KR101192318B1 - 용융도금강판의 가스 와이핑 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 용융금속을 일정량 제거할 수 있는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치에 관한 것으로서, 특히 에어나이프의 상측에서 분사되는 중심제트를 이용하여 용융도금강판에 부착된 용융금속을 제거하도록 하고, 하측에서 분사되는 안내제트를 이용하여 중심제트의 유동을 안정화시키면서 충돌 제트 영역의 유동장을 균일하게 함으로써, 분사 제트의 에너지 손실을 줄이면서 용융금속의 제거 능력을 향상시킬 수 있고, 아울러 용융도금강판에 발생되는 표면 얼룩무늬 현상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

용융도금강판의 가스 와이핑 장치 및 방법{Device and method for gas-wiping zincgalvanized steel sheet}

본 발명은 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 용융금속을 일정량 제거할 수 있는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융금속의 제거 능력을 향상시키면서 용융도금강판의 표면 얼룩무늬 발생을 방지할 수 있는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치 및 방법에 관한 것이다.

19세기 중엽 프랑스와 영국에서 시작된 아연도금강판은 내식성이 뛰어날 뿐만 아니라 도장성, 가공성, 용접성 등이 매우 우수해 토목, 건축은 물론 자동차, 전기설비 등 여러 산업분야에서 널리 사용되고 있다.

일반적으로 아연도금강판은 연속식 용융아연도금 공정에 의해 생산되는데, 이 때 강판의 표면에 부착된 용융아연의 도금량은 가스 와이핑(gas wiping)법을 통해 조절한다.

도 1은 종래기술에 따른 아연도금강판 제조공정에 적용되는 가스 와이핑법에 대해 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 2는 종래기술에 따른 에어나이프 구조를 보여주는 단면도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같은 가스와이핑법은, 용융아연금속 욕조(浴槽)(10)를 통과한 아연도금강판(20)을 고압의 제트분사가 이루어지는 한 쌍의 에어나이프(30) 사이로 통과시켜 충돌제트에 의한 충돌압력과 전단응력을 이용해 필요 이상의 용융아연을 제거하여 도금두께를 얇게 형성시키는 기술을 일컫는다.

이러한 가스 와이핑법은 우수한 생산성과 도금량 조절의 편이성으로 최근에는 거의 모든 연속식 용융아연도금 공정에서 사용되고 있지만, 강판의 단부영역 즉, 모서리부에 과도금 현상이 발생하고 중앙영역에 사선무늬 표면결함이 발생하는 문제가 있다.

특히, 강판(20)의 중앙에서 발생되는 표면 얼룩무늬 현상은 아연 도금 박막에 점, 선 모양의 표면결함, 또는 'X'자형, 'V'자형, 'W'자형 등의 사선모양의 표면 결함이 발생하는 것으로서, 에어나이프에서 고속의 제트가 강판(20)과 충돌하면서 좌굴 현상이 발생되고 이와 함께 불균일한 충돌 압력분포를 가지게 된다. 이러한 표면 얼룩무늬 현상의 원인은 제트가 강판에 충돌하는 정체 압력선을 따라 주기적으로 나타나는 고압력점과 저압력점에 의한 것임이 밝혀졌다. 이러한 강판(20)의 표면결함은 불균일한 전기전도성과 열전도성 그리고 빛의 난반사 등 많은 부작용을 낳기 때문에, 깨끗한 표면을 요구하는 완제품의 재료로 사용할 수가 없다. 따라서 도금강판 생산자들에게 수익성과 생산성을 낮추는 주된 문제점으로 알려져 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에어나이프의 상측에서 분사되는 중심제트를 이용하여 용융도금강판에 부착된 용융금속을 제거하도록 하고, 하측에서 분사되는 안내제트를 이용하여 중심제트의 유동을 안정화시키면서 충돌 제트 영역의 유동장을 균일하게 함으로써, 분사 제트의 에너지 손실을 줄이면서 용융금속의 제거 능력을 향상시킬 수 있고, 아울러 용융도금강판에 발생되는 표면 얼룩무늬 현상을 방지할 수 있는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 용융금속을 일정량 제거하는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치에 있어서, 상기 에어나이프는, 상기 용융금속을 제거하기 위한 중심제트가 분사되는 중심제트 분사구가 형성된 중심제트 챔버; 및 상기 중심제트 챔버의 하부에 위치하며, 상기 분사되는 중심제트의 유동을 안정화시키기 위한 안내제트가 분사되는 안내제트 분사구가 형성된 안내제트 챔버를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 안내제트 분사구의 두께는 상기 중심제트 분사구의 두께보다 얇게 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 중심제트의 분사방향과 상기 안내제트의 분사방향은 서로 다르게 형성할 수 있다.

