JP6477919B2 - 高温金属の冷却方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高温金属の冷却方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法に関するものである。

鉄鋼分野においては、鉄鋼製品の製造工程の種々の場面で、搬送中の高温金属に冷却液を供給して高温金属を冷却する工程が存在する。

例えば、一般に、合金化溶融亜鉛めっき鋼帯は、図１のような連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００を用いて以下のように製造される。まず、図示しない連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０に連続的に導入され、ここで鋼帯Ｓに溶融亜鉛めっきが施される。鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０中のシンクロール３２によって、その進行方向が上方になる。鋼帯Ｓは、一対のサポートロール３４に導かれながら溶融亜鉛めっき浴３０の上方に引き上げられた後、ガスワイピング装置３６でめっき付着量が調整される。その後、鋼帯Ｓが合金化処理を施す鋼種の場合には、合金化炉３８で鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきが加熱合金化される。鋼帯Ｓが合金化を施さない鋼種の場合、鋼帯Ｓは合金化炉３８を通過するが、加熱はされない。その後、ミスト冷却装置１０で冷却液を微細化した液滴群を鋼帯Ｓに向けて噴射して、鋼帯Ｓを冷却する。

このような溶融亜鉛めっき後、あるいは合金化後の冷却方法としては、空気等の気体を噴射する冷却（ガス冷却）と、図１のように冷却液を微細化した液滴群を噴射する冷却（ミスト冷却）とがある。ミスト冷却は、ガス冷却よりも冷却効率が高いため、限られた冷却設備長で、高い冷却速度で冷却を行うことができ、生産性を向上できるため好適に用いられる。

ここで、このミスト冷却を初めとして、冷却液による高温金属の冷却においては、単に冷却液の供給量を増加させるのみでは、冷却能力の増加に限界があった。図６は、高温金属の表面温度と冷却能力（熱伝達係数）との関係を示したものである。図６から明らかなように、冷却液量が一定の場合、表面温度が高い段階（図６中の膜沸騰領域）では、冷却能力が低くなる。これは、図７に示すように、鋼帯Ｓ表面と冷却液Ｌとの間に蒸気膜Ｍが多く発生して、この蒸気膜Ｍが鋼帯Ｓの表面と冷却液Ｌとの直接接触を妨げるからである。

また、搬送中の高温金属に冷却には、冷却能力の増加に加えて、冷却ムラの抑制、すなわち均一な冷却も必要とされる。例えば、溶融亜鉛めっき鋼板は、板幅が１０００ｍｍを超え、最大板幅は１９００ｍｍに迫ることもあるところ、幅方向での品質均一性が必要とされる。しかし、幅方向での冷却ムラの制御は容易ではなく、冷却ムラがあると、材質が不均一になったり、形状の変化によって蛇行が発生することがある。特に、冷却能力の増加を志向して冷却液を増加させた場合、図６に示す遷移沸騰領域での冷却となり、冷却ムラが顕著になる。

膜沸騰領域での冷却能力を向上させることを志向した技術として、特許文献１がある。特許文献１には、高温金属を冷却水を用いて冷却するに際し、電極を該冷却水を介して高温金属の表裏もしくは周囲に配置し、かつ高温金属をも電極として蒸気膜発生領域に電圧１００〜２０００Ｖの電場を掛け、この電場によって高温金属面に発生する蒸気膜を破壊しつつ、冷却することを特徴とする高温金属の冷却方法が記載されており、この冷却を厚板の調質冷却に適用した例が記載されている。

また、特許文献２には、金属熱処理の冷却工程において、冷却媒として液体に気体の微小気泡を分散させた液体−気体混合液を用い、該微小気泡の均一分散状態を保持することにより被冷却材の蒸気膜形成を阻止して均一且つ安定な冷却を可能にすることを特徴とする金属熱処理の冷却方法が記載されている。特許文献２では、液量、液温、気体含有率（ボイド率）を制御することで冷却能を制御することができるとされており、この冷却方法を鋼の浸炭焼入れに適用することが記載されており、実施例として浸漬方式の冷却（浸炭焼入れ）が記載されている。

