JP5942884B2 - 方向性電磁鋼板の窒化処理設備および窒化処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、方向性電磁鋼板に対して窒化処理を施すのに好適な方向性電磁鋼板の窒化処理設備および窒化処理方法に関するものである。
方向性電磁鋼板は、変圧器や発電機の鉄心材料として用いられる軟磁性材料で、その磁化特性に優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。この鋼板は、鉄の磁化容易軸である＜００１＞方位が鋼板の圧延方向に高度に揃った結晶集合組織を有しており、方向性電磁鋼板の製造工程中、二次再結晶焼鈍の際にゴス（Goss）方位と称される（１１０）〔００１〕方位の結晶粒を優先的に巨大成長させる、いわゆる二次再結晶を通じて形成される。
従来、このような方向性電磁鋼板は、4.5mass％以下のSiと、MnＳ，MnSe，AlＮなどのインヒビター成分を含有するスラブを、1300℃以上に加熱して、インヒビター成分を一旦固溶させたのち、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍を施したのち、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延によって最終板厚とし、ついで湿潤水素雰囲気中で一次再結晶焼鈍を施して、一次再結晶および脱炭を行い、ついでマグネシア（MgＯ）を主剤とする焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶およびインヒビター成分の純化のために1200℃で５ｈ程度の最終仕上焼鈍を行うことによって製造されてきた（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。
しかしながら、スラブの高温加熱は、加熱を実現する上で設備コストが嵩むだけでなく、熱延時に生成するスケール量も増大するため歩留りが低下し、さらには設備のメンテナンスが煩雑になる等の問題があり、近年の製造コスト低減の要求に応えることができないという問題があった。
このため、スラブにインヒビター成分を含有させずに二次再結晶を発現させる技術について、種々開発が進められてきた。例えば、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、一次再結晶焼鈍後、二次再結晶完了前に、地鉄中のＳ量を増加させることによって、安定して二次再結晶を発現させることができる技術（「増硫法」）が提案されている（特許文献４）。
また、脱炭焼鈍の前または後に、ガス窒化を施すことにより、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、一次再結晶焼鈍後、二次再結晶完了前にインヒビターを強化し、安定して二次再結晶を発現させることができる技術（特許文献５）や、窒化ゾーンの前に鋼板表面の酸化層に還元作用を与えるための還元帯を設置する技術（特許文献６）が提案されている。
さらに、このようなガス窒化工程においてストリップ全体にわたり均一に窒化するために、ノズルまたはスプレーで供給する窒化ガスを鋼板中央部と鋼板両端部で分割して調整する方法が提案されている（特許文献７）。
さらに、このようなガス窒化工程においてストリップ全体にわたり均一に窒化するために、ノズルまたはスプレーで供給する窒化ガスを鋼板中央部と鋼板両端部で分割して調整する方法が提案されている（特許文献７）。
しかしながら、上掲した特許文献４に開示された技術では、コイル加熱時の温度や雰囲気ムラにより、コイル内での増硫量が変化して二次再結晶挙動に差が生じる結果、磁気特性にバラツキが生じる場合があった。
また、特許文献５〜７に開示された技術では、窒化性ガスを鋼板に吹付けて窒化する方法であるため、炉内温度の時間的・位置的な不均一や熱による配管中での窒化性ガスの分解量の違いなどにより、窒化増量がストリップの部所によって異なる場合があり、結果的に二次再結晶が不均一となり磁気特性の悪化につながる場合があった。
