KR20130055916A - 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치에 관한 것으로, 방향성 전기강판을 제조할 때 질소 침질을 위해 암모니아를 소둔로 내부로 공급하는 침질 처리장치에 있어서; 상기 소둔로를 통과하는 스트립의 상방과 하방에 각각 배관된 제1분사노즐 및 제2분사노즐; 상기 제1분사노즐 및 제2분사노즐 각각에 연결된 제1공급관 및 제2공급관; 상기 제1,2공급관이 각각 연결되어 공급가스를 설정된 유량으로 정량 공급하는 제1,2유량조절기; 상기 제1,2유량조절기에 연결되는 농도조절부 및 상기 농도조절부의 전단에 설치되는 온도조절부를 포함하되, 상기 농도조절부는 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관이 하나로 통합되어 제1,2유량조절기에 각각 연결되고, 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관의 관로상에는 다수의 유량조절밸브가 설치되며; 상기 온도조절부는 상기 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관과 대응되는 공급관을 각각 구비하되, 이들 각각에는 관류하는 유체를 가열할 수 있는 가열수단이 설치된 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 소재의 폭방향 질소 침질량 편차를 200±40ppm에서 200±10ppm이내로 개선하였고, 소재 양 끝단 침질 편차를 제거할 수 있고, 투입 암모니아의 침질효율 증대로 철손불량 스크랩 저감으로 재생산 비용 저감, 방향성 전기강판의 침질시점의 정밀제어를 통한 안정적 철손 확보 가능, 폭방향 균일한 침질량 확보로 가스 방출구 등 질소 방출에 의한 표면 결함 방지등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치{APPARATUS FOR UNIFORM NITRIDING WITH DECARBURIZING AND NITRIDING ANNEALING OF GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET}

본 발명은 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방향성 전기강판의 생산 공정 중 탈탄과 질화 공정을 통하여 적정 1차 재결정 형성 및 후 공정에서 절연피막(Glass Film)을 형성하기 위하여 산화층 형성과 산화마그네슘을 코팅하는 공정인 DcNL(Decarburizing & Nitriding Line)공정의 장치 중 적정 재결정 사이즈를 위한 인히비터 석출을 위한 질화처리시에 소재의 폭방향으로 균일질화 처리를 가능하게 한 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 강판의 결정방위가 {110}<001>인 일명 고스(Goss) 방위를 갖는 결정립들로 이루어진 압연방향의 자기적 특성이 뛰어난 연자성 재료이다.

이러한 방향성 전기강판은 슬라브 가열 후 열간 압연, 열연판 소둔, 냉간 압연을 통하여 통상 0.20 ~ 0.35 mm 의 최종두께로 압연된 다음, 1차 재결정 소둔과 2차 재결정 형성을 위한 고온소둔을 거쳐 제조된다.

이와 같은 방향성 전기강판 제조공정 중 1차 재결정 형성 및 후 공정에서 절연피막(Glass Film)을 형성하기 위하여 산화층 형성과 산화마그네슘을 코팅하는 공정인 DcNL(Decarburizing & Nitriding Line)공정이 수행되게 된다.

이때, DcNL 공정에서 사용되는 종래 질화 처리 장치는 도 1과 같은 개념을 갖는데, 이를 테면 소둔로(100) 벽체에서 암모니아를 분사하도록 배관이 있고 배관에 공급되는 암모니아는 순수 암모니아로서 스프레이 방식으로 소재를 질화 처리하였다.

이 경우, 벽체 노즐은 노의 상부 또는 하부에만, 또는 상부 그리고 하부에 위치하고, 노의 양 옆면에 번갈아 위치하였다.

따라서, 이러한 구조는 분사된 암모니아가 고온의 소둔로내에서 가열되어 급속히 수소와 질소로 분해되어 폭방향 암모니아 분포 편차가 발생하고, 수소와 질소로 이루어진 분위기 유동에 비해 적은 암모니아 유량이 소재에서 멀리 떨어진 노 벽체에서 분사되어 분위기 유동 변화에 의해 질소 침질 편차가 가중되는 단점이 있다.

