KR101252640B1 - 유도가열 장치 및 유도가열 방법 - Google Patents

유도가열 장치 및 유도가열 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도가열 장치 및 유도가열 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 투자율이 낮은 강판을 균일하고 효율적으로 유도 가열하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유도가열 장치는 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 처리하는 유도가열 장치로서, 피가열 판재의 상측에 이격배치되는 제1 유도가열 코일; 피가열 판재의 하측에 상기 제1 유도가열 코일과 마주보도록 이격배치되며, 제1 유도가열 코일과 연계하여 상기 판재의 두께방향으로 자기장이 형성되도록 하는 제2 유도가열 코일; 및 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 연결되어 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 폭방향 이동부;를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 종래 기술에서 유도가열 방식으로 가열하기 어려웠던 저투자율 강판을 효율적으로 가열할 수 있다. 또한 본 발명은 다양한 형상의 강판을 가열할 수 있으며, 가열되는 강판의 폭 또는 두께가 변하더라도 이에 대응하여 가열범위를 변경할 수 있으므로, 생산성을 높일 수 있다. 그리고 본 발명은 강판의 피가열 부위를 균일하게 가열함으로써, 품질이 우수한 도금강판을 생산할 수 있다.

Description

유도가열 장치 및 유도가열 방법{INDUCTION HEATING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 유도가열 장치 및 유도가열 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 투자율이 낮은 강판을 균일하고 효율적으로 유도 가열하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
차체경량화와 안정성이 요구되는 자동차용 부품에 사용하기 위한 강판은 안정성과 차체 경량화를 위해 높은 강도와 연성이 요구된다. 최근에 개발되어 초고장력 및 고연신율이 보장될 수 있는 TWIP(TWin Induced Plasticity)형 초고강도 강판은 강의 주요 미세조직이 오스테나이트 상으로 이루어진다. 그리고 강판의 내식성을 확보하기 위해 상기 강판에 합금화 용융아연도금(GA)을 실시한다. 합금화 용융아연도금(GA)강판은 강판 성분 중 철(Fe)이 도금층 내부로 확산을 일으켜 8 ~ 12 % 정도로 분산된 피막을 형성시킨 강판으로서, 내식성 뿐만 아니라 용접성과 도장성이 우수하여 주로 자동차나 가전제품의 외판용으로 사용되고 있다.
이와 같이 우수한 용접성과 도장성을 가지는 합금화 용융아연도금강판을 제조하기 위해서는 0.12 ~ 0.14 wt%의 Al이 첨가된 도금욕에서 합금화 용융아연도금을 행하고, 도금 부착량을 조절한 후 강판을 유도가열방법을 적용하여 도금층의 합금화 처리를 행하여야 한다. 일반적으로 합금화 처리온도가 낮고 유지시간이 길어질수록 우수한 합금화 피막을 얻을 수 있으므로 작업속도가 낮을수록 합금화 품질제어가 유리하다. 하지만 합금화 용융아연도금강판은 한정된 설비를 통과하는 한정된 시간 내에서 합금화 품질을 확보하여야 하므로, 고속 가열이 가능한 유도가열방법이 유리하다.
유도 가열은 일반적으로 유도 코일로 알려진 고주파 전류 운반 컨덕터로부터 변환되는 전기적 에너지에 의해 도체 부분의 온도를 올리는 방법이다. 이 코일은 전류가 도체의 표면 주위 흐름을 일으키는 방법과 같이 자기장 흐름 영역이 도체 부분의 에너지를 일으킨다. 이 흐름을 위한 열의 저항 또는 유도 전류 이동의 방해는 순간 가열을 일으키는 원인이 된다.
그런데 종래 기술에 따른 유도 가열 방법은 페라이트 상분율이 높은 함유된 고투자율 강판, 예컨대 일반강(IF), DP(Dual Phase, 이상조직)강, TRIP강(Transformation Induced Plasticity)에 실시하는 경우에는 효율적으로 가열할 수 있으나, 비자성체인 오스테나이트 상분율이 50%이상 이용한 저투자율 강판(예컨대, 1180CP, TWIP강)을 가열하는 경우에는 가열효율이 떨어진다. 도 1은 종래의 솔레노이드형 유도가열 방식에서 고투자율 강판과 이용한 저투자율 강판을 가열하였을 때 유도가열 효율을 비교한 모식도이다. 솔레노이드형 가열코일(10) 내부에 강판(P)이 배치되어 자기장은 M 방향으로 형성되어 강판을 가열한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고투자율 강판(P')의 경우 단면적에 대한 자속 집적이 높아(M1은 자기력선은 나타냄) 그 유도가열 효율이 높지만, 저투자율 강판(P)의 경우는 단면적에 대한 자속 집적이 낮아 그 유도가열 효율이 낮다.
