KR101959101B1 - 공기 나이프에서 와이핑 가스 소모를 저감시키는 시스템 - Google Patents

공기 나이프에서 와이핑 가스 소모를 저감시키는 시스템 Download PDF

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코케릴 메인터넌스 앤드 엥쥬니에리 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 이동 스트립 (3) 상의 액체 필름으로 제조된 코팅의 두께를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 상기 노즐 측의 각각에서 가스 유동을 저감시키는 자동화 수단은 상기 노즐의 챔버 (5) 내측에서 가스 배출 개구 (4) 로 및 가스 배출 개구의 밖으로 각각 적용될 수 있도록 하는 후퇴가능한 케이블 (9) 을 안내하는 이동 캐리지 (10) 를 포함하고, 상기 노즐의 횡방향측 각각에서, 상기 가스 유동이 줄어드는 외부 노즐 부분과 상기 가스 유동이 줄어들지 않는 내부 노즐 부분 사이의 천이 (transition) 는, 나란히 위치되고 그리고 상기 노즐에 수직한 축을 가진, 상기 이동 캐리지 (10) 에 연결되는 2 개의 동시 이동 그루브형 휠들 또는 풀리들 (6, 7) 에 의해 보장되어, 상기 케이블 (9) 은 2 개의 상기 풀리들 (6, 7) 사이에서 제 1 풀리 (6) 의 외부측의 개구 (4) 에 대하여 그리고 제 2 풀리 (7) 의 내부측의 개구 (4) 로부터 거리를 두고 연속적으로 위치된다.

Description

공기 나이프에서 와이핑 가스 소모를 저감시키는 시스템 {SYSTEM FOR REDUCING THE WIPING GAS CONSUMPTION IN AN AIR KNIFE}
본 발명은 진행 스트립에 적층된 액체 필름의 두께를 제어하는 가스 와이핑 장치에 관한 것이다. 통상적인 예로서는 고온 침지 코팅 (hot dip coating) 에 의해 수득되는 바와 같이 광폭 코팅된 강 시트들에서 액체 금속의 가스 와이핑용으로 의도된 장치이다.
"공기 나이프 (air knife)" 방법은 욕 외부로 유출되는 진행 스트립에 의해 혼입되는 과잉의 액체를 와이핑하는데 사용되는 잘 알려진 공정이다. 통상적인 공기 나이프는 유출 가스 속도가 소리 레벨에 근접하게 되도록 700 mbar 만큼 높은 챔버 압력을 사용한다. 공기 배출구는 통상적으로 0.5 ~ 2 ㎜ 범위이다.
공기 와이핑 공정은, 분위기에 가스 제트가 유입될 때 발생하는 높은 난류로 인해 코팅에 일부 파동들을 발생시킨다. 이러한 높은 난류는 높은 레벨의 전단력들로 인해 저감될 수 없다. 하지만, 이러한 파동들은, 액체 표면 장력에 의해 만들어지는, 액체 상태에서 발생하는 레벨링 공정 (levelling process) 으로 인해 시간에 따라 진폭이 저감되는 경향이 있다.
예를 들어 아연 코팅된 강 시트로 구성되는 완제품의 애스펙트 (aspect) 에 있어서 이러한 파동들의 진폭을 제한하기 위한 대응책으로는, 와이핑 매체로서의 공기를 질소 (N2) 로 교체하는 것이다. 이러한 방법은 실제로 액체 코팅의 산화를 상당히 저감시키고 그리고 높은 표면 장력을 유지하는데 도움을 준다. 액체 금속의 표면 장력을 높게 유지하기 때문에, 응고 후의 최종 표면은 N2 를 사용할 때 더 매끄러운 표면이다. 이는 도장 후에 휠씬 더 양호한 표면 외관을 유도한다. 통상적인 경우로는 자동차들에서 노출된 패널들용으로 사용되는 아연 도금된 강 시트들의 경우이다.
