WO2023037881A1 - 溶融金属めっき鋼帯の製造方法 - Google Patents

Abstract

スプラッシュ欠陥の発生を抑制する溶融金属めっき鋼帯の製造方法を提供する。　溶融金属浴４に連続的に鋼帯Ｓを浸漬し、溶融金属浴４から引き上げられる鋼帯Ｓに、鋼帯Ｓを挟んで配置される一対のガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂのガス噴射口からガスを吹き付けて、鋼帯Ｓの両面に付着した溶融金属の付着量を調整して、連続的に溶融金属めっき鋼帯を製造する溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、ガス噴射方向と水平面とのなす角をθ（°）、ガス噴射口の先端から鋼帯Ｓの間隔をＤ（ｍｍ）、ガス噴射口の幅をＢ（ｍｍ）としたとき、θ：１０～６０、Ｄ／Ｂ：３～１２、Ｄ／Ｂ：０．１×θ＋９以下の範囲内で一対のガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂを操業する。

Description

溶融金属めっき鋼帯の製造方法

　本発明は、溶融金属めっき鋼帯の製造方法に関する。

　溶融金属めっき鋼板の一種である溶融亜鉛めっき鋼板は、建材、自動車、家電などの分野で広く使用されている。そして、これらの用途では、外観に優れることが溶融亜鉛めっき鋼板に対して要求される。ここで、塗装後の外観は、めっき厚むら、疵、異物付着などの表面欠陥の影響を強く受けるため、溶融亜鉛めっき鋼板には表面欠陥が存在しないことが重要である。

　連続溶融金属めっきラインでは、一般に、還元雰囲気の連続焼鈍炉で焼鈍された金属帯としての鋼帯は、スナウト内を通過して、めっき槽内の溶融金属浴中に導入される。そして、鋼帯は、溶融金属浴中のシンクロール、サポートロールを介して溶融金属浴の上方に引き上げられる。その後、鋼帯の両側に配置されたガスワイピングノズルから鋼帯の表面にワイピングガスを吹き付けて、鋼帯の表面に付着して引上げられた余剰の溶融金属を掻き取る。これにより、溶融金属の付着量（以下、目付量とも称する。）が調節される。ここで、ガスワイピングノズルは、多様な鋼帯幅に対応するとともに、鋼帯引き上げ時の幅方向の位置ずれなどに対応するため、通常、鋼帯幅よりも幅広く構成され、鋼帯の幅方向端部より外側まで延びている。このようなガスワイピング方式では、鋼帯に衝突した噴流の乱れによって下方に落下する溶融金属が周囲に飛び散り、飛散中に凝固することで細かな金属粉、いわゆるスプラッシュとなって鋼帯に付着することによる欠陥（スプラッシュ欠陥）が発生し、鋼帯の表面品質の低下を招く。

　また、連続プロセスにおいて、生産量を増加させるには、鋼帯通板速度を増加させればよい。しかしながら、連続溶融めっきプロセスにおいてガスワイピング方式でめっき付着量を制御する場合、めっき付着量を一定範囲内に制御するには、ワイピングガス圧をより高圧に設定せざるを得ない。その結果、スプラッシュが大量に増加し、良好な品質を維持できなくなる。

　上記の問題を解決するため、以下の技術が開示されている。

　特許文献１には、溶融金属めっき時における溶融金属飛沫のストリップ面への付着防止方法が記載されている。特許文献１に記載の方法では、ワイピングガス供給本管とワイピングノズルの間に金属板を設置する。さらにワイピングガス供給本管と合金化炉の間にフィルターを鋼板に沿った形で設置する。特許文献１に記載された技術では、めっき浴面で発生しためっき金属飛沫が、ワイピングノズルの外側を回ってワイピング終了後の鋼板に向かう際に、フィルターで除去されることで、鋼板にスプラッシュが付着するのを防止する。

　特許文献２には、ワイピングノズル後方に張り出させた整流板およびワイピングノズルの上前部に堰を設けることで、めっき鋼帯へのスプラッシュの付着を防止する方法が開示されている。

　特許文献３には、ワイピングノズルの上方にサイドノズルを設置し、サイドノズルから、ワイピングガスのガス－ガス衝突域のガス乱れに気体を吹き付けて、スプラッシュ欠陥を抑制する方法が提案されている。

特開平５－３０６４４９号公報 特開２０００－３２８２１８号公報 特開２０１４－８０６７３号公報

　しかしながら、特許文献１に開示された方法では、スプラッシュ欠陥の発生を防止する効果が不十分であることがわかった。すなわち、フィルターのメッシュを大きくするとフィルターの効果がなくなる。一方、フィルターのメッシュを小さくするとフィルターの外側を回ったスプラッシュがストリップ面に付着することは抑えられる。しかしながら、ワイピングノズルの背面を回らないで、フィルターと金属板の間に直接進入したスプラッシュはフィルターの外に排出されにくくなる。そのため、スプラッシュ欠陥の発生を防止する効果が不十分となる。

　また、特許文献２に開示された方法では、ワイピングノズルの背面を回って上方に飛来するスプラッシュがめっき鋼帯に付着するのを防止することができない。また、操業中にワイピングノズル後方に張り出させた整流板の上に堆積したスプラッシュ（金属粉）が、ワイピング条件（ワイピングガス圧やノズル高さ等）の変化によるワイピングガス流れの変化によって再飛散するようになる。この現象は時間が経つほど顕在化し、特許文献２に開示された方法では、安定してスプラッシュ付着を防止することができないことがわかった。

