JP6083156B2 - 連続焼鈍設備の急速加熱装置および急速加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の連続焼鈍設備における急速加熱装置に関し、具体的には、方向性電磁鋼板の一次再結晶焼鈍に用いて好適な連続焼鈍設備における急速加熱装置と急速加熱方法に関するものである。

冷間圧延した鋼板を焼鈍する際の加熱速度は、近年、特許文献１に記載されているように急速加熱する傾向にあり、中でも、変圧器や電気機器の鉄心等の材料として用いられる方向性電磁鋼板の一次再結晶焼鈍脱においては、急速加熱することが一般化しつつある。その主な目的は、加熱時間の短縮による生産効率の向上の他に、急速加熱によって、以下に述べるような、特定の集合組織を発達させることによる磁気特性の改善効果が期待されるからである。

一般に、強圧下された冷延鋼板の一次再結晶過程においては、蓄積された歪エネルギーが高い＜１１１＞／／ＮＤ方位が優先的に回復や再結晶を起こす。その結果、従来のような１０℃／ｓ程度の昇温速度では、一次再結晶後の再結晶集合組織は、＜１１１＞／／ＮＤ方位を主とするものとなる。これに対して、昇温速度を上記速度より大きくしていくと、＜１１１＞／／ＮＤ方位が回復を起こす前に、再結晶を起こす高温まで加熱されるため、再結晶し難い＜１１０＞／／ＮＤ方位も一次再結晶を起こすようになる。その結果、二次再結晶後の製品板における＜１１０＞／／ＮＤ方位、ひいてはゴス方位（｛１１０｝＜００１＞）が増加すると同時に粒径が微細化し、鉄損特性が向上する。

しかし、上記のような急速加熱では、加熱温度や加熱時間等の加熱条件を厳密に管理する必要がある。というのは、一次再結晶焼鈍の加熱時に、鋼板内の温度分布にばらつきがあると、鋼板内で一次再結晶焼鈍後の集合組織が変化し、これがさらに仕上焼鈍後の二次再結晶集合組織にも影響し、方向性電磁鋼板の鋼板内における磁気特性のばらつきを大きくすることになるからである。

さらに、鋼板内の温度ムラ、特に板幅方向の温度ムラが大きくなると焼鈍設備内を通板する際、鋼板に縦しわや反りが発生して製品形状が悪化したり、炉内の搬送ロールに鋼板が巻き付いた際、絞り込みを起こしたりし、最悪の場合、鋼板が炉内で破断する等の重大な操業トラブルを引き起こすこととなるからである。

鋼板内の温度を厳格に管理する技術としては、例えば特許文献２には、２台以上の誘導加熱装置のそれぞれのコイルケース間の接続部に、導電性材料からなる加熱補償部材を配置し、誘導加熱コイルからの漏れ磁束を有効に利用することで、誘導加熱装置間での加熱の途切れを最小化する方法が開示されている。

特開平０１−２９０７１６号公報 特開２００８−２６６７２７号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示の技術をもってしてもなお、誘導加熱のように急速加熱する場合には、鋼板内、特に板幅方向で温度ムラが発生しやすいのが実情である。その結果、急速加熱した場合には、鋼帯内における形状変化や、それに起因した形状不良の発生や操業トラブル等を引き起こすだけでなく、製品コイル内の磁気特性のばらつきを引き起こし、製品板の品質を低下させる原因となっていた。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点を解決するべく開発したものであり、その目的は、誘導加熱装置で鋼板を急速加熱するような場合であっても、鋼板内、特に板幅方向の温度分布を均一化し、鋼板形状や磁気特性等の品質向上を実現することができる連続焼鈍設備における急速加熱装置を提供するとともに、その装置を用いた急速加熱方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題を解決するべく、連続焼鈍設備の加熱帯を構成する誘導加熱装置の構成や配置に着目して種々検討を重ねた。その結果、上記加熱帯の前半部分に２台以上の誘導加熱装置を配設するとともに、それらの間に非加熱区間を設けてやることが、鋼板内の温度分布の均一化を図る上で極めて有効であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、加熱帯、均熱帯および冷却帯からなる鋼板の連続焼鈍設備の急速加熱装置であって、前記加熱帯は前半部分に誘導加熱装置を２台以上直列に配設してなり、かつ、前記２台以上の誘導加熱装置間に、長さが１〜３０ｍの非加熱区間を設けてなることを特徴とする急速加熱装置である。

