JP5268650B2 - 酸素−燃料バーナーを備えた連続熱処理炉内における鋼帯の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼製品、特に鋼帯又は鋼板の熱処理方法に関するものであり、更に具体的には、鋼製品を少なくとも１つのバーナーを有するブースターゾーン内で開始温度から目標温度に導くに際し、前記バーナーを燃料としての燃料ガスと２１％を超える酸素を含有する酸素含有ガスとで運転し、鋼製品を前記バーナーで生じる炎と直接接触させる熱処理方法に関するものである。

被覆鋼帯（例えば溶融亜鉛メッキ鋼帯）を製造するには、被覆対象の鋼帯を先ず始めに洗浄し、連続熱処理炉内で加熱し、次いで還元雰囲気中で焼鈍して所望の材料特性をもたせる。しかる後、適正な溶融浴中での処理又はその他の適切な方法による本来の被覆工程が行われる。

連続熱処理炉内での加熱に際しては、後続の各処理工程において必要とされる鋼の材料特性をより良好に設定できるように、鋼素材は或る定められた条件下で加熱されなければならない。使用する鋼種に応じて、表面酸化を最小にしたり、或いは意図的に或る程度の酸化を起こさせることが得策な場合もある。

従来、鋼帯の加熱は連続熱処理炉で行われており、この加熱炉内では鋼帯が対流ゾーンとヒートアップゾーンを通過して加熱される。ヒートアップゾーンでは鋼帯がバーナーを用いて加熱され、この上流に連結配置された対流ゾーンでは鋼帯がヒートアップゾーンのバーナーからの熱い煙道ガスによって加熱される。この場合、特に対流ゾーンでは鋼の酸化の程度を制御することが困難であり、その理由は、このゾーンにおける温度プロファイルが特に対流ゾーンの長さと煙道ガスの温度及び量に依存するためである。

対流ゾーンにおける煙道ガスの組成はバーナーの運転モードによって決まり、また該当する場合には連続熱処理炉に侵入する漏洩空気によっても決まる。これは、対流ゾーンにおける加熱条件が実質的にヒートアップゾーンにおけるバーナーに課される要求によって決定されることを意味する。この理由で、従来は対流ゾーンにおける温度プロファイルを制御下で調節することは不可能であった。

従って、本発明の目的は、加熱条件の設定を正確に制御可能とする鋼製品の熱処理方法を提供することである。

この目的は、本発明によれば、鋼製品、特に鋼帯又は鋼板を、少なくとも１つのバーナーを有するブースターゾーン内で開始温度から目標温度に導くに際し、前記バーナーを燃料としての燃料ガスと２１％を超える酸素を含有する酸素含有ガスとで運転し、鋼製品を前記バーナーで生じる炎と直接接触させる熱処理方法において、鋼製品を前記ブースターゾーン内で搬送方向に移動させ、該搬送方向を横切る向きで前記炎により鋼製品をその全周に亘って取り囲み、この際の炎中の空気比λを前記開始温度及び／又は目標温度の関数として設定することにより達成される。

本発明において、「ブースターゾーン」という用語は、燃料ガスと２１％を超える酸素を含有する酸素含有ガスとによって運転される熱処理炉、又は熱処理炉の１つのゾーンを意味する。バーナーは、処理しようとする鋼製品がバーナーの炎と直接接触するように配置され、運転される。

空気比λとは、使用する燃料の化学量論的変換に必要な酸素量に対する燃焼中の供給酸素量の比を表す。酸素過剰状態ではλ＞１、即ち燃焼が超化学量論的条件下で起ることになる。従って、酸素不足による亜化学量論的反応はλ＜１で表すことができる。

本発明によれば、１つ又は複数の炎が鋼製品の表面に極めて接近している。鋼表面は触媒として作用し、無反応の燃料はいずれも鋼表面において後燃焼する。鋼製品をその断面全体にわたって炎で取り囲むことにより、均一で明確に限定された加熱及び処理の雰囲気が鋼表面に創出される。これにより、鋼製品の表面特性を明確に限定された方式で改質することができ、例えば鋼表面を特定の予め定められた度合に酸化することも可能である。

本発明による方法は、冷間圧延鋼及び熱間圧延鋼の熱処理に好適である。本発明に従って鋼製品の表面を酸化することにより、鋼製品は後続の被覆又はメッキ処理に良好に適合する準備が整うことになる。

