(57)【要約】【課題】Ｓｉ添加鋼であってもめっき外観に優れる溶融亜鉛めっき鋼板を得ることができ、生産性の高い溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法および連続溶融亜鉛めっき装置を提供することを目的とする。【解決手段】鋼板面に対向させたバーナーを配置した直火型加熱帯を備えた連続溶融亜鉛めっき装置を用いて溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際に、前記バーナーに投入するガスの露点を調整する溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板面にバーナーを対向配置した直火型加熱炉を備えた連続溶融亜鉛めっき装置を用いて溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際に、前記バーナーに投入するガスの露点を調整することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、投入するガスの露点を４０℃〜８０℃とすることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、投入するガスは燃料ガスと空気であって、前記空気の露点を調整することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかに記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、鋼板長手方向に燃焼率および空気比を独立に制御可能な複数のバーナー群を用いて、鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナー群の燃料ガスおよびまたは空気の露点を４０〜８０℃とし、かつ、空気比１．０以上１．５以下の燃焼を行ない、鋼板移動方向最下流のバーナー群は空気比０．５以上０．９５以下の燃焼を行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項５】
鋼板面に対向してバーナーを複数配置した直火型加熱炉を備えた連続溶融亜鉛めっき装置において、前記バーナーを、鋼板長手方向に燃焼率及び空気比を独立に制御可能な複数のバーナー群に分け、鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナー群のバーナーには、露点４０〜８０℃の範囲で任意に調湿された空気を投入する調湿装置を備え、かつ鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナーは空気比１．０以上１．５未満での燃焼又は燃焼停止の選択が自在であり、鋼板移動方向最下流のバーナー群のバーナーは空気比０．５以上０．９５以下の燃焼が可能であることを特徴とする連続溶融亜鉛めっき装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼鈍炉に直火型加熱炉を備えた溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法および連続溶融亜鉛めっき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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利用可能な高張力鋼板（ハイテン鋼材）の需要が高まっている。ハイテン鋼材としては、例えば、鋼中にＳｉを含有することにより穴広げ性の良好な鋼板や、また、ＳｉやＡｌを含有することにより残留γが形成しやすく延性の良好な鋼板を得られることがわかっている。
【０００３】
しかし、Ｓｉを多量に含有する高強度鋼板を母材とする溶融亜鉛めっき鋼板及び合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合、以下の問題がある。溶融亜鉛めっき鋼板は非酸化性雰囲気中あるいは還元雰囲気中で６００〜９００℃程度の温度で加熱焼鈍を行った後に、溶融亜鉛めっき処理を行う。しかし、鋼中のＳｉは易酸化性元素であり、一般的に用いられる非酸化性雰囲気中あるいは還元雰囲気中でも選択酸化されて、表面に濃化し酸化物を形成する。この酸化物は、めっき処理時の溶融亜鉛との濡れ性を低下させて不めっきを生じさせるので、鋼中Ｓｉ濃度の増加と共に濡れ性が急激に低下し不めっきが多発する。また、不めっきに至らなかった場合でも、めっき密着性に劣るという問題がある。さらに、鋼中のＳｉが選択酸化されて表面に濃化すると、溶融亜鉛めっき後の合金化過程において著しい合金化遅延が生じる。その結果、生産性を著しく阻害する。生産性を確保するために過剰に高温で合金化処理しようとすると、耐パウダリング性の劣化を招くという問題もあり、高い生産性と良好な耐パウダリング性を両立させることは困難である。