뿐만 아니라, 암모니아가 분사된 후 노 전체로 확산되면서 폭방향 암모니아 분포 편차가 발생되고 질화 처리에 사용되지 못하고 분해, 소실되는 암모니아가 다량 발생하게 되므로 이러한 이유 때문에 도 1과 같은 구조의 질화 처리 장치는 근본적으로 소재의 폭방향 균일 침질을 제어하기에는 구조적인 문제가 있다.

다른 예로, 도 2에서와 같이, 소둔로(100) 내에 소재의 폭방향으로 암모니아가 분사되도록 폭방향 노즐이 설치되고, 순수 암모니아가 공급되어 소재를 질화 처리하였다.

이 경우, 폭방향 노즐은 노의 상부 또는 하부에만, 또는 상부 그리고 하부에 위치하였다.

이와 같은 도 2의 구조는 도 1과 같은 벽체 분사형의 폭방향 질소 침질량 편차 문제점을 해결하기 위하여 고안된 장치였지만 이역시 소재의 폭방향 질소 침질량 편차를 제어하는데는 한계가 있었다.

즉, 도 2와 같은 노내 전폭 질화 처리 장치는 노 벽체 공급형 질화 처리 장치에 비해 분위기 유동의 변화에 둔감하여 소재의 폭방향 침질 편차를 억제할 수는 있지만, 더욱 심각한 문제를 발생시켜 침질 편차를 가중시킨다.

예컨대, 암모니아는 고온일수록, 고농도일수록 수소와 질소로 분해되는 속도가 가속되어 급속히 분해되는 특성을 지니고 있고, 또한 흡수성(absortivity)이 커서 고온에서 급속히 가열되는 특성을 지니고 있다.

그런데, 도 2와 같이, 암모니아 노내 전폭 분사를 위해 설치된 폭방향 배관에는 순수 암모니아가 공급되면, 이미 노와 같은 온도인 고온으로 가열된 배관내에서 암모니아가 급속히 가열되어 암모니아 분해 속도가 증가되는 고온, 고농도의 조건을 더욱 배가시키는 역할을 노내 폭방향 분사 노즐이 하게 된다. 그로 인해, 폭방향 배관에서 분사되는 암모니아의 양이 폭방향으로 편차가 발생되어 소재에 접촉하게 되어 결국 질소 침질량 폭방향 편차를 더욱 가중시키는 문제를 양산하게 된다.

덧붙여, 도 3에서와 같이, 통상 DcNL에서 질화 처리를 위한 암모니아 공급배관(1,2,3,4,5,6,7,8,9)은 1개 이상의 구간에서 소재(Strip)를 향해 분사되도록 구성된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, DcNL 공정에서 소재의 폭방향 질소 침질량 편차를 유발하는 질화 처리 장치의 구조를 개선하여 폭방향으로 균일하게 암모니아를 소재에 분포시킬 수 있도록 고온으로 가열된 배관내에서 암모니아의 분해 속도를 감소시켜 폭방향으로 암모니아를 고르게 분포시킬 수 있도록 한 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 방향성 전기강판을 제조할 때 질소 침질을 위해 암모니아를 소둔로 내부로 공급하는 침질 처리장치에 있어서; 상기 소둔로를 통과하는 스트립의 상방과 하방에 각각 배관된 제1분사노즐 및 제2분사노즐; 상기 제1분사노즐 및 제2분사노즐 각각에 연결된 제1공급관 및 제2공급관; 상기 제1,2공급관이 각각 연결되어 공급가스를 설정된 유량으로 정량 공급하는 제1,2유량조절기; 상기 제1,2유량조절기에 연결되는 농도조절부 및 상기 농도조절부의 전단에 설치되는 온도조절부를 포함하되, 상기 농도조절부는 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관이 하나로 통합되어 제1,2유량조절기에 각각 연결되고, 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관의 관로상에는 다수의 유량조절밸브가 설치되며; 상기 온도조절부는 상기 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관과 대응되는 공급관을 각각 구비하되, 이들 각각에는 관류하는 유체를 가열할 수 있는 가열수단이 설치된 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치를 제공한다.

