JP2015536827A - 高反射率の鋼板製品を製造するための方法、鋼板製品、および太陽集光器用のミラー要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、その表面が０．０３μｍ未満の算術平均粗さＲａを有する高反射率の鋼板製品を製造するための方法であって、少なくとも１つの表面の算術平均粗さＲａが＜２．５μｍである鋼板製品を複数の圧延パスで冷間圧延し、冷間圧延により達成される総成形率が７５〜９０％であり、成形率は圧延パスごとに低下し、第１の圧延パスの圧延圧力は２００〜８００ＭＰａであり、最終圧延パスの圧延圧力は１０００〜４０００ＭＰａであり、冷間圧延は、４０℃で５〜１０ｍｍ２／ｓの粘度を有圧延油を添加して行い、圧延速度は＞２００ｍ／ｍｉｎであり、少なくとも最終圧延パスの冷間圧延は、平均粗さＲａ＜０．０１μｍを有するワークロールを用いて行う方法に関する。次いで冷間圧延鋼板製品を保護ガス雰囲気下で焼鈍し、乾燥再圧延する。本発明はまた、それに対応して製造される鋼板製品、およびそうした鋼板製品から製造された太陽集光器に関する。

Description

本発明は、太陽放射範囲内で高反射率を有する鋼板製品を製造するための方法、そうして用意された鋼板製品、および太陽集光器用のミラー要素に関する。

本明細書で鋼板製品に言及する場合、他に記載がない限り、鋼板製品は、炭素鋼、ステンレス鋼または高級鋼から作られた鋼ストリップまたは鋼シートのほか、それらから作られた棒鋼、ブランクおよびその他を意味する。

本明細書で言及される種類のミラー要素は、たとえばミラー要素に当たる太陽光を集めて、熱伝達媒体が通過するパイプまたは同様のものに集中させるための太陽熱技術に使用される。こうしたいわゆる「太陽集光器」の使用により、太陽光発電の利用の際により大きな効率を達成することができる。ここの場合太陽放射範囲内で最適な反射率を有するミラー要素が要求されているだけでなく、こうしたミラー要素は、使用で生じる機械的応力に対する抵抗性を示すべきであり、製造するのに安価でもあるべきである。

本明細書に言及する種類のミラー要素は、たとえばパラボラトラフ発電所、フレネル発電所、ディッシュ−スターリング発電所およびタワー発電所の発電所技術に使用される。こうしたシステムの共通の特徴は、太陽放射を集中しなければならないことである。

現在、太陽集光器には、一方の側に銀、アルミニウムおよび他の反射成分を蒸着したガラス基板が使用される。

あるいは、たとえば特許文献１から、それぞれの基板を高反射率に必要な低い粗さが達成されるまで研磨することにより、５００℃を超える温度でもなお高反射率を有する鋼板製品を製造できることが知られている。

本明細書で「算術平均粗さＲａ」という用語を使用する場合、これは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７に準拠して決定された値を意味する。研磨された鋼板製品の表面では、算術平均粗さＲａは好ましい明確な方向性を有さない。代わりに、研磨された製品の表面は、研磨により残ったツールマークの無秩序な配向性を特徴とする表面構造を有する。

このため特別に構成した機械を使用するだけでなく、非常に長い加工時間を想定しなければならないので、鋼板製品の表面の研磨に関係する努力は相当なものである。

したがって、研磨を行うことなく高光沢の仕上げ鋼表面を製造するため、様々な試みがなされてきた。よって、たとえば特許文献２、特許文献３または特許文献４では各々、平均粗さＲａが０．０１〜０．０６μｍの範囲にある高光沢の研磨されたワークロールを用いてシートを冷間圧延することが示唆されている。しかしながら、鋼板製品のこうして得られる表面値が実現する算術平均粗さは、せいぜいＲａ＝０．０５μｍである。こうして得られる表面の光沢および関連する反射率は一般に、そうした鋼板製品から製造されるミラー要素に現在突きつけられる高い要求を満たすには不十分である。

