TWI537396B - 還原爐的露點控制方法及還原爐 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種還原爐(reducing furnace)的露點控制方法及還原爐。
近年來，在汽車、家電、建材等領域中，可用於建築物的輕量化等的高張力鋼板(高張力鋼材)(high-tensile strength steel)的需求增加。作為高張力鋼材(high-tensile strength steel)，可知例如藉由使鋼中含有Si而獲得擴孔性(hole expandability)良好的鋼板，或者，藉由含有Si或Al而獲得容易形成殘留沃斯田鐵(retained γ)且延展性良好的鋼板。
然而，在製造以含有大量Si的高強度鋼板作為母材的熔融鍍鋅鋼板(hot-dip galvanized steel sheet)及合金化熔融鍍鋅鋼板(hot-dip galvannealed steel sheet)的情況下，會存在以下的問題。熔融鍍鋅鋼板在非氧化性環境中或者還原性環境中以600℃~900℃左右的溫度進行加熱退火後，進行熔融鍍鋅處理。然而，鋼中的Si為易氧化性元素(easily oxidizable element)，即便在一般所使用的非氧化性環境中或者還原性環境中亦被選擇氧化，表
面濃化而形成氧化物。該氧化物因與鍍覆處理時的熔融鋅的潤濕性降低而產生未鍍覆(bare spot)，因而與鋼中Si濃度的增加同時地，潤濕性(wettability)急遽降低而未鍍覆經常發生。而且，即便有時沒有發生未鍍覆，亦存在鍍覆密著性劣化的問題。進而，若鋼中的Si被選擇氧化而表面變得濃化，則熔融鍍鋅後的合金化過程中會產生明顯的合金化延遲。結果，生產性顯著受阻。若為了確保生產性而在過高的溫度下進行合金化處理，則亦存在導致耐粉化性(anti-powdering properties)的劣化的問題，難以同時實現高生產性與良好的耐粉化性。
針對所述問題，例如，專利文獻1以及專利文獻2中揭示了如下方法：使用直接火焰型加熱爐(DFF)(direct fired furnace)或者無氧化爐(NOF)(non-oxidation furnace)，使鋼板表面暫時氧化後，利用還原帶進行還原，藉此使Si內部氧化，而抑制Si表面濃化，從而提高熔融鍍鋅潤濕性以及密著性。
而且，專利文獻3中揭示了如下方法：利用使氣體通過溫水中的方法將供給氣體加濕，利用密封裝置對爐內進行分割控制，並將退火爐內的H2濃度以及露點控制在規定範圍內，藉此使Si內部氧化，而提高熔融鍍鋅潤濕性以及密著性。
專利文獻4中揭示了一種向加熱爐內直接噴射水蒸氣來調整露點的方法。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2010-202959號公報
專利文獻2：日本專利特開2011-117069號公報
專利文獻3：WO2007/043273號公報
專利文獻4：日本專利特開2005-264305號公報
然而，專利文獻1以及專利文獻2中記載的方法中，雖然還原後的鍍覆密著性良好，但內部氧化量容易不足，在鋼中含有Si的影響下合金化溫度比通常高出30℃~50℃，從而存在鋼板的拉伸強度或延展性降低的問題。若為了確保充分的內部氧化量而增加氧化量，則會發生所謂的黏附(pick up)現象，即，爐內輥上附著氧化鏽皮而在鋼板上產生壓痕(pressed-in flaw)，因而僅增加氧化量的方法不可取。
專利文獻3中記載的方法中，若因外部氣體溫度變動或鋼板的種類而帶入爐內的水分量發生變化，則因該變化而加濕氣體露點容易變動，難以穩定地控制在最佳露點範圍內。
根據專利文獻4記載的方法可知，若對爐內直接供給水蒸氣則會局部地產生10℃以上的高露點的區域，若鋼板通過該區域則甚至基底鐵亦會被氧化而引起黏附現象。
