JP3650802B2

JP3650802B2 - ガスワイピングノズル

Info

Publication number: JP3650802B2
Application number: JP2002065725A
Authority: JP
Inventors: 晋一湯; 俊彦梅景; 宗浩石岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP2003268523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続的にめっき浴から引き上げられる鋼帯に気体を噴き付けて、余剰な溶融金属を払拭してめっき付着量を制御するためのガスワイピングノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼帯に連続的に溶融めっきを施す際の溶融金属の付着量を制御する方法として一般的に、鋼帯表面にスリットノズルから気体を噴き付けて余剰な溶融金属を払拭するガスワイピング法が行なわれている。しかしこの方法では、めっき表面に凹凸の付着量ムラ（以下、さざ波と称す）が発生し、鋼帯表面の美観を損なうばかりでなく、塗装ムラの原因ともなっている。
【０００３】
図５に、従来のガスワイピングノズルおよび噴出されたガスの模様を示す概略図を示す。図５（ａ）に示すように、ワイピングガスは、ガスワイピングノズル１の均圧室２を通過した後、幅がほぼ一定に保たれたスリット３からスリット長手方向に沿ってほぼ均一な流速で噴出される。そして図５（ｂ）に示すように、スリット３から噴出されたガスと周辺流体との粘性作用により、当初の噴出流速が維持される領域（ポテンシャルコア領域）が徐々に消滅した後、速度は徐々に減衰して速度分布が相似に保たれる発達領域へと移行していく。そして、スリット３から噴出されたガスと周囲流体との速度差により、噴流境界域において、スリット長手方向に回転軸を持つせん断渦（横渦）２０が発生する。この渦２０は、スリット長手方向に揺らぎ、スリット長手方向に均一に保持されない。そのため、ガスと鋼帯との衝突圧が、スリット長手方向すなわち鋼帯幅方向に沿って変化し、また時間的に変化する。その結果、鋼帯表面にさざ波が発生するものと考えられる。
【０００４】
このせん断渦２０は、スリット出口から離れて下流側に行くにつれて、また噴出流速が増加するにつれて大きくなる。従って、さざ波を抑制するためには、ノズル１と鋼帯との距離を小さくして、出来るだけポテンシャルコア領域であるいはポテンシャル領域に近いところでワイピングを行ない、および／またはノズル圧力を低くして噴流流速を小さくする必要がある。また、一旦発生したさざ波をレベリング促進により平坦化させる方法も考えられる。
【０００５】
特開平５−２３９６１１号公報には、アルミニウムを３から７ｗｔ％の範囲で含有する溶融金属めっきにおいて、ノズルと鋼帯との間隔をある値以下にする（近接化する）ことが記載されている。
【０００６】
特開平１−２３０７５８号公報、特開平１０−２４５９９号公報には、噴流の広がり角を抑制してポテンシャルコア領域を長くする方法が記載されている。これらの文献には、主噴流を噴射する主ノズルの上下面に、副噴流を噴射する副ノズルを設けたことを特徴とするガスワイピングノズルが開示されている。
【０００７】
またレベリング促進により平坦化させる方法も、文献に記載されている。たとえば、特開平１−１７７３５０号公報、特開平３−１５８４５０号公報には、非酸化性ガスをワイピングガスとして使用して溶融金属の表面酸化を抑制する方法が記載されている。特に、特開平３−１５８４５０号公報には、加熱したガスを利用する方法が記載されている。また特開平６−２７２０１０号公報には、鋼板を加熱してめっき金属を再溶融状態にする方法が開示されている。
【０００８】
溶融金属浴から鋼帯によって持ち上げられる溶融金属量は、鋼帯の通板速度が増加すると多くなる。近年は、通板の高速化とともに薄目付化の傾向にあり、所定の付着量を実現するためには、従来以上にワイピング力が高められる方向にある。言い換えれば、さざ波が発生し易くなるような条件でのワイピングが必要となっている。
