで、炉内の水分量を増大させると考えられる。

特開平１１−１２４６２２号公報には、炉内の雰囲気ガスを炉外に設けられた水分吸着フィルタに強制循環することにより、その雰囲気ガスの露点を−３０℃以下に保持して無酸化焼鈍する熱処理方法が開示されている。しかしながら、炉外に水分吸着フィルタを設けて炉内雰囲気を強制循環する方法では、設備コストが増大するだけでなく、熱損失が増大して運転コストも増大するという不都合も生じる。

また、国際公開第２０１３／１５３７９１号公報には、焼鈍時の鋼材表面へのＭｎ酸化物の濃化を抑制して焼鈍後のめっきの付着性を向上するために、炉外にガスの露点を−４５℃以下に低下させられるドライヤーを設け、炉内の雰囲気をドライヤーから吸い出してドライヤーで除湿してから炉内に戻す冷延焼鈍鋼板の製造方法が開示されている。このようにドライヤーを用いる方法では、水分吸着フィルタを用いる場合と比べて露点を確実に低下させることができるものの、水分吸着フィルタと同様に、設備コスト及び運転コストが増大するという不都合が生じる。

特開平１１−１２４６２２号公報 国際公開第２０１３／１５３７９１号公報

上記不都合に鑑みて、本発明は、比較的低コストで酸化皮膜の生成を抑制できる鋼材の焼鈍方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、鋼材を加熱炉内に配置して熱処理する鋼材の焼鈍方法であって、上記加熱炉内に、上記鋼材とは別にＦｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｈ若しくはＹの純金属又はこれらの合金のうち熱処理の最高温度よりも高い融点を有する合金をその合計体積が加熱炉の内容積の１．０％以上となるよう配置することを特徴とする鋼材の焼鈍方法である。

当該鋼材の焼鈍方法は、鋼材とは別にＦｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｈ若しくはＹの純金属又はこれらの合金のうち熱処理の最高温度よりも高い融点を有する合金を加熱炉内に配置するので、これらの純金属又は合金が温度上昇に伴って酸化することによって加熱炉内の水分を消費する。これにより、加熱炉内の雰囲気の露点を十分に低下させて鋼材の酸化を抑制することができる。また、当該鋼材の焼鈍方法では、上記純金属又は合金の合計体積を上記下限以上とするので、比較的確実に加熱炉内の雰囲気中の水分含有量を低減して鋼材の表面の酸化を抑制することができる。また、当該鋼材の焼鈍方法は、加熱炉内に上記純金属又は合金を配置するだけであり、特別な装置が必要ないため、比較的低コストで鋼材を焼鈍することができる。

上記加熱炉としてバッチ式加熱炉を用い、熱処理中の加熱炉に不酸化性ガスを供給するとよい。このように、上記加熱炉としてバッチ式加熱炉を用い、熱処理中の加熱炉に不酸化性ガスを供給することによって、比較的容易に、かつより確実に鋼材の表面の酸化を抑制することができる。なお、「不酸化性ガス」とは、酸素原子を有しないガス、又は酸素原子の化学結合が安定であり、熱処理温度において酸素を供給する能力を有しないガスを意味する。

以上のように、本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、比較的低コストで酸化皮膜の生成を抑制することができる。

本発明の一実施形態の鋼材の焼鈍方法に用いる装置の構成を示す模式図である。 図１の装置を用いる鋼材の焼鈍方法の手順を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［鋼材の焼鈍方法］
本発明の一実施形態に係る鋼材の焼鈍方法は、図１に示すように、鋼材１を加熱炉２内に配置して熱処理する鋼材の焼鈍方法である。当該焼鈍方法は、例えば自動車、船舶、建材、家電等に用いられる鋼板の製造の一工程として行うことができる。

＜加熱炉＞
当該焼鈍方法は、加熱炉２として、図示するようなバッチ式のオープンコイル焼鈍炉を用いることができる。より詳しくは、当該焼鈍方法は、ＵＡＤ（Ｕｎｉｔｉｚｅｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ）焼鈍方式を好適に採用することができる。この場合、当該焼鈍方法により焼鈍される鋼材１は、典型的には、長尺の冷延鋼板を巻回したコイルとされる。

