JP4315014B2

JP4315014B2 - 溶融めっき用浴中サポートロール及び溶融めっき鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4315014B2
Application number: JP2004046343A
Authority: JP
Inventors: 英哉岩本; 雅博森川; 斉正辰己
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: JP2005232566A

Description

本発明は、溶融めっき金属の製造過程において好適に使用される溶融金属めっき浴中のサポートロール、及び溶融めっき鋼板の製造方法に関する。

溶融めっき金属に分類される溶融めっき鋼板は、連続焼鈍炉で焼鈍された薄鋼板を、溶融亜鉛等の溶融金属を保持しためっき浴中に浸漬し、この浴中に設置されたシンクロールにより上方に方向転換された後、めっき浴面直上に設置されたガスワイピング装置によって余剰めっきを払拭され、所定のめっき付着量に調整されて製造されるのが一般的である。最近は、特に、自動車車体用等の用途を有する溶融亜鉛めっき鋼板の需要が高まりつつあり、この需要が高まるにつれて、当該鋼板に要求される品質レベルも従来とは比較にならないほど高くなってきている。溶融めっき鋼板に要求される品質の中でも、特に、めっき付着量の均一化は、溶融めっき鋼板の耐食性、溶接性、及びめっき層密着性等に支配的な影響を及ぼすため、非常に重要な技術の一つであるとされている。

金属表面のめっき付着量が不均一になると、フラッタリングあるいはチャタリングと呼ばれる現象が生ずる。これは、ガスワイピング位置におけるめっき鋼帯の振動により鋼板長手方向に付着量が揺らぐ現象であり、めっき表面に現れる縞状の波目模様等により、その発生を確認することができる。この現象は、めっき付着量が均一な金属表面には生じないため、めっき付着量の均一化を図るには、当該現象を低減させる必要がある。

上記現象は、主にスピンドルを介したサポートロール駆動における回転振動、サポートロール及びシンクロールの配置、並びに、サポートロールの構造等に起因するところが大きいと言われている。そこで、近年、これらを改善することにより当該現象の発生を防止し、めっき付着量の均一化を図る技術が検討されている。例えば、特許文献１には、サポートロール駆動の回転振動並びにサポートロール及びシンクロールの配置に関する技術として、シンクロール直上のサポートロールを無駆動とし、シンクロールとサポートロールとを水平方向に位置調整することで、鋼板のいわゆるＣ反りを矯正する技術が開示されている。ただし、特許文献１には、サポートロール自体についての特別な工夫に関する技術は何ら開示されていない。また、特許文献２には、ロールの回転をスムーズにして回転振動を低減させるためにサポートロール軸受け材質をセラミックスとし、軸・軸受けのクリアランスを１〜１５ｍｍとする技術が、特許文献３には、サポートロールと軸受けとの間の摺動抵抗を減少させることにより回転振動を低減させるために軸受けの内径側を凸状に加工する技術が、それぞれ開示されている。一方、サポートロール自体の構造に関する技術を含むものとして、特許文献４には、サポートロールをセラミックス製としたうえで中空構造とする技術が、また、特許文献５には、サポートロールの表面粗さＲａを２．０〜８．０μｍとしたサポートロールを無駆動で使用する技術が、それぞれ開示されている。
特開平０６−１２８７１１号公報特開２０００−６４００８号公報特開２００２−２４１９１５号公報特開２００１−８９８３６号公報特開平０５−３０６４４１号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、浴中サポートロールの位置関係やその他の操業条件によって、サポートロールの回転が鋼帯（以下において、「ストリップ」と記述する。）の通板速度に追随しない場合があり、かえってフラッタリングや表面欠陥等の原因になり、めっき付着量の均一化を図り難いという問題がある。