　特許文献３に開示された方法では、スプラッシュの鋼板への付着は抑制することができる。しかしながら、サイドノズルから吐出されたガスがスプラッシュを弾き飛ばし、それがワイピングノズルスリット内部へ侵入し、閉塞することで鋼板に筋状の欠陥を生じさせることが明らかとなった。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、鋼帯へスプラッシュが付着することを抑制することにより、スプラッシュ欠陥の発生を抑制する溶融金属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本発明の手段は次の通りである。
［１］溶融金属浴に連続的に鋼帯を浸漬し、前記溶融金属浴から引き上げられる鋼帯に、該鋼帯の幅方向に沿って該鋼帯よりも広幅に延在するスリット状のガス噴射口を有し、該鋼帯を挟んで配置される一対のガスワイピングノズルの前記ガス噴射口からガスを吹き付けて、該鋼帯の両面に付着した溶融金属の付着量を調整して、連続的に溶融金属めっき鋼帯を製造する溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、
前記ガス噴射口から噴射する前記ガスの噴射方向と水平面とのなす角θ（°）を横軸、前記ガス噴射口の先端と前記鋼帯との間隔Ｄ（ｍｍ）と前記ガス噴射口の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂを縦軸としてグラフを描画したとき、
前記一対のガスワイピングノズルを、下記（式１）～（式５）で囲まれる範囲内で操業する、溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
Ｄ／Ｂ＝３　・・・（式１）
Ｄ／Ｂ＝０．１×θ＋９　・・・（式２）
Ｄ／Ｂ＝１２　・・・（式３）
θ＝１０　・・・（式４）
θ＝６０　・・・（式５）
［２］前記一対のガスワイピングノズルの前記ガス噴射口の先端と前記溶融金属浴の浴面との間の距離Ｈが５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下であり、
前記一対のガスワイピングノズルから噴射した直後のガスの温度Ｔ（℃）が、前記溶融金属の融点ＴＭ（℃）との関係で、ＴＭ－１５０≦Ｔ≦ＴＭ＋２５０を満たす、［１］に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
［３］前記一対のガスワイピングノズルはそれぞれ、ノズルヘッダと、該ノズルヘッダに連結された上ノズル部材及び下ノズル部材とを有し、
前記上ノズル部材の先端部分と前記下ノズル部材の先端部分が、前記鋼帯の幅方向に垂直な断面視で、互いに平行に対向して前記ガス噴射口を形成し、
前記ガスは、前記ノズルヘッダの内部を通過して前記ガス噴射口から噴射される、［１］または［２］に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
［４］前記ノズルヘッダの内部の圧力を２～７０ｋＰａとする、［３］に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
［５］前記鋼帯の幅方向両端部の外側、かつ、前記一対のガスワイピングノズルの間に、前記ガス噴射口と対向するようにバッフルプレートを配置する、［１］～［４］のいずれかに記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。

　本発明によれば、鋼帯へスプラッシュが付着することを抑制でき、スプラッシュ欠陥の発生が抑制された溶融金属めっき鋼帯を製造できる。

　本発明によれば、鋼帯進行方向に対してガスワイピングノズルを所定の範囲内で操業させることによって、スプラッシュの飛散方向が限定される。その結果、スプラッシュ欠陥の発生が抑制され、表面品質に優れた溶融金属めっき鋼帯を安定して製造できるようになる。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスワイピングノズルを備えた連続溶融金属めっき設備の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す連続溶融金属めっき設備に用いられるガスワイピングノズルの概略構成を示す模式図である。 図３は、スプラッシュの飛散方向を示す模式図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る各構成を説明する模式図である。 図５は、本発明の一実施形態において、ガス噴射方向と水平面のなす角θとスプラッシュ欠陥発生率を調査した結果である。 図６は、本発明の一実施形態のθ＝３０°、６５°におけるスプラッシュ飛散方向を示す模式図である。 図７は、ガスワイピングノズルから吐出される噴流の速度分布を示す模式図である。 図８は、θ＝１０°におけるスプラッシュの欠陥発生結果をスリットギャップ１ｍｍおよび２ｍｍについて調べた結果である。 図９は、θ＝１５°におけるスプラッシュの欠陥発生結果をスリットギャップ１ｍｍおよび２ｍｍについて調べた結果である。 図１０は、θ＝３０°におけるスプラッシュの欠陥発生結果をスリットギャップ１ｍｍおよび２ｍｍについて調べた結果である。 図１１は、本発明において、ガス噴射方向と水平面の成す角度θ（°）と、ガス噴射口の先端から鋼帯の間隔Ｄ（ｍｍ）とガス噴射口の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂの範囲を示した図である。 図１２は、バッフルプレートを配置した場合の一実施形態を示す模式図（側面図）である。 図１３は、バッフルプレートを配置した場合の一実施形態を示す模式図（上面図）である。 図１４は、図１３における鋼帯Ｓの一方の幅方向端部の近傍を拡大して示した図である。 図１５は、ガスワイピングノズルの先端部付近を拡大して示した図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

　また、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

　図１には、本発明の一実施形態に係るガスワイピングノズルを備えた連続溶融金属めっき設備の概略構成が示されている。

　図１に示す連続溶融金属めっき設備１は、金属帯としての鋼帯Ｓを、溶融金属からなる溶融金属浴４に浸漬することにより、鋼帯Ｓの表面に溶融金属を連続的に付着させた後、溶融金属を所定の付着量にするための設備である。

　連続溶融金属めっき設備１は、スナウト２と、めっき槽３と、シンクロール５と、サポートロール６とを備えている。

　スナウト２は、鋼帯Ｓが通過する空間を区画する部材である。スナウト２は、鋼帯Ｓの進行方向に垂直な断面が矩形状の部材であり、その上端が例えば連続焼鈍炉の出口側に接続され、下端がめっき槽３内に貯留された溶融金属浴４内に浸漬される。本実施形態においては、還元雰囲気の連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、スナウト２内を通過して、めっき槽３内の溶融金属浴４中に連続的に導入される。その後、鋼帯Ｓは、溶融金属浴４中のシンクロール５、サポートロール６を介して溶融金属浴４からその上方に引き上げられる。

