JP5967055B2

JP5967055B2 - 溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の冷却方法

Info

Publication number: JP5967055B2
Application number: JP2013233539A
Authority: JP
Inventors: 広和杉原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: JP2015093298A

Description

本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板を熱延ラインで製造する際、熱延後の熱延鋼板を、めっき後の外観およびめっきの密着性を、鋼板の全長・全幅で良好にするための冷却方法およびこの冷却方法を適用して製造された熱延鋼板コイルに関するものである。

図２に示すように、熱延ラインにおいて、熱延鋼板を製造するには、加熱炉１において所定温度に加熱されたスラブを粗圧延機２で熱間圧延して粗バーとなし、ついでこの粗バーを複数基の圧延スタンドからなる連続熱間仕上圧延機３において所定の厚みに仕上げた後、ランアウトテーブルに設置された冷却設備４から鋼板表面に冷却水を供給することによって鋼板を所定の温度に冷却して巻取機５でコイル７に巻き取ることにより製造される。

溶融亜鉛めっき鋼板は熱延鋼板を素材とし、酸洗、冷間圧延、焼鈍、めっきのプロセスを経て製造される。また、合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、めっき処理の後に合金化処理が施される。以下、溶融亜鉛めっき鋼板と合金化溶融亜鉛めっき鋼板をまとめて「めっき鋼板」ということがある。
めっき鋼板は耐食性が良好であり、自動車や家電製品等に使用されるが、素材となる鋼板については、軽量化や安全性の向上などの要請から高強度化が求められている。
鋼板にＳｉを含有させると、延性や加工性を損なうことなく、強度を高めることができることが知られており、めっき鋼板の素材となる鋼板は、通常、３％程度以下の範囲でＳｉを含有している。
しかし、Ｓｉは易酸化性元素であり、Ｓｉを含有する鋼板の表面にめっき層を形成すると、めっき密着性不良や外観不良（不めっきや合金むら）などのめっき不良が発生しやすい。
以下、非特許文献１および２を参考にし、溶融亜鉛めっき鋼板あるいは合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造プロセスに沿って、Ｓｉを含有する鋼板がめっき不良を引き起こすメカニズムについて説明する。

熱間圧延工程でコイル状に巻き取られた後、鋼板の表層には酸化鉄が生成されるが、それよりも内部にＳｉの酸化物層（以降、内部酸化層とする）が生成される。
コイル状に巻き取られた熱延鋼板（以降、コイルと称する）は放冷完了後に酸洗を施されるが、酸洗前の熱延鋼板の状態は、表面から順に、酸化鉄層、Ｓｉの内部酸化層、Ｓｉの欠乏層、地鉄となっている。
ここで、Ｓｉの欠乏層とはＳｉが拡散し、Ｓｉ量が他に比べて少ない層のことである。通常、酸洗時に酸化鉄層およびＳｉ内部酸化層が除去される。

焼鈍過程における炉内環境は、鉄にとっては還元雰囲気であるが、Ｓｉにとっては酸化雰囲気である。そのため、地鉄から表層に拡散し、鋼板表層に存在するＳｉは鋼板表面で酸化物を生成する。
Ｓｉの酸化物は溶融亜鉛との濡れ性が悪いため、鋼板表面に生成されたＳｉ酸化物は、溶融亜鉛めっき後の表面外観およびめっきの密着性（以降、めっき性と称する）を悪化させる。

Ｓｉが添加された鋼板では、焼鈍時、鋼板表面のＳｉ酸化物の生成量が大きく、めっき性が悪化する。
そのため、例えば、特許文献１のように、焼鈍炉内の露点を制御し、鋼板表面でのＳｉの酸化を防止し、めっき性が悪化するのを抑制する手法が提案されている。

ところで、酸洗前の鋼板において、Ｓｉの内部酸化層厚さが厚いとＳｉの欠乏層が厚くなり、焼鈍時のＳｉの表面酸化を抑制しやすい。そのため、Ｓｉの内部酸化層厚さが厚い場合、良好なめっき性が得られる。逆に、Ｓｉの内部酸化層厚さが薄いとＳｉの欠乏層が薄くなり、焼鈍時のＳｉの表面酸化を抑制できない。そのため、Ｓｉの内部酸化層厚さが薄い場合、めっき性が悪い。

