博 士 （ 工 学 ） 黒 部 浮
学位論文題名 ´
Transport Phenomena inaHot Dip Plating Bath
（溶融めっき浴内における移動現象）
学位論文内容の要旨
鉄 鋼 製 品 は ， 優 れ た 強 度 と 加 工 性 を 有 し て い る こ と か ら 我 々 の 身 の 回 り の 至 る 所 で 使 用 さ れ て い る 。 特 に 表 面 処 理 鋼 板 は ， 冷 延 鋼 板 や 熱 延 鋼 板 の 欠 点 で あ る 低 耐 食 性 を 種 々 の 表 面 被 覆 で 補 っ て い る こ と か ら ， 自 動 車 ， 家 電 ， 建 材 な ど の 多 く の 分 野 で 採 用 さ れ て い る 。 ま た ， 生 産 量 は 約1500万ton/年 で あ り ， そ の う ち 溶 融 め っ き 法 で 製 造 さ れ た 溶 融 亜 鉛 お よ び 溶 融 亜 鉛 合 金 め っ き 鋼 板 ， 所 謂 ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼板の生産量が最も多くなっている。
溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼 帯 を 連 続 し て 亜 鉛 あ る い は 亜 鉛 合 金 を め っ き す る 方 法 は1931 年 に ホ ° ー ラ ン ド のT.Sendzimirに よ っ て 発 明 さ れ たArmco‑Sendzimir方 式が 主 流 とな っ て い る 。 そ の 方 式 は 還 元 が ス 雰 囲 気 中 で 表 面を 活 性 化さ せ た 鋼 帯を そ の 状態 の ま ま 溶 融 め っ き 浴 中 に 浸 漬 す る 方 法 で あ り ， め っ き 浴 内 に は 鋼 帯 を 表 面 活 性 化 さ せ た ま ま溶融 めっき 浴中に浸 漬させ るためのスナウIと鋼帯の移動方向を変更させるシンクロール，
鋼帯の 形状修 正を行う サホ° ー1ロ ールが設 置され ている。 また， 亜鉛系め っき浴内 では鋼 帯 と め っ き 浴 成 分 と の 反 応 に よ ル ド ロ ス と 呼 ばれ る 金 属間 化 合 物 が生 成 さ れ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼 板 の 表 面 欠 陥 の 一 因 と な っ て い る。 そ の ため ， 溶 融 めっ き 浴 内の ド ロ ス 低 減 や1゛ ロ ス を 鋼 帯 に 近 付 け な い な ど の 表 面 欠 陥 の 防 止 方 法 が 課 題 と な って い る 。 溶 融 亜 鉛系 め っ き鋼 板 の ド ロス に よ る表 面 欠 陥の 発 生 はド ロ ス が鋼 帯 に 接触 する， つ ま ルド ロ ス が移 動 し て鋼 帯 に 近 付く こ と が原 因 で ある し ， ドロ ス の 生成 量 は めっき 成分 の 濃 度 分 布 ， っ ま り 地 金 の 溶 解 ， 拡 散 状 態 が 影 響 し て い る 。 し た が っ て ， そ れ ら 表 面 欠 陥 の 発 生 と 生 成 量 は 溶 融 め っ き 浴 内 の 流 動 状 態 に 左 右 さ れ ， そ の 流 動 状 態 は 鋼 帯の移動，シンクロールやサホ°一1ロールの回転，スナウIの存在に大きく影響されると考えられる。
溶 融 め っ き 浴 内 の 流 動 状 態 を 詳 細 に 調 査 す る に は ， め っ き 浴 内 で の 流 動 発 生 の 原 因 が主に鋼帯の移動とシンクロールの回転であると考えられることから，サホ°ー1ロールとスナウ1が 存 在 し な い 場 合 で の 基 本 的 な 移 動 現 象 を 先 ず 把 握 す る こ と が 必 要 で あ る と 考 え ら れ る。次 にサホ°ーIロールとスナウ1を設置した場合での特性を調査して，それらが移動現象に 対 し て ど の よ う に 影 響す る か を把 握 し て最 適 なI゛ ロ ス 対策 を 提 案 すべ き で ある と 考 え ら れ る 。 し か し ， こ れ ま で の 報 告 で は 詳 細 に 検 討 し た 例 が ほ と ん ど な く ， 未 解 明 な 部 分 が 多 く 残 っ て い る。 そ の ため ， 本 研究 で は ，溶 融 め っき 浴 の 流 動特 性 ，I゛ ロ ス の 挙 動特 性 ， 地金 の 溶 解特 性， 拡散特性 といっ た溶融め っき浴内 の移動 現象をレ イノル ス゛
