KR101911418B1 - 고온의 매질에서 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치 - Google Patents

고온의 매질에서 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재료과학 및 야금학의 분야에 관한 것이며, 고온의 매질 내의 공동 내의 압력을 감소시키는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 예를 들어 금속가공산업에서 금속 소재의 용융도금 코팅을 위한 장치로서 사용될 수 있다. 본 발명의 목적은 신뢰성있고 제어되는 방법으로 중공체의 공동에서 압력을 감소시킬 수 있고, 이와 동시에 고온에서 매질의 투과가 지연되거나 완전히 방지될 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 이는 고온의 매질 내의 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치에 의해 달성될 수 있고, 여기서 중공체의 공동을 향한 하나 이상의 개구부가 의도된 용도에 사용되지 않는 중공체의 영역에 제공되고, 상기 개구부는 기체-투과성 금속 또는 세라믹 소재로 제조된 하나 이상의 컴포넌트에 의해 중공체를 둘러싸는 중공체로부터 밀폐된다.

Description

고온의 매질에서 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치{DEVICE FOR REDUCING PRESSURE IN HOLLOW BODIES IN MEDIA AT HIGHER TEMPERATURES}
본 발명은 재료과학 및 야금학의 분야에 관한 것이며, 고온의 매질 내의 중공공간 내의 압력을 감소시키는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 예를 들어 금속가공산업에서 금속 소재의 용융도금 코팅(hot-dip coating)을 위한 장치로서 사용될 수 있다.
금속 코팅에 의한 금속 소재의 용융도금 마감은 제품의 사용특성 및 부식특성을 개선하기 위한 표면 마감의 정립되고 공지된 방법이다. 이에 따라, 코팅될 금속성 원자재는 금속코팅 배스(bath)에 잠시 침지된다. 와이어 또는 밴드와 같은 선형 또는 평면형 제품의 용융도금 마감의 경우, 코팅될 제품이 수 초 동안 코팅 배스를 통해 유도되는 연속적인 가공 작업이 가능하다. Zn계 또는 AI계 합금 코팅에 의한 평면형 강철 제품의 연속적인 용융도금 마감은 이와 같은 목적을 위한 응용예의 경우로서 알려져 있다. 이와 같은 형태의 용융도금 시스템의 구성상 조건은 불가피하게 평면형 제품의 패스라인(pass line)의 재지정 및 안정화를 요구한다. 이는 보통 충분히 알려진 롤러 배치에 의해 실현된다(DE 19 511 943 A1; WO 2006/002 822 A1; EP 1 518 003 B1).
작업비용을 낮게 유지하고, 시스템의 고장을 방지하고, 높은 품질을 보장하기 위한 경제적 필요에 따라, 전체적인 마모, 특히 롤러 배치의 마모를 최소화하는 것에 대한 요구가 있다. 이의 사용수명은 금속코팅 배스에서의 연속적인 사용 동안, 열부하와 조합된 높은 기계적 및 화학적 마모에 의해 제한된다. 마모 및 제품의 품질에 또한 영향을 주는 회전에 대한 저항, 관성의 질량 모멘트 및 미끄러짐 경향은 이에 따라 유의미하게 롤러 배치의 설계에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 발명에 따르면, 이와 같은 측면에서 중공롤러(hollow roller)는 중실롤러(solid roller) 또는 개방롤러(open roller)에 대한 장점이 있다. 그러나, 중공롤러의 의도된 용도로의 사용은 내부공간 내 과잉 압력의 위험을 갖는다. 이와 같은 형태의 과잉 압력은, 예를 들어 코팅 배스의 높은 온도(~ 400℃ 내지 800℃) 때문에, 중공롤러의 제조 동안 내부공간에 유입된 기체 및/또는 액체 또는 수분의 증발 및 기체 팽창으로부터 야기된다. 부피 팽창 및 압력 상승은 본래 차가운 중공롤러의 용융 소재 배스로의 침지 동안 또는 그 후의 내부공간의 관통가열(through-heating)에서 발생한다. 원치않은 변형, 또는 최악의 경우 중공롤러의 파열이 이로부터 발생할 수 있다. 후자는 작동 흐름을 상당히 방해할 뿐만 아니라, 시스템의 인력에 대해 생명의 분명한 위험을 나타낸다: 사전 경고 없이 갑자기 돌연히 방출된 과잉 압력은 용융 코팅 소재를 가열 용기 밖으로 내던질 수 있다.
중공롤러의 내부공간으로 코팅 배스를 유입시키는 것이 방지될 것이기 때문에, 환기장치를 통한 과잉 압력의 목적된 소실은 특히 어렵게 된다. 따라서, 중공롤러의 사용은 작업 안전을 위해 종종 제외된다.
