JP4990699B2 - 合金化炉設備 - Google Patents

Description

本発明は、溶融亜鉛めっき設備において、めっき直後のストリップを加熱及び保持、冷却して合金化亜鉛めっき鋼板を製造する合金化炉設備（ガルバニール炉）に関するものである。

一般的な合金化炉設備は、加熱帯に引き続いて鋼板を一定温度に保持する保熱帯と、合金化反応を終了させるための冷却帯とを保有している。しかし、鋼板を一定温度に保持するだけでは、プレス性、耐パウダリング性などのめっき性能を最適とする処理条件とはならない場合があるため、従来から様々な合金化処理ヒートパターンの改善が行われている。加えて最近ではＴＲＩＰ鋼（TRansformation Induced Plasticity鋼）などの強度と加工性を併せ持つ特殊な高強度鋼板の製造も増加し、材料特性を発揮しつつ合金化を進める特殊な合金化ヒートパターンのニーズが高まっている。

それらに対応する技術として、例えば特許文献１である特公平７−１１６５８０号公報には、鋼板を一定温度に保持する保熱帯を２以上のゾーンに分割し、必要とすべき保持時間に応じてその一部を保熱、残りを冷却に用いるようにした合金化炉設備が開示されている。しかしこの設備は、通板速度の変化などによる合金化必要時間の変化や保持帯内で温度傾斜をつけたい場合には有効であるが、保持帯での加熱保持手段が保持帯入側からの加熱帯排ガス投入だけであり、保熱帯内では温度一定保持することは見込めない。

また特許文献２である特開昭６０−１５９１５９号公報には、加熱帯の出側に排気手段を設けて加熱帯の高温雰囲気を排気する一方で、保持帯に冷却流体供給手段を設けて冷却ガスを供給することによって、保持帯での冷却を可能とした合金化炉設備が開示されている。しかしこの設備は、加熱帯と保持帯とが一体に形成されており、保熱帯の加熱は加熱帯から自然対流で流入する雰囲気ガスに拠っている。また加熱帯温度は合金化操業条件によって変化することから、必ずしも安定した加熱効果が得られないという欠点がある。さらに冷却においても、保持帯からの排気が保持帯上部に限られるため、鋼板からの伝熱で加温された冷却ガスが保持帯上部に上昇して出口付近の炉温が上昇してしまい、十分な冷却効果が得られないという欠点がある。

また特許文献３である特開平５−１７９４１５号公報には、加熱帯の後方に冷却帯と保熱帯とを並列に設け、それらの選択使用を可能とした合金化炉設備が開示されている。しかしこの設備は、設備の設置に過大な投資が必要であり、またヒートパターンの切り替えに炉設備の移動や切り替えのための時間が必要であるため、生産ロスとなるという欠点がある。
特公平７−１１６５８０号公報 特開昭６０−１５９１５９号公報 特開平５−１７９４１５号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決して、通板時間や加熱板温などの条件に応じて保持帯での板温を広い範囲で制御することができ、しかも過大な設備コストを要しない合金化炉設備を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の合金化炉設備は、溶融亜鉛めっき設備の直後に配置された合金化炉設備において、加熱帯の直後に配置される保持帯に、冷却手段と加熱手段とを併せ持たせ、合金化ヒートパターンに応じて保熱と徐冷との切り替えが可能とし、前記保持帯の長手方向中央より上流側と出口の少なくとも２箇所に、強制排気装置を備えたことを特徴とするものである。

なお請求項２のように、前記保持帯が、その入口から出口までの板温降下代を０℃以上１５０℃以下の範囲で制御可能であることが好ましい。

また請求項３のように、さらに前記保持帯の直後に冷却帯を設置することが好ましい。

また請求項４のように、前記保持帯の加熱手段は、保持帯長手方向に複数設置することが好ましい。

また請求項５のように、加熱手段および／または冷却手段に炉外空気を加熱媒体および／または冷却媒体として用いるとより好ましい。

加えて前記保持帯の加熱手段と冷却手段は、請求項６のように加熱手段内の加熱媒体温度上昇手段の使用／不使用により兼用であればより好ましい。

また請求項７のように、前記保持帯の冷却手段として、ガスジェット冷却、気水冷却、水冷却の１種または２種以上を用いることが好ましい。

また請求項８のように、前記保持帯の加熱手段にとしてさらに、加熱不活性ガス投入、溶融亜鉛めっき前段の高温炉内ガス投入、バーナー加熱、誘導加熱、電気ヒーターのうち１種または２種以上を併設することが好ましい。