또 다른 가열 방식으로 도 2에 도시된 바와 같이 폐곡선을 이루는 복수개의 코일을 이용한 가열 방식(이하 '폐곡선형 코일'이라 함)이 있는데, 강판 상하에 각각 폐곡선형 코일(20a, 20b)이 배치되어 강판을 가열한다. 이 방식은 자기장이 상하방향, 즉 피가열 판재(P)를 투과하는 방향으로 발생하여 투자율이 낮은 금속에 대해서도 유도가열이 가능하지만, 코일의 형상과 위치에 따라 판재가 가열되는 정도가 서로 다르며, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 판재의 에지(P2)가 지나치게 과열될 수 있다. 이와 같이 국부 과열에 의해 판재가 폭 방향으로 온도 편차가 생기면 같은 용융아연도금 합금화가 폭 방향으로 편차가 생기므로 가공성 및 파우더링성의 차이가 발생하여 제품의 불량을 야기할 수 있다. 이를 해결하기 위해 가열코일(20a, 20b)을 회전시키거나 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 차폐판(30)을 이용하여 폭방향 에지부의 온도 과열을 방지하고자 하였으나, 폐곡선형 코일은 폭 방향 길이가 고정되어 있으므로 이 방법은 강판 형상, 특히 폭 길이가 다양하게 바뀌는 연속용융아연 도금라인에는 적합하지 않다. 예를 들어 강판이 1,500mm 폭에서 1,000mm 폭으로 변경되었을 때 가열면적 밖에 있는 500mm의 코일을 차폐판으로 차단해야 하고 만약 차단한다면 약 50%정도 가열 효율이 떨어지고 그만큼의 열을 견딜 수 있는 차폐판도 제작하기 어렵고, 효율적으로 강판을 가열할 수 없어 생산량을 증가시키기 어려웠다.
종래 기술들은 이러한 기술적인 문제로 인해 저투자율 강판에 대해서는 연속용융도금라인(CGL)에서 유도가열을 실시하기 어려우며, 실시하더라도 강판 형상 및 폭이 다양하게 변화하는 경우에는 균일하게 용융아연도금 합금화를 실시할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 저투자율 강판을 효율적으로 가열할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 다양한 형상의 강판을 가열할 수 있으며, 가열되는 강판의 폭 또는 두께 변화에 대응할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열 방법을 제공한다.
본 발명은 강판의 피가열 부위를 균일하게 가열할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유도가열 장치는 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 처리하는 유도가열 장치로서, 피가열 판재의 상측에 이격배치되는 제1 유도가열 코일; 피가열 판재의 하측에 상기 제1 유도가열 코일과 마주보도록 이격배치되며, 제1 유도가열 코일과 연계하여 상기 판재의 두께방향으로 자기장이 형성되도록 하는 제2 유도가열 코일; 및 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 연결되어 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 폭방향 이동부;를 포함한다.
본 발명에 따른 유도가열 장치에 있어서, 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일은 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 형성되는 입측 도선과 출측 도선이 소정 간격 이격되되 연결도선에 의해 하나의 도선으로 연결되며, 제1 유도가열 코일의 입측 도선과 제2 유도가열 코일의 출측 도선은 상하로 서로 대면하고, 제1 유도가열 코일의 출측 도선과 제2 유도가열 코일의 입측 도선은 상하로 서로 대면하는 것이 바람직하다.
이 때, 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일의 연결도선은 피가열 판재의 이동방향과 평행하도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 유도가열 방법은 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 마련하는 과정; 피가열 판재의 상하측에 이격배치되는 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 마련하는 과정; 제1 및 제2 유도가열 코일에 전원을 인가하여 피가열 판재를 가열하는 과정;를 포함하고, 피가열 판재를 가열하는 과정에서 피가열 판재의 폭의 변화에 따라 제1 및 제2 유도가열 코일을 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시켜 위치를 조정한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 종래 기술에서 유도가열 방식으로 가열하기 어려웠던 저투자율 강판을 효율적으로 가열할 수 있다.
또한 본 발명은 다양한 형상의 강판을 가열할 수 있으며, 가열되는 강판의 폭 또는 두께가 변하더라도 이에 대응하여 가열범위를 변경할 수 있으므로, 생산성을 높일 수 있다.
