KR20140125790A - 우수한 압력 균일성을 갖는 코팅 두께 및 분포 제어 와이핑 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 스트립 (3) 상의 액체 필름으로 형성된 코팅의 두께를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 노즐 (1) 로서, 상기 노즐 (1) 의 챔버 (2) 에 가압 유체 (6) 가 공급되는, 상기 노즐 (1) 을 포함하고, 상기 챔버 (2) 는 상기 이동 스트립 (3) 상에 상기 가압 유체를 배출하는 세장의 배출 개구부 (12) 를 형성하는 노즐 립들 (11) 에 의해서 종단되고, 상기 챔버 (2) 는 유체 유동에서 상기 챔버 (2) 의 단면 (L x h) 을 차단하는 천공 배플 플레이트 (8) 를 또한 포함하고, 상기 천공 배플 플레이트 (8) 는 다수의 홀들 (13) 의 전체 표면이 상기 챔버 (2) 의 단면의 90% 보다 더 크도록 다수의 홀들 (13) 을 구비하고, 그리고 상기 다수의 홀들 (13) 의 어떠한 홀의 개별 직경 보다 3배 더 크고 3 mm 보다 큰 두께 (Th) 를 갖고, 상기 천공 배플 플레이트 (8) 는 허니컴 기하학적 구조, 즉 육각형 섹션을 갖는 셀들 (13) 을 구비한 기하학적 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

우수한 압력 균일성을 갖는 코팅 두께 및 분포 제어 와이핑 노즐{COATING THICKNESS AND DISTRIBUTION CONTROL WIPING NOZZLE WITH EXCELLENT PRESSURE UNIFORMITY}

본 발명은 주행 스트립상의 액체 필름의 두께를 제어하는 가스 와이핑 장치에 관한 것이다. 전형적인 예는 핫 딥 코팅 (hot dip coating) 에 의해서 얻어지는 것과 같은 광폭 코팅된 강 시트들상에 액체 금속을 가스 와이핑하는 장치이다.

핫 딥 코팅에서, 코팅된 시트들의 코팅 균일성은 주된 관심사이다.

에어 나이프 시스템이 사용될 때, 균일성을 얻기 위해서는 균일한 주행 속도, 일정한 노즐 대 스트립 거리, 및 노즐의 출구에서의 균일한 가스 유동을 필요로 한다는 것은 널리 공지되어 있다. 이들 작동 파라미터들의 모든 변화는 코팅 두께 변화들을 발생시킬 것이다.

본 발명의 프레임에서의 장치들은 전형적인 길이가 2.5 미터이고 개구부 두께가 0.5 내지 2 mm 인 슬릿과 같은 얇은 개구부 전체에 걸쳐 균일한 가스 유동을 얻는데 관심이 있다. 도 1 은 핫 딥 코팅 산업에서 사용된 전형적인 노즐 디자인의 단면도이다. 노즐 (1) 은 액체 금속을 담고 있는 코팅욕으로부터 외부로 나오는 주행 코팅 시트 (3) 의 정면에 위치된다. 노즐의 출구는 연장된 길이방향 개구부 또는 슬릿 (12) 을 규정하는 경사진 립들 (11) 로 형성된다. 도 2 는 도 1 의 스트립 (3) 및 장치의 대응하는 정면도이다.

먼저, 경험상으로 볼 때, 스트립 (3) 과 상기 스트립 (3) 을 향하여 배향된 노즐면들 사이의 각도 (10) 는 높은 가스 유동에 의해서 발생된 소용돌이 및 재순환을 감소시키기 위하여 넓어져야 한다. 이와 관련하여, 도 5 는 각도 (10) 가 작을 때 발달하는 전형적인 소용돌이 형상을 도시하고 있다.

따라서, 일반적으로 감소된 이용가능한 공간 때문에, 챔버 (2) 의 치수들, 특히 챔버의 길이 (4) 및 높이 (5) 는 상당히 제한적이다 (도 1 및 도 2 참조).