また、特許文献５〜７に開示された技術では、窒化性ガスを鋼板に吹付けて窒化する方法であるため、炉内温度の時間的・位置的な不均一や熱による配管中での窒化性ガスの分解量の違いなどにより、窒化増量がストリップの部所によって異なる場合があり、結果的に二次再結晶が不均一となり磁気特性の悪化につながる場合があった。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、方向性電磁鋼板の製造に際し、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、二次再結晶前に適切な窒化処理を施して、インヒビター形成元素をストリップの全長・全幅にわたって均一に分散させることにより、バラツキのない優れた磁気特性を得る上で極めて有用な方向性電磁鋼板の窒化処理設備を、この窒化処理設備を用いた窒化処理方法と共に提供することを目的とする。
さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。
その結果、ストリップ（鋼板）に対して連続的に窒化処理する場合には、グロー放電を活用して窒化を施すことにより、窒化量の高精度な制御が可能となり、併せてそのバラツキも解消され、さらには処理時間の短縮も達成されて、優れた磁気特性が全ストリップ内で安定して得られるとの知見を得た。
その結果、ストリップ（鋼板）に対して連続的に窒化処理する場合には、グロー放電を活用して窒化を施すことにより、窒化量の高精度な制御が可能となり、併せてそのバラツキも解消され、さらには処理時間の短縮も達成されて、優れた磁気特性が全ストリップ内で安定して得られるとの知見を得た。
また、発明者らは、より実際的なグロー放電による窒化処理について、さらなる検討を重ねた。
その結果、通常のプラズマ窒化処理で行うように被処理材を直接陰極とするのではなく、被処理材の近傍に陰極を配置し、この陰極とその外側に設置した正極との間に電圧を印加してグロー放電を生じさせ、これによるプラズマが発生した状態でストリップを通板させて窒化処理を施すことにより、直接ストリップに電圧をかけてプラズマを発生させた時に生じるアーキング等の欠陥が効果的に抑制されることが突き止められた。
そして、上記したようなグロー放電によるプラズマ窒化を、ストリップに対する窒化処理として施すために必要な設備として最適な構造を見出し、本発明を完成させるに至ったのである。
その結果、通常のプラズマ窒化処理で行うように被処理材を直接陰極とするのではなく、被処理材の近傍に陰極を配置し、この陰極とその外側に設置した正極との間に電圧を印加してグロー放電を生じさせ、これによるプラズマが発生した状態でストリップを通板させて窒化処理を施すことにより、直接ストリップに電圧をかけてプラズマを発生させた時に生じるアーキング等の欠陥が効果的に抑制されることが突き止められた。
そして、上記したようなグロー放電によるプラズマ窒化を、ストリップに対する窒化処理として施すために必要な設備として最適な構造を見出し、本発明を完成させるに至ったのである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．方向性電磁鋼板の製造ラインにおいて、通板するストリップに対し、連続的に窒化処理を施すための窒化処理設備であって、
ストリップに対し窒化処理を施す窒化処理ゾーンと、ストリップを冷却する冷却ゾーンと、必要に応じて該窒化処理ゾーンの前にストリップを加熱する加熱ゾーンとをそなえ、該窒化処理ゾーンには、ストリップに対向させてグロー放電用の正極電極を設置すると共に、該正極電極とストリップとの間にグロー放電用の陰極電極を配置し、これら正極電極と陰極電極との間でグロー放電を生じさせ、発生したプラズマをストリップに照射して窒化処理を施すとともに、
上記窒化処理ゾーンの内部を、ストリップの幅方向にわたって複数のゾーンに分割し、各分割ゾーン内での独立した窒化処理制御を可能としたことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
１．方向性電磁鋼板の製造ラインにおいて、通板するストリップに対し、連続的に窒化処理を施すための窒化処理設備であって、
ストリップに対し窒化処理を施す窒化処理ゾーンと、ストリップを冷却する冷却ゾーンと、必要に応じて該窒化処理ゾーンの前にストリップを加熱する加熱ゾーンとをそなえ、該窒化処理ゾーンには、ストリップに対向させてグロー放電用の正極電極を設置すると共に、該正極電極とストリップとの間にグロー放電用の陰極電極を配置し、これら正極電極と陰極電極との間でグロー放電を生じさせ、発生したプラズマをストリップに照射して窒化処理を施すとともに、