「開始温度」及び「目標温度」という用語は、いずれの場合においても、ブースターゾーンの１つ以上のバーナーによる熱処理の前後それぞれにおける鋼製品の表面温度又は材料の厚さによっては芯部の温度を指す。厚さが５ｍｍまでの薄いシート材の場合は表面温度と芯部温度は極めて接近しているが、それよりも厚い鋼材の場合は表面温度と芯部温度は互いにかなり相違することもある。後者の場合、特定の適用条件に応じて表面温度又は芯部温度のいずれかが開始温度及び目標温度として選択される。

この場合、目標温度は必ずしも開始温度より高いことを必要とはしない。鋼製品の温度をブースターゾーンの中で一定レベルに保つこともまた、本発明の範疇にある。この場合の開始温度と目標温度は同一である。更に、例えば鋼製品がある方法で冷却されており、ブースターゾーンの１つ以上のバーナーを使用して過剰な冷却を回避するか又は冷却の度合いを制御する場合には、目標温度が開始温度より低くなることも想定可能である。

従って本発明によれば、鋼製品の熱処理は、燃料としての特に燃料ガスと２１％を超える濃度の酸素とによって運転されるバーナーを有するブースターゾーン内で行われる。使用する酸化剤は酸素濃縮空気又は工業用純酸素である。酸化剤の酸素含有量が５０％を超えるようにすることは好ましいことであり、７５％を超えることは更に好ましく、９０％を超えることは極めて好ましい。

酸素濃縮は一方ではより高い炎温度を達成し、従って鋼製品のより速い加熱を達成し、他方では酸化特性を改善させる。

本発明によれば、鋼製品はバーナーの炎に直接露呈され、即ち鋼製品又はその一部がバーナーの炎に直接接触する。燃料と酸素含有量が２１％を超える酸素含有ガスとによって運転されるバーナーは鋼製品が直接炎と接触するように炎の向きが定められ、従って本発明においてはこの形式のバーナーをブースターバーナーと呼ぶ。原則として本発明による熱処理方法では、ブースターバーナーはあらゆる所望の個所において使用することができる。

従来、連続熱処理炉による鋼帯の加熱は、水平移動する鋼帯の上下に配置されたバーナーを用いて行われ、この場合、上下のバーナーからの炎は、炉内の周囲壁面を覆う耐火材に向けられる。従って耐火材は、炉内を通過する鋼帯に向けて炎とは逆向きに熱エネルギーを放射する。このため、炎は鋼帯に直接作用せず、炎によって加熱された耐火材からの輻射熱が間接的に鋼帯に作用するだけである。

本発明による熱処理方法では鋼製品に対して炎が直接に作用するので、熱処理条件を明確に定められた方式で設定することが可能である。本発明によれば、炎中の燃焼の化学量論的条件、即ち空気比λは、開始温度及び／又は目標温度の関数として設定される。

本発明に先だって行われた予備試験によれば、最適の熱処理結果を達成するためには、鋼製品の温度が上昇するにつれてブースターバーナーの炎中の化学量論的条件をより低い酸素含有量側に移行させることが有利であることが判明した。

標準鋼種については、例えば図１に示すλ値と鋼製品温度との従属関係に従うことが有利であることが確認されている。即ち、例えば１００℃においてはλ値を１．１２とし、２００℃においてはλ値を１．０７とし、４００℃においてはλ値を１．００とし、６００℃においてはλ値を０．９５とすることが好ましい。但し、更に±０．０５のλ値許容誤差範囲内での熱処理も好適な結果を与える。λ値の温度依存曲線は、鋼種に応じて図１に示す曲線から逸脱することもある。

炎中におけるλ値は、鋼製品の熱処理の開始温度の関数として設定することが有利である。但し、目標温度をλ値の設定のためのパラメーターとして用いることも可能である。特に、目標温度が開始温度からかなり逸脱する比較的急速な加熱操作の場合には、両方の温度、即ち開始温度と目標温度とをλ値の設定の際に考慮することが好都合であることが判明している。

本発明による熱処理方法において、ブースターゾーンの他に、更に別の少なくとも１つの付加的熱処理ゾーンを設けることは有利であり、これらの付加的熱処理ゾーン内では鋼製品を各ゾーン毎の開始温度から目標温度に導き、これら付加的熱処理ゾーンの各々におけるλ値を各ゾーン毎の開始温度及び／又は目標温度の関数として設定しておくとよい。このようにして、一つ以上の付加的熱処理ゾーン並びにブースターゾーン内で正確に制御された特定の加熱条件で熱処理を実行することが可能である。

