JP5399076B2 - シート状製品の硬さを調整する方法 - Google Patents

Description

本発明は、シート状材料を所定の温度プロファイルに加熱する方法及び装置に関する。そのような方法は、例えば、金属材料のシート及びプレート成形に先立つ焼鈍行程、並びにシート材料を連続熱処理するための炉において使用される。

鋼等、金属材料のシート、プレート、その他の熱処理時には、熱処理される材料の全域で材料特性を調整可能にすることが望まれることが多い。その特性には、例えば、材料硬さ、平面度、及び残留応力が含まれる。

そのような熱処理加工の例は、金属シートを成形に先立って炉で焼鈍するときである。この場合、金属シート全域で、熱処理加工の材料の流れる方向に対して、長手方向並びに幅方向において均一な材料特性が所望されることが多いのは、それによって多くの用途において金属シートの良好な成形性挙動が得られるからである。そのような均一な材料特性を得るには、金属シートへの熱伝達がシート全域で均一であることが必要であり、それによってシート全体に亘り均一な温度分布又は温度プロファイルが得られる。

他の用途においては、不均一な、所定の温度プロファイルが所望される。例えば、更に加工して自動車の屋根のような製品にするために、金属シートの中央より端縁に他と異なる硬さ特性が求められよう。

今日、シート状材料の熱処理は、通常炉内で行われる。一般的に使用されるそのような炉には燃料依存の炉が含まれ、熱を金属シートに伝達するための開いたフレーム・チューブ又は加熱管を備えるであろう。

そのような炉を、例えば金属シートの熱処理のために使用時に、シート全域で所望の温度プロファイルを得られないことがよくある。かくして、幾つかの問題が生起する。

第１に、シート状金属材料を熱処理する従来技術の炉は、シートの中間部の加熱に比して、端縁の過熱に関わる問題に遭遇する。これは、シートの端縁側ではシートの表面積／体積比が大きくなり、それによって端縁では金属への熱伝達速度が増すためである。これは、１ｍｍから１００ｍｍ範囲の厚さのシート若しくはプレート製品の熱処理時にはありふれたことであり、更にまた、もっと厚い（例えば３００ｍｍに及ぶ）材料に関わる問題でもあり、且つ炭素鋼、ステンレス・スチール、軟鋼、アルミニウム、銅等をはじめとする金属材料全般に亘る問題である。シートの端縁と中央の間の温度差は、２０℃にもなる可能性がある。

金属シートを１枚ずつ熱処理する場合には、問題はシートの側縁並びに始端縁及び終端縁でも生起する。長い金属シートの連続加工に関しては、問題は主に側縁で生じるが、加工開始又は停止時、或いはシートの変更時にも起こる可能性がある。

この問題の結果は、幅方向及び長手方向の温度差が、歪み、不均一な硬さ及び／又はシート全域に不均一に分布する他の材料特性を招来するということである。中には、シートを次の加工ステップの前に矯正処理せざるを得ず、材料の硬さ及び残留応力特性を更に劣化させる場合もある。勿論、問題はシート全域の長手方向にも、また幅方向にも生起する。

第２に、従来の炉を使用時には、シート状金属全域、いずれの方向でも、温度プロファイルを正確に調整することは困難である。上記のように、熱処理された金属を様々な用途において更に別の加工用に適する状態とするために、特有の、不均一な温度プロファイルが所望されよう。温度プロファイルの調整は、シートの長手方向にも幅方向にも所望されることが多い。

第３に、用途によっては、シート状金属の或る部分を他の部分と異なるときに熱処理するよう所望されることもある。例えば、金属シートの焼鈍時に、シートの中間部に圧縮応力を生じさせるには、先ずその中間部を加熱するのが有利なことを発明家らは示している。その後、シートの端縁に熱伝達するのが有利である。かくして、シートの端縁に生じた圧縮応力は、シート焼鈍時にシートに歪みを生じさせない。これについては更に詳細に後述する。

本発明は、上記の問題を解決する。

したがって、本発明は、工業炉においてシート状材料を同材料の長さ方向及び幅方向に沿って所定の温度プロファイルに加熱する方法を提供する。本発明は、シート状材料が炉内で同材料下方の少なくとも１つのランプ及び／又は同材料上方の少なくとも１つのランプに対して搬送され、前記ランプのそれぞれは隣り合って一列に置かれた幾つかのＤＦＩ（直火衝撃加熱）バーナを備え、前記ＤＦＩバーナはシート状材料側に指向され、各ランプの個々のバーナは所定の加熱力を与えるように調整されることを特徴とする。

