JP2006283109A

JP2006283109A - 溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法

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Publication number: JP2006283109A
Application number: JP2005104151A
Authority: JP
Inventors: Koji Irie; 広司入江; Masaya Nakamura; 雅哉中村; Kohei Okamoto; 好平岡本; Ryota Nakanishi; 良太中西; Masabumi Shimizu; 正文清水
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP3889019B2

Abstract

【課題】従来のプレめっき法の如く莫大な型設備投資をすることなく、しかも実用に適した比較的容易な方法により、鋼板最表面におけるＳｉなどの易酸化性金属の酸化皮膜の形成を効果的に防止し、不めっきのない安定した品質の溶融亜鉛めっき鋼板を製造することが可能な製造法及びその設備を提供することを課題としたものである。
【解決手段】鋼板を加熱焼鈍した後溶融亜鉛めっき浴に浸漬してその表面に亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、先ず無酸化炉において空燃比ｒ１が０．９≦ｒ１＜１．００、到達板温ｔ（℃）がｔ≧４５０、そして前記空燃比ｒ１と到達板温ｔ（℃）がｔ≦−１０００×ｒ１+７５０を満たす条件下において鋼板を加熱し、次いでこの鋼板を酸化炉において空燃比ｒ２がｒ２≧１．００の条件下で加熱し、さらにこの鋼板を還元炉において還元焼鈍することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法及びその製造設備に関し、特にＳｉなどの高い鋼板のめっき性を向上させるために有効な加熱・焼鈍工程を備えた溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法と設備に関するものである。

周知のようにＳｉなどのＦｅより酸化し易い金属元素を多く含む（例えばＳｉ≧０．５重量％）鋼板を対象としてこれに溶融亜鉛めっきを行う場合、その前処理工程である還元焼鈍時に鋼板内部の易酸化性金属元素が表面側に拡散、濃化し、鋼板の最表面にその酸化皮膜（Ｓｉの場合はＳｉＯ２の皮膜）を形成してしまう現象が起きる。そして、この酸化皮膜が溶融亜鉛との濡れ性を阻害し、著しく不めっきが発生することになり、要求品質を満たす製品を製造することができなくなる。

従来、このための対策として、めっき前の鋼板（原板）に予め電気めっき法でＦｅ系めっきを実施するプレめっき法、あるいは、鋼板を予め酸化性雰囲気中で加熱して表面にＦｅ系酸化皮膜を形成した後に還元・めっきを実施する酸化還元法（特許文献１〜８など）が提案されている。

しかしながら、前者のプレめっき法を採用しようとした場合、連続溶融めっきの入側に電気めっき設備を設置する必要があり、このため現実的には実施が困難である。

また、後者の酸化還元法は、従来の無酸化炉（ＮＯＦ）方式の溶融めっきラインでＮＯＦ燃焼雰囲気を調整することによって適用することが可能であるが、良好なめっき性を確保するためには酸化時のＦｅ系酸化皮膜の厚さを均一にコントロールする必要があるが、従来の装置・設備ではこれが困難であり、実際に適用されている例はない。

さらに、直火炉方式の溶融めっきラインで直火炉雰囲気を調整して酸化還元法を適用する方法もあるが、この場合も鋼板に付着する防錆油量のばらつきなどに起因して初期に生成するＦｅ系酸化皮膜の厚さにばらつきが生じ、要求品質を満足する製品を製造することは現実的に困難である。
特開昭５５−１２２８６５号公報特開平４−２０２６３０号公報特開平４−２０２６３１号公報特開平４−２０２６３２号公報特開平４−２０２６３３号公報特開平４−２５４５３１号公報特開平４−２５４５３２号公報特開平７−３４２１０号公報

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、従来のプレめっき法の如く莫大な型設備投資をすることなく、しかも実用に適した比較的容易な方法により、鋼板最表面におけるＳｉなどの易酸化性金属の酸化皮膜の形成を効果的に防止し、不めっきのない安定した品質の溶融亜鉛めっき鋼板を製造することが可能な製造法及びその設備を提供することを課題としたものである。