그리고 본 발명은 강판의 피가열 부위를 균일하게 가열함으로써, 품질이 우수한 도금강판을 생산할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 솔레노이드형 유도가열장치를 이용하여 고투자율 강판과 저투자율 강판을 가열하였을 때 유도가열 효율을 비교한 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 폐곡선형 유도가열장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서 생성되는 자기장을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5는 도 1의 A - A' 선에서의 온도분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서, 피가열 판재의 폭방향으로 이동하는 유도가열 코일을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서, 유도가열 코일의 상하이동을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 8은 종래 기술 및 본 발명에 따라 TWIP강을 각각 유도가열하여 합금화 용융아연도금을 한 후, 도금층 표면을 SEM으로 분석한 결과를 나타내는 사진이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유도가열 장치 및 유도가열 방법에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서 생성되는 자기장을 개략적으로 나타내는 개념도이며, 도 5는 도 1의 A - A' 선에서의 온도분포를 나타내는 그래프이다.
도면을 참조하면 본 발명에 따른 유도가열장치는 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재(P)를 처리하는 유도가열 장치로서, 제1 유도가열 코일(100); 제2 유도가열 코일(200); 및 폭방향 이동부(미도시);를 포함하여 구성된다.
피가열 판재(P)는 소정 폭을 갖고 일 방향으로 연장되어 형성되어 있으며, 연장 형성된 방향으로 이동하면서 그 표면이 가열되도록 하는데, 본 발명에 따른 유도가열장치는 피가열 판재(P)가 이동하는 경로 상에 배치되어 피가열 판재(P)의 표면을 가열한다. 본 발명에서는 x축 방향을 피가열 판재(P)의 폭방향으로, y축 방향을 피가열 판재의 이동방향으로, z축 방향을 피가열 판재(P)의 상하면 방향으로 정의한다.
제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)은 피가열 판재(P)를 가열하기 위한 수단으로서, 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)은 자기장을 피가열 판재(P)의 두께방향으로 투과하도록 형성시킨다. 피가열 판재(P)의 폭에 따라 피가열 판재(P)의 이동방향과 교차하는 방향, 즉 피가열 판재(P) 폭방향으로 이동하여, 피가열 판재(P)의 폭 방향으로의 온도가 균일하도록 가열한다.
제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)은 이동하는 피가열 판재(P)의 상측 및 하측에 각각 이격배치되고, 피가열 판재(P)를 이동방향과 교차하는 방향으로 형성되는 입측 도선(100a, 200a)과 출측 도선(100c, 200c)이 소정 간격 이격되되 연결도선(100b, 200b)에 의해 하나의 도선으로 연결될 수 있다. 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)은 상하로 이격배치되어 그 사이를 이동하는 피가열 판재(P)의 상면 및 하면에 각각 가열시킨다. 제1 유도가열 코일(100)은 피가열 판재(P)를 이동방향과 교차하는 방향(x 축 방향), 즉 피가열 판재(P)의 폭방향으로 연장형성되는 입측 도선(100a)과 출측 도선(100c)이 소정 간격으로 이격되어 배치되어 있고, 두 도선의 끝단이 연결도선(100b)에 의해 연결되어 하나의 도선을 이룬다. 입측 도선(100a)과 출측 도선(100c)은 피가열 판재(P)를 효율적으로 가열하기 위해 피가열 판재(P)를 이동방향과 수직으로 배치되며 서로 평행한 것이 바람직하다. 연결도선(100b)은 피가열 판재(P)의 폭방향 끝단을 효율적으로 가열하기 위해 피가열 판재(P)의 이동방향과 평행(y축 방향)하도록 형성되는 것이 바람직하며, 제1 유도가열 코일(100)이 폭방향 이동부에 의해 이동되어 연결도선(100b)이 피가열 판재(P) 폭방향 끝단의 직상방에 위치하도록 한다. 그리고 도선에 생성되는 자기장을 균일하게 생성시키기 위해 입측도선(100a), 연결도선(100b), 연결도선(100c)은 피가열 판재(P)의 상면으로부터 동일한 거리만큼 이격되도록 한다. 제2 유도가열 코일(200)의 형상은 앞서 설명한 제1 유도가열 코일(100)의 형상과 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.
제1 유도가열 코일(100)과 제2 유도가열 코일(200)이 피가열 판재(P)의 상면과 하면을 각각 균일하게 가열할 수 있도록, 제1 유도가열 코일(100)의 입측 도선(100a)과 제2 유도가열 코일(200)의 출측 도선(200c)은 서로 대응되는 형태로 형성되어 상하로 대면하는 것이 바람직하다. 즉, 입측 도선(100a)과 출측 도선(200c)은 형태가 동일하며, 피가열 판재(P)를 대칭면으로 하여 면대칭되는 위치에 배치된다. 마찬가지로, 제1 유도가열 코일(100)의 출측 도선(100c)과 제2 유도가열 코일(200)의 입측 도선(200a)은 서로 대응되는 형태로 형성되어 상하로 대면하는 것이 바람직하다.