特開平５−６９０２９号公報 特開昭６０−５５６１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、高圧の電場を発生させるため、大型の電源や設備が必要となり、設備費やランニングコストが高くなってしまう。また、感電しないよう安全面に関して多大な配慮が必要である。また、この方法では、金属自身にも通電させるため、冷却対象の金属も加熱されることから、やはり冷却能力の向上は十分ではなく、また、冷却ムラも発生しやすく、金属の変形が生じたり、均一な組織が得られないという問題もある。

また、特許文献２に記載の方法では、空気泡径が0.1〜1ｍｍの微小気泡を分散させた液体−気体混合液を用いている。特許文献２には、この冷却方法によって被冷却材の蒸気膜形成を阻止して均一且つ安定な冷却が可能である旨が記載されている。しかしながら、特許文献２では、どのようなメカニズムで蒸気膜形成が阻止できるのかについて何ら検討されていない。本発明者らが検討したところ、0.1〜1ｍｍの微小気泡を分散させた冷却液では、やはり十分な冷却能を得ることができず、また、冷却ムラも発生しやすいことが判明した。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力を十分に向上し、かつ、均一な冷却が可能な、噴射液体による高温金属の冷却方法、及び該方法を用いた溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するべく本発明者らは、冷却液中に気泡径が所定値以下のマイクロバブルを含有させることを検討した。これは、マイクロバブルが金属表面に付着し、圧壊することで生じた圧力によって、冷却液の膜沸騰で生成した蒸気膜が破壊され、その結果、冷却能力が向上するのではないかという着想に基づく。圧壊現象とは、ごく小さな気泡が液中の圧力で縮小することにより、気泡内部の圧力が急上昇し、限界を超えると高圧状態になり、大きな衝撃を発生する現象であり、ミリバブルやセンチバブルでは生じず、マイクロバブルに特有に生じる現象である（Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn., 64, 4-10 (2010)参照）。本発明者らの検討によると、この圧壊現象は、特許文献２に記載されている0.1ｍｍ以上といった比較的粗大な気泡を分散させた冷却液では、ほとんど発生しない。

マイクロバブルを含有する液体は、これまで食物の長期保存や水の浄化作用向上などの分野においては利用されてきたが、搬送されている高温金属の冷却には用いられていなかった。本発明者らは、気泡径が所定値以下のマイクロバブルを含有した冷却液を用いて、搬送されている高温金属を膜沸騰領域で冷却したところ、マイクロバブルを含まない従来の冷却液を用いた場合に比べて、飛躍的に冷却能力が向上することを見出した。これは、マイクロバブルの圧壊現象により蒸気膜が破壊されたためと考えられる。また、通常のミストでは冷却液量を増加させて、冷却ムラを甘受しないと達成できない冷却能力を、本発明ではマイクロバブル含有液を用いて少ない冷却液量で達成できる。そのため、冷却能力の向上のみならず、均一な冷却も可能である。

上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする高温金属の冷却方法。

（２）前記冷却液を液滴として噴射し、前記液滴により前記高温金属を冷却する、上記（１）に記載の高温金属の冷却方法。

（３）前記液滴がミストである、上記（２）に記載の高温金属の冷却方法。

（４）前記冷却液を液流として噴射して、前記液流を前記高温金属に衝突させて、前記液流により前記高温金属を冷却する、上記（１）に記載の高温金属の冷却方法。

（５）前記マイクロバブルの平均直径が20μｍ以下である、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（６）前記マイクロバブルの平均直径が1μｍ以下である、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（７）前記マイクロバブルの平均直径が0.01μｍ以上0.2μｍ以下である、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（８）前記高温金属が溶融金属めっき鋼帯である、上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（９）前記溶融金属めっき鋼帯が溶融亜鉛めっき鋼帯である、上記（８）に記載の高温金属の冷却方法。

（１０）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、溶融めっき後に合金化処理された合金化溶融亜鉛めっき鋼帯である、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。

（１１）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：1.0〜10質量％、Mg：0.2〜1.0質量％、及びNi：0.005〜0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。

（１２）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：25〜75質量％、及びSi：0.5〜10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。

（１３）前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を容積式ポンプにて行う、上記（１）〜（１２）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（１４）前記容積式ポンプがダイヤフラムポンプである、上記（１３）に記載の高温金属の冷却方法。

