KR100243748B1 - 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법 - Google Patents

냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법에 관한 것으로, 특히 강판모재의 표면처리, 에나멜 코팅액(slip)의 화학성분과 유변학적 특성, 코팅방법, 건조 및 소성공정의 개선으로, 에나멜층의 밀도와 냉연강판-에나멜 계면 밀착성을 높이고, 열팽창계수 차이와 에나멜층 내부의 잔류응력을 최소화 하여 내산부식성, 계면밀착성, 내마모성 및 내열충격성이 향상된 평판(plate)형 또는 물결(crimped, waved, notched, undulated)모양의 표면을 가지는 에나멜 열소자를 제조할 수 있으며, 아울러 내구성과 경제성이 우수하여 공기예열기와 배연가스 가열기의 열소자로 사용할 수 있는 등의 효과가 있다.

Description

냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법
본 발명은 에나멜층을 코팅하는 방법에 관한 것으로, 특히 0.6~0.8mm 두께의 얇은 냉연강판 소재의 표면에 밀도가 높고 내산부식성, 내열충격성, 내마모성이 우수한 에나멜 재료와 상기 에나멜 재료를 코팅할 수 있도록 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법에 관한 것이다.
주지하다시피, 석탄과 중유를 주연료로 사용하는 화력발전소의 배연가스는 일반적으로 섭씨온도 350℃ 이상으로 배기온도가 높을 뿐만아니라, 부식과 침식성이 강한 각종 알카리성 금속산화물, 오산화바나듐(V2O5), 질소산화물, 유황산화물 및 살충제로 주로쓰는 비산재를 함유하고 있다.
종래에 사용되어온 열소자는 일반적으로 에나멜이 얇게 코팅된 강판이지만, 에나멜층의 기공도(porosity)가 높고 강판-에나멜층의 계면접착력이 약하여, 공기예열기와 배연가스가열기와 같은 열악한 조건에서 내산부식성, 내열충격성 및 내마모성이 떨어지는 결점 때문에 열소자를 자주 교체해 주어야 하는 등의 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 종래의 에나멜이 얇게 코팅된 강판 소재의 표면처리, 코팅액(Slip)의 화학성분과 유변학적 특성, 코팅방법, 건조 및 소성공정의 개선으로, 에나멜층의 밀도와 냉연강판 모재-에나멜층 계면의 밀착성을 높이고, 열팽창계수 차이와 에나멜층 내부의 잔류열응력을 최소화하여 내산부식성, 계면밀착성, 내마모성 및 내열충격성이 향상된 에나멜열소자를 제조하는 공정기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법은, 강판모재의 표면처리, 에나멜 코팅액(slip)의 화학성분과 유변학적 특성, 코팅방법, 건조 및 소성공정의 개선으로, 에나멜층의 밀도와 냉연강판-에나멜 계면밀착성을 높이고, 열팽창계수 차이와 에나멜층 내부의 잔류응력을 최소화 하여 내산부식성, 계면밀착성, 내마모성 및 내열충격성이 향상된 평판(plate)형 또는 물결(crimped, waved, notched, undulated)모양의 표면을 가지는 에나멜 열소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 에나멜열소자가 채워진 화력발전소의 공기예열기와 배연탈황설비 가스가열기의 개략도를 나타낸 사시도,
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층이 코팅된 열소자의 종단면도,
제3도는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재의 표면처리 공정도,
제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 유약분쇄와 에나멜 코팅액 제조 공정도,
제5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 에나멜 코팅 공정도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 에나멜열 소자 20 : 배연가스
30 : 유입공기 40 : 냉연강판 소재
50 : 표면처리 계면코팅 60 : 에나멜층
