KR20040051843A

KR20040051843A - 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법

Info

Publication number: KR20040051843A
Application number: KR1020020079519A
Authority: KR
Inventors: 이중우; 이점수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-06-19

Abstract

본 발명은 용융아연도금 작업도중 스나우트 내부에서 발생되는 아연 재인 애쉬에 의해 유발되는 스트립 표면상의 도금불량을 제거하여 고품질의 도금제품을 생산할 수 있도록 한 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법에 관한 것이다.

본 발명은 용융아연도금강판을 제조할 때에, 가열로를 통과하면서 예열된 도금대상 강판이 용융아연도금욕조내 용융아연속으로 침적되기 전에 거치게 되는 스나우트내부로 외부에서 환원성가스(HNx)를 공급시켜 그 내부의 분위기가스중 수소농도가 40~60%로 유지되도록 함과 동시에, 이슬점이 -60~-70℃로 관리되도록 하고, 용융아연도금욕조의 온도는 455~460℃로 유지되도록 하여 환원반응을 활성화시켜 상대적으로 산화반응을 억제시킴으로서 애쉬 발생량을 줄이도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 용융아연도금강판의 표면품질을 저해하는 애쉬의 발생량을 용융아연도금욕의 온도 및 스나우트 분위기 가스의 성분을 조정함으로써 줄여 고품위의 도금제품을 생산할 수 있게 된다.

Description

스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법{METHOD FOR SUPPRESSION ASH PRODUCTION INNER SNOUT}

본 발명은 용융아연도금강판 표면에 발생되는 요철성 결함을 일으키는 애쉬의 발생을 억제하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융아연도금 작업도중 스나우트 내부에서 발생되는 아연 재인 애쉬에 의해 유발되는 스트립 표면상의 도금불량을 제거하여 고품질의 도금제품을 생산할 수 있도록 한 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법에 관한 것이다.

일반적으로, 용융아연도금 제품은 우수한 내식성을 바탕으로 수요량의 증가와 더불어 적용분야도 확대되고 있다.

용융아연도금 과정에서 발생되는 결함중 애쉬(ASH) 결함은 표면품질에 가장 큰 영향을 미치는 인자중의 하나로써 많은 관심과 노력에도 불구하고 해결되지 않는 고질적인 결함이다.

애쉬는 도 1과 같은 연속용융아연도금 라인중 스나우트(SNOUT)(14) 내부에서 주로 발생되는데 이러한 스나우트(14)는 가열로(13)와 용융아연도금욕조(15)을 연결하는 설비이다.

강판(11)은 용융금속 표면이 환원가스 분위기에 노출되어 표면이 활성화된 상태로 용융아연도금욕조(15) 내부로 침적되며 이때, 아연의 증발 및 응축현상, 스나우트(14) 내부 분위기가스의 유동현상, 용융아연도금욕조(15)의 유동현상 및 강판(11) 침적시 액체금속의 파동 등 여러 가지 화학현상들이 일어나게 된다.

이러한 과정에서 상기 애쉬는 도금욕조 탕면에서 증발되는 아연증기가 스나우트(14)내 잔존하는 미량의 산소와 결합하여 산화물을 형성한 뒤 스나우트(14) 벽체에 뭉쳐서 달라붙어 있다가 진동이나 가스유동 등에 의해 탕면으로 낙하되면서 도금될 강판표면에 묻어나가는 결함을 일으키게 된다.

이와 같은 애쉬에 의해 발생되는 결함들은 선형결함 및 미도금(벗겨지는 현상) 등을 일으키고, 또 제품생산이후 제품표면에 요철성결함(굴곡현상)을 유발하며, 최종 제품화를 위한 도장공정 이후에 가서 제품표면에 드러나 수요가의 불만증대 및 생산비용과 기회손실비용을 증가하게 하는 문제점을 유발시키게 된다.

