KR20190130942A - 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 수단 및 제어 방법 - Google Patents

연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 수단 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강판을 연속적으로 열처리하는 연속열처리로에서 급속냉각대의 수소 농도를 제어하기 위한 분위기 가스 밀봉장치와 밀봉장치의 압력제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급속냉각대와 서냉대 또는 급속냉각대와 과시효대 사이에 설치되어, 대향하는 제 1노즐 및 제 2 노즐 사이에 압력장벽을 형성하고, 압력장벽 사이의 완충공간내 압력을 제 1 노대역의 압력과 제 2 노대역의 압력보다 크도록 제어 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치와 압력 제어 방법을 통해 급속냉각대 내의 수소가스 농도를 체적기준 최대 99% 까지 유지하면서 인접한 노대역에서의 수소농도를 5%의 저농도 수준으로 유지하는 밀봉장치에 관한 것이다.

Description

연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 수단 및 제어 방법{Atmospheric gas sealing apparatus and pressure control method}
본 발명은 연속소둔로 급속냉각대의 수소 농도를 제어하기 위한 분위기 가스 밀봉장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급속냉각대의 입측 및 출측에 설치되어 급속냉각대 내의 수소가스 농도를 체적기준 최대 99% 까지 유지하면서 인접한 노대역에서의 수소농도는 5%의 저농도 수준을 유지할 수 있는 비접촉 가스 밀봉장치에 관한 것이다.
일반적으로 강판을 연속적으로 열처리하는 연속소둔로에 있어서 강판은 가열대와 균열대 및 냉각대를 통과하면서 열처리된다. 이 중에서 가열대와 균열대는 강판의 온도를 약 800°C 근처의 재결정 온도까지 상승시키는 열처리로이며, 냉각대는 강판의 열처리 사이클에 따른 요구 냉각조건에 따라 급속냉각대와 서냉대를 통과하면서 열처리과정을 진행한다.
연속 열처리로는 강판의 산화를 방지하기 위해 일반적으로 수소가스 5%와 질소가스 95%가 혼합된 환원성 가스를 분위기 가스로 사용하며, 외부의 산소가 열처리로 내부로 침투하는 것을 방지하기 위해 열처리로 내부 압력을 200 Pa 정도의 양압으로 유지한다.
최근 수요가 증가하고 있는 초고장력강을 생산하기 위해서 연속 열처리로의 특정 구간, 즉 급속 냉각대에서는 100 oC/s 이상의 고속냉각이 필요하다. 고속냉각에는 급속 냉각대 내의 수소-질소 혼합가스를 취입하여 이동하는 강판에 분사함으로써 강판을 냉각시키는 가스제트냉각 방식이 주로 사용되고 있으며, 혼합가스중 수소의 농도가 증가할수록 냉각속도가 증가하기 때문에 통상 30 ~ 60%의 수소농도가 급속 냉각대에서 유지된다.
이에 따라 급속 냉각대에서는 고농도의 수소 분위기가 요구되고 주변 열처리대에서는 5%의 수소 분위기가 요구되며, 급속 냉각대와 주변 노대역 사이에 가스가 혼합되는 것을 방지하기 위해 밀봉 장치가 설치된다.
종래의 일반적인 연속열처리로의 분위기가스 밀봉 장치의 경우 일본 특허(JP 03071114)와 같이 단순히 강판과 밀봉용 롤 및 탄성재료를 접촉시켜 분위기 가스를 차단하는 방법이 사용되고 있으나 이 방법은 분위기 가스의 누설을 방지하기 위한 탄성 밀봉재료를 롤과 마찰 접촉시켜야 하므로 수시로 정비가 필요할 뿐만 아니라, 탄성 밀봉재료의 마모 및 변형에 따라 롤 사이의 간극을 통해서 가스가 누출되므로 효과적으로 분위기 가스를 차단하기에는 한계가 있다.
