KR920010301B1 - 아연증기의 형성을 억제하는 방법 - Google Patents

아연증기의 형성을 억제하는 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

아연증기의 형성을 억제하는 방법
제1도는 한면 또는 양면 아연 도금 방법이 도식화된 단면도이다.
제2도는 한면 아연도금방법의 도식화된 단면도이다.
제3도는 또 다른 한편 아연도금방법의 도식화된 단면도이다.
제4도는 또 다른 한면 아연도금방법의 도식화된 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 세라스 아연도금라인 2 : 예열로 구간
3 : 가열로 구간 4 : 냉각구간
5,15,25 : 입구스나우트 6,16,42 : 코우팅포트
7,17,27 : 용융아연기재금속 8 : 코우팅실
9,19,29,46 : 철기재금속스트립 10,20,20(a),30,30(a),47,51,52 : 로울
11,33 : 유입구 12,21,31,45,49 : 노즐
22 : 차폐장치 32 : 저장기
43 : 스나우트덕 44 : 스나우트실
53 : 슬롯구멍
본 발명은 아연 또는 아연합금이 철기재(ferrous base)금속 스트립 상의 열 침지코우팅(hot dip coating)으로 사용되는 연속적인 아연도금 라인의 스나우트(snout)에서 용융아연의 증발을 조절하거나 제거하는 방법에 관한 것이다.
강(鋼)의 아연 도금에 있어서, 부착성 아연 코우팅은, 필수적으로 산화물 및 오물이 없는 스트립 표면을 갖고 용융 아연기재욕에 들어가는 철기재금속스트립에 좌우된다. 따라서, 스트립은 아연도금라인의 로구간에서 가열 및 세척된후, 아연욕에 들어가기 전 스트립 주위는 보호 또는 비산화 분위기가 유지된다.
이러한 보호 또는 비산화분위기는 아연증기의 형성을 방지하는데 필요한 산소의 불충분한 활성을 가질 수 있다. 그 결과 아연증기는 위로 이동하여 아연도금라인의 입구구간, 냉각구간, 그리고 다양한 로구간으로 이동한다. 일반적으로, 아연 증기는 입구 및 냉각구간에서 응되어 고체 또는 액체 금속아연 또는 아연산화물로 상변화를 겪고 입구 및 냉각 구간의 다양한 요소위에 누적되고 요소로부터 떨어져서, 깨끗한 철기재금속 스트립과 합금된다. 아연소적(droplet)이 스트립위에 떨어지면 개개의 소적의 외부표면은 산화되어 아연소적은 Zn 산화물 필름으로 둘러싸여진다는 것이 이론적으로 알려져 있다. 스트립 위의 소적이 충돌하면, 소적은 평평해지고 아연금속은 철스트립과 합금을 이루는 반면에 아연산화물은 박편이된다. 아연 산화물 박편은 철스트립과 합금을 이루지 않으며 철-아연합금층에 강하게 부착되지도 않는다. 따라서 아연 코우팅 금속내의 침지동안 소적에 의해 생성된 반점은 용융아연에 의해 부착되지 않고, 계측기기를 나간 후 스트립 위에 불균일하고, 피복되지 않은 부분으로 나타난다. 이러한 코우팅 결함은 바람직스럽지 못하다.
니토(Nitto)등의 미합중국 특허 제4,369,211호는 스나우트실보다는 코우팅실(chamber)내에서 아연증기의 형성에 관한 문제가 초래됨을 알게 되었다. 구체적으로, 니토등은 코우팅실내에서 아연 증기의 형성을 방지하는데 충분한 약 50-100ppm의 산소의 조절된 분위기를 유지한다.
헤르티(Heurtey)의 벨기에 특허 제887,940호는 스나우트 구간에서 아연증기의 형성에 관한 문제점을 알게되었다. 특히, 스위프(sweep) 가스는 아연증기의 형성을 방지하는 것이 아니라 열침지아연기재욕의 표면을 스쳐 지나감으로써 아연증기를 포획시키는데 사용된다. 아연증기를 함유한 스위프가스는 스나우트로부터 배기되고 응축되어 아연기재코우팅을 회수한다.