【０００９】
前述のように種々のさざ波抑制方法が提案されているが、以下に示すような問題がある。
例えば、ノズルと鋼帯とを近接化するためには、鋼帯幅方向の反り変形（Ｃ反り）を抑制しなければならない。Ｃ反り抑制方法としてはロール押込みによる方法が一般的である。しかしロール配置やロール径との関係で、どの鋼帯サイズや鋼種に対しても平坦にすることが困難であり、また近接化にも限界がある。
【００１０】
副ノズルを用いる方法では、主ノズルと副ノズルとを分ける仕切り板を取り付ける必要があるため、構造が複雑で製作が困難となる。また噴出流量が多くなるため、溶融金属が飛散し易くなるという問題もある。さらにコンパクトなノズルにするためには仕切り板を薄くしなければならないが、主噴流と副噴流との間の圧力が異なると、薄い仕切り板が変形する。その結果、ノズル長手方向（鋼帯幅方向）に沿って主ノズルのスリット幅が変化するため、付着量が長手方向において均一にならないという問題がある。
【００１１】
レベリング促進により平坦化させる方法においても、種々の問題がある。例えば、非酸化性ガスを利用する方法では、運転費がかかる以外に周辺の作業環境（酸素欠乏）に対する対策が必要となる。加熱ガスを用いる方法では、設備費や運転費がかかるだけでなく、熱によるノズルの歪や変形と言った問題も発生する。鋼板を加熱してめっき金属を再溶融状態にする方法では、例えば亜鉛めっきの場合、溶融状態まで加熱すると、合金化が進行して所定の特性が得られない可能性があるため、高精度の温度制御が必要となる。
このように従来技術では、さざ波を効果的かつ安価に抑制する方法が確立されていなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、さざ波を効果的かつ安価に抑制することが可能なガスワイピングノズルを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ワイピングガスが噴出されるスリットを有するガスワイピングノズルであって、スリット開口部に、スリット長手方向に沿って一定ピッチで配置された複数の噴流遮蔽用構造体を有することを特徴とするガスワイピングノズルが提供される。
【００１４】
本発明においては、構造体のスリット長手方向の長さがスリット幅以下であり、（構造体間の間隔／構造体のスリット長手方向長さ）の比が３０以下であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係るガスワイピングノズルの概略図を示す。
本発明のガスワイピングノズル１は、ワイピングガスが噴出されるスリット開口部３（スリット幅Ｂ）に、噴流を遮るための噴流遮蔽用構造体１０が、スリット長手方向に沿って一定ピッチＰで配置されていることを特徴としている。さざ波防止に向けて、鋼板でのワイピングガスの衝突圧力の変動を小さくするためには、スリット長さ方向に回転軸を持つせん断渦の揺らぎを抑制する必要がある。噴流遮蔽用構造体１０を設置することで、せん断渦は細かく分断されて短い安定した渦となる。その結果、鋼帯にガスが衝突したときの衝突圧の変動が抑えられて、めっき表面の凹凸の付着量ムラであるさざ波を抑制することができる。このように本発明においては、スリット開口部３に構造体１０を設置するだけで、さざ波が効果的に、そして安価に抑制される。
【００１６】
構造体１０は、たとえば柱状物体であり、スリット長手方向の長さはＤであり、スリット幅Ｂと同じ長さの高さを有する。構造体１０の高さ方向に垂直な断面形状は、特に限定されないが、たとえば図２に示すような（ａ）円形、（ｂ）楕円形、（ｃ）長方形、（ｄ）正方形、（ｅ）三角形である。なお図２に示すように、構造体１０のスリット長手方向の長さＤとは、ガス流動の方向に垂直な最大長さであり、実質的に噴流を遮る構造体１０の長さである。
【００１７】