しかし、内部酸化層厚さが過剰に厚い場合、酸洗時にＳｉの内部酸化層を除去しきれず、焼鈍過程において、残存した内部酸化層が焼鈍炉内のロールに付着し、その付着物が鋼板に再付着して、やはり溶融亜鉛めっき後の表面外観およびめっきの密着性を悪化させる。
この内部酸化層厚さは、とりわけＳｉが０．２質量％以上含有する鋼板で著しく大きくなる。
このように、過剰に厚い内部酸化物層も、めっき性を悪化させるから、酸洗前の内部酸化層厚さを適正範囲に制御する必要がある。

ここで、内部酸化層の厚さはコイルの温度履歴により決定される。
非特許文献２に示されるように、鋼中元素の酸化反応速度は式（１）のようにアレニウス型の式で表され、酸化生成速度は高温では速く、低温では遅い。

ここで、Tは絶対温度（K）、ｋ_０は定数（ｍｓ^−１）、Ｑは活性化エネルギー（Ｊｍｏｌ^−１）、Ｒは気体定数（ＪＫ^−１ｍｏｌ^−１）である。
内部酸化層の生成速度が式（１）で表されるとすると、内部酸化層厚さは式（２）を解けば求められることが知られている。

ここで、δは内部酸化層の厚さ（ｍ）、ｔは時間（秒）である。
式（２）の解は式（３）で表される。

ここで、ｔｃは巻取時の時刻（秒）、ｔeは常温になる時刻（秒）である。
つまり、内部酸化の厚さをコイルの温度履歴により制御できる。非特許文献１においては、熱間圧延工程において、適切な熱処理をすることにより、適切な量の内部酸化層を生成し、めっき性を向上させることが可能であるという報告がなされている。

特開２００９−２０９３９７

「熱延鋼板の内部酸化層が冷間圧延後の再結晶焼鈍時におけるＳｉ，Ｍｎ表面濃化挙動におよぼす影響」表面技術、社団法人表面技術協会、２００４年、Ｖｏｌ．５５、Ｎｏ．１、ｐ．４８〜５５「加熱，圧延鋼材の脱炭現象の解析」山陽特殊鋼技法、２００１年、Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１，ｐ．４３〜５０

通常、コイルの板幅方向端部、内周部および外周部といったコイル表面部分はコイル内部よりも冷却速度が比較的速く、コイル内部は冷却速度がコイル表面部分よりも比較的遅い。そのため、コイル内部は、内部酸化層厚さが過剰に厚くなる傾向にあり、内部酸化層厚さの好適範囲から外れやすく、めっき性（溶融亜鉛めっき後の表面外観およびめっきの密着性）が悪化する場合がある。
鋼板の内部酸化層厚さが好適範囲から外れた場合、特許文献１の方法でも十分なめっき性を得ることが困難である。
そこで、本発明の目的は、上記の実情に鑑み、溶融亜鉛めっき鋼板用の、内部酸化層の生成が著しいＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板について、めっき性を良好にする熱延後の熱延鋼板の冷却方法を提供することである。

本発明は、以下の手段を採用する。
［１］熱延ラインにおいて、熱間圧延後の熱延鋼板をランアウトテーブルでヘッダーに設置されたノズルより冷却水を供給して冷却し、次いで巻取機で巻き取ってコイルとした後、コイルの端部面のコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲のみに冷却水を噴射して冷却することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
［２］冷却水を中空円錐状に噴射可能なノズルを用いて、前記のコイルの端部面のコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲のみに冷却水を噴射して冷却することを特徴とする［１］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
［３］前記の熱間圧延後の熱延鋼板を、ランアウトテーブルでヘッダーに設置されたノズルより冷却水を供給して冷却する際、熱延鋼板の幅方向端部に対して、ノズルからの冷却水の供給を遮断することにより、巻取時の板幅方向端部を他の部分よりも高温にすることを特徴とする［１］または［２］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
［４］前記熱延鋼板の幅方向端部のそれぞれ板幅５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に対して、ノズルからの冷却水の供給を遮断することにより、巻取時の板幅方向端部を他の部分よりも高温にすることを特徴とする［３］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
［５］前記熱延鋼板の幅方向端部に対して、鋼板とノズルとの間に装入した樋により、ノズルからの冷却水の供給を遮断することを特徴とする［３］または［４］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。

本発明の冷却方法によれば、溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板について、熱延鋼板の全長・全幅で均一に冷却することができ、めっき性の良好な溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板を高い歩留で製造することができる。

