WO2018037916A1 - 高温金属の冷却方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法 - Google Patents

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steel strip
temperature metal
hot
galvanized steel
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優 寺崎
高橋　秀行
琢実 小山
亮一 向
章央 山本
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
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    • C23C2/26—After-treatment
    • C23C2/28—Thermal after-treatment, e.g. treatment in oil bath
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C2/28—Thermal after-treatment, e.g. treatment in oil bath
    • C23C2/29—Cooling or quenching
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/40—Plates; Strips

Definitions

  • the present invention relates to a method for cooling a high-temperature metal and a method for producing a hot-dip galvanized steel strip.
  • an alloyed hot dip galvanized steel strip is manufactured as follows using a continuous alloying hot dip galvanizing equipment 100 as shown in FIG.
  • the steel strip S annealed in a continuous annealing furnace (not shown) is continuously introduced into the hot dip galvanizing bath 30 where the hot strip galvanizing is applied to the steel strip S.
  • the steel strip S is moved upward by the sink roll 32 in the hot dip galvanizing bath 30.
  • the steel strip S is pulled up above the hot dip galvanizing bath 30 while being guided to the pair of support rolls 34, and then the plating adhesion amount is adjusted by the gas wiping device 36.
  • the zinc plating applied to the steel strip S in the alloying furnace 38 is heated and alloyed.
  • the steel strip S passes through the alloying furnace 38 but is not heated. Then, the droplet group which refined the cooling liquid with the mist cooling device 10 is sprayed toward the steel strip S, and the steel strip S is cooled.
  • cooling As a cooling method after such hot-dip galvanizing or alloying, cooling (gas cooling) in which a gas such as air is injected, and cooling in which a droplet group in which the coolant is miniaturized as shown in FIG. 1 are injected. (Mist cooling). Mist cooling has higher cooling efficiency than gas cooling, and can be suitably used because cooling can be performed at a high cooling rate with a limited cooling facility length and productivity can be improved.
  • FIG. 6 shows the relationship between the surface temperature of the high-temperature metal and the cooling capacity (heat transfer coefficient).
  • the cooling capacity is low at the stage where the surface temperature is high (film boiling region in FIG. 6).
  • FIG. 7 many vapor films M are generated between the surface of the steel strip S and the cooling liquid L, and this vapor film M makes direct contact between the surface of the steel strip S and the cooling liquid L. Because it hinders.
  • the hot dip galvanized steel sheet has a plate width exceeding 1000 mm, and the maximum plate width may approach 1900 mm, but quality uniformity in the width direction is required.
  • the cooling liquid is increased in order to increase the cooling capacity, the cooling is performed in the transition boiling region shown in FIG.
  • Patent Document 1 As a technique aimed at improving the cooling capacity in the film boiling region.
  • electrodes are arranged on the front and back or the periphery of the high-temperature metal via the cooling water, and a voltage of 100 is applied to the vapor film generation region using the high-temperature metal as an electrode.
  • a cooling method for high-temperature metal is described in which an electric field of ⁇ 2000 V is applied and the vapor film generated on the high-temperature metal surface is destroyed by this electric field, and cooling is performed. The example applied to is described.
  • Patent Document 2 discloses that in a cooling process of metal heat treatment, a liquid-gas mixed liquid in which gas microbubbles are dispersed in a liquid is used as a cooling medium, and the microbubbles are kept in a uniformly dispersed state by maintaining a uniform dispersion state.
  • a cooling method for metal heat treatment is described, characterized in that it prevents uniform vapor film formation and enables uniform and stable cooling.
  • Patent Document 2 states that the cooling capacity can be controlled by controlling the liquid amount, the liquid temperature, and the gas content (void ratio), and it is described that this cooling method is applied to carburizing and quenching of steel. As an example, dipping cooling (carburization quenching) is described as an example.
  • JP-A-5-69029 Japanese Patent Laid-Open No. 60-55614
  • Patent Document 2 a liquid-gas mixed liquid in which micro bubbles having an air bubble diameter of 0.1 to 1 mm are dispersed is used.
  • Patent Document 2 describes that this cooling method prevents uniform formation of a vapor film of a material to be cooled and enables uniform and stable cooling.
  • Patent Document 2 does not discuss what mechanism prevents vapor film formation.
  • a cooling liquid in which fine bubbles of 0.1 to 1 mm are dispersed cannot obtain a sufficient cooling ability, and is likely to cause uneven cooling.
  • the present invention provides a method for cooling a high-temperature metal with a jet liquid that can sufficiently improve cooling capacity and can perform uniform cooling without using an apparatus having a complicated configuration, and the method. It aims at providing the manufacturing method of the hot-dip galvanized steel strip used.
  • the present inventors studied to contain microbubbles having a bubble diameter of a predetermined value or less in the coolant. This is based on the idea that the pressure generated by the microbubbles adhering to the metal surface and crushing destroys the vapor film produced by the film boiling of the coolant, resulting in improved cooling capacity. Based.
  • the crushing phenomenon is a phenomenon in which a very small bubble shrinks with the pressure in the liquid, and the pressure inside the bubble rises rapidly, and when it exceeds the limit, it becomes a high pressure state and generates a big impact. This phenomenon does not occur and is unique to microbubbles (see Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn., 64, 4-10 (2010)). According to the study by the present inventors, this crushing phenomenon hardly occurs in the cooling liquid in which relatively coarse bubbles such as 0.1 mm or more described in Patent Document 2 are dispersed.
  • liquids containing microbubbles have been used in fields such as long-term storage of food and improvement of water purification, they have not been used for cooling high-temperature metals being transported.
  • the inventors of the present invention cooled a hot metal being transported in a film boiling region using a coolant containing microbubbles having a bubble diameter of a predetermined value or less, and used a conventional coolant that does not contain microbubbles. It was found that the cooling capacity was drastically improved compared to the case where it was. This is thought to be because the vapor film was destroyed by the crushing phenomenon of microbubbles.
  • a cooling capacity that cannot be achieved without increasing the amount of cooling liquid and accepting cooling unevenness with a normal mist can be achieved with a small amount of cooling liquid in the present invention. Therefore, not only an improvement in cooling capacity but also a uniform cooling is possible.
  • the gist configuration of the present invention completed based on the above findings is as follows.
  • (1) A method for cooling a high-temperature metal comprising supplying a coolant containing microbubbles toward the high-temperature metal being transported and cooling the high-temperature metal with the coolant.
  • the hot dip galvanized steel strip contains Al: 1.0 to 10% by mass, Mg: 0.2 to 1.0% by mass, and Ni: 0.005 to 0.1% by mass, and the balance is composed of Zn and inevitable impurities.
  • the hot dip galvanized steel strip contains Al: 25 to 75% by mass and Si: 0.5 to 10% by mass, and the remainder has a plating layer having a composition composed of Zn and inevitable impurities (9 The method for cooling a high-temperature metal as described in 1).
  • a sufficient improvement in cooling capacity and uniform cooling can be realized without using a complicated apparatus in the method for cooling a high-temperature metal with a jet liquid.
  • a hot dip galvanized steel strip of the present invention a hot dip galvanized steel strip having a beautiful surface appearance can be produced.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the continuous alloying hot dip galvanizing equipment 100 used in one embodiment of the present invention.
  • (A) is the partial schematic diagram of the mist cooling device 10 described in FIG. 1
  • (B) is the figure which extracted 1 set of headers of (A).
  • It is a schematic diagram of the mist cooling device 10 described in FIG. It is a schematic diagram which shows an example of the manufacturing system of the cooling water containing microbubbles used by one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the other example of the manufacturing system of the cooling water containing microbubbles used by one Embodiment of this invention.