（１５）前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を、ポンプを用いずに行う、上記（１）〜（１２）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。

（１６）連続溶融亜鉛めっき設備を用いて、鋼帯を焼鈍し、その後前記鋼帯に溶融亜鉛めっきを施し、その後冷却液を微細化した液滴群を前記鋼帯に向けて噴射して前記鋼帯を冷却する溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法であって、
前記冷却を、上記（３）に記載の高温金属の冷却方法を用いて行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。

（１７）前記冷却に先立ち、前記鋼帯に施された亜鉛めっきを加熱合金化する、上記（１６）に記載の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。

本発明の高温金属の冷却方法によれば、噴射液体による高温金属の冷却方法において、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力の十分な向上と均一な冷却を実現できる。本発明の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法によれば、美麗な表面外観を有する溶融亜鉛めっき鋼帯を製造することができる。

本発明の一実施形態で用いる連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００の模式図である。 （Ａ）は、図１に記載されたミスト冷却装置１０の部分模式図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のヘッダ１セットを抜粋した図である。 図１に記載されたミスト冷却装置１０の模式図である。 本発明の一実施形態で用いる、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態で用いる、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの他の例を示す模式図である。 冷却液による高温金属に冷却において、高温金属の表面温度と冷却能力との関係を示す概念図である。 図６の膜沸騰領域における鋼帯Ｓの冷却態様を示す図である。 冷却水中の気泡粒径と熱伝達係数との関係を示すグラフである。

本発明の高温金属の冷却方法は、搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする。この冷却方法を用いる一実施形態として、図１〜図４を参照して、溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却の例を説明する。

本発明の一実施形態による溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法で用いる連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００は、図１を参照して、焼鈍炉（図示せず）、溶融亜鉛めっき浴３０、シンクロール３２、サポートロール３４、ガスワイピング装置３６、合金化炉３８、ミスト冷却装置１０、走査型放射温度計４０、及びトップロール４２を有する。

図示しない連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０に連続的に導入され、ここで鋼帯Ｓに溶融亜鉛めっきが施される。鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０中のシンクロール３２によって、その進行方向が上方になる。鋼帯Ｓは、一対のサポートロール３４に導かれながら溶融亜鉛めっき浴３０の上方に引き上げられた後、ガスワイピング装置３６でめっき付着量が調整される。その後、鋼帯Ｓが合金化処理を施す鋼種の場合には、合金化炉３８で鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきが加熱合金化される。鋼帯Ｓが合金化を施さない鋼種の場合、鋼帯Ｓは合金化炉３８を通過するが、加熱はされない。その後、ミスト冷却装置１０で冷却液を微細化した液滴群を鋼帯Ｓに向けて噴射して、鋼帯Ｓを冷却する。その後、トップロール４２近傍で放射温度計４０によって鋼帯温度が測定される。

冷却装置１０の構成を、図２（Ａ），（Ｂ）、及び図３を参照して説明する。冷却装置１０の主要部分は、ノズルヘッダ１２と、これに取り付けられたノズル１４である。ノズルヘッダは、図示されている空気ヘッダと、その内部に配置され、図示されていない水用ヘッダがある。空気用ヘッダ及び水用ヘッダのそれぞれには、所定の圧力に加圧された空気及び冷却液としての水が供給される。空気及び水はノズル１４の内部で混合され、その結果、水は微細化され、ノズル１４の開口部から液滴群が鋼帯Ｓに向けて噴霧される。図２（Ｂ）に示すように、１つのノズルヘッダ１２には、その長手方向に所定間隔で複数個のノズル１４が取り付けられている。ノズルヘッダ１２は、その長手方向が鋼帯Ｓの幅方向と一致するように設置されているため、鋼帯Ｓを幅方向にわたり冷却できる。また、図２（Ａ）に示すように、ノズルヘッダ１２は冷却設備長に応じて鋼帯Ｓの進行方向に複数個配置される。さらに、ノズルヘッダ１２は、鋼帯Ｓの両面に配置されるので、鋼帯Ｓの表面及び裏面を冷却できる。冷却液は特に限定されないが、水を主成分とするものであることが好ましく、純水であることが最も好ましい。

