KR20040019730A

KR20040019730A - 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법및 그 장치

Info

Publication number: KR20040019730A
Application number: KR1020020051440A
Authority: KR
Inventors: 김호영; 김구화; 정희태; 박준표
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-06

Abstract

본 발명은 용융금속을 담은 통에 금속판을 통과시켜 연속적으로 도금하는 공정에서 교류전자기장을 이용하여 용융금속을 안정적으로 부양하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 용융도금공정에서 도금조(2) 하부의 개구부(2a)에서 용융금속을 부양하는 방법에 있어서, 도금조(2) 하부의 개구부(2a) 주위에 인덕터 코일(6)을 권취시켜 설치한 다음, 교류전원을 공급하여 교류전자기장을 발생시켜 용융금속(1)을 개구부(2a)에서 부양시키고, 상기 인덕터 코일(6)의 외부에 직류전자석(7)을 설치하여 전자기력을 발생시켜 도금조(2)의 개구부(2a)서 부양된 용융금속(1)의 유동을 방지하지 하는 것을 특징으로 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치를 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 용융금속 도금시 용융금속을 안정적으로 개구부에서 부양시킴으로써 금속판의 진동, 변형, 위치 변동 등에 의한 도금층 두께 불균일이나 무늬발생 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치{APPARATUS FOR FLOATING MOLTEN METAL IN THE MOLTEN METAL PLATING PROCESS USING AC ELETROMANETIC FIELD, FLOATING METHOD THEREOF}

본 발명은 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융금속을 담은 통에 금속판을 통과시켜 연속적으로 도금하는 공정에서 교류전자기장을 이용하여 용융금속을 안정적으로 부양하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속판(3)에 알루미늄이나 아연 등의 용융금속을 연속적으로 도금하는 기존 공정은, 도금 금속을 용해하여 도금조(2)에 담아두고 금속판(3)을 침지하여 도금하도록 구성되어 있다.

이 때 연속적으로 도금을 하기 위해서, 금속판(3)의 이송 방향을 바꾸는 싱크롤(Sink Roll; 4)과 금속판(3)의 진행을 조정하는 스테빌라이징(Stabilizing Roll; 5) 등이 모두 용융금속(1)에 잠겨져 있다.

상기한 각각의 롤 축수부는 고온환경으로 인해 무윤활 상태의 슬리브(Sleeve)-부시(Bush) 형태로 지지되고 있으므로 축수부의 접촉 마찰 때문에 여러 제약사항들이 발생한다.

첫째는 각각의 롤들을 유지 보수하는데 많은 비용과 시간이 소요되고,

둘째로 각각의 롤의 축수부, 표면 등의 상태가 도금 제품의 품질에 지대한 영향을 미치기 때문에 도금공정 운전이 지지 roll의 상태에 크게 의존한다는 점 등이다.

지지하는 각각의 롤과 관련된 문제점을 근원적으로 해결하기 위해서는 각각의 롤(4,5)이 용융금속(1)에 침지되어 있지 않은 도금조 구조를 채택해야 한다.

즉, 도금조 하부에 금속판(3)이 인입될 수 있는 개구부를 형성하여 이 개구부를 통해 금속판(3)이 용융금속(1)의 하부로 들어와서 상부로 빠져나가게 배치하고, 개구부를 통한 용융금속(1)의 유출을 방지할 수 있는 장치를 설치함으로써 롤을 배제한 용융도금방법이 제안되어 왔다.

상기한 바와 같이 롤을 배제한 용융금속도금공정에서 용융금속(1) 유출을 방지하기 위한 방법으로는, 개구부 주위에 압력실을 설치하여 공기압으로 용융금속(1)의 무게를 지탱하는 방법이 일본공개특허공보 昭63-109148호에 개시되어 있으며,

일본공개특허공보 昭63-303045호에는 전자기장을 이용하는 방법으로는 직류자석을 개구부 주위에 배치하고 용융 금속에 직류전류를 흘려서 발생하는 전자기력이 용융금속(1)의 무게를 지탱하도록 하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 개구부 주위에 Linear Induction Motor를 배치하여 Traveling Magnetic Field에 의한 전자기력으로 용융금속(1)의 무게를 지탱하도록 하는 방법이 미합중국 특허 제5665437호와 일본공개특허공보 昭63-310949호에 개시되어 있으며, 개구부 주위에 교류 전자석(8)을 배치하고 전도체(Conducting Block)를 도금조내의 단변부에 설치하여 발생하는 전자기력으로 용융금속(1)의 무게를 지탱하도록 하는 방법이 미합중국 특허 제5897683호에 개시되어 제안되었다.

상기에 제안된 방법들 가운데, 공기압을 이용하는 방법은 압력실의 유지 및 소음 발생 등의 문제가 있어서 전자기장을 이용하는 방법들이 주목을 받고 있다.

