JP7167331B2 - 溶融めっき鋼板の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、連続溶融亜鉛めっき工程で高耐食めっき鋼板を製造する時に、溶融めっき鋼板のエッジ部で発生する櫛目模様の表面欠陥を低減させることができる溶融めっき鋼板の冷却装置に関する。

一般に、溶融めっき鋼板は、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）などが単独もしくは２種以上混合されているか、これにマグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などが適正濃度で添加されている溶融状態のめっき浴に鋼板を通過させる方法により製造しためっき鋼板を意味する。

溶融めっき鋼板を製造する時には、鋼板の表面に付着した溶融金属が凝固される時点で大気中の酸素と反応することにより、めっき層の表面に酸化皮膜が生成されるようになる。この酸化皮膜は、溶融金属の凝固速度及び凝固特性を不均一にし、めっき層に種々の欠陥を誘発するが、特に、フローマークやウィスカ、レインマークなどのような表面欠陥を発生させ、製品の均一性、平滑性、及び光沢度を低下させる。

特に、マグネシウム、チタン、アルミニウムのような強酸化性物質が添加されている亜鉛系めっき浴では、酸化皮膜の生成程度が激しくなる。そのため、鋼板の耐食性及び美観を向上させるために表面を塗装する場合、美麗で且つ鮮映性に優れた塗装面を確保することが困難になっている。

かかる欠点を解決するために、めっき浴から引き上げられた鋼板のめっき量を制御する時に、大気中に露出された状態で既存の空気を用いたエアワイピングの代わりに、窒素ガスを用いたワイピングを行う方法により、亜鉛の酸化反応を減少させ、表面品質がより向上した溶融めっき鋼板を製造する技術が実用化されている。

例えば、韓国特許登録第１４１９５８５号公報では、めっき浴上にシーリングボックス（Ｓｅａｌｉｎｇ Ｂｏｘ）を設け、シーリングボックスの内部のワイピングノズルを介して窒素を投入することで、シーリングボックス内の雰囲気を非酸化性雰囲気に維持することにより、めっき層の表面に酸化皮膜が形成されないようにしている。

一方、高耐食めっき鋼板のめっき量が厚い場合には、酸化性表面欠陥だけでなく、溶融めっき鋼板のエッジ部で櫛目模様状の表面欠陥がさらに発生する。かかるエッジ部での櫛目模様の表面欠陥は、酸化性表面欠陥とは生成メカニズムが異なるため、シーリングボックスの他に別途の低減手段が求められる。

そこで、本発明は、溶融めっき鋼板のエッジ部で発生する櫛目模様の表面欠陥を低減させることができる装置を提供することで、例えば、高耐食めっき鋼板の高品質化を実現し、且つ生産性の向上に寄与することを目的とする。

本発明の一実施形態による冷却装置は、めっき槽を通過した鋼板にワイピングガスを噴射してめっき厚を調節するガスナイフと、上記ガスナイフの下流に設けられ、上記鋼板に冷却ガスを噴射して冷却させる欠陥防止部と、上記欠陥防止部を移動させるように駆動する移動部と、を含むことを特徴とする。

以上のように、本発明によると、鋼板の中心部の冷却により鋼板の幅方向に均一な凝固層が生成され、これにより、鋼板が垂直に移動する時に、めっきの表層部の均一な凝固層が、鋼板の幅方向に生じる表面張力を弱化させるだけでなく、結果として、櫛目模様の表面欠陥を低減させることができる。これにより、溶融めっき鋼板の表面品質及び生産性を向上させることができる効果が得られる。

本発明の一実施形態による冷却装置が適用される溶融めっき装置を概略的に示した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、溶融めっき鋼板のエッジ部で発生する櫛目模様の表面欠陥の生成メカニズムを説明するための図である。 本発明の一実施形態による冷却装置を示した側面図である。 本発明の一実施形態による冷却装置の作動状態を示した斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態による冷却装置に使用可能な欠陥防止部を示した正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態による冷却装置に使用可能な欠陥防止部の変形例を示した正面図である。

