KR100526135B1 - 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법 - Google Patents

용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법에 관한 것이다.
본 발명은 잔류응력을 제거하기 위하여 냉연판을 소둔하고, 이어 상기 소둔된 강판이 스나우트(14)를 통하여 용융아연도금욕(44)에 인입되어 용융아연도금되며, 이후 에어나이프(15)에서 강판에 도금된 도금량을 원하는 수준으로 제어한 다음, 조질압연을 행하는 냉연강판의 용융아연도금방법에 있어서,
상기 스나우트(14)의 내부 분위기 온도를 180~200℃로 제어하고, 상기 용융아연도금욕(44)에 인입되는 강판온도를 450~460℃로 제어하며, 상기 용융아연도금욕(44)과 스나우트(14) 분위기 가스 사이의 경계면에 시간당 40~50N㎥의 유량으로 질소가스를 분사하고, 상기 용융아연도금욕(44)을 통과한 도금강판의 냉각온도를 330~340℃로 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 용융아연도금 강판에 치명적인 에시결함의 발생을 최소화할 수 있어 표면품질이 우수한 강판을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법{Method for improving surface quality of hot dip galvanized steel sheet}
본 발명은 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융아연도금 작업중 스나우트 내부에 발생되는 아연재(이하, '에시(ash)'라 한다)에 의하여 도금불량이 발생하여 표면품질이 저하되는 것을 억제하기 위한 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법에 관한 것이다.
일반적으로 용융아연도금 강판은 우수한 내식성을 바탕으로 일반 건축자재용을 비롯하여 미려한 표면관리가 요구되는 가전용 외판재 및 자동차용 외판재까지 적용범위가 점점 확대되고 있다. 일반 건축자재용 용융아연도금 강판에서는 내식성이 가장 중요한 인자이며, 광택, 조도 및 각종 표면결함 등의 특성들은 상대적으로 경시되고 있다. 그러나, 칼라강판, 가전재 및 자동차 내, 외판 등의 용도에서는 내식성 못지 않게 표면특성이 매우 중요한 인자이다. 따라서, 용융아연도금 강판의 수요가에서는 엄격한 표면품질을 요구하고 있는 실정이다.
상기 용융아연도금 강판의 표면품질에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 에시 결함이다. 상기 에시는 연속용융아연도금 라인의 스나우트(Snout) 내부에서 발생된다. 상기 스나우트는 고온으로 열처리된 강판이 대기에 노출됨으로써 발생될 수 있는 표면산화를 방지하기 위한 소둔로와 용융도금욕을 연결하는 설비이다. 상기 스나우트를 통하여 용융금속 표면이 환원가스 분위기에 노출되고 표면이 활성화된 강판이 용융아연도금욕 내부로 유도된다. 이때 아연의 증발 및 응축, 스나우트 내부 분위기 가스의 정체, 용융아연도금욕의 유동 및 강판 침적시 액체금속의 파동 등 여러가지 에시를 발생시키는 현상들이 발생된다. 특히, 용융아연 표면으로부터 증발된 아연은 스나우트 내부 벽면에 응축되어 에시로 발전하며, 상기 에시는 Zn 및 ZnO 화합물로 구성되어 있다. 상기 에시는 색상과 형태상으로 하기 표 1과 같이 구분될 수 있다.
구분 타입1 타입2 타입3 타입4
색상 검은색 갈색 갈색 흰색
형태 분말형 분말형 편석형 분말형
아연성분함량(중량%) 99.9 98.5 98.5 1 이내
상기 에시는 강판 표면에 선상결함 및 미도금 등을 발생시키게 되며, 이러한 결함들은 고급 아연도금 제품에 있어서 치명적인 결함이다. 도 3은 선상 에시결함 및 에시조직형태의 일례를 보여주고 있다.
