KR101758717B1 - 표면 품질이 우수한 용융도금강판을 제조하기 위한 질소구름을 형성하기 위한 장치 및 이를 이용한 아연-알루미늄합금도금강판을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

용융도금을 위한 도금욕조 표면과 스트립의 표면에 부착되는 도금금속의 두께를 제어하기 위한 에어나이프 설비 사이에 설치되어 상기 도금욕조에서 올라오는 상기 스트립의 둘레에 질소구름(장막)를 형성하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 장치는 도금욕조 표면으로부터 일정거리 이격되어 있고, 반원통형의 몸체를 가지고, 그 저면이 개방되어 상기 도금욕조 표면을 향하며, 상기 몸체의 상면에는 상기 스트립이 통과하는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 몸체의 하단부 둘레에는 외부공기를 차단하기 위해 상기 도금욕조 표면을 향하여 질소가스를 분사하는 하부 가스배출부가 형성되고, 상기 몸체의 저면을 상기 스트립의 폭방향으로 가로질러, 상기 스트립의 양측에 대향 배치되되 상기 스트립을 향해 질소가스를 분사하는 내측가스배출부를 포함하고, 상기 몸체의 내측에는 상기 스트립을 향해 질소가스를 분사하는 복수 개의 분사노즐이 형성된 것임을 특징으로 한다.

Description

표면 품질이 우수한 용융도금강판을 제조하기 위한 질소구름을 형성하기 위한 장치 및 이를 이용한 아연-알루미늄합금도금강판을 제조하는 방법{Apparatus for producing zinc-aluminum alloy-coated steel sheet with superior workability and corrosion resistance and manufacturing method using the same}

본 발명은 표면 품질이 우수한 용융도금강판을 제조하기 위한 질소구름(장막)를 형성하기 위한 장치 및 이를 이용한 아연-알루미늄합금도금강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 아연이나 알루미늄 등과 같은 금속을 강판에 용융 도금하는 장치에서 도금강판을 외부 공기와 차단하기 위해 무산화성 분위기를 효율적으로 형성하기 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.

강판의 내식성을 확보하고자 하는 일환으로 용융도금강판(Hot-Dip Metal Coated Steel Sheet)이 널리 이용된다. 대표적인 것으로 아연도금강판(GI)은 경제성과 풍부한 자원을 바탕으로 널리 이용되고 있으며, 현재에도 가장 많이 이용되고 있는 도금강판의 한 종류이다. 또한, 이러한 아연도금강판의 내식성을 향상시키고자 많은 연구가 이루어져 그 가운데에서도 55%Al-Zn(일명 Galvalume) 알루미늄도금강판이 1960년대 후반에 제안되어 현재 우수한 내식성과 미려한 외관을 나타내고 있다.

이러한 알루미늄 도금강판은 아연 도금강판과 비교하여 내식성과 내열성이 우수하여 자동차 머플러, 가전제품, 내열소재 등에 많이 적용되고 있다.

예컨대 일본국 특개소 57-47861호의 철 중에 Ti을 함유하는 알루미늄강판, 특개소 63-184043호의 철 중에 C, Si, Cu, Ni 및 소량의 Cr을 함유하는 알루미늄 도금강판, 특개소 60-243258호의 망간 0.01~4.0%, 티타늄0.001~1.5%, 실리콘3.0~15.0%을 함유한 알루미늄도금강판 등이다.

또한 알루미늄과 철과의 반응에 의한 Fe - Al 합금층의 성장이나 철속으로

알루미늄금속의 급속한 확산 등을 억제하기 위해서 알루미늄 도금욕에 10%이하의 Si를 첨가하고 있다. 이 방법에 의해 제조된 도금강판은 비교적 가공성 및 내열성이 우수하므로 자동차의 머플러, 온수기, 난방기, 전기밥솥 내피 등과 같은 내열부품에 많이 사용되고 있다.

그러나 합금층의 형성 억제를 위하여 첨가되는 실리콘이 경우에 따라서는 오히려 도금강판의 표면외관을 해쳐 선명하지 못한 외관을 갖게되는 문제점이 발생되는데, 이러한 실리콘 첨가에 의한 표면외관의 손상은 소량의 마그네슘의 첨가로 어느 정도 해결되는 것으로 알려져 있다.

또한 최근에는 특히 자동차 배기가스계에 사용되는 부품의 수명의 장기화에 따라 알루미늄이 도금되는 강판에 Cr을 함유하는 강판이 개발되어지고 있다. 예를 들면 일본국 특개소 63-18043호의 1.8 - 3.0 %의 크롬을 함유하는 도금강판이나 특개소 63-47456호와 같이 Cr을 2-3%함유하는 강판 등이다.

한편, 위와 같은 Zn-Al 합금도금강판의 경우, 가공 절단부가 충분하게 내식성을 발휘하지 못하는 단점이 나타난다. 이러한 현상은 절단 단면부에 노출된 면이 아연-알루미늄 합금층으로 인하여 철의 부식을 막는 희생방식성 아연의 저감으로 인한 내식성 저하의 요인에 기인된 것이다. 또한, Zn-Al합금도금강판은 이종의 합금상을 가지지 않는 형태로 도금층이 형성됨으로 굴곡가공이나 드로잉 가공후 사용시에 경계면이 취약하여 가공후 내식성이 열하되는 단점을 가지고 있다.

이러한 특성을 개선하고자 한국등록특허 제10-0586437호의 내식성이 우수한 Zn-Al-Mg-Si 합금도금강판의 강재에 있어서 Al 45~70 중량%, Mg 3~10중량%, Si 3~10중량%, 나머지가 Zn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 도금욕에서 도금처리하는 방법이 제안된 바 있고, 한국등록특허 10-0928804호에는 내식성 및 가공성이 우수한 Zn-Al-Mg 합금도금강판 등이 제안되었다.

