JPWO2013100191A1 - コイル用バッチ焼鈍炉 - Google Patents

Abstract

バッチ焼鈍炉は、コイルの端面が載置され、コイルの軸を立てた状態でコイルを支持するコイル支持台と、このコイル支持台に載置されたコイル全体を覆うインナーカバーと、このインナーカバーの上部からコイル支持台に載置されたコイルの内周部分の空洞内に垂下されるとともに、自身内部に冷媒が通されることでコイルを内面側から冷却する冷却管とを有する。

Description

本発明は、鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍するためのコイル用バッチ焼鈍炉に関するものである。

近年、環境対策を目的として、鋼材の更なる高特性化により種々の機器の軽量化や小型化が求められている。例えば自動車分野では、環境への対応として、軽量化により燃費を向上させて排出ガスを低減するとともに、衝突に対する強度を高くして安全性を確保することが求められ、加えてコストも下げなければならないという、それぞれ相反する要求が一層高まっている。それらに対する回答の一つとして、鋼板のハイテン化を含めた特性改善が重要な課題である。また、機能性材料である電磁鋼板についても、種々の機器に使用しようとした場合、軽量化や小型化の問題が切り離せない。このような課題に対し、電磁鋼板では電磁特性の改善が必須である。

鋼板の特性を改善する方法の一つとして、バッチ焼鈍による特性改善がある。例えば、自動車や家電に多く使用されている冷延鋼板を成形する際に発生し得るストレッチャーストレインの不具合や、缶を成形する際に発生し得るフルーティング現象等を改善するために、焼鈍と調質圧延によりその現象を回避することができる。

焼鈍をどのように行うかによって調質圧延およびその後の歪み時効は変化する。すなわち、バッチ焼鈍か連続焼鈍かで目的が異なってくる。バッチ焼鈍は、加熱・均熱時間を長くとることができるため、固溶してある炭素（Ｃ）や窒素（Ｎ）等を析出させやすい。そのため、バッチ焼鈍は、軟質化が得やすく、時効効果が小さい特性を有する鋼板を得ることができる。連続焼鈍においてはその逆となる。

また、電磁鋼板においてバッチ焼鈍は非常に重要な役割を果たす。つまり、電磁鋼板において、バッチ焼鈍炉における焼鈍は、単なる固溶元素の析出のみならず、再結晶化を行わせることにより本来の目的である電磁鋼板の特性を得ることができる。換言すれば、電磁鋼板（円筒状に巻回されてコイル状とされている）において、バッチ焼鈍炉における焼鈍は、省略もしくは他の手段に替えることができない欠くべからざる製造工程である。

しかし、焼鈍によって得られたコイルには、若干の欠陥（コイル上部の「耳伸び」や、コイル下部の「耳歪み」、コイル中央部の「腹伸び・縦じわ」等、さらに特定の相変態を伴う特性向上が図られない等の特性低下の欠陥）が含まれていた。そのため、その欠陥コイルを鋼材として使用するために、形状欠陥に対してはリコイリングラインにおける欠陥検知システムやテンションレベラーを通すことにより、欠陥の摘出および欠陥部の除去、さらに形状を補正して製品として使用できるようにしている。このため、焼鈍によって得られたコイルは、製品化するまでに歩留まりの低下、生産効率の低下、並びに、検査および形状補正に伴う大きなコストが問題となっていた。

また、焼鈍によって得られたコイルが、特性向上に対して設定以上の特性を得られていない場合には、劣化部分を切り捨てて使用している。そのため、コイルを検査ラインに通し、マーキングとオンライン切捨てを実施し、コイルの再度巻き取りを実施しなければならない。そのため、製品合格率や生産効率の低下を招くという問題がある。また、ラインにコイルを再度通して特性測定をしながらコイルを巻き取るため、それを実施するコストが上乗せされるため非常に大きなコスト増加となるという問題がある。

そこで、このようなバッチ焼鈍炉における種々の問題点に対しては、従来から以下のような種々の対策が提案されており、これらの対策を施すことで、従来よりも対策後の欠陥発生を低減可能としている。

例えば、特許文献１に記載の技術は、コイル内部に発生する欠陥を観察して、それらの欠陥に対して対策を実施している。つまり、特許文献１に記載の技術は、コイルの外周側下部に発生する欠陥を低減するために、板厚の異なるコイルを溶接し、外側に厚い板厚、内側に薄い板厚がくるようにリコイリングすることで、一つのコイルとしてから焼鈍を実施している。

また、特許文献２に記載の技術は、コイルの鋼板の密着と巻き緩みについて解決すべく、冷却時の温度差を管理することで密着および巻き緩みを防止しようとしている。

また、特許文献３に記載の技術は、バッチ焼鈍炉の構造をインナーカバー付の二重構造として冷却速度の温度条件を５．０〜１５．０℃／Ｈｒとすることで、焼きつき疵の問題を解決し得るとしている。

また、特許文献４には、炉の加熱・冷却を速度で管理するのではなく、焼鈍時に焼きつきの発生する限界応力と温度との関係を半径方向において求め、それをもとに疵を回避する方法が開示されている。

また、特許文献５、特許文献６においては、焼鈍炉において焼鈍中に発生するコイル欠陥およびその対策が述べられている。例えば特許文献５には、コイルのバックリングについてコイルの内側にカバーを行い、防止する方法が開示されている。また、特許文献６では、コイルに発生する欠陥に対して炉内を均一温度分布とすることで解決する事項が述べられている。その際に、特許文献６に記載の技術は、炉のインナーカバーを断熱材にて覆う若しくは内張りすることで均一な温度分布を与えるように加熱を実施している。

