CN105026598B - 熔融镀锌钢板的制造方法及连续熔融镀锌装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种熔融镀锌钢板的制造方法及连续熔融镀锌的装置，通过所述熔融镀锌钢板的制造方法，即使是硅钢，也能够得到镀敷外观优异的熔融镀锌钢板，且生产率高。所述连续熔融镀锌钢板的制造方法包括：在使用连续熔融镀锌装置制造熔融镀锌钢板时，调节待通入到燃烧器中的气体的露点，所述连续熔融镀锌装置具备直火型加热炉，所述直火型加热炉与钢板面相对地设置有所述燃烧器。

Description

熔融镀锌钢板的制造方法及连续熔融镀锌装置
技术领域
本发明涉及在退火炉中具备直火型加热炉的熔融镀锌钢板的制造方法及连续熔融镀锌装置。
背景技术
近年来，在汽车、家电、建筑材料等领域，对能够用于结构物的轻质化等的高张力钢板(高强度钢材)的需求不断高涨。作为高强度钢材，已知例如通过在钢中含有Si而得到扩孔性良好的钢板，以及通过含有Si、Al而易于形成残留γ，从而得到延展性良好的钢板。
但是，在制造以含有大量Si的高强度钢板为母材的熔融镀锌钢板及合金化熔融镀锌钢板时，存在以下问题。熔融镀锌钢板在非氧化性气体氛围中或者在还原气体氛围中于600～900℃的温度下进行了加热退火，然后再进行熔融镀锌处理。但是，钢中的Si是易被氧化的元素，即使是在通常使用的非氧化性气体氛围中或还原气体氛围中也会被选择性氧化，在表面上聚集而形成氧化物。该氧化物会使镀敷处理时与熔融锌的润湿性降低，造成未镀敷的情况，因此随着钢中Si浓度的增加，润湿性急剧降低，容易发生未镀敷的情况。另外，即使是未导致未镀敷的情况下，也存在镀敷密合性变差的问题。而且，如果钢中的Si被选择性氧化而在表面聚集，则熔融镀锌后的合金化过程中会产生显著的合金化延迟。其结果是严重地阻碍生产率。如果为了确保生产率而用过度的高温进行合金化处理，则会导致耐粉碎性变差的问题，难以兼顾高生产率和良好的耐粉碎性。
针对上述问题，例如在专利文献1和2中公开了以下方法：通过使用直火型加热炉(DFF)或无氧化炉(NOF)，在使钢板表面氧化后，通过在还原带进行还元而使Si内部氧化，从而抑制Si在表面聚集，使熔融镀锌润湿性和密合性提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-202959号公报
专利文献2：日本特开2011-117069号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，对于专利文献1和2中记载的方法而言，为了确保期望的Fe氧化量，其必须条件是使直火型加热炉出口温度达到700℃左右(至少650℃以上)的高温。另外，通常直火型加热炉能力有限制，使用生产率的指标ST(＝生产线速度[m/分]×板厚[mm])时，能够以如下方式表示：例如，如果直火型加热炉出口温度为550℃，则ST＝250，如果出口温度为650℃，则ST＝140，如果出口温度为700℃，则ST＝120等。对于这样的直火型加热炉而言，在1.6mm钢板的情况下，通常能够将生产线速度提高至最大100m/分(mpm)，与此相对，硅钢的生产线速度停留在62.5～75m/分左右，生产率显著降低。也有预先加长直火型加热炉的炉长度的方法。但是，在已经建成的设备的情况下，难以延长，即使对于新建的设备而言，由于原本是以紧凑的空间内能够获得高升温速度为特征的加热炉，因此增加炉的长度要花费非常高的成本。另外，专利文献2中记载的方法示出了最佳气体氛围中含水蒸气的分压等。具体而言，加热炉内燃烧后的气体氛围的水分含量的优选范围为1～50％。但是，这样限定的理由并不明确，也没有示出其控制方法。例如，通入的空气的露点在通常大气氛围下的露点-10℃～30℃(水分含量0.257～4.53％)内变化时，焦炉煤气燃烧后的炉内水分含量为20～24％左右。但是，在实际操作中，通入气体的湿度随气温、天气而改变，Fe氧化量发生变化，因此实际情况是难以控制Fe氧化量，且最佳的直火型加热炉出口温度随时变化。