  • the method for cooling a high-temperature metal according to the present invention is characterized in that a cooling liquid containing microbubbles is supplied toward the high-temperature metal being conveyed, and the high-temperature metal is cooled by the cooling liquid.
  • a cooling liquid containing microbubbles is supplied toward the high-temperature metal being conveyed, and the high-temperature metal is cooled by the cooling liquid.
  • a continuous alloying hot dip galvanizing equipment 100 used in a method of manufacturing a hot dip galvanized steel strip according to an embodiment of the present invention is described with reference to FIG. 1.
  • An annealing furnace (not shown), a hot dip galvanizing bath 30, a sink roll 32, a support roll 34, a gas wiping device 36, an alloying furnace 38, a mist cooling device 10, a scanning radiation thermometer 40, and a top roll 42.
  • the steel strip S annealed in a continuous annealing furnace (not shown) is continuously introduced into the hot dip galvanizing bath 30, where the hot strip galvanizing is applied to the steel strip S.
  • the steel strip S is moved upward by the sink roll 32 in the hot dip galvanizing bath 30.
  • the steel strip S is pulled up above the hot dip galvanizing bath 30 while being guided to the pair of support rolls 34, and then the plating adhesion amount is adjusted by the gas wiping device 36. Thereafter, in the case where the steel strip S is a steel type to be alloyed, the zinc plating applied to the steel strip S in the alloying furnace 38 is heated and alloyed.
  • the steel strip S When the steel strip S is a steel type that is not alloyed, the steel strip S passes through the alloying furnace 38 but is not heated. Then, the droplet group which refined the cooling liquid with the mist cooling device 10 is sprayed toward the steel strip S, and the steel strip S is cooled. Thereafter, the steel strip temperature is measured by the radiation thermometer 40 in the vicinity of the top roll 42.
  • the configuration of the cooling device 10 will be described with reference to FIGS. 2 (A), (B), and FIG.
  • the main parts of the cooling device 10 are a nozzle header 12 and a nozzle 14 attached thereto.
  • the nozzle header includes an air header that is illustrated and a water header that is disposed inside the nozzle header and is not illustrated.
  • Each of the air header and the water header is supplied with air pressurized to a predetermined pressure and water as a coolant. Air and water are mixed inside the nozzle 14, and as a result, the water is refined and droplets are sprayed toward the steel strip S from the opening of the nozzle 14.
  • one nozzle header 12 is provided with a plurality of nozzles 14 at predetermined intervals in the longitudinal direction.
  • the nozzle header 12 Since the nozzle header 12 is installed such that its longitudinal direction coincides with the width direction of the steel strip S, the steel strip S can be cooled in the width direction. As shown in FIG. 2A, a plurality of nozzle headers 12 are arranged in the traveling direction of the steel strip S according to the cooling equipment length. Furthermore, since the nozzle header 12 is arrange
  • the coolant is not particularly limited, but is preferably water-based and most preferably pure water.
  • the nozzle pitch in the width direction can be appropriately determined so that the spread angle of the nozzle 14 alone is investigated and a uniform amount of water can be sprayed onto the steel strip S in the width direction.
  • the mist injected from the nozzle 14 collides with the steel strip S and evaporates or rebounds and is collected from the exhaust duct 16.
  • the droplets that have condensed on contact with the inner wall of the cooling box or the nozzle header 12 flow downward and are collected by the water pan 18.
  • a sealing device for preventing water leakage to the lower part is provided at the lowermost part of the cooling box. Examples of the sealing device include a static pressure pad 20 that forms a pressure pool on the surface of the steel strip and a gas nozzle 22 that forms an upward flow near the steel strip.
  • the sealing device is not limited to this form.
  • the structure of the cooling device 10 is not limited to that described above as long as it is a device capable of spraying a droplet group.
  • a coolant containing microbubbles is supplied to the nozzle header 12, and this coolant is sprayed as a mist, and the steel strip S is cooled by this mist.
  • the temperature of the steel strip S provided to the cooling device 10 depends on the components of the hot-dip zinc and the alloying temperature. Generally, the temperature is 340 to 550 ° C.
  • the temperature of the steel strip S when passing through the top roll 42 is preferably 300 ° C. or less, and more preferably about 150 to 250 ° C. If the temperature exceeds 300 ° C., the molten zinc adheres to the top roll 42, so that the surface of the steel strip S is wrinkled and the surface appearance of the steel strip S may be inferior.
  • the cooling in such a temperature range includes the cooling in the film boiling region shown in FIG.
  • the cooling in this region is preferable from the viewpoint of suppressing uneven cooling of the steel strip S because the change in the cooling capacity with respect to the temperature change is small and a stable heat flow rate is obtained.
  • the low point is the difficulty.
  • the cooling liquid containing microbubbles is sprayed as mist, and the steel strip S is cooled by this mist, so compared to the case of using a conventional cooling liquid that does not contain microbubbles. , The cooling capacity is dramatically improved. This is presumably because the vapor film was destroyed by the above-described microbubble collapse phenomenon.
  • the cooling capacity which cannot be achieved without increasing the amount of cooling liquid and accepting uneven cooling with normal mist can be achieved with a small amount of cooling liquid. Therefore, since cooling in the transition boiling region can be avoided, not only improvement in cooling capacity but also uniform cooling is possible.
  • the steel strip S is cooled by mist.
  • mist in this specification means a droplet group having an average droplet diameter of 200 ⁇ m or less on the Sauter average.
  • the lower limit of the average droplet diameter of the mist is not particularly limited, but from the viewpoint of stably containing the microbubbles in the mist, the average Sauter average is preferably 70 ⁇ m.
  • the diameter of the mist can be measured by irradiating the droplet with laser light. The diameter of the mist can be appropriately adjusted by controlling the diameter of the spray port of the nozzle 14 and the flow rate of the liquid (water) in the nozzle header 12.
  • microbubble means a bubble having a diameter of 50 ⁇ m or less, and includes a bubble also called a nanobubble having a diameter of nanometer order.
  • the above-mentioned crushing phenomenon hardly occurs, but in the cooling liquid containing microbubbles, the above-mentioned crushing phenomenon occurs, so that the cooling is drastically reduced.
  • Ability improves.
  • the average diameter of the microbubbles is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less, and 1 ⁇ m or less. More preferably, it is most preferably 0.2 ⁇ m or less.
  • the average diameter is preferably 0.01 ⁇ m or more.
  • the relationship between the bubble particle size and the heat transfer coefficient is shown in FIG.
  • the experiment was performed as follows. A thermocouple was attached to the center of a SUS304 (plate thickness 1.0 mm ⁇ length 200 mm ⁇ width 200 mm) cut plate, submerged in a water tank containing 2 L of microbubble water, and cooled by immersion. Temperature of the cooling water is 20 ° C., bubbles mixed amount of cooling water was 10 9 / L. The diameter of the bubble in the mist is 0.01 ⁇ m, 0.1 ⁇ m, 0.2 ⁇ m, 0.5 ⁇ m, 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, 5 ⁇ m, 10 ⁇ m, 20 ⁇ m, 30 ⁇ m, 40 ⁇ m, and 50 ⁇ m. Until cooled.
  • the heat transfer coefficient is calculated from the temperature of the attached thermocouple, and is an average value of the steel sheet temperature of 100 to 200 ° C.
  • a broken line is a heat transfer coefficient at the time of cooling with the pure water which does not contain microbubble water.