　そして、溶融金属浴４からその上方に引き上げられた鋼帯Ｓの両面には、当該鋼帯Ｓの両面側に一対配置されたガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂ（後述するガス噴射口１１）からガス（ワイピングガス）が吹き付けられて、鋼帯Ｓの両面に付着した溶融金属の付着量が調整される。その後、鋼帯Ｓは、図示しない冷却設備により冷却されて、後工程に導かれ、連続的に溶融金属めっき鋼帯が製造される。

　一対のガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂ（以下、単に「ノズル」ともいう。）は、溶融金属浴４上方に、鋼帯Ｓを挟んで対向して配置される。ノズル１０Ａは図２に示すようにその先端で鋼帯の板幅方向に延在するガス噴射口１１（ノズルスリット）から鋼帯Ｓに向けてガスを吹き付け、鋼帯の表面のめっき付着量を調整する。他方のノズル１０Ｂも同様である。これら一対のノズル１０Ａ、１０Ｂによって、余剰な溶融金属が掻き取られて、鋼帯Ｓの両面のめっき付着量が調整され、かつ、前記めっき付着量が板幅方向及び板長手方向で均一化される。

　ノズル１０Ａは、多様な鋼帯幅に対応するとともに、鋼帯引き上げ時の幅方向の位置ズレなどに対応するため、通常、鋼帯幅より長く構成され、鋼帯の幅方向端部より外側まで延びている。また、図２に示すように、ノズル１０Ａは、ノズルヘッダ１２と、このノズルヘッダ１２に連結された上ノズル部材１３Ａ及び下ノズル部材１３Ｂとを有する。上下ノズル部材１３Ａ、１３Ｂの先端部分は、鋼帯Ｓの幅方向に垂直な断面視で、互いに平行に対向してガス噴射口１１（ノズルスリット）を形成している（図２中の平行部分）。ガス噴射口１１は、鋼帯Ｓの幅方向に延在している。具体的には、ガス噴射口１１は、鋼帯Ｓの幅方向に沿って前記鋼帯Ｓよりも広幅に延在するスリット状とされている。また、ノズル１０Ａの縦断面形状は、先端に向かって先細りするテーパ形状となっている。上下ノズル部材１３Ａ、１３Ｂの先端部の厚み（図１５の厚みＰを参照）は、１～３ｍｍ程度とすればよい。また、ガス噴射口の幅（開口幅）Ｂ（スリットギャップ）は、特に限定されないが０．５～３．０ｍｍ程度とすることができる。図示しないガス供給機構から供給されるガスが、ノズルヘッダ１２の内部を通過し、さらに上下ノズル部材１３Ａ、１３Ｂが区画するガス流路を通過し、ガス噴射口１１から噴射されて、鋼帯Ｓの表面に吹きつけられる。他方のノズル１０Ｂも同様の構成を有する。この場合、ノズルヘッダ１２の内部の圧力は、不図示の圧力計により計測される。ノズルヘッダ１２の内部の圧力は、ガス供給機構の出力により調整することができる。

　図１５は、ノズル１０Ａの先端部付近を拡大して示した図である。図１５に示すように、上ノズル部材１３Ａの外面側のテーパ部を上ノズル部材１３Ａの外形テーパ部と呼び（外形テーパ部１３１Ａ）、下ノズル部材１３Ｂの外面側のテーパ部を下ノズル部材１３Ｂの外形テーパ部と呼ぶ（外形テーパ部１３１Ｂ）。また、上ノズル部材１３Ａの外形テーパ部１３１Ａと下ノズル部材１３Ｂの外形テーパ部１３１Ｂがなす角度をノズル１０Ａの外形角度と呼ぶ（外形角度α）。

　ここで、溶融金属めっき鋼帯を製造する際に、溶融金属めっき浴から連続的に引き上げられる鋼帯の表面に、鋼帯を挟んでその両面に対向配置したガスワイピングノズルから加圧気体を鋼帯面に吹き付けて付着金属の厚さが制御される。その際に溶融金属が飛散し、飛散中に凝固することで金属粉（スプラッシュ）となって鋼帯に付着して鋼帯の表面品質を低下させる問題がある。

　ここで、スプラッシュ欠陥とは、スプラッシュが鋼板に付着することで生じる欠陥を指す。具体的には、対向して設置されたノズルから吐出される噴流（ガス噴流）が図３（ａ）に示すように鋼板のエッジ部の近傍で衝突することで噴流が振動し、これによって溶融金属の液膜が引きちぎられ、引きちぎられた液膜が液滴として飛散する過程で凝固することにより固体（金属粉）となって鋼板に付着して生じる欠陥を指す。

　本発明者らは、スプラッシュ欠陥の抑制手法を検討するにあたり、まず、スプラッシュ（金属粉）の飛散方向を高速度カメラによって調べた。その結果、一般的なＣＧＬ（連続溶融亜鉛めっきライン）の操業条件であるノズル角度θ（ガス噴射方向と水平面とのなす角）＝０°において、スプラッシュは図３（ｂ）に示すようにノズル上方や下方へ広範囲に飛散していることがわかった。このスプラッシュ欠陥を抑制するために、経験上、オペレータはノズルを下向きに微調整（ノズル角度：０～２°）している。しかしながら、ノズル角度の微調整はオペレータの熟練度に依存するため、スプラッシュ欠陥は操業のタイミングによってバラつきがあり、安定しなかった。そこで、ノズルを下向きに大きく傾ければ、状況が劇的に変化し、スプラッシュ欠陥が改善されるのではないかと考えた。