이때, 상기 제1,2분사노즐은 상기 스트립의 상방과 하방에서 상기 스트립에 수직하게 설치되거나 혹은 상기 스트립과 수평하게 설치되거나 혹은 상기 스트립과 각도를 이루고 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 농도조절부는 상기 소둔로의 외부에 설치되고, 상기 제1,2분사노즐은 적어도 하나 이상 배관되되 상기 스트립의 전폭 혹은 일부구간을 커버하도록 배관되는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, DcNL 공정에서 소재의 질소 침질량 편차를 유발하는 질화 처리 장치를 개선할 수 있는 암모니아 분해율을 조절하여 소재 전폭으로 균일하게 암모니아를 분사함으로써 소재의 폭방향 질소 침질량 편차를 200±40ppm에서 200±10ppm이내로 개선하였고, 소재 양 끝단 침질 편차를 제거할 수 있었다.

또한, 투입 암모니아의 침질효율 증대로 철손불량 스크랩 저감으로 재생산 비용 저감, 방향성 전기강판의 침질시점의 정밀제어를 통한 안정적 철손 확보 가능, 폭방향 균일한 침질량 확보로 가스 방출구 등 질소 방출에 의한 표면 결함 방지등의 효과를 얻을 수 있었다.

도 1은 종래 DcNL 질화 처리 장치중 벽체 분사형 질화처리 장치 구성도이고,
도 2는 종래 DcNL 질화 처리 장치중 소둔로내 폭방향 분사형 질화처리 장치 구성도이며,
도 3은 종래 소둔로에서 질화 처리를 위한 암모니아 공급 배관 구성도이고,
도 4는 본 발명의 암모니아, 수소, 질소 유량 제어 및 온도 제어 시스템과 소둔로내 폭방향 분사형 노즐을 포함하는 DcNL 질화 처리 장치 구성도이며,
도 5는 종래 DcNL 질화 처리 장치에 의한 소재 폭방향 질소 침질 편차 발생 원인을 보여주는 개략도이고
도 6은는 본 발명의 DcNL 질화 처리 장치에 의한 소재 폭방향 질소 균일 침질 결과를 보여주는 개략도이며,
도 7은 본 발명의 암모니아, 수소, 질소 유량 및 온도 제어 시스템의 제어에 의해 소둔로내 폭방향 분사 노즐의 폭방향 암모니아 유량 해석 결과이고,
도 8은 본 발명의 DcNL 질화 처리 장치와 종래의 질화 처리 장치에 의한 소재 폭방향 질소 침질량 편차 측정 결과이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치는 소둔로(100)를 통과하는 스트립(S)을 사이에 두고 상,하로 배치된 한 쌍의 제1분사노즐(110)과 제2분사노즐(120)을 포함한다.

이때, 상기 제1분사노즐(110)과 제2분사노즐(120)은 스트립(S)을 기준으로 상방과 하방에 설치되면 족할 뿐 굳이 특정각도로 한정될 필요는 없다.

즉, 본 발명에서는 후술되는 바와 같이 공급되는 가스의 온도와 농도를 조절할 수 있도록 구성되기 때문에 이들 분사노즐을 특정위치로 제한할 필요는 없는 것으로 기존에 개시된 구조와 같은 형태에도 충분히 적용가능하다.

예컨대, 가장 바람직한 분사노즐의 배치는 도시된 바와 같이, 제1분사노즐(110)과 제2분사노즐(120)을 스트립(S)을 기준으로 각각 상방과 하방에 배치하되, 스트립(S)에 대하여 수직하게 배치하는 것이다.

그러나, 반드시 이러한 구조로 한정될 필요는 없고, 스트립(S)을 기준으로 상방에서 혹은 하방에서 스트립(S)과 일정 단차를 두고 수평하게 설치될 수도 있으며, 또한 각도를 갖고 설치될 수도 있다.

여기에서, 수평하게 설치된다는 의미는 소둔로(100)의 내벽면을 따라 배관된다는 의미이며, 이때에서 제1,2분사노즐(110,120)이 일측 내벽면에만 설치될 수도 있고, 혹은 일측과 타측에 교차되게 설치될 수도 있는데, 바람직하기로는 효율 향상을 위해 교차 배관됨이 좋다.