니토일행이나 헤르티 누구도 스나우트내 아연증기의 형성을 억제하는 적절하고 결제적인 절차를 구성하고 있지 않다. 특히, 니토등에 의해 기술된 50ppm의 분자산소는 깨끗한 철기재금속 스트립위에 엷은 산화물 필름을 형성하고, 이는 만일 아연에 의해 코우팅포트(pot)내에 용해되지 않는다면, 철스트립에 대한 아연 코우팅의 부착을 불량하게 할 수 있다.
헤르티의 특허에 있어서, 스위프 가스를 사용하여 처리하여 아연 또는 아연산화물을 회수하는 것은 특히 비용이 많이 들고, 추가의 인력 및 추가 유지비가 요구된다.
따라서 추가의 비싼 설비 및 유지비가 필요없고, 불량한 부착성에 기인한 코우팅 결함을 나타내지 않는, 아연증기의 형성을 억제하는 방법이 필요하다.
본 발명은, 척기재금속스트립에 대한 열침지아연 코우팅 작업에서 스나우트엣의 아연증기의 형성을, 수증기, 습윤(wet) H2습윤 N2또는 기타 습윤 불활성가스, 또는 이들의 혼합물과 같은 노점을 갖는 가스를 스나우트내로 주입하면서 동시에 스나우트의 분위기에서 수소와 수증기의 용적비를 최소한 4:1로 유지하고, 아연증기와 수증기를 반응시켜 아연산화물과 수소 가스를 형성시켜서 (ZN+H2O→ZNO+H2), 아연증기의 형성을 억제시키는 방법으로 조절할 수 있다는 사실의 발견에 기초를 두고 있는데, 상기 화학 반응식에서, ZN은 아연증기이며, H2O는 수증기이며, ZNO은 아연산화물이고, H2는 수소 가스를 의미한다.
주입된 가스가 높은 노점을 갖는 가스라 하더라도 스나우트내 분위기는 스트립에 대해 산화성일 수 없다.
또한 상기와 같은 화학 반응식에서의 정의는 명세서 전반에 걸쳐 적용되는 것으로 명세서 전반에서 H2O는 수증기, H2는 수소가스를 의미하며, 그밖에 N2는 질소 가스를 의미한다.
본 발명에 따라서, 입구 스나우트(entrance snout)내의 분위기를 아연증기에 대해서는 산화성이지만 철 스트립에 대해서는 비산화성으로 유지하는 것을 특징으로 하는, 상기 스트립을 상기 입구 스나우트내에 넣은 연속적인 열침지아연 또는 아연합금 코우팅 방법에서의 아연증기 형성을 억제하는 방법이 제공된다.
수소 및 수증기를 최소 4:1의 수소/수증기(H2/H2O)비로 유지하고, 바람직하게는 6:1의 수소/수증기비로 유지한다. 일반적으로 수소가스는 스나우트내 분위기의 1-8 부피%를 구성하는 반면에, 수증기는 일반적으로 약 300ppm-4500ppm의 범위내에 있으며, 이는 서리점 -34℃내지 -4℃(-29℉ 내지 +25℉)에 상당한다. 만일 상기 분위기가 4부피% 이상의 수소를 함유한다면, 인화될 수 있기 때문에 상기 분위기가 주위 공기속으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 세심한 주의가 필요하다 첨부된 도면을 참조로 한다.
