JP6304395B2 - 溶融めっき鋼板の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融めっき鋼板の冷却装置に関する。

従来から、鋼板の表面に金属被膜（めっき層）を形成する方法の一つとして溶融めっきが知られている。一般的な溶融めっき工程では、溶融金属で満たされためっき浴内に鋼板を浸漬させた後、その鋼板をめっき浴から引き上げることにより、鋼板の表面にめっき層を形成する。以下では、溶融めっきによって表面にめっき層が形成された鋼板を溶融めっき鋼板と呼称する。

溶融めっき鋼板がめっき浴から引き上げられた後、めっき層が凝固する過程において、母材である鋼板に含まれる鉄とめっき層に含まれる金属とが反応して、鋼板とめっき層との間に硬くて脆い合金層が生成される。この合金層は、溶融めっき鋼板からめっき層が剥離する原因となるので、めっき浴から引き上げられた溶融めっき鋼板を強制的に冷却して合金層の生成を抑制する必要がある。

上記のように、溶融めっき鋼板の冷却条件は、溶融めっき鋼板の品質を決定付ける非常に重要な要素である。例えば、下記特許文献１には、溶融めっき鋼板の冷却工程において、溶融めっき鋼板の温度又は凝固状態に応じて冷却ガスの流量を制御することにより、溶融めっき鋼板の要求品質を確保する技術が開示されている。しかしながら、このような従来の溶融めっき鋼板用の冷却装置には、以下のような問題点があった。

図８Ａ及び図８Ｂは、従来における溶融めっき鋼板用の冷却装置を模式的に示す図である。図８Ａは、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向から冷却装置１００を視た図である。図８Ｂは、溶融めっき鋼板ＰＳの厚さ方向（溶融めっき鋼板ＰＳの表面に直交する方向）から冷却装置１００を視た図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、矢印Ｚは、溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向を示している。溶融めっき鋼板ＰＳは、めっき浴槽から引き上げられた後、鉛直上向きの搬送方向Ｚに沿って搬送される。

冷却装置１００は、溶融めっき鋼板ＰＳの搬送経路において、ワイピングノズル（図示省略）の上方に設置されている。なお、周知のように、ワイピングノズルとは、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にワイピングガスを噴射することにより、めっき層の厚さを調整するためのノズルである。冷却装置１００は、溶融めっき鋼板ＰＳを挟んで互いに対向するように配置された一対の冷却ガス噴射装置１０１及び１０２を備えている。

冷却ガス噴射装置１０１は、溶融めっき鋼板ＰＳの一方の表面に対して冷却ガスＧｃを垂直に噴射する。冷却ガス噴射装置１０２は、溶融めっき鋼板ＰＳの他方の表面に対して冷却ガスＧｃを垂直に噴射する。このように、一対の冷却ガス噴射装置１０１及び１０２から溶融めっき鋼板ＰＳの両面に冷却ガスＧｃが噴射されると、冷却装置１００の入口から溶融めっき鋼板ＰＳの両面に沿って下降する下降ガス流Ｇｄが発生する。

冷却装置１００の入口側において、溶融めっき鋼板ＰＳのめっき層は未凝固状態（表面に薄い酸化膜が形成された状態）である。また、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向における中央付近の下降ガス流Ｇｄの流速は、溶融めっき鋼板ＰＳのエッジ付近における下降ガス流Ｇｄの流速より速い。その結果、図８Ｂに示すように、冷却装置１００の入口側において、めっき層の表面に形成された酸化膜に半月状のシワ（風紋）Ｗが発生する。

上記のように、めっき層の酸化膜に半月状のシワＷが発生した状態で、溶融めっき鋼板ＰＳが冷却装置１００を通過すると、シワＷが発生した状態でめっき層が凝固する。このようなシワＷを有する溶融めっき鋼板ＰＳは、検査工程において外観不良品として選別されるので、シワＷの発生は溶融めっき鋼板ＰＳの歩留まり低下を招く。このようなシワＷは、特にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉなどを含む多成分系の合金めっき層のように、広い凝固温度範囲を有するめっき層を形成する場合に顕著に発生する。

シワＷの発生を回避する方法としては、冷却ガスＧｃの流量を小さくすることにより、下降ガス流Ｇｄの発生を抑制する方法が挙げられる。しかしながら、冷却ガスＧｃの流量を小さくすると、冷却装置１００の冷却能力が低下する。その結果、めっき層の剥離の原因となる合金層の生成を十分に抑制できなくなったり、溶融めっき鋼板ＰＳの生産性の低下を招くという別の問題が発生する。

例えば、下記特許文献２には、冷却装置１００の冷却能力を低下させることなく、外観不良（シワＷ）の発生を抑制する技術として、冷却装置１００の下側（入口側）から溶融めっき鋼板ＰＳの表面に対して斜め上向きにガスを噴射するガスナイフを設けることで、冷却装置１００の入口から吹き出す下降ガス流Ｇｄを遮断する技術が開示されている。

日本国特開平１１−１０６８８１号公報 日本国特開２００４−５９９４４号公報

母材である鋼板の厚さ及びめっき層の厚さが薄い溶融めっき鋼板ＰＳを製造する場合、上記特許文献２に開示された技術は、外観不良（シワＷ）の発生を抑制する技術として有効である。

