JP2011032526A

JP2011032526A - 溶融金属めっき鋼帯の製造方法

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Publication number: JP2011032526A
Application number: JP2009179235A
Authority: JP
Inventors: Gentaro Takeda; 玄太郎武田; Hideyuki Takahashi; 秀行高橋; Masatoshi Tatsumi; 雅俊辰巳
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP5640340B2

Abstract

【課題】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際に、鋼帯の通板速度に関わりなくスプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を適切に抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯を安定して製造する方法を提供する。
【解決手段】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ガスを吹き付け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、ガスワイピング部で発生する音波を測定して周波数スペクトルに変換し、予め決められた周波数領域に周波数スペクトルのピークが現れないように、ワイピングノズルの設定条件を調整してスプラッシュ発生源となるガスワイピング振動を制御する。
【選択図】図４

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。

鋼帯の連続溶融めっきプロセスにおいては、図６に示すように、溶融金属が満たされているめっき浴２に鋼帯Ｓを浸漬させ、シンクロール３で方向転換した後、めっき浴２から垂直上方に引き上げ、めっき浴２の上方において、鋼帯Ｓを挟んで対向して設けられたガスワイピングノズル１a，１bから鋼帯面にガス（加圧空気など）を吹き付けるガスワイピングが行われる。このガスワイピングにより、鋼帯表面に付着した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、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。
上記のようなガスワイピング部での鋼帯走行位置を安定化させるために、通常、シンクロール上方の浴面下にサポートロール４が配置され、また合金化処理等を行う場合は必要に応じてガスワイピングノズル１a，１bの上方にサポートロール５が設置される。

ガスワイピングノズル１a，１bは、多様な鋼帯幅に対応すると同時に鋼帯引き上げ時の幅方向の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Ｓ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装置では、鋼帯Ｓに衝突したガス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。

また、鋼帯の連続処理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、鋼帯通板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ガス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。

上記のような問題を解決するため、特許文献１，２には、めっき浴を出てからガスワイピング部に到達する前の鋼帯にガスを吹き付け、余剰な溶融金属をある程度除去しておく技術が示されている。
特許文献１の技術は、通板する鋼帯両脇部にバッフルプレートを配置するとともに、このバッフルプレートの鋼帯側コーナー下部に、鋼帯エッジ付近の噴射ガスの流れを内向きに変える傾斜ガイドを設けたものである。
また、特許文献２の技術は、主ノズル（ワイピングノズル）に隣接して副ノズル（補助ノズル）を設け、主ノズルと副ノズルの仕切り板の噴出口先端を鋭角にするとともに、主ノズルからの主噴流に対して副ノズルからの副噴流を僅かに傾けるものであり、同文献によれば、ポテンシャル・コアが長くなる結果、付着量制御性が高まり、ガス噴流が安定するため騒音も低減するとしている。

しかし、特許文献１，２の技術では、一時的なスプラッシュ低減は図れるものの、操業中にスプラッシュの発生を安定的に低減させることはできない。すなわち、溶融金属用のガスワイピングノズルのスリットギャップは、一般に縦横比が非常に小さく（アスペクト比＝１：２０００程度）、このためノズルの加工精度や取付精度がガスワイピングの適否に与える影響が非常に大きい。したがって、ガスワイピングノズル自体の加工精度や取付精度、さらにはライン速度、鋼帯の反り量などの操業条件によって、スプラッシュが発生しにくい最適条件は異なったものとなる。このため、特許文献１，２の技術を用いたとしても、スプラッシュの発生を安定的に抑えることは困難である。

この問題を解決するために、特許文献３には、次のような方法が提案されている。この方法は、ガスワイピング部で発生する音波の周波数スペクトルとスプラッシュ発生との相関関係を利用し、ガスワイピング部で発生する音波を測定して周波数スペクトルに変換し、この周波数スペクトルの特定周波数領域での音圧強度又は音圧強度の積分値が基準値以下となるように、ガスワイピングノズルの位置を調整するものである。

