KR100544649B1

KR100544649B1 - 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100544649B1
Application number: KR1020010018844A
Authority: KR
Inventors: 김호영; 김구화; 조인성; 윤민수
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2006-01-23
Also published as: KR20020078716A

Abstract

본 발명은 용융금속을 금속판에 도금하는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 도금조 하부에 형성된 개구부 주위에 전자기력 발생장치를 배치하고 용융금속 응고층을 인위적으로 형성시켜 개구부를 통하여 용융금속이 유출되지 않는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 도금조(2)의 개구부 장변부(7, 7′)에 설치된 교류전자석(8, 8′)의 전자기력을 이용하여 용융금속(1)을 도금조(2)의 개구부(6)에서 부양시키고, 용융금속(1)의 유출을 막기 위하여 도금조(2) 개구부(6)의 단변부(9, 9′) 부분에 설치된 냉각수단(10)에 의해서 단변부에 용융금속의 응고층(11, 11′)을 형성시켜 용융금속(1)의 부양력에 효과적이지 못한 중력에 수직하는 전자기력의 방향성분을 제거하여 용융금속(1)을 더욱 안정적으로 부양시킴으로써 양호한 도금층을 확보할 수 있음과 동시에 작업자의 안정성을 보다 확보함으로써 비용과 공정시간을 절감하여 궁극적으로 공정의 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

용융도금, 교류전자석, 전자기력, 응고층, 냉각수단, 냉각능 제어기, 냉각제 조절기

Description

용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE LEVITATION OF MOLTEN METAL IN THE HOT DIP COATING PROCESS}

도 1은 종래 용융도금 공정을 위한 도금장치의 개략도이며,

도 2는 본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 장치의 개략적인 측단면도이며,

도 3은 본 발명에 따른 용융금속 부양 장치의 도금조 개구부에 대한 개략적인 정단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 용융금속 부양 장치의 개략적인 모식도이며,

도 5는 본 발명에 따른 용융금속 부양 장치를 적용하지 않은 상태에서 도금조 개구부의 용융금속에 형성되는 유도전류의 흐름과 부양력을 나타내는 개략적인 분포도이며,

도 6은 본 발명에 따른 용융금속 부양 장치가 적용된 상태에서 도금조 개구부의 용융금속에 형성되는 유도전류의 흐름과 부양력을 나타내는 개략적인 분포도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1:용융금속 2:도금조 3:금속판 8:전자석 10:냉각수단 11:응고층

13:냉각능제어기 14:냉각제조절기

본 발명은 용융금속을 금속판에 도금하는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 금속판에 알루미늄이나 아연 등의 용융금속을 연속적으로 도금하는 종래기술은 도 1에 도시된 바와 같이 도금금속(1)을 용융시켜 도금조(2)에 담아두고 금속판(3)을 침지시켜 도금하도록 구성되어 있다. 이 때 연속적으로 도금을 하기 위해서 금속판(3)의 이송방향을 바꾸는 싱크 롤러(4;Sink Roller)와 금속판의 진행을 조정하는 서포트 롤러(5;Support Roller) 등이 모두 용융금속에 잠기어 있다.

이러한 종래의 용융도금 공정에서의 롤러들의 축수부는 고온환경으로 인하여 무윤활 상태의 슬래브(Sleeve)-부시(Bush) 형태로 지지되고 있으므로 축수부의 접촉마찰로 인하여 여러 제약 사항들이 발생한다. 즉 롤러들을 유지, 보수하는데 많은 비용과 시간이 소요되고, 롤러의 축수부 및 표면 등의 상태가 도금제품의 품질에 지대한 영향을 미치므로 전체 도금공정이 지지 롤러들의 상태에 크게 의존한다는 등의 문제점이 야기되고 있다.

따라서 지지 롤러들과 관련된 문제점을 근원적으로 해결하기 위해서는 롤러들이 용융금속에 침지되지 않는 도금조 구조를 채택하여야 한다. 즉, 도금조 하부에 금속판이 인입될 수 있는 개구부를 형성하여 이 개구부를 통하여 금속판이 용융 금속의 하부로 인입되어 상부로 빠져나가게 배치하고, 개구부를 통하여 용융금속이 유출되지 않도록 어떠한 유출방지장치를 설치함으로써 용융금속에 침지된 지지 롤러들을 배제하는 용융도금방식이 제안되어 왔다.