용융도금강판에서 표면품질은 도금욕의 조성뿐 아니라, 도금욕으로부터 나오는 강판의 표면을 제어하는 기술에 따라 좌우되기도 한다. 용융도금층의 성분들, 예컨대 Zn, Al, Mg 등은 대기중의 산소와 결합하여 산화피막을 형성하는데 이는 도금강판의 표면품질을 저하시키는 요인이다. 특히, 도금욕에 Mg을 첨가한 도금강판 제품이 일반적인 GI, GL 도금욕의 경우보다 표면의 외관품질에 문제를 발생시키는 경우가 많은데, 이는 Mg원소의 특성인 산화성 때문에 발생되는 문제이다. Mg는 산화성이 매우 높은 원소로써 온도가 높은 도금욕조에서는 산화 반응성이 특히 높아지며 이로 인하여 기타원소와 결합한 산화물 또는 Mg 미세산화물이 Strip에 협착되어 도금강판 표면의 품질저하 문제를 발생시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 도금욕조(포트)로부터 나오는 용탕에 침적된 strip이 대기중에 노출되어 냉각이 진행되는 구간에 산화를 방지하기 위한 무산화성 분위기를 형성하여 도금하는 방식 및 이를 위한 장치가 종래 잘 알려져 있다.

예컨대, 국제공개 WO２０１１／１０２４３４(D1), 일본특허공개５５－１４１５５４(D2), 일본특허공개 ２０１０－２０２９５１(D3), 일본특허공개２００２－３４８６５１(D4), US4,444,814(D5) 및 US4,502,408(D6) 등이다.

그런데, Strip이 용탕에 침적된 이후 대기중에 나오는 구간에서 무산화 분위기 조성을 위한 방법 내지는 장치에 있어서는 기존에 방식 내지 장치는 여러가지 많은 문제점이 있다.

즉, 종래 무산화 분위기를 위한 장치는 위 종래기술의 도면(D1의 도 2, D2의도 2, D3의 도 2, D4의 도 3 등 참조) 에서 보듯이 도금용탕의 표면부터 스트립의 도금부착량 조절을 위한 air Knife 장치 전부를 감싸는 Box Type으로 구성되어 있다.

도금강판의 제조시 각 도금욕의 온도는 460℃(일반적인 아연-알루미늄도금강판 도금욕), 600℃(갈바륨강판 도금욕) 650℃(알루미늄도금강판 도금욕) 정도 되는데, 밀폐된 Box 형태로 인하여, 내부의 고온의 열기가 대기 중으로 제대로 방출되지 못하고 Box/Vessel 안의 온도를 상승시키게 된다.

종래의 이러한 방식 내지 구조는 실제 공정에서는 아래와 같은 많은 문제점을 야기시킨다.

- 제한된 공간에서의 열로 인한 구조물 변형

: Air Knife Rip, Rip, Sink roll Arm 등의 구조물에 열변형을 유발 시킨다.

- Air Knife에 부착된 각종 센서, 모터 등 Air Knife 구동 전기장치의 오작동

: 이를 방지하기 위해서는 각종 전기 장치의 온도 상승을 방지하기 위한 냉각 장치를 별도로 구성 해야 하는 문제점. 각종 전기장치의 수명 또한 감소 시킨다.

- 도금 및 부착량 제어 이후 Spangle 제어가 용이하지 못함

: 도금된 강판의 표면에 Spangle Size 미세화는 제품 품질에 많은 영향을 미치는데, Spangle을 미세화 하기 위해서는 부착량 제어 후 빠른 냉각이 필수이나 Box Type의 경우 내부의 잠열로 인하여 냉각효율을 저하시킨다. 도금후 Strip의 냉각 속도를 높이기 위하여 Air를 분사하는 냉각기술 이외에 미스트 분사, 금속파우더 분사 등 여러 다른 기술이 실제 사용되어 지고 있는데, Box type 구조는 도금후 냉각을 오히려 방해하는 구조 내지 방식이다.

- 도금욕탕 상부에 발생하는 표면 산화물(Top Dross) 제거가 용이하지 못하다.

: 질소가스를 분사하여 무산화성 분위기를 형성하는 목적은 도금용탕 표면에서 산화 발생을 억제하며, 발생된 산화물이 Strip에 흡착되는 것을 방지하는 목적인데, Box Type의 경우 용탕 표면에 발생한 표면산화물(Top Dross )제거가 용이하지 못한 구조이다

: 무산화성 분위기에서도 실제로 strip의 표면에 산화물은 상당량 발생하며, 이는 주기적으로 인력 또는 로봇장치를 이용하여 제거해야 하나, Box type 구조는 밀폐형으로서, strip의 표면에 산화물 제거를 위한 작업을 위해 개폐식 도어를 설치하여 개폐를 반복해야 하는 문제점이 발생한다. 이러한 경우 반복적인 개폐로 인하여 box 내부의 안정적인 질소 분위기 유지에도 어려움이 있다.

- 질소 가스 비용 증가

: Box Type 내부를 질소로 충진하는 방법은 두 가지가 있다. Air Knife에서 도금부착량 제어를 위한 분사되는 질소를 이용하여 충진하는 방법과 외부에서 다른 공급Line을 통하여 공급하는 방안이다.

: 실제 연속아연도금라인 Air Knife 에서 분사되는 질소량은 통상 3000~6000m3/hr 수준의 량으로 Box Type 내부 산소를 질소로 충진 하기에는 부족한 수준이며, 앞에서 언급하였듯이 용탕온도에 의한 열을 외부로 방출하기 위해 외부에서 추가적으로 질소 가스를 공급을 실시 하여야 하는데, 이를 위해, Air Knife에서 공급되는 질소 외에 3000~4000m3/hr 수준의 질소를 추가로 공급해 주어야 하며 이는 일반 질소 사용량의 2배 이상으로 제조원가에 상당한 비용으로 작용한다.

