(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルをバッチ式焼鈍炉に装入して焼鈍を行なう鋼板のバッチ式焼鈍方法において、上記鋼板コイルの焼鈍中に、上記鋼板コイルの中央部空間内に配置した冷却装置から冷却媒体を噴出させて該鋼板コイルの内周面を冷却する衝風冷却を行なうものとし、その際、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させることを特徴とする鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【請求項２】
前記冷却媒体の旋回を、前記冷却媒体の噴出角度を調節することによって行なうことを特徴とする請求項１に記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【請求項３】
前記冷却媒体の旋回を、前記冷却装置の側壁に設けた案内板によって行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【請求項４】
前記冷却媒体の旋回を、前記鋼板コイルの内周面に設けた案内板によって行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【請求項５】
鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の冷却媒体の噴出角度に円周方向成分を持たせたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【請求項６】
鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の側壁に、冷却媒体の噴出後の進路を変更し、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させるための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【請求項７】
鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記鋼板コイルの内周面に、冷却媒体の噴出後の進路を変更し、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させるための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【請求項８】
鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の側壁に、冷却媒体の噴出後の進路を変更し、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させるための案内板を設けると共に、上記鋼板コイルの内周面にも、冷却媒体の噴出後の進路を変更し、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させるための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板のバッチ式焼鈍方法およびバッチ式焼鈍炉に関し、特に、焼鈍中に行なう衝風冷却による鋼板コイル内周面の冷却効率を高めることにより、鋼板の内部応力の発生を抑制し、もって製品歩留まりを向上させようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策のため、種々の機器の軽量化および小型化が図られている。例えば自動車分野においては、軽量化によって燃費向上と排出ガス低減が図られているが、それと同時に、衝突に対する強度を高めて安全性を確保することも要求されている。さらには、コスト低減という、それぞれ相反する要求が高まりつつある。そこで、焼鈍による鋼板の高張力（ハイテン）化が重要となっている。
【０００３】
焼鈍には、バッチ式と連続式が存在する。いずれの方式を用いる場合でも、焼鈍と調質圧延を行なうことにより、例えば、自動車および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す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するフルーティング現象等を改善することができる。しかしながら、バッチ式か連続式かで焼鈍後の調質圧延の方法および歪み時効硬化特性が異なる。バッチ式焼鈍は、加熱処理、均熱処理および冷却処理の時間を長く採ることができるので、固溶してある炭素Ｃや窒素Ｎ等を析出させやすく軟質化に有利であり、時効硬化量が小さい特性の鋼板を得ることができるため、上記した鋼板のハイテン化に適している。
【０００４】
このバッチ式焼鈍においては、従来より、種々のトラブルおよび焼鈍炉そのものの問題が指摘され、改善がなされてきた。
例えば、特許文献１では、鋼板コイルに発生する欠陥を解決しようとする試みがなされている。具体的には、板厚の異なる２つの鋼板コイルを巻き戻して互いに溶接し、外側に厚いコイル、内側に薄いコイルがくるように巻き込んでひとつのコイルとしてから焼鈍を行なうことにより、鋼板コイルの外周側下部に発生する欠陥を低減させようとするものである。
また、特許文献２には、鋼板コイルの鋼板間の密着と巻き緩みを回避するため、空冷と水冷を組み合わせることによって、鋼板コイルを冷却する方法が開示されている。
また、特許文献３には、バッチ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とすることにより、焼付き疵の発生を回避する方法が開示されている。
