JP5825486B2 - 鋼板コイルの焼鈍方法および焼鈍設備 - Google Patents

Description

本発明は、コイルに巻き取った鋼板を焼鈍する方法とその焼鈍設備に関し、特に、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍に適した焼鈍方法と焼鈍設備に関するものである。

方向性電磁鋼板は、Ｓｉを３ｍａｓｓ％程度含有した鋼スラブを熱間圧延して熱延板とし、必要に応じて熱延板焼鈍した後、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延をして冷延板（鋼帯）とし、さらに脱炭焼鈍した後、鋼板表面に焼鈍分離剤を塗布してコイル状に巻き取り、高温長時間の仕上焼鈍を施し、その後、形状矯正と必要性に応じて絶縁被膜の塗布・焼付を兼ねた平坦化焼鈍を施すことで製造されている。

ところで、鋼板（鋼帯）を焼鈍する方法には、大別して、鋼板をコイルに巻き取った状態にして焼鈍するバッチ式の焼鈍法と、鋼板コイルを巻き戻しながら焼鈍する連続焼鈍法とがあるが、上記方向性電磁鋼板の仕上焼鈍には、雰囲気ガスを制御しつつ高温長時間の熱処理を施す必要があるため、バッチ式の仕上焼鈍法が採用されている。

上記バッチ式の仕上焼鈍法に用いられる焼鈍設備としては、例えば、特許文献１に記載されるように、鋼板コイルをカバー（インナーケースとも称する）内に格納し、カバー内の雰囲気を制御しながら、カバーの外部から加熱して焼鈍を行う箱型焼鈍炉や、特許文献２や特許文献３に記載されるように、同様の機能を備えた多数のカバーを加熱帯、均熱帯、冷却帯へと順次、移動させて循環熱処理する移動炉床炉（回転炉床炉）等が一般に用いられている。

特開平０３−２９４４３４号公報 特開平０５−２３９５５８号公報 特開２０００−２６５２１６号公報

さて、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍は、カバー内に格納した鋼板コイルをカバーの外部から所定の温度で加熱し、均熱した後、冷却することで完了する。ここで、上記仕上焼鈍における加熱過程や均熱過程は、方向性電磁鋼板の製造においては、二次再結晶や純化を生じさせるために本質的に必要なものである。しかし、冷却過程は、後の工程に供するためだけのものであるにも拘らず、長い時間を要するため、仕上焼鈍全体の生産性を悪くしている原因となっている。

冷却に長時間を要する原因としては、回転炉床炉の場合、（１）加熱、均熱終了後、直ちに炉を急冷すると、コイルの表面近傍のみが急冷されて形状不良を生じること、（２）カバーの外側を急冷しても、カバー内部のコイルは急速には冷却されないことが挙げられる。この問題に対しては、図３に示したように、加熱炉（炉殻）を開放し、カバーを大気で冷却した上で、さらにカバー内に冷却用の雰囲気ガスを入れて循環させてやる方法が、特許文献３に提案されている。

しかしながら、この方法は、単純に冷却用の雰囲気ガスを炉底部からコイル軸心部（コイル内径部）に供給するだけであるため、コイル内周面を十分に冷却することができない。というのは、供給したガスの量が少なく、流速が遅いと、供給した冷却用ガスがコイルに衝突することなく冷却する前に排出されてしまうため、冷却能力自体が不足し、一方、供給する冷却用ガスの量を多くすると、内周面を十分に冷却する前に、冷却ガスがコイル内径部の空間から、コイルとカバーの間の空間（コイル外周面側）に流れ出てしまう。その結果、雰囲気ガスをコイル軸心部に供給しても、冷却時間を十分に短縮することができない。加えて、冷却されたコイル内面の温度がコイルの軸方向で不均一となって熱歪が発生し、これに起因して形状不良が発生する。さらに、コイル軸心部から流出した冷却ガスは、コイルの外周面をも不均一に冷却するため、やはり、熱歪を発生させる。