米国特許第５，９１２，７７７号 特開平０７−１５５８０９号 特開平１０−０７６１０９（Ａ）号 特願平０４−３４０７０６号（特開平０６−１８２４０２号）

上記で概説した技術水準を背景とした本発明の課題は、鋼板製品であって、仕上げ圧延状態で、すなわち研磨または研削など追加の微細加工を行うことなく、そのように製造される鋼板製品を、太陽集光器の製造または太陽光に対して高い反射率が必要とされる他の用途に好適なものにする反射率を有する鋼板製品、を費用効果に優れた形で製造することが可能である方法を提示するというものであった。同様に、こうして提供される鋼板製品、および特にこうした鋼板製品の経済的使用を提示すべきである。

本方法において、この問題に対する本発明による解決策は、高反射率の鋼板製品の生産中に請求項１に示した作業工程を行うことを含む。

上記の問題を解決する本発明による鋼板製品は、請求項１０に示した特徴を有し、これらの特徴が仕上げの再圧延の、すなわちさらに機械的に微細加工しない、鋼板製品に存在することが強調されるべきである。本発明による方法は、こうした鋼板製品の生産に特によく適している。

本発明による鋼板製品は、太陽集光器の生産に最適な経済的利益をもたらし、ここでもやはり本発明による鋼板製品の本発明による使用が、仕上げ再圧延の、すなわちそれ以上機械的に精密加工していない、特に非研磨の状態で行われることが強調されるべきである。

鋼板製品の表面は、対象となる表面が極めて低い表面粗さを有する場合、高度の指向性反射を有し、その算術平均粗さＲａは０．１μｍよりかなり低くなるという知識に、本発明は基づく。

高い光沢値を達成するこうした平滑面を製造するため、本発明は、従来の圧延スタンドで行うが、それでも理想的に好適な製品が得られる圧延戦略を提案する。この場合、本発明による方法は、炭素鋼またはステンレス鋼の鋼板製品の加工にも同様に好適である。

本発明による方法の第１の作業工程ａ）では、最大２．５ｍｍの厚さに最適に熱間圧延または冷間圧延された鋼板製品であって、その表面の少なくとも１つが２．５μｍ未満の算術平均粗さＲａを有する鋼板製品を用意する。

次いで、こうして得られる、特にコイルとして用意される主要材料を、少なくとも以下の条件に従って作業工程ｂ）で冷間圧延する。

− 冷間圧延は、複数の工程において、すなわち複数回の圧延パスにおいて行う。行われる圧延パスの数は、それぞれの場合に必要とされる開始時の厚さおよび最終厚さによって異なる。典型的には本発明による方法を行う場合、少なくとも１０回の圧延パスが必要であり、通常少なくとも１２回の圧延パスが行われる。

− 冷間圧延により達成される総成形率は７５〜９０％である。したがって、たとえば２．５ｍｍの典型的な開始時の厚さに基づくと、冷間圧延後に得られるストリップの厚さは、０．６２５〜０．２５ｍｍの範囲にある。この場合、太陽集光器用のミラー要素への成形を意図した鋼板製品は、仕上げ圧延状態でたとえば最大０．４ｍｍ厚であるように冷間圧延される。

− 冷間圧延中に達成される成形率は、圧延パスごとに低下する。よって冷間圧延は、特に少なくとも２０％の高成形率の第１の圧延パスから開始する。次いでその後の圧延パスごとに、前の成形率より低い成形率を設定する。

この場合、成形率は、圧延パスごとに１回で５〜１０％低下すると最適である。これは、それぞれの圧延パスの成形率が前の圧延パスの成形率の９０〜９５％に相当することを意味する。その場合最終圧延パスでは、鋼板製品は特に１０％未満の最も低い成形率で冷間圧延される。