さらに、特許文献７に記載の技術は、炉のインナーカバーの中央部に凹型のへこみを作製し、このへこみによって加熱時にコイルの内部からも加熱するようにし、コイル内部の温度分布を均一にしている。また、特許文献７に記載の技術は、冷却時においても、同様の効果によってコイル内の温度分布を均一にしている。そして、これにより、特許文献７に記載の技術は、コイル内に発生する応力を低減し、欠陥を低減すると同時に加熱・冷却時間の低減を図り、生産性の向上を可能とする方法が開示されている。

また、特許文献８には、炉内にコイルの加熱・冷却を実施できる装置を入れて、コイルの内外面を直接加熱・冷却することにより、コイル内部温度を均一化し、欠陥の低減と同時に生産性の向上を図る技術が開示されている。

特開昭５９−３５６３５号公報 特開平５−２８７３９０号公報 特開平５−２９５４５３号公報 特開平１１−２９３３４８号公報 特開２００６−２７４３４３号公報 特開２００６−２５７４８６号公報 特開２００８−１９５９９８号公報 特開２００５−２２６１０４号公報

ぶりきとティンフリースチール：アグネ（版），東洋鋼鈑株式会社（著）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、コイルを焼鈍する際には、必ず厚い板厚と薄い板厚を有するコイルを準備する必要があるので、非常に生産の効率が悪くなる。さらに、リコイリングも実施しなければならず、工程が煩雑になるだけでなく、コスト増にもかかわってくるという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術は、冷却時の温度差を管理することで密着および巻き緩みを防止しようとするものの、欠陥は、実際には加熱・均熱時にも発生しているので、冷却時のみの温度差管理では根本的な解決にはならない。

また、特許文献３に記載の技術は、バッチ式の焼鈍炉の構造をインナーカバー付の二重構造として冷却速度の温度条件を５．０〜１５．０℃／Ｈｒとすることで、焼きつき疵の問題を解決するとしているものの、冷却の際の温度降下はかなり遅いので、効率の面を考慮すると工業化は難しいという問題がある。

また、特許文献４には、焼鈍時に焼きつきの発生する限界応力を求めて、それ以下で焼鈍する方法が開示されているが、限界応力は、コイル材質・形状さらにはバッチ焼鈍炉の状態によっても異なってくる。そのため、都度の応力計算が必要となり手間がかかる。加えて、加熱・冷却時間は必要であり、焼鈍を実施するためにはかなりの時間が必要となるという問題がある。

また、特許文献５には、コイルの内側にカバーを行い、コイルのバックリングを防止する技術が開示されているものの、コイルのカバーによる座屈に対する温度分布についての影響が不明であり、よって、完全にコイル欠陥が低減するかどうかは不明である。

また、特許文献６に記載の技術は、炉のインナーカバーを断熱材にて覆う若しくは内張りすることで炉内の温度分布を均一にしているが、断熱材が張られているインナーカバーの加熱に際して、最適なコイル温度分布が得られているかどうかは不明である。よって、この対策により完全にコイル欠陥が低減するかどうかが不明である。

また、特許文献７に記載の技術は、炉のインナーカバーの中央部に凹型のへこみを作製し、加熱冷却時のコイル内部の温度分布を均一にして欠陥の低減を図り、これにより、加熱・冷却時間の短縮を図っている。しかしながら、インナーカバーの中央部に凹型のへこみを作製するのみでは、コイル内の温度が完全には均一にならない。そのため、やはり応力が発生するので、安定して高品質のコイルを製造する上では不十分である。

また、特許文献８に記載の技術は、炉内にコイルを加熱・冷却可能な装置を入れて、コイルの内外面を直接的に加熱・冷却することにより、コイルの内部温度の均一化を達成し、欠陥の低減と同時に生産性の向上を図るとしている。しかしながら、このような構成では、炉内に配置する装置およびその稼働費用が従来に比較して非常に高いものとなる。そのため、コスト高となり、操業上のメリットが得られないという問題がある。

このように、従来のバッチ焼鈍において、焼鈍時にコイルに発生する種々の欠陥（耳伸び・耳歪み・縦般等）について、上記特許文献１ないし特許文献８に例示するような種々の解決が図られているものの、未だ抜本的な解決策はなく、また解決策はあっても実施する上では生産効率の低下やコスト高を招く結果となっている。そのため、欠陥発生による非効率およびコスト高をとるか、上記文献に示される対策により欠陥の低減を図ると同時に非効率およびコスト高を取るかの二者択一の状態となっているのが現状である。