特許文献４および特許文献５にはいずれも、焼鈍炉において焼鈍中に発生する鋼板コイルの欠陥に対する対策が記載されている。特許文献４では、鋼板コイルのバックリング対策として、コイルの中央部空間に金属製リングを挿入して焼鈍を行なう方法が提案されている。特許文献５では、鋼板コイルの縦じわの発生を回避するため、インナーカバーの内側面に断熱材を張ることによって焼鈍中の炉内の温度分布を均一化する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭59-35635号公報
【特許文献２】特開平5-287390号公報
【特許文献３】特開平5-295453号公報
【特許文献４】特開2006-274343号公報
【特許文献５】特開2006-257486号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、板厚の異なる２つの鋼板コイルを準備する必要があるため、工程の簡素化およびコスト低減の観点からは若干の不利があった。
また、特許文献２および３に記載された方法はいずれも、焼鈍の加熱処理後の冷却処理中に行なわれるものであり、加熱処理中の欠陥の発生については考慮が払われていない。
また、特許文献４および５に記載された方法はいずれも、有効な方法ではあるものの、結果として鋼板コイル全体に最適な温度分布が得られているか不明であり、従って、欠陥を完全に解消できるとは言い難かった。
【０００７】
ところで、近年になって伝熱計算を行なうことにより、焼鈍の加熱処理中に鋼板コイル内に生じた温度勾配に起因する内部応力の発生が、従来考えられてきた以上に、最終的な鋼板形状に大きな影響を及ぼしていることが明らかとなった。
そのメカニズムは以下のとおりである。
鋼板コイルの外周面は、インナーカバーの側面から熱放射による入熱があるため、鋼板コイル全体で最も高温となる。また、鋼板コイルの内周面は、インナーカバーの上面から熱放射による入熱および床ヒータからの入熱があるため、比較的高温となる。
その結果、鋼板コイル内にはその半径に沿って、コイル外周面側から内周面側に向かって大・小・中となる温度勾配が生じることになる。その結果、熱膨張するコイル外周面とコイル内周面に挟まれた領域、すなわちコイル内部には強い圧縮応力が作用するのである。
【０００８】
この問題を解決するために考え出されたのが冷却塔による内面冷却である。これはコイル中央部空間内に冷却塔、すなわち、円筒状の冷却管を通し、冷却管内部に冷却媒体を流すことによりコイル内周面を冷却する方法である。
内面冷却の方法としては、現在二つの方法が考案されている。一つ目は冷却管内に冷却媒体を流通させて冷却管から熱を奪う輻射冷却である。二つ目は、冷却管の表面にあけた孔から冷却媒体を噴出させて冷却媒体で直接冷却する衝風冷却である。
いずれの方法でも鋼板コイル内周面の冷却効果があることが実験で確認されているが、特に衝風冷却方法はその効果が大きい。内面冷却を適用した結果、コイル外周面側から内周面側に向かって徐々に温度が低くなるように温度分布を制御することが可能になった。コイル内周面が常に低温となっているために、コイル内周面から圧縮応力は発生せず、コイル内部に発生する応力は低減された。
【０００９】
しかしながら、発明者らによる調査の結果、上記の衝風冷却においては、図１（ａ）に示すように、冷却管から冷却媒体を垂直にコイル内周面に向かって噴出させた場合、
（１）噴出した冷却媒体が衝突する場所と衝突しない場所とで抜熱効果に差がある（すなわち、抜熱斑が発生する）こと、および
（２）冷却媒体はコイル内周面に衝突した後に速度が急激に低下すること
により、コイル内周面からの抜熱効率が低下することが判明した。
【００１０】
本発明は、上記の問題、すなわち、（１）抜熱斑の発生および（２）冷却媒体の急激な速度低下を解決するもので、焼鈍中に行なう衝風冷却による鋼板コイル内周面の冷却効率を高めることにより、鋼板の内部応力の発生を抑制し、もって製品歩留まりを向上することができる鋼板のバッチ式焼鈍方法を、その方法に適したバッチ式焼鈍炉と共に提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべくさらなる研究を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
（i）コイル内周面に抜熱斑が発生する原因としては、コイル内周面に対し冷却媒体の均等な噴付けがなされていないことが考えられる。その原因は、冷却管の表面に複数設けた噴出孔が互いに間隔を有するためであるが、これは設計上避けることができない。
（ii）噴出孔の数をさらに増加させることも考えられるが、この場合、噴きつけは均一化できたとしても、噴出孔一つあたりの流量が減少して噴出速度が低下し、コイル内周面に冷却媒体を到達させることができなくなる。
（iii）そこで、図１（ｂ）に示すように、冷却媒体をコイル内周面に沿って旋回させるようにすれば、コイル内周面上での冷却媒体の流速を均一化して抜熱斑の発生を回避し、かつ衝突による冷却媒体の急激な速度低下を防ぐことができると考えられる。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１２】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルをバッチ式焼鈍炉に装入して焼鈍を行なう鋼板のバッチ式焼鈍方法において、上記鋼板コイルの焼鈍中に、上記鋼板コイルの中央部空間内に配置した冷却装置から冷却媒体を噴出させて該鋼板コイルの内周面を冷却する衝風冷却を行なうものとし、その際、上記冷却媒体を上記鋼板コイルの内周面に沿って旋回させることを特徴とする鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【００１３】
２．前記冷却媒体の旋回を、前記冷却媒体の噴出角度を調節することによって行なうことを特徴とする上記１に記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【００１４】
