JP2008195998A - 方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法およびそれに用いるインナーケース - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ型焼鈍炉を用い、インナーケースを被せた状態で仕上焼鈍する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍において、大きな設備改造を伴わず、しかもインナーケースの側壁と、それと向かい合うコイルの外巻き間の熱の授受を妨げることなく、加熱工程と、均熱工程の後の冷却工程で生じるコイル内の温度分布の不均一さを抑制する技術を提供する。
【解決手段】コイルをバッチ焼鈍炉の炉内で仕上焼鈍する間、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有するインナーケースを被せておく方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法である。また、それに用いる上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍用のインナーケースである。
【選択図】図１

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍の後に、巻き戻し工程などを経て製造する方向性電磁鋼板の形状不良部の長さを短くでき、かつコイルの中巻きの磁気特性の劣化代を抑制することができる方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法およびそれに用いるインナーケースに関する。

一般に、方向性電磁鋼板は以下のようにして製造される。まず、製鋼で成分調整し、Ｓｉを３質量％含有する溶鋼を鋳造して鋼鋳片とし、鋼鋳片に熱間圧延を施し、その後１回または中間焼鈍を挟む、２回以上の冷間圧延を施す。冷間圧延で最終板厚としたＳｉを３質量％含有する電磁鋼板には脱炭焼鈍が施され、次いで表面に焼鈍分離剤が塗布されてからコイル状にタイトに巻き取られる。この電磁鋼板をタイトに巻いたコイルは、その後、図２に示したように、バッチ焼鈍炉1の炉内にコイルの中心を垂直にして載置され、炉床が移動することで仕上焼鈍される。１Ａは炉天井、１Ｂは炉壁、２は炉壁１Ｂの上部に配置したバーナーを示す。

次いで仕上焼鈍され張力被膜が形成されたコイルは、後工程で巻き戻しされ、必要により各種処理を行い、方向性電磁鋼板の製品とされる。
方向性電磁鋼板の仕上焼鈍には、インナーケース３が一般的に使用される。このインナーケース３の主たる役割は、電磁鋼板をタイトに巻いたコイルに被せ、インナーケース３内のコイル厚方向の所定位置（例えば、図１および図３のコイルの外巻きＷ１および内巻きＷ２の位置）を温度の管理ポイントとし、管理ポイントの温度が所定の均熱温度に到達するまでコイルを加熱する加熱工程、それに続く均熱工程、その後、管理ポイントの温度が所定の冷却温度に到達するまで冷却する冷却工程、の間電磁鋼板と接触する雰囲気を炉内雰囲気から遮蔽することである。前記均熱工程では所定の均熱温度、例えば９００〜１２００℃で所定の均熱時間保持することが、方向性電磁鋼板の製品としたときの磁気特性を確保するうえで特に重要である。

ところで、従来のインナーケースを用い、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍を行うと、加熱工程と、冷却工程においてコイル内の温度分布に大きい不均一が生じることが知られている。これによって腹伸び、「縦じわ」などの形状不良およびコイルの中巻きの磁気特性の劣化が発生していた。
従来のインナーケースを用いた場合、加熱工程では、コイルの外巻きＷ１の温度が内巻きＷ２やコイル厚方向のどの位置よりも高温となる。また、所定の均熱温度で所定の均熱時間保持する均熱工程の後、所定の冷却温度に到達するまで冷却する冷却工程では、コイルの外巻きＷ１の温度がまず下がる。

このコイルの外巻きＷ１の過加熱、過冷却を防止したインナーケースを用いることが提案されている（特許文献１、２）。この特許文献１のインナーケースは、形状不良の「縦じわ」を防止することを目的とし、側壁の内側に断熱板を張り付け、特にコイルの上下方向に温度差が生じるのを抑制している。また特許文献２のインナーケースは、ストリップコイルにおける熱源側と反熱源側および半径方向の温度差を減少させるため、その側壁に、焼鈍炉熱源に面する面側に厚く、反熱源側に薄く遮蔽体を設けてなる。

また、冷却時の局部冷却を抑制し、耳歪（耳伸び）を防止するため、冷却過程の所定温度区間に、断熱カバーを被熱処理品に被せる移動炉床式連続熱処理方法も提案されている（特許文献３）。この被熱処理品はインナーケース内にあって軸心を垂直においたストリップコイルであることを好適としている。
特開２００６−２５７４８６号公報 実開昭６１−０４３２６０号公報 特開平０５−２７１７９０号公報

