KR20190103440A - 연속 용융 금속 도금 처리 장치 및 그 장치를 사용한 용융 금속 도금 처리 방법 - Google Patents

연속 용융 금속 도금 처리 장치 및 그 장치를 사용한 용융 금속 도금 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는, 금속대의 표면에 대한 용융 금속 도금 처리 방법으로서, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유한 과제를 회피한 완전히 신규한 용융 금속 도금 처리 방법을 제공한다. 본 개시는, 소정 방향의 자속을 부여한 챔버 내의 용융 금속에, 그 소정 방향과 수직인 전류를 흐르게 하여 용융 금속에 로렌츠힘을 발생시키고, 이 작용으로 노즐로부터 용융 금속의 액적을 토출하는 노즐 시스템을 사용하여, 금속대의 표면을 향하여 용융 금속의 액적을 토출하여, 상기 금속대의 표면을 도금 처리하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 도금 처리 방법이다.

Description

연속 용융 금속 도금 처리 장치 및 그 장치를 사용한 용융 금속 도금 처리 방법
본 발명은, 주행하는 금속대 (帶) 에 연속하여 용융 금속 도금을 하기 위한 연속 용융 금속 도금 처리 장치 및 그 장치를 사용한 용융 금속 도금 처리 방법에 관한 것이다.
종래, 금속대에 대한 용융 금속 도금, 예를 들어 강대에 대한 용융 아연 도금은, 일반적으로는 도 8 에 나타내는 바와 같은 연속 용융 아연 도금 라인에서 실시된다. 즉, 환원 분위기의 연속 어닐링로에서 어닐링된 강대 (S) 는, 스나우트 (81) 내를 통과하여, 도금조 (82) 내의 용융 아연욕 (83) 중에 연속적으로 도입된다. 그 후 강대 (S) 는, 용융 아연욕 (83) 중의 싱크 롤 (84) 을 통하여 용융 아연욕 (83) 의 상방으로 끌어 올려져, 1 쌍의 가스 와이핑 노즐 (85) 로 소정의 도금 두께로 조정된 후, 냉각되어 후공정으로 유도된다.
이 연속 용융 금속 도금 라인에서는, 가스 와이핑 노즐 (85) 로부터 가열된 기체, 또는 상온의 기체를 토출시켜, 강대 (S) 의 표면에 분사함으로써, 그 강대의 표면에 부착되어 끌어 올려져 오는 용융 아연을 와이핑하여, 원하는 부착량으로 제어하고 있다. 이 가스 와이핑법은 현재 널리 사용되고 있는 방법이다.
그러나, 본 방식으로 용융 아연의 부착량 제어를 실시할 때, 강대에 대한 가스의 충돌 압력을 높이면, 가스 풍량의 증가에 의해 스플래시로 불리는 용융 아연의 비산이 일어나고, 비산된 용융 아연이 강대 표면에 재부착됨으로써, 도금 표면의 외관 결함이 된다는 문제가 있다. 또, 아연욕은 대기와 접하고 있기 때문에 아연이 공기를 끌어들여, 욕 표면에 산화물 덩어리 (드로스) 가 되어 모인다. 이것이 강대에 부착되어, 도금 표면의 외관 결함이 되는 것과 같은 문제가 있다. 또, 얇은 도금을 얻고자 하는 경우, 가스 충돌 압력을 높이는데, 강대의 휨이나 진동에 의해, 노즐과 강대 간의 거리를 근접시키는 것이 곤란하기 때문에, 용융 아연 도금의 겉보기 중량은, 30 g/㎡ 정도가 현 상황의 하한이다.
이들 문제를 해결하는 수단으로서, 특허문헌 1 ∼ 3 과 같은 기술이 알려져 있다. 특허문헌 1 에는, 용융 금속 도금욕으로부터 연속적으로 끌어 올려지는 금속대의 표면을 향하여 와이핑 노즐로부터, 버너의 배기 가스를 분사함으로써 도금 부착량을 제어하는 용융 도금 부착량 제어 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 2 에는, 가스 와이핑법을 대체하는 부착량 제어 방법으로서, 용융 금속 도금욕으로부터 연속적으로 끌어 올려지는 강대의 양면에 대향하여 1 쌍의 전자 코일을 배치하고, 전자력을 이용하여 용융 금속을 와이핑하는 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 3 에는, 금속대를 용융 금속에 침지시키는 방법을 대체하는 도금 처리 방법으로서, 연속적으로 주행 공급되는 강대의 표면에, 그 강대를 사이에 두고 대향하여 형성된 1 쌍의 스프레이 노즐로부터 용융 금속의 미립자를 분사하여 스프레이 도금하는 용융 금속의 도금 방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2009-263698호 일본 공개특허공보 2007-284775호 일본 공개특허공보 평8-165555호
그러나, 특허문헌 1 의 방법에서는, 연소시킨 고온의 배기 가스를 사용하여 와이핑 효율을 높임으로써 가스량을 삭감시킬 수 있지만, 가스 충돌 압력을 사용한 가스 와이핑법인 것에는 변함없기 때문에, 결국에는 스플래시나 드로스의 문제가 남는다.
특허문헌 2 의 방법에서는, 얇은 도금을 얻기 위해서는, 전자 코일에 대전류를 흐르게 할 필요가 있고, 그 결과 강대가 가열되는 것과 같은 문제가 있다. 또, 아연욕을 필요로 하기 때문에, 공기와의 접촉에 의한 욕 중이나 욕 표면에서의 드로스 생성의 문제는 해결할 수 없다.