以下、本発明の例示的な図面を参照して詳細に説明する。各図面の構成要素に図面符号を付するにあたり、同一の構成要素にはたとえ異なる図面上に表示されていてもできるだけ同一の符号を有するようにしていることに留意すべきである。また、本発明を説明するにあたり、係る公知の構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態による冷却装置が適用される溶融めっき装置を概略的に示した図である。

溶融めっき装置は、溶融金属２が収容されためっき槽１と、このめっき槽から上側に引き上げられる鋼板Ｓにワイピングガス４を噴射してめっき厚を調節するガスナイフ３と、このガスナイフから離隔し、且つ鋼板が移送される上側領域を囲むように備えられたフレーム５と、を含んでいる。

選択的に、溶融めっき装置は、ガスナイフ３とフレーム５を取り囲み、且つめっき槽１の湯面を周辺の大気から隔離させるシーリングボックス１０をさらに含むことができる。

例えば、連続溶融亜鉛めっき工程において、鋼板Ｓは、熱処理炉（不図示）で焼鈍処理された後、スナウト（Ｓｎｏｕｔ）６を介して溶融金属２が満たされためっき槽１に進入し、めっき槽内のシンクロール（Ｓｉｎｋ Ｒｏｌｌ）７により方向が転換されて上部に進行するようになる。

シンクロール７の上部にはスタビライザーロール（Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ Ｒｏｌｌ）８及びコレクターロール（Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ Ｒｏｌｌ）９があり、これらのロールは、鋼板Ｓの前面と裏面を押しながら張力（Ｔｅｎｓｉｏｎ）による鋼板の反曲及び振動を抑える役割を果たす。

めっき槽１に浸漬されてめっき槽から取り出される時に、鋼板Ｓの表面には溶融金属２が付着する。溶融金属のめっき厚は、めっき槽の上部に設けられたガスナイフ３により噴射されるワイピングガス４によって調節可能である。

ガスナイフ３は一対で備えられており、鋼板Ｓの一側面と他側面のめっき量を調節することができる。

このようなガスナイフ３は、ガス供給管（不図示）を介してフレーム５と連結されることができるが、このフレームは、鋼板Ｓが移送されるガスナイフの上側領域を囲んでいる。

ワイピングガス４は、フレーム５とガス供給管を介してガスナイフ３に供給されることができる。このようなワイピングガスとしては、窒素やアルゴンなどの不活性ガスが用いられることができる。

シーリングボックス１０は、上述のように、ガスナイフ３とフレーム５を取り囲み、且つめっき槽１の湯面を周辺の大気から隔離させることができる。このようなシーリングボックスは、鋼板Ｓが垂直に通板できるように最小限の面積で形成された出入口１１のみを残し、めっき槽１を通過した鋼板Ｓの周りを遮蔽する。また、シーリングボックスとめっき槽の湯面との間は、シーリング部材（不図示）により密閉される。

シーリングボックス１０により形成された密閉空間には窒素やアルゴンなどの不活性ガスを注入することで、残存酸素濃度を下げ、不活性雰囲気、すなわち、無酸化雰囲気を形成することができる。また、シーリングボックス内の密閉空間の無酸化雰囲気を維持するために、ガスナイフ３は、ワイピングガス４として窒素やアルゴンなどの不活性ガスを持続的に噴射する。

シーリングボックス１０の出入口１１は、鋼板Ｓが垂直に通板する時に鋼板のめっき層にキズが生じないように、鋼板と接しないように鋼板の断面積よりは大きい開口面積を有するように形成される。