特開２００３−３２１７５６号公報特開平１０−２０４５９９号公報特開２００７−３０８７７８号公報

しかし、特許文献３の方法では、評価の対象とする「特定周波数領域」が広い周波数領域に亘っており、スプラッシュ発生に関連するガス振動周波数スペクトルのわずかな変化に対応できないため、鋼帯サイズの変更やその他種々の操業条件の変更によるスプラッシュ発生状況変化を適切に検知することができず、このため操業が安定しないことがある。

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、鋼帯の通板速度に関わりなくスプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を適切に抑え、高品質の溶融金属めっき鋼帯を安定して製造することができる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、特許文献３のようにガスワイピング部で発生する音波の周波数スペクトルとスプラッシュの発生との相関関係を利用する方法について、評価の対象とすべきワイピングガス振動周波数帯を極力限定すべく、さらに検討を進めたところ、そもそも鋼帯エッジ部分でスプラッシュが発生しやすいのは、鋼帯がない部分において、対向する１対のワイピングノズルから噴射されたガス噴流どうしが衝突し、上下に振動する振動現象が発生することが主たる原因であることが判った。したがって、ガスワイピング部の音波測定（騒音測定）を行い、周波数スペクトルを求める際に、背景の騒音による周波数成分を差し引くことにより、ガスワイピング振動音周波数が明確に測定できることが判った。そして、さらに検討を進めた結果、ガスワイピングノズル条件で決まる特定の周波数領域に周波数スペクトルのピークが現れないように、ガスワイピングノズルの設定条件を調整することにより、スプラッシュによるめっき表面欠陥の発生を効果的に抑制できることが判った。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］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ガスを吹き付け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、ガスワイピング部で発生する音波を測定して周波数スペクトルに変換し、予め決められた周波数領域に周波数スペクトルのピークが現れないように、ガスワイピングノズルの設定条件を調整することを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
［2］上記［1］の製造方法において、調整されるガスワイピングノズルの設定条件が、浴面からのノズル高さ又は／及び鋼帯に対する上下方向でのガス噴射角度であることを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法。

本願発明によれば、スプラッシュ発生源となるガスワイピング振動を抑制できるので、鋼帯通板速度に関わりなくスプラッシュの発生量を安定的に低減し、表面欠陥の無いめっき鋼帯を高い生産性で安定的に製造することができる。

ガスワイピング部における鋼帯エッジ近傍での対向ガス噴流の状態を示す模式図図３の実験において使用した１対のガスワイピングノズルの上下方向でのガス噴射角度の角度差θを示す説明図１対のガスワイピングノズルの上下方向でのガス噴射角度にそれぞれ０．２゜、１．２゜の角度差θを付けて行った実験において、ガスワイピング振動音の周波数スペクトルを示す図面ガスワイピング振動音の１６００〜２３００Ｈｚにおけるパワースペクトル平均値とスプラッシュ量との関係を示すグラフ実施例において、従来例と本発明例のスプラッシュ欠陥率を示すグラフ鋼帯の連続溶融めっき設備を模式的に示す説明図

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ガスを吹き付けてめっき付着量の制御を行う方法では、ガスワイピングにより生じる溶融金属のスプラッシュの多くは、鋼帯エッジ部から発生する（エッジスプラッシュ）。これは以下のような理由による。すなわち、鋼帯両側に配置されたガスワイピングノズルから吐出されたガス噴流は、鋼帯センター部では、鋼帯に衝突した後は単独噴流のまま壁面噴流となるのに対し、鋼帯エッジ部では、対向する両ガスワイピングノズルからのガス噴流が互いに衝突することで、図１に示すように上下に大きく振動する現象が見られることが判った。このため鋼帯エッジ部ではガスの速度変動（乱れ）が非常に大きくなり、スプラッシュが発生しやすくなるのである。