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数相似 則を採用した水モテ゛ル装 置にて検討した。
第1章 は ， 緒 言 で あ り 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼 板 の 生 産 量 推 移 や め っ き 技 術 と 設 備 の 変遷， 本研究の背景，目的にっい て示した。
第 ゑ 章 で は ， 溶 融 め っ き 浴 内 の 基 本 的 な 流 動 特 性 を 検 討 し た 。 浴 内 の 流 れ は3次 元 的な 循 環流 であ り， ヘ゛ ル1（鋼 帯 ）と シン クロ ール の 隙間 領域 に侵 入 ，排 出す る流 れが 存 在す ること が特徴的であった。
第3章 で は ， 溶 融 め っ き 浴 内 の 基 本 的 な1゛ ロ ス の 挙 動 特 性 と し て 鋼 帯 の 移 動 速 度 の 影 響 を 検 討 し た 。 全 体 的 なI゛ ロ ス のstreak lineは 浴 内 のstream lineと ほ と ん ど 同 じ で あ り 。Iッ フ ° ド ロ ス は 浴 表 面 に ， ホ ゛1ム ド ロ ス は 浴 底 面 近 傍 に 多 く 滞留 す るこ とが 判明 し た 。ま た ，両1゛ ロス とも へ゛ ルI（鋼 帯） が 相対向す る領域に多く集まり，ヘ゛ ルI（鋼帯）移動速 度が低 いほど浮遊ドロスが少なく なる傾向であった。
第4章 で は ， 溶 融 め っ き 浴 内 の 基 本 的 なI゛ ロ ス 挙 動 特 性 に 対 す る ド ロ ス 直 径 の 影 響 を 検 討 し た 。 何 れ の 直 径 の ド ロ ス で もstreak lineは 浴 内 のstream lineと ほ と ん ど 同 じ で あり ， ヘ゛ ル1（鋼 帯） とシ ンク ロ ール との 隙間領 域に侵入するドロスの存在が 明らかになった。
こ れ に よ り ， そ の 領 域 で 鋼 帯 に ド ロ ス が 付 着 す る 可 能 性 が あ る こ と が 考 え ら れ た 。 第5章 で は ， 溶 融 め っ き 浴 の 基 本 的 な 地 金 の 拡 散 特 性 に つ い て ，dispersion pattern の 観 察 とmixing timeの 測 定 に よ っ て 明 ら か に し た 。dispersion patternは 浴 内 の flow patternと ほ と ん ど 同 じ で あ り ，mixing timeは 浴 内 で 分 布 を 持 っ こ と が 判 明 し た 。mixing timeの 不 均 一 性 は へ ゛ ルI（ 鋼 帯 ） が 浴 内か ら排 出す るexit領域 やへ ゛ル1（ 鋼帯 ） が 相 対 向 す る 領 域 に1レ ー サ ー （ 地 金 ） を 投 入 す る と 小 さ く な り ， そ れ に よ っ て 地 金 を 迅 速 に拡散 させることが可能であると 考えられた。
第6章 で は ， 溶 融 め っ き 浴 の 地 金 の 溶 解 特 性 を 地 金 の モ テ ゛ ル で あ る 氷 塊 を 用 い て 検 討 し ， 地 金 全 体 の 平 均 熱 伝 達 率 の 実 験 式 化 を 試 み た 。 レ イ ノ ル ス ゛ 数 が500以 下 の 場 合 ， 氷 塊 全 体 の 平 均 熱 伝 達 率 はWhitakerの 実 験 式 で ほ ぼ 整 理 で き る こ と が 分 か っ た 。 ま た ， レ イ ノ ル ス ゛ 数 が500を 超 え る よ う な 場 合 は ， 乱 れ 強 さ を 考 慮 し た 実 験 式 で 整 理 で きると 考えられた。
第7章 で は ， ス ナ ウ1と サ ホ ゜ ―Iロ ー ル を 設 置 して 溶融 めっ き 浴の 流動 特性 ， ドロ スの 挙動 特 性 ， 地 金 の 拡 散 特 性 に っ い て 検 討 し ， 各 々 の 基 本 的 な 特 性 と 比 較 し た 。 何 れ の 特 性 も ス ナ ウ1と サ ホ ゜ ーIロ ー ル を 設 置 し な い 基 本 的 な 特 性 と ほ と ん ど 同 じ であ っ た。 全体 的に 溶 融めっ き浴内の移動現象に対する スナウ1とサホ゜ーIロールの影響は小さく，スナウIとサホ°ーIロール を 設 置 し な い 基 本 的 な 特 性 か ら 定 性 的 な 溶 融 め っ き 浴 内 の 移 動 現 象 が 把 握 で き る と 考えら れた。
