JP4211540B2 - 方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の製造工程において、連続鋳造スラブを連続的に熱間圧延する際に用いる設備列、特に高温加熱する方向性電磁鋼板用スラブの熱間圧延に好適であり、製品の幅方向の均一性を改善しつつ、生産性および磁気特性に優れた方向性電磁鋼板を得ることを可能とした、連続式熱間圧延設備列に関するものである。

変圧器や発電機の鉄心材料として使用される方向性電磁鋼板には、高磁束密度かつ低鉄損であることが最も重要な特性として要求される。
今日まで方向性電磁鋼板の低鉄損化を実現するために様々な手段が講じられてきたが、そのなかでも最終仕上げ焼鈍後の鋼板の結晶方位を、ゴス方位と呼ばれる{１１０}＜００１＞方位に高度に集積させることは、最も重要視されてきた開発目標のひとつである。というのは、鉄結晶の磁化容易軸方向である結晶方位＜００１＞が圧延方向に高度に集積することにより、圧延方向への磁化に要する磁化力が小さくなり、保磁力が低下する結果、ヒステリシス損が低下して鉄損が低下するからである。

その他、方向性電磁鋼板の重要な要求特性として、磁化した際の騒音が小さいことが挙げられるが、この問題も結晶方位をゴス方位に揃えることにより大いに改善される。
すなわち、変圧器から生じる騒音の原因として、鉄心素材の磁歪振動や電磁振動が知られているが、結晶方位のゴス方位への集積度が向上することにより、磁歪振動の原因となる９０°磁区の生成が抑制されると同時に、励磁電流が低下して電磁振動が抑制され、これらの結果として騒音が低減される。

以上のように、方向性電磁鋼板にとって結晶方位＜００１＞の圧延方向への集積は最も重要な課題であるといえる。
ここで、結晶方位の集積度の指標として、Ｂ_８（磁化力８００Ａ／ｍにおける磁束密度）の値が用いられる場合が多く、方向性電磁鋼板の開発はＢ_８の向上を大きな目標として推進されている。また、鉄損の代表的な値としては、励磁磁束密度１．７Ｔ、励磁周波数５０Ｈｚの場合のエネルギー損失であるＷ_{１７／５０}が使用される。

上記した方向性電磁鋼板の二次再結晶粒組織は、最終仕上げ焼鈍中の二次再結晶と呼ばれる現象を通じて形成され、この二次再結晶によりゴス方位の結晶粒を優先的に巨大成長させて、所望の磁気特性を有する製品を得る。
上記の二次再結晶粒の集積を効果的に促進させるためには、一次再結晶粒の成長を選択的に抑制するインヒビターと呼ばれる析出分散相を均一かつ適性なサイズで形成することが重要である。このインヒビターの存在により一次再結晶粒の正常粒成長が抑制され、最終仕上げ焼鈍中に高温まで細かい一次再結晶粒の状態が保たれるとともに、良好な方位の結晶粒の成長に対する選択性が高まるため、高磁束密度が実現される。一般に、インヒビターが強力で正常粒成長抑制力が強いほど高い方位集積度が得られると考えられている。

このようなインヒビターとしては、ＭｎＳ、ＭｎＳｅ、Ｃｕ _２−ｘ Ｓ、Ｃｕ _２−ｘ Ｓｅ、ＡｌＮ、ＢＮ等が用いられる。かようなインヒビターの固溶には、例えば１３００℃以上の高温加熱が必要とされている。ここに、近年スラブ加熱に縦型電気式スラブ加熱が導入され、高温短時間の加熱が可能となっている。しかしながら、縦型電気式スラブ加熱炉は、幅方向の加熱が均一に行えないという欠点を内在している。この原因は、スラブの片側の側面を下にし、他の片側の側面を上面にしてスラブを立てた状態で加熱するという、縦型電気式スラブ加熱炉の本質的な構造に起因する。すなわち、スラブの下側の側面から炉床への抜熱量と、同上面の側面から天井方向への抜熱量が異なり、さらに雰囲気温度も炉の上部の方が高いといった、上下が非対称であることが問題である。