이때, 상기 안내제트의 분사방향은 상기 용융도금강판 면에 수직하고, 상기 중심제트의 분사방향은 상기 안내제트의 분사방향과 소정의 사잇각을 이루며 하향 경사지도록 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 중심제트의 두께가 1.5mm, 중심제트의 입구 정체압력이 25KPa로 일정할 경우, 상기 안내제트의 두께는 0.6mm, 중심제트와 안내제트 사이의 거리는 0.2mm, 중심제트와 안내제트의 사잇각은 1°, 안내제트의 입구 정체압력은 15Kpa의 설계치를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 중심제트 및 안내제트에 적용되는 가스는 질소가스가 사용될 수 있다.

한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 용융도금강판의 가스 와이핑 방법은, 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 용융금속을 일정량 제거하도록 하되, 상측에 위치한 중심제트 분사구에서 분사되는 중심제트를 이용하여 용융도금강판에 부착된 용융금속을 제거하도록 하고, 상기 중심제트 분사구의 하부에 위치한 안내제트 분사구에서 분사되는 안내제트를 이용하여 중심제트의 유동을 안정화시키도록 하여 용융도금강판 표면에 얼룩무늬 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 중심제트의 분사방향과 상기 안내제트의 분사방향은 서로 다르 게 형성할 수 있다.

이때, 상기 안내제트의 분사방향은 상기 용융도금강판 면에 수직하고, 상기 중심제트의 분사방향은 상기 안내제트의 분사방향과 소정의 사잇각을 이루며 하향 경사지도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 2중 에어나이프의 상측에서 분사되는 중심제트를 이용하여 용융도금강판에 부착된 용융금속을 제거하도록 하고, 하측에서 분사되는 안내제트를 이용하여 중심제트의 유동을 안정화시키면서 충돌 제트 영역의 유동장을 균일하게 함으로써, 분사 제트의 에너지 손실을 줄이면서 용융금속의 제거 능력을 향상시킬 수 있고, 아울러 용융도금강판에 발생되는 표면 얼룩무늬 현상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 용융도금강판의 가스 와이핑 장치에서 에어나이프의 용융금속 절삭 능력은 기존과 같이 그대로 유지하면서 용융도금강판에 발생되는 표면 얼룩무늬 현상을 방지할 수 있는 새로운 형태의 에어나이프 장치를 제공한다.

도 3은 본 발명에 따른 용융도금강판의 가스 와이핑 장치를 도시한 것으로 서, 용융아연도금강판의 표면 얼룩무늬 발생을 방지할 수 있는 2중 에어나이프 구조를 도시한 단면도이다.

본 발명은 용융아연 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 용융아연을 일정량 제거하는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치로서, 강판에 부착된 용융아연을 제거하는 에어나이프가 2개의 분사 제트를 동시에 분사할 수 있는 2중 에어아이프 구조로 되어 있다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 안내제트는 도금 강판(200)에 부착된 용융아연을 제거하기 위한 중심제트가 분사되는 중심제트 분사구(312)가 형성된 중심제트 챔버(310)와, 상기 중심제트 챔버(310)의 하부에 위치하며 상기 분사되는 중심제트의 유동을 안정화시키기 위한 안내제트가 분사되는 안내제트 분사구(322)가 형성된 안내제트 챔버(320)로 구성된 2중 에어나이프 구조로 되어 있다.

이때, 상기 안내제트 분사구(322)는 중심제트 분사구(312)의 바로 아래에 위치하게 되고, 상기 안내제트 분사구(322)의 폭(y-방향 두께)은 상기 중심제트 분사구(312)의 약 1/3 크기로 얇게 형성된다.

그리고, 본 발명은 중심제트의 분사방향과 안내제트의 분사방향이 서로 다르게 형성되는데, 도 3의 분사구 확대구조에서 보는 바와 같이 안내제트 분사구(322)는 강판(200)의 도금 면에 수직하도록 지면과 수평으로 형성되는 반면, 그 상부에 위치한 중심제트 분사구(312)는 소정의 기울기를 가지며 하부방향으로 경사지게 형성되어 있다. 이에 따라, 안내제트의 분사방향은 도금 강판(200) 면과 수직하게 유지되는 한편 중심제트의 분사방향은 안내제트의 분사방향과 소정의 사잇각(θ)을 이루며 하향 경사지게 유지된다.

여기서, 상기 중심제트는 기존의 에어나이프와 같이 용융 아연을 제거하는 역할을 하게 되고, 반면 상기 안내제트는 상기 중심제트의 유동을 안정화시키는 역할을 하게 된다. 즉, 본 발명의 2중 에어나이프 시스템에서 안내제트는 중심제트의 유동을 안정화시켜 충돌 부분에 와류장을 더 이상 만들지 않도록 하고, 이에 따라 안내제트는 중심제트의 좌굴 현상을 방지하여 강판(200)에 더 이상 표면 얼룩무늬를 만들지 않게 된다. 아울러, 상기 중심제트의 유동이 안정화되면서 아연제거 능력을 향상시키게 된다.