제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)에 각각 전원을 인가하여 전류가 도선을 따라 흐르면, 도선에 자기장이 발생한다. 제1 유도가열 코일(100)을 이루는 도선에 전원을 인가하면, 전류는 입측도선(100a), 연결도선(100b), 출측도선(100c)를 순차적으로 따라 흐른다. 즉 전류는 피가열 판재(P)의 폭방향(x축 방향)을 가로지른 후, 피가열 판재(P)의 폭 끝단에서 피가열 판재(P)의 이동방향(y축 방향)으로 흐르고 다시 피가열 판재(P)의 폭방향을 가로질러 나온다. 제2유도가열 코일(200)도 이와 같은 경로로 도선을 따라 전류가 흐른다. 그리고 도선에 자기장이 발생한다.
도 2는 입측도선(100a, 200a)과 출측도선(100b, 200b)에 발생하는 자기장을 나타내는 개념도이다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 암페어의 법칙에 의해 각 도선을 중심으로 동심원 형태의 자기장(M)이 발생한다. 도선에 흐르는 전류가 커져 자기장이 세지면, 상측의 제1 유도가열 코일(100)에 생성된 자기장과 하측의 제2 유도가열 코일(200)에 생성된 자기장이 전자기적 커플링을 형성하여 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 자기장의 자기력선(M)은 피가열 판재(P)를 투과하도록 생성된다. 자기장이 시간에 따라 변하면서 전압이 유도되고, 유도전압에 의해 유도 전류가 흐르며, 유도 전류에 의해 발열이 되어 피가열 판재(P)를 가열한다.
한편 도 5를 참조하여 피가열 판재(P)의 폭방향(도 1의 A-A' 참조)에 대한 온도 분포를 살펴보면, 먼저 제1 유도가열 코일(100)에만 전원을 인가하여 피가열 판재(P)를 가열한다고 할 때, L1과 같은 형태의 온도 분포를 나타낸다. 즉 연결도선(100b)가 배치되어 있는 폭 부위(A')는 연결도선(100b)으로 인해 과열되어 폭방향 중심영역보다 온도가 높고, 연결도선(100b)이 배치되지 않은 타측 폭 부위(A)는 모서리의 냉각 효율 등으로 인해 온도가 낮다. 제2 유도가열 코일(200)에만 전원을 인가하여 피가열 판재(P)를 가열한다고 할 때, L2과 같은 형태의 온도 분포를 나타내는데, 그 이유는 상기 제1 유도가열 코일(100)에서와 같다. 제1 유도가열 코일(100)과 제2 유도가열 코일(200) 모두 전원을 인가하는 피가열 판재(P)를 가열하는 경우에는 폭 방향의 양단에서의 온도 편차를 보상해주어 L3와 같이 폭 방향에서의 온도가 일정하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서, 피가열 판재의 폭방향으로 이동하는 유도가열 코일을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
폭방향 이동부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 피가열 판재(P)의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 수단으로서, 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)에 연결되어 있다. 피가열 판재(P)가 이동 중에 사행을 하거나, 폭방향 길이가 변화하는 경우가 발생하는데, 이로 인해 피가열 판재(P)를 폭방향으로 균일한 온도로 가열하기 어려울 수 있다. 이 경우 폭방향 이동부가 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 적절한 위치로 이동시켜 폭방향 길이 변화에 대응하도록 한다(상세는 후술). 폭방향 이동부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 피가열 판재(P)의 폭방향으로 이동시킬 수 있는 수단이라면 어떤 형태로든 가능하며, 특정 수단에 국한되는 것은 아니다.
폭방향 길이가 실시간을 변화하더라도 폭방향으로 균일한 온도로 가열하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)에 대한 피가열 판재(P)의 폭방향 위치를 측정하는 폭방향 위치측정부(300)를 더 포함할 수 있다. 폭방향 위치측정부(300)는 도 6에 도시된 바와 같이 유도가열 코일(100, 200)보다 피가열 판재(P) 이동경로 앞쪽에 위치하여 피가열 판재(P)가 유도가열 코일(100, 200)을 지나기 전에 피가열 판재(P)의 폭방향 위치를 감지하고 측정한다. 폭방향 위치측정부(300)는 EPC(edge position control), CPC(center position control) 또는 레이저 센서와 같이 거리를 측정할 수 있는 다양한 수단 중에서 선택될 수 있다.