  • the heat transfer coefficient increases only about 10% compared to pure cooling, whereas at 20 ⁇ m, the heat transfer coefficient increases by 20% or more.
  • the heat transfer coefficient increases by 80% and shows an almost constant value.
  • the smaller the microbubble particle size the slower the microbubble flying speed, so 0.2 ⁇ m or less is more desirable.
  • the average diameter of the microbubbles in the cooling water supplied to the nozzle header 12 is preferably 20 ⁇ m or less, and preferably 10 ⁇ m or less. More preferably, it is more preferably 1 ⁇ m or less, and most preferably 0.2 ⁇ m or less.
  • average diameter of bubbles is defined as the Sauter average value of the distribution obtained by sampling 10 mL of the cooling liquid, measuring with a particle size distribution measuring device, and averaging the obtained particle size distribution.
  • a laser diffraction / scattered light method is used in which diffraction / scattered light generated when laser light is irradiated to the bubble is measured and a particle diameter is calculated from the scattered light pattern.
  • the mixing amount of bubbles in the coolant is not particularly limited, but from the viewpoint of sufficiently obtaining the effect of improving the cooling capacity, 1 ⁇ 10 8 / L
  • the number is 1 ⁇ 10 9 pieces / L or more, more preferably 1 ⁇ 10 11 pieces / L or more.
  • the upper limit of the amount of bubbles mixed is not particularly limited, but can be 1 ⁇ 10 14 / L or less from the viewpoint of ease of bubble generation.
  • the “bubble mixing amount” can be measured from the number of particles (number of bubbles) using a particle size distribution measuring apparatus after collecting 10 mL of the cooling liquid in the same manner as the average diameter of the bubbles.
  • the gas in the microbubble is not particularly limited, but a gas having a low solubility in water, such as nitrogen, air, or oxygen, is desirable. This is because the smaller the solubility, the higher the internal pressure of the bubbles, and the more the vapor film is removed, and the cooling capacity is expected to be improved.
  • the amount of the coolant supplied to the steel strip is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.8 L / min.
  • the amount of the coolant supplied to the steel strip is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.8 L / min.
  • the method for producing the microbubble-containing liquid is not particularly limited, and a known or arbitrary microbubble generation method can be used.
  • a known or arbitrary microbubble generation method can be used.
  • swirling liquid flow type static mixer type, ejector type, venturi type, pressure dissolution type, pore
  • a bubble generating device such as a formula, a rotary type, an ultrasonic type, a vapor condensation type, and an electrolysis type can be used.
  • FIG. 4 an example of a production system of cooling water containing microbubbles, which can be applied to the present embodiment, will be described.
  • Fresh water and gas are caused to flow into the bubble generating device 50 through two lines of piping connected to the bubble generating device 50.
  • Microbubble-containing cooling water is generated by the bubble generation device 50 and stored in the storage tank 60 via a pipe.
  • the cooling water in the storage tank 60 is distributed and supplied to each nozzle header 12 by a pump 62.
  • the amount of fresh water and gas flowing into the bubble generating device 50 may be determined as appropriate so as to be the amount of bubbles mixed in the cooling water, and adjusted by the valves 52 and 56 and the pump 54. Or based on the measured value of the radiation thermometer 40, the control apparatus 58 may calculate suitable inflow, and may adjust with the valves 52 and 56, respectively.
  • the microbubble-containing cooling water can be manufactured with an apparatus having such a simple configuration.
  • the types of the pump 54 for transferring the cooling water before containing microbubbles and the pump 62 for transferring the cooling water containing microbubbles are not particularly limited, and any positive displacement pump or non-positive displacement pump can be used.
  • Examples of positive displacement pumps include reciprocating pumps such as plunger pumps, diaphragm pumps, and piston pumps, and rotary pumps such as gear pumps, eccentric pumps, and screw pumps.
  • Examples of non-displacement pumps include centrifugal pumps, mixed flow pumps, and axial flow pumps.
  • the pump 62 for transferring the cooling water containing microbubbles is preferably a positive displacement pump.
  • the positive displacement pump is a pump that transfers the liquid by changing the volume of the liquid in a constant volume space by the reciprocating motion of a mechanical element (diaphragm in the case of a diaphragm pump). According to this method, since the cooling water is not stirred, the cooling water can be transferred at a predetermined pressure while preventing the defoaming of the microbubbles in the cooling water. Therefore, higher cooling capacity can be exhibited.
  • the diaphragm pump is particularly preferable because it is the structure in which the coolant is most difficult to stir.
  • a non-positive displacement pump is a pump that rotates an impeller in a casing and transfers liquid.
  • the non-displacement pump since the impeller agitates the liquid, the microbubbles in the cooling water gather and coalesce, and the microbubbles having a large bubble diameter are easily defoamed. Therefore, it is desirable to use a positive displacement pump when transferring cooling water containing microbubbles.
  • the microbubble-containing cooling water generated by the bubble generating device 50 is distributed and supplied to the nozzle headers 12 as they are through the piping without using a pump.
  • Such an embodiment is applicable when a self-priming mist nozzle is used, or when the cooling water before containing microbubbles has already been pressurized to a pressure higher than a predetermined level such as 0.1 to 0.5 MPa. is there.
  • a predetermined level such as 0.1 to 0.5 MPa.
  • the cooling of the alloyed hot metal plated steel strip obtained by heating alloying the galvanizing applied to the steel strip S prior to cooling has been described.
  • the present invention is not limited to this, and alloying is performed.
  • the cooling method of the present invention can be applied to the cooling of the hot-dip galvanized steel strip that is not performed.
  • composition of the plated layer of the hot dip galvanized steel strip is not particularly limited, and includes, for example, Al: 1.0 to 10% by mass, Mg: 0.2 to 1.0% by mass, and Ni: 0.005 to 0.1% by mass,
  • the balance may be composed of Zn and unavoidable impurities, Al: 25 to 75% by mass, Si: 0.5 to 10% by mass, and the balance composed of Zn and unavoidable impurities. It can also have.
  • the method for cooling a high-temperature metal of the present invention can be applied not only to mist cooling of a hot-dip galvanized steel strip, but also to any cooling in a system in which a coolant is supplied to a high-temperature metal being conveyed.
  • cooling by droplets not limited to mist includes secondary cooling of a continuous casting machine and coil yard cooling of a hot rolled coil.
  • cooling liquid is jetted as a liquid flow, the liquid flow is collided with the high temperature metal, and the high temperature metal is cooled by the liquid flow. Cooling on a run-out table.
  • the temperature at the start of cooling of the metal body to be cooled is not particularly limited as long as the cooling of the metal body becomes a film boiling region.
  • the temperature that becomes the film boiling region depends on the surface state (for example, roughness) of the metal body to be cooled and the cooling mode (cooling liquid supply method, for example, mist cooling, spray cooling, cooling by immersion).
  • Example 1 Using the continuous alloying hot dip galvanizing equipment shown in FIGS. 1 to 4, hot dip galvanized steel strips were produced under various conditions.
  • a steel strip was obtained.
  • the temperature of the plating bath was adjusted to an appropriate value according to the plating composition and is shown in Table 1.
  • hot galvanizing was not performed by heating.
  • One exhaust fan was installed at the connecting part of the damper, and the air flow was operated at a constant output of 3600 m 3 / hr.
  • cooling water containing microbubbles nitrogen
  • flat spray type nozzles were provided at 9 locations at intervals of 200 mm in the steel strip width direction
  • nozzle headers were provided in 40 stages in the traveling direction of the steel strip.
  • the nozzle rows adjacent to each other in the traveling direction of the steel strip were arranged so that the positions in the width direction of the nozzles were shifted by 50 mm.
