JP2005194588A - 溶融亜鉛めっき用合金化炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融亜鉛めっき用合金化炉において、保温帯の温度分布の安定性の向上を図る。
【解決手段】 溶融亜鉛めっき浴１８の上方に加熱帯２０、保温帯２１及び冷却帯２２が順に配置されている。保温帯２１の出側に鋼帯１を挟んで静圧パッド２が配置され、これらの静圧パッド２に供給されるガス量は、ダンパ２６により調整される。保温帯２１の内部の鋼帯表面の輝度を測定するため、保温帯２１の出側近傍にＣＣＤカメラ２７が配置される。このＣＣＤカメラ２７の出力に基づいて、鋼帯表面に輝度が予め設定された目標値以上で維持されるようにダンパ２６の開度が制御される。好ましくは、静圧パッド２は、鋼帯の一方の側に少なくとも１個、他方の側に少なくとも２個、千鳥状に配置される。あるいは、静圧パッド２は、鋼帯を挟んで２対以上対向させて配置される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、合金化溶融亜鉛めっきラインで用いられる合金化炉に係り、特に、その雰囲気の制御方法に関する。

一般に、鋼帯の連続溶融亜鉛めっき設備においては、表面洗浄が終わった鋼帯を連続的に焼鈍し、次いで、所定温度まで冷却した後、溶融亜鉛めっき浴に浸漬して亜鉛めっきを施している。通常、この焼鈍冷却工程は還元雰囲気下で行われる。このため、鋼帯をめっき浴に浸漬するまでの間、還元雰囲気が常時確保されるように、焼鈍及び冷却を行う炉設備とめっき槽との間に、スナウトと呼ばれる矩形断面の装置を設け、炉内を大気から遮断している。

めっき槽内にはシンクロールが設置されており、このシンクロールで鋼帯の走行方向を転換させ、鋼帯を鉛直方向に引き上げる。鋼帯をめっき浴から引き出した後、そのめっき厚をガス・ワイピングノズルで所定の値に調整する。その後、鋼帯を合金化炉に導入し、そこで鋼帯を所定温度まで加熱し、それを一定時間保持することにより下地の鉄を亜鉛めっき層の中に拡散させ、その後、冷却することにより所望のＦｅ−Ｚｎ合金層を成長させている。

ここで、合金化炉の内部は、加熱帯、保温帯及び冷却帯に区分けされ、それらは、めっき浴の上方に順に配置される。加熱帯でガス加熱方式が用いられている場合には、炉内の高温ガスのドラフト効果により上昇流が形成され、多量の外気が加熱帯の下部から保温帯に浸入し、保温帯内の温度が低下し、Ｆｅ−Ｚｎ合金層の成長が阻害される。一方、加熱帯で誘導加熱方式が用いられている場合には、ドラフト効果による上昇気流が弱く、冷却帯からその下側の保温帯へ冷風が流入し、保温帯の温度が低下する。

溶融亜鉛めっき鋼帯に合金化処理を施す際に、保温帯への外気の流入を防止するための方法が従来から多数提案されている。

特開平４−０４８０５９号公報には、合金化炉上端部の鋼板排出口に静圧パッドを配置し、この静圧パッドの圧力を調整することにより、炉内への外気の浸入を防止するとともに、合金化炉出側の鋼板温度を所定の値に保持することが記載されている。しかしながら、この方法では、静圧パッドの制御が、均熱帯出側の鋼板温度を所定の値に保持するように行われるため、これを実行した場合、目標とする鋼板温度によっては、均熱帯上部並びに下部の圧力が無制御状態となり、均熱帯へ外気が流入するおそれがある。また、均熱帯出側の鋼板放射率は、鋼種、操業条件により大幅に変わるので、この部分での温度測定は、事実上非常に困難である。

