説明

溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法

【課題】比較的高いSi含有量の鋼板を用いても、既存の直火加熱方式の無酸化炉を活用しつつ、不めっきやめっき剥離を生じさせることなく、溶融亜鉛めっき鋼板を安定して製造しうる、溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を提供する。
【解決手段】Si:0.3〜2.0質量%含有する鋼板Pを、直火加熱方式の無酸化炉2にて表面を酸化処理した後、還元炉3にて還元処理を行うに際し、無酸化炉2を通板方向に沿って複数ゾーンに分割し、該複数ゾーンのうちの一部のゾーンにて直火バーナの燃焼を行わず、かつ、直火バーナ燃焼ゾーン割合Z(%)と、空燃比Rと、鋼板の滞在時間S(秒)と、鋼板到達温度T(℃)とが、下記式を満たす条件にて酸化処理を行うことを特徴とする。
式812+700×(1.2-R)-403×Z/100+2130/S < T < 1043+700×(1.2-R)-403×Z/100+2130/S (ただし、R≧1.0, 20≦Z≦90)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、比較的多量のSiを含有する鋼板を酸化還元法による加熱焼鈍工程を経て溶融亜鉛めっき鋼板(合金化溶融亜鉛めっき鋼板を含む)を製造する方法に関し、詳しくは高Si含有鋼であっても不めっき部分の発生を極力抑制しうる加熱焼鈍工程の改良に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、溶融亜鉛めっき鋼板および合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、耐食性に優れ、比較的安価に製造できること等によって、需要および用途が拡大している。
【0003】
溶融亜鉛めっき鋼板は、素地鋼板を脱脂後に無酸化炉で予熱し、その後還元炉で還元性雰囲気(例えば、水素と窒素の混合ガス雰囲気)下にて焼鈍し、次いで溶融亜鉛めっき処理が施されて製造され、合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、前記溶融亜鉛めっき処理の後、さらに合金化処理が施されて製造されるのが一般的である。以下、単に溶融亜鉛めっき鋼板という場合は、合金化溶融亜鉛めっき鋼板をも含むものとする。
【0004】
例えば、自動車の素材として用いられる鋼板に対しては、車体軽量化のため、高強度化の要請がある。素材強度を向上させる手段として、種々の手段が提案されているが、素材にSiを含有させる手段は有効な手段の一つとして一般的に知られている。
【0005】
しかしながら、Si含有量の上昇につれて、焼鈍過程でSi酸化物が鋼板表面に濃化して、めっき濡れ性を低下させ、不めっきが発生しやすくなるという問題がある。
【0006】
こうした問題への対処として、還元炉での還元処理に先立ち、無酸化炉で酸化性雰囲気下にて酸化処理して鋼板表面にFe酸化皮膜を優先的に形成することによってSi酸化物の形成を抑制する技術の実用化が検討され、無酸化炉での空燃比、鋼板の滞在時間、鋼板の到達温度等を調整することで、Fe酸化皮膜の厚さを適正範囲に制御して不めっきを防止できるとする改良技術が提案されている(例えば、特許文献1、2 参照)。
【0007】
ここで、無酸化炉には、直火加熱方式のものと間接加熱方式のものとが存在するが、伝熱効率が高く熱応答性に優れた直火加熱方式のものが多用されるようになってきている。
【0008】
ところが、直火加熱方式の無酸化炉では通常、両側壁のパスライン上下位置にそれぞれ設けた複数のバーナ孔から炉内に板幅方向に沿ってほぼ水平に火炎を噴射して鋼板を上下から加熱するため、バーナの燃焼量を変化させると火炎長さも変化してしまい、鋼板温度が板幅方向で不均一になることから、直火バーナの燃焼量を調整することは困難である。したがって、直火加熱方式の無酸化炉では、鋼板表面にFe酸化皮膜を安定して形成するために、空燃比、鋼板の滞在時間および鋼板の到達温度を調整することとなる。しかしながら、鋼板の到達温度は、鋼板の表面性状や形状等によって容易に変動し、また、鋼板の滞在時間も生産量の観点および材質の観点から安易に変更できるパラメータではない。そのため、空燃比の調整のみでは鋼板長手方向でFe酸化皮膜の厚さを常に適正範囲に維持することが難しく、酸化不足による不めっきや、酸化過多によるめっき剥離が生じる場合があり、安定してめっき品質を確保することができず、いまだ実用化に至っていないのが実情であった。
【特許文献1】特開平5−271891号公報
【特許文献2】特開平2001−335909号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで、本発明は、比較的高いSi含有量の鋼板を用いても、既存の直火加熱方式の無酸化炉を活用しつつ、不めっきやめっき剥離を生じさせることなく、溶融亜鉛めっき鋼板を安定して製造しうる、溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法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】
