KR101065567B1 - 아연 회수장치를 포함하며 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아연 회수장치를 포함하며 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치에 관한 것으로, 전자기부양을 이용한 용융아연도금강판 제조 설비에 아연 회수장치를 구비시킴으로써, 특히 용융아연의 누출이 일어났을 경우에 아연을 회수하여 설비 오염을 방지하고, 제품의 결함을 방지할 수 있는 장치에 관한 발명이다.
Description
본 발명은 아연 회수장치를 포함하며 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융금속을 담은 통에 금속판을 통과시켜 연속적으로 도금하는 공정에서 전자기장을 이용하여 용융금속을 안정적으로 부양시키는 기술 중, 강판이 통과하는 채널부로 새어나올 수 있는 아연을 설비 오염 없이 회수할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 강판에 용융도금을 하기 위해서는 싱크롤(sink roll)을 포함하는 도금욕을 사용하였다. 종래의 용융도금 방법은 도금욕 내에 용융금속을 담고, 그 용융금속내에 싱크롤을 설치하여 강판이 용융금속 내에 침적되었다가 다시 용융금속 밖으로 나올 수 있도록 하는 방법을 사용하였다.
그러나, 이러한 종래 기술은 도금욕 내부에 불순물이 존재할 경우 용융금속 내에 침적된 강판의 표면에 불순물이 부착되어 도금 특성을 저하시키고, 최종 제품의 품질을 저해시키는 문제를 가지고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 금속판(3)에 알루미늄이나 아연 등의 용융금속을 연속적으로 도금하는 기존 공정은, 도금 금속을 용해하여 도금조(2)에 담아두고 금속판(3)을 침지하여 도금하도록 구성되어 있다.
이때, 연속적으로 도금을 하기 위해서 금속판(3)의 이송 방향을 바꾸는 싱크롤(Sink Roll; 4)과 금속판(3)의 진행을 조정하는 스테빌라이징롤(Stabilizing Roll; 5) 등이 모두 용융금속(1)에 잠겨져 있다.
이와 같은 싱크롤 또는 스테빌라이징롤의 축수부는 고온환경으로 인해 무윤활 상태의 슬리브(Sleeve)-부시(Bush) 형태로 지지되고 있으므로 축수부의 접촉 마찰 때문에 여러 제약사항들이 발생한다.
첫째는 각각의 롤들을 유지 보수하는데 많은 비용과 시간이 소요되고,
둘째로 각각의 롤의 축수부 및 표면 등의 상태가 도금 제품의 품질에 지대한 영향을 미치기 때문에 도금공정 운전이 롤의 상태에 크게 의존한다는 점 등이다.
이러한 각각의 롤과 관련된 문제점을 근원적으로 해결하기 위해서는 각각의 롤(4, 5)이 용융금속(1)에 침지되어 있지 않은 도금조 구조를 채택해야 한다.
즉, 도금조 하부에 금속판이 인입 될 수 있는 개구부를 형성하여 이 개구부 를 통해 금속판이 용융금속의 하부로 들어와서 상부로 빠져나가게 배치하고, 개구부를 통한 용융금속의 누출을 방지할 수 있는 장치를 설치함으로써, 롤을 배제한 용융도금방법 및 그 장치가 필요한 것이다.
상기한 바와 같이 롤을 배제한 용융금속도금 공정에서 용융금속 누출을 방지하기 위한 방법으로는, 개구부 주위에 압력실을 설치하여 공기압으로 용융금속의 무게를 지탱하는 방법이 개발되었다. 그러나, 공기압을 이용하는 방식은 압력실의 유지 및 소음 발생 등의 문제 및 효율이 떨어져 전자기장을 이용하는 방법이 개발되었으며, 그 구체적인 방법으로 직류자석을 개구부 주위에 배치하고 용융금속에 직류전류를 흘려서 발생하는 전자기력이 용융금속의 무게를 지탱하도록 하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 개구부 주위에 리니어 인덕션 모터(Linear Induction Motor)를 배치하여 트래블링 마그네틱 필드(Traveling Magnetic Field)에 의한 전자기력으로 용융금속의 무게를 지탱하도록 하는 방법과, 개구부 주위에 교류 전자석을 배치하고 전도체(Conducting Block)를 도금조내의 단변부에 설치하여 발생하는 전자기력으로 용융금속의 무게를 지탱하도록 하는 방도 제안되었다.
