KR100428846B1 - 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열연 또는 냉연공정에서 강판표면에 고자기장의 자력선을 가하여 강판과 미세철계 입자간에 유도되는 자장력의 차이를 조절함으로써 강판의 표면에 부착되어 표면 결함을 유발하는 유해한 미세철계 입자를 효율적으로 제거할 수 있게한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치에 관한 것으로,

즉, 구동력이 전달되는 샤프트에 원판형으로 된 다수의 드럼과 동일크기의 원판형홀더를 각각 순차적으로 설치하되 이 원판형홀더의 소정구간에 자기장을 발생시키는 영구자석과 이 영구자석 사이에 체결되어 자기회로의 구성 및 자기장 집속후 강판표면에 자기장을 가하는 고투자율 재질의 금속편이 부설되고, 상기 원판형홀더의 외측에는 이를 둘러싸면서 드럼과 별도로 그 주위에서 회전운동을 하는 비자성체의 회전드럼이 설치되며, 이 회전드럼의 일측에 스프라켓을 통하여 회전력을 전달하는 구동모터가 설치되어 있고, 상기 비자성체의 회전드럼의 하부에는 자기장에 의해 강판으로부터 분리된 미세철계 입자를 수거하여 보관하는 수거기가 설치되어 있으며, 상기 회전드럼을 포함한 장치의 양단을 지지하는 부위에는 작업공정의 필요에 의해 강판면을 기준으로 전, 후로 이동시키기 위한 실린더가 설치된 구성을 특징으로 한다.

Description

고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치{High efficient magnetic separator for removing fine iron-particles on the plates and sheets}

본 발명은 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치, 보다 상세하게는 열연 또는 냉연공정에서 강판표면에 고자기장의 자력선을 가하여 강판과 미세철계 입자간에 유도되는 자장력의 차이를 조절함으로써 강판의 표면에 부착되어 표면 결함을 유발하는 유해한 미세철계 입자를 효율적으로 제거할 수 있게한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로,열연공장에서 강판의 부가가치를 상승시키기 위해서 강판 표면의 산화물을 산세하고, 린스를 한 다음, 강판 표면을 기름으로 바르는 POL(Pickling and Oiling Line)공정에서강판 맞대기 용접을 한 후 표면으로 형성된 용접부 비드(bead)를 제거할 때 발생되는 메탈칩(metal chip)이 비산되어 강판의 표면에 잔류될 경우 강판의 이송도중 각종 롤과 접촉되면서 그 표면 결함을 유발하였고, 또한 열연 공정중 고온에서 가열된 강재가 열간 압연된 후 냉각과정에서 발생되는 강판표면의 산화층이 이송도중 롤의 접촉부하를 받게되어 크랙(crack)이 유발되면서 롤에 잔류될 경우 연속적으로 강판표면에 결함이 유발되었다.

자력선별기술(magnetic separation)이 필요한 분야는 다양하다.

그 첫째로는 비전도성과 전도성 금속입자의 혼합물질에서 전도성 금속입자를 제거하는 분야, 둘째로는 전도성 금속입자가 포함된 공업폐수 또는 그 폐기물(sludge)에서 전도성 금속입자를 걸러주는 분야, 셋째, 대기오염을 방지하기 위해 공장 폐수 중에 함유된 금속입자를 걸러주는 분야 등 많은 경우가 있다.

상기 첫째 분야에 대한 경우는 전자석 또는 영구자석을 혼합물질이 지나가는 통로에 설치함으로써 이에 전도성 금속입자를 쉽게 분리되게 한 것이 일반적이며,최근의 선진기술로는 와전류(eddycurrent)를 이용한 선별기에 관한 것이다(미국특허 제5,080,234호 Jan.14.1992, 미국특허 제5,064,075호 Nov.12.1991).

