KR101867706B1 - 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로, 이는 냉매가 수용되고, 소재가 유입되는 냉각조; 상기 냉각조 내에 설치되어, 상기 소재를 향해 제트류를 분사하도록 설치되는 복수의 분사노즐; 및 상기 복수의 분사노즐에 연결되어, 상기 소재에 대한 분사노즐의 거리를 조절할 수 있는 거리조절부를 포함하여서, 예컨대 고온의 강판과 같은 소재를 냉매에 의해 급속 냉각할 때 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있는 효과를 얻게 된다.

Description

냉각 장치 {Apparatus for cooling}

본 발명은 예컨대 강판과 같은 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있는 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고강도의 강을 제조하기 위해 비철금속이나 희토류 등의 합금 성분을 첨가한다. 그러나, 합금 성분을 첨가할 경우에는 제조 비용이 상승하고 제조 효율성 및 제품 가공성이 저하된다. 이러한 이유로 합금 성분을 최소로 하면서 열처리 중에 급속 냉각함으로써 강의 강도를 향상시키기 위한 시도가 행해지고 있다.

급속 냉각 방법의 일례로 담금질(Quenching)을 이용한 방법이 있으며, 담금질 냉각은 예컨대 강판 1㎜의 경우, 대략 초당 1000℃의 냉각 속도로 가장 빨리 강판을 냉각할 수 있다.

담금질 냉각은 냉각수가 저장된 냉각조를 사용하게 되는데, 강판이 냉각조를 통과하면서 요구되는 냉각이 이루어지는 것이다.

하지만, 종래의 냉각조에서 고온의 강판을 담금질 냉각하면 강판에서 길이방향 또는 폭방향으로 온도차가 커지고 이에 따라 열응력이 크게 발생하여 강판이 변형되는 문제가 있다.

(특허문헌 1) JP 5200406 B2

이에 본 발명은 예컨대 고온의 강판과 같은 소재를 냉매에 의해 급속 냉각할 때 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있는 냉각 장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, 냉매가 수용되고, 소재가 유입되는 냉각조; 상기 냉각조 내에 설치되어, 상기 소재를 향해 제트류를 분사하도록 설치되는 복수의 분사노즐; 및 상기 복수의 분사노즐에 연결되어, 상기 소재에 대한 각 분사노즐의 거리를 조절할 수 있는 거리조절부를 포함하고, 상기 거리조절부는, 상기 복수의 분사노즐 중 상류측의 분사노즐과 상기 소재 사이의 거리를 감소시켜 상기 상류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류가 상기 소재에 상대적으로 강하게 충돌하게 하거나, 하류측의 분사노즐과 상기 소재 사이의 거리를 증가시켜 상기 하류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류가 상기 소재에 상대적으로 약하게 충돌하게 하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 예컨대 고온의 강판과 같은 소재를 냉매에 의해 급속 냉각할 때 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각 장치 중 일부를 보다 상세히 도시한 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시된 거리조절부의 작동 상태를 도시한 확대도이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, 냉매(2)가 수용되고, 소재(1)가 유입되는 냉각조(10); 이 냉각조 내에 설치되어, 소재를 향해 제트류(3)를 분사하도록 설치되는 복수의 분사노즐(21, 22, 23); 및 이들 분사노즐에 연결되어, 소재에 대한 분사노즐의 거리를 조절할 수 있는 거리조절부(30)를 포함하고 있다.

냉각조(10)에는 냉매(2)가 수용되어 있는데, 이러한 냉매로는 냉각수가 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 냉각조에는 고온의 강판과 같은 소재(1)가 수직 방향으로 이송되면서 수용된 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 이때 이송 방향은 상향 또는 하향 등으로 될 수 있다.

복수의 분사노즐(21, 22, 23)이 냉각조(10) 내에 설치되고, 각 분사노즐은 냉매(2)로 이루어진 제트류(3)를 분사하여 소재(1)를 냉각할 수 있다. 복수의 분사노즐은 제트류가 소재에 대략 직각인 방향으로 직접 충돌하도록 냉각조 내에 배치되는 것이 좋다. 도면에는 3개의 분사노즐이 도시되어 있으나, 분사노즐의 개수는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

각 분사노즐(21, 22, 23)은 배관(24), 펌프(25), 밸브(26) 등을 매개로 하여 냉각부(40)에 연결될 수 있다. 또, 냉각부는 배관(27), 펌프(28) 등에 의해 냉각조(10)에 연결되어, 소재(1)에 의해 점차 승온되는 냉매(2)를 소재의 온도보다 훨씬 낮게 유지하도록 냉각하고, 냉매의 소재에 대한 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 냉각부에는 찬 공기를 불어넣는 송풍기 등이 설치되거나, 또 다른 냉매가 도입되는 열교환기 등이 설치될 수도 있다.

