JP4840570B2 - ガスパイピングノズル、溶融めっき金属帯の製造方法、および金属付着量の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融めっき金属帯の製造工程に使用するガスワイピングノズル、そのようなガスワイピングノズルを用いた溶融めっき金属帯の製造方法および金属付着量の調整方法に関する。

鋼帯などの金属帯を連続してめっきする方法として、金属帯を亜鉛、アルミニウム等の溶融金属中に浸漬してその金属帯の表面にめっきを施す溶融めっき法が知られている。

溶融めっき法においては、冷間圧延プロセスにおいて圧延され、続く洗浄プロセスにおいて表面が洗浄された金属帯を、無酸化性あるいは還元性の雰囲気に保たれた焼鈍炉において表面酸化膜を除去するとともに焼鈍処理をした後、溶融金属の温度とほぼ同程度まで冷却して、溶融金属浴に設けられたシンクロールに巻き付けて略Ｖ字形の経路で溶融金属中を通板することで浸漬して、その表面に溶融金属を付着させる。そして、溶融金属浴から引き上げられた金属帯に、当該金属帯の表裏両面側から挟むように対向して配置されたガスワイピングノズルから噴出するワイピングガスを吹き付けて過剰の溶融金属を払拭して金属付着量の調整を行う。

この溶融めっき方法は、他のめっき方法である電気めっき方法と比較した場合、安価にめっき金属帯を製造できる、容易に厚めっきの金属帯を製造できるなど多くの特長を有している。

中でも連続溶融亜鉛めっき設備によって製造される合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、耐食性、溶接性および加工性に優れた特性を有するため、主に自動車用鋼板として広く使用されているが、特に外装用鋼板として使用される場合には、塗装後の高鮮映性も要求されるなど、品質に対する要求が益々厳しくなっている。また、昨今の旺盛なニーズに対応するため、増産も強く求められている。

増産のために通板速度を上昇させると、鋼帯が溶融亜鉛浴から引き上げられる際に持ち上げる溶融亜鉛の量が増加する。そこで過剰な溶融亜鉛を払拭するには、ガスワイピングノズルのガス圧を高め、噴射されるガス噴量を増加させなければならない。

ところが、ガス噴量を増加させると溶融亜鉛が液滴化して飛散するスプラッシュが増大することが知られている。このスプラッシュは、具体的には、鋼帯面の溶融亜鉛がガス噴流に引きちぎられたり、鋼帯面に沿って下向きに流れたガス噴流が浴面に衝突することで溶融亜鉛が飛散したりするものである。このスプラッシュがガスワイピングノズル周りの気流に乗って鋼帯に付着すると、製造された溶融亜鉛めっき鋼板の表面に不均一部分を生じ、鮮映性が損なわれて品質欠陥となってしまう。通板速度が高ければ高いほどワイピング能力を向上させるためにガス圧を上げなければならず、それにともなってスプラッシュが増大してしまうため、増産を目的とした増速が求められている状況では、特に大きな問題となっている。

そこで、スプラッシュ発生を防止する手段として、従来のガスワイピングノズルと同様に溶融亜鉛を払拭する主ノズルに加え、主ノズルの上下面に配置した副ノズルを有するガスワイピングノズルを使用し、各ノズルからガス噴流を噴射させる方法が例えば特許文献１に提案されている。特許文献１では、このような方法を用いることにより、主ノズルからの噴流は副ノズルからの噴流によって拡散が抑制されるため、ノズル中心軸上の最大ガス流速が減衰しないポテンシャルコア領域が長くなり、これによって、ガス圧を上げてガス噴流の流量を増やすことなく、ワイピング能力を向上させることができるとしている。また、主ノズルからの噴流は広がり角の拡大が抑制され、乱れが少ないので、スプラッシュ発生も少ないとしている。また、特許文献２では、主ノズルと副ノズルとを仕切る仕切り板の先端を尖ったテーパ状にすることで、ガス噴流の乱れが一層抑制され、ポテンシャルコア領域を非常に長くできるので、さらにスプラッシュ発生防止効果を高められるとしている。

