JP6792561B2 - 反応制御のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続亜鉛めっき又は焼きなましラインにおいて輸送される鋼シート上の表面反応を制御するための装置及び方法に関する。

高強度鋼グレードは、一般にケイ素、マンガン、及びクロムのような高含有量の元素（それぞれ典型的には０．５〜２重量％、１．５〜６重量％、及び０．３〜１重量％）を含む。高強度鋼グレードを被覆することは難しい。なぜなら、それらの元素の酸化物層が亜鉛めっき浴における浸漬に先行する焼きなまし時に形成されるためである。この酸化物層は、浴中に沈められるときに鋼表面のぬれ性を害する。結果として、被覆の覆われていない領域及び劣った付着性が得られる。

これらの鋼グレードのぬれを改良するために良く知られた方法は、鋼が典型的には６００〜７５０℃の温度を有するときに特別な室中で鋼表面を十分に酸化することにある。得られた酸化物層は、多量の酸化鉄を含み、それは、次いで焼きなまし炉及び続く熱処理の加熱及び保持区域の終了時に還元される。目的は、約５０〜３００ｎｍの酸化物厚さを得ることであり、それは、２ｇ／ｍ^２以下の酸化鉄に相当する。

還元工程の前に鋼表面を酸化するためには様々な方法がある。例えば、この酸化は、過剰空気で燃焼を実行する直接燃焼炉で実行されることができる。別の方法は、焼きなまし炉の中央に位置されかつ窒素と酸化剤の混合物を供給された専用室でこの酸化を行なうことにある。かかる実施法は、特許ＥＰ２０１０６９０Ｂ１及び図１に記載されている。この酸化区域は、第一及び最終区域における酸化剤の導入を最小にするためにシールによって焼きなまし炉の他の部分とは分離される。

酸化物層の形成は、厚すぎる又は薄すぎる層の形成を避けるために注意深く制御されなければならない。第一の場合において、炉の最終部分における還元は、時間不足のために不完全になりうる。その場合において、酸化物は、炉ローラーに粘着し、欠陥を発生しうることが知られている。第二の場合において、酸化物層は、十分に効果的でない。なぜなら合金化元素の酸化が十分に阻止されることができず、それによって液体金属浴のぬれが十分に改善されないからである。

酸化物層の形成は、三つの主要なパラメーター（ストリップ温度、室の雰囲気中の酸素濃度、及び鋼表面へのその酸素の輸送）によって案内される。シートの縁は、シートの中心と同じ境界条件及び乱流を持たないので、縁への酸化剤の輸送はシートの中心とは異なる。処理ラインにおける高い縁冷却と同様に、縁の酸化は、より一層強くなる傾向がある。この過剰酸化によって影響される幅は、酸化室の設計及び使用される処理パラメーターに依存して１〜１０ｃｍの範囲である。

それゆえ、均一な酸化物厚さを得るために、連続亜鉛めっきラインにおける頻繁なストリップ幅の変化（典型的には９００〜２０００ｃｍ）に適合しうる制御可能なシステムを持つことが必要とされる。

機械的なシステムは、変動可能な注入区域を有するように設計されることができるが、この方法は、高温のストリップ及び材料の誘発される熱膨張のために工業的に信頼可能ではない。これは、現実的な問題になる。つまり、全ての鋼シートがかかる酸化工程を必要としないので酸化室が時々使用されるだけであるという問題である。

本発明は、鋼ストリップを焼きなますための連続焼きなまし炉であって、連続焼きなまし炉が、鋼ストリップが鉛直方向に輸送される反応室を含み、前記反応室が、反応室の頂部又は底部に位置される、反応体を供給される開口（反応体開口とも称される）を含み、反応室が、不活性ガスを供給される他の開口（不活性ガス開口とも称される）をさらに含み、前記不活性ガス開口が、反応室の側方に位置される、連続焼きなまし炉に関する。

