JP6440436B2 - 円筒状板材コイルの熱処理設備および熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状板材コイルの熱処理設備および熱処理方法に関するものである。

例えばＥＶ／ＨＥＶ用高圧端子等、大電流が流れる自動車部品において、高い導電性、および高温下でのバネの信頼性としての耐応力緩和特性を兼ね備えた銅合金が求められており、高導電材の更なる耐応力緩和特性向上が必要とされている。

伸銅品製造工程において、冷間圧延で加工硬化させた材料を軟化させるための熱処理として、或いは金属間化合物の析出や結晶粒径の調整などの組織制御のために、焼鈍が行われる。伸銅品は、板材がコイル状に巻かれた状態で焼鈍される場合がある。

焼鈍工程が行われる加熱室または冷却室内においては、雰囲気ガスが滞留すると、加熱または冷却効率が低下し、コストアップ及び生産性低下に繋がる。したがって、通常、加熱室や冷却室にはファンが設けられ、雰囲気ガスを攪拌している。

従来の焼鈍設備では、加熱炉内の天井ファンにより、雰囲気ガスが、コイル状の被処理体全体に向けて吹き下ろされ、中央のコイル中空部及び外側面に沿って流れ落ちていく。そのため、加熱時には、コイルの最内周部と最外周部が膨張しやすい。最内周部で膨張した板は、コイル外側方向への逃げ場が無いため、巻き緩んで外側の板と強く接触し、板表面にキズ等の欠陥が発生する原因となる。一方、冷却時には、コイルの最内周部と最外周部が冷却されやすく、最外周部が収縮すると、外側から巻き締まって内側の板と強く接触し、キズ等の欠陥が発生する原因となる。このように、コイル内で温度むらが生じると、位置によって加熱時の膨張および冷却時の収縮の差が生じ、それに伴って接触している板同士が擦れて表面にキズが発生する。

このようなコイルの巻き緩み及び巻き締まりを解消し、表面のキズを防止するために、例えば特許文献１には、コイルの最内面側に冷却ガスを吐出する冷却装置を設けることにより、焼鈍中にコイル内面側を冷却し、巻き締まりを防止する焼鈍方法が開示されている。また、特許文献２には、コイル内周面に冷却管を通して冷却し、コイル内温度分布の不均一を改善し、巻き緩み及び巻き締まりを防ぐ焼鈍方法が開示されている。

特開２０１２−１５３９６０号公報 特開２０１３−８２９７４号公報

しかしながら、特許文献１、２の焼鈍方法は、いずれもバッチ式の炉に適用され、加熱時にも内周部を冷却するため、熱量に無駄が生じ、余計なコストがかかる。また、特許文献１に記載されているように、コイルの内面に冷却ガスの吐出ノズルを設ける方法や、特許文献２に記載されているように、コイル内周面に冷却管を通す方法では、焼鈍処理中にコイルを移動できないため、処理能力の高いトンネル炉では実施できないという問題点がある。

本発明の目的は、円筒状板材コイルを熱処理する際、コイル内温度分布の不均一による巻き緩み及び巻き締まりを解消して、表面キズの発生を防止することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、トンネル炉方式の連続焼鈍炉において、円筒状に巻かれた板材コイルを熱処理する設備であって、加熱室の天井にファンが設けられ、さらに、前記加熱室内に載置される前記板材コイルと前記ファンとの間に、雰囲気ガスの流れを部分的に遮る加熱用遮蔽板が設けられ、前記加熱用遮蔽板は、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの中空部への吹き付けを遮るように設けられており、前記加熱室内の雰囲気ガスが、前記ファンによって攪拌されて前記加熱室内の下方へ向けて吹き出され、前記加熱用遮蔽板によって一部が遮られて前記板材コイルに吹き付けられることを特徴とする、円筒状板材コイルの熱処理設備を提供する。

前記雰囲気ガスが前記板材コイルの外周部に吹き付けられることが好ましい。前記加熱用遮蔽板は、平面形状が円形であってもよい。前記加熱室が複数連続して設けられていてもよい。