しかしながら、母材である鋼板の厚さが大きくなり、めっき層の厚さも大きくなる（めっき付着量が大きくなる）と、めっき層表面の酸化膜が、その自重によって溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向における中央付近から垂れ下がる場合がある。その場合、ガスナイフを用いて冷却装置１００の入口から吹き出す下降ガス流Ｇｄを遮断したとしても、めっき層の酸化膜に半月状のシワＷが発生する可能性がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、母材である鋼板の厚さ及びめっき層の厚さが厚い溶融めっき鋼板の製造過程において、溶融めっき鋼板の表面（めっき層の表面）にシワが発生することを抑制することの可能な溶融めっき鋼板の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る溶融めっき鋼板の冷却装置は、めっき浴から鉛直上向きに搬送される溶融めっき鋼板の搬送経路においてめっき厚制御装置の上方に設けられた冷却装置であって、前記溶融めっき鋼板に対して垂直に主冷却ガスを噴射する主冷却装置と；前記搬送経路において前記主冷却装置と前記めっき厚制御装置との間の予備冷却区間に設けられ、前記予備冷却区間に沿って設定された複数のガス衝突位置に対して予備冷却ガスを噴射する予備冷却装置と；を備え、前記予備冷却装置は、前記ガス衝突位置のそれぞれに対して斜め上向きに前記予備冷却ガスを噴射し；前記ガス衝突位置が前記予備冷却区間の下端に近いほど、前記予備冷却ガスの噴射方向と前記溶融めっき鋼板の搬送方向とのなす角が小さくなる。

（２）上記（１）に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記予備冷却区間に沿って設定された複数のガス衝突位置のうち、前記主冷却装置にもっとも近いガス衝突位置における前記予備冷却ガスの噴射方向を、前記溶融めっき鋼板の搬送方向に対して直角となっていてもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記予備冷却装置は、少なくとも最下段の前記ガス衝突位置での前記溶融めっき鋼板の表面温度を検出する温度センサと；少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置から前記溶融めっき鋼板の表面に沿って下向きに流れるガス流の流速を検出する第１流速センサと；前記温度センサから得られる温度検出結果及び前記第１流速センサから得られる流速検出結果に基づいて、めっき表面のしわを抑制するように、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの吐出流速を制御する第１制御装置と；を備えていてもよい。

（４）上記（１）に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記予備冷却装置が、少なくとも最下段の前記ガス衝突位置から前記溶融めっき鋼板の表面に沿って上向きに流れるガス流の流速を検出する第２流速センサと；前記第２流速センサから得られる流速検出結果に基づいて、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの吐出流速を制御する第２制御装置と；を備えていてもよい。
この場合、前記第２流速センサから得られる前記流速検出結果をＶｕ[ｍ／ｓ]と定義し、前記溶融めっき鋼板の表面にシワが発生する限界上昇流速をシワ発生限界上昇流速ＶＬ２[ｍ／ｓ]と定義したとき、前記第２制御装置が、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に関して下記条件式（１）が満たされるように、前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの前記吐出流速を制御してもよい。
｜Ｖｕ｜≦｜ＶＬ２｜ …（１）

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記予備冷却装置が、それぞれ別個に独立した複数の予備冷却ノズルを備えていてもよい。

（６）上記（５）に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記予備冷却装置が、互いに隣り合う前記予備冷却ノズルの間に、前記溶融めっき鋼板の冷却に使用された前記予備冷却ガスを排出するための隙間を備えていてもよい。

（７）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置において、前記主冷却装置と前記予備冷却装置とが一体的に構成されていてもよい。

上記態様によれば、母材である鋼板の厚さ及びめっき層の厚さが厚い溶融めっき鋼板の製造過程において、溶融めっき鋼板の表面（めっき層の表面）にシワが発生することを抑制することが可能である。

本発明の一実施形態に係る溶融めっき鋼板ＰＳの冷却装置１０を模式的に示す図（溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向から冷却装置１０を視た図）である。 本発明の一実施形態に係る溶融めっき鋼板ＰＳの冷却装置１０を模式的に示す図（溶融めっき鋼板ＰＳの厚さ方向から冷却装置１０を視た図）である。 予備冷却区間における最下段のガス衝突位置Ｐ１の周辺を拡大した図である。 板温が高い場合（めっき層の流動性が高い場合）に、めっき層の酸化膜が垂れ下がりやすい様子を示す模式図である。 板温が低い場合（めっき層の流動性が低い場合）に、めっき層の酸化膜が垂れ下がりにくい様子を示す模式図である。 冷却前の板温と、溶融めっき鋼板ＰＳの表面におけるシワ発生限界流速との関係を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向から従来の冷却装置１００を視た図である。 溶融めっき鋼板ＰＳの厚さ方向（溶融めっき鋼板ＰＳの表面に直交する方向）から従来の冷却装置１００を視た図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る溶融めっき鋼板ＰＳの冷却装置１０を模式的に示す図である。図１Ａは、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向から冷却装置１０を視た図である。図１Ｂは、溶融めっき鋼板ＰＳの厚さ方向（溶融めっき鋼板ＰＳの表面に直交する方向）から冷却装置１０を視た図である。