第8章 で は ， 本 研 究 結 果 の 総 括 を 示 す と と も に ， 本 研 究 の 結 果 よ り 考 案 し た 特 許 の概要 にっいて説明した。
学位論文審査の要旨
学位論文題名
Transport Phenomena inaHot Dip Plating Bath （ 溶 融 め っ き 浴 内 に お け る 移 動 現 象 ）
表 面 処 理 鋼 板 は ， 冷 延 鋼 板 や 熱 延 鋼 板 の 欠 点 で あ る 低耐 食性 を種 々の 表 面被 覆で 補っ て い る こ と か ら 自 動 車 ， 家 電 ， 建 材 な ど の 多 く の 分 野 で 採用 され てお り， 溶 融亜 鉛系 めっ き 鋼 板の 生産 量が 最 も多 くな って いる 。 溶融 亜鉛 系めっき鋼帯の連続生産に は還元カ゛ス雰囲気 中 で 表 面 を 活 性 化 さ せ た 鋼 帯 を そ の 状 態 の ま ま 溶 融 亜 鉛系 めっ き浴 中に 浸 涜す る方 法が 用 い ら れて おり ，溶 融 亜鉛 系め っき 浴内 で は鋼 帯と めっ き 浴成 分と の反 応に よ ルド ロス と呼 ば れ る 金 属 間 化 合 物 が 生 成 さ れ ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼 板 の表 面欠 陥の 一因 と なっ てい る。 そ のため，溶融 亜鉛系めっき浴内のI゛ロス 低減やI゛ロスを鋼帯に近付 けないなどの表面欠陥の防 止 方法 が課 題と な って いる 。本 研究 は ，I゛ ロ ス付 着に よる 溶融 亜 鉛系め っき鋼板の表面欠陥 の 防止 を目 的に 実 施し たも ので ある 。 溶融 亜鉛 系め っき 鋼 板のI゛ ロスに よる表面欠陥の発生 はI゛ロスが移 動して鋼帯に付着すること が原因であるし，I゛ロスの 生成量は地金の溶解，拡散 状 態 が 寄 与 す る め っ き 成 分 の 濃 度 分 布 が 影 響 し て い る 。し たが って ，そ れ ら表 面欠 陥の 発 生 と 生 成 量 に は 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 浴 内 の 流 動 状 態 が 影 響し てい るが ，溶 融 亜鉛 系め っき 浴 は600℃ 以 上の 高温 下に あり 流 動状 態の 可視 化 が非 常に 困難 であ る ことか ら水モテ゛ル実験に 頼 らざ るを 得な い 。本 研究 でも 水モ テ ゛ル 装置 を用いて，溶融亜鉛系めっ き浴内の流動特性，
I゛ ロ ス 移 動 特 性 ， 地 金 の 溶 解 特 性 ， 拡 散 特 性 に つ い て 多 く の 有 用 な 知 見 を 得 て い る 。 本論文は8章 から構成されており，その 概略は以下の通りである。
第1章 は 緒 言 で あ り ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 鋼 板 の 生 産 量 推 移 や め っ き 技 術 と 設 備の 変遷 ， 本研究の背景 ，目的を明らかにした。
第2章では， 溶融亜鉛系めっき浴内の流動特性のうち，スナウI，サホ゜ーIロールを設置しない基 本的な流動特性を検討しており，浴内の流れは3次元的な循環流でありへ゛ルI（鋼帯）とシンクロー ル の隙 間領 域に 侵 入， 排出 する 流れ が 存在 する ことが特徴的であることを 明らかにしている。
第3章で は ，溶 融亜 鉛系 め っき 浴内 の基 本的 なI゛ロ ス の挙 動特 性と して 鋼 帯の 移動 速度 の 影 響 を 検 討 し て い る 。 全 体 的なI゛ロ ス のstreak lineは 浴内 のstream lineとほ とん ど同 じ ―110一
学 宜
行 明
邦 昌
英
口 井
藤 橋
井 石
工 高
授 授
授 授
教 教
教 教
査 査
査 査
主 副
副 副
であり ，1ッ7゜1゛ ロス は浴表 面に， ホ゛1ム1゛ロ スは浴 底面近 傍に 多く滞留することを見出している。
また， 両I゛ロス ともへ ゛ル1（鋼 帯） が相対 向する 領域に 多く集 まり ，へ゛ル1（鋼帯）移動速度が低い ほど浮 遊1゛ロス が少な くな る傾向 となる ことを 把握し てい る。