【０００４】
このような問題に対して、例えば、特許文献１および２には、直火型加熱炉（ＤＦＦ）あるいは無酸化炉（ＮＯＦ）を用いて、鋼板表面を一旦酸化させた後、還元帯で還元することでＳｉを内部酸化させ、Ｓｉ表面濃化を抑制し、溶融亜鉛めっき濡れ性および密着性を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０２９５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１７０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１および２に記載の方法では、所望のＦｅ酸化量を確保するために、直火型加熱炉出口温度を７００℃程度（少なくとも６５０℃以上）の高温にすることが必須条件となっている。また、通常、直火型加熱炉能力には制約があり、生産性の指標ＳＴ（＝ライン速度［ｍ／ｍｉｎ］×板厚［ｍｍ］）を用いると、例えば、直火型加熱炉出口温度５５０℃であれば、ＳＴ＝２５０、６５０℃であればＳＴ＝１４０、７００℃であればＳＴ＝１２０などと表すことができる。このような直火型加熱炉では、１．６ｍｍの鋼板の場合、通常は最大１００ｍ／ｍｉｎまでライン速度を上げられるのに対し、Ｓｉ添加鋼では６２．５〜７５ｍ／ｍｉｎ程度のライン速度に留まることになり、生産性が著しく低下することになる。予め、直火型加熱炉の炉長を長くする方法もあるが、建設済みの設備の場合、延長は困難であるし、新設であっても、本来コンパクトなスペースで高い昇温速度が得られるのが特徴の加熱炉であるので、炉長増加は非常にコストがかかる。また、特許文献２に記載の方法には、最適な雰囲気含有水蒸気分圧等が示されている。具体的には、加熱炉内燃焼後雰囲気の水分量１〜５０％が好適範囲とされているが、その限定根拠は明確ではないし、その制御方法も示されていない。例えば、投入する空気の露点が、通常大気雰囲気で露点−１０℃〜３０℃（水分量０．２５７〜４．５３％）で変動したとすると、コークスガス燃焼後の炉内水分量は２０〜２４％程度である。しかし、実際の操業においては気温、天候によって投入ガスの湿分は変更し、Ｆｅ酸化量が変化するので、Ｆｅ酸化量の制御が難しく、最適な直火型加熱炉出口温度は刻々と変化するのが実態である。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑み、Ｓｉ添加鋼であってもめっき外観に優れる溶融亜鉛めっき鋼板を得ることができ、生産性の高い溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法および連続溶融亜鉛めっき装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］鋼板面にバーナーを対向配置した直火型加熱炉を備えた連続溶融亜鉛めっき装置を用いて溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際に、前記バーナーに投入するガスの露点を調整することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
［２］［１］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、投入するガスの露点を４０℃〜８０℃とすることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
［３］［１］または［２］に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、投入するガスは燃料ガスと空気であって、前記空気の露点を調整することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
［４］［２］または［３］のいずれかに記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法において、鋼板長手方向に燃焼率および空気比を独立に制御可能な複数のバーナー群を用いて、鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナー群の燃料ガスおよびまたは空気の露点を４０〜８０℃とし、かつ、空気比１．０以上１．５以下の燃焼を行ない、鋼板移動方向最下流のバーナー群は空気比０．５以上０．９５以下の燃焼を行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