しかしながら、これら特許文献に記載された技術によってもスプラッシュ発生を完全に抑制することは困難であり、飛散した溶融亜鉛がガスワイピングノズルの先端に付着してノズルギャップを塞いでしまう、いわゆるノズル詰まりを防止することができない。ノズル詰まりが発生すると、ノズル詰まりの部分はガスが噴射しないため溶融金属を払拭することができず、板幅方向のこの部分だけ局所的にめっき付着量が多くなり、通板方向に線状の表面欠陥を生じてしまう。

従来はこの表面欠陥を最小限に抑えるため、操業中にオペレータが清掃具をノズルギャップに挿入して板幅方向に擦る方法でノズル詰まりを解消していた。しかし、この方法は、ノズル詰まりが発生してから対応するものであり、加えて清掃作業中はノズルギャップを塞ぐことになるため適切なワイピングができず、歩留まりを低下させてしまう。しかも主ノズルのみから構成される従来のガスワイピングノズルと違って、副ノズルを有する場合にはノズルギャップの数が多くなり、先端の構造が複雑になるため清掃が困難である。先端が尖っている場合には一層困難となる。また、この清掃作業はオペレータが４５０℃以上の溶融亜鉛浴に近づかなければならない非常に危険なものである。
特開平１−２３０７５８号公報 特開平１０−２０４５９９号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、スプラッシュやノズル詰まりによる品質欠陥を十分に抑制することができ、高歩留まりで溶融めっき金属帯を製造することができるガスワイピングノズル、ならびにそのようなガスワイピングノズルを用いた溶融めっき金属帯の製造方法および金属付着量の調整方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ガスワイピングノズルを主ノズル孔およびその外側に設けられた副ノズル孔を有するものとし、かつこれらを規定する内側板および外側板の少なくとも先端部を振動させることでスプラッシュを極力防止しつつノズル詰まりを極めて有効に解消または防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、主ノズル孔の外側に副ノズル孔を設けることにより、副ノズル孔からの噴流によってスプラッシュを抑制することができ、その上でこれらを規定する内側板および外側板の少なくとも先端部を振動させることにより、溶融金属がノズルギャップからノズル孔に入り込んでも、溶融金属がそこに溜まることがないので、ワイピングガスの流れで容易に弾き出され、溶融金属の付着を抑制することができるのである。

本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（８）を提供する。
（１）溶融めっき金属帯を製造する際に、金属帯に付着した過剰の溶融金属をワイピングガスにより払拭するガスワイピングノズルであって、前記ワイピングガスを噴射する主ノズル孔を規定する一対の内側板と、前記一対の内側板の外側に設けられ、前記内側板との間に、主ノズル孔よりも小流量のワイピングガスを噴射する副ノズル孔を規定する一対の外側板と、前記内側板および前記外側板の少なくとも先端部を連続的または間欠的に振動させる加振機構とを具備し、前記内側板および前記外側板の振動変位が０．１ｍｍ以下であり、かつ振動周波数が５０Ｈｚ以上であることを特徴とするガスワイピングノズル。
（２）前記内側板および前記外側板は、前記ガスワイピングノズルの固有振動数で振動されることを特徴とする上記（１）に記載のガスワイピングノズル。
（３）前記内側板および前記外側板は、これらの先端が開閉する振動モードの固有振動数で加振されることを特徴とする上記（２）に記載のガスワイピングノズル。
（４）前記加振機構は、歪誘起型アクチュエータを有することを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のガスワイピングノズル。
（５）前記歪誘起型アクチュエータが圧電素子であることを特徴とする上記（４）に記載のガスワイピングノズル。
（６）前記歪誘起型アクチュエータは、前記内側板と前記外側板との間に介装されていることを特徴とする上記（４）または（５）に記載のガスワイピングノズル。
（７）金属帯に溶融金属を付着させた後、金属帯に付着した過剰の溶融金属を（１）から（６）のいずれかのガスワイピングノズルにより払拭して所定のめっき付着量を有する溶融めっき金属帯とすることを特徴とする溶融めっき金属帯の製造方法。
（８）溶融めっき金属帯を製造する際に、金属帯に溶融金属を付着させた後、金属帯に付着した過剰の溶融金属を（１）から（６）のいずれかのガスワイピングノズルにより払拭して金属付着量を調整することを特徴とする金属付着量の調整方法。