그러나, 전자기장을 이용하는 방법 중에서 직류자석과 직류전류를 이용하는 방법은 직류전류가 강판을 타고 주변 설비에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있고, Linear Induction Motor를 이용하는 방법은 개구부 주위에서 금속판(3)의 변형이 발생하므로 이에 대한 대책이 필요하고, 교류 전자석(8)과 전도체를 이용하는 방법은 용융금속(1)에 침지되어 있는 전도체의 용출로 인해 그 형태를 유지하기 어려울 뿐 아니라 용융금속(1)의 화학조성 유지가 곤란하다는 문제점이 발생되고 있는 실정이다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 금속판에 용융금속을 도금하는 공정에서 도금조 하부에 개구부를 설치하여 용융금속 내부에 롤과 같은 구조물이 없도록 하는 용융도금 장치 및 방법에서, 인덕터 코일과 직류전자석을 이용하여 도금조 하부의 개구부에 배치하여 이를 통해 발생된 교류전자기장의 부양력에 의하여 용융금속이 유출되지 않고 이 부분의 자유표면을 안정하게 유지할 수 있는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 용융금속 도금공정에 사용 중인 도금장치의 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 구성을 도시한 측면도;

도 3은 본 발명에 따른 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 도시한 정면도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1:용융금속 2:도금조 2a:개구부 3:금속판 4:싱크 롤

5:스테빌라이징 롤 6:인덕터 코일 7:직류전자석

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용융도금공정에서 도금조(2) 하부의 개구부(2a)에서 용융금속을 부양하는 장치에 있어서, 상기 도금조(2) 하부에 형성되어 금속판(3)이 통판하는 개구부(2a) 주위에 권취된 고주파 인덕터 코일(6)과; 상기 인덕터 코일(6)의 외부에 위치하는 직류전자석(7)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 용융도금공정에서 도금조(2) 하부의 개구부(2a)에서 용융금속을 부양하는 방법에 있어서, 도금조(2) 하부의 개구부(2a) 주위에 인덕터코일(6)을 권취시켜 설치한 다음, 교류전원을 공급하여 교류전자기장을 발생시켜 용융금속(1)을 개구부(2a)에서 부양시키고, 상기 인덕터 코일(6)의 외부에 직류전자석(7)을 설치하여 전자기력을 발생시켜 도금조(2)의 개구부(2a)서 부양된 용융금속(1)의 유동을 방지하지 하는 것을 특징으로 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 구성을 도시한 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 도시한 정면도이다.

본 발명은 도2와 같이, 용융금속(1)이 담겨있는 도금조(2) 하부에 금속판(3)이 들어오도록 설치한 개구부(2a) 주위에 인덕터 코일(Inductor Coil; 6)을 설치하고 인덕터 코일(6) 외부에 도금조(2)의 장변에 대응하여 직류전자석(7)을 설치하는 것으로 전체 장치를 구성한다.

고주파 인덕터 코일(6)에는 주파수가 조절되는 교류전류를 흐르게 하여 전자기장(B_AC)을 형성하고, 이 전자기장(B_AC)은 도금조 개구부(2a) 내부에 존재하는 용융금속에 유도전류(J_AC)를 발생시킨다.

이 때 전자기장(B_AC)과 유도전류(J_AC)는 아래 수학식 (1)로 표현되는 전자기력(F_AC)을 발생시키며, 이 전자기력(F_AC)은 용융금속에 체적력의 형태로 작용하며 그 수직성분은 용융금속을 부양하는 성분이 된다.

--------------------------------------------------(1)

(수학식 (1)에서 ×는 전류와 자기장의 벡터(Vector)곱을 나타낸다.)

인덕터 코일(6)에 의해 발생하는 전자기력(F_AC)의 수직성분 크기는 전자기장(B_AC)의 폭방향 분포로 인해 개구부의 중앙부보다 가장자리(단변부 쪽)에서 크다.

이로 인하여, 도금조 개구부(2a)의 용융금속에서는 원하지 않는 폭방향 유동이 발생하며, 전자기력의 수평성분은 개구부에서 두께방향 유동을 유발하며, 이러한 유동은 동압(Dynamic Pressure)을 유발하여 부양의 안정성을 해치게 되어 용융도금 공정을 불가능하게 할 수도 있다.

상기 인덕터 코일(6) 외부에 설치된 직류전자석(7)에 의한 직류자기장(B_DC)은 전도체에 유동(u)이 발생하면 하기 수학식 (2)에 나타낸 바와 같이, 전자기력(F_DC)을 발생시키는데 이 힘은 항상 유동을 억제하는 방향으로 작용한다.

-----------------------------------------(2)

(수학식 (2)에서 ×는 전류와 자기장의 벡터(Vector)곱을, σ는 용융금속의 전기전도도를 나타낸다.)

상술한 바와 같이, 본 발명은 인덕터 코일(6)에 의한 전자기력으로 용융금속의 무게를 지탱하는 부양력을 얻고, 직류전자석(7)에 의한 전자기력으로 피부양체의 유동을 억제하여 용융금속의 안정적인 부양상태를 구현하는 것이다.

