(57)【要約】【課題】本発明は、比較的安価かつ容易に鋼材の表面の酸化を抑制できる鋼材の焼鈍方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、上記熱処理工程で、外壁内側に断熱材が配設される加熱炉を用い、この加熱炉に不酸化性ガスを吹き込みながら鋼材を熱処理する工程を備える鋼材の焼鈍方法であって、上記加熱炉への１時間当たりの不酸化性ガス供給量をＦ［Ｎｍ３／ｈ］、上記外壁の内容積をＶ［ｍ３］、上記外壁の内容積に占める上記断熱材の体積割合をＸｍ［％］、上記断熱材の気孔率をＸｃ［％］として、Ｆ／Ｖ×１００≧（１／３０×Ｘｍ×Ｘｃ）＋（５８／３）の関係を満たすことを特徴とする。上記加熱炉がバッチ式焼鈍炉であり、昇温前に加熱炉内の雰囲気を不酸化性ガスで置換する工程を備えるとよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外壁内側に断熱材が配設される加熱炉を用い、この加熱炉に不酸化性ガスを吹き込みながら鋼材を熱処理する工程を備える鋼材の焼鈍方法であって、
上記熱処理工程で、上記加熱炉への１時間当たりの不酸化性ガス供給量をＦ［Ｎｍ３／ｈ］、上記外壁の内容積をＶ［ｍ３］、上記外壁の内容積に占める上記断熱材の体積割合をＸｍ［％］、上記断熱材の気孔率をＸｃ［％］として、次の式（１）の関係を満たすことを特徴とする鋼材の焼鈍方法。
Ｆ／Ｖ×１００≧（１／３０×Ｘｍ×Ｘｃ）＋（５８／３）  ・・・（１）
【請求項２】
上記加熱炉がバッチ式焼鈍炉であり、昇温前に加熱炉内の雰囲気を不酸化性ガスで置換する工程を備える請求項１に記載の鋼材の焼鈍方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の焼鈍方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材を焼鈍する際、加熱炉内の雰囲気中に水分が存在すると、鋼材の酸化が促進されるため、鋼材の表面に酸化皮膜が形成されて例えば変色による外観不良等の欠陥を生じさせるおそれがある。このため、例えば炉内を窒素ガス等の不活性ガスで置換（不酸化性ガス）することも行われているが、鋼材の酸化を十分に抑制することは難しい。
【０００３】
炉内の置換では鋼材の酸化を十分に抑制できない理由としては、加熱炉の炉壁に用いられる断熱材の存在が考えられる。具体的には、断熱材は、多孔性材料から形成されるため、その気孔内に水分を吸着しており、熱処理時の温度上昇に伴って水分を放出することで、炉内の水分量を増大させると考えられる。
【０００４】
これに対して、鋼材を焼鈍する熱処理中に加熱炉に不酸化性ガスを連続して供給し、加熱炉内の露点を低下させる方法が提案されている（特開平９−２５６０７４号公報参照）。この公報に記載の方法では、加熱炉内の雰囲気の露点を測定し、この露点が目標範囲内となるよう不酸化性ガスの供給量を調節する。
【０００５】
上記公報に記載されるように不酸化性ガスの供給量を調節するためには、露点計、ガス流量を調節する制御弁及び露点計の検出値に基づいて制御弁を調節するコントローラーを設ける必要があり、設備コストが必要となる。また、オペレーターが定期的に炉内の露点を測定し、マニュアル操作によってガス流量を調節することも不可能ではないが、焼鈍のための熱処理は長時間に亘って行われるため、マニュアル操作で露点を管理することはオペレーターへの負担が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５６０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記不都合に鑑みて、本発明は、比較的安価かつ容易に鋼材の表面の酸化を抑制できる鋼材の焼鈍方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、外壁内側に断熱材が配設される加熱炉を用い、この加熱炉に不酸化性ガスを吹き込みながら鋼材を熱処理する工程を備える鋼材の焼鈍方法であって、上記熱処理工程で、上記加熱炉への１時間当たりの不酸化性ガス供給量をＦ［Ｎｍ３／ｈ］、上記外壁の内容積をＶ［ｍ３］、上記外壁の内容積に占める上記断熱材の体積割合をＸｍ［％］、上記断熱材の気孔率をＸｃ［％］として、次の式（１）の関係を満たすことを特徴とする鋼材の焼鈍方法である。