３．前記冷却媒体の旋回を、前記冷却装置の側壁に設けた案内板によって行なうことを特徴とする上記１または２に記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【００１５】
４．前記冷却媒体の旋回を、前記鋼板コイルの内周面に設けた案内板によって行なうことを特徴とする上記１から３のいずれかに記載の鋼板のバッチ式焼鈍方法。
【００１６】
５．鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の冷却媒体の噴出角度に円周方向成分を持たせたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【００１７】
６．鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の側壁に、冷却媒体の噴出後の進路を変更するための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【００１８】
７．鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記鋼板コイルの内周面に、冷却媒体の噴出後の進路を変更するための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【００１９】
８．鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルの焼鈍を行なうバッチ式焼鈍炉において、鋼板コイルの中央部空間に、冷却媒体を噴出させる衝風冷却用の冷却装置をそなえ、
上記冷却装置の側壁に、冷却媒体の噴出後の進路を変更するための案内板を設けると共に、上記鋼板コイルの内周面にも、冷却媒体の噴出後の進路を変更するための案内板を設けたことを特徴とするバッチ式焼鈍炉。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、鋼板コイルの焼鈍中において、鋼板コイル内周面上での冷却媒体の流速を均一化して抜熱斑の発生を回避すると共に、衝突による冷却媒体の急激な速度低下を防ぐことができるため、鋼板コイル内周面の冷却効率を高めることができ、それにより、鋼板の内部応力の発生を抑制し、もって製品歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の斜視図である。（ａ）は冷却媒体を垂直にコイル内周面に向かって噴出させる場合、（ｂ）は冷却媒体をコイル内周面に沿って旋回させる場合の例をそれぞれ示す。
【図２】（ａ）は、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第１実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の斜視図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第２実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の横断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第３実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の斜視図である。（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明の実施例において解析に用いた衝風冷却モデルを示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例における解析結果（流速分布）を示す図である。
【図７】本発明の実施例における解析結果（温度変化）を示す図である。
【図８】本発明の実施例における解析結果（コイル内周面の熱流束）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を具体的に説明する。
（第１実施態様）
まず、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第１実施態様について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第１実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の斜視図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図中、１は冷却管（冷却装置）、２は噴出孔、３は冷却媒体をそれぞれ示す。
さて本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法は、鋼板をコイル状に巻いた鋼板コイルをバッチ式焼鈍炉に装入して焼鈍を行なうに際し、鋼板コイル焼鈍中に、鋼板コイルの中央部空間内に配置した冷却管１から冷却媒体３を噴出させて鋼板コイルの内周面を冷却する衝風冷却を行なうものであるが、その際、冷却媒体３を鋼板コイルの内周面に沿って旋回させることを特徴とする。
【００２３】
そして、この第１実施態様では、冷却媒体３の旋回は、冷却媒体３の噴出角度を調節することによって行なう。
具体的には、図２（ｂ）に示したように、噴出孔２の噴出角度を、垂直軸に対して円周方向に所定角度θ１傾けることによって、冷却媒体３の噴出方向を調節する。
ここに、角度θ１は、好ましくは30〜85°、より好ましくは40〜80°である。
なお、この角度θ１は、必ずしも真横方向に設ける必要はなく、上下方向に幾分傾けても良い（好ましくは５〜30°）。
【００２４】
（第２実施態様）
