JP6158630B2

JP6158630B2 - 溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の製造方法および該熱延鋼板

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Publication number: JP6158630B2
Application number: JP2013158413A
Authority: JP
Inventors: 広和杉原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JP2015028200A

Description

本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板を熱間圧延ラインで製造する際、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溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の製造方法に関するものである。

図１に示すように、熱延鋼板を製造するには、加熱炉１においてスラブを所定温度に加熱し、加熱されたスラブを粗圧延機２で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装置４から鋼板上部および下部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で巻き取ることにより製造される。

合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、熱間圧延の後、酸洗、冷間圧延、焼鈍、めっきのプロセスを経て製造される。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の製造プロセスに沿って、Ｓｉ添加量が０．２質量％以上の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、それよりも内部には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。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、めっき性とする）を悪化させる。
とりわけ、Ｓｉが０．２質量％以上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（生成面積）が大きく、めっき性を著しく悪化させる。
そのため、例えば、特許文献１に記載されているように、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、内部酸化層厚さが厚すぎる場合、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する欠陥が発生する。よって、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下記の式（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（Ｊｍｏｌ^−１）、Ｒは気体定数（ＪＫ^−１ｍｏｌ^−１）とする。
内部酸化層の生成速度が式（１）で表されるとすると、内部酸化層厚さは下記の式（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）とする。
式（２）の解は下記の式（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）とする。
つまり、内部酸化の厚さを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、適切な温度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号公報

「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速い。そのため、コイル表面部分は、コイル内部よりも内部酸化層の厚さが薄くなり、内部酸化層厚さの好適範囲から外れやすく、めっき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、Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の内部酸化層厚さを、その全長・全幅にわたり適正範囲内で均一化させる製造方法を提供することである。

本発明は、熱間圧延に続いて鋼板が巻き取られたコイルを温度保持設備に装入して復熱を利用して緩冷却することにより、上記の課題を解決するものである。
本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板を熱間圧延ラインで製造する際、熱間圧延後の鋼板を４５０℃〜５６０℃でコイルに巻き取り、次いでコイルを温度保持設備に装入して、該コイルを０．０２℃／秒以下の冷却速度で冷却して、Ｓｉの内部酸化層厚さを全長・全幅にわたり１μｍ〜４μｍとすることを特徴とする、Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の製造方法。

本発明の製造方法を用いることにより、Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板について、熱延鋼板の全長・全幅で、内部酸化層厚さを適正範囲内で均一化させることにより、全長・全幅でメッキ性の良好な溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板が製造することができる。そして、そのことにより、めっき後の外観およびめっきの密着性の優れた品質の高い溶融亜鉛めっき鋼板を製造することが可能となり、また歩留まりの向上にも寄与することができる。

熱延鋼板の熱間圧延ラインの概略を示す図である。コイル保温装置の一例を示す図である。

本発明者らは、Ｓｉ添加量が０．２質量％以上の鋼種における内部酸化層厚さとめっき性の関係を調査した。その結果、内部酸化層厚さが１μｍ未満の場合、Ｓｉ内部酸化層の内側に存在するＳｉ欠乏層が薄くなり過ぎて、焼鈍中、鋼板表層にＳｉ酸化物が生成し、めっき性が悪化する。また、内部酸化層厚さが４μｍを超える場合、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する欠陥が発生する。したがって、内部酸化層厚さは１μｍ〜４μｍの範囲が好適である。

ところで、内部酸化層厚さは式（３）で表せるが、Ｓｉ添加量が０．２質量％以上の熱間圧延鋼板における定数が明らかにされていなかった。そのため、本発明者らは、研究により定数を求め、内部酸化層厚みが式（４）のように表されることを明らかにした。

ここで、ａが一定の範囲を持っているのは、鋼中成分により変動するためである。
以上より、コイル冷却時において、全長・全幅で、式（４）で求められる内部酸化層厚さが１μｍ〜４μｍになるように温度履歴を制御することで、鋼板の全長・全幅にわたって、めっき性が良好な溶融亜鉛めっき用の熱延鋼板の製造が可能となる。

