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JP5655955B2 - 鋼帯の連続焼鈍方法、鋼帯の連続焼鈍装置、溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置 - Google Patents

鋼帯の連続焼鈍方法、鋼帯の連続焼鈍装置、溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置 Download PDF

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Description

本発明は、鋼帯の連続焼鈍方法、鋼帯の連続焼鈍装置、溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置に関するものである。
近年、自動車、家電、建材等の分野において、構造物の軽量化等に寄与可能な高強度鋼（ハイテン材）の需要が高まっている。このハイテン材の技術では、鋼中にＳｉを添加すると穴広げ性の良好な高強度鋼帯が製造出来る可能性があり、またＳｉやＡｌを含有すると残留γが形成しやすく延性の良好な鋼帯が提供出来る可能性が示されている。
しかし、高強度冷延鋼帯において、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有していると、焼鈍中にこれらの易酸化性元素が鋼帯表面に濃化してＳｉ、Ｍｎ等の酸化物が形成され、外観不良やリン酸塩処理等の化成処理性不良となる問題がある。
溶融亜鉛めっき鋼帯の場合、鋼帯がＳｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有していると、焼鈍中にこれらの易酸化性元素が鋼帯表面に濃化してＳｉ、Ｍｎ等の酸化物が形成され、めっき性を阻害して不めっき欠陥を発生させる問題がある。さらに、めっき後の合金化処理の際に合金化速度を低下させる問題がある。中でもＳｉは、鋼帯表面にＳｉＯ２の酸化膜が形成されると、鋼帯と溶融めっき金属との濡れ性を著しく低下させ、また、合金化処理の際にＳｉＯ２酸化膜が地鉄とめっき金属との拡散の障壁となる。このため、Ｓｉはめっき性、合金化処理性阻害の問題を特に発生させやすい。
この問題を避ける方法として、焼鈍雰囲気中の酸素ポテンシャルを制御する方法が考えられる。
酸素ポテンシャルを上げる方法として、例えば特許文献１に加熱帯後段から均熱帯までの露点を−３０℃以上の高露点に制御する方法が開示されている。この手法は、ある程度効果が期待でき、また高露点への制御も工業的にたやすいという利点がある。しかしこの手法は、高露点下で操業することが望ましくない鋼種（例えばＴｉ系−ＩＦ鋼）の製造を簡易に行うことができないという欠点がある。これは、一旦高露点にした焼鈍雰囲気を低露点にするには非常に長時間かかるためである。またこの手法は、炉内雰囲気を酸化性にするため、制御を誤ると炉内ロールに酸化物が付着してピックアップ欠陥が発生する問題や、炉壁損傷の問題がある。
別の手法として、低酸素ポテンシャルとする手法が考えられる。しかしＳｉ、Ｍｎ等は非常に酸化しやすいため、ＣＧＬ（連続溶融亜鉛めっきライン）・ＣＡＬ（連続焼鈍ライン）に配置されるような大型の連続焼鈍炉においては、Ｓｉ、Ｍｎ等の酸化を抑制する作用が優れる−４０℃以下の低露点の雰囲気を安定的に得ることは非常に困難であった。
低露点の焼鈍雰囲気を効率的に得る技術が、例えば特許文献２、特許文献３に開示されている。これらの技術は、１パス縦型炉の比較的小規模な炉についての技術であり、ＣＧＬ・ＣＡＬのような多パス縦型焼鈍炉において、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯を焼鈍することは考慮されていない。
ＷＯ２００７／０４３２７３号公報 日本国特許第２５６７１４０号公報 日本国特許第２５６７１３０号公報
本発明は、ピックアップ欠陥の発生や、炉壁損傷の問題が少なく、鋼中のＳｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素が鋼帯表面に濃化してＳｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素の酸化物が形成されるのを防止し、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯の焼鈍に適した低露点の焼鈍雰囲気を低コストで実現できる鋼帯の連続焼鈍方法および連続焼鈍装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、前記連続焼鈍方法で鋼帯を焼鈍した後、溶融亜鉛めっきを行う溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法を提供することを課題とする。また、本発明は、前記連続焼鈍装置を備えた溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置を提供することを課題とする。