낮은 라인 속도 (line speed) 의 경우에, 공기는 도 1 에 도시된 바와 같이 금속 산화로 인한 것으로 여겨지는 결함들을 발생시킬 수 있다. 또한, N2 와이핑은 이러한 결함들을 상당히 저감시키는데 도움을 준다.
마지막으로, 공기 와이핑은 도 2 에 도시된 바와 같이 "흐린 (cloudy) 애스펙트" 라고 하는 것을 유도할 수 있고, 이는 표면의 상이한 산화 때문이다. 여기에서 또한, N2 와이핑은 이러한 열악한 표면 품질을 상당히 개선하는데 사용된다.
관련 문제점으로는, 노즐 길이의 미터당 800 N㎥/h 만큼 높은 유동을 사용할 수 있기 때문에 N2 사용이 값비싸다는 것이다. 이러한 비용은 좁은 판들을 와이핑하는 경우에 특히 높은데, 이는 와이핑이 물론 스트립의 전방에서만 필요한 반면, 가스가 노즐의 전체 길이를 따른 노즐 개구에서 나오기 때문이다. 스트립 외부의 모든 N2 유동은 실제로 유실된다.
이러한 유실을 저감시키고 그리고 그리하여 작동 비용을 저감시키는 해결책은, 가스가 와이핑 효과를 갖지 않는 영역에서 공기 배출구를 가요적으로 폐쇄하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 다음과 같은 상이한 방법들이 제안되었다:
- 기계 수단에 의해 노즐 (1) 의 립들에서의 작용을 통하여 노즐 개구를 줄이는 것. 도 3 에서는, 예를 들어, 이러한 유형의 통상적인 개구를 도시한다;
- 도 4 에 도시된 바와 같이 노즐 내부에 호일 (도면에서 도면부호 2 로 지칭) 을 사용하는 것. 호일 (2) 은 노즐의 가장자리들에 위치된 모터들 (비도시) 에 의해 이동되고, 즉 호일은 개구 (4) 가 폐쇄 또는 줄어들어야 할 때 밀려진다는 것을 의미한다 (EP 0 249 234 A1 참조, 스트립 금속의 연속적인 양면 코팅용 블로오프 (blow-off) 장치, Duma Konstructionsbuero).
이전의 방법들에서는, 제조시 사용되는 작동 윈도우 뿐만 아니라 최종 코팅에 대한 요건들로 인해 이하에 기재된 바와 같이 다양한 단점들이 나타난다:
- 개구의 기계적 폐쇄는 스트립의 전방에서의 개구의 제어에 부작용을 주고, 이는 최종 코팅 두께의 제어에 영향을 준다. 추가로, 기계적 제약들로 인해, 립들의 소성 변형을 방지하도록 립들의 변형은 제한되어야 한다.
- 호일은 저항해야 하는 힘을 받게 된다. 예를 들면, 약 600 mbar 의 챔버 압력이 사용되면, 단지 5 ㎜ 높이로 측정된 표면 (2) (도 4) 상의 힘은 예를 들어 400 ㎜ 길이의 마스크상에서 120 N 이다. 즉, 호일이 움직일 때의 마찰력이 적어도 12 N 임을 의미한다. 호일이 통상적으로 얇음에 따라, 좌굴 (buckling) 없이 노즐을 따라서 밀려질 수 없다.
- 마스킹 장치로 인해 가스 유동이 멈추는 위치에서, 액체 금속의 조사 (radiation) 에 의해 여전히 가열되는 동안, 가스에 의해 더 이상 냉각되지 않기 때문에 노즐의 온도는 증가한다. 이는 온도 구배들로 인해 노즐을 따른 모든 개구의 열팽창 및 변형을 유발한다. 이러한 변형은 매우 중요한 상황이 아닌 탄성 또는 상기 경우에 코팅 중량 균일성에 영향을 주는, 노즐 구성에 따라서 소성일 수 있다.