加熱炉２は、炉体３と、炉体３内に配設され、鋼材１が載置されるテーブル４と、炉体３内の上方に配設されるヒーター５と、炉体３内のテーブル４の側方に配設される循環ファン６とを備える。

（炉体）
炉体３は、断熱性及び耐熱性を有し、内部空間を密閉できるよう構成される。

（テーブル）
テーブル４は、炉内のガスが上下に通過できるよう構成される。

（ヒーター）
ヒーター５は、例えば電気ヒーター、ラジアントチューブバーナー等によって構成することができる。

（循環ファン）
循環ファン６は、ヒーター５で加熱された炉内のガスを、鋼材１の鋼板の隙間を通して、テーブル４を上から下へと通過させるよう吸引し、このガスをヒーター５に再供給することで、炉内を循環させる。

当該焼鈍方法は、図２に示すように、加熱炉２内に鋼材１を配置する工程＜ステップＳ１：鋼材配置工程＞と、鋼材１とは別に、水分吸着材７として、加熱炉２の内部に金属を配置する工程＜ステップＳ２：水分吸着材配置工程＞と、加熱炉２内を不酸化性ガスでパージする工程＜ステップＳ３：パージ工程＞と、加熱炉２内を予め設定されるプロファイルで加熱及び冷却することにより鋼材１を熱処理する工程＜ステップＳ４：熱処理工程＞とを備える方法とすることができる。

＜鋼材配置工程＞
ステップＳ１の鋼材配置工程では、鋼材１を加熱炉２のテーブル４上に、鋼材１のコイルの中心軸がテーブル４に垂直になるよう配置する。

＜水分吸着材配置工程＞
ステップＳ２の水分吸着材配置工程では、水分吸着材７を加熱炉２内に配置する。水分吸着材７の配置場所としては、熱風が接触しやすい場所が好ましく、テーブル４上の余剰スペースが特に好ましい。

この水分吸着材配置工程は、上記鋼材配置工程より先に行ってもよく、鋼材配置工程と同時に行ってもよい。

（水分吸着材）
水分吸着材７としては、エリンガム図においてＦｅ（鉄）以上に酸化しやすく焼鈍時に融解しない金属、具体的にはＦｅ、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｈ（トリウム）若しくはＹ（イットリウム）の純金属又はこれらの合金のうち融点が熱処理の最高温度以上である合金を単独又は組み合わせて用いることができる。これらの純金属又は合金の中でも、Ｓｉ、Ｍｎ又はＴｉを含むものは、水分吸着材７として使用した後に、鋼の添加成分を供給する製鋼用原料として使用することができるため、コストの観点からより好ましい。

水分吸着材７は、鋼材１よりも酸化性が大きく、温度上昇に伴って鋼材１に先んじて酸化することによって加熱炉内の酸素供給源である水分を消費して、鋼材１の表面が酸化することを抑制する。このため、水分吸着材７は、鋼材１の焼鈍を行う毎に新しいものを使用する必要がある。

当該焼鈍方法における熱処理の最高温度としては、鋼材１の種類や使用目的に応じて選択されるが、例えば７００℃以上１０００℃以下とされる。このため、水分吸着材７としては、融点が１０００℃以上であるものを使用するとよい。水分吸着材７として融点が１０００℃以上であるものを使用することで、鋼材１を熱処理する間に水分吸着材７が溶融することを防止できる。

また、水分吸着材７としては、上記純金属又は合金のスクラップ材を用いることができる。水分吸着材７としてスクラップ材を用いることによって、鋼材１の焼鈍処理のコストを抑制することができる。また、スクラップ材は、比較的小型で表面積が大きいため、効率よく水分を吸着することができる。逆にいうと、水分吸着材７として純金属又は合金のブロック材を用いると、コストが不必要に上昇するだけでなく、表面積が小さいため水分の吸着効率が小さくなるおそれがある。

