JP5896097B2 - 方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法および仕上焼鈍設備 - Google Patents

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法とその仕上焼鈍設備に関し、特に珪素を主たる合金元素とした鋼から、熱間圧延、冷間圧延および熱処理を最適な条件で組み合わせることによって結晶方位をＧｏｓｓ方位に高度に揃えた方向性電磁鋼板の製造に用いて好適な仕上焼鈍方法と仕上焼鈍設備に関するものである。

方向性電磁鋼板は、冷間圧延後、一次再結晶焼鈍を施した鋼板の表面にＭｇＯを主体とするスラリー状の焼鈍分離剤を塗布・乾燥した後、鋼板表面にフォルステライト被膜を形成させて絶縁性を付与すると同時に、二次再結晶を起こさせて電磁特性に優れたＧｏｓｓ方位を有する結晶を優先的に成長させる二次再結晶焼鈍を施し、さらに、１１００℃以上の高温で熱処理して鋼中の不要な元素を取り除く純化焼鈍を施すことで製造されるのが一般的である。上記二次再結晶焼鈍と純化焼鈍を含めた熱処理は、一般に、「仕上焼鈍」あるいは「最終仕上焼鈍」と称されている（以降、「仕上焼鈍」という。）。

ここで、上記仕上焼鈍は、従来、コイル状に巻かれた鋼板（以下「コイル」と称する。）を、雰囲気を制御したインナーカバー内に載置し、バッチ式の箱型焼鈍炉を用いて行われているが、このようなコイル状態で行う熱処理は、基本的に鉄の塊を外部から加熱する方法であるため、熱がコイル内部に伝わり難く、コイル表面と内部との温度差が大きくなって温度分布が不均一となるだけでなく、コイル内部が所望の温度に上昇するのに長時間を要するため、生産性が低いという問題がある。

また、フォルステライト皮膜を形成させるために鋼板表面に塗布された焼鈍分離剤は、ＭｇＯの一部が水和反応を起こして水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）に変化している。このＭｇ（ＯＨ）_２は、焼鈍分離剤塗布後の乾燥では脱水されないため、結晶水の形で残存し、巻き取られたコイルの鋼板間に持ち込まれ、仕上焼鈍の加熱時（温度が３５０℃近傍）に水分を放出することになる。この水分は、酸化性であり、コイルに巻き取られた鋼板間という狭い空間を通って徐々に放出され、しかも、コイル内の昇温速度の違いによって長時間に亘って水分が放出され続けるため、温度の上昇速度が大きく、既にフォルステライト皮膜が形成されているコイル外縁部近傍におけるフォルステライト皮膜の特性を著しく劣化させるという問題がある。

上記問題に対応する技術としては、例えば、特許文献１には、焼鈍分離剤を塗布したコイルを、常温から６００℃までを鋼板自体を通電加熱あるいは誘導加熱で直接発熱させる方法で加熱し、その後、６００℃超から高温の保持温度まで、従来の間接加熱法で加熱する仕上焼鈍方法が開示されている。
また、特許文献２には、コイル状の金属をバッチ焼鈍するにあたり、コイルを巻きほどきながら通電加熱装置あるいは誘導加熱装置で所定の温度に加熱し、再度コイル状に巻いた後、直ちにバッチ焼鈍することで、コイル状に巻いた金属を、効率よくかつ均一に加熱するコイル加熱方法を開示されている。

また、二次再結晶を起こさせるため鋼中に添加されているインヒビター（ＡｌＮ）の強度は、一般に強いほど好ましいが、鋼中の酸可溶性のＡｌ量やＮ量に大きく依存する。しかし、酸可溶性のＡｌ量は、加熱速度が遅い従来の箱型焼鈍では、加熱時に酸化されて減少するため、インヒビター強度の劣化を免れないという問題がある。

