JPH0686623B2

JPH0686623B2 - 薄鋼板品の脱炭法

Info

Publication number: JPH0686623B2
Application number: JP58194004A
Authority: JP
Inventors: ケリ−・レナ−ド・バ−ガ−; ジエリ−・ヒルブランド・カスパ−スマ; ジヨゼフ・リチヤ−ド・リユイブリ; バリ−・ミルワ−ド; ロバ−ト・ハリソン・シヤイ
Original assignee: エア−・プロダクツ・アンド・ケミカルス・インコ−ポレ−テツド
Priority date: 1982-10-21
Filing date: 1983-10-17
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: KR860002021B1; ZA837823B; US4450017A; GB8327547D0; MX159517A; DE3338205A1; GB2129445A; BR8305762A; CA1206854A; KR840006373A; GB2129445B; JPS5989726A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はモータや変圧器のような電気装置に使用される
薄鋼板のごとき鉄金属品の脱炭に関する。

ある種の技術的用途に対しては、鋼の炭素含量を低くす
る必要がある。その重要な例は電気モータおよび変圧器
の磁気回路に使用される積層薄鋼板からの炭素の除去で
ある。この場合には、ヒステリシス損を最小にするため
に炭素含量を1000分の数％に下げる必要がある。積層薄
鋼板の炭素含量を低下させるこの方法の一部として、通
常達成されるもう１つの目的は積層体に酸化鉄の薄い付
着性被膜をつくることである。低コンダクタンスを有す
るこの酸化物被膜は積層体を相互に効果的に絶縁して、
電気的損失を大にするうず流を妨げる。その酸化物被膜
は最終部品の表面に均一な暗青色の色として生ずる。

脱炭は普通、純鉄のフエライト−オーステナイト遷移温
度、即ち約910℃（1670゜F）の温度以下で行れる。典型
的な脱炭温度は788℃（1450゜F）であるけれども、必要
ならばさらに高いまたは低い温度を採用することができ
る。遷移温度以下で脱炭を行うことによつて、薄鋼板か
ら炭素が除去される際にα−鉄（フエライト）の大きな
結晶が表面から内部へ成長する。この粗大結晶組織が最
終部品に良好な磁気的性質を与える。

脱炭は、薄鋼板の部品を金属に溶解している炭素が反応
してガス状生成物（これは後で表面から一掃される）を
生成するような組成を有する雰囲気にさらすことによつ
て達成される。従来の熱処理に関する文献は、熱処理雰
囲気中に普通に見出される３つの物質が溶解炭素と反応
してガス状生成物を生成すると述べている。それらの均
質は次の反応の水素、水および二酸化炭素である：Ｃ＋2H₂→ CH₄ （１）Ｃ＋H₂O→ CO＋H₂ （２）Ｃ＋CO₂→ 2CO （３）水は低濃度が有効であり、二酸化炭素は非常にゆつくり
反応し、水素は反応性が極めて低いとみなされる。水と
二酸化炭素は、十分高濃度で存在する場合には次の反応
式に従つて鉄を酸化鉄に酸化することができる： Fe＋xH₂O→ FeO_x＋xH₂O （４） Fe＋xCO₂→ FeO_x＋xCO （５）式中のｘは1.0から1.5までである。

水は酸化剤として二酸化炭素よりも著しく効力がある。
薄い付着性の絶縁被膜を生成する最終酸化が要求される
けれども、脱炭剤が金属表面に自由に接触して、炭素の
外側への拡散が酸化物層によつて妨げられないように、
脱炭プロセス中の酸化は避けなければならない。

さらに、554℃（1030゜F）以上の温度では酸化第一鉄、F
eOが生成し、この温度以下では磁鉄鉱、Fe₃O₄が生成す
るから、550℃以上の温度で酸化物の生成をさすべきで
ないことが重要である。酸化第一鉄は、通常積み重ねて
脱炭される薄鋼板を相互に付着させるが、磁鉄鉱は余り
障害にならない。

伝統的に脱炭雰囲気は多くの方法でつくられてきた。１
つの方法は空気中で天然ガスを燃焼することによるいわ
ゆる発熱ガスの生成を含む。得られた雰囲気は、燃料と
空気との割合、多少水素および一酸化炭素に依存する
が、窒素、二酸化炭素および水からなる。金属の酸化を
防ぐために、そのガスを冷却して大量の水分を凝縮し再
びそれを再加熱する必要がある。天然ガスのコスト上
昇、供給不足および組成の変動が雰囲気をつくる主要源
をますます魅力のないものにしている。