특허문헌 3 의 스프레이 도금법에서는, 용융 금속의 미립자군이 확산되어 강대 표면에 도달한다. 이 때문에, 강대 표면에서 미립자량의 유량 밀도의 편차가 발생하여, 도금 막두께의 분포가 발생하거나, 강대의 에지 외측에도 용융 금속의 미립자가 분무되어, 용융 금속의 수율이 악화되는 것과 같은 과제가 발생한다. 또한, 미립자경에 편차가 발생하기 때문에, 매우 미소한 미스트는 강대에 부착되지 않고 노 내를 부유하여, 용융 금속의 수율이 악화되거나, 노 내가 오염되는 것과 같은 과제도 발생한다.
그래서 본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 금속대의 표면에 대한 용융 금속 도금 처리 방법으로서, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유한 과제를 회피한 완전히 신규한 용융 금속 도금 처리 방법과, 그 방법을 실현 가능한 연속 용융 금속 도금 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 금속대에 대하여, 전자력 (로렌츠힘) 을 사용하여 용융 금속의 액적을 노즐로부터 토출하여, 표면이 미려한 도금 금속대를 제조할 수 있는 방법 및 장치를 알아낸 것이다. 그 요지 구성은 이하와 같다.
(1) 연속적으로 금속대가 주행하는 비산화성 분위기의 공간을 구획하는 도금로와,
상기 금속대의 표면을 향하여 용융 금속 액적을 토출하는 노즐 시스템을 갖는 연속 용융 금속 도금 처리 장치로서,
상기 노즐 시스템은,
용융 금속이 통과하는 챔버를 구획하고, 선단에 상기 챔버로부터 연통되는 토출구를 구획하는 노즐을 갖는 노즐 카트리지와,
상기 챔버의 적어도 일부에 소정 방향의 자속을 발생시키는 자속 발생 기구와,
자속이 부여된 상기 챔버의 적어도 일부에 위치하는 용융 금속에, 상기 소정 방향과 수직 방향의 전류를 흐르게 하기 위한 전류 발생 기구를 갖고, 상기 전류 발생 기구에 의해 상기 용융 금속에 전류를 흐르게 함으로써 상기 용융 금속에 발생하는 로렌츠힘의 작용으로, 상기 토출구로부터 상기 용융 금속의 액적을 상기 금속대의 표면을 향하여 토출하는 것인 것을 특징으로 하는 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(2) 상기 금속대를 가열하는 가열 기구와,
상기 용융 금속의 융점을 Tu (℃) 로 하여, 상기 금속대의 온도를 Tu － 20 (℃) 이상으로 하는, 상기 가열 기구의 제어 장치를 추가로 갖는, 상기 (1) 에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(3) 상기 도금로의 금속대 출측에 설치된, 상기 비산화성 분위기의 공간을 대기로부터 차단하는 시일 장치를 추가로 갖는, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(4) 상기 금속대의 진행 방향에 대하여 상기 노즐 시스템의 상류측 및 하류측의 적어도 일방에 설정된, 상기 금속대의 진동 및 휨을 억제하는 제진·교정 기구를 추가로 갖는, 상기 (1) ∼ (3) 중 어느 한 항에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(5) 상기 노즐 카트리지에 있어서, 그 선단의 상기 노즐에 상기 토출구가, 상기 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치되는, 상기 (1) ∼ (4) 중 어느 한 항에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(6) 상기 노즐 카트리지가, 상기 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치되고, 상기 금속대의 폭 방향 전체 범위에 걸쳐서, 상기 토출구가 소정의 간격으로 배치되는, 상기 (5) 에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(7) 상기 노즐 카트리지가, 상기 금속대의 진행 방향으로 복수 개 배치되는, 상기 (1) ∼ (6) 중 어느 한 항에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(8) 상기 금속대의 진행 방향의 상이한 위치에 배치된 상기 노즐 카트리지 간에서, 각 노즐 카트리지의 챔버에 공급하는 용융 금속의 종류를 상이한 것으로 제어하여, 복층 도금 피막의 형성을 가능하게 한, 상기 (7) 에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
(9) 상기 (1) ∼ (8) 중 어느 한 항에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치를 사용하여, 연속적으로 주행하는 금속대의 표면을 향하여 용융 금속의 액적을 토출하여, 상기 금속대의 표면을 도금 처리하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 도금 처리 방법.
본 발명의 연속 용융 금속 도금 처리 장치에 의하면, 금속대의 표면에 대한 용융 금속 도금 처리 방법으로서, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유한 과제를 회피한 완전히 신규한 용융 금속 도금 처리 방법을 실현할 수 있다.
본 발명의 용융 금속 도금 처리 방법에 의하면, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유의 과제를 회피하면서, 금속대의 표면에 용융 금속 도금 처리를 실시할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 의한 연속 용융 금속 도금 처리 장치 (100) 의 모식적인 측면도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 연속 용융 금속 도금 처리 장치 (200) 의 모식적인 측면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에서 사용하는 노즐 시스템 (10) 에 있어서의 노즐 카트리지 (20) 의 선단 근방의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에서 사용하는 노즐 시스템 (10) 에 있어서의 노즐 카트리지 (20) 의 선단 근방의 도 3 에 수직인 단면도이다.
도 5 는 도 3, 4 에 나타내는 노즐 카트리지 (20) 의 선단 근방을 액적 토출 방향에서 본 도면이다.
도 6 은 노즐로부터의 용융 금속 액적의 토출 원리를 설명하는 모식도이다.
