JP4099138B2 - 金属表面のスケール改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延あるいは熱処理に際して金属表面に発生したスケールを、後の酸洗工程で酸洗除去が容易な性質に改質するためのスケール改質装置に関する。

熱間圧延あるいは熱処理した表面にスケールがある金属を溶融したアルカリ塩浴中に浸漬する事により、スケールを酸洗が容易な性質に改質する塩浴法は、ステンレス鋼の製造分野で広く実施されている。

米国特許ＵＳ 6450183B1 は上記とは異なり、スケールが発生した高温の金属表面にスプレーチェンバー内で苛性水溶液をスプレーし、苛性水溶液の水分を蒸発させ、苛性水溶液中の苛性成分の溶融層を金属表面に形成することによりスケールを該溶融層と反応させて酸洗除去が容易な性質に改質する金属表面のスケール改質方法であり、図７はその例の説明図である。

この方法は、ステンレス鋼の焼鈍酸洗ラインにおいて発生した、そのままでは酸洗除去が困難なステンレス鋼の焼鈍スケールを、酸洗除去が容易な性質に改質する際に用いる事ができる。図７で１は処理する金属例えばステンレス鋼で、アンコイラー２により巻き戻し、左から右に走行させる。即ち焼鈍炉４を通過させて焼鈍し、温度調整装置５により所望の高温例えば５００℃まで冷却し、スプレーチェンバー６に挿入する。その後水スプレー洗浄帯７を通過させ、水槽８に導入し、酸洗帯９を通過させてコイラー３により巻き取る。

スプレーチェンバー６内の１０ａと１０ｂは苛性水溶液をスプレーするスプレーノズルで、ノズルヘッダー１１ａ，１１ｂから供給されるＮａＯＨ，ＫＯＨ等の苛性成分を含有する苛性水溶液を金属１の表面にスプレーする。苛性水溶液の水分は金属表面が高温であるために蒸発し金属表面には苛性成分が残留するが、この苛性成分は金属表面が高温であるために金属表面に苛性成分の溶融層を形成する。

苛性成分の溶融層は金属表面の焼鈍スケールと反応し、酸洗除去が容易な性質のスケールに改質する。尚、苛性成分の溶融層が形成された金属表面は水スプレー洗浄帯７の洗浄ノズル１２により冷却洗浄し、その後水槽に入れて更に冷却すると共に苛性成分を洗浄除去する。

ＵＳ６４５０１８３Ｂ１

ステンレス鋼は表面が美麗である事が要求される用途に用いられる事が多いために、酸洗後のステンレス鋼の表面は美麗で均一な光沢を備えている事が望まれている。本発明者等は図７の装置を用いてステンレス鋼の焼鈍酸洗を行った。しかし格別の工夫を行わない場合は、均一な光沢を十分には備えていないステンレス鋼が発生する事を知得した。本発明はこの問題点を解決する事を課題としている。

即ち本発明は、スケールが発生した高温の金属表面にスプレーチェンバー内で苛性水溶液をスプレーし、苛性水溶液の水分を蒸発させ、苛性水溶液中の苛性成分の溶融層を金属表面に形成する事によりスケールを酸洗除去が容易な性質に改質する金属表面のスケール改質装置を用いるに当たり、均一な光沢を備えた酸洗後のステンレス鋼が常に安定して得られる、ステンレス鋼のスケール改質装置の提供を課題としている。

本発明は、（１）スプレーチェンバー内で蒸発した水分の蒸気排出部を該スプレーチェンバーの天井の中央部には設けないで、該スプレーチェンバーの側壁又はその近傍に設けた事を特徴とする、金属表面のスケール改質装置である。図１は図７のスプレーチェンバー６のイ−イ縦断面の説明図で、（Ａ）は本発明の例で、（Ｂ）は従来例である。

本発明者等は苛性成分の溶融層の形成状況を詳細に調査した。その結果、金属表面には苛性成分の溶融層が早期に十分な厚さで形成される部分と遅れて形成される部分とがあり、早期に十分な厚さ形成された部分では苛性成分の溶融層とスケールとの反応時間が十分で従って十分にスケールが改質されるが、遅れて形成された部分では苛性成分の溶融層とスケールとの反応時間が不十分で従ってスケールの改質も不十分になる事を知得した。また、酸洗に際して早期にスケールが酸洗除去される部分と遅れて酸洗除去される部分とが発生し、これが酸洗後のステンレス鋼の光沢の均一化を阻害している事を知得した。