뿐만 아니라, 상기 제1,2분사노즐(110,120)은 적어도 하나 이상 설치될 수 있는데, 스트립(S)의 전폭에 걸쳐 혹은 일부 구간에만 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1,2분사노즐(110,120)은 각각 제1공급관(112)과 제2공급관(122)이 연결되고, 상기 제1,2공급관(112,122)은 각각 제1,2유량조절기(114,124)와 연결된다.

이때, 상기 제1,2유량조절기(114,124)는 공지된 밸브 수단의 일 예로서, 정유량조절기가 바람직하다.

아울러, 상기 제1,2유량조절기(114,124)는 농도조절부(200)와 접속된다.

상기 농도조절부(200)는 수소가스, 질소가스, 암모니아가 동일한 압력으로 공급될 수 있도록 다수의 밸브를 갖는 유닛으로, 여기에는 수소가스공급관(210), 질소가스공급관(220), 암모니아공급관(230)이 별개로 연결되고, 이들 각각은 온도조절부(300)에 마련된 대응되는 배관과 각각 연결접속되며, 각각의 공급관로 상에는 다수의 유량조절밸브(도면번호 생략)가 구비된다.

따라서, 상기 농도조절부(200)를 구성하는 수소가스공급관(210), 질소가스공급관(220), 암모니아공급관(230) 상에 구비된 각각의 유량조절밸브의 개도를 조절함으로써 이들 3종류의 가스를 원하는 비율로 혼합한 혼합가스를 사용할 수도 있고, 이들 중 필요한 가스만을 선택하여 정량공급할 수도 있다.

이를 테면, 수소와 질소가스를 혼합하여 초기에 농도 조절을 하고 싶을 경우에는 암모니아공급관(230)을 잠궈버리면 되고, 1:1:1의 부피비로 혼합하고자 할 경우에는 동일 압력으로 공급되므로 유량조절밸브의 개도를 조절하면 3개의 가스가 동일 비율로 혼합될 수 있으며, 순수 암모니아만 사용하고 싶을 경우에는 암모니아공급관(230)만 열고 나머지는 닫아버리면 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 공급가스의 종류를 자유롭게 선택할 수 있고, 또한 혼합할 수 있으며, 혼합시 그 혼합비로 자유롭게 조절할 수 있다.

이 경우, 상기 유량조절밸브는 솔레노이드밸브로 구성하여 전자제어가 가능하게 하면 컴퓨터를 통한 수치제어가 용이하게 된다.

또한, 상기 온도조절부(300)에는 각 배관마다 예열할 수 있는 가열수단, 바람직하기로는 히터가 설치되어 이를 관류하는 유체의 온도를 승온시킬 수 있도록 구성된다.

따라서, 공급가스의 온도를 노내 온도에 맞춰 공급할 수도 있고, 상온으로 공급할 수도 있으며, 이는 농도조절부(200)와 복합적으로 관리 제어된다.

이를 통해, 암모니아의 분해율을 증가 또는 감소시켜 전폭 분사노즐에서 분사되는 암모니아의 유량을 폭방향으로 일정하게 분사제어하거나 또는 편차를 갖도록 분사제어하여 스트립(S)의 폭방향 질소 침질량 편차를 제거할 수 있게 된다.

반면, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래 (a)와 같은 형태의 장치에서는 분위기 유동 변화에 민감하여 분사된 소량의 암모니아가 폭방향으로 변화를 일으킴으로서 스트립의 폭방향 침질 편차를 유발하게 되고, 이의 제어또한 매우 곤란한 문제가 있었을 뿐만 아니라 소둔로(100) 내부가 가열되면서 암모니아가 분해되고 확산되어 폭방향으로 농도 편차를 발생시켜 스트립의 침질편차를 발생시켰다.

또한, (b)와 같은 장치에서는, 분위기 유동 변화에 둔감하여 유동에 의한 폭방향 편차 발생 여지는 감소하였지만, 순수 암모니아 공급 배관내 가열로 고온, 고농도에 의한 암모니아 분해율 급속 증가로 배관내에서 급속히 수소와 질소로 분해되어 스트립에 암모니아가 폭방향 편차를 가지고 분사되게 되므로 질소 침질량 폭방향 편차를 심화시키게 된다.