この場合、それぞれの圧延パスｎで達成される成形率ｅは、以下の通り計算される。

式中、Ｄｅ＝圧延パスｎを行う前の鋼板製品の厚さ、および
Ｄａ＝それぞれの圧延パスｎ後の鋼板製品の厚さ

よって厚さＤａに対する総成形ｅｇは、冷間圧延前の鋼板製品の厚さＤｅと冷間圧延の完了時の厚さＤａとの間の全圧延プロセスにおいて達成される差を示す。

− 圧延圧力は、第１の圧延パスにおいて２００〜８００ＭＰａであり、最終圧延パスにおいて１０００〜４０００ＭＰａであるように加工される材料の強度の関数として設定される。たとえば、８４％の総成形率の場合、材料番号１．４３０１の鋼から製造された鋼板製品を用いると、第１の圧延パスの圧延圧力は４００ＭＰａであり、最終圧延パスでは１６００ＭＰａである。

− 冷間圧延は、４０℃で５〜１０ｍｍ^２／ｓの粘度の圧延油を添加して行う。

− 冷間圧延中の圧延速度は２００ｍ／ｍｉｎ超である。こうして、それぞれの冷間圧延パスにおいて均一な油膜がワークロールと鋼板製品との間に維持される。

要求される最小の表面粗さの鋼板製品を用意するため、素材と接触するその円周面が、鋼板製品のそれぞれの表面に必要とされる平均粗さ未満である、典型的には０．０１μｍ未満である算術平均粗さＲａを有するワークロールを用いて、最終圧延パスで、最適には最終の４回の圧延パスで最後に冷間圧延が行われる。この場合、ワークロールは繰り返し交換してもよい。このため、最後から２番目および最後から４番目のパスで平均粗さＲａが≦０．０１μｍの特別に準備したワークロールとワークロールを交換することが実際的であるかもしれない。ロールの交換前に使用するワークロールの算術平均粗さＲａは、たとえば０．０８μｍまたはそれ未満の範囲であってもよい。

実際に、本発明による方法は従来の２０ロールスタンドで行うことができる。

作業工程ｃ）では軟化を目的として、得られた冷間圧延ストリップに、たとえば従来の光輝焼鈍装置で実施する冷間圧延ストリップ焼鈍処理を行う。この場合、焼鈍は、５０体積％超の水素含有量を有する保護ガス雰囲気下で行う。鋼板製品が、１０．５質量％超のＣｒ含有量を有するステンレス鋼から作られている場合、ここでの水蒸気と水素との分圧比はｐ（Ｈ_２Ｏ）／Ｐ（Ｈ_２）＜１０^−４である一方、鋼のＣｒ含有量が最大１０．５質量％の場合、ｐ（Ｈ_２Ｏ）／Ｐ（Ｈ_２）＜１０^−３の分圧比であれば十分である。

作業工程ｄ）では、本発明により焼鈍および冷間圧延が行われた鋼板製品は、たとえば２段圧延スタンドにて１回または複数回の、特に２回の圧延パスで再圧延を行う。この再圧延において達成される成形率は０．５〜２％である。従来通り、再圧延の目的は、焼鈍処理後に見られ、いわゆる「フローライン」を引き起こす可能性がある顕著な降伏点を消失させることである。ここでの再圧延は、この作用を低成形率で達成するため乾燥状態で行う。２段ロールは、予め研削し、素材と接触するその表面の算術平均粗さＲａは典型的には０．０３μｍ未満である。

したがって、本発明による方法で冷間圧延された鋼板製品は、仕上げ再圧延状態においてその表面の少なくとも１つで０．０３μｍ未満、特に０．０２μｍ未満の算術平均粗さＲａを有する。この場合、本発明による鋼板製品の本質的特性は、平均粗さＲａが、圧延の方向に平行に配列した好ましい明確な方向性を有するということである。したがって、本発明により仕上げ再圧延された鋼板製品では、形状像を用いて圧延の方向を明確に特定することができる。