본 발명에서는 이와 같은 2중 에어나이프 시스템에서 중심제트 및 안내제트로 사용되는 질소가스의 거동을 유체역학적으로 분석하여 검증하기 위해 3차원 비정상 압축성 유동을 LES 난류모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 이때, LES SGS(sub-grid scale)모델은 Smagorinsky-Lilly SGS 모델을 사용하였고, 수치해석을 통해 에어나이프 부근과 도금 강판 표면에서의 압력, 속도, 와류장의 시각상 변화를 관찰하였고, 기존 에어나이프에서의 유동장과의 비교 분석을 통해서 2중 에어나이프의 성능에 대한 검증을 하였다.

(1) 수치해석 방법

도금 강판의 가스 와이핑 공정에서 마하수 0.3~0.8 근처에서 작동하는 평판 충돌제트의 유동 특성을 관찰하기 위하여, 3차원 비정상 압축성 유동장에 대한 수치해석을 상용코드인 FLUENT를 이용하여 수행하였다.

수치 해석 시 사용한 계산 영역과 경계 조건은 도 3에 나타낸 바와 같으며, 이를 기존 에어나이프 구조인 도 2와 비교하면, 두 경우 모두 강판(200)의 폭 방향(Z-축) 길이는 200mm을 사용하였는데 이 길이는 실제 조업 공정에서 사용하는 강판 길이의 약 1/4 길이에 해당한다.

이때, 표면 얼룩무늬 현상은 강판(200)의 단부 영역이 아닌 내부영역에서 일어나기 때문에 강판(200) 좌우의 단부 영역에서 형성되는 대항 제트 영역은 고려하지 않았다. 그리고, 유동장이 강판(200)의 Z-축 폭 방향으로 동일한 경향으로 나타날 것이라 판단되었기에 좌?우 측면에는 대칭 경계조건을 사용하였다. 그리고 강판(200)은 아래에서 위로 일정한 속도로 이동하며 계산영역 상부와 하부 사이의 거리는 60mm로 설정하였다. 또한 계산영역의 양끝 단에서의 유동출구 경계조건으로는 대기압 조건을 사용하였다.

도 2의 기존 에어나이프에서 d₀₁과 L은 각각 에어나이프 출구 두께와 에어나이프 출구에서 강판까지의 거리를 나타낸다. 그리고, 도 3의 본 발명의 2중 에어나이프에서 d₀₂와 d₀₃은 각각 중심제트와 안내제트의 에어나이프 출구, 즉 각 분사구(310)(320)의 두께를 나타낸다. 또한, d₀₄는 중심제트와 안내제트의 분사구(310)(320) 사이의 거리를 나타낸다. θ는 중심제트와 안내제트의 사잇각을 나타낸다. 이때 기존 에어나이프와 본 발명의 2중 에어나이프의 비교를 위해 L은 동일한 값을 사용하였다.

에어나이프 출구에서의 유동 조건으로는 기존 에어나이프 시스템에서 표면 얼룩무늬 현상이 발생하는 조업조건에서의 에어나이프 내부 정체압력(P₀)과 정체온도(T₀)를 사용하였으며, 작동유체는 실제 조업 시 사용하는 질소가스를 사용하였다.

정체 압력(P₀)과 정체 온도(T₀)는 2등급의 표면 얼룩무늬 결함이 생기는 실제 작업조건에서 얻어졌으며 각각 25kPa과 340K이다. 아래의 <표 1>에 기존의 에어나이프와 본 발명의 2중 에어나이프의 기하학적 형상 조건을 정리해 놓았다.

<표 1> 기학학적 조건

Case 1은 기존의 에어나이프 시스템을 나타내고 있으며, Case 3은 본 발명의 2중 에어나이프 시스템을 나타낸다. 한편, Case 2는 2중 에어나이프의 중심제트와 안내제트의 출구 두께(d₀₂)(d₀₃)를 더하여 하나의 에어나이프 출구 두께(d₀₁)를 만든 경우이다. 만약 Case 3의 에어나이프의 유동장이 안정적이면 2중 에어나이프의 필요성이 없기 때문에 Case 3에 대한 유동 해석을 수행하였다. 이와 같은 비교 해석을 통해 2중 에어나이프의 유동특성을 파악하였다. 한편 모든 경우에서 강판은 y-방향으로 2.5m/s의 속도로 이동하는 경우로, x=0에서 강판의 y-방향 이동 속도가 V=2.5m/s인 벽(wall) 경계조건을 주었다.

그리고, 비정상 수치해석을 위한 시간 간격 Δt는 1.0 х 10^-4sec를 사용하 였다. 이 값은 강판 표면의 정체압력선을 따라 발생하는 압력 변동 주기의 1/30 정도에 해당하는 값이다. 아울러 제트와 강판의 충돌 영역에 계산 격자를 가장 작게 하였으며 그 길이는 0.1mm로 하였다. Z-방향은 동일한 격자 길이를 사용하였으며, y-방향 격자는 에어나이프 중심선으로부터 ±y-방향으로 일정비율로 증가하는 조건을 사용하였다. 이와 같은 격자간격을 사용하여 전체 계산영역에 약 300만개의 정렬 격자를 구성하였다. 이 격자구조의 평균 Courant 수는 약 2 정도이다. 속도-압력 연결방법은 PISO 알고리즘을 사용하였으며, 이산화 방법은 LES 난류모델에 적합한 bounded central differencing 방법을 적용하였다.