이러한 용융금속에 침지된 지지 롤러들을 배제하는 용융도금공정에 있어서 금속판이 인입되는 개구부를 통한 용융금속의 유출을 방지하기 위한 방법 및 장치로서는 일본공개특허공보 昭63-109148호에 도금조의 개구부 주위에 기체 압력실을 설치하여 기체압으로 용융금속의 무게를 지탱하여 부양하는 방법이 개시되어 있으며, 일본공개특허공보 昭63-303045호에는 직류자석을 도금조 개구부 주위에 배치하고 용융금속에 직류전류를 흘려서 발생하는 전자기력으로 개구부로부터 용융금속이 유출되지 않도록 부양하는 방법이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,665,437호 및 일본공개특허공보 昭63-310949호에는 도금조 개구부 주위에 리니어 인턱션 모터(Linear Induction Motor)를 배치하여 트래블링 자기장(Traveling Magnetic Field)에 의한 전자기력으로 개구부로부터 용융금속이 유출되지 않도록 부양, 유지하는 방법이 개시되어 있으며, 특히 미국특허 제5,897,683호에는 도금조 개구부 주위에 교류전자석을 배치하고 전도체(Conducting Block)를 도금조내의 단변부에 설치하여 발생하는 전자기력과 개구부 하방에 기체 압력실을 구비하여 발생되는 기체압으로 용융금속을 개구부로터 유출되지 않도록 부양하는 방법이 개시되어 있다.

상기 제안된 방법들 중 기체압을 이용하여 용융금속을 부양시키는 방법은 기체 압력실의 일정한 압력유지가 어려우며, 소음발생이 심하고, 기체가 용융금속으로 침투하여 용융금속 내부에 기포가 형성되는 문제점이 있으며, 직류자석과 직류 전원을 이용하여 용융금속을 부양시키는 방법은 직류전류가 강판을 타고 주변 설비에 영향을 미치고, 작업자의 안전성 확보에도 어려움이 있는 단점이 있으며, 또한 도금조 개구부 주위에 리니어 인턱션 모터를 설치하여 용융금속을 부양하는 방법은 개구부를 통과하는 금속판의 변형이 발생될 수 있는 문제점이 있으며, 교류 전자석과 기체 압력실을 동시에 병행하여 용융금속을 부양시키는 방법은 두 가지 방법을 병행함으로써 발생하는 비용의 문제와, 기체에 의해서 용융금속 내부로 기포가 발생하는 단점과, 용융금속에 침지되어 있는 전도체의 용해로 인하여 그 형태를 유지하기 어려울 뿐만 아니라 용융금속의 화학조성의 유지가 곤란하다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 용융금속 부양 방법이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 도금조 하부에 형성된 개구부 주위에 전자기력 발생장치를 배치하여 용융금속을 부양함과 동시에 개구부 단변부에 용융금속 응고층을 인위적으로 형성시켜 용융금속의 부양력에 효과적이지 못한 중력에 수직하는 전자기력의 방향성분을 제거함으로써 개구부의 용융금속의 자유표면을 더욱 안정적으로 유지하여 개구부를 통하여 용융금속이 유출되지 않는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법은 교류전자석에서 발생된 전자기력을 이용하여 용융금속을 도 금조의 개구부에서 부양시키는 단계와, 개구부에서 용융금속의 유출을 막기 위하여 도금조 개구부의 단변부 부분에 응고층을 형성시켜 용융금속을 유지하는 단계로 이루어지며, 이를 위하여 본 발명에 따른 용융금속 부양 장치는 도금조 개구부에서 용융금속을 전자기력의 힘으로 부양시키기 위하여 개구부의 장변부에 설치된 전자석과, 용융금속의 유출을 막기 위한 도금조 개구부의 단변부에 응고층을 형성시키기 위하여 설치된 냉각수단과, 응고층의 두께를 제어하기 위하여 도금조 개구부의 단변부 내, 외벽에 설치된 온도측정장치와, 온도측정장치와 연결되어 냉각수단의 냉각능을 제어하는 냉각능 제어기와, 냉각능 제어기에 의해서 냉각제를 조절하는 냉각제 조절기로 이루어진다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 장치는 용융금속(1)이 담겨있는 도금조(2) 하부에 금속판이 인입되도록 형성된 개구부(6) 주위에 금속판(3)의 폭 방향과 대응하는 양면(7, 7′;이하 장변부라 함)에 교류 전자석(8, 8′)을 설치하고, 나머지 두 면(9, 9′;이하 단변부라 함)에는 냉각수단을 설치하여 단변부(9, 9′)에 용융금속(1)의 응고층(10, 10′)을 형성시키게 된다.

