JP4912831B2 - 合金化溶融亜鉛めっき装置および合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の合金化溶融亜鉛めっき装置および合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法に関するものである。

鋼板に合金化溶融亜鉛めっきを施す場合、通常、鋼板表面を脱脂及び清浄化し、焼鈍炉にて鋼板の焼鈍及び鋼板表面の水素還元による活性化を行った上、所定温度まで冷却した後、まずは溶融亜鉛めっき浴に浸漬し亜鉛めっきを施す。しかる後、亜鉛めっき済みの鋼板を合金化設備に導き再加熱することで、亜鉛めっき層と鋼板を合金化させる方法で行う。この方法では、合金化設備で著しく生産性が低下する問題や形成される合金めっき層の品質不良の問題を未然に防止するため、溶融亜鉛めっき浴の組成、具体的には浴中Ａｌ濃度が適正レベルに維持されるのが通常である。

合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造に適した浴中Ａｌ濃度は、一般的に０．１１〜０．１４質量％が適正であるとされるが、このＡｌ濃度ではめっき浴中にボトムドロスと称される亜鉛−鉄金属間化合物が生成する。ボトムドロスは、比重が亜鉛めっき浴の比重よりも僅かに大きいため、沈静時は、めっき浴底部に沈降、堆積するが、めっき操業時は、浴中での鋼板の進行、浴中ロールの回転等によりめっき浴が攪拌状態となり、ボトムドロスが浴中に浮遊する。この浮遊したボトムドロスが鋼板に付着すると、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の品質を著しく低下させる欠陥となる。従って、高品位の合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造に際しては、ボトムドロスの鋼板への付着を回避する必要がある。

この問題に対して、特許文献１、特許文献２では、亜鉛めっき浴に堆積したボトムドロスをポンプ等にて系外へ除去する方法に関する発明が開示されている。
また、特許文献３では、亜鉛めっき浴の一部にボトムドロスをトップドロス化させる反応槽を設けることでボトムドロスを除去する方法に関する発明が開示されている。
また、特許文献４では、亜鉛めっき浴内に緩衝体および整流板を設置し、亜鉛めっき浴中の流動を制御することでボトムドロスの鋼板への付着を防止する方法に関する発明が開示されている。
更に、特許文献５では、溶融めっき浴中の浴流速を計測し、浴流速が一定値を超えないように鋼板の走行速度、浴加熱装置の出力を調整することで、ボトムドロスの鋼板への付着を防止する方法に関する発明が開示されている。

特開平０７−１５０３１７号公報 特開平０９−１４３６５６号公報 特開平０７−０６２５０８号公報 特開平０７−０９７６６９号公報 特開平０９−１７００５７号公報

しかしながら、これらの従来技術にはそれぞれ以下のような問題がある。
特許文献１、特許文献２に記載の発明では、ボトムドロスが一定量以上堆積しないと効果的にボトムドロスを除去できないため、浴内流動性が高まる操業条件、例えば、高速操業時等ではボトムドロスの浮遊と鋼板への付着を阻止し得ないという問題がある。さらに、ボトムドロスは温度低下に依って固化するため、吸引ポンプや配管の閉塞を生じさせ易いという設備上の問題もある。

特許文献３に記載の発明では、ポット底部に堆積したボトムドロス自身にて低Ａｌ濃度のめっき部と高Ａｌ濃度の反応槽部に仕切る状態を維持する必要があるが、生成と反応により消滅するボトムドロスの堆積量を適正レベルに維持するのは現実的に不可能である。即ち、ボトムドロス堆積量が多すぎるとボトムドロスの浮遊と鋼板への付着が避けられず、一方、少なすぎるとシール機能が達成されずめっき部の浴中Ａｌ濃度の上昇を招くという問題がある。

特許文献４に記載の発明では、浴内流動を緩衝体および整流板で制御し、浮遊ボトムドロスの鋼板への付着を防止する発明であるが、浴内流動状況は操業条件、例えば、板幅、めっき速度等によって大きく変化するため、特に、幅広材の高速めっき時には効果が発揮されないという問題がある。

特許文献５に記載の発明では、ボトムドロスの鋼板への付着は防止できるが、そのためにめっき速度の低速化が避けられず、生産性が大きく阻害されるという問題がある。

また、一般に、ボトムドロスの巻上げや鋼板への付着は、めっきポットを大型化すれば、浴内流動が抑制されることから、結果として軽減できることが広く知られている。しかしながら、めっきポットのどの部分の寸法を大きくすればボトムドロスの付着抑制に有効であるか定量的知見が存在しない上、ポットの大型化には初期コストの大幅な上昇や莫大な改造コストを伴うため、採用は見送られてきた状況にある。

