JP5169307B2

JP5169307B2 - 溶融金属めっき鋼帯の製造方法

Info

Publication number: JP5169307B2
Application number: JP2008045455A
Authority: JP
Inventors: 玄太郎武田; 秀行高橋; 圭介小野; 信二後藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009203500A

Description

本発明は、溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる鋼帯の表面に、ガスワイピングノズルから気体を吹き付け、鋼帯表面のめっき付着量の制御を行う溶融金属めっき鋼帯の製造方法に関するものである。

連続溶融めっきプロセスにおいては、図４に示すように、一般に溶融金属が満たされているめっき浴２０に鋼帯Ｘを浸漬させ、この鋼帯Ｘをめっき浴２０から垂直上方に引き上げた後、鋼帯を挟んで対向して設けられたガスワイピングノズル２１から鋼帯面に気体を吹き付けるガスワイピングが行われる（図４において、２２はシンクロ−ル、２３はサポートロール、２４はロールを示す）。このガスワイピングにより、余剰な溶融金属が掻き取られてめっき付着量が制御されるとともに、鋼帯表面に付着した溶融金属が板幅方向および板長手方向で均一化される。ガスワイピングノズル２１は、多様な鋼帯幅に対応するとともに、鋼帯引き上げ時の幅方向の位置ズレなどに対応するため、通常、鋼帯幅より長く構成され、鋼帯の幅端部より外側まで延びている。

このようなガスワイピング方式では、鋼帯に衝突した気体噴流の乱れによって鋼帯下方に落下する溶融金属が周囲に飛び散る、いわゆるスプラッシュが発生し、これが鋼帯表面に付着してめっき鋼帯の表面品質の低下を招くという問題がある。このスプラッシュ発生の問題は、ガスワイピングノズルから鋼帯面に吹き付ける気体圧力を高くするとより顕在化する。

鋼帯の連続製造プロセスにおいて生産量を増加させるには、鋼帯通板速度（ライン速度）を増加させればよい。しかし、連続溶融めっきプロセスにおいてガスワイピング方式でめっき付着量を制御する場合、ライン速度を増加させると、溶融金属の粘性によって鋼帯のめっき浴通過直後の初期付着量が増加するため、めっき付着量を一定範囲内に制御するには、ガスワイピングノズルから鋼帯面に吹き付ける気体圧力をより高圧に設定する必要があり、これによってスプラッシュが大幅に増加し、良好な表面品質を維持できなくなる。

また、付着量を薄目付けにするには、ガスワイピングノズルから鋼帯面に吹き付ける気体圧力を高くすることが有効である。しかし、鋼帯面に吹き付ける気体圧力を高くすると、スプラッシュ発生量が増加し、良好な表面品質を維持しにくくなる。

このようなスプラッシュ発生の問題を解決するため、主として鋼帯に付着した溶融金属の付着量を制御するガスワイピング用のノズル（主ノズル）の上下に補助的なノズル（副ノズル）を設け、副ノズルの作用によって主ノズルの性能を向上させることを狙いとした、以下のような方法が提案されている。

特許文献１に示される方法は、主ノズルの周囲から火炎や燃焼ガスを噴射して、主ノズルからの噴流と周囲空気とを遮断して、ワイピング能力を向上させることができるとしている。

特許文献２に示される方法は、主に付着金属の厚さを制御するガスを噴射する主ノズルと、前記主ノズルの上部及び下部の少なくとも一方に、各ノズルのガス噴射口間がガス出口側端部の厚みが０．１〜２．０ｍｍの仕切り板で仕切られ、気体の噴射方向が主ノズルから噴射される気体の噴射方向と交差する方向に傾斜した、主ノズルから噴射するガスよりも低速のガスを噴射する副ノズルによって、主ノズルから噴射される主噴流の拡散を抑制してポテンシャルコアを延長し、ワイピング能力を向上させることができるとしている。
特開２００２−３４８６５０号公報特開２００６−３２８４８７号公報