대한민국특허등록 제10-0525907-0000호 (2005년10월26일) 대한민국특허등록 제10-0723125-0000호 (2007년05월22일) 대한민국특허등록 제10-1222346-0000호 (2013년01월08일) 대한민국특허등록 제10-1461720-0000호 (2014년11월07일) 국제공개 WO２０１１／１０２４３４ 일본특허공개５５－１４１５５４ 일본특허공개 ２０１０－２０２９５１ 일본특허공개２００２－３４８６５１ 미국특허 4,444,814 미국특허 4,502,408

본 발명은 상기의 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 용융도금 강판을 제조함에 있어서 도금욕 표면으로부터 나오는 강판에 무산화성 분위기를 형성하기 위한 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 표면 외관 및 내식성이 우수한 아연-알루미늄합금도금강판을 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 용융도금을 위한 도금욕조 표면과 스트립의 표면에 부착되는 도금금속의 두께를 제어하기 위한 에어나이프 설비 사이에 설치되어 상기 도금욕조에서 올라오는 상기 스트립의 둘레에 질소구름(장막)를 형성하기 위한 장치를 제공하는 것에 의해 달성된다.

구체적으로 본 발명의 장치는, 상기 도금욕조 표면으로부터 일정거리 이격되어 있고, 반원통형의 몸체를 가지고, 그 저면이 개방되어 상기 도금욕조 표면을 향하며, 상기 몸체의 상면에는 상기 스트립이 통과하는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 몸체의 하단부 둘레에는 외부공기를 차단하기 위해 상기 도금욕조 표면을 향하여 질소가스를 분사하는 하부 가스배출부가 형성되고, 상기 몸체의 저면을 상기 스트립의 폭방향으로 가로질러, 상기 스트립의 양측에 대향 배치되되 상기 스트립을 향해 질소가스를 분사하는 내측가스배출부를 포함하고, 상기 몸체의 내측에는 상기 스트립을 향해 질소가스를 분사하는 복수 개의 분사노즐이 형성된 것임을 특징으로 한다.

다른 관점에서 본 발명은 상기 장치를 이용하여 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 방법을 제시한다. 본 발명의 방법은 아연-알루미늄계 합금도금강판을 아연 35~55중량%, 실리콘 0.5~3중량%, 크롬 0.005~1.0중량%, 마그네슘 0.01~3.0중량%, 티타늄 0.001~0.1중량%, 나머지가 알루미늄 및 불가피하게 포함되는 불순물을 포함하는 상기 도금욕조에서 도금처리함으로써, 가공성과 내식성이 우수한 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면 생산된 도금강판은 표면외관 및 내식성이 우수한 특성을 갖는다.

또한 상기 도금욕에는 상기 마그네슘 전체중량을 기준으로 1~10중량%의 칼슘을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 장치에 의하면, 도금욕조를 빠져나오는 강판의 주위에 질소구름(장막)을 형성하여 상기 강판(스트립)이 에어 나이프설비에 도달하기 전에 외부 공기와의 접촉을 방지하는 효과가 있다. 특히 본 발명의 상기 장치는 몸체의 내측으로 질소가스를 분사하여 몸체의 내부를 전체적으로 질소가스로 채우고, 몸체의 저면부에 형성된 하부 가스배출부를 통해서 상기 몸체의 저면 개방부를 외부공기로부터 질소가스로 차단하며, 도금욕조의 표면으로부터 올라오는 스트립의 양측에서 내측가스배출부를 통해 상기 스트립을 향해 질소가스를 분사하도록 하여, 상기 스트립에 부착된 도금금속을 상기 도금욕조의 표면에서 나오는 순간부터 외부공기로부터 차단하고 있다.

한편, 본 발명의 장치는 상기 슬릿의 양측에 상기 슬릿를 통과하는 상기 스트립의 방향으로 질소가스를 분사하는 상부가스배출부를 추가로 형성할 수도 있다.

이에 의하면, 산소를 포함하는 외부공기가 상기 슬릿를 통하여 상기 몸체의 내부로 진입하는 것을 방지하게 된다.

여기서 상기 내측가스배출부는, 질소가스를 배출하는 복수개의 노즐이 길이방향으로 일정 간격 형성된 원형의 파이프본체와 상기 파이프본체의 일측면을 수용하도록 오목한 홈이 길이방향으로 형성된 하우징과, 상기 파이프본체에 대응되는 요홈이 형성되어 상기 파이프본체의 양단부에서 상기 파이프본체가 안착되도록 하는 고정블록을 포함하고, 상기 파이프본체와 상기 하우징에는 질소가스가 이동하는 통로가 각각 1개 이상 형성되어 있는 것일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도금욕조를 빠져나오는 강판이 에어 나이프를 통과하기 전에 외부 공기와의 접촉을 방지하여 용융도금강판의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한 도금욕조 및 스트립으로부터 장치의 내부로 전달되는 열을 장치의 외부로 용이하게 배출하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 측면도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분확대도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 몸체부의 사시도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 몸체부의 부분확대도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 몸체부의 사시도
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 내측가스배출부의 사시도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 내측가스배출부의 분해사시도
도 8은 도 6의 A-A'부분의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예 따른 몸체부의 저면도

이에 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대해 도면 1 내지 도면 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 장치는 도금욕조 표면(10)에서부터 일정거리 이격되고, 에어나이프설비(2)의 하부에 위치한다. 본 발명 장치는 몸체부(3)를 가진다. 상기 몸체부(3)는 반원통형의 돔 형상으로서, 상면에는 도금되어진 스트립(100)이 통과하는 슬릿(32)이 몸체부(3)의 길이방향으로 연장 형성되어 있다. 이러한 슬릿(32)은 상기 스트립(100)의 두께 및 폭보다는 크게 형성되어 진다. 몸체부(3)는 철판으로 제작되어 질 수 있다.

이러한 몸체부(3)의 저면은 도금욕조의 표면(10)를 향해 개방되어있다. 또한 몸체부(3)의 저면 사각 테두리에는 도금욕조의 표면(10)을 향해 질소가스를 분사하는 하부가스배출부(33)가 형성되어 있다. 이러한 하부가스배출부(33)는 일명 에어커튼이라는 장치와 유사하며, 압축된 질소가스를 슬릿(33a, 도면 9참조)을 통해 하부로 분사하여 공기막(에어커튼)을 형성하여 상기 하부가스배출부(33)의 안쪽과 바깥쪽을 외부공기로부터 차단시킨다.