상기와 같이 강판의 표면품질에 치명적인 에시결함을 저감하기 위한 종래기술로는 아연의 증발을 근원적으로 억제하는 방법, 스나우트 내부의 도금욕 면적을 감소시키는 욕 표면적 감축법 및 분위기 가스를 흡입해서 아연증기를 분리제거하는 필터링법 등이 있다. 그러나, 상기한 종래기술들은 에시결함의 발생정도를 어느정도는 감소시킬 수 있으나 만족할 만한 수준은 아니고, 이들의 사용조건이 제조라인에 따라 상이할 뿐만 아니라 2차적인 표면결함 등을 유발하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스나우트 내부 분위기 온도, 도금욕에 인입되는 강판의 온도, 도금강판의 냉각온도를 적절하게 제어함과 아울러 용융아연도금욕과 스나우트 분위기 사이에 커튼막을 형성함으로써, 용융아연도금 강판에 있어서 가장 치명적인 에시결함을 억제하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
잔류응력을 제거하기 위하여 냉연판을 소둔하고, 이어 상기 소둔된 강판이 스나우트(14)를 통하여 용융아연도금욕(44)에 인입되어 용융아연도금되며, 이후 에어나이프(15)에서 강판에 도금된 도금량을 원하는 수준으로 제어한 다음, 조질압연을 행하는 냉연강판의 용융아연도금방법에 있어서,
상기 스나우트(14)의 내부 분위기 온도를 180~200℃로 제어하고,
상기 용융아연도금욕(44)에 인입되는 강판온도를 450~460℃로 제어하며,
상기 용융아연도금욕(44)과 스나우트(14) 분위기 가스 사이의 경계면에 시간당 40~50N㎥의 유량으로 질소가스를 분사하고,
상기 용융아연도금욕(44)을 통과한 도금강판의 냉각온도를 330~340℃로 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 용융아연도금 강판 표면에 발생되는 표면요철성 결함인 에시를 저감하는 도금방법에 관한 것이다. 상기 에시결함은 도금작업시 스나우트 내부의 용융아연 탕면과 탕면을 경계로 하는 분위기 가스의 온도 및 이슬점(Dew Point) 그리고 내부 분위기 온도 상승에 의해 발생되는 아연증기가 상승하면서 산화하여 스나우트내 상부 및 하부벽에 고착되면서 도금욕 탕면으로 진행되는 제품표면의 도금층 내에 비입되어 발생되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 스나우트 내부분위기 온도, 용융아연도금욕에 인입되는 강판의 온도를 적절하게 제어하여 아연증기 발생을 최소화하고, 용융아연도금욕과 스나우트 분위기 사이의 경계면에 질소 커튼막을 형성하여 아연증기 발생 및 상승을 차단하고, 이어 도금된 강판을 적절한 온도로 냉각함에 의하여 에시의 확장 및 조대화를 막음으로써 용융아연도금 강판에 치명적인 에시결함을 최소화하고 있다.
일반적으로, 용융아연도금 공정은 도 1과 같이 구성된다. 즉, 냉간압연된 코일을 페이오프 릴(1)에 장착하여 용접기(2)에서 전, 후단 코일을 용접한다. 이어 냉간압연시 강판에 부여된 잔류응력을 제거하기 위하여 소둔로(3)에서 열처리 작업을 실시한다. 소둔이 완료된 소재강판(100-1)은 아연도금작업에 적당한 온도로 유지된 후, 용융아연도금욕(44)으로 인입된다. 이때, 고온으로 열처리된 강판이 대기에 노출됨으로써 발생되는 표면산화를 방지하기 위하여 스나우트(14)가 설치된다. 상기 스나우트에는 표면산화에 의한 도금불량을 방지하기 위하여 가스공급관(34)을 통하여 불활성가스로 충진된다. 상기 스나우트를 통과한 소재는 용융아연 도금욕을 통과한 후 에어나이프(15)에서 수요가가 원하는 도금량으로 도금량을 조정하게 된다. 도금량 조정작업이 완료된 도금강판은 조질압연기(16)를 거치고, 적정한 표면 조도 부여 및 형상교정을 거쳐 절단기(17)에서 절단된 후, 텐션 릴(18)에서 권취되어 최종 제품화 된다. 이때 상기 스나우트에서는 강판의 표면에 에시결함을 발생시킨다. 도 4는 스나우트 내부의 에시를 측정한 사진이다. 스나우트 내벽에는 증발한 아연증기가 에시로 발전하여 응축되어 있고, 이 응축된 에시의 크기가 임계수준을 넘어서면 탕면에 떨어져 부유하다가 강판에 부착되어 에시결함을 유발하게 된다. 도 5의 상부는 강판표면에 발생한 에시 결함을 현미경으로 촬영한 사진이며, 도 5의 하부는 상부에서 촬영한 사진의 55, 56, 57 부분을 정성 분석한 결과이다. 상기 결과에서 알 수 있듯이, 강판표면에 발생된 에시는 아연 및 아연산화물로써, 아연이 증발하여 각각의 형태로 성장하면서 약산화 및 응고하여 판 표면에 비입된 것임을 확인할 수 있다.
