JP6214451B2 - 誘導加熱装置、プリメルトポット、メインポットおよび溶融金属めっき設備 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の誘導加熱装置、プリメルトポット、メインポットおよび溶融金属めっき設備に関し、特に、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴に対しても長寿命を有する誘導加熱装置、プリメルトポット、メインポットおよび溶融金属めっき設備に関するものである。

従来、鋼板、鋼管や鋼構造物等の鋼材を溶融亜鉛浴に所定時間浸漬し、引き上げ後に冷却して亜鉛めっき皮膜を形成させることにより鋼材の耐食性を高める、という技術が広く知られており、簡便かつ種々の形状および大きさの被めっき体を同一製造ラインで処理できるため、広く利用されている。

図１は、一般的な溶融金属めっき設備の概略図を示している。この溶融金属めっき設備１００は、溶融した金属Ｍを収容するメインポット１１と、該メインポット１１に溶融金属Ｍを供給するプリメルトポット１２とを備える。このプリメルトポット１２およびメインポット１１に設けられた誘導加熱装置１３は、鉄心１４と、該鉄心１４に巻き回されたコイル１５と、該コイル１５の周りを周回する、溶融金属Ｍが流通する溶融金属用周回路１６が形成された耐火材１７と、コイル１５と耐火材１７との間に配された、耐火材１７保護用のブッシング１８とを備えている。溶融金属Ｍの典型的な例の１つとして、溶融亜鉛を挙げることができる。なお、図１において、メインポット１１に設けられた誘導加熱装置は図示していない。

この図に示した設備において、溶融亜鉛めっき鋼板は以下のように製造される。すなわち、まず、冷延、前処理工程での表面洗浄、非酸化性あるいは還元性雰囲気中での加熱、焼鈍、冷却の各々の工程を経た鋼板Ｓをメインポット１１内の溶融亜鉛中に浸漬する。次いで、シンクロール１９で方向転換した後、鋼板Ｓをメインポット１１から引き上げ、鋼板Ｓの表面に付着した過剰の溶融亜鉛をガスワイピング等の付着量制御装置（図示せず）で除去してめっき付着量を調整した後、鋼板Ｓを冷却し、所定の後処理を施すことにより、所望の溶融亜鉛めっき鋼板を得ることができる。その際、鋼板Ｓに付着して減少する溶融亜鉛を補うために、原料金属Ｉを誘導加熱装置１３によって加熱して生成された溶融亜鉛を、プリメルトポット１２からメインポット１１へ、必要に応じて適宜補充するように構成されている。

ところで、上記した溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際に、耐食性を向上させるために、主成分である亜鉛以外にアルミニウムを添加することが多い。特に、鋼板に５５質量％のアルミニウムおよび１．６質量％のシリコンを含む亜鉛めっきを施した、溶融亜鉛−アルミニウム合金めっき鋼板（ガルバリウム鋼板）は、耐食性、耐酸性、耐熱性等に優れており、建築材料や産業機械等に広く利用されている。

しかしながら、誘電加熱装置１３により原料金属Ｉを溶融してメインポット１１およびプリメルトポット１２内に溶融亜鉛−アルミニウム合金浴を収容し、鋼板Ｓに対して溶融亜鉛−アルミニウム合金めっき処理を行うと、プリメルトポット１２および／またはメインポット１１に設けられた誘導加熱装置１３の耐火材１７にクラックが早期に発生し、アルミニウムを含まない溶融亜鉛めっき処理を行う場合に比べて、誘導加熱装置１３の寿命が著しく短くなることが問題となっていた。

そこで、これまで、溶融亜鉛−アルミニウム合金めっき処理を行う場合であっても、誘導加熱装置の寿命を向上させる様々な技術が提案されてきた。例えば、特許文献１には、誘導加熱装置の耐火材をコージライト質で構成することにより、誘導加熱装置の長寿命化および高強度化を図る技術について記載されている。

また、特許文献２には、誘導加熱装置における耐火材の溶融金属と接触する部分をＳｉ_３Ｎ_４系セラミックスで被覆することにより、溶融金属が耐火材を浸食するのを抑制して、誘導加熱装置の寿命を向上させる技術について記載されている。

さらに、特許文献３には、誘導加熱装置における耐火材と鉄皮との間に金属板を配置することにより、溶融金属の浸食を軽減して耐火材の耐久性を向上する技術について記載されている。