本発明によれば、主ノズル孔に加えてその上下に副ノズル孔を設けたのでスプラッシュを極力防止することができ、しかも主ノズル孔および副ノズル孔を規定する内側板および外側板の少なくとも先端部を振動させることで、複雑な形状のノズルを、清掃冶具による非効率で危険な作業を伴わずに清浄化し、ノズル詰まりを解消・防止することができる。このため、スプラッシュやノズル詰まりによる欠陥のない高品質な溶融めっき鋼板を高速で製造することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
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の先端部分を示す断面図である。図示するように、ガスワイピングノズル２０は、所定の間隔をおいて互いに対向して設けられた一対の内側板である上部内側板５および下部内側板６と、これら上部内側板５および下部内側板６の外側に所定の間隔をおいてそれぞれ設けられた一対の外側板である上部外側板４および下部外側板７とを有し、上部内側板５と下部内側板６の間に主ノズル孔１が規定され、上部外側板４と上部内側板５との間に上部副ノズル孔２が規定され、下部内側板６と下部外側板７との間に下部副ノズル孔３が規定されている。また、ガスワイピングノズル２０は、上部外側板４と上部内側板５との間、および下部内側板６と下部外側板７との間に設けられた加振機構としてのアクチュエータ８を有している。これらアクチュエータ８により、上部および下部内側板５，６ならびに上部および下部外側板４，７の先端部、つまりガスワイピングノズル２０の先端部が加振されるようになっている。

主ノズル孔１は先端に向かうに従って細くなっており、大流量のワイピングガスａがその先端のノズルギャップ１ａから高速で噴射されるようになっている。一方、上部副ノズル孔２および下部副ノズル孔３は基端から先端に至るまでほぼ同一の幅で形成されており、主ノズルよりも小流量のワイピングガスｂが先端のノズルギャップ２ａ，３ａから噴射されるようになっている。

アクチュエータ８は、ガスワイピングノズル２０の先端部を高速で加振させるものであり、圧電素子などに代表される歪誘起型アクチュエータで構成されている。

ガスワイピングノズルの先端部の加振という点だけで考えれば、加振機構として従来のギャップ可変式ガスワイピングノズルの適用も考えられる。例えば、特開平９−２４１８１３号公報にその具体的な構造が開示されている。すなわち、モーターの回転運動をボールねじで往復道に変換し、これにより駆動された楔部材を介してロッド部材を動かすことで、上リップと下リップの先端のノズルギャップを調整する機構となっており、この動作を高速で行うことができればガスワイピングノズルの先端部が加振されることとなる。

しかしながら、従来のギャップ可変式ガスワイピングノズルでは、（１）モーター＋ボールネジと作用部材との組み合わせ機構となっているので、応答性が悪く高周波数で加振することは困難である、（２）アクチュエータと作用部材（楔）とが別々になっているため、構造が大きくなり、ガスワイピングノズル内に収納することができず、気流の乱れや亜鉛分の体積を誘引するといった問題点があり、実際には適用が困難である。

これに対して、本実施形態においてアクチュエータ８として用いている圧電素子などの歪誘起型アクチュエータは、（１）超音波振動子に使われるほど高周波で駆動することができ、かつ応答性が良い。（２）歪誘起型アクチュエータはそれ自体が伸縮し、従来のギャップ可変式ガスワイピングノズルのようにアクチュエータ本体と作用部材とを別々に設ける必要がなくコンパクトであり、図１に示すようにガスワイピングノズル２０に内蔵可能であるといった大きな利点がある。なお、図１は断面図なので板幅方向にアクチュエータ８がどのように配置されているか表現されていないが、板幅中央１ヵ所または必要に応じて適当な間隔をおいて複数ヵ所に配置すればよい。