図２の（ａ）及び（ｂ）は、溶融めっき鋼板のエッジ部で発生する櫛目模様の表面欠陥の生成メカニズムを説明するための図である。

通常、鋼板Ｓがめっき槽１に浸漬されてから垂直に移動する時に、鋼板が有する潜熱のため、鋼板のエッジ部が鋼板の中心部に比べてより速く冷却される。このように、鋼板のエッジ部と中心部との温度差により、鋼板の幅方向においてめっき層の表層部に不均一な凝固が生じる。図２の（ｂ）に示したように、めっき層Ｐは、鋼板の中心部に比べて鋼板のエッジ部で凝固が速く起こり、中心部に向かって徐々に凝固が進行する。

めっき層Ｐ内の速度分布をみると、めっき層において鋼板Ｓの表面に隣接しためっき層の隣接部の速度は鋼板の移動速度（Ｕ_０）と同一であり、未凝固状態のめっき層の表層部に進むにつれて、速度が０に近くなる。しかし、鋼板のエッジ部におけるめっき層の表層部は凝固状態であるため、このエッジ部におけるめっき層の表層部の速度は０ではない値を有するようになる。鋼板の中心部に進むにつれて、めっき層は未凝固状態で存在する。

したがって、めっき層の表層部は、鋼板Ｓの幅方向の位置によって異なる速度を有し、めっき層の表層部において、エッジ部が中心部に比べてその速度が速い（図２の（ａ）に示されたようにＵ_１＞Ｕ_２＞Ｕ_３である）。

尚、鋼板Ｓが移動する反対方向に重力が作用しているため、まだ未凝固状態のめっき層Ｐでは、十分に重力の影響を受けることができる。

結果として、めっき層の表層部で現れる速度差及び重力の作用により、鋼板Ｓのエッジ部から中心部に向かって幅方向に表面張力が発生し、これにより、斜め方向に櫛目模様状の表面欠陥がもたらされる。

例えば、鋼板の片面におけるめっき量が２５０ｇ／ｍ^２以上である時に、鋼板のエッジ部で斜め方向に櫛目模様の表面欠陥が発生し、かかる櫛目模様は、激しい場合には約３００ｍｍ程度の長さを有することがある。

このように、櫛目模様の表面欠陥は、酸化性表面欠陥とその生成メカニズムが異なるため、上述のシーリングボックス１０のみでは解決できない。特に、高耐食めっき鋼板の製造時に高品質を確保するためには、酸化性表面欠陥だけでなく、厚いめっき層Ｐで発生するエッジ部での櫛目模様の表面欠陥を低減することが重要である。

図３は本発明の一実施形態による冷却装置を示した側面図であり、図４は本発明の一実施形態による冷却装置の作動状態を示した斜視図である。

これらの図に示したように、本発明の一実施形態による冷却装置は、めっき槽１（図１参照）を通過した鋼板Ｓにワイピングガス４（図１参照）を噴射してめっき厚を調節するガスナイフ３と、このガスナイフの下流に設けられ、鋼板に冷却ガス２４を噴射して冷却させる欠陥防止部２０と、この欠陥防止部を移動させるように駆動する移動部３０と、を含んでいる。

本発明の一実施形態による冷却装置は、主に鋼板Ｓの中心部に対して冷却ガス２４を噴射して冷却を行うことで、鋼板の幅方向にめっき層Ｐ（図２の（ｂ）参照）に均一な凝固がなされるようにし、鋼板のエッジ部で櫛目模様の表面欠陥が生成されることを抑えることを特徴とする。

めっき槽１内の溶融金属２（図１参照）により表面がめっきされた鋼板Ｓはめっき槽から引き上げられた後、ガスナイフ３によりめっき量が制御される。

ガスナイフ３は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを鋼板Ｓに噴射し、鋼板から余剰の溶融金属２を除去することで、めっき量を制御することができる。

めっき量が制御された状態の鋼板Ｓは、ガスナイフ３の次に、本発明の主要部を構成する欠陥防止部２０を経るようになるが、この欠陥防止部は、冷却ガス２４を鋼板の中心部に重点的に噴射することができる。