  • the distance between the nozzle and the steel strip was 200 mm.
  • Table 1 shows the average diameter of bubbles in the cooling water, the amount of bubbles mixed in the cooling water, and the amount of cooling water.
  • the cooling water sample for measuring an average diameter and a bubble mixing amount was extract
  • the cooling water was sprayed as mist, and the steel strip was cooled by this mist.
  • the average droplet diameter of the mist was 100 ⁇ m.
  • the temperature of the steel strip was measured with a radiation thermometer installed at the outlet side position of the cooling device.
  • the measurement temperature is shown in “Top roll passage plate temperature” in Table 1.
  • the surface external appearance of the hot dip galvanized steel strip manufactured in each Example was evaluated, and the results are shown in Table 1.
  • the invention example using microbubble-containing cooling water is a comparative example using ordinary cooling water not containing microbubbles.
  • the top roll passage plate temperature could be lowered.
  • the top roll passage plate temperature was high in the comparative example, scuffs were generated on the surface of the steel strip.
  • Comparative Examples No. 17 and 21 since the plating layer was soft, large scratches were generated.
  • Comparative Example No. 5 the amount of cooling water was increased compared to No. 1 to 4 in order to obtain the same top roll passing plate temperature as that of the No. 1 invention example. A belt meander has occurred.
  • Example 2 A hot dip galvanized steel strip was produced as Invention Examples No. 22 and 23 under the same conditions and method as Invention Example No. 1 except that the method of transferring the microbubble-containing cooling water to the nozzle header was changed.
  • the plating layer composition and bath temperature were Invention Example No. 1, Al: 0.2 mass%, Zn: the balance of the composition, and 460 ° C.
  • Example No. 22 using the microbubble-containing cooling water manufacturing system shown in FIG. 5, the microbubble-containing cooling water liquid was transferred without using a pump and supplied to the nozzle header. At this time, the pressure of the cooling water before containing microbubbles was increased from 0.05 MPa of No. 1 to 0.3 MPa.
  • a centrifugal pump 200 SZM, manufactured by Ebara Corporation was used as a pump for transferring the cooling water containing microbubbles from the storage tank to the nozzle header.
  • the average diameter of the bubbles and the amount of bubbles mixed in the cooling water were measured before and after passing through the pump. Cooling water before passing through the pump was collected from the bubble generator. The cooling water after passing through the pump was collected from a sampling hole provided in the pipe to the nozzle header. Moreover, it carried out similarly to Example 1, and investigated the top roll passage plate temperature, the surface appearance of a steel strip, and the presence or absence of meandering. The results are shown in Table 2.
  • Invention Example No. 22 which does not use a pump, can achieve a sufficiently low top roll passage plate temperature as in Invention Example No. 1 which uses a positive displacement pump. A hot-dip galvanized steel strip was obtained. In these cases, there was no change in the average diameter of the bubbles before and after passing through the pump. In contrast, in Invention Example No. 23 using a non-positive displacement pump, the top roll passage plate temperature was higher than in Invention Examples No. 1 and 22. Moreover, the bubble diameter after passing through the pump has become larger than before passing through the pump.
  • a sufficient improvement in cooling capacity and uniform cooling can be realized without using a complicated apparatus in the method for cooling a high-temperature metal with a jet liquid.
  • a hot dip galvanized steel strip of the present invention a hot dip galvanized steel strip having a beautiful surface appearance can be produced.

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Abstract

複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力を十分に向上し、かつ、均一な冷却が可能な、噴射液体による高温金属の冷却方法を提供する。本発明の高温金属の冷却方法は、搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする。