熱延鋼板のコイル端部面を中空円錐状の冷却水で冷却することを示す。熱延鋼板を圧延してコイルに巻き取る熱延ラインの概略を示す。コイル端部面のコイルの半径方向の温度分布を示す。エッジマスクを用いた場合の熱延鋼板の幅方向の温度分布を模式的に示す。

本発明者は、内部酸化層の厚さδが前述の式（３）で表されるように、熱延後の熱延鋼板を巻き取ったコイルの温度履歴に依存することから、コイルの冷却を適正に行えば、熱延鋼板の全長・全幅で内部酸化層厚さが均一化して、内部酸化層厚さが過剰に厚い部位や過剰に薄い部位の発生を抑えることができ、このことにより内部酸化層の厚さが適正な範囲に収まる鋼板の部位の範囲（面積）を拡大することができると考え、本発明を完成した。

コイルは円筒状の鋼板が積層された状態にあると考えることができ、幅方向の熱伝導に対し、半径方向の熱伝導が著しく悪く、コイル半径方向中央部付近の温度の低下が遅い。そのため、コイル半径方向中央部付近の部位では、内部酸化層厚さが過剰になりやすい。

図３に、鋼板の幅方向端部の面におけるコイル半径方向の温度分布の例を示す。内径と外径の中心よりやや内径側の位置の温度が最も高くなる。その最も温度が高い部分のみを水冷し、コイル内の温度を均一化させることで、コイルを均一に冷却でき、したがって内部酸化層の厚さを均一化させることができる。そして、このことにより、内部酸化層過剰に厚い部位の発生を抑えることができ、内部酸化層の厚さが適正な範囲に収まる鋼板の部位の範囲（面積）を拡大することができる。
ここで、コイルの最も温度が高くなる部位は、コイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲であるため、この範囲を冷却することによりコイル全体の冷却速度を均一化することが可能である。
この内径側から１／４の位置よりも内側を冷却範囲に含めると、内径側の冷却速度が速くなり過ぎ、また、この内径側から１／２の位置よりも外側を冷却範囲に含めると外径側の冷却速度が速くなり過ぎるという問題がある。すなわち、コイルの冷却速度が速い部分に水冷を行うと内部酸化層の厚さが薄くなってしまうため、水冷を行う部分は温度の高い位置でなければならない。

そこで、コイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲のコイルの端面を選択的に冷却すれば、コイル全体の温度履歴が均一化される。
そして、コイル全体の温度履歴が均一化される冷却を行えば、コイルの鋼板の全長・全幅で内部酸化層厚さが均一化して、内部酸化層厚さが過剰に厚い部位や過剰に薄い部位の発生を抑えることができるため、内部酸化層の適正な厚み範囲に収まる部位の面積を拡大することができ、その結果、めっき性の良好な鋼板を製造することができる。
このような冷却を行うには、上記の部位を選択的に冷却できるものであればどのようなものでも良いが、例えば、図１に示すように、冷却水を中空円錐状に噴射可能なノズルを用いればよい。
なお、上記のように冷却範囲を限定しても、冷却水は、不可避的にコイル外面や内面、および、コイル端面の適正範囲外にも散布されてしまう。しかし、上記の適正範囲へ供給される冷却水の水量密度に対し、上記の範囲外の水量密度が小さいから、本発明の効果に実質的な影響はほとんどない。

コイルの冷却は、図１の通りコイル両側から冷却するのが好ましい。片面側からのみ冷却すると、反対側の面の冷却速度が遅くなるため、コイル全体の冷却速度の均一化は達成しがたい。

また、図２におけるランアウトテーブルにおける冷却設備４において、熱延鋼板に冷却水を供給するヘッダーに設置されたノズルからの冷却水の供給を、熱延鋼板の幅方向端部に対して樋等で遮断することで、巻取時の板幅方向端部を他の部分よりも高温にすることにより、コイルの幅方向端部の温度を比較的高くすることができる（これは、熱延鋼板の幅方向端部にマスクし、冷却水を遮断することから、以降、この方法をエッジマスク法と呼ぶことにする）。この方法により、図４のような温度分布をつくることができる。