加熱炉２の中に配置される水分吸着材７の合計体積の下限としては、加熱炉２の内容積の１．０％が好ましく、１．５％がより好ましく、２．０％がさらに好ましい。一方、水分吸着材７の合計体積の上限としては、加熱炉２の内容積の２０％が好ましく、１５％がより好ましく、１０％がさらに好ましい。水分吸着材７の合計体積が上記下限に満たない場合、水分吸着能力が不足して鋼材１の酸化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、水分吸着材７の合計体積が上記上限を超える場合、水分吸着材７の消費量が大きくなるだけでなく、より大きな加熱炉２が必要となり、鋼材１の焼鈍コストが不必要に増大するおそれがある。なお、加熱炉２の内容積とは、炉壁（断熱材を含む）の内面によって画定される空間の容積を意味し、加熱炉２の内部に配設されるテーブル４、ヒーター５、循環ファン６等の容積を除外しない値とする。

＜パージ工程＞
ステップＳ３のパージ工程では、加熱炉２の内部を不酸化性ガスでパージする。不酸化性ガスとしては、例えば水素ガス（Ｈ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、水素及び窒素の混合ガス、アンモニア分解ガス等が挙げられる。また、パージ工程で用いる不酸化性ガスとして、引火性を有しない不活性ガスを使用すれば、安全性を向上することができる。

このパージ工程を設けることにより、加熱炉２内の酸素及び水分の存在量を低減することができ、水分吸着材７の負荷を低減して鋼材１の酸化をより確実に抑制できる。

＜熱処理工程＞
ステップＳ４の熱処理工程では、例えば炉内温度をオーステナイト化温度以上の焼鈍温度まで加熱する加熱工程と、炉内温度を焼鈍温度に保持する均熱工程と、炉内温度をゆっくりと低下させる冷却工程とを有する。

この熱処理工程において、加熱炉２に不酸化性ガスを供給することが好ましい。この不酸化性ガスとしては、酸化性を有しないものであればよいが、還元性を有するものがより好適に用いられ、例えば水素ガス（Ｈ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、水素及び窒素の混合ガス、アンモニア分解ガス等を用いることができる。また、この熱処理工程で供給する不酸化性ガスは、パージ工程で用いる不酸化性ガスと同じであってもよく、異なってもよい。

不酸化性ガスの１時間当たりの供給量の下限としては、加熱炉２の内容積の１０％が好ましく、１５％がより好ましい。一方、不酸化性ガスの１時間当たりの供給量の上限としては、加熱炉２の内容積の５０％が好ましく、３０％がより好ましい。不酸化性ガスの１時間当たりの供給量が上記下限に満たない場合、鋼材１の表面の酸化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、不酸化性ガスの１時間当たりの供給量が上記上限を超える場合、処理コストが不必要に増大するおそれがある。

（加熱工程）
加熱工程において、加熱炉２は、温度上昇に伴って炉壁に配設される断熱材等に吸着している水分を放出することで、炉内の雰囲気ガス中の水分含有量を増大する。しかし、炉内温度がある程度上昇すると、水分吸着材７が酸化して炉内の水分の酸素を消費するので、雰囲気ガス中の水分含有量が低下する。従って、加熱炉２内の雰囲気ガスの露点は、この加熱工程においてピーク（極大値）を示す。

（均熱工程）
均熱工程では、加熱炉２の内部の雰囲気温度を焼鈍温度に保持することで、鋼材１の内部まで焼鈍温度に加熱する。

この均熱工程の保持時間としては、鋼材１の大きさ等にもよるが、例えば１時間以上３６時間以下とすることができる。

（冷却工程）
冷却工程では、炉内温度を徐々に低下させる。この冷却速度としては、例えば２０℃／ｈ以上１００℃／ｈ以下とすることができる。

熱処理工程における加熱炉２内の雰囲気の露点のピーク値の上限としては、−２０℃が好ましく、−２５℃がより好ましく、−３０℃がさらに好ましい。熱処理工程における加熱炉２内の雰囲気の露点のピーク値が上記上限を超える場合、鋼材１の表面の酸化を十分に抑制できないおそれがある。一方、熱処理工程における加熱炉２内の雰囲気の露点のピーク値の下限としては、特に限定されないが、−６０℃程度が技術的又は経済的な限界と考えられる。

＜利点＞
当該鋼材の焼鈍方法は、鋼材１とは別に水分吸着材７を加熱炉２内に配置するので、水分吸着材７が温度上昇に伴って鋼材１よりも先に酸化することによって断熱材が放出する水分を消費する。これにより、加熱炉２内の雰囲気の露点の上昇を低減し、鋼材１の酸化を抑制することができる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該鋼材の焼鈍方法において、使用する加熱炉は、連続式のものであってもよい。この場合、断熱材が水分を放出するのは断熱材の温度が上昇するときだけであるので、運転開始時に炉内に水分吸着材を配置しておけばよい。