냉매(2)는 배관(27), 펌프(28) 등에 의해 냉각조(10)에서 냉각부(30)로 공급되고, 이 냉각부에서 방열하여 냉각된 후, 다시 배관(24), 펌프(25), 밸브(26) 등에 의해 냉각조에 설치된 복수의 분사노즐(21, 22, 23)로 보내어져 제트류(3)로 분사됨으로써 순환할 수 있다. 이러한 냉매는 냉각조에 수용되어, 냉각조를 통과하는 소재(1)를 냉각시키게 된다.

예를 들어, 냉연 연속 소둔 공정에서 대략 800℃ 정도의 고온으로 가열한 강판과 같은 소재를 담금질 냉각하게 되면, 소재의 진행 방향으로 온도가 급격히 감소하고 소재에서 큰 온도차가 발생하여 열응력이 발생한다.

이러한 냉각 과정에 대해 보다 상세히 살펴보면, 소둔로에서 대략 800℃로 가열한 소재를 담금질 냉각하면 표면에서 비등 현상이 발생한다. 여기서, 비등 현상은 일반적으로 크게 막비등과 핵비등으로 구분된다.

막비등은 강판과 같은 소재의 온도가 600℃ 이상인 경우에 발생하며, 소재의 표면에 기체막이 만들어지는 현상으로서, 생성된 기체막이 소재의 표면에서 유지되어 냉매와 소재의 직접 접촉을 방해한다. 이때, 냉각 속도는 대략 50 ~ 400℃/sec이다.

강판과 같은 소재(1)의 강도를 높이기 위해서는 더 빠른 냉각 속도가 필요하므로, 냉각 속도를 높이기 위해 소재에 분사노즐(21, 22, 23)들을 통해 냉매(2)로 된 제트류(3)를 분사하는 것이다. 이와 같이, 제트류를 분사하는 경우에 냉각 속도는 대략 100 ~ 1500℃/sec로 될 수 있다.

한편, 핵비등은 강판과 같은 소재의 온도가 600℃ 미만인 경우에 발생하며, 소재의 표면에 기포가 만들어지는 현상으로서, 생성된 고온의 기포가 소재로부터 떨어져 나가면서 소재와 냉매가 다시 접촉하여 열전달을 반복함으로써 냉각 속도가 대략 1000 ~ 2000℃/sec 정도로 매우 빠르게 냉각되게 한다.

실험을 통해, 예를 들면 냉매의 온도가 30℃이고, 제트류를 사용하여 대략 800℃의 강판과 같은 소재를 담금질 냉각하는 경우에, 막비등 영역에서 냉각 속도는 대략 1300℃/sec 임을 확인할 수 있으며, 이러한 막비등 영역에서 소재가 냉각되어 소재의 온도가 600℃ 아래로 되면 핵비등이 발생하게 되면서 냉각 속도는 대략 1400℃/sec 임을 확인할 수 있다.

만약 강판과 같은 소재(1)를 도 1에 도시된 바와 같이 하향으로 이송할 경우에, 냉각조(10)의 상부에서는 소재가 대략 800℃ 정도의 고온이므로 냉각조의 상부에서, 그리고 복수의 분사노즐(21, 22, 23) 중 상류측 분사노즐(예컨대, 21)에 대응되는 부위에서 막비등이 발생한다.

이후에 소재(1)의 온도가 대략 500℃로 냉각되면 막비등이 핵비등으로 바뀌면서 소재의 온도가 급격히 저하되며, 이로 인해 소재의 길이방향으로 온도차가 커지고 이에 따라 열응력이 크게 발생하여 소재의 형상이 변형되게 된다.

이와 같이, 막비등은 자연적으로 냉각 편차를 야기하므로 강한 제트류를 이용하여 냉각 편차를 줄여야 한다. 이에 따라, 상류측 분사노즐(21)은 강한 제트류를 분사해야 한다. 반면에, 하류에서는 핵비등이 발생하므로, 하류측 분사노즐(예컨대, 23)은 제트류를 약하게 분사하여 강판과 같은 소재(1)의 냉각 속도를 줄여야 한다.

상류측 및 하류측에서 분사되는 제트류(3)의 분사 속도 또는 분사압은 각 분사노즐(21, 22, 23)이 도 1에 도시된 바와 같이 단일한 펌프(25)에 연결된 경우에는 각 분사노즐에 연결된 해당 밸브(26)를 제어하여 조절될 수 있다.