幅方向のノズルピッチは、ノズル１４単独での広がり角を調査して、幅方向に均一な水量を鋼帯Ｓに噴射することができるように適宜決定することができる。また、特に図示はしないが、鋼帯Ｓの進行方向に隣接するノズル列同士で、ノズルの幅方向位置は、幅方向ノズルピッチの1/2〜1/5程度ずつずらすことが望ましい。

図３を参照して、ノズル１４から噴射されたミストは鋼帯Ｓに衝突し、蒸発するか、あるいは跳ね返って排気ダクト１６から回収される。冷却ボックス内壁やノズルヘッダ１２に接触して結露した液滴は下方に流下し、水受けパン１８で回収される。冷却ボックス最下部には、下部への水漏れを防止するためのシール装置が設けられている。シール装置としては、例えば、鋼帯表面に圧力溜まりを形成する静圧パッド２０と、鋼帯近傍で上昇流を形成するガスノズル２２などが挙げられる。ただし、シール装置はこの形態に限るものではない。

冷却装置１０の構造は、液滴群を噴霧可能な装置であれば、上記で説明したものには限定されない。

ここで、本実施形態では、マイクロバブルを含有した冷却液をノズルヘッダ１２に供給し、この冷却液をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯Ｓを冷却する。

合金化溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却の場合、冷却装置１０に供される鋼帯Ｓの温度（冷却開始時の鋼帯Ｓの温度）は、溶融亜鉛の成分や合金化温度にも依存するが、一般的に340〜550℃となる。そして、トップロール４２通過時の鋼帯Ｓの温度は、300℃以下であることが好ましく、150〜250℃程度とすることがより好ましい。300℃を超えると、溶融亜鉛がトップロール４２に付着することで、鋼帯Ｓの表面に疵が発生して、鋼帯Ｓの表面外観が劣るおそれがあるからである。

このような温度帯域での冷却は、既述の図６に示す膜沸騰領域での冷却を含む。この領域での冷却は、温度変化に対して冷却能力の変化が小さく、安定した熱流速が得られる状態であるため、鋼帯Ｓの冷却ムラ抑制の観点からは好ましいが、冷却能力が比較的低い点が難点である。しかしながら、本実施形態によれば、マイクロバブルを含有した冷却液をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯Ｓを冷却するため、マイクロバブルを含まない従来の冷却液を用いた場合に比べて、飛躍的に冷却能力が向上する。これは、既述のマイクロバブルの圧壊現象により、蒸気膜が破壊されたためと考えられる。また、本実施形態では、通常のミストでは冷却液量を増加させて冷却ムラを甘受しないと達成できない冷却能力を、少ない冷却液量で達成できる。そのため、遷移沸騰領域での冷却を回避することができるため、冷却能力の向上のみならず、均一な冷却も可能である。

本実施形態は、ミストにより鋼帯Ｓを冷却するものである。ここで、本明細書において「ミスト」とは、平均液滴直径がザウター平均で200μｍ以下の液滴群を意味するものとする。ミストの平均液滴直径の下限は特に限定されないが、ミスト中にマイクロバブルを安定して含有させる観点から、ザウター平均で70μｍとすることが好ましい。ミストの直径は、液滴にレーザー光を照射して測定することができる。なお、ミストの直径は、ノズル１４の噴霧口の直径と、ノズルヘッダ１２内での液体（水）の流速とを制御することにより適宜調整することができる。

本発明において、「マイクロバブル」とは、直径が50μｍ以下の気泡を意味し、直径がナノメートルオーダーのナノバブルとも呼ばれる気泡をも含むものである。直径50μｍを超えるような粗大な気泡を含有する冷却液では、既述の圧壊現象はほとんど生じないが、マイクロバブルを含有する冷却液では、既述の圧壊現象が生じることにより、飛躍的に冷却能力が向上する。

マイクロバブルによる圧壊現象をより顕著に生じさせて、冷却能力をさらに向上させる観点から、マイクロバブルの平均直径は、20μｍ以下とすることが好ましく、10μｍ以下とすることがより好ましく、1μｍ以下とすることがさらに好ましく、0.2μｍ以下とすることが最も好ましい。また、マイクロバブルが小さすぎると、冷却液中での安定性はより高まるが、反面、圧壊作用が失われるため、平均直径は0.01μｍ以上とすることが好ましい。

