WO2019132343A1 - 강판 냉각 장치 - Google Patents

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WO2019132343A1
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정해권
이상원
강희승
박수원
송장훈
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주식회사 포스코
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    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
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Abstract

본 발명에 따른 강판 냉각 장치는 강판의 이송경로에 구비되는 장치몸체;와, 상기 장치몸체에 구비되어 상기 강판을 향하는 방향으로 유체를 공급하는 냉각유닛; 및 상기 장치몸체에 구비되며, 상기 강판 방향과는 다른 방향으로 상기 유체에 인력을 제공하여 상기 냉각유닛에서 공급한 유체의 방향을 전환하는 방향전환유닛;을 포함할 수 있다.

Description

강판 냉각 장치
본 발명은 강판 냉각 장치에 관한 것이다.
일반적으로 도금 강판은 내식성, 스폿용접성 등이 우수하여 건자재용, 전자제품용, 자동차용 강판으로 그 수요가 증가하고 있다.
이와 같은 도금 강판의 하나인 아연 도금 강판을 제조하는 과정을 설명하면 페이오프 릴(Pay Off Reel)에서 풀린 강판은 용접기와 루퍼를 거쳐 열처리 된다.
이 강판은 스나우트와 도금욕조를 거쳐 싱크롤, 안정화롤 또는 안내롤들을 통과하게 되는데 이때 용융아연이 강판의 표면에 부착되게 된다.
그리고 도금욕조의 상부에는 에어나이프라고 불리우는 가스 와이핑 설비가 설치되는데 이 가스 와이핑 설비에서 고압의 가스(불활성 가스 또는 에어)를 분사함으로써 강판의 도금 두께를 제어하게 된다.
이때, 아연 도금층이 강판에서 벗겨지는 것을 방지하기 위하여 아연 도금 층을 경화시켜야 하는데 아연 도금층의 경화는 도금 강판의 냉각으로 인해 구현될 수 있다.
즉, 강판의 이송경로에 일정 냉각장치를 설치하여 냉각유체를 공급함으로써 고온의 도금 강판 표면에 부착된 아연 도금층을 응고시키고, 강판의 온도를 떨어트려 강판의 이송, 후공정 등을 원활하게 수행하도록 하는 것이다.
그런데 이 냉각과정에서 냉각제의 공급량, 공급 거리 등을 제대로 조절하지 못하면 아연 도금층에 이상 무늬 또는 주름이 발생하는 문제가 있고, 아연 도금층이 완전히 건조되지 않은 경우에는 강판에 접촉하는 롤러에 의해 롤 마크 결함 등이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
특히, 마그네슘이 함유된 아연 도금 강판의 경우에는 도금층이 완전히 응고되기 전에 수분이 도금 표층에 닿으면 도금 표층이 산화되어 표면 불량이 발생하기도 하고, 과다한 냉각유체에 의한 과 냉각은 도금 강판 에지부 결함을 유발하기도 하므로 도금 강판의 냉각에 있어서 냉각유체의 유량 조절 문제는 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 발명은 강판의 냉각 효율성을 향상시키고, 강판 특히, 강판 에지부의 결함발생을 억제하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 제품의 생산성을 향상시키고, 불량 발생을 억제하며, 제조원가 절감에 기여하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 강판 냉각 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 강판 냉각 장치는 강판의 이송경로에 구비되는 장치몸체;와, 상기 장치몸체에 구비되어 상기 강판을 향하는 방향으로 유체를 공급하는 냉각유닛; 및 상기 장치몸체에 구비되며, 상기 강판 방향과는 다른 방향으로 상기 유체에 인력을 제공하여 상기 냉각유닛에서 공급한 유체의 방향을 전환하는 방향전환유닛;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 방향전환유닛은, 흡입구의 적어도 일부가 상기 강판의 일측 끝단에서부터 상기 강판의 중심방향으로 일정거리까지인 제1 에지부에 대면하도록 상기 장치몸체에 구비되는 제1 흡입수단; 및 또 다른 흡입구의 적어도 일부가 상기 강판의 타측 끝단에서부터 상기 강판의 중심방향으로 일정거리까지인 제2 에지부에 대면하도록 상기 장치몸체에 구비되는 제2 흡입수단;을 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 장치몸체는, 상기 냉각유닛이 구비되는 냉각몸체;와, 상기 냉각몸체 