図１Ａに示すように、溶融めっき鋼板ＰＳの母材である鋼板Ｓは、スナウト１を介して溶融めっきポット２内の溶融めっき浴３に浸漬される。鋼板Ｓは、溶融めっきポット２内に配置された浴中折り返しロール４及び浴中支持ロール５を介して溶融めっき浴３から引き上げられた後、表面にめっき層が形成された溶融めっき鋼板ＰＳとして鉛直上向きに搬送される。

溶融めっき鋼板ＰＳの搬送経路（鉛直上向きを搬送方向Ｚとする搬送経路）において、溶融めっきポット２の上方の位置には、溶融めっき鋼板ＰＳのめっき層の厚さを制御するためのめっき厚制御装置６が配置されている。このめっき厚制御装置６は、溶融めっき鋼板ＰＳを挟んで互いに対向するように配置された一対のワイピングノズル７及び８を備えている。これらワイピングノズル７及び８のそれぞれから、溶融めっき鋼板ＰＳの厚さ方向に沿ってワイピングガスが噴射されることにより、溶融めっき鋼板ＰＳのめっき層の厚さが調整される。

冷却装置１０は、溶融めっき鋼板ＰＳの搬送経路において、めっき厚制御装置６の上方に配置されている。冷却装置１０は、主冷却装置２０及び予備冷却装置３０を備えている。主冷却装置２０は、溶融めっき鋼板ＰＳを挟んで互いに対向するように配置された一対の主冷却ガス噴射装置２１及び２２を備えている。

主冷却装置２０は、従来の冷却装置１００に相当し、主に溶融めっき鋼板ＰＳを強制的且つ速やかに冷却して、めっき層の剥離の原因となる合金層の生成を抑制する役割を担っている。すなわち、主冷却ガス噴射装置２１は、溶融めっき鋼板ＰＳの一方の表面（前面）に対して主冷却ガスＧｃを垂直に噴射する。主冷却ガス噴射装置２２は、溶融めっき鋼板ＰＳの他方の表面（後面）に対して主冷却ガスＧｃを垂直に噴射する。
なお、主冷却ガス噴射装置２１及び２２から主冷却ガスＧｃが噴射されると、従来の冷却装置１００と同様に、主冷却装置２０の入口から溶融めっき鋼板ＰＳの両面に沿って下降する下降ガス流Ｇｄが発生する。

図１Ｂに示すように、主冷却ガス噴射装置２１の表面のうち、溶融めっき鋼板ＰＳの前面に対向する表面には、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って延びる複数のスリットノズル２１ａが設けられている。これらのスリットノズル２１ａから主冷却ガスＧｃが溶融めっき鋼板ＰＳの前面に対して垂直に噴射されることにより、溶融めっき鋼板ＰＳの前面の全体に亘って主冷却ガスＧｃが均一に吹き付けられる。
なお、図１Ｂでは図示していないが、主冷却ガス噴射装置２２の表面のうち、溶融めっき鋼板ＰＳの後面に対向する表面にも、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って延びる複数のスリットノズルが設けられている。
また、主冷却ガス噴射装置２１及び２２に設けられる主冷却ガス噴射用のノズルは、上記のスリットノズルに限定されない。例えば、主冷却ガス噴射用のノズルとして、スリットノズルに替えて丸ノズル等を用いてもよい。

予備冷却装置３０は、溶融めっき鋼板ＰＳの搬送経路において主冷却装置２０とめっき厚制御装置６との間の区間（予備冷却区間）に設けられており、主に予備冷却区間において溶融めっき鋼板ＰＳにシワＷが発生することを抑制する役割を担っている。予備冷却装置３０は、予備冷却区間に沿って設定された複数（本実施形態では一例として３つ）のガス衝突位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。

詳細には、予備冷却装置３０は、一対の第１予備冷却ノズル３１及び３２と、一対の第２予備冷却ノズル３３及び３４と、一対の第３予備冷却ノズル３５及び３６とを備えている。これらの予備冷却ノズルは、それぞれ、ノズル位置、予備冷却ガスＧｓの噴射方向、及び予備冷却ガスＧｓの吐出流速（吐出風量）を個別的に調整可能な独立したノズルである。

第１予備冷却ノズル３１は、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側からガス衝突位置Ｐ１に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。第１予備冷却ノズル３２は、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側からガス衝突位置Ｐ１に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。
図１Ｂに示すように、第１予備冷却ノズル３１及び３２は、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って延びるように構成されている。つまり、第１予備冷却ノズル３１及び３２から噴射される予備冷却ガスＧｓは、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って均一に噴射される。

図１Ａに示すように、第１予備冷却ノズル３１から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα１と定義する。また、第１予備冷却ノズル３２から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα２と定義する。第１予備冷却ノズル３１のなす角α１と第１予備冷却ノズル３２のなす角α２とは同一の値に設定されている。
なお、搬送方向Ｚにおいて、第１予備冷却ノズル３１の位置と第１予備冷却ノズル３２の位置とは同じである。つまり、第１予備冷却ノズル３１及び３２は、同一の高さ位置に設置されている。

第２予備冷却ノズル３３は、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側において第１予備冷却ノズル３１の上方に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側からガス衝突位置Ｐ２に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。第２予備冷却ノズル３４は、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側において第１予備冷却ノズル３２の上方に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側からガス衝突位置Ｐ２に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。
図１Ｂに示すように、第２予備冷却ノズル３３及び３４は、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って延びるように構成されている。つまり、第２予備冷却ノズル３３及び３４から噴射される予備冷却ガスＧｓは、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って均一に噴射される。