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、鋼板コイルの内周面や外周面に熱歪に基因した形状不良を発生させることなく、コイル内周面を短時間で効率よく冷却することができる鋼板コイルの焼鈍方法と、その焼鈍設備を提案することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて検討を重ねた。その結果、コイル内径内に相当する位置に、複数のノズルを有するヘッダを立設し、そのノズルからコイル内周面に向けて冷却用の雰囲気ガスを吹き付けるようにしてやればよいこと、また、コイル内径部の上端に天蓋を設けてやることが好ましいことを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、コイル状に巻き取った鋼板をアップエンドにしてコイル置台上に載置し、インナーカバー内に格納して焼鈍する鋼板コイルの焼鈍方法において、
前記鋼板コイルを加熱し、均熱した後、冷却するに際して、鋼板コイルの内径部に相当する位置にコイル内周面に対して離間して立設したヘッダに配設した複数のノズルから鋼板コイルの内周面に向けて冷却ガスを吹き付けることを特徴とする鋼板コイルの焼鈍方法を提案する。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍方法は、前記ノズルから吹き付けた冷却ガスを、コイル内周面と前記ヘッダとの間の間隙を通して排出することを特徴とする。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍方法は、前記鋼板コイルの内径部上端に天蓋を設置し、ノズルから吹き付ける冷却ガスの鋼板コイル内径部からの流出を防止することを特徴とする。

また、本発明は、コイル状に巻き取った鋼板をアップエンドにしてコイル置台上に載置し、インナーカバー内に格納して焼鈍する鋼板コイルの焼鈍設備において、前記鋼板コイルの内径部に相当する位置に、冷却ガスをコイル内周面に向けて吹き付ける複数のノズルを有し、コイル内周面と離間して立設してなるヘッダを設けてなることを特徴とする鋼板コイルの焼鈍設備である。

本発明の鋼板コイルの焼鈍設備は、前記コイル内周面と冷却ガスを吹き付けるノズル吐出口との離間距離が１０〜１００ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍設備における前記ヘッダには、冷却ガスを吹き付けるノズルを、コイル内周面の面積１ｍ^２当たり２５〜４００個の密度で設置してなることを特徴とする。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍設備における前記ヘッダは、鋼板コイル内周面の直径の１／２〜４／５であることを特徴とする。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍設備における前記ノズルは、内径が３〜５０ｍｍφであることを特徴とする。

また、本発明の鋼板コイルの焼鈍設備は、前記鋼板コイルの内径部上端に、当該内径部空間と、インナーカバー内のその他の空間とを区切る天蓋を設置してなることを特徴とする。

本発明によれば、コイル内周面に冷却用の雰囲気ガスを近接して直接吹き付けるので、冷却ガスの流速が減衰することなく、全量がコイル内周面に達することができ、コイル内周面を効率よく冷却することができる。また、本発明の焼鈍設備によれば、コイル内周面と冷却ガスを供給するヘッダとの間に適正な空間を設けているので、冷却を終えた高温のガスが、ノズルから吹き付けられる冷却ガスと干渉することなく排出することができる。さらに、コイル内径部の上端に天蓋を設けた場合には、冷却用の雰囲気ガスのコイル内径部から外周面側への流出を防止できるので、コイル外周面の熱歪の発生を防止し、なおかつ、内周面をより効率よく冷却することができる。

本発明の焼鈍設備の一例を示す概要図である。 本発明の焼鈍方法に用いる冷却装置を説明する図である。 特許文献３の焼鈍設備における冷却方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
図１は、本発明に係る焼鈍設備の一例を示す断面図である。被焼鈍材であるコイル１は、雰囲気を封じ込めるカバー２の中に、コイルの軸心を鉛直方向、すなわち、アップエンドにしてコイル置台上に載置され、上記カバーに被せられた加熱炉（炉殻）１１に設置されたバーナ等でカバー２の外側から加熱し、所定の温度に保持する均熱処理を施した後、冷却することで仕上焼鈍がなされる。

ここで、本発明が課題としている冷却過程は、上記均熱処理が終わった後に、炉殻１１の加熱を止め、あるいはさらに炉殻１１の中に冷空気を吹き込み、あるいは炉殻１１そのものを外してカバー２を大気中に露出する、ことで行われる。

特許文献３に開示された従来技術では、この冷却過程に要する時間を短縮するため、図３に示したように、冷却用の雰囲気ガスを炉底部からコイル内径部に供給していたが、コイル内周面を十分な速度で冷却することができなかったり、コイル内周面や外周面に熱歪を発生させて、形状不良を引き起こしていたりした。

そこで、本発明では、図２に示したように、コイル１の内径部に相当する位置に、ノズル３を複数配設したヘッダ４を立設し、上記ノズル３から、カバー２内の雰囲気と同じ組成のガスを低温で雰囲気ガス供給配管５からヘッダ４に送り、ノズル３からコイル１の内周面に吹き付けることで冷却を速やかに行うこととした。