(2) 3차원 비정상 평면 제트의 유동장 및 사선무늬 현상 분석

Case 1의 유동장 분석을 통해 평면 충돌 제트의 거동을 살펴 보았다. 도 4는 에어나이프에서 강판으로 분사된 질소가스의 속도장과 압력장을 z-방향의 중앙위치(z=100mm)에서 xy-평면에 나타낸 것이다. 여기서, 도 4의 (a)는 standard k-e 난류모델을 사용해서 얻은 결과이고 (b)는 LES 난류 모델을 사용해서 얻은 결과이다. 두 난류 모델을 사용하여 수치계산으로 얻은 제트의 최대속도는 출구 영역에서 약 230m/s이다. 위의 수치해석 시 경계조건으로 사용한 질소가스의 내부정체압력과 아래 식(1)의 등엔트로피 과정의 이상기체 방정식을 이용하여 출구 속도를 구해보면 약 232m/s 가 나온다. 이때, 방정식 (1)에서 비열비(r) 값은 1.4을 사용하였다.

(1)

일반적으로, 이동하는 강판에 평면 제트를 수직으로 분사하는 경우에는 이동하는 강판의 영향으로 인해 제트가 강판의 진행방향으로 휘어지게 된다. 그러나 도 4에서와 같이 제트가 강판의 이동속도에 비하여 매우 빠르게 분사되기 때문에 제트의 휘어짐은 거의 나타나지 않는다. 도 4의 (a)와 (b)를 비교해 보면 전체적인 속도와 압력은 유사한 분포를 보이고 있으나, LES 난류모델을 사용한 도 4의 (b)의 경우는 제트의 상부와 하부에 반대 방향으로 형성된 와(vorticity)가 나타나게 된다. 이와 같은 현상은 LES 난류모델을 사용해서 얻은 결과로써 일반적인 k-e이나 k-w계열의 RANS 해법에서는 나타나지 않는 국부적인 3차원 유동현상이다.

도 4의 (b)에서는 제트의 중심면이 위아래로 좌굴이 일어나는 것을 관찰할 수 있다. 제트가 평판과 부딪히면서 좌굴 현상이 나타나는 것은 점성이나 난류로 인하여 일어나는 것이 아니라 potential flow의 형상으로 알려져 있다. 제트는 ㄷ도 4의 (a)와 같이 에어나이프 내부의 정체압력과 강판에서의 충돌로 인하여 역류방향의 반작용 힘을 받게 된다. 이와 같이 제트의 유체체적이 국부적으로 양쪽으 로부터 힘을 받아 중심면에서 좌굴 현상이 나타나게 되는데, 이러한 작용력에 베르누이 공식과 굽힘 모멘트 공식을 이용하면 다음 식 (2)와 같이 평면 제트의 좌굴 파장(buckling wavelength)를 구할 수 있다.

(2)

이때 2차원 에어나이프의 출구 폭 d를 사용하여 위 식을 정리하면 식 (3)과 같이 좌굴파장과 에어나이프 출구 두께의 관계를 얻을 수 있다.

(3)

Case 1과 같이 d=1.5mm인 경우엔 λ_B=2.72mm을 얻게 된다. 도 4의 (b)는 수치해석 결과로써 평균적인 좌굴파장의 길이는 약 3mm이다. 이론 결과와 수치해석 결과가 10% 이내에서 일치하는 것을 볼 수 있다.

도 5는 Y=1.4mm 에서의 xz-평면의 순간 정압력 분포를 나타내고 있다. 강판 표면에서는 5kPa~18kPa 사이의 고압력점과 저압력점이 주기적으로 나타나고 있는데 이 순간적인 표면 압력 분포로 인하여 결국 내부 충돌 영역에서 좌우 방향 속도 성분이 발생하게 된다. 그리고 벽면에서 상당한 거리가 떨어진 부분에서도 압력이 물결모양으로 분포되어 있는 것을 볼 수 있는데 이를 통해서도 제트의 중심축에 좌굴이 일어난 것을 확인할 수 있다. 이때 고압력점에서는 저압력점에 비해서 용융아연을 더 깎아내게 되어 도금두께가 얇아지게 된다. 이와 같이 아연도금두께는 제트와 강판의 충돌지점에서의 정체압력과 반비례 관계에 있다. 따라서 충돌지점에서의 시간에 따른 압력변화를 통해 표면 얼룩무늬 형상을 설명할 수 있다.

(3) 2중 에어나이프의 유동장 분석

기존의 에어나이프와 본 발명에서 고안된 2중 에어나이프의 유동특성과 아연제거 능력에 대한 비교작업을 위해 앞서 전술된 <표 1>에서 정리한 바와 같이 3가지 형상에 대한 유동해석을 진행하였다.