驚くべきことに、再圧延後に既に、ＤＩＮ ６７５３０に準拠して決定された１２００光沢度（Glanzeinheiten，gloss unit（独、英））超の光沢および６０％超の指向性反射を有し、実際に８０％超、特に９０％超の指向性反射が達成される鋼板製品が、本発明により製造され得ることが明らかになった。したがって本発明による鋼板製品は、従来法で製造され、研磨された鋼板製品の反射率と少なくとも同じ反射率を有する。

本発明による鋼板製品と従来の冷間圧延され、次いで研磨された鋼板製品との間のさらに大きな相違は、研磨された鋼板製品の表面が、本発明による鋼板製品の表面より明らかに硬いということである。このため、本発明による鋼板製品は典型的には、反射面の表面硬度が４ＧＰａ未満、特に３．５ＧＰａ未満である。従来の方法で研磨された鋼板製品の表面がこのように硬くなるのは、再結晶焼鈍後に研磨のみが行われるので、研磨プロセスにより引き起こされる表面のひずみ硬化により説明することができる。

さらに反射率を高めるため、本発明により製造および用意された鋼板製品に反射コーティング系を施してもよい。

コーティングは、たとえば真空蒸着法を用いて、特に連続塗布法で施してもよい。この場合、コーティングは、たとえば元素「Ａｌ、Ａｇ、Ｓｎ」の１つまたは複数を含む反射層を少なくとも含む。したがってシートはＡｌ−Ａｇ合金、Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ａｌ合金またはＳｎ−Ａｇ合金でコーティングすることができる。蒸着プロセスでは、ＰＶＤプロセス、マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着および同種のものを使用してもよい。

反射率を高めるコーティングの代わりに、またはそれに加えて、反射面としての役割を果たす本発明により提供される鋼板製品の表面に、必要に応じて腐食に対する長期的安定性を付与するため、鋼板製品（上層）に有機または無機コーティングを施してもよい。

バリア効果を有する無機コーティングとして、たとえばＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２のほか、たとえばＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３−ホウケイ酸ガラス、ＳｉＯ_２／Ｐ_２Ｏ_５−ケイリン酸塩ガラスまたはＢ_２Ｏ_３／Ｐ_２Ｏ_５−ホウリン酸塩ガラスを含むガラスなどのアモルファスコーティング系を使用してもよい。この場合も、好ましくはスパッタリングまたは原子層堆積法によるＰＶＤ法のほか、スピンコーティングまたは浸漬コーティングによるゾルゲルコーティングなどの湿式化学法を用いて塗布を行うことができる。

上層としてスピンオンガラス系を用いた保護コーティングも考慮することができる、スピンコーティングまたは浸漬コーティングを用いて有機ケイ素または有機ホウ素化合物を最初に塗布し、次いでその後熱分解して厚いガラスコーティングを形成する。この方法は、コイルコーティングを用いた連続塗布の可能性を与える点で利点がある。

ＣＶＤ法を用いて塗布されるＳｉ：Ｏ：Ｃ：Ｈコーティング（プラズマポリマー）などのハイブリッドコーティング系も好適であり得る。

透明なラッカーを含む有機上層コーティング系も同様に連続塗布の可能性を与える。

上述の方法で用意および塗布される上層は、腐食だけなく、同時にアブレッシブ摩耗からも保護する。

実施形態を用いて以下に本発明をより詳細に説明する。実施形態は、以下の通り示す。

３つの鋼板製品試料について、太陽光スペクトル域における指向性反射を表記の波長にわたり適用した図である。 本発明により圧延された鋼板製品試料の表面形状である。 研磨された鋼板製品試料の表面形状である。 本発明により冷間圧延された鋼板製品試料について、太陽光スペクトル域における純粋な冷間圧延状態、およびコーティングの塗布後の指向性反射を表記の波長にわたり適用した図である。 本発明により鋼板製品を製造する際に行われる冷間圧延のパススケジュールの概略図である。

