WO2013015297A1 - 鋼板の加熱方法および加熱装置 - Google Patents

Abstract

　連続的に搬送される鋼板を急速加熱するに際して、鋼板面に投影した形状が上流側に凸形状のソレノイド型誘導加熱コイル等を用いて鋼板の板幅中央部を先行して加熱し、加熱時の鋼板の等温線が上流側に凸形状となるようにして鋼板に一つの大きなしわを発生させることで、鋼板を拘束するロールの有無に拘わらず、絞りの発生を防止することができる鋼板の加熱方法を提案すると共に、その方法に用いる加熱装置を提供する。

Description

鋼板の加熱方法および加熱装置

　本発明は、鋼板の加熱方法および加熱装置に関し、具体的には、鋼板を急速加熱する際に起こりやすい絞りを防止するのに有効な鋼板の加熱方法および加熱装置に関するものである。

　鋼板の連続焼鈍設備や連続溶融亜鉛めっき設備等では、連続して通板される鋼板を、高温に保持された炉内に導入して炉内雰囲気からの熱伝導やラジアントチューブや炉壁等からの輻射熱で間接加熱することで、室温から高温まで加熱することが行われている。しかし、このような間接加熱方法では、板厚１ｍｍの場合、１０℃／ｓｅｃ以上の大きな加熱速度を得ることは難しい。一方、生産性や製品特性上の面から、上記間接加熱方法よりも、さらに急速加熱することが求められる場合がある。

　そこで、上記要求に応える技術として、鋼板に大電流を流したり、あるいは、誘導コイルを設置して鋼板内に誘導電流を流させることで直接加熱する方法が開発されている。例えば、特許文献１には、鋼帯等の金属帯の搬送方向の２点間に低周波電流を通電すると共に、上記２点間の一部で高周波誘導加熱することで、特に溶融亜鉛めっき後の鋼板を亜鉛めっきの浴温から合金化処理温度まで急速加熱するのに好適な技術が開示されている。また、特許文献２には、脱炭焼鈍の昇温過程においてロール間で通電加熱し、８０℃／ｓｅｃ以上で急速加熱することで、磁束密度が高い一方向性電磁鋼板を得る技術が開示されている。

　しかし、このような急速加熱する場合の問題点として、急速加熱後の鋼板が「絞り」を起こしやすいという問題がある。例えば、特許文献３には、通電加熱装置で加熱された鋼板が通板方向下流側の通電ロール通過後に「絞り」と呼ばれる筋状の疵が発生すること、および、この絞りを防止するには、下流側通電ロールの直前で、幅方向で２分割された絞り防止ロールを上下面いずれか一方から鋼板進行方向に対して適当な開き角を有して鋼板に押し当て、しわを板幅方向に伸ばしてやることが有効であることが記載されている。

特開平０５－１５６４２０号公報 特開平０７－０４１８６０号公報 特開平０８－２７７４２５号公報

　上記の「絞り」が発生する原因について、特許文献３では、上下流に配設された通電ロール間の鋼板は、通電加熱で急速加熱されて板幅方向に膨張しようとするが、下流側の通電ロールで熱膨脹が拘束されるためしわが発生し、さらにこのしわ部分が、通電ロール等のピンチ部分を通過する際、押さえつけられて塑性変形し、筋状の疵となったものであると説明されている。上記説明によれば、通電ロールを用いない、誘導加熱方式であれば、絞りの発生は防止できると考えられる。

　確かに、通電ロールを有しない誘導加熱では、上記絞りの発生は大幅に低減される。しかしながら、発明者らの調査によれば、鋼板の自由膨張を拘束するロールを有しない誘導加熱でも、通電加熱の場合と同様、複数の小さな縦じわが発生し、絞りが引き起こされることが確認されている。この絞りに対しては、特許文献３に開示の技術を適用することで解決できる可能性はある。しかし、誘導加熱コイルの直後に絞り防止ロールを設置すると、鋼板が絞り防止ロールと接触することにより疵が生じることがある。また、絞り防止ロールは、鋼板が膨張する方向への滑りを拘束する作用があるので、加熱温度を種々に変更する場合、それに伴う熱膨脹の変化に対応できないという問題がある。そして、設置に必要なスペースを確保することも難しい。また、例え設置できたとしても、特許文献３の絞り防止ロールは、設備が複雑であるため、設備費やメンテナンス上も問題点が多い。