현재 상기에 제안된 방법들 가운데, 전자기장을 이용하는 방법들이 주로 주목을 받고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상술한 바와 같이 용융도금공정에서 도금조(2) 하부에 개 구부(7a 및 7b 사이의 영역)를 형성하고, 도금조(2) 하부에서 방향전환 롤(9)을 타고 올라오는 금속판(3)이 용융금속(1)을 통과하면서 도금이 수행될 수 있도록 한다. 이때, 용융금속(1)을 부양시키기 위하여 개구부 주위에 전자기장 발생장치(8a, 8b)를 구비시킨다.
여기서, 전자기장 발생장치(8a, 8b)를 직류자석과 직류전류를 이용하여 형성하는 경우, 직류전류가 강판을 타고 올라와 주변 설비에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있고, 리니어 인덕션 모터(Linear Induction Motor)를 이용하는 경우 개구부 주위에서 금속판의 변형이 발생하여, 이를 방지하기 위한 별도의 수단이 필요한 단점이 있다.
따라서, 교류 전자석과 전도체를 이용하는 방법이 사용되고 있으나, 이 경우 전자기력이 충분하게 받쳐주지 못해서 용융금속이 하부 방향전환 롤(9)로 떨어지는 현상이 발생하고 있다. 이로 인해 강판의 표면이 오염되고 도금 효율이 감소되어 생산 수율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 용융도금공정에서 도금조 하부의 개구부에서 용융금속을 부양시키는 장치에 있어서, 상기 도금조 하부에 형성되어 금속판이 통과하는 경로를 제공하는 세라믹 채널 하부에 부양되지 못하고 누출되는 용융금속을 회수하는 아연 회수 팬을 더 구비시키고, 회수가 더 잘 이루어지도록 용융금속의 방향을 유도하는 자석을 구비시킴으로써, 전자기부양 방식의 수직형 용융도금설비에서 용융금속이 누출될 경우 도금욕 하단의 방향전환 롤을 오염시켜 강판 표면 품질 불량을 일으키는 현상을 방지할 수 있는 전자기부양을 이용한 용융아연도금강판 제조 설비에서의 아연 회수장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치는 상부가 개방된 박스 형태로 용융금속을 담고 있으며, 하부에 금속판을 통판시킬 수 있도록 구비되는 개구부가 구비된 도금조와, 상기 개구부 외각을 따라 상기 도금조 하부로 연장되며, 상기 금속판이 상기 도금조의 하부에서 상부로 수직 통판될 수 있는 경로를 제공하는 세라믹 채널과, 상기 세라믹 채널을 둘러싸는 형태로 구비되며, 상기 세라믹 채널 내에 전자기력을 발생시켜 상기 용융금속을 부양시키는 인덕터와, 상기 세라믹 채널의 하부에 구비되며, 상기 세라믹 채널을 통하여 누출되는 용융금속을 상기 금속판으로부터 멀어지도록 하는 유도자석 및 상기 유도자석의 하부에 구비되며, 상기 누출되는 상기 용융금속을 받아서 임시로 저장하는 아연 회수 팬(pan)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 인덕터는 상기 세라믹 채널의 주위에 권취시켜 교류전원에 의해 전자기장을 발생시키는 인덕션 코일 및 상기 인덕션 코일의 외부에 구비되어 부양된 상기 용융금속의 유동을 방지시키는 직류전자석을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 유도자석은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하고, 상기 유도자석의 내측에는 상기 세라믹 채널에서 연장되는 보조 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 아연 회수 팬은 상기 금속판의 주위를 둘러싸는 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 아연 회수 팬은 상기 금속판에서 멀어질수록 더 낮아지는 경사형으로 구비되며, 경사의 하부에는 상기 용융금속을 저장할 수 있는 저장조를 포함하는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 아연 회수 팬에 모이는 상기 용융금속의 응고를 방지하는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 