また、前記加熱室に連続して冷却室が設置され、前記冷却室は、天井にファンが設けられ、さらに、前記冷却室内に載置される前記板材コイルと前記ファンとの間に、冷却用遮蔽板が設けられ、前記冷却室内の雰囲気ガスが、前記ファンによって攪拌されて前記冷却室内の下方へ向けて吹き出され、前記冷却用遮蔽板によって、前記板材コイルの外周部への吹き付けが遮られ、前記板材コイルの中空部に吹き付けられてもよい。前記冷却用遮蔽板は、平面形状が環状であってもよい。前記冷却室が複数連続して設けられていてもよい。

また、本発明によれば、トンネル炉方式の連続焼鈍炉において、円筒状に巻かれた板材コイルを熱処理する方法であって、加熱室内の雰囲気ガスを加熱し、前記加熱室の天井に設けられたファンによって前記雰囲気ガスを攪拌して前記加熱室内の下方へ向けて吹き出し、前記加熱室内に載置した前記板材コイルと前記ファンとの間に、加熱用遮蔽板を設けることによって、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの中空部への吹き付けを遮ることを特徴とする、円筒状板材コイルの熱処理方法が提供される。

前記雰囲気ガスを前記板材コイルの外周部に吹き付けることが好ましく、前記加熱用遮蔽板は、平面形状が円形であってもよい。前記加熱室を複数連続して設け、各加熱室で連続して加熱処理してもよい。

前記加熱室で熱処理した前記板材コイルを、前記加熱室に連続して設置された冷却室へ投入し、前記冷却室では、雰囲気ガスを冷却し、前記冷却室の天井に設けられたファンによって前記雰囲気ガスを攪拌して前記冷却室の下方へ向けて吹き出し、前記冷却室内に載置した前記板材コイルと前記ファンとの間に、冷却用遮蔽板を設けることによって、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの外周部への吹き付けを遮り、前記雰囲気ガスを前記板材コイルの中空部に吹き付けてもよい。

前記冷却用遮蔽板は、平面形状が環状であってもよい。前記冷却室を複数連続して設け、各冷却室で連続して冷却処理してもよい。

本発明によれば、加熱用遮蔽板を設けることにより、コイルに対する雰囲気ガスの吹き付け位置を限定することができる。また、冷却工程を有する場合には、冷却用遮蔽板を設けることにより、冷却時にも同様に、コイルに対する雰囲気ガスの吹き付け位置を限定することができる。そのため、コイル内の温度分布の不均一による部分的な膨張または収縮によって板同士が擦れてキズが発生するのを抑制し、表面欠陥の発生を低減させることができる。

本発明の実施の形態にかかる焼鈍炉を示す概略側面図である。 本実施形態にかかる加熱室を示す縦断面図である。 図２のコイルおよび加熱用遮蔽板を上から見た平面図である。 本実施形態にかかる冷却室を示す縦断面図である。 図４のコイルおよび冷却用遮蔽板を上から見た平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る焼鈍炉を示す。本実施形態において、焼鈍炉１は、被処理体を搬送しながら熱処理を行うトンネル炉方式の連続焼鈍炉であり、搬送方向上流側に、複数の加熱室２が連続して設けられた加熱ゾーンＨ、下流側に、複数の冷却室３が連続して設けられた冷却ゾーンＣを有している。被処理体は、板材を円筒状に巻いたコイル４であり、搬送ローラ５により矢印の方向に搬送される。加熱ゾーンＨの入口側と冷却ゾーンＣの出口側には、それぞれ、１つのコイル４を収容できるスペースを挟んで、扉１１、１２、扉１４、１５と、二重の扉が設けられている。このような入口側および出口側の構成にしたのは、外気が加熱ゾーンＨ、冷却ゾーンＣに侵入することを防止し、炉内の雰囲気や温度を良好に制御するためである。なお、円筒状に巻いた板材のコイル４には様々なサイズがあるが、通常、コイル４の外径（直径）は５００〜１５００ｍｍ程度、円筒状の中空部の直径は１００〜６００ｍｍ程度、板材の幅は２００〜１０００ｍｍ程度である。