　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、鋼板を急速加熱する際、鋼板を拘束するロールの有無に拘わらず発生する絞りを効果的に防止することができる鋼板の加熱方法を提案すると共に、その方法に用いる加熱装置を提供することにある。

　発明者らは、上記課題の解決に向け、急速加熱による板幅方向の熱膨脹に起因したしわが絞りに発展するのを防止する方法について鋭意検討を重ねた。その結果、上記急速加熱に起因して発生する複数の小さな縦じわを絞りに発展させないようにするためには、複数の小さな縦じわを大きな一つのしわにしてやることが有効であること、そのためには、通板中の鋼板の板幅中央部を先行して加熱して一つのしわを発生させ、その後、加熱領域を幅方向に拡大して、その一つのしわを板幅端部まで拡大してやればよいことを見出し、本発明を開発するに至った。

　すなわち、本発明は、連続的に搬送される鋼板を加熱する方法において、鋼板の板幅中央部を先行して加熱することを特徴とする鋼板の加熱方法である。

　また、本発明の上記加熱方法は、加熱時の鋼板の等温線が上流側に凸形状となるよう加熱することを特徴とする。

　また、本発明の加熱方法における上記凸形状は、円弧状あるいはＶ字状であることを特徴とする。

　また、本発明は、連続的に搬送される鋼板を加熱する加熱装置において、鋼板の加熱手段が鋼板の板幅中央部を先行して加熱するよう配設されてなることを特徴とする鋼板の加熱装置である。

　また、本発明における上記鋼板の加熱手段は、鋼板面に投影した形状が上流側に凸形状のソレノイド型誘導加熱コイルであることを特徴とする。

　また、本発明における上記凸形状は、円弧状あるいはＶ字状であることを特徴とする。

　また、本発明における上記鋼板の加熱手段は、鋼板面に投影した形状が矩形状であるソレノイド型誘導加熱コイルの上流側に、鋼板の板幅中央部分を加熱する先行加熱装置を配設したものであることを特徴とする。

　また、本発明における上記先行加熱装置は、トランスバース型誘導加熱コイルであることを特徴とする。

　また、本発明は、上記ソレノイド型誘導加熱コイルと下流側通板ロールとの間に、押えロールを配設してなることを特徴とする。

　本発明によれば、鋼板を急速加熱した際に発生する絞りを効果的に防止することができるので、連続焼鈍設備等に鋼板を安定して通板することが可能となるほか、鋼板の製品形状の品質向上にも大きく寄与する。

従来のソレノイド型誘導加熱コイルを用いた加熱装置と、その装置で急速加熱した鋼板の平面形状を説明する模式図である。 図１に示した鋼板のＡ－Ａ´断面形状を説明する模式図である。 円弧状ソレノイド型誘導加熱コイルを用いた本発明の加熱装置と、その装置で急速加熱した鋼板の平面形状を説明する模式図である。 図３に示した鋼板のＢ－Ｂ´断面形状を説明する模式図である。 加熱の仕方の違いによる鋼板形状の変化を説明する俯瞰図である。 Ｖ字状ソレノイド型誘導加熱コイルを用いた本発明の他の加熱装置を説明する模式図である。 先行加熱装置を用いる本発明の他の加熱装置を説明する模式図である。 図３に示した加熱装置の下流に押えロールを配設した本発明の加熱装置の他の例を説明する模式図である。 ソレノイド型誘導加熱装置を用いた、本発明の他の加熱装置を説明する図である。 トランスバース式誘導加熱装置を用いた、本発明の他の加熱装置を説明する図である。 本発明の加熱方法による等温線を模式的に示す図である。

　一般に、鋼板を連続焼鈍する設備では、鋼板を炉内に長時間滞留させるため、焼鈍炉内に多数の搬送ロールを対向して配設し、それら対向する搬送ロール間で鋼板を往復させると共に、炉内を通板する鋼板の蛇行を防止して安定通板を確保するため、搬送ロールのクラウンを凸とし、所定量の張力を鋼板に付与している。そのため、炉内を通板している鋼板には、板幅方向に収縮しようとする力が働くため、小さな縦じわが発生しやすく、最悪、搬送ロールに巻き付いた際、いわゆる「ヒートバックル」と称する絞りに至ることが知られている。