제1도는 전형적인 고속 아연도금라인에서의 본 출원발명을 나타낸다. 세라스(selas) 또는 센드지미르(Sendzimir) 종류와 같은 또는 이러한 종류의 변형체와 같은 임의의 공지된 아연 도금라인중 어느것도 본 발명에 적용 가능하다. 제1도는 직접 연소된 예열로구간(2), 조절분위기 복사가열로구간(3), 냉각구간(4), 입구구간 또는 입구 스나우트(5)를 포함하는 세라스 아연도금라인(1)을 묘사하고 있다. 스나우트는 코우팅 포트(6)내에 함유된 아연 욕(7)에 침지된다. 철스트립(9)은 스나우트(5)에서 포트로울(pot roll)(10)주위의 아연욕(7)을 지나가고, 코우팅실(8) 내 한쌍의 제트 피니슁 노즐(jet finishing nozzles)(12)을 통하여 상승 배출된다. 임의적으로 코우팅실(8)은 생략될 수 있다.
오물, 기름 및 산화물은 연료 및 공기의 비산화 분위기를 사용하여 예열로(2)내에서 스트립으로부터 제거된다. 라인의 나머지와 통하는 가열로구간(3)내 분위기는 일반적으로 1-30 부피% H2를 포함하는 H2-N2분위기가 바람직하다.
작동에 있어서, 철기재금속스트립(9)은 로에서 입구스나우트(5)를 통하여 욕영역으로 들어가서 전형적으로 약 537.8℃-898.9℃(약 1000℉-1650℉)온도까지 가열된 다음, 입구 스나우트(5)에 들어가기 직전 약 460℃(약 860℉)까지 냉각된다. 만일 한면만 코우팅하는 방법이 수행된다면 용융금속내에 침지될때 철기재 금속 스트립의 한면만 실제로 피복되도록 철기재금속 스트립의 한면을 물리적, 또는 화학적으로 마스크화할 수 있다. 후에, 물리적 또는 화학적 마스크는 당해 기술분야의 공지된 바에 따라 제거된다. 만일 두면을 코우팅하는 방법이 수행되는 경우, 스트립의 양면이 피복되도록 철기재금속스트립을 용융금속내에 침지하기만 하면된다.
철기재금속스트립(9)을 용융아연 기재금속(7)내에 침지하면, 로울러(10)는 스트립 위로 향하게 하여 코우팅실(8)내로 보낸다. 스트립이 용융욕(7)에서 나올때, 한쌍의 제트 피니슁 노즐(12)은 질소와 같은 비산화 가스제트를 철기재금속스트립의 양면으로 향하게 하여 철기재금속스트립이 코우팅실에서 배출되기 전에 철기재금속스트립위에 균일한 코우팅을 제공하는 것 이외에 에지 베리(edge berries), 깃 모양의 산화물 및 스팽글릴리프(spangle relief)를 방지한다. 공기 피니슁 작업을 위하여 코우팅실(8)을 생략할 수 있고, 공기와 같은 산화가스를 노즐(12)내에 사용할 수 있다.
스나우트(5)내에서 아연증기의 형성을 방지하기 위하여, 수증기, 수소, 바람직하게는 질소와 같은 하나 또는 그이상의 불활성가스를 함유하는 분위기를 스나우트내에 유지한다. 전형적으로 스나우트내에 수소와 질소가 이미 존재하기 때문에 전형적으로 단지 노즐(11)을 통하여 수증기를 주입시키는 것만이 필요하지만, 추가적으로 다른 가스를 주입시키는 것이 바람직하다. 따라서 수증기는 전형적으로 습윤수소 또는 질소 또는 이들의 혼합물과 같은 습윤 가스에 의해 스나우트내로 도입되지만, 이는 또한 증기에 의해서 도입될수도 있다. 그 결과 스나우트(5)내의 바람직한 분위기는 약 1-8 부피% 수소, 약 300ppm-4500ppm수증기 및 나머지는 필수적으로 질소로 구성된다. 바람직한 분위기의 수소/수증기 비는 최소한 적어도 최소 4:1, 더욱 바람직하게는 적어도 6:1이어야 한다.