그러나, 용융도금 시스템에 있어서 중공롤러의 설명된 문제에 부가하여, 통상적인 환기장치, 예를 들어 밸브 또는 파이프 피드쓰루(feedthrough)를 제조 및 유지하는데에는 비용이 많이 들기 때문에, 고온의 환경에서, 특히 고온의 용융소재에 의해 폐쇄형 중공체를 사용하는 경우, 압력강하/압력방출의 문제가 또한 존재한다.
종래 기술은 금속 코팅 배스에서 중공롤러를 사용하기 위한 환기에 관한 다른 해결책을 개시한다.
DE 10 2007 045 200 A1에 따르면, 중공롤러는 롤러 저널(roller journal)을 통해 환기 채널(channel)과 함께 제공된다. 환기 채널은 롤러의 내부공간을 저널 베어링(journal bearing)내 기체-충전된 공간 영역에 연결한다. 이와 같은 공간 영역은 또한 제2환기채널을 통해 코팅 배스 표면상의 대기압에 연결된다. 환기 공간으로의 용융 금속의 유입은 롤러 베어링의 폐쇠된 설계에 의해 방지된다.
WO 2006002822 A1 및 DE 10 319 840 B3으로부터, 롤러 내부공간이 또한 환기 채널을 통해 롤러 베어링 내 팽창 공간에 연결된 설계가 알려졌다. 이와 같은 팽창 공간은 추가적인 채널을 통해 주위의 대기로 통기 될 수 있다. 여기서, 인덕터 코일은 팽창 공간으로의 용융 금속의 유입을 방지하기 위한 것이다.
중공롤러의 지지암(support arm) 및 저널 내 기체수송구멍은 DE 4307 282 C2에 따라 알려졌다. 그러나, 이와 같은 구멍은 더욱 자세하게 특정되지 않았다.
DE 10 2009 040 961 A1으로부터, 마모부(wearing part)를 사용하여 중공체 내 환기 구멍을 밀폐할 수 있는 가능성이 알려졌다. 그러나, 개시된 방법은 코팅 배스에 침지된 중공롤러에는 적합하지 않다.
용융도금 시스템에 대한 작업 경험은 연장된 고장 시간 및 보수 시간에 연관되는 저널 베어링으로의 용용 코팅 배스의 유입은 영구적으로 방지될 수 없다는 것을 나타내었다. 따라서, DE 10 2007 045 200 A1 및 및 DE 10 319 840 B3에 따른 구성상의 해결책은 매일 연속되는 작업에서는 불충분하게만 유지될 수 있다. 반면, DE 43 07 282 C2에 따른 더 간단한 구성상의 해결책은 환기 구멍으로의 코팅 배스의 유입을 효과적으로 방지하지 않는다. 거기서 슬래그(slag) 형성이 발생하면, 검출되기 어려운 환기 구멍의 폐쇄가 일어날 수 있다. 중공롤러의 사용이 아무도 모르게 일어남에 따라, 내부공간에 발생할 수 있는 과잉 압력을 소멸시킬 수 없게 되는 상당함 잠재적 위험을 나타낸다. 따라서, 시스템 운영자가 DE 43 07 282 C2에 따라 한정된 제시안의 사용을 삼가는 것이 강력하게 권장된다.
요약하면, 특히 금속 코팅 배스에서 중공롤러 또는 고온에서의 사용을 위한 다른 중공체를 환기시키기 위한 종래 기술에 따라 알려진 해결책 모두는 유의미한 결함이 있다. 긴 제품의 연속적인 용융도금 마감은 필연적으로 배스 장비의 사용수명을 연장하고, 품질을 보장하여야하는 도전에 직면한다.
본 발명의 목적은 고온의 매질, 특히 용융 소재 내에서 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치를 개시하는 것으로, 이에 따라 중공체의 내부공간 내에서 압력 강하가 안정하고 제어된 방법으로 실현될 수 있고, 동시에 고온에서 매질의 유입이 지연되거나 완전히 방지될 수 있다.
상기한 목적은 청구범위에 기재된 발명에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태는 종속항에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 고온의 매질에서 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치에 있어서, 중공체의 중공공간을 향한 하나 이상의 개구부가 의도된 용도에 기여하지 않는 중공체의 영역에 존재하고, 상기 개구부는 기체-투과성 금속 또는 세라믹 소재의 하나 이상의 컴포넌트에 의해 중공체의 주위 매질에 대하여 밀폐된다.
유리하게는, 금속 중공체가 존재하고; 더욱 유리하게는, 용융도금 시스템의 롤러가 금속 중공체로서 존재한다.
더욱 유리하게는, 중공체는 적어도 소재의 용융점 및/또는 연화점보다 높은 온도의 용융 매질, 액체 및/또는 기체 내에 존재한다.