　しかし、本発明が対象としている絞りは、上述した絞りとは異なる現象であると考えられる。というのは、本発明が対象としている絞りは、鋼板を急速加熱した際の熱膨脹が拘束されることに起因するものであるからである。ただし、小さな複数の縦じわがロールと接触することで、潰されてしわの幅が狭くなり、絞りに至っている点で共通している。したがって、上述した縦じわと急速加熱に伴う縦じわとが重畳して、絞りを引き起こしている可能性も考えられる。

　発明者らは、上記急速加熱に起因して発生する複数の小さな縦じわを、絞りに発展させないようにする方策について検討を重ねた。その結果、複数の小さな縦じわを、大きな幅をもった一つのしわにしてやることで絞り込みを防止し得ること、そのためには、通板中の鋼板の板幅中央部を先行して加熱して一つのしわを板幅中央部に発生させ、その後、加熱領域を拡大して、その一つのしわを板幅端部まで拡大してやればよいことを見出し、本発明を開発するに至った。

　図１は、従来のソレノイド型誘導加熱コイル（鋼板が誘導コイル内を通過するように配置された誘導加熱コイルであって、交流磁場の磁束が鋼板の搬送直角方向断面に直交する。ただし、上記「直交」については、板厚方向５°以内の偏差を許容し、また、凸形状化に伴い生じる板幅方向の偏差を許容するものとする。）を用いた加熱装置と、その装置で鋼板を急速加熱したときの鋼板の形状変化を模式図であり、１は鋼板、２、２´は搬送ロール、３は鋼板面への投影形状が矩形状のソレノイド型誘導加熱コイル、４はコイルに流される交流の誘導電流の流れる方向を示したものである。また、図２は、図１に示した鋼板のＡ－Ａ´断面形状を模式的に示した図である。図１、図２に示したように、従来の矩形状の加熱コイルで急速加熱された鋼板は、板幅方向で均一に熱膨脹しようとするが、下流側の搬送ロール２´に拘束されて、鋼板進行方向に長い小さな縦じわ５が複数発生する（図１，２には縦じわが２本の例を示した。）。

　一方、図３は、本発明の加熱装置と、その装置で鋼板を急速加熱したときの鋼板の形状変化を示した模式図であり、１は鋼板、２、２´は搬送ロール、６は本発明に係る鋼板面への投影形状が円弧状のソレノイド型誘導加熱コイル、４はコイルに流される交流の誘導電流の流れる方向を示したものである。また、図４は、図３に示した鋼板のＢ－Ｂ´断面形状を模式的に示した図である。図３，４に示したように、本発明の加熱装置では、鋼板の板幅中央部が円弧状の加熱コイルの突出部で先行加熱される。その結果、急速加熱された鋼板は、熱膨脹しても、従来の加熱装置のような小さな複数の縦じわは発生せず、大きな曲率半径の１つの縦じわ５しか発生しないため、下流側搬送ロール２´と接触しても絞りに発展することはない。

　図１，２に示した多数の縦じわや、図３，４に示した一つの縦じわは、鋼板の熱膨張が面外変形するために発生しており、図５は、その様子を俯瞰図で示したものである。鋼板１０１は、左から右方向に送られ、図中央付近で加熱されており、従来の加熱方法である図５（ａ）では、加熱初期の等温線１０２も加熱終了時の等温線１０３も、ほぼ直線で表される。このとき、鋼板は、熱膨張によって面外変形（この例では上下方向に変形）し、１０４に示したように上下方向に変位する。なお、この従来例では、上下方向への面外変形の起点１０５を５箇所としているが、面外変形の起点は、等温線１０２のどこでもなり得るため、数は不定である。ただし、一旦しわが多数発生すると、その数で安定することが多い。

　これに対して、本発明の加熱方法では、図５（ｂ）に示すように、加熱初期の等温線は、幅中央部が先行して高温になるために湾曲しており、面外変形の起点は板幅方向中央の１点しかない。そのため、１つのしわ（広義の縦じわ）が発生し、全ての熱膨張変形は、そのしわが吸収して最終的に１つの大きな曲率半径の縦じわとなる。