鋼ストリップの形態の太陽集光器用のミラー要素を製造するための鋼板製品の生産では、熱間圧延してスケール除去された熱間圧延ストリップであるコイル形態の主要材料を使用した。２．５ｍｍ厚の主要材料は材料番号１．４３０１の標準鋼を含み、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７に準拠して決定された算術平均粗さＲａが２．４μｍ未満であった。

主要材料は、１２段階で２０ロールスタンドにて０．４ｍｍの最終厚さに圧延した。したがって得られた総成形率ｅｇは、ｅｇ＝（２．４−２）／２．４＝８３％であった。

第１の圧延パスでは、圧延は２０％超の成形率ｅ１で行った。後続の１１のパスでは、パスごとの成形率を５％〜１０％相対的に低下させ、したがって冷間圧延の最終圧延パスでは１０％未満の成形率ｅ１２を圧延に使用した（図５）。

ワークロールは、冷間圧延される鋼板製品と接触する円周面の算術平均粗さＲａが８０ｎｍであった。９回目、１０回目、１１回目および１２回目の圧延パスでは、２０ロールスタンドのワークロールを、算術平均粗さＲａが１０ｎｍ未満の特別に準備したワークロールと交換した。

１２回の冷間圧延パス中、圧延圧力は平均１６００ＭＰａであった。

冷間圧延工程は各々、４０℃の粘度が８ｍｍ^２／ｓの圧延油を添加して行った。ワークロールと鋼板製品との間に十分な油膜を維持するため、圧延は２００ｍ／ｍｉｎ超の圧延速度で行った。

こうして得られた冷間圧延鋼板製品に、５０％超水素含有量を有する保護ガス雰囲気下、光輝焼鈍装置で光輝焼鈍処理を行った。ここで水蒸気と水素との分圧比ｐ（Ｈ_２Ｏ）／Ｐ（Ｈ_２）は１０^−４未満であった。

最後に、焼鈍した冷間圧延ストリップを乾燥状態で、すなわち油または圧延用エマルジョンを用いることなく、２段圧延スタンドで１５０ｔの圧延荷重の２回パスにて再圧延した。鋼板製品と接触する２段ロールの円周面は、２０ｎｍの算術平均粗さＲａを有した。

表１は、上記の方法で加工された本発明による２つの鋼板製品試料Ｅ１、Ｅ２に関する、原子間力顕微鏡を用いて決定した粗さの値、白色干渉法を用いて決定した粗さの値および再圧延後に得られた状態の指向性反射を示す。表１はさらに、比較のため、従来の方法で製造され研磨された比較サンプルＶの調査対象の表面に関する対応する値を示す。

太陽光スペクトル域における指向性反射の測定の結果を図１に詳細に示す（試料Ｅ１：実線、試料Ｅ２：破線、比較試料Ｖ：実線）。本発明により製造された試料は、再圧延後、冷間圧延された非研磨状態において、最初に圧延、次いで研磨によりかなり努力して製造された比較試料の反射率と本質的に同じ反射率を既に有することが分かる。

本発明により圧延された鋼板製品と、比較に使用した高度に研磨された試料との間の明確な相違は、粗さの点で立証できた。形状像（図２を参照）により、それぞれの鋼板製品を圧延した圧延方向が明らかに確認できた。このため図２から、直線構造を特徴とする粗さの好ましい方向が検出可能である。しかしながら、比較に使用した研磨された試料Ｖでは、こうした好ましい方向が存在しない（図３）。

コーティングの塗布により、鋼板製品試料の反射能をさらにどの程度高め得るかを調べるため、電子ビーム蒸着を使用して本発明による鋼板製品試料Ｅ１に９０〜１００ｎｍ厚の銀コーティングを施した。このコーティングの結果、太陽光スペクトル域における指向性反射は約９３％に増加し、こうすることで従来のガラスミラーの桁に到達した。図４ではコーティング前の本発明による試料Ｅ１の反射率を破線で示す一方、コーティング後の反射率を実線で示す。