그리고 두번째 분야는 전통적으로 많이 쓰이는 방식으로서 주로 공장폐수를 분리처리하여 용수의 재활용 또는 환경개선을 위해 중금속 또는 오염물질을 제거하는 것이다(미국특허 제5,221,323호 Jan.22,1993, 일본특허 소52-120547호 Oct.10.1997)

상기 세번째 분야는 최근에는 공장에서 발생되는 분진으로 인한 환경보호를 위하여 필수적으로 행하는 절차로서 자장중에 입자들이 통과하는 과정에서 투자율이 큰 그물을 네트형식으로 설치하여 자성 입자들을 효과적으로 그물에 걸려지게 필터역활을 하는 기술이다(미국특허 제4,016,071호 Apr.5,1997, 미국특허 제4,780,634호 Oct.25,1988).

한편, 본 발명자는 강판의 압연과정에서 발생하는 산화피막이 롤을 통과할 때 크랙된 후 비산되면서 롤에 붙게되고 이에 의해 강판의 이송도중 계속하여 결함이 유발되는 현상을 발견하여, 미립자를 자기선별기를 이용하여 제거하는 장치를 개발후 국내에 특허출원한 바 있다(97-71677, 97-72369).

그러나 미세철계 입자가 부착되어 이송되는 강판의 진동이 매우 큰 경우에는 자기선별기를 강판에 근접하여 설치하기 곤란하였고, 만약 기존에 설치된 위치를 기준으로 강판과의 거리를 1cm정도만 더 늘여 설치할 경우에는 자기장의 세기가 거리의 제곱에 반비례하면서 급격히 저하되어 그 성능이 저하되는 특징을 가지므로 원거리에서도 강력한 자기장을 부하할 수 있는 장치개발이 필요한 실정이었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 미세철계 입자를 제거할 때 발생되는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 고투자율의 재질에 자기장을 집속시킨 후 목적하는 위치에서 강력한 자기장을 가하여 미세철계 입자를 제거할 수 있는 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 희토류 영구자석의 형상과 치수 결정 그리고 자극의 배치방법, 고투자율 재질 선정 및 형상 그리고 치수, 고투자율의 재질사이에 영구자석을 삽입하여 원판형 드럼에 고정시키는 조립기술, 비자성체의 회전 드럼케이스가 영구자석과 고투자율 재질을 고정하고 있는 원판형 드럼과 독립적으로 회전하도록 하는 결합기술, 강판으로부터 분리된 미세철계 입자를 수거통에 수집하기 위한 자기장 부하영역과 자기장이 수거통에 미치지 않는 영역을 구분하고 회전 드럼케이스의 회전속도를 조절하는 기술, 공정의 상황에 따라 자기선별기가 강판으로부터 자동으로 전,후로 이동하게 하는 기술로 이루어짐을 특징으로 한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 미세철계 입자 제거장치의 정면과 그 측면구성도,

도 2a 내지 2d는 본 발명의 미세철계 입자 제거장치의 각부를 발췌하여 나타낸 측면구성도,

도 3a 내지 3d는 본 발명의 영구자석의 자화방향에 따른 조합방법과 고투자율 재질의 금속편을 삽입한 상태 구성도,

도 4는 본 발명의 장치에 구비된 샤프트을 발췌한 정면구성도,

도 5는 본 발명의 미세철계 입자를 분리시켜 수거하는 상태 예시도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 샤프트 20 : 드럼

30 : 원판형홀더 31 : 영구자석

32 : 금속편 40 : 회전드럼

44 : 걸림돌기 50 : 구동모터

51 : 스프라켓 60 : 수거기

70 : 실린더

이하, 본 발명의 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 미세철계 입자 제거장치의 정면과 그 측면구성도이고, 도 2a 내지 도 2d는 상기 장치의 각부를 발췌하여 나타낸 측면구성도로서, 샤프트(10)에 원판형으로 된 다수의 드럼(20)과 이의 사이에 동일크기의 외주면을 형성하는 원판형홀더(30)가 각각 위치하게 설치되어 있되 원판형홀더(30)의 소정구간에는 자기장을 발생시키는 영구자석(31)과 이 영구자석 사이에 체결되어 자기회로의 구성 및 자기장 집속 후 강판표면에 자기장을 가하는 고투자율 재질의 금속편(32)이 부설되어 있다.