この問題に対応する技術としては、例えば、特許文献３等には、低温部と高温部からなる炉構造で、それぞれに巻き取りリールを有する仕上焼鈍炉の低温部に鋼帯コイルを入れ、９２０℃以上１１５０℃以下に保持した高温部のリールに鋼帯の昇温速度が５０℃／ｈｒ以上となるように加熱しながら巻き取り、５時間以上保持する方向性珪素鋼帯の製造方法が開示されている。

特許第４３３５９８２号公報 特開平１１−２６９５５９号公報 特許第２６８９１９３号公報

しかしながら、上記特許文献１や２の技術は、６００℃程度までは短時間で昇温することができるが、その後は、通常の間接加熱で加熱する方法であるため、被膜特性は改善されるものの、依然として、焼鈍温度の不均一性や焼鈍時間が長いという問題が残ることになる。
また、特許文献３の技術は、仕上焼鈍を低温部と高温部からなる炉構造の仕上焼鈍炉内で行い、６５０℃から９５０℃までの昇温速度を高めることでインヒビターの劣化を抑制しているが、６５０℃までの加熱はコイル状態のままで行っているため、被膜特性を改善することはできず、焼鈍時間の短縮も十分に図れないという問題がある。

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、従来技術における仕上焼鈍方法を抜本的に見直すことで、被膜特性の改善、インヒビターの劣化抑制および焼鈍時間の短縮の全てを満たす方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を提案するとともに、その仕上焼鈍設備を提供することにある。

発明者らは、上記問題点を解決するべく鋭意検討を重ねた。その結果、仕上焼鈍における鋼板の加熱を、コイル状態ではなく、コイルを巻き戻しつつ鋼板の状態で行い、所定の温度に昇温後、炉内でコイルに巻き取って一定時間均熱保持し、その後、好ましくは、そのコイルを巻き戻しつつ鋼板の状態で所定の温度まで冷却し、コイルに巻き取るようにすれば、加熱・冷却に要する時間を大幅に削減できると共に、被膜特性の劣化やインヒビターの劣化を防止することが可能となることに想到し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、冷間圧延後の鋼板に脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施してから、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布、乾燥し、コイルに巻き取った後、該コイルを炉内の巻き取り装置に既に巻き付けてある先導コイルの尾端に炉外の溶接機で接合し、コイルを巻き戻しながら炉中で二次再結晶温度以上の温度に加熱し、炉中で再度コイルに巻き取って一定時間均熱保持した後、あるいは、炉中で再度コイルに巻き取って一定時間均熱保持し、さらに純化処理を施した後、該コイルを巻き戻しつつ冷却し、再度、炉外でコイルに巻き取る方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法である。

また、本発明は、一次再結晶焼鈍後、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布、乾燥した鋼板のコイルを巻き戻す巻き戻しセクションと、上記巻き戻した鋼板を所定温度まで加熱する加熱セクションと、上記加熱後の鋼板を炉内で再びコイルに巻き取って均熱保持するとともに、均熱保持後のコイルを巻き戻す機能を有する均熱セクションと、上記均熱セクションから巻き戻した鋼板を冷却する冷却セクションと、上記冷却後の鋼板を巻き取る巻き取りセクションを有し、上記均熱セクションの巻き取り装置には、仕上焼鈍するコイルと接合する先導コイルが巻き付けてなる方向性電磁鋼板の仕上焼鈍設備である。

本発明の仕上焼鈍設備における上記均熱セクションは、純化焼鈍温度まで加熱し、均熱保持する機能を有するものであることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍設備は、上記加熱セクションが、冷却セクションを兼ねることを特徴とする。

また、本発明の仕上焼鈍設備は、上記巻き戻しセクションが、巻き取りセクションを兼ねることを特徴とする。

本発明によれば、仕上焼鈍における鋼板の加熱を、コイルを巻き戻しつつ鋼板（ストリップ）の状態で行い、所定の温度に昇温後、コイルに巻き取って一定時間均熱保持し、その後、コイルを巻き戻しつつ鋼帯の状態で所定の温度に冷却するので、加熱・冷却に要する時間を大幅に短縮できると共に、被膜特性の劣化やインヒビターの劣化を防止することが可能となる。したがって、本発明によれば、被膜特性および磁気特性に優れる方向性電磁鋼板を生産性良く製造することが可能となる。