本発明の急速加熱装置は、上記非加熱区間を鋼板温度が２５０〜６００℃となる温度域に設けてなることを特徴とする。

また、本発明の急速加熱装置は、上記誘導加熱装置設置区間内における昇温速度を５０℃／ｓ以上としたことを特徴とする。

また、本発明の急速加熱装置が対象とする上記鋼板は、Ｓｉ：８．０ｍａｓｓ％以下を含有する電磁鋼板の最終冷延材であることを特徴とする。
また、本発明は、上記のいずれかに記載の加熱装置を用いて加熱することを特徴とする鋼板の急速加熱方法を提案する。

本発明によれば、連続焼鈍設備の加熱帯の前半部分に誘導加熱装置を２台以上直列に配設し、かつ、それら２台以上の誘導加熱装置間に１〜３０ｍの非加熱区間を設けて、この非加熱区間で鋼帯内の温度均一化を進行させ、急速加熱による板幅方向の温度むらを軽減するようにしたので、鋼板の形状不良や、絞り込み等の通板トラブル、鋼板内の磁気特性のムラを大幅に低減することができる。さらに本発明によれば、加熱途中に上記非加熱区間を設けたことで、＜１１１＞／／ＮＤ方位の蓄積歪エネルギーを適正量解放し、一次再結晶組織における、＜１１１＞／／ＮＤ方位に対する＜１１０＞／／ＮＤ方位の存在比率を相対的に高めることができるので、急速加熱による磁気特性改善効果を従来技術よりもさらに高めることができる。

従来の連続焼鈍設備の構成を説明する模式図である。 誘導加熱装置を用いた従来の急速加熱装置を説明する模式図である。 誘導加熱装置を用いた本発明の急速加熱装置を説明する模式図である。 本発明の急速加熱装置を用いた実施例の加熱パターン説明する模式図である。

以下、本発明の急速加熱装置を、方向性電磁鋼板の一次再結晶焼鈍用の連続焼鈍設備に適用した場合を例にとって説明する。
図１は、最終板厚（製品板厚）まで冷間圧延した方向性電磁鋼板に一次再結晶焼鈍を施す、あるいは、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施すのに用いる連続焼鈍設備の炉部の一般的な構成例を模式的に示したものである。連続焼鈍設備の炉部は、通常、ラジアントチューブ加熱方式の加熱帯２、電気ヒーター加熱方式の均熱帯３および冷却帯４から構成されており、加熱帯２入側（図１の左側）から炉内に搬送された鋼板１は、加熱帯２で均熱温度まで加熱され、均熱帯３で所定の均熱温度に所定時間保持された後、冷却帯４で室温近くまで冷却されて炉外（図１の右側）に搬出される。なお、図１には、水平式の炉を模して、鋼板が炉内を水平方向に搬送される様子を示したが、炉内の上下あるいは左右に配設された搬送ロールを介して鋼板が炉内を往復移動しつつ熱処理されるようにしてもよいことは勿論である。また、鋼板温度は、例えば、各帯の出側に設置された板温計５１〜５３等で管理される。

図２は、ラジアントチューブ加熱方式による加熱帯２０の前に、急速加熱が可能な誘導加熱装置２１を配設し、室温から所定の温度までを一気に急速加熱し、その後、ラジアントチューブで均熱温度まで加熱する従来技術の加熱帯を示している。

上記のような誘導加熱装置を用いて急速加熱することで、磁気特性が改善される理由は、前述したように、急速加熱することによって、二次再結晶の核となる＜１１０＞／／ＮＤ中のゴス方位（｛１１０｝＜００１＞方位）の発生を促進することができ、その結果、二次再結晶組織が細粒化され、磁気特性を向上することができるからである。

しかしながら、前述したように、加熱帯に図２のような誘導加熱装置を用いた鋼板加熱では、鋼板の昇温速度が高いがために、鋼板内、特に板幅方向における温度分布が不均一となり易く、例えば、図２中に示した誘導加熱装置２１の出側に設置した板温計６１で測定した板幅方向の温度差（最高温度−最低温度）は１５０℃にも達することがある。その結果、鋼板に縦しわや反り等が発生して製品形状が悪化したり、炉内の搬送ロールに鋼板が巻き付いた際、絞り込みを起こしたり、最悪の場合、鋼板が炉内で破断する等の重大な操業トラブルを引き起こすこととなる。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するため、図３に示したように、図２の誘導加熱装置２１を、２１ａと２１ｂの２つに分割し、それらをダクト部２１ｃを介して離間して配設することで、急速加熱の途中に非加熱区間を設けることとした。この非加熱区間を設けることにより、鋼板は、加熱途中の所定温度に所定時間保持されることになるので、鋼板内、特に板幅方向の温度不均一が熱拡散によって軽減されて、形状不良が改善される他、磁気特性のばらつきを低減することが可能となる。