用いられてきたもの１つの雰囲気は米国特許第3,098,77
6号に開示されたような水素と窒素の加湿混合体であ
る。3:1の水素と窒素の混合体はアンモニアのクラツキ
ングによつて生成される。別の方法は比較的低コストの
窒素を用いてそれに少量の水素を添加する方法である。
これらの２種類の雰囲気には、水蒸気または液体（後で
気化する）として水を添加する必要がある。この方法の
利点は雰囲気の組成が一定で処理装置が単純なことであ
る。欠点は、金属表面の初期酸化の可能性を回避するた
めに、雰囲気中の水の濃度を慎重に調節して低レベルに
しなければならないことである。もう１つの欠点は水素
／窒素の雰囲気が発熱を伴う雰囲気よりもコストが高い
ことである。

もう１つの方法は米国特許第4,285,742号に開示されて
おり、それは電気鋼板の脱炭をするのに不活性ガス、
水、および炭素、水素および酸素の化合物からなる混合
体を使用する。特許権所有者によつて固定された炭素、
水素および酸素の化合物は高級脂肪族アルコールおよび
（または）アセトン、またはそれらを添加したメタノー
ルが望ましい。その組成は、炉の雰囲気がその温度で少
なくとも１％の水蒸気を含有するように選定されてい
る。

本願の発明は電動機や変圧器の製造に使用される薄鋼板
のような金属鉄品の脱炭法に関する。脱炭せんとするそ
れらの品物は、１〜20体積％の水素、１〜50体積％の二
酸化炭素、残り窒素からなる混合体を導入することによ
つて炉内に生じる雰囲気下で649℃（1200゜F）〜927℃
（1700゜F）の温度に加熱された炉内に装入される。この
方法の水素源として、0.5〜10体積％のメタノール、１
〜50体積％の二酸化炭素、残り窒素の混合体を炉に導入
することができる。４体積％のメタノール、１〜５体積
％の二酸化炭素、残り窒素の混合体を炉内に導入し、処
理する品物を加熱および冷却して所望の結果を達成する
ことが望ましい。

安くて容易に処理できる一定組成の原料から容易に調製
できる雰囲気は脱炭炉外の処理装置を必要としない。脱
炭工程の容易な調節の外に、金属表面の所望の青熱着色
をすべくより低温で基本の脱炭ガスを変えることができ
る。

一実施態様における本発明の優れた方法は脱炭すべき金
属を約760（1400゜F）〜927℃（1700゜F）の温度で１〜50
％の二酸化炭素、１〜20％の水素および残りが窒素のよ
うな不活性ガスからなる雰囲気にさらすことからなる。
脱炭は迅速に行われ、雰囲気中の二酸化炭素の含量によ
っては、水で行われるのと同程度の速度で行われる。

水素はＣ＋2H₂→CH₄なる式に従つて弱い脱炭作用しかも
たないと言われてきたけれども、二酸化炭素と窒素の雰
囲気へ少量の水素を添加すると著しい加速作用があるこ
とがわかつた。脱炭速度は水素および二酸化炭素だけの
脱炭速度の直線的増加によつて予測される値よりも著し
く大である。水素の作用は、金属の表面を脱炭を抑制し
二酸化炭素の反応によつて生成される吸着酸素のない状
態に保つことである。従つて、要約すると、二酸化炭素
の役目は主として脱炭剤の働きをし、一方水素は吸着酸
素の除去と脱炭の促進作用をする。

脱炭雰囲気はガス状の水素、二酸化炭素および窒素を単
に混合することによつて生じる。また、その雰囲気の水
素成分はメタノールの熱分解によつて生成される。この
場合の二酸化炭素はそれ自体の添加、または次式で示す
ようにメタノールからの一酸化炭素と反応する水の添加
によつて生成される。

