KR102168593B1 - 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 개선된 버블 펌프 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 재료로 형성된 내부를 가지는 버블 펌프에 관한 것이다. 내부의 표면은 세라믹으로 형성될 수도 있다. 세라믹은 알루미나, 마그네시아, 실리케이트, 탄화규소, 또는 흑연, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수도 있다. 세라믹은 무탄소, 85% Al2O3 인산염 결합된 캐스터블 내화물일 수도 있다.
Description
본 발명은 강에 용융 금속을 코팅하기 위한 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 코팅되는 강 스트립 근방의 용융 금속으로부터 표면 찌꺼기를 제거하기 위해 용융 금속 배쓰 (baths) 에 사용되는 버블 펌프에 관한 것이다. 보다 더 구체적으로, 본 발명은 용융 금속에 의한 부착 침범 및 파괴로부터 그러한 버블 펌프의 내부를 보호하는 것에 관한 것이다.
용융 알루미늄 및 용융 아연은 강의 표면을 코팅하는데 수년간 사용되어 왔다. 코팅 프로세스 단계들중의 하나는 강 시트를 용융 알루미늄 또는 용융 아연에 침지하는 것이다. 코팅의 표면 품질은 고품질의 코팅 제품을 제조하는데 매우 중요하다. 그러나, 2007 년에 US 시장을 위해 알루미늄 도금된 강을 도입하는 것은 알루미늄 도금 라인에 있어서는 상당한 도전이었다. 초기의 시험들은 코팅 결함으로 인해 50% 초과의 실패로 이어졌다.
결함의 주요 원인중의 하나는 스나우트 (snout) 내의 알루미늄 배쓰에서 부유하여 스트립에 들러붙는 찌꺼기였다. 고품질의 표면 마감을 얻기 위해, 용융 금속 배쓰에서의, 특히 스나우트 내측의 한정된 영역에서의 부유 찌꺼기 및 산화물은 코팅되는 표면으로부터 우회될 필요가 있다. 버블 펌프로서 또한 언급되는 탄소강 공압 찌꺼기 펌프는 코팅 영역으로부터 찌꺼기를 제거하는데 사용되어 왔다. 스나우트 내측에서 찌꺼기없는 멜트 표면을 보장하기 위해 푸시 앤드 풀 스나우트 펌프를 실행하는 것은 고품질의 코팅을 가능하게 하였다. 버블 펌프 (별칭으로, 찌꺼기 펌프) 는 압축 가스, 공기, 수증기의 버블 또는 다른 수증기형의 버블을 출구 튜브에 도입함으로써 물 또는 오일 (또는 이 경우, 용융 금속) 과 같은 유체를 들어올리는 인공적인 리프트 기술을 이용한다. 이는 튜브의 내측 정수압과 대비하여 출구 튜브 정수압을 감소시키는 결과를 갖는다. 버블 펌프는 코팅된 스트립에서의 찌꺼기-관련 결함을 방지하기 위해 스나우트 내측의 알루미늄 도금 배쓰의 표면으로부터 부유 찌꺼기를 제거하도록 금속 코팅 라인의 용융 금속 배쓰에서 사용된다. 따라서, 버블 펌프는 고품질의 자동차 알루미늄 도금 시트의 제조에 있어서 중대한 하드웨어 부품이다.
제조 비용에 영향을 미치는 주요 인자중의 하나는 알루미늄 도금 포트 (pot) 하드웨어의 실패이다. 하드웨어 실패중의 두드러진 것은 버블 펌프 (풀 (pull) 펌프) 의 실패이다. 탄소강으로 제조된 버블 펌프의 평균 수명은 8 - 12 시간이며, 이는 (2주 제조에 대해) 매월 35 - 40 개의 펌프를 사용하는 것으로 귀결된다. 제조중에 탄소강 버블 펌프를 변경하는 것은 제조 중단 및 용융 금속 배쓰의 오염으로 이어진다. 더욱이, 코팅된 강 시트의 "품질" 은 탄소강 펌프의 변경중에 열화될 것이다 (가치가 적은 제품이 됨). 또한, 펌프 변경은 라인 중지와 재가동을 필요로 하며, 이는 기동 코일의 과도한 소모로 이어진다. 버블 펌프에 기인하는 평균 손실은 년간 U.S. 달러로 대략 백만 달러에 육박한다. 버블 펌프의 수명 증가는 열화되는 시트의 양을 상당히 감소시킬 것이며, 또한 비가동시간 및 비용을 줄일 것이다.