図２は、加熱室２の縦断面図である。コイル４は、平面視において中央に中空部４ａが位置するように横置きにして、コイル４の中空部４ａと略一致する空洞が中央に形成された円環状のトレイ６に載置され、トレイ６ごと搬送ローラ５上に載置される。そして、上流側の扉１１、１２（図１参照）を順に開けて、コイル４が加熱室２に投入される。

加熱室２の炉壁２１の内側には、例えばラジアントチューブ型のバーナ２２が設けられている。チューブ式の間接加熱にすることにより、排ガスが加熱室２内に流れないため、好ましい。そして、バーナ２２と、搬送ローラ５上に載置されたコイル４との間に、雰囲気ガスの流れを誘導するとともにバーナ２２からコイル４への輻射加熱を遮る仕切り壁２３が設けられている。また、加熱室２の天井部には、雰囲気ガスを攪拌するファン２４が設けられ、さらに、コイル４とファン２４との間に、平面形状が円形の加熱用遮蔽板２５が設置されている。加熱用遮蔽板２５は、コイル４の中空部４ａ付近へ雰囲気ガスが吹き付けられるのを遮って、コイル４の内周部の膨張を抑制するために設けられる。加熱用遮蔽板２５は、図３に示すように、平面形状が、コイル４の中空部４ａよりも少し大きい円形とし、中空部４ａおよび中空部４ａ付近の一定範囲のコイル４の上方を覆うように設けられる。加熱用遮蔽板２５が遮蔽する中空部４ａからコイル４の外周側に向けた遮蔽範囲の幅は、コイル４の大きさや条材の材質などにより適宜調整すればよいが、コイル４の中空部４ａよりも少し大きく、例えば中空部４ａからコイル４の外周側に向けて、コイル４の上面から見たときのコイル幅の５〜３０％程度が遮蔽されるのが好ましい。

図２中の矢印は、雰囲気ガスの流れを示す。加熱室２において、加熱時には、バーナ２２で加熱された雰囲気ガスが、ファン２４によって攪拌され、加熱室２の下方に向けて吹き付けられる。雰囲気ガスは、加熱用遮蔽板２５に遮られて、加熱用遮蔽板２５の下方には直接流れず、一部はコイル４の外周４ｂに沿って流れ、一部はコイル４の中空部４ａ付近よりも少し外周側の上面に当たりそのままコイル４の上面に沿ってその後主に外周４ｂへ流れる。ファン２４は、雰囲気ガスの流れが滞留しないような強風速（例えば２０ｍ／ｓｅｃ以上）で雰囲気ガスを攪拌することが好ましく、このようにして雰囲気ガスをコイル４の外周部に沿って流すことにより、外周側から効率よくコイル４を加熱できる。搬送ローラ５の下方に達した雰囲気ガスは、ファン２４の攪拌によるガスの流れや加熱室２内の対流により、仕切り壁２３の外側に沿って上方に向けて流れる。

コイル４は、図１に示すトンネル炉方式の焼鈍炉１において、複数並べて設けられた加熱室２を、図１の矢印の方向に向けて搬送されながら熱処理され、加熱工程が終了すると、扉１３を開けて冷却室３に投入される。本実施の形態においては、図１に示すように加熱室２は８室あり、仕切り壁２３は加熱ゾーンＨを連なっており、相互の加熱室２間に扉はない。