문헌 US 4,524,716 A 에는, 가스의 시트를 돌출시키기 위한 세장 (elongated) 노즐 개구를 가진 세장 노즐 수단; 상기 가스의 유량을 변경하기 위해 상기 노즐내에 위치된 세장 가요성 가스 유동 변경 수단; 및 상기 가스 유동 변경 수단의 길이를 따른 다수의 위치들에서 상기 노즐 개구에 대하여 상기 가스 유동 변경 수단의 위치를 선택적으로 조절하여 상기 노즐 개구를 통하여 상기 가스의 유량을 선택적으로 변경하기 위한 차등 (differential) 조절 수단을 포함하는 조절가능한 가스 나이프가 개시되어 있다.
본 발명은 선행 기술의 단점을 방지하는 것을 목적으로 한다.
보다 자세하게는, 본원의 목표는 스트립 외부의 가스 유동을 저감시킴으로써 가스 소모를 저감시키도록 해주고 그리고 1 bar 만큼 높은 차등 압력 챔버 분위기에서 작동할 수 있는 이동가능한 장치를 얻는 것이다.
본원의 다른 목표는 좁은 스트립들을 취급하는 경우에 이 스트립의 각 측에서 사용하지 않는 노즐 개구 부분을 적절하게 폐쇄하는 것을 제공하는 것이다.
본원은 또한 열 변형을 제한하는 노즐 개구들의 일부 냉각을 유지하도록 하는 것으로 의도된다.
본 발명은 이동 스트립 상의 액체 필름으로 제조된 코팅의 두께를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 노즐의 챔버에서 가압 가스가 공급되는 노즐을 포함하고, 상기 챔버는 상기 이동 스트립에 상기 가압 가스를 배출하기 위한 세장 개구를 형성하는 노즐 립들에 의해 종단되며, 상기 세장 개구에는 상기 이동 스트립의 폭 외부에서 상기 노즐의 횡방향측 각각에서 가스 유동을 저감시키는 자동화 수단이 제공되며, 상기 노즐 측들의 각각에서 상기 가스 유동을 저감시키는 상기 자동화 수단은 상기 노즐의 챔버 내측에서 가스 배출 개구로 및 가스 배출 개구의 밖으로 각각 적용 또는 적층될 수 있도록 하는 후퇴가능한 (retractable) 케이블을 안내하는 이동 캐리지를 포함하고, 상기 노즐의 횡방향측 각각에서, 상기 가스 유동이 줄어드는 외부 노즐 부분과 상기 가스 유동이 줄어들지 않는 내부 노즐 부분 사이의 천이 (transition) 는, 나란히 위치되고 그리고 상기 노즐에 수직한 축을 가진, 상기 이동 캐리지에 연결되는 2 개의 동시 이동 (together-moving) 그루브형 휠들 또는 풀리들에 의해 보장되어, 상기 케이블은 2 개의 상기 풀리들 사이에서 제 1 풀리의 외부측의 개구에 대하여 그리고 제 2 풀리의 내부측의 상기 개구로부터 거리를 두고 연속적으로 위치된다.
바람직한 실시형태들에 따라서, 본원의 장치는 이하의 특징들 중 하나 또는 이들의 적합한 조합에 의해 더 한정된다:
- 상기 이동 캐리지 각각은 양방향성이고 그리고 구동식 기계 장치에 의해 독립적으로 이동되고;
- 상기 기계 장치는 나사이며;
- 상기 기계 장치는 다른 케이블 또는 유사한 장치이고;
- 상기 케이블은 영구적으로 인장하에 있으며;
- 상기 케이블은 내열성 재료, 바람직하게는 강으로 제조되고;
- 상기 케이블의 직경은 1 ~ 10 ㎜, 바람직하게는 2 ~ 5 ㎜ 이며, 케이블에 존재하는 거칠기 때문에, 덮개가 전체가 아니며 어떠한 유동이 노즐 립들을 여전히 통과하여, 일부 유리한 냉각 효과를 제공하고;
- 상기 그루브형 휠들 또는 풀리들을 가진 양방향성 상기 이동 캐리지 및 구동식 기계 장치는 상기 노즐의 챔버 내부에 위치되며;
- 상기 케이블은, 상기 케이블이 적용되는 상기 노즐의 개구에서의 잔류 가스 유동이 상기 케이블이 적용되지 않는 값의 20% 미만이도록 선택 및 조절된다.