以上のように構成されるガスワイピングノズル２０においては、主ノズル孔１から大流量のワイピングガスを噴射し、それと同時に、その上下に設けられた上部副ノズル孔２および下部副ノズル孔３からより小流量のワイピングガスを噴射することにより、主ノズル孔１からの噴流の広がりを抑制することができ、スプラッシュを低減することができる。また、ガスワイピングノズル２０の先端部をアクチュエータ８により振動させるので、ノズルギャップ１ａ〜３ａに亜鉛が入り込んでも、亜鉛がそこに溜まることがなく、ワイピングガスの流れで容易に弾き出すことができる。したがって、主ノズル孔１の他に副ノズル孔２，３があってノズル詰まりが生じやすい状態にも拘わらずノズル詰まりを極めて容易に防止することができる。

このときのノズル詰まり防止効果は、ガスワイピングノズル２０の先端部の振動変位と振動周波数を適切に制御することにより、一層高めることができる。すなわち、ガスワイピングノズル２０の先端部の振動変位が大きすぎると、めっき付着量ムラにつながってしまう。ある操業条件では０．１ｍｍのノズル先端ギャップ変化が５ｇ／ｍ^２程度のめっき付着ムラをもたらすことがわかっており、０．１ｍｍ以上の先端ギャップ変化はめっき付着量の均一化の観点からは好ましくない。一方で振動エネルギーが小さすぎると亜鉛弾きだし効果が不十分になる。振動変位が等しい場合、振動エネルギーは周波数が高いほど大きくなるので、ガスワイピングノズル２０の先端部の振動は高周波数で、かつ付着量ムラにつながらない程度の振幅であることが望ましい。本発明者らの実験の結果、ガスワイピングノズル２０の先端部への異物付着防止や弾き出し効果を発揮するには、最低でも０．５Ｇ（４．９ｍ／ｓ^２）以上の振動加速度でノズル先端が振動することが好ましいことがわかった。ギャップ変化を０．１ｍｍ以内に抑えるためには、振動変位は片振幅０．０５ｍｍ以内でなければならず、この振動変位で４．９ｍ／ｓ^２以上の振動加速度を得るためには、以下の（１）式により振動周波数は５０Ｈｚ以上である必要がある。

したがって、ノズル先端の振動変位は０．１ｍｍ以内で振動周波数は５０Ｈｚ以上であることが好適である。このように振動変位と振動周波数を制御することにより、めっき付着量均一性に悪影響を与えることなく、十分なノズル詰まり解消・防止効果を発揮することができる。

ガスワイピングノズル２０の先端部の振動をできるだけ小さなエネルギーで効率よく加えるには、ガスワイピングノズルが有する固有振動数を用いればよい。ガスワイピングノズルは様々な振動モードを有しており、最も重要なのは、先端部の振動なので、例えばガスワイピングノズル先端部のノズルギャップ１ａ〜３ａが開閉する振動モードを利用することが効果的である。具体例として、上部外側板４、上部内側板５、下部内側板６、下部外側板７の４つの先端部が互いに逆位相で振動するモードになるようにアクチュエータ８を励起することで、十分にノズル詰まり解消・防止効果を発揮できる。