そこで、本発明は、ボトムドロスがある程度堆積しても、操業条件に拘わらずボトムドロスの鋼板への付着を回避することのできる、合金化溶融亜鉛めっき装置およびそれを用いた合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の特徴を有する。
（１）最大板幅の鋼板をめっきする際の最大めっき速度がＶｓ（ｍ／ｍｉｎ）に設定された合金化溶融亜鉛めっき装置であって、ポットロール下端からめっきポット底部までの距離をＬ１（ｍ）、前記最大板幅の鋼板を処理する際の鋼板端部から近接のめっきポット横側壁までの距離をＬ２ｓ（ｍ）、浴立ち上がりパスラインからめっきポットの鋼板入側側壁までの距離をＬ３（ｍ）とするとき、Ｌ１、Ｌ２ｓ、Ｌ３が、
（Ｖｓ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２ｓ−０．５）×Ｌ３｝＜１．５
且つ、Ｌ１≧０．５、Ｌ２ｓ≧０．５
を満足するように設定されていることを特徴とする合金化溶融亜鉛めっき装置。

（２）ポットロール下端からめっきポット底部までの距離がＬ１（ｍ）であり、鋼板端部から近接のめっきポット横側壁までの距離がＬ２（ｍ）であり、浴立ち上がりパスラインからめっきポットの鋼板入側側壁までの距離がＬ３（ｍ）であるめっきポットを有する合金化溶融亜鉛めっき装置を用いた合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法であって、Ｌ１≧０．５、Ｌ２≧０．５とし、且つ、めっき速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）とするとき、鋼板の板幅に応じて、
（Ｖ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２−０．５）×Ｌ３｝＜１．５
を満足するめっき速度でめっきを行うことを特徴とする合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

本発明によれば、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造において、設備を必要以上に大型化することなく、かつ、種々の操業条件においてもめっき速度を低速化することなく、ボトムドロスの鋼板への付着を大幅に抑制でき、高品位の合金化溶融亜鉛めっき鋼板を高い生産性で製造することが可能である。

合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際、前述のようにボトムドロスが生成するが、ボトムドロスは浴内流動に依ってめっき浴中に浮遊する。従って、ボトムドロスの鋼板への付着防止を図るためには、浴内流動を仔細に調査する必要がある。
そこで、本発明者らは、汎用の流動シミュレーターを用い浴内流動を検討した。その結果、図１に示すように、めっき浴８中の浴内流動は、主に以下の二つの流れによって生じていることを見出した。

一つは、浴立ち上がりパスライン上における鋼板７の走行に依って発生した随伴流が、サポートロール３下部からめっきポット１の鋼板出側側壁に向かった後、鋼板出側側壁に沿って下降する流れ（以下、流れＡという。）である。この流れは、鋼板の随伴流がサポートロールに進行を阻まれるために発生する。もう一つは、ポットロールに至る鋼板の走行に依って発生した鋼板上側の随伴流が、鋼板７とポットロール２との接点からめっきポットの両サイドに向かった後、両横側壁からポットロール下部に下降する流れ（以下、流れＢという。）である。この流れは、鋼板の随伴流がポットロールに進行を阻まれるために発生する。めっきポット底部では、これらＡ、Ｂの流れが合体し、めっきポットの鋼板入側側壁に向かう流れとなり、流動性が高い場合、鋼板入側側壁に沿って反転上昇する流れ（以下、流れＣという。）となる。

これらの流動の様子から、ボトムドロスの鋼板への付着には、ＡおよびＢの流れが、ボトムドロスが堆積しているめっきポット低部に達したときの流れの強さ、ボトムドロスを巻き込みながらめっきポット上部へ反転上昇するＣの流れの強さが大きく影響することが推測される。更に、これらの流れの強さには、めっきポット寸法、即ち、めっきポットの深さ、幅、長さが大きく影響すると推察できる。

そこで、本発明者らは、前述の汎用の流動シミュレーターを用いめっきポット底部に堆積したボトムドロスの浮上挙動を種々のめっきポット寸法、種々の操業条件にて解析した。その結果、ボトムドロスが鋼板に付着し易い指標として、次式が妥当であることを見出した。

Ｄ＝（Ｖ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２−０．５）×Ｌ３｝
・・・・・・ （式１）
ここに、Ｄ：ボトムドロス付着指標、Ｌ１：ポットロール下端からめっきポット底部までの距離（ｍ）、Ｌ２：鋼板の端部から近接のめっきポット横側壁までの距離（ｍ）、Ｌ３：浴立ち上がりパスラインからめっきポット鋼板入側側壁までの距離（ｍ）、Ｖ：めっき速度（ｍ／ｍｉｎ）

ボトムドロス付着指標は、汎用の流動シミュレーターにて、めっきポット底面に堆積したボトムドロスが、浴内流動によって巻上げられ浴中を浮遊した後、鋼板近傍に接近する個数割合で評価している。