そこで、本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍するためのバッチ焼鈍炉において、コイルの焼鈍時に発生するコイル欠陥を低減するとともに、生産性を確保しつつさらにコスト面についても有利なコイル用バッチ焼鈍炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉は、鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍するためのコイル用バッチ焼鈍炉であって、前記コイルの端面が載置され、前記コイルの軸を立てた状態で前記コイルを支持するコイル支持台と、前記コイル支持台に載置された前記コイル全体を覆うインナーカバーと、前記インナーカバーの上部から前記コイル支持台に載置された前記コイルの内周部分の空洞内に垂下されるとともに、自身内部に冷媒が通されることで前記コイルを内面側から冷却する冷却管とを有することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉において、前記冷却管は、円筒状の内管と、該内管を囲繞する円筒状の外管とからなる二重管によって構成されており、前記内管が、冷媒を前記インナーカバーの上部側から前記コイル支持台側に向けて導入する導入管路とされるとともに、前記外管と前記内管との間の領域が、冷媒を前記コイル支持台側から前記インナーカバーの上部側に戻す戻し管路とされており、当該導入管路および当該戻し管路内を流れる冷媒の流れの向きを変える箇所において、前記外管の半径の１／２以上を径とした下方に凸の半球形状を有する底板部で流れの向きを反転させていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉において、前記冷却管は、冷媒を前記インナーカバーの上部側から前記コイル支持台側に向けて導入する導入管路と、前記導入管路に導入された冷媒の流れの向きを前記インナーカバーの上部側に向けるように変える湾曲管路と、前記湾曲管路で流れの向きを変えた冷媒を前記インナーカバーの上部側に戻す戻し管路とを有することが好ましい。

また、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉において、前記導入管路に接続する前記湾曲管路が複数の管に分割されることで、前記戻し管路が２以上とされていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉において、前記導入管路および戻し管路の少なくとも一方は、下流に向かうにつれてその管径が拡大されていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉において、前記冷媒は気体であって、当該気体が、空気、または、純窒素、純アルゴン若しくはヘリウム等の不活性ガス、または、酸素若しくはフッ素等の酸化性ガスを低減した空気と前記不活性ガスとの混合ガス、または、水素若しくは一酸化炭素等の還元ガスと前記不活性ガスとの混合ガスであることが好ましい。

本発明によれば、鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍するためのコイル用バッチ焼鈍炉において、焼鈍中に発生するコイル欠陥（耳伸び（コイル上部）・耳歪み（コイル下部）・腹伸び・縦じわ・鋼板密着等の形状欠陥、および、特定の相変態を伴う特性向上が図られない等の特性低下の欠陥）を低減し、コイル焼鈍後の工程効率および生産性を向上させ、コストを低減するとともに鋼板特性の向上を図ることができる。

さらに、本発明を適用することにより、従来では不可能であった１個のコイル内に発生する特性のばらつきを抑制することが可能となった。これにより、さらに高い特性を焼鈍工程において狙うことが可能となり、製品の高品質化も期待できる。

図１は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の第一実施形態を説明する模式図（断面図）である。 図２は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の第二実施形態を説明する模式図（断面図）である。 図３は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の第三実施形態を説明する模式図（断面図）である。 図４は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の各実施形態による流量の比較を説明する図であり、同図は、検討モデルの寸法をそれぞれ示している。 図５は、図４の各検討モデルでの吐出流量（流速２０ｍ／ｓ）の差異のイメージを示している。 図６は、図４の各検討モデルでの吐出流量（流速５０ｍ／ｓ）の差異のイメージを示している。 図７は、図４の各検討モデルでの吐出部分を通過する気体の排気量の差異のイメージを示している。 図８は、図４の各検討モデルでの吐出部分を通過する気体の排気量の差異を示すグラフであり、同図（ａ）吐出流量：流速２０ｍ／ｓ、（ｂ）は吐出流量：流速５０ｍ／ｓの例である。 図９は、伝熱計算モデルの例を示す図である。 図１０は、計算の温度結果と実際の測定温度結果を比較するためにこれを併せて示したグラフ（（ａ）〜（ｆ））、およびそのグラフに対応するコイル上の位置を示す図（（ｊ））である。 図１１は、計算の温度結果と実際の測定温度結果を比較するためにこれを併せて示したグラフ（（ｇ）〜（ｉ））、およびそのグラフに対応するコイル上の位置を示す図（（ｊ））である。 図１２は、同図（ａ）は、コイル内に発生する応力の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）での対応するコイルの向きを示す図である。 図１３は、焼鈍中のコイル内に発生する最大応力（絶対値）を比較して示すグラフ、（ｂ）は（ａ）での対応するコイルの向きを示す図である。 図１４は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の冷却管の変形例（第一変形例）を示す図である。 図１５は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の冷却管の変形例（第二変形例）を示す図である。 図１６は、従来のコイル用バッチ焼鈍炉の一例を説明する模式図（断面図）である。 図１７は、従来のコイル用バッチ焼鈍炉の他の例を説明するための第一の比較例の模式図（断面図）である。 図１８は、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉を説明するための第二の比較例の模式図（断面図）である。 図１９は、従来のバッチ焼鈍炉の構造（中実構造）の一例を説明する図であり、同図（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は軸方向の断面図、（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図、（ｄ）は（ａ）でのコイル支持台部分を一部破断して示す図である。 図２０は、従来のバッチ焼鈍炉でのコイルの熱膨張変形を説明する要部断面図であり、同図（ａ）は加熱時を、（ｂ）は冷却時を示している。 図２１は、従来のバッチ焼鈍炉において、加熱・冷却時のコイル熱膨張変形に伴い、内部と外部との間で発生する「ずれ変形」を説明する要部断面図であり、同図（ａ）は加熱時を、（ｂ）は冷却時を示している。

まず、本発明を想到するに至った経緯について説明する。本発明者らは、以下のような過程により、コイルに生じる欠陥の原因について詳細に調査を実施して欠陥の発生機序を特定した。