本發明鑒於所述情況，目的在於提供一種還原爐的露點控制方法及還原爐，該還原爐的露點控制方法及還原爐即便對添加了Si的鋼亦可確保鍍覆密著性，能夠進行合金化處理而不會過
度地提高合金化溫度，從而可獲得鍍覆外觀優異的熔融鍍鋅鋼板。
用以解決所述課題的本發明的主旨為以下所述。
[1]一種還原爐的露點控制方法，其特徵在於：在藉由至少具有輻射管型還原爐的連續熔融鍍鋅設備對鋼板實施退火與熔融鍍鋅處理時，使用經具有水蒸氣透過膜(water vapor permeable membrane)的加濕裝置加濕的氣體與乾燥氣體的混合氣體來作為供給至還原爐的氣體，藉由將所述混合氣體供給至還原爐內而對還原爐內的露點進行控制。
[2]如所述[1]所述的還原爐的露點控制方法，其特徵在於：將所述還原爐內的露點控制於-20℃~0℃。
[3]一種還原爐，構成連續熔融鍍鋅設備的一部分，包括：加濕裝置，具有水蒸氣透過膜，將供給至還原爐的乾燥氣體的一部分加濕；循環恆溫水槽，將控制為規定溫度的規定流量的水供給至所述加濕裝置；氣體混合裝置，將經所述加濕裝置加濕的氣體與乾燥氣體加以混合；氣體供給配管，將經所述氣體混合裝置混合的氣體供給至還原爐內；以及供給氣體用露點計，對供給至還原爐內的氣體的露點進行計測。
[4]如所述[3]所述的還原爐，其更包括氣體分配裝置，所述氣體分配裝置將供給至還原爐的乾燥氣體的一部分分配到加濕裝置，並將剩餘的乾燥氣體供給至氣體混合裝置。
[5]如所述[3]或[4]所述的還原爐，其特徵在於：所述加濕裝置
具有供加濕後的氣體通過的配管，將所述配管保溫為加濕後的氣體的露點以上的溫度。
根據本發明，因可對還原爐的露點高精度地進行控制，故即便對含有0.1質量%以上的Si的鋼，亦可不降低生產性地穩定製造表面外觀美觀的熔融鍍鋅鋼板。而且，不會受到氣溫或天氣等干擾的影響，可非常穩定地製造熔融鍍鋅鋼板。
1‧‧‧鋼板
2‧‧‧直接火焰型加熱帶(DFF)
3‧‧‧還原爐(輻射管型)
4‧‧‧急冷帶
5‧‧‧緩冷帶
6‧‧‧鍍覆裝置
7‧‧‧加濕裝置
8‧‧‧循環恆溫水槽
9‧‧‧氣體混合裝置
10‧‧‧氣體分配裝置
11‧‧‧供給氣體用露點計
12‧‧‧爐內露點採取部位(3處)
13‧‧‧氣體供給配管
14‧‧‧爐內輥
圖1是表示本發明的連續熔融鍍鋅設備的一實施形態的圖。
圖2是表示本發明的還原爐內的一實施形態的圖。
圖3是表示利用起泡方式的加濕裝置的圖。
圖4是表示根據時間的還原帶中段的露點推移的圖。
以下，對本發明的實施形態進行具體說明。
作為對鋼板實施退火與熔融鍍鋅處理，而製造熔融鍍鋅鋼板時所使用的連續熔融鍍鋅設備的退火爐的類型，有將鋼板升溫加熱的加熱爐為DFF(直接火焰型)或NOF(無氧化型)、使經加熱的鋼板均熱的均熱爐為輻射管(RTF)型的設備，亦有加熱爐到均熱爐均為輻射管的全輻射管型的設備等。
本發明中，將具備輻射管的爐部分稱作還原爐。即，在加熱爐為DFF(直接火焰型)或NOF(無氧化型)而均熱爐為輻
射管(RTF)型的設備中，將均熱爐稱作還原爐。在加熱爐到均熱爐均為輻射管的全輻射管型的設備中，加熱爐到均熱爐均為還原爐。
而且，若使用本發明的還原爐的露點控制方法，在加熱爐為DFF(直接火焰型)或NOF(無氧化型)而均熱爐為輻射管(RTF)型的設備、全輻射管型的設備中的任一者中，均可高精度地控制還原爐內的露點，即便在大量含有Si等易氧化性元素的鋼板的情況下，亦可確保鍍覆性。
圖1是表示具備退火爐與鍍覆裝置的連續熔融鍍鋅設備的一構成例的圖。圖1中，1為鋼板，2為直接火焰型加熱帶(DFF)，3為還原爐(輻射管型)，4為急冷帶，5為緩冷帶，6為鍍覆裝置。