かようなスラブ側面からの抜熱により、スラブのエッジ部で温度が低くなることが問題であった。このスラブエッジ部の温度低下は、特に電磁鋼板において製品エッジ部の磁気特性の劣化として現れることが知られている。また、スラブ上下の非対称加熱に起因してスラブ幅方向の温度差が非対称になるため、温度に起因する熱間強度差により圧廷後の形状が弓なりになり、ひどいときには圧延が出来なくなってしまう等の操業トラブルの原因となっていた。

このスラブの幅方向の不均一加熱を是正するために、特許文献１では、縦型電気式スラブ加熱炉に挿入する前に、エッジ部を加熱する方法が提案されている。この方法では、エッジヒーター等の特殊な加熱装置が必要であり、これらの加熱装置はローラテーブル上に設置するため、エッジ加熱中は他の圧延をすることが出来ないため、経済的に不利である。

また、特許文献２に記載されている方法は、縦型誘導加熱炉において、鋼材を支持するサポートビーム間の耐火断熱材の上層面近傍に、誘導加熱による発熱体を配置し、この発熱体の発熱により当該鋼材下面からの熱放散を防止する方法が開示されている。同様に、特許文献３には、炉床の耐熱炉床金物を一旦予熱し、その後スラブを載せて加熱する方法が開示されている。
これらの方法では、スラブ下面側の側面温度を上昇させることは出来るが、上下の非対称性を改善することは難しい。

さらに、特許文献４には、誘導加熱炉の挿入前後にスラブ幅方向の温度を測定し、幅方向投入電力及び時間の設定条件を補正するフィードフォワードおよびフィードバック機能を備えた制御用計算機にて温度を制御する、誘導加熱炉の温度制御方法が開示されている。しかしながら、この方法でもスラブの幅方向の温度差をなくすのは困難であり、特に加熱中にスラブの転倒を防止するスラブ上面支持装置の温度降下部分など、局所的な温度降下に対しては効果に乏しいものであった。

特許文献５では、この上部支持装置を複数台設置し、スラブ支持装置を交互に上昇および下降させてスラブを支持することにより、支持装置からの抜熱をできるだけ防止する方法が開示されている。これによりスラブ支持装置による抜熱はある程度抑えられるものの、スラブ側面の交互支持を高温下で行うことでスラブ側面に新たな鋼片傷が発生するおそれがあった。

以上のように、縦型電気式加熱炉は、その構造に起因してスラブ幅方向で非対称の加熱となる欠点があり、この欠点を解消するために上記した種々の対策がなされたが、この欠点を完全に解消することは困難であった。
特開平５−１１７７５３号公報 特開平３−１１０３８０号公報 特開平６−１３６４３４号公報 特開昭６２−１６５２６号公報 特開 ２０００−２７３５３４号公報

本発明は、縦型電気式加熱炉を組み込んだ熱間圧延設備列において、そのスラブ加熱をスラブの幅方向で均一に行うことのできる装置構成を実現することによって、製品、特にスラブの高温加熱が必須である方向性電磁鋼板の製造に有利に適合する熱間圧延設備列を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を要旨とするものである。
（１）ローラテーブルを介して、ガス式加熱炉、粗圧延機および連続仕上圧延機を順次に接続した熱間圧延設備列において、
前記ローラテーブルの片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式加熱炉を配置し、各縦型電気式加熱炉は、該加熱炉にスラブを挿入するためのスラブ挿入装置をローラテーブル側に有し、該スラブ挿入装置は、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部が該縦型電気式加熱炉内において炉床側となる配置の下に、スラブの挿入を行うものであることを特徴とする方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。