大型の焼鈍炉を効率よく低露点化するためには、水分発生源を特定する必要がある。発明者は鋭意検討した結果、鋼帯の自然酸化膜が還元される際に発生する水分対策が非常に重要であることを知見した。さらに調査した結果、発明者は下記ｉ）、ｉｉ）を知見し、以下の発明を完成させた。
ｉ）還元がおこる温度域が５００℃〜６００℃であること。
ｉｉ）Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化元素が酸化し、不めっき等のめっき性阻害要因である表面濃化（不めっき等のめっき性阻害要因）が起こるのは７００℃以上であること。
上記課題を解決する本発明の手段は、下記のとおりである。
（１）鋼帯を上下方向に搬送する加熱帯、均熱帯を備え、前記加熱帯〜前記均熱帯内に炉内の雰囲気を分離する隔壁が設けられ、炉外より雰囲気ガスを炉内に供給し、炉内ガスを加熱帯下部の鋼帯導入部から排出するとともに、炉内ガスの一部を吸引して炉外に設けた脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナに排出してガス中の酸素と水分を除去して露点を低下し、露点を低下したガスを炉内に戻すように構成された縦型焼鈍炉で鋼帯を焼鈍する際に、前記隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０〜７００℃になるように制御することを特徴とする鋼帯の連続焼鈍方法。
（２）鋼帯を上下方向に搬送する加熱帯、均熱帯を備え、前記加熱帯〜前記均熱帯内に炉内の雰囲気を分離する隔壁が設けられ、炉外より雰囲気ガスを炉内に供給し、炉内ガスを加熱帯下部の鋼帯導入部から排出するとともに、炉内ガスの一部を吸引して炉外に設けた脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナに排出してガス中の酸素と水分を除去して露点を低下し、露点を低下したガスを炉内に戻すように構成された縦型焼鈍炉であって、前記隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０℃〜７００℃になるように隔壁を配置したことを特徴とする鋼帯の連続焼鈍装置。
（３）前記（１）に記載の連続焼鈍方法で鋼帯を焼鈍した後、溶融亜鉛めっきすることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
（４）前記（２）に記載の連続焼鈍装置の下流に溶融亜鉛めっき装置を備えることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置。
本発明によれば、還元反応進行温度域の雰囲気と表面濃化進行温度域の雰囲気を隔壁で分離することで、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯の焼鈍に適した低露点の焼鈍雰囲気を低コストで実現できる。本発明によれば、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯を溶融亜鉛めっきしたときのめっき性を改善することができる。
図１は、本発明の実施に使用する縦型焼鈍炉を備える鋼帯の連続溶融亜鉛めっきラインの一構成例を示す。 図２は、焼鈍炉の加熱帯〜均熱帯におけるリファイナへのガスの吸引口、リファイナからのガスの吐出口の配置例を示す。
鋼帯の連続焼鈍ライン、鋼帯の連続溶融亜鉛めっきラインに配置される焼鈍炉の露点を効率良く下げるには、露点を上昇させる水の発生源を知ることが非常に重要となる。発明者は実機焼鈍炉内の多点連続露点測定によって、鋼帯温度が５００℃から６００℃の温度域に水の発生源が存在することを突き止めた。ラボ実験によると、この温度域で酸化膜の還元がもっとも進行することから、発明者は、当該領域で露点が高い理由は鋼帯の自然酸化膜の還元が大きく影響しているとの考えに至った。
一方、めっき性に大きな影響を及ぼす易酸化性元素の表面濃化量は、鋼帯温度が高いほど多くなるが、その温度影響度は鋼帯内に含まれる元素種により大きく異なる。ハイテン材で使用される元素の代表例として知られるＭｎ、Ｓｉについて述べると、Ｍｎでは８００℃以上、Ｓｉは７００℃以上の鋼帯温度領域で表面濃化が進行することが、ラボ実験で判明している。