特開平６−２１２３８７号公報には、合金化炉出側の排気ダクトに設けられたダンパの開度を変化させることにより、合金化炉上部の圧力をコントロールするとともに、合金化炉の直火加熱帯と均熱帯の境界部分に鋼帯に対向させて静圧パッドを配置し、これら静圧パッドと鋼帯との距離を変化させることにより、合金化炉入口部の圧力をコントロールすることが記載されている。この方法では、合金化炉入口部及び出口部の圧力を独立に制御することが可能であるが、加熱帯直後に静圧パッドを配置すると、加熱帯で昇温された鋼板に、静圧パッドからの噴射ガスが衝突することにより、鋼板が冷却される問題がある。
特開平４−０４８０５９号公報 特開平６−２１２３８７号公報

本発明は、従来の溶融亜鉛めっき用合金化炉における炉内への空気侵入防止方法に関する問題点に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、合金化炉の保温帯への外気の流入を防ぎ、それによって、保温帯の温度分布の安定性の向上を図ることにある。

本発明の溶融亜鉛めっき用合金化炉は、
溶融亜鉛めっき浴の上方に加熱帯及び保温帯が順に配置された溶融亜鉛めっき用合金化炉において、
保温帯の出側に、鋼帯の一方の側に少なくとも１個、他方の側に少なくとも２個、千鳥状に配置され、または、鋼帯を挟んで２対以上対向させて配置された静圧パッドと、
これらの静圧パッドに供給されるガス量を調整する流量調整装置と、
保温帯の内部且つその出側の近傍に配置され、鋼帯表面の輝度を測定する輝度計と、
この輝度計の出力に基づいて、鋼帯表面の輝度が予め設定された目標値以上で維持されるように前記流量調整装置を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする。

なお、上記のように全ての静圧パッドのガス量を制御する代わりに、静圧パッドの内、鋼帯の一方の側及び他方の側でそれぞれ保温帯に最も近い位置に配置された静圧パッドに供給されるガス量のみを制御しても良い。

その場合、前記静圧パッドの内、鋼帯の一方の側及び他方の側でそれぞれ保温帯に最も近い位置に配置された静圧パッドに対して流量調整装置を設け、これらの静圧パッドに供給されるガス量をこの流量調整装置で調整する。また、この流量調整装置を、前記輝度計の出力に基づいて、鋼帯表面の輝度が予め設定された目標値以上で維持されるように制御装置で制御する。

本発明の溶融亜鉛めっき用合金化炉によれば、保温帯の出側に静圧パッドを配置し、それらに供給されるガス量を上記のように制御することにより、鋼帯と静圧パッドの間に静圧を発生させて、その前後のガスの流れをせき止めることができる。なお、静圧パッドは、単なるスリットノズルと比べてガスの流量が少ないので、静圧パッドから保温帯に侵入するガスの量も少ない。これにより、保温帯の温度を安定させることができる。更に、静圧パッドの間に鋼帯が拘束されることによって、鋼帯の振動及びＣ反りを防止することもできる。

本発明によれば、保温帯の内部の状態を監視し、そのデータに基づいて静圧パッドに供給されるガス量を制御することによって、保温帯の温度分布を安定させることができる。

（静圧パッドについて）
先ず、本発明の技術的背景について説明する。

溶融亜鉛めっき用合金化炉の保温帯の温度分布は、保温帯に流入する外気の影響を大きく受ける。本願発明者らが調査したところによれば、ガス加熱方式による加熱帯の場合、炉内の高温ガスのドラフト効果に起因する上昇流により、多量の外気が保温帯に浸入し、保温帯内の温度が降下する。一方、誘導加熱方式による加熱帯の場合、上昇気流が弱く、冷却帯からその下側の保護帯へ冷風が流入し、保温帯の温度が降下する。従って、保温帯への外気の流入を防ぐことにより、保温帯の温度分布を安定させることができる。本願発明者らが見出したところによると、保温帯の出側に静圧パッドを設置し、この静圧パッドの流量を加熱帯からの上昇流と同程度の流量となるように調整することが、保温帯の温度分布を安定させるために有効である。

ここで静圧パッドとは、鋼帯の走行方向に距離を開けて配置した２箇所のスリットノズルから、空気または窒素などのガスを噴出させて、そのガス流れでスリットノズル間に静圧の高い部分を作り出すものである。その特長として以下の点が挙げられる。