（２）ローラテーブルを介して、ガス式加熱炉、粗圧延機および連続仕上圧延機を順次に接続した熱間圧延設備列において、
前記ローラテーブルの片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式加熱炉を配置し、各縦型電気式加熱炉は、該加熱炉にスラブを挿入するためのスラブ挿入装置をローラテーブル側に有し、該スラブ挿入装置は、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部が該縦型電気式加熱炉内において天井側となる配置の下に、スラブの挿入を行うものであることを特徴とする方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。

縦型電気式加熱炉のいずれか少なくとも１台の近傍に、粗圧延機もしくは水平圧下装置を設置したことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。

本発明の連続式熱間圧延設備列によれば、ローラテーブルの片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式スラブ加熱炉を配置したことにより、スラブ加熱を幅方向に均等に行うことができる。従って、この連続式熱間圧延設備列を方向性電磁鋼板の製造に適用すれば、スラブの高温加熱が幅方向に均等に実現する結果、幅方向に均一な磁気特性を有する製品が安定して得られ、併せて生産性の向上も達成される。

以下に、本発明の連続式熱間圧延設備列について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の連続式熱間圧延設備列の典型例を示す図であって、図において符号１はガス式加熱炉、同２、３および４は粗圧延機、そして５は連続仕上圧延機であって、これらを符号６で示すローラテーブルを介して相互に接続して設備列を構成している。なお、粗圧延機および連続仕上圧延機は、必要に応じて増減することができる。

また、符号７はエッジ加熱装置であって、粗圧延機４と連続仕上圧延機５との間に設け、粗圧延されたシートバーの保熱あるいは加熱を行うものであり、一方符号８は連続仕上圧延機の前に設けてクロップ等を切断処理する半製品処理装置であり、いずれも必要に応じて適宜設置する。さらに、粗圧延機２、３および４の各入側には、必要に応じて幅圧下用の縦型粗圧延機を設置してもよい。

この熱間圧延設備列において、粗圧延機２、３および４の周辺とガス式加熱炉１周辺（上流側を含む）であってローラテーブル６の片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式加熱炉を配置することが肝要である。
すなわち、図１の例では、粗圧延機２の入側のローラテーブル６の片側に縦型電気式加熱炉９を配置するとともに、粗圧延機２と３との間であって、かつローラテーブル６の縦型電気式加熱炉９とは逆側に縦型電気式加熱炉１０を配置し、ローラテーブル６を挟む形で縦型電気式加熱炉９と１０とを設置して成る。

以上の構成の熱間圧延設備列において、まずスラブは、ガス式加熱炉１で１０００〜１２５０℃に加熱されたのち、ローラテーブル６上を移動し、縦型電気式加熱炉９に挿入される。ここでは、後述するスラブ挿入装置を介して縦型電気式加熱炉９に近い側のスラブ幅方向端部（側面）が例えば下になるように９０度回転させ、その後縦型炉内に挿入する。挿入されたスラブは、縦型電気式加熱炉９にて１３００℃以上の所望温度に加熱したのち、挿入された順と逆にローラテーブル６上に戻す。

次いで、ローラテーブル６上のスラブを縦型電気式加熱炉１０の前まで移動し、縦型電気式加熱炉１０に近い側のスラブ側面が下になるように縦型炉内に挿入し、再度１３００℃以上の所望温度まで加熱する。ここで、粗圧延機２を用いて、例えば３〜２０％程度の予備圧延を行ってもよい。
以上、ローラテーブル６を挟む片側毎に配置した縦型電気式加熱炉９および１０にてスラブを加熱することによって、スラブの同じ側面が縦型電気式加熱炉の炉床側と天井側となる配置の下で順次に加熱される結果、スラブは幅方向に均一に加熱されることになる。

ここで、スラブは、ガス式加熱炉１で加熱後に粗圧延機を用いて３〜２０％程度の予備圧延をしたのち、縦型電気式加熱炉に挿入してもよいし、上記したように、縦型電気式加熱炉９でスラブ加熱した後、縦型電気式加熱炉１０に挿入するに先立ち３〜２０％の予備圧延をしてもよい。この予備圧延の目的は、連鋳スラブ特有の内部欠陥を圧着したり、スラブに転位を導入することによって、スラブに必要以上の粒径粗大化が発生するのを防止することが目的である。