一方で、無駆動の浴中サポートロールは、ストリップの張力によって回転する。無駆動のサポートロールをスムーズに回転させるためには、この張力が、サポートロールの回転に対する抵抗の合計値を上回る必要があり、回転に対する抵抗としては、ロールの慣性モーメント、軸受けの回転抵抗、及び、溶融金属の粘性抵抗（以下において、これらを「３つの要素」と記述する。）が挙げられる。したがって、無駆動ロールがスムーズに回転するためには、ストリップの張力が上記３つの要素の合計値を上回る必要がある。ストリップの張力は、ラインの仕様や鋼板の機械特性等による制限があるため、その値を無制限に上げることはできない。そのため、上記３つの要素の合計値を低減させることにより、上記張力の値をこれらの合計値よりも大きくし、ロールのスムーズな回転を図ることが好ましい。ここで、溶融金属の粘性抵抗は、一般的なロール形状ではほとんど変わらない。したがって、ロールの慣性モーメント及び軸受けの回転抵抗の値を低く抑えることが重要になる。しかし、特許文献２のように、これらの値を抑えるためにロール素材としてセラミックスを使用すると、大幅なコスト増に繋がるという問題がある。この他、特許文献３〜特許文献５に開示されている技術によっても、金属表面におけるめっき付着量の均一化を図ることは困難である。

そこで、本発明は、溶融めっき金属の表面におけるめっき付着量の均一化を図ることが可能であり、かつ、製造コストを抑制し得る溶融金属めっき浴中のサポートロール、このサポートロールを備えた溶融金属めっき装置、及び溶融めっき鋼板の製造方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

第１の本発明は、溶融金属めっき装置２００に、無駆動で使用される鋼製のサポートロール１００であって、
胴部１１と軸部１０とを具備し、サポートロール全体の見かけの密度をｄ１、溶融金属５の密度をｄ２、及び、胴部１１の外径をＤ１、軸部１０の外径をＤ２とするとき、下記（１）、及び（２）式が成立することを特徴とするサポートロール１００により、上記課題を解決しようとするものである。
０．６ ×ｄ２≦ｄ１＜１．０×ｄ２（１）
０．１５×Ｄ１≦Ｄ２≦０．３×Ｄ１（２）

第１の本発明によれば、充分な強度を有し、かつ、無駆動でもスムーズに回転することが可能な、サポートロール１００を得ることができる。また、サポートロール１００を鋼製とすることにより、溶融めっき金属の製造コストを抑制することが可能となる。
ここで、本発明において、ロールの軸径（胴部１１の外径Ｄ１、及び軸部１０の外径Ｄ２）とは、純粋にロール軸自体のみの径ではなく、後述する耐磨耗処理層の厚さやスリーブ厚さまでをも含めた値をいうものとする。

また、上記第１の本発明において、軸部１０の外周面１３には、耐磨耗処理が施されていることが好ましい。

かかる形態とすることにより、サポートロール１００において、軸部１０の耐磨耗性を向上させることができる。

第２の本発明は、上記第１の本発明にかかるサポートロール１００を備えた溶融金属めっき装置２００であって、サポートロール１００の軸部１０を支える軸受け２０を具備し、軸部１０と軸受け２０とのクリアランスは常温状態において、２〜５ｍｍであることを特徴とする溶融金属めっき装置２００により、上記課題を解決しようとするものである。

第２の本発明によれば、本発明のサポートロール１００の軸部１０と軸受け２０との間の、引っ掛かりを防止することが可能な、溶融金属めっき装置２００を提供することができる。

また、上記第２の本発明において、軸受け２０の内周面２１に耐磨耗処理が施されていることが好ましい。

かかる形態とすることにより、耐磨耗性に優れた軸受け２０を備える溶融金属めっき装置２００を提供することができる。

第３の本発明は、無駆動の鋼製サポートロール１００を備えた溶融金属めっき装置２００を使用する溶融めっき鋼板の製造方法であって、サポートロール１００は、胴部１１と軸部１０とを具備し、サポートロール１００全体の見かけの密度をｄ１、溶融金属５の密度をｄ２、及び、胴部１１の外径をＤ１、軸部１０の外径をＤ２とするとき、下記（１）、及び（２）式が成立することを特徴とする溶融めっき鋼板の製造方法により、上記課題を解決しようとするものである。
０．６ ×ｄ２＜ｄ１＜１．０×ｄ２（１）
０．１５×Ｄ１＜Ｄ２＜０．３×Ｄ１（２）