최근에는 이러한 결함 방지를 위한 대책들이 다양하게 시도되고 있는데 이를테면, 아연의 증발을 근원적으로 억제하는 방법, 스나우트 내부면적을 줄여 아연 증발 면적을 감소시키는 방법, 분위기가스를 흡입해서 아연증기를 분리,제거하는 흡입 분리 방법 그리고 스나우트 내를 약산화성 분위기로 조성해 얇은 산화막을 형성 애쉬 증발을 억제하는 방법, 질소가스의 투입에 의한 애쉬의 증발 방지방법, 메탈펌프 등을 이용하여 발생된 애쉬를 흡입, 제거하는 방법 등이 공개되어 있으나, 이들의 사용조건 및 적용범위가 각 라인의 설비 혹은 조업조건에 따라 상이하여 제철소 내에서 범용적으로 적용하기가 곤란하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 한계성을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 스나우트 내부 분위기가스중의 수소의 조성과 이슬점을 적절히 제어함으로써 스나우트 내에서 발생되는 애쉬량을 억제시켜 강판 표면의 도금불량과 같은 제품의 표면결함을 극소화시킴은 물론 사용조건 및 적용범위가 까다롭지 않아 범용성을 가진 그러한 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 용융아연 도금라인의 공정도,

도 2는 본 발명에 따른 스나우트 내부 분위기가스 조정을 위한 수단들의 예시적인 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 스나우트 내부 분위기가스 안전사용을 위한 수단들의 예시적인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11....강판 13....가열로

14....스나우트 15....용융아연도금욕조

30....배관 32....농도계

34....자동밸브 40....이중씰링댐퍼

50....압력센서 60....가스방산배관

본 발명의 상기한 목적은, 용융아연도금강판을 제조할 때에, 가열로를 통과하면서 예열된 도금대상 강판이 용융아연도금욕조내 용융아연속으로 침적되기 전에 거치게 되는 스나우트내부로 외부에서 환원성가스(HNx)를 공급시켜 그 내부의 분위기가스중 수소농도가 40~60%로 유지되도록 함과 동시에, 이슬점이 -60~-70℃로 관리되도록 하고, 용융아연도금욕조의 온도는 455~460℃로 유지되도록 하여 환원반응을 활성화시켜 상대적으로 산화반응을 억제시킴으로서 애쉬 발생량을 줄이도록 한 것을 특징으로 하는 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법을 제공함에 의해 달성된다.

이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 발생된 아연증기의 애쉬화 과정에서 발생하는 산화를 억제하고 환원되도록 유도함으로써 스나우트 내에 존재하는 애쉬의 결함 확대가 불가능토록 한 것이다.

즉, 스나우트 내에 존재하는 아연증기 및 애쉬가 순수한 아연으로 존재토록 환원시키고자 한 것인데, 이는 순수한 아연으로 존재할 때는 증발하여 벽체에 응집되어 강판으로 낙하되더라도 다시 탕면에서 신속히 용해되므로 애쉬 같은 형태의 산화물 결함을 유발시키지 않기 때문이며 이러한 환원분위기로 유지하기 위해 인입 가스의 조성 및 온도 등의 제한이 필요하게 된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 스나우트(14) 내에서는 다음과 같은 화학 반응이 일어난다.

Zn + ½O₂= ZnO

Fe + ½O₂= FeO

즉, 탕면에서 증기압에 의해 증발된 아연 입자가 스나우트(14)내 미소량의 산소에 의해 산화되며, 동시에 가열로(13) 내에서 환원된 소지철 강판(11)도 산화반응이 일어나게 된다.

아연이 산화, 환원되는 조건은 상기 화학식에서와 같이 산소(O₂)의 분압조건으로 계산할 수 있지만 실질적으로 미세한 양을 조절할 수는 없다.

그러나, 아연이 환원되는 조건은 수증기의 환원반응을 이용해서 H₂/H₂O의 비로 계산가능하다.

Zn + H₂O = ZnO + H₂

△G = 25200 - 6.9T + 31.04T(△G:자유에너지, T:절대온도(K) )

Kp = PH₂/ PH₂O = 112401(at 460 ℃ )

여기서, △G는 위 반응이 일어나는데 필요한 자유에너지를 의미하며, Kp는 기체 평형상수로서 양쪽 반응이 평형을 이루는 조건은 수소(H₂)/수증기(H₂O) 분압 비율(Kp)이 112401 값을 유지할 때이고, Kp값이 112401 보다 큰 값을 가지게 되면 즉, 수소분압이 평형상태에서 상대적으로 증가하게 되면 아연의 환원반응이 이루어지게 된다.

따라서, 스나우트(14)내 이슬점만 설정되면 계산에 의해서 아연의 환원반응이 가능한 적정 수소농도 조건을 구할 수 있다.

이슬점은 그 분위기의 수분함량으로 환산하여 수증기 분압을 계산할 수 있으나 스나우트(14) 내 수증기 분압은 워낙 미미해 Pppmv (Partial pressure of parts per million volume)로 나타낸다.