물론, 수증기는 스나우트(5)내의 용융아연금속의 표면을 산화시켜 산화아연 표면층을 형성할 것이다. 이 층은, 임의의 아연 금속이 표면으로 이동하는 것을 방해하여 아연증기의 형성을 억제하는 것을 돕는 차폐물로서 작용한다.
아연증기는 산화시키지만 철스트립은 산화시키지 않는 스나우트 분위기를 유지하는 것이 중요하다. 약 300ppm 이하의 수증기가 스나우트(5)내에 존재하면, 아연증기의 형성을 억제하기에 수증기가 불충분하다.
실제로 스나우트(5)의 분위기는 실제로 임의량읜 수소를 함유할 수 있지만, 수소는 질소보다 상당히 더 비싸기 때문에 약 1-8 부피%의 수소를 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 약 300ppm이하의 수증기가 거의 최소한도의 작업량이기 때문에 최소 4/1 비를 유지하기 위해서 최소한도의 수소는 약 1200ppm으로 한다. 최소한도의 바람직한 수소의 양이 약 1 부피%인 이유는 수소가 스나우트(5)내의 환원 분리기를 유지하는 것을 돕기 때문이다. 환원 분위기는 철스트립의 산화 방지를 돕는다.
상기 스나우트 변수들은 제1,2,3도의 스나우트(5),(15),(25)에 대한 한면 또는 양면 코우팅 방법에 있어서 동일하다.
제2도 및 제3도는 모두 코우팅 포트(16),(26)가 용융 아연 기재금속(17),(27)을 포함하는 매니스커스 형태의 한면 코우팅 방법을 도시한 것이다. 철 기재 금속 스트립(19),(29)은 실질적으로 용융금속(17),(27)의 모든 표면적 위에 연장되어 있는 스나우트실 (15),(25)을 통과하여 코우팅 포트내로 도입된다. 철스트립은 매니커스(24),(34)가 로울(20),(30)아래에 형성되도록 로울(20(a)), (30(a))에 의해 다소 수평이 되게 한다. 철스트립(19),(29)은 제트피니슁 노즐(18),(28)로 처리되는데, 이것은 모두 슈네들러(Schnedler)의 미합중국 특허 제4,114,563호에 기술된 바 대로 잘 알려진 것이다.
제2도에 관하여, 차폐장치(22)는 스나우트실(15)의 천정과 로울(20)의 외부주위 사이에 연장되어 있다. 차폐장치는 2가지 주요 이유때문에 필요하다; 1) 노즐(21)에서 생기고, 약 4 부피% 또는 그 이상의 수소를 함유하는 분위기는 인화점 조성 범위내에 있고 공기에 노출되면 인화할 수 있으므로 차폐장치(22)는 4 부피%이상의 수소를 함유할 수 있는 스나우트 분위기가 대기에 노출되는 것을 방지하기 위해 필요하다; 2) 주위 공기는 스트립(19)을 산화시킬 수 있는 충분한 자유 산소를 함유할 수 있으므로 차폐장치(22)는 스나우트 실내에 요구되는 작은 양의 산소를 유지하기 위해 필요하다.
변형된 제3도에서는 차폐장치를 사용하지 않았다. 따라서 만일 노즐(31)이, 예를들면, 8 부피%의 수소를 함유하는 습윤가스를 주입한다면, 스나우트실(25)의 천정에 있는 슬릿을 통하여 대기에 노출되었을 때 가스의 인화를 방지하는장치가 있어야 한다. 따라서, 저장기(32)은 유입구(33)에 의해 질소와 같은 불활성 가스로 유지된다. 저장기는 코우팅 실로부터 배출되는 분위기를 희석시키는 작용을 하여 배출가스의 수소함량을 4 부피%에 지나지 않게하고, 바람직하게는 3 부피%에 지나지 않도록 한다.
제3도 장치의 작동에 있어서, 수증기가 노즐(31)을 통하여 스나우트실(25)내로 주입되어, 만일 최소 4/1의 H2/H2O 비가 유지된다면, 본 발명과 동시에 출원된 동시 계류중인 미합중국 특허 출원에 의해 개시된바 대로 증기를 억제할 수 있다.