図１６は、従来のコイル用バッチ焼鈍炉（以下、単に「バッチ焼鈍炉」ともいう。）の構造について簡単に示す模式図である。同図に示すように、従来のバッチ焼鈍炉１００は、炉内の温度斑（ムラ）を発生させないように、炉壁８内のインナーカバー７をその外側から複数のバーナー５で加熱するとともに、コイルＣを保持しているコイル支持台２の下部の炉底９側からもヒーター６によって加熱する。これにより、炉内はほぼ均一な温度となっている。加熱は予めプログラムされており、目標温度に追随するようになっている。

従来は、炉内部の温度を測定し、炉内の温度分布を得て、その分布を低減するように加熱法や炉の外壁の構成を変更していた。しかし、それだけでは不十分であり、上述した欠陥が発生する場合があった。そのため、完全に従来の製造工程をなくすことができず、結局、生産性を上げつつコストを下げることができなかった。

そこで、本発明者らは、コイルＣの内周部分ＣｎおよびコイルＣを保持しているコイル支持台２等についても熱電対により温度を測定した。また同時に伝熱計算を行い、熱電対にて温度測定できない部分においても温度分布を求め、コイルＣへの影響を測定した。その結果、従来は考えもしなかった結果が得られた。

つまり、従来は、定性的にコイルＣの内周部分Ｃｎでの温度分布により伸び歪みが発生していると考えられてきた。しかし、上記の伝熱計算を実施したところ、温度分布によるコイルＣの変形は、想定以上に板形状に大きな影響を与えており、従来は単純に熱変形により耳伸び・耳歪み・腹伸び・縦じわ等の欠陥が発生していると考えられたが、それらは単純に発生しているのではないことが明らかとなった。

具体的には、炉底９およびインナーカバー７の外側から炉内が加熱されると、その熱放射によって炉内のコイルＣが加熱され、コイルＣの外周部分Ｃｓが最初に温度が上昇することとなる。そのため、加熱時には、コイルＣの外周部分Ｃｓが内周部分Ｃｎに比較して熱膨張が大きくなり、コイルＣは、図２０（ａ）に符号αで示すように、自身の外周部分Ｃｓの下端部で自身を持ち上げて保持した状態となる。

さらに、加熱時には、コイルＣの外周部分Ｃｓの上端部の温度が上昇しているので、コイル上端に相当する部分の熱膨張量が大きく、同様に、コイル下端部でも熱膨張により伸びる。そのため、巻回されている鋼板の中央部分がコイル上下の伸びに引きずられて伸ばされ、これが腹伸びの原因となる。また、外周部分Ｃｓの下端部が外側に膨らむことより、単に膨張による耳歪みとなるだけでなく、軸方向を立てた姿勢のコイルＣの重量をこの箇所で支えるため、これによる変形も発生する。よって、コイルＣが膨張する際にコイルＣの下部のコイル支持台２（介装されたクッション３上に配置されたスペーサ４）との摩擦による変形も生ずることとなる。

また、冷却時には、放射冷却によってコイルＣが冷却されるので、コイルＣの外周部分Ｃｓから冷却が行われる。そのため、図２０（ｂ）に符号βで示すようにコイル形状が変形され、コイルＣの内周部分Ｃｎの下端でコイル全体の重量を支えることとなり、これが内周付近の下端部のコイル変形につながる。つまり、コイルを焼鈍する際の変形を防止しようとする場合、従来考えられていたような単なる昇温速度および冷却速度の緩和や均一な炉壁からの熱放射のみでは対応が不可能であることが明らかとなった。

加えて、新たな原因不明の欠陥（焼鈍中の板の密着現象）についても、これらの温度測定実験および解析でその原因が明らかとなった。それは、焼鈍後にコイルの一部の鋼板が密着するという現象が見られていたが、これまでは、その原因については不明であったところ、今回、温度測定及び伝熱計算を実施し、コイルＣが熱膨張により図２１に示したように変形することが明らかとなった。つまり、図２１（ａ）および図２１（ｂ）に符号γで示すように、コイルＣの焼鈍中に、コイルＣの軸方向に沿って鋼板の「ずれ」が発生する場合があることが判明した。そして、この結果に対してコイルの密着した箇所での鋼板の「ずれ」の大きさを測定したところ、その大きさが計算で得られた変形の大きさとほぼ同じであることが判った。但し、この「ずれ」がいつ発生するかは種々の場合があるため一概には言えないが、これらの結果より「ずれ」の発生はコイルの熱変形および熱応力に起因していることは明らかである。

また、焼鈍における特性劣化についてもこれらの熱変形および熱応力が関係していることが明らかとなった。つまり、特性改善のための相変態はコイルＣの加熱時から均熱にいたるまで実施されている。一般にコイルＣはその外周部分Ｃｓから幅射によって加熱されているが、同時に幅射によって内周部分Ｃｎも加熱されている。特に昇温速度を速めてコイル温度を早期に目標温度まで高めようとすれば、コイルＣの内周部分Ｃｎまで幅射がなされ、コイルＣの内部からも温度が上昇する。昇温速度を速めるために炉底９からも加熱すれば、幅射が炉底９よりなされ、そのためコイルＣの内周部分Ｃｎがさらに加熱され、内部からの温度上昇がより大きくなる。このことにより、外周部分Ｃｓからの加熱時においても内周部分Ｃｎの膨張によってコイル内部には圧縮応力が発生し、それがコイルＣを持ち上げる原因と考えられる。同時にこの値が大きな場合、コイル内部に圧縮応力が発生し、さらにそれが相変態の進展を妨げる原因となると考えられる。