図１、２に、（式１）に用いた距離変数Ｌ１〜Ｌ３を示すとともに、図２にその値の一例を示す。
なお、ポットロール下端からめっきポット底部までの距離Ｌ１については、実際のめっきポット底部が、単純平面ではなく曲面仕上げとなっていたり、傾斜が付いている場合があることを考慮し、ここでは、ポットロール直下をめっきポット底部として定義することとする。
また、Ｌ２は、（ポット横側壁間距離Ｐ−鋼板幅Ｗ）／２より求めることとする。

ポットロール下端からめっきポット底部までの距離（Ｌ１）は、長くなればなる程、流れＡおよび流れＢのめっきポット底での流速は小さくなり、結果としてボトムドロスの巻上げ、付着頻度は小さくなる。解析の結果、Ｌ１が０．５ｍ未満となるとめっきポット底部の流れＡ、流れＢが強くなりすぎボトムドロスの鋼板付着が確実な状況となるため、Ｌ１から０．５ｍを減じた値で詳細評価したところ、ボトムドロス付着指標はこの値の逆数にほぼ比例することを見出した。

また、鋼板の一方の端部から近接のめっきポット横側壁までの距離（Ｌ２）は、長くなればなるほど、流れＢのめっきポット底部での流速は小さくなり、結果としてボトムドロスの巻上げ、付着頻度は小さくなる。解析の結果、Ｌ２が０．５ｍ未満となるとめきポット底部の流れ（流れＢ）が強くなりすぎボトムドロスの鋼板付着が確実な状況となるため、Ｌ２から０．５ｍを減じた値で詳細評価したところ、ボトムドロス付着指標はこの値の逆数にほぼ比例することを見出した。

更に、浴立ち上がりパスラインからめっきポットの鋼板入側側壁までの距離（Ｌ３）は、長くなればなる程、流れＣの流速が小さくなり、結果としてボトムドロスの浮遊、鋼板付着頻度は小さくなる。詳細評価したところ、ボトムドロス付着指標はＬ３の逆数にほぼ比例することを見出した。

一方、めっき速度に関しては、めっき速度（Ｖ）が速くなればなる程、浴内流動は盛んになるが、７０ｍ／ｍｉｎ以下ではＬ１、Ｌ２が０．５ｍ以上であれば殆どボトムドロスの巻上げが生じない。そこで、めっき速度から７０ｍ／ｍｉｎを減じた値で詳細評価したところ、ボトムドロス付着指標は、この値の０．６７乗にほぼ比例することを見出した。
以上の結果、ボトムドロス付着指標（Ｄ）は、定数項として１／１３を乗じた上記の（式１）が妥当であることを見出した。

次に、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造において、実質的にボトムドロスの付着疵が発生しないボトムドロス付着指標の検討をおこなった。実際の合金化溶融亜鉛めっきラインにおいて、種々の操業条件にてめっきを行い、出来上がった製品検査ラインにて目視検査を行うことで、製品１００ｍ当たりの平均ボトムドロス付着個数を調査した。その結果、ボトムドロス付着指標が１．５未満であれば実質的にボトムドロスの付着が回避できることを見出した。

以上のことから、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造において、実質的にボトムドロスの付着疵が発生しないめっき装置の条件として、めっき速度Ｖと前述のＬ１〜Ｌ３の距離の間の関係が、ボトムドロス付着指標Ｄ＜１．５を満たすように設定されていることが必要であることがわかった。また、Ｌ１〜Ｌ３がそのように設定されためっき装置あるいは既存のめっき装置を用いて合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合、鋼板の板幅に応じて、ボトムドロス付着指標Ｄ＜１．５を満たすようなめっき速度でめっきするのがよいことがわかった。

すなわち、最大板幅の鋼板をめっきする際の最大めっき速度がＶｓ（ｍ／ｍｉｎ）に設定された合金化溶融亜鉛めっき装置を新たに設計する時は、前記最大板幅の鋼板の一方の端部から近接のめっきポット横側壁までの距離をＬ２ｓ（ｍ）として、
Ｄ＝（Ｖｓ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２ｓ−０．５）×Ｌ３｝
とするとき、前述のように、
Ｄ＜１．５
を満足するようにＬ１、Ｌ２ｓ、Ｌ３を設定する。

このようにすれば、設定された最大板幅の鋼板を予定した最大めっき速度でめっきしても、ボトムドロスの付着を回避してめっきすることができる。このため、ポットを必要以上に大きくすることなく、予定した最大めっき速度でめっきすることができる合金化溶融亜鉛めっき装置を構築することができる。

また、上記のように設計されためっき装置を用いて、最大板幅の以下の鋼板をめっきする場合、鋼板の板幅に応じて変化するＬ２を用いて、下式
Ｄ＝（Ｖ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２−０．５）×Ｌ３｝
より、Ｄ＜１．５を満たすより速いめっき速度Ｖを求め、その速度でめっきする。
このようにすれば、鋼板の板幅に応じて、最大板幅の鋼板に対して設定された前記最大めっき速度よりも速い速度で、ドロスの付着なくめっきすることができる。