또한 유리하게는, 금속 또는 금속 합금, 유리 또는 고분자의 용융 소재 내에 존재한다.
또한 유리하게는, 컴포넌트는 측면 영역 및/또는 베어링 영역에 배치된다.
롤러 형태의 중공체의 경우, 컴포넌트가 롤러 형태의 중공체의 앞면 및/또는 베어링을 위한 저널에 배치되면 유리하고, 여기서 컴포넌트가 롤러 형태의 중공체의 저널에 배치되면 더욱 유리하고, 이의 내부 중공공간은 롤러 형태의 중공체의 중공공간에 연결된다.
컴포넌트가 디스크로서 구현되면 또한 유리하다.
복수의 컴포넌트가 복수의 개구부에 배치되거나, 복수의 컴포넌트가 1개의 개구부에 순차적으로 배치되면 더욱 유리하고, 여기서 복수의 컴포넌트가 1개의 개구부에 순차적으로 배치되는 경우에 각 컴포넌트는 더욱 유리하게는 다른 소재로 제조된다.
컴포넌트가 패턴, 유리하게는 국소 두께 감소를 가지면 또한 유리하다.
컴포넌트가 다공성 세라믹 소재로 제조되면 또한 유리하고, 여기서 다공성 세라믹 소재, 또는 다른 소재들의 다공성 복합 소재가 더욱 유리하게는 세라믹 소재로서 존재하며, 알루미늄 옥사이드, 코디어라이트, 스테아타이트, 마그네슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 알루미늄 티타네이트와 같은 옥사이트 세라믹 및 실리케이트 세라믹, 또는 실리콘 니트라이드, SiAlON, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 디보라이드와 같은 비-옥사이드 세라믹, 또는 그래파이트 또는 유리질 탄소와 같은 탄소 소재, 또는 탄소-결합 옥사이드 또는 초경합금과 같은 합성소재가 더욱 유리하게는 세라믹 소재로서 존재한다.
컴포넌트가 10-14 m2 내지 10-8 m2, 유리하게는 10-13 m2 내지 10-10 m2의 기체투과성을 가지면 또한 유리하다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 장치는 과잉 압력 보호장치 또는 파열 보호장치로서 사용된다.
유리하게는, 파열 보호장치로서 장치의 사용은 0.5 내지 2 MPa의 파열 압력에 대해 일어난다.
본 발명에 따른 해결책에 의해, 처음으로 고온의 매질, 특히 용융 소재 내의 중공체의 안정하고 제어된 압력강하를 구현할 수 있게 되었다. 특히, 이와 같은 형태의 중공체를 갖는 시스템의 안전도는 이에 따라 상당히 개선된다.
동시에, 본 발명에 따르면, 고온의 매질, 즉 특히 용융 소재의 중공체의 내부공간으로의 유입은 지연되거나 완전히 방지된다.
본 발명에 따르면, 고온의 매질에는 용융 소재, 가열된 액체 및/또는 가열된 기체 또는 증기가 해당할 것이다.
본 발명의 범위 내의 매질에는 용융 소재, 액체 또는 기체가 포함되고, 본 발명에 따른 해결책은 특히 용융 소재, 더욱 정확하게는 금속 또는 금속합금, 유리 또는 고분자의 용융 소재에 대해 사용될 것이다.
이에 따라, 본 발명의 범위 내의 용융 소재에 대한 온도는 소재가 적어도 용융점 및/또는 연화점보다 높게 가열되는 온도를 지칭한다. 따라서, "고온"이라는 용어는 중공체가 매질과 접촉하기 전의 중공체의 시작 온도와 연관된다. 매질은 중공체보다 더 높은 온도를 갖고, 여기서 중공체의 온도 상승은 매질 내로의 중공체의 침지 동안의 온도의 균등화의 결과로서 일어나고, 결과적으로 중공체 내부의 기체의 부피 팽창이 일어나고, 이는 원치않는 내부 압력 상승을 야기한다. 대부분의 경우, 중공체는 약 -5℃ 내지 40℃의 초기 온도를 가질 것이고, 고온은 보통 80℃를 초과하고, 용융 금속의 경우 350℃ 내지 800℃ 또는 그 이상이다.
놀랍게도, 목적은 중공체가 대응되는 위치의 본 발명에 따른 컴포넌트와 함께 제공됨에 따라 달성될 수 있었다. 의도된 용도에 기여하지 않는 중공체의 영역에 위치하는 이와 같은 대응되는 위치에서, 개구부는 도입 또는 존재하거나, 도입 또는 존재할 것이고, 본 발명에 따른 컴포넌트가 이에 삽입된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 컴포넌트는 디스크, 더욱 유리하게는 적어도 매질 및 고온에서 긴 시간 동안 부식 및/또는 파괴의 조짐을 보이지 않는 다공성 세라믹 소재의 세라믹 디스크의 형태로 구현된다.