그러나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 임의 제어가 가능하여 소둔로(100)의 상황에 따라 변동 제어를 정확하고 용이하게 수행할 수 있다.

즉, 도 6에서와 같이, 암모니아, 수소, 질소의 공급을 수소가스공급관(210), 질소가스공급관(220), 암모니아공급관(230)을 통해 별개로 각각 개별 제어하여 공급하고, 혼합하기 때문에 혼합가스의 농도 조절이 용이하고 정확하며, 또한 온도조절부(300, 도 4 참조)를 통해 공급가스의 온도도 미리 제어할 수 있으므로 스트립(S)에 분사되는 암모니아의 폭방향 편차를 제거 또는 임의로 편차를 발생시키도록 제어하여 스트립(S)의 질소 침질 편차를 제거할 수 있게 된다.

이와 관련하여, 본 발명에 따른 암모니아 분사량 해석 결과를 실험으로 검증한 도 7의 그래프를 참조하며, 암모니아 분해율을 이용 분해 반응을 고려하여 폭방향으로 암모니아 분포 편차를 제거 또는 발생시킨 결과, 초기 공급되는 암모니아의 농도가 높을수록 폭방향으로 분사되는 암모니아 농도 편차가 심화되고 수소와 질소 또는 수소 또는 질소를 혼합하여 편차를 제거할 수 있음을 확인하였다.

뿐만 아니라, 도 8에서와 같이, 종래 도 1과 같은 형태의 암모니아 벽체 분사된 질화 처리 장치에 의해 생산된 소재의 폭방향 질소 침질량 편차와, 본 발명에 따른 장치를 통해 암모니아 농도가 조절되고 노내 전폭으로 분사된 질화 처리 장치에 의해 생산된 스트립(S)의 폭방향 질소 침질량 편차를 측정한 결과, 종래 장치의 경우 스트립(S)의 양 끝단에서 침질량이 급격히 증가되는 것을 알 수 있고, 본 발명에 의해 생산된 스트립(S)의 경우 폭방향으로 균일한 질소 침질량을 나타냄을 확인할 수 있었다.

이로써, 본 발명에 따른 장치의 유용성이 확인되었고, 이를 통해 스트립(S)의 폭방향으로 균일한 질소 침질량을 갖도록 제어할 수 있어 품질 증진 및 생산성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

100 : 소둔로 110 : 제1분사노즐
112 : 제1공급관 114 : 제1유량조절기
120 : 제2분사노즐 122 : 제2공급관
124 : 제2유량조절기 200 : 농도조절부
300 : 온도조절부

Claims (3)

1. 방향성 전기강판을 제조할 때 질소 침질을 위해 암모니아를 소둔로 내부로 공급하는 침질 처리장치에 있어서;
   상기 소둔로를 통과하는 스트립의 상방과 하방에 각각 배관된 제1분사노즐 및 제2분사노즐;
   상기 제1분사노즐 및 제2분사노즐 각각에 연결된 제1공급관 및 제2공급관;
   상기 제1,2공급관이 각각 연결되어 공급가스를 설정된 유량으로 정량 공급하는 제1,2유량조절기;
   상기 제1,2유량조절기에 연결되는 농도조절부 및 상기 농도조절부의 전단에 설치되는 온도조절부를 포함하되,
   상기 농도조절부는 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관이 하나로 통합되어 제1,2유량조절기에 각각 연결되고, 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관의 관로상에는 다수의 유량조절밸브가 설치되며;
   상기 온도조절부는 상기 수소가스공급관, 질소가스공급관, 암모니아공급관과 대응되는 공급관을 각각 구비하되, 이들 각각에는 관류하는 유체를 가열할 수 있는 가열수단이 설치된 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 제1,2분사노즐은 상기 스트립의 상방과 하방에서 상기 스트립에 수직하게 설치되거나 혹은 상기 스트립과 수평하게 설치되거나 혹은 상기 스트립과 각도를 이루고 설치된 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 농도조절부는 상기 소둔로의 외부에 설치되고, 상기 제1,2분사노즐은 적어도 하나 이상 배관되되 상기 스트립의 전폭 혹은 일부구간을 커버하도록 배관되는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 균일 침질 처리장치.

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