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에나멜열소자가 채워진 화력발전소의 공기예열기와 배연탈황설비의 가스가열기 개략도를 나타낸 사시도로서, 도시한 바와 같이, 보일러 배연가스(20)의 현열을 이용하여 각각 연소공기와 탈황처리된 배연가스(20)를 가열하는 폐열 회수 설비이다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층이 코팅된 열소자의 종단면도로서, 냉연강판 소재(40)는 소성후 내부조직의 변화와 변형이 적어야 하고, 소성후 강도가 일반철판보다 높아야 하며, 원하는 코팅밀착지수를 얻기 위하여 소성처리 온도범위와 밀착지수가 높아야 하기 때문에 사용하는 금속모재는 표 1에 도시된 바와 같은 화학성분과 기계적성질을 가지고 있는 에나멜 코팅용 냉연박판(cold-rolled steel sheet)을 사용하는 것으로 본 실시예를 구성한다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재의 표면처리 공정도를 나타낸 것으로서, 에나멜 코팅공정에서 금속모재의 표면에 묻어있는 기름, 때, 녹 등을 제거하기 위하여 산/알카리용액 전처리와 에나멜-금속모재 계면밀착성을 좋게하기 위하여, 섭씨온도 70~75℃에서 묽은 농도 7.5~15.0g/ℓ의 황산니켈용액을 사용하여 산성(pH=2-4) 분위기에서 표면처리한다. 이때 제곱미터(m2)당 적어도 0.45~1.3g 정도의 니켈(Ni)이 금속모재의 표면에 부착되도록 하는 것으로 본 실시예를 구성한다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유약분쇄와 에나멜 코팅액 제조 공정도를 나타낸 것으로, 에나멜 코팅액의 원료인 유약(frit)의 주요성분은 알카리성 붕소규산염유리이나, 실제로 유약제조는 원료의 선택, 혼합, 용해과정(섭씨온도 약 1,200도)을 거쳐 균일한 유리질 용융액을 만든후, 냉각수조 속으로 부어넣어 얇은 결정체로 응결시키지만 분쇄과정에서 쉽게 부스러지기 때문에 각종 금속산화물과 첨가제를 포함하는 다상현탁액(多相懸濁液 : multiphase suspension)을 사용한다.
이로인해 에나멜-금속모재 계면밀착성을 좋게하고, 필요한 여러 가지 물리적 성질들을 갖는 에나멜코팅을 제조할 목적으로 다음과 같은 금속산화물을 적절하게 혼합한다.
1) 망상조직 형성 및 기공발생 억제 : 실리카(SiO2), 붕사(B2O3), 오산화인(P2O5)등
2) 물리적 성질 조절 : 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화리튬(Li2O), 산화칼슘(CaO), 산화바륨(BaO), 산화스트론튬(SrO)등
3) 계면밀착성 향상 및 색깔 : 산화코발트(CoO), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화망간(MnO), 산화철(Fe2O3)등
그리고 기타 첨가제로서 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화아연(ZnO), 산화티탄(TiO2), 산화안티몬(Sb2O3), 불소화합물 등을 배합한다.
상기 산화알루미늄(Al2O3)은 내열성을 좋게하며, 산화티탄(TiO2)은 은폐력을 높이고, 붕사(B2O3), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화칼슘(CaO), 산화바륨(BaO)등은 분산제 역할을 하며, 또한 산화코발트(CoO), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화망간(MnO)등은 에나멜의 계면밀착성을 높이는 성분으로 본 실시예를 구성한다.
또한, 에나멜 코팅액 제조시 고려해야 할 다른 중요한 인자는 유약의 성분물질 각각의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)이며, 동일 온도범위에서 금속모재의 열팽창계수는 에나멜층과 비교하여 그 변화가 크다.
따라서, 열팽창계수의 상대적 차이는 에나멜 코팅층의 열적안정성(thermal fit)과 반복되는 냉각-가열과정의 온도변화에 따라 에나멜층에 발생하는 인장-압축 잔류응력(residual tension-compression) 크기와 직접적인 관계가 있다.
에나멜과 세라믹스와 같은 유리질 재료의 인장강도는 보통 70 MPa(10,000psi)인데 비하여, 그 압축강도는 약 2,070 MPa(300,000 psi)이기 때문에 에나멜 코팅층의 잔류압축응력은 바람직한 현상이지만, 그 값이 너무 클 경우에는 굴곡반경이 적은 제품표면의 에나멜 코팅층은 쉽게 파손될 수 있다.
