(57)【要約】【課題】本発明は、仕上焼鈍のコイル加熱時における昇温速度を通常より速めても、製品歩留りを低下させることなく、オーバーシュート等によるコイル内部の温度の不均一を低減可能な方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を提案することを目的としている。【解決手段】コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板を、バッチ式焼鈍炉へコイルの巻取軸方向を鉛直にして装入、加熱する従来の方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を改良した。新しい方法は、前記コイルの上部端を、該鋼板の熱伝導度に対して０．５〜３．０倍の熱伝導度を有する材料からなるプレートで覆うものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板を、バッチ式焼鈍炉へコイルの巻取軸方向を鉛直にして装入、加熱する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法において、
前記コイルの上部端を、該鋼板の熱伝導度に対して０．５〜３．０倍の熱伝導度を有する材料からなるプレートで覆うことを特徴とする方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法に係わり、より詳しくは、変圧器や発電機の鉄芯に利用される該方向性電磁鋼板からなるコイルを、バッチ炉で昇温時間を通常より短くして仕上焼鈍する際に発生していた該コイル内での温度の不均一を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
方向性電磁鋼板は、所定の成分組成に調整して製造した鋼鋳片（以下、スラブという）を熱間圧延し、１回もしくは中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延にて最終板厚とした後に脱炭焼鈍を行い、次いで焼鈍分離剤を塗布してから、コイル状に巻き取り、さらに該コイルを所謂「バッチ焼鈍炉」内で所定の雰囲気ガス中で高温に加熱して仕上焼鈍することによって製造される。
【０００３】
方向性電磁鋼板の製造では、前記したように、脱炭焼鈍後に高温の仕上焼鈍を行うが、特に、高磁束密度や低鉄損等の磁気特性に優れる高級な方向性電磁鋼板の場合には、該仕上焼鈍の前半において８００〜９００℃で所定の時間だけ均熱処理して二次再結晶を完了させ、その後１１００〜１２００℃で鋼中に残存する析出物を純化させる。この前半の均熱処理においては、コイル素材に特有な最適二次再結晶温度域が存在し、該最適二次再結晶温度域で二次再結晶させれば良好な結晶粒が発生して鋼板の特性が向上するが、最適二次再結晶温度域を外れると、好適な結晶方位から外れた結晶粒が生成したり、二次再結晶が発現しなかったりして所謂「二次再結晶不良」が起るという問題がある。
【０００４】
また、仕上焼鈍は、バッチ式の焼鈍炉に前記コイルを挿入し、このコイルにインナーケースと称されるベル型のカバーを被せた状態で加熱して行うが、通常は上部からバーナーもしくは電熱線等により加熱するので、昇温時には、コイルの上部、特にその外周部の温度が他の部分より先に上昇し、温度分布ができる。ゆっくりと温度を上昇させれば、コイル内での最高温部と最低温部との温度差を小さくすることができるので、そのような温度分布はある程度解消する。しかしながら、最近は、生産性を向上させるため、少しでも加熱時間を短縮させる必要に迫られている。
【０００５】
ところが、加熱時間を短縮すると、最高温部の過度の温度上昇（オーバーシュートと称する）が著しくなって、鋼材は、最適な二次再結晶温度域から乖離した部分の範囲が広くなり、この部分が二次再結晶不良となって、逆に歩留りが低下し、生産性が悪化するという問題も生じていた。
【０００６】
このようなオーバーシュートを防ぐ技術として、インナーケースの側壁面に断熱材を設置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、周縁部に断熱材を設けた円板をコイル上部に被せる方法も開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭６０−１１０４５９号公報
【特許文献２】