その方法として、コイルの保温による緩冷却を行えば良い。
温度保持設備としては、コイル１個を保温する場合、例えば、図２に示す保温装置を用いれば良い。保温装置の内壁面はＡｌ材のような低輻射率の材料を用いてコイルの抜熱を抑制し、その外側には断熱材を用いて装置内壁面の温度低下を抑制することが望ましく、この保温装置の例では、内壁面に低輻射率材７を貼り付けた断熱材８でコイル９を包囲するように構成されている。また、複数のコイルを温度保持設備に収納して、緩冷却することもできる。

コイル表面（コイル内周表面およびコイル外周表面）からの抜熱量を十分に抑制すれば、コイル内部から表面への復熱により、コイル全体の温度が均一化される。そして、このことにより、コイルの全長・全福にわたって、大気放冷した場合に比較してより均一な内部酸化層を形成することができる。

熱延鋼板の巻取温度が５６０℃を超える場合、内部酸化層の生成速度が速いため、コイルを大気放冷した場合でも内部酸化層厚さが過剰になりやすい。また、巻取温度が４３０℃未満の場合、内部酸化層の生成速度が遅いため、コイルの保温を行った場合でも内部酸化層厚さが不十分になる。したがって、熱延鋼板の巻取温度は４３０℃〜５６０℃の間にする必要がある。望ましくは４５０〜５５０℃の間である。

一方、コイルの保温によりコイルの平均冷却速度を抑制することが可能であるが、巻取温度が高い場合、冷却速度が遅すぎると内部酸化層厚さが過剰になる。本発明者らは、研究により、巻取温度に対する冷却速度の適正値が下記の式（５）で表されることを明らかにした。

ｒ_ｖ＝ｃｅｘｐ（０．０４Ｔｃ）、ただしｒｖ≦０．５・・・・式（５）

ここで、ｒ_ｖはコイルの平均冷却速度（℃／秒）、Ｔｃは巻取温度（℃）とする。
３００℃未満では新たな内部酸化層が形成されないので、コイルの平均冷却速度ｒ_ｖは、巻取温度から３００℃に冷却されるまでのコイル側面の冷却速度の平均を指す。なお、コイル側面とは、熱延鋼板の幅方向端部で形成される面を指す。

本発明が対象とする亜鉛めっき鋼板は、ＪＩＳＧ３３０２に準拠した溶融亜鉛めっき鋼板を対象としている。この規格の鋼板は、Ｓｉ以外の主要元素としては、Ｃを０．３０質量％以下、Ｍｎを２．５０質量％以下、Ｐを０．２０質量％以下、Ｓを０．０５％以下含有する鋼板であるが、この範囲であれば、式（５）における係数ｃは、おおむねＳｉ含有量で定まり、下記の式（６）から求めることができる。

ｃ＝ｃ_０×（１／［Ｓｉ質量％］）・・・（６）
ここで、ｃ_０は２．０×１０^−１１である。

したがって、巻取後のコイルを式（５）で規定される平均冷却速度で冷却すれば良い。
ここで、冷却速度の上限を規定してｒ_ｖ≦０．５としているのは、冷却速度が０．５℃／ｓｅｃを超えるとコイル内の温度が不均一になり、冷却速度がばらつくためである。

温度保持設備内で冷却速度を調整するには、例えば、冷却速度を上げたいときは温度保持設備のコイル収納室の小孔から大気を導入して、大気の導入量を変えることにより行うことができる。また、温度保持設備内で冷却速度を下げたいときは所定の温度にした熱風や加熱炉の排ガスなどを導入することにより行うことができる。

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、本発明を適用することができる。

本発明の実施例を、図１に示す熱延鋼板の製造ラインのランアウト冷却設備において、熱間圧延された熱延鋼板の冷却を行う場合について説明する。
板厚３．０ｍｍ、板幅１０００ｍｍ、全長７９０ｍ、５９０ＭＰａ級の溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板（鋼種Ａおよび鋼種Ｂ）について、熱間圧延後に巻取温度を変えてコイルに巻き取り、次いで大気中で放冷するか、あるいは図２に示す保温装置内で冷却することにより、３００℃以下の温度に冷却した。その後、酸洗、冷間圧延、焼鈍、合金化溶融亜鉛めっきを行い、製品の歩留を調査した。その結果を表１に示す。