特開平０７−４１９２２号公報 特開平１０−１４１８６９号公報 特開平２００２−１９４５１７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された技術を以てしても、誘導加熱装置の寿命は依然として短いことが問題となっていた。
そこで、本発明の目的は、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴に対しても長寿命を有する誘導加熱装置、プリメルトポット、メインポットおよび溶融金属めっき設備を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。従来、耐火材１７にクラックが発生する原因は、溶融亜鉛−アルミニウム合金に含まれるアルミニウムが耐火材１７に浸食するためであると考えられ、特許文献１〜３に記載されているように、耐火材１７の材料の選定や耐火材１７の溶融亜鉛−アルミニウム合金が接する側の表面の皮膜等が検討されてきた。しかし、上述のように、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合に、耐火材１７におけるクラックの早期発生を抑制できず、誘導加熱装置の寿命は依然として短いのである。発明者らは、従来の耐火材１７に対する対策が誘導加熱装置の寿命向上に有効ではないという結果を受けて、耐火材１７におけるクラックの発生は、耐火材１７の材料や皮膜等とは本質的に別の原因によるものではないかと考え、耐火材１７にクラックが発生する要因を鋭意検討した結果、溶融亜鉛浴の場合と、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合とでは、耐火材１７の厚み方向の温度勾配が異なることに気づいた。
すなわち、溶融亜鉛浴の場合、溶融亜鉛の温度は４５０℃程度であるのに対して、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合には、溶融金属の温度は６００℃〜６５０℃程度である。つまり、耐火材１７の溶融金属と接する部分の温度が、溶融亜鉛浴と溶融亜鉛−アルミニウム合金浴とでは大きく異なっている。一方、誘導加熱装置１３のコイル１５と耐火材１７との間には、耐火材１７保護用のブッシング１８が設けられており、コイル１５側のブッシング表面は４０℃程度まで冷却されている。つまり、耐火材１７の溶融金属と接する部分の温度が高い分、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合の方が、耐火材１７内の厚み方向の温度勾配が大きい。
発明者らは、この耐火材１７内の厚み方向の大きな温度勾配が、耐火材１７内に大きな熱応力を発生させ、耐火材１７内にクラックを早期に発生させる原因であると推察した。そこで、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合に、耐火材１７内に生じる熱応力を低減してクラックの早期発生を抑制し、誘導加熱装置１３の寿命を向上させる方途について鋭意検討した結果、耐火材１７とブッシング１８との間に断熱材を配することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）溶融した少なくとも亜鉛を含む金属を収容するメインポットと、該メインポットに前記溶融金属を供給するプリメルトポットとを備え、被めっき体を前記メインポット内の溶融金属に浸漬して前記被めっき体に亜鉛めっきを施す溶融金属めっき設備における、前記プリメルトポットまたは前記メインポットに設けられた誘導加熱装置であって、鉄心と、該鉄心に巻き回されたコイルと、該コイルの周りを周回する、前記溶融金属が流通する溶融金属用周回路が形成された耐火材と、前記コイルと前記耐火材との間に配されたブッシングとを備え、原料金属を誘導加熱して前記溶融金属とする誘導加熱装置において、前記耐火材と前記ブッシングとの間に、該ブッシングの表面全てを覆うように断熱材を配したことを特徴とする誘導加熱装置。

（２）前記断熱材の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・℃以下である、前記（１）に記載の誘導加熱装置。

（３）前記溶融金属がアルミニウムを含む、前記（１）または（２）に記載の誘導加熱装置。

（４）前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の誘導加熱装置を備えるプリメルトポット。

（５）前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の誘導加熱装置を備えるメインポット。

（６）前記（４）に記載のプリメルトポットおよび／または前記（５）に記載のメインポットを備える溶融金属めっき設備。

本発明によれば、誘導加熱装置における耐火材とブッシングとの間に断熱材を配したため、耐火材内に生じる応力を低減させてクラックの発生を抑制することができ、誘導加熱装置の寿命を向上させることができる。

従来の溶融金属めっき鋼板の製造の製造設備を示す図である。 本発明に係る誘導加熱装置の断面図である。 発明例および従来例における耐火材内の厚み方向の温度勾配を示す図である。 発明例および従来例における耐火材内の応力分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。図２は、本発明に係る誘導加熱装置の断面図である。なお、図１と同じ構成には同じ符号が付されている。この図に示した誘導加熱装置１は、図１に示したような、溶融した少なくとも亜鉛を含む金属を収容するメインポットと、該メインポットに溶融金属を供給するプリメルトポットとを備え、被めっき体をメインポット内の溶融金属に浸漬して被めっき体に金属めっきを施す溶融金属めっき設備における、プリメルトポットに設けられたものであり、鉄心１４と、該鉄心１４に巻き回されたコイル１５と、該コイル１５の周りを周回する、溶融金属Ｍが流通する溶融金属用周回路１６が形成された耐火材１７と、コイル１５と耐火材１７との間に配されたブッシング１８とを備え、原料金属を誘導加熱して溶融金属Ｍとする。ここで、耐火材１７とブッシング１８との間に断熱材２０を配することが肝要である。