このような欠陥防止部２０は、進行する鋼板Ｓの両面にそれぞれ１つずつ、すなわち、一対で配置されることができる。また、各欠陥防止部は、少なくとも鋼板の幅方向の中心部にわたって水平に位置することができる。

欠陥防止部２０は、少なくとも１つのノズル２２を備えた管状の本体２１と、本体に連結されて本体に冷却ガス２４を供給する供給配管２３と、を含む。

本体２１の長さ（鋼板Ｓの幅方向に平行な方向に延びた長さ）は、鋼板の幅より短くてもよく、実際に製造される鋼板の幅を考慮すると、例えば、約１０００～１６００ｍｍの範囲内の長さを有することが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

本体２１に備えられたノズル２２は、孔（ｈｏｌｅ）状またはスリット（ｓｌｉｔ）状で形成されることができる。

図５の（ａ）と（ｂ）は、本発明の一実施形態による冷却装置に使用可能な欠陥防止部を示した正面図である。図５の（ａ）と（ｂ）に示した欠陥防止部２０の本体２１は、鋼板Ｓの幅方向に平行な方向に配列された複数の孔状のノズル２２を備えている。

図５の（ａ）のように、複数のノズル２２が同一の直径を有する孔で形成され、少なくとも一列に配列されることができる。

また、図５の（ｂ）のように、複数のノズル２２のうち、本体２１の中心に位置したノズルの直径が最も大きく、本体の両端部に進むにつれてノズルの直径が小さくなる形態でノズルが配列されることができる。この場合、鋼板Ｓの両側のエッジ部に比べて、より多い流量の冷却ガス２４が中心部に向かって噴射されることができる。

図６の（ａ）と（ｂ）は、本発明の一実施形態による冷却装置に使用可能な欠陥防止部の変形例を示した正面図である。図６の（ａ）と（ｂ）に示した欠陥防止部２０の本体２１は、鋼板Ｓの幅方向に平行な方向に延びたスリット状のノズル２２を備えている。

図６の（ａ）のように、ノズル２２はスリットの全長にわたって同一の幅を有することができる。

または、図６の（ｂ）のように、ノズル２２は、本体２１の中心でスリットの幅が最も大きく、本体の両端部に進むにつれてスリットの幅が小さくなる形態で形成されることができる。この場合、鋼板Ｓの両側のエッジ部に比べて、より多い流量の冷却ガス２４が中心部に向かって噴射されることができる。

このような本体２１の一側は、圧縮空気、または窒素やアルゴンなどのような不活性ガスなどからなる冷却ガス２４を供給する供給配管２３と連結されることができ、供給された冷却ガスは本体のノズル２２を介して噴射され、主に鋼板Ｓの幅方向の中心部を冷却することができる。

後述のように、欠陥防止部２０の位置が可変するため、これに対応できるように、供給配管２３として、波状管、もしくは繊維、ゴム、樹脂などのような材質のフレキシブルチューブ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｔｕｂｅ）を用いることが好ましい。

さらに、図３及び図４を参照すると、欠陥防止部２０は移動部３０に連結されてその位置が可変するため、エッジ部の櫛目模様の表面欠陥が発生する位置に応じて対応することができる。ここで、櫛目模様の表面欠陥の発生位置は、鋼板Ｓの移動速度（Ｕ_０）、鋼板の幅、めっき量などによって変更され得る。

移動部３０は、選択的にリニアモーションガイドで実現されることができる。このような移動部は、支持部３１と、この支持部から延びて設けられ、一側に連結された駆動部３５の駆動力によって正逆方向に回転するボルト軸３２と、欠陥防止部２０の本体２１に連結され、ボルト軸とねじ結合してボルト軸に沿って往復移動するナット部３４が備えられた移動ブロック３３と、を含むことができる。