ここで、上記ダクト部２１ｃすなわち非加熱区間を設けることで、従来の急速加熱よりもさらに磁気特性が改善される理由は、加熱途中に上記非加熱区間を設けることにより、＜１１１＞／／ＮＤ方位の蓄積歪エネルギーを適正量解放することができ、一次再結晶組織における、＜１１１＞／／ＮＤ方位に対する＜１１０＞／／ＮＤ方位の存在比率を相対的に従来技術よりもさらに高めることができるからである。

上記ダクト部２１ｃは、上記改善効果を得るためには、鋼板温度が２５０℃〜６００℃となる温度域に設けるのが好ましい。というのは、本発明は、転位密度の低下が生じ、かつ、再結晶が起こらない温度域で短時間保持することによって、＜１１１＞／／ＮＤの再結晶優位性を低下させることを技術思想としている。したがって、転位の移動がほとんど見込めない２５０℃未満では上記効果は得られず、一方、６００℃を超えると＜１１１＞／／ＮＤの再結晶が生じ始めるため、６００℃超の温度で保持しても｛１１０｝＜００１＞方位の発生を促進することができないからである。

また、上記ダクト部２１ｃの長さ、すなわち、非加熱区間の長さは１〜３０ｍの範囲とすることが好ましい。１ｍ未満では、非加熱とされる時間（一定温度に保持される時間）が短か過ぎて、鋼板内の温度均一化が十分ではなく、形状や磁気特性の改善効果が得られない。一方、３０ｍを超えると、逆に非加熱時間が長くなり、圧延組織の回復が進行し過ぎるため、二次再結晶不良を引き起こすおそれがあるからである。因みに、上記非加熱とされる時間（ダクト部２１ｃを鋼板が通過するのに要する時間）は、１〜１０秒の範囲であることが好ましい。

上記磁気特性改善効果を得るためには、誘導加熱装置で急速加熱する区間は、室温から少なくとも７００℃の温度とするのが好ましい。７００℃を上限とする理由は、＜１１１＞／／ＮＤが優先再結晶する温度は７００℃以下にあり、７００℃を超える温度まで急速加熱しても、磁気特性改善効果が飽和するだけでなく、加熱に要するエネルギーが増大し、好ましくないからである。

また、上記磁気特性改善効果を得るためには、上記誘導加熱装置設置区間における昇温速度は５０℃／ｓ以上とするのが好ましい。５０℃／ｓ未満では磁気特性の改善効果が十分ではないからである。ただし、２００℃／ｓ以上で急速加熱しても、磁気特性の改善効果が飽和するので、上限は２００℃／ｓ程度とするのが好ましい。

なお、上記説明では、誘導加熱装置２１を２１ａと２１ｂの２つに分割したが、２１ａと２１ｂの誘導加熱装置は、それぞれが１台であってもよいし、複数台から構成されていてもよい。また、複数台から構成されている場合には、２１ａと２１ｂのダクト部２１ｃ側の誘導加熱装置を鋼板の搬送方向に移動可能とし、例えば、２１ａを構成していた誘導加熱装置を２１ｂ側に移動させたり、あるいは、２１ｂを構成していた誘導加熱装置を２１ａ側に移動させたりすることによって、ダクト部２１ｃの位置、すなわち、比加熱区間となる温度域を変化させるようにしてもよい。

また、本発明の急速加熱装置は、上述したように、急速加熱を施す鋼板の連続焼鈍に適用することで、鋼板形状を改善することができる他、再結晶後の集合組織をも制御できるので、Ｓｉを８．０ｍａｓｓ％以下含有する方向性電磁鋼板の最終冷延板の一次再結晶焼鈍や脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍に、あるいは、無方向性電磁鋼板の最終冷延板の焼鈍に適用するのが効果的である。

Ｃ：０．０７０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．３５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０２５ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１２ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．０１ｍａｓｓ％およびＳｎ：０．０５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるスラブから製造した最終板厚０．３ｍｍの冷延鋼板に、加熱帯、均熱帯および冷却帯から構成された連続焼鈍炉で、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍炉を施した。上記連続焼鈍炉の加熱帯は、図３に示したように、ラジアントチューブ加熱方式による加熱帯２０の前に誘導加熱装置２１が配設され、さらに、その誘導加熱装置２１は、２１ａと２１ｂの２つの部分から構成され、かつ、それらが相対的に鋼板の搬送方向に移動可能として、２１ａと２１ｂの間に、非加熱区間であるダクト部２１ｃを設けられるように設計されたものである。