도 7 은 실시예에 있어서의 노즐 시스템의 배치도이다.
도 8 은 종래의 연속 용융 아연 도금 라인의 모식적인 측면도이다.
도 1 및 도 2 에 나타내는 본 발명의 일 실시형태에 의한 연속 용융 금속 도금 처리 장치 (100, 200) 는, 연속적으로 금속대 (S) 가 주행하는 비산화성 분위기의 공간을 구획하는 도금로 (1) 와, 이 도금로 (1) 에 장착되고, 금속대 (S) 의 표면을 향하여 용융 금속 액적을 토출하는 노즐 시스템 (10) 을 갖는다. 그리고, 본 발명의 일 실시형태에 의한 용융 금속 도금 처리 방법은, 이들 연속 용융 금속 도금 처리 장치 (100, 200) 를 사용하여, 연속적으로 주행하는 금속대 (S) 의 표면을 향하여 용융 금속의 액적을 토출하여, 금속대 (S) 의 표면을 도금 처리한다.
본 개시에 있어서는, 노즐 시스템 (10) 에 의해 전자력 (로렌츠힘) 을 사용하여 용융 금속의 액적을 금속대 (S) 의 표면을 향하여 토출하는 것이 특징이다. 이하, 도 3 ∼ 6 을 참조하여, 노즐 시스템 (10) 에 대해 설명한다.
먼저, 도 3 ∼ 5 에 나타내는 바와 같이, 노즐 시스템 (10) 은 노즐 카트리지 (20) 를 갖는다. 노즐 카트리지 (20) 는, 용융 금속이 통과하는 챔버 (21) 를 구획하고, 선단에 노즐 (23) 을 갖는다. 노즐 (23) 은, 챔버 (21) 로부터 연통되는 토출구 (22) 를 구획한다.
도 3, 4 에는, 노즐 카트리지 (20) 의 선단 근방만을 도시하지만, 노즐 카트리지 (20) 에는, 챔버 (21) 에 용융 금속을 연속적으로 공급 가능한 공급 기구 (도시 생략) 가 접속되어 있다. 공급 기구는, 예를 들어 유도 가열에 의해 고온 용융 상태가 된 금속을 유지 가능한 탱크와, 노즐 카트리지에 용융 금속을 안정 공급하는 전자 펌프로 구성된다. 또는, 용융 금속을 저류하는 탱크를 카트리지의 연직 상방에 배치함으로써 중력에 의한 자동 공급을 실시할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 노즐 카트리지 (20) 의 선단 근방에서 구획되는 챔버 (21) 는, 직방체 형상의 제 1 챔버 (21A) 와, 이것보다 사이즈가 작은 직방체 형상의 제 3 챔버 (21C) 와, 이것들을 연결하여, 도 3 및 도 4 의 단면에서 봤을 때에 테이퍼 형상을 갖는 제 2 챔버 (21B) 로 이루어진다. 그리고, 제 3 챔버 (21C) 를 구획하는 부위가, 노즐 카트리지 (20) 의 최선단부가 된다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 노즐 카트리지 (20) 의 선단의 노즐 (23) 은, 사각형의 판상 부재이며, 그 길이 방향으로 소정의 간격을 두고 복수의 토출구 (22) 가 형성되어 있다. 즉, 토출구 (22) 는, 노즐 (23) 을 챔버 (21) 로부터 외기를 향하여 관통하는 관통공이다.
노즐 카트리지 (20) 및 노즐 (23) 의 소재는, 내열성이 있는 그래파이트나 각종 세라믹스 등을 바람직하게 이용할 수 있다. 또, 노즐 카트리지 (20) 에는 전자 코일 (도시 생략) 을 감아, 유도 가열에 의해 용융 금속을 고온으로 유지 가능하게 하는 것이 바람직하다.
노즐 시스템 (10) 은, 챔버 (21) 의 적어도 일부에 소정 방향의 자속을 발생시키는 자속 발생 기구와, 자속이 부여된 챔버의 적어도 일부에 위치하는 용융 금속에, 상기 소정 방향과 수직 방향의 전류를 흐르게 하기 위한 전류 발생 기구를 갖는다. 이하, 도 3 및 도 5 를 참조하여 본 실시형태의 전류 발생 기구를 설명하고, 도 4 및 도 5 를 참조하여 본 실시형태의 자속 발생 기구를 설명한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 전류 발생 기구는, 1 쌍의 핀 형상의 전극 (40A, 40B) 을 포함한다. 전극 (40A, 40B) 은, 각각의 선단부가, 노즐 카트리지 (20) 의 제 3 챔버 (21C) 를 구획하는 부위에 형성된 관통공에 삽입되어, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속과 물리적 또한 전기적으로 접촉하고 있다. 전극 (40A, 40B) 은, 각각의 선단부가 서로 대향하고 있다. 또, 본 실시형태의 전류 발생 기구는, 전극 (40A, 40B) 에 전기적으로 접속된 직류 전원 (도시 생략) 과, 그 직류 전원의 제어 장치 (도시 생략) 를 포함한다. 제어 장치에 의해 직류 전원을 제어하여, 전극 (40A, 40B) 을 통하여, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에 직류의 펄스 전류를 흐르게 한다. 전류 펄스의 형상, 진폭 및 펄스 폭은, 제어 장치에 의해 적절히 제어된다. 본 실시형태에서는, 전극 (40A, 40B) 의 선단끼리를 연결하는 선은, 노즐 (23) 의 길이 방향, 즉 토출구 (22) 의 배열 방향과 일치하고 있다. 그리고, 이 방향은, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에 흐르는 전류의 방향과도 일치한다. 직류 전류의 방향은, 도 3 의 전극 (40A) 에서 전극 (40B) 을 향하는 방향이어도 되고, 그 역방향이어도 된다. 전극 (40A, 40B) 의 소재는 특별히 한정되지 않지만, 고온에서의 사용에 견딜 수 있는 텅스텐 등이 바람직하게 사용된다.
