JP4835073B2 - 溶融金属めっき鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、さざ波と呼ばれる表面欠陥を防止し、外観に優れる溶融金属めっき鋼帯の製造方法に関する。

近年、鋼帯の強度、加工性、耐食性に優れた表面処理鋼帯として、溶融亜鉛めっき鋼帯、溶融亜鉛−アルミ合金めっき鋼帯、溶融アルミめっき鋼帯等の溶融めっき鋼帯が自動車、電気用品、事務用品、建築等の用途に幅広く使用され、その需要が急増している。

一般に、溶融めっき鋼帯は連続溶融めっきラインで製造される。例えば、図１の連続溶融めっき装置を用いて溶融亜鉛めっき鋼帯を製造する場合、鋼帯１は、連続炉２で加熱焼鈍されて、表面を清浄、活性化され、機械的性質が調整された後、めっき浴への侵入に適した温度に調整され、スナウト３を経てめっき浴槽４内の亜鉛浴５中に浸漬され、亜鉛浴５中のシンクロールと呼ばれるパス周回ロール６により進行方向が変えられ、サポートロール７を介して上方に引上げられる。めっき浴槽４から引上げられる鋼帯への亜鉛付着量は、めっき浴槽４からの鋼帯１引上げ速度に比例して多くなるので、めっき浴槽４上方に配置されたワイピングノズル８から噴射するワイピングガスによって亜鉛付着量を所要の付着量に調整したのち、トップロール９を経由して常温まで冷却される。

上記ワイピングノズル８のワイピングガスとして、従来、エア、窒素ガス等の常温圧縮ガスが多く使用されているが、時としてさざ波模様のような品質欠陥が発生する。この品質欠陥は、めっきの付着量ムラに起因しており、さざ波模様を防止する種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、メッキ浴の顕熱を利用して加熱したワイピングガスを用いて、さざ波模様を防止する方法が開示されている。

また、特許文献２などには、ワイピングガスに不活性ガスを使用して亜鉛の酸化を抑えることで、さざ波欠陥を防止する方法が開示されている。

また、特許文献３などには、ラインスピードやノズル−鋼板距離などの操業条件を最適化して鋼板のバタツキを低減することで、前述の欠陥を抑制する方法が開示されている。

さらに、特許文献４には、めっき面にさざ波欠陥が存在しているめっき鋼帯に対して調質圧延を施し、調質圧延条件を最適化することでさざ波欠陥を消滅させる方法が開示されている。
特開平６−１１６６９８号公報 特開平２−１９７５５２号公報 特開平１１−２３６６５８号公報 特開２００２−６０９１７号公報

しかし、特許文献１に開示される方法では、さざ波模様の発生を防止する効果も限定されたものであり、満足できるレベルではなかった。また特許文献２、３に開示される方法でも、さざ波模様の発生を防止する効果は満足できるレベルではなかった。そのため、これらの方法では、さざ波をある程度改善することは可能であったが、例えば自動車用途に使用できるような優れた表面外観は得られなかった。

また、特許文献４は、本質的にめっき鋼板のさざ波模様そのものの発生を防止する技術ではなく、また調質圧延を行わないとさざ波欠陥を解消できないという問題があった。

本発明の課題は、さざ波欠陥の発生を防止し、表面外観に優れる溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法を提供することである。

上記課題を解決する本発明の手段は次のとおりである。

（１）鋼帯を、溶融金属めっき浴槽内のめっき浴に連続的に浸漬してめっきを行ったのちめっき浴から引上げ、めっき浴上方に設置したワイピングノズルからめっき鋼帯にワイピングガスを吹付けてめっき金属付着量を調整する溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、ワイピングノズルの上方２００ｍｍ超、１８００ｍｍ以下の位置に補助ノズルを設け、該補助ノズルから鋼帯全巾に気体を吹付けてワイピングガスの上昇流に対するカウンター流を供給し、補助ノズルからのガス吹き付け部より上方の気体上昇流の流速を低下させることを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法（第１発明）。

（２）補助ノズルから鋼帯全幅にガスを吹き付けて、ワイピングノズル上方５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び１５００ｍｍの位置の気体上昇流の平均流速を２２ｍ／ｓ以下にすることを特徴とする（１）に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法（第２発明）。