일반적으로 에나멜코팅의 파손현상은 인장강도가 한계치 이상일 때 발생한다. 즉, 에나멜 코팅층의 인장강도는 생성된 잔류압축응력 만큼 증가할 수 있으나, 에나멜의 고유 인장강도값을 초과하게 되면 냉각과정에서 발생하는 잔금(crazing) 현상과 가열과정의 머리털(hairlining) 파손현상이 반복되는 냉각-가열사이클에서 더욱 증폭되며, 금속모재와 에나멜 코팅층의 선팽창계수는 표 2와 같이 나타낼수 있으며, 에나멜 원료 산화물의 열팽창계수 인자는 표 3과 같이 나타낼 수 있다.
실리카(SiO2)는 에나멜의 열팽창계수를 감소시키며 반면에 알카리와 알카리토류 산화물은 열팽창계수를 증가시킨다. 잔류압축응력을 높이기 위해 열팽창계수와 탄성율이 큰 금속모재를 사용하며, 열팽창계수가 크지않은 산화물을 첨가하여 에나멜 코팅층 두께를 얇게 설계한다.
또한, 잔류열응력은 일반적으로 다음의 항목들을 고려하면 그 조절이 가능하다.
가) 냉각속도(cooling rate),
나) 에나멜 코팅액의 유변학적 특성(rheological flow characteristics),
다) 에나멜 코팅층과 금속모재의 상대적인 두께(relative thickness),
라) 에나멜 코팅층과 금속모재의 탄성율(modulus of elasticity)
에나멜 코팅층의 건조 및 소성공정중 금속모재의 표면에서 CO2, H2, H2O 등의 가스가 발생할 수 있으며, 이러한 기체들은 기공(pinhole)을 형성하여 에나멜층의 미세구조와 성능에 영향을 미치기 때문에 기포발생과 에나멜층 두께 조절은 중요하다.
또한, 본 발명에서는 유약 제조공정에서 붕사(borax)를 약 10~15% 배합하여 용융점과 표면장력을 낮추는데, 이것은 건조-소성과정에서 수소와 탄산가스와 같은 기체가 강판모재 표면으로부터 발생하더라도 쉽게 방출되도록 하여 기공형성을 최대한 줄일 수 있는 방법이다.
소성공정은 보통 예열-소성-냉각 순서로 진행되는데, 예열과 냉각속도를 천천히 하는 것도 기공발생을 줄이는데 효과적이며, 냉각과정에서는 수냉법에 의한 급냉식보다 냉각속도가 완만한 공기냉각법을 사용한다.
[실시예]
이하, 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 내산부식성, 내열충격성, 내마모성 에나멜열소자를 제조하기 위해서 극저탄소강 재질의 냉연강판을 금속모재로 사용하고, 열소자의 전열 면적을 크게 하기 위하여 모재강판 표면을 파도형(crimped/notched)으로 가공 절단하여, 평판(flat)형 열소자 모재강판과 함께 도 3에 도시된 바와 같이 표면처리를 한다.
유약의 배합, 분쇄 및 코팅액(slip)의 제조와 에나멜 코팅은 각각 도 4와 도 5에 따라 실행하고, 금속모재-에나멜층의 계면밀착성을 좋게하기 위하여 바탕코팅층(base coat)은 실리카(30~60%), 붕사(10~35%), 알카리성 금속산화물(15~25%), 그리고 첨가제들을 배합하여 제조한다. 이때 사용된 첨가제들은 계면밀착성과 내산 부식성을 향상시키며 표면장력과 용융점 등을 조절한다.
또한, 겉에나멜층(cover coat)의 산화물 분석결과는 다음과 같은 무게백분율 조성을 갖는다.
SiO250~55 LiO 2.5~5.0
K2O 8.0~10 TiO25.0~10
Na2O 6.0~10 Al2O33.0~5.0
B2O37.5~10 NiO 1.5~5.0
CaO 4.5~5.0 MnO 1.5~5.0
BaO 3.8~4.0 CuO 1.5~5.0
에나멜 코팅액의 유변학적인 성질중, 특히 표면장력과 점성도는 담금(dipping), 건조 및 소성공정을 통하여 에나멜층의 두께 조절과 기포발생에 의한 기공형성 억제등에 중요한 변수로 작용하고, 수용성 유기고분자물질, 분산매(dispersing agent), 아초산소다(NaNO2)와 같은 소량의 첨가제를 가하여, 코팅액의 점도와 표면장력, 수소이온농도(pH) 및 분산입자 표면의 전기화학적 특성등을 개선하여 금속모재의 표면은 물론 모서리에 부착된 에나멜층의 두께를 조절할 수 있다.