본 발명의 장치는 상기 몸체(3)의 내측으로 질소가스를 분사하는 복수개의 노즐(34)를 포함한다. 상기 노즐(34)들은 상기 몸체(3)의 중심방향으로 질소가스를 분사하여 몸체(3)의 내부에 질소구름(S)를 형성하게 된다.

또한 본 발명의 장치는 상기 몸체(3)의 저면을 상기 스트립(100)의 폭방향으로 가로질러, 상기 스트립(100)의 양측에 대향 배치되되 상기 스트립(100)을 향해 질소가스를 분사하는 내측가스배출부(31)를 포함한다. 스트립(100)이 상기 도금욕조의 표면(10)으로부터 나오는 순간부터 질소가스를 분사하여, 산소가 상기 스트립(100)의 표면에 영향을 미치는 것을 원천적으로 차단하게 된다. 또한 스트립(100)에서 방출되는 열기를 장치의 외부로 배출하는 효과도 있다. 즉, 본 발명의 장치는 도금욕조표면(10)에서부터 이격 설치되어 있고, 하면이 개방되어 있기 때문에, 상기 노즐(34) 및 내측가스배출부(31)로부터 분사되는 질소가스에 의해, 상기 스트립(100) 및 용탕(1)에서 방출되는 열이 외부로 용이하게 배출될 수 있게 되는 것이다.

상기 노즐(34), 하부가스배출부(33) 및 내측가스배출부(31)로부터 분사되는 질소가스의 압력을 각각 얼마만큼 조절하느냐 하는 것은 스트립(100)의 이동속도, 도금부착량 등에 따라 가변적이며, 당업자에게는 자명한 사항이다.

일반적으로 도금욕조를 빠져나오는 강판에 질소를 분사하여 무산화성 분위기를 형성하는 것은 앞서 살펴본 바와 같이, 이미 공지된 기술이다(D1 내지 D6). 하지만 종래 기술에서 언급한 바와 같이 강판의 도금량을 조절하는 설비를 포함하는 밀폐된 공간(박스 형태와 같은)에 형성한 후 질소를 주입하게 되면 용탕의 열이 외부로 배출되지 않아 내부의 기계 및 각종 센서의 손상 및 오작동이 발생하게 된다. 또한 도금욕조의 표면에 생성되는 산화물을 주기적으로 제거하는 작업을 위해 밀폐된 공간을 개방해야하기 때문에 장치의 가동을 멈추거나 또는 외부 공기의 유입에 의한 품질 저하를 가져오는 단점을 가지고 있었다.

본 발명의 장치는 스트립(100)에 부착되는 도금금속의 양을 조절하는 에어나이프 설비(2)의 하부에 설치한다. 또한 돔형의 몸체(3)에 의해 감싸지고 몸체(3)의 하단부 테두리에 형성된 하부 가스배출부(33)에서 분사되는 질소에 의해 외기를 차단하도록 한 상태에서 내측가스배출부(31)는 직접 강판(100) 방향으로 질소를 분사하고 나머지 공간은 분사노즐(34)에서 배출되는 질소에 의하여 채워져서 도 1에 도시된 바와 같이 질소에 의하여 형성되는 무산화성 분위기가 생성된 공간(S)이 형성되는 것이다.

이러한 질소가스에 의한 장막(S)이 형성된 상태에서는 스트립(100)의 표면에 산소가 접촉하는 것을 방지하면서 외부로의 열 배출이 용이하게 이루어져, 각종 부품(미도시)에 영향을 미치지 않아 손상이나 오작동이 발생하지 않는 것이다.

또한 본 발명의 장치는 도금욕조의 표면(10)에서부터 일정거리 이격되기 때문에 용탕표면산화물을 인력 또는 장치에 의하여 제거하기 위해 장비를 삽입하는 것이 용이하며 이러한 제거작업 중에서도 질소는 지속적으로 분사되어 장치의 가동을 멈추지 않아도 되는 이점이 있게 된다.

또한 밀폐된 공간이라도 강판이 용탕에서 빠져나오면서 용탕의 표면에 형성된 용탕표면산화물이 강판에 부착하거나 마그네슘에 의한 미세산화피막이 형성되는 것을 완전하게 방지할 수 없었으나 본원 발명은 내측가스배출부(31)에서 분사되는 질소가 강판(100)의 방향으로 하향 경사지게 분사되는 것으로 용탕의 표면산화물이 강판(100)의 외측으로 밀리도록하는 힘이 작용하여 용탕표면산화물이 강판(100)에 묻거나 미세산화피막이 발생하는 것을 보다 효율적으로 억제할 수 있는 것이다.

도면 1, 2 및 4에서 미설명 부호 50은 강판(100)의 양면에 부착하여 도금욕조의 표면에서부터 끌려 올라오는 용융금속에 의해 형성되는 meniscus로서, meniscus에 포함된 용융금속의 양은 강판(100)에 부착하는 도금금속의 두께가 되고, 이는 강판의 이동속도, Air Knife(2)에서 분사되는 질소가스의 압력 등에 의해 조절된다. 내측가스배출부(31)는 meniscus 최표면에서 발생한 Dross를 도금강판에 부착되지 않게 물리적으로 제거하는 역할을 하거나 Dross가 발생하는 산화성 분위기를 억제한다.

도 4 내지 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 장치를 도시하고 있다. 이를 참조하면, 본 발명의 장치의 몸체(3)의 상면에 형성된 슬릿(32) 양측에서 슬릿(32) 방향으로 질소가스를 분사하는 한 쌍의 상부가스배출부(35)가 추가적으로 형성되어 있다.