図９は、上述した伝熱計算に用いた伝熱計算モデルを説明する図である。図９（ａ）は、モデル化の元となるバッチ焼鈍炉（図１６のバッチ焼鈍炉１００または後述する図１のバッチ焼鈍炉１）とコイルＣの断面の右半分（１／２）の例を示す。この図９（ａ）を元に、周期対称として中心から１５°をモデル化している（図９（ｂ）に示す。）。発熱部は、炉壁８の壁面（図９（ｃ）に示す。）と炉底９の一部（図９（ｄ）に示す。）とに設ける。図９（ｃ）の壁面の発熱部には、炉壁８のバーナー５からの熱流束を与える。図９（ｄ）の炉底９における発熱部は、電熱線により実際に加熱が行われている部位を設定し、電熱線による熱流束を与える。この伝熱計算モデルを用いて、有限要素法によりコイルＣの内部温度分布を求め、この内部温度分布の結果からコイルＣの内部応力を数値計算で求める。コイルＣの内部応力の計算は伝熱計算と連成して行うが、計算時間短縮を図るため、局所的な熱膨張差は小さいとして弱連成とする。コイルＣの内部応力については、高温クリープによる影響が無視できないため、内部温度分布に加えて高温クリープのデータも用いて内部応力計算を行う。加えて、コイルＣを受けているコイル支持台２、クッション３およびスペーサ４についても伝熱計算を合わせて行い温度分布を算出し、この温度分布から熱による変形を算出する。そして、熱により変形したコイル支持台２、クッション３およびスペーサ４と、コイルＣとの接触の影響も考慮する。以下説明する本発明の実施形態例であるバッチ焼鈍炉１（図１〜図３）および従来例であるバッチ焼鈍炉１００（図１６〜図１９）に関する伝熱計算とコイルＣの内部応力計算についても、モデル化の元となるバッチ焼鈍炉を図９（ａ）のバッチ焼鈍炉１またはバッチ焼鈍炉１００として適宜入れ替えて用い、同様のモデルを作成して同様の手法にて行う。

本発明者らは、このような欠陥の発生機序についての知見に基づき、本発明を想到するに至った。以下、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉の一実施形態について説明する。このバッチ焼鈍炉は、鋼板に種々の特性を与えるために、鋼板が円筒状に巻回されたコイルの焼鈍を実施するものである。

本発明の一態様に係るバッチ焼鈍炉の第一実施形態の模式図を図１に示す。比較のために、図１６、および図１９に示す従来のバッチ焼鈍炉の模式図を参照しながら本発明の一態様に係るバッチ焼鈍炉の構成を説明する。上述した説明を含め、同様のまたは対応する構成には同一の符号を付している。

図１に示す本実施形態のバッチ焼鈍炉１と図１６（図１９）に示す従来のバッチ焼鈍炉１００との構成の大きな違いは、本実施形態のバッチ焼鈍炉１は、従来のバッチ焼鈍炉１００では有しない冷却管１０を、コイルＣの内周部分Ｃｎに有する点にある。

詳しくは、図１等に示すように、本実施形態のバッチ焼鈍炉１および従来のバッチ焼鈍炉１００は、炉壁８内にコイル支持台２が設けられている。コイル支持台２は、コイルＣの端面が載置されてコイルＣの軸を立てた状態で支持する台である。コイル支持台２の上面に、クッション３およびスペーサ４を介してコイルＣが載置される（図１ではクッション３およびスペーサ４の図示を省略）。また、載置されたコイルＣとコイル支持台２全体を覆うように炉壁８内にインナーカバー７が配置されている。そして、炉内の温度斑（ムラ）を発生させないように、炉壁８内のインナーカバー７をその外側から複数のバーナー５で加熱するとともに、コイルＣを保持しているコイル支持台２の下部の炉底９側からもヒーター６によって加熱し、これにより、炉内はほぼ均一な温度とされるようになっている。加熱は予めプログラムされており、目標温度に追随するように設定される。

本実施形態のバッチ焼鈍炉１は、インナーカバー７の上部からコイル支持台２に載置されたコイルＣの内周部分Ｃｎの空洞内に垂下されるとともに、自身内部に冷媒が通されることでコイルＣを内面側から冷却する冷却管１０を有する。この本実施形態の冷却管１０は、円筒状の内管１１と、この内管１１を囲繞する円筒状の外管１２とからなる二重管によって構成されており、内管１１が、冷媒をインナーカバー７の上部側からコイル支持台２側に向けて導入する導入管路とされるとともに、外管１２と内管１１との間の領域が、冷媒をコイル支持台２側からインナーカバー７の上部側に戻す戻し管路とされている。さらに、この冷却管１０は、当該導入管路および当該戻し管路内を流れる冷媒の流れの向きを変える箇所（同図の最下端の位置）において、外管１２の半径の１／２以上を径とした下方に凸の半球形状を有する底板部１３で流れの向きを反転させている。内管１１の上部の開口部（冷却管１０内を通される冷媒の入口）１４は、漏斗状に形成されて上部に向けて拡径している。

冷却管１０内を通される冷媒は気体であって、この気体としては、空気、または、純窒素、純アルゴン若しくはヘリウム等の不活性ガス、または、酸素若しくはフッ素等の酸化性ガスを低減した空気と前記不活性ガスとの混合ガス、または、水素若しくは一酸化炭素等の還元ガスと前記不活性ガスとの混合ガスであることが好ましい。