에나멜코팅의 두께, 기공도, 내산부식성, 계면밀착성 및 내열충격성의 측정 결과는 표 4에 도시된 바와 같이 나타내며, 관련 국제규격을 만족하고 상기와 같이 제조된 에나멜열소자는 내구성과 경제성이 우수하여 공기예열기와 배연가스 가열기의 열소자로서 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형실시할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법은, 소재의 표면처리, 코팅액의 화학적 성분과 유변학적 특성, 코팅방법, 건조 및 소성공정을 개선함으로써, 에나멜층의 밀도와 냉연강판 모재-에나멜층 계면의 밀착성을 높이고 열팽창계수 차이와 에나멜층 내부의 잔류열응력을 최소화하여 내산부식성, 계면밀착성, 내마모성 및 내열충격성이 향상된 에나멜열소자를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 아울러 내구성과 경제성이 우수하여 공기예열기와 배연가스 가열기의 열소자로 사용할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 강판모재의 표면처리, 에나멜 코팅액(slip)의 화학성분과 유변학적 특성, 코팅방법, 건조 및 소성공정의 개선으로, 에나멜층의 밀도와 냉연강판-에나멜 계면 밀착성을 높이고, 열팽창계수 차이와 에나멜층 내부의 잔류응력을 최소화 하여 내산부식성, 계면밀착성, 내마모성 및 내열충격성이 향상된 평판(plate)형 또는 물결(crimped, waved, notched, undulated)모양의 표면을 가지는 에나멜 열소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉연강판은 섭씨온도 70~75도에서 묽은농도 7.5~1.5g/ℓ의 황산니켈(NiSO4)용액을 사용하여, 산성(pH=2~4)조건에서 5~10분간의 표면처리 반응으로 처리하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에나멜층의 두께, 기공도, 내부식성, 밀착성 및 내열충격성 등을 개선하기 위하여, 에나멜 산화물(NiO, CuO, MnO, Na2O, B2O3, SiO2등), 수용성 고분자물질, 분산제(dispersant), 아초산소다(NaNO2)와 같은 첨가제를 소량 가하여, 코팅액의 점도와 표면장력, 수소이온농도(pH) 및 분산입자 표면의 전기화학적 특성 등이 개선된 에나멜 코팅액을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에나멜층 코팅공정에서, 200℃에서 10분간(2회)의 건조와 850~900℃에서 각각 5~10분간 두차례 실시하는 소성과정으로써 에나멜열소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에나멜 코팅공정에서 1종 이상의 첨가제를 배합하여 에나멜 코팅액(slip)의 점도와 표면장력 등을 조절하고, 에나멜의 용융점을 낮추어 건조 및 소성온도에서 기공발생 억제와 금속모재 모서리 부분에 충분한 두께의 에나멜층을 부착하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에나멜 코팅액(slip) 제조에서, 바탕에나멜과 겉에나멜 코팅층의 열팽창계수를 금속모재의 열팽창계수와 비슷하게 조절하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에나멜 코팅액(slip) 제조에서, 산화니켈(NiO) 산화망간(MnO) 및 산화구리(CuO)를 각각 1.5~5.0% 첨가하여, 계면접착성이 높은 에나멜 코팅액을 제조하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 에나멜층의 계면밀착성, 기공도, 내산부식성 및 내열충격성을 측정할 수 있는 에나멜의 성능시험법을 에나멜열소자에 적용하여 그 품질을 관리하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속모재-에나멜 계면접착성 시험방법 즉, 75.5cm 높이에서, 금속추(무게 : 1kg, 최대충격직경 : 2.5cm)를 자유낙하 시킨후 떨어지지 않고 남아있는 에나멜층의 잔류부착율(%)을 측정하는 것을 특징으로 하는 냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법.
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