そして、上記課題を解決するためになされた本発明とは、以下の構成を要旨とするものである。

（１）鋼板を加熱焼鈍した後溶融亜鉛めっき浴に浸漬してその表面に亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、先ず無酸化炉において空燃比ｒ１が０．９≦ｒ１＜１．００、到達板温ｔ（℃）がｔ≧４５０、そして前記空燃比ｒ１と到達板温ｔ（℃）がｔ≦−１０００×ｒ１+７５０を満たす条件下において鋼板を加熱し、次いでこの鋼板を酸化炉において空燃比ｒ２がｒ２≧１．００の条件下で加熱し、さらにこの鋼板を還元炉において還元焼鈍することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

（２）酸化炉における空燃比ｒ２が１．２５≧ｒ２≧１．００であることを特徴とする上記（１）に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

（３）酸化炉における鋼板の加熱が鋼板の上面及び下面にそのノズルを向けて配置されたバーナーによる直火方式であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

（４）そのノズルが鋼板の幅方向に延びたスリットバーナーによるものであることを特徴とする上記（３）に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

（５）鋼板のＳｉ含有量が０．２〜３．０重量％であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

（６）鋼板を加熱焼鈍した後溶融亜鉛めっき浴に浸漬してその表面に亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備において、鋼板の進行方向に沿って、無酸化炉、酸化炉、還元焼鈍炉及び溶融亜鉛めっき装置が順次連設され、前記酸化炉には、鋼板の加熱手段として鋼板の上面及び下面にそのノズルを向けて配置された直火方式のバーナーを備えてなることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。

本発明によれば、莫大な型設備投資を必要とせず、しかも実用に適した比較的容易な方法により、鋼板最表面におけるＳｉなどの易酸化性金属の酸化皮膜の形成を効果的に防止し、不めっきのない安定した品質の溶融亜鉛めっき鋼板を製造することが可能であり、本技術分野に優れた工業的価値をもたらすものである。

本発明者らは焼鈍炉での還元焼鈍に先立つ無酸化炉（以下、ＮＯＦと略称する場合がある）での加熱処理おいて鋼板の最表面に予めＦｅ系酸化皮膜を形成し、前記不めっきの原因となるＳｉ酸化皮膜の形成を阻止する方法に着目して検討を行ったところ、この方法では以下の考察から実用化が困難であるとの結論に至った。

すなわち、この無酸化炉での空燃比を調整して鋼板を加熱することにより
鋼板最表面にＦｅ系酸化皮膜を形成すること自体は可能であるものの、均一な厚さのＦｅ系酸化皮膜を製造することは極めて難しい。これは、無酸化炉では鋼板の幅方向両サイドから炉内に火炎を噴射で鋼板を加熱するが、鋼板温度が板幅方向で均一にならないためである。そして、鋼板温度が低く、Ｆｅ系酸化皮膜が薄い領域では、その後還元時のＳｉの鋼板表面濃化抑制が十分に作用せず、めっき後に不めっきが発生する。一方、鋼板温度が高く、Ｆｅ系酸化皮膜が必要以上に厚く生成した領域では、還元を実施しても一部のＦｅ系酸化皮膜が還元されないまま残存し、これが、不めっきやめっき後合金化処理時の合金化ムラの原因となる。

また、この無酸化炉では、鋼板に付着、侵入する圧延油を燃焼除去し、その表面を清浄化する作用を有するが、圧延油の付着状況によっても、鋼板表面の酸化状態が変化する。

そこで、本発明者らはこうした問題から無酸化炉での対応を断念すると共に、これ以外の方法によって鋼板の全表面に均一なＦｅ系酸化皮膜を形成することができないかどうかさらに検討を進めた。