特に好ましい実施形態によれば、本発明による炉は、以下の特徴の少なくとも一つ又は好適な組み合わせをさらに開示する。
− 不活性ガス開口が、反応体開口からの反応体流の下流にあるような方法で位置される；
− 炉が、反応室の各側方に一つ又は複数の不活性ガス開口を含む；
− 炉が、不活性ガスの流量及び温度を制御するための手段を含む；
− 炉が、反応室の各側方に不活性ガスの流量を別個に制御するための手段を含む；
− 反応室が、反応室の内側の過圧を回避するための抽出開口を含み、前記抽出開口が、反応体開口及び不活性ガス開口をそれぞれ去る反応体流と不活性ガス流の下流であるように位置される；
− 反応室の側方と鋼ストリップの縁の間の距離が、７５〜２２０ｍｍ、好ましくは１００〜２００ｍｍ、より好ましくは１００ｍｍである；
− 反応室が、鋼ストリップの各側に面する反応体開口を含む；
− 反応室が酸化室であり、反応体が酸化剤である。

本発明はまた、反応室において不活性ガスを側方から注入する工程、及び前記反応室において不活性ガス流の上流に反応体を注入する工程を含む、上記の連続焼きなまし炉の反応室を鉛直方向に通って走る鋼ストリップ上の表面反応を制御するための方法に関する。

特に好ましい実施形態によれば、本発明による方法は、以下の特徴の少なくとも一つ又は好適な組み合わせをさらに開示する。
− 反応室が酸化室であり、反応体が酸化剤であり、酸化剤の酸素含有量が０．０１〜８体積％、好ましくは０．１〜４体積％である；
− 不活性ガス流量が５〜７０Ｎｍ^３／ｈ、好ましくは１０〜６０Ｎｍ^３／ｈである；
− 鋼ストリップの反応が反応室の頂部に反応体を注入することによって実行されるとき、不活性ガス温度が鋼ストリップ温度より２００〜５０℃低く、鋼ストリップの反応が反応室の底部に反応体を注入することによって実行されるとき、不活性ガス温度が鋼ストリップ温度より２００〜５０℃高い；
− 不活性ガス及び反応体を含むガスを抽出する工程があり、抽出されたガスの流量が、反応室の内側と連続焼きなまし炉の他の部分の間の圧力の差に基づいて計算される。

最後に、本発明はまた、鋼ストリップが、酸化室の出口において酸化物層を有し、鋼ストリップの中央での値と鋼ストリップの縁での最大値の間の表面積あたりの酸化物層の質量の増加が１５％未満、好ましくは１０％未満である上記の方法によって得られる鋼ストリップに関する。

本発明は、例示的図面に基づいて以下により詳細に記載されるだろう。本発明は、例示的な実施形態に限定されない。ここに記載されかつ／又は示された全ての特徴は、本発明の実施形態において単独で使用されるか、又は異なる組み合わせで組み合わせられることができる。本発明の様々な実施形態の特徴及び利点は、以下に示す添付図面を参照して以下の詳細な記述を読むことによって明らかになるだろう。

図１は、従来技術による酸化区域を含む焼きなまし炉を概略的に表わす。

図２は、不活性ガスを注入するための側方開口を有する本発明による酸化室を概略的に表わす。

図３は、酸化剤を注入するための横方向開口を有する本発明による酸化室の上部を表わす。

図４は、本発明の一実施形態による補強材を有する酸化室の横方向開口を表わす。

図５は、本発明の一実施形態による抽出開口を有する酸化室の下部を表わす。

図６は、本発明の別の実施形態による抽出開口を有する酸化室の下部を表わす。

図７は、不活性ガスの側方注入が全くないときのストリップの幅を通る酸化物層の単位面積あたりの質量の進展を表わす。

図８は、不活性ガスの側方注入があるときのストリップの幅を通る酸化物層の単位面積あたりの質量の進展を表わす。

図９は、本発明に従って、酸化室の各側方の不活性ガス流量を別個に調整するための制御手段、及び酸化室の頂部において酸化剤の注入を制御するため制御手段を表わす。

本発明は、機械的なシステムなしでシートの縁の表面反応を制御するための装置及び方法を提供することを目的とする。表面反応は、還元反応又は窒化反応のような焼きなまし炉の一区域で起こりうるいかなる反応であることもでき、その区域は、適切な反応体を供給される。実際、シートの縁上で異なる厚さを有する層の形成の問題は、反応体のタイプにかかわらず存在する。一例として、酸化剤を供給された酸化室で起こる表面反応のための方法及び装置が以下に示される。