Ｆ／Ｖ×１００≧（１／３０×Ｘｍ×Ｘｃ）＋（５８／３）  ・・・（１）
【０００９】
当該鋼材の焼鈍方法は、上記式（１）を満たすことによって、断熱材から放出される水蒸気を不酸化性ガスによって加熱炉の外に追い出して炉内の雰囲気ガスの露点を低く保つことで、鋼材の表面の酸化を抑制することができる。また、当該鋼材の焼鈍方法は、特別な制御装置を必要としないため比較的安価に行うことができ、オペレーターの負担も小さいので比較的容易に行うことができる。
【００１０】
上記加熱炉がバッチ式焼鈍炉であり、昇温前に加熱炉内の雰囲気を不酸化性ガスで置換する工程を備えるとよい。このように、上記加熱炉がバッチ式焼鈍炉であり、昇温前に加熱炉内の雰囲気を不酸化性ガスで置換する工程を備えることによって、より確実に鋼材の表面の酸化を抑制することができる。
【００１１】
ここで、「不酸化性ガス」とは、酸素原子を有しないガス、又は酸素原子の化学結合が安定であり、熱処理温度において酸素を供給する能力を有しないガスを意味する。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、比較的安価かつ容易に鋼材の表面の酸化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の鋼材の焼鈍方法に用いる装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１の装置を用いる鋼材の焼鈍方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】断熱材の体積率及び気孔率と、不酸化性ガスの供給量と、鋼材表面の酸化による変色との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
【００１５】
［鋼材の焼鈍方法］
本発明の一実施形態に係る鋼材の焼鈍方法は、図１に示すように、鋼材１を加熱炉２内に配置して熱処理する鋼材の焼鈍方法である。当該焼鈍方法は、例えば自動車、船舶、建材、家電等に用いられる鋼板の製造の一工程として行うことができる。
【００１６】
＜加熱炉＞
当該焼鈍方法は、加熱炉２として、図示するようなバッチ式のオープンコイル焼鈍炉を用いることができる。より詳しくは、当該焼鈍方法は、ＵＡＤ（Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ）焼鈍方式を好適に採用することができる。この場合、当該焼鈍方法により焼鈍される鋼材１は、典型的には、長尺の冷延鋼板を巻回したコイルとされる。
【００１７】
加熱炉２は、炉体３と、炉体３内に配設され、鋼材１が載置されるテーブル４と、炉体３内の上方に配設されるヒーター５と、炉体３内のテーブル４の側方に配設される循環ファン６とを備える。また、加熱炉２には、炉体３内に不酸化性ガスを供給するためのガス供給装置７が付設されている。
【００１８】
（炉体）
炉体３は、外壁８と、この外壁８の内側に配設される断熱材９とを有し、内部空間を密閉できるよう構成される。
【００１９】
外壁８は、例えば鉄によって構成され、炉体３の強度及び機密性を担保する。
【００２０】
断熱材９は、例えば煉瓦、モルタル等の多孔性材料から形成される。
【００２１】
断熱材９の合計体積の外壁８の内容積に占める割合の下限としては、５％が好ましく、７％がより好ましい。一方、断熱材９の合計体積の外壁８の内容積に占める割合の上限としては、３０％が好ましく、２０％がより好ましい。断熱材９の合計体積が上記下限に満たない場合、加熱炉２の断熱性が不足して熱効率が不十分となるおそれがある。逆に、断熱材９の合計体積が上記上限を超える場合、断熱材９からの水分放出量が過大となり、不酸化性ガスの消費量が不必要に増大するおそれがある。
【００２２】
断熱材９の気孔率の下限としては、１０％が好ましく、１５％がより好ましい。一方、断熱材９の気孔率の上限としては、８５％が好ましく、８０％がより好ましい。断熱材９の気孔率が上記下限に満たない場合、断熱材の断熱性が不足して熱効率が不十分となるおそれがある。逆に、断熱材９の気孔率が上記上限を超える場合、断熱材の強度が不十分となるおそれがある。