図１Ａに示すように、第２予備冷却ノズル３３から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα３と定義する。また、第２予備冷却ノズル３４から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα４と定義する。第２予備冷却ノズル３３のなす角α３と第２予備冷却ノズル３４のなす角α４とは同一の値に設定されている。
なお、搬送方向Ｚにおいて、第２予備冷却ノズル３３の位置と第２予備冷却ノズル３４の位置とは同じである。つまり、第２予備冷却ノズル３３及び３４は、同一の高さ位置に設置されている。

第３予備冷却ノズル３５は、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側において第２予備冷却ノズル３３の上方に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側からガス衝突位置Ｐ３に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。第３予備冷却ノズル３６は、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側において第２予備冷却ノズル３４の上方に配置されており、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側からガス衝突位置Ｐ３に対して斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する。
図１Ｂに示すように、第３予備冷却ノズル３５及び３６は、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って延びるように構成されている。つまり、第３予備冷却ノズル３５及び３６から噴射される予備冷却ガスＧｓは、溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向に沿って均一に噴射される。

図１Ａに示すように、第３予備冷却ノズル３５から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα５と定義する。また、第３予備冷却ノズル３６から噴射される予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角をα６と定義する。第３予備冷却ノズル３５のなす角α５と第３予備冷却ノズル３６のなす角α６とは同一の値に設定されている。
なお、搬送方向Ｚにおいて、第３予備冷却ノズル３５の位置と第３予備冷却ノズル３６の位置とは同じである。つまり、第３予備冷却ノズル３５及び３６は、同一の高さ位置に設置されている。

予備冷却装置３０において、ガス衝突位置が予備冷却区間の下端に近くなるほど、予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角が小さくなる。すなわち、なす角α１、α３及びα５は、下記関係式（１）を満たすように設定されている。また、なす角α２、α４及びα６は、下記関係式（２）を満たすように設定されている。
α５＞α３＞α１ …（１）
α６＞α４＞α２ …（２）
（ただし、α１＝α２、α３＝α４、α５＝α６）

上記のように、予備冷却装置３０が、互いに隣り合う予備冷却ノズルの間に、溶融めっき鋼板ＰＳの冷却に使用された予備冷却ガスＧｓを排出するための隙間を備えていてもよい。

図２は、予備冷却区間における最下段のガス衝突位置Ｐ１の周辺を拡大した図である。この図２に示すように、本実施形態における予備冷却装置３０は、温度センサ３１ａ及び３２ａと、第１流速センサ３１ｂ及び３２ｂと、第１制御装置３７とをさらに備えている。

温度センサ３１ａは、最下段のガス衝突位置Ｐ１での溶融めっき鋼板ＰＳの前面側の表面温度を検出し、その温度検出結果を示す信号を第１制御装置３７に出力する。温度センサ３２ａは、最下段のガス衝突位置Ｐ１での溶融めっき鋼板ＰＳの後面側の表面温度を検出し、その温度検出結果を示す信号を第１制御装置３７に出力する。

第１流速センサ３１ｂは、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）に沿って下向きに流れるガス流の流速を検出し、その流速検出結果を示す信号を第１制御装置３７に出力する。第１流速センサ３２ｂは、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）に沿って下向きに流れるガス流の流速を検出し、その流速検出結果を示す信号を第１制御装置３７に出力する。

第１制御装置３７は、温度センサ３１ａ及び３２ａから得られる温度検出結果及び第１流速センサ３１ｂ及び３２ｂから得られる流速検出結果に基づいて、第１予備冷却ノズル３１及び３２のそれぞれから最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。なお、第１制御装置３７の詳細な動作については後述する。

以下、上記のように構成された本実施形態に係る冷却装置１０の作用効果について説明する。
既に述べたように、母材である鋼板Ｓの厚さが大きくなり、めっき層の厚さも大きくなる（めっき付着量が大きくなる）と、めっき層表面の酸化膜が、その自重によって溶融めっき鋼板ＰＳの幅方向における中央付近から垂れ下がる場合がある。

図３Ａに示すように、酸化膜の垂れ下がりは、特にめっき層の凝固過程の初期段階、つまり、溶融めっき鋼板ＰＳがめっき浴から引き上げられた直後において、溶融めっき鋼板ＰＳの板温（つまり鋼板Ｓの板温）が高いことが原因でめっき層の流動性が高い段階において発生しやすいと考えられる。めっき層の流動性が高い段階では、主冷却装置２０の入口から吹き出す下降ガス流Ｇｄによって酸化膜の垂れ下がりも増幅されやすくなると考えられる。一方、図３Ｂに示すように、溶融めっき鋼板ＰＳの板温が低くなり、めっき層の凝固が進行してめっき層の流動性が低下すると、酸化膜は垂れ下がりにくくなると考えられる。

従って、めっき厚制御装置６と主冷却装置２０との間の搬送経路（つまり予備冷却区間）において、主冷却装置２０の入口から吹き出す下降ガス流Ｇｄを抑制しながら、溶融めっき鋼板ＰＳを予備的に冷却する（めっき層の凝固を促進する）ことが、酸化膜の垂れ下がりに起因するシワＷの発生を抑制するための対策として有効であると考えられる。