第4章 で は ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 浴 内 の 基 本 的 なI゛ ロ ス 挙 動 特性 に 対 す るI゛ ロ ス 直 径 の 影響 を 検討し ている 。こ こでの1゛ ロスの モテ゛ ル化は ，I゛ロスのモテ゛ルである粒子の寸法や密度を変更する の で は な く ， 流 体 側 の 密 度 を 変 更 す る 手 法 で 行 っ て い る 。 そ の 手 法 は 本 検 討 の 特 徴 で あ り ， 様々 な モ テ ゛ ル 実験 に 応 用 す るこ と が で き る。I゛ ロ ス の挙 動特 性とし ては， 何れの 直径の ドロ スで もstreak lineは 浴 内 のstream lineと ほ と ん ど 同じ で あ り ，ヘ゛ ル1（鋼帯 ）とシ ンクロ ール との隙 間 領 域 に 侵 入 す る1゛ ロ ス の 存 在 が 認 めら れ る 。 こ れ によ り ， そ の 領域 で 鋼 帯 に1゛ ロ ス が 付 着す る可能 性があ るこ と示唆 してい る。
第5章 で は ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 浴 の 基 本 的 な 地 金 の 拡 散 特 性 に つ い て ，dispersion patternの 観 察 とmixing timeの 測 定 に よ っ て 明 ら か に し て い る 。dispersion patternは 浴 内 のflow patternと ほ と ん ど 同 じ で あ り ，mixing timeは 浴 内 で 分 布 を 持 っ こ と が 判 明 して い る 。mixing timeの 不均 ―性は へ゛ルI（ 鋼帯） が浴内 から 排出す るexit領 域やへ ゛ル1（鋼 帯）
が 相 対 向 す る 領域 にIレ ー サー （ 地 金 ） を 投入 す る と 小 さく な る た め ，投 入 位 置 変 更に よ る 地 金 拡 散の迅 速化方 法を 提案し ている 。
第6章 で は ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 浴 の 地 金 の 溶 解 特 性 を 地 金 の モ テ ゛ ル で あ る 氷 塊 を 用 い て 検 討 し ， 地 金 全 体 の 平 均 熱 伝 達 率 の 実 験 式 化 を 試 み て い る。 レ イ ノ ル ス゛ 数 が500以 下 の 場 合 ，氷 塊 全 体 の 平 均 熱 伝 達 率 はWhitakerの 実 験 式 で ほ ぼ 整 理 で き る こ と を 明 ら か に し て い る 。 ま た ， レ イ ノ ル ス ゛ 数 が500を 超 え る よ う な 場 合 は ， 乱 れ 強 さ を 考 慮し た 実 験 式 で整 理 で き る こと を示唆 してい る。
第7章では ，スナ ウ1とサホ ゜ーIロー ルを 設置し て溶融 亜鉛系 めっ き浴の 流動特 性，I゛ロ スの挙動特 性 ， 地 金 の 拡 散 特 性 に つ い て 検 討 し ， 各 々 の 基 本 的 な 特 性 と 比 較 し て い る 。 何 れ の 特 性 も スナ ウIと サ ホ゜ ー1ロ ー ルを 設 置 し ない基 本的な 特性と ほと んど同 じであ ること を把 握して いる。 全 体的に 溶融亜 鉛系 めっき 浴吋の 移動現 象に対 する スナウ1と サホ゜ ー1ロールの影響は小さく，スナウ1と サ ホ ゜ ーIロ ール を 設 置 し ない 基 本 的 な 特 性か ら 定 性 的 な溶 融 亜 鉛 系 めっ き 浴 内 の 移動 現 象 が 把 握 できる という 指針 を与え ている 。
第8章 で は ， 結 言 と し て 本 研 究 結 果 の 総 括 を 示 す と と も に ， ． 本 研 究 の 結 果 よ り 考 案 し た 特許の 概要に つい て説明 してい る。
こ れ を 要 す る に 著 者 は ， 溶 融 亜 鉛 系 め っ き 浴 内 のI゛ ロ ス 欠 陥 防 止 に 対 し て 有 効 な 対 策 を 提 案 す る と と も に ， 移 動 現 象 に つ い て 有 用 な 知 見 を 得 て お り ， 溶 融 め っ き 分 野 に 対 し て 貢 献 す る と こ ろ 大 な る も の が あ る 。 よ っ て 著 者 は 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資格あ るもの と認 める。
以上