本発明はまた、請求項９に規定する種類の、且つ実質的に同請求項に規定の特徴を有する装置を提供する。

本発明を以下に、本発明の例示的実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１、図２及び図３に関して、第１の好適な実施例について以下に説明する。

この第１実施例においては、シート状材料が成形加工ステップに先立って焼鈍される。同材料は、予熱されるか、或いはその材料の最終成形温度まで加熱される。前者の場合は、材料は更に第２次炉でその最終成形温度まで加熱される。

図１は、連続焼鈍加工ステップにおける金属シート２を示す。金属シート２には、同シートの運動方向５に対して長手方向３及び幅方向４が関係する。金属シート２の幅方向４に亘り、バーナ・ランプ６が位置される。ランプ６には、金属シート２の幅方向４沿いに等間隔に幾つか個々のＤＦＩバーナ７が設けられる。

図２は、１つは金属シート２の上方、１つは金属シート２の下方の、２つのランプ６に位置された２つのバーナ７の、図１に示す面Ｐ−Ｐにおける断面を示す図である。２つのバーナ７は本質的に同じであるため、参照符号は上部バーナ７のみについて示す。これにて分かるように、バーナはバーナ・リテーナ８に配置され、傾けられることによって、バーナ７により生成される火炎９の角度Ａを調節することができる。本実施例においては、バーナ角度Ａは金属シート２の長手方向３にのみ調節可能であるが、実施例の目的次第により、他の方向の角度調節も使用可能なことに留意されたい。各バーナ７には、更に、燃料導管１０、酸化剤導管１１、及びノズル１２が設けられている。各バーナ７の加熱力の調整にはバルブ（図示せず）が使用される。そのような調整は、バーナ７のオン又はオフ切換によって行うことによって可能になり、定常的頻度又は一定の時宜的頻度により、バーナ７が反復オンオフ切換される。調整はまた、バーナ７の加熱力を連続的尺度でバーナ７の最大加熱力の或るパーセンテージに調節して行うことによっても可能になる。

図３は、図２の金属シート２を熱処理するための連続加工ステップが生起中の炉１を示す。図２の場合と同じく、対称性及び簡素化のため、参照符号を金属シート２の上方に位置するランプ６及びバーナ７についてのみ示す。

バーナ７には、気体又は液体燃料、及び少なくとも８０％酸素を含有する酸化剤が供給される。

本実施例においては、バーナ７は、バーナ間の間隔と、バーナ・ノズル１２と金属シート２の表面との間の距離に関しては、隣接バーナ７同士の、金属シート２の表面に当たる火炎９の部分が或る程度重なり合うように配置される。連続するバーナ７同士間の一般的な間隔は、約５０ｍｍであり、各バーナ・ノズル１２とシート表面の間の距離は５０乃至３００ｍｍに亘る。しかし、間隔及び距離の他の設定を使用して本発明の目的を達成することは依然可能であることは明らかである。

図１には、金属シートの一方側に位置する１つのランプ６のみ示す。図２には２つのランプ６を示し、１つのランプ６が金属シート２の両側に位置される。しかし、本発明を使用してシート状金属を熱処理する時には、数個のランプを並列使用することが可能なことを理解されたい。例えば、材料運動５の長手方向３に配置された数個のランプを連続ステップで金属２を加熱するのに使用することが可能である。また、同じランプ又は複数のランプを使用し、シート状金属２上方で数回動かすことにより、金属２を熱により数回の連続ステップで処理することも可能である。

金属シート２の厚さは、１ｍｍと１００ｍｍの間で変わり得るが、或る用途においては厚さ３００ｍｍのシートも熱処理される。原則として、金属シート２の厚さが２ｍｍまでの場合には、金属シート２の一方側のみのバーナ・ランプ６を使用して金属シート２を加熱することが実施可能である。しかし、金属シート２の厚さが２ｍｍを超える場合には、金属シート２の両側のバーナ・ランプ６を使用することが好ましく、それによって熱が材料により均一に拡散する。

各ＤＦＩバーナ７の加熱力は個々に調整可能であるため、シート状金属を熱処理する加熱力プロファイルは、正確に調整可能である。したがって、金属シート全域の温度プロファイル、且つ、その結果、硬さ、平面度、及び残留応力等、焼鈍後の材料特性の分布を調整することが可能になる。

材料特性を幅方向４で調整するには、ランプ６全体としての有効幅が（バーナ７を定常的にオンオフ切換することによって）変えられ、或いはバーナ７それぞれの強度が調整される。

本発明は、明確な始端と明確な終端を有する金属シートの両有限要素の熱処理に、並びに延伸金属シートの半連続若しくは連続加工に使用可能である。したがって、同じ問題が金属シートの始端縁及び終端縁付近で、側縁で生起し得る様に、生起する可能性がある。したがって、有限の長さの金属シートのあらゆる端縁に関して、そのようなシートの加工時にそれらの問題を克服する方法をも提供することが本発明の課題である。