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种熔融镀锌钢板的制造方法及连续熔融镀锌的装置，通过所述熔融镀锌钢板的制造方法，即使是硅钢，也能够得到镀敷外观优异的熔融镀锌钢板，且生产率高。
解决课题的方法
用于解决上述课题的本发明的要点如下。
[1]一种熔融镀锌钢板的制造方法，该方法包括：
在使用连续熔融镀锌装置制造熔融镀锌钢板时，调节待通入到所述燃烧器中的气体的露点，所述连续熔融镀锌装置具备直火型加热炉，所述直火型加热炉与钢板面相对地设置有所述燃烧器。
[2]上述[1]所述的熔融镀锌钢板的制造方法，其中，待通入的气体的露点为40℃～80℃。
[3]上述[1]或[2]所述的熔融镀锌钢板的制造方法，其中，待通入的气体为燃料气体和空气，且对所述空气的露点进行调节。
[4]上述[2]或[3]所述的熔融镀锌钢板的制造方法，该方法包括：
在钢板长度方向上使用能够独立地控制燃烧率和空气比的多个燃烧器组，使除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器组的燃料气体和/或空气的露点为40～80℃，并且进行空气比1.0以上且1.5以下的燃烧，而钢板移动方向最下游的燃烧器组进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧。
[5]一种连续熔融镀锌的装置，其具备直火型加热炉，所述直火型加热炉与钢板面相对地设置有多个燃烧器，
所述燃烧器在钢板长度方向上分成能够独立地控制燃烧率和空气比的多个燃烧器组，在除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器组的燃烧器中具备调湿装置，由该调湿装置通入湿度被调节为露点40～80℃的任意范围内的空气，
并且，除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器能够自由地选择进行空气比1.0以上且小于1.5的燃烧或结束燃烧，钢板移动方向最下游的燃烧器组的燃烧器能够进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧。
发明的效果
根据本发明，在使用退火炉中装备有直火型加热炉的连续熔融镀锌装置制造熔融镀锌钢板时，即使是含Si 0.1％以上的钢，也能够稳定地制造具有漂亮表面外观的熔融镀锌钢板，且不降低生产率。而且能够不受气温、天气等干扰的影响，非常稳定地制造熔融镀锌钢板。
附图说明
[图1]图1示出在本发明的连续熔融镀锌装置中设置的直火型加热炉的一个实施方式，图1(a)是直火型加热炉的纵剖面图，图1(b)是示出在直火型加热炉壁面上设置的多个直火燃烧器的燃烧器组的主视图。
[图2]图2是示出对通入燃烧器的空气(Air)的露点与DFF内的H2O气体量的关系进行研究而得到的结果的图。
[图3]图3是示出对通入燃烧器的空气(Air)的露点与硅钢的Fe氧化量的关系进行研究而得到的结果的图。
[图4]图4是示出通入燃烧器的空气(Air)和焦炉煤气(COG)的流动的图。
[图5]图5是示出本发明的调湿装置的示意图。
[图6]图6是示出钢板的行进距离与板温及氧化量的关系的图，图6(a)是示出发明例(条件3)的结果的图，图6(b)是示出比较例(条件7)的结果的图。
符号说明
1 直火型加热炉
2 燃烧器(直火燃烧器)
3 钢板
4 调湿装置
5 中空丝膜过滤器
6 恒温水槽
1Z～4Z 燃烧器组
具体实施方式
以下，基于图1～图6对本发明的实施方式进行具体说明。