焼きなまし炉は、シートの縁に近い領域における雰囲気の酸素濃度を調節するための手段を与えられた酸化室をさらに含む。本発明による酸化室は、連続亜鉛めっきライン及び溶融亜鉛めっき設備なしの連続焼きなましラインで使用されることができる。この後者の場合において、被覆されていない鋼シートは、焼きなまし時に形成された酸化物層を除去するためにさらに酸洗いされることができる。

本発明による方法は、酸化室の側方を通って規定された流量及び温度で不活性ガスを注入することにある。この目的のため、図２に示すように、酸化室２は、酸化剤媒体（酸化剤とも称される）を注入するための横方向の開口４に加えて不活性ガスを注入するための側方開口３を含む。この方法では、横方向に注入された酸化剤のレベルは、不活性ガスの側方注入から生じる希釈割合に依存して縁領域で増加又は減少されることができる。さらに、以下に詳述するように、酸化室は、室の内側の過圧を回避するために横方向開口の反対側に流体を抽出するための開口をさらに含むことができる。

本発明の一実施形態によれば、室の側方開口は、穴の形であることができ、一つ、二つ又はそれより多い穴を室の各側方に与えることができる。他の実施形態によれば、開口は、スロットの形態、又はガスを注入するために適切ないかなる形態であることができる。

さらに、酸化室は、各側方の不活性ガスの流量を別個に制御するための手段を与えられることができる。

室を通して酸化剤ガスを注入するための横方向の開口は、以下に説明される理由のために室の頂部に位置されることが好ましい。開口は、シートの各側に位置される。図３に示された本発明の一実施形態によれば、横方向の開口４は、スロットの形態であるが、それらは、他の実施形態によれば他の形状を持つことができる。さらに、開口４は、図４に表わされるように開口の幾何学的形状を一定に保つように補強材６を与えられることができる。

横方向の開口の反対側に、即ち酸化室の底部に、もし酸化剤注入が頂部で実施されるなら、室は、流体が循環されないときに室の内側の圧力を減少するために抽出開口７を含む。それらは、図５に示されるようにシートの各側上でスロットの形態であることができるか、又は図６に表わされるように丸められた、正方形の、もしくは矩形の開口であることができる。

室はさらに、この室の雰囲気を焼きなまし炉の残りから分離し、炉の他の部分における酸化剤の流量を最小にするために、その入口及び出口にローラー又は同様の封止システムを含む。簡単のため、室に最も近いローラー８の半分だけが図３，５，６に表わされている。さらに、室は、断熱されているが、もし必要なら熱損失を補償するために幾つかの加熱装置が加えられることができる。

一例として、酸化室の典型的な寸法は、次の通りである。それは、３〜５ｍの長さであり、走行する最大ストリップ幅より約１５０ｍｍ幅広い幅を持つ。典型的な設計は、１８５０ｍｍの最大ストリップ幅に対して２ｍ幅である。酸化室のケーシングとストリップの間の最小距離は、７５〜２２０ｍｍ、好ましくは１００〜２００ｍｍ、より好ましくは１００ｍｍである。