しかし、特許文献１、２のインナーケースのように、コイルの外巻きＷ１の過加熱、過冷却を防止したインナーケースを用いた場合、以下の問題点がある。
特許文献１のインナーケースでは、コイルの上部の過加熱を防止することができたとしても、インナーケースの側壁と、それと向かい合うコイルの外巻き間の熱の授受が断熱板によって阻害される。

このため、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍を行う際、コイルを加熱する加熱工程、および均熱工程の後、所定の冷却温度に到達するまで冷却する冷却工程で、余分に時間がかかることになる。この特許文献１のインナーケースは、コイルの昇温速度、冷却速度が制約される場合も生じる。
特許文献２のインナーケースの場合も、その側壁に遮蔽体を設けてなるため、上記特許文献１と同様な問題点がある。つまり、特許文献１、２のようなインナーケースは、生産がタイトな場合、対策として採用できない。

また、特許文献３に記載の断熱カバーは、冷却帯の所定箇所に断熱カバーを繰り出して被熱処理品に被せる装置と、これと別の箇所に断熱カバーを回収する装置とを備えた移動炉床式のバッチ型焼鈍炉とする必要があり、大きな設備改造を伴うのでこれも採用することができない。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、バッチ型焼鈍炉を用い、電磁鋼板を巻いたコイルをインナーケースを被せた状態で仕上焼鈍する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍において、大きな設備改造を伴わず、しかもインナーケースの側壁と、それと向かい合うコイルの外巻き間の熱の授受を妨げることなく、加熱工程と、均熱工程の後の冷却工程で生じるコイル内の温度分布の不均一さを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ焼鈍炉の炉内に、コイルの中心を垂直にして載置した状態で仕上焼鈍する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法において、前記コイルをバッチ焼鈍炉の炉内で仕上焼鈍する間、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有するインナーケースを被せておくことを特徴とする方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法である。

また、電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ焼鈍炉の炉内に、コイルの中心を垂直にして載置し、被せた状態で使用するインナーケースであって、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有することを特徴とする方向性電磁鋼板の仕上焼鈍用のインナーケースである。

本発明によれば、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍に用いるインナーケースを改造し、コイルの内巻き側を積極的に加熱および冷却することが可能な形状をもつインナーケースとした。すなわち、電磁鋼板のコイルをバッチ焼鈍炉の炉内で仕上焼鈍する間、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有するインナーケースを被せておくことで、コイル内の温度分布の不均一さを抑制することができる。

その結果、コイル内での温度分布に起因して生じる形状不良部の長さを短くすることができるとともに、仕上焼鈍中のコイルの中巻きでの均熱時間の未達成などによって生じる、コイルの中巻きの磁気特性の劣化代を抑制することができる。

以下、本発明をなすに至った経緯から説明する。本発明者は、大きな設備改造を伴わず、しかもインナーケースの側壁と、それと向かい合うコイルの外巻き間の熱の授受を妨げることなく、加熱工程と、均熱工程の後の冷却工程で生じるコイル内の温度分布の不均一さを抑制する技術について、鋭意検討した。
まず、図２に示した移動炉床式のバッチ型焼鈍炉を用い、従来のインナーケース３をコイルに被せた状態で仕上焼鈍した場合、コイル内の温度分布がどうなるか説明する。

ここで、移動炉床式のバッチ焼鈍炉1には、炉床の移動方向に沿って炉壁１Ｂの上部に燃焼ガスを噴き出すバーナー２が設置されており、炉床上に置いたインナーケース３内のコイルが、炉床の移動に伴って順に、所定の均熱温度に到達するまで加熱する加熱工程、それに続く均熱工程、その後温度が所定の冷却温度に到達するまで冷却する冷却工程を経て仕上焼鈍される。そして所定の冷却温度に到達したコイルは抽出口から抽出される。

その間、インナーケース３内のコイル厚方向の所定位置（例えば、図３のコイルの外巻きＷ１および内巻きＷ２の表面でかつコイル高さ方向の中央位置）を温度の管理ポイントとして、バーナー２から噴き出す燃焼ガスの燃焼制御が行われる。この燃焼した後のガスがバッチ焼鈍炉1の炉内雰囲気となっている。一方インナーケース３内の雰囲気は、炉内雰囲気とは別な還元性雰囲気である。インナーケース３の側壁と、コイルの外巻きＷ１との間には、適当な隙間が設けられ、そこと、コイルの上部の隙間と、コイルの中央部の隙間が、還元性雰囲気が流れる通路となっている。