예를 들면, 이슬점이 -70℃ 인 조건에서는 수증기(H₂0) 분압이 3 ppmv 이고, 이때 평형조건에서의 수소농도는 계산에 의해서 PH₂= 112401 ×3 = 337203 ppmv이며 이를 환산하면 약 33% volume 의 수소농도가 된다.

따라서, 수소농도가 33%를 초과하게 되면 ZnO에서 순수 Zn으로 환원반응이 촉진되며, 수소농도를 더욱 높일수록 환원반응은 보다 활성화되므로 산화반응을 용이하게 억제할 수 있게 된다.

본 발명은 이와 같은 관점하에 제안된 것으로, 스나우트(14)내 이슬점 변화에 따른 수증기 분압 및 이 조건에서 ZnO →Zn 으로 환원가능한 수소농도가 표 1에 나타나 있다.

그런데, 본 발명을 만족하기 위해서는 다음 몇가지가 전제되어야 한다.

첫째, 스나우트(14)내 이슬점은 도금라인의 작업조건에 따라 현재 -60 ∼ -70℃ 수준으로 운영되고 있으나 본 발명에서는 -65℃ 이하로 범위를 제한한다.

그 이유는 스나우트(14) 내부의 이슬점이 -60℃ 이상일 경우에는 아연의 산화를 방지하고 환원으로 유도 가능한 이론적인 수소농도가 100%를 넘게 되어 구현 불가능한 조건이 되기 때문이며, 이에 따라 표 1에는 -60 ∼ -70℃ 이슬점 범위 조건에서의 해당 수소농도를 나타내었다.

둘째, 스나우트(14)내 투입되는 환원성가스(HNx)의 수소농도가 60% 이하로 규정되는데 이를 초과하게 되면 대기중 산소 침투시 미세한 스파크에도 폭발위험이 있기 때문에 안전상의 문제로 수소농도는 60%이하로 규정한다.

참고로, 순수 수소의 자연발화 온도는 550℃이상으로 450 ∼ 460 ℃의 스나우트(14)내 온도에서는 자연발화를 일으키지 않는다고 할 수 있다. 하지만 30%이상의 고농도 수소분위기가 스나우트(14)에서 소둔로로 확산될 경우에도 가열로(13)내 수소 농도가 다소 높아져 안정상의 기준을 벗어날 수 있다.

가열로(13)는 분위기 온도가 강종에 따라 900℃ 까지 상승 가능하므로 온도가 충분히 하락되기 전에 스나우트(14)에 근접한 가열로 도어 개방시에 순간적인 외부공기의 유입으로 폭발 우려가 있다.

따라서, 가열로(13) 분위기와 스나우트(14)내 분위기를 분리시키는 것이 필요하나 완전히 분리시키는 것은 설비적으로 불가능하다.

그러므로, 가열로(13) 내는 기존처럼 환원성가스(HNx) 성분중 수소농도를11%로 유지하고, 스나우트(14)내 분위기는 가스중 수소농도를 40%이상으로 유지할 수 있도록 50∼60% 수소함량의 환원성가스를 별도의 배관(30)으로 투입한다.

이때, 그 범위를 한정하는 것은 그 투입량이 50 % 미만일 경우 스나우트(14)에 투입되어 기존의 9∼11% 수소농도의 HNx 가스와 섞였을 때 희석되어 40∼60% 수소농도로 유지 곤란하게 되고, 60%를 초과하는 수소농도의 HNx 가스를 투입하는 경우에는 고농도로 인해 스나우트(14)내 안전성의 위험이 있기 때문이다.

아울러, 환원성가스(HNx)의 배관(30)은 탕면 쪽으로 30도 각도로 양 사이드 스나우트(14) 벽체에 연결하여 애쉬 발생이 집중적으로 발생하는 탕면 근처의 수소농도 분위기를 40∼60%로 조정할 수 있도록 제한한다.

더블어, 스나우트(14)내 분위기중 수소농도를 상기와 같이 일정하게 유지하기 위해선 스나우트(14)내에 수소 농도계(32)를 설치하고 그 측정값에 따라 배관(30)에 설치된 자동밸브(34)의 개도가 조절되게 함으로써 투입되는 가스의 유량을 조정하여 원하는 수소농도를 맞출 수 있게 된다.

세째, 스나우트(14)내 고농도 수소 분위기를 유지하기 위해 스나우트(14) 입구쪽에 이중씰링댐퍼(SEALING DAMPER)(40)를 설치하여 이를 개폐하면서 강판(11)과의 갭(GAP)을 조정하여 스크래치를 유발하지 않는 범위에서 최대한 줄임으로써 스나우트(14)내 분위기가스가 가열로(13) 쪽으로 확산되는 것을 최대한 차단하여 탕면 근처에서 고농도 수소 분위기를 유지할 수 있도록 한다.