【００２３】
（テーブル）
テーブル４は、炉内のガスが上下に通過できるよう構成される。
【００２４】
（ヒーター）
ヒーター５は、例えば電気ヒーター、ラジアントチューブバーナー等によって構成することができる。
【００２５】
（循環ファン）
循環ファン６は、ヒーター５で加熱された炉内のガスを、鋼材１の鋼板の隙間を通して、テーブル４を上から下へと通過させるよう吸引し、このガスをヒーター５に再供給することで、炉内を循環させる。
【００２６】
（ガス供給装置）
ガス供給装置７は、高圧の不酸化性ガスが充填されたガスボンベ１０と、このガスボンベ１０から加熱炉２に供給される不酸化性ガスの流量を調節する調整弁１１とを有する構成とすることができる。
【００２７】
ガス供給装置７が供給する不酸化性ガスとしては、鋼材１を酸化させないものであればよいが、好ましくは還元性を有するガスが用いられる。このような不酸化性ガスとしては、例えば水素ガス（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴンガス（Ａｒ）、水素及び窒素の混合ガス、アンモニア分解ガス等が挙げられる。
【００２８】
ガス供給装置７は、一定の流量で加熱炉２に不酸化性ガスを供給する。このガス供給装置７から加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量の下限としては、加熱炉２の外壁８の内容積の１５％が好ましく、２０％がより好ましい。一方、ガス供給装置７から加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量の上限としては、加熱炉２の外壁８の内容積の６０％が好ましく、５０％がより好ましい。ガス供給装置７から加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量が上記下限に満たない場合、加熱炉２の内部の水蒸気を不酸化性ガスによって十分置換することができず、鋼材１の酸化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、ガス供給装置７から加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量が上記上限を超える場合、不酸化性ガスの消費量ひいては鋼材１の熱処理のコストが不必要に増大するおそれがある。
【００２９】
当該焼鈍方法は、図２に示すように、加熱炉２内に鋼材１を配置する工程＜ステップＳ１：鋼材配置工程＞と、加熱炉２内を不酸化性ガスで置換する工程＜ステップＳ２：置換工程＞と、加熱炉２内に不酸化性ガスを供給量しつつ予め設定される温度プロファイルとなるよう加熱及び冷却することにより鋼材１を熱処理する工程＜ステップＳ３：熱処理工程＞とを備える方法とすることができる。
【００３０】
＜鋼材配置工程＞
ステップＳ１の鋼材配置工程では、鋼材１を加熱炉２のテーブル４上に、鋼材１のコイルの中心軸がテーブル４に垂直になるよう配置する。
【００３１】
＜置換工程＞
ステップＳ２の置換工程では、ガス供給装置７から加熱炉２に不酸化性ガスを供給して、加熱炉２の内部を不酸化性ガスで置換する。
【００３２】
この置換工程を設けることにより、加熱前の加熱炉２内の酸素及び水分の存在量を低減することができ、鋼材１の酸化をより確実に抑制できる。
【００３３】
＜熱処理工程＞
ステップＳ３の熱処理工程では、ガス供給装置７から加熱炉２に不酸化性ガスを供給しつつ、例えば炉内温度をオーステナイト化温度以上の焼鈍温度まで加熱する加熱工程と、炉内温度を焼鈍温度に保持する均熱工程と、炉内温度をゆっくりと低下させる冷却工程とを行う。
【００３４】
また、加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガス供給量をＦ［Ｎｍ３／ｈ］、外壁８の内容積をＶ［ｍ３］、外壁８の内容積Ｖに占める断熱材９の割合をＸｍ［％］、断熱材９の気孔率をＸｃ［％］とすると、次の式（１）の関係を満たすものとされる。