ここで、鋼種ＡはＳｉ含有量が０．３質量％であり、鋼種ＢはＳｉ含有量が０．８質量％である。
なお、式（５）における係数ｃの値は、鋼種Ａについては６．７×１０^−１１、鋼種Ｂについては２．５×１０^−１１である。
表１における「冷却速度」はコイルの３００℃までの平均冷却速度であり、熱電対でコイル側面の温度を測定し、その平均の値である。大気中での放冷時の冷却速度は０．８℃／秒であった。
製品の歩留は、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。

比較例１〜３では、熱延鋼板ＡおよびＢを、それぞれ巻取温度を４３０℃、４５０℃、６００℃で巻き取った後、大気放冷により冷却を行った。

参考例１では、巻取温度を４３０℃で熱延鋼板ＡおよびＢをそれぞれ巻き取った後、保温装置に装入し、平均冷却速度０．０１℃／ｓｅｃで冷却を行った。
参考例２−１、発明例２−２および発明例２−３では、巻取温度を４５０℃で熱延鋼板ＡおよびＢをそれぞれ巻き取った後、保温装置に装入し、それぞれ平均冷却速度０．０３℃／ｓｅｃ、０．０２℃／ｓｅｃ、０．０１℃／ｓｅｃで冷却を行った。

比較例１では、巻取温度が比較的低く、内部酸化層が十分に生成されず、めっき性が悪くなり、鋼種Ａでは歩留が２０％、鋼種Ｂでは歩留が１０％となった。
比較例２では、巻取温度が適正であり、コイルの内部は適正量の内部酸化層が生成されたが、冷却速度が速いため、コイル表面部（内周部および外周部）に相当する箇所の内部酸化層厚さが少なく、その箇所ではめっき性が悪くなり、鋼種Ａでは歩留が３０％、鋼種Ｂでは歩留が１５％となった。

比較例３では、鋼板の大部分は適正量の内部酸化層が生成されたが、冷却速度が速いため、内部酸化層厚さがコイル位置によりばらつき、鋼種Ａでは歩留が６０％、鋼種Ｂでは歩留が５０％となった。

これらに対して、発明例２−２および発明例２−３は、巻取温度、冷却速度がともに適正であり、全長・全幅で内部酸化層厚さがおおむね均一かつ適正量で、めっき性も良好となり、それぞれ比較例１〜３に比べて、歩留が著しく向上している。発明例２−２では、鋼種Ａでは歩留が９５％、鋼種Ｂでは歩留が９５％、発明例２−３では、鋼種Ａおよび鋼種Ｂではともに歩留が９８％となった。

以上のとおり、巻き取り後に保温を施した発明例２−２および発明例２−３は、それぞれ巻き取り後に大気放冷した比較例１〜３に比べて、いずれの巻取温度の場合においても、飛躍的に歩留が向上している。
このことは、発明例２−２および発明例２−３では、保温を施すことによりコイルが緩冷却された結果、内部酸化層が熱延鋼板の全長・全幅にわたりより均一な厚みに形成されたものであり、他方、比較例１〜３では、コイルの冷却速度が速すぎたため、熱延鋼板の全長・全幅のかなりの部分において、内部酸化層の厚みが好適範囲を外れたものである。

また、発明例２−２および発明例２−３から分かるように、保温時の冷却速度にはより好適な範囲があり、発明例２−２、発明例２−３はいずれも、鋼種Ａ、Ｂともに歩留まりが９５％を超えており、内部酸化層の厚みを測定したところ、鋼板の全長・全福において、内部酸化層の厚みが１〜４μｍの範囲内であった。

以上のように、本発明の熱延鋼板の冷却方法により、熱延鋼板の内部酸化層厚さの制御ができ、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冷却帯
５巻取機
６鋼板
７低輻射率材
８断熱材
９熱延コイル

Claims

Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板を熱間圧延ラインで製造する際、熱間圧延後の鋼板を４５０℃〜５６０℃でコイルに巻き取り、次いでコイルを温度保持設備に装入して、該コイルを０．０２℃／秒以下の冷却速度で冷却して、Ｓｉの内部酸化層厚さを全長・全幅にわたり１μｍ〜４μｍとすることを特徴とする、Ｓｉを０．２質量％以上含有する溶融亜鉛めっき鋼板用の熱延鋼板の製造方法。