혹은, 각 분사노즐(21, 22, 23)이 서로 상이한 펌프에 각각 연결되어 있는 경우에는 해당 펌프의 용량이나 설정압에 따라 상류측 및 하류측에서 제트류(3)의 분사 속도 또는 분사압이 서로 상이하게 결정될 수 있다.

이러한 제트류(3)의 분사 속도 또는 분사압은 강판과 같은 소재(1)의 두께, 냉각조(10)로 이송되어 온 소재의 초기 온도, 소재의 이송 속도 등에 따라 변경이 가능하다.

또한, 제트류를 적용할 때 소재의 냉각 속도는 분사노즐과 소재 사이의 거리를 조절함으로써 변경할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 냉각 장치 중 일부를 보다 상세히 도시한 확대도이며, 도 3은 도 1에 도시된 거리조절부의 작동 상태를 도시한 확대도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는 소재(1)에 대한 각 분사노즐(21, 22, 23)의 거리를 조절할 수 있는 거리조절부(30)를 포함한 것을 특징으로 한다.

거리조절부(30)는 냉각조(10)에 설치된 제1작동부(31), 이 제1작동부로부터 이격되어 냉각조에 설치된 힌지부, 및 제1작동부와 힌지부 사이에 연결되고 복수의 분사노즐(21, 22, 23)이 이격되어 장착된 링크부(33)를 포함할 수 있다.

제1작동부(31)는 예컨대 작동본체(311)와, 이 작동본체로부터 신축되는 작동로드(312)를 갖춘 유체압 실린더 등으로 구성될 수 있다.

도면에 도시된 실시예에서, 힌지부는 작동본체(321)와, 이 작동본체로부터 신축되고서 링크부(33)가 힌지 연결된 작동로드(322)를 갖춘 제2작동부(32)로 나타나 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 길이 및 위치가 고정된 로드(미도시)에 링크부가 힌지 연결되는 구성이어도 된다.

다만, 2개의 작동부, 즉 제1작동부(31) 및 제2작동부(32)를 채용하면 분사노즐(21, 22, 23)과 소재(1) 사이의 거리 조절 범위를 제1작동부만 적용한 경우보다 훨씬 더 넓힐 수 있어 바람직하다.

제1작동부(31) 및 제2작동부(32')는 각각의 작동로드(312, 322)가 소재(1)에 대략 직각인 방향으로 신축가능하도록 냉각조(10)에 배치될 수 있다.

링크부(33)는 제1작동부(31)와 힌지부 또는 제2작동부(32)에 힌지 연결되고 각 분사노즐(21, 22, 23)의 길이방향 일측을 함께 힌지 연결하는 제1링크(331)와, 적어도 제1작동부(31)에 힌지 연결되고 각 분사노즐의 길이방향 타측을 함께 힌지 연결하는 제2링크(332)를 포함할 수 있다.

제1링크(331)와 제2링크(332)는 서로 다소간 이격된 채로 적어도 제1작동부(31)의 작동로드(312)에 힌지 연결되어, 회동 각도가 동일하게 되고 항상 평행을 유지하게 된다. 이로써, 복수의 분사노즐(21, 22, 23)도 서로 평행을 유지하게 되며, 특히 소재(1)에 대략 직각인 방향으로 제트류(3)를 분사하도록 그 자세가 유지될 수 있다.

전술한 바와 같이, 만약 강판과 같은 소재(1)를 도 1처럼 하향으로 이송할 경우에, 냉각조(10)의 상부에서는 소재가 대략 800℃ 정도의 고온이므로 냉각조의 상부에서, 그리고 복수의 분사노즐(21, 22, 23) 중 상류측 분사노즐(21)에 대응되는 부위에서 막비등이 발생한다.

이후에 소재(1)의 온도가 대략 500℃로 냉각되면 막비등이 핵비등으로 바뀌면서 소재의 온도가 급격히 저하되며, 이로 인해 소재의 길이방향으로 온도차가 커지고 이에 따라 열응력이 크게 발생하여 소재의 형상이 변형되게 된다.

이와 같이, 막비등은 자연적으로 냉각 편차를 야기하므로 강한 제트류를 이용하여 냉각 편차를 줄여야 한다. 이에 따라, 상류측 분사노즐(21)은 강한 제트류를 분사해야 한다. 반면에, 하류에서는 핵비등이 발생하므로, 하류측 분사노즐(23)은 제트류를 약하게 분사하여 강판과 같은 소재(1)의 냉각 속도를 줄여야 한다.