图1示出了本发明实施方式的连续熔融镀锌装置的退火炉中设置的直火型加热炉的主要部分。在图1中，图1(a)是直火型加热炉的纵剖面图，图1(b)是示出在直火型加热炉壁面上设置的多个直火燃烧器的燃烧器组的主视图。在图1中，1是直火型加热炉，2是燃烧器(直火燃烧器)，3是钢板。
需要说明的是，在直火型加热炉1的下游设有辐射管(RT)炉、冷却炉、熔融镀敷设备、合金化处理设备等(未图示)。RT炉、冷却炉、熔融镀敷设备、合金化处理设备等没有特别限定，可以使用通常的设备。直火型加热炉的上游有时设置预热炉。
与钢板面相对地设置多组燃烧器2。在本实施方式中，相对于钢板面设置的多组燃烧器2在钢板长度方向上分成4个燃烧器组(group)1Z～4Z。燃烧器组1Z～3Z可以独立地控制每个燃烧器组的燃烧率和空气比。燃烧器组1Z～3Z的燃烧器在燃烧率为预先确定的阈值以上的燃烧率的条件下进行燃烧。燃烧器组1Z～3Z为氧化区，燃烧器组4Z为还原区。
燃烧率是用实际上通入燃烧器的燃料气体量除以最大燃烧负载时燃烧器的燃料气体量而得到的值。使燃烧器以最大燃烧负载进行燃烧时的燃烧率为100％。燃烧器在燃烧负载低时不能达到稳定的燃烧状态。燃烧率的预先确定的阈值是能够确保稳定燃烧状态的燃烧负载下限的燃料气体量相对于最大燃烧负载时的燃料气体量的比例。燃烧率的阈值根据燃烧器的结构等而多少有所不同，可以通过进行燃烧试验等容易地确定。通常，阈值为30％左右。
多数情况下，燃料气体使用焦炭炉产生的副产气体(焦炉煤气)。焦炉煤气的组成为H2：50～60体积％、CH4：25～30体积％、CO：5～10体积％、CO2：2～4体积％、N2：4～8体积％左右。例如，在表1的焦炉煤气成分的情况下，以空气比1进行燃烧后的废气成分为H2O：22体积％、CO2：8体积％。需要说明的是，空气比是实际上通入燃烧器的空气量除以用于燃料气体完全燃烧所必需的空气量而得到的值。
[表1]
组成比(体积％)
CO2 3.0
H2O 0.0
CO 7.2
N2 7.1
H2 54.5
O2 0.2
CH4 25.5
C2H4 2.6
空气比为1以上时，由于存在未燃烧的剩余氧，因此钢板表面的氧化被促进。通过控制上述空气比，在直火型加热炉(以下，也称为DFF)的前段生成氧化膜，在DFF后段进行还原，由此抑制Si在表面聚集，可以提高镀敷润湿性。然而，已知对于通常的露点范围(0～25℃左右)的焦炉煤气、空气等气体成分而言，如果DFF出口的钢板温度不能达到至少650℃以上，就无法获得足够的氧化膜。发明人等对于能在加热负载小的状态下控制氧化膜的方法进行了深入研究。结果发现，通过调节待通入燃烧器的气体的露点，能够增加DFF内的H2O气体量，增加H2O分子与钢板表面的接触频率，因此可以促进钢板表面的氧化。
图2是示出通入燃烧器的空气的露点(通入Air露点)与DFF内的H2O气体量的关系的图。图2的H2O气体量是将表1中的焦炉煤气和加湿过的空气按照空气比1.15进行燃烧后的废气中的H2O气体量(理论值)。根据图2可知，通过预先调节通入的空气的露点，可以增加DFF内的H2O气体量。因此，通过调节通入的气体的露点，能够增加DFF内的H2O气体量，可以促进钢板表面的氧化。
通过分别对燃烧气体、空气的露点进行调节，能够调节DFF内的H2O气体量。需要说明的是，相对于焦炉煤气的体积1，完全燃烧所需要的空气量通常为4～5倍体积。也可以如图2所示仅调节体积大的空气的露点来控制DFF内的H2O量。