용융도금 시스템 내의 중공롤러의 경우, 의도된 용도에 기여하는 영역은 중공롤러의 원주면을 지칭하고, 이는 코팅될 소재가 그곳에서 중공롤러와 접촉하기 때문이다. 본 발명에 따른 컴포넌트는 중공롤러의 다른 모든 위치에 설치될 수 있다. 유리하게는, 컴포넌트는 중공롤러의 중공공간의 대기조건이 컴포넌트의 한 쪽에 존재하고, 용융 소재가 반대쪽에 존재하도록 중공저널에 설치되었다. 따라서, 본 발명에 따른 컴포넌트는 모서리에서 기체가 새지 않는 방법으로 설치되어야하고, 이에 따라 본 발명에 따른 컴포넌트는 기체가 투과하는 동안 중공저널의 바깥으로 밀려나가지 않고, 반면에 용융 소재는 그곳의 중공저널의 내부공간으로 유입될 수 없다. 이는 예를 들어 탄소-함유 밀폐 화합물에 의해 이어날 수 있다. 본 발명에 따른 컴포넌트는 기체-투과성 소재로 제조됨에 따라, 용융 소재로부터 중공체의 중공공간을 밀폐시킨다. 본 발명에 따른 기체-투과성 소재는 다공성이고, 이에 따라 내부공간으로부터 탈출하는 기체에 투과성이고, 따라서 압력강하 및 압력방출을 야기한다.
따라서, 다공성 소재는 소재를 통한 중공체, 특히 중공롤러의 내부공간으로의 용융 소재의 유입을 동시에 방지하는 기공 특성을 특징으로 한다.
이는 부족한 습윤의 결과로 용융 소재의 유입이 충분히 일어나지 않거나, 다공성 소재로의 용융 소재의 유입이 일어나지만 높은 모세관력에 의해 그곳에 머물고 중공체 내부공간으로 유입되지 않도록 다공성 소재의 습윤특성을 선택함으로써 달성된다. 유입은 용융 소재로부터 중공공간에 작용하는 소위 정수압보다 모세관력이 크면 방지되고, 정수압은 용융도금 시스템의 중공롤러의 경우에는 용융 소재 배스 내 중공롤러의 침지 깊이, 용융 소재의 두께 및 중력에 의해 결정된다.
다공성 소재의 선택은 소위 와쉬번(Washburn) 방정식 및 사용 동안에 나타나는 정수압에 의한 조정에 의해, 다공성 소재의 습윤성능, 대기조건, 특히 용융 소재의 표면장력, 및 기공 특성(기공 크기)을 고려하여 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 수행될 수 있다.
용융 소재와 접촉하는 다공성 소재의 모세관련은 하기의 와쉬번 방정식에 의해 기재된다:
Figure 112014012381576-pct00001
pk = 모세관압[Pa]
γ = 표면장력[Jm-2]
r = 모세관 반경[m]
Φ = 습윤각[°]
용융 소재에 의한 다공성 소재의 비습윤의 경우 및 습윤의 경우 모두, 중공체 내부의 기체 압력이 용융 소재의 정수압, 다공성 소재의 통과 저항(flowthrough resistance)(하기의 다르시(Darci) 방정식에 의해 추산됨), 및 습윤의 경우 모세관압의 합보다 커지면, 중공체의 내부공간으로부터 다공성 소재를 통과하여 용융 소재로의 기체의 투과는 보장된다:
Figure 112014012381576-pct00002
(1)
Δp = 압력 손실[Pa]
η = 동점도[Pa·s]
k = 특이적 투과성[m2]
d = 소재 두께[m]
ν = 흐름의 속도[m·s-1]
기체에 의한 투과는 압력 평형이 달성되어 중공체 내부의 위험한 압력 상승이 신뢰성 있게 방지될 수 있을 때까지 지속적으로 일어난다.
안전기능의 개선을 위해, 기체-투과성 다공성 소재로부터 컴포넌트를 과입 압력 보호장치 또는 파열 디스크(bursting disc)로 설계하는 것이 또한 유리하다. 이는 다공성 소재의 컴포넌트의 뚜렷한 변형 또는 파괴는 특정 압력 또는 압력범위를 예상치 못하게 넘어서는 때에 일어나고, 여기서 다공성 컴포넌트에 의해 앞서 밀폐된 영역은 부분적으로 또는 완전히 열리고, 기체는 압력감소 하에서 주위환경 또는 용융 소재로 탈출할 수 있다는 것을 의미한다.