【0010】
発明者らは、上記課題を解決するために、種々検討を行った結果、直下加熱方式の無酸化炉においては、空燃比、鋼板の滞在時間および鋼板の到達温度の調整に加えて、直火バーナの燃焼を行わないゾーンを設けることによって、Fe酸化皮膜(以下、単に「酸化皮膜」ともいう。)の厚さを鋼板長手方向で均一化しうることを見出し、この知見に基づき以下の発明を完成するに至った。
【0011】
請求項1に記載の発明は、Si:0.3〜2.0質量%含有する鋼板を原板に用い、直火加熱方式の無酸化炉にて前記鋼板の表面を酸化処理した後、還元炉にて還元処理を行い、引き続き溶融亜鉛めっき処理を行って溶融亜鉛めっき鋼板を連続的に製造する方法であって、前記無酸化炉を通板方向に沿って複数ゾーンに分割し、該複数ゾーンのうちの一部のゾーンにて直火バーナの燃焼を行わず、かつ、直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンの通板方向における合計長さの、前記無酸化炉の全長に対する割合Z(%)と、同無酸化炉での空燃比Rと、同無酸化炉内における鋼板の滞在時間S(秒)と、同無酸化炉内における鋼板到達温度T(℃)とが、下記式を満たす条件にて酸化処理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である。
式 812+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S<T<1043+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S(ただし、R≧1.0、20≦Z≦90)
【0012】
請求項2に記載の発明は、前記直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンに、前記複数ゾーンのうち前記無酸化炉の出口に最も近いゾーンを含める請求項1に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法である。
【0013】
請求項3に記載の発明は、前記直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンに、前記複数ゾーンのうち前記無酸化炉の入口に最も近いゾーンを含める請求項1または2に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法である。
【0014】
請求項4に記載の発明は、前記溶融亜鉛めっき処理の後、さらに合金化処理を行う請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、空燃比、鋼板の滞在時間および鋼板の到達温度の調整に加えて、無酸化炉内の一部のゾーンにて直火バーナの燃焼を行わず、残りのゾーンにて直火バーナの燃焼を行って酸化処理することで、鋼板が、直火バーナの燃焼を行っているゾーンを通過する際には、酸化皮膜の厚さが急速に増加するものの、直火バーナ燃焼を行っていないゾーンを通過する際には、酸化が緩やかに進行して酸化皮膜の厚さが均一化されるので、酸化皮膜の厚さが鋼板の長手方向でばらつくことが抑制され、酸化不足による不めっきおよび酸化過多によるめっき剥離が確実に防止され、安定して高品質の製品が製造できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明について、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を例に挙げ、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【0017】
図1に、本発明の実施形態に係る合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備の概略構成を示す。上工程で圧延などを終えた鋼板Pは本設備を連続的に通過して合金化溶融亜鉛めっき鋼板Pとなる。本設備は鋼板Pの入り側から合金化溶融亜鉛めっき鋼板Qの出側にかけて予熱装置1、無酸化炉2、還元炉3、冷却装置4、溶融亜鉛めっき装置5、および合金化炉6の順に連設されている。
【0018】
予熱装置1を通過して予熱された鋼板Pは、直火加熱方式の無酸化炉2にて表面が酸化処理される。ここで、図2(a)に示すように、無酸化炉2は、その両側壁のパスライン上下位置にそれぞれ複数のバーナ孔21を有している。そして、同図(b)に示すように、各バーナ孔21から炉内に板幅方向に沿ってほぼ水平に火炎を噴射して、鋼板Pを上下から加熱するように構成されている。
【0019】