　ＣＧＬ実ラインにおいて、板幅１０００ｍｍ、板厚１ｍｍの１０ｔコイルを速度１００ｍｐｍ（メートル毎分）で通板した。その際、図４に示すように、ノズル－鋼板間隔１０ｍｍ、ノズル角度θ＝０～８０°、ノズル先端高さ５００ｍｍの条件下で、板幅センターの亜鉛付着量が５０±５ｇ／ｍ^２となるように、ノズルヘッダに取り付けた圧力計で示される圧力を調整した。その後、ＣＧＬ出側に設置された欠陥計でスプラッシュ欠陥発生率を調べ、ノズル角度との相関を調査した。なお、スプラッシュ欠陥の発生率は、通過した鋼帯長さに対する、検査工程でスプラッシュ欠陥ありと判定された鋼帯長さの比率である。また、スリットギャップ（ガス噴射口の幅）はＢ＝１．０ｍｍである。実験結果を図５に示す。ここで、１プロットに対して一つのコイルを使用しており、スプラッシュ欠陥発生率の合格基準は０．１０％以下である。スプラッシュ欠陥発生率が０．１０％以下であれば、自動車用鋼板などの表面品質が厳格な鋼帯として十分な品質といえるからである。

　図５において、スプラッシュ欠陥の発生率はノズル角度θ＝０°付近で大きくばらついている。これは、ノズル角度の微調整でスプラッシュ欠陥の制御が困難であることを示唆している。ノズルを下向きに傾けるに従い、すなわちノズル角度が大きくなるに従いスプラッシュ欠陥は低下した。そして、θ＞６０°でスプラッシュ欠陥が再び増加した。

　スプラッシュ飛散状況を高速度カメラで観察した結果を図６に示す。スプラッシュ欠陥の発生率が低いノズル角度θ＝３０°ではスプラッシュがノズル下方のみに飛散し、欠陥の発生率が上昇に転じたノズル角度θ＝６５°ではスプラッシュがノズル上方、下方の双方に飛散することが分かった。

　この原因として以下のことが考えられる。ノズル角度θ＝０°の場合、図３に示す通り板エッジ近傍では対向したノズルから吐出されるガスが衝突する。ノズルの各々の圧力が微妙に異なり、かつ経時的な圧力変動もあるため、板エッジ部で衝突する噴流はノズルの上方、下方ともに流れる。これに伴ってスプラッシュが上方および下方に飛散すると推定される。

　下向きに傾けたノズルのノズル角度を大きくした条件においても板エッジ部で噴流は衝突している。しかしながら、浴面の方向（下方）に向かうガスの流量が上方に向かうガスの流量に比べて増加するため、優先的にスプラッシュが下向きに飛散すると考えられる。この結果、ノズル上方に向かうスプラッシュが抑制されたと考えられる。これにより、スプラッシュの飛散範囲が縮小し、スプラッシュ欠陥が低減したと推定される。同様に、ノズル角度θ＝１０～６０°の範囲はスプラッシュがノズル上方へほぼ飛散しなかった結果、スプラッシュ欠陥の発生率が０に近い値をとったものと考えられる。この範囲で操業することで、スプラッシュのノズル上方への飛散が抑制されるため、ガス噴射口にスプラッシュが付着してノズルが閉塞するという操業トラブルを抑制することもできる。

　ノズル角度θ＞６０°では、図６に示すようにノズルと鋼板の間隔が小さくなったことにより、ノズル上方へエアーが抜けにくくなり、渦が発生すると考えられる。すなわち、上ノズル部材１３Ａの外形テーパ部と鋼帯Ｓとの間が狭くなり、板エッジ部近傍で衝突して上方に向かうガスの流れが阻害されて、前記外形テーパ部と鋼帯Ｓとの間に渦が発生しやすくなる。この場合、板エッジ部から飛散したスプラッシュが、発生した渦の流れによって、種々の方向に飛散する。スプラッシュ欠陥が増加した理由は、この渦の影響でノズル上方に飛散したスプラッシュが鋼板に付着したためと考えられる。

　ノズル角度θについて、１０°以上の領域でスプラッシュ欠陥の低減効果が現れるため、下限は１０°である。ここで、亜鉛付着量は、ガスの鋼帯Ｓへの衝突による衝突圧力勾配と、ガスの鋼帯Ｓへの衝突によって亜鉛膜に生じるせん断力によって変化し、ノズルの下向きのノズル角度が大きくなると衝突圧力勾配が小さくなる。この場合、衝突圧力勾配とは、ノズルから吐出する噴流が対象物（鋼帯）に衝突する場合の、スリットギャップＢの方向に対応した方向の衝突圧力の勾配をいう。そして、同一の亜鉛付着量を得るためには、同じノズル－鋼板距離（間隔）であればより多くのガス流量が必要で、大容量のコンプレッサーが必要となり、建設費が嵩む。また、先に述べたように上ノズル部材の外形テーパ部と鋼板の間に渦が発生するとスプラッシュ欠陥を誘発して、スプラッシュを抑制できない。さらに、ノズルの外形角度（図１５中の外形角度α）はノズルの剛性を考慮すると４０～５０°程度である。ノズルを７０°以上に傾けると、７０°＋２０°（外形角度の半分）＝９０°となり、ノズルが鋼板に接触する。ノズル－鋼板距離も考慮すると、ノズル角度θの上限は６０°程度が現実的である。また、ノズル角度θが６０°以下の領域でスプラッシュ欠陥の低減効果が現れる。以上から、ノズル角度θの上限は６０°とする。

　ノズル角度θの好適な範囲は１５°≦θ≦４５°である。θ≧１０°でスプラッシュ欠陥の低減効果が発現するが、ノズル角度θを１５°以上とすることで、更に鋼板端部の衝突圧力の減少を抑制することが可能となる。すなわち、ノズル角度θが小さいと、対向したノズルから吐出される噴流が板エッジ部の外側で衝突することにより噴流が振動し、鋼板端部に作用する圧力が低下する。これに対して、ノズル角度θを１５°以上とすることで、鋼板端部に作用する圧力が低下するのを抑制できる。鋼板端部の衝突圧力が低下すると、余剰な溶融金属を掻き取る効果が弱まる。ノズル角度θを１５°以上とすることで、鋼板端部で付着量が過剰となるエッジオーバーコート欠陥を抑制することができる。そのため、ノズル角度θの好適な範囲の下限は１５°である。θ＞４５°の領域では浴面に向かうガス量が多くなり、浴面から亜鉛のスプラッシュが飛散する恐れがある。そのため、ノズル角度θの好適な範囲の上限は４５°である。なお、浴面から亜鉛のスプラッシュが飛散する現象を浴面スプラッシュと呼ぶ。浴面スプラッシュが発生すると、鋼板に欠陥が生じたり、設備の周辺環境を悪化させるという問題が生じ得る。