　なお、本発明においては、加熱初期の等温線１０２と加熱完了時の等温線１０３の間の等温線は、加熱開始から終了までの等温線のすべてが、等温線を板の進行方向に並行移動させた際に一致するように加熱することが望ましい。これは、板の進行方向で等温線に粗密が生じると、密な場所は短い距離で加熱されて大きく熱膨張するのに対して、疎な場所は熱膨張が小さくなるため、図５（ｃ）に示すように、等温線が密な場所にしわが集中して発生するようになるためである。

　具体的には、本発明の加熱方法による等温線は、図１１に模式的に示したように、少なくとも加熱終了温度すなわち最高温度（ただし、板幅方向で最高温度が異なる場合は、その中の最低温度）よりマイナス２００℃の等温線Ａと、最高温度の等温線Ｂとが、いずれも上流側に凸形状であり、板幅中央に対して実質的に対称であって、凸形状の高さ（等温線の板端部と幅中央頂点部との搬送方向の距離）が互いの±３０％以内、好ましくは±１０％以内であれば、絞りをほぼ回避することができる。いうまでもなく、等温線ＡとＢの間の等温線は、上流側に凸形状であることが望ましく、また、これらの凸形状の高さは、ＡとＢの間にあることが望ましい。また、Ａよりも低温側の等温線は特に限定しないが、加熱開始後、速やかに上流側に凸形状となることが好ましく、また、当該凸形状の高さが速やかにＡとＢの間の高さに至ることが望ましい。このような等温線の形状となるように加熱することで、板幅中央が最初に加熱されて熱膨張を開始するので、曲率半径の大きく、無害なしわを形成する。また、それ以後も、等温線の中央から両板幅端部に向けてしわが成長するので、曲率半径の大きな単一のしわが鋼板全体に形成される。その結果、複数のしわが形成されることなく加熱できるので、絞りの発生を防止することができる。

　ここで、本発明の加熱装置を誘導加熱コイルとし、誘導加熱の中でもソレノイド型を例として示した理由は、ソレノイド型が加熱速度の面で有利であることに加え、鋼板を上側のコイルと下側のコイルとで挟み込む形の単純なトランスバース型の加熱コイルでは、交流磁界が板面に対して直交し、誘導電流は板面内を周回するように流れるため、板幅端部から優先的に加熱され、板幅中央部を先行加熱することが簡便にはできないからである。なお、トランスバース型の加熱は、交流磁界が板面に直交するようにすることが重要である。すなわち、コイルは片側だけでも、実質的にトランスバース型誘導加熱となる。

　また、図６は、本発明の加熱装置の他の実施形態を示すもので、図３の鋼板面への投影形状が円弧状の誘導加熱コイルに代えて、鋼板面への投影形状がＶ字状の誘導加熱コイル７を用いた例である。このようなＶ字状の誘導加熱コイルでも、板幅中央部を先行して加熱することができるので、絞りの発生を効果的に抑制することができる。なお、図３および図６には、鋼板の一方の面から見たソレノイド型誘導加熱コイルの形状を記載しているが、反対の面から見ても同様に上流側に凸形状とする。ここで、誘導加熱コイルは、鋼板の表裏面（本質的に表裏の区別はないが便宜的表現）においても、同様に上流側に凸形状とする。表裏のコイル形状は厳密に同じである必要はないが、安定して等温線の間隔を一定に保つためには、同じ形状で、鋼板の板厚中央面に対して表裏で対称な位置にあることが望ましい。

　また、図７は、本発明の加熱装置の他の実施形態を示すもので、図１に示した従来の矩形状のソレノイド型誘導加熱コイル３の上流側に、鋼板の板幅中央部分を加熱する別の先行加熱装置８を配設した例である。このような先行加熱装置８を配設することでも、板幅中央部を先行して加熱することができる。なお、この先行加熱装置としては、特に加熱手段は問わないが、急速加熱する観点からは、トランスバース型の誘導加熱コイルであることが好ましい。

　なお、本発明の加熱装置で一つの大きな縦じわを形成させるためには、加熱した鋼板の等温線はできる限り間隔が等しくなるよう加熱することが好ましく、その意味では、前述した図３に示した円弧状あるいは図６に示したＶ字状の誘導加熱コイルを用いることが好ましいといえる。