피가열 판재(P)의 상대적인 폭방향 위치를 감지하고 측정하면, 측정된 값을 폭방향 이동부(미도시)로 전송하여, 전송된 측정값에 따라 폭방향 이동부가 상기 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 피가열 판재(P)의 폭방향으로 이동시켜 적정 위치에 오도록 제어한다.
예를 들면, 도 6에서와 같이 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 피가열 판재(P)의 소정 폭(W1)에 맞춰 각 연결도선(100b, 200b)이 피가열 판재(P)의 폭방향 양 끝단에 위치하도록 하여 유도가열을 하고 있는 도중, 피가열 판재(P)의 폭(W2)이 변경되면 폭방향 위치측정부(300)가 이를 감지하고 변화량(ΔW = W2 - W1)을 측정한다. 이 변화량을 감지하여 폭방향 이동부로 전송하면, 폭방향 이동부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 변화량만큼 폭방향으로 이동시켜 각 연결도선(100b, 200b)이 다시 피가열 판재(P)의 폭방향 양 끝단에 위치하도록 하여 유도가열을 계속 진행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치에서, 유도가열 코일의 상하이동을 나타내는 개념도이다.
유도가열 도중, 이동하는 피가열 판재(P)의 두께가 변화하는 경우가 발생하는데, 일정한 온도로 피가열 판재(P)를 계속적으로 가열하기 위해 두께변화에 따른 보정이 필요하다. 이를 위해 본 발명에 따른 유도가열장치는 피가열 판재(P)의 두께를 측정하는 두께 측정부(400)를 더 포함할 수 있다. 두께 측정부(400)는 폭방향 위치측정부(300)와 마찬가지로 유도가열 코일(100, 200)보다 피가열 판재(P) 이동경로 앞쪽에 위치하여 피가열 판재(P)가 유도가열 코일(100, 200)을 지나기 전에 피가열 판재(P)의 두께를 감지하고 측정한다. 두께 측정부(400)는 EPC(edge position control), CPC(center position control) 또는 레이저 센서와 같이 거리를 측정할 수 있는 다양한 수단 중에서 선택될 수 있다.
피가열 판재(P)의 두께를 감지하고 측정하면, 측정된 값을 간격조정부(미도시)로 전송하여, 전송된 측정값에 따라 간격조정부가 상기 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 상하로 이동시켜(도 7 참조) 유도가열 코일(100, 200)이 적정 위치에 오도록 제어한다. 간격조정부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)과 연결되어 양 유도가열 코일 간의 거리를 조절할 수 있는 수단이라면, 어느 것이든 무방하다.
온도 측정부(미도시)는 피가열 판재(P)가 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 지난 피가열 판재(P)의 온도를 측정하기 위한 수단으로서, 피가열 판재(P)의 가열온도가 적절한지를 판단하다. 온도 측정부는 유도가열 코일(100, 200)보다 피가열 판재(P) 이동경로 뒷쪽에 위치하여 피가열 판재(P)의 온도를 감지하고 측정한다. 온도 측정부는 온도를 감지하여 측정하는 다양한 센서, 장치들 중에서 선택될 수 있으며, 특정 수단에 한정되는 것은 아니다.
온도 측정부에 의해 측정된 온도는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 전류 제어부(미도시)로 전송된다. 전류 제어부는 전송받은 온도에 따라 피드백하여, 가열온도를 높이거나 낮출 것을 판단하고, 흘려 보낼 전류량을 결정하여 전류를 조절한다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유도가열장치의 사용 상태 및 유도가열방법에 대해 설명하기로 한다.
소정 방향으로 형성된 이동 경로를 따라 피가열 판재(P)를 이동시킨다. 피가열 판재(P)의 상면 및 하면에 이격하여 각각 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 마련한다. 이 때, 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)의 연결도선(100b, 200b)은 피가열 판재(P)의 이동방향과 평행하게 형성되어 피가열 판재(P) 폭방향의 양 끝단에 각각 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 유도가열 코일(100, 200)에 전원을 인가하면 전류는 입측 도선(100a, 200a), 연결도선(100b, 200b), 출측 도선(100c, 200c)을 따라 흐르면서 암페어의 법칙에 따른 자기장을 형성시키고 유도 전류에 의해 피가열 판재(P)를 가열시킨다.