気泡粒径と熱伝達係数の関係を図８に示す。実験は以下の方法で行った。SUS304（板厚1.0mm×縦200mm×横200mm）の切板の中心部に熱電対を取り付け、マイクロバブル水が2L入った水槽に沈め、浸漬冷却を行った。冷却水の温度は20℃、冷却水中の気泡混合量は10⁹個／Ｌとした。ミスト中の気泡粒径を0.01μｍ、0.1μｍ、0.2μｍ、0.5μｍ、1μｍ、2μｍ、5μｍ、10μｍ、20μｍ、30μｍ、40μｍ、50μｍの１２水準として、500℃に加熱した切板を20℃にまで冷却した。熱伝達係数は、取りつけた熱電対の温度から算出し、鋼板温度100〜200℃の平均値である。図８中、破線はマイクロバブル水を含まない純水で冷却した際の熱伝達係数である。50μｍ以上では、純粋冷却よりも１割程度しか熱伝達係数が増加しないのに対し、20μｍでは２割以上熱伝達係数が増加している。1μｍ以下では、熱伝達係数は８割増加でほぼ一定値を示しているが、マイクロバブルの粒径が小さいほどマイクロバブルの浮上速度が遅くなるため、0.2μｍ以下とすることがより望ましい。

本実施形態は、ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関するものであることから、マイクロバブルはミストに安定に保持される必要がある。そのため、本実施形態のようなミスト冷却の場合には、この観点からも、ノズルヘッダ１２に供給する冷却水におけるマイクロバブルの平均直径は、20μｍ以下とすることが好ましく、10μｍ以下とすることがより好ましく、1μｍ以下とすることがさらに好ましく、0.2μｍ以下とすることが最も好ましい。

本発明において、「気泡の平均直径」は、冷却液を10ｍＬ採取し、粒度分布測定装置で測定し、得られた粒度分布を平均化して求めた分布のザウター平均値と定義する。気泡分布の測定法は、気泡にレーザー光を照射すると発生する回折・散乱光を測定し、その散乱光パターンから粒径を算出するレーザー回折・散乱光法を採用する。

ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関する本実施形態において、冷却液中の気泡の混合量は、特に限定されないが、冷却能力が向上する効果を十分に得る観点から、1×10⁸個／Ｌ以上とすることが好ましく、1×10⁹個／Ｌ以上とすることがより好ましく、1×10¹¹個／Ｌ以上とすることがさらに好ましい。気泡の混合量の上限は特に限定されないが、バブル生成の容易性の観点から、1×10¹⁴個／Ｌ以下とすることができる。なお、「気泡の混合量」は、上記気泡の平均直径と同様に、冷却液を10ｍＬ採取し、粒度分布測定装置で粒子数（気泡数）から測定することができる。

マイクロバブル中の気体は、特に限定されないが、窒素、空気、酸素等、水への溶解度が小さい気体が望ましい。溶解度が小さいほど、気泡の内圧が高い状態で圧壊するため、蒸気膜を除去しやすくなり冷却能力の向上が見込まれるからである。

ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関する本実施形態において、鋼帯に供給する冷却液の量は、特に限定されないが、0.05〜0.8Ｌ／分とすることが好ましい。0.05Ｌ／分以上とすることによって、冷却能力の向上の効果を十分に得ることができ、0.8Ｌ／分以下とすることによって、冷却ムラの抑制の効果を十分に得ることができる。なお、従来のマイクロバブルを含有しないミストを用いる場合、0.45Ｌ／分を超えると冷却ムラを抑制する効果が不十分となり、形状の変化によって蛇行が発生していたが、本実施形態のようにマイクロバブルを含有するミストを用いることによって、冷却ムラが十分に抑制される冷却水量の上限を高めることができる。

本発明において、マイクロバブル含有液の製造方法は特に限定されず、公知又は任意のマイクロバブル生成法を用いることができる。例えば、Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn., 64, 4-10 (2010)に記載されている、旋回液流式、スタティックミキサー式、エジェクター式、ベンチュリー式、加圧溶解式、細孔式、回転式、超音波式、蒸気凝縮式、電気分解式などの気泡発生装置を用いることができる。