本发明中，通入的气体的露点优选为40～80℃。本发明人等使用成分组成为C：0.12％、Si：2.0％、Mn：1.0％、Al：0.03％、S：0.005％。P：0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质的钢板并将其加热至500℃进行了离线氧化实验。结果示于图3。由图3可知，通入的空气(Air)的露点为40℃以上时，钢板表面生成的Fe氧化量为200mg/m2以上，200mg/m2是镀锌附着所必须的氧化量。可以确认其它合金成分钢也具有相同的倾向。另一方面，可知在露点超过80℃时，水分过多而使燃烧器燃烧性变差。基于以上的原因，在本发明中，通入的气体的露点优选为40～80℃。
燃烧器组1Z～3Z具备能够对通入的空气或燃烧气体进行适当调湿的调湿装置，能够通过调湿装置控制在期望的露点。如图4所示，调湿装置4可以设置在例如将空气(Air)通入直火燃烧器2之前，从而将通过了调湿装置的空气通入直火燃烧器中。另外，焦炉煤气(COG)从其它的管线通入直火燃烧器。在对燃烧气体进行调湿时，可以在将COG通入直火燃烧器2之前设置调湿装置4。
调湿装置没有特别限定。在本发明中优选使用中空丝膜过滤器。中空丝膜是与水分子具有亲和力的离子交换膜的一种。在中空丝膜内侧和外侧形成水分浓度差时，会产生使该浓度差变小的力，以该力为驱动力使水分透过膜向水分浓度低的一侧移动。如图5所示，在用于加湿用途的情况下，在中空丝膜过滤器5的附近设置恒温水槽6，通过将调节为给定温度的纯水从恒温水槽6通入中空丝膜过滤器5，能够使待通入的气体的露点达到与水温相同的温度。因此，能够精确地控制待通入的气体的露点。另外，在用于除湿用途的情况下，通入净化空气代替上述纯水，可以通过调节净化空气流量或净化空气压力来精确地控制待通入的气体的露点。
每个燃烧器组分别设置1个或多个调湿装置，优选能够分别进行调节。优选将待调湿的气体在调湿装置前后加热至给定露点以上，或者在从调湿装置输出侧至燃烧器之间保温使其温度不降低。通过分别调节调湿装置，能够防止在使气体温度升高至给定露点以上时产生的管道内结露。结果是能够通过调湿装置控制达到期望的露点。
燃烧器组1Z～3Z可以按照各个燃烧器组来自由地选择燃烧或结束燃烧。燃烧时，优选使燃烧率为预先确定的设定值以上，而且在空气比为1.0以上且小于1.5(存在剩余空气)下进行燃烧。
燃烧器组4Z的燃烧器能够进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧，也可以控制燃烧率。对于燃烧器组4Z而言，通过使燃烧器进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧，能够还原在钢板表面生成的Fe氧化物，在表层生成还原Fe。通过在从直火型加热炉输出的钢板接触RT炉内的轧辊时，使钢板表层部存在还原Fe，能够防止氧化物附着在轧辊上，可以防止附着氧化物而引起的缺陷(粘着)。
为了获得良好的镀敷性，需要确保最佳氧化量，在实际操作中，需要根据钢成分、钢板尺寸、生产线速度来调整DFF输出侧钢板温度和气体露点。发明人等进行了深入研究，结果发现能够根据下式(1)来预测Fe氧化量。
数学式1
需要说明的是，式(1)中，O：Fe氧化量[g/m2]、PH2O：燃烧后气体水蒸气分压(由气体成分进行理论计算)、Q：活化能[kJ/mol](根据钢种类确定)、TN：直火型加热炉N组出钢板温度[K]、tN：直火型加热炉N组停留时间[s]、C：调节系数(根据空气比设定而改变)。
实施例1
如图1所示，在退火炉中具备DFF(直火型加热炉)的CGL中，使用将加热用燃烧器分成4个组(#1～#4)的DFF，以钢板移动方向上游侧的3个组(#1～#3)为氧化区、最终区域(#4)为还原区，使得氧化区能够分别控制每一区域的空气比、燃烧率、待通入的空气的露点(以下称为Air露点)，进行了试验。需要说明的是，各区域的长度为4m。调湿装置将待通入氧化区(#1～#3)的燃烧器的空气分流至每一区域4个系统，分别在各自的系统中设置中空丝膜过滤器。在每个区域设置1个恒温水槽，向4个中空丝膜过滤器输送调节过温度的纯水。