［５］鋼板面に対向してバーナーを複数配置した直火型加熱炉を備えた連続溶融亜鉛めっき装置において、前記バーナーを、鋼板長手方向に燃焼率及び空気比を独立に制御可能な複数のバーナー群に分け、鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナー群のバーナーには、露点４０〜８０℃の範囲で任意に調湿された空気を投入する調湿装置を備え、かつ鋼板移動方向最下流のバーナー群以外のバーナーは空気比１．０以上１．５未満での燃焼又は燃焼停止の選択が自在であり、鋼板移動方向最下流のバーナー群のバーナーは空気比０．５以上０．９５以下の燃焼が可能であることを特徴とする連続溶融亜鉛めっき装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、焼鈍炉に直火型加熱炉を備えた連続溶融亜鉛めっき装置を用いて溶融亜鉛めっき鋼板を製造するに際し、Ｓｉを０．１％以上含む鋼であっても、美麗な表面外観を有する溶融亜鉛めっき鋼板を、生産性の低下もなく安定して製造することができる。また、気温や天候等の外乱に影響されずに、非常に安定して溶融亜鉛めっき鋼板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の連続溶融亜鉛めっき装置に配置される直火型加熱炉の一実施形態を示し、（ａ）は直火型加熱炉の縦断面図、（ｂ）は直火型加熱炉壁面に複数配置した直火バーナーのバーナー群を示す正面図である。
【図２】バーナーに投入する空気（Ａｉｒ）の露点とＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量との関係を調べた結果を示す図である。
【図３】バーナーに投入する空気（Ａｉｒ）の露点とＳｉ添加鋼のＦｅ酸化量との関係を調べた結果を示す図である。
【図４】バーナーに投入する空気（Ａｉｒ）およびコークスガス（ＣＯＧ）の流れを示す図である。
【図５】本発明の調湿装置を表す模式図である。
【図６】鋼板の走行距離と板温および酸化量との関係を示す図であり、（ａ）は発明例（条件３）、（ｂ）は比較例（条件７）の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について、図１〜図６に基づき具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る連続溶融亜鉛めっき装置の焼鈍炉に配置される直火型加熱炉の要部を示す。図１において、（ａ）は直火型加熱炉の縦断面図、（ｂ）は直火型加熱炉壁面に複数配置した直火バーナーのバーナー群を示す正面図である。図１において、１は直火型加熱炉、２はバーナー（直火バーナー）、３は鋼板である。
【００１３】
なお、直火型加熱炉１の下流には、ラジアントチューブ（ＲＴ）炉、冷却炉、溶融めっき設備、合金化処理設備等が配置される（図示なし。）。ＲＴ炉、冷却炉、溶融めっき設備、合金化処理設備等は特に限定されず、通常採用されるものでよい。直火型加熱炉の上流に予熱炉が配置されることもある。
【００１４】
バーナー２は、鋼板面に対向して複数配置する。本実施形態では、鋼板面に対向して複数配置したバーナー２は、鋼板長手方向に４つのバーナー群（グループ）、１Ｚ〜４Ｚに分かれる。バーナー群１Ｚ〜３Ｚは、バーナー群毎に燃焼率及び空気比を独立に制御可能である。バーナー群１Ｚ〜３Ｚのバーナーは、燃焼率が予め定めた閾値以上の燃焼率となる条件で燃焼する。
【００１５】
燃焼率は、最大燃焼負荷時のバーナーの燃料ガス量で、実際にバーナーに導入した燃料ガス量を割った値である。バーナーを最大燃焼負荷で燃焼したときが燃焼率１００％である。バーナーは、燃焼負荷が低くなると安定した燃焼状態が得られなくなる。燃焼率の予め定めた閾値は、最大燃焼負荷時の燃料ガス量に対する、安定した燃焼状態を確保できる燃焼負荷の下限における燃料ガス量の割合である。燃焼率の閾値は、バーナーの構造等によって幾分異なるが、燃焼試験を行うこと等で容易に決定できる。通常、閾値は３０％程度となる。
【００１６】
燃料ガスには、コークス炉で発生する副生ガス（コークスガス）が用いられることが多い。コークスガスの組成としては、Ｈ２：５０〜６０ｖｏｌ％、ＣＨ４：２５〜３０ｖｏｌ％、ＣＯ：５〜１０ｖｏｌ％、ＣＯ２：２〜４ｖｏｌ％、Ｎ２：４〜８ｖｏｌ％程度である。例えば、表１のコークスガス成分のとき、空気比１で燃焼後の排ガス成分は、Ｈ２Ｏ：２２ｖｏｌ％、ＣＯ２：８ｖｏｌ％程度となる。なお、空気比は、燃料ガスを完全燃焼するために必要な空気量で、実際のバーナーに導入した空気量を割った値である。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