Description

高温金属の冷却方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法
　本発明は、高温金属の冷却方法及び溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法に関するものである。
　鉄鋼分野においては、鉄鋼製品の製造工程の種々の場面で、搬送中の高温金属に冷却液を供給して高温金属を冷却する工程が存在する。
　例えば、一般に、合金化溶融亜鉛めっき鋼帯は、図１のような連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００を用いて以下のように製造される。まず、図示しない連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０に連続的に導入され、ここで鋼帯Ｓに溶融亜鉛めっきが施される。鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０中のシンクロール３２によって、その進行方向が上方になる。鋼帯Ｓは、一対のサポートロール３４に導かれながら溶融亜鉛めっき浴３０の上方に引き上げられた後、ガスワイピング装置３６でめっき付着量が調整される。その後、鋼帯Ｓが合金化処理を施す鋼種の場合には、合金化炉３８で鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきが加熱合金化される。鋼帯Ｓが合金化を施さない鋼種の場合、鋼帯Ｓは合金化炉３８を通過するが、加熱はされない。その後、ミスト冷却装置１０で冷却液を微細化した液滴群を鋼帯Ｓに向けて噴射して、鋼帯Ｓを冷却する。
　このような溶融亜鉛めっき後、あるいは合金化後の冷却方法としては、空気等の気体を噴射する冷却（ガス冷却）と、図１のように冷却液を微細化した液滴群を噴射する冷却（ミスト冷却）とがある。ミスト冷却は、ガス冷却よりも冷却効率が高いため、限られた冷却設備長で、高い冷却速度で冷却を行うことができ、生産性を向上できるため好適に用いられる。
　ここで、このミスト冷却を初めとして、冷却液による高温金属の冷却においては、単に冷却液の供給量を増加させるのみでは、冷却能力の増加に限界があった。図６は、高温金属の表面温度と冷却能力（熱伝達係数）との関係を示したものである。図６から明らかなように、冷却液量が一定の場合、表面温度が高い段階（図６中の膜沸騰領域）では、冷却能力が低くなる。これは、図７に示すように、鋼帯Ｓ表面と冷却液Ｌとの間に蒸気膜Ｍが多く発生して、この蒸気膜Ｍが鋼帯Ｓの表面と冷却液Ｌとの直接接触を妨げるからである。
　また、搬送中の高温金属に冷却には、冷却能力の増加に加えて、冷却ムラの抑制、すなわち均一な冷却も必要とされる。例えば、溶融亜鉛めっき鋼板は、板幅が１０００ｍｍを超え、最大板幅は１９００ｍｍに迫ることもあるところ、幅方向での品質均一性が必要とされる。しかし、幅方向での冷却ムラの制御は容易ではなく、冷却ムラがあると、材質が不均一になったり、形状の変化によって蛇行が発生することがある。特に、冷却能力の増加を志向して冷却液を増加させた場合、図６に示す遷移沸騰領域での冷却となり、冷却ムラが顕著になる。
　膜沸騰領域での冷却能力を向上させることを志向した技術として、特許文献１がある。特許文献１には、高温金属を冷却水を用いて冷却するに際し、電極を該冷却水を介して高温金属の表裏もしくは周囲に配置し、かつ高温金属をも電極として蒸気膜発生領域に電圧１００～２０００Ｖの電場を掛け、この電場によって高温金属面に発生する蒸気膜を破壊しつつ、冷却することを特徴とする高温金属の冷却方法が記載されており、この冷却を厚板の調質冷却に適用した例が記載されている。
　また、特許文献２には、金属熱処理の冷却工程において、冷却媒として液体に気体の微小気泡を分散させた液体－気体混合液を用い、該微小気泡の均一分散状態を保持することにより被冷却材の蒸気膜形成を阻止して均一且つ安定な冷却を可能にすることを特徴とする金属熱処理の冷却方法が記載されている。特許文献２では、液量、液温、気体含有率（ボイド率）を制御することで冷却能を制御することができるとされており、この冷却方法を鋼の浸炭焼入れに適用することが記載されており、実施例として浸漬方式の冷却（浸炭焼入れ）が記載されている。
特開平５－６９０２９号公報 特開昭６０－５５６１４号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の方法では、高圧の電場を発生させるため、大型の電源や設備が必要となり、設備費やランニングコストが高くなってしまう。また、感電しないよう安全面に関して多大な配慮が必要である。また、この方法では、金属自身にも通電させるため、冷却対象の金属も加熱されることから、やはり冷却能力の向上は十分ではなく、また、冷却ムラも発生しやすく、金属の変形が生じたり、均一な組織が得られないという問題もある。
　また、特許文献２に記載の方法では、空気泡径が0.1～1ｍｍの微小気泡を分散させた液体－気体混合液を用いている。特許文献２には、この冷却方法によって被冷却材の蒸気膜形成を阻止して均一且つ安定な冷却が可能である旨が記載されている。しかしながら、特許文献２では、どのようなメカニズムで蒸気膜形成が阻止できるのかについて何ら検討されていない。本発明者らが検討したところ、0.1～1ｍｍの微小気泡を分散させた冷却液では、やはり十分な冷却能を得ることができず、また、冷却ムラも発生しやすいことが判明した。
　そこで本発明は、上記課題に鑑み、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力を十分に向上し、かつ、均一な冷却が可能な、噴射液体による高温金属の冷却方法、及び該方法を用いた溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するべく本発明者らは、冷却液中に気泡径が所定値以下のマイクロバブルを含有させることを検討した。これは、マイクロバブルが金属表面に付着し、圧壊することで生じた圧力によって、冷却液の膜沸騰で生成した蒸気膜が破壊され、その結果、冷却能力が向上するのではないかという着想に基づく。圧壊現象とは、ごく小さな気泡が液中の圧力で縮小することにより、気泡内部の圧力が急上昇し、限界を超えると高圧状態になり、大きな衝撃を発生する現象であり、ミリバブルやセンチバブルでは生じず、マイクロバブルに特有に生じる現象である（Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn., 64, 4-10 (2010)参照）。本発明者らの検討によると、この圧壊現象は、特許文献２に記載されている0.1ｍｍ以上といった比較的粗大な気泡を分散させた冷却液では、ほとんど発生しない。
　マイクロバブルを含有する液体は、これまで食物の長期保存や水の浄化作用向上などの分野においては利用されてきたが、搬送されている高温金属の冷却には用いられていなかった。本発明者らは、気泡径が所定値以下のマイクロバブルを含有した冷却液を用いて、搬送されている高温金属を膜沸騰領域で冷却したところ、マイクロバブルを含まない従来の冷却液を用いた場合に比べて、飛躍的に冷却能力が向上することを見出した。これは、マイクロバブルの圧壊現象により蒸気膜が破壊されたためと考えられる。また、通常のミストでは冷却液量を増加させて、冷却ムラを甘受しないと達成できない冷却能力を、本発明ではマイクロバブル含有液を用いて少ない冷却液量で達成できる。そのため、冷却能力の向上のみならず、均一な冷却も可能である。
　上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は以下のとおりである。
　（１）搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする高温金属の冷却方法。
　（２）前記冷却液を液滴として噴射し、前記液滴により前記高温金属を冷却する、上記（１）に記載の高温金属の冷却方法。
　（３）前記液滴がミストである、上記（２）に記載の高温金属の冷却方法。
　（４）前記冷却液を液流として噴射して、前記液流を前記高温金属に衝突させて、前記液流により前記高温金属を冷却する、上記（１）に記載の高温金属の冷却方法。
　（５）前記マイクロバブルの平均直径が20μｍ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（６）前記マイクロバブルの平均直径が1μｍ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（７）前記マイクロバブルの平均直径が0.01μｍ以上0.2μｍ以下である、上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（８）前記高温金属が溶融金属めっき鋼帯である、上記（１）～（７）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（９）前記溶融金属めっき鋼帯が溶融亜鉛めっき鋼帯である、上記（８）に記載の高温金属の冷却方法。
　（１０）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、溶融めっき後に合金化処理された合金化溶融亜鉛めっき鋼帯である、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。
　（１１）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：1.0～10質量％、Mg：0.2～1.0質量％、及びNi：0.005～0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。