CH₃OH → 2H₂＋CO CO＋H₂O→ H₂＋CO₂ 次の実施例は本発明の操作を説明する。

例Ｉ一連の実験は、二酸化炭素、水素および窒素を含有する
雰囲気の存在下で２つの温度、760℃（1400゜F）と927℃
（1700゜F）における鋼からの炭素の損失率（速度）の研
究を行つた。約10.2mm（0.4″）×40.6mm（1.6″）×0.
05mm（0.002″）厚さの低炭素（0.06％Ｃ）鋼ストリツ
プを融解石英管中で微量天秤から吊した。石英管の中心
部は電熱炉によつて囲まれた。石英管内の熱電対が温度
の測定および制御手段を提供した。種々のガス添加物を
含む窒素流を石英管の上方へ流通する手段が設けられ
た。鋼ストリツプの質量変化は電気微量天秤によつて検
出し、ストリツプ・チヤートに記録した。

典型的な実験は不活性ガス（窒素）流をストリツプの上
に流し、炉を所望の実験温度に加熱することによつて行
つた。次に、ストリツプは、窒素、一酸化炭素および水
素の混合体を炉に流通さすことによつて0.06％の受入れ
たままの値から1.3％〜1.5％炭素に炭化された。所望の
重量増大が得られたとき、炭化用ガスを止めて脱炭用ガ
ス（H₂／H₂OまたはH₂／CO₂）を導入した。炉に導入され
るガスの組成は校正された流量計を流れるガスの流量を
調節することによつて設定された、そして炉下部に入る
際にガス流からクロマトグラフ分析用試料を採取するこ
とによつて確認された。

微量天秤で測定された質量変化は試料中の炭素パーセン
トに変換され、その結果をプロットした。２つの代表的
な脱炭実験を図面に曲線で示す。

異なる実験を比較するために、直線図形の傾斜を測定し
た。傾斜は表面反応速度を出すために試験ストリツプの
重量と寸法を組み合せ、単位時間当り単位面積当りに失
つた炭素量（モル）として表す。水素および二酸化炭素
または水蒸気の各種濃度で２つの温度における一連の実
験結果をそれぞれ第Ｉ表と第II表に示す。

これらの表から多くのことが明らかである。第Ｉ表の実
験１は水素を含まない二酸化炭素単独による脱炭速度が
遅いことを示す。実験２〜５において、水素の増加は脱
炭速度の増大をもたらすけれども、表記の相対的増加は
最初の１％の水素によつてもたらされた５倍の増加より
も著しく少ない。実験３と７の比較はCO₂の５倍増加の
結果として炭素の損失速度が５倍増すことを示す。同様
な最初の水準増加より少ない増加率が低温で行つた実験
７〜11に見られる。

第II表は同様に活性剤、水の濃度増大に伴う脱炭速度の
増加を示す。しかしながら、実験１と比較した実験４、
および実験５と比較した実験６の場合のように、水素濃
度増加に伴い脱炭速度が低下している。この低下は、反
応生成物の水素によつて鋼のH₂O脱炭が抑制されると解
釈される。これらの観察は、水素自在は有効な脱炭剤で
はなくてむしろH₂OまたはCO₂の反応が促進されるように
表面を酸化物がないように保つことによつてその有用な
機能を果たすという推論の根拠を支持する。

760℃（1400゜F）における脱炭速度は927℃（1700゜F）に
おける脱炭速度よりかなり低いが、低温におけるCO₂／H
₂の混合体はH₂O／H₂の混合体と殆んど同じ位速く脱炭を
行うことが注目される。厚い加工鋼片での実際の脱炭処
理加工に対しては、脱炭速度は表面における反応速度よ
りもむしろ加工鋼片内の炭素の拡散速度によつて制御さ
れるようになるから、二酸化炭素を主成分とした系が水
を主成分とした系と同じように十分有効になる。

例II 一連の脱炭および青熱着色実験は連続ベルト炉内のN₂／
H₂／H₂OおよびN₂／H₂／CO₂の供給ガス混合体成分中で固
定子積層体の束（又は巻物）で行つた。下記の流入混合
体を炉の加熱ゾーンに送り、20％のCO₂を含むCO₂とN₂の
混合ガスを冷却ゾーンに送つた。加熱ゾーンおよび冷却
ゾーンの温度と滞留時間はそれぞれ816℃（1500゜F）×4
5分、427℃（800゜F、初期）×20分であつた。積層体は
最初0.053〜0.060％の炭素を含有していた。

CO₂での青熱着色はより均一で、良好な色となり、付着
が少なく、脱炭による残留炭素量が少なかつた。さらに
実験した結果、CO₂の実験はH₂Oの実験による微細結晶の
顕微鏡組織に比べて望ましい粗大結晶の顕微鏡組織を有
した。