このため、インナーケース３を被せた状態で仕上焼鈍されるコイルへの熱の授受は、主にインナーケース３の側壁を介して輻射熱によって行われる。従来のインナーケース３は、図３に示したように、ケース上部にコイルの内巻きＷ２と向かい合う円筒状凹みを有しない。これに対して本発明にかかるインナーケース３の形状を図１に示す。なお、どちらのものでも、その側壁に、断熱材や放射熱を遮蔽する遮蔽体を設けていない。

この従来のインナーケース３の場合、加熱工程から均熱前半部の間では、インナーケース３の側壁からの輻射熱によって、まず側壁と向かい合うコイルの外巻きが昇温する。次いでコイル半径方向へ熱が伝熱によって伝わる。したがって、コイル内の温度は、外巻きＷ１が最も高く、次いで中巻きであり、内巻きＷ２が最も低いという温度分布となる。そして、加熱工程の前半部では、バーナー２から噴き出す燃焼ガスが炉内へ強く炊き込まれているため、図４に示したように、従来のインナーケース３を用いると、コイル内の温度分布に大きな不均一が生じる。

一方、所定の均熱温度で所定の均熱時間だけ保持した均熱工程の後の冷却工程では、冷却用エアーをインナーケース外側上部より吹きつけることによりコイルを冷却している。このため、冷却工程にコイルが到達すると、まずインナーケース３の側壁の温度が低下し、コイルの外巻きＷ１の温度が降下し始める。すると、熱の流れる方向は加熱工程と逆であるが、冷却工程でもコイル半径方向へ熱が伝熱され、コイル内の温度分布に不均一が生じる。

この従来のインナーケース３は、ケース上部にコイルの内巻きＷ２と向かい合う円筒状凹みを有しないため、インナーケース３を介してコイルの内巻きＷ２への熱の授受が少なかった。したがって、従来のインナーケース３をコイルに被せた状態で仕上焼鈍を行うと、所定の均熱温度に到達するまでコイルを加熱する加熱工程と、均熱工程の後所定の冷却温度に到達するまで冷却する冷却工程において、コイル内の温度分布に大きい不均一が生じることになる。これに起因して腹伸びという形状不良およびコイルの中巻きの磁気特性の劣化が発生していた。この磁気特性の劣化は、コイルの外巻きＷ１の昇温速度よりも中巻きの昇温速度が遅かったために、中巻きの均熱時間（２段均熱の場合、１次均熱時間と２次均熱時間のどちらか一方、または両方）の未達成などによって生じることが多かった。

そこで本発明では、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍に用いるインナーケース３を改造し、図１に示したように、コイルの内巻きＷ２側を積極的に加熱および冷却することが可能な形状とした。この本発明にかかるインナーケース３は、ケース上部にコイルの内巻きＷ２と向かい合う円筒状凹み４を有すること特徴とする。
この円筒状凹み４はインナーケースと同じ材質とされ、その凹みの底がインナーケース３の側壁の下端と略同じ位置か、若干高い位置に来るようにしてある。つまり、本発明にかかるインナーケース３は、円筒状凹み４の中心とコイルの中心を一致させ、電磁鋼板を巻いたコイルに被せた状態で、インナーケース３の側壁とコイルの外巻きＷ１との間に、適当な隙間が形成され、そこと、コイルの上部の隙間と、コイルの中央部へ挿入した円筒状凹み４とコイルの内巻きＷ２と間の隙間を通路として、還元性雰囲気が流れるようになっている。それ以外は従来のインナーケース３と同じである。

このケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹み４を有するインナーケース３の作用は次のとおりである。
本発明にかかるインナーケース３は、ケース上部にコイルの内巻きＷ２と向かい合う円筒状凹み４を有するので、加熱工程において、インナーケース３の円筒状凹み４からコイルの内巻きＷ２へ放射される輻射熱によってコイルの内巻きＷ２側を積極的に加熱することができる。一方、コイルの外巻きＷ１側はインナーケース３の側壁と向かい合っているため、インナーケース３の側壁から放射される輻射熱で、従来と同様に加熱される。図４には、バーナー２から燃焼ガスが炉内に強く炊き込まれている加熱工程前半部でのコイル厚方向の温度分布を示した。