이때, 통상적으로 가열로(13)내 분위기압력은 6∼13mmH₂O로 정압을 유지하므로 고농도 수소를 투입할 때 스나우트(14)에 설치된 압력센서(50)를 통해 스나우트(14)내 압력이 가열로(13)의 분위기 압력보다 어느 정도 높게 유지될 수 있도록 고농도 수소 HNx 가스 투입량을 조정할 수 있도록 하며, 만약 고농도 수소 분위기 압력이 가열로(13) 대비 과도하게 높을 경우, 즉 3mmH₂O 이상 차이 발생시에는 이 차압을 줄이기 위해 자동으로 방산될 수 있도록 자동 감압밸브가 설치된 가스방산배관(60)을 설치하여 준다.

상술한 세가지 조건이 충족된 상태에서 아연의 환원반응을 촉진시켜 상대적으로 산화반응을 억제시킴으로써 스나우트내 애쉬의 생성을 줄일 수 있게 된다.

[실시예]

본 실시예에서는 스나우트내 분위기 조건을 이슬점 -67 ℃, 용융아연도금욕조의 온도 460℃인 조건에서 HNx 가스내 수소농도를 30%에서 60%까지 단계적으로 상승시키면서 시험하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

아울러, 애쉬 발생개수를 정량적으로 측정하기 위해 치구(가로 ×세로 각 300mm인 정방형 도구, 틀)를 사용하여 단위면적당 애쉬 발생량을 측정 비교하였다.

상기 표 2에서와 같이, 수소농도가 50% 이상인 조건에서는 애쉬 발생량이 대폭감소됨을 확인할 수 있었다.

결과적으로, 용융아연도금 강판의 애쉬 결함을 감소하기 위한 작업조건은 도금욕조 온도 455 ∼ 460℃, 스나우트내 이슬점 온도는 -65 ∼ -70 ℃, HNx 가스의 수소농도는 40∼60% 범위임을 확인하였다.

아울러, 하기한 표 3에는 이중씰링댐퍼의 개도에 의한 갭 변화에 따른 스나우트내 수소 분위기 농도를 나타낸 것이다.

상기 표 3에서와 같이, 강판과 이중씰링댐퍼 사이의 간격이 30mm이상 일때는 투입되는 고농도 수소가 소둔로 쪽으로 대량 확산되어 스나우트내에서 원하는 수소농도를 유지할 수 없게 되었고, 반면 20mm이하 간격에서는 강판 반곡 발생시 간섭 되어 스크래치를 유발할 가능성이 있어 스나우트내 고농도 수소분위기와 더불어 강판 스크래치를 방지할 수 있는 간격은 23 ∼ 28mm 정도임을 확인하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 용융아연도금강판의 표면품질을 저해하는 애쉬의 발생량을 용융아연도금욕의 온도 및 스나우트 분위기 가스의 성분을 조정함으로써 줄여 고품위의 도금제품을 생산할 수 있게 된다.

Claims

용융아연도금강판을 제조할 때에,

가열로를 통과하면서 예열된 도금대상 강판이 용융아연도금욕조내 용융아연속으로 침적되기 전에 거치게 되는 스나우트내부로 외부에서 환원성가스(HNx)를 공급시켜 그 내부의 분위기가스중 수소농도가 40~60%로 유지되도록 함과 동시에,

이슬점이 -60~-70℃로 관리되도록 하고, 용융아연도금욕조의 온도는 455~460℃로 유지되도록 하여 환원반응을 활성화시켜 상대적으로 산화반응을 억제시킴으로서 애쉬 발생량을 줄이도록 한 것을 특징으로 하는 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법.
제1항에 있어서,

상기 스나우트 내부에 강판과 23~28mm의 간격을 유지하는 이중씰링댐퍼를 구비시켜 스나우트 내부의 고농도 수소가 가열로 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 스나우트 내부의 수소농도를 유지시키도록 한 것을 특징으로 하는 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스나우트의 일부에는 가스방산배관을 설치하여 스나우트 내부의 수소분위기 압력이 가열로보다 3mmH₂O 이상 차이가 날 경우 내부 가스를 자동 방산시켜 스나우트 내부의 수소농도를 유지시키도록 한 것을 특징으로 하는 스나우트 내부 애쉬 발생 억제방법.