즉, 증발 후 산화된 에시는 융점이 1000℃ 이상 되므로 용융도금액 중에 용해되지 않고 부유하다가 강판과 도금 막 사이에 비입되어 제품화 이후 육안식별 및 촉감으로 확인이 가능한 표면결함을 유발하게 된다. 본 발명에서는 이러한 에시를 줄이기 위해서 스나우트 내부 분위기 온도를 일정한 범위의 온도로 제한하여 활성화된 스나우트 내부를 진정시키고, 도금욕으로 진입하는 소재 강판의 온도를 낮추어 아연의 증발을 억제하며, 스나우트 내의 도금욕과 분위기 가스가 경계하는 탕면 상단부에 커튼막을 형성시켜 아연의 증발을 차단하게 된다. 또한, 마지막으로 도금된 도금강판의 냉각온도를 적절하게 제어하여 에시의 핵형성을 억제하게 된다.
본 발명에서는 스나우트에서 발생되는 에시를 효율적으로 저감하기 위하여, 상기 스나우트의 내부온도를 180~200℃로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 스나우트의 내부온도가 180℃ 미만이면 에시 발생량은 적으나 스나우트 내부에 드로스가 많이 발생되며, 200℃를 초과하면 에시 발생량이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에서는 용융아연도금욕에 인입되는 강판온도를 450~460℃로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 강판온도가 450℃ 미만이면 스나우트 내부에 드로스가 많이 발생되며, 460℃를 초과하면 에시 발생량이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에서는 용융아연도금욕과 스나우트 분위기 가스 사이의 경계면에 시간당 40~50N㎥의 유량으로 질소가스를 분사하여 커튼막을 형성함으로써, 아연의 증발을 차단하게 된다. 상기 질소가스의 유량이 시간당 40N㎥ 미만이면 에시 발생량이 증가하게 되며, 시간당 50N㎥를 초과하면 스나우트 내부에 드로스 발생량이 증가할 뿐만 아니라 강판 표면이 거칠게 되는 문제점이 있다.
상기 질소가스는 순수한 질소를 사용하는 것이 보다 바람직하나, 5ppm 이하의 산소가 함유된 질소가스를 사용하더라도 지장은 없다. 그리고, 상기 질소가스를 분사할때 질소가스의 압력을 300~350mmH2O로 제한하면, 상기 질소가스 유량(시간당 40~50N㎥)을 제어하는 것이 보다 용이하다.
상기와 같은 방법으로 도금을 행하더라도 최소한으로 발생된 에시가 후공정에서 성장하여 표면품질의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 용융아연도금욕을 통과한 도금강판을 에어나이프 위에 위치한 냉각장치(21)에서 330~340℃로 냉각함으로써, 에시의 핵형성을 억제하게 된다. 상기 냉각온도가 330℃ 미만이거나 340℃를 초과하면 에시의 핵형성을 초래하여 표면품질이 저하된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예1]
본 실시예는 스나우트 내부온도의 변화에 따른 에시 발생량 및 스나우트 내부 드로스 발생 정도를 알아보기 위한 것이다.