最後に、ナノインデンター測定において、試料Ｅ１、Ｅ２およびＶの反射面の硬度を調べた。この場合、研磨された比較プローブの硬度は、明らかにより高かった。測定の結果を表２に要約する。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの表面が０．０３μｍ未満の算術平均粗さＲａを有する、高反射率の鋼板製品を製造するための方法であって、
   ａ）少なくとも１つの表面が２．５μｍ未満の算術平均粗さＲａを有する鋼板製品を用意する作業工程；
   ｂ）複数の圧延パスで前記鋼板製品の冷間圧延を行う作業工程；
   を含み、
   − 前記冷間圧延により達成される総成形率が７５〜９０％であり；
   − 前記成形率は圧延パスごとに低下し；
   − 前記第１の圧延パスの圧延圧力は２００〜８００ＭＰａであり、前記最終圧延パスの圧延圧力は１０００〜４０００ＭＰａであり；
   − 前記冷間圧延は、その粘度が４０℃で５〜１０ｍｍ^２／ｓである圧延油を添加して行い；
   − 前記冷間圧延中の圧延速度は２００ｍ／ｍｉｎより大きく；
   − 少なくとも前記最終圧延パスの前記冷間圧延は、素材と接触するその円周面が０．０１μｍ未満の算術平均粗さＲａを有するワークロールを用いて行い；
   さらに、
   ｃ）５０体積％超の水素含有量を有する保護ガス雰囲気下での、得られた前記冷間圧延鋼板製品の焼鈍作業工程；
   および
   ｄ）０．５〜２％の再圧延率による、前記焼鈍した鋼板製品の乾燥再圧延作業工程；
   ｅ）任意に前記再圧延に続き、前記再圧延状態の前記鋼板製品を反射コーティングでコーティングする作業工程；
   を含むことを特徴とする方法。
2. 作業工程ａ）で用意される前記鋼板製品の厚さは最大２．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 冷間圧延後に得られる前記鋼板製品の厚さは最大０．４ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 作業工程ｂ）の前記冷間圧延は少なくとも１０段階で行われることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 作業工程ｂ）の成形率は、それぞれの場合に圧延パスごとに５〜１０％低下することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 作業工程ｂ）の前記冷間圧延の前記第１の圧延パスの成形率は、少なくとも２０％であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 作業工程ｂ）の前記冷間圧延の前記最終圧延パスの成形率は１０％未満であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 作業工程ｄ）の前記再圧延は、素材と接触するその表面が０．０３μｍ未満の算術平均粗さＲａを有するワークロールを用いて行うことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記任意に行われる作業工程ｅ）の前記コーティングは真空蒸着法により前記鋼板製品に塗布されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 仕上げ再圧延状態のその表面の少なくとも１つに
    − 圧延の方向に平行に配列した好ましい方向性を有する０．０３μｍ未満の算術平均粗さＲａ、
    − ＤＩＮ ６７５３０に準拠して決定された＞１２００光沢度の光沢、および
    − ＞６０％の指向性反射、
    を有することを特徴とする高反射率の鋼板製品。
11. 少なくとも１つの表面に０．０２μｍ未満の算術平均粗さを有することを特徴とする請求項１０に記載の鋼板製品。
12. 少なくとも１つの表面に＜４ＧＰａの表面硬度を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の鋼板製品。
13. 請求項１〜９の何れか一項に記載の方法を用いて製造されることを特徴とする請求項１０〜１２の何れか一項に記載の鋼板製品。
14. 少なくとも１０．５質量％のＣｒ含有量を有するステンレス鋼から作られることを特徴とする請求項１０〜１３の何れか一項に記載の鋼板製品。
15. 請求項１１〜１４の何れか一項により開発された鋼板製品から製造されることを特徴とする太陽集光器用のミラー要素。