（１）静圧パッド〜鋼帯間に形成された高い静圧部分により、制振効果及びＣ反り矯正効果を有する。

（２）従来のスリットノズルと比較して少ない流量でＣ反り矯正及び制振が可能なため、ガス噴射部の上下方向への流れに対する影響が少ない。

（３）高い静圧部分により、静圧パッドの上下からの流れを遮断する効果を有する。

図１に、静圧パッドの概略的な断面図、及び静圧パッドと鋼帯で挟まれる部分の鋼帯の走行方向の圧力分布を示す。静圧パッド２には、鋼帯１に対向する側の上下（走行方向）２箇所にスリットノズル３ａ、３ｂが設けられている。配管５から静圧パッドのチャンバ４に送られた加圧空気は、スリットノズル３ａ、３ｂから噴射される。右側の圧力分布図に示すように、スリットノズル３ａ、３ｂ間の鋼帯１と静圧パッド２のパッド部６で挟まれる部分に圧力の高い領域（エアクッション部分７）が形成される。スリットノズル３ａ、３ｂから噴射された空気が鋼帯１に衝突する部分が、特に高圧になる。

静圧パッド２が、上記のように圧力の高い領域を形成する原理は、コアンダー効果と呼ばれる付着噴流により、スリットノズル３ａ、３ｂのスリット部分からスリットノズル〜ノズル間の本体部分６に付着した流れが、外向きの流れ（静圧パッドから離れる流れ）に方向転換することによる運動量で、エアクッション７の部分の空気を封じ込めることによる。鋼帯１を静圧パッド２で挟み、鋼帯１が保温帯内へ持ち込む随伴流及び自然対流と同じ流量を静圧パッド２から噴射するように、静圧パッドのダンパ開度を調整することにより、冷たい随伴流及び自然対流の保温帯への流入を防ぐとともに、保温帯からの高温ガスの流出を防ぐことができる。更に、保温帯内部への冷却帯噴射ガスの流入もシャットアウトすることができ、保温帯の温度分布を安定させることできる。

なお、保温帯の出側において、鋼帯の表裏に走行方向に沿って静圧パッドを千鳥状に配置すると、鋼帯の走行方向に若干の曲げ変形が付与され、張力変動による鋼帯の板面方向の変位が減少するため、鋼帯の走行を安定させることが可能になる。また、いわゆる耳波、中延びと呼ばれるような板形状不良があっても、曲率の小さな曲げ変形を繰り返して弾性変形を鋼帯に付加することになるため、鋼帯の位置を安定させることが可能になる。

これに対して、保温帯の出側に、互いに対向する静圧パッドを一対のみ設置した場合には、保温帯への外気の流入を遮断するために静圧パッドのダンパ開度調整を行う必要があるので、それにより、鋼帯のＣ反り矯正及び制振効果が低下するおそれがある。そこで、保温帯の出側に、互いに対向する静圧パッドを二対以上設置し、保温帯の出側に最も近い一対の静圧パッドからの流量を調整することにより、保温帯内への外気の流入を防止すると同時に、それ以外の静圧パッドによって、鋼帯のＣ反り矯正及び制振効果を維持することが可能になる。更に、静圧パッドは、保温帯を出た後の鋼帯を冷却する効果も備えているため、冷却帯での鋼帯冷却の補助としても使用することができる。

ガス加熱方式の加熱帯の場合、静圧パッドのダンパ開度を調整することにより、保温帯の出側からの高温ガスの流出を防ぎ、炉圧を保つことで、炉内の高温ガスのドラフト効果に起因する多量の外気の上昇流が保温帯内に流入するのを防止する。

他方、誘導加熱方式の加熱帯の場合、静圧パッドの設置により冷却帯からの冷風の流入を遮断することができる。しかも、静圧パッドのダンパ開度を調整することにより、保温帯の出側からの高温ガスの流出を防ぎ、炉圧を保つことで、鋼帯が持ち込む随伴流及び自然対流の上昇流が保温帯内に流入するのを防止する。

（鋼帯表面の輝度について）
本発明によれば、保温帯の出側近傍で鋼帯表面の輝度を測定し、その値が予め設定された目標値以上で維持されるように、静圧パッドに供給されるガス量を制御する。