먼저, 스나우트 내부의 환원분위기 유지를 목적으로 불활성가스를 이용하여 스나우트 내부온도를 점차적으로 하향시켜 각각의 온도에 따라 스나우트 내부의 분위기 가스를 약 1㎥ 채취하여 필터링(Filtering)후 질량을 측정함으로써 에시 발생량을 측정하였고, 드로스(Dross)발생 상태는 사진촬영 분석 및 점검창을 통한 육안판별을 통하여 행하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.
스나우트 내부온도(℃) 에시 발생량(g) 스나우트 내부 드로스발생 정도 비고
320 4.2 (매우 많음) 적음 불량
300 4.2 (매우 많음) 적음 불량
280 3.9 (매우 많음) 적음 불량
260 3.6 (많음) 적음 불량
240 3.4 (많음) 보통 불량
220 2.8 (보통) 보통 불량
200 2.4 (보통) 보통 양호
180 2.2 (적음) 보통 양호
160 2.0 (적음) 많음 불량
140 2.0 (적음) 많음 불량
120 2.0 (적음) 많음 불량
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 스나우트 내부온도가 180℃ 미만이면 아연 증발이 억제되어 에시 발생은 최소화되지만 스나우트 구석 부분에 과다한 양의 드로스가 성장되어 제품의 가장자리에 긁힘 등을 유발하며 드로스의 혼입으로 표면불량을 초래하게 된다. 반대로 온도가 200℃를 초과하면 아연 증발이 촉진되어 에시 발생량이 증가하게 된다.
[실시예2]
본 실시예는 용융아연도금욕에 인입되는 강판온도의 변화에 따른 강판표면의 에시 발생량 및 스나우트 내부 드로스 발생 정도를 알아보기 위한 것이다.
하기 표 3과 같이 강판의 인입시 온도를 다르게 하였으며, 나머지 조건은 본 발명의 범위내로 하여 실험하였다.
인입되는 강판의 온도(℃) 에시 발생량(g) 스나우트 내부 드로스발생 정도 비고
495 2.7 (많음) 적음 불량
485 2.5 (많음) 적음 불량
470 2.2 (많음) 적음 불량
460 1.8 (보통) 적음 양호
450 1.6 (적음) 보통 양호
440 1.5 (적음) 많음 불량
430 1.5 (적음) 많음 불량
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 용융아연도금욕으로 인입되는 강판의 온도가 450℃ 미만이면 도금욕의 유동성이 저하되며, 소재강판의 도금욕에 대한 친화성이 저하되어 강판표면이 거칠어지고 요철을 형성함으로써 도금층 표면에 악영향을 주게 되며, 460℃를 초과하면 도금욕보다 높은 강판의 온도때문에 아연의 증발량이 과다하게 되고 도금욕의 온도제어 설비인 인덕터 효율을 악화시키고 주변 설비에 침식이 발생될 가능성이 있다.
[실시예3]
본 실시예는 용융아연도금욕과 스나우트 분위기 가스 사이의 경계면에 분사되는 질소가스 유량의 변화에 따른 에시 발생량 및 스나우트 내부 드로스 발생 정도를 알아보기 위한 것이다.
하기 표 4와 같이 질소가스 유량은 다르게 설정하였고, 나머지 조건은 본 발명의 범위내로 하여 실험을 행하였다. 이때 분사되는 질소가스는 산소 함유비가 5ppm이하의 순수한 질소를 사용하였고, 300mmH2O의 압력으로 조정되어 공급되었다.