　ここで、衝突噴流の特性は図７に示すようにノズル先端（ガス噴射口の先端）から衝突板（鋼帯）までの距離（間隔）ＤをスリットギャップＢで除したＤ／Ｂで整理される。Ｄ／Ｂが小さい領域では噴流軸線上の平均速度が噴流出口速度と等しく、この領域はポテンシャルコアと呼ばれる。その後、Ｄ／Ｂが大きくなるに従い噴流外縁部の乱れが噴流軸に到達して噴流軸線上速度が減衰し、ポテンシャルコアが消え、噴流が完全に乱れた完全発達領域となる。本発明者らは、対向したノズルから吐出されるガスの板エッジ近傍における衝突圧力の変動に対して、ポテンシャルコアの消失に伴う噴流の乱れが影響していると考えた。そして、Ｄ／Ｂを変化させてノズル角度に対するスプラッシュ欠陥の発生率を、ノズル角度θ＝１０°、１５°、３０°についてそれぞれ調べた。結果を図８～１０に示す。

　図８～１０から、ノズル角度一定の場合、スリットギャップＢによらずスプラッシュ欠陥発生率はＤ／Ｂで整理できることが分かる。また、スプラッシュ欠陥発生率はノズル角度によって異なっている。このことから、スプラッシュ欠陥を抑制するためにはノズル－鋼板距離をスリットギャップで除したＤ／Ｂおよびノズル角度の管理が重要であることが分かった。

　ノズル－鋼板距離が小さいと板反りの影響でノズルが鋼板に衝突する可能性があることから、Ｄ／Ｂの下限は３とする。Ｄ／Ｂが大きくなるとポテンシャルコアの消失に伴う噴流の乱れが増大（噴流の安定性が悪化）し、これによってスプラッシュ欠陥も増加する。そのため、ノズル角度θ＝１０°でＤ／Ｂの上限は１０である（図８）。ノズル角度θが大きくなることにより板エッジ近傍において上方に飛散するスプラッシュが抑制される。そのため、スプラッシュ欠陥を抑制して操業することが可能なＤ／Ｂが拡大し、ノズル角度θ＝３０°では上限が１２である（図１０）。１０°≦θ≦３０°の範囲ではノズル角度θ＝１０°とノズル角度θ＝３０°のＤ／Ｂ上限を結ぶ直線の範囲内で、スプラッシュ欠陥を抑制した操業が可能となる。Ｄ／Ｂが１２を超えると、ノズル角度θが大きくなっても噴流の安定性が悪化する影響の方が大きいため、スプラッシュ欠陥の低減効果が見られなくなる。そのため、３０°≦θ≦６０°の範囲内でＤ／Ｂの上限は１２である。

　以上、スプラッシュ欠陥を抑制した操業を実現するためのノズル角度θおよびＤ／Ｂを整理したものが（式１）～（式５）である。以上の範囲をＤ／Ｂおよびθに関してまとめたものが図１１である。
Ｄ／Ｂ＝３　・・・（式１）
Ｄ／Ｂ＝０．１×θ＋９　・・・（式２）
Ｄ／Ｂ＝１２　・・・（式３）
θ＝１０　・・・（式４）
θ＝６０　・・・（式５）

　Ｄ／Ｂの好適範囲はＤ／Ｂ≦１０である。Ｄ／Ｂ≦１０とすることで、対向したノズルから吐出される噴流が板エッジ部の外側で衝突することに起因する鋼板端部の衝突圧力の減少を抑制することが可能となり、エッジオーバーコート欠陥を抑制することができる。すなわち、Ｄ／Ｂが大きくなるとポテンシャルコアの消失に伴う噴流の乱れが増大し、対向したノズルから吐出される噴流が板エッジ部の外側で衝突する際に生じる噴流の振動も大きくなる。これにより発生する板幅端部における衝突圧力の減少を抑制するため、上記の範囲とすることが好ましい。

　スプラッシュ欠陥を防止するための上記のノズル角度θおよびノズル－鋼板距離をスリットギャップで除したＤ／Ｂの適正な範囲において、ノズルヘッダ１２の内部の圧力（ガス圧）は、２～７０ｋＰａであることが好ましい。前記圧力は、３ｋＰａ以上であることがより好ましい。また、前記圧力は、６０ｋＰａ以下であることがより好ましい。ノズルヘッダ１２の内部の圧力が２ｋＰａ未満では、鋼板に衝突するまでの間に噴流の乱れが大きくなり、スプラッシュ欠陥が生じやすくなるからである。ノズルヘッダ１２の内部の圧力が７０ｋＰａを超えると、ガスを噴射するためのコンプレッサーが大型化して設備費が高くなり、経済的ではないからである。

　また、上記のノズル角度θおよびＤ／Ｂの適正な範囲において、ノズルから吐出されるガスの噴流速度（ノズル先端におけるガス流速）は、１００～５００ｍ／ｓであることが好ましい。ノズルから吐出されるガスの流速が１００ｍ／ｓ未満では、鋼板に衝突するまでの間に噴流の乱れが大きくなり、スプラッシュ欠陥が生じやすくなるからである。ノズルから吐出されるガスの流速が５００ｍ／ｓを超えると、ガスを噴射するためのコンプレッサーが大型化して設備費が高く、経済的ではないからである。