この結果、上記無酸化炉とは別に、この無酸化炉と還元焼鈍炉の間にＦｅ系酸化皮膜を形成するための専用の酸化炉を設置し、この専用酸化炉により鋼板を均一に加熱、酸化してやれば鋼板の最表面にＦｅ系酸化皮膜を均一形成することが容易であり、不めっきの防止技術として最適な方法であること究明した。

本発明においてこの酸化炉を無酸化炉と還元炉の間に設置する必要があるのは以下の理由による。Ｆｅ系酸化皮膜を成長させるためには、鋼板温度の上昇、および、火炎照射が必要である。ＮＯＦの入り側すなわち前段に設置した場合は、火炎の照射によってある程度のＦｅ系酸化皮膜を形成することができるものの、鋼板温度が低いため、効率的には酸化皮膜は形成されない。これに対して、ＮＯＦの後段では、ＮＯＦで温度が上昇した鋼板に、さらに火炎が照射されるため、効率的に皮膜を形成することができる。

図１は本発明にかかる溶融亜鉛めっき設備の概要を示した図であり、ここにおいて上工程で圧延などを終えた鋼板Ｓは本設備を連続的に通過して溶融亜鉛めっき鋼板Ｐとなる。本設備は鋼板Ｓの入り側から溶融亜鉛めっき鋼板Ｐの出側に掛けて予熱装置１、無酸化炉２、酸化炉３、還元焼鈍炉４、冷却装置５及び溶融亜鉛めっき装置６の順に連設されている。酸化炉３は無酸化炉２と還元焼鈍炉４の間に設置されたものでここに供給される鋼板Ｓは既に予熱装置１、無酸化炉２により加熱、昇温されているため、図のように比較的小型のもので十分である。

酸化炉前段のＮＯＦでは、鋼板の酸化を防止する必要がある。ＮＯＦで酸化皮膜が生成した場合には前述した如く、酸化皮膜の厚さが不均一となり、その後に酸化炉で酸化皮膜を成長させても、ＮＯＦで発生したＦｅ系酸化皮膜の不均一さがそのまま残存し、均一なめっき性を得ることができない。

これを防止するために、本発明では、まず、ＮＯＦでの空燃比ｒ1を１．０未満にする必要がある。ｒ1が1以上になった場合には、酸化皮膜が急激に成長するようになる。

次に、ｒ1が１未満の場合でも、到達する鋼板温度すなわち到達板温ｔが高くなるに従い酸化皮膜が厚くなるため、本発明においては空燃比ｒ1と到達板温t（℃）の関係を下記(1)式を満足させる必要がある。

t ≦ −１０００ × ｒ1 + ７５０・・・(1)式
一方、ＮＯＦでは、鋼板に付着、侵入する圧延油を十分に燃焼、除去してやる必要がある。未燃のまま残存した場合、後段の酸化炉でも除去されるが、この場合、もともとの圧延油の付着状況、ＮＯＦでの燃焼除去のばらつきが原因となって、酸化炉で均一な酸化皮膜が生成できなくなる。そして、圧延油を十分に燃焼除去するために、本発明では、空燃比ｒ1を０．９以上、また、到達する鋼板温度ｔをｔ≧４５０℃にする必要がある。

本発明の酸化炉における鋼板の加熱条件としては、バーナーの空燃比ｒ２を１．００以上として燃焼、加熱させることが必須である。これは鋼板の表面を効率的に酸化させる必要があるからである。また、空燃比ｒ２の範囲は１．００≦ｒ２≦1.２５にするのが望ましい。ｒ２＞１．２５では酸化促進の効果は飽和し、加熱効率も低下するので好ましくない。

酸化炉でのバーナーによる加熱は、その火炎ノズルを鋼板の上面及び下面に向けて火炎を直接鋼板表面に当てて行う直火加熱方式てるあることが望ましい。効率的に酸化皮膜を形成するためにはバーナー照射が必要であり、また、鋼板の幅方向に均一にバーナーを照射するためには多数のバーナーを幅方向に直線的に並列させて配置する方法でも良いが、スリットバーナーの採用が特に望ましい。省スペースにも有効である。