여기서 피가열 판재(P)는 종래 유도가열방식으로는 가열하기 어려웠던 저투자율 강판, 즉 비자성체인 오스테나이트가 50 % 이상 함유하는 강판으로 한다. 예를 들어 본 실시예에서 TWIP강을 사용할 수 있다.
유도가열 공정 도중 피가열 판재(P)가 이동 중에 사행을 하거나, 폭방향 길이가 변화하는 경우가 발생하면, 피가열 판재(P)의 폭의 변화에 따라 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(100)을 피가열 판재(P)의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시켜 위치를 조정한다. 폭방향 위치측정부(300)가 구비되는 경우 폭방향 위치측정부(300)가 이를 감지하고, 폭방향 변화값을 측정하여 폭방향 이동부로 전송한다. 폭방향 이동부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 폭방향으로 이동시켜 각 연결도선(100b, 200b)이 다시 피가열 판재(P)의 양 끝단에 위치하도록 하여 유도가열을 진행한다.
또한 유도가열 공정 도중 이동하는 피가열 판재(P)의 두께가 변화하는 경우가 발생하면, 두께 측정부(400)가 이를 감지하고, 두께의 변화값을 측정하여 간격조정부로 전송한다. 간격조정부는 제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 상하방향으로 이동시켜 두 유도가열 코일 사이의 간격을 조정한다. 이 때, 제1 유도가열 코일(100)과 제2 유도가열 코일(200) 사이의 간격(D2)은 두 유도가열 코일(100, 200)의 전자기적 커플링을 위해 각 입측 도선(100a, 200a)과 출측 도선(100c, 200c) 사이의 간격(D1)의 1/2보다 작도록 배치하는 것이 바람직하다.
제1 유도가열 코일(100) 및 제2 유도가열 코일(200)을 지난 피가열 판재(P)의 온도를 측정하여, 측정 온도에 따라 가열온도가 적정한지를 판단하고, 필요한 경우 측정된 값을 전류 제어부로 전송한다. 전류 제어부는 전송받은 온도에 따라 가열온도를 높이거나 낮출 것을 판단하여 전류를 많이 흘려 보낼지 적게 흘려보낼지를 결정하여 전류를 조절한다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명에 따른 유도가열장치 및 유도가열방법의 효과를 구체적으로 설명하기로 한다.
가열할 시편으로서, 고투자율강판인 일반강(EDDQ)과, 저투자율 강판으로서 다량의 Mn, Al과 Ni 등이 함유된 100% 오스테나이트 상분율 강판인 TWIP강을 마련한다. 각각의 강판은 냉연 및 소둔 처리하고 알칼리 탈지 및 산세 처리로 청정화한 후, -65℃ 이슬점 분위기하에서 800℃까지 가열하고 소둔하며, 이후 일반강은 500℃까지 냉각하고, TWIP강은 400℃까지 급냉하고 다시 500℃까지 재가열을 행한다. 그 후 일반강 및 TWIP강을 Al이 0.1 ~ 0.3 wt% 함유된 용융아연 도금욕에 침지하고 약 3초간 유지하고, 도금욕에서 꺼내 에어 와이핑(air wiping)하여 목표하는 도금량을 45 g/m2으로 맞춘 후 유도가열을 실시하여 합금화 용융아연도금을 한다.
목표하는 유도가열 온도를 500 ℃ 및 530 ℃로 설정하고, 유도가열 코일 형태를 종래 솔레노이드형 코일, 폐곡선형 코일 및 본 발명에 따른 유도가열 코일로 하여 각각의 온도 및 코일형태에 따라 일반강 및 TWIP강을 유도가열한다. 이를 정리하면 아래 표 1과 같다.
유도가열 온도 유도가열 코일 형태
실시방법1 500 ℃ 솔레노이드형 코일
실시방법2 530 ℃
실시방법3 500 ℃ 폐곡선형 타일
실시방법4 530 ℃
실시방법5 500 ℃ 본 발명에 따른
유도가열코일
실시방법6 530 ℃
<유도가열 실시 방법>
유도가열을 실시하여 합금화 용융아연도금이 완료된 후, 각 비교예 및 실시예에 따른 합금상의 상분율과 합금화도를 아래 표 2에 나타내었다.