本発明の仕上焼鈍設備の全体を説明する図である。 本発明の仕上焼鈍設備を用いた仕上焼鈍方法を説明する図であり、（ａ）は加熱段階、（ｂ）は均熱段階、（ｃ）は冷却段階を示す。

本発明の仕上焼鈍設備について、図１および図２に示した。
図１は、本発明に係る仕上焼鈍設備の全体像を示す模式図である。また、図２は、本発明の仕上焼鈍方法を工程順に説明する図であり、（ａ）はコイルから巻き戻した鋼板を加熱し、コイルに巻き取っている状態を、（ｂ）は、所定の温度に加熱されたコイルが均熱保持されている状態を、（ｃ）は、仕上焼鈍を終えたコイルが再び巻き戻され、冷却後、コイルに巻き取られている状態を示している。以下、図に沿って詳細に説明する。

図２（ａ）は、一次再結晶焼鈍後、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布・乾燥した後、巻き取られたコイル１が巻き戻され、巻き戻された鋼板がデフレクターロール２によって方向が転向され、溶接機３で炉内の巻き取り装置に既に巻き付けてある図示されていない先導コイル（ダミーコイル）の尾端と接合された後、加熱セクション４に導入され、この中に設置された加熱設備８ａで所定の温度に加熱後、均熱セクション５で再びコイル６に巻き取られ、加熱設備８ｂで所定の温度に均熱保持されつつある状態を示している。

ここで、加熱セクション４および均熱セクション５の間には仕切りやシールロール等を設けて、それぞれの雰囲気のガス組成を最適な条件に制御可能となっており、例えば、加熱セクションは、窒素ガス雰囲気、均熱セクションは水素ガス雰囲気に制御することができる。また、いずれのセクションも、外気の侵入を防止するため、外気よりもやや正圧に保持されている。さらに、成膜反応によるガス組成変化を雰囲気ガスの供給によって補正できるだけのガス供給能力を備えていることも必要である。

また、図２（ａ）中の加熱設備８ａは、コイルを所定の温度、例えば、二次再結晶温度以上の温度まで加熱するためのもの、また、加熱設備８ｂは、コイルを所定の温度、例えば、二次再結晶温度以上の温度に均熱保持するためのものであり、その加熱方式は、誘導加熱方式や通電加熱方式としてもよいが、電熱ヒータやラジアントチューブのような輻射加熱方式としても構わない。また、加熱した雰囲気ガスをセクション内に吹き込む方式を用いてもよい。さらに、上記の方式を組み合わせて用いてもよい。ただし、高速加熱する観点からは、誘導加熱方式や通電加熱方式を用いることが好ましい。

図２（ｂ）は、一次再結晶焼鈍後のコイルが、完全に均熱セクション５内に巻き取られて、均熱保持されている状態を示しており、コイルの外周部分には、焼鈍中にコイルはルーズになるのを防止するため、コイル押さえ１０が軽く当接されている。また、炉内のコイル６の外周尾端には、次の工程でコイル６を巻き戻して、巻き取りコイル７とするための先導役を果たすダミー材１１が接合されている。ただし、このダミー材１１は、冷間圧延後のコイル両端に発生する非定常部分で代用してもよく、必須のものではない。

なお、この工程は、鋼板を所定の温度以上に加熱後、均熱保持することで健全なフォルステライト被膜を形成させるとともに、二次再結晶焼鈍を完了させることを主目的とするものであるが、その後、さらに昇温し、純化焼鈍を行ってもよく、加熱設備８ｂは、そのための加熱能力を有するものであることが好ましい。なお、加熱方式については、前述した方法が採用でき、特に限定されない。なお、純化焼鈍は、通常、１０５０〜１２５０℃で、１〜２４ｈｒの範囲で行われている。また、純化焼鈍における雰囲気は、水素ガスが多く用いられている。