이는 본 발명에 따른 컴포넌트의 파괴, 및 가능하게는 그 후 중공체로의 용융 소재의 유입을 야기하지만, 이는 가능한 최대의 작업안전을 위해 중공체 자체의 변형 또는 파괴의 결과로 발생하는 더 크고 예측할 수 없는 손상을 방지한다.
또한, 파괴된 컴포넌트으로부터 탈출하는 기체의 방향, 양 및 압력이 예측가능하고, 추가적인 안정 예방책에 의해 추가적인 손상이 방지 또는 감소될 수 있다는 점에서 유리하다.
특정 파열 압력 또는 파열 압력 범위를 위한 추가적인 안전기능의 설계는 다공성 소재의 강도 특성, 기체-투과성 다공성 컴포넌트의 기하학적 구조 및 부가장치를 고려하여 해당 분야의 통상의 기술자가 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 그에 따라 컴포넌트의 특이적 단면 변화를 도입함으로써 하나 이상의 표적 파열지점을 제공할 수 있고, 상기 표적 파열지점은 미리 결정된 위치에 미리 형성된 다공성 부분의 균열 또는 파열을 가능하게 한다. 컴포넌트의 특이적 단편화는 그에 따라 달성될 수 있고, 따라서 컴포넌트의 분리된 파편의 파열 후에 열린 단면의 의도되지 않은 장애가 방지된다.
감시장치를 사용함으로써, 일어난 파열이 검출되는 것이 그에 따라 보장될 수 있고, 따라서 중공체는 충분한 시간 동안 용융 소재 배스로부터 중공체가 제거될 수 있고, 컴포넌트가 대체될 수 있다.
기체-투과성 소재를 위해, 소재는 작업조건, 즉 용융 소재의 온도 및 이의 부식뿐만 아니라, 작용하는 기계적 힘을 버틸 수 있도록 선택되어야 한다.
본 발명에 따르면, 기체-투과성 금속 소재, 기체-투과성 세라믹 소재 또는 다른 소재 종류로부터의 기체-투과성 복합 소재 모두가 사용될 수 있다. 용융 소재에 따라, 고합금강, 스텔라이트 또는 일반적으로 고온저항성 및 부식저항성 소재, 예를 들어 Ni계 소재가 금속 소재로서 사용될 수 있고; 알루미늄 옥사이드, 코디어라이트, 스테아타이트, 마그네슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 알루미늄 티타네이트와 같은 옥사이드 세라믹 및 실리케이트 세라믹, 실리콘 니트라이드, SiAlON, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 디보라이드와 같은 비옥사이드 세라믹, 예를 들어 그래파이트 또는 유리질 탄소와 같은 탄소 소재, 및 예를 들어 탄소-결합 옥사이드 또는 초경합금과 같은 복합물질이 예를 들어 세라믹 소재로서 사용될 수 있다.
특이적 투과도 k는 다공성 소재의 특성이고, 기공 크기 D 및 기공 부피 ε뿐만 아니라 기공 채널의 비틀림에 의해 본질적으로 영향을 받는다.
에르군(Ergun) 방정식(비틀림은 제외됨)에 따른 k의 간단한 산출값은 하기와 같다:
Figure 112014012381576-pct00003
(3)
k = 특이적 투과성[m2]
ε = 공극률[-]
D = 평균 기공 직경[m]
상기 방정식은 대략적인 산출값을 제공하고; 실제 소재에서, 비틀림, 기공 직경 분포, 및 가능하게는 이방성이 편차를 야기할 수 있고, 따라서 측정된 값은 구체적인 경우에 따라 재분류되어야 한다.
더욱이, 더 약한 부식 저항을 갖는 소재에는 더욱 부식 저항성이 강한 보호층이 제공될 수 있고, 여기서 상기 보호층은 용융 소재와 접촉하는 영역뿐만 아니라, 기공의 내부 표면에도 적용될 수 있다. 해당 분야의 통상의 기술자에게, 고온에서의 응용예, 및 특히 용융 소재의 응용예에서 저항성 소재와의 적절한 경험으로부터 소재를 선택하는 것은 용이하다.
400℃ 내지 800℃의 용융 소재 온도를 갖는 용융 아연 소재 및 용융 알루미늄 소재에서 사용하는데 바람직한 것은 실리콘 니트라이드, SiAlON, 알루미늄 니트라이드, 티타늄 디보라이드와 같이 용융 소재에 의해 잘 습윤되지 않는 상기의 모든 부식-저항성 세라믹 소재뿐만 아니라, 루미늄 옥사이드 소재, 실리콘 카바이드 소재 또는 탄소 소재이다.