第３の本発明によれば、上記（１）、及び（２）式を満たす鋼製サポートロール１００を用いて溶融めっき鋼板を製造することにより、表面のめっき付着量が均一である溶融めっき鋼板を製造し得る、溶融めっき鋼板の製造方法を提供することができる。

本発明の溶融めっき用浴中サポートロール及び溶融めっき鋼板の製造方法によれば、溶融めっき金属表面のめっき付着量を均一にすることが可能であり、かつ、製造コストを抑制し得る溶融金属めっき浴中のサポートロール、当該サポートロールを備えた溶融金属めっき装置、及び、表面のめっき付着量が均一である溶融めっき鋼板を製造することが可能な、溶融めっき鋼板の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施する形態について説明する。ただし、本発明は、この形態に限定されるものではない。また、形状、構造に関する記載（具体的な数値を含む）は、特に断らない限り、常温におけるものとする。

１）サポートロール及び軸受け
図１に、本発明のサポートロール１００の実施形態例を示す。図１（ａ）は、サポートロール１００の正面図であり、図１（ｂ）は、サポートロール１００の側面図である。本発明のサポートロール１００は、軸部１０と胴部１１とを備え、外径がＤ１である胴部１１は中空部１２を有し、外径がＤ２である軸部１０と胴部１１とは溶接部１４によって接合されている。なお、図１には、軸部１０及び胴部１１が溶接部１４により接合されている態様を図示したが、軸部１０及び胴部１１の接合方法はこれに限られず、軸部１０及び胴部１１を一体に固定できる接合方法であれば、他の方法であっても好適に用いることができる。

本発明では、ロール軸部１０の外径Ｄ２をロール胴部１１の外径Ｄ１に対し３０％以下とする。外径Ｄ２を外径Ｄ１に対して３０％以下とすることで、無駆動でも、サポートロール１００の回転がスムーズになる。また、実用に耐え得るサポートロール強度を確保するという観点から、ロール軸部１０の外径Ｄ２は、ロールの胴部１１の外径Ｄ１に対して１５％以上とする。好ましくは、２０〜３０％である。

本発明の溶融めっき用浴中サポートロール１００は、鋼ベースの素材を使用し、その素材は鋼ベースの金属であれば特に限定されない。中でも、高温の溶融めっき浴中（以下において、溶融めっき浴は溶融亜鉛浴であることを想定して記載する。）における耐食性に優れた、Ｃｒ含有ステンレス鋼（好ましくはオーステナイト系ステンレス鋼）を好適に使用することができ、当該ステンレス鋼の具体例としては、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ４２０相当のＣｒ含有ステンレス鋼等を挙げることができる。また、溶融めっき浴中において、亜鉛合金層がサポートロール１００へ巻き付くことを防止するため、ロール胴部１１の表面にＷＣ−１２Ｃｏ等の溶射皮膜を数百μｍから数ｍｍ程度形成しておくことが好ましい。

本発明において、サポートロール１００の見かけの密度ｄ１は、溶融金属５を保持しためっき浴（図４又は５参照）の密度ｄ２よりも小さくする。なお、この場合におけるサポートロール１００の見かけの密度ｄ１とは、軸部１０も含めたサポートロール全体の密度をいう。
溶融亜鉛めっきの場合、溶融金属５を保持しためっき浴の密度ｄ２は、通常のめっき浴温度である約４６０℃程度では、約６９００ｋｇ／ｍ^３である。一方、鋼ベースの素材の場合、サポートロール１００の見かけの密度ｄ１は、例えば、約７８００ｋｇ／ｍ^３である。したがって、本発明では、サポートロール１００の見かけの密度ｄ１を低減させるために、サポートロール１００を中空にする等、構造上の工夫をする。ここで、中空部１２等とした場合においても、本発明のサポートロール１００が実用に耐え得る強度を確保するという観点から、本発明のサポートロール１００の密度ｄ１は、めっき浴の密度に対し６０％以上１００％未満であることが好ましく、より好ましくは７０％以上９０％以下である。
なお、ロール１００の外径及び幅等は、設備仕様等によっても異なるため一概には言い難いが、本発明の溶融金属めっき装置において使用されるサポートロール１００としては、胴部外径２００〜４００ｍｍ程度、及び、ロール胴長１５００〜２２００ｍｍ程度のサポートロール１００を主に想定している。