しかし、本発明者らが検討したところによれば、例えば溶融亜鉛めっき鋼帯を製造する場合、特許文献１に示された形態で安易に主ノズルの周囲にノズルあるいはバーナーを配置して外気との「遮断ガス」を噴射しても、実際には主ノズルからのガスとの混合が促進されてポテンシャルコアは延長されないし、副ノズルから火炎あるいは１０００℃近い高温ガスを噴射すると、鋼帯と亜鉛との合金化を促進してしまい、合金層の成長によって逆に通常ワイピングノズルだけの場合よりも薄目付けしにくくなることがわかった。また、火炎あるいは高温ガスの噴射ガス量を極力抑えたとしても、亜鉛がヒューム化、鋼帯表面の酸化亜鉛による外観不良、火炎・燃焼ガスの巾方向不均一噴射に起因する巾方向合金化ムラによる皮膜特性のバラツキ増加等の製品品質上の問題が発生することがわかった。

副ノズル（補助ノズル）による主ノズルのポテンシャルコア延長効果を得るには、特許文献２に示されるように、主ノズルと副ノズルの隙間を極力狭めるようにしなければならない。しかしながら、近年、金属めっき膜厚のさらなる薄膜化へのニーズが高まっている中で、ノズル圧力を増加させても、ワイピングガスの冷却効果によって溶融金属の粘度が低下するため、特許文献２のワイピングノズルをもってしても、溶融亜鉛めっきの場合で片面３０ｇ／ｍ^２以下の膜厚にすることができないという問題がある。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、ガスワイピングノズルを用いてめっき付着量の制御を行う溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、スプラッシュに起因するめっき表面欠陥の発生を抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯をより安定して製造することができる溶融金属めっき鋼帯の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる鋼帯の表面に、ガスワイピングノズルから気体を吹き付け、鋼帯表面のめっき付着量の制御を行う溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、
前記ガスワイピングノズルは、主ノズルと、該主ノズルの上側又は／及び下側に、主ノズルから噴射される気体噴流よりも低速で、噴射方向が主ノズルの気体噴射方向と交差する方向に傾斜した気体噴流が噴射される副ノズルを備え、前記副ノズルから噴射される気体噴流の気体温度は５００℃以下であって、前記主ノズルから噴射される気体噴流の気体温度よりも５０℃以上高温とすることを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法である。

本発明によれば、スプラッシュに起因するめっき表面欠陥の発生を抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯をより安定して製造することができるようになる。

図１は本発明の実施に使用するガスワイピングノズルの一実施形態を示す縦断面図、図２は、図１のガスワイピングノズルの噴射口先端部の拡大図である。図１および図２において、Ａはガスワイピングノズル、Ｘは鋼帯、ｍは鋼帯Ｘの表面に付着した溶融金属である。

ガスワイピングノズルＡは、主ノズル１とその上側及び下側に設けられる副ノズル２ａ、２ｂとを備え、副ノズル２ａ、２ｂの気体噴射方向は主ノズル１の気体噴射方向（通常、鋼帯Ｘ面に対してほぼ直角方向である。）と交差する方向に傾斜し、主ノズル１からの気体噴流（以下、主噴流という。）に副ノズル２ａ、２ｂからの気体噴流（以下、副噴流という。）が合流するように構成されている。図２中のγ_ａ、γ_ｂは主ノズル１の気体噴流の噴射方向に対する副ノズル２ａ、２ｂの気体噴流の噴射方向の傾斜角である。

主ノズル１は上下の第１ノズル部材３ａ、３ｂを備え、この第１ノズル部材３ａ、３ｂの先端間が気体噴射口（ノズルスリット）４を形成している。また、この主ノズル１を構成する第１ノズル部材３ａ、３ｂの外側（上方および下方）には第２ノズル部材５ａ、５ｂが配置され、このうち第２ノズル部材５ａと第１ノズル部材３ａとにより副ノズル２ａが形成され、第２ノズル部材５ｂと第１ノズル部材３ｂとにより副ノズル２ｂが形成されている。そして、第１ノズル部材３ａと第２ノズル部材５ａの先端部間と、第１ノズル部材３ｂと第２ノズル部材５ｂの先端部間が、各々気体噴射口（ノズルスリット）６ａ、６ｂを形成している。このような主ノズル１と副ノズル２ａ、２ｂからなるノズル本体の縦断面形状は、先端に向かって先細りするテーパ形状となっている。第１ノズル部材３ａ、３ｂの噴射口先端部の厚みは０．１〜２．０ｍｍの範囲内で製作されている。