아연제거능력은 에어나이프의 성능 중 가장 중요한 요소 중 하나이다. Navier-stokes 식을 이용하여 식 (4)와 같이 강판 표면에서의 충돌 압력, 전단응력과 용융아연의 도금 두께에 관한 무차원 식을 유도할 수 있다. 위 식을 만족하기 위해서는 강판 표면에서 용융아연의 거동이 정상 층류 유동이고 표면장력에 의한 효과를 무시할 수 있으며 용융아연이 강판표면에서 미끄럼이 일어나지 않는다는 가정이 필요하다.

(4)

그리고, 무차원 상수에 대한 정의는 아래의 식 (5)와 같다.

(5)

위 식에서와 같이 에어나이프의 아연제거 능력은 강판에서의 충돌 압력 변화율(

)과 전단응력(

)에 관계되어 있다.

수치해석 결과와 식 (4)를 이용하여 2중 에어나이프의 성능에 대해서 설명하면, 도 6의 (a)는 충돌 지점에서의 평균 정체압력을 나타내고, 도 6의 (b)는 y-방향으로의 압력 변화율(dp/dy)을 나타낸다. 한편 도 6의 (c)는 강판 표면에서의 전단응력분포를 나타낸다. 모든 경우, y=0인 지점은 에어나이프 출구 하단을 나타낸다. 도 6(a)의 충돌압력 분포를 통해 제트의 압력 손 실과 확산 정도를 확인할 수 있다. 실선으로 표시된 Case 1의 경우는 최대 정체압력이 약 16.5kPa이다. 입구 정체압력이 25kPa이므로 약 35%의 압력 손실이 발생했다고 볼 수 있다. 반면 점선과 일점 쇄선으로 표시된 Case 2와 Case 3의 경우는 최대 정체압력이 각각 24.5kPa과 22.5kPa이다. 따라서 이 경우에는 2%와 10%의 압력 손실이 발생했다고 볼 수 있다.

Case 1의 경우는 에어나이프 입구 두께가 1.5mm인 경우로써, 도 4와 도 5에서 확인하였듯이 외부 영향에 의해 불균인한 유동장을 가지게 된다. 이에 따라 제트는 상당히 많은 양의 압력손실을 수반하게 되고 넓은 범위에서 강판과 충돌하게 된다. 반면 입구 두께가 2mm인 Case 3의 경우, 식 (3)을 통해 얻어지는 좌굴파장의 길이는 약 3.63mm이다. 반면 강판과 에어나이프 사이의 거리는 10mm로 일정하게 유지되기 때문에 Case 3의 경우는 Case 1의 경우보다 제트의 좌굴이 덜 발달하게 된다. 따라서 Case 3의 경우는 Case 1의 경우 보다 안정적인 유동장을 보이게 되고 압력손실도 줄어들게 된다. 2중 에어나이프 시스템인 Case 2에서의 제트의 거동은 기존 에어나이프 시스템에서의 제트의 거동과 다른 양상을 나타낸다.

도 7은 2중 에어나이프에서 강판으로 분사된 질소가스의 속도장과 압력장을 z-방향의 중앙위치(z=100mm)에 서 xy-평면에 나타낸 것이다.

일반적으로 에어나이프에서의 제트에서는 좌굴 현상이 나타나게 된다. 그러나 도 7의 중심제트를 보면 더 이상 육안으로 관찰되는 좌굴 현상은 나타나지 않는다. 다만 압력장을 관찰하면 제트의 상하에 약한 저압력점과 고압적점이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 안내제트의 역할로 설명된다. 안내제트는 중심제트의 바로 아래에 위치하여 중심제트에서 좌굴이 발생하는 것을 억제하게 된 다. 이를 통해 중심제트의 안정화시키게 된다. 아연제거 능력과 직접적인 관련이 있는 값인 도 6(b)의 y-방향 압력 변화율과 도 6(c)의 강판표면 전단응력 분포를 보면 2중 에어나이프의 아연제거 능력을 확인할 수 있다.

도 6(b)의 압력 변화율을 보면 Case 3의 2중 에어나이프의 경우가 Case 1에 비해서는 약 2배, Case 2에 비해서는 약 1.5배 정도 큰 값을 보이고 있다. 이와 같은 특징은 제트의 확산과 관련이 있다. 가장 작은 압력 변화율을 보이고 있는 Case 1의 경우, 도 6(a)을 통해서 확인할 수 있듯이 출구 직경에 비해서 가장 넓은 충돌압력 범위를 가지고 있다. 반면 2중 에어나이프의 경우 제트의 확산이 상대적으로 좁은 범위에서 나타나고 있다. 도 6(c)의 전단응력 분포를 보면 Case 3의 경우가 가장 큰 값을 보이고 있다. 이때 전단응력 은 강판을 따라 이동하는 제트의 속도와 비례 관계에 있다. 따라서 압력 손실이 가장 작은 Case 3의 경우에 가장 큰 전단응력 분포를 가지게 된다. 왜냐하면 정체 압력은 강판을 따라 동 압력으로 바뀌기 때문이다.