また、本発明者等は苛性成分の溶融層の形成時期や厚さが不均一となる原因を調査した。この結果スプレーチェンバー内には蒸気が充満し結露して液滴となり滴下するが、液滴が滴下した部分では最初に出来た苛性成分の溶融層は液滴により一旦溶解し、その後で溶融層となるために、苛性成分の溶融層の形成が遅れ、また厚さが薄くなることを知得した。

蒸気の排出部１５は、通常は図１（Ｂ）の如く、天井の中央部に設ける。本発明者等は三次元数値流体力学計算により、水蒸気のスプレーチェンバー外への排出を図１（Ａ）と図１（Ｂ）で比較した。その結果、動いている鋼板の影響により、蒸気の流線は複雑な軌跡を描くが、スプレーチェンバー内の渦（ローテーション）が少なく、鋼板の上方で凝結する可能性のある有害な蒸気が滞留することなくスムーズに排出されるには、図１（Ｂ）のように天井の中央部に排出部があるよりも、また図１（Ｃ）のように両サイドにあるよりも、図１（Ａ）のように片サイドにあることが有効であることを知得した。

又蒸気排出部１５の近傍では蒸気は結露し液滴となり易い。図１（Ｂ）では蒸気排出部は天井１６の中央部にあるため、この液滴は金属表面に滴下し溶融層の形成が遅れる部分を形成する。

一方図１（Ａ）の本発明では蒸気排出部１５は天井の中央部には設けないで該スプレーチェンバーの側壁１７またはその近傍に設けるが、結露した液滴は側壁に沿って流下し、金属表面への滴下を防止し、溶融層の形成が遅れる部分の発生を防止する。側壁近傍としては例えば図１（Ａ−１）が考えられる。

また本発明は（２）スプレーチェンバーの天井が勾配が 1/29 以上(tan 2_°以上)の片側勾配でかつ表面粗度がJIS B0601のRa=1 以上の天井である事を特徴とする、前記（１）の金属表面のスケール改質装置である。

図２はその模式説明図で、図７のスプレーチェンバー６の矢印イ−イ縦断面に相応する。即ちこのスプレーチェンバー１は天井１６が勾配（tanθ）が 1/29以上の片側勾配の天井で、天井１６の下面の表面粗度がJIS B0601の Ra=1 以上である。

既に述べた如く、スプレーチェンバー内には蒸気が充満している。このため蒸気は天井に結露する。天井面の結露が液滴となって金属表面上に滴下するとステンレス鋼の光沢の均一化が損なわれる。図２の発明では天井面の結露を下方に金属表面がない位置まで天井面に沿って移行させることにより、天井面の結露の金属面上への滴下を防止する事を目的としている。

本発明者等は表面粗度を JIS B0601 の Ra=0.197〜15.6 に変えた表面粗度が異なる炭素鋼及びステンレス鋼を用い、長さ３００mmの板を角度を変えて設置してその下面に液を噴霧して液滴を生ぜしめ、その液滴が落下せずに安定して下面に沿って流れるか否かを観察した。蒸気の凝結を想定し、噴霧の濃度を２〜４０％の範囲で変化させた。

図３はその結果で○は濃度が２％、１０％、４０％の全ての液滴が落下しないで安定に流れた場合で、△は濃度が２％の液滴は落下するが濃度が１０％と４０％の液滴は落下しないで安定に流れた場合で、×は濃度が２％、１０％、４０％の全ての液滴が落下して安定に流れなかった場合である。図３にみられる如く、極端に滑らかなRa=0.197の場合を除き、Ｒａ＝１以上では○と×との境界線は２度あたりにある。薬液がアルカリ液である関係から、濡れ性が良く、小さな角度で液流れが安定しておこると考えられる。

図２の本発明においては、図３で得られた知見を基に、JIS B0601 の Ra=1 以上の天井材を用いて、図２の天井１６の傾斜角度θを２度以上（勾配が tan 2_°≒1/29以上）にする。この結果、天井に結露した液滴は金属表面に落下することがない。