本発明においては、構造体１０のスリット長手方向の長さＤはスリット３の幅Ｂ以下であることが好ましい。それは以下の理由による。スリット３から噴出されるワイピングガスの流速は、構造体１０の場所では当然零である。しかし下流に行くに従って、スリット長手方向の速度分布は緩和されてほぼ均一な流速分布となる。構造体１０のスリット長手方向の長さＤが大きくなるほど、スリット先端からかなり離れた位置でないと均一な流速分布を得ることは難しい。そのため、構造体１０のスリット長手方向の長さＤが大きすぎる場合には、流速分布が均一となる下流位置に鋼帯が来るようにノズル１を設置しても、このような下流位置ではせん断渦も大きくなってしまう。その結果、鋼帯へのガスの衝突圧の変動が大きくなり、構造体１０を設置した効果が認められなくなる。
【００１８】
発明者による種々の検討の結果、構造体１０のスリット長手方向の長さＤがスリット３の幅Ｂ以下の場合に、構造体１０を配置した顕著な効果が認められることが判明した。
【００１９】
また本発明においては、（構造体１０間の間隔／構造体１０のスリット長手方向の長さＤ）の比が３０以下であることが好ましい。それは以下の理由による。せん断渦の揺らぎを抑制するためには、せん断渦の長さを出来るだけ短くして、せん断渦を安定に存在させることが好ましい。発明者による種々の検討の結果、構造体１０の設置間隔が、（ガスが噴出されるスリット長手方向の長さ／構造体のスリット長手方向長さＤ）が３０以下となる場合において、構造体１０を設置した顕著な効果が認められることが判明した。ここで、（ガスが噴出されるスリット長手方向の長さ）とは、構造体１０間の間隔（隙間距離）のことであり、言い換えれば（構造体１０のピッチ間隔Ｐ−構造体１０のスリット長手方向の長さＤ）である。
【００２０】
また本発明においては、図３に示したように、スリット開口部３に配置する構造体１０は、スリット出口に配置しても良いし（図３（ａ））、スリット出口近傍内部に配置しても良い（図３（ｂ））。スリット出口に配置するとは、構造体１０の表面（側面）１２とスリット出口面（ノズル先端面）１４とが一致するように配置することである。また構造体１０をスリット出口内部に配置するとは、構造体１０の表面１２がスリット出口面１４よりも内部に位置するように配置することである。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
ＬＥＳ（ラージエディシミュレーション）法を用いた数値解析によって、ガスワイピングノズル１のスリット開口部３に設けた噴流遮蔽用構造体１０の効果を確認した。具体的には、鋼板上でのガスの衝突圧の時間変化を求めた。
解析に用いた条件は以下の通りである。スリット幅Ｂは１ｍｍ、スリット長さ２５ｍｍ、ガス吐出噴流流速２００ｍ／ｓ、ノズル１と鋼板との間隔１０ｍｍ、鋼板通板速度１．５ｍ／ｓである。また構造体１０は、スリット長手方向長さＤが０．３３ｍｍの図２（ｃ）に示すような長方形であり、１．６７ｍｍピッチで、構造体表面１２とスリット出口面１４とが一致するように配置した。
【００２２】
（実施例２）
構造体表面１２をスリット出口面１４より１ｍｍ内側に入れて配置した以外は、実施例１と同様の条件で数値解析を行なった。
【００２３】
（比較例１）
構造体１０を配置しなかった以外は、実施例１と同様の条件で数値解析を行なった。
【００２４】
以上の実施例１〜２、および比較例１の計算結果を、図４（ａ）〜（ｃ）に示す。図の横軸は鋼板の幅方向（スリット長手方向）の長さＺ（ｍｍ）、縦軸は鋼板の縦方向（通板方向）の長さＹｍ（ｍｍ）である。
図４の結果より、噴流遮蔽用構造体１０を配置した実施例１、２と構造体１０を配置しなかった比較例１とを比べると、明らかに実施例１、２の方がガス衝突圧の変動が小さくなっている。こうして構造体１０を設ける本発明の効果が確認された。
【００２５】
（実施例３〜９）
鋼板への溶融亜鉛めっきを、噴流遮蔽構造体１０を有するガスワイピングノズル１を用いてガスを噴き付けながら行なった。
動作条件は以下の通りである。スリット幅Ｂは１．０ｍｍ、スリット長さ３００ｍｍ、ガス吐出噴流流速１８０ｍ／ｓ、ライン（鋼板通板）速度１ｍ／ｓ、目標付着量８０ｇ／ｍ²であった。またワイピングガスを遮る構造体１０の断面は、図２（ａ）に示す円形であった。
【００２６】