このように、本発明にかかるインナーケース３によれば、加熱工程において、輻射熱によってコイルの内巻きＷ２側も外巻きＷ１側のように加熱することができ、従来のインナーケースに比べて、コイル内の温度分布の不均一さを抑制することができる。
また、本発明にかかるインナーケース３によれば、均熱工程の後の冷却工程では、まずインナーケース３の円筒状凹み４が冷やされ、これによってそれと向かい合うコイルの内巻きＷ２側が外巻きＷ１側と同様に冷却され、従来のインナーケースに比べて、コイル内の温度分布の不均一さを抑制することができる。

したがって、本発明にかかるインナーケース３を用い、方向性電磁鋼板を仕上焼鈍することで、コイルの内巻きＷ２側を積極的に加熱および冷却することが可能となるから、大きな設備改造を伴わずに、インナーケースの形状を変更するだけで、以下の実施例で説明するように、コイル内の温度分布に起因して生じる形状不良部の長さを短くすることができるとともに、仕上焼鈍中のコイルの中巻きの、均熱時間の未達成などによって生じる磁気特性の劣化を抑制することができる。

Ｓｉを３質量％含有し、厚み０．３ｍｍ、幅１１６０ｍｍ、長さ３０００ｍの電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ焼鈍炉の炉内に複数載置して仕上焼鈍した。その際、２種類のインナーケースを被せた状態で、仕上焼鈍中のコイル内の温度分布（ただし、コイル高さ方向の中央位置で）を測定した。また仕上焼鈍の後、コイルを巻き戻し、各種処理を行い、シート状に切断して方向性電磁鋼板とした。コイルを巻き戻す工程で形状不良部の長さを測定した。また磁気特性は、磁気シート状に切断した方向性電磁鋼板からサンプルを採取し、公知のエプスタイン試験を行い、鉄損の劣化代で評価した。

本発明例のインナーケース：ケース上部に円筒状凹みを有するもの（図１参照）。
従来例のインナーケース：ケース上部に円筒状凹みなしのもの（図３参照）。
インナーケースの厚み：本発明例、従来例とも２５ｍｍ。
（仕上焼鈍条件）
均熱温度：１１５０℃、均熱時間：１０ｈ、インナーケース内の雰囲気：水素雰囲気、 昇温速度：５００〜１０００℃の温度域を２０〜３０℃／ｈ（急熱パターン）、冷却速度：１１５０〜５００℃の温度域を１５〜２０℃／ｈ。

その結果、従来のインナーケースをコイルに被せて仕上焼鈍を行った場合、コイル内の温度分布は、コイル厚方向で温度差が最大で２５０℃であったが、本発明例ではそれを５０℃にまで小さくすることができた。このため、本発明を適用したことにより、コイル内での温度分布に起因する形状不良部の長さを図５に示すように従来例に比べて改善することができ、また、磁気特性の劣化代を表１に示すように従来例に比べて小さくすることができた。磁気特性の最劣化部は、従来例ではコイルの中巻きに生じ、腹伸び不良部は、本発明例および従来例ともにコイルの中巻きに生じた。

本発明のインナーケースの形状を示す（ａ）は一部断面を含む斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。 バッチ焼鈍炉により、電磁鋼板を巻いたコイルを仕上焼鈍するときの加熱工程における問題点を説明する断面図である。 従来のインナーケースの形状を示す（ａ）は一部断面を含む斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。 本発明のインナーケースを用いた場合の作用を従来と比較して説明する特性図である。 本発明例の効果を従来例と比較した特性図である。

符号の説明

ｒ コイル中心からの距離
Ｗ１ 外巻き
Ｗ２ 内巻き
１ バッチ型焼鈍炉
１Ａ 炉天井
１Ｂ 炉壁
２ バーナー
３ インナーケース
４ 円筒状凹み

Claims (2)

1. 電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ焼鈍炉の炉内に、コイルの中心を垂直にして載置した状態で仕上焼鈍する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法において、前記コイルをバッチ焼鈍炉の炉内で仕上焼鈍する間、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有するインナーケースを被せておくことを特徴とする方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法。
2. 電磁鋼板を巻いたコイルを、バッチ焼鈍炉の炉内に、コイルの中心を垂直にして載置し、被せた状態で使用するインナーケースであって、ケース上部にコイルの内巻きと向かい合う円筒状凹みを有することを特徴とする方向性電磁鋼板の仕上焼鈍用のインナーケース。

Images