　（１２）前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：25～75質量％、及びSi：0.5～10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、上記（９）に記載の高温金属の冷却方法。
　（１３）前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を容積式ポンプにて行う、上記（１）～（１２）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（１４）前記容積式ポンプがダイヤフラムポンプである、上記（１３）に記載の高温金属の冷却方法。
　（１５）前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を、ポンプを用いずに行う、上記（１）～（１２）のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
　（１６）連続溶融亜鉛めっき設備を用いて、鋼帯を焼鈍し、その後前記鋼帯に溶融亜鉛めっきを施し、その後冷却液を微細化した液滴群を前記鋼帯に向けて噴射して前記鋼帯を冷却する溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法であって、
　前記冷却を、上記（３）に記載の高温金属の冷却方法を用いて行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
　（１７）前記冷却に先立ち、前記鋼帯に施された亜鉛めっきを加熱合金化する、上記（１６）に記載の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
　本発明の高温金属の冷却方法によれば、噴射液体による高温金属の冷却方法において、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力の十分な向上と均一な冷却を実現できる。本発明の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法によれば、美麗な表面外観を有する溶融亜鉛めっき鋼帯を製造することができる。
本発明の一実施形態で用いる連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００の模式図である。 （Ａ）は、図１に記載されたミスト冷却装置１０の部分模式図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のヘッダ１セットを抜粋した図である。 図１に記載されたミスト冷却装置１０の模式図である。 本発明の一実施形態で用いる、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態で用いる、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの他の例を示す模式図である。 冷却液による高温金属に冷却において、高温金属の表面温度と冷却能力との関係を示す概念図である。 図６の膜沸騰領域における鋼帯Ｓの冷却態様を示す図である。 冷却水中の気泡粒径と熱伝達係数との関係を示すグラフである。
　本発明の高温金属の冷却方法は、搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする。この冷却方法を用いる一実施形態として、図１～図４を参照して、溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却の例を説明する。
　本発明の一実施形態による溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法で用いる連続合金化溶融亜鉛めっき設備１００は、図１を参照して、焼鈍炉（図示せず）、溶融亜鉛めっき浴３０、シンクロール３２、サポートロール３４、ガスワイピング装置３６、合金化炉３８、ミスト冷却装置１０、走査型放射温度計４０、及びトップロール４２を有する。
　図示しない連続焼鈍炉で焼鈍された鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０に連続的に導入され、ここで鋼帯Ｓに溶融亜鉛めっきが施される。鋼帯Ｓは、溶融亜鉛めっき浴３０中のシンクロール３２によって、その進行方向が上方になる。鋼帯Ｓは、一対のサポートロール３４に導かれながら溶融亜鉛めっき浴３０の上方に引き上げられた後、ガスワイピング装置３６でめっき付着量が調整される。その後、鋼帯Ｓが合金化処理を施す鋼種の場合には、合金化炉３８で鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきが加熱合金化される。鋼帯Ｓが合金化を施さない鋼種の場合、鋼帯Ｓは合金化炉３８を通過するが、加熱はされない。その後、ミスト冷却装置１０で冷却液を微細化した液滴群を鋼帯Ｓに向けて噴射して、鋼帯Ｓを冷却する。その後、トップロール４２近傍で放射温度計４０によって鋼帯温度が測定される。
　冷却装置１０の構成を、図２（Ａ），（Ｂ）、及び図３を参照して説明する。冷却装置１０の主要部分は、ノズルヘッダ１２と、これに取り付けられたノズル１４である。ノズルヘッダは、図示されている空気ヘッダと、その内部に配置され、図示されていない水用ヘッダがある。空気用ヘッダ及び水用ヘッダのそれぞれには、所定の圧力に加圧された空気及び冷却液としての水が供給される。空気及び水はノズル１４の内部で混合され、その結果、水は微細化され、ノズル１４の開口部から液滴群が鋼帯Ｓに向けて噴霧される。図２（Ｂ）に示すように、１つのノズルヘッダ１２には、その長手方向に所定間隔で複数個のノズル１４が取り付けられている。ノズルヘッダ１２は、その長手方向が鋼帯Ｓの幅方向と一致するように設置されているため、鋼帯Ｓを幅方向にわたり冷却できる。また、図２（Ａ）に示すように、ノズルヘッダ１２は冷却設備長に応じて鋼帯Ｓの進行方向に複数個配置される。さらに、ノズルヘッダ１２は、鋼帯Ｓの両面に配置されるので、鋼帯Ｓの表面及び裏面を冷却できる。冷却液は特に限定されないが、水を主成分とするものであることが好ましく、純水であることが最も好ましい。
　幅方向のノズルピッチは、ノズル１４単独での広がり角を調査して、幅方向に均一な水量を鋼帯Ｓに噴射することができるように適宜決定することができる。また、特に図示はしないが、鋼帯Ｓの進行方向に隣接するノズル列同士で、ノズルの幅方向位置は、幅方向ノズルピッチの1/2～1/5程度ずつずらすことが望ましい。
　図３を参照して、ノズル１４から噴射されたミストは鋼帯Ｓに衝突し、蒸発するか、あるいは跳ね返って排気ダクト１６から回収される。冷却ボックス内壁やノズルヘッダ１２に接触して結露した液滴は下方に流下し、水受けパン１８で回収される。冷却ボックス最下部には、下部への水漏れを防止するためのシール装置が設けられている。シール装置としては、例えば、鋼帯表面に圧力溜まりを形成する静圧パッド２０と、鋼帯近傍で上昇流を形成するガスノズル２２などが挙げられる。ただし、シール装置はこの形態に限るものではない。
　冷却装置１０の構造は、液滴群を噴霧可能な装置であれば、上記で説明したものには限定されない。
　ここで、本実施形態では、マイクロバブルを含有した冷却液をノズルヘッダ１２に供給し、この冷却液をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯Ｓを冷却する。
　合金化溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却の場合、冷却装置１０に供される鋼帯Ｓの温度（冷却開始時の鋼帯Ｓの温度）は、溶融亜鉛の成分や合金化温度にも依存するが、一般的に340～550℃となる。そして、トップロール４２通過時の鋼帯Ｓの温度は、300℃以下であることが好ましく、150～250℃程度とすることがより好ましい。300℃を超えると、溶融亜鉛がトップロール４２に付着することで、鋼帯Ｓの表面に疵が発生して、鋼帯Ｓの表面外観が劣るおそれがあるからである。
　このような温度帯域での冷却は、既述の図６に示す膜沸騰領域での冷却を含む。この領域での冷却は、温度変化に対して冷却能力の変化が小さく、安定した熱流速が得られる状態であるため、鋼帯Ｓの冷却ムラ抑制の観点からは好ましいが、冷却能力が比較的低い点が難点である。しかしながら、本実施形態によれば、マイクロバブルを含有した冷却液をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯Ｓを冷却するため、マイクロバブルを含まない従来の冷却液を用いた場合に比べて、飛躍的に冷却能力が向上する。これは、既述のマイクロバブルの圧壊現象により、蒸気膜が破壊されたためと考えられる。また、本実施形態では、通常のミストでは冷却液量を増加させて冷却ムラを甘受しないと達成できない冷却能力を、少ない冷却液量で達成できる。そのため、遷移沸騰領域での冷却を回避することができるため、冷却能力の向上のみならず、均一な冷却も可能である。
　本実施形態は、ミストにより鋼帯Ｓを冷却するものである。ここで、本明細書において「ミスト」とは、平均液滴直径がザウター平均で200μｍ以下の液滴群を意味するものとする。ミストの平均液滴直径の下限は特に限定されないが、ミスト中にマイクロバブルを安定して含有させる観点から、ザウター平均で70μｍとすることが好ましい。ミストの直径は、液滴にレーザー光を照射して測定することができる。なお、ミストの直径は、ノズル１４の噴霧口の直径と、ノズルヘッダ１２内での液体（水）の流速とを制御することにより適宜調整することができる。