したがって、材料特性プロファイルを長手方向３で調整するには、金属シート２がランプ６を通過する際、バーナ７がリアルタイムで調整され、それによってバーナそれぞれの加熱力が金属シート２の付近、或いは始端縁又は終端縁のときに変更される。

既に上記の通り、各バーナ７は傾斜可能であり、その結果、バーナ７の角度Ａは金属シート２の長手方向３に対して９０度前後である。また、バーナ７を内蔵するランプ６自体をその長手軸１３沿いに傾斜させることによって、各バーナ７の傾斜Ａを金属シート２の長手方向３で重畳させることができる。バーナ角度Ａは、例えば、排ガスの方向調整、漏洩空気流発生の極小化、或いは金属シート表面にある前の加工ステップからのオイル等、汚染物質のバーンオフ調整等のために調節される。バーナ角度Ａは、９０度から両方向にも少なくとも０乃至２０度の角度範囲に亘り調整可能である。したがって、各バーナ角度Ａは、火炎９が金属シート２の運動方向５側にもそこから離れる側にも指向されるように調節することができる。

バーナ７の強度を当面の用途に適合するように調整するためのフィードバック・システム（図示せず）があることが好ましい。したがって、センサを炉１内の、ランプ６及び／又は金属シート２上若しくはその付近に配置して、金属シート２の温度、若しくは他の適切な変数を測定することができる。それらの測定に基づき、連続作業中又は別々の金属シートにより本発明を実施時に個々のシート間で、バーナ７の加熱力が調節され、それによって熱処理の性能が最適化される。この場合、使用する加熱力パターンを微調整することによって、実際に処理された金属シートの特性に適合させることもできる。

図１に示す実施例においては、バーナ７の加熱力の調整は、金属シート２の幅方向４及び長手方向３に亘る均一な温度プロファイル創生を目的とする。実際的な用途では、金属シート２の２点間の温度差を１℃未満に抑えることが想定されている。しかし、均一なプロファイルとは別に、本発明を使用して金属シート２の全域の適切な温度プロファイルを得ることが出来ることに留意されたい。

図４に関し、本発明の第２の好適な実施例について以下に説明する。第２実施例は、要するに第１実施例の変形であり、同様部品に関しては参照符号を図１及び図３と共通にする。また、上記に詳細に説明した図３に示す実施例の或る部品に関する詳細な説明は、簡潔にするために省略する。

この第２実施例においては、金属シート２の焼鈍は、第１バーナ・ランプ１４及び第２バーナ・ランプ１５を使用し、前記２つのバーナ・ランプ１４、１５は相互から角度２Ｂで配置され、角度Ｂは金属シート２の運動方向５に対して９０度未満である。

金属シート２の運動方向５の故に、金属シート２の中央部にはバーナ火炎９が側部より先に当たる。したがって、金属シート２の与えられた横断面に関しては、中央部が側部より先に加熱される。したがって、金属シート２の長手方向４に焼鈍加工が続くにつれて、圧縮応力が金属シート２の中央部に生じる。それによって、焼鈍中に歪みが生じる恐れが極小化される。なぜならば、そのような歪みは、焼鈍された金属シートの、中央部に比して、側部に過剰な圧縮応力を生じることによって生成されるからである。

以上、好適な実施例について説明した。しかし、説明した実施例に関して多くの変更を行うことが可能であるが、いずれも本発明の着想の範囲に属することが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は説明した実施例に限定されるべきでなく、付属の請求項の範囲内で展開可能なものである。

本発明の第１の好適な実施例によるバーナ・ランプの平面図である。 本発明の第１の好適な実施例による２つのバーナにより熱処理中のシート状製品の断面詳細図である。 本発明によるバーナ・ランプを備える炉の概略断面図である。 本発明の第２の好適な実施例によるバーナ・ランプの平面図である。

Claims (12)