このようなガスワイピングノズルＡでは、主に主ノズル１からの主噴流で鋼帯表面の溶融金属の掻き取りが行われ、一方、副ノズル２ａ、２ｂからは主噴流よりも低速の副噴流が噴射される。このような副噴流が副ノズル２ａ、２ｂから噴射されることにより、鋼帯表面で気体噴流の衝突圧力が上昇し、また鋼帯通板方向の衝突圧力分布の圧力勾配が急峻になる。この気体噴流により、めっき掻き取り力が向上し、鋼帯の高速通板時においても気体圧力を過剰に高めることなく溶融金属の掻き取りを行うことが可能になり、スプラッシュの発生を効果的に抑制することができるようになる。しかし、スプラッシュの発生は抑制されるが、気体噴流による冷却効果により、片面４０ｇ／ｍ^２以下の薄目付けには不利であった。

図３は、従来の単一ノズル形式のガスワイピングノズル（副ノズルを有しないガスワイピングノズル）と、図１に示すガスワイピングノズルの衝突圧力分布曲線を比較して示したものである。図３において、（ａ）は主噴流のみで、従来の単一ノズル形式のガスワイピングノズルの衝突圧力分布曲線、（ｂ）は図１のガスワイピングノズルで主噴流のガス温度と副噴流のガス温度に温度差が無い場合の衝突圧力分布曲線、（ｃ）は図１のガスワイピングノズルで主噴流の気体温度に対して副噴流の気体温度が２００℃高い場合の衝突圧力分布曲線を各々示している。

グラフ横軸のｙ／ｂにおいて、ｂはノズルスリット幅（スリットギャップ。図１のノズルでは主ノズルのスリットギャップ。）、ｙは気体噴流中心（ｙ＝０）からの鉛直方向距離である。また、縦軸の衝突圧力比とは、（ａ）の衝突圧力分布曲線の最大圧力を基準（１．０）とし、その最大圧力に対する圧力比である。ｙ＜０は気体噴流中心より下方側（溶融めっき槽側）、ｙ＞０は気体噴流中心より上方側（反溶融めっき槽側）である。

図３に示されるように、図１のガスワイピングノズルで主噴流の気体温度と副噴流の気体温度に温度差が無い（ｂ）の衝突圧力分布は、従来の単一ノズル形式のガスワイピングノズルによる（ａ）の衝突圧力分布に比べて気体噴流の拡散が抑制され、衝突圧力分布曲線の圧力勾配が急峻に変化するとともに衝突圧力が上昇しており、これによって（ａ）に比べてめっき掻き取り力が向上していることが判る。

図１のようなノズル形態の下で副噴流の気体温度を主噴流の気体温度よりも高温にした（ｃ）は、（ｂ）に比べて衝突圧力分布曲線の形状がさらに急峻になり、衝突圧力が上昇しており、これによって（ｂ）よりもめっき掻き取り力の更なる向上が可能になる。このような効果は、主噴流に対して比重の軽い副噴流が、混合を最小限抑えられた形で主噴流の外側を流れ、主噴流の拡散を抑えるとともに、比重が軽い分だけ衝突圧力が低下することで発生する。また副噴流の気体温度を高温にすることによって、ワイピングされる溶融金属の温度低下を抑制できるため、同じワイピング圧力でもより薄目付けにすることが可能になる。

原理的には副噴流の気体温度は主噴流の気体温度より５０℃以上高ければよく、副噴流の気体温度は高いほど圧力勾配を急峻にする効果は大きいが、該温度を高温にし過ぎるとめっき皮膜側への悪影響が顕在化する。溶融亜鉛めっき鋼帯を想定すると、合金化温度は一般的に５００〜６００℃とされているので、低温側の５００℃が上限となる。このような理由から、本発明では、副ノズルから噴射される気体噴流の気体温度を５００℃以下に規定するとともに、主ノズルから噴射される気体噴流の気体温度よりも５０℃以上高温とすることを規定した。

本発明では、主ノズルへ供給する噴射用気体の供給手段は、特に限定されない。例えば圧縮機又はブロアなどによって行うことができる。この場合、主ノズルから噴射される気体噴流の気体温度は、通常、室温〜１５０℃の範囲内である。