상기한 인덕터 코일(6)의 형태와 흐르는 전류의 크기는 부양되는 용융금속의 높이(h)를 고려하여 결정하며, 인덕터 코일(6)에 흐르는 전류의 주파수(f)는 도금조 하부 개구부의 간격(g)을 고려하여 결정한다.

이러한 인덕터 코일(6)의 형태와 전류크기는 도금조 개구부(2a)에서 전자기장 강도(B_AC)가 하기 수학식 (3)을 만족하도록 선택하고,

---------------------------------------------(3)

(ρ는 용융금속의 밀도이다.)

또한, 인덕터 코일전류의 주파수(f)는 하기 수학식 (4)를 만족하도록 선택한다.

---------------------------------------------------------(4)

여기서, μ는 용융금속의 자기 투자율이다.

상기한 수학식(3)과 (4)를 유도하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

외벽에 자기장이 작용하는 반무한체에 대한 이론해의 결과를 적용하면

--------------------------------------(5)

이를 표면의 전자기압으로 계산하면,

------------------------------------------------(6)

부양을 위한 용탕의 하부 자유탕면이 연직선과 45도를 이룬다고 근사화하면상기 전자기압의 일부(cos45=1/√2)만이 부양력으로 작용한다. 이 부양력은 용탕의 무게보다 커야 한다.

즉,

---------------------------------------------------(7)

이를 정리하면 수학식(3)이 얻어진다.

수학식 (4)는 고주파 전자기장이 용탕에 작용하는 깊이 (σ)가 도금조 하부의 개구부 간격(g)의 1/2보다 커야 한다는 조건에서 유도된다.

그렇지 않으면 개구부의 중심부에서 용탕이 유출될 가능성이 커진다.

따라서,

------------------------------------------------(8)

이를 정리하면 수학식 (4)가 얻어진다.

[실시예]

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치를 구성하여, 도금조 하부의 개구부 간격을 20㎜로 설치하고, 도금조에는 용융아연을 500㎜ 높이로 담았다.

그런 다음, 450㎐의 교류전류를 인덕터 코일에 공급하여 개구부에서 0.4T의 교류자기장을 발생시키고, 직류전자석은 개구부에서 1T의 자기장 강도를 유지하였을 때, 용융금속의 유출이 없고 개구부 전체에서 용융금속의 자유 표면을 안정적인부양 상태로 유지할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 교류전자기력 발생장치를 이용하여 도금조 하부의 개구부를 통해 용융금속이 유출되지 않고 이 부분의 자유표면을 안정하게 유지하는 방법과 장치를 제공함으로써, 용융도금공정에서 용융금속 내부에 설치되어 있는 롤에 기인한 문제점들을 해결할 수 있다. 즉, 롤유지, 보수와 관련된 비용과 시간을 대폭 절감하여 궁극적으로 공정의 생산성을 높일 수 있고, 또한 롤에 기인한 도금 제품의 결함, 예를 들면 금속판의 진동, 변형, 위치 변동 등에 의한 도금층 두께 불균일이나 무늬발생 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

용융도금공정에서 도금조(2) 하부의 개구부(2a)에서 용융금속을 부양하는 장치에 있어서,

상기 도금조(2) 하부에 형성되어 금속판(3)이 통판하는 개구부(2a) 주위에 권취된 고주파 인덕터 코일(6)과;

상기 인덕터 코일(6)의 외부에 위치하는 직류전자석(7)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양장치.
용융도금공정에서 도금조(2) 하부의 개구부(2a)에서 용융금속을 부양하는 방법에 있어서,

도금조(2) 하부의 개구부(2a) 주위에 인덕터 코일(6)을 권취시켜 설치한 다음, 교류전원을 공급하여 교류전자기장을 발생시켜 용융금속(1)을 개구부(2a)에서 부양시키고, 상기 인덕터 코일(6)의 외부에 직류전자석(7)을 설치하여 전자기력을 발생시켜 도금조(2)의 개구부(2a)서 부양된 용융금속(1)의 유동을 방지하지 하는 것을 특징으로 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법.
제2항에 있어서,

상기 도금조(2) 하부의 개구부(2a) 주위에 권취된 인덕터 코일(6)로부터 발생된 교류전자기장으로 용융금속(1)을 개구부(2a)에서 부양시킬 때의 교류전기장의강도(B_AC) 및 인덕터 코일(6)의 전류주파수(f)는 하기 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법.

h:용융금속의 부양높이

f:인덕터 코일의 전류주파수

g:개구부 간격

μ:용융금속의 자기 투자율

σ:용융금속의 전기전도도
제2항에 있어서,

상기 인덕터 코일(6)의 외부에 직류전자석(7)을 설치하여 전자기력을 발생시켜 도금조(2)의 개구부(2a)서 부양된 용융금속(1)의 유동을 방지할 때 상기 전자기력(F_DC)은 하기 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 교류전자기장을 이용한 용융도금공정의 용융금속 부양방법.

(여기서, 는 전류와 자기장의 벡터(Vector)곱을 나타낸다.)

B_DC:직류전자석에 의한 직류자기장

u:전도체 유동도

F_DC:전자기력

σ:용융금속의 전기전도도