（３）補助ノズルのスリットギャップをＢ、吹き付け圧力をＰ、またワイピングノズルのスリットギャップをＢ０、吹き付け圧力をＰ０、ワイピングノズルのスリットギャップＢ０と補助ノズルのスリットギャップＢの比、Ｂ０／ＢをＲｄとしたときに、Ｒｄ≦２／３及びＰ≦０．２ｋｇｆ／ｃｍ^２で、かつＰ／Ｐ０が下式を満足することを特徴とする（１）または（２）に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法（第３発明）。
Ｒｄ／６≦Ｐ／Ｐ０≦Ｒｄ
（４）補助ノズルの気体吹き付け方向は水平方向下向き角度が３０°以上、８０°以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法（第４発明）。

本発明によれば、ガスワイピング後におけるさざ波模様の成長を抑制することで、従来法に比べてさざ波欠陥の発生を顕著に抑制でき、もって表面外観に優れた溶融金属めっき鋼帯を製造できる。

以下、本発明に至った経緯とともに本発明について説明する。なお、本明細書では、さざ波模様のような品質欠陥を、単に「さざ波」または「さざ波欠陥」とも記載する。

本発明者らは、まず高速カメラを用いて、さざ波模様の発生箇所とその程度を調査した。その結果、さざ波模様は、ワイピング直後は比較的小さいが、ワイピング部から離れるにつれて目立つようになること、すなわち、ワイピング部から離れるにつれてさざ波欠陥が成長することが分かった。特許文献１〜３は、ワイピング部またはその直後でさざ波模様がほとんど生成してしまうものとしてその対策を講じているが、前述の知見から、特許文献１〜３の対策があまり的を射た対策でないことが分かった。

さらに検討を重ねた結果、溶融状態にあるめっき皮膜表面上の気体の流速の大小でさざ波模様の成長程度が異なることが分かった。これはベルヌーイの定理で表される流体の不安定性に起因すると考えられる。

図２は、さざ波の成長メカニズムを説明するめっき皮膜表面近傍部分の気体の流れを説明する断面模式図である。さざ波は、付着量ムラに起因する凹凸状の欠陥であり、さざ波部分のめっき皮膜には凹凸が存在する。程度がひどいさざ波は、軽微なさざ波に比べて凹凸差が大きい。

めっき浴槽から引上げられ、ワイピングノズルからガスを吹付け、付着量調整された鋼帯のめっき面にはワイピングガスのガス圧変動や板振動、噴流自体の乱れ等に起因して軽微なさざ波模様が生成する、すなわち、図２に示すように、めっき皮膜に付着量ムラに起因する凹凸がある。鋼帯に衝突したワイピングガスの一部は、ワイピングノズル上方を移動する鋼帯面に沿って上昇する。この上昇流は、めっき皮膜の凹凸の山部では流速が増加して圧力が減少し、一方谷部では流速が減少して圧力が増加する。ワイピングノズル上方ではめっき皮膜が溶融状態にあるため、圧力が減少する山部はより高く、一方圧力が増加する谷部はより深くなる。ワイピング直後比較的小さい凹凸であってもワイピング部から離れるとより大きな凹凸に成長する。気体の流速が大きい領域では、この凹凸の成長がより顕著になり、したがって、さざ波の程度がよりひどくなる。ワイピングガスの上昇流は、めっき皮膜が溶融状態にある領域で凹凸の成長に十分な流速を有するため、さざ波の発生は避けられないことになる。したがって、不活性ガスや加熱ガスを用いる従来技術の方法は、決定的な対策にならないことは容易に推定できる。

さざ波の成長を鋭意検討した結果、溶融亜鉛の場合、ワイピングガスの上昇流の流速が速い領域が長いとさざ波の成長が顕著であり、ワイピングノズルの上方に補助ノズルを設けてワイピングガスの上昇流に対するカウンター流を供給してワイピングガスの上昇流の流速を低下させ、さざ波が成長する領域の長さを短くすることでさざ波の成長を抑制できることが明らかになった。この知見に基き、本発明に至った。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明は溶融亜鉛めっきを念頭において説明する。
図３は本発明の実施に使用する連続溶融めっき装置のめっき浴槽の上方に設置されるめっき付着量を調整するワイピングノズル（主ノズル）とワイピングガスの上昇流に対するカウンター流を供給する補助ノズルの配置を説明する模式図である。図３において、１１は鋼帯（めっき鋼帯）、１２はワイピングノズル（主ノズル）、１３は補助ノズルである。図３では鋼帯１１の一方の側にのみワイピングノズル１２と補助ノズル１３が配置されているが、通常の連続溶融めっき装置では、ワイピングノズル１２及び補助ノズル１３は鋼帯１１の両側に配置される。