강종 실시방법 제타상
(%)		 감마상
(%)		 델타상
(%)		 합금화도
(Fe wt%)		 비 고
비교예1
일반강

 실시방법1 1.4 7.3 91.3 10.5
비교예2 실시방법2 0.0 26.5 74.5 14.7
실시예1 실시방법5 3.7 8.8 87.6 9.7
실시예2 실시방법6 2.5 10.8 86.7 10.1
비교예3


TWIP강

 실시방법1 - - - - 가열안됨
비교예4 실시방법2 - - - -
비교예5 실시방법3 2.1 24.96 69.93 25.2 국부과열
→주름,크랙 발생
비교예6 실시방법4 - - - - 국부과열로 인한
도금층 증발
실시예3 실시방법5 3.3 9.0 87.7 9.6
실시예4 실시방법6 3.3 9.4 87.3 9.6 에타상(Fe가 3 wt% 이하로고용된 Fe-Zn상) 존재
<비교예 및 실시예에 따른 미세조직 상분율 및 합금화도>
제타(ζ)상, 감마(Γ)상, 델타(δ)상은 합금화 용융아연도금층을 구성하는 합금상들로서, 제타상은 FeZn13, 감마상은 Fe3Zn10, 델타상은 FeZn10을 각각 의미한다. 합금화도는 합금화 용융아연도금층에 함유되는 Fe의 wt%를 통해 도금 정도를 나타낸다.
실시예 1 및 실시예 2는 일반강을 본 발명에 따른 유도가열방법으로 가열한 것으로서 종래 솔레노이형 코일로 유도가열한 비교예 1 및 비교예 2와 비교할 때, 합금화도가 약간 낮았으나 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 유도가열 방법은 일반강도 효율적으로 가열함을 알 수 있다.
비교예 3 및 비교예 4는 TWIP강을 종래 솔레노이형 코일로 유도가열한 것이고, 비교예 5 및 비교예 6은 TWIP강을 종래 폐곡선형 코일로 유도가열한 것이며, 실시예 3 및 실시예 4는 TWIP강을 본 발명에 따른 유도가열방법으로 가열한 것이다.
비교예 3 및 비교예 4의 종래 솔레노이드형 코일방식은 저투자율 강판인 TWIP강을 500 ℃ 및 530 ℃로 유도가열하지 못했다. 비교예 5의 종래 폐곡선형 코일방식은 TWIP강을 목표 가열온도까지 가열이 가능하다. 그러나 폐곡선형 코일방식은 유도가열 중 코일과 강판과의 간격이 좁아져 과열되어 감마상과 Fe함량이 50%이상인 Fe-Zn상이 많이 생성되며, 또한 국부과열 현상이 발생하여 주름 및 크랙이 발생하여 도금 품질이 불량하다. 특히 비교예 6에서와 같이 종래 폐곡선형 코일방식으로 530 ℃까지 유도가열하고자 하는 경우에는 일부 영역에서 국부과열로 인해 도금층이 증발하는 문제점이 발생하였다.
반면에 실시예 3 및 실시예 4는 TWIP강을 효율적으로 가열하여 일반강에서와 유사한 수치의 합금화도를 나타낸다. 그리고 균일하게 가열하므로, 종래 기술에서와 같은 국부과열, 그에 따른 주름, 크랙 등의 문제가 발생하지 않았다.
도 8은 종래 기술 및 본 발명에 따라 TWIP강을 각각 유도가열하여 합금화 용융아연도금을 한 후, 도금층 표면을 SEM으로 분석한 결과를 나타내는 사진이다.
도 8의 (a)는 비교예 3에서 TWIP강을 종래 솔레노이드형 코일로 가열한 후, 도금층 표면을 SEM으로 나타낸 사진인데, 앞서 살펴본 바와 같이 이 경우 전혀 합금화가 일어나지 않아 GI(용융아연도금)강판의 표면과 같이 아연응고조직이 나타남을 알 수 있다.
도 8의 (b)는 비교예 5에서 TWIP강을 종래 폐곡선형 코일로 가열한 후, 도금층 표면을 SEM으로 나타낸 사진인데, 앞서 살펴본 바와 같이 이 경우 균일 가열이 되지 않으므로 강판에 굴곡이 발생하여 강판과 코일간 간격이 좁아져 0.5초 이내로 700℃이상의 온도가 올라가 아연이 증발되고 감마상 및 Fe함량이 50%이상인 Fe-Zn상이 관찰된다.