도 1 은 낮은 라인 속도에서 공기 와이핑에 의해 유도된 결함들을 도시한다.
도 2 는 공기 와이핑에 의해 그리고 표면의 차등 산화로 인해 유발되는 흐린 애스펙트 현상을 도시한다.
도 3 은 선행 기술에 따라서 기계 수단에 의해 노즐의 립들에서의 작용을 통하여 노즐 개구를 줄이는 것을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 선행 기술에 따라서 노즐의 개구를 제한하도록 노즐 내부에 포함되는 내부 호일을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 바람직한 실시형태의 단면을 도시한다.
도 6 은 본원의 바람직한 실시형태에 따른 노즐의 개략적인 평면도로서, 노즐의 가장자리들에서 그리고 후퇴 (retracted) 위치에 개방하는 슬릿에 대하여 적용된, 케이블 위치결정의 예를 도시한다.
도 7 은 노즐의 슬릿에 대하여 적용되자마자 케이블의 통상적인 위치를 단면도로 도시한다.
도 8 은 케이블이 적용되는 영역에 근접한 노즐의 출구에서 동압의 특정 측정을 도시한다.
본원은 스트립 폭 부분 외부에서 노즐의 가스 유동을 저감시키는 새로운 장치에 관한 것이다. 이는, 노즐 챔버의 내부에 설치된 이동 캐리지 (carriage) 에 의해 노즐 개구로부터 교대식으로 적층 (또는 배치) 및 제거되는, 강으로 제조되거나 또는 다른 내열성 재료로 제조된 케이블을 사용하는 것으로 구성된다. 노즐의 각 측에 캐리지가 제공되고, 이 캐리지는 다른 케이블, 나사 또는 유사물 등의 기계 장치에 의해 반대측에서 캐리지와는 별개로 이동될 수 있다. 여전히 본원에 따라서, 케이블은 영구적으로 인장하에 있다.
케이블의 직경은 통상적으로 2 ~ 5 ㎜ 이다. 케이블의 어떠한 거칠기 (roughness) 때문에, 덮개가 전체가 아니고, 어떠한 누출 유동이 개구의 립들을 여전히 통과하여, 노즐에 일부 냉각 효과를 준다.
도 5 및 도 6 에서는 케이블 (9) 로 구성되는 본원에 따른 마스킹 시스템을 도시한다. 노즐 립들상에 케이블 (9) 을 적용하는 이 시스템은 캐리지 (10), 기계 구동 시스템 (8) 뿐만 아니라 2 개의 그루브형 휠들 또는 풀리들 (6, 7) 을 포함한다.
도 6 은, 후퇴 위치에서 노즐 (1) 의 각각의 가장자리에서 개구 (4) 에 대하여 적용된, 케이블 (9) 의 위치의 예를 도시한다.
도 7 은 케이블이 적용될 때 노즐 개구 (4) 에 위치한 케이블 (9) 의 통상적인 단면 위치를 도시한다.
본원의 장치는 선행 기술에 비하여 이하의 장점을 가진다:
- 챔버에서 1 bar 만큼 높은 압력에서 폐쇄 시스템의 가능하고 용이한 후퇴;
- 립들의 일부 냉각을 유지하는데 적합한, 개구가 폐쇄되는 위치에 일부 잔류 유동이 국부적으로 존재;
- 캐리지를 위치시키기 위한 별개의 구동 시스템들 덕분에 각 측에서 개별적으로 제어된 조절.
실시예
실행을 줄이기 위해서, 본원에 따른 장치의 일 실시형태는 가스 와이핑 노즐 (비도시) 에 설치된다.
이 실시예에서, 노즐 (1) 은 약 2.3 m 길이이고; 이 노즐의 개구 (4) 는 1 ~ 2 ㎜ 일 수 있다.