本発明の合金化炉設備においては、保持帯に加熱手段と冷却手段とを設け、合金化ヒートパターンに応じて保熱と徐冷の切り替えが可能としたので、通板時間や加熱板温などの条件に応じて保持帯での板温を広い範囲で自由に制御することができる。このため、プレス性、耐パウダリング性などのめっき性能を最適とする合金化処理を行うことができる上に溶融亜鉛めっきＴＲＩＰ鋼の安定生産も可能となる。しかも単一の保持帯を設置すればよいため、過大な設備コストを要しない利点がある。

請求項２の発明のように、保持帯がその入口から出口までの板温降下代を０℃以上１５０℃以下の範囲で制御可能であるようにしておけば、合金化炉設備を用いて製造される各種製品の処理に対応させることができる。

請求項３の発明のように、保持帯の直後に冷却帯を設置すれば、合金化反応を適切に終了させることができる。

請求項４の発明のように、保持帯長手方向に加熱手段を複数設ければ、上記の板温制御をより適切に行うことが可能となり、溶融亜鉛めっきＴＲＩＰ鋼の安定生産に好適となる。

請求項５の発明のように、保持帯での加熱手段、冷却手段に炉外空気を使用すれば、溶融亜鉛めっき表面に溶接性や熱間プレス成形性に好ましい亜鉛の酸化膜も形成され、更なる特性を発揮することになる。

請求項６の発明のように、保持帯の加熱手段と冷却手段は加熱手段内の加熱媒体温度上昇手段の使用／不使用により兼用できるようにしておけば、設備の簡素化を図ることができる。

請求項７の発明のように、保持帯の冷却手段として、ガスジェット冷却、気水冷却、水冷却の１種または２種以上を用いることができるようにすれば、合金化処理の目的に応じた冷却手段の使い分けが可能となる。

請求項８の発明のように、保持帯の加熱手段にとしてさらに、加熱不活性ガス投入、溶融亜鉛めっき前段の高温炉内ガス投入、バーナー加熱、誘導加熱、電気ヒーターのうち１種または２種以上を併設するようにすれば、合金化処理の目的に応じた加熱手段の使い分けが可能となる。

以下に実施形態を参照しつつ、本発明の内容をより詳細に説明する。

本発明の設備構成を説明するに先立ち、鋼板の溶融亜鉛めっき後の合金化処理について説明する。
合金化炉設備においては、亜鉛めっき層中への必要な鉄の拡散を確保し、また亜鉛−鉄合金の相構成を適切に制御する必要がある。まず亜鉛相中の鉄濃度の低い合金化反応初期には、ζ相が発生するが、このζ相は製品表面の摺動性を損ない、プレス加工性を低下させる有害のものである。従ってζ相の発生を抑制するために、合金化反応初期にはζ相が熱力学的に安定でなくなる４９０℃以上の高温に亜鉛めっき鋼板を保持する必要がある。

一方、鉄の拡散が進んだ合金化反応後期においては、Γ相またはΓ１相が成長する。これらの相は脆く硬いため、製品である亜鉛めっき鋼板を加工する際にめっき層が剥離し、パウダリングと呼ばれる欠点を生じさせる原因となる。これらの相の成長を抑制するためには、反応後期の板温を極力低くする必要がある。しかも合金化反応の全体を通じて、鉄の拡散量を確保するに必要なトータル熱量を与えねばならない。

すなわち、適切な合金化亜鉛めっき層を得るには、鉄の拡散量を確保しつつ、合金化前期板温は一定温度よりも高く、合金化後期板温は極力低くするヒートパターンが望ましい。しかしながら、後期板温を下げすぎると合金化反応が進行しなくなり、必要な鉄の拡散が確保できなくなる。このため保持帯での板温降下は、通板時間や加熱板温などの条件に応じて広い範囲で自由に制御できることが好ましく、従来技術の合金化炉設備はこの点に問題があることは前述の通りである。

また、例えば近年実用化が進みつつある亜鉛めっきＴＲＩＰ鋼（TRansformation Induced Plasticity鋼：加工誘起変態による高張力鋼）の製造においては、常温においてもオーステナイト相を残留させておくことが必要である。しかしζ相の発生を抑制するために、合金化反応初期に高温に保持すると鋼中の残留オーステナイトが崩壊して材質が劣化するので、低い板温で合金化処理を行わねばならない。このため、亜鉛めっきＴＲＩＰ鋼の場合には合金化炉設備の加熱帯での合金化温度を下げる一方で保持帯での板温降下を抑制しつつ、低い合金化温度を保持して鉄の拡散量を確保しなければならない。