図２に、本発明の溶融金属めっき装置において使用されるサポートロール１００及び軸受け２０の拡大図を示す。図２において、本発明のサポートロール１００の軸部１０は、軸受け２０の内周面側に貫入されている。

本発明の溶融金属めっき装置において、サポートロール１００のロール軸１０と軸受け２０とのクリアランスは、引っかかりを生じない範囲でできるだけ少ない方がよく、好ましくは、２〜５ｍｍである。さらに、軸受け２０の耐久性向上という観点から、軸受けの内周面２１に耐磨耗処理を施すことが好ましい。加えて、サポートロール１００及び軸受け２０の摺動部幅は、軸部１０及び／又は軸受け２０の寿命と摺動抵抗との兼ね合いを考慮して、７０〜１５０ｍｍ程度とするのが好ましい。

一方、耐磨耗性を向上させるため、サポートロール１００における軸部の外周面１３には、直接、耐磨耗処理を施すことが好ましい。具体的な耐磨耗処理方法としては、耐磨耗性等に優れるステライトをロール軸表面に肉盛するステライト肉盛等を挙げることができ、さらに、めっき浴中における耐久性に優れるという観点から、ＣｏＣｒＷ等の自溶性合金やタングステンカーバイド（ＷＣ）を溶射する方法等も挙げることができる。
なお、磨耗によりロール軸（例えば肉盛が施されたロール軸）の外周面１３が荒れた場合においても研削により表面の平滑化を図ることが容易になるという観点から、ロール軸の外周面１３に上記耐磨耗処理を直接施す場合における当該処理層の厚さは、３〜５ｍｍ程度以上とすることが好ましい。

図３に、溶融金属めっき装置に備えられるサポートロール１００及び軸受け２０に適用され得るスリーブ構造の概念図を示す。図３において、本発明のサポートロール１００は、溶接部１４により接合された軸部１０及び胴部１１を備え、胴部１１は中空部１２を有している。一方、ロールの軸部１０の外側にはスリーブ３０が備えられ、スリーブ３０が備えられた軸部１０は、軸受け２０の内周面側に貫入されている。
本発明のサポートロール１００がこのような構造を採れば、補修の際にはスリーブ３０のみを交換すればよいので、経済的・合理的な構造とすることが可能である。なお、スリーブ構造が採用される場合には、スリーブ３０の摺動面側に硬化表面処理を施すことにより、ロール軸外周面１３の耐磨耗性を向上させるのが一般的である。

２）溶融金属めっき装置
図４に、本発明の溶融めっき鋼板の製造方法において使用される、溶融金属めっき装置２００の実施形態例を示す。図４（ａ）は、溶融金属めっき装置２００の側面図であり、本発明のサポートロールである上サポートロール１１０及び下サポートロール１２０、並びにシンクロール１５０は、溶融金属５を保持しためっき浴中に位置している。ここで、ストリップ１は図の矢印の方向へと進むものとする。一方、図４（ｂ）は、溶融金属めっき装置２００の正面図である。