케이블 (9) 은 5 ㎜ 의 직경을 가지고 그리고 2 개의 그루브형 휠들 (6, 7) 을 가진 캐리지 (10) 에 의해 적용 또는 후퇴되고, 여기에서 일 캐리지 (10) 는 노즐의 각 측에 존재한다. 캐리지는 구동식 나사에 의해 이동된다. 캐리지 (10) 의 내부 운동은 캐리지 정지부 (12) 에 의해 제한된다.
매우 작은 Pitot 튜브들에 의해 측정된 출구에서의 동압 및 220 mb 의 챔버에서의 내압으로 시험들이 실시되었다 (도 8). 그래프의 우측에서 케이블이 적용된 위치에서 동압이 상당히 저감되는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과들에 대한 상세한 분석에서는, 케이블이 적용된 위치에서의 잔류 유동은 1 ㎜ 의 개구의 경우에 장치없이 약 15% 이고 2 ㎜ 의 개구의 경우에는 10% 이다.
1 : 노즐
2 : 노즐 개구를 폐쇄하기 위한 호일
3 : 스트립
4 : 슬릿
5 : 가압된 노즐 챔버
6, 7 : 휠
8 : 기계 구동 시스템
9 : 케이블
10 : 구동 캐리지
11 : 공기 공급
12 : 캐리지 정지부

Claims (11)

  1. 이동 스트립 (3) 상의 액체 필름으로 제조된 코팅의 두께를 제어하는 장치로서,
    노즐의 챔버 (5) 에서 가압 가스 (11) 가 공급되는 노즐 (1) 을 포함하고,
    상기 챔버 (5) 는 상기 이동 스트립 (3) 에 상기 가압 가스를 배출하기 위한 세장 (elongated) 개구 (4) 를 형성하는 노즐 립들에 의해 종단되며,
    상기 세장 개구 (4) 에는 상기 이동 스트립의 폭 외부에서 상기 노즐 (1) 의 횡방향측 각각에서 가스 유동을 저감시키는 자동화 수단이 제공되며,
    상기 노즐 측들의 각각에서 상기 가스 유동을 저감시키는 상기 자동화 수단은 상기 노즐의 챔버 (5) 내측에서 가스 배출 개구 (4) 로 및 가스 배출 개구 (4) 의 밖으로 각각 적용될 수 있도록 하는 후퇴가능한 (retractable) 케이블 (9) 을 안내하는 이동 캐리지 (10) 를 포함하고,
    상기 노즐의 횡방향측 각각에서, 상기 가스 유동이 줄어드는 외부 노즐 부분과 상기 가스 유동이 줄어들지 않는 내부 노즐 부분 사이의 천이 (transition) 는, 나란히 위치되고 그리고 상기 노즐에 수직한 축을 가진, 상기 이동 캐리지 (10) 에 연결되는 2 개의 동시 이동 (together-moving) 그루브형 휠들 또는 풀리들 (6, 7) 에 의해 보장되어, 상기 케이블 (9) 은 2 개의 상기 풀리들 (6, 7) 사이에서 제 1 풀리 (6) 의 외부측의 개구 (4) 에 대하여 그리고 제 2 풀리 (7) 의 내부측의 상기 개구 (4) 로부터 거리를 두고 연속적으로 위치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 캐리지 (10) 각각은 양방향성이고 그리고 구동식 기계 장치 (8) 에 의해 독립적으로 이동되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동식 기계 장치 (8) 는 나사인 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동식 기계 장치 (8) 는 다른 케이블인 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 은 영구적으로 인장하에 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 은 내열성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 은 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 의 직경은 1 ~ 10 ㎜ 인 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 의 직경은 2 ~ 5 ㎜ 인 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 그루브형 휠들 또는 풀리들 (6, 7) 을 가진 양방향성 상기 이동 캐리지 (10) 및 상기 구동식 기계 장치 (8) 는 상기 노즐의 챔버 (5) 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 (9) 은, 상기 케이블이 적용되는 상기 노즐의 개구 (4) 에서의 잔류 가스 유동이 상기 케이블이 적용되지 않는 값의 20% 미만이도록 선택 및 조절되는 것을 특징으로 하는, 장치.
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