도 3 ∼ 5 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 자속 발생 기구는, 자속을 발생시키는 1 쌍의 영구 자석 (30A, 30B) 과, 발생한 자속을 제 3 챔버 (21C) 에 집중시키기 위한 1 쌍의 집속기 (32A, 32B) 로 이루어지는 것으로 할 수 있다. 1 쌍의 영구 자석 (30A, 30B) 은, 각각 전극 (40A, 40B) 의 상방에, 제 3 챔버 (21C) 를 사이에 두도록, 또한 N 극끼리 및 S 극끼리가 동일한 측이 되도록 배치된다. 1 쌍의 집속기 (32A, 32B) 는, 1 쌍의 영구 자석 (30A, 30B) 의 사이에 배치된다. 자석에 의해 발생하는 자속을, 챔버의 적어도 일부, 본 실시형태에서는 제 3 챔버 (21C) 에 집중시킬 수 있도록, 철제의 집속기 (32A, 32B) 의 형상은, 노즐 카트리지의 선단을 향하여 가늘어지도록 설계한다 (도 4 참조). 집속기 (32A, 32B) 는, 철 등의 자성 안내 재료에 의해 구성된다. 이 구성에 의해, 제 3 챔버 (21C) 에 상기 전류의 방향과 수직 방향의 자속을 발생시킬 수 있다 (도 5 참조).
본 실시형태에서는, 제 3 챔버 (21C) 에 도 4 의 좌우 방향의 자속이 발생하고 있는 상태에서, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에 도 3 의 우방향 또는 좌방향으로 펄스 전류를 부여한다. 이로써, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에는, 자속 방향 및 전류 방향의 양방에 수직인 방향으로 로렌츠힘이 작용한다. 이 로렌츠힘의 작용으로, 토출구 (22) 로부터 용융 금속의 액적이 금속대의 표면을 향하여 토출된다.
이 토출 원리에 대해, 도 6 을 참조하여 간결하게 설명한다. 제 1 양태로서, 자속 (B) 및 펄스 전류 (I) 의 방향이 도 6 에 나타내는 방향인 경우, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에는 도 6 의 하방향 (즉 챔버 내로부터 토출구를 통하여 외기를 향하는 방향) 으로 펄스적으로 로렌츠힘 (F) 이 작용한다. 이 용융 금속에 직접 발생하는 펄스상의 로렌츠힘의 작용으로, 용융 금속은 토출구 (22) 를 향하여 압출된다. 그 때, 용융 금속은 매우 높은 표면 장력을 갖기 때문에, 토출구 (22) 로부터 액적 (D) 의 상태로 토출된다.
제 2 양태로서, 펄스 전류의 방향을 도 6 에 나타내는 방향과 반대로 한 경우, 제 3 챔버 (21C) 내의 용융 금속에는, 도 6 의 상방향 (즉 외기로부터 토출구를 통하여 챔버 내를 향하는 방향) 으로 펄스적으로 로렌츠힘 (F) 이 작용한다. 이 로렌츠힘의 작용으로도, 용융 금속은 토출구 (22) 로부터 토출된다. 이 경우, 어느 펄스의 로렌츠힘이 용융 금속에 작용하고 있는 동안에는, 토출구 (22) 내의 용융 금속의 메니스커스는 챔버 내의 방향을 향하여 패이는데, 펄스 간의 로렌츠힘이 발생하고 있지 않은 기간에 그 메니스커스가 되밀어내어진다. 그 때, 용융 금속은 매우 높은 표면 장력을 갖기 때문에, 메니스커스가 찢어져, 액적이 형성되고, 토출구 (22) 로부터 토출된다.
또한, 로렌츠힘을 이용한 용융 금속의 토출 기술은 이미 알려져 있으며, WO2010/063576호 공보 및 WO2015/004145호 공보에 개시되어 있다. 전자의 공보에는, 제 1 양태의 토출 기술이 기재되어 있고, 후자의 공보에는, 제 1 양태 및 제 2 양태의 토출 기술이 그 토출 원리와 함께 상세하게 기재되어 있다. 일반적으로 제 1 양태보다 제 2 양태의 쪽이 보다 미소한 액적을 얻을 수 있다. 따라서, 원하는 용융 금속 액적 직경에 따라, 어느 양태를 선택하면 된다.
본 개시에서는, 이 로렌츠힘을 이용한 용융 금속의 토출 기술을 연속 용융 금속 도금 처리에 적용하면서, 균일한 도금을 실현한 것이다. 잉크젯과 같이, 피에조 소자를 사용하여 용융 금속을 토출 제어하는 방식도 생각할 수 있지만, 내열성의 문제가 있어 고온 환경하에서의 사용에는 적합하지 않다. 그 때문에, 단열재와 냉각 기구를 조합한 방열 대책을 실시할 필요가 있다. 또, 헤드 수명도 짧아, 메인터넌스나 교환 주기가 짧아지는 것과 같은 과제도 있다. 한편, 전자력을 이용하여 노즐로부터 용융 금속을 토출하는 방식이면, 내열성도 높아지고, 헤드 수명도 길어진다. 이하, 본 개시에 있어서 균일한 도금을 실현하기 위한 적합 조건을 설명한다.