用于试验的钢板的成分组成如表2所示。
表2 (单位：质量％)
C Si Mn Al S P Cr Mo Ti Nb B
0.12 2.0 1.0 0.03 0.005 0.01 － － － － －
其它制造条件如表3所示。需要说明的是，退火温度为830℃、镀敷浴温为460℃、镀敷浴中Al浓度为0.130％、通过气体吹扫将附着量调节为每一面45g/m2。另外，在实施了熔融镀锌后，在合金化温度530℃下进行了合金化处理。
对于镀敷外观的评价而言，进行用光学式表面缺陷仪的检测(检测出φ0.5以上的未镀敷缺陷、过氧化性缺陷)以及通过肉眼观察的合金化不均匀判定，全部项目合格为○，即使一项不合格即为×。另外，表3中的夏季气温为30℃，冬季气温为0℃。
另外，对钢板的行进距离与板温及Fe氧化量的关系进行了研究。在基于式(1)计算出的Fe氧化量中，将发明例(条件3)和比较例(条件7)的计算结果示于图6。需要说明的是，对象钢成分的活化能为22405J/mol。另外，调整系数C为1.44。
在试验所使用的钢板的情况下，镀锌处理所必须的Fe氧化量的目标范围为200～600mg/m2。本发明例的条件1～4通过适当提高通入的空气的露点，无论季节、板厚、生产线速度如何均能确保足够的Fe氧化量(图5(a))，因此镀敷外观良好，而且能够不降低ST，保持生产率。
另一方面，在制造板厚1.2mm的钢板的情况下，生产线速度为120mpm(条件5、9)时，DFF输出侧温度为较高的755℃，因此能确保需要的Fe氧化量。然而，生产线速度为160mpm(条件6、10)时，DFF输出侧平均温度较低，因此产生未镀敷，外观评价为×。在制造板厚1.8mm的钢板的情况下，生产线速度为120mpm时，即使是与夏季(条件11)和冬季(条件7)相同的DFF输出侧平均温度，冬季时氧化不足而导致镀敷外观评价为×。另外，在生产线速度为160mpm(条件8、12)的情况下，镀敷外观也被评价为×。因此，在制造板厚1.8mm的钢板的情况下，为了确保需要的氧化量而不得不降低速度，因此生产效率显著降低。

Claims (3)

1.一种熔融镀锌钢板的制造方法，该方法包括：
在使用连续熔融镀锌装置制造熔融镀锌钢板时，调节待通入到燃烧器中的气体的露点，所述连续熔融镀锌装置具备直火型加热炉，所述直火型加热炉与钢板面相对地设置有所述燃烧器，其中，待通入的气体的露点为40℃～80℃；以及
在钢板长度方向上使用能够独立地控制燃烧率和空气比的多个燃烧器组，使除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器组的燃料气体和/或空气的露点为40～80℃，并且进行空气比1.0以上且小于1.5的燃烧，而钢板移动方向最下游的燃烧器组进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧。
2.根据权利要求1所述的熔融镀锌钢板的制造方法，其中，待通入的气体为燃料气体和空气，且对所述空气的露点进行调节。
3.一种连续熔融镀锌的装置，其具备直火型加热炉，所述直火型加热炉与钢板面相对地设置有多个燃烧器，
所述燃烧器在钢板长度方向上分成能够独立地控制燃烧率和空气比的多个燃烧器组，在除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器组的燃烧器中具备调湿装置，由该调湿装置通入湿度被调节为露点40～80℃的任意范围内的空气，
并且，除了钢板移动方向最下游的燃烧器组以外的燃烧器能够自由地选择进行空气比1.0以上且小于1.5的燃烧或结束燃烧，钢板移动方向最下游的燃烧器组的燃烧器能够进行空气比0.5以上且0.95以下的燃烧。
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