本発明の溶融めっき鋼板の製造方法では、ストリップ１のＣ反りの矯正を容易にするという観点から、本発明のサポートロール、特に、下サポートロール１２０は、図４に示すように、シンクロール１５０から立ち上がったストリップ１のパスラインをやや押し込んだ位置で使用することが好ましい。また、上サポートロール１１０と下サポートロール１２０との軸間距離が離れているほど、ストリップ１のＣ反りが少なく、かつ、フラッタリングが発生し難いため、上サポートロール１１０と下サポートロール１２０とは距離を離して使用することが好ましい。
ここで、上下２つのサポートロールを離して使用すると、ストリップ１がこれら２つのサポートロールへ巻き付く際の巻き付き角が大きくなるため、ストリップ１がサポートロールの振動の影響を受けやすくなる。したがって、上サポートロール及び下サポートロールが駆動サポートロールである場合には、均一なめっきを付着し難いという問題が生じる。しかし、これら２つのサポートロール１１０、１２０を無駆動にすることにより、かかる問題を回避することができる。

なお、上記押込み量、及び本発明のサポートロール軸間距離は、ストリップのサイズ、材質、及びラインスピード等の他の操業条件にもよるが、押し込み量で５〜５０ｍｍ程度、サポートロール軸間距離で２００〜３００ｍｍ程度（下サポートロールとシンクロールとの軸間距離は５００〜８００ｍｍ程度）とすることにより、表面にめっき（亜鉛めっき）が均一に付着した溶融めっき鋼板を製造することができる。

（計算機シミュレーション）
本発明のサポートロールの好適な構造を特定するため、サポートロールの構造条件を種々変更して計算機シミュレーションを実施した。以下に、当該シミュレーションの条件を示す。また、図５に、本シミュレーションにおける各ロールの配置図を示す。図５において、ストリップ１は、矢印の方向へと進むものとする。

＜シミュレーション条件＞
・サポートロール
ロール外径：２６０ｍｍφ
ロールの見かけ密度：めっき浴に対して４０〜１２０％
ロール胴部の長さ：１６００ｍｍ
ロール軸部の軸径：５０〜１３０ｍｍ
ロールの表面粗度Ｒａ：３μｍ
駆動条件：無駆動

・サポートロール軸受け
軸受けとサポートロールとの摺動部幅：１２０ｍｍ
クリアランス：３ｍｍ
耐磨耗処理方法：ステライトにて肉盛

・シンクロール
外径：７５０ｍｍ
ロール胴部の長さ：１６００ｍｍ
駆動条件：モータによる駆動

・ロールの配置条件
めっき浴の浴面と上サポートロール軸の中心との距離Ｌ１：２００ｍｍ
めっき浴の浴面と下サポートロール軸の中心との距離Ｌ２：５００ｍｍ
押し込み量Ｌ３：３０ｍｍ
めっき浴の浴面とシンクロール軸の中心との距離Ｌ４：１２００ｍｍ

・その他の条件
めっき浴：Ｚｎ−０．２％Ａｌ浴
めっき浴の温度（密度）：４６０℃（６９００ｋｇ／ｍ^３）
ストリップの板幅：６１０〜１２５０ｍｍ
ストリップの板厚：０．３５〜４．５ｍｍ
ストリップの鋼種：ＩＦ鋼（Interstitial Free鋼）
ライン速度（ストリップの通板速度）：２５〜１８０ｍｐｍ
鋼板のユニット張力（板厚＝４．５ｍｍの時）：９．８Ｎ／ｍｍ^２〜３９．２Ｎ／ｍｍ^２

＜シミュレーション結果＞
上記条件によりシミュレーションを実施し、上サポートロールの回転状態を観察した。観察結果を、図６にあわせて示す。
ここで、図６における評価の基準は以下の通りとした。
○：回転不良が発生しない。
△：ストリップのサイズ、ライン速度等により、スリップ（サポートロールの回転速度がライン速度に追従しない現象）が発生する。
×：ストリップのサイズ、ライン速度等により、サポートロールが回転しない場合がある。
なお、評価が△及び×の場合における、サポートロールの回転不良は、ストリップが薄肉狭幅材であるほど（例えば厚さ０．３５ｍｍ×幅６１０ｍｍ等）、又は、ライン速度が速いほど（例えば約１５０ｍｐｍ以上）、生じやすい傾向にあった。

図６より、サポートロールの見かけ密度が、めっき浴密度の１００％未満であり、かつ、サポートロールにおけるロール軸部の軸径が、ロール胴体部外径の３０％以下である場合には、無駆動であってもサポートロールの回転状態は良好（○）であるとの結果が得られた。