　本発明において、「マイクロバブル」とは、直径が50μｍ以下の気泡を意味し、直径がナノメートルオーダーのナノバブルとも呼ばれる気泡をも含むものである。直径50μｍを超えるような粗大な気泡を含有する冷却液では、既述の圧壊現象はほとんど生じないが、マイクロバブルを含有する冷却液では、既述の圧壊現象が生じることにより、飛躍的に冷却能力が向上する。
　マイクロバブルによる圧壊現象をより顕著に生じさせて、冷却能力をさらに向上させる観点から、マイクロバブルの平均直径は、20μｍ以下とすることが好ましく、10μｍ以下とすることがより好ましく、1μｍ以下とすることがさらに好ましく、0.2μｍ以下とすることが最も好ましい。また、マイクロバブルが小さすぎると、冷却液中での安定性はより高まるが、反面、圧壊作用が失われるため、平均直径は0.01μｍ以上とすることが好ましい。
　気泡粒径と熱伝達係数の関係を図８に示す。実験は以下の方法で行った。SUS304（板厚1.0mm×縦200mm×横200mm）の切板の中心部に熱電対を取り付け、マイクロバブル水が2L入った水槽に沈め、浸漬冷却を行った。冷却水の温度は20℃、冷却水中の気泡混合量は109個／Ｌとした。ミスト中の気泡粒径を0.01μｍ、0.1μｍ、0.2μｍ、0.5μｍ、1μｍ、2μｍ、5μｍ、10μｍ、20μｍ、30μｍ、40μｍ、50μｍの１２水準として、500℃に加熱した切板を20℃にまで冷却した。熱伝達係数は、取りつけた熱電対の温度から算出し、鋼板温度100～200℃の平均値である。図８中、破線はマイクロバブル水を含まない純水で冷却した際の熱伝達係数である。50μｍ以上では、純粋冷却よりも１割程度しか熱伝達係数が増加しないのに対し、20μｍでは２割以上熱伝達係数が増加している。1μｍ以下では、熱伝達係数は８割増加でほぼ一定値を示しているが、マイクロバブルの粒径が小さいほどマイクロバブルの浮上速度が遅くなるため、0.2μｍ以下とすることがより望ましい。
　本実施形態は、ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関するものであることから、マイクロバブルはミストに安定に保持される必要がある。そのため、本実施形態のようなミスト冷却の場合には、この観点からも、ノズルヘッダ１２に供給する冷却水におけるマイクロバブルの平均直径は、20μｍ以下とすることが好ましく、10μｍ以下とすることがより好ましく、1μｍ以下とすることがさらに好ましく、0.2μｍ以下とすることが最も好ましい。
　本発明において、「気泡の平均直径」は、冷却液を10ｍＬ採取し、粒度分布測定装置で測定し、得られた粒度分布を平均化して求めた分布のザウター平均値と定義する。気泡分布の測定法は、気泡にレーザー光を照射すると発生する回折・散乱光を測定し、その散乱光パターンから粒径を算出するレーザー回折・散乱光法を採用する。
　ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関する本実施形態において、冷却液中の気泡の混合量は、特に限定されないが、冷却能力が向上する効果を十分に得る観点から、1×108個／Ｌ以上とすることが好ましく、1×109個／Ｌ以上とすることがより好ましく、1×1011個／Ｌ以上とすることがさらに好ましい。気泡の混合量の上限は特に限定されないが、バブル生成の容易性の観点から、1×1014個／Ｌ以下とすることができる。なお、「気泡の混合量」は、上記気泡の平均直径と同様に、冷却液を10ｍＬ採取し、粒度分布測定装置で粒子数（気泡数）から測定することができる。
　マイクロバブル中の気体は、特に限定されないが、窒素、空気、酸素等、水への溶解度が小さい気体が望ましい。溶解度が小さいほど、気泡の内圧が高い状態で圧壊するため、蒸気膜を除去しやすくなり冷却能力の向上が見込まれるからである。
　ミストによる溶融金属めっき鋼帯の冷却に関する本実施形態において、鋼帯に供給する冷却液の量は、特に限定されないが、0.05～0.8Ｌ／分とすることが好ましい。0.05Ｌ／分以上とすることによって、冷却能力の向上の効果を十分に得ることができ、0.8Ｌ／分以下とすることによって、冷却ムラの抑制の効果を十分に得ることができる。なお、従来のマイクロバブルを含有しないミストを用いる場合、0.45Ｌ／分を超えると冷却ムラを抑制する効果が不十分となり、形状の変化によって蛇行が発生していたが、本実施形態のようにマイクロバブルを含有するミストを用いることによって、冷却ムラが十分に抑制される冷却水量の上限を高めることができる。
　本発明において、マイクロバブル含有液の製造方法は特に限定されず、公知又は任意のマイクロバブル生成法を用いることができる。例えば、Bull. Soc. Sea Water Sci., Jpn., 64, 4-10 (2010)に記載されている、旋回液流式、スタティックミキサー式、エジェクター式、ベンチュリー式、加圧溶解式、細孔式、回転式、超音波式、蒸気凝縮式、電気分解式などの気泡発生装置を用いることができる。
　図４を参照して、本実施形態に適用可能な、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの一例を説明する。気泡発生装置５０に連結する２系統の配管を通して、淡水及び気体を気泡発生装置５０に流入させる。気泡発生装置５０でマイクロバブル含有冷却水が生成され、これが配管を介して貯蔵タンク６０に貯蔵される。貯蔵タンク６０中の冷却水は、ポンプ６２によって各ノズルヘッダ１２に分配・供給される。
　ここで、気泡発生装置５０に流入する淡水と気体の流入量は、上記冷却水中の気泡の混合量となるように適宜決定して、バルブ５２，５６及びポンプ５４で調整すればよい。あるいは、放射温度計４０の測定値に基づいて、制御装置５８が好適な流入量を算出し、それぞれバルブ５２，５６で調整してもよい。本実施形態では、このような簡易な構成の装置でマイクロバブル含有冷却水を製造できる。
　マイクロバブルを含有させる前の冷却水を移送するポンプ５４と、マイクロバブル含有冷却水を移送するポンプ６２の型式は特に限定されず、任意の容積式ポンプ、又は非容積式ポンプを用いることができる。容積式ポンプとしては、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ等の往復動ポンプや、ギヤーポンプ、偏心ポンプ、ネジポンプ等の回転ポンプを挙げることができる。非容積式ポンプとしては、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等を挙げることができる。
　ただし、マイクロバブル含有冷却水を移送するポンプ６２は、容積式ポンプとすることが好ましい。容積式ポンプとは、一定容積の空間にある液を機械要素（ダイヤフラムポンプの場合にはダイヤフラム）の往復運動で容積変化させて、液体を移送するポンプである。この方式によれば、冷却水をかき混ぜないため、冷却水中のマイクロバブルの脱泡を防止しながら、所定の圧力で冷却水を移送することができる。そのため、より高い冷却能力を発揮することができる。容積式ポンプの中でも、ダイヤフラムポンプは最も冷却液を撹拌し難い構造なので、特に好ましい。一方、非容積式ポンプ（ターボ型ポンプ）は、羽根車をケーシング内で回転させ、液体を移送するポンプである。非容積式ポンプでは、羽根車が液体を撹拌するため、冷却水中のマイクロバブルが集合・合体し、気泡径が大きくなったマイクロバブルは脱泡しやすくなってしまう。そのため、マイクロバブルを含有した冷却水を移送する際には、容積式ポンプを用いるのが望ましい。
　次に、図５を参照して、本実施形態に適用可能な、マイクロバブル含有冷却水の製造システムの他の例を説明する。この製造システムは、気泡発生装置５０で生成されたマイクロバブル含有冷却水が、ポンプを使わずに配管を介してそのまま各ノズルヘッダ１２に分配・供給される。このような態様は、自吸式のミストノズルを使用する場合や、マイクロバブルを含有させる前の冷却水が既に0.1～0.5MPaといった所定以上の高い圧力まで昇圧されている場合に、適用可能である。本態様では、マイクロバブル含有冷却水液の移送を、ポンプを用いずに行うので、マイクロバブルの脱泡を防止できる。そのため、より高い冷却能力を発揮することができる。
　本実施形態では、冷却に先立ち、鋼帯Ｓに施された亜鉛めっきを加熱合金化して得られる合金化溶融金属めっき鋼帯の冷却について説明したが、本発明はこれに限定されず、合金化を行わない溶融亜鉛めっき鋼帯の冷却にも、同様に本発明の冷却方法を適用できる。
　また、溶融亜鉛めっき鋼帯のめっき層の組成についても、特に限定されず、例えば、Al：1.0～10質量％、Mg：0.2～1.0質量％、及びNi：0.005～0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成を有するものとすることもでき、Al：25～75質量％、及びSi：0.5～10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成を有するものとすることもできる。
　本発明の高温金属の冷却方法は、溶融亜鉛めっき鋼帯のミスト冷却のみならず、搬送されている高温金属に冷却液を供給する方式での任意の冷却に適用可能である。例えば、ミストに限定されない液滴による冷却としては、連鋳機の二次冷却や熱延コイルのコイルヤード冷却を挙げることができる。
　また、冷却液を液流として噴射して、当該液流を高温金属に衝突させて、当該液流により高温金属を冷却する方式としては、厚鋼板の調質冷却や熱延の仕上げ圧延出側のランナウトテーブルでの冷却を挙げることができる。