上記加熱設備を用いた加熱は、図４および下記に説明するように、２つの加熱パターンで行った。
・パターンＡ：誘導加熱装置２１ａおよび２１ｂ間に約２．５ｍのダクト部（非加熱区間）２１ｃを設け、最初の２１ａで、室温（２０℃）から５００℃までを７５℃／ｓで加熱し、ダクト部２１ｃで５００℃の温度に約２秒間保持し、続く２１ｂで、７００℃までを７５℃／ｓで加熱し、その後、ラジアントチューブで８５０℃の均熱温度まで平均昇温速度１５℃／ｓで加熱する本発明の加熱パターン
・パターンＢ：誘導加熱装置２１ａおよび２１ｂ間にダクト部（非加熱区間）２１ｃを設けることなく、室温（２０℃）から７００℃までを７５℃／ｓで一気に加熱し、その後、ラジアントチューブで８５０℃の均熱温度まで平均昇温速度１５℃／ｓで加熱する従来技術の加熱パターン

この際、誘導加熱装置２１ａの出側、ダクト部２１ｃの出側および誘導加熱装置２１ｂの出側に設置した板温計６１ａ、６１ｃおよび６１ｂで、鋼板の板幅方向の温度分布を測定し、最高温度と最低温度の差を求めると同時に、誘導加熱装置２１ｂの出側における鋼板形状を、レーザー変位計を用いて測定し、急峻度を求めた。

上記加熱パターンで脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施した鋼板は、その後、常法に準じて、鋼板表面に焼鈍分離剤を塗布、乾燥し、仕上焼鈍を施した後、絶縁被膜の焼き付けと形状矯正を兼ねた平坦化焼鈍を施し、方向性電磁鋼板の製品板とした。
斯くして得た製品板のコイル先端、コイル全長の先端から１／４、２／４および３／４の位置、さらに、コイル尾端の計５箇所から試験片を採取し、磁束密度Ｂ_８および鉄損Ｗ_{１７／５０}をＪＩＳ Ｃ２５５０に規定されたエプスタイン法に準拠して測定し、それらの中で最も劣る磁束密度Ｂ_８および鉄損Ｗ_{１７／５０}をコイル内保証値とした。

上記の結果を表１に示した。この結果から、本発明の焼鈍設備を用いることにより、加熱時の鋼板内の板幅方向の温度差が大幅に軽減され、その結果、鋼板形状が安定して焼鈍設備への通板性が向上するだけでなく、鋼板内の磁気特性のばらつきが低減し、コイル内保証値を向上できることがわかる。

本発明の急速加熱装置は、上述したように、再結晶挙動の制御を介して、鋼板の集合組織を要求特性に応じた好ましいものとすることができる。したがって、本発明は、方向性電磁鋼板の分野に限定されるものではなく、同じく集合組織の制御が必要な、例えば、無方向性電磁鋼板や、深絞り性が要求される自動車用薄鋼板、異方性の制御が要求される薄鋼板等の分野にも適用することができる。

１：鋼板（鋼帯）
２：加熱帯
２０：加熱帯のラジアントチューブ加熱部
２１、２１ａ、２１ｂ：誘導加熱装置
２１ｃ：非加熱区間（ダクト部）
３：均熱帯
４：冷却帯
５１、５２、５３：板温計
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ：誘導加熱区間の板温計

Claims (5)

1. 加熱帯、均熱帯および冷却帯からなる鋼板の連続焼鈍設備の急速加熱装置であって、
   前記加熱帯は前半部分に誘導加熱装置を２台以上直列に配設してなり、かつ、
   前記２台以上の誘導加熱装置間に、長さが１〜３０ｍの非加熱区間を設けてなることを特徴とする急速加熱装置。
2. 前記非加熱区間を鋼板温度が２５０〜６００℃となる温度域に設けてなることを特徴とする請求項１に記載の急速加熱装置。
3. 前記誘導加熱装置設置区間内における鋼板の昇温速度を５０℃／ｓ以上としたことを特徴とする請求項１または２に記載の急速加熱装置。
4. 前記鋼板は、Ｓｉ：８．０ｍａｓｓ％以下を含有する電磁鋼板の最終冷延材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の急速加熱装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の急速加熱装置を用いて加熱することを特徴とする鋼板の急速加熱方法。

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