合金化処理中の合金化度と鋼帯表面の輝度との間には相関関係がある。このため、合金化が進行し、めっき表層部の合金相の結晶状態が変化するのに伴い、鋼帯表面の輝度も変化する。即ち、めっき層には、合金化の進行とともにζ相、δ_１相、γ相が順に生成される。表層部がζ相の場合、ζ相は柱状晶であるため表面が粗く、光源からの反射は拡散反射が主体になる。一方、合金化が進行し表層がδ_１相になると、δ_１相は塊状晶であるため表面の粗さがζ相に比べて平滑になり、拡散反射が弱まり、正反射が強まる。このため、合金化の進行と共に鋼帯表面の反射状態が変化し、輝度が増大する。このため、保温帯の保温能力が高まるに従い、輝度の値が増大する。

図２に、輝度の測定方法の概要を示す。図中、２９は照明装置、３０はＣＣＤカメラを表わす。光の照射角度θが４５°〜９０°の範囲で鋼帯表面の輝度を測定した場合、合金化度の進行とともに輝度の値が上昇する。従って、鋼帯表面の輝度を測定し、その値が最大値となるように静圧パッドへ供給されるガス量を制御する。これによって、保温帯への外気の流入を防止し、その保温能力を高めることができる。

（溶融亜鉛めっき用合金化炉の全体構成）
次に、本発明に基づく溶融亜鉛めっき用合金化炉の全体構成について説明する。

図３に、鋼帯の溶融亜鉛めっきラインの全体構成の一例を示す。図中、１８は溶融亜鉛メッキ浴、２０は加熱帯、２１は保温帯、２２ａ、２２ｂは冷却帯を表わす。なお、溶融亜鉛めっきライン（１８〜２４）は連続焼鈍ライン（９〜１７）の後段に連続的に設けられる。

鋼帯１は、ペイオフリール９ａ（または９ｂ）から引き出され、溶接機１０、アルカリ洗浄装置１１、及びルーパ１２を経て、連続焼鈍炉（１３〜１７）に連続的に送られるようになっている。連続焼鈍炉は、上流側から順に、予熱炉１３、直火加熱炉（ＤＦＦ）１４、ラジアントチューブ加熱炉（ＲＴＦ）１５、ガスジェット冷却帯１６、及び調整冷却帯１７を配置することにより構成されている。ガスジェット冷却帯１６は、ガス噴射クーリングチューブ方式を用いており、鋼帯１を所定の温度に急冷することができるようになっている。調整冷却帯１７は、連続焼鈍炉の最後の１パスに位置しており、循環冷却ファンにより鋼帯１を弱冷却し、最終的な表面温度調整を行うことができるようになっている。

連続焼鈍炉（１３〜１７）の後段側に溶融亜鉛メッキ浴１８が設けられている。溶融亜鉛メッキ浴１８は、溶融状態の亜鉛で満たされており、その出側に気体絞り装置１９が設けられている。気体絞り装置１９は、溶融亜鉛メッキ浴から引き上げられた鋼帯１に気体を吹き付けて、亜鉛の付着量を適正量に調整する。

気体絞り装置１９の直上に合金化炉の加熱帯２０が設けられている。加熱帯２０には誘導加熱装置が設けられている。加熱帯２０の上方に保温帯２１が続き、更にその上方に冷却帯２２ａが設けられている。冷却帯２２ａ（及び２２ｂ）では鋼帯１にエアを吹き付けて冷却する。トップエリア２３を挟み、冷却帯２２ｂにおいて鋼帯１の搬送方向が上昇から下降に変わり、鋼帯１は水冷部２４を経てスキンパスミル（図示せず）に送られるようになっている。

図４に、溶融亜鉛めっき用合金化炉の加熱帯２０から冷却帯２２までの部分拡大図を示す。図中、２０は加熱帯、２１は保温帯、２２は冷却帯、２は静圧パッド、２５はブロワ、２６はダンパ（流量調整装置）、２７はガス流速計、２８はコントローラ（制御装置）を表わす。