장치에 제공된 공기 공급 (6) 은, 예를 들면 상부로부터의 (도 1), 측방으로부터의 (도 2) 또는 후방으로부터의 주입으로, 상이한 공지된 방법들에 의해서 얻어질 수 있다. 이런 공기 공급 (6) 은 장치가 일반적으로 특정 프로세스 윈도우에 따른 작동으로 이동되기 때문에 유연해야 한다. 장치의 전형적인 변위 길이는 최대 100 mm 에 이를 수 있다. 그러므로, 사용된 파이프들은 이들 파이프들의 수명에 악영향을 주지 않으면서 이런 변위를 수용하도록 특정 직경-길이 비율을 가져야 한다.

게다가, 챔버 단면 뿐만 아니라 공급 파이프 (6) 의 직경은 너무 작게 될 수 없는데 그 이유는 그렇지 않으면 파이프의 가스 속도가 너무 빨라 개구부를 따라서 가스 유동이 변화되고, 더 나아가 코팅 두께가 균일하게 되지 않기 때문이다. 도 3 은, 실제로 4개의 상부 개구부들 (6) 을 통하여 공기가 공급되는 경우에, 디자인 비율들이 정확하게 선택되지 않을 때 발명자에 의해서 실행된 연구로부터 얻어진 가스 유동 및 결과의 예를 도시하고 있다. 도 6 은, 다른 예로서, 단일 (또는 비대칭) 측 가스 입구 (6) 의 경우에 노즐을 따라서 유동 및 출구 속도를 도시하고 있다.

전술한 문제점들은 산업 분야에서 상당히 널리 공지되어 있고, 그리고 약간의 기술적 해결책들은 미국 특허 제 4,041,895 호에서 기술된 바와 같이 이미 제안되었다.

이 문헌은 이동 기판에 적용된 코팅의 두께 및 분포를 제어하는 시스템을 개시하고 있고, 이 시스템은 이동 기판이 코팅욕으로부터 나올 때 이동 기판상에 가압 유체를 배출하고 이동 기판으로부터 과잉 코팅을 스크리드 (screed) 하여 원하는 두께 및 분포를 갖는 코팅 피착물 (deposit) 이 남아 있도록 하는 한쌍의 "에어 나이프들" 을 포함한다. 각각의 에어 나이프는 세장의 (elongated) 노즐 개구부를 규정하는 한쌍의 노즐 립들로 가압 유체를 공급하는 플리넘 챔버를 구비하고 있다. 바람직하게는 배플 플레이트, 스크린 조립체, 셔터 플레이트 및 베인 조립체를 포함하는 유체 유동 영향 장치들은 각각의 에어 나이프의 플리넘 챔버와 노즐 립들 사이에 제공된다. 배플 플레이트와 스크린 조립체는 층류의 균등하게 가압된 유동이 셔터 플레이트에 공급되는 것을 보장하는데 도움을 준다. 셔터 플레이트는 특히 유동 제한 개구부들로 구성되고, 이 유동 제한 개구부들로 인하여 에어 나이프들로부터 배출되는 유체의 압력 프로파일이 이들 노즐 개구부들의 길이를 따라서 미리 정해진 방식으로 변화됨으로써 코팅 프로파일들이 기판의 폭을 가로질러서 미리 정해진 방식으로 변하게 된다. 베인 조립체는 노즐 개구부들을 통하여 유체 배출 방향들을 제어하는데 도움이 되는 베인들을 포함한다. 가압 유체는 송풍기를 포함하는 시스템에 의해서 에어 나이프들에 공급되고, 그리고 송풍기 속도는 원하는 두께의 코팅 피착물이 이동 기판상에 남겨 지는 것을 보장하도록 이동 기판의 감지된 선속도에 응답하여 제어된다.