なお、図１においてアクチュエータ８は上部副ノズル孔２および下部副ノズル孔３のガス流れの途中に挿入されており、気流を乱すことが懸念されるが、副ノズル孔噴流の量は主ノズル孔噴流の量に比べて流量が小さく、直接的に溶融金属の払拭作用に寄与するものではないため影響は少ない。特にアクチュエータ８の設置位置がガスワイピングノズル２０の先端から１００ｍｍ以上離れている場合にはほとんど影響は無い。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２は本発明の他の実施形態に係るガスワイピングノズルの先端部分を示す断面図である。この実施形態に係るガスワイピングノズル２０´は、基本構造は図１に示すガスワイピングノズル２０と同じであるため、図２中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態では、上部外側板４および下部外側板７に貫通した通気孔９を形成している点のみが図１の実施形態と異なっている。このような構成により、図１のガスワイピングノズル２０における気流を乱すという懸念をほぼ完全に解決することができえる。すなわち、本実施形態では、ワイピングガスｃを噴射する上部副ノズル孔２および下部副ノズル孔３のガス流れがアクチュエータ８に遮られることが無いように、ガス供給経路をアクチュエータ８よりも先端側にすることで、アクチュエータ８がワイピングガスｃのガス流れを妨げないようにしている。図２の場合、上部外側板４および下部外側板７を貫通する通気孔９からガスを供給するため、ガスワイピングノズル２０´の外部からガスを供給しなければならず、ガスワイピングノズル２０´の外観は若干膨らむが、ワイピングガスｃの噴流の乱れの心配は解消される。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば上記実施形態では加振機構としてのアクチュエータをガスワイピングノズルの内部に挿入する例を挙げたが、ノズル詰まりを解消・防止するために十分な振動をノズルの少なくとも先端部に与えることが可能であり、かつ操業に悪影響を与えなければ、設置位置は問わない。

また、上記実施形態では、加振機構としてのアクチュエータとして、歪誘起型アクチュエータを用いた例について示したが、ノズル詰まりを解消・防止するために十分な高周波数で加振することができるものであれば、これに限定されない。

本発明の一実施形態に係るガスワイピングノズルの先端部分を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係るガスワイピングノズルの先端部分を示す断面図。

符号の説明

１ 主ノズル孔
２ 上部副ノズル孔
３ 下部副ノズル孔
４ 上部外側板
５ 上部内側板
６ 下部内側板
７ 下部外側板
８ アクチュエータ
９ 通気孔
２０，２０´ ガスワイピングノズル

Claims (8)

1. 溶融めっき金属帯を製造する際に、金属帯に付着した過剰の溶融金属をワイピングガスにより払拭するガスワイピングノズルであって、
   前記ワイピングガスを噴射する主ノズル孔を規定する一対の内側板と、
   前記一対の内側板の外側に設けられ、前記内側板との間に、主ノズル孔よりも小流量のワイピングガスを噴射する副ノズル孔を規定する一対の外側板と、
   前記内側板および前記外側板の少なくとも先端部を連続的または間欠的に振動させる加振機構とを具備し、
   前記内側板および前記外側板の振動変位が０．１ｍｍ以下であり、かつ振動周波数が５０Ｈｚ以上であることを特徴とするガスワイピングノズル。
2. 前記内側板および前記外側板は、前記ガスワイピングノズルの固有振動数で振動されることを特徴とする請求項１に記載のガスワイピングノズル。
3. 前記内側板および前記外側板は、これらの先端が開閉する振動モードの固有振動数で加振されることを特徴とする請求項２に記載のガスワイピングノズル。
4. 前記加振機構は、歪誘起型アクチュエータを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスワイピングノズル。
5. 前記歪誘起型アクチュエータが圧電素子であることを特徴とする請求項４に記載のガスワイピングノズル。
6. 前記歪誘起型アクチュエータは、前記内側板と前記外側板との間に介装されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のガスワイピングノズル。
7. 金属帯に溶融金属を付着させた後、金属帯に付着した過剰の溶融金属を請求項１から請求項６のいずれかのガスワイピングノズルにより払拭して所定のめっき付着量を有する溶融めっき金属帯とすることを特徴とする溶融めっき金属帯の製造方法。
8. 溶融めっき金属帯を製造する際に、金属帯に溶融金属を付着させた後、金属帯に付着した過剰の溶融金属を請求項１から請求項６のいずれかのガスワイピングノズルにより払拭して金属付着量を調整することを特徴とする金属付着量の調整方法。

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