次に、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第２実施態様について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第２実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の横断面図である。
図中、４は第１案内板、５は鋼板コイルの内周面であり、図２と同一の構成は同一の符号を付して示す。
本発明に係る鋼板のバッチ式焼鈍方法の第２実施態様では、第１実施態様において前述した冷却媒体３の旋回を、冷却管１の側壁に設けた第１の案内板４によって行なう。
【００２５】
具体的には、図３に示したように、第１の案内板４（図示の例では４枚）を冷却管１の側壁に、軸心を通る垂直面に対して所定角度θ２傾けて設置することが好ましい。
ここに、角度θ２は、好ましくは20〜70°、より好ましくは30〜60°である。
また、第１の案内板４は、図示したように、冷却管１から遠ざかるに従って徐々に角度θ２が大きくなるような形状とすることが好ましい。
なお、この場合も、角度θ２は必ずしも垂直面に対する角度とする必要はなく、垂直面から幾分傾いた面（好ましくは５〜30°）に対する角度としても良い。
【００２６】
（第３実施態様）
さらに、本発明の第３実施態様について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、本発明の第３実施態様に従う冷却媒体の噴出要領を示す冷却装置の斜視図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
図中、６は第２の案内板であり、図３と同一の構成は同一の符号を付して示す。
本発明の第３実施態様では、第１実施態様において前述した冷却媒体３の旋回を、鋼板コイルの内周面５に設けた第２の案内板６によって行なう。
【００２７】
具体的には、図４に示したように、第２の案内板６（図示の例では４枚）を鋼板コイルの内周面５に、軸心を通る垂直面に対し所定角度θ３傾けて設置することが好ましい。
またその際、第２の案内板６を、図示したように上下方向に対して所定角度θ４傾けて設置することにより、らせん状の流路を形成することが好ましい。それによって冷却媒体３をらせん状に移動させることができるため、冷却媒体３を鋼板コイルの内周面５に沿って有利に旋回させることができる。
なお、上記した角度θ３は、好ましくは20〜70°、より好ましくは30〜60°である。
また、上記した角度θ４は、好ましくは５〜60°、より好ましくは10〜20°である。
さらに、第２の案内板６は、図示したように、冷却管１から遠ざかるに従って徐々に角度θ３が大きくなるような形状とすることが好ましいことは、第１の案内板４について前述したところと同様である。
また、第２の案内板６は、図示したように、上方に向かって徐々に角度θ４が小さくなるように設置することが好ましい。
【００２８】
なお、第１〜第３実施態様で説明した冷却媒体を旋回させるための手段、すなわち、噴出角度の調整、第１の案内板および第２の案内板は、単独で使用しても併用してもいずれでも良い。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。
図５に本実施例における解析に用いたバッチ式焼鈍用の衝風冷却モデルを示す。コイル台７の上に鋼板コイル８を乗せ、コイル上部内巻に断熱材からなる蓋９を乗せる。コイル８の中心には衝風冷却用の冷却管１が設置してある。
コイル８の高さは1.0 m、外周直径は2.2 m、内周直径は0.6 mとした。冷却管１の高さは1.4 m、外周直径は0.4 mとした。
冷却管１の表面には直径20 mm の噴出孔２を計72個等間隔で千鳥配置した。冷却媒体として空気を使用し、冷却管１からの噴出量は孔一個当たり0.008 m3/sとした。この場合、冷却媒体の噴出速度はおよそ13 m/s となる。
【００３０】
本実施例では、高温状態のコイル８を内周面５から単純に衝風冷却する解析を行ない、コイル内温度の時間変化を調べて抜熱能力を比較した。
初期温度は炉全体に1200℃を与えた。計算の簡略化と比較を容易にするために構成部材のコイル内周面５以外は断熱とした。
計算は以下の２つの場合について行なった。
［比較例］冷却媒体を垂直にコイル内周面に向かって噴出させる場合。
［発明例］冷却媒体の噴出角度を垂直軸に対して所定角度θ１：45°傾けて冷却媒体をコイル内周面に沿って旋回させる場合。
【００３１】
以下、解析結果を説明する。
図６に発明例の流速分布を示す。
発明例では、コイル内周面に沿って約３ m/sの流速の旋回流れが形成されていることがわかる。
また、図７にコイル内周面から半径方向10 mm の深さに位置するコイル８内部の点Ｐの温度変化を示す。発明例は、比較例に比べて発明例は冷却速度が速いことから、旋回流れにより冷却効率が高まったことがわかる。
図８に比較例と発明例の内周面の熱流束を示す。
垂直噴出方式とした比較例では、斑点状に温度分布が生じている。それに対し、旋回方式とした発明例では、コイル内周面が均一に冷却されていることがわかる。
以上の実施例により、本発明に従う鋼板のバッチ式焼鈍方法によれば、焼鈍中に行なう衝風冷却による鋼板コイル内周面の冷却効率を確実に高めることができることが確認された。
なお、実施例では主に第１の実施の態様を行なった場合について主に説明したが、第２の実施の態様、第３の実施の態様、さらにはこれらを併用した場合も、同様の結果が得られることが確認されている。
【符号の説明】
【００３２】
１  冷却管（冷却装置）
２  噴出孔
３  冷却媒体
４  第１の案内板
５  鋼板コイルの内周面
６  第２の案内板
７  コイル台
８  鋼板コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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