図４は、冷却室３の縦断面図である。炉壁３１の内側に、例えば水冷式のクーラー３２が設けられている。そして、クーラー３２と、搬送ローラ５上に載置されたコイル４との間に、雰囲気ガスの流れを整えるとともにクーラー３２からコイル４の外周４ｂへの直接的な冷却を遮るための仕切り壁３３が設けられている。また、冷却室３の天井部にはファン３４が設けられ、コイル４とファン３４との間に、平面形状が円環状の冷却用遮蔽板３５が設置されている。冷却用遮蔽板３５は、コイル４の外周４ｂへの冷却を遮って、コイル４の外周部の収縮を抑制するために設けられる。冷却用遮蔽板３５は、図５に示すように、平面形状が、コイル４の外周４ｂよりも少し小さい空洞を有し、外周が仕切り壁３３の内壁に略接する大きさの円環形状とし、コイル４よりも外周側およびコイル４の外周４ｂ付近の一定範囲のコイル４の上方を覆うように設けられる。冷却用遮蔽板３５が遮蔽する外周４ｂからコイル４の中心に向けた遮蔽範囲の幅は、コイル４の大きさや条材の材質などにより適宜調整すればよいが、コイル４の外周４ｂよりも少し小さく、例えばコイル４の外周から中心に向けて、上面から見たときのコイル幅の５〜３０％程度が遮蔽されるのが好ましい。なお、コイルの外周４ｂよりもさらに外側方向は、図５に示すように広く遮蔽するのが好ましい。

図４中の矢印は、雰囲気ガスの流れを示す。冷却室３において、冷却時には、クーラー３２で冷却された雰囲気ガスは、ファン３４によって攪拌され、冷却室の下方に向けて吹き付けられる。この場合にも、雰囲気ガスの流れが滞留しないような強風速（例えば２０ｍ／ｓｅｃ）で雰囲気ガスを攪拌することが好ましい。雰囲気ガスは、冷却用遮蔽板３５を避けて下方へ流れるため、冷却用遮蔽板３５の下方には直接流れず、一部はコイル４の中空部４ａに直接流れ、一部はコイル４の外周４ｂよりも内周側の上面に当たりそのままコイル４の上面に沿ってその後主に内周に向けて流れる。搬送ローラ５の下方に達した雰囲気ガスは、ファン３４の攪拌によるガスの流れや冷却室３内の対流により、仕切り壁３３に沿って上方に向けて流れる。

コイル４は、複数並べて設けられた冷却室３を、図１の矢印の方向に向けて搬送されながら熱処理され、冷却工程が終了すると、扉１４、１５を開けて搬出される。

このようにして、加熱室２および冷却室３に、それぞれ加熱用遮蔽板２５、冷却用遮蔽板３５を取り付け、加熱時または冷却時それぞれの場合に雰囲気ガスが吹き付けられる部分を制限することにより、表面キズが発生しやすい位置の膨張または収縮を抑制し、焼鈍工程によるコイルの巻き締まり、巻き緩み起因の表面キズを防止することができる。すなわち、加熱時はコイル４の外周側から加熱し、外周側から優先的に膨張させることで、内周側から膨張して外側の板と強く接触し板表面にキズが発生するのを防ぐ。一方、冷却時は、コイルの内周側から冷却し、内周側から優先的に収縮させることで、内周側から外側の板と強く接触し板表面にキズが発生するのを防ぐ。加熱室２および冷却室３のファン２４、３４は、雰囲気ガスが、搬送ローラ５の下部や加熱室２または冷却室３内の角で滞留しないような風速で、十分に攪拌するようにし、効率よく加熱または冷却する。

なお、コイル４は加熱室２間、冷却室３間および加熱室２と冷却室３の間を間歇的（移動、停止を繰り返す）に搬送されることが好ましい。例えば、一つの加熱処理（冷却処理）を所定時間（例えば１時間）加熱室２で施し、連続する次の加熱室２（冷却室）等に搬送され、そこで所定時間処理され、次の工程に進むなどの動きである。処理中は前述の本発明の加熱処理、冷却処理が行われる。コイル４が一定速度で搬送ローラ５により搬送されると、ファン２４、３４とコイル４との位置関係は常時変化し、コイル４周辺の雰囲気ガスの流れも変化するので、このように間歇的な搬送である方が好ましい。本実施形態では、焼鈍炉１内の複数の加熱室２および冷却室３を、それぞれ１つのコイル４が入るスペースの加熱室２または冷却室３とする。そして、複数の各加熱室２に、図２に示すような熱源としてのバーナ２２、ファン２４、加熱用遮蔽板２５を設置する。同様に、複数の各冷却室３に、図４に示すような冷却源としてのクーラー３２、ファン３４、冷却用遮蔽板３５を設置する。このようにして、加熱工程および冷却工程のいずれも、各室毎に、雰囲気ガスの流れを制御する。また、仕切り壁２３（３３）は、各加熱室２間（各冷却室３間）にわたって延びて設けられていることが好ましい。