一方、本発明のもう１つの実施態様では、脱炭せんとす
る品物（金属）が液体メタノール、二酸化炭素、および
窒素の混合体を炉に送入することによつて得られた炉雰
囲気にさらされる方法を利用する。そのメタノールが解
離して、炉雰囲気に水素を提供して効果的な脱炭をす
る。実験IIIは二酸化炭素および（または）水蒸気を含
むメタノール−窒素をベースにした雰囲気を使用した予
備実験の結果を要約する。

実験III 一連の脱炭実験は、バツチ炉内782℃（1440゜F）で60分
間、N₂/MeOH/CO₂およびN₂/MeOH/H₂Oの混合体中における
固定子積層巻物（巻鉄心）で行つた。それらの積層体は
最初の0.039％の炭素を含有した。流入する混合体は下
表に示す。メタノールは流体として流入した。

実験１は付着と酸化を示した。実験２と３は積層体の優
れた脱炭と少しの付着を示した。

以上要約した研究の結果として、約0.05％の初期炭素含
量を有するストリツプ鋼についてメタノール−二酸化炭
素−窒素およびメタノール−水蒸気−窒素の混合体を使
用してさらに脱炭試験を行つた。60〜70片の束にして置
いたストリツプは、第III表に示した流入混合体および
炉雰囲気を利用して炉内で760℃に２時間45分加熱し、6
50℃に１時間15分保持し、しかる後に100％窒素の雰囲
気中において350℃以下に冷却した。

第III表から１〜５％の二酸化炭素を含むメタノール−
窒素の流入混合体が効果的な脱炭をすることがわかる。

メタノール−水−窒素の送入混合体を使用した試験は不
成功であつた。実験５の試験におけるストリツプはFeO
に酸化されるために、大切な脱炭反応が生じないと考え
られる。これは、酸化なしの制御脱炭は水分よりもCO₂
によつて容易に達せられるという前述の所見と一致し
た。

【図面の簡単な説明】図は、窒素−二酸化炭素雰囲気中において厚さ0.05mmの
低炭素鋼積層片の脱炭速度に及ぼす水素の影響を示す炭
素％と時間との関係曲線を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジヨゼフ・リチヤ−ド・リユイブリアメリカ合衆国18055ペンシルバニア州ヒラ−タウン・レザボワ−・ロ−ド536 (72)発明者バリ−・ミルワ−ドアメリカ合衆国70068ルイジアナ州ラプレイス・ラフイツト・ドライヴ1821 (72)発明者ロバ−ト・ハリソン・シヤイアメリカ合衆国19530ペンシルバニア州カツツタウン・ボツクス313−13ア−デイ −・ナンバ−１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄鋼板品を649℃（1200゜F）〜927℃（1700
゜F）の温度に維持された加熱炉内へ装入する工程と；ガス状または液体の0.5〜10体積％のメタノール、1/5体
積％の二酸化炭素、残り窒素の混合体を加熱して、前記
メタノールの分解から得た１〜20体積％の水素と、１〜
50体積％の二酸化炭素と残り窒素からなる混合体を前記
加熱炉に送入して、該加熱炉内に脱炭雰囲気をつくる工
程と；前記の温度および雰囲気下で、所定の脱炭をするのに十
分な期間、前記薄鋼板品を保持する工程；前記薄鋼板品を室温に冷却する工程と；からなることを
特徴とする薄鋼板品の脱炭法。
【請求項２】前記加熱炉が927℃（1700゜F）の温度に維
持され、前記送入混合体が少なくとも4.9体積％の二酸
化炭素と、2.1体積％の水素ガスと、残り窒素からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】前記炉温が760℃（1400゜F）に維持され、
前記送入混合体が少なくとも4.55体積％の二酸化炭素
と、6.6体積％の水素ガスと、残り窒素からなることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】薄鋼板品を816℃（1500゜F）の温度に加
熱、保持し、続いて初期冷却によって427℃（800゜F）に
冷却し、18.5体積％の二酸化炭素と、10体積％の水素ガ
スと、残り窒素からなる流入混合体によってつくられる
雰囲気下の前記加熱および冷却工程から室温へ冷却する
ことによって脱炭および青熱着色することを特徴とする
薄鋼板品の脱炭法。