도 6(b), (c)의 값을 식 (4)에 대입하여 구한 최종 아연도금 두께를 도 8에 나타내었다. x-축은 도금 두께(μm)를 나타내고 y-축은 강판의 위치(mm)를 나타낸다. Case 3의 최종 도금 두께는 18.4μm 이며, Case 1과 Case 2의 경우는 각각 24.3μm와 20.5μm이다. Case 3의 2중 에어나이프의 경우가 Case 1의 경우에 보다 약 25% 정도 아연제거능력이 향상될 것이라고 기대할 수 있다.

지금까지 2중 에어나이프의 아연 제거 능력에 대해 설명하였는데, 본 발명의 2중 에어나이프는 아연 제거 능력의 향상뿐 아니라 충돌 지점에서의 유동장을 안정 화시켜 표면 얼룩무늬 현상을 방지하는 것에도 목적을 두고 있다. 표면 얼룩무늬 현상의 발생은 충돌제트의 중심면이 평판에 부딪혀서 형성되는 정체 압력선상의 압력장을 관찰함으로써 예측할 수 있다.

도 9는 정체 압력선을 따라서 z-방향으로의 순간 정압력 분포를 나타낸다. y-방향 위치는 평균 정압력이 가장 높은 지점으로 하였다. Case 1의 경우 일정한 주기로 큰 압력 변화가 나타나고 있다. 이 경우는 표면 얼룩무늬 현상이 나타나는 경우이다. Case 2의 경우는 간헐적으로 큰 압력 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 반면 Case 3의 경우는 정체 압력선을 따라 거의 일정한 압력 분포를 나타내고 있다. Case 3의 경우 표준 편차는 690Pa이며, Case 1과 Case 2의 경우는 각각 3050Pa과 2130Pa이다.

Case 1과 Case 3의 충돌 지점에서의 정압력 분포를 도 10에 나타내었다. Case 1의 충돌 압력선을 따라 나타나는 저압력과 고압력의 주기적인 분포가 Case 3에서는 더 이상 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이상의 정체 압력선 상에서의 정압력 분포 특성을 통해 2중 에어나이프에서 중심제트의 유동이 안정화됐음을 확인할 수 있고 더 이상 표면 얼룩무늬 현상이 나타나지 않을 것이라고 판단할 수 있다.

(4) 2중 에어나이프의 최적 설계

도 3의 (b)에서 나타낸 것과 같이 2중 에어나이프의 형상과 관련된 설계 변 수는 중심제트의 출구 두께(d₀₂), 안내제트의 출구 두께(d₀₃), 중심제트와 안내제트 사이의 간격(d₀₄), 중심제트와 안내제트의 사잇각(θ)이라고 볼 수 있다. 중심제트와 안내제트의 입구 경계 조건을 따로 설정할 수 있으므로 안내제트 입구에서의 정체압력(P₀₃)은 작동 변수로 분류할 수 있다. 한편 안내제트와 강판(200) 사이의 거리(L)와 중심제트의 입구 정체압력(P₀₂)도 작동 변수이지만 본 발명에서는 에어나이프 사이의 비교 해석을 위해 일정한 값을 사용하였으며 그 값은 10mm, 25KPa이다.

이와 같이, 수치해석을 통해 이상의 설계 변수가 2중 에어나이프의 성능에 미치는 영향을 살펴 보았다. 설계 변수와 작동 변수 값은 Case 3의 형상을 기준으로 하여 결정하였으며 아래의 <표 2>에 그 값을 정리하였다.

<표 2>

여기서 각각의 설계 변수를 제외한 기하학적인 형상과 작동 조건은 Case 3의 값과 동일하다. 한편, 본 발명은 안내제트의 형상과 작동 조건에 따른 중심제트의 거동을 관찰하기 위한 것이므로, 중심제트의 출구 두께(d₀₂)는 일정한 값 1.5mm를 사용하였다.

설계 변수에 따른 수치해석은 앞서 기술된 방법과 동일하다. 최적 설계 값은 최대 정체 압력과 정체 압력의 표준편차 값을 기준으로 결정하였다. 최대 정체 압력은 강판 표면(y-방향)에서의 평균 정체 압력의 최대값으로 정의하였다. 정체 압력의 표준 편차는 최대 정체 압력 지점의 정체 압력선 방향(z-방향)에서 얻어진 값이다. 이때 최대 정체 압력이 클수록 아연 제거 능력이 우수한 것이고, 표준편차가 작을수록 정체 압력선을 따라 안정적인 유동장을 가진다고 볼 수 있다.

도 11의 (a)와 (b)는 그래프를 통해 최대 정체 압력과 표준 편차를 각각의 설계 변수에 따라 나타낸 것이다. 위의 그래프에서 볼 수 있듯이 안내제트의 두께(d₀₃)에 대한 영향을 살펴보면 Case 3의 경우에 최대 정체 압력이 가장 작은 것을 볼 수 있다.