공지된 패턴화 방법이 기체 투과성, 및 이에 따라 컴포넌트에 대한 소재의 다공성을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 분말 입자 간의 공간을 보존하면서 분말의 소결, 짧은 섬유 또는 긴 섬유의 소결, 플레이스 홀더(placeholder) 소재의 사용, 형판으로부터 주조하는 방법, 발포법(foaming method) 등을 포함한다.
다공성은 소위 개방형 다공성이어야 하고, 이는 기체가 통과할 수 있게 한다. 균일하게 분포된 등방성 기공은 약 > 35%의 총 기공 함량부터 이것이 가능하다. 그러나, 충분한 통과 능력은 또한 지향성 기공 채널을 갖는 더 낮은 기공 함량에서 이미 달성될 수 있다.
기공의 크기는 1 내지 1000 ㎛의 범위 내일 수 있고, 여기서 5 내지 200 ㎛의 범위 내의 기공을 갖는 소재가 바람직하게 사용된다. 다공성 소재는 보통 통상적으로 수은 다공도측정법(mercury porosimetry) 또는 투과성 다공도측정법(permeability porometry)을 사용하여 측정되는 특정 기공 크기 분포를 갖는다. 치밀한 기공 크기 분포는 그에 따라 기공 크기 분포의 알려진 분포 함수(ln 분포, RRSB 분포, GOS 분포)에 기반하여 d90/dlO ≥ 0.5의 비 값에 의해 기재되는 용도에 바람직하다.
더욱이, 소위 비대칭 또는 등급화된 다공성 또는 기공 함량 및 기공 크기를 갖는 컴포넌트를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 굵은 다공성을 갖는 소재는 고운 다공성 층의 얇은 층(막)이 가해진 캐리어로서 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 통과 방향에 대해 다른 소재들(소재 및/또는 기공 특성의 측면에서 다름)의 2 이상의 미리 형성된 부분을 순차적으로 사용하는 것도 가능하다.
기체-투과성 다공성 소재는 다른 기하학적 형태의 컴포넌트으로서 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 직선형 또는 곡선형 디스크, 원통, 한쪽이 막힌 원통(슬리브), 절두체(frustum), 또는 원뿔과 같은 더욱 복잡한 형태를 포함한다. 선택은 중공체의 개구부에서 기체-투과성 소재의 배치에 의존한다. 균일한 벽 두께를 갖는 형태가 바람직하다.
더욱이, 중공체의 복수의 개구부에 복수의 컴포넌트가 배치되는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면 복수의 컴포넌트가 중공체의 1개의 개구부에 순차적으로 배치되는 것도 가능하다.
중공체에 복수의 컴포넌트가 존재하면, 각 컴포넌트의 소재는 다를 수 있고, 특히 파열압 저항, 다공성 및/또는 투과성의 측면에서 다르게 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 국소 두께 감소가 존재하도록 하는 컴포넌트의 패턴화가 또한 가능하고, 이는 파열의 표적 파열지점을 나타낼 수 있다. 이와 같은 두께 감소는 두께의 5% 이상일 수 있다.
통과되는 면적의 측정은, 예를 들어 용융 소재 내로의 침지, 또는 중공체에 포함되거나 온도 상승에 의해 생성된 성분 또는 기체의 팽창을 사용한 예열단계에 의해, 중공체의 가열 동안 통상적으로 생성되는, 예측된 추가적인 기체 부피에 의존한다. 이는 본질적으로 중공체의 중공공간 부피, 온도 차이, 및 기체 조성 또는 성분 조성에 의존한다. 기체-투과성 소재의 선택 및 이의 특이적 투과성의 측정 후에, 미리 형성된 부분의 원하는 면적 및 두께가 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 알려진 다르시 방정식을 사용함으로써 계산될 수 있고, 상기 면적 및 두께는 컴포넌트를 통한 충분한 기체의 투과를 달성하고, 이에 따라 중공체의 내부압을 감소 또는 제한하기 위해 필수적이다. 각각의 경우, 컴포넌트의 원하는 단면 면적은 매우 작을 것이고, 즉 예를 들어 중공체의 원주 면적의 < 1%일 것이며, 통과되는 두께는 수 mm 내지 수 cm에 불과할 것이다. 용융도금 시스템의 중공롤러의 경우, 설치는 이에 따라 유리하게는 하나 또는 둘 모두의 중공저널에서, 또는 중공롤러의 앞면에서 수행될 수 있고, 여기서 평면형 디스크 또는 원통형 슬리브로서 컴포넌트를 사용하는 것이 바람직하다.