実開昭６１−６９２６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、インナーケースの側面に断熱材を施しているので、上部からの入熱による温度上昇が支配的になる。そのため、コイル上部のオーバーシュートが抑制されないばかりか、側面の温度が低下して、コイル内部の温度差が逆に拡大してしまうという問題があった。また、引用文献２記載の技術では、断熱材が設置されたコイル周縁部の温度上昇は避けられるが、昇温速度が速くなるにつれ、断熱材が設置されない部位との温度差が大きくなって、コイル内部の温度の不均一は依然として解消されない。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑み、仕上焼鈍のコイル加熱時における昇温速度を通常より速めても、製品歩留りを低下させることなく、オーバーシュート等によるコイル内部の温度の不均一を低減可能な方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を提案することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、方向性電磁鋼板の磁気特性についてコイル内でばらつきを生じる原因について、鋭意究明したところ、仕上焼鈍における加熱時の昇温速度が高まると、コイル内での最高温部と最低温部の差が拡大し、その結果、仕上焼鈍の均熱時において最適な二次再結晶温度から外れる部分が拡大し、この部分の磁気特性が劣化するという知見を得た。そこで、コイルに生じる温度分布を解消すべく鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。
【００１１】
すなわち、本発明は、コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板を、バッチ式焼鈍炉へコイルの巻取軸方向を鉛直にして装入、加熱する方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法において、前記コイルの上部端を、該鋼板の熱伝導度に対して０．５〜３．０倍の熱伝導度を有する材料からなるプレートで覆う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。
【００１２】
本発明では、熱伝導度が鋼板に比較的近い材料からなるプレートでコイルを覆うようにしたので、該プレート内において温度勾配が高くなり、コイル内の温度勾配が小さくなる。その結果、仕上焼鈍のコイル加熱時における昇温速度を通常より速めても、製品歩留りを低下させることなく、オーバーシュート等によるコイル内部の温度の不均一を低減できるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００１４】
一般に、方向性電磁鋼板は、例えばＣ：０．０８ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２〜４ｍａｓｓ％及びＭｎ：０．０３〜３．５０ｍａｓｓ％と、インヒビターの形成成分とを含有するスラブを素材とする。そして、該スラブを熱間圧延し、１回若しくは２回以上の冷間圧延にて最終板厚とした後に脱炭焼鈍し、表面に焼鈍分離剤を塗布してから該鋼板をコイル状に巻き取り、該コイルをバッチ式焼鈍炉に装入して仕上焼鈍することで製造される。その仕上焼鈍は、例えば高級方向性電磁鋼板の場合には、該仕上焼鈍の前半において８００〜９００℃で所定の時間だけ均熱処理して二次再結晶を完了させ、後半には１１００〜１２００℃に昇温して鋼中に残存する析出物を純化させる。
【００１５】
ところで、バッチ式焼鈍炉内には、コイル１が、図６に示すように、炉床２に設置されたコイル受台３上に、その巻取軸方向を鉛直にして載置される。また、該コイル受台３及びコイル１を包むようにしてインナーケース４と称する覆いが設けられ、該インナーケース４の内部を適切な雰囲気（ガス組成、温度等）に保った状態で、インナーケース４の外側から加熱が行われる。その加熱は、インナーケース４の上部に、ガスバーナー等の加熱手段（図示しない）を設置し、インナーケース４の上方から行われる。そのため、仕上焼鈍の加熱時には、コイル１は鉛直方向の上端（以下、コイル上端とする）がまず昇温し、他の部分が遅れて昇温することになる。その際、加熱時の昇温速度が遅ければ（例えば、１０℃／時間程度）、コイル上部の温度が最も高くなる部位（以下、最高温部という）の温度に対して、コイル内の最も温度が低い部位（以下、最低温部という）の温度が容易に追随できるので、両部位間の温度差は小さく、コイル内での温度分布は比較的均一となる。しかしながら、加熱時の昇温が速ければ（例えば、２０℃／時間以上）、最高温部の温度上昇に対して最低温部での温度が追随できず、両者の温度差が拡大してしまう。