따라서, 본 기술분야에 있어서는 베어 (bare) 탄소강 튜브 펌프보다 상당히 더 길게 지속될 수 있는, 용융 알루미늄 배쓰에서 사용하기 위한 버블 펌프에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 재료로 형성된 내부를 가지는 버블 펌프이다. 내부의 표면은 세라믹으로 형성될 수도 있다. 세라믹은 알루미나, 마그네시아, 실리케이트, 탄화규소, 또는 흑연, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수도 있다. 세라믹은 무탄소 (carbon-free), 85% Al2O3 인산염 결합된 캐스터블 내화물 (castable refractory) 일 수도 있다.
버블 펌프의 외부는 탄소강 튜빙으로 형성될 수도 있다. 버블 펌프는 함께 결합된 다수 섹션들의 튜빙으로 형성될 수도 있다. 버블 펌프는 3 개의 직선 피이스들의 튜빙 및 3 개의 엘보우 피이스들의 튜빙을 포함할 수도 있다. 다수 섹션들의 튜빙은 압축 플랜지 조인트에 의해 함께 결합될 수도 있다. 압축 플랜지 조인트는 용융 알루미늄이 조인트에 침입할 수 없도록 내부 세라믹 재료를 압축할 수도 있다. 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 내부 재료의 압축 플랜지 조인트는 버블 펌프의 섹션들 사이에서 45도 각도의 수형/암형 조인트를 형성할 수도 있다.
도 1 은 축척 그대로가 아닌 버블 펌프의 개략적인 다이어그램이다.
도 2 는 버블 펌프의 피이스들 사이의 조인트의 단면의 개략도이다.
도 2 는 버블 펌프의 피이스들 사이의 조인트의 단면의 개략도이다.
본 발명자들은 펌프 성능을 개선하고 펌프의 수명을 상당히 증가시키는, 바람직하게는 적어도 5일까지 증가시키는 방법을 개발하고자 했다. 탄소강 버블 펌프의 실패 모드의 광범위한 관찰을 실시했다. 그 결과에 기반하여, 본 발명자들은 캐스트 세라믹 보호 라이닝을 가지는 개선된 버블 펌프를 개발했다. 개선된 펌프의 일 실시형태는 실패없이 167 시간 (∼7일) 까지 계속 지속하였는데, 이는 용융 알루미늄에서 탄소강 펌프가 통상적으로 겪는 8 - 12 시간의 수명에 비해 주 성능이 유리하다는 것을 입증한다. 캐스트 내화물 라이닝의 도입 및 펌프 구성의 변화는 개선에 있어서 핵심적인 요인이다.
도 1 은 축척 그대로가 아닌 버블 펌프의 개략적인 다이어그램이다. 버블 펌프는 이하의 것을 포함한다: 수직 입구 부분 (1), 수직 입구 부분 (1) 을 수평 피이스 (3) 에 연결하는 엘보우 (2), 수평 피이스 (3) 를 수직 출구 피이스 (5) 에 연결하는 또 다른 엘보우 (4), 원치않는 찌꺼기를 함유하는 유출 금속을 금속 배쓰의 코팅 영역으로부터 멀어지게 지향시키는 출구 엘보우. 수직 출구 피이스 (5) 에는 가스 유입 라인 (6) 이 부착된다. 라인 (6) 은 수직 출구 레그에 저압을 유발하도록 용융 금속에 가스를 주입하는데 이용되며, 그 결과로 금속은 수직 입구 (1) 안으로 하향 유동되고 그리고/또는 수직 출구 (5) 의 위로/밖으로 (up/out) 유동된다.
실패 모드의 분석
U자형 버블 펌프는 668℃ (1235℉) 의 온도로 용융 팟에서 작동한다. 멜트의 화학적 성질은 전형적으로 Al - 9.5% Si - 2.4% Fe 이다. 펌프의 입구는 스나우트 내측에서 용융 알루미늄 배쓰내에 위치하고, 출구는 스나우트의 외측에 위치한다. 출구측에서의 펌프의 수직 레그에서 질소를 버블링함으로써 펌핑 작용이 발생한다. 주위 온도에서 질소는 ∼120 의 표준 시간당 입방 피트 (scfh, 90-150 scfh) 의 유량 및 40 psi 로 도입된다. 질소의 팽창은 액체 금속을 동시에 배출하는 출구를 통해 빠져나오는 버블을 발생시킨다. 배출은 펌프의 2 개의 측들 사이에서 압력차를 발생시켜서, 멜트와 부유 찌꺼기를 입구에서 흡입되도록 하는 흡입력을 발생시킨다. 프로세스는 연속적이고, 그럼으로써 스나우트의 내측으로부터의 찌꺼기의 연속적인 제거 및 외측으로의 배출이 가능해진다.