이 현상은 식 (3)에 나와 있는 좌굴 파장을 통해서 설명할 수 있다. Case 3의 경우 중심제트와 안내제트가 동일 배수의 파장을 가지기 때문에 제트 사이의 간섭에 의한 에너지 손실이 발생했음을 추측할 수 있다. Case 3을 제외하고는 모든 경우에 최대 정체 압력이 약 24KPa 이상을 보이고 있다. 표준 편차의 경우에는 D3_3의 경우가 475Pa로써 가장 안정적인 유동장을 가진다고 볼 수 있다.

중심제트와 안내제트의 출구 사이의 거리(d₀₄)에 대한 영향을 살펴보면 거리에 따른 영향이 확연하게 나타남을 확인할 수 있다. 거리가 멀어질수록 최대 정체 압력은 떨어지고, 표준편차는 커지는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 이유는 거리가 멀어질수록 안내제트가 중심제트의 유동을 안정화시키는 역할을 하기보다는 서로 다른 제트가 되어서 충돌을 일으키기 때문이다. 따라서 제트 사이의 거리가 가까울수록 2중 에어나이프의 성능은 좋아진다고 볼 수 있다. 그래프에서 보이는 바와 같이 이 설계 변수가 2중 에어나이프의 성능에 가장 큰 영향을 미치지만 제작상의 한계로 인해 최소 두께는 0.2mm 이상의 값을 가져야 한다.

한편 중심제트와 안내제트의 사잇각(θ)에 대한 영향에서는, 사잇각이 1~2º인 경우에 최대 정체압력이 약 24.7KPa로 나타나고 있다. 그러나 표준편차를 보면 사잇각이 1º인 경우에 가장 작은 값인 497Pa을 보이고 있다. 형상과 관련된 변수가 아닌 작동 조건과 관련된 변수인 안내제트 입구에서의 정체압력(P03) 변화에 따른 영향을 살펴보면 P₀₃=15KPa인 P3_2의 경우에 가장 큰 최대 정체압력과 가장 작은 표준편차를 보이고 있다. 여기에서 특이한 점은 P3_3와 P3_4의 경우엔 입구 정체압력이 각각 35KPa과 45kPa로써 중심제트의 입구 정체압력인 25kPa보다 크지만 강판에서의 충돌압력은 25KPa을 넘지 않는다는 것이다. 이는 중심제트보다 상대적으로 얇은 두께의 출구에서 분사된 안내제트가 중심제트의 영향으로 인해 유동장 발달이 제한되기 때문이다.

이상의 결과에서 중심제트의 두께가 1.5mm이고 입구 정체압력이 25KPa인 2중 에어나이프의 최적 형상 및 작동 조건은d₀₃=0.6mm, d₀₄=0.2mm, θ=1º, P₀₃=15KP이라고 볼 수 있다. 이와 같은 조건에서의 수치해석 결과, 2중 에어나이프는 최대 정체 압력 24.9KPa, 표준편차 360Pa의 값을 가지게 된다. 최대 정체 압력은 가장 큰 값을 가지게 되지만 표준 편차는 P3_2의 경우와 비슷한 값을 가지게 된다. 이와 같은 최적 조건의 2중 에어나이프는 우수한 아연제거능력을 가지고 표면 얼룩무늬 현상을 발생시키지 않을 것이라 판단된다.

(5) 결론

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 연속식 용융아연 도금 공정에서 발생하는 표면 얼룩무늬 현상을 방지하기 위해 새로운 형태의 2중 에어나이프를 제안하고, 3차원 유동장을 유동해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 계산하였다. 이를 위하여 짧은 거리에서 분사되어 강판에 충돌하는 2차원 평면 출동 제트의 거동을 정확히 모사하기 위해 LES 난류모델을 사용하였다. 그리고 본 발명의 2중 에어나이프의 성능을 효과적으로 설명하기 위해 기존의 에어나이프 시스템과 비교 해석하였다.

수치해석 결과 2중 에어나이프 시스템에서는 안내제트가 중심제트를 안정화 시키는 역할을 하면서 충돌 제트 영역에서의 유동장이 균일하게 하는 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 제트의 에너지 손실은 줄어들게 되고 아연제거 능력이 향상됨을 확인하였다. 또한 제트의 충돌 영역이 안정화되면서 아연 도금 강판 표면에서는 더 이상 표면 얼룩무늬 현상이 나타나지 않음을 알 수 있다.

또한, 2중 에어나이프의 최적 형상과 작동 조건을 찾기 위해 설계 변수에 따른 영향을 살펴 보았는데, 안내제트의 형상과 작동 조건에 따른 중심제트의 거동을 살펴보기 위해 최적 설계 시 중심제트의 두께 1.5mm와 입구 정체압력 25KPa은 일정하게 유지하였다. 그리고 목적 함수로는 최대 정체압력과 표준편차 값을 사용하여 최적 설계 값을 찾았다. 수치해석을 통해 얻은 안내제트의 최적 형상 및 작동 조건은 안내제트의 두께 0.6mm, 중심제트와 안내제트의 사이의 거리 0.2mm, 사잇각 1º이고 입구 정체압력은 15KPa이다. 이와 같이 수치해석을 이용한 최적화 과정을 통해 우수한 아연제거능력을 가지고 표면 얼룩무늬 현상이 나타나지 않는 2중 에어나이프 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 아연도금강판 제조공정에 적용되는 가스 와이핑법에 대해 개략적으로 나타낸 개념도.