このような通常の亜鉛めっき鋼板とは異なるヒートパターンは、従来技術の合金化炉設備では、合金化温度を保持させる加熱手段がないか、保持帯内に加熱手段があっても保持帯の前段のみにしか設置されていないなど保持帯での保熱能力が低く、ＴＲＩＰ鋼に要求されるような合金化温度を低めに抑え、かつその後の保持帯での板温降下を抑制しつつ低い合金化温度を一定保持することができない。そこで本発明では、上記したような従来の問題点を克服するために、保持帯に加熱手段と冷却手段とを併せ持ち、合金化ヒートパターンに応じて保熱と徐冷の切り替えが可能とし、さらには保持帯長手方向に加熱手段を複数配置した構成を採用した。

図１はその設備構成を示す一例の概念的な断面図であり、保持帯内の加熱手段は１箇所であるが、保持帯長手方向中心に配置してある。１は加熱帯、２は保持帯、３は冷却帯である。これらの加熱帯１、保持帯２、冷却帯３からなる本発明の合金化炉設備は、溶融亜鉛めっき設備４の直後に配置されている。図示のように加熱帯１、保持帯２、冷却帯３はそれぞれ独立した炉体を持ち、保持帯２は加熱帯１の直後に、また冷却帯３は保持帯２の直後に設置されている。

本実施形態の加熱帯１はインダクションヒータを備えた誘導加熱炉であり、溶融亜鉛めっき設備４から引き上げられた鋼板を５２０〜５５０℃程度に加熱し、その直上の保持帯２に送り込む。

保持帯２は加熱手段と冷却手段とを併せ持つ点に特徴を有するものであり、本実施形態では加熱手段として、外部からの熱風吹き込み手段５及び電気ヒーター６が採用されている。熱風吹き込み手段５はブロワ７と熱風発生装置８とノズル９とを組み合わせたものであり、熱風を保持帯２の内部に吹き込む。また保持帯２の全域にわたり熱風吹き込み手段５とは別の加熱手段として電気ヒーター６が配置されている。また熱風発生装置８をオフとすることにより、熱風吹き込み手段５は外部からの冷風吸気手段としても使用することができ、設備スペース上、設備投資上有効である。もちろん、鋼板への冷風吹き付けブロワを別に設置してもよい。

また熱風吹き込み手段５や、熱風発生装置８をオフとすることによる冷風吸気手段における加熱媒体、冷却媒体に炉外空気を用いることで、空気中の酸素により溶融亜鉛めっき表面が微小に酸化し、溶接性や熱間プレス成形性に好ましい亜鉛の酸化膜が形成される。炉外空気は加熱媒体、冷却媒体の両方またはいずれか一方に用いられても溶融亜鉛めっき表面の亜鉛酸化膜は形成されるので、加熱媒体、冷却媒体の一方が不活性ガスであっても構わない。また熱風吹き込み手段５および熱風発生装置８をオフとすることによる冷風吸気手段は保持帯内に複数設置することも、合金化ヒートパターンが安定制御できるため好ましい。

また保持帯内での通板方向の加熱制御が可能な手段であれば、前記電気ヒーター６の代りに加熱不活性ガス投入、溶融亜鉛めっき前段の高温炉内ガス投入、バーナー加熱、誘導加熱、を用いてもよく、これらの１種または２種以上を併設して加熱しても構わない。

同様に保持帯内での冷却手段も、前記の熱風発生装置８をオフとすることによる冷風吸気手段ではなく、ガスジェット冷却、気水冷却、水冷却の１種または２種以上であっても構わず、前記冷風吸気手段と併設しても構わない。

また図示のように、保持帯２の長手方向中央より上流側と出口付近の少なくとも２箇所に、強制排気装置１０，１１が設置されている。下側の強制排気装置１１は加熱帯１から持ち込まれる熱により温度上昇した内部空気を排気し、上側の強制排気装置１０は温度上昇した内部空気を出口付近で排気することにより、冷却能力を向上させる。

図２に本発明における保持帯の加熱手段が保持帯長手方向に複数設置された場合の設備構成の一例を示す。図１と同様、加熱帯１はインダクションヒータを備えた誘導加熱炉であるが、溶融亜鉛めっき設備４から引き上げられた鋼板を５００℃程度に抑えて加熱し、その直上の保持帯２に送り込む。保持帯２では加熱手段として外部からの熱風吹き込み手段５および５’の２基の加熱手段が設置され、さらに電気ヒーター６が採用されている。保持帯長手方向に加熱手段を複数配置することで、ＴＲＩＰ鋼の低温合金化温度保持が一層安定して制御可能となる。