　さらに、ガス噴射口１１に形成されるスリットギャップの平行部の長さ（図１５中の長さＧ）は、１０～４０ｍｍであることが好ましい。スリットギャップの平行部の長さが１０ｍｍ未満では、吐出される噴流のポテンシャルコアの形成が不十分となり、鋼板に衝突するまでの間に噴流の乱れが大きくなって、スプラッシュ欠陥が生じやすくなるからである。スリットギャップの平行部の長さが４０ｍｍを超えると、スリットギャップを通過するガスの流動に対する抵抗が大きくなり、ガス噴射の効率が低下するため、過剰な動力が必要になるからである。

　また、ノズル先端（ガス噴射口の先端）と溶融金属（亜鉛）浴の浴面間の距離で定義されるノズル先端高さが低すぎると、ノズルと溶融金属（亜鉛）浴の浴面間で渦が発生し、これに起因した湯ジワ欠陥が発生する。すなわち、ノズルから噴射されたガスにより掻き取られ、鋼板の表面を下方に向けて流れる溶融金属の流動（バックフロー）が不均一となることにより湯ジワが発生する。反対に、ノズル先端高さが高すぎると鋼帯が溶融金属浴から上方に引き上げられてからワイピングガスが吹き付けられるまでに金属（亜鉛）の局所的な凝固が始まってしまい、これに起因した湯ジワ欠陥が発生する。すなわち、亜鉛の局所的な凝固により、鋼板の表面において亜鉛の粘度が不均一となることにより湯ジワが発生する。このため、湯ジワ欠陥を抑制するためにはノズル先端高さＨ（ガス噴射口の先端と溶融金属浴の浴面との間の距離、図４参照）を５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下とすることが好ましい。ここで、ノズル先端高さＨは１５０ｍｍ超（Ｈ＞１５０ｍｍ）がより好ましい。また、ノズル先端高さＨは５５０ｍｍ未満（Ｈ＜５５０ｍｍ）がより好ましい。

　ここで、湯ジワとは溶融金属めっき鋼板のめっき表面に生じる波形流紋状の模様（シワ）である。このような湯ジワが生じためっき鋼板は、外装板の用途において、そのめっき表面を塗装下地表面とした場合に、塗膜の表面性状、特に平滑性を阻害する。

　次に、鋼帯Ｓの製造においては、ガスワイピングノズル１０のノズルスリットから噴射した直後のガス（ワイピングガス）の温度Ｔ（℃）が、溶融金属の融点ＴＭ（℃）との関係で、ＴＭ－１５０≦Ｔ≦ＴＭ＋２５０を満たすように、ワイピングガスの温度制御を行うことが好ましい。当該ワイピングガスの温度Ｔ（℃）をこの範囲で制御すると、溶融金属の冷却及び凝固を抑制できるため、粘度ムラが生じにくくなり、湯ジワ欠陥の発生を抑制することができる。一方、当該ワイピングガスの温度Ｔ（℃）がＴＭ－１５０℃未満であると、溶融金属の流動性に影響を及ぼさないため、湯ジワ欠陥の発生抑制には効果がない。また、当該ワイピングガスの温度Ｔ（℃）がＴＭ＋２５０℃よりも高いと、合金化が促進して、鋼板の外観が悪化してしまう。

　また、ガスワイピングノズル１０に供給するワイピングガスの昇温方法については、特に限定されない。例えば、熱交換器で加熱昇温して供給する方法、焼鈍炉の燃焼排ガスと空気とを混合する方法が挙げられる。

　また、本実施形態では、鋼帯Ｓの幅方向両端部の外側に、好ましくは鋼帯Ｓの幅方向端部近傍の鋼帯延長面上に、一対のバッフルプレート２０、２１が配置されるのが好ましい。図１２、図１３はそれぞれ、一対のノズル１０Ａ、１０Ｂと共に、バッフルプレート２０、２１が配置された側面図および上面図を示す。バッフルプレート２０、２１は、一対のノズル１０Ａ、１０Ｂ間に配置される。よって、バッフルプレートの表裏面は、一対のノズル１０Ａ、１０Ｂのガス噴射口１１と対向する。バッフルプレート２０、２１は、一対のノズル１０Ａ、１０Ｂから噴射されたガス同士の直接的な衝突を回避させるように作用することにより、スプラッシュの低減に寄与する。これにより、バッフルプレートを配置することで、上記実施形態に対して、スプラッシュ欠陥の発生をさらに抑制する効果が高まる。

　バッフルプレート２０、２１の形状は特に限定されないが、矩形であることが好ましく、そのうち二辺が鋼帯Ｓの幅方向端部の延在方向と平行に配置されることが好ましい。バッフルプレート２０、２１の板厚は、２～１０ｍｍであることが好ましい。板厚が２ｍｍ以上であれば、ワイピングガスの圧力でバッフルプレートが変形しにくくなる。板厚が１０ｍｍ以下であれば、ワイピングノズルと接触したり、熱変形が起きたりする可能性が低くなる。バッフルプレート２０、２１の鋼帯Ｓの進行方向に沿った長さは、一対のノズル１０Ａ、１０Ｂから噴射されるガスが直接衝突する位置よりも上方を上端部として、下端部が浴面の上方５０ｍｍの位置よりも下方に位置するように設定するのが好ましい。対向したノズルから吐出される噴流が板エッジ部の外側で衝突する範囲を小さくすることができるため、エッジオーバーコート欠陥を抑制することができるからである。そのため、バッフルプレート２０、２１の下端部は、溶融金属浴に浸漬するように配置してもよい。

　図１４は、図１３における鋼帯Ｓの一方の幅方向端部の近傍を拡大して示した図である。図１４を参照して、鋼帯の幅方向端部とバッフルプレートとの距離Ｅは、１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがより好ましい。これにより、対向噴流の直接的な衝突をより確実に防止することができる。また、鋼帯が蛇行した際にバッフルプレートと接触する可能性を低減する観点から、当該距離Ｅは３ｍｍ以上とすることが好ましい。