本実施の形態では、ワイピングノズル１２の上方に補助ノズル１３を配置し、該補助ノズル１３から鋼帯全巾にわたり気体を吹きつける。気体の一部は鋼帯に衝突後、ワイピングガスの上昇流に対するカウンター流となり、鋼帯面に沿って上昇する上昇流の流速を減少させ、さざ波の成長を抑制する。従来技術は、ワイピング後にさざ波の成長を抑制することを全く考慮していないため、ワイピングノズル１２上方でさざ波が成長するため、さざ波を防止する上であまり芳しい結果が得られなかった。

本装置では、めっき浴（図示なし）上方に設置したワイピングノズル１２でめっき浴（図示なし）から引き上げられた鋼帯のめっき付着量を所要付着量に調整する。ワイピングノズルから吹付けるワイピングガスのガス種は特に限定されない。ワイピングガスは鋼帯面に衝突後その一部が鋼帯面に沿って上昇する上昇流となる。この上昇流の流速を低下させるために、ワイピングノズル１２の上方に配置された補助ノズル１３から鋼帯全巾にわたり気体を吹き付ける。気体の一部は鋼帯に衝突後、ワイピングガスの上昇流に対するカウンター流となり、鋼帯面に沿って上昇する上昇流の流速を減少させる。

本発明では、補助ノズル１３の鋼帯面への気体吹き付け位置（ノズル先端を延長した鋼板上での位置）と、ワイピングノズル１２の鋼帯面への気体吹き付け位置（ノズル先端を延長した鋼板上での位置）との間隔（図３のＬ）は２００ｍｍ超、１８００ｍｍ以下とする。さざ波の成長を抑制する点からは、ワイピングノズル１２と補助ノズル１３の間隔を小さくして、鋼帯面に沿って上昇するワイピングガスの上昇流の流速が速い領域を短くすることが有利であるが、間隔Ｌが２００ｍｍ以下になると、補助ノズル１３からの気体がワイピングノズル１２によるワイピングに影響を与え、スプラッシュ等が発生しやすくなる。間隔Ｌの上限は、厳密には鋼帯通板速度により異なり、低速では小さい値をとり、高速では大きな値でも良いことになる。ただし、実際にさざ波が問題になるのは鋼帯通板速度が１５０ｍｐｍ以下の比較的低速時であり、この条件下では、１８００ｍｍ以下にしないとさざ波が大きく成長してしまうためである。スプラッシュ発生およびさざ波を防止する観点から、間隔Ｌは、２５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下がより好ましい。

前記したように、溶融亜鉛に対して、補助ノズル１３から気体を鋼板に吹き付けて、ワイピングガスの鋼板面に沿って上昇する上昇流の流速を低下させることで、さざ波の成長を抑制することができる。本発明者らの調査結果から、主ノズル上方５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び１５００ｍｍの各位置の上昇流の流速（各ｖ１、ｖ２、ｖ３）の平均値（算術平均、（ｖ１＋ｖ２＋ｖ３）／３））が２２ｍ／ｓ以下になるようにすると、さざ波を防止する効果が優れ、この流速が１５ｍ／ｓ以下になるようにすると、さざ波を防止する効果がさらに優れることがわかった。これは、鋼帯面に沿って上昇する気体の流速が前述の速度以下では溶融状態にある亜鉛めっき層の凹凸は減衰し、一方前述の速度超では逆に凹凸が大きくなるためである。なお、各位置における上昇流の流速とは、図４に示す鋼板の板面付近の流速分布曲線の最大流速Ｖｍａｘであり、熱線風速計等で測定できる。

補助ノズル１３によってさざ波の成長を効果的に防止し、また補助ノズル１３がワイピングノズル１２のワイピング性に影響を及ぼすことを防止するには、補助ノズル１３のスリットギャップをＢ、吹き付け圧力をＰ、またワイピングノズル１２のスリットギャップをＢ０、吹き付け圧力をＰ０、ワイピングノズル１２のスリットギャップＢ０と補助ノズル１３のスリットギャップＢの比、Ｂ０／ＢをＲｄとしたときに、Ｒｄ≦２／３及びＰ≦０．２ｋｇｆ／ｃｍ^２で、かつＰ／Ｐ０は、下式を満足することが好ましい。
Ｒｄ／６≦Ｐ／Ｐ０≦Ｒｄ
このように限定するのは、補助ノズル１３によるワイピング力がワイピングノズル１２のワイピング力より大きくならないようにし、かつ補助ノズル１３によってワイピングノズル１２の上昇流に対向しうる気体の流れを生成するためである。すなわち、ワイピング力は、圧力にもっとも大きく影響されるので、補助ノズル１３の圧力Ｐは小さい方が好ましい。ワイピングに影響を与えない補助ノズル１３の圧力は、スリットギャップＢにより変化するが、補助ノズル１３の圧力Ｐが０．２ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えると０．５ｍｍ以上のスリットギャップＢでは、ワイピングに影響を与えるようになる。補助ノズル１３の圧力Ｐを小さくしても、補助ノズル１３によってワイピングノズル１２の上昇流に対向しうる十分な流れを生成させる必要がある。そのためには、補助ノズル１３のスリットギャップＢをワイピングノズル１２のスリットギャップＢ０の１．５倍以上、すなわちＲｄを２／３以下にすることが好ましい。Ｒｄが２／３超になると、補助ノズル１３によってワイピングノズル１２の上昇流に対向しうる十分な流れを生成させることができなくなるおそれがある。