上記の２回目の電気式加熱を終了した後のスラブは、挿入と逆の手順で抽出されてローラテーブル６に移送され、ローラテーブル６上を搬送された後、粗圧延機で圧延される。これ以降、定法に従って２〜５パスの粗圧延を実施し、２０〜６０ｍｍのシートバーとし、その後、連続式仕上圧延機５にて圧延し、最終的にコイルに巻き取って方向性電磁鋼板用熱延板となる。そして、この熱延鋼板を冷間圧延および焼鈍等、通常の方向性電磁鋼板の製造工程に従って処理すれば、表面性状及び磁気特性が幅方向で均一な最終製品を安定して得ることが出来る。

なお、ローラテーブル６を挟んで設置する縦型電気式加熱炉９および１０は、図１に示した配置に限らず、図２や図３に示す配置であってもよい。要は、ローラテーブル６を挟む一方側と他方側とに縦型電気式加熱炉を設置すればよく、さらにはいずれか一方側または両側で複数の縦型電気式加熱炉を設置することも可能である。

ここで、縦型電気式加熱炉にスラブの挿入を上記のように行うために、縦型電気式加熱炉の各々に対して、スラブを挿入するためのスラブ挿入装置をローラテーブル６側に配備することが好ましい。このスラブ挿入装置の一例を図４に示す。
すなわち、各縦型電気式加熱炉のローラテーブル６側に配備するスラブ挿入装置１１は、基軸１２を支点として回転する支持腕１３と垂直方向に上昇する炉床を兼ねた架台１４とから成る。

そして、ローラテーブル６上のスラブ１５を挿入するには、ローラテーブル６で縦型電気式加熱炉の正面まで搬送した時点で、該テーブル６上面より低い位置に待機していた支持腕１３を上方に回転させることによってローラテーブル６上のスラブ１５をすくい上げ、更に９０度位置まで回転させて支持腕１３から架台１４上にスラブ１５を移送し、さらに、この架台１４をスラブ積載状態で上昇させればよい。

以上のスラブ挿入装置を用いれば、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部（側面）が該縦型電気式加熱炉内において炉床側となる配置の下にするか、または同スラブ幅方向端部（側面）が該縦型電気式スラブ加熱炉内において天井側となる配置の下にすれば、上述したスラブ幅方向の均等加熱が実現する。

質量％で、Ｃ：０．０６５％、Si：３．５０％、Mn：０．０６５％、Al：０．０２３％、Ｎ：０．００９０％、Ｓ：０．０２７％、Sn：０．２０％、Cu：０．１２％およびCr：０．０１％を含み残部が実質的にFeからなる、厚さ２３０ｍｍの方向性電磁鋼板用連続鋳造スラブを１０本製造した。

このうちの５本のスラブについて、図２に示す熱間圧延設備列を用いて、ガス式加熱炉１にて１１９０℃×２時間加熱した後、縦型電気式（誘導式）加熱炉９に挿入し、１３８０℃まで２０分で昇熱して５分間均熱後に炉外に抽出した。ついで、縦型電気式（誘導式）加熱炉１０で１４２０℃まで１０分で昇熱して１０分間均熱後に炉から抽出し、その後粗圧延機に搬送して３パスの熱間圧延を行って５０ｍｍ厚のシートバーとした。いずれのスラブも、縦型電気式（誘導式）加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部（側面）を、同炉の炉床側とした。次に、シートバー幅方向端部の保熱を目的としたエッジ加熱を行いながら、熱間仕上げ圧延を行ってコイラーで巻き取ることによって、２．２ｍｍ厚さの方向性電磁鋼板用熱延鋼板を得た（発明例）。