鋼板の幅方向端部にエッジマスク法を適用する領域は５０ｍｍ〜１５０ｍｍ（したがって幅方向の両端部のマスク幅の合計は１００〜３００ｍｍ）が好適である。マスクする領域を５０ｍｍ未満にした場合、巻き取ったコイルのマスクが施された部位の高温の領域が少なく、熱拡散により、すぐに均熱されるため、内部酸化の生成速度が速い時間を十分に確保することができない。
また、マスクする領域が１５０ｍｍを超える場合、コイルの全体の温度が上昇し、内部酸化量が全体的に過剰になる。
そのため、幅方向端部の昇温領域は５０ｍｍ〜１５０ｍｍが適切である。

本発明における溶融亜鉛めっき鋼板は、めっき層の合金化処理を施していない溶融亜鉛めっき鋼板および合金化処理を施した溶融亜鉛めっき鋼板（合金化溶融亜鉛めっき鋼板）を含むものである。
以下の実施例では、合金化溶融亜鉛めっき鋼板について本発明を適用しているが、めっき層の合金化処理を施していない溶融亜鉛めっき鋼板についても、同様の結果が得られており、本発明を適用することができる。

Ｓｉ含有量が異なる２種（鋼種Ａおよび鋼種Ｂ）の５９０ＭＰａ級の溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板について、本発明を適用した実施例を以下に説明する。
熱延鋼板のＳｉ含有量は、鋼種Ａが０．３質量％、鋼種Ｂが０．８質量％である。
鋼種Ａ、Ｂのいずれの熱延鋼板も、図２に示す熱延鋼板の製造ライン設備で製造し、板厚３．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍ、全長７９０ｍの鋼板に圧延して、ランナウトテーブルにおいて冷却設備に設けられたヘッダーのノズルから冷却水を噴射して冷却した後、６００℃の巻取温度でコイル外径が１９００ｍｍ、コイル内径が７５０ｍｍのコイルに巻き取った。
ランアウトテーブルでの冷却では、エッジマスク法を適用して冷却をする場合は、鋼板の所定の幅の板幅端部に冷却水噴射口からの冷却水が直接あたらないように、樋を鋼板とノズルの冷却水噴射口との間に装入して行った。

コイルに巻き取られた熱延鋼板は、その後、酸洗、冷間圧延、焼鈍、合金化溶融亜鉛めっき処理を行い、製品の歩留を調査した。表１に冷却条件とその結果を示す。
ここで、製品の歩留は、合金化溶融亜鉛めっき処理後の鋼板について、表面検査によりめっき不良部および表面欠陥部と判定された部分を含む鋼板の部位を幅方向に切断して除いためっき鋼板重量を、表面検査の対象となっためっき鋼板全体の重量で除して求め、％で表記した。

表１において、「冷却の方式／水冷範囲」は、コイルの冷却について、どのような冷却をどのような範囲で行ったかを表している。
「放冷」は、大気中でコイルを放置した場合の冷却である。
「中実円錐スプレー」はコイルの両側面を円錐形に広がるスプレーによる冷却である。この場合、スプレー面は円形となり、コイルの軸心部の空洞内にも冷却水がスプレーされることになる。
「中空円錐スプレー」は、コイルの両側面を、スプレー面が円環状に、かつ円錐形に広がるスプレーによる冷却である。
「中実円錐スプレー」および「中空円錐スプレー」では、ともに４０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射するノズルを、コイル側面のそれぞれの近傍に１つずつ設置して冷却水をスプレーした（図１参照）。
また、「エッジマスク」は、ランアウトテーブルでの冷却において、エッジマスク法による冷却の有無を示している。例えば、「あり／両端２５ｍｍ」は、鋼板の板幅両端部をそれぞれ幅２５ｍｍに冷却水があたらないように冷却したことを示している。