支持部３１はシーリングボックス１０の上部面に設けられることができる。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、ガスナイフ３を支持するフレーム５上に設けられてもよい。このような支持部は、ボルト軸３２を支持するための軸受（不図示）を備えることができる。

駆動部３５は正逆回転が可能な駆動モーターであることができる。これにより、駆動部の回転駆動によってボルト軸３２が回転すると、ボルト軸にねじ結合したナット部３４の作用により、移動ブロック３３と欠陥防止部２０の本体２１が直線往復移動するようになる。

移動ブロック３３は、少なくとも欠陥防止部２０の本体２１の一側先端に固定されるように連結されることができる。ナット部３４は、貫通孔の形態で移動ブロックと一体に形成されるか、別に製作されてから移動ブロックに強固に付着することができる。

図３において、説明していない符号３６は、移動ブロック３３の移動を阻止するストッパーを示す。

さらに、移動部３０は、ボルト軸３２に平行に延びて設けられた少なくとも１つのガイド（不図示）をさらに含むことができる。この場合、欠陥防止部２０の本体２１の両端部の何れかの端部に備えられた移動ブロック３３には案内孔（不図示）が形成されており、この案内孔にガイドが挿入され、移動ブロック３３及び本体２１が円滑に移動できるようになる。

一方、図４により詳細に示したように、欠陥防止部２０の本体２１と連結された２個の移動部３０が支持部３１の両側に１つずつ配置される場合、移動部３０と駆動部３５との間には動力伝達部４０が介在されることができる。

このような動力伝達部４０は、駆動部３５として駆動モーターが採用された場合、側部ギヤボックス４１、連結軸４２、及び中央ギヤボックス４３を含むことができる。

側部ギヤボックス４１は２個が配置され、駆動部３５とともに支持部３１上に設けられることができる。この側部ギヤボックスは、移動部３０、より具体的にはボルト軸３２に連結される。

また、中央ギヤボックス４３は駆動部３５の回転軸に連結される。

２個の連結軸４２はそれぞれ、一端が側部ギヤボックス４１に連結され、他端が中央ギヤボックス４３に連結されることができる。このような連結軸は、例えば、両端部にべベルギヤ、ウォームギヤなどのような第１ギヤが形成されており、これにより、各移動部３０のボルト軸３２の端部と、駆動部３５の回転軸の端部にはそれぞれ、べベルギヤ、ウォームホイールなどのような第２ギヤが形成されることができる。

したがって、１つの駆動部３５、すなわち、１つの駆動モーターにより、欠陥防止部２０の本体２１の両側にそれぞれ連結された２個の移動部３０を同時に連動させて作動させることができる。

ここで、移動部３０と駆動部３５及び動力伝達部４０の構成、連結関係、並びに作動関係などは、上述の例に限定されない。

例えば、欠陥防止部２０の本体２１またはこの本体に連結された移動ブロック３３が往復移動可能であるように駆動力を提供する移動部３０及び駆動部３５として、作動ロッドを備えた流体圧シリンダーなどのような任意のアクチュエーターが適用されてもよい。

また、動力伝達部なしに、複数の駆動部３５が複数の移動部３０にそれぞれ連結される構成であってもよい。

また、動力伝達部なしに、単一の駆動部３５が欠陥防止部２０の本体２１の一側に連結された移動部３０を駆動させると、本体２１の他側にはガイドが配置されて移動ブロック３３を案内することもできる。

以下では、本発明の一実施形態による冷却装置の作動について簡単に説明する。

めっき槽１を通過して溶融金属２が付着した鋼板Ｓは、ガスナイフ３を介して噴出されるワイピングガス４によりワイピングされ、めっき量が調節される。シーリングボックス１０が設けられた場合、噴出されたワイピングガスは、シーリングボックス内で不活性雰囲気を形成するため、めっき層の表面に酸化皮膜が形成されないようにする。