또한 국내특허 10-1717960과 일본 공개특허 2006-307244의 경우 이러한 밀봉용 롤을 사용하는 경우 강판 두께에 의해 롤과 강판이 접촉하지 않는 틈새에 가스를 분사함으로써 탄성의 밀봉재료를 사용하지 않고 분위기 가스를 밀봉하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 밀봉용 롤의 축수부를 통한 가스의 누출 가능성과 밀봉용 롤과 노즐 사이의 틈새를 통한 가스의 출입을 안정적으로 제어할 수 없어 밀봉 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기의 문제점으로 인해 비접촉식 가스 밀봉장치가 고안되어 있으며, 특히 일본특허 제 4291839의 경우 두 챔버 사이에 개폐식 부재와 밀봉을 위한 가스를 취출하는 덕트, 그리고 덕트 사이에 가스를 배기하는 방식의 밀봉 장치를 제시하고 있으나, 밀봉 장치에서 사용하는 혼합가스를 로 외부로 배기하고, 개폐식 부재를 강판과 완전히 접촉시킬 수 없는 한계로 인해 로내의 수소 농도를 유지하기 위한 수소 소모량이 증가하는 문제점이 있다. 또한 연속 열처리로에서 나타나는 강판의 C형 반곡과 같은 폭방향 형상 불균형을 교정할 수 있는 수단이 제시되지 않아 밀봉 장치와 강판의 마찰 접촉에 의한 밀봉 장치와 강판이 손상되는 문제점이 있다.
일본특허 제 03071114호 일본 공개특허 2006-307244 국내특허 10-1717960 일본특허 제 4291839호
본 발명은, 상기 종래의 문제점을 감안해서 이루어진 것으로, 상기 특허문헌 4와 같이 기체를 이용한 연속 열처리로의 밀봉 수단에 있어서, 고농도 수소 분위기의 급속냉각대와 인접해있는 고농도 질소 분위기의 서냉대 및 과시효대 사이에 설치되어, 밀봉 장치와 강판 사이의 틈새를 통해 누출되는 수소 가스가 밀봉 장치 외부로 배출되는 것을 방지함으로써 고가의 수소 소무량을 줄이고, 이동하는 강판의 형상을 밀봉 장치 내에서 평탄하게 교정하여 밀봉 장치 및 강판의 손상을 방지하며, 상기 특허문헌 3과 같이 밀봉용 회전롤을 통한 수소-질소 혼합가스의 누출 및 유동을 방지할 수 있는 연속 열처리로의 밀봉 수단과 밀봉 수단의 안정적인 운용을 위한 압력제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 수단 및 제어 방법은, 수소 분위기의 제 1 노대역(급속냉각대)과 질소 분위기의 제 2 노대역(서냉대 또는 과시효대) 사이에 설치되어 강판과 접촉하면서 회전하는 한 쌍의 회전롤; 상기 회전롤의 상류측에 설치되어 제 1 노대역에서 흡입한 가스를 강판을 사이에 두고 서로 강판을 향해 분사하는 한 쌍의 제 1 노즐; 상기 회전롤의 하류측에 설치되어 제 2 노대역에서 흡입한 가스를 강판을 사이에 두고 서로 강판을 향해 분사하는 한 쌍의 제 2노즐; 상기 제 1노즐 및 제 2 노즐과 강판 사이의 거리가 최대 50 mm 이내에서 유지되고; 상기 제 1 노즐 및 제 2 노즐의 압력이 제 1 노대역과 제 2 노대역의 압력중 큰 값을 가지는 압력보다 크고; 제 1 노대역 및 제 2 노대역의 압력 변동에 대해 제 1 노즐의 압력과 제 2 노즐의 압력이 연동하여 변화함으로써 밀봉 장치가 안정적으로 제어되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기의 회전롤은 축수부를 포함한 전체의 폭이 밀봉 챔버의 폭보다 작고, 축수부에 연결된 이송 기구를 통해 회전롤과 강판 사이의 간격이 조정된다.
본 발명에 따르면, 밀봉 수단 내에 설치된 회전롤에 의해 강판의 폭방향 형상이 평탄하게 교정되어 노즐을 강판에 매우 가까이 근접시키는 것이 가능하며, 근접한 노즐로부터 분사되는 가스의 높은 충돌압력으로 인해 밀봉 효율이 증가하는 효과가 있다, 상류측과 하류측에 설치된 노즐 사이의 완충 공간에 설치되는 회전롤은 축수부가 밀봉 챔버를 관통하지 않고 완충 공간 내에서 강판과 접촉하므로 회전롤 축수부를 통한 가스의 누출이 방지되는 효과가 있다.