따라서, 전술한 해결책들은 일반적으로 챔버 내에 설치된 배플들로 구성되거나, 또는 다르게는 아주 높은 압력 강하를 발생시킴으로써 플레이트 하류의 압력을 균일화하기 위한 다수의 홀들이 구비된 플레이트들 (7)(예를 들어 도 1 참조) 로 구성된다.

하지만, 이런 선행기술의 해결책들은 2개의 주된 단점들을 갖는다:

- 압력 강하로 인하여 상당한 양의 에너지 비용이 든다;

- 디자인이 배플 플레이트에 수직인 것 이외의 방향들로 유체 속도들을 감소시킬 수 없다는 사실로 인하여 챔버 내부에서 발달된 소용돌이를 억제할 수 없다. 소용돌이가 충돌할 때의 더 높은 국부적인 전체 압력 때문에 소용돌이들은 또한 개구부를 따르는 비균일 가스 유동의 원인이 된다. 유입 파이프들로 인한 이런 내부 소용돌이의 예는 도 3 에 도시된다. 또한, 도 4 는 노즐 길이 및 폭을 따라서 출구를 가로질러서 대응하는 산출된 속도들이 도시된다. 상이한 선들은 개구부 두께를 가로질러서 상이한 위치들에서 대응하는 속도들에 대응하고, 더 높은 값은 개구부의 중심에 그렇게 대응하고, 더 낮은 값은 개구부의 벽들에 근접하는 곳에 대응한다.

문헌 JP 08 319 551 A 는 용융 금속 도금 탱크로부터 외부로 연속적으로 상향으로 리프팅된 강 스트립의 표면상에 가스를 송풍하고, 그리고 부착 금속의 두께를 제어하는 가스 와이핑 노즐을 개시하고 있다. 가스 와이핑 노즐은 가스 입구, 다중 오리피스 블록, 제 1 균압 챔버, 협폭부 (narrowed part), 제 2 균압 챔버 및 슬릿형태의 가스 출구를 언급된 순서로 포함하고, 협폭부는 유동 경로를 구부리기 위하여 슬릿의 중심선으로부터 오프셋되어 있다. 다중 오리피스 블록은 적어도 20% 의 오리피스-개구부 비율을 갖는다. 오리피스들의 등가 직경은 슬릿의 갭의 10배를 초과하지 않고, 그리고 제 1 균압 챔버는 다중 오리피스 블록의 오리피스들의 직경의 적어도 6배의 유동 경로 길이를 갖는다.

본 발명은 선행 기술의 단점들을 회피하는 것을 목표로 한다.

특히, 본 발명은 노즐 챔버에서 내부 소용돌이를 억제할 뿐만 아니라 정적인 가스 압력 균일성을 현저하게 향상시킴으로써 챔버에서의 전체 압력을 균일화하는 것을 목표로 한다.

결과적으로, 노즐의 개구부를 따라서 출구 속도의 휠씬 더 높은 균일성이 달성되었다.

본 발명의 다른 목표는 천공 플레이트 배플의 존재 때문에 노즐 챔버에서의 압력 강하를 제한하는데 있다.

본 발명은 이동 스트립상의 액체 필름으로 형성된 코팅의 두께를 제어하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 노즐의 챔버에 가압 유체가 공급되는 노즐을 포함하고, 상기 챔버는 상기 이동 스트립 상에 상기 가압 유체를 배출하는 세장의 배출 개구부를 형성하는 노즐 립들에 의해서 종단되고, 상기 챔버는 유체 유동에서 상기 챔버의 단면 (L x h) 을 차단하는 천공 배플 플레이트를 또한 포함하고, 상기 천공 배플 플레이트는 다수의 홀들의 전체 표면이 상기 챔버의 단면의 90% 보다 더 크도록 다수의 홀들을 구비하고, 그리고 상기 다수의 홀들의 어떠한 홀의 개별 직경 보다 3배 더 크고 3 mm 보다 큰 두께 (Th) 를 갖고, 상기 천공 배플 플레이트는 허니컴 기하학적 구조, 즉 육각형 섹션을 갖는 셀들을 구비한 기하학적 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노즐의 상기 세장의 배출 개구부는 길이가 최대 2.5 미터이고 두께가 최대 3 mm 인 슬릿이다.