本願発明者は、上記対策の有効性を検証するために、従来の冷却装置１００を用いて、冷却前の板温と、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にシワＷが発生するシワ発生限界流速との関係を調査した。ここで、冷却前の板温とは、冷却装置１００の直下（冷却装置１００の入口側）で測定された溶融めっき鋼板ＰＳの温度である。また、シワ発生限界流速とは、冷却装置１００の直下で測定された、溶融めっき鋼板ＰＳの表面に沿って流れるガスの流速（シワＷが発生する最大流速）である。なお、上記関係の調査時において、溶融めっき鋼板ＰＳのめっき層を厚くするために、めっき付着量は片面当たり１５０ｇ／ｍ^２に設定された。

図４に示すように、冷却装置１００の直下において、溶融めっき鋼板ＰＳの表面に上向きのガス流が発生している場合、その流速が所定速度（限界上昇流速：図４では約６０ｍ／ｓ）以下であれば、板温に関係なくシワＷは発生しない。以下では、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にシワＷが発生する限界上昇流速（図４に示す６０ｍ／ｓ）をシワ発生限界上昇流速ＶＬ２[ｍ／ｓ]と定義する。一方、冷却装置１００の直下において、溶融めっき鋼板ＰＳの表面に下向きのガス流（下降ガス流Ｇｄに相当）が発生している場合、板温が高いほど、上向きのガス流よりも低い流速（限界下降流速）でシワＷが発生しやすくなる。以下では、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にシワＷが発生する限界下降流速をシワ発生限界下降流速ＶＬ１[ｍ／ｓ]と定義する。
なお、図４に示すシワ発生限界下降流速ＶＬ１を回帰式によって近似すると、シワ発生限界下降流速ＶＬ１は板温Ｔの二次関数である下記（３）式で表すことができる。下記（３）式において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは定数である。
ＶＬ１＝Ａ・（Ｔ−Ｃ）^２＋Ｂ・（Ｔ−Ｃ）−Ｄ …（３）

上記の調査結果から、板温が高いほど、つまり、めっき層の流動性が高いほど、下向きのガス流の流速が低くても、酸化膜の垂れ下がりが発生しやすくなることがわかった。これは、上述したように、めっき層の流動性が高いほど、酸化膜の自重によって酸化膜の垂れ下がりが発生しやすくなることが理由だと考えられる。従って、酸化膜の垂れ下がりを抑制するには、板温が高いほど、下向きのガス流をより抑制する必要がある。

以上のような調査結果により、上記対策の有効性が確認された。本願発明者は、上記の調査結果に基づき、酸化膜の垂れ下がりに起因するシワＷの発生を抑制するための対策として、以下の２つの対策を見出した。
（対策１）めっき厚制御装置６と主冷却装置２０との間の搬送経路（予備冷却区間）に沿って設定された複数のガス衝突位置に対して斜め上向きに予備冷却ガスを噴射する。
（対策２）ガス衝突位置が予備冷却区間の下端に近くなるほど（つまり、板温が高いほど）、予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角を小さくする。

上記対策１を採用することにより、主冷却装置２０の入口から吹き出す下降ガス流Ｇｄを抑制しながら、溶融めっき鋼板ＰＳを予備的に冷却する（めっき層の凝固を促進する）ことが可能となる。また、上記対策２を採用することにより、板温が高いほど（つまり、めっき層の流動性が高いほど）、下降ガス流Ｇｄをより抑制することが可能となる。予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角を小さくすると、酸化膜を予備冷却ガスＧｓによって斜め下方から支える効果も得られるので、酸化膜の垂れ下がりをより効果的に抑制することができる。

本実施形態に係る冷却装置１０は、上記対策１及び２を実現する予備冷却装置３０を備えている。すなわち、予備冷却装置３０は、予備冷却区間に沿って設定された３つのガス衝突位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に対して、溶融めっき鋼板ＰＳの前面側から斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する３つの予備冷却ノズル（第１予備冷却ノズル３１、第２予備冷却ノズル３３及び第３予備冷却ノズル３５）と、ガス衝突位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に対して、溶融めっき鋼板ＰＳの後面側から斜め上向きに予備冷却ガスＧｓを噴射する３つの予備冷却ノズル（第１予備冷却ノズル３２、第２予備冷却ノズル３４及び第３予備冷却ノズル３６）とを備えている。

さらに、予備冷却装置３０において、ガス衝突位置が予備冷却区間の下端に近くなるほど、予備冷却ガスＧｓの噴射方向と溶融めっき鋼板ＰＳの搬送方向Ｚとのなす角が小さくなる。すなわち、第１予備冷却ノズル３１のなす角α１、第２予備冷却ノズル３３のなす角α３及び第３予備冷却ノズル３５のなす角α５は、下記関係式（１）を満たすように設定されている。また、第１予備冷却ノズル３２のなす角α２、第２予備冷却ノズル３４のなす角α４及び第３予備冷却ノズル３６のなす角α６は、下記関係式（２）を満たすように設定されている。
α５＞α３＞α１ …（１）
α６＞α４＞α２ …（２）
（ただし、α１＝α２、α３＝α４、α５＝α６）