상기 도금조(2) 하부에 형성된 개구부(6)의 단변부(9, 9′)에 형성된 용융금속(1)의 응고층(11, 11′)의 두께를 제어하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 도금조(2)의 온도를 계측하는 센서(12, 12′)를 도금조(2) 개구부의 내, 외벽에 설치하고, 응고층(11, 11′)의 두께를 조절할 수 있도록 냉각제를 제어하는 냉각능 제어기(13)와 냉각제 조절기(14)를 설치함으로써 응고층(11, 11′)의 두께는 적정 수 준으로 유지될 수 있다.

상기와 같이 구비된 장치에 의해서 개구부 단변부(9, 9′)의 온도를 조절하여 용융금속(1)의 응고층(11, 11′)을 소정의 두께로 유지한 상태에서 전자석(8)을 통해 인가되는 교류 전자기장은 용융금속에 유도전류를 발생시키고, 이 유도전류와 인가되는 전자기장의 상호작용으로 형성되는 전자기력으로 인하여 용융금속(1)이 개구부를 통하여 유출되지 않게 된다.

도 5는 개구부 단변부에 용융금속(1)의 응고층이 형성되지 않은 상태에서 전자석을 통해 인가되는 교류 전자기장에 의한 유도전류와 이에 따른 전자기장의 상호작용으로 형성되는 전자기력의 성분을 도시하고 있다.

즉 교류전기장에 의하여 용융금속(1)에 발생되는 유도전류는 하나의 전류 흐름 경로(15)를 형성하게 되는데, 유도전류와 전자기장의 벡터곱(Vector Product)으로 표시되는 전자기력(Lorentz Force)은 전류 흐름 경로(15)의 중심을 향한 방향으로 작용하며 그 크기는 전자기장과 유도전류의 곱에 비례한다. 따라서 도금조 하부의 개구부 근처에 전자석(8)을 배치하면 도 5에 도시된 바와 같이 개구부 근처에서 용융금속(1)에 작용하는 전자기력(16)은 중력반대 방향으로 작용하고, 전자석(8)으로부터 상대적으로 먼 위치에 있는 용융금속(1)의 자유표면 부근에서는 중력방향의 전자기력(17)이 발생하지만, 전자기장의 크기가 작기 때문에 발생하는 전자기력(17)은 매우 작다. 따라서 용융금속에 작용하는 전체적인 전자기력의 합은 중력반대 방향으로 향하고, 용융금속이 받는 중력보다 큰 전자기장만 형성되면 용융금속은 부양상태를 유지할 수 있다.

또한 교류 전자석에 의한 유도전류의 경로(15)를 보면 도 5에 도시된 바와 같이 전자석(8)이 설치된 부분에서 단변부로부터 충분히 먼 영역에서는 유도전류의 방향이 금속판의 폭 방향과 동일한 방향으로 형성되기 때문에 전가지력의 작용방향은 항상 중력과 반대방향이 되어 부양 효과를 얻을 수 있다. 그러나 단변부에 가까운 영역에서는 유도전류의 방향이 중력방향과 일치하는 성분이 되어 전자기력 방향(19) 중에서 중력과 수직 방향의 성분(20)은 증가하고 중력에 반대되는 성분(18)은 감소하게 된다. 따라서 단변부 근처의 영역에서는 용융금속(1)을 부양할 수 있는 전자기력이 장변부의 중앙에 비해 상대적으로 훨씬 작으므로 부양효과를 얻을 수 없다.

따라서 본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 의해서 도 6에 도시된 바와 같이 도금조의 단변부에 냉각수단(10, 10′)을 설치하고, 전자기력이 부양효과를 주지 못하는 영역에 도금되는 용융금속(1)의 응고층(11, 11′)을 인위적으로 형성하여 용융금속(1)의 유출을 방지함으로써 개구부 전체에서 안정적인 용융금속(1)의 부양을 실현할 수 있다.