上記のように、還元による水発生は５００〜６００℃の範囲でおこり、表面濃化はＳｉ系で７００℃以上、Ｍｎ系では８００℃以上で問題となる。このような事実から、発明者は還元反応進行温度域の雰囲気と表面濃化進行温度域の雰囲気を分離することが、めっき性確保の観点から有効であることに思い至った。すなわち、雰囲気を分離する隔壁を設け、この隔壁位置の鋼帯温度を５５０〜７００℃とすれば、自然酸化膜の還元で発生する水分のほとんどをめっき性に影響しない隔壁上流側の低温域に閉じ込めることができる。このため、雰囲気を分離する隔壁を設け、この隔壁位置の鋼帯温度を５５０〜７００℃とすれば、易酸化性元素の表面濃化が進行する隔壁下流の高温域での露点を低コストで低いままに保つことが可能となる。
雰囲気を分離する隔壁位置の鋼帯温度が７００℃超であると、隔壁上流（分離帯以前）ですでに還元反応が終了しており、また表面濃化の進行がめっき性へ悪影響を及ぼすため、良好なめっき品質が得られない。
一方、雰囲気を分離する隔壁位置の鋼帯温度が５５０℃未満であると、還元は隔壁上流の低温側で終了せず、隔壁下流の高温側でも進行することから、高温側雰囲気の低露点化が特に重要となる。
雰囲気の分離手法には、物理的に分離する方法とガスシール等で非物理的に分離する手法の２通りある。ただし、炉を新規に設計する場合は物理的に分離する方法が好適である。具体的な物理的分離手法としては、耐熱煉瓦等により構成された壁（隔壁）が考えられる。この手法では、鋼帯を通すための開口部を設ける必要があるため、雰囲気を完全に分離することが出来ない。しかしこの手法では、炉ガスの排出口から出来るだけ遠方に隔壁の開口部を配置することで、隔壁上流と下流の雰囲気の分離性を高めることが可能である。また、脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナを炉外に備えた焼鈍炉では、隔壁の配置と、リファイナへのガス吸引、リファイナからのガス吐出を組合せることで、焼鈍雰囲気の露点を低コストで低下できるようになる。
図１は、本発明の実施に使用する縦型焼鈍炉を備える鋼帯の連続溶融亜鉛めっきラインの一構成例を示す。図２は、焼鈍炉の加熱帯〜均熱帯におけるリファイナへのガスの吸引口、リファイナからのガスの吐出口の配置例を示す。以下、図１、図２を用いて本発明を説明する。
図１の連続溶融亜鉛めっきラインは、めっき浴７の上流に、多パスの縦型焼鈍炉２を備える。通常、焼鈍炉２は、炉の上流から下流に向かって、加熱帯３、均熱帯４、冷却帯５がこの順で配置されている。加熱帯３〜均熱帯４内に、雰囲気を分離する隔壁１１が配置されている。隔壁１１は略鉛直に配置されており、隔壁１１によって、隔壁上流側の雰囲気と下流側の雰囲気が分離される。隔壁１１には、鋼帯１を通過させる開口部１２が設けられている。隔壁１１の開口部１２は、炉内ガスが排出される炉入側の開口部１３からできるだけ離れた場所に配置することが好ましい。図１の焼鈍炉では、隔壁１１の開口部１２は、炉入側の開口部１３から最も距離が離れた隔壁上部（炉上部側）に配置されている。なお、必要に応じて、ガスシール等の公知の非接触手法を用いて、隔壁の開口部１２における雰囲気の分離性をさらに高めることも可能である。
１４は、隔壁の開口部位置における鋼帯板温を測定する温度計である。
焼鈍炉２とめっき浴７はスナウト６を介して接続され、加熱帯３からスナウト６に至るまでの炉内は、還元性雰囲気ガスまたは非酸化性雰囲気に保持され、加熱帯３、均熱帯４は、加熱手段としてラジアントチューブ（ＲＴ）を用い、鋼帯１を間接加熱する。
還元性雰囲気ガスは、通常Ｈ２−Ｎ２ガスが用いられ、加熱帯３からスナウト６までの炉内の適宜場所に導入される。炉内に導入したガスは、炉体リーク等の不可避のものを除くと、炉の入側から排出され、炉内ガスの流れは、鋼帯進行方向とは逆方向に、炉の下流から上流に向かい、炉入側の開口部１３から炉外に排出される。
焼鈍炉の雰囲気ガスの露点を低下するために、脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナ１５が炉外に配置され、炉内の雰囲気ガスの一部を吸引してリファイナ１５に排出してガス中の酸素と水分を除去して露点を低下し、露点を低下したガスを炉内に吐出するように構成されている。リファイナは公知のものを使用できる。