上述のように、溶融亜鉛の温度は４５０℃程度であるのに対して、溶融亜鉛−アルミニウム合金の温度は６００℃〜６５０℃程度である。そのため、従来の誘導加熱装置においては、溶融亜鉛−アルミニウム合金浴の場合、耐火材１７のブッシング１８側と溶融金属用周回路１６側との間の温度差、すなわち、耐火材１７の厚み方向の温度勾配が、溶融亜鉛浴の場合に比べて大きい。

このような溶融亜鉛−アルミニウム合金浴に対して、従来の誘導加熱装置においては、コイル１５と耐火材１７との間にブッシング１８が設けられており、このブッシング１８が、例えば銅製の場合、銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍ・℃と非常に大きいため、耐火材１７が溶融金属用周回路１６を流通する溶融金属Ｍから伝達された熱が、銅製ブッシング１８に速やかに伝達される。その結果、耐火材１７のブッシング１８側の温度が大きく低下し、耐火材１７の厚み方向に大きな温度勾配が生じる。

これに対して、本発明に係る誘導加熱装置１においては、耐火材１７とブッシング１８との間に断熱材２０が配されているため、耐火材１７が溶融金属用周回路１６を流通する溶融金属Ｍから伝達された熱を、銅製ブッシング１８に伝達しづらくなる。その結果、従来の装置に比べて、耐火材１７のブッシング１８側表面の温度低下が小さくなり、ひいては耐火材１７の厚み方向の温度勾配が大きく低減されることとなる。これにより、耐火材１７内に発生する熱応力が低減され、耐火材１７内にクラックが早期に発生するのを防止して、誘導加熱装置の寿命を向上させることができるのである。

なお、本発明において、「断熱材」とは、誘導加熱装置１における耐火材１７とブッシング１８との間の熱の伝達を遮断する部材であって、１．０Ｗ／ｍ・℃以下の熱伝導率を有する部材を指すものとする。この範囲の熱伝導率を有する断熱材２０を耐火材１７とブッシング１８との間に配することにより、上記した、耐火材１７内に発生する熱応力の低減効果を達成して誘導加熱装置の寿命向上を図ることができる。

このような断熱材２０の形状は問わないが、ブッシング１８の表面全てを覆うように配置する。例えば、布状の断熱材２０をブッシング１８の表面全体に巻き付けることができる。

断熱材２０の素材は、上記範囲の熱伝導率を有し、溶融金属Ｍからの熱に対する十分な耐熱性を有していれば特に限定されない。例えば、セラミックファイバーやロックウールからなる断熱材を使用することができる。

また、断熱材２０の厚みは、耐火材１７とブッシング１８との間の熱の伝達を良好に遮断して耐火材１７内の厚み方向の温度勾配を低減し、耐火材１７内に発生する応力を低減してクラックの早期発生を抑制することができればよく、特に限定されない。

耐火材１７は、プレキャスト、キャスタブルと称されるものであり、耐火材１７の材料は特に限定されず、アルミナ系材料やシリカ系材料、マグネシア系材料等を用いることができる。また、耐火材１７の溶融金属用周回路１６側の表面に、溶融金属Ｍに含まれるアルミニウムが耐火材１７に浸食するのを防ぐ皮膜を形成してもよい。

ブッシング１８は、誘導加熱装置１の作動時にブッシング１８の表面を４０℃程度に冷却する。ブッシング１８の材料としては、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましく、銅や真鍮、アルミニウム等を使用することができる。中でも熱伝導率が極めて高いことから、銅を用いることが好ましい。

また、耐火材１７とブッシング１８との間に、溶融金属Ｍのリークを検出するリーク検知用銅板（図示せず）を配して、耐火材１７に発生したクラックからリークした溶融金属Ｍを検出するように構成することが好ましい。また、ブッシング１８自体にリーク検知用板としての機能を持たせてもよい。
上記ではプリメルトポット１２に本発明の誘導加熱装置を設けた場合を例として説明したが、本発明の誘導加熱装置をメインポット１１に設けた場合も同様である。

このように、誘導加熱装置における耐火材とブッシングとの間に断熱材を配したため、耐火材内に生じる応力を低減させてクラックの早期発生を抑制することができ、誘導加熱装置の寿命を向上させることができる。