또한 완충 공간이 밀폐되어 있으므로 노즐로부터 분사되는 가스에 의해 높은 정체압이 안정적으로 형성되어 기계적인 차폐 수단이 없어도 밀봉 장치의 장시간 안정적인 운용이 가능하며, 상류측과 하류측에 각각 설치된 한 쌍의 노즐로부터 분사되는 가스의 대부분이 노즐에 공급되는 가스를 흡입한 노대역으로 방출되므로 각각의 노대역으로 상대측 분위기 가스의 유입이 완벽히 차단되는 효과가 있다. 이에 따라 고농도의 수소 분위기가 필요한 급속냉각대에 있어서, 최대 65% 수준에 머물던 종래의 급속냉각대 수소 농도가 본 발명에 따른 밀봉 수단에 의해 최대 99%까지 안정적으로 증가되는 효과가 있다.
이상과 같이, 밀봉 장치 외부로 수소가스를 누출하지 않음으로써 밀봉 장치를 운용함에 있어 고가의 수소 소모량을 줄이고, 수소가스의 누출로 인한 화재 및 폭발의 위험성을 감소시켜 설비의 안전성을 증가시키고, 각 노대역의 분위기 가스 차단 효율를 향상시켜 강판의 급속냉각을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치의 강판 진행 방향에 수직한 단면에서의 개략도
도 3은 본 발명에 따른 밀봉 장치의 압력 제어 방법에 의한 밀봉 장치와 인접 노대역의 압력 분포
도 4는 본 발명에 따른 밀봉 장치의 압력 제어 방법에 의한 분위기 가스 농도 제어의 실시예
도 5는 본 발명에 따른 밀봉 장치의 압력 제어 방법에 의한 분위기 가스 농도의 안정적 운용에 대한 실시예
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 강판의 연속 열처리로에서 수소 분위기의 제 1 노대역(급속냉각대)과 질소 분위기의 제 2 노대역(서냉대 또는 과시효대) 사이에 설치되는 밀봉 수단에 대한 기술로써, 보다 상세하게는 강판을 사이에 두고 서로 강판을 향해 분사하는 충돌 제트의 동압(P02, P03)을 밀봉하고자 하는 제1 노대역(20)과 제 2 노대역(22)의 로압보다 크게 함으로써 각 노대역의 가스가 인접한 노대역으로 유동하는 것을 안정적으로 방지하는 밀봉 수단에 관한 것이다.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 대향 충돌제트 방식의 밀봉 수단을 나타낸다. 상기의 밀봉 수단은 강판 연속 열처리로의 제 1 노대역(20)과 제 2 노대역(22) 사이에 설치되어, 이동하는 강판(1)을 사이에 두고 서로 반대편에서 강판을 향해 밀봉 가스를 분사하는 가스 챔버와 분사 노즐(2a, 2b, 3a, 3b), 강판의 형상 교정 및 진동 방지를 위한 비구동 롤러(5), 롤러의 이송기구(7, 8), 롤러를 포함하고 있으면서 상기의 분사용 가스 챔버 및 노즐에 의해 둘러싸인 완충 공간(21), 그리고 각 노대역의 가스를 흡입하여 열교환 후 분사 챔버로 가스를 공급하는 송풍 수단(9)으로 구성된다.
상기의 제 1 노대역(20)은 고농도의 수소 가스 분위기가 유지되는 급속 냉각대이고, 제 2 노대역(22)은 서냉대 또는 과시효대를 나타내나, 각각의 노대역이 급속냉각대와 서냉대, 과시효대에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 분위기 가스를 유지하는 것이 필요한 임의의 노대역으로 확장되어 적용될 수 있다. 제 1 노대역(20)에서는 고농도의 수소 가스를 강판에 고속으로 분사함으로써 급속냉각이 이루어지며, 이에 따라 제 1 노대역(20)의 압력은 제 2 노대역(20)에 비해 상대적으로 높게 유지된다.
연속 열처리로에서 강판은 다수의 롤을 통과하면서 폭방향으로 형상이 불균일해지며, 강판의 단면이 C형으로 만곡되는 특징을 나타낸다. 이와 같이 C반곡 형상을 가진 강판이 밀봉 장치의 분사 노즐을 통과하는 경우 강판과 노즐이 마찰 접촉함으로써 강판과 노즐의 손상을 유발한다. 본 발명에 따른 밀봉 장치는, 완충 공간(21) 내에 강판과 접촉하는 한 쌍의 회전롤(5)을 설치하여 이러한 C반곡 형상을 교정함으로써 강판과 노즐 사이의 거리(h)를 최대 50 mm 이내로 근접시켜 제트유동(4)의 충돌압력을 극대화한다. 여기서, 회전롤(5)의 위치가 도 1에서는 강판의 진행 방향으로 동일한 위치에 도시되어 있으나, 두 회전롤(5)의 회전축 위치가 강판의 진행 방향으로 서로 다른 위치에 있어도 무방하다. 이와 더불어 두 회전롤(5)은 밀봉 장치 내의 완충 공간(21)을 벗어난 인접 노대역(20, 22)에 위치해도 무방하나, 상기한 바와 같이 회전롤(5)에 의해 강판의 C반곡이 교정될 수 있는 한계 내에 존재해야 한다.