ここで、図２（ａ）は、本発明の焼鈍設備の断面図であり、図２（ｂ）は、ヘッダ部とノズルの構造の詳細図である。
ノズル３は、十分な冷却効果を得るため、冷却用の雰囲気ガスを、コイル１の内周面に対して概ね垂直な方向から吹き付けるように設置されている。
また、ヘッダ４は、周囲（コイル内周面）との熱交換によってノズル３から吹き付けられる冷却用ガスが加熱されることのないように、十分な断面積を確保する必要がある。
また、ノズル３は、後述するように、高い密度で配設する必要があるが、コイル１の内周面とヘッダ４との間のガスの流れを邪魔しない程度の数と大きさとする必要がある。
このような構造とすることで、ノズル３から吐出された冷却用の雰囲気ガスは、コイル１の内周面を十分に冷却すると共に、冷却により高温化した雰囲気ガスは、ヘッダ４とコイル内周面との間の隙間を通って雰囲気ガス排出管６から外部に排出される。

このような条件を満たすためには、ヘッダ４の直径は、コイル１の内径に対し、１／２〜４／５程度とするのが好ましい。１／２以上とする理由は、１／２未満であると断面積が小さ過ぎて、ヘッダ４内の冷却用ガスが加熱されたり、また、ノズル長さが必要以上に長くなって、ノズル内で冷却用ガスが吐出する前に加熱されたりして、冷却効率が落ちるのを防止するためである。また、４／５以下とする理由は、冷却に使用された高温の雰囲気ガスの流動抵抗を小さくするため、供給する流路の断面積に対して、排出する流路の断面積を４割以上確保するのが好ましいからである。

また、ノズル３は、吐出口（ノズル３の先端）とコイル内周面との離間距離が１０〜１００ｍｍとなるように設置するのが望ましい。離間距離が１０ｍｍを下回ると、コイル内周面とノズルが接触し、ノズルが破損する確率が高くなるので好ましくない。また、離間距離が１００ｍｍを超えると、冷却能力が低下し、冷却時間を短縮する効果が得られ難くなる。

また、ノズル３は、コイル内周面の単位面積当たり２５〜４００個／ｍ^２程度の密度で設置するのが好ましい。２５個／ｍ^２未満では、冷却が不均一となりやすく、一方、４００個／ｍ^２を超えるとノズルによってガスの流れが妨げられるようになるからである。

また、ノズル３の内径は、３〜５０ｍｍとすることが望ましい。３ｍｍよりも細いと、熱変形を起こすおそれがあり、一方、５０ｍｍを超えると、ノズルを高密度で設置したときに、ガスの流れを妨げるおそれがあるからである。

また、本発明の焼鈍設備は、コイル内径部の上端に、上記コイル内径部の空間と、インナーカバー内のその他の空間とを区切る天蓋を設置することが好ましい。これにより、ノズルからコイル内周面に向けて吹き付けられる冷却ガスが、コイル内径部から流出するのを防止することができるので、コイル外周面における熱歪を抑制することができると共に、コイル内周面をより効率的に冷却することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、回転炉床炉を例にとって本発明の焼鈍設備について説明したが、カバー内の炉の構造については、炉床を移動させる回転炉床炉も、固定した箱型焼鈍炉も変わりはないので、本発明は、数台周回させているが、個々の炉のカバー内の事象については移動させない場合と機能的に変わらないので、本発明の技術は、バッチ式焼鈍炉にも適用することができる。