도 1 및 도 2 를 참조하여, 금속대 (S) 는, 비산화성 가스가 도입된 비산화성 분위기 중을 연속적으로 주행하고, 노즐 시스템 (10) 으로부터 액적으로서 토출된 용융 금속에 의해 도금 처리된다. 도금로 (1) 의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같은 종형로 (縱型爐) 로 할 수 있다. 도 8 에 나타내는 바와 같은 일반적인 연속 어닐링로에서 어닐링된 금속대 (S) 를 도금 처리하는 경우에는, 도금로 (1) 의 내부는, 연속 어닐링로의 스나우트와 공간적으로 연통되어 있는 것이 바람직하다.
도금로 (1) 내의 분위기는, 비산화성 분위기로 할 필요가 있으며, 금속대 표면의 산화에 의해 젖음성이 열화되어 부 (不) 도금이 발생하는 것을 충분히 억제하는 관점에서, 노 내의 산소 농도는 200 ppm 미만으로 하는 것이 바람직하고, 100 ppm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또, 탈산소 비용 제약의 관점에서, 노 내의 산소 농도는 0.001 ppm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 도금로 (1) 내의 분위기 가스는, 비산화성 가스이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, N2, Ar 등의 불활성 가스나, H2 등의 환원성 가스에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 가스를 바람직하게 사용할 수 있다.
금속대 (S) 와 노즐 시스템 (10) 의 배치에 대해, 도 1 에서는, 종형로 내에서의 양면 도금으로 되어 있지만, 횡형로에서 편면씩 또는 양면 도금하는 레이아웃에도 적용할 수 있다. 노즐 시스템 (10) 과 금속대 (S) 간의 거리는, 금속대의 휨이나 진동 등의 영향을 받아 일정해지지는 않기 때문에, 센서 등에 의해 노즐-금속대 간 갭을 측정하여, 노즐 위치를 적절히 조정할 수 있는 구조로 하는 것이 바람직하다.
금속대 및 용융 금속의 산화를 억제하기 위해, 도금로 (1) 의 금속대 출측에는, 비산화성 분위기의 공간을 대기로부터 차단하는 시일 장치 (2) 를 설치하는 것이 바람직하다. 시일 장치로는, 가스 커튼이나 슬릿 등 칸막이, 또는 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같은 시일 롤을 들 수 있다. 이로써, 노 내의 산소 농도를 100 ppm 이하로 억제할 수 있어, 부도금 등의 결함을 충분히 억제할 수 있다.
도 5 를 참조하여, 노즐 (23) 의 치수는 특별히 한정되지 않지만, 금속대의 길이 방향으로 1 ∼ 10 ㎜ 정도, 금속대의 폭 방향으로 1 ∼ 200 ㎜ 정도의 사각형으로 하는 것이 바람직하다. 금속대의 폭 방향의 길이가 1 ㎜ 미만인 경우, 금속대의 폭 방향으로 효율적으로 도포하는 것이 곤란해져, 노즐을 주사시키는 등 복잡한 기구의 추가가 필요하고, 200 ㎜ 초과의 경우, 노즐 폭 방향으로 균일하게 로렌츠힘을 가하는 것이 곤란해져, 각 토출구 간에서의 균일한 토출이 어려워지기 때문이다.
도 5 를 참조하여, 노즐 카트리지에 있어서, 그 선단의 노즐 (23) 에는 토출구 (22) 가 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 토출구 (22) 의 직경이나, 인접하는 토출구 간의 간격은, 이하의 토출 조건을 고려하면서 결정한다.
즉, 용융 금속 액적 토출시에는, 라인 속도나, 원하는 도금 막두께 또는 해상도에 따라, 액적 직경이나 토출량을 컨트롤하기 위한 펄스 전류 제어가 필요해진다. 펄스 전류 제어에 있어서, 작은 액적을 형성하려면, 어느 정도 높은 주파수로 설정할 필요가 있어, 펄스 전류 주파수는 100 ㎐ 이상이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 500 ㎐ 이상이다. 또, 용융 금속이 노즐에 충전되는 속도의 한계로부터, 펄스 전류 주파수는 50000 ㎐ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 용융 금속의 비중은 무거워, 속도를 내어 금속대에 착탄시킬 수 있도록 토출하려면, 강한 자계와 전류 출력을 필요로 한다. 이것들은, 토출구의 형상이나 요구되는 액적 직경, 사용하는 용융 금속 등에 따라 적절히 조정이 필요한 파라미터가 된다. 일반적으로 액적 체적 V 는 다음 식과 같이 부여된다.
Figure pct00001
여기서 r 은 토출구의 반경, v 은 토출 속도, f 는 챔버 내의 압력파의 공진 주파수이다. 액적 직경 (액적 체적) 을 작게 하려면, 토출구 반경을 작게 하면 된다. 또는, 공진 주파수를 높게 설정함으로써 액적 직경을 작게 할 수 있다.