リファイナへのガスの吸引口、リファイナからのガスの吐出口は、加熱帯〜均熱帯内に配置された隔壁１１の上流側、下流側の各々の適宜位置に配置される。図２では、リファイナへのガスの吸引口は、加熱帯に、炉高方向の位置を変えて３箇所、均熱帯に、炉長方向の位置、炉高方向の位置を変えて６箇所配置されている。炉長方向は図２の左右方向である。リファイナからのガスの吐出口は、各吸引口の下０．５ｍの位置に配置されている。各吸引口のガス吸引量、各吐出口のガス吐出量は、個別に流量調整が可能である。
前記焼鈍炉で鋼帯を焼鈍するときは、隔壁通過位置での鋼帯温度の制御が非常に重要である。前記したとおり、還元進行温度が５００〜６００℃で、表面濃化進行温度はＳｉ系で７００℃以上、Ｍｎ系で８００℃以上である。還元進行温度域と表面濃化進行温度域が接近しているため、温度制御が適切でないと、本発明の効果が発現されないばかりか、むしろ逆効果になる場合がある。
本発明では、隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０〜７００℃の範囲内になるように制御する。鋼帯温度が５５０℃未満になると、還元が不十分な状態で隔壁下流の高温側に搬送されるため、還元起因のガスが高温側で多く発生し高温側の露点が高くなり、めっき性を阻害する。逆に、鋼帯温度が７００℃超になると、露点が高い隔壁上流の低温側で表面濃化が進行しめっき性を阻害する。より好ましい隔壁通過位置の鋼帯温度は、還元がほぼ終了しており、表面濃化の影響がほとんど無視できる６００℃〜７００℃である。隔壁通過位置での鋼帯温度は、ライン速度や板厚などの条件に応じて、ＲＴの燃焼量等の加熱能力を調整することにより制御可能である。
また、ライン速度や板厚などの条件の変更が少ない場合等は、予め隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０〜７００℃となる焼鈍炉内の位置を特定し、ここに隔壁を配置するようにしてもよい。
隔壁通過位置の鋼帯温度が、５５０〜７００℃の範囲内であると、鋼帯のＳｉ含有量が０．１質量％以下の場合は、リファイナを不使用としてもＳｉ、Ｍｎ含有鋼帯のめっき性を向上させることができる。一方、鋼帯のＳｉ含有量が０．１質量％を超えると、リファイナを用いて炉内ガスの露点を低下させなければめっき性を良好とすることは出来ない。リファイナへのガスの排出は、隔壁の上流の低温側、下流側の高温側のいずれで行ってもよい。ただし、リファイナガス吐出口が隔壁下流にある場合は、リファイナへのガスの排出は、隔壁下流でかつ該吐出位置から極力離れているほうが低露点化するためには効率が良い。リファイナからのガスの吐出場所は特に限定されない。ただし、低露点である吐出ガスを有効活用する観点から、リファイナへのガス排出口から極力離れた位置に、リファイナからのガスを吐出することが好ましい。
７００℃超では還元が終了しているため、隔壁上流でのみ水を放出することになるが、表面濃化影響も大きくなる温度域であり、隔壁位置の温度管理を行なう意味が小さい。
隔壁通過後の鋼帯は均熱帯で高温保持される。均熱帯での鋼帯温度は要求される材質により適宜設定すればよく、例えば７３０℃〜９１０℃程度である。
加熱帯３、均熱帯４で所定の焼鈍を施した鋼帯は、冷却帯５で冷却し、スナウト６を介してめっき浴７に浸漬して溶融亜鉛めっきし、ワイピングノズル８でめっき付着量を所定付着量に調整して溶融亜鉛めっき鋼帯とする。またはワイピングノズル８での付着量調整後、さらに加熱装置９を用いて亜鉛めっきの合金化処理を行う。
本発明法で焼鈍した鋼帯は、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素の表面濃化が抑制され、溶融亜鉛めっきを行うとめっき性を向上できる。本発明法の効果は、Ｓｉ：０．４〜３．０質量％及び／またはＭｎ：１〜３質量％を含有する鋼帯で確認された。
前記した焼鈍炉では、鋼帯は炉の下部から導入された。ただし、鋼帯は炉の上部側から導入されてもよい。前記した焼鈍炉では、鋼帯は隔壁の上方を走行した。ただし、鋼帯は隔壁の下方を通過するようにしてもよい。前記した焼鈍炉では、均熱帯と冷却帯は炉の上部で連通していた。ただし、均熱帯と冷却帯は炉の下部で連通していてもよい。前記した焼鈍炉は、加熱帯の上流に予熱炉が配置されていない。ただし、焼鈍炉は、予熱炉を備えていてもよい。
本発明の焼鈍方法は、鋼帯の連続焼鈍ライン（ＣＡＬ）における焼鈍方法、焼鈍装置にも適用できる。
図１、図２に示すような加熱帯〜均熱帯内に物理的に炉内の雰囲気を分離する隔壁が配置され、炉外に除湿装置と脱酸素装置を備えたリファイナが配置されたＡＲＴ型（オールラジアント型）の焼鈍炉を備えるＣＧＬで、炉内雰囲気条件等を変化させ、露点測定を行い、鋼帯に溶融亜鉛めっきして溶融亜鉛めっき鋼帯を製造し、めっき性を評価した。