　また、上述したように、本発明の加熱方法および加熱装置の特徴は、板幅中央部を先行して加熱することで、複数の小さな縦じわの発生を抑制し、１つの大きなしわを発生させ発展させるとことにあるが、このしわが大きくなり過ぎると、いわゆる「Ｃ反り」となり、搬送ロール以外の他の機械設備と接触を起こすおそれがある。そこで、斯かる不具合を防止するため、誘導加熱コイルの下流側かつ下流側搬送ロールの上流側に押えロールを配設することが好ましい。この押えロールは、熱伝導のよい材質、例えば銅製のものとするのが、板幅方向の温度を均一化する上では好ましい。

　図８は、図３に示した本発明の加熱装置の誘導加熱コイルの下流側かつ下流側搬送ロールの上流側に押さえロール９を設置した例を示したものである。この押えロールは、特許文献３に開示された絞り防止ロールのような複雑な付帯設備が不要であるため、設置スペースも小さくて済み、設備コストやメンテナンス上の問題も少ないという利点がある。

　なお、本発明の加熱装置は、縦型、横型のいずれの焼鈍設備にも適用することができる。また、本発明の加熱装置は、急速加熱が必要な箇所に設置すればよく、断熱や温度保持あるいは雰囲気制御のため炉中に設置してもよい。また、本発明の加熱装置は、単一で設置しても、直列に複数配列して設置してもよく、さらに、分割して設置しても構わない。

　また、図９は、導電板で構成された誘導加熱コイルを有する、本発明の加熱装置の他の実施形態を示すものである。本発明における必須の要件は、鋼板を加熱する際、板幅中央が先行して高温になるように加熱することであるから、図９（ａ）に俯瞰図で示した、導電性の銅などの金属板で構成されたソレノイド型誘導加熱コイル２０２に対して、図９（ｂ）のように、突き出し部２０５や切り欠き部２０６を設ければ、コイル電流２０３は滑らかに流れるので、幅中央を先行して加熱することができる。また、この原理を応用すれば、従来の矩形のソレノイド型誘導加熱装置であっても、例えば、図９（ｃ）のように、導体２０４，２０５を追加することでも、本発明を実施することができる。

　また、上述した本発明の加熱方法および加熱装置の説明では、加熱手段として、ソレノイド型の誘導加熱コイルを用いて急速加熱する例を中心に説明してきたが、急速加熱手段として、トランスバース型の誘導加熱装置を用いても、本発明を実施することができる。例えば、図１０（ａ）に示すように、板幅方向に円弧状の電流経路を持つトランスバース型誘導加熱コイル３０２を配設した加熱装置や、図１０（ｂ）に示すように、従来の矩形形状のトランスバース型コイル３０５であっても、コア材（鉄心）３０４の配置を変更することによって、板幅中央を先行して加熱できるようにした加熱装置を用いてもよい。なお、図１０（ａ）中および図１０（ｂ）中の符号３０３は、誘導加熱コイル３０２を流れるコイル電流を示す。また、図９（ａ）～図１０（ｂ）における各コイル電流は交流であるが、便宜上、一方向矢印で示した。

　さらにいえば、本発明の加熱装置は、鋼板の板幅中央を先行して急速加熱することが可能であれば、いずれの加熱手段を用いてもよく、例えば、バーナ加熱、プラズマ加熱、レーザ加熱、赤外線加熱等、いずれの加熱手段を用いてもよい。なお、上記誘導加熱コイル等の加熱手段によって、前述したような上流側に凸形状の等温線となる温度分布を実現するためには、要求される加熱温度や鋼種・サイズ・通板速度などの変化に応じて、当該加熱手段が適正に出力制御を行う必要がある。しかし、前述した補助加熱手段やコア材を用いることにより、当該加熱手段が等温線の制御を独立して行うことができるので、加熱制御をより容易に行うことが可能となる。なお、上記加熱制御に当たっては、過去の加熱実績からの予測や数値計算予測などを適用してもよいことは勿論である。