（発明例）
以下、本発明の実施例について説明する。
図２に示した誘導加熱装置１を構成した。ここで、耐火材１７はアルミナ系耐火物からなり、熱伝導率は４．８Ｗ／ｍ・℃である。また、断熱材２０は、セラミックス系シート材からなり、熱伝導率は０．０９Ｗ／ｍ・℃である。耐火材１７、断熱材２０およびブッシング１８の厚さは、それぞれ６０ｍｍ、６ｍｍおよび６ｍｍであり、耐火材１７と断熱材２０とは６ｍｍ厚のキャスタブル耐火材で接続した。また、コイル１５とブッシング１８との間には、空気層を２０ｍｍ設けた。

（比較例）
発明例と同様に誘導加熱装置を構成した。ただし、耐火材１７とブッシング１８との間に断熱材２０を配しなかった。また、耐火材１７と断熱材２０とは１２ｍｍ厚のキャスタブル耐火材で接続した。これ以外の構成は、発明例と全て同じである。

＜耐火材内の温度勾配＞
図３は、発明例および比較例における耐火材１７内の温度勾配を示しており、図３（ａ）は発明例、図３（ｂ）は比較例についてのものである。この温度勾配は、各材料の熱伝導率や厚さから計算して得られたものである。
まず、図３（ｂ）を参照すると、耐火材１７の溶融金属用周回路１６側の表面温度（浴温）と、耐火材１７とキャスタブル耐火材との界面との温度差は３９９℃である。
これに対して、発明例については、耐火材１７の溶融金属用周回路１６側の表面温度（浴温）と、耐火材１７とキャスタブル耐火材との界面との温度差は１１８℃である。すなわち、耐火材１７とブッシング１８との間に断熱材２０を配したことによって、耐火材１７における温度勾配が著しく低減されていることが分かる。

＜耐火材内の応力分布＞
図４は、発明例および比較例における、耐火材内の応力分布を示す図であり、図４（ａ）は発明例、図４（ｂ）は比較例に対するものである。この図に示した応力分布は、温度勾配、熱伝導率および時間で計算して得られたものである。図４は、図４（ｂ）の最大熱応力がかかる部位の熱応力を１００とした場合の相対値で示した。
まず、図４（ｂ）を参照すると、比較例の場合、非常に大きな熱応力が溶融金属用周回路１６側の角部にて局所的に発生しているのがわかる。
これに対して、発明例においては、耐火材１７全体に亘って、相対値５５程度の熱応力が発生しているが、比較例のように、非常に大きな熱応力が局所的に発生することはない。
このように、発明例においては、耐火材１７に発生する最大熱応力が大きく低減されており、また、局所的に非常に大きな熱応力が発生している箇所も存在しないことから、発明例においては、熱応力起因のクラックの早期発生を防止できることが期待できる。

本発明によれば、誘導加熱装置における耐火材とブッシングとの間に断熱材を配したため、耐火材内に生じる応力を低減させてクラックの発生を抑制することができ、誘導加熱装置の寿命を向上させることができるため、鉄鋼業において有用である。

１，１３ 誘導加熱装置
１１ メインポット
１２ プリメルトポット
１４ 鉄心
１５ コイル
１６ 溶融金属用周回路１６
１７ 耐火材
１８ ブッシング
１９ シンクロール
２０ 断熱材
１００ 溶融金属めっき設備
Ｉ 金属原料
Ｍ 溶融金属
Ｓ 被めっき体

Claims (6)

1. 溶融した少なくとも亜鉛を含む金属を収容するメインポットと、該メインポットに前記溶融金属を供給するプリメルトポットとを備え、被めっき体を前記メインポット中の溶融金属に浸漬して前記被めっき体に金属めっきを施す溶融金属めっき設備における、前記プリメルトポットまたは前記メインポットに設けられた誘導加熱装置であって、鉄心と、該鉄心に巻き回されたコイルと、該コイルの周りを周回する、前記溶融金属が流通する溶融金属用周回路が形成された耐火材と、前記コイルと前記耐火材との間に配されたブッシングとを備え、原料金属を誘導加熱して前記溶融金属とする誘導加熱装置において、
   前記耐火材と前記ブッシングとの間に、該ブッシングの表面全てを覆うように断熱材を配したことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記断熱材の熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・℃以下である、請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記溶融金属がアルミニウムを含む、請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置を備えるプリメルトポット。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置を備えるメインポット。
6. 請求項４に記載のプリメルトポットおよび／または請求項５に記載のメインポットを備える溶融金属めっき設備。