【００１６】
この様子を、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて説明すると、まず、図２（ａ）は、目標炉温（例えば、８００℃）の設定を従来の通りとした焼鈍炉にコイル１を装入し、比較的緩やかにコイル１を昇温した場合である（等高線の間隔は１℃程度）。この場合、コイル１内の温度分布、すなわち最高温部と最低温部との温度差は４℃程度であった（従来例）。一方、図２（ｂ）は、昇温速度の上昇を意図して、前記した従来の目標炉温に対して２０℃高く設定した焼鈍炉にコイル１を装入した場合であり、コイル１の昇温速度は上記の従来例に比べて速くなった。この場合には、別途図５に示すように、最高温部と最低温部の温度差は平均８℃程度に拡大してしまった。
【００１７】
次に、焼鈍炉ではコイル上方からの加熱により最高温部が上方に位置するので、この最高温部への熱輻射を軽減するために、コイル上端を断熱性のセラミックス（ＴｉＣ）からなるプレート５で覆い、且つ設定炉温を前記の従来例より２０℃高くする実験を試みた。しかしながら、コイル上部が断熱されてしまうためか、昇温速度は期待した通りには速まらず、かえって昇温に時間がかかるという結果となった。この昇温速度を重視して、さらに炉温の設定温度を高くしたところ（従来より４０℃高）、昇温速度は上昇した。ところが、図３（ａ）に示すように、プレート直下のコイル上端から数１０ｍｍ程度下方の位置での温度が上昇し、コイル内の温度差が１０℃程度に一層拡がってしまった。
【００１８】
そこで、発明者らは、コイル１を覆うプレート５の材質について検討するため、上記したセラミックスのような熱伝導度の小さい材質ではなく、焼鈍するコイル１の材質に近い熱伝導度を有する材料からなるプレート５でコイル上端を覆ってみた。その結果、プレート５内において温度勾配が高くなり、コイル１内で温度勾配が小さくなるという好ましい現象を見出した。なお、その際、同一材質のプレート５で、その厚みも種々変更している。一例として、プレート５にＦｅ−３質量％Ｓｉ合金（コイルとほぼ同素材）を選択した場合を図３（ｂ）に示す。温度差を図５に示すが、コイル１内の温度勾配は平均３℃程度に軽減できた。
【００１９】
また、この実験における昇温速度を図４に示す。図４より、コイル１の材質と同程度の熱伝導度を有したプレート５で該コイル１を覆い、昇温速度の上昇を意図して目標炉温を前記した従来例より２０℃高めに設定した方が（実線）、従来の炉温のままでプレート５を使用しない場合（破線）に比べて、２割程度昇温に有する時間が削減されていることが明らかである。また、プレート５を使用せずに、目標炉温を従来より２０℃高めに設定した場合（点線）に生じたようなオーバーシュートも生じていなかった。
【００２０】
そこで、この焼鈍するコイル１の材質に近い熱伝導度を有する材料からなるプレート５でコイル上端を覆う仕上焼鈍方法を本発明としたのである。なお、本発明では、プレート５に用いる素材の熱伝導度は、コイル素材（方向性電磁鋼板）の熱伝導度（８００℃）に対して０．５〜３倍である。つまり、熱伝導度が０．５倍に満たないと、前述したＴｉＣのプレートのごとく、上方からの熱を遮断してしまいコイル１の昇温を速くできないばかりか、逆に温度分布も拡大してしまうからである。また、３倍を超えると、温度勾配が大きくなる部位をプレート５内にだけ留められず、コイル１内においても温度勾配が大きくなり、コイル内の温度分布が不均一となるからである。さらに、プレート５の材質としては、例えば、コイル素材と同等のＦｅ−３質量％Ｓｉ鋼やＳＵＳ  ３０４で代表される各種合金鋼やその他の金属材料が利用できる。例えば、タングステン合金やモリブデン合金等の高融点の合金を利用することが好ましい。また、セラミックスであっても、ＳｉＣ等ように、比較的熱伝導度の大きいものは、使用しても良い。さらに、プレートの厚さは、素材の熱伝導度や、コイル重量、設定炉温等に応じて適宜決めれば良いので、本発明では特に限定しないことにする。加えて、温度分布の均一化の観点からは、プレートの外径をコイル外径以上とするのが好ましい。しかしながら、プレート５がコイル外径より１．２倍を超えて大きいと、コイルの昇温時間が長くなるので、プレートの外径は、コイル外径の１．２倍以内とするのが好ましい。さらに加えて、プレート形状は、ほぼ円板状として、コイルには上面から見て同心円状に載置するのが良い。