상기 원판형으로 된 각 드럼(20)의 사이에서 동일 외주면을 형성하는 원판형홀더(30)의 외측에는 이를둘러싸면서드럼과 독립된 채 그 주위에서 회전운동을 하는 비자성체의 회전드럼(40)이 설치되어 있고, 이 회전드럼(40)의 일측에 스프라켓(51)을 통하여 회전력을 전달하는 구동모터(50)가 설치되어 있다.

상기 비자성체의 회전드럼(40)의 하부에는 자기장에 의해 롤로부터 분리된 미세철계 입자를 수거하여 보관하는 수거기(60)가 설치되고, 상기 회전드럼을 포함한 장치의 양단을 지지하는 부위에는 작업공정의 필요에 의해 강판면을 기준으로 전, 후로 이동시키기 위한 실린더(70)가 설치되어 있다.

본 발명에 있어 가장 중요한 요소는 강력한 자기장을 발생시키는 기술에 있으며, 따라서 영구자석(31)의 형상과 치수 그리고 자화방향을 배치하는 조합방법에 관한 연구가 선행되어야 한다.

이에 본 발명자는 컴퓨터를 이용한 전산모사를 통하여 영구자석의 최적 치수와 형상을 결정하고 자화방향의 조합 방법에 따른 자기장 발생력을 계산하였다.

그리고 고투자율 재질의 금속편(32)을 영구자석 사이에 배치하여 자기회로를 구성함과 동시에 자기장을 집속후 재 부하하는 방법을 채택하여 자석만 배치하는 기존의 방법에서 발생시키는 자기장의 세기와 비교 검토하여 최적의 설계조건을 도출하였다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 영구자석의 자화방향에 따른 조합 방법과 고투자율 재질의 금속편을 삽입한 여러 경우를 나타낸 것으로, 도 3a는 영구자석(31)의 자화방향을 방사상, 즉 반지름의 단위 벡터(vector) 방향으로 하고, 이에 인접한 영구자석과는 항상 반대가 되도록 배치한 경우이다.

도 3b는 영구자석(31)의 자화방향을 방사상 방향과 수직이 되도록 하되, 최고로 인접한 영구자석과는 항상 반대가 되도록 배치시킨 후 영구자석 사이에 고투자율의 재질인 극저탄소강을 삽입한 경우이다.

도 3c는 영구자석(31)의 자화방향을 방사상 방향과 수직이 되도록 하되, 최고로 인접한 영구자석과는 향상 반대가 되도록 배치한 경우이다.

도 3d는 영구자석(31)의 자화방향을 방사상 방향으로 하고 인접한 영구자석과는 향상 반대가 되도록 배치시킨 후 영구자석 사이에 고투자율의 재질인 극저탄소강을 삽입한 경우이다.

상기 각 경우에 관한 컴퓨터 전산모사 결과,도 3a 내지 도 3d의 4가지 경우중에 도 3b의 경우가가장 최고의 자기장이 발생됨을 확인할 수 있었으며, 이 경우 고투자율의 재질을 자화방향이 서로 반대가 되도록 한 영구자석 사이에 삽입하면 영구자석에 의해 집속된 자력선은 부하 대상인 강판을 향한다.

그리고 인접한 고투자율 재질의 자화방향은 반대가 되도록 구성되었으므로 강판을 거친 자력선은 인접한 고투자율 재질로 인입되는 자기회로가 구성되어 원거리까지 매우 강한 자기장을 부하할 수 있음을 확인하였다.