スリットバーナーは、鋼板進行方向に1段のみでなく、数段をタンデムに配置することにより、より酸化を効率的に実施することができる。

図２は酸化炉に配置されたスリットバーナーの様子を示した断面概要図であり、ここでは酸化炉内の上部と下部に鋼板を挟んで互いに向き合ったスリットバーナーＡ１、Ａ２とＢ１、Ｂ２とが鋼板の進行方向に隣り合って２段で配設にされている。各スリットバーナーＡ１、Ａ２及びＢ１、Ｂ２は図のように鋼板の幅方向に連続的に伸びるスリットノズルｎを有していて、これらのノズルｎは鋼板の上面及び下面に対して直角の向きに配置されている。そして、図３は、この２段のバーナーによる実際の鋼板の燃焼加熱状態のイメージを示したものであり、スリットノズルｎからの火炎は鋼板の幅方向に亘って連続したカーテン状火炎Ｆが形成され、火炎Ｆの先端部が鋼板表面に直接衝突する加熱方式すなわち直火方式で加熱される。

酸化炉３において前記加熱条件のもとでこのようなスリットバーナーによる直火方式で鋼板を加熱する方法を採用することによって、無酸化炉にて前記の加熱条件により油を燃焼除去した鋼板はすでに板温が４５０〜８５０℃となっていることも相まって短時間（５〜２０秒）で目標とする板温に急速且つ均一に加熱することができる。この加熱の結果、酸化炉を経た鋼板はその幅方向に亘って極めて均一なＦｅ系酸化皮膜が形成された状態で、次の還元焼鈍炉４に供給されることになるのである。

こうして酸化炉３で形成されるＦｅ系酸化皮膜の厚みは、対象となる鋼板のＳｉ含有量や板厚などによっても変化するが好ましくは３０００〜１００００Åとすべきである。すなわち、３０００Å未満ではＳｉの表面への拡散、濃化を阻止するバリア層としての機能が不十分となる恐れがある。一方、１００００Åを超える厚みとしても、バリア層としての機能が殆ど変わらない上に酸化炉のおける加熱時間が長くなり、使用燃料も増大するという不利を伴う。

上記Ｆｅ系酸化皮膜の厚みは、酸化炉入り出側の板温をモニタリングし、鋼種、板厚、ラインスピード、酸化炉空燃比、酸化炉出力（燃料、燃焼用空気の供給総量など）で補正することにより比較的容易に推定することができ、この値を基に主に酸化炉出力を調整することによって、安定した酸化条件を決定、確保でき、これにより鋼板の長手方向について、安定しためっき性を得ることができる。

本発明の製造対象となる亜鉛めっき鋼板は、ＳｉなどのＦｅより酸化し易い金属元素を多く含む場合に有効であるが具体的にはＳｉが０．２〜３．０重量％、特に０．５〜３．０重量％の高Ｓｉ含有亜鉛めっき鋼板の製造に適したものである。
（実施例）
予熱室、燃焼室（ＮＯＦ室）、直火加熱室（酸化炉室）、冷却室からなる縦型燃焼炉に鋼板サンプルを取りつけ、サンプルを加熱・酸化処理した。ＮＯＦ室は鋼板幅方向からの直噴バーナーによる加熱方式とし、酸化炉室は鋼板垂線方向表裏からのスリットバーナーによる直火加熱方式とした。燃焼ガスにはＣＯＧ／Ａｉｒを使用した。冷却帯でＮ２ガスを吹き付け、鋼板サンプルを冷却した。サンプルには熱電対を取り付け、加熱、冷却中鋼板温度を測定した。サンプルサイズは210mm幅×300mm長さとした。
加熱、酸化処理した鋼板サンプルは、冷却後に取り出し、210×100mmサイズに分割、溶融めっきシミュレータに設置して、加熱、還元、めっき処理を実施した。一部のサンプルは、合金化処理も実施した。還元はＮ２−１５％Ｈ２雰囲気とした。また、めっき浴は、溶融亜鉛めっき鋼板作製時はＺｎ−０．１６％Ａｌ、合金化溶融亜鉛めっき鋼板作製時はＺｎ−０．１３％Ａｌとした。浴温はいずれの場合も４６０℃とした。