　鋼板面への投影形状が円弧状で、ソレノイドの開口断面が幅：１５００ｍｍ×高さ：１４０ｍｍで、長さ：６０００ｍｍのソレノイド型誘導加熱コイルを有する加熱装置を連続焼鈍設備に設置し、板厚：０．３ｍｍ×板幅：１３００ｍｍの３ｍａｓｓ％Ｓｉ含有冷延鋼板を１００ｍ／ｍｉｎで搬送しつつ、室温から７００℃まで、１００℃／ｓｅｃまたは２００℃／ｓｅｃで急速加熱して一次再結晶焼鈍を施し、方向性電磁鋼板を製造した。なお、上記円弧状のソレノイド型誘導加熱コイルとしては、両幅端部に対する中央部の突出部の長さが５０ｍｍと１００ｍｍの２種類のものを用いた。また、一部の鋼板は、図８に示した押えロールを設けた加熱装置を用いた。

　上記急速加熱による絞りに起因して発生した製品の不良率を、従来の矩形状ソレノイド型誘導加熱コイルを有する加熱装置で、２００℃／ｓｅｃで加熱する場合を基準（１．０）として、表１に示した。この結果から、本発明の加熱装置を適用することで、絞りに起因した不良を大幅に低減できることがわかる。

　本発明によれば、鋼板を急速加熱した際に発生する絞りを効果的に防止することができるので、鋼板を連続焼鈍設備等に安定して通板することが可能となるほか、鋼板の製品形状の品質向上にも大きく寄与する。特に、本発明の技術は、鋼板に絞りを発生させることなく１００℃／ｓｅｃ以上で急速加熱することができるので、これを一次再結晶焼鈍の加熱に適用することで、磁気特性に優れた方向性電磁鋼板を有利に製造することが可能となる。

　１：鋼板
　２、２´：搬送ロール
　３：従来の矩形状のソレノイド型誘導加熱コイル
　４：励磁電流の流れる方向
　５：縦じわ（絞り）
　６：円弧状のソレノイド型誘導加熱コイル
　７：Ｖ字状のソレノイド型誘導加熱コイル
　８：先行加熱装置（トランスバース型誘導加熱コイル）
　９：押えロール
　１０１、２０１、３０１：鋼板
　１０２：加熱初期の等温線
　１０３：加熱終了時の等温線
　１０４：面外変形量（鋼板の上下方向変位）
　１０５：面外変形の起点
　２０２：導電板によるソレノイド式誘導加熱コイル
　２０３、３０３：コイル電流（交流であるが、一方向矢印で図示）
　２０４：改造で付加する導電板
　２０５：突き出し
　２０６：切り欠き
　３０２：トランスバース式誘導加熱コイル
　３０４：コア材
　３０５：従来のトランスバース型誘導加熱コイル
 
 

Claims (9)

1. 連続的に搬送される鋼板を加熱する方法において、鋼板の板幅中央部を先行して加熱することを特徴とする鋼板の加熱方法。
2. 加熱時の鋼板の等温線が上流側に凸形状となるよう加熱することを特徴とする請求項１に記載の鋼板の加熱方法。
3. 上記凸形状は、円弧状あるいはＶ字状であることを特徴とする請求項２に記載の鋼板の加熱方法。
4. 連続的に搬送される鋼板を加熱する加熱装置において、鋼板の加熱手段が鋼板の板幅中央部を先行して加熱するよう配設されてなることを特徴とする鋼板の加熱装置。
5. 上記鋼板の加熱手段は、鋼板面に投影した形状が上流側に凸形状のソレノイド型誘導加熱コイルであることを特徴とする請求項４に記載の鋼板の加熱装置。
6. 上記凸形状は、円弧状あるいはＶ字状であることを特徴とする請求項５に記載の鋼板の加熱装置。
7. 上記鋼板の加熱手段は、鋼板面に投影した形状が矩形状であるソレノイド型誘導加熱コイルの上流側に、鋼板の板幅中央部分を加熱する先行加熱装置を配設したものであることを特徴とする請求項４に記載の鋼板の加熱装置。
8. 上記先行加熱装置は、トランスバース型誘導加熱コイルであることを特徴とする請求項７に記載の鋼板の加熱装置。
9. 上記ソレノイド型誘導加熱コイルと下流側通板ロールとの間に、押えロールを配設してなることを特徴とする請求項４～８のいずれか１項に記載の鋼板の加熱装置。
    
    

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