즉, 상기 도 3b와 같이 배치한 방식의 경우 영구자석으로부터 4cm떨어진 위치까지 약 1,000가우스 이상의 높은 자기장을 부하할 수 있고, 다른 경우와 비교해 볼 때 최고 5배에서 최저 1.5배 이상의 높은 자기장을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.

따라서 본 발명에서는 상기 도 3b와 같은 방식으로 영구자석과 고투자율의 재질을 조합하였다. 영구자석은 희토류계 영구자석인 Sm₂Co₁₇과 SmCo₅그리고 Nd₂Fe₁₄B중에서 선택하는 것이 바람직하고, 고온에서 운용할 자력선별기의 경우에는 Sm₂Co₁₇과 SmCo₅의 영구자석을 선택하고 상온이나 50℃이하에서 사용하는 자력선별기의 경우에는 Nd₂Fe₁₄B로된 영구자석을 선택하는 것이 좋다.

또한 영구자석을 선택할 경우 고려해야 할 점은 잔류자속밀도가 특히 높으며최대 자기에너지적이 30~40 MGOe(최대 자기에너지적=잔류자속밀도×보자력;MGOe= kG×kOe, 단 M=mega)인 이방화 소결자석을 택하는 것이 바람직하다.

한편, 고투자율 재질의 금속편(32)과 영구자석(31)을 고정하는 원판형의드럼(20)으로는, 자기적 성질을 띠지 않는 투자율이 1인 비자성강의 재질이고가공성과 자체 중량을 고려하여 고강도알루미늄(Al)재질이 합당하다.

드럼의 제작 방법은 주물제작 또는알루미늄의 가공재를 사용하며, 원천적으로 가벼우며 기계적 강도가 높고 비자성 금속이면 가능하다. 따라서알루미늄이 최적의 재료이지만 타 재료도 가능하다.

원판형홀더(30)는 6개의 영구자석과 5개의 고투자율재질의 금속편을일정각도 내에 삽입하기 위해 가공한 것으로,가공각도는 90°∼150°의 범위로 하고 영구자석을 일정한 간격으로 배치하고그 영구자석 사이에 고투자율 재질의 금속편이 삽입되게 함이 고자기장을 발생하는데 적합함을 본 발명에서 확인하였다.

상기 원판형홀더(30)에 체결되는 영구자석(31)들은 직육면체 또는 정육면체 형상으로 가공되며, 특히 자화방향(easy magnetizaiton direction)이 드럼선별기의 방사상 방향과 직각으로 장착되도록 하며, 이웃한 영구자석의 자화방향과 동일하게 배치한다.

그리고 영구자석 사이에 삽입되는 고투자율 재질의 금속편은 극저탄소강으로 하고 영구자석 사이에 삽입후 고정을 위해서 원판형홀더(30)에 볼트 구멍을 내고 동시에 금속편의 하단에도 볼트 구멍을 낸후 볼트로써 체결하여 운용시 영구자석이나 극저탄소강이 지정된 위치에서 이탈하는 것을 방지한다.

상기와 같이 완성된 1조의 원판형홀더(30)를 드럼(20)과 교대로 샤프트(10)에 삽입하여 고정한다. 이때 유의해야 할점은 각조에 장착된 영구자석의 자화방향은 최인접한 각조에 배치된 영구자석의 자화방향과 반대가 되도록 하여야 한다.

즉, 각조내에 배치된 영구자석은 자화방향이 마주보면서 배치되므로예를들면, 영구자석의 N극과 인접한 영구자석의 N극이 마주보게 배치되고, 영구자석의 S극과 인접한 영구자석의 S극이 마주보게 배치되므로, 극저탄소강의 표면에 자화되는 자화방향은 각각 N극, S극, N극, S극, N극이 되고, 최인접한 조에 삽입된 극저탄소강의 자화방향은 각각 S극, N극, S극, N극, S극이 되어상호간에 자로가 형성이 되어 강한 자기장이 발생되도록 한다.