과잉 압력 보호장치 또는 파열 디스크로서 미리 형성된 부분이 동시에 설계되는 경우, 다른 기계적 특성, 다른 투과성 및/또는 다른 습윤 성능을 갖는 2 이상의 컴포넌트를 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 특정 압력 하중 동안에 하나의 컴포넌트만이 파열되고, 환기장치 내의 하나 이상의 추가적인 컴포넌트는 손상되지 않은 채로 남아 첫번째 디스크의 파괴 후의 용융 소재의 유입을 방지 또는 지연한다. 여기서, 유입되는 용융 소재와 특이적으로 반응하여, 용융 소재의 투과를 지연 또는 방지하는 소재가 또한 사용될 수 있다.
컴포넌트의 설치를 위해, 기밀장치 또는 기밀제한이 용융 소재에 의한 유입에 대한 기밀함을 보장하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 중공체의 소재와 비교하여 다른 열팽창 계수를 갖는 다공성 소재를 선택할 때, 온도 변화 동안 기계적 변형이 일어나지 않거나 약간만 일어나야 한다. 부착을 위해, 납땜 연결, 용접 연결 및 접착제 연결과 같은 물질적으로 결합되는 연결 기법, 또는 클램프 연결, 수축 연결 또는 나사 연결과 같은 비물질적으로 결합되는 연결 기법이 사용될 수 있고, 여기서 추가적인 밀폐 소재가 또한 사용될 수 있다. 낮은 열팽창 계수를 갖는 다공성 세라믹 소재를 사용하는 경우, 탄성의 밀폐 소재를 사용한 평면 클램프된 연결이 바람직하다. 여기서, 예를 들어 탄소, 세라믹 섬유 또는 마이카(mica)를 포함하는 밀폐 소재가 밀폐 소재로서 바람직하다.
다공성 소재의 미리 형성된 부분, 및 밀폐 소재가 예를 들어 중공롤러의 점검 또는 재작업 동안에 용이하게 대체될 수 있도록, 연결부는 풀 수 있는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 해결책은 특히 용융도금 시스템의 롤러 장치의 측면에서 하기와 같은 점에서 종래 기술과 다르다:
- 코팅 배스에 대한 저널의 밀봉재가 필수적이지 않다.
- 저널 내 중공공간을 주위 대기에 연결하는 추가적인 개구부가 선행될 수 있다.
- 저널의 중공공간으로의 코팅 배스의 유입이 효과적으로 방지될 수 있다.
- 기체-투과성 소재, 특히 기체-투과성 세라믹이 처음에 롤러 내 개구부를 밀폐하기 위한 컴포넌트으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 해결책은 종래 기술에 대해 하기와 같은 본질적인 장점이 있다:
- 낮은 마모의 상당히 더 간단한 설계 원리. 이는 유지비용의 감소와 함께, 배스 장비의 사용 수명의 실질적인 증가를 야기한다.
- 금속 코팅 배스에서 중공롤러의 안전하게 사용할 수 있게 함. 따라서, 작업안전의 뚜렷한 상승과 동시에, 최적의 회전 특성이 가능해진다.
본 발명에 따른 해결책은 하기에서 실시예를 참고하여 더욱 자세하게 설명된다.
실시예
강철 밴드의 용융도금을 위한 중공 하부 롤러가 680℃의 용융 알루미늄 배스에 침지된다. 롤러 내의 원통형 내부공간은 680 mm의 직경 및 1670 mm의 길이의 크기를 갖고, 이에 따라 사용 전에 20℃의 대기에 의해 충전되는 0.606 m3의 부피를 갖는다. 용융 소재 배스 내에서 롤러의 침지 동안, 대기는 또한 정상상태까지 680℃의 배스 온도로 가열되고, 이에 따라 1,394 m3의 대기의 부피 팽창이 일어난다. 롤러는 2.5 m의 깊이로 용융 소재 배스로 하강되고, 따라서 2.38 g/cm3의 알루미늄 두께에서 0.06 MPa의 정수압이 롤러에 작용한다.
40 mm의 직경을 갖는 연속적인 원통형 구멍이 롤러의 베어링에 대한 롤러의 저널에 도입되고, 상기 원통형 구멍은 롤러의 내부공간을 외부 환경에 연결한다. 30 mm의 길이에서, 저널 내 원통형 구멍은 50 mm의 직경을 갖는 원통형 공동으로 확장된다. 5 mm의 두께에서 48 mm의 직경을 갖는 다공성 세라믹의 디스크는 상기 공동에 삽입되고, 상기 디스크는 1 mm 두께의 그래파이트 포일의 4 mm-너비의 고리형 밀봉재의 양쪽에 놓여지고 금속 클램핑 링(clamping ring)에 의해 프레싱된다. 따라서, 자유롭고 통과되어 흐를 수 있는 다공성 세라믹 디스크의 40 mm 단면이 형성된다. 중공롤러의 침지 후에, 용융 소재는 다공성 세라믹 디스크까지 저널의 원통형 구멍의 내부로 유입된다.