또, 다양한 검토의 결과, 액적 직경은 토출구 직경과 거의 동일하거나 약간 커지는 것을 알 수 있었다. 본 실시형태에서는, 평균 액적 직경은, 균일한 도금을 실현하는 관점에서 100 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 안정적으로 액적 직경 100 ㎛ 이하의 미소 액적을 토출하려면, 토출구 직경은 60 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 50 ㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또, 용융 금속 액적의 안정적인 충전과 토출을 유지하기 위해, 토출구 직경은 2 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 평균 액적 직경도 2 ㎛ 이상이 바람직한 범위가 된다. 또한, 본 명세서에 있어서「액적 직경」은, 액적을 그 체적과 동등한 구로 한 경우의 구의 직경으로 한다. 액적 직경의 측정 방법은 이하와 같다. 즉, 용융 금속의 액적을 금속판에 토출하고, 고화시킨 후의 단일 액적을 레이저 현미경으로 측정하여 3 차원 높이 분포를 얻어, 이 3 차원 높이 분포로부터 액적 체적을 산출하였다. 그리고, 그 체적과 동등한 체적의 구의 직경으로 환산함으로써 액적 직경으로 하였다. 평균 액적 직경은, 금속판에 토출된 임의 또한 랜덤한 10 개 이상의 액적에 대해 액적 직경을 구하여, 그 산술 평균으로 정의한다.
이 조건하에서 균일한 도금을 실현하는 관점에서, 인접하는 토출구 간의 간격 (토출구의 중심 간 거리) 은 10 ∼ 250 ㎛ 로 하는 것이 바람직하다.
또, 속도를 내어 금속대에 착탄시킬 수 있도록 액적을 토출하려면, 자계의 강도는, 10 mT 이상으로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100 mT 이상이다. 또, 영구 자석의 자력의 한계로부터, 자계의 강도는 1300 mT 이하로 하는 것이 바람직하다.
고속으로 통판되는 광폭의 금속대를 균일하게 도금 처리하기 위해서는, 노즐 카트리지는, 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치하여, 금속대의 폭 방향 전체 범위에 걸쳐서 토출구가 소정의 간격으로 배치되도록 할 필요가 있다. 나아가서는, 노즐 카트리지를 금속대의 진행 방향으로 복수 개 배치하는 것도 바람직하다. 이로써 도금 처리 속도를 향상시킬 수 있다. 노즐 카트리지의 배치의 일례로서, 도 7 에 나타내는 바와 같은 위치 관계로 노즐 (23) 이 배치되도록, 노즐 카트리지를 폭 방향 및 금속대의 진행 방향으로 복수 단 배치할 수 있다.
또, 노즐이나 노즐 카트리지의 교환을 용이하게 실시할 수 있도록, 금속대의 진행 방향에 대하여, 노즐의 상류측에도 시일 장치를 형성하여, 노즐 교환이 노 내 분위기 전체에 영향을 미치지 않는 설비 구성으로 하는 것이 바람직하다.
도금 처리되는 금속대 (S) 의 온도에 대해서는, 도금하는 용융 금속의 융점을 Tu (℃) 로 한 경우, Tu － 20 (℃) 이상인 것이 바람직하다. 이것은, 도금 표면을 평활화, 균일하게 하기 위함이다. 금속대의 온도가 Tu － 20 (℃) 이상이면, 금속대 표면에 착탄된 액적은 바로 고화되지 않고, 레벨링되기 때문에 평활한 도금면을 얻을 수 있다. 그 때문에, 도 1 및 도 2 에는 도시하지 않지만, 본 실시형태의 연속 용융 금속 도금 처리 장치 (100, 200) 는, 금속대를 가열하는 가열 기구와, 금속대의 온도를 Tu － 20 (℃) 이상으로 하기 위한 가열 기구의 제어 장치를 갖는 것이 바람직하다. 또, 금속대의 온도가 그 연화점이나 융점에 가까우면 금속대 자체의 통판이 곤란해지기 때문에, 금속대의 온도는 금속대의 융점 － 200 (℃) 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가열은 라디언트 튜브나 유도 가열, 적외선 가열, 통전 가열, 냉각은 가스 제트나 미스트, 롤 ?치 등이 사용된다.
한편, 착탄 후의 용융 금속을 레벨링시키지 않고, 액적 형상을 유지하여 소정의 표면 텍스처를 얻고자 하는 경우에는, 금속대 표면 온도를 Tu － 20 (℃) 보다 낮게 설정한다. 도금 표면에 모양을 부여하여, 미세한 형상을 형성, 문자 등을 인쇄하는 경우에는, Tu － 20 (℃) 미만, 보다 바람직하게는 Tu － 40 (℃) 이하로 한다. 이 경우, 금속대는 너무 저온에서는 취성 재료가 되어 통판이 곤란해지기 때문에, 금속대의 온도는 10 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 도 1 을 참조하여, 노즐 시스템 (10) 의 하류측의 금속대 출측까지의 노 내 거리는, 도금 후의 용융 금속이 고화되기에 충분한 길이로 한다. 이 하류측에는, 다양한 설비를 추가해도 된다. 예를 들어, 보다 평활한 도금 표면을 얻기 위해, 도금 처리 후에 가스 분사에 의한 레벨링을 실시해도 된다. 또, 보다 빨리 도금을 고화시키고자 하는 경우에는, 가스 제트 등의 냉각 장치를 형성해도 된다. 또, 도금층을 합금화 처리시키고자 하는 경우에는, 고온의 금속대에 대하여 용융 금속을 토출하거나, 혹은 버너, 유도 가열과 같은 가열 장치를 형성해도 된다.
또, 이종 용융 금속의 다층 피막, 복합 피막을 얻고자 하는 경우에는, 각 노즐 카트리지의 챔버에 주입하는 용융 금속의 종류를 변경할 수 있도록, 다른 계통으로 이종 용융 금속을 주입 가능한 설비 구성으로 함으로써 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 금속대의 진행 방향의 상이한 위치에 배치된 노즐 카트리지 (20) 간에서, 각 노즐 카트리지의 챔버에 공급하는 용융 금속의 종류를 상이한 것으로 제어하면, 복층 도금 피막의 형성이 가능해진다. 이와 같이 하여, 다층화, 복합화를 용이하게 실시할 수 있고, 도금 피막 설계의 자유도가 증대되고, 내식성이나 도료 밀착성, 가공성과 같은 기능을 부여하여, 피막을 고기능화할 수 있다.