도 8의 (c)는 실시예 3에서 TWIP강을 본 발명에 따른 유도가열방법으로 가열한 후, 도금층 표면을 SEM으로 나타낸 사진인데, 앞서 살펴본 바와 같이 이 경우 강판 폭 방향으로 균일한 용융아연도금 합금화가 관찰되고, 감마상이 1um이하이고 델타상이 80%이상 포함되며, 일반강을 용융아연도금 합금화한 경우와 동일한 도금층 단면을 보여준다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 제1 유도가열 코일 200 : 제2 유도가열 코일
300 : 폭방향 위치측정부 400 : 두께 측정부
P : 피가열 판재

Claims (17)

  1. 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 처리하는 유도가열 장치로서,
    상기 피가열 판재의 상측에 이격배치되는 제1 유도가열 코일;
    상기 피가열 판재의 하측에 상기 제1 유도가열 코일과 마주보도록 이격배치되며, 제1 유도가열 코일과 상기 판재의 두께방향으로 자기장이 형성되도록 하는 제2 유도가열 코일; 및
    상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 연결되어 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시키는 폭방향 이동부;
    를 포함하고,
    상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일은
    상기 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 형성되는 입측 도선과 출측 도선이 소정 간격 이격되되 연결도선에 의해 하나의 도선으로 연결되며, 상기 제1 유도가열 코일의 입측 도선과 제2 유도가열 코일의 출측 도선은 상하로 서로 대면하고, 제1 유도가열 코일의 출측 도선과 제2 유도가열 코일의 입측 도선은 상하로 서로 대면하는 유도가열 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일의 연결도선은 피가열 판재의 이동방향과 평행하도록 형성되는 유도가열장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 피가열 판재의 이동경로 상에 설치되어 피가열 판재가 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 통과하기 전에 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 대한 피가열 판재의 폭방향 위치를 측정하는 폭방향 위치측정부를 포함하고,
    상기 폭방향 이동부는 상기 폭방향 위치측정부에서 측정한 폭방향 위치에 따라 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 이동시키는 유도가열장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 피가열 판재의 이동경로 상에 설치되어 피가열 판재가 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 통과하기 전에 상기 피가열 판재의 두께를 측정하는 두께 측정부를 포함하는 유도가열장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 연결되며, 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 상하로 이동시켜 피가열 판재와의 상하간격을 조정하는 간격조정부를 포함하는 유도가열장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 피가열 판재가 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 통과한 피가열 판재의 온도를 측정하는 온도측정부를 포함하는 유도가열장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 따라 상기 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어부를 포함하는 유도가열장치.
  9. 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 마련하는 과정;
    상기 피가열 판재의 상하측에 이격배치되는 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 마련하는 과정;
    상기 제1 및 제2 유도가열 코일에 전원을 인가하여 피가열 판재를 가열하는 과정;를 포함하고,
    제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일은,
    상기 피가열 판재를 이동방향과 교차하는 방향으로 형성되는 입측 도선과 출측 도선이 소정 간격 이격되되 연결도선에 의해 하나의 도선으로 연결되며, 상기 제1 유도가열 코일의 입측 도선과 제2 유도가열 코일의 출측 도선은 상하로 서로 대면하고, 제1 유도가열 코일의 출측 도선과 제2 유도가열 코일의 입측 도선은 상하로 서로 대면하도록 구비되어,
    상기 피가열 판재를 가열하는 과정에서 상기 피가열 판재의 폭의 변화에 따라 제1 및 제2 유도가열 코일을 피가열 판재의 이동방향과 교차하는 방향으로 이동시켜 위치를 조정하는 유도가열 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유도가열 코일을 마련하는 과정에서, 상기 피가열 판재의 이동방향과 평행하게 형성된 각 연결도선이 피가열 판재 폭방향의 양 끝단에 각각 배치되도록 하는 유도가열 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 피가열 판재를 가열하는 과정에서,
    피가열 판재의 폭의 변화에 따라 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 폭방향으로 이동시켜 각 연결도선이 피가열 판재의 폭방향의 양 끝단에 각각 배치되도록 조정하는 유도가열 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 피가열 판재를 가열하는 과정에서,
    상기 피가열 판재의 두께의 변화에 따라 제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 상하로 이동시켜 피가열 판재와의 상하간격을 조정하는 유도가열 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    제1 유도가열 코일 및 제2 유도가열 코일을 상하로 이동시키는 경우, 제1 유도가열 코일과 제2 유도가열 코일 사이의 간격은 각 입측 도선과 출측 도선 사이의 간격의 1/2보다 작도록 이동시키는 유도가열 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 피가열 판재를 가열하는 과정에서,
    상기 제1 및 제2 유도가열 코일을 지난 피가열 판재의 온도를 측정하고, 측정온도에 따라 각 유도가열코일에 흐르는 전류를 조정하는 유도가열 방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 피가열 판재는 오스테나이트 상분율이 50 % 이상인 저투자율 강판인 유도가열 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 저투자율 강판은 트윕(TWIP) 강인 유도가열 방법.
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