本実施形態によれば、加熱室２および冷却室３に、それぞれ雰囲気ガスの流れを制御する遮蔽板２５、３５を設けることで、焼鈍時の表面キズを防止し、生産性を向上させることができる。また、本発明では、コイル４の中空部に冷却ガスの吐出ノズルや冷却管等の装置を設置しないため、コイル４を搬送しながら熱処理を行うトンネル炉方式の連続焼鈍炉１に適用でき、量産時のコスト低減に寄与する。

また、本実施形態では、図１に示すように、焼鈍炉１の中に複数の加熱室２を備えた加熱ゾーンＨと冷却ゾーンＣとを有しているため、焼鈍炉１のコイル４の入口側に近い上流側の加熱室２において初めに高温側で焼鈍を行った後、下流側の加熱室２において温度を下げて低温側で更に焼鈍を行うことにより、１つの焼鈍炉１において、それぞれの温度域で異なる化合物を選択的に析出させて、高い導電性と耐応力緩和特性を両立させた組織を有する銅合金を製造することができる。

なお、本発明は、加熱室２のみを有する焼鈍炉でも適用可能であり、さらに、図１に示すようなトンネル炉方式の焼鈍炉に限ることはない。また、加熱用遮蔽板２５の形状や配置は、コイル４の巻き方やコイル４の熱伝導率、載置方向等に応じて、表面キズが発生しやすい位置の膨張を抑制するように、雰囲気ガスの流れを部分的に遮るものであればよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明にかかる焼鈍炉により、銅合金コイルの焼鈍を実施した。コイルは、図１で示される、入口側および出口側のコイル収容のスペースと加熱ゾーンＨおよび冷却ゾーンＣを備え、加熱ゾーンＨに設けられた８室の加熱室２内において、約７０分ごとに次の加熱室２（加熱ゾーンＨから冷却ゾーンＣに搬送される場合は冷却室３）に間歇的に搬送され、４８０〜５００℃の到達温度で２時間以上保持され、その後、冷却ゾーンＣに設けられた５室の冷却室３で冷却され、冷却室３間は約７０分ごとに次の冷却室３に搬送され、焼鈍炉１から抽出されたときには１００℃以下まで温度が下がっていた。焼鈍工程に要した合計時間（焼鈍炉１にコイル４が入ってから出てくるまでの時間）は１７．９時間であった。

なお、雰囲気ガスは、入口側および出口側のコイル収容スペースも含めて、コストを抑えるために、バーナに使用するブタンガスを燃焼させた排ガスを使用した。酸素よりブタンガスをリッチに調整して燃焼させることで、排ガス中に２体積％程度のＣＯを生成させ、その排ガスを除湿し、炉内へ吹き込んだ。この雰囲気ガスは酸素濃度１５０ｐｐｍ以下であり、ファンによる雰囲気ガスの流速は約２０ｍ／ｓｅｃとした。

同様の組織・特性を得る本発明の遮蔽板等を備えていない従来の焼鈍方法で焼鈍したものと比較すると、加熱速度を大きくできたため、到達温度での保持時間が４５分増加し、また冷却時間も短くできたため、焼鈍工程に要する時間は９．４時間短縮した。

次に、本発明にかかる焼鈍炉により、最も表面キズの発生しやすい純銅系コイルを焼鈍した。巻き締まり及び巻き緩み起因の表面キズ発生率は５．３％であった。従来の焼鈍方法で焼鈍した場合のキズ発生率は２９．５％であり、大幅に改善された。