補助ノズル１３の圧力Ｐのワイピングノズル１２の圧力Ｐ０に対する比Ｐ／Ｐ０は小さい方が良いが、あまり小さすぎると、ワイピングノズル１２による上昇流をせき止めることができなくなる。ワイピングノズル１２による上昇流をせき止め、本発明で意図する効果を発現するには、Ｐ／Ｐ０をＲｄ／６以上にすることが好ましい。この値は、さまざまなスリットギャップ比のノズルで実験を行い、導き出された。一方、Ｐ／Ｐ０がＲｄより大きくなると、補助ノズル１３から吹き付けられる気体流量が大きくなりすぎて、ワイピングノズル１２によるワイピングへの影響が避けられなくなり、スプラッシュ等が発生しやすくなる。したがって、Ｐ／Ｐ０はＲｄを超えないことが好ましい。

さらに、本発明では、補助ノズル１３からの気体の吹き付け方向（図３の角度θ）は、水平下向きに３０°以上８０°以下とすることが好ましい。気体の吹き付け方向が前記範囲内にあるとワイピングノズル１２による上昇流をより効率的に防止することができる。吹き付け角度θが３０°未満になると補助ノズル１３で発生する上昇流の影響が大きくなり、さざ波が成長しやすくなる。吹付け角度θが８０°を超えると、鋼帯への衝突圧力が小さくなり、ワイピングノズル１２の上昇流を抑制することが困難となる。吹付け角度θは、４５°以上８０°以下がより好ましい。

本発明によれば、ワイピングノズルでワイピング後にさざ波状欠陥の成長を抑制できるので、従来法に比べてさざ波状欠陥の発生を顕著に抑制し、表面外観に優れた溶融金属めっき鋼帯を製造することができる。また、既存設備においても補助ノズルを設置し、補助ノズルから吹付ける気体として、従来からあるエア供給源を利用可能であり、低コストで本発明を実現できる。

図３に示す亜鉛めっき浴槽の上方にワイピングノズル（主ノズル）１２、その上方に補助ノズル１３を設置した連続溶融めっき装置を用いて、厚さ０．７ｍｍ×幅１２００ｍｍの鋼板に溶融亜鉛めっき（浴温度：４６０℃）を行い、ワイピングノズル１２でワイピング後、溶融状態にあるめっき表面に補助ノズル１３から気体を吹付ける試験を行い、めっき層が凝固後のめっき表面のさざ波程度及びスプラッシュ発生の程度を評価した。

なお試験は、ワイピングノズル１２および補助ノズル１３から吹き付けるガスとして常温の加圧空気を使用し、基本条件として、ワイピングノズル１２のギャップＢ０は０．８ｍｍ、鋼板までの距離Ｄ０は１０ｍｍ、ワイピングノズル１２の圧力Ｐ０は０．４６ｋｇｆ／ｃｍ^２、浴面とワイピングノズルの間隔は４００ｍｍ、補助ノズル１３の鋼板までの距離Ｄ１は５０ｍｍ、鋼板走行速度は１２０ｍｐｍ、付着量は７０ｇ／ｍ^２で一定とし、補助ノズル１３の条件を種々変更した。また、ワイピングノズル上方５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び１５００ｍｍの位置で、鋼板面に沿って上昇する上昇流の流速を熱線風速計で測定し、さらにその流速の平均値（算術平均値）を求めた。