Ｆ／Ｖ×１００≧（１／３０×Ｘｍ×Ｘｃ）＋（５８／３）  ・・・（１）
【００３５】
なお、上記式（１）の左辺は、加熱炉２への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量Ｆを加熱炉２の外壁８の内容積で除した値をパーセントで表したものであり、加熱炉２内の雰囲気ガスの不酸化性ガスによる換気（置換）割合を表す指標である。一方、上記式（１）の右辺の「Ｘｍ×Ｘｃ」は、外壁８の内容積に対する断熱材９の気孔の割合、つまり断熱材９の水分放出能力を表す指標である。従って、上記式（１）の左辺の値を右辺の値以上とすることによって、断熱材９から放出される水分を不酸化性ガスによって比較的短時間で置換することができるので、鋼材１の表面の酸化を十分に抑制することができる。
【００３６】
ここで、加熱炉２内の水分量の時刻ｔ［ｈ］における水分量を示す水分指数Ｘ（ｔ）は、次の式（２）で表される滞留時間分布関数によって表すことができる。
Ｘ（ｔ）＝（Ｘｍ×Ｘｃ）×ｅｘｐ（−Ｆ／Ｖ×ｔ）  ・・・（２）
【００３７】
つまり、加熱炉２において、断熱材９から水蒸気が放出されることで炉内雰囲気ガスの露点が上昇するが、加熱炉２に不酸化性ガスを供給することによって水蒸気を排出することで、炉内雰囲気ガスの露点を低下させることができる。より詳しくは、この水分指数Ｘ（ｔ）に０．００７５を乗じた値が、空気中に含まれる水分量［質量％］となる。
【００３８】
このため、例えば１０時間で露点を−２０℃まで低下させる場合、露点が−２０℃の空気中に含まれる水分量は０．１０２質量％であるので、上記水分指数Ｘ（１０）が１３．６となるようにすればよい。
【００３９】
上記式（１）の左辺の右辺に対する比の下限としては、１．０であり、１．１が好ましく、１．２がより好ましい。一方、上記式（１）の左辺の右辺に対する比の上限としては、２．０が好ましく、１．９がより好ましい。
【００４０】
（加熱工程）
加熱工程において、加熱炉２内の温度上昇に伴って断熱材９に吸着している水分（水蒸気）が放出されて、炉内の雰囲気ガス中の水分含有量（露点）を増大する。一方、加熱炉２にはガス供給装置７から不酸化性ガスが吹き込まれるので、断熱材９から放出される水分を含む雰囲気が不酸化性ガスによって置換される。このため、炉内温度が十分に上昇し、断熱材９が水分を放出し終えた後は、雰囲気ガス中の水分含有量が次第に低下する。
【００４１】
当該焼鈍方法における熱処理の最高温度としては、鋼材１の種類や使用目的に応じて選択されるが、例えば７００℃以上１０００℃以下とされる。
【００４２】
（均熱工程）
均熱工程では、加熱炉２の内部の雰囲気温度を焼鈍温度に保持することで、鋼材１の内部まで焼鈍温度に加熱する。
【００４３】
この均熱工程の保持時間としては、鋼材１の大きさ等にもよるが、例えば１時間以上３６時間以下とすることができる。
【００４４】
（冷却工程）
冷却工程では、炉内温度を徐々に低下させる。冷却工程における平均冷却速度としては、例えば２０℃／ｈ以上１００℃／ｈ以下とすることができる。
【００４５】
＜利点＞
当該鋼材の焼鈍方法は、上記式（１）を満たすことによって、断熱材９から放出される水蒸気を不酸化性ガスによって加熱炉２の外に追い出して炉内の雰囲気ガスの露点を低く保つことで、鋼材１の表面の酸化による鋼材の表面の酸化を抑制することができる。また、当該鋼材の焼鈍方法は、特別な制御装置を必要としないため比較的安価に行うことができ、オペレーターの負担も小さいので比較的容易に行うことができる。
【００４６】
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【００４７】
当該鋼材の焼鈍方法において、使用する加熱炉は、連続式のものであってもよい。
【００４８】
当該鋼材の焼鈍方法により焼鈍される鋼材の形状としては、コイル状に巻回される帯板状のものに限定されず、例えばブロック状等、任意の形状とすることができる。
【００４９】
当該鋼材の焼鈍方法において、置換工程は省略してもよい。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００５１】