当該鋼材の焼鈍方法において、不酸化性ガスによるパージ及び不酸化性ガスの供給は省略してもよい。

当該鋼材の焼鈍方法により焼鈍される鋼材の形状としては、コイル状に巻回される帯板状のものに限定されず、例えばブロック状等、任意の形状とすることができる。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

焼鈍する鋼材として冷間圧延コイルを作製し、異なる量の水分吸着材を配設したバッチ式焼鈍炉によって焼鈍する試験Ｎｏ．１〜６を行った。

（鋼材）
焼鈍する鋼材としては、冷間圧延コイルを用意した。具体的には、先ず、原料を溶解及び鋳造し、炭素を０．５質量％、シリコンを０．２質量％、マンガンを０．８質量％含み、残部が鉄及び不可避的不純物であるスラブを作製し、このスラブを熱間圧延した。次いで、得られた圧延材を酸洗して表面の酸化スケールを完全に除去し、さらに冷間圧延して得られた板圧が２ｍｍ、板幅が９５０ｍｍ、長さが２０ｍの鋼板を内径６１０ｍｍのコイル状に巻き取って冷間圧延コイルとした。

（加熱炉）
加熱炉としては、内容積が１００ｍ^３のバッチＵＡＤ焼鈍炉を用いた。

（水分吸着材）
水分吸着材としては、純チタンの板材を用いた。試験Ｎｏ．１〜６における水分吸着材の合計体積は、加熱炉の内容積のそれぞれ２．０％、１．５％、１．０％、０．９％、０．５％及び０．０％（水分吸着材を配置しない）とした。

（熱処理）
不酸化性ガスとして、１００質量％濃度の水素ガスを流量２０Ｎｍ^３／ｈで供給しながら、約１０時間かけて焼鈍温度（７００℃）まで昇温し、約２０時間保持した後、徐冷した。この間、炉内の雰囲気の露点を測定した。

（評価）
上記試験Ｎｏ．１〜６で焼鈍した冷間圧延コイルについて、コイルの先端から２０ｍの位置における鋼板幅方向一端のミルエッジを含む平面視で１辺１５ｍｍの正方形の試験片をそれぞれ切り出した。これらの試験片を色温度３５００Ｋ、１００００ルクスの照度で実態顕微鏡の写真撮影を行い、撮影した画像から鋼板表面のＬ＊ａ＊ｂ＊値を測定した。

次の表１に、試験Ｎｏ．１〜６の焼鈍における均熱開始時（焼鈍温度に達したとき）の炉内雰囲気の露点と、試験片のＬ＊値とを示す。

表に示すように、炉内に配置する水分吸着材の体積が大きい程、Ｌ＊値が大きく鋼材の酸化による変色が少ないとことが分かる。なお、上記表において、Ｌ＊値が６０以上であるものは、酸化による変色が許容範囲内であるといえる。

以上のように、試験の結果から、炉内に水分吸着材を合計体積が加熱炉の容積の１％以上となるよう配置して熱処理を行うことで、鋼材の表面の酸化を十分に抑制できることが確認できた。

本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、冷間圧延コイルの光輝焼鈍に好適に利用することができる。

１ 鋼材
２ 加熱炉
３ 炉体
４ テーブル
５ ヒーター
６ 循環ファン
７ 水分吸着材
Ｓ１ 鋼材配置工程
Ｓ２ 水分吸着材配置工程
Ｓ３ パージ工程
Ｓ４ 熱処理工程

Claims (2)

1. 鋼材を加熱炉内に配置して熱処理する鋼材の焼鈍方法であって、
   上記加熱炉内に、上記鋼材とは別にＦｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｓｉ、Ｔｈ若しくはＹの純金属又はこれらの合金のうち熱処理の最高温度よりも高い融点を有する合金をその合計体積が加熱炉の内容積の１．０％以上となるよう配置することを特徴とする鋼材の焼鈍方法。
2. 上記加熱炉としてバッチ式加熱炉を用い、熱処理中の加熱炉に不酸化性ガスを供給する請求項１に記載の鋼材の焼鈍方法。

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