본 발명의 장치는 특히 다음의 조건들에서 사용되도록 의도된다:

- 이동 스트립은 코팅욕으로부터 나오는, 액체가 코팅된 시트이고;

- 이동 스트립은 핫 딥 코팅욕으로부터 나오는, 금속 액체가 코팅된 금속 시트이고;

- 핫 딥 코팅욕은 강 시트들용 아연도금욕 (galvanization bath) 이고;

- 가압 유체는 가압 가스이고;

- 가압 가스는 산소와 질소의 혼합물을 포함한다.

도 1 은 선행 기술에 따른 노즐 챔버에 천공 플레이트가 구비된, 코팅 시트의 가스 와이핑을 위한 전형적인 노즐의 개략 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 노즐 및 시트의 개략 정면도이다.
도 3 은 4개의 상부 원형 개구부들을 통하여 가스가 공급된 노즐에 대하여 산출된 가스 유동을 도시하고 있다.
도 4 는 도 3 에서 시뮬레이션된 노즐에 대하여 산출된 출구 속도를 도시하고 있다. 상이한 선들은 노즐 개구부의 높이를 가로지르는 속도에 대응한다.
도 5 는 스트립과 노즐 단부 사이의 각도가 좁아질 때 특히 획득되는 전형적인 높은 소용돌이도 (vorticity) 를 도시하고 있다.
도 6 에서 상부 부분은 유동이 측면 입구에만 공급될 때 노즐 챔버 내부의 유동을 나타내고, 하부 부분은 대응하는 산출된 출구 속도를 나타낸다.
도 7 은 본 발명에 따른 소위 말하는 허니컴 장치를 구비한 노즐의 개략도이다.
도 8 은 본 발명의 전형적인 실시형태의 단면도이다.
도 9 는 도 8 에 대응하는 산업적 실시형태의 사시도이다.
도 10 은 본 발명의 장치에 의해서 획득된 노즐의 출구에서의 균일한 압력 프로파일을 도시하고, 맨 아래부분의 숫자들은 노즐의 개구부를 따라서 각각의 특정 가스 유입 파이프의 위치를 가리킨다.

제 1 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명은, 도 8 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 노즐 챔버 내부에서 및 가스 유동 내부에서의, 홀들이 구비된 특정 구성요소 (8), 이하 "허니컴" 기하학적 구조의 구성요소라고 불리는 구성요소의 구현에 관한 것이다. 원칙적으로, 허니컴 기하학적 구조는 육각형 섹션의 보이드 셀들 (13) 을 구비한 구조를 가리킨다. 이런 경우에, 소위 말하는 셀의 직경은 육각형의 외접원의 직경이다. 하지만, 본 발명의 범위 내에서, "이상적인" 육각형 모델로부터 벗어나지 않는 홀 구조들이 허용될 것이다.

천공 플레이트 배플이 사용되면, 노즐 챔버에서 압력 강하가 발생되어 본 발명은 보이드 비율, 즉 플레이트의 전체 단면에 의해서 나눠진 홀 섹션들의 합이 1 에 근접하게 됨으로써 상황을 향상시킨다.

본 발명에 따르면, 이 부분 (8) 은 그러나 다음과 같은 특징들에 의해서 특징지어진다:

- 큰 수의 홀들을 구비한 플레이트. 홀들의 전체 표면은, 도 7 에 도시된 바와 같이, 전체 단면 (L x h) 의 90% 보다 더 커야 하고;

- 구성요소의 두께 (Th) 는 각각의 홀 직경 보다 3배 더 크고 3 mm 보다 더 크다.