本発明では、主ノズルから噴射する主噴流の噴射気体と副ノズルから噴射する副噴流の噴射気体に温度差を付与する。温度差を付与するには、例えば主ノズルへは圧縮機を用いて主噴流用気体を供給し、副ノズルへは、前記圧縮機で加圧した気体の一部を抜き出して減圧し、熱交換器で加熱昇温して供給する方法、焼鈍炉の燃焼排ガスと空気・窒素との混合ガスあるいはブロアで空気等のガスを加圧し、加圧前又は加圧後に、熱交換機で加熱昇温したものを用いてもよい。しかし、噴射用気体の供給源はこれらに限定されるものでない。

本発明によれば、副ノズルから噴射される気体温度を、主ノズルから噴射される気体温度よりも高くすることにより、鋼帯表面で気体噴流の衝突圧力が上昇する効果を維持しつつ、鋼帯通板方向の衝突圧力分布曲線の圧力勾配が急峻になり、めっき掻き取り力を十分に発揮することができる。めっき掻き取り力を向上できることで、従来技術に較べて気体の噴射圧力を下げたり、ガスワイピングノズルと鋼帯の距離を大きくしたりすることが可能となり、これによってスプラッシュの発生を効果的に抑制することができる。また気体の噴射圧力を下げたり、ガスワイピングノズルと鋼帯の距離を大きくしたりすることで、スプラッシュがガスワイピングノズルに付着しにくくなり、ノズル詰りを防止する点からも有利である。以上のことから、本発明によれば高品質の溶融金属めっき鋼帯をより安定して製造することができるようになる。

鋼帯を高速通板させる場合、気体圧力を過剰に高めることなく溶融金属の掻き取りを行うことができるので、鋼帯を高速通板させる場合もスプラッシュの発生を効果的に抑制することができる。

薄目付け化する場合も、気体圧力を過剰に高めることなく溶融金属の掻き取りを行うことができるので、スプラッシュの発生を効果的に抑制することができる。

ガスワイピングノズルの最適な形状・設置形態を調査するため、溶融亜鉛めっき鋼帯の製造ラインにおいて、溶融亜鉛めっき鋼帯の製造試験を行った。ガスワイピングノズルは、主ノズルおよび主ノズルの上下に副ノズルを備えるものを用い、溶融亜鉛めっき浴面からのガスワイピングノズル高さ：４００ｍｍ、ガスワイピングノズル−鋼帯間距離：８ｍｍ、ノズルギャップは主ノズル、副ノズルともにすべて０．８ｍｍ、主ノズルのガス噴射方向は鋼帯面に直角、副ノズルのガスの噴射方向は、主ノズルのガス噴射方向に対する傾斜角度を上下とも２０°とした。

板厚０．８ｍｍ×板幅１０００ｍｍの鋼帯を、ライン速度１６０ｍ／ｍｉｎ又は１２０ｍ／ｍｉｎで通板し、主ノズルから噴射するガス圧力、副ノズルから噴射するガス圧力、ガス温度を変化させ、スプラッシュ発生量を調査した。溶融亜鉛めっき浴温度は４６０℃とした。

主ノズル、副ノズルへの噴射用ガス供給は次のようにした。主ノズルへは、常温空気を圧縮機で所定圧力に加圧したものを供給し、副ノズルへは下記の方法で供給した。
（イ）常温空気をブロアで所定圧力に加圧し、熱交換器で所定温度に加熱したものを供給（表１の副ノズルガス供給源：ブロア）。
（ロ）焼鈍炉の燃焼排ガスを熱交換器で所定温度まで低下したものを供給（表１の副ノズルガス供給源：熱交換器）。
（ハ）焼鈍炉の燃焼排ガスと常温空気を混合し所定温度とし、ブロアで所定圧力に加圧したものを供給（表１の副ノズルガス供給源：排ガス＋空気）
（ニ）常温空気を圧縮機で所定圧力に加圧したものを供給（表１の副ノズルガス供給源：圧縮機）。
（ホ）焼鈍炉の燃焼排ガスをブロアで所定圧力に加圧したものを供給（表１の副ノズルガス供給源：燃焼排ガス）。