개구부 단변부에 용융금속(1) 응고층(11, 11′)을 형성함으로써 도금조(1) 내에 나타나는 유도전류의 경로(15)와 전자기력(16, 17)을 도시한 도 6과, 용융금속(1)의 응고층이 형성되지 않은 상태에서의 유도전류 및 전자기력을 도시한 도 5를 비교하면, 유도전류의 경로(15)는 도 5와 도 6에 있어서 동일하게 나타나지만 도금조(2) 하부 개구부에서 용융금속(1)에 작용하는 전자기력은 중력의 반대방향(16)만 존재함을 알 수 있다. 즉 단변부에서 부양력을 주지 못하는 중력에 수직한 전자기력(20)은 전부 응고층(11, 11′)에서 받게 되므로 용융금속(1)의 유출을 막을 수 있다.

이러한 응고층(11, 11′)의 두께는 도금조(2)의 내벽으로부터 중력에 수직한 전자기력(20)이 발생하는 영역까지 형성시킨다. 중력에 수직한 전자기력(20)이 발생하기 시작하는 도금조의 내부벽으로부터의 거리는 교류 전기장에 의한 표피깊이(Skin Depth ; δ)와 거의 일치하므로 응고층(11, 11′)의 두께를 주어진 용융금속(1)과 교류 전자기장의 주파수에 의해 결정되는 표피깊이보다 두껍게 형성하여야 한다. 표피깊이는 수학식 1에 나타낸 기준으로 설정하는데, 수학식 1에서 f 는 인가하는 교류 전자기장의 주파수이고, σ는 용융금속(1)의 전기 전도도(Electric Conductivity)이며, μ는 자기 투자율(Magnetic Permeability)이다.

한편 도금조 벽의 내, 외부에서 온도를 알면 응고층(11, 11′)의 두께는 수학식 2에 따라 결정된다.

수학식 2에서 t _pot 는 도금조의 단변부 벽두께를 나타내고, t _solid 는 용융금속(1)의 응고층(11, 11′) 두께를 나타내며, k _pot 는 도금조(1)의 열전도도(Thermal Conductivity), k _solid 는 응고된 용융금속(11, 11′)의 열전도도이다. T _Po 는 도금조(1) 외벽의 온도, T _Pi 는 도금조(1) 내벽의 온도이며, T _m 은 응고층(11, 11′)과 용융금속(1) 경계면의 온도로서 금속의 응고온도이다. 수학식 2로부터 T _Po 와 T _Pi 를 계측하여 제어함으로써 응고층(11, 11′)의 두께 t _solid 를 설정할 수 있는데, 용융금속(1)의 안정적인 부양을 위해서는 항상 수학식 3이 만족되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세하게 설명한다.

[실시예]

도금조(2)는 10㎜ 두께의 스테인레스강으로 제작하고, 개구부(6)에 60㎐의 교류 자기장(B_rms)을 0.3T로 인가하고, 단변부(9, 9′)의 도금조(1) 내벽 온도와 외 벽 온도차를 100℃ 이상으로 유지하여 단변부의 응고층(11, 11′) 최하부 두께(t _solid )를 상기 수학식 1로 계산된 용융아연의 표피깊이(δ)인 55㎜ 보다 두껍게 형성함으로써 개구부에서 500㎜ 높이까지 채워진 도금조(2) 내의 용융아연(1)을 안정적으로 부양하였다.

즉, 단변부의 도금조 내벽온도와 외벽온도와의 차이가 100℃ 이하가 되면, 응고층 두께(t _solid )가 표피깊이(δ)보다 얇아지면서 단변부에서 용융아연의 유출이 발생하였으며, 이러한 용융금속의 유출을 방지하고 안정적으로 부양하기 위해서는 실시간으로 도금조 단변부의 내벽 온도와 외벽 온도를 측정하고 이에 근거하여 단변부의 냉각제 양을 도 4에 도시된 냉각능 제어기(13)에서 냉각제 조절기(14)로 되먹임 조절하여 도금조 단변부의 내벽온도와 외벽온도의 차이를 100℃ 이상으로 유지함으로써 응고층의 두께(t _solid )를 표피깊이(δ)보다 두껍게 일정하게 유지하여 개구부의 용융금속을 안정적으로 부양할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 의하여 도 4와 같이 장치를 구성하고, 교류전원장치로 전자석에 전류를 공급하여 교류자기장을 발생시키고, 도금조의 단변부에 용융금속의 응고층을 형성하기 위하여 냉각제의 양을 제어하였으며, 전류의 크기는 발생하는 전자기력이 개구부의 단면적에 작용하는 용융금속의 중력보다 크도록 공급하였고, 단변부의 벽 온도를 조절하여 응고층 두께를 도금금속의 표피두께보다 크게 유지하였을 때 용융금속의 유출이 없고 개구부 전체에서 용융금속의 자유표면을 안정적인 부양상태로 유지할 수 있었다.