본 발명의 장치의 상부에 위치하는 에어 나이프설비(2)에서는 비교적 강한 압력으로 질소가 분사되면서 강판(100)의 도금량을 조절하게 되는데, 이렇게 강한 압력으로 분사되는 질소가스는 외기와 혼합되어 와류를 형성하는 원인이 되기도 한다. 이러한 와류는 슬릿(32)를 통하여 몸체(3)의 내부로 진입할 우려가 있으며 이를 방지하기 위하여 슬릿(32)의 위쪽에 상부가스배출부(35)를 형성하여 이로부터 질소가스를 분사하도록 하여 와류에 혼합된 산소가 상기 슬릿(32)을 통해 몸체(3) 내부로 침입하는 것을 방지하도록 하는 것이다.

도면 6 내지 8에는 내측가스배출부(31)의 구성을 예시적으로 도시하였다. 이를 참조하면, 상기 내측가스배출부(31)는, 질소가스를 배출하는 복수개의 노즐(311)이 길이방향으로 일정 간격 형성된 원형의 파이프본체(31a)와 상기 파이프본체(31a)의 일측면을 수용하도록 오목한 홈(314)이 길이방향으로 형성된 하우징(31b)과 상기 파이프본체(31a)에 대응되는 요홈(330)이 형성되어 상기 파이프본체(31a)의 양단부에서 상기 파이프본체(31a)를 안착하도록 되는 고정블록(31c)을 포함한다.

여기서, 상기 파이프본체(31a)와 상기 하우징(31b)에는 질소가스를 공급하기 위한 통로를 제공하는 질소공급홀(315, 312)이 각각 1개 이상 형성된다.

상기 하우징(31b), 파이프본체(31a) 및 고정블록(31c)들은 나사홀(316, 317)을 관통하는 고정볼트(318)에 의해 고정된다.

또한 상기 파이프본체(31a)의 양단부에는 상기 파이프본체(31a)의 외경보다는 큰 외경을 갖는 캡(313)이 형성되어 있다.

필요한 경우, 상기 노즐(311)의 분사각도를 조절하기 위해 작업자는 상기 고정볼트(318)를 풀고, 캡(313)을 잡아서 상기 파이프본체(31a)을 일정각도 회전시킬 수 있다.

도면 8에서는 상기 파이프본체(31a)에 노즐(311)을 복수 개 형성한 것으로 표현 하였으나 에어커튼과 같이 길게 절개된 슬릿을 통해서 질소가스를 배출하게 할 수도 있을 것이다.

도면 9에 슬릿 형태의 내측가스배출부(31)가 몸체(3)에 형성된 상태를 예시적으로 도시하였다. 도면 9는 몸체(3)의 저면에서 바라본 모습으로서, 질소가스를 분출하는 슬릿(33f)이 형성된 내측가스배출부(31)가 지지브리지(39)에 의해 몸체(3)에 고정되어 있다.

이상의 설명 및 도면에서 외부로부터 본 발명의 장치의 각 가스배출부(31, 33, 35) 및 노즐(34, 311)로의 질소가스를 공급하는 구성은 구체적으로 도시하지는 않았으나, 이는 설계적인 사항으로 당업자에게는 자명한 사항이다.

이상 설명한 본 발명의 장치의 장점에 대해 종래의 장치(D1-D6)와 대비하여 설명하면 다음과 같다.

1) 본원발명의 장치는 Air Knife 하단에 일부 공간에만 질소장막을 형성하여, 종래 Box Type에서 발생되는 잠열로 인한 구조물 변형 및 도금후 냉각능 저하에 따른 Spangle 미세화 방해 요소가 전혀 없다.

본원발명의 장치는 도금용탕 표면부터 도금 부착량을 제어하는 Air Knife 전체를 감싸는 종래의 장치와 같은 Box 형태가 아니라, 산화가 최초 발생하거나 도금용탕 표면에 Dross가 Strip에 흡착될 수 있는 Air Knife 하단부 구간에 노즐을 이용한 질소 커튼(질소장막)을 형성하여 질소DAM을 형성하는 구조이다. 밀폐된 공간에 질소를 충진하는 방법이 아니라 Air Knife 하단부 구간의 상하부에 질소를 분사하여 질소장막(S)을 형성하고 내부를 질소분위기로 유지하기 때문에 장치내부에서 외부로의 가스 유동이 원활하여 잠열을 유지하지 않는다.

또한 본원발명의 질소장막(S)은 도면에서 볼 수 있듯이 Air Knife 하단 일부 공간에만 형성되므로, 도금용탕 표면 및 도금이 진행되고 있는 Strip 이외에는 어떠한 구조물(부품)에도 영향을 미치지 않는다. 따라서 종래 Box Type에서 발생하는 열로 인한 구조물 변형 및 각종 센서, 모터 등 Air Knife 구동을 위한 전기장치의 열로 인한 오류의 발생 가능성도 낮다.

2) 상부 표면 산화물(Top Dross) 제거가 용이하다.

본발명의 장치의 경우 도금용탕 표면과 직접접촉 또는 침적된 분위기가 아니라 도금용탕 표면에서 일정거리 이격 되어 있어 이 공간을 통하여 Dross를 인력 또는 로봇을 이용하여 제거 시 어떠한 방해요소도 없게 된다. 또한 Top Dross 제거를 위해 이격된 공간에 장치 또는 도구를 삽입시에도 노즐을 통하여 분사되는 질소커튼 형태의 장막을 항시 유지 하기 때문에 질소 분위기 유지에도 효과 적이다.

3) 도금용탕 상부 Top Dross의 Strip 흡착 방지 효과

Mg 첨가 합금도금강판의 제조에 있어 도금용탕 포트 부위를 질소로 충진 하더라도 실제로 일부 Top Dross 및 산화성이 높은 Mg에 의한 미세 산화 피막을 완벽하게 방지할 수는 없다. 다만 그 양을 현저하게 줄일 수 있기 때문에 질소가스를 분사하는 제조방법을 적용한다.

본 발명에서는 Top Dross 및 도금용탕 상부의 미세산화 피막을 억제하기 위해 질소 분위기를 형성함과 동시에 이러한 Top Dross 및 미세 산화피막이 Strip에 흡착되는 것을 물리적으로 방지하는 효과도 포함하고 있다.