질소가스 유량(N㎥/h) 에시 발생량(g) 스나우트 내부 드로스발생 정도 표면결함 발생여부 비고
70 0.4 (적음) 많음 표면거침 불량
60 0.6 (적음) 보통 미세불량 불량
50 0.7 (적음) 적음 양호 양호
40 0.8 (보통) 적음 양호 양호
30 1.2 (많음) 적음 양호 불량
상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 시간당 40N/㎥ 미만의 유량으로 질소를 분사하여 커튼막을 형성하게 되면 에시 발생량이 증가되며, 시간당 50N/㎥을 초과하는 유량으로 질소를 분사하여 커튼막을 형성하게 되면 인입강판 표면에 악영향을 주어 표면거침, 주름마크 및 요철현상이 나타나고 이는 도금층 박리의 원인이 된다.
[실시예4]
본 실시예는 용융아연도금된 도금강판의 냉각온도의 변화에 따른 강판 표면품질을 알아보기 위한 것이다.
하기 표 5에서와 같이 강판의 냉각온도를 다르게 설정하였고, 나머지 조건은 본 발명의 범위를 만족하는 범위내에서 실험하였다. 이후 표면결함 검출기를 이용하여 에시 부착량 및 표면품질을 확인하였으며, 그 결과는 하기 표 5와 같다.
강판의 냉각온도(℃) 백색도 광택도 에시 부착량(개/㎡) 비고
390 불량 불량 5~6 표면품질불량
380 불량 불량 3~4 표면품질불량
370 불량 보통 2~3 표면품질불량
360 보통 양호 1~2 표면품질보통
350 보통 양호 1~2 표면품질보통
340 양호 양호 0.5 표면품질양호
330 양호 양호 0.5 표면품질양호
320 양호 보통 0.5 표면품질보통
310 불량 보통 0.5 표면품질보통
300 불량 불량 1~2 표면품질불량
290 불량 불량 1~2 표면품질불량
280 불량 불량 2~3 표면품질불량
270 불량 불량 2~3 표면품질불량
260 불량 불량 3~4 표면품질불량
250 불량 불량 3~4 표면품질불량
상기 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 강판의 냉각온도가 330℃ 미만이면 전체적인 표면품질이 불량하였으며, 340℃를 초과하면 에시 발생량이 증가할 뿐만 아니라 강판의 백색도도 불량해졌다.
도 6은 냉각장치의 온도에 대한 표면상태를 극명하게 대조하기 위하여 냉각온도를 250~390℃까지 변화하면서 제품을 샘플링하여 표면을 전자현미경으로 촬영한 것이다.
먼저, 390℃로 냉각한 강판의 경우, 표면이 평활하고 광택이 높게 나타났으나, 미세한 에시가 다량 발생하였음을 알 수 있다.
360℃로 냉각한 강판의 경우, 광택도 및 표면 평활도가 다소 낮아졌으며, 백색도가 상승하여 극히 미세한 에시 결함의 확인이 불가능하였다.
330℃로 냉각한 강판의 경우, 일부 편석형의 커다란 에시 이외에는 90% 이상 모두 육안 및 촉감으로 확인 불가능한 수준이었으며, 백색도가 상승하고 광택을 유지하고 있으며 표면이 고르게 되어 양질의 제품표면 확보가 가능하였다.
250℃로 냉각한 강판의 경우, 많은 에시 결함이 확인되었으며, 표면이 고르지 못하고 백색도, 광택도 및 균일도가 모두 낮게 나타났다.
[실시예5]
본 실시예는 본 발명에서 제한하고 있는 스나우트 내부 분위기 온도, 용융아연도금욕에 인입되는 강판의 온도, 커튼 형성을 위하여 분사되는 질소의 유량 및 도금강판의 냉각온도의 변화에 따른 본 발명의 효과를 알아보기 위한 것이다.
하기 표 6의 스나우트 내부 분위기 온도, 인입강판 온도, 질소유량 및 냉각온도에서 실험을 행하였으며, 이에 대한 결과는 하기 표 6과 같다.