세라믹 디스크는 12 ㎛의 평균 기공 너비에서 51 %의 총 공극률을 갖는 다공성 실리콘-니트라이드로 제조되고, 여기서 기공-크기 분포는 3의 d90/d10비에 의해 빽빽하게 구현된다(값은 수은 다공도측정법(mercury porosimetry)을 사용하여 계산됨). 투과성 다공도측정법(permeability porometry)를 사용하여 계산된 이와 같은 세라믹의 특이적 투과성은 1.7 x 10-12 m2이다. 현재의 기하학적 구조 및 이와 같은 형태의 투과성에 의해, 중공롤러에서 팽창하는 기체 부피는 용융소재로의 유출에 의해 600초 내에 방출되고, 여기서 다르시 방정식에 따르면 0.18 MPa의 최대 반대압력이 잠시 형성된다.
700℃에서 용융 알루미늄과의 실리콘 니트라이드의 습윤각(wetting angle)은 160°이고(D. A. Weirauch Jr., Technologically significant capillary phenomena in high-temperature materials processing - Examples drawn from the aluminium industry, Current Opinion in Solid State & Material Science 9 (2005) 230-240); 680℃에서 용융 알루미늄의 표면장력은 1.07 J/m2이다(Kh.Kh. Kalazhokov, Z.Kh. Kalazhokov, Kh.B. Khokonov, Surface Tension of Pure Aluminium Melt, Technical Physics Vol. 48, No.2, 2003, 272-273). 다공성 세라믹이 680℃의 고온 용융 알루미늄과 접촉하는 때, 와쉬번 방정식에 따라 -0.35 MPa의 음의 모세관 압력이 발생하고, 즉 디스크는 습윤 되지않고, 디스크 상의 용융 소재의 정수압에 의하여도 침투가 일어나지 않는다.
디스크의 파열압 저항은 유사한 제한을 사용함으로써 예비시험에 의해 측정된다. 이와 같은 제한은 약 1.2 MPa이고, 따라서 롤러 내부에 예측하지 못한 압력 증가의 경우에 디스크의 파열 및 저널 구멍을 통한 용융 소재로의 기체의 유출에 의한 압력 방출이 달성된다.

Claims (19)

  1. 적어도 용융 매질 또는 액체의 용융점 또는 연화점보다 높은 온도의 용융 매질, 또는 용융 매질과 기체, 또는 용융 매질과 액체, 또는 용융 매질과 액체와 기체에서의 중공체 내의 압력을 감소시키는 장치로서, 중공체의 중공공간을 향한 하나 이상의 개구부가 존재하고, 상기 개구부는 기체-투과성 금속 또는 세라믹 소재의 하나 이상의 컴포넌트에 의해 중공체의 주위 매질에 대해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공체는 금속 중공체로 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    금속 중공체로서 용융도금 시스템의 롤러가 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중공체는 금속 또는 금속 합금의 용융 소재, 유리의 용융 소재 또는 고분자(polymers)의 용융 소재 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 상기 중공체의 측면 영역 및/또는 중공롤러의 베어링 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    롤러 형태의 중공체의 경우의 컴포넌트는 롤러 형태의 중공체의 앞면 및/또는 베어링 저널에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 롤러 형태의 중공체의 저널에 배치되고, 이의 내부 중공공간은 롤러 형태의 중공체의 중공공간에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 디스크로서 구현되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    복수의 컴포넌트가 복수의 개구부에 배치되거나, 복수의 컴포넌트가 1개의 개구부에 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 컴포넌트가 1개의 개구부에 순차적으로 배치되고, 각 컴포넌트는 다른 소재로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 패턴으로 국소 두께 감소를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 다공성 세라믹 소재로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 세라믹 소재는 다공성 세라믹 소재 또는 서로 다른 소재들의 다공성 복합 소재로 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    알루미늄 옥사이드, 코디어라이트, 스테아타이트, 마그네슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 알루미늄 티타네이트와 같은 옥사이트 세라믹 및 실리케이트 세라믹, 또는 실리콘 니트라이드, SiAlON, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 디보라이드와 같은 비-옥사이드 세라믹, 또는 그래파이트 또는 유리질 탄소와 같은 탄소 소재, 또는 탄소-결합 옥사이드 또는 초경합금과 같은 합성소재가 세라믹 소재로서 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 10-14 m2 내지 10-8 m2의 기체투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 10-13 m2 내지 10-10 m2의 기체투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 장치를, 과잉 압력 보호장치 또는 파열 보호장치로서 사용하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    0.5 내지 2 MPa의 파열 압력에 대한 파열 보호장치로서 사용하는 방법.
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