また、無酸化炉2は、複数ゾーン(本例では5つのゾーンとし、鋼板Pの入り側から順に第1ゾーン、第2ゾーン、…、第5ゾーンと呼ぶ。)に均等分割され、ゾーンごとに独立して直火バーナ5のオン(燃焼状態)・オフ(消化状態)ができるように構成されている。
【0020】
そして、下記式(1)を満たすように、直火バーナ21の燃焼を行う(直火バーナ21がオンの)ゾーンの通板方向における合計長さの、無酸化炉2の全長(炉長)に対する割合(以下、「直火バーナ燃焼ゾーン割合」という。)Z(%)と、無酸化炉2での空燃比Rと、無酸化炉2内における鋼板の滞在時間S(秒)と、無酸化炉2内における鋼板到達温度T(℃)とを設定する。
【0021】
812+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S<T<1043+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S(ただし、R≧1.0、20≦Z≦90)… 式(1)
【0022】
Z、R、SおよびTの設定は、例えば、以下のようにして行うことができる。
【0023】
まず、鋼板Pの鋼種に応じ、過去の操業結果等を参考にして無酸化炉2内における鋼板到達温度Tを設定する。本例では、例えばT=750℃に設定する。
【0024】
ついで、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zを、上記式(1)の但し書きに示したように、20〜90%の間で設定する。20%未満では、鋼板表面の酸化が不足して不めっきが発生しやすくなるいっぽう、90%を超えると、酸化皮膜の厚さが不均一となりめっき剥離が発生しやすくなるためである。直火バーナ燃焼ゾーン割合Zの好ましい下限は30%、好ましい上限は80%である。
【0025】
本例では、例えばZ=60%、すなわち、5つのゾーンのうち2つのゾーン(例えば、第2、3ゾーン)の直火バーナ21をオフにし、残りの3つのゾーン(第1、4、5ゾーン)の直火バーナ21はオンに設定する。
【0026】
直火バーナ21をオンにする3つのゾーンには、最も出口側のゾーン(第5ゾーン)を含めることが望ましい。これは、次工程の還元炉3では、焼鈍後の鋼板Pの材質を確保するため、鋼板温度を無酸化炉2よりも高い温度まで昇温する必要があるので、還元炉3に最も近い第5ゾーンで急速加熱することで、還元炉3での鋼板の昇温時間を短縮することを目的とするものである。
【0027】
また、直火バーナ21をオンにする3つのゾーンには、最も入口側のゾーン(第1ゾーン)を含めることも望ましい。これは、第1ゾーンの直火バーナ21をオンにしておくことで、予熱装置1から無酸化炉2への鋼板Pの装入時における鋼板温度と無酸化炉2の雰囲気温度との温度差に起因する結露を防止して、結露を原因とする不めっきを防止するとともに、無酸化炉2からの雰囲気ガスの流出を抑制し、炉内雰囲気を一定に保つことを目的とするものである。
【0028】
そして、最後に残りの空燃比Rと滞在時間Sを設定するが、空燃比Rは、鋼板Pの表面を酸化させるため、上記式(1)の但し書きに示したように、1.0以上とする必要があるが、空燃比Rを高くすると酸化がより進行するので、空燃比Rに応じて、上記式(1)を満足するように、滞在時間Sを設定すればよい。なお、空燃比Rは高くしすぎると、雰囲気温度が維持できなくなるので、1.5以下、さらには1.3以下の範囲で設定するのが望ましい。
【0029】
上記のようにして、式(1)を満足するようにZ、R、SおよびTを設定することで、無酸化炉2において、鋼板P表面に均一でかつ適正な厚さの酸化皮膜が形成される。
【0030】
さらに、通板中に、何らかの影響(例えば、圧延後に鋼板表面に残存する油脂の量の増大など)で無酸化炉2出口での鋼板の到達温度Tが低下して上記式(1)の左辺で与えられる下限温度に近づいてきた場合には、例えば、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zを60%から80%(すなわち、直火バーナ21をオンにするゾーン数を3つから4つ)に増加させればよい。これにより、上記式(1)で与えられる、鋼板の到達温度Tの適正な温度範囲が低温側に移行するため、鋼板P表面の酸化皮膜の厚さが均一でかつ適正に維持される。
【0031】
一方、上記とは逆に、通板中に、何らかの影響で無酸化炉2出口での鋼板Pの到達温度Tが上昇して上記式(1)の右辺で与えられる上限温度に近づいてきた場合には、例えば、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zを60%から40%(すなわち、直火バーナをオンにするゾーン数を3つから2つ)に減少させればよい。これにより、上記式(1)で与えられる、鋼板Pの到達温度Tの適正な温度範囲が高温側に移行するため、鋼板P表面の酸化皮膜の厚さが均一でかつ適正に維持される。
【0032】