아연 회수 팬에 모이는 상기 용융금속을 정화시켜 상기 도금조 내에 공급하는 순환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 교류전자기력 발생장치를 이용하여 도금조 하부의 개구부를 통해 용융금속이 누출되지 않고 이 부분의 자유표면을 안정하게 유지하는 방법과 장치를 제공함으로써, 용융도금공정에서 용융금속 내부에 설치되어 있는 롤에 기인한 문제점들을 해결할 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명은 롤 유지, 보수와 관련된 비용과 시간을 대폭 절감하여 궁극적으로 공정의 생산성을 높일 수 있고, 또한 롤에 기인한 도금 제품의 결함, 예를 들면 금속판의 진동, 변형, 위치 변동 등에 의한 도금층 두께 불균일이나 무늬 발생 등을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
이하에서는 본 발명에 따른 아연 회수장치를 포함하며 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치에 대한 도면 및 실시예를 들어 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치의 용융금속 아연 회수 장치를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 하부가 개방된 박스 형태의 도금조(120)가 구비된다. 도금조(120)는 용융금속(100)을 담고, 금속판(130)을 통과시킬 수 있도록 상부가 개방된 형태로 구비된다.
다음으로, 도금조(120)의 하부 개구부 외각을 따라 도금조(120) 하부로 연장되는 세라믹 채널(170a, 170b)이 구비된다. 세라믹 채널(170a, 170b)은 금속판(130)이 도금조(120)의 하부에서 상부로 수직 통판 될 수 있는 경로를 제공하고, 용융금속(100)이 부양되는 공간을 제공 한다. 따라서, 세라믹 채널(170a, 170b)은 튜브 형태로 형성되고 있으나, 단면도 상에서는 좌/우 양쪽에 구비된 것으로 보이고 있으므로 편의상 두 부분으로 나누어 설명하는 것으로 한다. 그리고 이하에서 개구부는 세라믹 채널(170a, 170b) 내부 영역으로 정의되는 것으로 한다.
그 다음으로, 세라믹 채널(170a, 170b) 내부에 전자기력을 발생시키는 인덕터(180a, 180b)가 구비된다. 이때, 인덕터(180a, 180b)는 세라믹 채널(170a, 170b)의 주위에 권취시켜 교류전원에 의해 전자기장을 발생시키는 고주파 인덕션 코일(Induction Coil) 및 인덕션 코일의 외부에 구비되어 부양된 상기 용융금속의 유동을 방지시키는 직류전자석을 포함한다. 이때, 직류전자석은 도금조(120)의 장변에 대응되도록 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 고주파 인덕션 코일에는 주파수가 조절되는 교류전류를 흐르게 하여 전자기장(BAC)을 형성하고, 이 전자기장(BAC)은 도금조(120) 개구부 내부에 존재하는 용융금속(100)에 유도전류(JAC)를 발생시킨다.
이때, 전자기장(BAC)과 유도전류(JAC)는 하기 [수학식 1]로 표현되는 전자기력(FAC)을 발생시키며, 이 전자기력(FAC)은 용융금속(100)에 체적력의 형태로 작용하며 그 수직성분은 용융금속(100)을 부양시키는 성분이 된다.
[수학식 1]
(여기서, FAC는 전자기력이고, JAC는 유도전류이고, BAC는 전자기장이고, ×는 전류와 자기장의 벡터(Vector)곱을 나타낸다.)
상기 [수학식 1]에 의해 발생하는 전자기력(FAC)의 수직성분 크기는 전자기장(BAC)의 폭 방향 분포로 인해 개구부의 중앙부보다 가장자리(단변부 쪽)에서 크다.
이로 인하여, 도금조(120)의 개구부에 부양되는 용융금속(100)에서는 원하지 않는 폭 방향 유동이 발생할 수 있다. 또한, 전자기력의 수평성분은 개구부에서 두께방향 유동을 유발하며, 이러한 유동은 동압(Dynamic Pressure)을 유발하여 부양의 안정성을 해치게 되어 용융도금 공정을 불가능하게 할 수도 있다.