노 내를 주행하는 금속대는, 진동이나 형상 불량에 의한 휨이 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 금속대의 진행 방향에 대하여 노즐 시스템의 상류측 및 하류측의 적어도 일방에는, 금속대의 진동 및 휨을 억제하는 제진·교정 기구를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 2 에는, 접촉식의 제진·교정 기구의 예로서 서포트 롤 (3) 을 도시하고, 비접촉식의 제진·교정 기구의 예로서 전자 코일 (4) 을 도시하였다. 도금 처리 후의 표면은, 도금이 응고될 때까지는 접촉하지 않는 편이 낫기 때문에, 노즐 시스템의 하류측에서는, 비접촉식을 채용하는 것이 바람직하다.
노즐 표면 (토출구 선단) 에서 금속대까지의 거리는 0.2 ㎜ 보다 크고 10 ㎜ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 0.2 ㎜ 이하에서는, 금속대를 완전히 제진할 수 없는 경우, 금속대가 노즐에 접촉할 우려가 있다. 또, 10 ㎜ 이상에서는, 노즐 주위의 가스 흐름의 영향으로, 금속 액적의 착탄 위치에 어긋남이 발생하여 균일한 도포가 곤란해진다.
이상 설명한 본 실시형태에 의하면, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유한 과제를 회피하면서, 연속적으로 주행하는 금속대의 표면에 용융 금속 도금 처리를 실시할 수 있다. 금속대는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 강대를 들 수 있다. 또, 액적으로서 토출하는 용융 금속도 특별히 한정되지 않지만, 용융 아연을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서 기재한 바람직한 조건에 대해서는, 개별적으로 채용해도 상관없고, 임의의 조합으로 채용해도 상관없다.
실시예
판두께 0.4 ㎜, 판 폭 100 ㎜ 의 강대에 대하여, 도 2 에 나타낸 장치를 사용하여, 강대 편면에 대한 용융 아연 도금을 실시하고, 도금의 부착량, 외관의 평가를 실시하였다. 100 ㎾ 전원의 출력 조정 및 펄스 전류의 주파수 제어를 실시하고, 용융 아연 액적을 토출하여 도금을 실시하였다. 노즐 직경은 30 ㎛, 노즐 선단에서 강대까지의 거리는 3 ㎜ 로 하였다. 노즐수는, 폭 방향으로 1 인치당 100 개의 간격으로 배치하고, 폭 방향 25.4 ㎜ 의 범위에 토출 가능한 노즐 시스템을 도 7 에 나타내는 바와 같이 폭 방향 2 대, 길이 방향 4 열로 설치하였다. 노 내 분위기는 5 ％ H2, 95 ％ N2 이다. 도금 부착량은 랜덤하게 추출한 10 개 지점의 도금 단면을 현미경으로 관찰하고, 도금 두께를 측정하여 평균값을 산출하였다. 종래법으로서, 도 8 에 나타내는 바와 같이 용융 금속욕에 침지시키는 도금 방법도 실시하였다. 또, 이미 서술한 방법으로 구한 랜덤한 10 방울의 평균 액적 직경을 표 1 에 나타냈다.
도금 외관은 하기의 기준으로 평가하였다.
○ : 육안으로 외관 불균일, 변색이 관찰되지 않는다.
△ : 육안으로 경미한 외관 불균일, 경미한 변색이 관찰되지만 제품으로서 허용 범위이다.
× : 육안으로 명료한 외관 불균일, 변색이 관찰된다.
부도금은 하기의 기준으로 평가하였다.
○ : 육안으로 부도금이 관찰되지 않는다.
△ : 육안으로 경미한 부도금이 관찰되지만 제품으로서 허용 범위이다.
× : 육안으로 명료한 부도금이 관찰된다.
스플래시는 하기의 기준으로 평가하였다.
○ : 육안으로 스플래시가 관찰되지 않는다.
△ : 육안으로 경미한 스플래시가 관찰되지만 제품으로서 허용 범위이다.
× : 육안으로 명료한 스플래시가 관찰된다.
Figure pct00002
표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예에서는, 스플래시나 드로스 결함이 발생하지 않는 도금 처리가 가능하였다. 또, 강대 온도가 본 발명의 적합 범위를 벗어나 낮은 조건 6 에서는, 용융 금속의 경미한 레벨링 불균일이 발생하여, 허용 범위이기는 하지만 외관이 약간 불량해졌다. 전류 주파수를 작게 해 가면 미소 액적을 안정적으로 토출하는 것이 곤란해져, 도금 막두께가 두꺼워졌다. 또, 노 내 산소 농도가 200 ppm 인 조건 13 에서는, 제품으로는 허용 범위이기는 하지만 약간 미소한 부도금이 관찰되었다.
또, 비교를 위해 표 1 의 조건 1 ∼ 5 에 있어서, 노즐 직경 50 ㎛ 와 60 ㎛ 로 제작한 노즐 헤드에 의한 도금을 실시하였다. 결과, 막두께는 각각 10 ∼ 11 ㎛, 16 ∼ 17 ㎛ 가 되어 후막이 되었지만, 스플래시나 드로스 결함이 발생하지 않는 도금 처리가 가능하였다. 또한, 이미 서술한 방법으로 구한 랜덤한 10 방울의 평균 액적 직경은, 각각 52 ㎛ 와 62 ㎛ 였다.