上記のように、空燃比R、鋼板の滞在時間S、鋼板の到達温度Tの他に、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zを、酸化皮膜形成の調整手段に加えることで、無酸化炉2出口での鋼板Pの到達温度Tの温度変動に対するバッファとして用いることができるため、鋼板Pの長手方向でも安定して良好なめっき品質が得られる。
【0033】
ここで、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zが、酸化皮膜の形成に影響するメカニズムは未解明であるが、鋼板が、直火バーナの燃焼を行っているゾーンを通過する際には、火炎からの輻射熱の効果により鋼板が急速加熱されてFe酸化皮膜の厚さが急速に増加するのに対し、直火バーナ燃焼を行っていないゾーンを通過する際には、火炎からの輻射熱がないので鋼板が緩やかに加熱されて酸化が緩やかに進行して酸化皮膜の厚さが均一化されると考えられ、直火バーナを燃焼するゾーンと、燃焼しないゾーンとを併用することで、均一でかつ適正な厚さの酸化皮膜が形成されるものと推定される。
【0034】
上記のようにして、酸化皮膜を形成した鋼板Pは、還元炉3にて、例えば、H濃度:3〜25容量%、雰囲気温度:700〜900℃、鋼板滞在時間:30〜150秒程度の通常の条件で還元焼鈍を行うことにより、鋼板P表面の酸化皮膜が十分還元されてFeに戻る。したがって、表面がFeに戻された鋼板Pは、その後、冷却装置4で冷却され、溶融亜鉛めっき装置5でめっきを施した後、さらに合金化炉6にて合金化処理を施すことにより、安定しためっき品質を備えた合金化溶融亜鉛めっき鋼板Qを得ることができる。
【0035】
本発明の製造対象となる亜鉛めっき鋼板は、SiなどのFeより酸化し易い金属元素を多く含む場合に有効であるが具体的にはSiが0.3〜2.0質量%の高Si含有亜鉛めっき鋼板の製造に適したものである。鋼板のSi含有量を0.3〜2.0質量%に規定したのは、Si含有量が0.3質量%未満では、焼鈍時にSi酸化物の表面濃化がほとんど起こらず、不めっきが生じるという問題がないためであり、一方Si含有量が2.0質量%を超えるとSi添加による材質改善効果が飽和する傾向を示すためである。
【0036】
(変形例)
上記実施形態では、無酸化炉2の複数ゾーンへの分割は、均等分割としたが、必ずしも均等に分割する必要はなく、直火バーナの配置や設置本数等を考慮しつつ適宜分割位置を変更しうるものである。また、上記実施形態では、分割後のゾーン数を5ゾーンとしたが、これに限定されるものではなく、2ゾーン以上、好ましくは3ゾーン以上で、多くとも10ゾーン以下の範囲で、無酸化炉の炉長や直火バーナの設置本数等を考慮しつつ適宜選択しうるものである。
【0037】
また、上記実施形態では、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法への適用例を示したが、合金化処理を行わない、溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法に対しても当然に適用しうるものである。
【実施例】
【0038】
本発明の適用性を確証するために、実機の合金化溶融亜鉛めっき鋼板製造設備を用いて、以下の試験を実施した。
【0039】
(使用した原板の種類)
原板として、質量%で、C:0.060%、Si:0.3〜2.0%、Mn:1.90%、Al:0.045%、残部FeおよびP,S等の不可避的不純物からなる成分組成のスラブを1200℃で熱間圧延、900℃で仕上圧延を行い、500〜700℃で巻き取りを行った後、得られた熱延鋼板を酸洗し、冷延率が30〜60%になるように冷間圧延して、表1に示すように板厚1.2〜2.0mmの薄鋼板としたものを用いた。
【0040】
(使用した合金化溶融亜鉛めっき設備)
この薄鋼板Pを図1に示す設備構成からなる合金化溶融亜鉛めっき設備を用い、酸化還元法を適用して溶融亜鉛めっき処理を施した。
【0041】
ここで使用した無酸化炉2は炉長17mで、これが5つのゾーンに均等分割されており、ゾーンごとに独立して直火バーナの燃焼をオン・オフできるように構成されている。無酸化炉2内では、CO、CO、O、HO、Nからなる燃焼ガスを約500Nm/h流通させ、直火加熱方式で、表1に示すように、空燃比R、鋼板到達温度T、直火バーナ燃焼ゾーン割合Zおよび滞在時間Sの組み合わせを種々変更した条件にて鋼板Pの酸化処理を行った。なお、鋼板到達温度Tは、無酸化炉2出口で熱電対を使用して測定した。そして、酸化処理後の鋼板Pに対して、還元炉3にて、700〜900℃の板温で30〜150秒還元処理を施した。還元炉3内の雰囲気は、3〜25容量%H−Nとし、露点は−10〜−60℃に設定した。還元処理後、冷却装置4の1段目の急冷帯にて板温を600℃まで低下させ、さらに2段目の急冷帯にて板温を450℃まで低下させ、その後、低温保持帯で20〜60秒維持した。引き続き、この冷却後の鋼板Pを、溶融亜鉛めっき装置5に送り、Al濃度:0.08〜0.11質量%、浴温:460〜480℃に調整した溶融亜鉛めっき浴に浸漬し、所定のめっき付着量になるようにガスワイピングでめっき付着量を管理しつつ溶融亜鉛めっきを施し、その後、1100℃以下になるように設定した合金化炉6にて合金化処理を行い、フェライト+マルテンサイト組織よりなる590MPa級デュアルフェイズの合金化溶融亜鉛めっき鋼板を作製した。