鋼板1在直接火焰型加熱帶(DFF)2中被加熱(氧化處理步驟)，然後，由還原爐3還原(還原退火步驟)，然後，利用急冷帶4、緩冷帶5冷卻(冷卻步驟)，並由鍍覆裝置6實施鍍覆處理。
圖2是表示圖1中所示的還原爐3的構成，且表示本發明的還原爐的一實施形態的圖。圖2中，示出了向還原爐(輻射管型)3的爐內供給的氣體的供給路線。圖2中，7為加濕裝置，8為循環恆溫水槽，9為氣體混合裝置，10為氣體分配裝置，11為供給氣體用露點計，12為爐內露點採取部位(3處)，13為氣體供給配管，14為爐內輥。
根據圖2，利用氣體分配裝置10，將供給至還原爐的氣
體(乾燥氣體)的一部分作為加濕用氣體而分配到加濕裝置7，剩餘的乾燥氣體被送至氣體混合裝置9。作為氣體，為N2氣體、或N2氣體與H2氣體混合而成的氣體中的任一者。
加濕裝置7中，與輸送經氣體分配裝置10分配的加濕用氣體同時地，輸送利用循環恆溫水槽8控制為規定流量的規定溫度的水，較佳為純水。
加濕裝置7包括加濕模組，該加濕模組具有氟系樹脂(fluorinated resin)或者聚醯亞胺系的中空纖維膜(hollow fiber membrane)或平膜(flat membrane)等來作為水蒸氣透過膜，膜的內側流動經氣體分配裝置10分配的加濕用氣體，膜的外側流動並循環已在循環恆溫水槽8中調整為規定溫度的水。
此處，氟樹脂系或者聚醯亞胺系的中空纖維膜或平膜為具有與水分子的親和力的離子交換膜的一種。若在中空纖維膜(平膜)的內側與外側產生水分濃度差，則會產生欲使該濃度差均等的力，水分將該力作為驅動力(driving force)而透過膜並向低水分濃度側移動。藉此，所述加濕用氣體成為被加濕至與在膜的外側循環的水的溫度相同的露點的氣體。
經所述加濕裝置7加濕的氣體利用氣體混合裝置9，與由氣體分配裝置10輸送的乾燥氣體混合而作為供給至還原爐的氣體，即，供給氣體，經由氣體供給配管13供給至還原爐內。
還原爐內，將爐內露點採取部位12設置有3處，對還原爐內的露點進行測定。然後，接收測定結果，一邊對供給氣體
用露點計11進行監視，一邊將供給氣體露點或流量控制於適當範圍內，從而將還原爐內露點調整為所需的範圍。
通常，還原爐3中經常被供給露點為-60℃~-40℃的乾燥的N2氣體、或N2與H2混合的氣體。對此，本發明中，將乾燥氣體的一部分利用加濕裝置7加濕，並利用氣體混合裝置9與乾燥氣體混合而調整為規定的露點氣體後，供給至還原爐3內。乾燥氣體溫度根據季節或1天的氣溫變化而變化。然而，本發明的加濕氣體藉由充分獲取經由水蒸氣透過膜的氣體與水的接觸面積而進行熱交換，加濕裝置前的乾燥氣體溫度無論比循環水溫高還是比循環水溫低，均成為被加濕至與設定水溫相同的露點的氣體，因而不會被季節或1天的氣溫變化所左右。可進行高精度的露點控制。加濕氣體可在0℃~50℃的範圍內進行任意控制。
還原爐3內，若成為+10℃以上的露點，則鋼板基底鐵開始氧化，因而供給至還原爐3內的氣體的露點較佳為小於+10℃。而且，基於還原爐內露點分佈的均勻性或露點變動幅度最小化的理由，較佳為0℃以下。
若供給至爐內的氣體的露點比配管周圍的外部氣體溫度高，則配管內會結露，從而存在結露的水直接浸入爐內的可能性。由此，供給至爐內的氣體所通過的配管較佳為被加熱、保熱至加濕後的氣體的露點以上的溫度。
圖2中，爐內露點採取部位12設置有3處，從而是在多處測定露點。所述3處為還原爐3的高度方向的上部、下部以
及中央部3點。在含有N2、H2O作為還原爐內氣體成分的情況下，相對於通常佔據40vol%~95vol%的N2，H2O比重輕，因而容易積存於還原爐3的上部，從而存在還原爐3上部的露點增高的傾向。如所述般，露點為+10℃以上時會產生黏附等課題，因而就對還原爐3內的露點的上限進行管理來說，重要的是還原爐3上部的露點測定。另一方面，就對鋼板的大部分所接觸的區域的露點進行管理來說，重要的是對還原爐3中央部及還原爐3下部進行測定。較佳為如所述般在還原爐3的高度方向的上部、下部以及中央部3點以上的部位對露點進行管理，而決定供給至還原爐3內的氣體的露點。