본 발명에 따른 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법 및 그 장치에 의하여 도금조 개구부의 용융금속을 종래 부양방법보다 더욱 안정적으로 부양함으로써 종래의 용융금속 부양 방법들이 가지는 문제점인 금속판의 진동 및 변형과 위치변동 및 용융금속으로의 기포발생을 해결하여 불균일한 도금층의 두께와 무늬발생을 방지하여 양호한 도금층을 확보할 수 있음과 동시에 작업자의 안정성을 보다 확보함으로써 비용과 공정시간을 절감하여 궁극적으로 공정의 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

도금조(2)의 개구부 장변부(7, 7′)에 설치된 교류전자석(8, 8′)의 전자기력을 이용하여 용융금속(1)을 도금조(2)의 개구부(6)에서 부양시키는 단계와,

용융금속(1)의 유출을 막기 위하여 도금조(2) 개구부(6)의 단변부(9, 9′) 부분에 도금조(2) 개구부(6)의 내벽과 외벽의 온도를 측정하여 그 차이가 100℃ 이상이 되도록 하고 응고층(11, 11')의 두께( t_solid )가 표피깊이(δ)보다 두껍고 일정하게 유지되도록 용융금속(1)의 응고층(11, 11')을 인위적으로 형성시켜 용융금속(1)을 더욱 안정적으로 부양하는 단계 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법.
제1항에 있어서,

상기 도금조(2) 개구부(6)의 단변부(9, 9′) 부분에 응고층(11, 11′)을 형성시켜 용융금속(1)을 더욱 안정적으로 부양하는 단계는 도금조(2) 단변부(9, 9′)의 내벽과 외벽에 설치된 온도측정장치(12, 12′)에 의해서 내벽온도와 외벽온도를 측정하는 단계와, 측정된 내벽과 외벽의 온도차이에 의해서 냉각제를 공급하는 단 계와, 도금조(2) 개구부(6)의 내벽과 외벽의 온도를 측정하여 그 차이가 100℃ 이상이 되고, 상기 응고층(11, 11')의 두께( t_solid )가 표피깊이(δ)보다 두껍고 일정하게 유지되도록 상기 냉각제어기(13)에서 냉각제 조절기(14)로 냉각제 양을 되먹임 조절하여 냉각수단(10, 10')으로 냉각제를 공급하는 것에 의해 응고층(11, 11′)이 형성되는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 방법.
삭제
도금조 개구부(6)에서 용융금속(1)을 전자기력의 힘으로 부양시키기 위하여 개구부(6)의 장변부(7, 7′)에 설치된 교류 전자석(8, 8′)과, 용융금속(1)의 유출을 막기 위한 도금조(2) 개구부(6)의 단변부(9, 9′)에 응고층(11, 11′)을 형성시키기 위하여 구비된 냉각수단(10, 10′)과, 도금조(2) 개구부(6)의 단변부(9, 9′) 내벽과 외벽의 온도를 측정하기 위하여 설치된 온도측정장치(12, 12′)와, 온도측정장치(12, 12′)와 연결되어 냉각수단(10, 10′)의 냉각능을 제어하는 냉각능 제어기(13)와, 냉각능 제어기(13)에 의해서 제어되어 냉각제의 양을 되먹임 조절하는 냉각제 조절기(14)를 포함하여 구성되고,

상기 온도측정장치(12, 12')에 의해 도금조(2) 개구부(6)의 내벽과 외벽의 온도를 측정하여 그 차이가 100℃ 이상이 되며, 상기 응고층(11, 11')의 두께( t_solid )가 표피깊이(δ)보다 두껍고 일정하게 유지되도록 상기 냉각제어기(13)에서 냉각제 조절기(14)로 냉각제 양을 되먹임 조절하는 것에 의해 냉각수단(10, 10')으로 냉각제를 공급하여 상기 응고층(11, 11′)이 형성되는 것을 특징으로 하는 용융도금 공정을 위한 용융금속 부양 장치.