図４を参照して、本実施形態に適用可能な、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの一例を説明する。気泡発生装置５０に連結する２系統の配管を通して、淡水及び気体を気泡発生装置５０に流入させる。気泡発生装置５０でマイクロバブル含有冷却水が生成され、これが配管を介して貯蔵タンク６０に貯蔵される。貯蔵タンク６０中の冷却水は、ポンプ６２によって各ノズルヘッダ１２に分配・供給される。

ここで、気泡発生装置５０に流入する淡水と気体の流入量は、上記冷却水中の気泡の混合量となるように適宜決定して、バルブ５２，５６及びポンプ５４で調整すればよい。あるいは、放射温度計４０の測定値に基づいて、制御装置５８が好適な流入量を算出し、それぞれバルブ５２，５６で調整してもよい。本実施形態では、このような簡易な構成の装置でマイクロバブル含有冷却水を製造できる。

マイクロバブルを含有させる前の冷却水を移送するポンプ５４と、マイクロバブル含有冷却水を移送するポンプ６２の型式は特に限定されず、任意の容積式ポンプ、又は非容積式ポンプを用いることができる。容積式ポンプとしては、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ等の往復動ポンプや、ギヤーポンプ、偏心ポンプ、ネジポンプ等の回転ポンプを挙げることができる。非容積式ポンプとしては、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等を挙げることができる。

ただし、マイクロバブル含有冷却水を移送するポンプ６２は、容積式ポンプとすることが好ましい。容積式ポンプとは、一定容積の空間にある液を機械要素（ダイヤフラムポンプの場合にはダイヤフラム）の往復運動で容積変化させて、液体を移送するポンプである。この方式によれば、冷却水をかき混ぜないため、冷却水中のマイクロバブルの脱泡を防止しながら、所定の圧力で冷却水を移送することができる。そのため、より高い冷却能力を発揮することができる。容積式ポンプの中でも、ダイヤフラムポンプは最も冷却液を撹拌し難い構造なので、特に好ましい。一方、非容積式ポンプ（ターボ型ポンプ）は、羽根車をケーシング内で回転させ、液体を移送するポンプである。非容積式ポンプでは、羽根車が液体を撹拌するため、冷却水中のマイクロバブルが集合・合体し、気泡径が大きくなったマイクロバブルは脱泡しやすくなってしまう。そのため、マイクロバブルを含有した冷却水を移送する際には、容積式ポンプを用いるのが望ましい。

次に、図５を参照して、本実施形態に適用可能な、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの他の例を説明する。この製造システムは、気泡発生装置５０で生成されたマイクロバブル含有冷却水が、ポンプを使わずに配管を介してそのまま各ノズルヘッダ１２に分配・供給される。このような態様は、自吸式のミストノズルを使用する場合や、マイクロバブルを含有させる前の冷却水が既に0.1〜0.5MPaといった所定以上の高い圧力まで昇圧されている場合に、適用可能である。本態様では、マイクロバブル含有冷却水液の移送を、ポンプを用いずに行うので、マイクロバブルの脱泡を防止できる。そのため、より高い冷却能力を発揮することができる。

本実施形態では、冷却に先立ち、鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきを加熱合金化して得られる合金化溶融金属めっき鋼帯の冷却について説明したが、本発明はこれに限定されず、合金化を行わない溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却にも、同様に本発明の冷却方法を適用できる。

また、溶融亜鉛めっき鋼帯のめっき層の組成についても、特に限定されず、例えば、Al：1.0〜10質量％、Mg：0.2〜1.0質量％、及びNi：0.005〜0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成を有するものとすることもでき、Al：25〜75質量％、及びSi：0.5〜10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成を有するものとすることもできる。

本発明の高温金属の冷却方法は、溶融亜鉛めっき鋼帯のミスト冷却のみならず、搬送されている高温金属に冷却液を供給する方式での任意の冷却に適用可能である。例えば、ミストに限定されない液滴による冷却としては、連鋳機の二次冷却や熱延コイルのコイルヤード冷却を挙げることができる。