この現象について、実際の溶融亜鉛めっきプロセスを再現できる溶融亜鉛めっきワイピングシミュレーターを用いて、改めて実験的な検証を行った。ガスワイピングノズルは、スリットギャップ：１．０ｍｍ、ノズル間距離：１０ｍｍ、スリット幅：４００ｍｍとし、ノズルガス圧力は７０ｋＰａとした。溶融亜鉛めっき浴温は４６０℃とし、板厚０．４ｍｍ、板幅２００ｍｍの鋼帯を２．５ｍ／ｓで通板させ、その際、騒音計にてガスワイピング振動音の測定とガスワイピングノズル下部に飛散するスプラッシュの捕集を同時に実施した。なお、実際の連続溶融めっきラインで発生するスプラッシュ欠陥と、ガスワイピングノズル下部に飛散するスプラッシュ量には相関があることは予め確認してある。

上記条件において、ガスワイピングノズルの上下方向でのガス噴射角度を変化させた場合の実験結果を以下に示す。図２に示すように、１対のガスワイピングノズル１a，１bの上下方向でのガス噴射角度にそれぞれ０．２゜、１．２゜の角度差θを付けて実験を行った。ノズル噴射口先端からノズル旋回中心までの距離は２００ｍｍとした。図３に、ガスワイピング振動音を測定し、周波数スペクトルに変換した結果を示す。これによれば、ガス噴射角度の角度差θが０．２゜と１．２゜では、特異周波数（パワースペクトル値がピークを示す周波数）が異なっている。この条件を含め、角度差θを種々変化させた場合のスプラッシュ量と１６００〜２３００Ｈｚにおけるガスワイピング振動音のパワースペクトル平均値との関係を示したのが図４である。これによれば、パワースペクトル値の低下がスプラッシュ量の低減に寄与すること、より具体的には、特定の周波数領域（図４の場合には１５５０〜２３２５Ｈｚ）に周波数スペクトルのピークがある場合（例えば、角度差θが０．２゜の場合）に対して、同周波数領域に周波数スペクトルのピークがない場合（例えば、角度差θが１．２゜の場合）には、スプラッシュ量が顕著に低減していることが判る。

以上の理由から本発明では、ガスワイピング部で発生する音波を測定して周波数スペクトルに変換し、予め決められた周波数領域Ａに周波数スペクトルのピークが現れないように、ワイピングノズルの設定条件を調整するものであり、これにより、スプラッシュ発生源となるガスワイピング振動を抑制でき、スプラッシュ量を顕著に低減させることができる。

ここで、上記周波数領域Ａは、以下のようにして予め決定すればよい。すなわち、上記のような噴流の振動現象は、一般的にストローハル数Ｓｔ（＝ｆｄ／Ｕ）で整理できることが知られている（例えば、社河内敏彦著，「噴流工学」，森北出版株式会社，２００４年３月，p.３７−３８参照）。ここで、ｆ：振動周波数、ｄ：代表長さ、Ｕ：代表速度である。ガスワイピング部のような系の場合、ｄをガスワイピングノズルのスリットギャップＢに対するガスワイピングノズル間距離Ｌの比率（＝Ｌ／Ｂ＊０．００１）、Ｕをノズル出口ガス速度とし、０．１≦Ｓｔ≦０．１５を満たす周波数領域を上記周波数領域Ａとすればよいこと、すなわち当該周波数領域に周波数スペクトルのピークが現れないようにすればよいことが判った。このように周波数領域Ａは、ガスワイピングノズルのスリットギャップおよびノズル間距離とノズル出口ガス速度（ノズルガス圧力）によって決定されるため、実際の操業に適用する場合には、予めガスワイピングノズルのスリットギャップおよびノズル間距離とノズルガス圧力により周波数領域Ａを求めておく必要がある。例えば、ガスワイピングノズルのスリットギャップ：０．９ｍｍ、ノズル間距離：１６ｍｍ、ノズルガス圧力：６０ｋＰａ（ノズル出口ガス速度：２９０ｍ／ｓ）の場合は、周波数領域Ａは１６３１〜２４４７Ｈｚとなる。