次に、図１に示す本実施形態のバッチ焼鈍炉１と図１６（図１９）に示す従来のバッチ焼鈍炉１００との作用効果の相違について説明する。

図１６に示すように、従来はコイルＣの内周部分Ｃｎが単に空洞の状態で焼鈍されるようになっていた。そのため、インナーカバー７からの幅射および炉底９にあるヒーター６からの幅射によってそのまま加熱されており、コイル温度を所望の温度まで上げようとすると、コイルＣの内周部分Ｃｎの温度も上昇せざるを得なかった。そのため、図１９（ｂ）に示すように、従来はコイルＣの内周部分Ｃｎの温度を低く抑えようとして、断熱材１１０をコイルＣの上部に配置して幅射熱が内周部分Ｃｎの空洞内に入るのを防止していた。しかし、これも完全ではなく、断熱材１１０を通しても幅射が行われ、炉底９のヒーター６からの幅射もあるためコイル内側の温度上昇は免れなかった。

そのため、従来はコイルＣの内周部分Ｃｎを外周部分Ｃｓよりも低温に保持するように加熱するために、昇温速度を遅くして加熱していた。ただし、炉内冷却ではどうしてもコイルＣの内周部分Ｃｎの温度が高くなる。そのため、冷却速度を遅くして温度分布をコイル品質に影響のない程度まで落として冷却する必要があった。これにより、さらなるコスト増となっていた。

これに対し、本実施形態のバッチ焼鈍炉１では、焼鈍時間の短縮化と高品質を維持するという問題を同時に解決すべく、コイルＣの内周部分Ｃｎの空洞内に冷却管１０を配することで、冷却管１０の外側にコイルＣを配置する構造としたのである。これにより、バッチ焼鈍炉１によれば、冷却管１０が、インナーカバー７の上部からコイル支持台２に載置されたコイルＣの内周部分Ｃｎの空洞内に垂下され、自身内部に冷媒が通されることで、コイルＣを内面側から冷却することができるので、コイル内側の温度上昇を抑えることができる。

このバッチ焼鈍炉１は、図１６に示した従来のバッチ焼鈍炉１００と比較して、一見すると単に冷却管１０があるだけと考えられるが、実際には大きな違いがある。

詳しくは、本実施形態では、図１に模式図を示したように、コイルＣの内周部分Ｃｎの空洞内に冷却管１０を配置し、この冷却管１０内に冷媒（冷却用気体）を通してコイルＣをその内周部分Ｃｎ側から冷却するものである。つまり、このバッチ焼鈍炉１の冷却管１０は、炉内に冷却用気体を直接噴きつけるものではなく、輻射伝熱によってコイルＣを内側から冷却する。これにより、本実施形態によれば、これを加熱時に適用することでコイル内部に熱応力を発生させることなく加熱できると同時に、冷却時にはコイルＣを内側から冷却することにより従来の冷却速度よりも大きな速度で効率良く冷却することができる。

これに対し、図１６に示した従来のバッチ焼鈍炉１００では、バーナー５でインナーカバー７を外部から加熱して、インナーカバー７の幅射熱でコイルＣを加熱するのみである。そのため、コイル材質によっては、この加熱時にコイルＣ内部に品質に影響しない範囲の応力となるように加熱・冷却を要するため、焼鈍時間が長くなってしまう。よって、本実施形態のバッチ焼鈍炉１同様の作用効果を奏することができない。

また、図１７に示す第一の比較例は、単なる円筒状の冷却管１２０をコイル内部に垂下した例であるが、これは特許文献７に示されるものと同様に、積極的な加熱・冷却を行なっていない。そのため、加熱時には冷却管１０とコイル内部との隙間（凹部）に加熱ガスが回り込むことから、コイル内部からも加熱され、それにより加熱時間の短縮が図られる。さらに冷却時にも同様のことが言える。つまり、この構成では、結果として、特許文献７に温度分布が示されているように、コイルの肉厚方向で加熱時には温度分布が下に凸、冷却時には上に凸となるため、やはり応力が生じ、それを回避するためには加熱・冷却速度を規定する必要が生じるため不十分なものとなる。よって、やはり本実施形態のバッチ焼鈍炉１同様の作用効果を奏することができない。

さらに、図１８に示す第二の比較例は、単なる円筒状の冷却管１２０内に積極的に冷媒を通すことで図１に示した本実施形態のバッチ焼鈍炉１の構成によって奏する効果と同様の効果を得ようとしたものであるが、このような単なる円筒状の冷却管１２０では、冷却管１２０内に冷媒となる気体が円滑に入っていかない。そのため、やはり本実施形態のバッチ焼鈍炉１同様の作用効果を奏することができない。

次に、図１に示した本実施形態のバッチ焼鈍炉１の効果を検証するために、上記バッチ焼鈍炉１を第一実施形態とし、その冷却管１０の形状と、本発明の他の形態の冷却管の形状とを数値計算で比較してその効果を確認した。比較形状（本発明の他の形態）の模式図を図２および図３に示す。

図２に示す第二実施形態は、図１に示した第一実施形態の冷却管１０の下部に付設されている下方に凸の半球形状をなす底板を平板に替えた例である。また、図３に示す第三実施形態は、図１に示した第一実施形態の底板（外管の半径の１／２以上を径とした下方に凸の半球形状）を採用するとともに、外管の形状を上部に向かうにつれて拡径させたものである。計算に使用した具体的なモデル形状を図４に比較して示すとともに、計算に係る結果を図５から図８に示す。図４中、対応する同一の寸法については表示を省略している。本発明の実施形態と各モデルとの対応関係は、モデルＡが第二実施形態（図２）に対応し、モデルＢが第一実施形態（図１）に対応し、モデルＣが第三実施形態（図３）に対応している。