図２に示されるように、鋼シート５は、酸化室２を鉛直方向に通過する。シートは、全体の炉のレイアウトに依存して上又は下に輸送されることができる。０．０１〜８体積％、好ましくは０．１〜４体積％の酸素含有量を有するＮ_２とＯ_２の混合物から構成される酸化剤ガスは、横方向の開口４を通して注入される。酸化剤の流量、温度、及び濃度は、制御される。一つの側あたりの流量は、一般的に１０ｍｍ開口及び２ｍ長さを有するスロットに対して１５０〜２５０Ｎｍ^３／ｈである。混合物Ｎ_２＋Ｏ_２の温度は、浮力の原理の恩恵を受けるためにはストリップ温度より２００℃〜５０℃低い。好ましくは、混合物温度は、７００℃のストリップに対して５８０〜６００℃である。ストリップより冷たいガスは、下方に移動し、この理由のため、横方向の開口は、室の頂部に位置される。酸素は、ストリップ縁の外側である室の側方に隣接した領域では消費されないので、Ｏ_２の濃度は、それらの部分で高く、シートの中央部分と比較してシートの縁で厚い酸化物層を生じる。これは、特に狭い幅のシートに当てはまる。この問題を解決するために、Ｎ_２又はＡｒのような少量の純粋な不活性ガスが、室の側方開口を介して酸化剤注入の下流に注入される。不活性ガスの流速及び温度は、ストリップのグレード、ストリップ幅、酸素含有量、及び主要な酸化剤の流量に依存して制御及び調整される。全流量は、典型的には一つ又は複数の開口を通して供給された一つの側方あたり５〜７０Ｎｍ^３／ｈ、好ましくは１０〜６０Ｎｍ^３／ｈである。流体温度は、浮力の原理を利用するためにストリップ温度より２００℃〜５０℃低い。好ましくは、目標は、７００℃のストリップに対して５８０〜６００℃である。それによって、不活性ガス流は、下方に移動する。

以下のシミュレーションは、シートの幅を通って酸化物層を均一に分配するための本発明による方法及び装置の効果を示す。

１％Ｏ_２を含み、かつ６００℃の一つの側あたり１６０Ｎｍ^３／ｈの酸化剤流で、３メートル長さでかつ２ｍメートル幅の酸化室において１２０ｍｐｍで走行する７００℃の特定の組成の１０５０ｍｍ幅のストリップ上の典型的なＦｅＯ形成が、図７に表わされている。シートの縁では、酸化物層の単位表面積あたりの質量は、約３０％以上増加する。

同様の条件であるが、室の各側方において６００℃の不活性ガスを４０Ｎｍ^３／ｈで注入した条件では、酸化物の均一性が、図８に示されたように改良される。この場合において、ストリップの中心での値とストリップの縁での最大値の間の増加は、１０％未満である。本発明によれば、目標は、ストリップの中心での値と縁での最大値の間で１５％未満の増加であり、好ましくは１０％未満の増加である。

既に述べたように、修正された効果に対して、主要な酸化剤及び不活性ガスの正しい流量及び温度が、処理されたストリップ幅及び品質とともに調整されることが必要である。

各流量は、制御弁及び流量計によって制御される。温度センサーがあり、温度は、ガス、電気などを使用して熱交換器によって達成される。注入された全てのガス（酸化剤及び不活性ガス）は、循環されたり、又は循環されないようにすることができる。室内の圧力は、封止装置における流体抽出によって制御されるが、流体が循環されないときに抽出スロットによって制御されることもできる。これは、室内の過圧並びに炉の他の部分における酸化剤の流れを回避することを可能にする。抽出流れは、室内の圧力対炉の他の部分における圧力の制御によって調整される。典型的な流量制御は、図９に表わされるＰＩＤ原理に従ってなされることができる。酸化物厚さは、室の外側を意味する酸化区域の後に、最終的にはストリップの各側に設置された専用システムによってストリップ幅を横切って測定される。

本発明は、室の頂部に位置される横方向開口を持ち、酸化剤及び不活性ガスが下方に移動する酸化室に対して示されかつ記載された。なぜならそれらの温度は、ストリップの温度より低いからである。本明細書はまた、酸化室の底部に位置される横方向の開口を有する構成も包含する。この場合において、抽出領域は、室の頂部に配置されなければならず、不活性ガス及び主要な酸化剤は、上に移動するためにストリップの温度より高い温度で加熱されなければならない。側方の開口は、同様に酸化剤の流れの下流に配置される。

本発明は、図面及び前述の記載において詳細に示されかつ記載されたが、かかる図示及び記載は、説明的又は例示的なものであり、限定されない。以下の請求項の範囲内で当業者は変更及び修正を行なうことができることが理解されるだろう。特に、本発明は、上及び下に述べた異なる実施形態からいかなる組み合わせの特徴も有するさらなる実施形態を包含する。