通過する鋼板Ｓの移動速度（Ｕ_０）、鋼板の幅、めっき量などに応じて駆動部３５を作動させて欠陥防止部２０を移動させるが、この欠陥防止部は、駆動部３５と移動部３０の駆動により下降または上昇し、欠陥防止部から冷却ガス２４が噴射される位置が可変する。

本発明の冷却装置は、主に鋼板Ｓの中心部に対して冷却ガス２４を噴射し、鋼板の中心部も速く冷却させる。このようにすることで、鋼板の幅方向にめっき層Ｐの均一な凝固を誘導し、結果として、鋼板のエッジ部で櫛目模様の表面欠陥が生成されることが抑制される。

したがって、本発明の冷却装置によると、鋼板の中心部の冷却により鋼板の幅方向に均一な凝固層が生成され、これにより、鋼板が垂直に移動する時に、めっきの表層部の均一な凝固層が、鋼板の幅方向に生じる表面張力を弱化させるだけでなく、結果として、櫛目模様の表面欠陥を低減させることができる。これにより、溶融めっき鋼板の表面品質及び生産性を向上させることができる効果が得られる。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものにすぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示の実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等な範囲内の全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれると解釈されるべきである。

以上のように、本発明は、例えば、連続溶融亜鉛めっき工程で高耐食めっき鋼板を製造する時に有用である。

Claims (11)

1. めっき槽を通過した鋼板にワイピングガスを噴射してめっき厚を調節するガスナイフと、
   前記ガスナイフの下流に設けられ、前記鋼板に冷却ガスを噴射して冷却させる欠陥防止部と、
   前記欠陥防止部を移動させるように駆動する移動部と、を含み、
   前記欠陥防止部は、
   少なくとも１つのノズルを備えた管状の本体と、
   前記本体に連結され、前記本体に冷却ガスを供給する供給配管と、を含み、
   前記鋼板の両側のエッジ部に比べて、中心部に向かってより多い流量の冷却ガスが噴射されるように、前記本体の長さが、前記鋼板の幅より短いことを特徴とする、冷却装置。
2. 前記本体は、前記鋼板の幅方向に平行な方向に配列された複数の孔状のノズルを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
3. 複数のノズルのうち、前記本体の中心に位置したノズルの直径が最も大きく、前記本体の両端部に進むにつれてノズルの直径が小さくなることを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記本体は、前記鋼板の幅方向に平行な方向に延びたスリット状のノズルを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記ノズルは、前記本体の中心で幅が最も大きく、前記本体の両端部に進むにつれて幅が小さくなることを特徴とする、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記移動部は、
   支持部と、
   前記支持部から延びて設けられ、一側に連結された駆動部の駆動力により正逆方向に回転するボルト軸と、
   前記欠陥防止部の本体に連結され、前記ボルト軸とねじ結合して前記ボルト軸に沿って往復移動するナット部が備えられた移動ブロックと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記支持部は、前記ガスナイフを支持するフレーム上に、または前記ガスナイフと前記フレームを取り囲み、且つ前記めっき槽の湯面を周辺の大気から隔離させるシーリングボックスの上部面に設けられることを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記移動部は、前記ボルト軸に平行に延び、前記欠陥防止部の移動を案内する少なくとも１つのガイドをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
9. 前記移動部と前記駆動部との間には動力伝達部が介在されていることを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
10. 前記動力伝達部は、
    前記移動部にそれぞれ連結された２個の側部ギヤボックスと、
    前記駆動部の回転軸に連結された中央ギヤボックスと、
    それぞれ一端が前記側部ギヤボックスに連結され、他端が前記中央ギヤボックスに連結された２個の連結軸と、を含むことを特徴とする、請求項９に記載の冷却装置。
11. 前記連結軸は、両端部に第１ギヤが形成されており、
    前記移動部の端部と前記駆動部の回転軸の端部には第２ギヤが形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却装置。

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