以上，根據圖1、圖2，還原爐(還原退火步驟)中，可進行高精度的露點的控制，因而還原退火步驟中，將氧化處理步驟中形成於鋼板表面的氧化鐵還原，並且利用從氧化鐵供給的氧，使Si或Mn的合金元素作為內部氧化物而形成於鋼板內部。結果，鋼板最表面形成自氧化鐵還原的還原鐵層，Si或Mn作為內部氧化物而留存於鋼板內部，因而鋼板表面的Si或Mn的氧化得到抑制，且防止鋼板與熔融鍍覆的潤濕性的降低，不存在未鍍覆現象而可獲得良好的鍍覆密著性。
然而，雖獲得良好的鍍覆密著性，但因含有Si的鋼的合金化溫度為高溫，故會引起殘留沃斯田鐵相向波來鐵相的分解或麻田散鐵相的回火軟化，從而有時無法獲得所需的機械特性。因此，在對用以降低合金化溫度的技術進行研究之後，考慮如下
技術，即，使Si的內部氧化更積極地形成，由此使鋼板表層的固溶Si量降低而促進合金化反應。為了使Si的內部氧化更積極地形成，有效的是將退火爐內的環境露點控制於-20℃以上。
若將還原退火爐內的露點控制於-20℃以上，則由氧化鐵供給氧，在形成Si的內部氧化物後，亦會因由環境中的H2O供給的氧而繼續引起Si的內部氧化，因而形成更多的Si的內部氧化。於是，在形成著內部氧化的鋼板表層的內部區域，固溶Si量降低。若固溶Si量降低，則鋼板表層顯示出如低Si鋼般的行為，之後的合金化反應得到促進，並且合金化反應在低溫下推進。作為合金化溫度降低的結果，因殘留沃斯田鐵相可維持高分率而提高延展性、或不會進行麻田散鐵相的回火軟化，從而可獲得所需的強度。還原爐3內，若成為+10℃以上的露點，則鋼板基底鐵開始氧化，因而基於還原爐內露點分佈的均勻性或露點變動幅度最小化的理由，較佳為將上限以0℃加以管理。
實施例1
在加熱爐為DFF(直接火焰型)而均熱爐為輻射管(RTF)型的連續熔融鍍鋅設備中，對包含表1所示的成分組成的鋼板實施退火與熔融鍍鋅處理。然後，進行合金化處理而製造合金化熔融鍍鋅鋼板。
加熱爐中，使用將加熱用燃燒器分割為4個群組(#1~#4)的DFF，鋼板移動方向上游側的3個群組(#1~#3)(前段)設為氧化區，最終區(#4)(後段)設為還原區，對氧化區以及還原區
的空氣比進行個別控制。另外，各區的長度為4m。
使用圖2所示的還原爐來作為均熱爐。加濕裝置為聚醯亞胺系的中空纖維膜式加濕裝置。如圖2所示，使加濕後的氣體與乾燥氣體混合後供給至還原爐。供給氣體供給口如圖2所示，在爐下部有3處，爐中段有3處。
中空纖維膜式加濕裝置包含10台膜模組，各模組中最大流動500L/min的N2+H2混合氣體，及最大10L/min的循環水。N2+H2混合氣體為了投入到還原爐中而預先經過成分調整，露點固定為-50℃，但直至還原爐為止的配管根據外部氣體溫度而發生變化，因而氣體溫度會隨著外部氣體溫度變化。因此，將所述配管以成為加濕後的氣體的露點以上的溫度的方式加以保溫。循環恆溫水槽可供給共計100L/min的純水。
將其他製造條件表示於表2。另外，鍍覆浴溫為460℃，鍍覆浴中Al濃度為0.130%，附著量藉由氣體擦除(gas wiping)而調整為每單面為45g/m2。合金化溫度以皮膜合金化度(Fe含有率)處於10%~13%內的方式，在感應加熱式合金化爐中進行合金化處理。
為了進行比較，使用現有的利用起泡方式的加濕裝置(圖3)來作為均熱爐。起泡方式中，對相同氣體量、循環水量在1台水槽內進行混合、加濕。
另外，除加濕裝置以外與所述實施例相同。
對藉由以上而獲得的合金化熔融鍍鋅鋼板，評估鍍覆外
觀、材料強度。