また一方本発明は（３）空気取込口が蒸気排出部がある側壁面と反対の側壁面に形成され、空気を空気取込口から蒸気排出部へ流す構造とした。前記（１）または（２）の金属表面のスケール改質装置である。図４はその例で、図７のスプレーチェンバー６のイ−イ縦断面の説明図である。この場合は空気取込口２０から侵入した空気は蒸気排出部１５へ向かって流れ、スプレーチェンバー内の蒸気は効率よく排出されるために、結露を大幅に削減することができる。

また本発明は（４）スプレーチェンバーの天井がそれぞれの勾配が１／２９以上の両面勾配で、かつ表面粗度がJIS B0601のRa=1 以上の天井である、前記（１）の金属表面のスケール改質装置で、図５はその例である。図５の両面勾配の天井１６−１，１６−２は、表面粗度はRa=1以上であり、かつそれぞれの勾配は１／２９以上である。従って図３で述べたと同じ理由で、天井１６−１，１６−２に発生した結露は天井に沿って下方に移行し、結露した液滴が金属表面に滴下する事がない。従って苛性成分の溶融層は均一に形成され、酸洗後は光沢が均一なステンレス鋼となる。

また本発明は（５）金属表面の上方のスプレーノズル以外の位置に、勾配が１／２９以上でかつ下面の表面粗度がJIS B0601のRa=1以上の液滴受けが、勾配の下端を金属表面から外れた位置まで延在されて配されている事を特徴とする、前記（１）〜（４）の何れかの金属表面のスケールの改質装置である。図６（Ａ），（Ｂ）はその例で、図７のスプレーチェンバー６のイ−イ縦断面の説明図である。

図６（Ａ）及び図７の如く、スプレーチェンバー６内の金属表面の上方には、スプレーノズル１０ａ以外に、図７に記載のノズルヘッダー１１ａや図示しない計測器や照明器具１９等がある。スプレーチェンバー内で発生した蒸気は、ノズルヘッダーや計測器や照明器具等の表面においても結露し液滴となって金属表面に滴下する。この滴下を防止するためには、ノズルヘッダーや計測器や照明器具と金属表面の間に液滴受けを設けるが、格別の工夫を行わない場合は、この液滴受けの下面にも蒸気が結露し、金属表面上に滴下する。

図６（Ａ）の発明では、勾配が１／２９以上でかつ下面の表面粗度がRa=1以上の水滴受け１８を、勾配の下端を金属表面から外れた位置まで延在させて配するが、この液滴受けを用いると、ノズルヘッダーや計測器や照明器具１９等から滴下する液滴は液滴受け１８の上面で受けとめられ、また液滴受け１８の下面に発生する結露液は図３で述べたと同様の理由で、液滴受け１８の下面に沿って金属表面から外れた位置まで移動し、金属表面１には液滴が滴下する事がない。この液滴受け１８はスプレーチェンバー入口開口部の内面上部にも適用する事ができる。

図６（Ｂ）は、天井１６の表面粗度がRa=1以上ではなく、あるいは天井１６に１／２９以上の勾配がない、既設のスプレーチェンバーを用いた前記（１）のスプレーチェンバーの例である。この際にも、勾配が１／２９以上でかつ下面の表面粗度がRa=1以上の液滴受け１８を、勾配の下端を金属表面から外れた位置まで延在させて配するが、この液滴受けを用いると、天井１６から滴下する液滴は液滴受け１８の上面で受けとめられ、また液滴受け１８の下面に発生する結露液は図３で述べたと同じ理由で、液滴受け１８の下面に沿って金属表面から外れた位置まで移動し、金属表面には液滴が滴下する事がない。

また、本発明は（６）スプレーチェンバー入口開口部１３及びまたは出口開口部１４の上縁２２が、勾配が１／２９以上でかつ表面粗度Ra=1以上の片勾配又は両勾配となっていることを特徴とする、前記（１）〜（５）の何れかの金属表面のスケールの改質装置である。図６（Ｃ），（Ｄ）はその例で、スプレーチェンバーを入口側から見た説明図である。