1. 工業炉（１）においてシート状材料（２）を同材料（２）の長さ方向（３）、及び幅方向（４）に沿って所定の温度プロファイルに加熱する方法において、
   前記シート状材料（２）は炉（１）内で同材料（２）下方の少なくとも１つのランプ（６）及び／又は同材料（２）上方の少なくとも１つのランプ（６）に対して搬送され、前記ランプ（６）のそれぞれは隣り合って一列に置かれた幾つかのＤＦＩ（直火衝撃加熱）バーナ（７）を有し、
   前記ＤＦＩバーナ（７）は前記シート状材料（２）側に指向されており、
   各ランプ（６）の各バーナ（７）は所定の加熱力を与えるように調整され、
   前記ＤＦＩバーナ（７）の少なくとも１つは同バーナが搭載される前記ランプ（６）の長手軸（１３）回りに傾斜され、それによって前記バーナ（７）の長手軸が前記シート状材料（２）の前記表面と９０度とは異なる角度（Ａ）を成すように調節され、
   各バーナ（７）には、気体燃料又は液体燃料及び８０重量％を上回る酸素を含有する酸化剤が供給され、また
   前記個々のバーナ（７）は、均一又は不均一な所望の温度プロファイルを選択的に達成するように調整される
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、各ランプ（６）の各バーナ（７）は、前記ランプ（６）に沿って、同じバーナ（７）間間隔に位置されていることを特徴とする、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記ランプ（６）のバーナ（７）は、バーナ（７）間間隔及び各バーナ・ノズル（１２）と前記シート状材料（２）の表面との間の距離に関して、各火炎（９）が前記シート状材料（２）の表面で相互に重畳するように配置されていることを特徴とする、方法。
4. 請求項１、２、又は３に記載の方法において、前記ランプ（６）の少なくとも１つはその長手軸（１３）回りに傾斜され、それによって前記バーナ（７）の長手軸が前記シート状材料（２）の前記表面と９０度とは異なる角度（Ａ）を成すように調節されることを特徴とする、方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の方法において、前記ランプ（６）の少なくとも１つは、相互に並設された２つのランプ（１４、１５）に分割され、前記２つのランプ（１４、１５）は前記シート状材料（２）の運動の方向（５）に対し９０度を下回る角度（Ｂ）を成すように調節されていることを特徴とする、方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の方法において、各バーナ（７）の加熱力の調整は、各バーナ（７）を別々にオンオフ切換するか、又は各バーナ（７）の加熱力を連続的尺度で調整することによって達成されることを特徴とする、方法。
7. 工業炉（１）においてシート状材料（２）を同材料（２）の長さ方向（３）、及び幅方向（４）に沿って所定の温度プロファイルに加熱する装置において、前記シート状材料（２）を炉（１）内で同材料（２）下方の少なくとも１つのランプ（６）及び／又は同材料（２）上方の少なくとも１つのランプ（６）に対して搬送する手段が設けられ、前記ランプ（６）のそれぞれは隣り合って一列に置かれた幾つかのＤＦＩ（直火衝撃加熱）バーナ（７）を備え、
   前記ＤＦＩバーナ（７）は前記シート状材料（２）側に指向されるように配置され、
   各ランプ（６）の前記各バーナ（７）は所定の加熱力を与えるように調整され、
   前記ランプ（６）の少なくとも１つはその長手軸（１３）回りに傾斜され、それによって前記バーナ（７）の長手軸が前記シート状材料（２）の前記表面と９０度とは異なる角度（Ａ）を成すように調節され、
   各バーナ（７）には、気体又は液体燃料及び８０重量％を上回る酸素を含有する酸化剤が供給され、また
   前記個々のバーナ（７）は、均一又は不均一な所望の温度プロファイルを選択的に達成するように調整される
   ことを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置において、各ランプ（６）の前記バーナ（７）は、前記ランプ（６）沿いに同じバーナ（７）間間隔に位置されていることを特徴とする、装置。
9. 請求項７又は８に記載の装置において、前記ランプ（６）のバーナ（７）は、バーナ（７）間間隔及び各バーナ・ノズル（１２）と前記シート状材料（２）の表面との間の距離に関して、各火炎（９）が前記ランプの前に位置する前記シート状材料（２）の表面で相互に重畳するように配置されていることを特徴とする、装置。
10. 請求項７から９のいずれかに記載の装置において、前記ＤＦＩバーナ（７）の少なくとも１つは同バーナが搭載される前記ランプ（６）の長手軸（１３）回りに傾斜され、それによって前記バーナ（７）の長手軸が前記シート状材料（２）の前記表面と９０度とは異なる角度（Ａ）を成すように調節されることを特徴とする、装置。
11. 請求項７から１０のいずれかに記載の装置において、前記ランプ（Ａ）の少なくとも１つは、相互に並設された２つのランプ（１４、１５）に分割され、前記２つのランプ（１４、１５）は前記シート状材料（２）の運動の方向（５）に対し９０度を下回る角度（Ｂ）を成していることを特徴とする、装置。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載の装置において、各バーナ（７）の加熱力の調整は、各バーナ（７）を別々にオンオフ切換するか、又は各バーナ（７）の加熱力を連続的尺度で調整することによって達成されることを特徴とする、装置。

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