　バッフルプレートの材質は特に限定されない。しかし、本実施形態では、バッフルプレートが浴面から近いため、トップドロスやスプラッシュが付着し、バッフルプレートと合金化して固着する可能性が考えられる。また、バッフルプレートが浴中に浸漬している場合には、上記合金化のみならず熱変形も考慮する必要がある。この観点から、バッフルプレートの材質としては、鉄板に亜鉛をはじきやすい窒化ホウ素系のスプレーを塗布したものや、亜鉛と反応しにくいＳＵＳ３１６Ｌ等が挙げられる。更に、アルミナ、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素等のセラミックスは、合金化と熱変形の両方を抑制できるため望ましい。

　また、本実施形態に係るガスワイピングノズル及び溶融金属めっき鋼帯の製造方法を適用して製造される溶融金属めっき鋼帯としては、溶融亜鉛めっき鋼帯が挙げられる。この溶融亜鉛めっき鋼帯は、溶融亜鉛めっき処理後合金化処理を施さないめっき鋼板（ＧＩ）と、合金化処理を施すめっき鋼板（ＧＡ）のいずれをも含む。但し、本実施形態に係るガスワイピングノズル及び溶融金属めっき鋼帯の製造方法を適用して製造される溶融金属めっき鋼帯は、これに限らず、亜鉛以外のアルミニウム、スズなどの他の溶融金属を含む溶融金属めっき鋼帯全般を含むものである。

　本発明の溶融金属めっき鋼帯の製造方法は、一実施形態として、ガス（ワイピングガス）の噴射方向と水平面とのなす角θ（°）を横軸、ガス噴射口１１の先端と鋼帯Ｓとの間隔Ｄ（ｍｍ）とガス噴射口１１の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂを縦軸としてグラフを描画するステップと、前記ステップで描画したグラフにおいて、上述の（式１）～（式５）によって操業範囲を定めるステップと、前記ステップで定めた操業範囲内において上述の一対のガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂを操業するステップを有する。

　［実施例１］
　図１に示す基本構成の連続溶融金属めっき設備１を用いて、板厚１．０ｍｍ、板幅１２００ｍｍの鋼帯Ｓを通板速度１．６７ｍ／ｓ（１００ｍｐｍ）で溶融亜鉛浴に侵入させて、表１の条件で溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。また、ガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂに関して、ガス噴射口１１の幅Ｂは１ｍｍである。実験時の溶融亜鉛浴の温度は４６０℃、ガスワイピングノズル先端のガス温度Ｔは１００℃または４５０℃である。また、表１の条件において、板幅センターの付着量が５０±５ｇ／ｍ^２に収まるようガスにワイピングノズルのガス圧（ノズルヘッダの内部の圧力）を調整した。

　スプラッシュ欠陥発生率は、ＣＧＬ（連続溶融亜鉛めっきライン）出側の検査工程で、通過した鋼帯長さに対する、スプラッシュ欠陥有と判定された鋼帯長さの比率であり、０．１０％以下で合格とした。
また、目視で溶融亜鉛浴の浴面の観察を行い、浴面スプラッシュの発生を評価した。

　湯ジワ評価は、ＣＧＬ出側の検査工程で以下の基準で評価した。
△：目視で湯ジワが確認できる溶融亜鉛めっき鋼板
〇：目視で湯ジワが確認できない溶融亜鉛めっき鋼板

　また、ＣＧＬ出側でコイルから切板を採取し、板幅センターおよび板幅エッジから内側に５０ｍｍの位置において径４８ｍｍの付着量分析用サンプルを採取した。得られたサンプルの付着量分析を行い、板幅センターに対する板幅エッジの付着量増加率をエッジオーバーコート率（ＥＯＣ率）として結果を整理した。
湯ジワ評価「〇」、かつＥＯＣ率：５．０％以下となることが好ましい。

　実験結果を表１に示す。発明例１～２２の条件は、ガス噴射方向と水平面の成す角θ（°）を横軸、ガス噴射口の先端から鋼帯の間隔Ｄ（ｍｍ）とガス噴射口の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂを縦軸として描画したグラフにおいて、下記（式１）～（式５）で囲まれる範囲内に入っている。すなわち、発明例１～２２は、ガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂを前記範囲内で操業した例である。
Ｄ／Ｂ＝３　・・・（式１）
Ｄ／Ｂ＝０．１×θ＋９　・・・（式２）
Ｄ／Ｂ＝１２　・・・（式３）
θ＝１０　・・・（式４）
θ＝６０　・・・（式５）
以上の条件では、スプラッシュ欠陥発生率が０．１０％以下となり、合格となった。

　また、下記好適範囲の中に入る領域で操業を行った発明例２、３、６、１３、１４は浴面スプラッシュの発生もなく、ＥＯＣ率も５．０％以下となり過剰な亜鉛を消費することなく、スプラッシュ欠陥の付着も抑制された鋼板を製造することができた。
Ｄ／Ｂ＝３　・・・（式１）
Ｄ／Ｂ＝１０　・・・（式６）
θ＝１５　・・・（式７）
θ＝４５　・・・（式８）

　一方、比較例１～１６の条件は、（式１）～（式５）で囲まれる範囲から外れており、スプラッシュ欠陥発生率が０．１０％を超過し、不合格となった。また、比較例１４～１６は、特開２０１８－９２２０号公報に記載の条件で鋼帯の製造を行った例である。比較例１４～１６の条件では、ノズル高さが３５０ｍｍに設定されるため、湯ジワは抑制されるが、操業条件が上記範囲から外れており、スプラッシュ欠陥が悪化し不合格となった。またエッジオーバーコートも悪化した。

 