（実施例）
上記シミュレーション結果を参考にしてサポートロールを試作し、試作したサポートロールを用いて溶融めっき鋼板を製造した。
ロール素材には、ＳＵＳ４２０相当材（１３％Ｃｒ含有マルテンサイト系ステンレス鋼、密度：７８００ｋｇ／ｍ^３）を使用した。ロール胴部は、最終的に所望のロール見かけ密度となるように内部を研削し、その側面にロール軸と一体の軸部をはめ込み（図３）、ロール胴部及び軸部を溶接した。かかる方法により、外径２６０ｍｍφ、胴長１６００ｍｍ、軸径７０ｍｍ、及び、見かけ密度が４０００ｋｇ／ｍ^３又は５０００ｋｇ／ｍ^３（めっき浴密度の約５８％、約７２％）である２種類の中空サポートロールを作成した。
ロール胴部の外表面にはＷＣ−Ｃｏの溶射皮膜を設け、ロール軸部表面には、ステライトで肉盛した（肉盛厚５ｍｍ）。また、ロール胴部表面には、合金層の巻き付きを防止するため、ＷＣ−１２Ｃｏを１００μｍの厚さとなるように溶射した。なお、ロール胴部の表面粗度Ｒａは、３μｍとした。

一方、軸受けの素材は、サポートロールと同様の材質（ＳＵＳ４２０相当材）とし、サポートロールと同様に肉盛を施し、軸受けとロールとの摺動部幅及びクリアランスは、それぞれ、１２０ｍｍ及び３ｍｍとした。
本実施例におけるこれら以外の条件（シンクロールの素材、ロール配置等）は、上記シミュレーション条件と同様とし、その他の操業条件についても上記シミュレーション条件に合わせた。
この条件にて溶融めっき鋼板を試作したところ、２種類のサポートロールのいずれを無駆動で使用しても、回転不良およびそれに起因する表面欠陥等は発生せず、問題なく操業することができ、表面のめっき付着量が均一である溶融めっき鋼板を製造できることが確認された。

本発明のサポートロールの実施形態例を示す図である。本発明のサポートロール及び軸受けの実施形態例を示す図である。スリーブ構造を示す図である。本発明の溶融金属めっき装置の実施形態例を示す図である。溶融金属めっき装置におけるロールの配置例を示す図である。計算機シミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

５溶融金属
１０軸部
１１胴部
１２内空部
１３軸部の外周面
２０軸受け
２１軸受けの内周面
１００サポートロール
２００溶融金属めっき装置

Claims

無駆動の鋼製サポートロールを複数備えた溶融金属めっき装置であって、
複数の前記鋼製サポートロールは、中空胴部と軸部とを具備し、
前記中空胴部の外径をＤ１、前記軸部の外径をＤ２とするとき、下記（２）式が成立し、
上下に隣接する２つの前記鋼製サポートロールの軸間距離が２００〜３００ｍｍであることを特徴とする溶融金属めっき装置。
０．１５×Ｄ１≦Ｄ２≦０．３×Ｄ１（２）
さらに、前記鋼製サポートロールの前記軸部を支える軸受けを具備し、
前記軸部と前記軸受けとのクリアランスは、常温状態において、２〜５ｍｍ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装置。
前記軸受けの内周面に耐磨耗処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の溶融金属めっき装置。
無駆動の鋼製サポートロールを複数備えた溶融金属めっき装置を使用する溶融めっき鋼板の製造方法であって、
前記鋼製サポートロールは、中空胴部と軸部とを具備し、
前記中空胴部の外径をＤ１、前記軸部の外径をＤ２とするとき、下記（２）式が成立し、
上下に隣接する２つの前記鋼製サポートロールの軸間距離が２００〜３００ｍｍであることを特徴とする溶融めっき鋼板の製造方法。
０．１５×Ｄ１≦Ｄ２≦０．３×Ｄ１（２）