一方、残りの５本のスラブは、図２に示す熱間圧延設備列を用いて、ガス式加熱炉で１１９０℃×２時間加熱したのち、電気式（誘導式）加熱炉９に挿入し、１４２０℃まで３０分で加熱し１５分間均熱ののち炉外に抽出し、その後３パスの熱間圧延を行って５０ｍｍ厚のシートバーとした。次に、シートバー幅方向端部の保熱を目的としたエッジ加熱を行いながら、熱間仕上げ圧延を行ってコイラーで巻き取ることによって、２．２ｍｍ厚さの方向性電磁鋼板用熱延鋼板を得た（比較例）。

上記の２つの熱間圧延工程において、熱間仕上げ圧延機の入側における、シートバー幅方向の温度分布について調査した結果を図５に示す。図５に示す様に、発明例では幅方向の温度分布が対称的であり、一方比較例では縦型電気式加熱炉にー度しか挿入していないため温度分布は非対称であった。

次いで、これら異なるスラブ加熱条件にて得られた方向性電磁鋼板用熱延板を、常法に従って処理して最終製品に仕上げた。すなわち、熱延板焼鈍を１１３０℃×６０秒で行って２００℃まで３０℃／ｓで冷却し、酸洗後に０．２７ｍｍ厚に圧下率８８％で冷間圧延した。その後、この冷間圧延板に、水素６０vol％および窒素４０vol％で露点６０℃の雰囲気にて８２０℃×１２０秒間の脱炭焼鈍を施し、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、１１８０℃×１５ｈの最終仕上焼鈍を行い、ついで未反応分離剤を除去した後コーティングを施し、平坦化焼鈍を行って製品とした。
かくして得られた製品の幅方向における磁気特性（磁束密度）の平均値を図６に示す。図６に示すように、発明例による製品は幅方向の磁気特性が比較例に比べて均一であることがわかる。

質量％で、Ｃ：０．０７５％、Si：３．２５％、Mn：０．０８０％、Al：０．０２３％、Ｎ：０．００９０％、Se：０．０２７％、Sn：０．２０％、Cr：０．１２％およびBi：０．００１０％を含み残部が実質的にFeからなる、厚さ２４０ｍｍの方向性電磁鋼板用連続鋳造スラブを１０本製造した。

このうちの５本のスラブについて、図３に示す熱間圧延設備列を用いて、ガス式加熱炉１にて１１００℃×２時間加熱した後、粗圧延機２で２２０ｍｍ厚に予備圧延した。ついで、縦型電気式（誘導式）加熱炉９に挿入し、１４１０℃まで２５分で昇熱して５分間均熱後に炉外に抽出した。さらに、縦型電気式（誘導式）加熱炉１０で１４０５℃まで１２分加熱して１０分間灼熱後に、炉から抽出して粗圧延機に搬送し、４パスの熱間圧延を行って４０ｍｍ厚のシートバーとした。いずれも、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部（側面）を同炉の天井側とした。次に、熱間仕上圧延をを行ってコイラーで巻き取ることによって、２．４ｍｍ厚さの方向性電磁鋼板用熱延鋼板を得た（本発明）。

一方、残りの５本のスラブは、図３に示す熱間圧延設備列を用いて、ガス式加熱炉１で１１００℃×２時間加熱したのち、粗圧延機２で２２０ｍｍに予備圧延してから縦型電気式（誘導式）加熱炉９に挿入し、１４２０℃まで３０分で加熱し１５分間の均熱後に炉外に抽出し、その後４パスの粗圧延を行って４０ｍｍ厚のシートバーとした。熱間仕上げ圧延をおこない、コイラーで巻き取り２．４ｍｍ厚さの方向性電磁鋼板用熱延鋼板とした（比較例）。

上記の２つの熱間圧延工程において、熱間仕上げ圧延機の入側における、シートバー幅方向の温度分布について調査した結果を図７に示す。図７に示す様に、発明例では幅方向の温度分布が対称的であり、一方比較例では縦型電気式加熱炉にー度しか挿入していないため温度分布は非対称であった。