付加的熱処理ゾーンの少なくとも１つをブースターゾーンと同様に構成することは特に好都合である。従ってこの変形形態では、少なくとも２つのブースターゾーンが存在し、それぞれのブースターゾーンでは、それぞれ酸素又は酸素濃縮空気と燃料とで運転される少なくとも１つのブースターバーナーを使用して、炎を鋼製品に直接作用させながら鋼製品を熱処理する。各ブースターゾーンにおいては、λ値をそれぞれのブースターゾーンの開始温度及び／又は目標温度の関数として設定することが有利である。

ブースターバーナーの運転中に形成される煙道ガスは、そのＣＯ含有量に応じて煙道ガスダクト中で再燃焼させることが好ましい。

鋼製品は、ブースターゾーン内で３００〜１０００ｋＷ／ｍ^２の熱束密度の作用下におくことが有利であることが判明している。言い換えれば、ブースターバーナーによって生成されて鋼製品に伝達される熱容量は、表面積１ｍ^２当り３００〜１０００ｋＷである。酸素含有量が８０％を超える工業用酸素であっても、本発明に従う酸素濃縮空気の使用によって初めてこのような高レベルの熱伝達を可能にする。それにより、鋼製品をより短い搬送距離でより急速に加熱することができ、結果として連続熱処理炉の全長を顕著に短縮することができ、或いは同じ全長の連続熱処理炉では処理量を著しく増加することができる。

鋼製品を搬送方向に移動させてブースターゾーン内を通過させ、その間に炎が鋼製品をその全周に亘り搬送方向を横切って取り囲むようにすることは特に有利である。鋼製品、例えば鋼帯を搬送方向に走行させて炉内を通過させる。少なくとも１つの炉におけるバーナーからの炎は鋼製品に対して搬送方向を横切って作用し、炎が鋼製品を完全に取り囲むことになる。即ち、熱処理部分では搬送方向と交差する向きの鋼製品の横断面は完全の炎の中にある。炎は鋼製品を搬送方向と直交する方向に囲む。この結果、炎中の化学量論的条件が本発明に従って設定されるので、均一でしかも正確に制御された特定の加熱条件で鋼製品の横断面の全周に亘る加熱を果たすことができる。

処理対象の鋼製品の形状と外形寸法に応じて、鋼製品のエッジ領域と芯部とを異なる度合いで加熱することが必要になることもある。この場合、１つ以上のブースターバーナーを前述のように完全な包囲を形成する炎を発生するバーナーとして使用せず、故意に鋼製品のある特定の一部の領域、例えばエッジ領域のみに向けて炎を集中させるバーナーとして用いることは好ましいことである。

いずれにせよ本発明においては鋼製品に対してブースターバーナーの炎を直接当てるので、炎の外形寸法を変えることによりブースターゾーンの目標温度に意図的に影響を与えることも可能になる。

本発明は、鋼製品、特に溶融メッキ又はその他の適切な方法で行われる後続の被覆処理の対象となる鋼帯又は鋼板の熱処理に好適である。例えば溶融亜鉛メッキの前に、メッキすべき鋼製品を本発明の熱処理方法によって熱処理することは特に有利な結果をもたらすものである。

本発明とその更なる詳細を図示の実施形態に基づいて詳述すれば以下の通りである。

図２には、鋼製品として鋼帯３を開始温度から目標温度にまで加熱するために本発明に従って使用される２つのブースターバーナー１、２が示されている。鋼帯３は、連続熱処理炉（図示せず）の内部を通して図の表裏面に方向に搬送される。バーナー１、２は、その噴射炎が鋼帯の搬送方向及び鋼帯表面４に対して共に直交する向きに指向するように配置されている。ブースターバーナー１、２によって発生する炎５は、鋼帯３の横断面の外周全体を包囲する。炎５の中の化学量論的条件（空気比）は予め定められたやり方で開始温度及び目標温度との関数として設定される。本発明に従って鋼帯３を包囲する炎５は、該鋼帯に対して均一でしかも正確に制御された特定の加熱条件下での熱処理を確実にするものである。