上記の装置を使用し、原板にＳｉ添加鋼を使用して、酸化、還元、めっき実験を実施した。酸化時には、ＮＯＦ室の空燃比、鋼板温度を各種条件に変化させた。そして、さらに、各ＮＯＦ条件で、酸化室での鋼板温度が〜９５０℃となる温度範囲で各種温度に酸化条件を変化させて酸化サンプルを作製した。酸化炉室の空燃比は１．１０とした。一方、酸化室で酸化処理を実施しないサンプルも作製した。以上のようにして作製したサンプルは、溶融めっきシミュレータに設置し、Ｎ２−１５％Ｈ２雰囲気中で８５０℃にて６０秒還元（一定）した後にめっきを施し、各サンプルでの不めっき発生の程度を目視評価した。

そして、各ＮＯＦ条件に対して、不めっき安定防止を以下の基準で判定した。

○：いずれかの酸化炉鋼板温度で不めっきなし
△：いずれかの酸化炉鋼板温度で不めっき低減（不めっき発生面積率≦３％）
×：いずれの酸化炉鋼板温度でも著しく不めっきが発生（不めっき発生面積率＞３％）
この結果をまとめて第1表に示す。

表1から明らかなように、本発明によって、不めっきのない亜鉛系めっき鋼板を容易に製造することができる。また、酸化炉前後の鋼板温度をモニタリングすることによって、適正製造条件を設定することができる。

本発明にかかる溶融亜鉛めっき設備の概要を示した図である。本発明にかかる溶融亜鉛めっき設備の酸化炉に配置されたスリットバーナーの様子を示した断面概要図である。上記スリットバーナーによる実際の鋼板の燃焼加熱状態のイメージを示した説明図である。

符号の説明

１：予熱装置２：無酸化炉３：酸化炉４：還元焼鈍炉５：冷却装置
６：溶融亜鉛めっき装置
Ｓ：鋼板Ｐ：亜鉛めっき溶融鋼板
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２：スリットバーナー
ｎ：スリットノズル
Ｆ：カーテン状火炎

Claims

鋼板を加熱焼鈍した後溶融亜鉛めっき浴に浸漬してその表面に亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、先ず無酸化炉において空燃比ｒ１が０．９≦ｒ１＜１．００、到達板温ｔ（℃）がｔ≧４５０、そして前記空燃比ｒ１と到達板温ｔ（℃）がｔ≦−１０００×ｒ１+７５０を満たす条件下において鋼板を加熱し、次いでこの鋼板を酸化炉において空燃比ｒ２がｒ２≧１．００の条件下で加熱し、さらにこの鋼板を還元炉において還元焼鈍することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
酸化炉における空燃比ｒ２が１．２５≧ｒ２≧１．００であることを特徴とする請求項１記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
酸化炉における鋼板の加熱が鋼板の上面及び下面にそのノズルを向けて配置されたバーナーによる直火方式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
そのノズルが鋼板の幅方向に延びたスリットバーナーによるものであることを特徴とする請求項３に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
鋼板のＳｉ含有量が０．２〜３．０重量％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
鋼板を加熱焼鈍した後溶融亜鉛めっき浴に浸漬してその表面に亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備において、鋼板の進行方向に沿って、無酸化炉、酸化炉、還元焼鈍炉及び溶融亜鉛めっき装置が順次連設され、前記酸化炉には、鋼板の加熱手段として鋼板の上面及び下面にそのノズルを向けて配置された直火方式のバーナーを備えてなることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。