このような対策１及び２を実現する予備冷却装置３０の構成により、母材である鋼板Ｓ及びめっき層が厚い場合であっても、めっき厚制御装置６から主冷却装置２０までの予備冷却区間の全体に亘って、めっき層表面の酸化膜の垂れ下がりを抑制することができる。従って、本実施形態に係る冷却装置１０によれば、母材である鋼板Ｓの厚さ及びめっき層の厚さが厚い溶融めっき鋼板ＰＳの製造過程において、溶融めっき鋼板ＰＳの表面（めっき層の表面）にシワＷが発生することを抑制することが可能である。

ここで、本実施形態において、温度センサ３１ａから得られる温度検出結果（最下段のガス衝突位置Ｐ１での溶融めっき鋼板ＰＳの前面側の表面温度）をＴ[℃]と定義する。また、第１流速センサ３１ｂから得られる流速検出結果（最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）に沿って下向きに流れるガス流の流速）をＶｄ[ｍ／ｓ]と定義する。さらに、上記のように、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にシワＷが発生する限界下降流速をシワ発生限界下降流速ＶＬ１[ｍ／ｓ]と定義する。

本実施形態における予備冷却装置３０の第１制御装置３７は、温度センサ３１ａから得られる温度検出結果Ｔ及び第１流速センサ３１ｂから得られる流速検出結果Ｖｄに基づいて、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して下記（３）式及び（４）式が満たされるように、第１予備冷却ノズル３１からガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。
ＶＬ１＝Ａ・（Ｔ−Ｃ）^２＋Ｂ・（Ｔ−Ｃ）−Ｄ …（３）
｜Ｖｄ｜≦｜ＶＬ１｜ …（４）

また、溶融めっき鋼板ＰＳの凝固開始温度をＴｓ[℃]と定義したとき、第１制御装置３７は、温度センサ３１ａから得られる温度検出結果Ｔが、下記条件式（５）を満足する場合に、上記のような吐出流速の制御を行う。この理由は、下記条件式（５）で表される温度範囲でのみ、シワ発生限界下降流速ＶＬ１を表す上記（３）式が成立するからである。
Ｔｓ−４９≦Ｔ≦Ｔｓ＋９ …（５）

以上のような予備冷却ガスＧｓの吐出流速制御により、ガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）に沿って下向きに流れるガス流の流速Ｖｄが、板温Ｔに関係なく、シワ発生限界下降流速ＶＬ１より小さくなる。その結果、溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）にシワＷが発生することを抑制することができる（図４参照）。

同様に、第１制御装置３７は、温度センサ３２ａから得られる温度検出結果Ｔ及び第１流速センサ３２ｂから得られる流速検出結果Ｖｄに基づいて、温度センサ３２ａから得られる温度検出結果Ｔが、上記条件式（５）を満足する場合に、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して上記（３）式及び（４）式が満たされるように、第１予備冷却ノズル３２からガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。
これにより、ガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）に沿って下向きに流れるガス流の流速Ｖｄが、板温Ｔに関係なく、シワ発生限界下降流速ＶＬ１より小さくなる。その結果、溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）にシワＷが発生することを抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、最下段のガス衝突位置Ｐ１での溶融めっき鋼板ＰＳの表面温度と、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面に沿って下向きに流れるガス流の流速とを検出し、それらの検出結果に基づいて、最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する場合を例示した。

これに限らず、２つのガス衝突位置Ｐ１及びＰ２に関して上記（３）式及び（４）式が満たされるように、又は、全てのガス衝突位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に関して上記（３）式及び（４）式が満たされるように、各予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御してもよい。すなわち、少なくとも、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して上記（３）式及び（４）式が満たされるように、各予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御すればよい。

（２）上記実施形態では、最下段のガス衝突位置Ｐ１での溶融めっき鋼板ＰＳの表面温度と、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面に沿って下向きに流れるガス流の流速とを検出し、それらの検出結果に基づいて、上記（３）式及び（４）式が満たされるように、最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する場合を例示した。

これに限らず、図５に示すような構成を備える予備冷却装置３０Ａを採用してもよい。この図５に示すように、本変形例における予備冷却装置３０Ａは、第１予備冷却ノズル３１及び３２（図示省略）と、第２予備冷却ノズル３３及び３４（図示省略）と、第３予備冷却ノズル３５及び３６とに加えて、第２流速センサ３１ｃ及び３２ｃと、第２制御装置３８とをさらに備えている。

第２流速センサ３１ｃは、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）に沿って上向きに流れるガス流の流速を検出し、その流速検出結果を示す信号を第２制御装置３８に出力する。第２流速センサ３２ｃは、最下段のガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）に沿って上向きに流れるガス流の流速を検出し、その流速検出結果を示す信号を第２制御装置３８に出力する。

第２制御装置３８は、第２流速センサ３１ｃ及び３２ｃから得られる流速検出結果に基づいて、最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。
ここで、第２流速センサ３１ｃから得られる流速検出結果をＶｕ[ｍ／ｓ]と定義し、溶融めっき鋼板ＰＳの表面にシワＷが発生する限界上昇流速をシワ発生限界上昇流速ＶＬ２[ｍ／ｓ]と定義する。図４に示すように、シワ発生限界上昇流速ＶＬ２は、例えば６０[ｍ／ｓ]一定である。
第２制御装置３８は、第２流速センサ３１ｃから得られる流速検出結果Ｖｕに基づいて、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して下記条件式（６）が満たされるように、第１予備冷却ノズル３１から最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。
｜Ｖｕ｜≦｜ＶＬ２｜ …（６）