또한 본발명은 하부질소가스배출부(33)에서 아래로 질소 분사시 도금욕조의 측면방향으로 질소장막을 형성시킨다.(도 1 참조) 이는 도금용탕 상부에 부유하고 있는 Top Dross 및 미세 산화 피막의 Strip 부근으로의 이동을 물리적으로 방지하여 Strip에 흡착되지 못하게 하는 효과를 발생시킨다.

따라서 질소 분위기 형성과 동시에 도금 이후 Strip에 흡착을 방지하는 효과를 내는 본 발명은 기존 질소 분위기만 형성하여 산화물을 억제하는 종래의 장치와는 차이가 있다.

4) 질소 가스 비용 절감

본원발명의 장치는 Air Knife 하단에 필요한 일부 공간에 대해서만 질소분위기를 형성 시키기 때문에, 하부질소가스배출부(33)에서 나오는 적은양의 질소만으로도, 질소 장막을 유지할 수가 있으며, 상압보다 높은 압력으로 유지하면서 질소를 공급하는 종래의 Box Type 보다 효율적이다.

따라서 종래의 Box Type 내부를 질소로 충진하는 방법 대비하여 본 발명이 질소 사용량도 절감이 가능하다. 또한 동일한 양의 질소라 하더라도 본원발명이 종래의 방식보다 훨씬 효과적인 산화물 생성억제, 흡착방지 효과를 나타낼 수 있는 제조 방식이다.

한편, 본 발명은 상기 장치를 이용하여, 아연-알루미늄계 합금도금강판을 아연 35~55중량%, 실리콘 0.5~3중량%, 크롬 0.005~1.0중량%, 마그네슘 0.01~3.0중량%, 티타늄 0.001~0.1중량%, 나머지가 알루미늄 및 불가피하게 포함되는 불순물을 포함하는 상기 도금욕조에서 도금처리함으로써, 가공성과 내식성이 우수한 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 상기와 같은 도금조성을 갖는 도금욕조에서 도금되는 아연-알루미늄계 합금도금강판에 도금욕조 표면에서부터 일정거리 이격된 부분에, 그리고, Air Knife 설비 하단부에서, 질소댐을 형성하여 도금욕조표면에서 산소와 접촉하여 생성된 미세산화피막이 상기 강판에 흡착되는 것을 방지한다.

본 발명의 방법에서 도금욕조는 35~55중량%의 아연을 포함한다. 아연은 소지철보다 희생방식성을 가져 부식을 억제하는 역할을 한다. 35 중량% 이상의 확보가 필요한데, 이는 이 이하가 되면 도금욕 유동성 저하 및 내식성 저하가 일어나게 되고 이상이 되면 도금욕의 온도를 상승시켜야 하기 때문에 Top 드로스의 증가와 함께 조업상의 지장을 초래하여 작업성이 나빠지게 된다. 또한, 55 중량% 이상의 경우는 도금강판의 알루미늄 비율 증가로 인한 원가가 상승하여 경제성이 저하하게 된다.

본 발명 도금욕조는 0.5~3.0중량%의 실리콘을 포함한다. 실리콘은 합금층의 성장을 억제하려는 목적과 함께 도금욕의 유동성을 향상시켜서 광택을 부여하는 효과가 있으며 첨가량은 0.5중량% 이상을 첨가해야 한다. 이는 도금층에서 실리콘의 중요한 역할이 소지강판과 알루미늄의 합금층 형성을 제어하는 역할인데, 첨가량이 0.5중량% 이하이면 그 기능이 제한되어 가공성이 현저히 떨어지는 문제점이 발생한다. 반면 3중량% 이상을 첨가하면 도금층의 내식성 향상에 기여하는 인자로 작용하는 Mg2Si 상의 표면상의 과다 생성 및 성장으로 표면이 거칠고, 조기에 표면변색을 야기시키는 현상과 후처리 피복특성을 저해하는 것으로 나타나게 된다. 따라서 실리콘의 첨가량은 0.5~3중량%로 하는 것이 바람직하다.

도금욕에 첨가되는 크롬은 도금층 중의 표면에 치밀한 부동태 산화피막을 형성하여 알루미늄도금강판의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 도금욕 중에 크롬 원소가 균일한 분포를 이루게 됨에 의해 도금층의 결정립을 미세화시키는 작용을 한다.

아울러 도금층 내에 집적된 일정형태의 Al-Zn-Si-Cr혼재상의 띠(band)를 형성하는 것과 도금층내의 크롬 성분은 알루미늄과 반응하여 AlCr2상의 형성으로 가공성 및 가공 후 파단면의 내식성을 향상시키는 작용을 한다. 이러한 크롬의 역할이 상기의 실리콘 함량을 3중량% 이하로 관리되어 도금층내에 실리콘 성분의 침상 형태로 과다 석출되는 것을 제어하는 역할을 하는 요인으로 작용한다.

이러한 효과를 갖는 크롬의 함량은 0.1 이상 첨가되어야 하는 것으로 알려져 있다. (U.S. Patent No. 3,055,771 to Sprowl) 그러나 본 발명의 방법에서는 크롬의 함량이 0.005 ~ 1.0 중량% 이다. 크롬의 함량이 0.005 중량% 이하이면 도금욕 중에 균일하게 분포되는 효과가 적고, 1.0중량% 이상일 경우에는 크롬 함량이 증가함에 따라 도금욕의 온도 상승이 필요하며 도금욕의 온도가 상승됨에 따라 드로스(dross)가 증가되고, 이 드로스가 도금강판 표면에 부착되어 외관이 손상되는 문제점이 있다. 따라서 크롬의 첨가량은 0.005~1.0중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 도금욕조는 또한 마그네슘을 0.01~3.0중량% 포함한다. 상기 크롬과 함께 첨가되는 마그네슘은 도금층에 접하고 있는 공기 중의 산소와 결합하여 부동태 피막을 형성하여 합금층 내부로 산소가 확산되는 것을 방지하고, 추가적인 부식현상을 저지하여 내식성을 개선시킨다. 도금층중의 마그네슘과 실리콘 성분의 반응으로 형성된 Mg2Si 상과 마그네슘과 아연의 반응으로 형성된 MgZn2 상의 존재는 부식이 진행되는 과정에서 아연의 희생방식성과 함께 국부전지의 형성으로 부식속도를 저감하는 역할을 하게 된다. 또한 알루미늄과 반응하여 산소의 확산을 차단하는 효과가 있어 가공 후 전단면(剪斷面) 내식성을 현저히 개선시킨다.