따라서, 인덕션 코일 외부에 설치된 직류전자석에 의한 직류자기장(BDC)은 전도체에 유동(u)이 발생하면 하기 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이, 전자기력(FDC)을 발생시키는데 이 힘은 항상 유동을 억제하는 방향으로 작용한다.
[수학식 2]
(여기서, FDC는 전자기력이고, BDC는 직류자기장이고, u는 전도체의 유동 정도이고, σ는 용융금속의 전기전도도이고, ×는 전류와 자기장의 벡터(Vector)곱을 나타낸다.)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인덕터(180a, 180b)는 인덕션 코일에 의한 전자기력으로 용융금속의 무게를 지탱하는 부양력을 발생시키고, 직류전자석에 의한 전자기력으로 피부양체의 유동을 억제하여 용융금속의 안정적인 부양상태를 구현하는 것이다.
이때, 인덕터(180a, 180b) 내에 포함되는 인덕션 코일의 형태와 흐르는 전류의 크기는 부양되는 용융금속의 높이(h)를 고려하여 결정하며, 인덕션 코일에 흐르는 전류의 주파수(f)는 도금조(120) 하부 개구부의 간격(g)을 고려하여 결정한다.
이러한 인덕션 코일의 형태와 전류크기는 도금조(120) 하부 개구부에서 전자기장(BAC)이 하기 [수학식 3]을 만족하도록 선택하고,
[수학식 3]
(여기서, BAC는 전자기장이고, ρ는 용융금속의 밀도이고, h는 용융금속의 부양높이를 나타낸다.)
또한, 인덕션 코일의 전류주파수(f)는 하기 [수학식 4]를 만족하도록 선택한다.
[수학식 4]
(여기서, f는 인덕션 코일의 전류주파수이고, g는 개구부 간격이고, μ는 용융금속의 자기 투자율이고, σ는 용융금속의 전기전도도이다.)
다음으로, 상기한 [수학식 3] 및 [수학식 4]를 유도하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
외벽에 자기장이 작용하는 반무한체에 대한 이론해의 결과를 적용하면 하기 [수학식 5] 내지 [수학식 6]을 얻을 수 있다.
[수학식 5]
이를 표면의 전자기압으로 계산하면,
[수학식 6]
부양을 위한 용융금속의 하부 자유탕면이 연직선과 45도를 이룬다고 근사화하면 상기 전자기압의 일부(cos45=1/√2)만이 부양력으로 작용한다. 이 부양력은 용융금속의 무게보다 커야 한다.
즉, 하기 [수학식 7]과 같이 유도되며,
[수학식 7]
삭제
[수학식 4]는 고주파 전자기장이 용융금속에 작용하는 깊이 (σ)가 도금조 하부의 개구부 간격(g)의 1/2보다 커야 한다는 조건에서 유도된다.
그렇지 않으면 개구부의 중심부에서 용융금속이 누출될 가능성이 커진다.
따라서, 하기 [수학식 8]로 유도되며,
[수학식 8]
(여기서, δ는 용융금속의 누출정도이고, g는 개구부 간격이고, σ는 용융금속의 전기전도도이고, μ는 용융금속의 자기 투자율이고, μ는 용융금속의 자기 투자율이고, f는 인덕션 코일의 전류주파수이다.)
이를 정리하면 상기 [수학식 4]가 얻어진다.
이를 정리하면 상기 [수학식 4]가 얻어진다.