また、冷却液を液流として噴射して、当該液流を高温金属に衝突させて、当該液流により高温金属を冷却する方式としては、厚鋼板の調質冷却や熱延の仕上げ圧延出側のランナウトテーブルでの冷却を挙げることができる。

なお、本発明において冷却対象となる金属体の冷却開始時の温度は、当該金属体の冷却が膜沸騰領域となる温度であれば特に限定されない。なお、膜沸騰領域となる温度は、冷却対象の金属体の表面状態（例えば粗さ）と、冷却態様（冷却液の供給方法、例えばミスト冷却、スプレー冷却、浸漬による冷却）とに依存する。

（実施例１）
図１〜図４に示す連続合金化溶融亜鉛めっき設備を用いて、種々の条件で溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。当該設備に、板厚1.2ｍｍ×板幅1000ｍｍの焼鈍後の鋼帯を表１に示すライン速度で通板した。溶融亜鉛めっき浴に鋼帯を浸漬し、ガスワイピングで亜鉛付着量を50ｇ／ｍ²となるように調整した後、ミスト冷却装置で冷却して、表１に示す組成のめっき層の溶融亜鉛めっき鋼帯を得た。めっき浴の温度は、めっき組成に応じた適正値に調整し、表１に示した。本実施例では溶融亜鉛めっきの加熱合金化は行わなかった。排気ファンは、ダンパの連結部に一台設け、風量は3600ｍ³／hrの一定出力で運転した。

図４に示すマイクロバブル含有冷却水の製造システムで、マイクロバブル（窒素）を含有する冷却水を生成し、これをノズルヘッダに供給した。マイクロバブル含有冷却水を貯蔵タンクからノズルヘッダに移送するポンプには、容積式ポンプの一種であるダイヤフラムポンプ（株式会社タクミナ製、APL=50）を用いた。冷却装置としては、フラットスプレー型ノズルを鋼帯幅方向に200ｍｍ間隔で９箇所に設け、ノズルヘッダは鋼帯の進行方向に40段に設けた。鋼帯の進行方向に隣接するノズル列同士で、ノズルの幅方向位置は50ｍｍずつずれるように配置した。また、ノズルと鋼帯との距離は200ｍｍとした。

冷却水中の気泡の平均直径、冷却水中の気泡混合量、及び冷却水量は、表１に示した。なお、平均直径及び気泡混合量を測定するための冷却水サンプルは、気泡発生装置内から採取した。このようにして、冷却水をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯を冷却した。なお、本実施例において、ミストの平均液滴直径は100μｍとした。

各実施例において、冷却装置の出側位置に設置した放射温度計で、鋼帯の温度を測定した。測定温度を、表１の「トップロール通過板温」に示す。また、各実施例において製造された溶融亜鉛めっき鋼帯の表面外観を評価し、結果を表１に示す。

表１に示すように、種々のめっき種、気泡混合量、冷却水量、及ライン速度において、マイクロバブル含有冷却水を用いた発明例では、マイクロバブルを含まない通常の冷却水を用いた比較例よりも、トップロール通過板温を低くすることができた。その結果、発明例では美麗な表面外観の溶融亜鉛めっき鋼帯を得ることができた。これに対し、比較例ではトップロール通過板温が高いため、鋼帯表面に擦り疵が発生した。特に比較例のNo.17,21では、めっき層が軟らかいため、大きな擦り傷が発生した。また、比較例のNo.5では、No.1の発明例と同等のトップロール通過板温を得るべく、No.1〜4よりも冷却水量を増加させたが、冷却ムラに起因して鋼帯の蛇行が発生してしまった。

（実施例２）
マイクロバブル含有冷却水のノズルヘッダへの移送方式を変更した点以外は、発明例No.1と同じ条件及び方法で、発明例No.22,23として溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。めっき層組成及び浴温は、発明例No.1であり、Al：0.2質量％、Zn：残部の組成で、460℃とした。

発明例No.22では、図５に示すマイクロバブル含有冷却水の製造システムを用いて、ポンプを用いずにマイクロバブル含有冷却水液を移送して、ノズルヘッダに供給した。この際、マイクロバブルを含有させる前の冷却水の圧力をNo.1の0.05MPaから0.3MPaに高圧化した。