図５は、ノズルからの吐出速度２０ｍ／ｓの流速分布を示し、図６は、ノズルからの吐出速度５０ｍ／ｓの流速分布を各モデルについて示している。図５および図６に示すシミュレーション結果から、冷却管１０の底部を平板（モデルＡ）としたものに比べ、下方に凸の半球形（モデルＢ及びＣ）としたものの方が底部での気体の流速が上がっており、特に、外管をその下流側（上部）に向けて拡径したモデルＣでは冷却管１０の底部での気体の流速が最も上がっていることが分かった。

さらに、各モデルについて開口部近傍における気体の流量（開口部近傍を通過する気体の体積）を比較した。各モデルの開口部近傍の流量の計測位置Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｃを図７に示し、さらに図８にはその比較結果を示した。この結果より、冷却管１０の底部を平板（モデルＡ）としたものに比べ、冷却管１０の底部を下方に凸の半球形（モデルＢ及びＣ）とすることで流量が増加し、さらに外管をその下流側（上部）に拡径（モデルＣ）することでさらに流量が増加することが確認された。

すなわち、コイルＣの内側から冷却する構成として、第二実施形態に対し、冷却管１０の底部形状を、下方に凸の滑らかな半球形状とすることが好ましい（第一実施形態）。これにより、より効果的にコイルＣの冷却を可能とする。また、さらに外管をその下流側（上部）に拡径する形状（第三実施形態）とすることにより、一層冷却効果をあげることが可能となる。

いずれにしても、本発明の一態様に係る各形態によれば、図１に示したように、炉内の中心に冷却管１０を設置するとともに、この冷却管１０に冷媒を通すことにより、コイルＣの加熱および冷却の際に、コイルＣの内側からの冷却を可能とし、これにより、コイル内部に発生する応力をほぼ解消することができる。そのため、コイルＣの温度不均一による変形を抑制し、特にコイルＣの内周および外周に発生するコイル欠陥（耳伸び（コイル上部）・耳歪み（コイル下部）・腹伸び・縦じわ・鋼板の密着等の形状欠陥、並びに、特定の相変態を伴う特性向上が図られない等の特性低下の欠陥）を防止可能であり、これにより得られた良好な形状をもつ薄板製品を得ることができる。

以下、実施例について説明する。鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍する機能性材料としては電磁鋼板を例示できるが、この場合はさらに厳しい条件が付け加えられる。それは磁気特性であり、焼鈍時の内部応力に過多がある場合には再結晶状態が悪化して、磁気特性が大幅に劣化する現象がある。そのため、本実施例では応力に敏感な電磁コイルで確認を行った。

本実施例では、従来のコイルにおいて発生している焼鈍中の再結晶不良による特性劣化を検討するために、小型実験炉を用いて検討を実施した。この小型実験炉における焼鈍実験では、鋼板の一部を単板として切り出し、その切り出した単板に、予めコイル内部に発生する応力に相当する応力を与えておき、これを小型実験炉にて加熱したときに、この単板（鋼板）の相変態による再結晶化の状態を観察した。また、その際の特性についても測定を実施した。焼鈍によって再結晶がなされ、さらに、特性が顕著に評価可能である電磁鋼板の磁気特性に係る測定を用いることで焼鈍の評価を実施した。この結果、応力が高くなると特性の劣化があることが明らかとなり、その値は約１０ＭＰａであった。

さらに、上記の結果をもとに、実機にて焼鈍実験（コイル形状：板幅１０００ｍｍ，板厚３００μｍ，コイル重量８ｔｏｎ，内径φ５０８ｍｍ）を実施した。従来の温度パターンに加えて、実機における応力を上記の１０ＭＰａ以下にて実施可能なように、予め伝熱計算で検討した加熱パターンで焼鈍を実施した。また、実機実験を実施するにあたり、伝熱計算によって得られた温度分布が実験値と合致するか否かを確認するために、コイル内に熱電対を入れた状態で巻き取りを実施し、そのコイルをバッチ焼鈍炉に入れて温度測定実験も併せて実施した。その結果を図１０および図１１に示す。図１０および図１１の（ｊ）は、コイルＣに対する温度測定箇所を示しており、図１０および図１１のグラフの符号が、（ｊ）に示す温度測定箇所の符号に対応している。図１０および図１１に示す結果より、温度測定結果と伝熱計算から得られるコイルの温度分布の結果が良く一致しており、伝熱計算方法の確証を得ることができた。そこで、以降は数値計算を用いて解析を実施して検討した。

さらに上記の伝熱計算の結果を元にして応力計算を実施した結果の代表例としてコイル半径方向の応力を図１２に、さらに半径方向の最大応力の内径の違いの結果を図１３に示す。図１２（ｂ）および図１３（ｂ）中の符号Ｐ_Ｏは、コイル断面の中央部である。図１２および図１３から判るように、コイル内径が大きくなるとコイル内部に発生する応力が低減することが明らかとなった。また、内径がφ５０８ｍｍではその応力が１０ＭＰａに近いことから、焼鈍条件が少し揺らいだ場合、特性の劣化に繋がることがあることが分かる。そこで、特性劣化を起こさない応力は安全をみて、６ＭＰａ以下とした。