만일 마그네슘의 첨가량이 0.01중량% 이하이면 분산도 및 산화특성으로 인한 내식성 개선 효과가 적고, 3.0중량%를 초과하면 도금욕이 포화됨과 동시에 용융점이 높아져서 작업성이 저하되고 지속적인 상부드로스의 발생으로 표면품질이 저하하는 문제점으로 제조원가의 상승과 함께 생산공정상의 문제점이 증가하게 된다.

그러므로 마그네슘의 첨가량은 0.01~3.0중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 도금욕조는 또한 칼슘을 마그네슘 중량비의 1~10중량% 포함한다. 상기 마그네슘, 크롬과 함께 첨가되는 칼슘은 도금용탕 계면에 발생하는 마그네슘 산화물의 생성을 억제함으로 인하여 마그네슘 미세산화 피막이 도금강판 표면에 부착되어 외관품질을 저해하는 현상을 방지한다.

Mg용탕에 Ca, Be, Al등을 첨가할 경우 고온에서도 용탕의 산화 및 발화가 상당히 억제되는 것으로 알려져 있다. 칼슘을 첨가하여 용탕의 산화력을 억제하는 방법의 메커니즘은 칼슘 첨가에 의해 Mg용탕의 발화온도는 200℃ 이상 증가하는데 칼슘의 첨가에 의해 Mg합금의 발화온도가 상승하는 것은 일반적으로 표면에 형성되는 산화층이 다공질의 산화층에서 치밀한 산화층으로 변화하여 산소의 유입을 효과적으로 차단 가능하다

만일 칼슘의 첨가량이 마그네슘의 중량%대비 1중량% 이하이면 분산도가 낮아지고 및 MgO 산화피막의 억제효과가 적고 마그네슘 중량%대비 10중량%를 초과하면 알루미늄, 칼슘의 금속간 화합물 생성에 의한 도금층 가공성 저하를 유발 할 수 있다. 그러므로 칼슘의 첨가량은 마그네슘 중량비의 1~10중량%인 것이 바람직 하다.

더해서, 본 발명에 있어서는 도금층의 외관 및 도금층의 꽃무늬 형상인 스팽글(Spangle)의 미세화를 위해서 티타늄을 0.001~0.1 중량%를 포함한다. 티타늄의 첨가량이 0.001 중량% 이하이면 강판상의 분산도가 떨어지며, 0.1 중량% 이상이면 도금욕의 용해가 용이하지 못하며 그 효과성의 향상에 영향을 주지 못하였다.

본 발명은 종래의 Galvalume 도금강판인 알루미늄과 아연, 실리콘을 함유하는 도금욕에 크롬과 마그네슘, 칼슘, 티타늄을 동시에 적절한 조성으로 첨가하여 핵생성 기회를 많이 만들어줌으로써 스팽글(spangle)을 미세화 한다는 것에 근거한다.

즉 첨가된 성분들은 용탕내에서 강판이 도금처리된 이후에 도금층 내에 분산되어 Mg2Si상, MgZn2상, AlCr2상 등의 무수한 핵을 생성함으로써 도금재가 응고하는 과정 중 결정입계간 상호 간섭하는 작용을 해서 결정립의 성장을 제어하는 역할을 하게 된다.

따라서 미려한 표면외관이 확보되며 입계간 부식을 억제하여 내식성이 강화되는 효과가 더불어 발휘된다. 또한 알루미늄과 철과의 합금층 성장을 억제하여 가공성이 우수한 도금피막층이 형성되는 것이다.

한편, 도금욕 용탕내 입욕할 때의 소지강판의 온도는 570~650℃, 용탕온도는 550~650℃로 설정하는 것이 바람직하다.

소지강판의 입욕온도가 550℃ 이하가 되면 도금욕의 유동성이 떨어져 도금피막의 외관이 불량해지고 도막밀착성이 저하되며, 반면 650℃ 이상이 되면 소지강판의 열적 확산이 빨라져서 합금층의 이상 성장을 초래하게 되어 가공성이 떨어짐과 동시에 용탕내 Fe산화물층이 과다 생성되는 문제점이 발생되기 때문이다.

도금부착량은 편면기준으로 20~100g/㎡로 하는 것이 바람직한데, 만일 도금부착량을 20g/㎡ 이하로 하면 부착량을 제어하는 에어 나이프 설비의 공기압력이 과다하게 증가되어 도금부착량의 편차가 발생되며 이와 함께 용탕내 표면산화물의 급속한 증가로 인해 피막의 외관 손상 및 산화 드로스의 부착이 발생된다.

또한 100g/㎡ 이상이 되면 합금층이 과다 형성되어 가공성이 현저하게 저하되는 문제점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예와 비교예를 대비하여 설명하고자 한다. 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체화하나 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

강판두께 0.8㎜, 폭 120㎜, 길이 250mm크기의 탈지된 냉연강판을 본발명의 청구항 3항에 따른 장치을 이용하여 도금을 실시하였다. 표 1과 같이 도금욕의 조성을 변화시켜 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하였다. 제조된 아연-알루미늄계 합금도금강판의 편면 도금부착량을 기준으로 한 평가결과를 표 1에 나타내었다.