以上の条件の下で、構造体１０のスリット長手方向長さＤ、ピッチ間隔Ｐ、ノズルと鋼板との距離Ｘを種々変更した。下表１に各実施例でのＤ、Ｐ、Ｘを載せる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
上表１に示すように、実施例３〜７では、構造体長さＤ≦スリット幅Ｂとし、かつ（ピッチＰ−構造体長さＤ）／構造体長さＤ≦３０、すなわち（構造体間の間隔／構造体長さＤ）≦３０とした。また実施例８では、（Ｐ−Ｄ）／Ｄ＞３０とした。実施例９では、Ｄ＞Ｂとなるようにした。
【００２９】
以上の条件でめっきした後に、粗さ計測によって付着量ムラを測定した。また伸張率１％で調質圧延を施した後の表面外観の観察から、さざ波発生の評価（○：さざ波が目立たない、△：さざ波が若干認められる、×：さざ波がはっきりと認められる）を行なった。
【００３０】
（比較例２）
噴流遮蔽構造体１０を有さないガスワイピングノズル１を用いた以外は、実施例３と同様の条件で溶融亜鉛めっきを行ない、めっき後に粗さ計測・表面観察を行なった。
【００３１】
以上の実施例３〜９、および比較例２における付着量ムラ計測と表面観察との結果を上表１に示す。
【００３２】
上表１から明らかなように、ガスワイピングノズル１に噴流遮蔽構造体１０を設けた実施例３〜９の方が、構造体１０を設けない比較例２よりも、明らかに表面粗さが小さく表面外観も良好であった。すなわち構造体１０を設けることによって、従来さざ波が発生していたようなノズル１と鋼板との距離であっても良好な外観が得られることが明らかとなった。これは実施例１および２で行なった数値解析の結果を支持するものであり、構造体１０を設ける本発明の効果が改めて確認された。
【００３３】
また実施例３〜７と実施例８とを比べると、実施例３〜７のように（ピッチＰ−構造体長さＤ）／構造体長さＤ≦３０である方が、表面粗さ、外観がより良好であった。これは実施例８では、（Ｐ−Ｄ）すなわち構造体１０間の間隔が大きすぎるために、構造体１０を設けてせん断渦を分断して渦を安定化する効果が薄れたためであると考えられる。この結果から、実施例３〜７のように（Ｐ−Ｄ）／Ｄ≦３０が望ましいことが分かる。
【００３４】
また実施例３〜７と実施例９とを比べると、実施例３〜７のように構造体長さＤ≦スリット幅Ｂである方が、表面粗さ、外観がより良好であった。これは実施例９では、構造体長さＤが大きすぎて鋼板幅方向に沿って噴流が均一化するのに時間を要したために、せん断渦に起因する衝突圧の変動以外に、噴流を構造体１０で分断したことによる不均一化の弊害が現われたためであると考えられる。この結果から、実施例３〜７のようにＤ≦Ｂが望ましいことが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、さざ波が効果的に抑制された良好な外観を安価なノズル改造で達成することができ、更なる高速操業への展開も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスワイピングノズルの一例を示す概略図。
【図２】本発明の噴流を遮る構造体の一例を示す概略断面図。
【図３】本発明の噴流を遮る構造体の設置位置の一例を示す概略断面図。
【図４】本発明の実施例において数値解析により得られた鋼板衝突圧の時間変化の一例を示す画像出力。
【図５】従来のガスワイピングノズルを示す図。
【符号の説明】
１…ガスワイピングノズル
２…均圧室
３…スリット
１０…噴流遮蔽用構造体
１２…表面
１４…スリット出口面
２０…せん断渦
Ｂ…スリット幅
Ｄ…構造体のスリット長手方向長さ
Ｐ…構造体のピッチ間隔

Claims

ワイピングガスが噴出されるスリットを有するガスワイピングノズルであって、
スリット開口部に、スリット長手方向に沿って一定ピッチで配置された複数の噴流遮蔽用構造体を有することを特徴とするガスワイピングノズル。
前記構造体のスリット長手方向の長さがスリット幅以下であり、（構造体間の間隔／構造体のスリット長手方向の長さ）の比が３０以下であることを特徴とする請求項１記載のガスワイピングノズル。