以上の結果より、本発明の一態様に係るコイル用バッチ焼鈍炉を用いた場合のバッチ焼鈍時間と、図１６（図１９）に示した従来のコイル用バッチ焼鈍炉によるバッチ焼鈍時間との比較を実施した。参考として他の場合についても検討した。

すでに述べたように、図１６（図１９）に示した従来のコイル用バッチ焼鈍炉で熱輻射によりコイルの加熱および冷却を実施する場合は、コイル内部の温度分布が偏り、内部応力が発生してしまう。そのため、それを解決するために、本発明の第一実施形態である図１（底が凸半球形状の冷却管１０）、本発明の第二実施形態である図２（底が平板である冷却管１０）、および本発明の第三実施形態である図３（底が凸半球形状且つ上部に拡径）、並びに比較として図１６に示した冷却管を有しない従来のバッチ焼鈍炉のそれぞれについて、以下に示す方法で焼鈍時間を比較検討した。

（１）本発明の第一実施形態（図１）を用いた焼鈍、（２）本発明の第二実施形態（図２）を用いた焼鈍、（３）本発明の第三実施形態（図３）を用いた焼鈍、および（４）従来のバッチ焼鈍炉（図１６）を用いた焼鈍のそれぞれについて、応力が発生しない６ＭＰａ以下になるようにして、焼鈍計算を行った場合の焼鈍時間の比較を表１に示した。焼鈍時間に関しては、従来のバッチ焼鈍炉（図１６）を用いた焼鈍での焼鈍時間を１として、相対比率で示している。そのため数値が小さいほど焼鈍時間が短く、生産効率がよくなる。

表１に示す焼鈍時間の比較結果から、従来例に比較して、本発明の例によれば、焼鈍時間は冷却管を用いることで短縮されるとともに、さらに応力も６ＭＰａ以下に管理されており、高品質なコイルを高い生産性にて製造することが可能となっていることが確認された。

本発明に係る冷却管の形状については、図１ないし図３に示した二重管型の冷却管１０に限定されない。例えば、図１４および図１５に示すように、数本の管を組み合わせて個別管型の冷却管を構成してもよい。つまり、この冷却管２０は、冷媒をインナーカバーの上部側からコイル支持台側に向けて導入する導入管路２１と、この導入管路２１に導入された冷媒の流れの向きをインナーカバー７（同図では不図示）の上部側に向けるように変える湾曲管路２２と、この湾曲管路２２で流れの向きを変えた冷媒をインナーカバー７の上部側に戻す戻し管路２３とを有する。

このような構成とする場合、折り返しとなる湾曲管路２２をなだらかに導入管路２１と戻し管路２３とに接続することが重要である。また、図１５に示すように、導入管路２１および戻し管路２３の少なくとも一方の形状（同図では両方）を、冷媒の排出口側に向けて（下流に向かうに従い）拡径させるようにすることが好ましい。

１ バッチ焼鈍炉
２ コイル支持台
３ クッション
４ スペーサ
５ バーナー
６ ヒーター
７ インナーカバー
８ 炉壁
９ 炉底
１０ （二重管型の）冷却管
１１ 内管
１２ 外管
１３ 底板部
２０ （個別管型の）冷却管
２１ 導入管路
２２ 湾曲管路
２３ 戻し管路
１１０ 断熱材
Ｃ コイル

Claims (5)

1. 鋼板が円筒状に巻回されたコイルを焼鈍するためのコイル用バッチ焼鈍炉であって、
   前記コイルの端面が載置され、前記コイルの軸を立てた状態で前記コイルを支持するコイル支持台と、
   前記コイル支持台に載置された前記コイル全体を覆うインナーカバーと、
   前記インナーカバーの上部から前記コイル支持台に載置された前記コイルの内周部分の空洞内に垂下されるとともに、自身内部に冷媒が通されることで前記コイルを内面側から冷却する冷却管と、
   を有するコイル用バッチ焼鈍炉。
2. 前記冷却管は、円筒状の内管と、該内管を囲繞する円筒状の外管とからなる二重管によって構成されており、
   前記内管が、冷媒を前記インナーカバーの上部側から前記コイル支持台側に向けて導入する導入管路とされるとともに、前記外管と前記内管との間の領域が、冷媒を前記コイル支持台側から前記インナーカバーの上部側に戻す戻し管路とされており、
   当該導入管路および当該戻し管路内を流れる冷媒の流れの向きを変える箇所において、前記外管の半径の１／２以上を径とした下方に凸の半球形状を有する底板部で流れの向きを反転させている請求項１に記載のコイル用バッチ焼鈍炉。
3. 前記冷却管は、
   冷媒を前記インナーカバーの上部側から前記コイル支持台側に向けて導入する導入管路と、
   前記導入管路に導入された冷媒の流れの向きを前記インナーカバーの上部側に向けるように変える湾曲管路と、
   前記湾曲管路で流れの向きを変えた冷媒を前記インナーカバーの上部側に戻す戻し管路と、
   を有する請求項１に記載のコイル用バッチ焼鈍炉。
4. 前記導入管路に接続する前記湾曲管路が複数の管に分割されることで、前記戻し管路が２以上とされている請求項３に記載のコイル用バッチ焼鈍炉。
5. 前記導入管路および戻し管路の少なくとも一方は、下流に向かうにつれてその管径が拡大されている請求項２〜４のいずれか一項に記載のコイル用バッチ焼鈍炉。