도 2는 종래기술에 따른 에어나이프 구조를 보여주는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 용융도금강판의 가스 와이핑 장치로서 도금강판의 표면 얼룩무늬 발생을 방지할 수 있는 2중 에어나이프 구조를 도시한 단면도.

도 4는 에어나이프에서 강판으로 분사된 질소가스의 속도장과 압력장을 z-방향의 중앙위치에서 xy-평면에 나타낸 것으로서, (a)는 standard k-e 난류모델을 사용해서 얻은 결과이고 (b)는 LES 난류 모델을 사용해서 얻은 결과를 나타낸 도면.

도 5는 Y=1.4mm 에서의 xz-평면의 순간 정압력 분포를 나타낸 실험도.

도 6의 강판의 y-방향으로의 정압력 분포 및 전단응력 분포를 나타낸 것으로서, (a)는 충돌 지점에서의 평균 정체압력을 나타낸 것이고, (b)는 y-방향으로의 압력 변화율(dp/dy)을 나타낸 것이며, (c)는 강판 표면에서의 전단응력분포를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명의 2중 에어나이프에서 강판으로 분사된 질소가스의 속도장과 압력장을 z-방향의 중앙위치에서 xy-평면에 나타낸 실험도.

도 8은 본 실험에 의해 구한 최종 아연도금 두께를 나타낸 그래프.

도 9는 정체 압력선을 따라서 z-방향으로의 순간 정압력 분포를 나타낸 그래프.

도 10은 분사 제트 충돌 지점에서의 정압력 분포를 기존의 에어나이프와 2중 에어나이프와 비교 도시한 실험도.

도 11은 최대 정체 압력과 표준 편차를 각각의 설계 변수에 따라 나타낸 그래프.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

200: 도금 강판 300 : 에어나이프

310 : 중심제트 챔버 320 : 안내제트 챔버

312 : 중심제트 분사구 322 : 안내제트 분사구

Claims (9)

1. 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 과량의 용융금속을 제거하는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치에 있어서,

   상기 에어나이프는,

   상기 용융금속을 제거하기 위한 중심제트가 분사되는 중심제트 분사구가 형성된 중심제트 챔버; 및

   상기 중심제트 챔버의 하부에 위치하며, 상기 분사되는 중심제트의 유동을 안정화시키기 위한 안내제트가 분사되는 안내제트 분사구가 형성된 안내제트 챔버;

   를 포함하여 구성되고,

   상기 중심제트 및 안내제트에 적용되는 가스는 질소가스인 것을 특징으로 하되,

   상기 안내제트의 분사방향은 상기 용융도금강판 면에 수직하고, 상기 중심제트의 분사방향은 상기 안내제트의 분사방향과 기울어져 사잇각을 이루며 하향 경사진 것을 특징으로 하며,

   상기 중심제트의 두께가 1.5mm, 중심제트의 입구 정체압력이 25KPa로 일정할 경우, 상기 안내제트의 두께는 0.6mm, 상기 중심제트와 상기 안내제트 사이의 거리는 0.2mm, 상기 안내제트의 입구 정체압력은 15Kpa, 상기 중심제트와 상기 안내제트의 상기 사잇각은 1°의 설계치를 갖는 것을 특징으로 하는 용융도금강판의 가스 와이핑 장치.
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7. 용융금속 욕조(浴槽)를 통과한 용융도금강판을 서로 이격된 한 쌍의 에어나이프 사이로 통과시켜 분사 제트에 의해 과량의 용융금속을 제거하도록 하되, 상측에 위치한 중심제트 분사구에서 분사되는 중심제트를 이용하여 용융도금강판에 부착된 용융금속을 제거하도록 하고, 상기 중심제트 분사구의 하부에 위치한 안내제트 분사구에서 분사되는 안내제트를 이용하여 중심제트의 유동을 안정화시키도록 하여 용융도금강판 표면에 얼룩무늬 발생을 방지하며, 상기 중심제트 및 안내제트에 질소가스를 적용하는 것을 특징으로 하는 용융도금강판의 가스 와이핑 방법에 있어서,

   상기 안내제트의 분사방향은 상기 용융도금강판 면에 수직하고, 상기 중심제트의 분사방향은 상기 안내제트의 분사방향과 기울어져 사잇각을 이루며 하향 경사진 것을 특징으로 하며,

   상기 중심제트의 두께가 1.5mm, 상기 중심제트의 입구 정체압력이 25KPa로 일정할 경우, 상기 안내제트의 두께는 0.6mm, 상기 중심제트와 상기 안내제트 사이의 거리는 0.2mm, 상기 안내제트의 입구 정체압력은 15Kpa, 상기 중심제트와 상기 안내제트의 상기 사잇각은 1°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 것을 용융도금강판의 가스 와이핑 방법.
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