また、調整可能なガスワイピングノズルの設定条件としては、例えば、ノズルガス圧力、ノズル−鋼帯距離、上下方向でのガス噴射角度（ノズル角度）、浴面からのノズル高さなどが考えられるが、ノズルガス圧力とノズル−鋼帯距離は、これらを変更するとめっき付着量も変わってしまうので、一般に操業中における変更（調整）が難しい。したがって、操業中に変更（調整）を行うような場合には、上下方向でのガス噴射角度、浴面からのノズル高さのいずれか又は両方を調整するのが特に望ましい。

本発明を実施するに当たっては、ガスワイピング部近傍に音圧検出用マイクを設置してガスワイピング部からの音波を測定し、この音波を公知のリアルタイム音波解析装置で周波数スペクトルに変換する。プロセス制御装置では、この周波数スペクトルに基づき、ガスワイピングノズル条件から求められる周波数領域Ａに周波数スペクトルのピークが現れるかどうかを判定し、周波数領域Ａに周波数スペクトルのピークが現れる場合には、ガスワイピングノズルの設定条件を調整し（例えば、鋼帯表裏のガスワイピングノズルの上下方向でのガス噴射角度を大きくするように変更する）、周波数領域Ａ内に周波数スペクトルのピークが現れないようにする。
なお、このようなガスワイピング部からの音波の周波数スペクトルの解析とこれに基づくガスワイピングノズルの位置調整は、操業中連続的に行ってもよいし、適宜時間的な間隔をおいて行ってもよい。また、めっき条件の変更時に適宜行ってもよい。

連続溶融亜鉛めっき設備において、板厚：０.７〜１．０ｍｍ、板幅：１０００〜１２００ｍｍの鋼帯を、片面めっき付着量：４５〜５０ｇ/ｍ^２、通板速度：２〜２．５ｍ／ｓの条件で連続溶融亜鉛めっきし、溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。
使用したガスワイピングノズルは、スリット幅：２０００ｍｍ、スリットギャップ：０．９ｍｍであり、ノズルガス圧力：６０〜８０ｋＰａ、ノズル−鋼帯距離：７〜１０ｍｍ、めっき浴面からのノズル高さ：４００ｍｍとした。また、バッフルプレートを固定条件で使用した。

本発明例では、ワイピングノズル側部から約５ｍ離れた場所にマイクロフォンを設置してガスワイピング部からの音波を測定し、その音波をリアルタイム音波解析装置（リアルタイムＦＦＴ，サンプリング周波数２０ｋＨｚ）で周波数スペクトルに変換処理（常時処理）し、スペクトルピークと判定された周波数１０点を出力する。ガスワイピング条件の設定計算を行うプロセス制御装置では、ガスワイピングノズル条件から算出される現時点の周波数領域ＡとリアルタイムＦＦＴから出力された１０点を比較し、周波数領域Ａ内の数値があれば、上下方向でのガス噴射角度を変更するようにした。

本発明例と従来例（特許文献１と特許文献３の各方法）の各々１０日間のスプラッシュ欠陥率推移を図５に示す。なお、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。図５によれば、本発明例のスプラッシュ欠陥率は、従来例１（特許文献１の方法）に比べて大幅に低減（全平均で８６％減）し、従来例２（特許文献３の方法）に比べても低位で安定する（全平均で４５％減）ことを確認した。

１a，１b ガスワイピングノズル
２めっき浴
３シンクロール
４，５サポートロール
Ｓ鋼帯

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ガスを吹き付け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、
ガスワイピング部で発生する音波を測定して周波数スペクトルに変換し、予め決められた周波数領域に周波数スペクトルのピークが現れないように、ガスワイピングノズルの設定条件を調整することを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
調整されるガスワイピングノズルの設定条件が、浴面からのノズル高さ又は／及び鋼帯に対する上下方向でのガス噴射角度であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。