加熱帯〜均熱帯の炉長（図２の左右方向の炉長）は１６ｍ、加熱帯の炉長は６ｍ、均熱帯の炉長は１０ｍで、隔壁位置は入側炉壁から６ｍの位置にある。炉外からの雰囲気ガス供給箇所は、均熱帯ではドライブ側の炉床から高さ１ｍ、１０ｍの位置の炉長手方向に各々９箇所で合計１８箇所である。供給する雰囲気ガスの露点は−６０〜−７０℃であり、Ｈ２−Ｎ２ガス（Ｈ２濃度１０ｖｏｌ％）である。
リファイナへのガスの吸引口およびリファイナからのガスの吐出口は図２に記載した通りである。図２の雰囲気ガスの吸引口Ａ〜Ｉの座標（炉入側壁からの距離、炉底からの距離）は、Ａ＝（４ｍ、２ｍ）、Ｂ＝（４ｍ、１１ｍ）、Ｃ＝（４ｍ、２０ｍ）、Ｄ＝（８ｍ、２ｍ）、Ｅ＝（８ｍ、１１ｍ）、Ｆ＝（８ｍ、２０ｍ）、Ｇ＝（１２ｍ、２ｍ）、Ｈ＝（１２ｍ、１１ｍ）、Ｉ＝（１２ｍ、２０ｍ）である。吐出口Ａ〜Ｉは上記吸引口Ａ〜Ｉの下０．５ｍである（片側の炉壁から吸引／吐出）。なお、吸引口はφ２００ｍｍ、吐出口はφ５０ｍｍである。リファイナの除湿装置には合成ゼオライト、脱酸素装置にはパラジウム触媒を使用した。
板厚０．８〜１．２ｍｍ、板幅９５０〜１０００ｍｍの範囲の冷延鋼帯（鋼種は表１のＡ〜Ｄの４種類）を用い、焼鈍温度８２０℃、通板速度１００〜１２０ｍｐｍとなるように、出来る限り条件を統一した試験を行った。
Figure 0005655955
 リファイナを使用していないときの雰囲気の露点（初期露点）をベース（−３４℃〜−３６℃）とし、リファイナ使用１ｈｒ後の露点を調査した。なお露点はガス吸引口と同じ位置で測定した（ただしガス吸引口と反対の炉壁側）。
めっき性（めっき品質）の評価基準は以下である。
◎：合格（表面美麗で外板レベルの品質）、○：合格（内板レベルの品質）、△：微小欠陥あり（不めっき等）、×：重大欠陥あり（不めっき大）、不合格
結果を表２、表３に示す。
Figure 0005655955
Figure 0005655955
 本発明例は、比較例に比べて低露点化され、かつ、めっき性が改善されていることが分かる。
本発明によれば、還元反応進行温度域の雰囲気と表面濃化進行温度域の雰囲気を隔壁で分離することで、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯の焼鈍に適した低露点の焼鈍雰囲気を低コストで実現できる。本発明によれば、Ｓｉ、Ｍｎ等の易酸化性元素を含有する鋼帯を溶融亜鉛めっきしたときのめっき性を改善することができる。
１ 鋼帯
２ 焼鈍炉
３ 加熱帯
４ 均熱帯
５ 冷却帯
６ スナウト
７ めっき浴
８ ワイピングノズル
９ 加熱装置
１１ 隔壁
１２ 隔壁の開口部
１３ 炉入側の開口部
１４ 温度計
１５ リファイナ

Claims (4)

  1. 鋼帯を上下方向に搬送する加熱帯、均熱帯を備え、前記加熱帯〜前記均熱帯内に炉内の雰囲気を分離する隔壁が設けられ、炉外より雰囲気ガスを炉内に供給し、炉内ガスを加熱帯下部の鋼帯導入部から排出するとともに、炉内ガスの一部を吸引して炉外に設けた脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナに排出してガス中の酸素と水分を除去して露点を低下し、露点を低下したガスを炉内に戻すように構成された縦型焼鈍炉で鋼帯を焼鈍する際に、前記隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０〜７００℃になるように制御することを特徴とする鋼帯の連続焼鈍方法。
  2. 鋼帯を上下方向に搬送する加熱帯、均熱帯を備え、前記加熱帯〜前記均熱帯内に炉内の雰囲気を分離する隔壁が設けられ、炉外より雰囲気ガスを炉内に供給し、炉内ガスを加熱帯下部の鋼帯導入部から排出するとともに、炉内ガスの一部を吸引して炉外に設けた脱酸素装置と除湿装置を有するリファイナに排出してガス中の酸素と水分を除去して露点を低下し、露点を低下したガスを炉内に戻すように構成された縦型焼鈍炉であって、前記隔壁通過位置の鋼帯温度が５５０〜７００℃になるように隔壁を配置したことを特徴とする鋼帯の連続焼鈍装置。
  3. 請求項１に記載の連続焼鈍方法で鋼帯を焼鈍した後、溶融亜鉛めっきすることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
  4. 請求項２に記載の連続焼鈍装置の下流に溶融亜鉛めっき装置を備えることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造装置。
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