本発明による方法は、連続熱処理炉内で帯鋼形態の鋼製品を洗浄及び／又は加熱する目的で使用するのに好適である。本発明は、後続の被覆又は溶融亜鉛メッキ工程に先だって鋼製品を加熱処理又は予備処理するのに特に有用な利点をもたらすものである。図３〜図７に、連続熱処理炉、特に、一般に溶融亜鉛メッキに先行する熱処理を行うための連続熱処理炉内に設定される１つ以上のブースターゾーンの種々の配列形態を示す。

図３は、鋼帯を洗浄及び予備加熱処理する場合のブースターゾーンの配列形態を概略的に示している。冷間圧延又は熱間圧延によって製造された鋼帯は、後続の例えば溶融亜鉛メッキ工程のために先行して連続加熱炉内で熱処理されることになる。この目的で、室温状態にある鋼帯が第１ブースターゾーン６に送り込まれ、その中では鋼帯が第１段階として実質的に洗浄され、予備加熱される。このゾーン内では、鋼帯の低い開始温度に応じて比較的高いλ値１．３が選ばれており、係る化学量論的条件下で鋼帯が４００℃まで加熱される。

鋼帯を更に加熱するために追加の２つのブースターゾーン７、８が続いており、これらのブースターゾーン内で鋼帯は先ず４００℃から６００℃に加熱され、次いで所要の仕上温度６５０℃まで加熱される。この目的で、両追加ブースターゾーン７、８並びに初段ブースターゾーン６内では、それぞれ酸素濃縮空気と燃料ガスとで運転される複数のバーナーによって鋼帯が加熱され、これらのバーナーによる炎が鋼帯に直接当てられる。この場合、各バーナーは、図２に示すように鋼帯の横断面の外周全体がバーナーの炎によって完全に包囲されるように配置しておくことが好ましい。この実施形態において、ブースターゾーン７におけるバーナー炎中のλ値は０．９６に設定され、ブースターゾーン８におけるバーナー炎中のλ値は０．９０に設定されている。鋼帯は、ブースターゾーン６、７、８を通過した後、炉内の還元区画９内で還元雰囲気に曝される。

図４は、連続熱処理炉内の種々の炉長領域における被加熱鋼帯の温度Ｔ℃及び鋼帯加熱用の炎中に設定されたλ値との関係を示す。本実施形態において、連続熱処理炉はその炉長Ｌに亘って複数のブースターゾーンに区分されており、個々のブースターゾーンにおけるλ値は、そのブースターゾーンの開始温度に応じて段階的に低下している。これは、瞬時的温度条件に対する熱処理条件の最適な整合の結果である。

図５は、熱間圧延や冷間圧延に続いて、圧延残渣で汚染されたシート鋼板を洗浄するために１つ以上のブースターバーナーを使用する場合の本発明の一実施形態を示している。最初の２．５ｍの炉長範囲に亘ってブースターゾーン１０が設定されている。この短いブースターゾーン１０内において鋼帯が２０℃の室温状態から３００℃に加熱され、それにより表面に存在していた圧延残渣は燃焼される。このブースターゾーン１０におけるλ値は１．１〜１．６の範囲内に設定され、それにより超化学量論的条件下の加熱が果たされるようにしている。

ブースターゾーン１０に続いて４０ｍ長の予備加熱ゾーン１１が隣接配置されており、この予備加熱ゾーンでは鋼帯が所要の目標温度、例えば６５０℃、まで加熱される。予備加熱ゾーン１１内での加熱は、鋼帯が後続の還元炉１２に搬送される前に、λ値０．９６の化学量論的条件下で実行されるようにしてある。

図６は、図５の連続熱処理炉内における鋼帯の位置と温度との関係を示している。点線は、ブースターゾーン１０内で従来型のバーナー装置を使用した場合、即ち本発明によるブースター・バーナーが存在しない場合の温度曲線を示す。鋼帯の温度は室温状態から単調に上昇しており、ブースターゾーン１０に対応する２．５ｍ領域では僅かな温度上昇が観察されるのみである。

これに対して実線は、図５に示したようにブースターゾーン１０内でブースターバーナーを使用したときの温度曲線を示している。この場合、炉の最初の２．５ｍ領域、即ちブースターゾーン１０内で３００℃を超える温度までの加熱が果たされている。このようにして、炉の加熱容量を２５％ほど増加することが可能である。実線は生産量８５トン／時における温度曲線であり、一点鎖線は生産量を１０５トン／時に増加した場合の温度曲線である。