以上から、本発明によれば、焼鈍工程における表面キズの低減および省エネルギ効果により、大幅なコスト削減を図れることがわかった。

本発明は、コイル状に巻かれた金属板の焼鈍に適用できる。

１ 焼鈍炉
２ 加熱室
３ 冷却室
４ コイル
４ａ 中空部
４ｂ 外周
５ 搬送ローラ
６ トレイ
１１、１２、１３、１４、１５ 扉
２１、３１ 炉壁
２２ バーナ
２３、３３ 仕切り壁
２４、３４ ファン
２５ 加熱用遮蔽板
３２ クーラー
３５ 冷却用遮蔽板
Ｈ 加熱ゾーン
Ｃ 冷却ゾーン

Claims (14)

1. トンネル炉方式の連続焼鈍炉において、円筒状に巻かれた板材コイルを熱処理する設備であって、
   加熱室の天井にファンが設けられ、さらに、前記加熱室内に載置される前記板材コイルと前記ファンとの間に、雰囲気ガスの流れを部分的に遮る加熱用遮蔽板が設けられ、
   前記加熱用遮蔽板は、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの中空部への吹き付けを遮るように設けられており、
   前記加熱室内の雰囲気ガスが、前記ファンによって攪拌されて前記加熱室内の下方へ向けて吹き出され、前記加熱用遮蔽板によって一部が遮られて前記板材コイルに吹き付けられることを特徴とする、円筒状板材コイルの熱処理設備。
2. 前記雰囲気ガスが前記板材コイルの外周部に吹き付けられることを特徴とする、請求項１に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
3. 前記加熱用遮蔽板は、平面形状が円形であることを特徴とする、請求項２に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
4. 前記加熱室が複数連続して設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
5. 前記加熱室に連続して冷却室が設置され、
   前記冷却室は、天井にファンが設けられ、さらに、前記冷却室内に載置される前記板材コイルと前記ファンとの間に、冷却用遮蔽板が設けられ、
   前記冷却室内の雰囲気ガスが、前記ファンによって攪拌されて前記冷却室内の下方へ向けて吹き出され、前記冷却用遮蔽板によって前記板材コイルの外周部への吹き付けが遮られ、前記板材コイルの中空部に吹き付けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
6. 前記冷却用遮蔽板は、平面形状が環状であることを特徴とする、請求項５に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
7. 前記冷却室が複数連続して設けられていることを特徴とする、請求項５または６に記載の円筒状板材コイルの熱処理設備。
8. トンネル炉方式の連続焼鈍炉において、円筒状に巻かれた板材コイルを熱処理する方法であって、
   加熱室内の雰囲気ガスを加熱し、前記加熱室の天井に設けられたファンによって前記雰囲気ガスを攪拌して前記加熱室内の下方へ向けて吹き出し、
   前記加熱室内に載置した前記板材コイルと前記ファンとの間に、加熱用遮蔽板を設けることによって、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの中空部への吹き付けを遮ることを特徴とする、円筒状板材コイルの熱処理方法。
9. 前記雰囲気ガスを前記板材コイルの外周部に吹き付けることを特徴とする、請求項８に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
10. 前記加熱用遮蔽板は、平面形状が円形であることを特徴とする、請求項８または９に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
11. 前記加熱室を複数連続して設け、各加熱室で連続して加熱処理することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
12. 前記加熱室で熱処理した前記板材コイルを、前記加熱室に連続して設置された冷却室へ投入し、
    前記冷却室では、雰囲気ガスを冷却し、前記冷却室の天井に設けられたファンによって前記雰囲気ガスを攪拌して前記冷却室の下方へ向けて吹き出し、
    前記冷却室内に載置した前記板材コイルと前記ファンとの間に、冷却用遮蔽板を設けることによって、前記雰囲気ガスの前記板材コイルの外周部への吹き付けを遮り、前記雰囲気ガスを前記板材コイルの中空部に吹き付けることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
13. 前記冷却用遮蔽板は、平面形状が環状であることを特徴とする、請求項１２に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
14. 前記冷却室を複数連続して設け、各冷却室で連続して冷却処理することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の円筒状板材コイルの熱処理方法。
    

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