在鍍覆外觀的評估中，利用光學式表面缺陷計進行檢查(對Φ0.5mm以上的未鍍覆缺陷或過氧化性缺陷進行檢測)以及利用目視來進行合金化不均判定，若所有項目合格則設為○，有一個不合格則設為×。
利用拉伸強度來評估材料強度，就拉伸強度而言，鋼種A中590MPa以上為合格，鋼種B中780MPa以上為合格，鋼種C中1180MPa以上為合格。
另外，表2中的No.1~No.12表示冬季的實施結果，No.13~No.24表示夏季的實施結果。將根據以上而獲得的結果與條件一併表示於表2中。另外，表中的時間為操作經過時間，No.1與No.13為將現有的利用起泡的加濕裝置切換為具有水蒸氣透過膜的加濕裝置的時間點的結果。而且，操作開始後的1小時30分鐘之後再次切換為現有的利用起泡的加濕裝置。
根據表2，在冬季的情況下，本發明例的No.2~No.7中，能夠穩定地將爐內的露點控制於-10℃~-20℃內，因而表面外觀、材料強度均合格。另一方面，利用現有方法的起泡方式進行的No.1、No.8~No.12的比較例中，加濕裝置之前氣體溫度低，即便起泡亦無法充分進行熱交換，因而露點未提高，從而無法提高爐內露點。結果，合金化溫度上升而無法確保目標拉伸強度。露點穩定性亦存在問題。
即便在夏季的情況下，本發明例的No.14~No.19中，亦能夠將爐內的露點穩定地控制於-10℃~-20℃內，因而表面外觀、材料強度均合格。相反地，利用現有方法的起泡方式進行的No.13、No.20~No.24的比較例中，氣體溫度不能完全下降，成為加濕後氣體露點非常高的狀態，因而露點過度地上升。結果，雖然合金化溫度降低，但合金不均容易變得明顯。露點超過了0℃的No.21~No.24中，產生了由黏附引起的壓痕。
圖4表示基於表2所示的時間與還原帶的中段露點的關係的露點推移。圖4中，時間：0分鐘是從利用起泡的加濕裝置切換為具有水蒸氣透過膜的加濕裝置，時間：1小時30分鐘(操作開始後的1小時30分鐘之後)是再次切換為現有的利用起泡的加濕裝置。根據圖4可知，本發明例中，與夏季、冬季無關而可在短時間內控制為所需的露點。
1‧‧‧鋼板
3‧‧‧還原爐(輻射管型)
7‧‧‧加濕裝置
8‧‧‧循環恆溫水槽
9‧‧‧氣體混合裝置
10‧‧‧氣體分配裝置
11‧‧‧供給氣體用露點計
12‧‧‧爐內露點採取部位(3處)
13‧‧‧氣體供給配管
14‧‧‧爐內輥
Claims (5)
- 一種還原爐的露點控制方法，其特徵在於：在藉由至少具有輻射管型還原爐的連續熔融鍍鋅設備對鋼板實施退火與熔融鍍鋅處理時，使用經具有水蒸氣透過膜的加濕裝置加濕的氣體與乾燥氣體的混合氣體作為供給至還原爐的氣體，藉由將所述混合氣體供給至還原爐內而對還原爐內的露點進行控制。
- 如申請專利範圍第1項所述的還原爐的露點控制方法，其中將所述還原爐內的露點控制於-20℃~0℃。
- 一種還原爐，構成連續熔融鍍鋅設備的一部分，包括：加濕裝置，具有水蒸氣透過膜，將供給至還原爐的乾燥氣體的一部分加濕；循環恆溫水槽，將控制為規定溫度的規定流量的水供給至所述加濕裝置；氣體混合裝置，將經所述加濕裝置加濕的氣體與乾燥氣體加以混合；氣體供給配管，將經所述氣體混合裝置混合的氣體供給至還原爐內；以及供給氣體用露點計，對供給至還原爐內的氣體的露點進行計測。
- 如申請專利範圍第3項所述的還原爐，其更包括氣體分配裝置，所述氣體分配裝置將供給至還原爐的乾燥氣體的一部分分 配到加濕裝置，並將剩餘的乾燥氣體供給至氣體混合裝置。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述的還原爐，其中所述加濕裝置具有供加濕後的氣體通過的配管，將所述配管保溫為加濕後的氣體的露點以上的溫度。
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