도 2는 강판의 진행 방향에 수직한 단면에서의 밀봉 장치의 개략도이며, 한 쌍의 회전롤(5)은 축수부에 연결된 이송 기구(8)와 모터(7)에 의해 강판의 두께 방향으로 이송이 가능하며, 강판의 두께 변화에 대응하여 회전롤의 위치를 변화시킨다. 회전롤(5)의 축수부를 포함한 폭방향 길이는 밀봉 장치의 챔버(10) 폭보다 작아서 강판의 두께 방향으로 자유로운 이동이 가능하며, 롤(5)의 회전을 위한 구동부가 없으므로 롤(5)과 강판의 접촉 압력에 의한 마찰에 의해 회전한다. 밀봉 장치의 분사노즐(2a, 2b)에서 분사되는 제트(4)는 챔버(10)의 전체 폭에 걸쳐 균일하게 분사되며, 그 일부는 강판의 표면에 충돌하고, 다른 일부는 반대 방향에서 분사되는 제트유동과 충돌하여 정체압을 형성한다.
도 3은 본 발명에 따른 밀봉 장치와 인접 노대역에서의 압력 분포 및 조절 방법을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 수소 분위기의 제 1 노대역(20)의 압력(P20)이 질소 분위기의 제 2 노대역(22)의 압력(P22)보다 크게 유지되는 상태에서, 밀봉 장치 분사노즐(2a, 3a)의 제트유동에 의해 형성된 정체압(P21)이 제 1 노대역(20)의 압력(P20)에 비해 크게 형성되도록 분사노즐과 연결된 송풍 수단(9)에 의해 조절된다(P21 > P20 > P22). 여기서, 분사노즐(2a, 3a)과 강판(1) 또는 대향의 분사노즐(2b, 3b) 사이의 간격(h)이 크게 되면 분사노즐(2a, 3a)과 강판(1) 또는 대향의 분사노즐(2b, 3b) 사이에 압력 장벽(P0_2, P0_3)이 형성되지 않아 완충공간(21)에 정체압(P21)이 형성되지 않으므로, 밀봉 장치에 의한 정체압(P21)이 안정적으로 유지될 수 있도록 노즐(2a, 2b, 3a, 3b)과 강판 사이의 거리(h)를 최대 50 mm 이내로 유지한다. 또한 밀봉장치의 노즐간 완충공간(21)이 협소할 경우 완충공간(21) 내의 압력(P22)이 압력 장벽(P0_2, P0_3)보다 커져서 안정적으로 정체압(P21)을 유지할 수 없기 때문에 밀봉장치의 노즐간 거리(L2)는 밀봉 챔버의 크기(L1)보다 최소한 커야(L2 > L1)한다. 여기서, 완충공간의 크기와 밀봉 챔버의 크기는 상기 L1, L2와 밀봉 챔버의 폭에 의해 형성되는 공간을 의미한다.
이상과 같이 밀봉장치의 대향 분사노즐 사이에 압력장벽(P0_2, P0_3)을 형성하고, 압력장벽 사이의 완충공간의 압력(P21)이 제 1 노대역의 압력(P20)과 제 2 노대역의 압력(P22)보다 크도록 제어함으로써, 제 1 노대역(20)과 제 2 노대역(22)으로부터 유입된 완충 공간 내의 혼합 가스가 각각의 노대역으로 유출되는 것을 방지한다.
또한, 제 1 노즐(3a, 3b)의 공급 압력(P0_3)과 제 2 노즐(2a, 2b)의 공급 압력(P0_2)은 제 1 노대역의 압력(P20) 및 제 2 노대역의 압력(P22) 변화에 대해 연동되도록 제어함으로써, 각각의 노대역과 밀봉장치의 압력 균형을 안정적으로 유지한다.