焼鈍する鋼材として冷間圧延コイルを作製し、外壁内側に断熱材が配設される加熱炉を用い、不酸化性ガスを吹き込みながら焼鈍する試験Ｎｏ．１〜９を行った。
【００５２】
（鋼材）
焼鈍する鋼材としては、冷間圧延コイルを用意した。具体的には、先ず、原料を溶解及び鋳造し、炭素を０．５質量％、シリコンを０．２質量％、マンガンを０．８質量％含み、残部が鉄及び不可避的不純物であるスラブを作製し、このスラブを熱間圧延した。次いで、得られた圧延材を酸洗して表面の酸化スケールを完全に除去し、さらに冷間圧延して得られた板圧が２ｍｍ、板幅が９５０ｍｍ、長さが２０ｍの鋼板を内径６１０ｍｍのコイル状に巻き取って冷間圧延コイルとした。
【００５３】
（加熱炉）
試験Ｎｏ．１〜３では、加熱炉として、外壁の内容積が１００ｍ３、外壁の内容積に占める断熱材の体積割合が７％、断熱材の気孔率が２０％であるバッチ式ＵＡＤ焼鈍炉を用いた。試験Ｎｏ．４〜７では、加熱炉として、外壁の内容積が１００ｍ３、外壁の内容積に占める断熱材の体積割合が７％、断熱材の気孔率が８０％であるバッチ式ＵＡＤ焼鈍炉を用いた。試験Ｎｏ．８〜９では、加熱炉として、外壁の内容積が１００ｍ３、外壁の内容積に占める断熱材の体積割合が２０％、断熱材の気孔率が１７．４％であるバッチ式ＵＡＤ焼鈍炉を用いた。
【００５４】
（熱処理）
不酸化性ガスとして、１００質量％濃度の水素ガスを供給しながら、約１０時間かけて焼鈍温度（７００℃）まで昇温し、約２０時間保持した後、徐冷した。この間、炉内の雰囲気の露点を測定した。
【００５５】
試験Ｎｏ．１〜９では、加熱炉への１時間当たりの不酸化性ガスの供給量を、それぞれ２３［Ｎｍ３／ｈ］、２４［Ｎｍ３／ｈ］、４５［Ｎｍ３／ｈ］、２４［Ｎｍ３／ｈ］、３０［Ｎｍ３／ｈ］、３８［Ｎｍ３／ｈ］、４５［Ｎｍ３／ｈ］、２４［Ｎｍ３／ｈ］、３３［Ｎｍ３／ｈ］とした。
【００５６】
（評価）
上記試験Ｎｏ．１〜９で焼鈍した冷間圧延コイルについて、コイルの先端から２０ｍの位置における鋼板幅方向一端のミルエッジを含む平面視で１辺１５ｍｍの正方形の試験片をそれぞれ切り出した。これらの試験片を色温度３５００Ｋ、１００００ルクスの照度で実態顕微鏡の写真撮影を行い、撮影した画像から鋼板表面のＬ＊ａ＊ｂ＊値を測定した。
【００５７】
次の表１に、試験Ｎｏ．１〜９の断熱材の体積割合及び気孔率と、不酸化性ガスの流量と、上記式（１）の左辺の右辺に対する比（１未満の場合は式（１）を充足しない）と、処理開始から１０時間後の炉内雰囲気の露点と、試験片のＬ＊値とを示す。
【００５８】
【表１】
2017222895.tif 000003
【００５９】
表に示すように、式（１）の左辺が右辺に対して大きい程、Ｌ＊値が大きく鋼材の酸化による変色が少ないとことが分かる。なお、上記表において、Ｌ＊値が６０以上であるものは、酸化による変色が許容範囲内であるといえる。
【００６０】
図３に，試験Ｎｏ．１〜９の加熱炉への１時間当たりの不酸化性ガス供給量の外壁の内容積に対する比（Ｆ／Ｖ）と、断熱材の体積割合と気孔率との積（Ｘｍ×Ｘｃ）と、鋼材の酸化との関係を、Ｌ＊値が６０以上を「〇」、Ｌ＊値が６０未満を「×」でプロットした。なお、図には、式（１）の左辺と右辺とが等しい場合を示す直線を合わせて示す。
【００６１】
以上のように、試験の結果から、式（１）の左辺が右辺以上となるよう、不酸化性ガスを加熱炉に吹き込みながら熱処理を行うことによって、鋼材の酸化被膜形成を十分に抑制できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る鋼材の焼鈍方法は、冷間圧延コイルの光輝焼鈍に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  鋼材
２  加熱炉
３  炉体
４  テーブル
５  ヒーター
６  循環ファン
７  ガス供給装置
８  外壁
９  断熱材
１０  ガスボンベ
１１  調整弁
Ｓ１  鋼材配置工程
Ｓ２  置換工程
Ｓ３  熱処理工程
【図１】
2017222895.tif 000004
【図２】
2017222895.tif 000005
【図３】
2017222895.tif 000006