제4도에 있어서, 참고번호(41)은 본 발명의 변형된 또하나의 한면 코우팅을 도시한 것이다. 코우팅 포트(42)는 표면(48)을 갖는 아연기재 금속을 함유한다. 스나우트는 스나우트덕(duct)(43)과 스타우트실(44)로 구성된다. 스나우트 덕내의 분위기는 차폐 로울(51)에 의해 스나우트실로 부터 분리되어 유지된다. 개개의 로울은 철기재금속 스트립(46)에서 스나우트 덕(43)까지 연장된다. 차폐로울(51)은 차폐장치(22)의 목적과 유사한 목적을 갖는다. 즉, 로울은 인화점 조성 또는 그이상의 수소를 함유할 수 있는 스나우트 덕의 분위기가 스나우트실(44)내에 존재하는 주위 분위기에 노출되는 것을 방지한다. 스나우트실(44)내 분위기는 제1도 장치의 노즐(11)로부터 나오는 수증기와 같이 노즐(49)로 부터 나오는 습윤가스 또는 가스들에 의해 직접적으로 이루어진다.
작동에 있어서, 철기재 금속 스트립(46)은 차폐로울(51) 쌍 사이를 지나서 스나우트실(44)로 들어간다. 로울(50)은 스트립(46)을 더욱 수평으로 향하게 하여 코우팅로울(52)의 상부 위를 가로지르도록 하므로써 각각 제2 또는 제3도의 로울(20(a)) 또는 로울(30(a))에서와 극히 유사하게 작용한다. 로울(52)이 회전할때, 용융아연 욕(48)내로 침지되어 용융아연을 스트립(46)의 한면으로 이동시킨다. 스트립이 피복된후, 슬롯구멍(53)을 통하여 스나우트실(44)을 나간다. 로울(47)은 통상의 방법으로 제트피니슁 노즐(45) 옆을 위쪽으로 지나서 철스트립(46)을 향한다. 철스트립(46)이 노즐(45)에 의해 마무리될때 과도한 아연 코우팅이 코우팅포트(42)로 다시 떨어지는 것에 대해 주의하여야 한다.
다음의 실시예는 본 발명의 특색 및 특성을 더 설명한다.
[실시예 1]
1800ft3/시간의 건조 N2를 제1도에 도시된 것과 같은 유입구(11)내로 주입하였다. 분위기는 3 부피%의 수소, 분자산소 10ppm이하, 서리점 -40℃(-40℉)에 부합하는 약 127ppm의 수증기 및, 나머지 양의 질소를 함유하였다. 0.5L/분으로 설정된 펌프를 이용하여 스나우트로부터 3개의 샘플을 추출하였다. 개개의 샘플에 대한 전체 샘플시간은 30분이었다. 철스트립의 온도는 476.7℃(890℉)였다. 3개의 샘플에 대한 스나우트 분위기내 아연증기량은 64㎎/㎥, 72㎎/㎥ 및 73㎎/㎥이었다.
[실시예 2]
66ft3/시간의 습윤 N2를 유입구(11)를 통하여 주입하였다.
결과 생성된 분위기는 3.2 부피%의 수소, 분자산소 10ppm 이하, 서리점 -40℃(-40℉)을 갖는 약 127ppm의 수증기 및 나머지 양의 질소를 함유하였다. 0.5L/분의 펌프세트를 이용하여 스나우트로부터 3개의 샘플을 추출하였다. 샘플 시간은 샘플당 30분이었고, 철스트립의 온도는 467.7℃-479.4℃(890℉-895℉)였다. 3개의 샘플에 대한 스나우트내의 아연증기량은 44㎎/㎥, 41㎎/㎥ 및 48㎎/㎥이었다.
[실시예 3]
167ft3/시간 습윤 N2를 유입구(11)를 통하여 주입하였다.