上記窒化処理ゾーンの内部を、ストリップの幅方向にわたって複数のゾーンに分割し、各分割ゾーン内での独立した窒化処理制御を可能としたことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
２．前記窒化処理ゾーンが減圧下にあることを特徴とする前記１に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
３．前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンが、前記窒化処理ゾーンよりも減圧度が低く、かつ大気圧よりも減圧された状態にあることを特徴とする前記２に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
４．前記加熱ゾーンと前記窒化処理ゾーンとの間に前段雰囲気調整ゾーンを設けると共に、前記窒化処理ゾーンと前記冷却ゾーンとの間に後段雰囲気調整ゾーンを設けたことを特徴とする前記１乃至３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
５．前記前段雰囲気調整ゾーンおよび前記後段雰囲気調整ゾーンがそれぞれ、個別に減圧度の調整が可能な複数の気室に分かれていることを特徴とする前記４に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
６．前記前段雰囲気調整ゾーンでは、前記窒化処理ゾーンに向かうにつれて漸次減圧度が高くなる一方、前記後段雰囲気調整ゾーンでは、前記冷却ゾーンに向かうにつれて漸次減圧度が低くなることを特徴とする前記５に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
７．方向性電磁鋼板の製造工程中、冷間圧延後、二次再結晶焼鈍前の段階において、前記１乃至６のいずれかに記載の窒化処理設備を用いて、ストリップに対しグロー放電によるプラズマ窒化処理を施すことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理方法。
本発明によれば、窒化処理のバラツキを抑えて全ストリップ内で均一な窒化量を安定して確保できるので、優れた磁気特性をストリップの全長・全幅にわたり安定して得ることができる。
また、本発明では、被処理材であるストリップを直接陰極とするのではなく、被処理材の近傍に陰極を配置して、この陰極と正極との間でグロー放電を生じさせ、これにより発生したプラズマをストリップに照射して窒化処理を施すので、ストリップを直接陰極とした場合に問題となるアーキング等の欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
さらに、本方法によれば、窒素源として窒素ガスを用いることができるため、従来、ガス窒化の際に必要とされたアンモニアや、塩浴窒化を行う場合に必要とされるシアン系の塩など、環境上の問題が懸念される窒素源を用いる必要がないので、その産業的利用価値は極めて大きい。
また、本発明では、被処理材であるストリップを直接陰極とするのではなく、被処理材の近傍に陰極を配置して、この陰極と正極との間でグロー放電を生じさせ、これにより発生したプラズマをストリップに照射して窒化処理を施すので、ストリップを直接陰極とした場合に問題となるアーキング等の欠陥の発生を効果的に抑制することができる。
さらに、本方法によれば、窒素源として窒素ガスを用いることができるため、従来、ガス窒化の際に必要とされたアンモニアや、塩浴窒化を行う場合に必要とされるシアン系の塩など、環境上の問題が懸念される窒素源を用いる必要がないので、その産業的利用価値は極めて大きい。
以下、本発明を具体的に説明する。
図１に、本発明の窒化処理設備の好適例の概略を示す。図中、符号１は加熱ゾーン、２は窒化処理ゾーン、３は冷却ゾーンである。そして、４が、上記の構造になる窒化処理設備内を連続的に通板するストリップ（鋼板）である。なお、加熱ゾーンは、必要に応じて設ければよく、必ず必要というわけではない。
図１に、本発明の窒化処理設備の好適例の概略を示す。図中、符号１は加熱ゾーン、２は窒化処理ゾーン、３は冷却ゾーンである。そして、４が、上記の構造になる窒化処理設備内を連続的に通板するストリップ（鋼板）である。なお、加熱ゾーンは、必要に応じて設ければよく、必ず必要というわけではない。