以上のような本変形例における予備冷却ガスＧｓの吐出流速制御により、ガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）に沿って上向きに流れるガス流の流速Ｖｕが、板温Ｔに関係なく、シワ発生限界上昇流速ＶＬ２より小さくなる。その結果、溶融めっき鋼板ＰＳの表面（前面）にシワＷが発生することを抑制することができる（図４参照）。

同様に、第２制御装置３８は、第２流速センサ３２ｃから得られる流速検出結果Ｖｕに基づいて、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して上記条件式（６）が満たされるように、第１予備冷却ノズル３２から最下段のガス衝突位置Ｐ１に噴射される予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御する。
これにより、ガス衝突位置Ｐ１から溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）に沿って上向きに流れるガス流の流速Ｖｕが、板温Ｔに関係なく、シワ発生限界上昇流速ＶＬ２より小さくなる。その結果、溶融めっき鋼板ＰＳの表面（後面）にシワＷが発生することを抑制することができる。

なお、本変形例においても、２つのガス衝突位置Ｐ１及びＰ２に関して上記条件式（６）が満たされるように、又は、全てのガス衝突位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に関して上記条件式（６）が満たされるように、各予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御してもよい。すなわち、少なくとも、最下段のガス衝突位置Ｐ１に関して上記条件式（６）が満たされるように、各予備冷却ガスＧｓの吐出流速を制御すればよい。

（３）上記実施形態では、予備冷却区間に３つのガス衝突位置Ｐ１〜Ｐ３が設定され、予備冷却装置３０が、ガス衝突位置Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれに対応する３組（計６個）の予備冷却ノズルを備える場合を例示した。しかしながら、予備冷却区間に設定されるガス衝突位置の数は、上記実施形態に限定されず、２以上であればよい。また、ガス衝突位置の数に応じて、予備冷却ノズルの組数（総数）も適宜変更してもよい。

（４）上記実施形態では、予備冷却装置３０が、それぞれ別個に独立した複数の予備冷却ノズル（第１予備冷却ノズル３１及び３２、第２予備冷却ノズル３３及び３４、第３予備冷却ノズル３５及び３６）を備える場合を例示した。このような予備冷却装置３０の代わりに、例えば図６に示すような予備冷却装置４０を設けてもよい。

図６に示すように、予備冷却装置４０は、第１予備冷却ノズル３１、第２予備冷却ノズル３３及び第３予備冷却ノズル３５の機能を有する予備冷却ガス噴射装置４１と、第１予備冷却ノズル３２、第２予備冷却ノズル３４及び第３予備冷却ノズル３６の機能を有する予備冷却ガス噴射装置４２とを備えている。つまり、上記対策１及び２を実現可能な構成であれば、予備冷却装置３０のように、別個に独立した複数の予備冷却ノズルを使用する必要はない。

（５）上記実施形態では、主冷却装置２０と予備冷却装置３０とが、それぞれ別個に独立した装置である場合を例示した。これに対して、図７に示すように、主冷却装置２０と予備冷却装置３０とが一体的に構成されていてもよい。図７において、第１冷却ガス噴射装置５１が、主冷却ガス噴射装置２１と、第１予備冷却ノズル３１、第２予備冷却ノズル３３及び第３予備冷却ノズル３５との機能を有する。また、第２冷却ガス噴射装置５２が、主冷却ガス噴射装置２２と、第１予備冷却ノズル３２、第２予備冷却ノズル３４及び第３予備冷却ノズル３６との機能を有する。

本発明に係る冷却装置を用いて溶融めっき鋼板の予備冷却及び主冷却を行った後、溶融めっき鋼板の表面におけるシワの発生状況を検証した。表１及び表２に検証結果を示す。なお、表１及び表２において、「ノズル段数」とは、予備冷却区間におけるガス衝突位置の設定数に相当する。また、「ノズルＮｏ」とは、最下段の予備冷却ノズルから順に割り当てられた番号を示す。言い換えれば、「ノズルＮｏ」とは、最下段のガス衝突位置から順に割り当てられた番号を示す。

表１及び表２において、「角度α（°）」は、予備冷却ノズルからガス衝突位置に噴射される予備冷却ガスの噴射方向と、溶融めっき鋼板の搬送方向とのなす角（例えば、図１Ａに示すα１等参照）を示す。「上昇流速Ｖｕ（ｍ／ｓ）」は、ガス衝突位置から溶融めっき鋼板ＰＳの表面に沿って上向きに流れるガス流の流速の検出結果（第２流速センサから得られる流速検出結果）である。「下降流速Ｖｄ（ｍ／ｓ）」は、ガス衝突位置から溶融めっき鋼板ＰＳの表面に沿って下向きに流れるガス流の流速Ｖｄの検出結果（第１流速センサから得られる流速検出結果）である。表１及び表２では、上向きを正、下向きを負と定義しており、そのため、上昇流速Ｖｕを正の値で表し、下降流速Ｖｄを負の値で表している。「ノズル位置の板温Ｔ（℃）」は、ガス衝突位置での溶融めっき鋼板ＰＳの表面温度の検出結果（温度センサから得られる温度検出結果）である。