【００２１】
【実施例】
Ｃ：０．０４３ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：３．３１ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０６２ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０２４ｍａｓｓ％及びＳｂ：０．０２５ｍａｓｓ％の成分組成よりなるスラブを熱間圧延し、１回もしくは２回以上の冷間圧延にて最終板厚０．２３ｍｍの鋼帯とした。引き続き、該鋼帯に脱炭焼鈍を兼ねた１次再結晶焼鈍を施し、表面に焼鈍分離剤（ＭｇＯにＴｉＯ２を１ｍａｓｓ％及びＳｒＳＯ４を２ｍａｓｓ％添加）を塗布してから、コイル状に巻き取った。なお、該鋼帯の熱伝導度は２５Ｗ／Ｋ・ｍ（８００℃）で、コイルの外径は１２００ｍｍであった。
【００２２】
次に、該コイルを、上端を表１に示した各種のプレートで覆ったり、あるいは何によっても全く覆わずに、バッチ式焼鈍炉へ装入し、仕上焼鈍が行われた。その焼鈍条件は、前期が２次再結晶を狙い、インナーケース内をＮ２雰囲気として８００℃×７０時間の加熱であり、後期が純化を狙いにＨ２雰囲気で１２５０℃×１０時間の加熱である。なお、実施に際しては、昇温速度を高めるため、従来のプレートなしの状態においてコイルを８００℃に昇温する場合の炉温を基準に、各ケースの炉温を従来より高く設定した。実施条件及び成績を表１に一括して示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１より、プレートを設置せず、昇温速度を高めた比較例１では、昇温時間は従来に比べて短縮されているが、コイル内の温度差は拡大していることが明らかである。また、本発明に係るプレートを使用しない比較例２〜３では、コイル内の温度差が従来より拡大するか、もしくはコイルの昇温時間を短縮できなかった。一方、本発明に係るプレートを用いた場合には、コイル内の温度差は３℃程度に低減し、且つコイルの昇温時間も従来の８割程度に短縮できている。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、仕上焼鈍のコイル加熱時における昇温速度を通常より速めても、製品歩留りを低下させることなく、オーバーシュート等によるコイル内部の温度の不均一を低減できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を示すインナーケース内の透視図である。
【図２】コイル上部をプレートで覆わない仕上焼鈍で生じたコイル内の温度分布を示す側面図であり、（ａ）は従来の設定炉温で昇温した場合、（ｂ）は従来の設定炉温より２０℃高い温度に設定した場合である。
【図３】コイル上部をプレートで覆った仕上焼鈍で生じたコイル内の温度分布を示す側面図であり、（ａ）はプレートの材料を熱伝導度が小さいセラミックスとし、従来の設定炉温より４０℃高い温度に設定した場合、（ｂ）はプレート材料を熱伝導度がコイル素材と同等のものとし、且つ従来の設定炉温より２０℃高い温度に設定した場合である。
【図４】図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示した仕上焼鈍の初期における炉温及びコイル温度の経時変化を示す図である。
【図５】本発明及び従来の仕上焼鈍方法による実施結果を、それぞれのコイル内温度差で評価した図である。
【図６】一般的な方向性電磁鋼板の仕上焼鈍方法を説明するインナーケース内の透視図である。
【符号の説明】
１    コイル
２    炉床
３    コイル受台
４    インナーケース
５    プレート
【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６】
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