버블 펌프에서는, 심각도의 순으로 실패의 3 곳의 주요 부위가 존재한다: 1) 배출 헤드 (엘보우 (6)) 내의 부위; 2) 출구측 (수직 피이스 (5)) 에서의 수직 섹션에서의 질소 입구 니플의 주변 부위; 및 3) 입구측 (수직 피이스 (1)) 에서의 수직 섹션의 중앙 부위. 실패 모드를 더 잘 이해하기 위해, 약 12 시간의 서비스후에 실패된 통상의 탄소강 펌프를 반으로 나누어 분석하였다. 분석 결과, 펌프의 수평 바닥 부분은 거의 온전한 반면에, 입구 및 출구 섹션들은 심각하게 손상되었다. 또한, 버블 펌프의 내측에서 재료 손실이 대부분 발생하는 반면에, 외측 직경은 변하지 않고 남아 있었다. 침범의 정도는 펌프의 여러 위치들에서 다르다.
버블 펌프의 물 모델링
본 발명자들은 펌프 내측의 유체 동역학이 실패 모드에 영향을 미친다고 믿었다. 그러나, 유체 유동에 영향을 미치는 구성 인자들은 잘 이해되지 않았다. 멜트 난류의 영향을 관찰하기 위해, 소형의 Plexiglas 버블 펌프 모델 (1:2 축척) 이 만들어졌고 물로 작동되었다. 모델은 펌프 작동 및 성능에 대한 가스 압력, 입구 위치, 엘보우 반경, 배향 및 출구의 형상의 효과의 관찰을 허용했다. 통상의 작동중의 펌프의 물 유동 특성이 알려졌고, 실패된 펌프에서 관찰된 금속 손실 및 부식 위치가 물 모델 내측에서의 난류의 위치에 상응한다는 것이 판정되었다.
알루미늄 침범의 메커니즘
탄소강 펌프에서의 재료 손실의 메커니즘이 금속 현미경 기술에 의해 관찰되었다. 여러 스테이지의 알루미늄 침범이 존재한다. 알루미늄과 펌프와의 접촉의 첫번째 순간에서, 액체 알루미늄과 강 표면 사이의 반응의 결과로서 내측 벽에 경질 및 취성의 금속간 층이 형성된다. 이 층은 알루미늄 및 철이 층을 통해 확산되는 것을 실질적으로 제한하고 강에 대한 추가 침범을 제한한다. 따라서 금속간 층은 금속 보디에 대한 유사-보호 코팅으로서 작용한다. 그러나, 표면에 기계적 응력이 나타날 때마다, 이 취성 층은 마이크로-크랙을 발생시키고 강 표면으로부터 쪼개져, 깊은 피트 (pits) 를 발생시킨다. 피트의 바닥은 금속간 층에 의해 더 이상 보호되지 않으므로, 새로운 층이 형성될 때까지 멜트에 의해 침범을 받는다. 응력이 강 표면에 계속 존재하는 동안에 이 프로세스는 그 자체로 반복되고 결과적으로 금속의 손실이 계속 증가된다. 침범에 관여된 응력은 멜트 난류 및/또는 민감한 위치에서의 이물 입자의 침범의 결과인 것으로 여겨진다. 그러므로 침범의 프로세스는 액체 알루미늄에 의한 역학적 부식으로서 특징지어질 수 있다.
따라서, 서비스에 있어서의 탄소강 버블 펌프의 실패는 역학적 피팅 (pitting) 및 연마 마모 (역학적 부식) 에 의한 것이다. 침범의 정도는 여러 위치에서 다르다. 멜트 난류에 노출되지 않은 펌프의 외부 표면은 손상을 덜 받고 따라서 최소한의 보호로 멜트에서 살아남는다. 멜트 침범 및 금속 손실은 내측으로부터 외측을 향해 주로 진행된다.
본 발명자들은, 정체된 멜트에서 용융 알루미늄 침범을 견딜 수 있는 코팅이 펌프에서 겪는 난류 조건하에 실패할 것 같다고 판단했다. 펌프 보디에 대한 강한 코팅 접착은 그러한 역학적 조건하에서의 보호를 위해 중요하다. 본 발명자들은, 펌프 성능을 개선하기 위해서는 용융 알루미늄으로부터 펌프의 내측 표면을 격리하는 것이 필요하다고 또한 판단했다. 격리 층은 접착성이 있어야 하고 두꺼워야 하며 또한 연속적이어야 한다. 보호 층에서의 임의의 개구는 펌프 실패를 초래할 수 있다.