入口開口部１３、出口開口部１４においても壁面を伝って下降した液滴が開口部上縁２２に達し、鋼板上に落下することがある。開口部上縁２２からの液滴落下防止のため、開口部上縁２２に１／２９以上の勾配を設け、また表面粗度をＲａ＝１以上にして、上縁の液滴が流れて鋼板上に落下することなく、鋼板を離れたサイドに落下するようにする。上縁勾配と前記（５）の液滴受けの併用も一層有効である。

本発明のスケール改質装置を用いると、結露した蒸気の液滴が金属表面に滴下する事がなく、苛性成分の均一な溶融層が金属表面に形成され、このため金属表面のスケールは酸洗除去性能が均一なスケールとなる。この結果、酸洗後は光沢が均一な美麗な表面のステンレス鋼が得られる。

は本発明のスケール改質装置の説明図。 は本発明の請求項１の第２のスケール改質装置の説明図。 は蒸気の結露液滴の滴下を防止する試験の結果を示す図。 は本発明の請求項２のスケール改質装置の説明図。 は本発明の請求項３のスケール改質装置の説明図。 は本発明の請求項４および請求項５のスケール改質装置の説明図。 は本発明のスケール改質装置を用いることができる、ステンレス鋼の焼鈍、酸洗ラインの説明図。

符号の説明

１：処理する金属、 ２：アンコイラー、 ３：コイラー、 ４：焼鈍炉、 ５：温度調節装置、 ６：スプレーチェンバー、 ７：水スプレー洗浄帯、 ８：水槽、 ９：酸洗装置、 １０（１０ａ，１０ｂ，）：苛性水溶液をスプレーするスプレー、 １１（１１ａ，１１ｂ）：ノズルヘッダー、 １２：水スプレー、 １３：スプレーチェンバーの入口開口部、 １４：スプレーチェンバーの出口開口部、 １５：蒸気排出部、 １６（１６ａ，１６ｂ）：スプレーチェンバーの天井、 １７：スプレーチェンバーの側壁、 １８：液滴受け、 １９：ノズルヘッダー、計測器、照明器具等、 ２０：空気取込口、 ２１：排液孔、 ２２：開口部の上縁。

Claims (5)

1. スケールが発生した高温の金属表面にスプレーチェンバー内で苛性水溶液をスプレーし
   、苛性水溶液の水分を蒸発させ、苛性水溶液中の苛性成分の溶融層を金属表面に形成する事によりスケールを酸洗除去が容易な性質に改質する金属表面のスケール改質装置において、蒸発した水分の蒸気排出部を該スプレーチェンバーの天井の中央部には設けないで該スプレーチェンバーの側壁又はその近傍に設け、かつスプレーチェンバーの天井が勾配が１／２９以上(tan 2_°以上）の片側勾配でかつ表面粗度がJIS BO601のＲａ＝１以上の天井であることを特徴とする、金属表面のスケール改質装置。
2. 空気取込口が蒸気排出部がある側壁面と反対の側壁面に形成され、空気を空気取込口から蒸気排出部へ流す構造とした事を特徴とする、請求項１の金属表面のスケール改質装置。
3. スケールが発生した高温の金属表面にスプレーチェンバー内で苛性水溶液をスプレーし、苛性水溶液の水分を蒸発させ、苛性水溶液中の苛性成分の溶融層を金属表面に形成する事によりスケールを酸洗除去が容易な性質に改質する金属表面のスケール改質装置において、蒸発した水分の蒸気排出部を該スプレーチェンバーの天井の中央部には設けないで該スプレーチェンバーの側壁又はその近傍に設け、かつスプレーチェンバーの天井がそれぞれの勾配が１／２９以上 (tan 2_°以上)の両側勾配でかつ表面粗度がJIS B0601のＲａ＝１以上の天井であることを特徴とする、金属表面のスケール改質装置。
4. スプレーノズル以外の位置の金属表面の上方に、勾配が１／２９以上(tan 2_°以上)でかつ下面の表面粗度がJIS B0601のＲａ＝１以上の水滴受けが、勾配の下端を金属表面から外れた位置まで延在させて配されている事を特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の金属表面のスケール改質装置。
5. スプレーチェンバー入口開口部及び／又は出口開口部の上縁が、勾配が1/29以上(tan 2_°以上)でかつ表面粗度がJIS B0601のRa=1 以上の片側勾配又は両側勾配となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の金属表面のスケール改質装置。

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