空気比１以上では、燃焼しない余剰酸素が存在することにより、鋼板表面の酸化が促進される。このような空気比制御により、直火型加熱炉（以下、ＤＦＦと称することもある。）前段で酸化膜を生成し、ＤＦＦ後段で還元させることで、Ｓｉの表面濃化を抑制し、めっき濡れ性を向上させることが可能になる。しかしながら、通常の露点範囲（０〜２５℃程度）のコークスガスや空気等のガス成分ではＤＦＦ出口での鋼板温度は少なくとも６５０℃以上にしなければ、十分な酸化膜を得られないことがわかっている。発明者らは、加熱負荷の少ない状態で酸化膜制御が可能になる方法について鋭意検討を行った。その結果、バーナーに投入するガスの露点を予め調整することにより、ＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量が増加し、Ｈ２Ｏ分子と鋼板表面との接触頻度が増加するため、鋼板表面の酸化が促進されることを見出した。
【００１９】
図２は、バーナーに投入する空気の露点（投入Ａｉｒ露点）とＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量との関係を示す図である。図２のＨ２Ｏガス量は、表１におけるＣガスと、加湿されたＡｉｒとを空気比１．１５で燃焼させた後の排ガス中のＨ２Ｏガス量（理論値）である。図２より、投入する空気の露点を予め調整することにより、ＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量が増加することがわかる。したがって、投入するガスの露点を調整することにより、ＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量が増加し、鋼板表面の酸化が促進される。
【００２０】
燃焼ガス、空気それぞれのガス露点を調整することにより、ＤＦＦ内のＨ２Ｏガス量を調整することができる。なお、コークスガスの体積１に対して、完全燃焼に必要な空気量は通常４〜５倍の体積である。図２のように、体積の大きい空気の露点のみを調整して、ＤＦＦ内のＨ２Ｏ量を制御することもできる。
【００２１】
本発明において、投入するガスの露点は、４０〜８０℃であることが好ましい。本発明者らは、Ｃ：０．１２％、Ｓｉ：２．０％、Ｍｎ：１．０％、Ａｌ：０．０３％、Ｓ：０．００５％。Ｐ：０．０１％の成分組成を有し残部をＦｅおよび不可避的不純物とする鋼板を用いて、５００℃まで加熱するオフライン酸化実験を行った。結果を図３に示す。図３より、投入する空気（Ａｉｒ）の露点が４０℃以上になると、鋼板表面に生成したＦｅ酸化量は、亜鉛めっき付着に必要な酸化量である２００ｍｇ／ｍ２以上となることがわかった。その他の合金成分鋼であっても同様の傾向が確認できた。一方、露点８０℃を越えると、水分が多すぎてバーナー燃焼性が悪化することも判明した。以上の理由から、本発明において、投入するガスの露点は、４０〜８０℃であることが好ましい。
【００２２】
バーナー群１Ｚ〜３Ｚは、投入する空気あるいは燃焼ガスを適宜調湿可能な調湿装置を備えており、調湿装置により所望の露点に制御することができる。図４に示すように、調湿装置４は、例えば、空気（Ａｉｒ）を直火バーナー２に投入する手前に設置すればよく、調湿装置を通過したＡｉｒは、直火バーナーへ投入される。また、コークスガス（ＣＯＧ）は、別のラインから直火バーナーへ投入される。燃焼ガスを調湿する際は、ＣＯＧを直火バーナー２に投入する手前に調湿装置４を設ければよい。
【００２３】
調湿装置としては、特に限定されないが、中空糸膜フィルターを用いることが望ましい。中空糸膜とは、水分子との親和力を有するイオン交換膜の一種である。中空糸膜の内側と外側に水分濃度差が生じると、その濃度差を均等にしようとする力が発生し、水分はその力をドライビングフォースとして低い水分濃度の方へ膜を透過し移動する。図５に示すように、加湿用として使用する場合は、中空糸膜フィルター５の近くに恒温水槽６を設け、所定の温度に調整された純水を恒温水槽６から中空糸膜フィルター５に投入することで、露点を水温と同じ温度にすることができるため、露点を精密に制御することができる。また、除湿用として使用する場合は、上記の純水の代わりにパージエアを投入し、パージエア流量あるいはパージエア圧力を調整することで露点を精密に制御することができる。
【００２４】
調湿装置は、各バーナー群毎に各１個あるいは複数個設置し、個別に調整できるようにすることが望ましい。調湿するガスは調湿装置前後で所定露点以上に加熱するか、調湿装置出側からバーナーまで温度低下しないよう保温することが望ましい。調質装置を個別に調整することにより、単純にガス温度を所定露点以上に上げた際に生じ得る配管内での結露を防ぐことができる。その結果、調質装置により所望の露点に制御することができる。
【００２５】
バーナー群１Ｚ〜３Ｚは、各バーナー群毎に、燃焼又は燃焼停止の選択が自在である。燃焼するときは、燃焼率を予め定めた設定値以上とし、かつ空気比が１．０以上１．５未満（余剰空気あり）で燃焼することが好ましい。
【００２６】