さて、本発明では、上記した窒化処理ゾーン２において、ストリップ４に対しグロー放電によるプラズマ窒化処理を施す。
図２に、本発明に従うプラズマ窒化処理装置の好適例を示す。図中、符号５がストリップ４に対向させて設置したグロー放電用の正極電極、６がピンチロール、そして７がストリップ４に近接させて配置した陰極電極である。なお、窒化処理ゾーン２の内部は、窒素供給源として窒素ガスおよび水素ガスが充填されている。
図２に、本発明に従うプラズマ窒化処理装置の好適例を示す。図中、符号５がストリップ４に対向させて設置したグロー放電用の正極電極、６がピンチロール、そして７がストリップ４に近接させて配置した陰極電極である。なお、窒化処理ゾーン２の内部は、窒素供給源として窒素ガスおよび水素ガスが充填されている。
そして、正極電極５と陰極電極７との間に電圧を印加して、グロー放電を生じさせ、その際発生するプラズマをストリップ４に照射することにより、ストリップ４の表面を窒化処理するのである。
このように、本発明では、正極電極と陰極電極との間で発生させたプラズマを、陰極電極を通過させてストリップに到達させる必要があるため、陰極電極は、孔空き形状や網目状とする必要がある。
このように、本発明では、正極電極と陰極電極との間で発生させたプラズマを、陰極電極を通過させてストリップに到達させる必要があるため、陰極電極は、孔空き形状や網目状とする必要がある。
上記した窒化処理に際し、ストリップ温度は400℃以上に高めておくことが好ましい。
また、窒化処理ゾーン内は、減圧下に保持しておくことが好ましい。
さらに、加熱ゾーンおよび冷却ゾーンは、窒化処理ゾーンよりも減圧度は低いものの、大気圧よりは減圧された状態に保持することが好適であり、これにより、対流による熱交換が進みやすくなって、加熱・冷却効率を向上させることができる。
ここで、窒化処理ゾーン内は、グロー放電条件として好適な0.5〜10トール程度に減圧しておくことが、また加熱ゾーンおよび冷却ゾーンはそれよりも低い30〜500トール程度に減圧しておくことがそれぞれ好ましい。
また、窒化処理ゾーン内は、減圧下に保持しておくことが好ましい。
さらに、加熱ゾーンおよび冷却ゾーンは、窒化処理ゾーンよりも減圧度は低いものの、大気圧よりは減圧された状態に保持することが好適であり、これにより、対流による熱交換が進みやすくなって、加熱・冷却効率を向上させることができる。
ここで、窒化処理ゾーン内は、グロー放電条件として好適な0.5〜10トール程度に減圧しておくことが、また加熱ゾーンおよび冷却ゾーンはそれよりも低い30〜500トール程度に減圧しておくことがそれぞれ好ましい。
次に、図３に、窒化処理ゾーン２を挟んでその前後に前段雰囲気調整ゾーン８−１および後段雰囲気調整ゾーン８−２を設けた場合を示す。
この場合、前段雰囲気調整ゾーン８−１および後段雰囲気調整ゾーン８−２はそれぞれ、個別に減圧度の調整が可能な複数の気室に分けておくことが好ましい。そして、前段雰囲気調整ゾーン８−１では、窒化処理ゾーン２に向かうにつれて漸次減圧度を高めていく一方、後段雰囲気調整ゾーン８−２では、窒化処理ゾーン２から冷却ゾーン３に向かうにつれて漸次減圧度を低減していく仕組みとするのが好適である。
なお、各ゾーン間および各気室間のシールは、従来から公知の気密シール手段を用いればよく、ロールを用いたり、シールパッドを用いる等の方法がある。
この場合、前段雰囲気調整ゾーン８−１および後段雰囲気調整ゾーン８−２はそれぞれ、個別に減圧度の調整が可能な複数の気室に分けておくことが好ましい。そして、前段雰囲気調整ゾーン８−１では、窒化処理ゾーン２に向かうにつれて漸次減圧度を高めていく一方、後段雰囲気調整ゾーン８−２では、窒化処理ゾーン２から冷却ゾーン３に向かうにつれて漸次減圧度を低減していく仕組みとするのが好適である。
なお、各ゾーン間および各気室間のシールは、従来から公知の気密シール手段を用いればよく、ロールを用いたり、シールパッドを用いる等の方法がある。
また、本発明では、窒化処理ゾーンの内部を、ストリップの幅方向に複数のゾーンに分割し、各分割ゾーン内で個別に独立して窒化処理を行える構造とすることが好ましく、かような構造とすることにより、エッジ効果による端部の過窒化などストリップの幅方向における窒化ムラを効果的に解消することができる。
なお、加熱ゾーンに関しては、他の必要な処理を行う連続ライン内に設置して既にストリップが加熱されている場合や、プラズマ窒化処理時のプラズマ照射による加熱で十分な場合には省略することが可能である。