スプラッシュ発生量は、各製造条件で通過した鋼帯長さに対する検査工程でスプラッシュ欠陥ありと判定された鋼帯長さの比率であり、実用上問題とならない軽度のスプラッシュ欠陥を含んでいる。合金化ムラは目視による判定結果である。

試験結果を表１に示す。

発明例１〜４、比較例１、２は、ライン速度１６０ｍ／ｍｉｎで、主ノズルのガス圧力とガス温度、副ノズルのガス圧力を同じ条件にして、副ノズルガスと主ノズルガスの温度差を変えたものである。発明例１〜４は、比較例１に比べて、スプラッシュ発生量と付着量の両方が低減されている。比較例２は、副ノズルガス温度を高温にしすぎたため合金化挙動が変化し、薄目付け効果はなくなり、合金化ムラが発生した。発明例１〜４では、副ノズルガスと主ノズルガスの温度差が大きくなるほど、スプラッシュ発生を抑制する効果、薄目付け効果が優れる。

発明例５は、主ノズルガス圧力を低下させて付着量を比較例１と同じになるようにした。発明例５は、スプラッシュ発生量が比較例１の半分以下に減少しており、同じ付着量では、本発明法がスプラッシュ発生を抑制する効果が優れることがわかる。

発明例６は主ノズルガス圧力と副ノズルガス圧力を比較例１と同じ条件で、副ノズルガス温度を本発明範囲内とし、薄目付けにするためにライン速度を１２０ｍｐｍに低下させたものである。付着量は２５ｇ／ｍ^２まで薄目付け化され、スプラッシュ発生量は０．９％で付着量が４２ｇ／ｍ^２の比較例１と同じレベルに抑えられた。

比較例３、４は、薄目付けにするために、ライン速度を１２０ｍｐｍに低下させ、さらに主ノズルガス圧力を比較例１より高くしたものである。主ノズルガスと副ノズルガスに温度差を付与しない比較例３は、主ノズルガス圧力が発明例６より高いにもかかわらず付着量は３０ｇ／ｍ^２未満にならず、しかもスプラッシュ発生量は１．３％と、発明例６に比べて高い発生量となった。比較例４は、副ノズルガス温度を高温にしすぎたため合金化挙動が変化し、薄目付け効果はなくなり、合金化ムラが発生した。

本発明は、スプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯をより高速で製造できる溶融亜鉛めっき鋼帯を製造方法として利用することができる。

また、本発明は、鋼帯を高速通板させて溶融亜鉛めっき鋼帯を製造する際にスプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯を製造する方法として利用することができる。また、本発明は、溶融亜鉛めっき鋼帯のめっき厚を薄目付け化したときにスプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯を製造する方法として利用することができる。

本発明の実施に使用するガスワイピングノズルの一実施形態を示す縦断面図である。図１のガスワイピングノズルの噴射口先端部の拡大図である。従来の単一ノズル形式のガスワイピングノズルと図１に示すガスワイピングノズルの作用を説明する図である。溶融金属めっき鋼帯の製造設備を説明する概略図である。

符号の説明

Ｘ鋼帯
Ａガスワイピングノズル
ｍ鋼帯表面に付着した溶融金属
１主ノズル
２ａ、２ｂ副ノズル
３ａ、３ｂ第１ノズル部材
４気体噴射口（ノズルスリット）
５ａ、５ｂ第２ノズル部材
６ａ、６ｂ気体噴射口（ノズルスリット）
２０めっき浴
２１ガスワイピングノズル
２２シンクロ−ル
２３サポートロール
２４ロール

Claims

溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる鋼帯の表面に、ガスワイピングノズルから気体を吹き付け、鋼帯表面のめっき付着量の制御を行う溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、
前記ガスワイピングノズルは、主ノズルと、該主ノズルの上側又は／及び下側に、主ノズルから噴射される気体噴流よりも低速で、噴射方向が主ノズルの気体噴射方向と交差する方向に傾斜した気体噴流が噴射される副ノズルを備え、前記副ノズルから噴射される気体噴流の気体温度は５００℃以下であって、前記主ノズルから噴射される気体噴流の気体温度よりも５０℃以上高温とすることを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法。