그러나, 용융도금 과정에서 용융금속의 무게가 계속 변화하고 인덕터의 전기 인가 조건이 변화하므로 용융금속의 누출을 완벽하게 방지할 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 세라믹 채널(170a, 170b)의 하부에 구비되며, 세라믹 채널을 통하여 누출되는 용융금속(105)을 금속판으로부터 떨어지도록 하는 유도자석(150a, 150b)이 구비되고, 유도자석(150a, 150b)의 하부에 누출되는 용융금속(105)을 받아서 임시로 저장하는 아연 회수 팬(140a, 140b)이 구비된다. 이때, 아연 회수 팬(140a, 140b)은 금속판(130)의 양면과 대면되는 두개의 팬으로 구비될 수도 있고, 금속판(130)의 주위를 둘러싸는 일체형으로 구비될 수 있다. 즉, 평면도 상에서 보면 도넛과 같은 형태가 되고, 도넛의 구멍을 통하여 금속판(130)이 지나가게 되는 것이다. 그리고, 아연 회수 팬(140a, 140b)은 금속판(130)에서 멀어질수록 더 낮아지는 경사형으로 구비되어, 경사의 하부에 용융금속을 저장할 수 있는 저장조를 포함하는 형태로 구비된다.
유도자석(150a, 150b)은 영구자석 또는 전자석으로 구비될 수 있으며, 유도자석(150a, 150b)의 내측에는 세라믹 채널(170a, 170b)에서 연장되는 보조 채널(160a, 160b)을 더 포함한다. 이때, 보조 채널(160a, 160b)도 세라믹 채널(170a, 170b)과 같이 일체형으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구비된 아연 회수 팬(140a, 140b) 및 유도자석(150a, 150b)에 의해 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 누출되는 용융금속(105)들이 금속판(130)에 붙거나 그 하부의 방향전환 롤(190)에 떨어지지 않도록 한다.
여기서, 아연 회수 팬(140a, 140b)은 그 하부에 회수된 용융금속(110)의 응고를 방지하는 가열기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 회수된 용융금속(110)을 아연 회수 팬(140a, 140b) 밖으로 배출시키고, 배출된 용융금속 정화시켜 도금조(120) 내에 공급하는 배수구 및 순환장치를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 장치는 도금조(120)에 담긴 용융금속(100)의 양을 항상 일정하게 유지시킬 수 있도록 도와 줄 수 있고, 용융금속(100)의 질량 변화에 따른 부양 조건도 항상 일정하게 유지시킴으로써, 용융도금공정의 효율을 향상시킬 수 있도록 도와 준다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 전자기장을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치의 용융금속 회수 장치를 도시한 단면도.
Claims (10)
- 상부가 개방된 박스 형태로 용융금속을 담고 있으며, 하부에 금속판을 통판시킬 수 있도록 구비되는 개구부가 구비된 도금조;상기 개구부 외각을 따라 상기 도금조 하부로 연장되며, 상기 금속판이 상기 도금조의 하부에서 상부로 수직 통판될 수 있는 경로를 제공하는 세라믹 채널;상기 세라믹 채널을 둘러싸는 형태로 구비되며, 상기 세라믹 채널 내에 전자기력을 발생시켜 상기 용융금속을 부양시키는 인덕터;상기 세라믹 채널의 하부에 구비되며, 상기 세라믹 채널을 통하여 누출되는 용융금속을 상기 금속판으로부터 멀어지도록 하는 유도자석; 및상기 유도자석의 하부에 구비되며, 상기 누출되는 상기 용융금속을 받아서 임시로 저장하는 아연 회수 팬(pan)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 인덕터는 상기 세라믹 채널의 주위에 권취시켜 교류전원에 의해 전자기장을 발생시키는 인덕션 코일 및 상기 인덕션 코일의 외부에 구비되어 부양된 상기 용융금속의 유동을 방지시키는 직류전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 유도자석은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 유도자석의 내측에는 상기 세라믹 채널에서 연장되는 보조 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 아연 회수 팬은 상기 금속판의 주위를 둘러싸는 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 아연 회수 팬은 상기 금속판에서 멀어질수록 더 낮아지는 경사형으로 구비되며, 경사의 하부에는 상기 용융금속을 저장할 수 있는 저장조를 포함하는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 아연 회수 팬에 모이는 상기 용융금속의 응고를 방지하는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 아연 회수 팬에 모이는 상기 용융금속을 정화시켜 상기 도금조 내에 공급하는 순환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기부양을 이용한 용융아연도금 강판 제조 장치.
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