도 4는 본 발명에 따른 밀봉 장치의 압력 제어 방법에 의한 제 1 노대역(20)의 수소 농도를 제어하는 실시예를 나타낸다. 제 1 노대역(20)에는 수소와 질소가 일정 비율로 혼합되어 있고 제 2 노대역(22)에는 질소만 유지되며 제 1 노대역(20)의 압력(P20)이 제 1 노대역(22)의 압력(P22)보다 큰 상태에서, 제 1 노대역(20)에 수소 공급량을 증가시킴에 따라 제 1 노대역(20)의 수소 농도와 제 2 노대역(22)의 수소 농도, 그리고 밀봉 장치 내의 제 1 노즐의 압력(P0_3)과 제 2 노즐의 압력(P0_2), 제 1 노대역(20)의 압력(P20) 변화가 나타나 있다. 제 1 노대역(20)으로 수소를 공급함에 따라 제 2 노대역(22)으로 수소가 누출되지 않고 제 1 노대역(20)의 수소 농도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 최종적으로 제 2 노대역(22)의 수소 농도를 0으로 유지하면서 제 1 노대역(20)에서의 수소 농도가 99% 까지 안정적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 때, 제 1 노대역(20)의 수소 농도가 급격히 증가하는 경우 제 1 노대역의 압력 변동이 커지고, 이러한 압력 변동에 대해 제 1 노즐의 압력(P0_3)과 제 2 노즐의 압력(P0_2)이 연동하여 변화함으로써 밀봉 장치가 안정적으로 동작하게 된다.
도 5에는 본 발명에 따른 밀봉 장치의 압력 제어 방법에 의한 분위기 가스 농도의 안정적 운용에 대한 실시예가 나타나 있다. 상기의 그림 4와 같은 조건에서 제 1 노대역(20)의 수소 농도가 98~99% 수준에서 장시간 안정적으로 유지되고 있음을 볼 수 있다.
1 : 강판
2a, 2b : 밀봉 장치의 하류측 분사 노즐
3a, 3b : 밀봉 장치의 상류측 분사 노즐
4 : 노즐에서 분사되는 제트 유동
5 : 회전롤
6 : 회전롤 이송 기구와 밀봉 챔버 사이의 실링 장치
7 : 회전롤 이송용 모터
8 : 회전롤 이송 기구
9 : 송풍기
10 : 밀봉 챔버
20 : 제 1 노대역
21 : 밀봉 장치의 완충 공간
22 : 제 2 노대역

Claims (5)

  1. 강판의 열처리 공정을 수행하는 연속 열처리로에서 수소 분위기의 제 1 노대역과 질소 분위기의 제 2 노대역 사이에 설치되어 두 노대역의 분위기 가스를 차단하는 밀봉 장치에 있어서,
    제 1 노대역에서 흡입한 가스를 강판을 사이에 두고 서로 강판을 향해 분사하는 한 쌍의 제 1 노즐;
    제 2 노대역에서 흡입한 가스를 강판을 사이에 두고 서로 강판을 향해 분사하는 한 쌍의 제 2노즐;

    상기 제 1 노즐과 제 2 노즐 사이에 설치되어 강판과 접촉하면서 회전하는 한 쌍의 회전롤을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1노즐 및 제 2 노즐과 강판 사이의 거리가 최대 50 mm 이내에서 유지되고, 제 1노즐과 제 2 노즐 사이의 거리가 제 1 노즐 및 제 2 노즐 챔버의 강판 진행 방향에 따른 길이보다 최소한 같거나 크도록 형성된 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기의 회전롤은 축수부를 포함한 전체의 폭이 밀봉 챔버의 폭보다 작고, 축수부에 연결된 이송 기구를 통해 회전롤과 강판 사이의 간격이 조정되는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기의 대향하는 제 1노즐 및 제 2 노즐 사이에 압력장벽을 형성하고, 압력장벽 사이의 완충공간의 압력을 제 1 노대역의 압력과 제 2 노대역의 압력보다 크도록 제어 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치의 압력 제어 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    제 1 노대역 및 제 2 노대역의 압력 변동에 대해 제 1 노즐의 압력(P0_3)과 제 2 노즐의 압력(P0_2)이 연동하여 변화함으로써 밀봉 장치가 안정적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로의 분위기 가스 밀봉 장치의 압력 제어 방법.

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