그러므로 상기와 같이 샤프트에 끼워진 드럼과 홀더는 독립적으로 회전되지 못하도록 적어도 하나의 봉을 관통되게 고정시키되 샤프트과의 사이에 키로 고정하고 그 양단부를 플랜지로 봉합되게 한다.

한편, 자기장에 의해 강판으로부터 분리한 미세철계입자를 자기장이 미치지 않는 영역으로 이동시켜 수거통에 포집하기 위하여 다수의 드럼(20)과 홀더(30)가일체로 조합된 샤프트(10)의 외측에 별도로 회전하게 설치된 스텐레스 재질의 회전드럼(40)은 기계적 강도와 형상을 유지하기 위해 양측단이 또다시 스텐레스 재질의 외부 플랜지에 의하여 봉합이 된다.

상기 회전드럼은 원하는 속도로 회전조절이 가능하지만 강판의 이송속도와 거의 상응한 조건을 유지되도록 하기 위해 0-200m/sec의 회전속도를 발휘할 수 있도록 설계한다. 이렇게 샤프트에 장착된 회전드럼은 고속으로 회전하므로 내부에 이물질이 전혀 삽입되지 않아야 한다. 상기 샤프트과 회전드럼의 접촉면 사이에는 베어링을 위치시켜서 회전드럼이 샤프트를 중심으로 회전운동하기에 지장이 없도록 한다. 상기 회전드럼은 일방향으로 회전되도록 하기 위해 샤프트과 회전드럼사이에 회전방지 장치인 록킹엘리먼트(locking element)를 설치하여 샤프트의 역방향 회전을 방지한다. 회전드럼을 구동하기 위하여 샤프트의 일측에 스프라켓(51)이 위치되며, 이는 드럼케이스의 플랜지에 연결되어 회전구동기구를 이루는 구동모터(50)의 구동력이 체인을 통하여 스프라켓에 연결되어 회전한다.

자기선별기를 운용하는데 있어 강판과 선별기의 간격 조절은 매우 중요하다.

진동이 심한 강판이 이송중 강한 자기장을 발생시키는 선별기의 회전드럼에 부착되면 강판의 표면결함을 유발하므로 사전에 적정한 간격을 설정하여야 한다.

따라서 가이드 스토퍼(71)에 끼운 간격조절용 볼트 등을 이용하여 적정 간격을 미리 설정하고 유압 실린더(60)를 이용하여 전,후로 이동하도록 한다.

다음은 자기선별기 내부의 영구자석과 고투자율 재질의 금속편에 의해 발생된 자기장에 의해 강판으로부터 수거한 미세철계입자를 회전드럼에 부착시켜 수거기에 최종 수거하는 과정과 원리를 상세히 설명한다.

즉, 도 5에서와 같이 영구자석(31)과 고투자율 재질의 금속편(32)을 배치한 경우 이송중인 열연강판(S)의 진행방향과 반대로 회전드럼(40)의 회전방향을 잡는다. 이때 강판의 표면위에 있던 미세철계 입자(D)들은 희토류자석에서 발생된 자기장이 고투자율 금속재료에 집속되어 부하되는 강력한 자기장에 의해 회전드럼의 표면에 부착되어 회전방향과 같이 이동한다.

회전드럼을 따라 이동하는 미세철계입자는 영구자석과 고투자율금속재료가 설치된 지역에서 벗어남에 따라 자기장의 영향을 차츰 작게 받게 되고, 자기장이 미치지 않는 영역에서는 중력장의 영향에 의해 아래로 떨어져 수거기에 포집된다.

한편, 회전드럼(40)의 외면에 미세철계 입자(D)가 강력한 자기장 영역에서 계속 머무르는 현상 또는 미끄러지는 경우를 방지하기 위하여 다수의걸림돌기(44)가부착되어 있다. 따라서 회전드럼이 고속으로 회전하는 경우걸림돌기(44)에의해 회전드럼에 부착된 미세철계입자는 자기장이 미치지 않는 영역으로 이동하여 자력선별기로부터 이탈되어 수거기(60)에 포집된다.