図２（ｃ）は、仕上焼鈍が終了したコイルが、巻き戻され、冷却セクションに設けられた冷却設備９で室温近傍温度（１５０℃程度）まで冷却された後、巻き取りセクションで、コイル７に巻き取られつつある状態を示したものである。なお、本図では、上記冷却セクションは、設備コストの面から、加熱セクションを兼ねているが、エネルギー効率やメンテナンス等の面から、別のセクションとして設けてもよい。また、同様に、本図では、コイルの巻き戻しセクションと巻き取りセクションとを別々に配設した例を示したが、巻き戻しセクションが巻き取りセクションを兼ねたものであってもよい。

ここで、上記冷却設備は、冷却に伴う鋼板表面の酸化や熱歪の発生を防止する観点からは、比較的冷却速度が遅いガス冷却とするのが好ましい。吹き付けるガスとしては、窒素ガスやアルゴンガス等を用いることができる。なお、酸化や熱歪が問題とならない温度領域にミスト冷却や水冷を併用してもよい。

なお、図１，２には、コイル軸が垂直方向を向いたアップエンドの状態でコイルの巻き戻し、巻き取りおよび焼鈍を行う例について示したが、これらをコイル軸が水平方向を向いたダウンエンドの状態で行ってもよい。また、図１，２においては、加熱設備や冷却設備を簡略化してそれぞれ１対ずつ図示したが、必要とされる能力に応じて適宜増やすことができることはもちろんである。

上記本発明の仕上焼鈍装置によれば、鋼板を巻き戻しながら加熱することができるので、鋼板への伝熱が十分に行われ、コイル状態で加熱する場合よりも、加熱に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。例えば、板厚が０．３ｍｍ程度の鋼板であれば、８００℃までを数分で加熱することができる。したがって、従来技術で問題となっていた長時間加熱によるインヒビターの劣化という問題は起こらないので、二次再結晶を安定して発現させることができる。ただし、板厚が０．５ｍｍを超えると、８００℃までの加熱所要時間が１０分程度になるので、加熱セクションが長大となったり、加熱設備が大型化したりして、設備コストが増大するため好ましくない。

同様に、本発明の仕上焼鈍設備によれば、鋼板を巻き戻しながら冷却することができるので、冷却に要する時間を大幅に短縮することができる。その結果、本発明の仕上焼鈍設備では、仕上焼鈍に要する時間が、実質的にフォルステライト被膜形成と二次再結晶に必要な時間あるいはこれに加えて純化に必要な時間のみとなるので、仕上焼鈍時間を大幅に短縮することが可能となる。

また、本発明の仕上焼鈍設備は、コイルに巻き取られた鋼板を巻き戻しながら加熱するので、焼鈍分離剤に含まれるＭｇ（ＯＨ）_２から放出される水分による悪影響を受けることがない。したがって、被膜特性に優れた製品を安定して得ることができる。

また、本発明の仕上焼鈍設備によれば、入側に切断、溶接設備が設置されているので、単重が小さなコイルを複数溶接して、大単重のコイルとすることができる。したがって、仕上焼鈍設備の処理能力に合わせて、効率よく熱処理することが可能となる。

Ｃ：０．０４ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．９ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０７ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００７ｍａｓｓ％、Ｓ＋Ｓｅ：０．０２ｍａｓｓ％を含有する冷間圧延後の方向性電磁鋼板用鋼板（板厚：０．３ｍｍ、板幅：１０１０ｍｍ）を、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍後、ＭｇＯを主体とした焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布・乾燥してからコイルに巻き取り、単重が１５トンのコイルを１０コイル製作した。
これらのコイルを、従来のバッチ式の仕上焼鈍炉と、本発明の仕上焼鈍設備を用いて５コイルずつ仕上焼鈍し、加熱開始から冷却完了までの所要時間を比較した。