종래법에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이 가스 와이핑을 실시하였다. 와이핑 노즐의 슬릿 폭은 0.8 ㎜, 노즐-강대 간 거리는 10 ㎜, 노즐 내 압력은 60 ㎪ 로 하였다. 결과, 용융 금속의 스플래시가 발생하였다. 또, 아연욕 내, 욕면에는 표면 결함의 원인이 되는 드로스 (금속 산화물) 형성이 확인되었다.
본 실시예에서는 용융 금속으로서 Al 을 질량％ 로 0.2 ％ 첨가한 아연-알루미늄 합금을 사용하였지만, 본 수법은 다양한 용융 금속에 적용할 수 있는 것이다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 금속대의 표면에 대한 용융 금속 도금 처리 방법으로서, 종래의 침지 도금법이나 스프레이 도금법에 고유한 과제를 회피한 완전히 신규한 용융 금속 도금 처리 방법과, 그 방법을 실현 가능한 연속 용융 금속 도금 처리 장치를 제공하는 것으로서, 산업상 매우 유용하다.
100 : 연속 용융 금속 도금 처리 장치
200 : 연속 용융 금속 도금 처리 장치
1 : 도금로
2 : 시일 장치
3 : 서포트 롤 (제진·교정 기구)
4 : 전자 코일 (제진·교정 기구)
10 : 노즐 시스템
20 : 노즐 카트리지
21 : 챔버
22 : 토출구
23 : 노즐
30 : 영구 자석 (자속 발생 기구)
32 : 집속기 (자속 발생 기구)
40 : 전극 (전류 발생 기구)
S : 금속대

Claims (10)

  1. 연속적으로 금속대가 주행하는 비산화성 분위기의 공간을 구획하는 도금로와,
    상기 금속대의 표면을 향하여 용융 금속 액적을 토출하는 노즐 시스템을 갖는 연속 용융 금속 도금 처리 장치로서,
    상기 노즐 시스템은,
    용융 금속이 통과하는 챔버를 구획하고, 선단에 상기 챔버로부터 연통되는 토출구를 구획하는 노즐을 갖는 노즐 카트리지와,
    상기 챔버의 적어도 일부에 소정 방향의 자속을 발생시키는 자속 발생 기구와,
    자속이 부여된 상기 챔버의 적어도 일부에 위치하는 용융 금속에, 상기 소정 방향과 수직 방향의 전류를 흐르게 하기 위한 전류 발생 기구를 갖고, 상기 전류 발생 기구에 의해 상기 용융 금속에 전류를 흐르게 함으로써 상기 용융 금속에 발생하는 로렌츠힘의 작용으로, 상기 토출구로부터 상기 용융 금속의 액적을 상기 금속대의 표면을 향하여 토출하는 것인 것을 특징으로 하는 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속대를 가열하는 가열 기구와,
    상기 용융 금속의 융점을 Tu (℃) 로 하여, 상기 금속대의 온도를 Tu － 20 (℃) 이상으로 하는, 상기 가열 기구의 제어 장치를 추가로 갖는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도금로의 금속대 출측에 설치된, 상기 비산화성 분위기의 공간을 대기로부터 차단하는 시일 장치를 추가로 갖는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속대의 진행 방향에 대하여 상기 노즐 시스템의 상류측 및 하류측의 적어도 일방에 설정된, 상기 금속대의 진동 및 휨을 억제하는 제진·교정 기구를 추가로 갖는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 카트리지에 있어서, 그 선단의 상기 노즐에는 상기 토출구가, 상기 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치되는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐 카트리지가, 상기 금속대의 폭 방향으로 복수 개 배치되고, 상기 금속대의 폭 방향 전체 범위에 걸쳐서, 상기 토출구가 소정의 간격으로 배치되는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 카트리지가, 상기 금속대의 진행 방향으로 복수 개 배치되는, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속대의 진행 방향의 상이한 위치에 배치된 상기 노즐 카트리지 간에서, 각 노즐 카트리지의 챔버에 공급하는 용융 금속의 종류를 상이한 것으로 제어하여, 복층 도금 피막의 형성을 가능하게 한, 연속 용융 금속 도금 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 연속 용융 금속 도금 처리 장치를 사용하여, 연속적으로 주행하는 금속대의 표면을 향하여 용융 금속의 액적을 토출하여, 상기 금속대의 표면을 도금 처리하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 도금 처리 방법.
  10. 용융 금속이 통과하는 챔버를 구획하고, 선단에 상기 챔버로부터 연통되는 토출구를 구획하는 노즐을 갖는 노즐 카트리지와,
    상기 챔버의 적어도 일부에 소정 방향의 자속을 발생시키는 자속 발생 기구와,
    자속이 부여된 상기 챔버의 적어도 일부에 위치하는 용융 금속에, 상기 소정 방향과 수직 방향의 전류를 흐르게 하기 위한 전류 발생 기구를 갖는 노즐 시스템을 사용하여, 상기 전류 발생 기구에 의해 상기 용융 금속에 전류를 흐르게 함으로써 상기 용융 금속에 발생하는 로렌츠힘의 작용으로, 상기 토출구로부터 상기 용융 금속의 액적을, 비산화성 분위기 내에 위치하는 금속대의 표면을 향하여 토출하여, 상기 금속대의 표면을 도금 처리하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 도금 처리 방법.
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