さらに既存の合金化溶融亜鉛めっき装置を用いて鋼板にめっきする場合も、同様に、鋼板板幅毎にＤ＜１．５を満たすより速いめっき速度Ｖを求め、その速度でめっきする。
このようにすれば、鋼板の板幅に応じて、より速い速度でドロスの付着なくめっきすることができる。

本発明は、Ｄがより１．５に近い値になるように、より小さい値の距離Ｌ１〜Ｌ３やより速いめっき速度Ｖを選択するものである。
Ｄが小さくなるにつれて、距離Ｌ１〜Ｌ３が大きくなる（すなわち、ポットが大型化する）か、あるいはめっき速度Ｖが低速化するため、操業コストが増加する。

以下、本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではなく、本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

図２に、本発明の合金化溶融亜鉛めっき装置の一つの実施形態の概要を示す。本実施形態では、合金化溶融亜鉛めっき装置は、主として、めっきポット１、ポットロール２、サポートロール３、スナウト４、ワイピング装置５及び合金化装置６から構成されている。
この装置のポットロール下端からめっきポット底面までの距離（Ｌ１）は１．４ｍ、最大板幅は１．９ｍで設計されていることから最大板幅の鋼板端部から近接のめっきポット横側壁までの距離（Ｌ２ｍ）は０．９ｍ、浴立ち上がりパスからめっきポットの鋼板出側側壁までの距離（Ｌ３）は３．０ｍである。
この合金化溶融亜鉛めっき装置にて最大板幅（１．９ｍ）の材料を１５０ｍ／ｍｉｎでめっきした。この場合、ボトムドロス付着指標（Ｄ）は１．３４となるが、実質的にボトムドロス疵の発生はなかった。

次に、複数の合金化溶融亜鉛めっき装置を用いて、複数のめっき速度で合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造した例について述べる。
実験には、表１に示す合金化溶融亜鉛めっき装置および操業条件にてめっきを行い、検査ラインにて目視検査を行い、鋼板長さ１００ｍ当たりの平均ボトムドロス付着個数を調査した。
得られた結果は表１に示した通りであり、ボトムドロス付着指標（Ｄ）が１．５未満の条件ではボトムドロス疵は発見できず、外観の良好な合金化溶融亜鉛めっき鋼板が得られた。
以上の結果より、ボトムドロス付着指標（Ｄ）を１．５未満にしてめっきすることの有効性が、複数の装置により確認された。

溶融亜鉛めっき浴内流動の主要な流れを模式的に示す図であり、（ａ）はライン長手方向縦断面図、（ｂ）はライン長手方向に垂直な断面図である。 本発明の溶融めっき装置の一実施例を模式的に示す図であり、（ａ）はライン長手方向縦断面図、（ｂ）はライン長手方向に垂直な断面図である。

符号の説明

１ めっきポット
２ ポットロール
３ サポートロール
４ スナウト
５ ワイピング装置
６ 合金化装置
７ 鋼板
８ めっき浴

Claims (2)

1. 最大板幅の鋼板をめっきする際の最大めっき速度がＶｓ（ｍ／ｍｉｎ）に設定された合金化溶融亜鉛めっき装置であって、ポットロール下端からめっきポット底部までの距離をＬ１（ｍ）、前記最大板幅の鋼板を処理する際の鋼板端部から近接のめっきポット横側壁までの距離をＬ２ｓ（ｍ）、浴立ち上がりパスラインからめっきポットの鋼板入側側壁までの距離をＬ３（ｍ）とするとき、Ｌ１、Ｌ２ｓ、Ｌ３が、
   （Ｖｓ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２ｓ−０．５）×Ｌ３｝＜１．５
   且つ、Ｌ１≧０．５、Ｌ２ｓ≧０．５
   を満足するように設定されていることを特徴とする合金化溶融亜鉛めっき装置。
2. ポットロール下端からめっきポット底部までの距離がＬ１（ｍ）であり、鋼板端部から近接のめっきポット横側壁までの距離がＬ２（ｍ）であり、浴立ち上がりパスラインからめっきポットの鋼板入側側壁までの距離がＬ３（ｍ）であるめっきポットを有する合金化溶融亜鉛めっき装置を用いた合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法であって、Ｌ１≧０．５、Ｌ２≧０．５とし、且つ、めっき速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）とするとき、鋼板の板幅に応じて、
   （Ｖ−７０）^0.67／｛１３×（Ｌ１−０．５）×（Ｌ２−０．５）×Ｌ３｝＜１．５
   を満足するめっき速度でめっきを行うことを特徴とする合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

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