本発明の合金化炉設備によれば、図３に代表的に示すような合金化ヒートパターンを実行することができる。(１)はプレス性、耐パウダリング性を重視した場合のヒートパターンであり、溶融亜鉛めっき設備４から引き上げられた鋼板を加熱帯１において５５０℃前後に加熱し、保持帯２において５５０℃から４００℃にまで１５０℃の板温降下を行わせる。これにより合金化前期板温を高温にしてζ相の発生を抑制するとともに、合金化後期板温は低くしてΓ相またはΓ１相の成長を抑制し、パウダリングを防止する。

また(２)は(１)よりも通板速度が低い場合のヒートパターンである。この場合には鋼板が保持帯２を通過する時間が長くなるため、保持帯２の入口部分における板温を５２５℃付近とし、４００℃まで１２５℃の板温降下を行わせても、鉄の拡散に必要なトータル熱量を確保することができる。これらの(１) (２)の場合には、保持帯２の入口部分では加熱手段を、また出口部分では冷却手段を主として働かせることとなる。特に急冷が必要な(１)の場合には、強制排気装置１０、１１が冷却手段の冷却能力をカバーする。

これに対して(３)は、亜鉛めっきＴＲＩＰ鋼を製造する場合のような、最高到達板温を抑制する必要がある場合の合金化ヒートパターンである。この例では保持帯２の内部において板温は常に５００℃に維持され、板温降下は０である。(３)の場合には保持帯２に設置された加熱手段を主として働かせる。

ＴＲＩＰ鋼は保持帯後の冷却帯で(１) (２)より急冷しなければならないため、冷却手段としては低温気体を吹き付けるガスジェット冷却、気水冷却が好ましい。また冷却帯の冷却速度は１５℃／ｓ以上、好ましくは３０℃／ｓ以上発揮できればＴＲＩＰ鋼の生産性向上に適する。

このように本発明の合金化炉設備によれば、各種の合金化ヒートパターンに応じて保熱と徐冷の切り替えを行うことにより、通板時間や加熱板温などの条件に応じて保持帯での板温を広い範囲で自由に制御することができる。また同一の保持帯を切り替えて使用するため、過大な設備コストを要しない。

本発明の設備構成を示す概念的な断面図である。 本発明の設備構成を示す概念的な断面図で、ＴＲＩＰ鋼製造に有利な保持帯長手方向に加熱手段を複数配置した場合である。 各種の合金化ヒートパターンを示すグラフである。

符号の説明

１ 加熱帯
２ 保持帯
３ 冷却帯
４ 溶融亜鉛めっき設備
５ 熱風吹き込み手段
５’熱風吹き込み手段
６ 電気ヒーター
７ ブロワ
８ 熱風発生装置
９ ノズル
１０ 強制排気装置
１１ 強制排気装置

Claims (8)

1. 溶融亜鉛めっき設備の直後に配置された合金化炉設備において、加熱帯の直後に配置される保持帯に、冷却手段と加熱手段とを併せ持たせ、合金化ヒートパターンに応じて保熱と徐冷との切り替えが可能とし、前記保持帯の長手方向中央より上流側と出口の少なくとも２箇所に、強制排気装置を備えたことを特徴とする合金化炉設備。
2. 前記保持帯が、その入口から出口までの板温降下代を０℃以上１５０℃以下の範囲で制御可能であることを特徴とする請求項１記載の合金化炉設備。
3. さらに前記保持帯の直後に冷却帯を設置したことを特徴とする請求項１または２記載の合金化炉設備。
4. 前記保持帯の加熱手段は、保持帯長手方向に複数設置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の合金化炉設備。
5. 前記保持帯の加熱手段および／または冷却手段に炉外空気を加熱媒体および／または冷却媒体として用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の合金化炉設備。
6. 前記保持帯の加熱手段と冷却手段は、加熱手段内の加熱媒体温度上昇手段の使用／不使用により兼用であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の合金化炉設備。
7. 前記保持帯の冷却手段として、ガスジェット冷却、気水冷却、水冷却の１種または２種以上を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の合金化炉設備。
8. 前記保持帯の加熱手段にとしてさらに、加熱不活性ガス投入、溶融亜鉛めっき前段の高温炉内ガス投入、バーナー加熱、誘導加熱、電気ヒーターのうち１種または２種以上を併設することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の合金化炉設備。

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