最後に図７は本発明の変形実施形態を示しており、この場合、ブースターゾーン１４は連続熱処理炉内の予備加熱ゾーン１３の後段に続いて還元ゾーン１５の直ぐ上流位置に配置されている。鋼製品は、先ず始めに従来技術と同様に予備加熱ゾーン１３内で室温状態から５５０℃まで予備加熱される。予備加熱された鋼製品は、予備加熱ゾーンに続くブースターゾーン１４内で６５０℃に加熱される。本実施形態において、ブースターゾーン１４内におけるブースターバーナーは、鋼帯の酸化を正確に制御された加熱条件下に実行するために例えばλ値１．１の超化学量論的条件下で運転される。

図３、図５、図７の各図に示した配置構成に加えて、１つ以上の付加的なブースターゾーンを熱処理プロセス範囲内の任意の位置に配置してもよい。原理的にブースターゾーンは、鋼製品を予め定められた雰囲気中で可能な限り急速に熱処理すべき任意の位置で有効に利用することが可能である。

特に、本発明による熱処理方法では、還元熱処理に続くブースターゾーン内で鋼製品を熱処理することも好適であることが確認されている。このブースターゾーン内では、鋼製品の温度を僅かに上昇させだけとすることが好ましく、或いは同一温度レベルに保持することさえ好ましいことである。この場合のブースターゾーンは、制御条件下で予め定められた雰囲気により鋼材に影響を及ぼして、所望形態で鋼製品の表面、特性、或いは鋼組織を調整するために利用されるものである。

λ値が処理対象の鋼製品の温度に依存する関係を示す線図である。 鋼製品を包囲する炎を発生するためのブースターバーナーの配置例を示す模式図である。 連続熱処理炉内で鋼帯を予備加熱処理するための三つのブースターゾーンの配置例を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるλ値と鋼製品温度との関係曲線を示す線図である。 鋼製品を洗浄するためのブースターゾーンの配置例を示す模式図である。 図５に示す配置例における炉長位置と鋼製品温度との関係曲線を示す線図である。 従来からの予備加熱ゾーンの後段にブースターゾーンを配置した例を示す模式図である。

Claims (8)

1. 鋼製品（３）を、少なくとも１つのバーナーを有するブースターゾーン内で開始温度から目標温度に導くに際し、前記バーナーを燃料としての燃料ガスと２１％を超える酸素を含有する酸素含有ガスとで運転し、鋼製品（３）を前記バーナーで生じる炎（５）と直接接触させる熱処理方法において、鋼製品（３）を前記ブースターゾーン内で搬送方向に移動させること、該搬送方向を横切る向きで前記炎（５）により鋼製品（３）をその全周に亘って取り囲むこと、前記炎（５）の中の空気比λを前記開始温度及び／又は目標温度の関数として設定することを特徴とする鋼製品の熱処理方法。
2. 複数の付加的熱処理ゾーン（９、１１、１２、１３、１５）を更に設け、これらの付加的熱処理ゾーン内では鋼製品（３）を各ゾーン毎の開始温度から目標温度に導き、これら付加的熱処理ゾーン（９、１１、１２、１３、１５）の各々における空気比λを各ゾーン毎の開始温度及び／又は目標温度の関数として設定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 複数のブースターゾーンを設け、個々のブースターゾーン内で燃料としての燃料ガスと２１％を超える酸素を含有する酸素含有ガスとで運転可能な少なくとも１つのバーナーを使用すると共に鋼製品（５）を該バーナーで生じる炎（５）と直接接触させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 鋼製品（３）のブースターゾーン内での熱流束密度が３００〜１０００ｋＷ／ｍ^２ であ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. 鋼製品（３）をブースターゾーン内で３００℃の第１目標温度に加熱する工程と、
   鋼製品（３）を少なくとも１つの付加的熱処理ゾーン（７、８、１１）内で前記第１ 目標温度から６００℃〜９００℃の範囲内の温度に加熱する工程とを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 鋼製品（３）を第１の付加的熱処理ゾーン（１３）内で５００℃〜６００℃の範囲内の第１目標温度に加熱する工程と、
   鋼製品（３）をブースターゾーン内で前記第１目標温度から６００℃〜９００℃の範囲内の温度に加熱する工程
   とを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 鋼製品（３）を被覆又はメッキ処理に付すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 鋼製品（３）を還元雰囲気に曝してからブースターゾーン内で目標温度に導くことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。

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