図に示すように、静圧パッド２のノズルへのガス導入経路は、配管及びダンパ２６を介して、ブロワ２５のエア吹き出し口に接続されている。ガス流速計２７の検出端が保温帯の出口近傍に設けられている。このガス流速計２７の出力はコントローラ２８の入力部に接続されている。コントローラ２８の出力部は、ダンパ２６の開閉スイッチに接続されている。コントローラ２８は、ガス流速計２７によって検出される保温帯の出口近傍の流速が最小値の近くで維持されるように、ダンパ２６に指令信号を送る。

図５に示すように、この例では、静圧パッド２が、鋼帯の一方の側に１個、他方の側に２個、千鳥状に配置されている。パッド部（６：図１）から鋼帯１まで距離（ｈ）は、可能な限り小さくすることが好ましいが、ノズル先端を鋼帯１のパスラインに接近させ過ぎると、鋼帯１がこれに衝突して表面疵となるので、３０ｍｍ以上とすることが好ましく、通常は５０ｍｍ程度とすることが望ましい。

（合金化処理のプロセス）
次に、図３〜図５に示した溶融亜鉛めっき用合金化炉を用いて、めっき浴浸漬後の鋼帯に合金化処理を施すプロセスの一例について説明する。

鋼帯１をペイオフリール９ａ（または９ｂ）から毎分約１２０ｍの速度で引き出し、焼鈍炉（１３〜１７）に送る。鋼帯１を予熱炉１３で所定の温度に予熱した後に、直火加熱炉１４に導入する。直火加熱炉１４内で鋼帯１の両面にバーナ火炎を吹き付け、鋼帯１を加熱する。直火加熱炉１４の燃焼生成ガスは、廃熱回収装置の集合チャンバに集められ、ここで未燃ガス成分を二次燃焼させ、予熱炉の熱源の一部とする。鋼帯１を、直火加熱炉１４で、最高７２０℃まで表面酸化を生じさせることなく、急速加熱する。垂直パスの直火加熱炉１４内で再結晶温度以上の温度まで鋼帯１が加熱されるため、下部のロール室においては鋼帯１の形状が良好となり、鋼帯１の高速走行性が確保される。

ラジアントチューブ加熱炉１５では、鋼帯１に高温の還元性ガスを吹き付け、還元性雰囲気下で鋼帯を所定の温度に加熱し次いで均熱する。ガスジェット冷却帯１６及び調整冷却帯１７で鋼帯１の温度を所定の値に調整した後、鋼帯１を溶融亜鉛メッキ浴１８に浸漬する。溶融亜鉛メッキ浴１８から引き上げられた直後に、気体絞り装置１９から鋼帯１の両面にガスを吹き付けて、付着した亜鉛の余剰分を除去する。

加熱帯２０で誘導加熱装置を用いて鋼帯１を所定の温度に加熱した後、保温帯２１に送る。鋼帯１は数秒間で保温帯２１を通過する。この間に、鋼帯１の表面に所定の厚さのＦｅ−Ｚｎ合金層が形成される。

なお、操業中は、ブロワ２５を常時稼働状態にしておき、ダンパ２６の開度を調節することにより静圧パッド２からの流量を調整する。ガス流速計２７により保温帯２１の出口近傍のガス流速を測定し、ガス流速が最小値の近くで維持されるようにコントローラ２８からダンパ２６に指令信号を送り、エアの吹き付け量を調節する。なお、保温帯２１の温度分布を安定させるには、好ましくは、上記のガス流速を２ｍ／ｓ以下となるよう制御する。

（比較試験の結果）
本発明に基づく溶融亜鉛めっき用合金化炉による効果を確認するため、静圧パッドに供給されるガス量を上記各方式に基づいてそれぞれ制御した場合の、保温帯内のガス流速及び保温帯通過前後の鋼帯の温度差ΔＴを測定した。また、比較のため静圧パッドを使用しない場合についても、同様の測定を行った。表１に、その結果を示す。