이를 위해, 상류측의 제1작동부(31)를 작동시켜, 그 작동로드(312)가 강판과 같은 소재(1)에 가까워지는 쪽으로 신장되게 한다. 이로써, 상류측의 분사노즐(21)과 소재 사이의 거리를 감소시켜 상류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류(3)가 소재에 강하게 충돌하게 하고, 이로 인해 소재를 급랭시킬 수 있다.

이러한 급랭효과는 상류측 및 하류측에서 분사되는 제트류(3)의 분사 속도 또는 분사압이 서로 동일한 경우에도 마찬가지로 얻어질 수 있다.

또한, 힌지부가 제2작동부(32)로 구성된 경우에는, 하류측의 제2작동부를 작동시켜, 그 작동로드(322)가 강판과 같은 소재(1)로부터 멀어지는 쪽으로 수축되게 한다. 이로써, 하류측의 분사노즐(23)과 소재 사이의 거리를 증가시켜 하류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류(3)가 소재에 약하게 충돌하게 하고, 이로 인해 소재를 서냉시킬 수 있다.

이러한 서냉효과는 상류측 및 하류측에서 분사되는 제트류(3)의 분사 속도 또는 분사압이 서로 동일한 경우에도 마찬가지로 얻어질 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 냉각 초기의 상류측에서는 막비등에 의한 냉각 편차를 줄이기 위해 강한 제트류를 분사하고, 냉각 후기의 하류측에서는 핵비등에 의한 빠른 냉각 속도에 따른 열응력의 감소를 위해 약한 제트류를 분사하여 강판과 같은 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있는 장점이 있게 된다.

특히, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 냉각 장치에 의하면, 상류측의 분사노즐과 소재 사이의 거리를 감소시켜 상류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류를 소재에 강하게 충돌시킬 수 있게 하는 반면에, 하류측의 분사노즐과 소재 사이의 거리는 증가시켜 하류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류는 소재에 약하게 충돌될 수 있게 하여, 소재의 형상 변형을 최소화할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1:소재 2: 냉매
3: 제트류 10: 냉각조
21, 22, 23: 분사노즐 26: 밸브
30: 거리조절부 31: 제1작동부
32: 제2작동부 33: 링크부
40: 냉각부

Claims (11)

1. 냉매가 수용되고, 소재가 유입되는 냉각조;
   상기 냉각조 내에 설치되어, 상기 소재를 향해 제트류를 분사하도록 설치되는 복수의 분사노즐; 및
   상기 복수의 분사노즐에 연결되어, 상기 소재에 대한 각 분사노즐의 거리를 조절할 수 있는 거리조절부
   를 포함하고,
   상기 거리조절부는, 상기 복수의 분사노즐 중 상류측의 분사노즐과 상기 소재 사이의 거리를 감소시켜 상기 상류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류가 상기 소재에 상대적으로 강하게 충돌하게 하거나, 하류측의 분사노즐과 상기 소재 사이의 거리를 증가시켜 상기 하류측 분사노즐로부터 분사되는 제트류가 상기 소재에 상대적으로 약하게 충돌하게 하는 냉각 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제트류의 분사 속도 또는 분사압은 각 분사노즐에 연결된 해당 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제트류의 분사 속도 또는 분사압은 각 분사노즐에 연결된 해당 펌프의 용량이나 설정압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 거리조절부는,
   상기 냉각조에 설치된 제1작동부,
   상기 제1작동부로부터 이격되어 상기 냉각조에 설치된 힌지부, 및
   상기 제1작동부와 상기 힌지부 사이에 연결되고 상기 복수의 분사노즐이 장착된 링크부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1작동부는 작동본체와, 상기 작동본체로부터 신축되는 작동로드를 갖춘 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 힌지부는 제2작동부이고,
   상기 제2작동부는 작동본체와, 상기 작동본체로부터 신축되고서 상기 링크부가 힌지 연결된 작동로드를 갖춘 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
9. 제6항에 있어서,
   상기 링크부는,
   상기 제1작동부와 상기 힌지부에 힌지 연결되고 상기 각 분사노즐의 길이방향 일측을 함께 힌지 연결하는 제1링크와,
   적어도 상기 제1작동부에 힌지 연결되고 상기 각 분사노즐의 길이방향 타측을 함께 힌지 연결하는 제2링크
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 각 분사노즐은 상기 소재에 직각인 방향으로 상기 제트류를 분사하도록 자세가 유지되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제트류는 상기 냉매로 되며,
    상기 냉각조는 상기 냉매를 냉각시키는 냉각부에 연결되고, 상기 냉각부는 상기 복수의 분사노즐에 연결되어, 상기 냉매가 순환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.

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