보호 라이닝을 위한 내화물 재료의 선택
실패 관찰 및 물 모델링으로부터의 지식에 기반하여, 본 발명자들은 새로운 버블 펌프를 개발하였다. 보호 라이닝 재료를 위한 요건은 다음과 같다: 1) 액체 알루미늄 침입에 대한 비-젖음성 재료; 2) 예열을 피하기 위한 내열충격성 재료; 3) 내부식성 재료; 4) 저비용; 및 5) 구성의 유연성. 이 요건들에 부합하기 위해, 문헌적 서어치 및 실험실 테스트가 수행되었다. 무탄소, 85% Al2O3 인산염 결합된 캐스터블 내화물이 선택되었다.
발명 펌프의 구성
표준 탄소강 버블 펌프의 형상은 3 개의 90도 엘보우 섹션들을 포함한다. 복잡한 형상은 조인트없이 전체 쉘 (shell) 내측에 세라믹 라이닝을 캐스팅하는 것을 매우 어렵게 한다. 그러므로, 쉘을 여러 개의 섹션들로 절단하고 각 섹션을 개별적으로 캐스팅하고 이어서 펌프를 조립하는 것이 필요했다. 또한, 각 조립된 부분의 조인트가 사용중에 온전함을 유지하도록 하는 것이 필요하다. 이들 엄격한 요건을 위해, 펌프의 조립시에 다음의 아이디어가 적용되었다: 1) 내화물 라이닝의 섹션들 사이의 유일한 45도 각도의 수형/암형 조인트; 2) 펌프의 3 개의 피이스를 조립하기 위한 2 개의 플랜지 조인트, 이는 세라믹 보호 라이닝의 조인트가 압축하에 설치되는 것을 가능하게 함; 3) 조인트들을 통한 알루미늄 침범을 감소시키기 위한 엘보우들에서의 연속적인 세라믹 라이닝; 및 4) 세라믹 라이닝을 압축하에 두기 위한 출구 부위에서의 플랜지 수정.
도 2 는 버블 펌프의 피이스들 사이의 조인트의 단면의 개략도이다. 조인트는 종래의 버블 펌프의 탄소강 쉘 (8) 로 이루어지고, 이의 각 피이스는 용융 금속에 내성을 지닌 세라믹 (9) 으로 라이닝된다. 서로 맞닿는 세라믹 (9) 의 단부들은 약 45도 각도로 각져서 양호한 압축 끼워맞춤을 허용한다. 버블 펌프의 부분들은 고정 수단 (11) 을 이용하여 플랜지 조인트 (10) 에 의해 압축하에 함께 이음된다.
압축 조인트는 용융 금속 침입에 대해 보호 라이닝 조인트를 밀봉하기 위해 보호 라이닝 조인트를 압축하에 유지하는데 이용된다. 보호 라이닝은 용융 금속에 대한 비-젖음 재료와 같이 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 임의의 재료로 형성될 수도 있다. 비-젖음 재료의 예는 알루미나, 마그네시아, 실리케이트, 탄화규소, 또는 흑연, 및 이들 세라믹 재료의 혼합물이다.
Claims (10)
- 용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 재료로 형성된 내부를 가지고, 상기 내부의 표면은 세라믹으로 형성되며, 외부는 탄소강 튜빙으로 형성되는 버블 펌프.
- 제 1 항에 있어서,
상기 내부의 표면은 알루미나, 마그네시아, 실리케이트, 탄화규소, 또는 흑연, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹은 무탄소 (carbon-free), 85% Al2O3 인산염 결합된 캐스터블 내화물 (castable refractory) 인 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 1 항에 있어서,
상기 펌프는 함께 결합된 튜빙의 다수 섹션들로 형성되는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 4 항에 있어서,
상기 튜빙의 다수 섹션들은 3 개의 직선 피이스들 및 3 개의 엘보우 피이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 4 항에 있어서,
상기 튜빙의 다수 섹션들은 압축 플랜지 조인트에 의해 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 6 항에 있어서,
상기 압축 플랜지 조인트는 용융 알루미늄이 상기 조인트에 침입할 수 없도록 내부 세라믹 재료를 압축하는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 제 7 항에 있어서,
용융 알루미늄에 의한 침범에 내성을 가지는 내부 재료의 상기 압축 플랜지 조인트는 상기 버블 펌프의 섹션들 사이에서 45도 각도의 수형/암형 조인트를 형성하는 것을 특징으로 하는 버블 펌프. - 삭제
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| A107 | Divisional application of patent | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2019101003658; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20191104 Effective date: 20200828 |
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| GRNO | Decision to grant (after opposition) | ||
| GRNT | Written decision to grant |