さざ波の程度は、粗さ計でめっき鋼板の表面粗さを鋼板通板方向に長さ５０ｍｍ測定し、その測定値から鋼板自体のうねり成分を差し引くことで、めっき皮膜自体の付着量差を求め、その差を厚さに換算して次のように評価した。評価×は建材用途等の一般用途のみに適用可能な外観品質、△は自動車内板に適用可能な外観品質、○は自動車外板に適用可能な外観品質である。
×：１．５μｍ超
△：１．０μｍ超〜１．５μｍ以下
○：１．０μｍ以下
スプラッシュの程度は、製品欠陥率評価とビデオ観察結果に基き、試験Ｎｏ．１（従来例）を基準として次のように評価した。
○：スプラッシュ発生量が従来例と同程度またはそれ以下であったもの
△：スプラッシュ発生量が従来例に比べて若干増加したもの
×：スプラッシュ発生量が従来例に比べて大幅に増加したもの
試験条件、流速の測定結果、さざ波およびスプラッシュの評価結果を表１に記載する。

本発明例は、いずれも、補助ノズルを使用しない試験Ｎｏ．１（従来例）及び補助ノズルを使用しても本発明範囲を外れる各比較例に比べて、めっき皮膜の凹凸量が少なく、さざ波の程度が軽微である。本発明例の内、第４発明範囲内のものは、第４発明範囲外のものに比べて、さざ波の程度がより軽微である。また第３発明範囲内のものは第３発明範囲外のものより、スプラッシュとさざ波の両方をより高度に防止できている。

図５は、補助ノズル使用した場合、補助ノズルを使用しない場合のめっき外観写真の一例を示したものである。左側は補助ノズルを使用しない場合（試験Ｎｏ．１）、右側は補助ノズルを使用した場合（試験Ｎｏ．６）で、外観の濃淡の模様がさざ波である。左側の写真では、濃淡の模様が顕著であり、さざ波が明りょうに認められるのに対して、右側の写真では濃淡の模様が軽微で、さざ波が軽微であることがわかる。

本発明は、さざ波模様の発生を防止し、表面外観に優れる溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法として利用することができる。

従来の連続溶融めっき装置の要部構成例を示す断面図である。 さざ波の成長メカニズムを説明するめっき皮膜表面近傍部分の気体の流れを説明する模式図である。 本発明の実施に使用する連続溶融めっき装置のめっき浴上方に設置するワイピングノズル（主ノズル）と補助ノズルの配置関係を説明する断面図である。 ワイピングガスの上昇流の流速を説明する図である。 補助ノズル使用した場合、使用しない場合のめっき外観の一例を示す図面代用写真で、左側の写真（ａ）は補助ノズルを使用しない場合、右側の写真（ｂ）は補助ノズルを使用した場合である。

符号の説明

１ 鋼帯
２ 連続炉
３ スナウト
４ めっき浴槽
５ 亜鉛浴
６ パス周回ロール（シンクロール）
７ サポートロール
８ ワイピングノズル
９ トップロール
１１ 鋼帯（めっき鋼帯）
１２ ワイピングノズル（主ノズル）
１３ 補助ノズル
２１ めっき鋼板
２２ めっき皮膜

Claims (3)

1. 鋼帯を、溶融金属めっき浴槽内のめっき浴に連続的に浸漬してめっきを行ったのちめっき浴から引上げ、めっき浴上方に設置したワイピングノズルからめっき鋼帯にワイピングガスを吹付けてめっき金属付着量を調整する溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、ワイピングノズルの上方２００ｍｍ超、１８００ｍｍ以下の位置に補助ノズルを設け、該補助ノズルから鋼帯全巾に気体を吹付けてワイピングガスの上昇流に対するカウンター流を供給し、補助ノズルからのガス吹き付け部より上方の気体上昇流の流速を低下させるとともに、補助ノズルのスリットギャップをＢ、吹き付け圧力をＰ、またワイピングノズルのスリットギャップをＢ０、吹き付け圧力をＰ０、ワイピングノズルのスリットギャップＢ０と補助ノズルのスリットギャップＢの比、Ｂ０／ＢをＲｄとしたときに、Ｒｄ≦２／３、Ｐ≦０．２ｋｇｆ／ｃｍ ^２ で、かつＰ／Ｐ０が下式を満足することを特徴とする溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
   Ｒｄ／６≦Ｐ／Ｐ０≦Ｒｄ
2. 補助ノズルから鋼帯全幅にガスを吹き付けて、ワイピングノズル上方５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び１５００ｍｍの位置の気体上昇流の平均流速を２２ｍ／ｓ以下にす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。
3. 補助ノズルの気体吹き付け方向は水平方向下向き角度が３０°以上、８０°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。