シワの発生状況について５段階評価を行った。すなわち、「×」は、製品としての合格ラインに達していないことを示す。「△」は、製品としての合格ラインにかろうじて達していることを示す。「○」は、製品としての合格ラインに余裕をもって達していることを示す。「◎」は、製品としての合格ラインに余裕をもって達していると共に、シワの少ない優れた外観を有することを示す。「◎◎」は、製品としての合格ラインに余裕をもって達していると共に、シワがほとんどない非常に優れた外観を有することを示す。

表１及び表２に示すように、本発明の実施例５〜１４に関しては、いずれも、シワの発生状況が製品としての合格ラインに達していた。特に、予備冷却区間に沿って設定された３つ以上のガス衝突位置に対して斜め上向きに予備冷却ガスを噴射する構成と、ガス衝突位置が予備冷却区間の下端に近いほど、予備冷却ガスの噴射方向と溶融めっき鋼板の搬送方向とのなす角αが小さくなる構成とが、シワの発生状況の評価が高いことが確認された。

これに対して、予備冷却ノズルが１段しかない（予備冷却区間におけるガス衝突位置の設定数が「１」）比較例１〜４に関しては、いずれも、シワの発生状況が製品としての合格ラインに達していないことが確認された。

１ スナウト
２ 溶融めっきポット
３ 溶融めっき浴
４ 浴中折り返しロール
５ 浴中支持ロール
６ めっき厚制御装置
７、８ ワイピングノズル
１０ 冷却装置
２０ 主冷却装置
２１、２２ 主冷却ガス噴射装置
２１ａ スリットノズル
３０、３０Ａ、４０ 予備冷却装置
３１、３２ 第１予備冷却ノズル
３３、３４ 第２予備冷却ノズル
３５、３６ 第３予備冷却ノズル
３１ａ、３２ａ 温度センサ
３１ｂ、３２ｂ 第１流速センサ
３１ｃ、３２ｃ 第２流速センサ
３７ 第１制御装置
３８ 第２制御装置
４１、４２ 予備冷却ガス噴射装置
５１ 第１冷却ガス噴射装置
５２ 第２冷却ガス噴射装置
ＰＳ 溶融めっき鋼板
Ｓ 鋼板
Ｚ 搬送方向
Ｗ シワ
Ｇｃ 冷却ガス
Ｇｄ 下降ガス流
Ｇｓ 予備冷却ガス
Ｐ１ ガス衝突位置

Claims (7)

1. めっき浴から鉛直上向きに搬送される溶融めっき鋼板の搬送経路においてめっき厚制御装置の上方に設けられた冷却装置であって、
   前記溶融めっき鋼板に対して垂直に主冷却ガスを噴射する主冷却装置と；
   前記搬送経路において前記主冷却装置と前記めっき厚制御装置との間の予備冷却区間に設けられ、前記予備冷却区間に沿って設定された複数のガス衝突位置に対して予備冷却ガスを噴射する予備冷却装置と；
   を備え、
   前記予備冷却装置は、前記ガス衝突位置のそれぞれに対して斜め上向きに前記予備冷却ガスを噴射し；
   前記ガス衝突位置が前記予備冷却区間の下端に近いほど、前記予備冷却ガスの噴射方向と前記溶融めっき鋼板の搬送方向とのなす角が小さくなる；
   ことを特徴とする溶融めっき鋼板の冷却装置。
2. 前記予備冷却区間に沿って設定された複数のガス衝突位置のうち、前記主冷却装置にもっとも近いガス衝突位置における前記予備冷却ガスの噴射方向を、前記溶融めっき鋼板の搬送方向に対して直角とする；
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。
3. 前記予備冷却装置は、
   少なくとも最下段の前記ガス衝突位置での前記溶融めっき鋼板の表面温度を検出する温度センサと；
   少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置から前記溶融めっき鋼板の表面に沿って下向きに流れるガス流の流速を検出する第１流速センサと；
   前記温度センサから得られる温度検出結果及び前記第１流速センサから得られる流速検出結果に基づいて、めっき表面のしわを抑制するように、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの吐出流速を制御する第１制御装置と；
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。
4. 前記予備冷却装置は、
   少なくとも最下段の前記ガス衝突位置から前記溶融めっき鋼板の表面に沿って上向きに流れるガス流の流速を検出する第２流速センサと；
   前記第２流速センサから得られる流速検出結果に基づいて、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの吐出流速を制御する第２制御装置と；
   を備え、
   前記第２流速センサから得られる前記流速検出結果をＶｕ[ｍ／ｓ]と定義し、
   前記溶融めっき鋼板の表面にシワが発生する限界上昇流速をシワ発生限界上昇流速ＶＬ２[ｍ／ｓ]と定義したとき、
   前記第２制御装置は、少なくとも前記最下段の前記ガス衝突位置に関して下記（１）式が満たされるように、前記最下段の前記ガス衝突位置に噴射される前記予備冷却ガスの前記吐出流速を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。
   ｜Ｖｕ｜≦｜ＶＬ２｜ …（１）
5. 前記予備冷却装置は、それぞれ別個に独立した複数の予備冷却ノズルを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。
6. 前記予備冷却装置は、互いに隣り合う前記予備冷却ノズルの間に、前記溶融めっき鋼板の冷却に使用された前記予備冷却ガスを排出するための隙間を備えることを特徴とする請求項５に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。
7. 前記主冷却装置と前記予備冷却装置とが一体的に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶融めっき鋼板の冷却装置。

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