なお、この表の中で、風向の“↑”は保温帯内が上昇流であることを意味し、“↓”は保温帯内が下降流であることを意味している。

例１は、保温帯の出側近傍で鋼帯表面の輝度を測定し、その値が予め設定された目標値以上で維持されるように、静圧パッドに供給されるガス量を制御した場合のデータである。輝度計の設置位置は、保温帯の出側に近い方が好ましいが、鋼帯表面への外乱光の影響を防ぐため、この例では、全長２０ｍの保温帯の出側から下方２ｍの位置に設置した。輝度の値は１８０前後の値で維持された。但し、ここでの輝度値は、黒を０、白を２５５とした場合の値である。なお、この場合も、ガス量の制御は、静圧パッドの内、鋼帯の一方の側及び他方の側でそれぞれ保温帯に最も近い位置に配置された静圧パッドのみについて行った。

表１から分かるように、本発明に基づく溶融亜鉛めっき用合金化炉によれば、保温帯内のガス流速が低下し、鋼帯温度ΔＴが小さくなり、保温帯の温度分布の安定性を高めることができる。

本発明の溶融亜鉛めっき用合金化炉で使用される静圧パッドの概略的な断面図、及び静圧パッドと鋼帯で挟まれる部分の圧力分布を示す図。 亜鉛めっき鋼帯、照明装置、輝度測定装置の位置関係を示す図。 本発明の溶融亜鉛めっき用合金化炉を含む溶融めっきラインの概略図。 本発明の溶融亜鉛めっき用合金化炉の主要部を示す図。 保温帯の出側における静圧パッドの周囲のガスの流れについて説明する図。

符号の説明

１・・・鋼帯、２・・・静圧パッド、３ａ、３ｂ・・・スリットノズル、４・・・チャンバ、５・・・配管、６・・・パッド本体部、７・・・静圧の高い領域、８・・・保熱帯の壁、９・・・ペイオフリール、１０・・・溶接機、１１・・・アルカリ洗浄装置、１２・・・ルーパ、１３・・・予熱炉、１４・・・直火加熱炉、１５・・・ラジアントチューブ加熱炉、１６・・・ガスジェット冷却帯、１７・・・調整冷却帯、１８・・・溶融亜鉛メッキ浴、１９・・・気体絞り装置、２０・・・加熱帯、２１・・・保温帯、２２、２２ａ、２２ｂ・・・冷却帯、２３・・・トップエリア、２４・・・水冷部、２５・・・ブロワ、２６・・・ダンパ（流量調整装置）、２７・・・ＣＣＤカメラ、２８・・・コントローラ（制御装置）、２９・・・照明装置、３０・・・ＣＣＤカメラ、３１・・・拡散反射光、３２・・・正反射光。

Claims (2)

1. 溶融亜鉛めっき浴の上方に加熱帯及び保温帯が順に配置された溶融亜鉛めっき用合金化炉において、
   保温帯の出側に、鋼帯の一方の側に少なくとも１個、他方の側に少なくとも２個、千鳥状に配置され、または、鋼帯を挟んで２対以上対向させて配置された静圧パッドと、
   これらの静圧パッドに供給されるガス量を調整する流量調整装置と、
   保温帯の内部且つその出側の近傍に配置され、鋼帯表面の輝度を測定する輝度計と、
   この輝度計の出力に基づいて、鋼帯表面の輝度が予め設定された目標値以上で維持されるように前記流量調整装置を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする溶融亜鉛めっき用合金化炉。
2. 溶融亜鉛めっき浴の上方に加熱帯及び保温帯が順に配置された溶融亜鉛めっき用合金化炉において、
   保温帯の出側に、鋼帯の一方の側に少なくとも１個、他方の側に少なくとも２個、千鳥状に配置され、または、鋼帯を挟んで２対以上対向させて配置された静圧パッドと、
   前記静圧パッドの内、鋼帯の一方の側及び他方の側でそれぞれ保温帯に最も近い位置に配置された静圧パッドに対して設けられ、これらの静圧パッドに供給されるガス量を調整する流量調整装置と、
   保温帯の内部且つその出側の近傍に配置され、鋼帯表面の輝度を測定する輝度計と、
   この輝度計の出力に基づいて、鋼帯表面の輝度が予め設定された目標値以上で維持されるように前記流量調整装置を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする溶融亜鉛めっき用合金化炉。

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