請求項に使用される用語は、前述の記載と一致するような最も広い合理的な解釈を持つと考えられるべきである。例えば、ある要素を導入する際の冠詞「ａ」又は「ｔｈｅ」の使用は、複数の要素を除外するものとして解釈されるべきでない。同様に、「又は」の引用は、Ａ及びＢの一つだけが意図されるということが内容又は前述の記載から明らかでない限り、「Ａ又はＢ」の引用は、「Ａ及びＢ」を除外しないものとして解釈されるべきである。

１ 焼きなまし炉
２ 反応区域（反応室とも称され、特に酸化区域又は酸化室）
３ 不活性ガスを注入するための側方開口（不活性ガス開口とも称される）
４ 反応体、特に酸化剤を注入するための横方向開口（反応体開口とも称される）
５ ストリップ又はシート
６ 横方向開口における補強材
７ 抽出開口
８ 封止ローラー
９ 亜鉛浴
１０ 加熱手段
１１ 弁

Claims (12)

1. 鋼ストリップ（５）を焼きなますための連続焼きなまし炉（１）であって、連続焼きなまし炉（１）が、鋼ストリップ（５）が鉛直方向に輸送される反応室（２）を含み、前記反応室（２）が、反応室（２）の頂部又は底部に位置される、反応体を供給される開口（４）（反応体開口とも称される）を含み、反応室（２）が、不活性ガスを供給される他の開口（３）（不活性ガス開口とも称される）をさらに含み、前記不活性ガス開口（３）が、反応室（２）の側方に位置され、反応室（２）が酸化室であり、反応体が酸化剤であり、不活性ガス開口（３）が、反応体開口（４）からの反応体流の下流にあるような方法で位置される、連続焼きなまし炉。
2. 反応室（２）の各側方に一つ又は複数の不活性ガス開口（３）を含む、請求項１に記載の連続焼きなまし炉。
3. 不活性ガスの流量及び温度を制御するための手段を含む、請求項１又は２に記載の連続焼きなまし炉。
4. 反応室（２）の各側方に不活性ガスの流量を別個に制御するための手段をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の連続焼きなまし炉。
5. 反応室（２）が、反応室（２）の内側の過圧を回避するための抽出開口（７）を含み、前記抽出開口（７）が、反応体開口（４）及び不活性ガス開口（３）をそれぞれ去る反応体流と不活性ガス流の下流であるように位置される、請求項１〜４のいずれかに記載の連続焼きなまし炉。
6. 反応室（２）の側方と鋼ストリップ（５）の縁の間の距離が、７５〜２２０ｍｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の連続焼きなまし炉。
7. 反応室（２）が、鋼ストリップ（５）の各側に面する反応体開口（４）を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の連続焼きなまし炉。
8. 反応室（２）において不活性ガスを側方から注入する工程、及び前記反応室（２）において不活性ガス流の上流に反応体を注入する工程を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の連続焼きなまし炉（１）の反応室（２）を鉛直方向に通って走る鋼ストリップ（５）上の表面反応を制御するための方法であって、反応室（２）が酸化室であり、反応体が酸化剤であり、不活性ガス開口（３）が、反応体開口（４）からの反応体流の下流にあるような方法で位置される、方法。
9. 酸化剤の酸素含有量が０．０１〜８体積％である、請求項８に記載の方法。
10. 不活性ガス流量が５〜７０Ｎｍ^３／ｈである、請求項８又は９に記載の方法。
11. 鋼ストリップ（５）の反応が反応室（２）の頂部に反応体を注入することによって実行されるとき、不活性ガス温度及び反応体温度が鋼ストリップ温度より２００〜５０℃低く、鋼ストリップ（５）の反応が反応室（２）の底部に反応体を注入することによって実行されるとき、不活性ガス温度及び反応体温度が鋼ストリップ温度より２００〜５０℃高い、請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 不活性ガス及び反応体を含むガスを抽出する工程があり、抽出されたガスの流量が、反応室（２）の内側と連続焼きなまし炉（１）の他の部分の間の圧力の差に基づいて計算される、請求項８〜１１のいずれかに記載の方法。