図１、図２に示した本発明に係る熱処理設備を用いて、内径：６００ｍｍφ、外形：１７００ｍｍφ、板幅：１２００ｍｍ、重量：１９トンの方向性電磁鋼板コイルの仕上焼鈍を行った。なお、上記仕上焼鈍では、冷却過程における雰囲気ガス（冷却ガス）としては、Ｈ_２ガス，Ｈ_２＋Ｎ_２混合ガス、Ｎ_２ガスを順次切り替えて用いた。また、焼鈍炉に設置した、ヘッダの直径は、３００ｍｍφとし、当該ヘッダには、表１に記載される内径のノズルを、コイル内周面の面積１ｍ^２当たり１００個の密度で設置した。
また、上記仕上焼鈍では、表１に示した如く、冷却ガス流量、コイル内周面とノズルとの離間距離およびコイル内径部上端への天蓋設置の有無を変化させて、製品板における形状不良発生率を調査した。また、コイル全体の冷却の一様性を評価するため、図２（ａ）に図示した、コイル内周面のＡ，Ｂ，Ｃ３点および外周面Ｄの位置の鋼板温度を熱電対で測定し、冷却中におけるＡ〜Ｃ内の最大温度差およびＢ−Ｄ間の最大温度差を測定すると共に、コイルの冷却完了までの時間を測定した。上記冷却完了時間は、Ｃの位置の温度が３００℃まで冷却される時間とした。
なお、比較例として、本発明の焼鈍設備からヘッダを取り除いて、冷却ガスを吹き込まない通常の冷却方法を実施した場合（比較例２）と、特許文献３焼鈍設備を用いて、本発明例と同じ冷却ガス流量で冷却した場合（比較例３）についても、同様の調査を行った。

上記調査結果を、焼鈍条件と共に表１に示した。
表１の結果から、本発明に適合する焼鈍設備を用いて仕上焼鈍を行った場合には、冷却時間が通常の冷却方法と比較して１／２以下、特許文献３の技術の方法と比較しても２／３近くまで短縮されていること、また、本発明の焼鈍設備を用いて仕上焼鈍を行った場合には、冷却時に発生するコイル内の温度偏差も著しく減少しており、その結果、冷却時の熱歪みに起因する形状不良も大幅に低減されていること、さらに、コイル内径部上端に天蓋を設置した場合には、形状改善効果が最も大きいことがわかる。

本発明の技術は、方向性電磁鋼板用の仕上焼鈍炉に限定されるものではなく、例えば、一般冷延鋼板や熱延鋼板、ステンレス鋼板等の焼鈍炉にも適用することで、焼鈍時間の大幅短縮を実現することができる。

１：鋼板コイル
２：カバー（インナーケース）
３：ノズル
４：ヘッダ
５：冷却用雰囲気ガス供給配管
６：冷却後の雰囲気ガス排出配管
７：コイル内径部上端に設置する天蓋
８：雰囲気ガス補給配管
９：回転台車機構
１０：台車回転軸部給排気機構
１１：炉殻（加熱炉）

Claims (9)

1. コイル状に巻き取った鋼板をアップエンドにしてコイル置台上に載置し、インナーカバー内に格納して焼鈍する鋼板コイルの焼鈍方法において、
   前記鋼板コイルを加熱し、均熱した後、冷却するに際して、鋼板コイルの内径部に相当する位置にコイル内周面に対して離間して立設したヘッダに配設した複数のノズルから鋼板コイルの内周面に向けて冷却ガスを吹き付けることを特徴とする鋼板コイルの焼鈍方法。
2. 前記ノズルから吹き付けた冷却ガスを、コイル内周面と前記ヘッダとの間の間隙を通して排出することを特徴とする請求項１に記載の鋼板コイルの焼鈍方法。
3. 前記鋼板コイルの内径部上端に天蓋を設置し、ノズルから吹き付けた冷却ガスの鋼板コイルの内径部からの流出を防止することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板コイルの焼鈍方法。
4. コイル状に巻き取った鋼板をアップエンドにしてコイル置台上に載置し、インナーカバー内に格納して焼鈍する鋼板コイルの焼鈍設備において、
   前記鋼板コイルの内径部に相当する位置に、冷却ガスをコイル内周面に向けて吹き付ける複数のノズルを有し、コイル内周面と離間して立設してなるヘッダを設けてなることを特徴とする鋼板コイルの焼鈍設備。
5. 前記コイル内周面と冷却ガスを吹き付けるノズル吐出口との離間距離が１０〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の鋼板コイルの焼鈍設備。
6. 前記ヘッダには、冷却ガスを吹き付けるノズルを、コイル内周面の面積１ｍ^２当たり２５〜４００個の密度で設置してなることを特徴とする請求項４または５に記載の鋼板コイルの焼鈍設備。
7. 前記ヘッダは、鋼板コイル内周面の直径の１／２〜４／５であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の鋼板コイルの焼鈍設備。
8. 前記ノズルは、内径が３〜５０ｍｍφであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の鋼板コイルの焼鈍設備。
9. 前記鋼板コイルの内径部上端に、当該コイル内径部空間と、インナーカバー内のその他の空間とを区切る天蓋を設置してなることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載
   の鋼板コイルの焼鈍設備。

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