発明例No.23では、マイクロバブル含有冷却水を貯蔵タンクからノズルヘッダに移送するポンプとして、非容積式ポンプの一種である遠心ポンプ（株式会社荏原製作所製、200SZM）を用いた。

本実施例では、ポンプを通過する前後において、気泡の平均直径と冷却水中の気泡混合量を測定した。ポンプ通過前の冷却水は、気泡発生装置内から採取した。ポンプ通過後の冷却水は、ノズルヘッダまでの配管にサンプリング孔を設けて、そこから採取した。また、実施例１と同様にして、トップロール通過板温、鋼帯の表面外観、及び蛇行の有無を調査した。結果を表２に示す。

表２に示すように、ポンプを用いない発明例No.22は、容積式ポンプを用いた発明例No.1と同様に、トップロール通過板温を十分に低くすることができ、美麗な表面外観の溶融亜鉛めっき鋼帯を得ることができた。これらの場合、ポンプ通過前後で気泡の平均直径に変化はなかった。これに対して、非容積式ポンプを用いた発明例No.23では、発明例No.1,22に比べて、トップロール通過板温が高くなった。また、ポンプ通過後の気泡直径が、ポンプ通過前よりも大きくなってしまった。

本発明の高温金属の冷却方法によれば、噴射液体による高温金属の冷却方法において、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力の十分な向上と均一な冷却を実現できる。本発明の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法によれば、美麗な表面外観を有する溶融亜鉛めっき鋼帯を製造することができる。

１００ 連続合金化溶融亜鉛めっき設備
１０ ミスト冷却装置
１２ ノズルヘッダ
１４ ノズル
１６ 排気ダクト
１８ 水受けパン
２０ 静圧パッド
２２ ガスノズル
３０ 溶融亜鉛めっき浴
３２ シンクロール
３４ サポートロール
３６ ガスワイピング装置
３８ 合金化炉
４０ 放射温度計
４２ トップロール
５０ 気泡発生装置
５２ バルブ
５４ ポンプ
５６ バルブ
５８ 制御装置
６０ 貯蔵タンク
６２ ポンプ
Ｓ 鋼帯
Ｌ 冷却液
Ｍ 蒸気膜

Claims (17)

1. 搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属に対して膜沸騰領域での冷却を含む冷却を行うことを特徴とする高温金属の冷却方法。
2. 前記冷却液を液滴として噴射し、前記液滴により前記高温金属を冷却する、請求項１に記載の高温金属の冷却方法。
3. 前記液滴がミストである、請求項２に記載の高温金属の冷却方法。
4. 前記冷却液を液流として噴射して、前記液流を前記高温金属に衝突させて、前記液流により前記高温金属を冷却する、請求項１に記載の高温金属の冷却方法。
5. 前記マイクロバブルの平均直径が20μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
6. 前記マイクロバブルの平均直径が1μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
7. 前記マイクロバブルの平均直径が0.01μｍ以上0.2μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
8. 前記高温金属が溶融金属めっき鋼帯である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
9. 前記溶融金属めっき鋼帯が溶融亜鉛めっき鋼帯である、請求項８に記載の高温金属の冷却方法。
10. 前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、溶融めっき後に合金化処理された合金化溶融亜鉛めっき鋼帯である、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
11. 前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：1.0〜10質量％、Mg：0.2〜1.0質量％、及びNi：0.005〜0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
12. 前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：25〜75質量％、及びSi：0.5〜10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
13. 前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を容積式ポンプにて行う、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
14. 前記容積式ポンプがダイヤフラムポンプである、請求項１３に記載の高温金属の冷却方法。
15. 前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を、ポンプを用いずに行う、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
16. 連続溶融亜鉛めっき設備を用いて、鋼帯を焼鈍し、その後前記鋼帯に溶融亜鉛めっきを施し、その後冷却液を微細化した液滴群を前記鋼帯に向けて噴射して前記鋼帯を冷却する溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法であって、
    前記冷却を、請求項３に記載の高温金属の冷却方法を用いて行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
17. 前記冷却に先立ち、前記鋼帯に施された亜鉛めっきを加熱合金化する、請求項１６に記載の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。

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