次いで、これら異なるスラブ加熱条件にて得られた方向性電磁鋼板用熱延板を、常法に従って処理して最終製品に仕上げた。すなわち、熱延板焼鈍を１０００℃×６０秒で行って２００℃まで２０℃／ｓで冷却し、酸洗後に１．７ｍｍ厚に冷間圧延した。その後、この冷間圧延板を水素５０vol％および窒素５０vol％で露点６０℃の雰囲気で１１２０℃×１２０秒間の中間焼鈍後１５０℃まで３５℃／ｓで冷却した。その後、圧下率８７％で０．２２mm厚まで圧延した。次いで、この冷間圧延板に、水素６０vol％および窒素４０vol％で露点６０℃の雰囲気にて１１２０℃×１２０秒間の中間焼鈍を施した後、１５０℃まで３５℃／ｓで冷却した。その後、この冷間圧延板を水素６０％、窒素４０％、露点６０℃の雰囲気で８４０℃×１００秒間の脱炭焼鈍を施し、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、１１８０℃×１５ｈの最終仕上焼鈍を行い、ついで未反応分離剤を除去した後コーティングを施し、平坦化焼鈍を行って製品とした。

かくして得られた製品の幅方向における磁気特性（磁束密度）の平均値を図８に示す。図８に示すように、発明例による製品は幅方向の磁気特性が比較例に比べて均一であることがわかる。
さらに、図９に最終製品板の幅方向の板厚プロフィールを示す。図９に示す様に、比較例では左右非対称の板厚プロフィールとなり、トランスに組むため多数枚を積層した場合に大きな問題が生じる。

本発明に従う連続式熱間圧延設備列を示す説明図である。 本発明に従う別の連続式熱間圧延設備列を示す説明図である。 本発明に従うさらに別の連続式熱間圧延設備列のを示す説明図である。 縦型電気式加熱炉に付随するスラブ挿入装置の一例を示す説明図である。 スラブ幅方向位置における仕上げ圧延機入側での温度分布を示す図である。 製品板の板幅方向位置における磁束密度を示す図である。 スラブ幅方向位置における仕上げ圧延機入側での温度分布を示す図である。 製品板の板幅方向位置における磁束密度を示す図である。 製品板の板幅方向位置における板厚分布を示す図である。

符号の説明

１ ガス式加熱炉
２、３、４ 粗圧延機
５ 連続仕上圧延機
６ ローラテーブル
７ エッジ加熱装置
８ 半製品処理装置
９、１０ 縦型電気式加熱炉
１１ スラブ挿入装置
１２ 支持腕回転軸
１３ スラブ支持腕
１４ スラブ昇降架台
１５ スラブ

Claims (3)

1. ローラテーブルを介して、ガス式加熱炉、粗圧延機および連続仕上圧延機を順次に接続した熱間圧延設備列において、
   前記ローラテーブルの片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式加熱炉を配置し、各縦型電気式加熱炉は、該加熱炉にスラブを挿入するためのスラブ挿入装置をローラテーブル側に有し、該スラブ挿入装置は、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部が該縦型電気式加熱炉内において炉床側となる配置の下に、スラブの挿入を行うものであることを特徴とする方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。
2. ローラテーブルを介して、ガス式加熱炉、粗圧延機および連続仕上圧延機を順次に接続した熱間圧延設備列において、
   前記ローラテーブルの片側で少なくとも１台両側で少なくとも２台の縦型電気式加熱炉を配置し、各縦型電気式加熱炉は、該加熱炉にスラブを挿入するためのスラブ挿入装置をローラテーブル側に有し、該スラブ挿入装置は、縦型電気式加熱炉に近い側のスラブ幅方向端部が該縦型電気式加熱炉内において天井側となる配置の下に、スラブの挿入を行うものであることを特徴とする方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。
3. 縦型電気式加熱炉のいずれか少なくとも１台の近傍に、粗圧延機もしくは水平圧下装置を設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板の連続式熱間圧延設備列。

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