バーナー群４Ｚのバーナーは空気比０．５以上０．９５以下の燃焼が可能で、燃焼率の制御も可能である。バーナー群４Ｚにおいて、バーナーを空気比０．５以上０．９５以下で燃焼することで、鋼板表面に生成しているＦｅ酸化物を還元し、表層に還元Ｆｅを生成させることができる。直火型加熱炉を出た鋼板がＲＴ炉内のロールに接触したときに鋼板表層部に還元Ｆｅが存在していることで、ロールへの酸化物の付着が防止され、酸化物付着に起因する欠陥（ピックアップ）を防止できる。
【００２７】
良好なめっき性を得るには、最適な酸化量を確保する必要があり、実操業においては、鋼成分、鋼板サイズ、ライン速度に応じてＤＦＦ出側鋼板温度とガス露点を調整する必要がある。発明者らは鋭意検討した結果、下記式（１）でＦｅ酸化量を予測できることを見出した。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
なお、式（１）において、Ｏ：Ｆｅ酸化量［ｇ／ｍ２］、ＰＨ２Ｏ：燃焼後ガス水蒸気分圧（ガス成分から理論計算）、Ｑ：活性化エネルギー［ｋＪ／ｍｏｌ］（鋼種毎に決定）、ＴＮ：直火型加熱炉Ｎ群出鋼板温度［Ｋ］、ｔＮ：直火型加熱炉Ｎ群滞在時間［ｓｅｃ］、Ｃ：調整係数（空気比設定により変化）である。
【実施例１】
【００３０】
焼鈍炉にＤＦＦ（直火型加熱炉）を備えるＣＧＬにおいて、図１に示すように加熱用バーナーを４つの群（＃１〜＃４）に分割したＤＦＦを用い、鋼板移動方向上流側の３つの群（＃１〜＃３）は酸化ゾーン、最終ゾーン（＃４）は還元ゾーンとし、酸化ゾーンはゾーン毎に空気比、燃焼率、投入する空気の露点（以下、Ａｉｒ露点と称す。）を個別に制御するようにして試験を行った。なお、各ゾーンの長さは４ｍである。調湿装置としては、酸化ゾーン（＃１〜＃３）のバーナーに投入する空気を、１ゾーンあたり４系統に分岐し、それぞれの系統に中空糸膜フィルターを設置した。恒温水槽はゾーン毎１台設置し、４台の中空糸膜フィルターに温度調整した純水を送水した。
【００３１】
試験に用いた鋼板の成分組成を表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
その他の製造条件は表３に示す。なお、焼鈍温度は８３０℃、めっき浴温は４６０℃、めっき浴中Ａｌ濃度０．１３０％、付着量はガスワイピングにより片面当り４５ｇ／ｍ２に調節した。また、溶融亜鉛めっきを施した後に合金化温度５３０℃で合金化処理を行った。
【００３４】
めっき外観の評価は、光学式の表面欠陥計による検査（φ０．５以上の不めっき欠陥や過酸化性欠陥を検出）および目視による合金化ムラ判定を行い、全ての項目が合格で○、一つでも不合格があれば×とした。また、表３中の夏季は気温３０℃、冬季は気温０℃とした。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
また、鋼板の走行距離と板温およびＦｅ酸化量との関係について調べた。式（１）に基づいて計算されたＦｅ酸化量のうち、発明例（条件３）および比較例（条件７）の計算結果を図６に示す。なお、対象の鋼成分のときの活性化エネルギーは２２４０５Ｊ／ｍｏｌとした。また、調整係数Ｃは１．４４とした。
【００３７】
試験に用いた鋼板の場合、亜鉛めっき処理に必要なＦｅ酸化量の目標範囲は２００〜６００ｍｇ／ｍ２である。本発明例である条件１〜４では、投入する空気の露点を適宜上昇させることにより、季節や板厚やライン速度にかかわらず、十分なＦｅ酸化量を確保できるため（図５（ａ））、めっき外観が良好であり、かつＳＴが低下することなく生産性を維持することができた。
【００３８】
一方、板厚１．２ｍｍの鋼板を製造する場合、ライン速度１２０ｍｐｍ（条件５、９）では、ＤＦＦ出側温度が７５５℃と高いため、必要Ｆｅ酸化量を確保できるが、ライン速度１６０ｍｐｍ（条件６、１０）では、ＤＦＦ出側平均温度が低いために不めっきが発生し、外観が×となった。板厚１．８ｍｍの鋼板を製造する場合、ライン速度１２０ｍｐｍでは、夏季（条件１１）と冬季（条件７）とでは同じＤＦＦ出側平均温度であっても、冬季の場合では酸化不足となりめっき外観が×となった。また、ライン速度１６０ｍｐｍ（条件８、１２）の場合もめっき外観が×となった。したがって、板厚１．８ｍｍの鋼板を製造する場合、必要酸化量を確保するには速度を低下せざるを得ないために、生産効率が著しく低下する。
【符号の説明】
【００３９】
１    直火型加熱炉
２    バーナー（直火バーナー）
３    鋼板
４    調湿装置
５    中空糸膜フィルター
６    恒温水槽
１Ｚ〜４Ｚ    バーナー群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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