　［実施例２］
　本発明の他の実施例として、実施例１と同様に、図１に示す基本構成の連続溶融金属めっき設備１を用いて、板厚１．０ｍｍ、板幅１２００ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した例について説明する。本実施例では、鋼帯Ｓを通板速度０．７５～２．１６ｍ／ｓ（４５～１３０ｍｐｍ）で溶融亜鉛浴に侵入させて、表２の条件で溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。ガスワイピングノズル１０Ａ、１０Ｂのガス噴射口１１の幅Ｂは１．０～１．４ｍｍであり、スリットギャップの平行部の長さＧは、３０ｍｍとした。さらに、本実施例では、鋼帯Ｓの幅方向両端部の外側に、一対のバッフルプレートを配置した。前記バッフルプレートの板厚は５ｍｍであり、鋼帯の幅方向端部と前記バッフルプレートとの距離Ｅを５ｍｍとして、バッフルプレートの下端部が溶融亜鉛浴の浴面よりも３０ｍｍ上方に位置するように前記バッフルプレートを配置した。溶融亜鉛浴の温度は４６０℃、ガスワイピングノズル先端のガス温度Ｔは４５０℃である。鋼帯Ｓの板幅中央部の付着量が表２に示した値になるようにワイピングノズルのガス圧（ノズルヘッダの内部の圧力）を調整した。

　スプラッシュ欠陥発生率、浴面スプラッシュ、湯ジワ、およびエッジオーバーコート率の評価方法は、実施例１と同様である。実験結果を表２に示す。

　発明例２３～２９は、ガス噴射方向と水平面の成す角θ（°）を横軸、ガス噴射口の先端から鋼帯の間隔Ｄ（ｍｍ）とガス噴射口の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂを縦軸として描画したグラフにおいて、上述の（式１）～（式５）に囲まれる範囲内で操業したものである。さらに、発明例２３～２９は、下記好適範囲の中に入る条件で操業を行ったものである。
Ｄ／Ｂ＝３ ・・・（式１）
Ｄ／Ｂ＝１０ ・・・（式６）
θ＝１５ ・・・（式７）
θ＝４５ ・・・（式８）

　さらに、発明例２３～２９は、ガス噴射口の先端と溶融亜鉛浴の浴面の間の距離Ｈが５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下の範囲にあり、ガスワイピングノズルから噴射した直後のガスの温度Ｔ（℃）が、溶融亜鉛の融点ＴＭ（℃）との関係で、ＴＭ－１５０≦Ｔ≦ＴＭ＋２５０を満たす条件で操業したものである。

　表２の結果からは、発明例２３～２９では、スプラッシュ欠陥発生率が０．１０％以下となり合格であった。また、浴面スプラッシュの発生もなく、ＥＯＣ率も５．０％以下となった。以上から、本実施例により、鋼帯へスプラッシュが付着することを抑制でき、スプラッシュ欠陥の発生が抑制された溶融亜鉛めっき鋼帯を製造できることが確認できた。併せて、湯ジワのような溶融亜鉛めっき鋼帯の表面品質不良を防止すると共に、エッジオーバーコートを抑制して亜鉛歩留まりを向上させた溶融亜鉛めっき鋼帯を製造できることを確認した。

 

Ｓ　鋼帯
１　連続溶融金属めっき設備
２　スナウト
３　めっき槽
４　溶融金属浴
５　シンクロール
６　サポートロール
１０Ａ、１０Ｂ　ガスワイピングノズル
１１　ガス噴射口
１２　ノズルヘッダ
１３Ａ　上ノズル部材
１３Ｂ　下ノズル部材
２０、２１　バッフルプレート
１３１Ａ　上ノズル部材の外形テーパ部
１３１Ｂ　下ノズル部材の外形テーパ部

Claims (5)

1. 　溶融金属浴に連続的に鋼帯を浸漬し、前記溶融金属浴から引き上げられる鋼帯に、該鋼帯の幅方向に沿って該鋼帯よりも広幅に延在するスリット状のガス噴射口を有し、該鋼帯を挟んで配置される一対のガスワイピングノズルの前記ガス噴射口からガスを吹き付けて、該鋼帯の両面に付着した溶融金属の付着量を調整して、連続的に溶融金属めっき鋼帯を製造する溶融金属めっき鋼帯の製造方法において、
   前記ガス噴射口から噴射する前記ガスの噴射方向と水平面とのなす角θ（°）を横軸、前記ガス噴射口の先端と前記鋼帯との間隔Ｄ（ｍｍ）と前記ガス噴射口の幅Ｂ（ｍｍ）の商Ｄ／Ｂを縦軸としてグラフを描画したとき、
   前記一対のガスワイピングノズルを、下記（式１）～（式５）で囲まれる範囲内で操業する、溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
   Ｄ／Ｂ＝３　・・・（式１）
   Ｄ／Ｂ＝０．１×θ＋９　・・・（式２）
   Ｄ／Ｂ＝１２　・・・（式３）
   θ＝１０　・・・（式４）
   θ＝６０　・・・（式５）
2. 　前記一対のガスワイピングノズルの前記ガス噴射口の先端と前記溶融金属浴の浴面との間の距離Ｈが５０ｍｍ以上７００ｍｍ以下であり、
   前記一対のガスワイピングノズルから噴射した直後のガスの温度Ｔ（℃）が、前記溶融金属の融点ＴＭ（℃）との関係で、ＴＭ－１５０≦Ｔ≦ＴＭ＋２５０を満たす、請求項１に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
3. 　前記一対のガスワイピングノズルはそれぞれ、ノズルヘッダと、該ノズルヘッダに連結された上ノズル部材及び下ノズル部材とを有し、
   前記上ノズル部材の先端部分と前記下ノズル部材の先端部分が、前記鋼帯の幅方向に垂直な断面視で、互いに平行に対向して前記ガス噴射口を形成し、
   前記ガスは、前記ノズルヘッダの内部を通過して前記ガス噴射口から噴射される、請求項１または２に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
4. 　前記ノズルヘッダの内部の圧力を２～７０ｋＰａとする、請求項３に記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。
5. 　前記鋼帯の幅方向両端部の外側、かつ、前記一対のガスワイピングノズルの間に、前記ガス噴射口と対向するようにバッフルプレートを配置する、請求項１～４のいずれかに記載の溶融金属めっき鋼帯の製造方法。

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