結果を表１に示した。従来のバッチ式の仕上焼鈍炉での所要時間を１００とした場合、本発明の仕上焼鈍設備では５０となり、従来の方法よりも大幅に時間を短縮することができた。
また、仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板の被膜品質を、コイル全長に対する欠陥発生長さを測定して比較したが、本発明の仕上焼鈍設備を用いた場合には、欠陥発生率を１／４に減少することができた。ここで、本発明例の被膜品質が従来例よりも向上した理由は、本発明の仕上焼鈍設備では、加熱中の鋼板の露出面積が大きく、反応や蒸発によって発生した水分や各種化学成分のガス等が炉中に容易に消散するのに対して、従来の仕上焼鈍炉では、反応や蒸発によって発生した水分や各種ガスがコイルに巻かれた鋼板の狭い層間に長時間滞留し、被膜と反応して欠陥を生じるためと考えられる。
なお、本発明の仕上焼鈍設備で製造した方向性電磁鋼板は、磁気特性も、従来方法のものと同等以上であることを確認している。

本発明の技術は、インヒビターを用いた方向性電磁鋼板の製造に用いられる仕上焼鈍設備に限定されるものではなく、例えば、インヒビターレスの方向性電磁鋼板や、二方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板の仕上焼鈍にも適用することができる。また、本発明の仕上焼鈍設備は、一般冷延鋼板のような汎用の連続焼鈍ラインで製造することが難しい、例えば、極薄の材料や、従来の連続焼鈍設備では対応できないような均一な温度に長時間保持する必要がある材料等、特殊な熱処理が要求される材料の熱処理用としても活用することができる。

１：仕上焼鈍前のコイル（一次再結晶焼鈍後コイル）
２：デフレクターロール
３：切断・溶接機
４：加熱・冷却セクション
４ａ：シールロール
５：均熱セクション
６：仕上焼鈍中のコイル
７：仕上焼鈍後のコイル
８ａ，８ｂ：加熱設備（加熱ヒータ）
９：冷却設備（冷却ガス供給設備）
１０：コイル押さえ
１１：ダミー材

Claims (5)

1. 冷間圧延後の鋼板に脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施してから、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布、乾燥し、コイルに巻き取った後、該コイルを炉内の巻き取り装置に既に巻き付けてある先導コイルの尾端に炉外の溶接機で接合し、コイルを巻き戻しながら炉中で二次再結晶温度以上の温度に加熱し、炉中で再度コイルに巻き取って一定時間均熱保持した後、あるいは、炉中で再度コイルに巻き取って一定時間均熱保持し、さらに純化処理を施した後、該コイルを巻き戻しつつ冷却し、再度、炉外でコイルに巻き取る方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法。
2. 一次再結晶焼鈍後、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布、乾燥した鋼板のコイルを巻き戻す巻き戻しセクションと、上記巻き戻した鋼板を所定温度まで加熱する加熱セクションと、上記加熱後の鋼板を炉内で再びコイルに巻き取って均熱保持するとともに、均熱保持後のコイルを巻き戻す機能を有する均熱セクションと、上記均熱セクションから巻き戻した鋼板を冷却する冷却セクションと、上記冷却後の鋼板を巻き取る巻き取りセクションを有し、上記均熱セクションの巻き取り装置には、仕上焼鈍するコイルと接合する先導コイルが巻き付けてなる方向性電磁鋼板の仕上焼鈍設備。
3. 上記均熱セクションは、純化焼鈍温度まで加熱し、均熱保持する機能を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の仕上焼鈍設備。
4. 上記加熱セクションが、冷却セクションを兼ねることを特徴とする請求項２または３に記載の仕上焼鈍設備。
5. 上記巻き戻しセクションが、巻き取りセクションを兼ねることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の仕上焼鈍設備。

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