상기와 같은 원리에 의하여 강판위의 미세철계 입자는 스텐레스 재질의 자력선별기 회전드럼에 부착되어 수거된다.

따라서 본 발명은 선별기 내부에 장착된 영구자석과 고투자율 재질의 금속편의 배치방법, 강판과 선별기 회전드럼과의 적정 간격, 회전드럼의 회전속도 등을 사전에 예측 혹은 계산하여 결정함으로써 그 효과를 증대시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명의 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치는 열연공장이나 냉연공장에서 공정상 필연적으로 발생되는 강판표면의 산화층이 이송도중 각 종롤과 접촉하면서 크랙(crack)되어 발생된 미세철계 입자를 제거하고자 하는 경우와, 강판의 맞대기 용접후 비드(bead) 제거시 발생된 메탈칩(metal chip)이 재비산되어 강판표면에 잔류하여 각 종롤과 접촉하면서 강판의 표면결함을 유발하는 경우 및 강판의 양끝을 절단하는 공정에서 절단시 발생된 미세철계 입자가 강판표면에 재비산 후 잔류하여 각 종롤과 접촉하면서 강판의 표면결함을 유발하는 경우 등에 자력선별기를 설치하면 유해 입자들을 제거할 수 있다.

특히 본 발명의 자력선별기의 경우 회전드럼상에서 2,000~2,300가우스, 고투자율 금속편의 표면에서 5cm 떨어진 위치에서 약 800~1,100가우스의 강한 자기장을 발생시키게 되므로 강판의 진동이 매우 심한 공정에서 강판과 자기선별기의 간격을 3~6㎝내로 유지시켜 운용함으로써 강판의 이송에 지장을 주지 않으면서 유해물질을 정확하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 열연공장이나 냉연공장에서 강판의 표면에 잔류된 미세철계 입자를 제거하기 위하여 사용되며 구동력이 전달되는 샤프트(10)에 원판형으로 된 다수의 드럼(20)과 이의 사이에 동일크기의 외주면을 형성하는 원판형홀더(30)가 각각 위치하게 설치되어 있되 원판형홀더(30)의 소정구간에는 자기장을 발생시키는 영구자석(31)과 이 영구자석 사이에 체결되어 자기회로의 구성 및 자기장 집속후 강판표면에 자기장을 가하는 고투자율 재질의 금속편(32)이 부설되고, 상기 원판형홀더(30)의 외측에는 이를 둘러싸면서 드럼과 독립된 채 그 주위에서 회전운동을 하는 비자성체의 회전드럼(40)이 설치되며, 이 회전드럼(40)의 일측에 스프라켓(51)을 통하여 회전력을 전달하는 구동모터(50)가 설치되어 있고, 상기 비자성체의 회전드럼(40)의 하부에는 자기장에 의해 강판으로부터 분리된 미세철계 입자를 수거하여 보관하는 수거기(60)가 설치되어 있으며, 상기 회전드럼을 포함한 장치의 양단을 지지하는 부위에는 작업공정의 필요에 의해 강판면을 기준으로 전, 후로 이동시키기 위한 실린더(70)가 설치되며, 상기 영구자석은 희토류계 영구자석으로서 Sm ₂ Co _17, SmCo ₅ , 또는 Nd ₂ Fe ₁₄ B계 조성을 갖고 직육면체 또는 정육면체 형상으로 가공된 자력선별기에 있어서,

   상기 영구자석(31)은 영구자석(31)의 자화방향이 원판형홀더(30)의 방사방향에 수직으로 위치되게 장착되고, 영구자석(31)의 자화방향이 이웃한 영구자석과 마주보게 배치되므로 고투자율 재질의 금속편(32)에 자기장이 집속되어 외부로 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 고자기장에 의한 강판표면의 미세철계 입자 제거장치.
3. 삭제