결과 생성된 분위기는 1.5 부피% 수소, 산소 10ppm이하, 서리점 -33.9℃(-29℉)을 갖는 약 247ppm의 수증기 및 나머지 양의 질소를 함유하였다.
실시예 1과 2에서 처럼 추출펌프를 설정하였다. 샘플시간은 30분이었고 철스트립 온도는 약 471.1℃(약 880℉)였다. 단지 하나의 샘플을 추출하였고 이로부터 스나우트 분위기내에 7㎎/㎥의 아연증기가 있음을 알 수 있었다. 이 실험의 결과로부터 분위기내에서의 아연 감소를 뚜렷히 볼 수 있었다.
[실시예 4]
170ft3/시간의 습윤 N2를 약 24시간동안 스나우트내에 적용한후 습윤 N2를 제거하였고 그때 서리점 -30℃(-22℉)에서 -46℃(-51℉)로 되었다. 샘플시간은 30분이며 2개의 샘플을 추출하였고 이것에 대한 아연농도의 측정치는 각각 52㎎/㎥과 70㎎/㎥이었다. 다음 170ft3/시간 습윤 N2를 스나우트내에 다시 첨가한후, 2개의 분위기 샘플을 추출하였다. 서리점은 -45℃(-50℉)에서 -40℃(-40℉)로 되었다. 샘플은 각각 12㎎/㎥과 10㎎/㎥의 아연 증기를 나타냈다. H2는 8-9 부피% 였다.
[실시예 5]
배관을 변화시켜 200ft3/시간 이상의 습윤 N2에서 시험하였다.
200ft3/시간의 습윤N2를 도입하면서, 스나우트내 아연농도를 분석하였다. 서리점은 -38℃ 내지 -44℃(-37℉ 내지 -47℉)였다. 두개의 샘플에서 아연농도는 7㎎/㎥였다. 습윤 N2유량은 300ft3/시간으로 증가했고(서리점은 -32℃로 증가했다), 아연농도는 2번 이상 측정됐다.
시험결과 양샘플에서 아연농도는 1㎎/㎥이었다. H2는 3-4 부피%였다.
실시예 2-5에 있어서, 아연기재 피복된 철스트립에는 에지베리, 깃모양의 산화물, 또는 스펭글 릴리프가 없고 부착성이 양호하다.
그결과, 스나우트내의 아연증기를 억제하는 습윤가스 또는 가스들을 사용하면 피복된 철스트립위에 어떠한 해로운 효과도 초래하지 않고 전술한 문제점이 치유된다.

Claims (10)

  1. 필수적으로 아연으로 구성된 열침기 코우팅을 갖는 연속적인 열 침지 코우팅 방법에서 아연 증기의 형성을 억제하는 방법에 있어서, 스트립은 입구 스나우트내에 들어 있으며, 입구 스나우트 내의 분위기를 아연 증기에 대해서는 산화성이지만 철스트립에 대해서는 비산화성으로 유지하는 단계를 포함하며, 상기 입구 스나우트내의 분위기가 최소 4:1의 수소/수증기 비를 포함하는 아연 증기 형성 억제 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입구 스나우트 내의 상기 분위기가 1-8 부피%의 수소, 300-4500ppm의 수증기, 및 나머지 불활성 가스 또는 가스들로 구성되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 불활성 가스가 질소인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 분위기를 유지하는 상기 단계가 습윤 질소를 첨가하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입구 스나우트내의 상기 분위기가 1 부피%의 수소를 함유하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입구 스나우트내의 상기 분위기가 8 부피%의 수소를 함유하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 철기재금속 스트립의 양면이 피복되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 철기재 금속스트립의 한면만이 피복되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입구 스나우트내의 상기 분위기가 6:1의 수소/수증기 비를 함유하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 입구 스나우트내의 상기 분위기가 10 부피%의 수소 함량과 21.1℃(70℉)의 노점(2.47 부피%의 수증기)를 갖는 방법.
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