【0042】
(合金化溶融亜鉛めっき鋼板のめっき性評価)
得られた各合金化溶融亜鉛めっき鋼板について、目視にて以下の基準でめっき性の評価を行った。
【0043】
1000m程度のコイル長において、不めっきまたはめっき剥離のない良好な外観を有する部分の長さが、80%以上の場合を○、50%以上80%未満の場合を×、50%未満の場合を××とした。ここに、「不めっき」とは、酸化時に酸化不足により鋼板表面にSi酸化物が濃化し、1mm径程度のめっき層のない部分が生じた状態をいい、「めっき剥離」とは、酸化時における酸化過多により還元時に還元しきれなかった酸化層が表層直下に残存し、この酸化層からめっき層ごと数十mm程度の幅で剥離した状態をいう。
【0044】
下記表1に、上記各合金化溶融亜鉛めっき鋼板についてのめっき性評価の結果を、無酸化炉の試験条件とともに示す。
【0045】
同表より、上記式(1)を満たさない場合(試験No.10〜15)には、無酸化炉において酸化不足または酸化過多となり、不めっきまたはめっき剥離が多く発生して、めっき性に劣るのに対し、上記式(1)を満たす場合(試験No.1〜9)には、無酸化炉において適正な酸化状態が達成され、不めっきおよびめっき剥離の発生が大幅に抑制され、めっき性に優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板が安定して確実に得られることが確認できた。
【表1】

【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明の実施形態に係る合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備の概略構成を示すフロー図である。
【図2】無酸化炉における直火バーナの配置を説明するための図であり、(a)は縦断面図、(b)は(a)におけるXX線断面図である。
【符号の説明】
【0047】
1…予熱装置
2…無酸化炉
21…直火バーナ
3…還元炉
4…冷却装置
5…溶融亜鉛めっき装置
6…合金化炉
P…鋼板
Q…合金化溶融亜鉛めっき鋼板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Si:0.3〜2.0質量%含有する鋼板を原板に用い、直火加熱方式の無酸化炉にて前記鋼板の表面を酸化処理した後、還元炉にて還元処理を行い、引き続き溶融亜鉛めっき処理を行って溶融亜鉛めっき鋼板を連続的に製造する方法であって、
前記無酸化炉を通板方向に沿って複数ゾーンに分割し、該複数ゾーンのうちの一部のゾーンにて直火バーナの燃焼を行わず、かつ、直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンの通板方向における合計長さの、前記無酸化炉の全長に対する割合Z(%)と、同無酸化炉での空燃比Rと、同無酸化炉内における鋼板の滞在時間S(秒)と、同無酸化炉内における鋼板到達温度T(℃)とが、下記式を満たす条件にて酸化処理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。
式 812+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S<T<1043+700×(1.2−R)−403×Z/100+2130/S(ただし、R≧1.0、20≦Z≦90)
【請求項2】
前記直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンに、前記複数ゾーンのうち前記無酸化炉の出口に最も近いゾーンを含める請求項1に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項3】
前記直火バーナの燃焼を行う残りのゾーンに、前記複数ゾーンのうち前記無酸化炉の入口に最も近いゾーンを含める請求項1または2に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
【請求項4】
前記溶融亜鉛めっき処理の後、さらに合金化処理を行う請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2009−19253(P2009−19253A)
【公開日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−184622(P2007−184622)
【出願日】平成19年7月13日(2007.7.13)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】