구분 스나우트 내부분위기 온도(℃) 도금욕 인입강판온도(℃) 질소유량(N㎥/시간) 냉각온도(℃) 표면 에시개수(개/㎡) 비고
비교예1 300 495 100 400 3~4 불량
비교예2 280 490 90 380 2~3 불량
비교예3 260 485 80 360 2~3 불량
비교예4 240 480 70 340 1~2 불량
비교예5 220 470 60 320 1~2 불량
비교예6 200 460 50 300 1~2 불량
비교예7 180 450 40 280 0.5~1 불량
비교예8 160 440 30 260 0.5~1 불량
비교예9 140 430 20 240 1~2 불량
비교예10 120 430 10 220 2~3 불량
발명예1 180 450 40 330 0.2 미만 양호
발명예2 181 451 41 331 0.2 미만 양호
발명예3 182 452 42 332 0.2 미만 양호
발명예4 183 453 43 333 0.2 미만 양호
발명예5 184 454 44 334 0.2 미만 양호
발명예6 185 455 45 335 0.2 미만 양호
발명예7 186 456 46 336 0.2 미만 양호
발명예8 187 457 47 337 0.2 미만 양호
발명예9 188 458 48 338 0.2 미만 양호
발명예10 189 459 49 339 0.2 미만 양호
발명예11 190 460 50 340 0.2 미만 양호
상기 표 6에서 알 수 있는 바와 같이, 스나우트 내부 분위기 온도, 도금욕 인입 강판온도, 질소유량 및 냉각온도가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예1~10의 우 에시가 다량 발생하였을 뿐만 아니라 표면품질도 좋지 않았다.
그러나, 스나우트 내부 분위기 온도, 도금욕 인입 강판온도, 질소유량 및 냉각온도가 본 발명의 범위를 만족하는 발명예1~11의 경우에는 에시의 발생도 거의 없었으며 표면품질도 우수하였다.
도 7은 비교예1, 비교예10, 발명예1 및 발명예11의 표면사진이다. 본 발명에 따른 발명예는 표면에 에시의 발생이 획기적으로 감소될 뿐만 아니라 표면 백색도도 뛰어난 미려한 강판이었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 용융아연도금 강판에 치명적인 에시결함의 발생을 최소화할 수 있어 표면품질이 우수한 강판을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 용융아연도금 라인의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 스나우트 및 냉각장치의 일례이다.
도 3은 강판에 발생된 선상 에시결함 및 에시조직 형태를 보여주는 사진이다.
도 4는 스나우트 내부에 발생된 에시 및 드로스를 보여주는 사진이다.
도 5는 강판표면에 발생된 에시결함을 확대한 사진 및 에시의 정성분석 결과이다.
도 6은 강판의 냉각온도에 따라 판표면을 비교한 사진이다.
도 7은 비교예 및 발명예의 판표면 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
3...열처리 가열로(소둔로) 14...스나우트
15...에어 나이프 44...용융아연 도금욕조
21...냉각장치 25...방향전환롤
33...질소 커튼 노즐 34...불활성 가스 투입구
88-1, 88-2, 88-3, 55, 56, 57...에시 99-1, 99-2...드로스
100-1...소재강판

Claims (2)

  1. 잔류응력을 제거하기 위하여 냉연판을 소둔하고, 이어 상기 소둔된 강판이 스나우트(14)를 통하여 용융아연도금욕(44)에 인입되어 용융아연도금되며, 이후 에어나이프(15)에서 강판에 도금된 도금량을 원하는 수준으로 제어한 다음, 조질압연을 행하는 냉연강판의 용융아연도금방법에 있어서,
    상기 스나우트(14)의 내부 분위기 온도를 180~200℃로 제어하고,
    상기 용융아연도금욕(44)에 인입되는 강판온도를 450~460℃로 제어하며,
    상기 용융아연도금욕(44)과 스나우트(14) 분위기 가스 사이의 경계면에 시간당 40~50N㎥의 유량으로 질소가스를 분사하고,
    상기 용융아연도금욕(44)을 통과한 도금강판의 냉각온도를 330~340℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 질소가스는 300~350mmH2O의 압력으로 제어되는 것을 특징으로 하는 용융아연도금 강판의 표면품질 향상방법.
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