본 발명의 장치는 내부 가스 소용돌이를 차단하고, 그리고 적당한 방향, 즉 유체 유동이 노즐의 출구에 있도록 하는 방향으로 유체 유동을 배향하는 특성을 갖는다는 것이 관찰되었다. 이것은 시스템이 압력하에서 유체를 생성하는데 일반적으로 사용된 송풍기들의 압력 용량을 원칙적으로 증가시킬 필요가 없는 것을 의미하는 에너지 최소 손실로 달성된다. 본 발명의 장치를 사용함으로써, 챔버 공급 파이프들의 직경은 유리하게 감소될 수 있다.

본 발명의 결과로서, 미국 특허 제 4,041,895 호에서 예를 들어 설명된 바와 같이, 얇은 내부 배플 플레이트 (7) 의 사용은 더 이상 필요하지 않다.

실시예

도 9 는 본 발명에 따른 산업적 실현의 실례를 도시하고 있다.

본 발명의 장치의 효율은 피토 튜브에 의해 노즐 전체에 걸쳐 동압력 (dynamic pressure) 을 측정함으로써 체크되었다. 도 10 에 따르면, 이 특정 장치의 개구부 전체에 걸쳐, 평균의 % 로 측정된 양호한 또는 만족스러운 압력 균일성이 관찰될 수 있다. 이 실험들은 최대값으로부터 최소값으로의 변화를 나타낸다. 측정값은 길이가 2 미터이고 개구부가 2 mm 미만인 노즐에 대하여 약 1% 미만이다.

본원 명세서에서 설명된 노즐은 일반적으로 이동 스트립에 의해 동반된 액체의 와이핑에 전용된다. 액체는 수성일 수 있거나 액체 금속으로 구성될 수 있다. 상기 본원 명세서에서 고려된 스트립은 600 내지 2300 mm 의 전형적인 폭을 가질 수 있다.

1: 노즐
2: 챔버
3: 스트립
4: 챔버 길이
5: 챔버 높이
6: 공기 공급
7: 천공 플레이트 배플
8: "허니콤" 구성요소
10: 노즐 단부 각도
11: 노즐 립
12: 노즐 개구부 (또는 슬릿)
13: 홀

Claims (2)

1. 이동 스트립 (3) 상의 액체 필름으로 형성된 코팅의 두께를 제어하는 장치로서,
   노즐 (1) 로서, 상기 노즐 (1) 의 챔버 (2) 에 가압 유체 (6) 가 공급되는, 상기 노즐 (1) 을 포함하고,
   상기 챔버 (2) 는 상기 이동 스트립 (3) 상에 상기 가압 유체를 배출하는 세장의 (elongated) 배출 개구부 (12) 를 형성하는 노즐 립들 (11) 에 의해서 종단되고,
   상기 챔버 (2) 는 유체 유동에서 상기 챔버 (2) 의 단면 (L x h) 을 차단하는 천공 배플 플레이트 (8) 를 또한 포함하고,
   상기 천공 배플 플레이트 (8) 는 다수의 홀들 (13) 의 전체 표면이 상기 챔버 (2) 의 단면의 90% 보다 더 크도록 다수의 홀들 (13) 을 구비하고, 그리고 상기 다수의 홀들 (13) 의 어떠한 홀의 개별 직경 보다 3배 더 크고 3 mm 보다 큰 두께 (Th) 를 갖고,
   상기 천공 배플 플레이트 (8) 는 허니컴 기하학적 구조, 즉 육각형 섹션을 갖는 셀들 (13) 을 구비한 기하학적 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 코팅의 두께를 제어하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐 (12) 의 상기 세장의 배출 개구부는 길이가 최대 2.5 미터이고 두께가 최대 3 mm 인 슬릿인 것을 특징으로 하는, 코팅의 두께를 제어하는 장치.

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