　なお、本発明において冷却対象となる金属体の冷却開始時の温度は、当該金属体の冷却が膜沸騰領域となる温度であれば特に限定されない。なお、膜沸騰領域となる温度は、冷却対象の金属体の表面状態（例えば粗さ）と、冷却態様（冷却液の供給方法、例えばミスト冷却、スプレー冷却、浸漬による冷却）とに依存する。
　（実施例１）
　図１～図４に示す連続合金化溶融亜鉛めっき設備を用いて、種々の条件で溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。当該設備に、板厚1.2ｍｍ×板幅1000ｍｍの焼鈍後の鋼帯を表１に示すライン速度で通板した。溶融亜鉛めっき浴に鋼帯を浸漬し、ガスワイピングで亜鉛付着量を50ｇ／ｍ2となるように調整した後、ミスト冷却装置で冷却して、表１に示す組成のめっき層の溶融亜鉛めっき鋼帯を得た。めっき浴の温度は、めっき組成に応じた適正値に調整し、表１に示した。本実施例では溶融亜鉛めっきの加熱合金化は行わなかった。排気ファンは、ダンパの連結部に一台設け、風量は3600ｍ3／hrの一定出力で運転した。
　図４に示すマイクロバブル含有冷却水の製造システムで、マイクロバブル（窒素）を含有する冷却水を生成し、これをノズルヘッダに供給した。マイクロバブル含有冷却水を貯蔵タンクからノズルヘッダに移送するポンプには、容積式ポンプの一種であるダイヤフラムポンプ（株式会社タクミナ製、APL=50）を用いた。冷却装置としては、フラットスプレー型ノズルを鋼帯幅方向に200ｍｍ間隔で９箇所に設け、ノズルヘッダは鋼帯の進行方向に40段に設けた。鋼帯の進行方向に隣接するノズル列同士で、ノズルの幅方向位置は50ｍｍずつずれるように配置した。また、ノズルと鋼帯との距離は200ｍｍとした。
　冷却水中の気泡の平均直径、冷却水中の気泡混合量、及び冷却水量は、表１に示した。なお、平均直径及び気泡混合量を測定するための冷却水サンプルは、気泡発生装置内から採取した。このようにして、冷却水をミストとして噴霧して、このミストによって鋼帯を冷却した。なお、本実施例において、ミストの平均液滴直径は100μｍとした。
　各実施例において、冷却装置の出側位置に設置した放射温度計で、鋼帯の温度を測定した。測定温度を、表１の「トップロール通過板温」に示す。また、各実施例において製造された溶融亜鉛めっき鋼帯の表面外観を評価し、結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、種々のめっき種、気泡混合量、冷却水量、及ライン速度において、マイクロバブル含有冷却水を用いた発明例では、マイクロバブルを含まない通常の冷却水を用いた比較例よりも、トップロール通過板温を低くすることができた。その結果、発明例では美麗な表面外観の溶融亜鉛めっき鋼帯を得ることができた。これに対し、比較例ではトップロール通過板温が高いため、鋼帯表面に擦り疵が発生した。特に比較例のNo.17,21では、めっき層が軟らかいため、大きな擦り傷が発生した。また、比較例のNo.5では、No.1の発明例と同等のトップロール通過板温を得るべく、No.1～4よりも冷却水量を増加させたが、冷却ムラに起因して鋼帯の蛇行が発生してしまった。
　（実施例２）
　マイクロバブル含有冷却水のノズルヘッダへの移送方式を変更した点以外は、発明例No.1と同じ条件及び方法で、発明例No.22,23として溶融亜鉛めっき鋼帯を製造した。めっき層組成及び浴温は、発明例No.1であり、Al：0.2質量％、Zn：残部の組成で、460℃とした。
　発明例No.22では、図５に示すマイクロバブル含有冷却水の製造システムを用いて、ポンプを用いずにマイクロバブル含有冷却水液を移送して、ノズルヘッダに供給した。この際、マイクロバブルを含有させる前の冷却水の圧力をNo.1の0.05MPaから0.3MPaに高圧化した。
　発明例No.23では、マイクロバブル含有冷却水を貯蔵タンクからノズルヘッダに移送するポンプとして、非容積式ポンプの一種である遠心ポンプ（株式会社荏原製作所製、200SZM）を用いた。
　本実施例では、ポンプを通過する前後において、気泡の平均直径と冷却水中の気泡混合量を測定した。ポンプ通過前の冷却水は、気泡発生装置内から採取した。ポンプ通過後の冷却水は、ノズルヘッダまでの配管にサンプリング孔を設けて、そこから採取した。また、実施例１と同様にして、トップロール通過板温、鋼帯の表面外観、及び蛇行の有無を調査した。結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、ポンプを用いない発明例No.22は、容積式ポンプを用いた発明例No.1と同様に、トップロール通過板温を十分に低くすることができ、美麗な表面外観の溶融亜鉛めっき鋼帯を得ることができた。これらの場合、ポンプ通過前後で気泡の平均直径に変化はなかった。これに対して、非容積式ポンプを用いた発明例No.23では、発明例No.1,22に比べて、トップロール通過板温が高くなった。また、ポンプ通過後の気泡直径が、ポンプ通過前よりも大きくなってしまった。
　本発明の高温金属の冷却方法によれば、噴射液体による高温金属の冷却方法において、複雑な構成の装置を用いることなく、冷却能力の十分な向上と均一な冷却を実現できる。本発明の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法によれば、美麗な表面外観を有する溶融亜鉛めっき鋼帯を製造することができる。
　１００　連続合金化溶融亜鉛めっき設備
　１０　ミスト冷却装置
　１２　ノズルヘッダ
　１４　ノズル
　１６　排気ダクト
　１８　水受けパン
　２０　静圧パッド
　２２　ガスノズル
　３０　溶融亜鉛めっき浴
　３２　シンクロール
　３４　サポートロール
　３６　ガスワイピング装置
　３８　合金化炉
　４０　放射温度計
　４２　トップロール
　５０　気泡発生装置
　５２　バルブ
　５４　ポンプ
　５６　バルブ
　５８　制御装置
　６０　貯蔵タンク
　６２　ポンプ
　Ｓ　鋼帯
　Ｌ　冷却液
　Ｍ　蒸気膜

Claims (17)

  1. 　搬送されている高温金属に向けてマイクロバブルを含有した冷却液を供給して、前記冷却液により前記高温金属を冷却することを特徴とする高温金属の冷却方法。
  2. 　前記冷却液を液滴として噴射し、前記液滴により前記高温金属を冷却する、請求項１に記載の高温金属の冷却方法。
  3. 　前記液滴がミストである、請求項２に記載の高温金属の冷却方法。
  4. 　前記冷却液を液流として噴射して、前記液流を前記高温金属に衝突させて、前記液流により前記高温金属を冷却する、請求項１に記載の高温金属の冷却方法。
  5. 　前記マイクロバブルの平均直径が20μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  6. 　前記マイクロバブルの平均直径が1μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  7. 　前記マイクロバブルの平均直径が0.01μｍ以上0.2μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  8. 　前記高温金属が溶融金属めっき鋼帯である、請求項１～７のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  9. 　前記溶融金属めっき鋼帯が溶融亜鉛めっき鋼帯である、請求項８に記載の高温金属の冷却方法。
  10. 　前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、溶融めっき後に合金化処理された合金化溶融亜鉛めっき鋼帯である、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
  11. 　前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：1.0～10質量％、Mg：0.2～1.0質量％、及びNi：0.005～0.1質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
  12. 　前記溶融亜鉛めっき鋼帯が、Al：25～75質量％、及びSi：0.5～10質量％を含有し、残部がZn及び不可避的不純物からなる組成のめっき層を有する、請求項９に記載の高温金属の冷却方法。
  13. 　前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を容積式ポンプにて行う、請求項１～１２のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  14. 　前記容積式ポンプがダイヤフラムポンプである、請求項１３に記載の高温金属の冷却方法。
  15. 　前記マイクロバブルを含有した冷却液の移送を、ポンプを用いずに行う、請求項１～１２のいずれか一項に記載の高温金属の冷却方法。
  16. 　連続溶融亜鉛めっき設備を用いて、鋼帯を焼鈍し、その後前記鋼帯に溶融亜鉛めっきを施し、その後冷却液を微細化した液滴群を前記鋼帯に向けて噴射して前記鋼帯を冷却する溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法であって、
    　前記冷却を、請求項３に記載の高温金属の冷却方法を用いて行うことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
  17. 　前記冷却に先立ち、前記鋼帯に施された亜鉛めっきを加熱合金化する、請求項１６に記載の溶融亜鉛めっき鋼帯の製造方法。
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