평가항목으로는 내식성 및 가공성 대상으로 하였으며, 내식성은 KSD 9504 시험법에 따라 5%, 35℃ NaCl 염수분무시험 분위기에서 초기 적청 발생시간(5%)으로 비교, 평가하였으며, 가공성은 KSD 0006 시험법에 따라 180°OT 벤딩(bending)시험을 한 후 발생된 균열(crack)의 폭(파단면의 폭)을 30~50 배율의 입체현미경(stereo microscope)으로 관찰하여 파단면의 폭 크기를 측정함으로써 비교 평가하였다. 합금상의 관찰은 X-선 회절(XRD) 장비를 이용하였다.

구체적인 시험평가방법에 따른 평가결과는 아래와 같다.

1. 드로스 발생정도 : 도금 조성별 용해 도금시편 제작 후, 도금욕 상부에 발생한 드로스량을 측정한 결과이다.

◎ : 도금욕 대비 드로스 발생량 5% 이하

△ : 도금욕 대비 드로스 발생량 10~20%

X : 도금욕 대비 드로스 발생량 20% 이상

2. 표면외관 : 도금층의 표면외관의 스팽글 선명도와 형성 정도를 육안으로 관찰한 결과이다.

◎ : 스팽글 형성이 뚜렷하고 광택이 높음

△ : 스팽글 형성이 뚜렷하지 않음

X : 스팽글 형성이 미약하고 외관이 불량함

3. 전단면 내식성 : 염수분무시험 1,000시간 실시 후의 적청발생 정도를 평가하였다.

◎ : 적청발생비율 5% 이하

△ : 적청발생비율 10~20%

X : 적청발생비율 30% 이상

4. 평판 내식성 : 염수분무시험 2,500시간 실시 후의 적청발생 정도를 평가하였다.

◎ : 적청발생비율 5% 이하

△ : 적청발생비율 20~30%

X : 적청발생비율 30% 이상

(표 1)

* 중량% 기준.

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 장치를 이용하여 도금한 경우의 드로스 발생량이 적음을 알 수 있고, 또한 발명예에 따라 도금한 강판의 가공성 및 내식성이 우수함을 알 수 있다. 즉 발명예의 경우 180° OT 벤딩(bending)시험을 실시한 후에도 발생된 크랙(파단면)이 10~20㎛정도로 비교예의 경우보다 우수한 것으로 판정되었으며, 내식성에 있어서도 발명예의 경우 평단부 적청은 도금부착량이 편면기준 50g/m²에서 3,000시간 이상, 전단부 적청은 1000시간 이상으로 나타나 기존의 조성에 비해 훨씬 우수함을 알 수 있다. 또한 육안 관찰 결과, 본 발명의 장치가 적용된 제조예가 표면외관이 비교예보다 양호한 것으로 나타났다. 이는 스팽글 사이즈가 미세화됨에 따른 결과이다.

1 : 도금욕조
2 : 에어 나이프
3 : 몸체
31 : 내측가스배출부
31a : 파이프본체 31b : 하우징
31c : 고정블록 311 : 노즐
312 : 질소공급홀 313 : 캡
314 : 하우징안착부 315 : 질소공급홀
316 : 나사홀 317 : 나사홀
318 : 고정볼트
32 : 슬릿
33 : 하부가스배출부
34 : 분사노즐
35 : 상부가스배출부
100 : 강판

Claims (5)

1. 용융도금을 위한 도금욕조 표면(10)과 스트립(100)의 표면에 부착되는 도금금속의 두께를 제어하기 위한 에어나이프 설비(2) 사이에 설치되어 상기 도금욕조(1)에서 올라오는 상기 스트립(100)의 둘레에 질소구름(장막)를 형성하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
   상기 도금욕조 표면(10)으로부터 일정거리 이격되어 있고,
   반원통형의 몸체(3)를 가지고, 그 저면이 개방되어 상기 도금욕조 표면(10)을 향하며,
   상기 몸체(3)의 상면에는 상기 스트립(100)이 통과하는 슬릿(32)이 형성되어 있으며,
   상기 몸체(3)의 하단부 둘레에는 외부공기를 차단하기 위해 상기 도금욕조 표면(10)을 향하여 질소가스를 분사하는 하부 가스배출부(33)가 형성되고,
   상기 몸체(3)의 저면을 상기 스트립(100)의 폭방향으로 가로질러, 상기 스트립(100)의 양측에 대향 배치되어 상기 스트립(100)을 향해 질소가스를 분사하는 내측가스배출부(31)를 포함하고,
   상기 몸체(3)의 내측에는 상기 스트립(100)을 향해 질소가스를 분사하는 복수 개의 분사노즐(34)이 형성된 것임을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 슬릿(32)의 양측에는 상기 슬릿(32)에서 나오는 상기 스트립(100)의 방향으로 질소가스를 분사하는 상부가스배출부(35)가 추가로 형성됨을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 내측가스배출부(31)는,
   질소가스를 배출하는 복수개의 노즐(311)이 길이방향으로 일정 간격 형성된 원형의 파이프본체(31a);
   상기 파이프본체(31a)의 일측면을 수용하도록 오목한 홈(314)이 길이방향으로 형성된 하우징(31b);
   상기 파이프본체(31a)에 대응되는 요홈(330)이 형성되어 상기 파이프본체(31a)의 양단부에서 상기 파이프본체(31a)를 안착하도록 되는 고정블록(31c); 을 포함하고,
   상기 파이프본체(31a)와 상기 하우징(31b)에는 질소가스가 이동하는 통로를 제공하는 질소공급홀(315, 312)이 각각 1개 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여, 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 방법에 있어서,
   아연-알루미늄계 합금도금강판을 아연 35~55중량%, 실리콘 0.5~3중량%, 크롬 0.005~1.0중량%, 마그네슘 0.01~3.0중량%, 티타늄 0.001~0.1중량%, 나머지가 알루미늄 및 불가피하게 포함되는 불순물을 포함하는 상기 도금욕조에서 도금처리함으로써, 가공성과 내식성이 우수한 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 방법.
5. 4항에 있어서 상기 도금욕조에는 상기 마그네슘 전체중량을 기준으로 1~10중량%의 칼슘을 더 포함함을 특징으로 하는 가공성과 내식성이 우수한 아연-알루미늄계 합금도금강판을 제조하는 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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