比較例１は、ランアウトテーブルでの冷却（エッジマスクなし）およびコイルの冷却（放冷）が従来通りのものである。図３に示すように、コイルの冷却が不均一に進行し、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位のほかに、この適正範囲を外れる部位（適正範囲の上限を超える部位および下限を下回る部位）がかなり発生したと考えられる。Ｓｉ含有量が０．３質量％の鋼種Ａでは歩留が６０％、Ｓｉ含有量が０．８質量％の鋼種Ｂでは歩留が４０％であった。
比較例２は、ランアウトテーブルでの冷却が比較例１と同様に従来通りのものであるが、コイルの両端部面全域を中実円錐スプレーで冷却している。このため、コイルの冷却は、やや改善されているが、依然として不均一に進行し、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位の面積は、比較例１に比べてやや拡大したものの、その程度は小さかったと考えられる。鋼種Ａでは歩留が６５％、鋼種Ｂでは歩留が４５％であった。
比較例３は、比較例１、２と同様に、ランアウトテーブルでの冷却が従来通りのものであるが、中空円錐スプレーでコイルの両端部面を、コイル内径〜コイル内径から外径までの半径方向距離の１／２の範囲に冷却水を当てて冷却している。このため、コイルの冷却は、比較例２に比べてやや改善されているものの、やはり不均一に進行し、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位の拡大は比較例２に比べてわずかであったと考えられる。鋼種Ａでは歩留が６８％、鋼種Ｂでは歩留が４８％であった。
比較例４は、比較例１〜３と同様に、ランアウトテーブルでの冷却が従来通りのものであるが、コイルの両端部面を中空円錐スプレーで両端部面を、コイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜コイル外径の範囲に当てて冷却している。このため、比較例３と同様に、比較例２と比べて、コイルの冷却はやや改善されているものの、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位の拡大は比較例２に比べてわずかであったと考えられる。鋼種Ａでは歩留が６８％、鋼種Ｂでは歩留が４８％であった。

これに対して、発明例１は、比較例１〜４と同様に、ランアウトテーブルでの冷却が従来通りのものであるが、中空円錐スプレーでコイルの両端部面をコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲に冷却水を当てている。その結果、コイルの冷却がより均一に進行して、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位が比較例１〜４に比べて著しく拡大したと考えられる。鋼種Ａでは歩留が９０％、鋼種Ｂでは歩留が８０％であり、比較例１〜４に比べて、めっき性は著しく向上している。

発明例２は、発明例１と同様に、中空円錐スプレーでコイルの両端部面をコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲に冷却水を当て、かつランアウトテーブルでの冷却においても、鋼板の両幅方向端部に１００ｍｍずつエッジマスク法を適用している。その結果、本発明例２では発明例１よりも、さらに内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位が発明例１よりも拡大したと考えられる。鋼種Ａでは歩留が９８％、鋼種Ｂでは歩留が９５％であり、比較例１〜４に比べて、めっき性は著しく向上している。
発明例３、４では、発明例１、２と同様に中空円錐スプレーでコイルの両端部面をコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲に冷却水を当て、発明例２と同様にエッジマスク冷却を行っているが、いずれも、エッジマスク領域が好適範囲外である。このため、発明例２よりもエッジマスク効果が小さく、その結果、内部酸化層厚さの適正範囲に収まる部位の拡大は、発明１よりもわずかにとどまったと考えられる。鋼種Ａでは歩留が９１％、鋼種Ｂでは歩留が８１％であり、比較例１〜４に比べて、めっき性は著しく向上している。

以上のように、本発明の熱延鋼板の冷却方法により、全長・全幅で良好なめっき性を得られる溶融亜鉛めっき用の熱延鋼板の製造が可能となった。

１加熱炉
２粗圧延機
３仕上圧延機
４ランアウトテーブルでの冷却設備
５巻取機
６鋼板
７熱延コイル
８冷却水を中空円錐状に噴射するノズル

Claims

熱延ラインにおいて、熱間圧延後の熱延鋼板をランアウトテーブルでヘッダーに設置されたノズルより冷却水を供給して冷却し、次いで巻取機で巻き取ってコイルとした後、コイルの端部面のコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲のみに冷却水を噴射して冷却することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
冷却水を中空円錐状に噴射可能なノズルを用いて、前記のコイルの端部面のコイル内径から外径までの半径方向距離の内径側から１／４〜１／２の範囲のみに冷却水を噴射して冷却することを特徴とする請求項１に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
前記の熱間圧延後の熱延鋼板を、ランアウトテーブルでヘッダーに設置されたノズルより冷却水を供給して冷却する際、熱延鋼板の幅方向端部に対して、ノズルからの冷却水の供給を遮断することにより、巻取時の板幅方向端部を他の部分よりも高温にすることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
前記熱延鋼板の幅方向端部のそれぞれ板幅５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲に対して、ノズルからの冷却水の供給を遮断することにより、巻取時の板幅方向端部を他の部分よりも高温にすることを特徴とする請求項３に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。
前記熱延鋼板の幅方向端部に対して、鋼板とノズルとの間に装入した樋により、ノズルからの冷却水の供給を遮断することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の溶融亜鉛めっき鋼板用のＳｉ含有率が０．２質量％以上の熱延鋼板の冷却方法。