また、冷却ゾーンに関しても、プラズマ窒化処理後に加熱された状態で他の処理を施す場合などは、その処理ゾーンの後に配置してもよい。
さらに、本発明の窒化処理設備は、窒化処理のみを連続的に行う独立した設備としてもよいが、他の処理を施す工程ラインに取り付けても良く、連続ラインであれば効率面を含めて最適な箇所に取り付けていればよい。
そして、本発明において、被処理材であるストリップについては特に制限はなく、方向性電磁鋼ストリップであれば、従来から公知のストリップいずれもが適合する。
また、冷却ゾーンに関しても、プラズマ窒化処理後に加熱された状態で他の処理を施す場合などは、その処理ゾーンの後に配置してもよい。
さらに、本発明の窒化処理設備は、窒化処理のみを連続的に行う独立した設備としてもよいが、他の処理を施す工程ラインに取り付けても良く、連続ラインであれば効率面を含めて最適な箇所に取り付けていればよい。
そして、本発明において、被処理材であるストリップについては特に制限はなく、方向性電磁鋼ストリップであれば、従来から公知のストリップいずれもが適合する。
１ 加熱ゾーン
２ 窒化処理ゾーン
３ 冷却ゾーン
４ ストリップ（鋼板）
５ 正極電極
６ ピンチロール
７ 陰極電極
８−１ 前段雰囲気調整ゾーン
８−２ 後段雰囲気調整ゾーン
２ 窒化処理ゾーン
３ 冷却ゾーン
４ ストリップ（鋼板）
５ 正極電極
６ ピンチロール
７ 陰極電極
８−１ 前段雰囲気調整ゾーン
８−２ 後段雰囲気調整ゾーン
Claims (7)
- 方向性電磁鋼板の製造ラインにおいて、通板するストリップに対し、連続的に窒化処理を施すための窒化処理設備であって、
ストリップに対し窒化処理を施す窒化処理ゾーンと、ストリップを冷却する冷却ゾーンと、必要に応じて該窒化処理ゾーンの前にストリップを加熱する加熱ゾーンとをそなえ、該窒化処理ゾーンには、ストリップに対向させてグロー放電用の正極電極を設置すると共に、該正極電極とストリップとの間にグロー放電用の陰極電極を配置し、これら正極電極と陰極電極との間でグロー放電を生じさせ、発生したプラズマをストリップに照射して窒化処理を施すとともに、
上記窒化処理ゾーンの内部を、ストリップの幅方向にわたって複数のゾーンに分割し、各分割ゾーン内での独立した窒化処理制御を可能としたことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理設備。 - 前記窒化処理ゾーンが減圧下にあることを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
- 前記加熱ゾーンおよび／または前記冷却ゾーンが、前記窒化処理ゾーンよりも減圧度が低く、かつ大気圧よりも減圧された状態にあることを特徴とする請求項２に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
- 前記加熱ゾーンと前記窒化処理ゾーンとの間に前段雰囲気調整ゾーンを設けると共に、前記窒化処理ゾーンと前記冷却ゾーンとの間に後段雰囲気調整ゾーンを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
- 前記前段雰囲気調整ゾーンおよび前記後段雰囲気調整ゾーンがそれぞれ、個別に減圧度の調整が可能な複数の気室に分かれていることを特徴とする請求項４に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
- 前記前段雰囲気調整ゾーンでは、前記窒化処理ゾーンに向かうにつれて漸次減圧度が高くなる一方、前記後段雰囲気調整ゾーンでは、前記冷却ゾーンに向かうにつれて漸次減圧度が低くなることを特徴とする請求項５に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理設備。
- 方向性電磁鋼板の製造工程中、冷間圧延後、二次再結晶焼鈍前の段階において、請求項１乃至６のいずれかに記載の窒化処理設備を用いて、ストリップに対しグロー放電によるプラズマ窒化処理を施すことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理方法。
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