일측에 이웃하고, 상기 제1 흡입수단이 구비되는 제1 흡입몸체; 및 상기 냉각몸체 타측에 이웃하고, 상기 제2 흡입수단이 구비되는 제2 흡입몸체;를 포함하되, 상기 강판으로부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 냉각몸체까지의 최단거리(L1)가 상기 강판으로부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 제1,2 흡입몸체의 단부까지의 최단거리(L2)보다 가깝게 제공될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 장치몸체는, 상기 제1,2 흡입몸체가 상기 냉각몸체와 이웃한 영역에서부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 강판까지의 최단거리가 가장 가깝고, 상기 제1,2 흡입몸체의 상기 단부에서부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 강판까지의 최단거리가 가장 멀되, 상기 최단거리는 순차적으로 멀어지도록 제공될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 제1,2 흡입수단은, 상기 제1,2 흡입몸체에 각각 구비되어 상기 강판에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 제1 흡입수단은, 상기 제1 흡입몸체의 외주를 따라 배치되어 상기 제1 에지부와 대면하는 제1 흡입구; 및 상기 제1 흡입몸체에 구비되어 상기 제1 흡입구와 연결되고, 상기 제1 흡입구에서 흡입한 유체를 수용하는 제1 흡입챔버;를 포함하고, 상기 제2 흡입수단은, 상기 제2 흡입몸체의 외주를 따라 배치되어 상기 제2 에지부와 대면하는 제2 흡입구; 및 상기 제2 흡입몸체에 구비되어 상기 제2 흡입구와 연결되고, 상기 제2 흡입구에서 흡입한 유체를 수용하는 제2 흡입챔버;를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 흡입구는, 복수개의 구멍을 포함하는 다공판 또는 하나의 구멍을 포함하는 흡입슬롯일 수 있다.
그리고, 상기 흡입구는, 상기 제1,2 흡입몸체에서 흡입영역에 배치되되, 강판의 최소폭=Lmin, 강판의 최대폭=Lmax 일때, 상기 강판의 중심에서부터 상기 강판의 중심에 가장 가까운 상기 흡입구까지의 위치(α)는,
Figure PCTKR2018015914-appb-I000001
이고, 상기 강판의 중심에서부터 상기 강판의 중심에 가장 먼 상기 흡입구까지의 위치(β)는,
Figure PCTKR2018015914-appb-I000002
이며, 상기 흡입구가 상기 다공판일 경우 γ=0.1, 상기 흡입구가 상기 흡입슬롯일 경우 γ=0.05일 수 있다.
한편 바람직하게, 상기 방향전환유닛은, 상기 장치몸체에 구비되고, 상기 흡입구에 연결되어 흡입압력을 제공하는 흡입블로워;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 냉각유닛은, 상기 장치몸체에 구비되되, 적어도 상기 냉각몸체에 구비되어 유체를 분사하는 적어도 하나의 냉각노즐;을 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 흡입블로워는, 90mmAq 이상 310mmAq 이하의 흡입압력을 제공하고, 상기 냉각노즐은, 17m3/min 이상 40m3/min 이하의 유량으로 유체를 공급하게 제공될 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 냉각노즐은, 상기 제1,2 흡입몸체에도 구비되되, 상기 강판의 이송방향으로 상기 방향전환유닛과 번갈아가며 구비될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 제1,2 흡입몸체는, 상기 강판과 대면하는 면이 상기 냉각몸체의 연장선과 형성하는 각도는 1° 이상 12° 이하일 수 있다.
한편 바람직하게, 상기 장치몸체는, 상기 강판으로부터 상기 냉각몸체까지 상기 강판의 두께방향으로의 최단거리가 100mm 이상 300mm 이하가 되도록 상기 강판으로부터 이격될 수 있다.
본 발명에 따르면 강판의 냉각 효율성이 향상되고, 강판 특히, 강판 에지부의 결함발생을 억제할 수 있다.
또한, 제품의 생산성이 향상되고, 제조원가를 절감할 수 있다.
도 1은 통상의 도금 설비를 도시한 것이다.
도 2는 통상의 도금 설비의 냉각챔버의 냉각유체 분사영역을 도시한 것이다.
도 3은 통상의 도금 설비의 냉각챔버에 의한 냉각유량을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 강판 냉각 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 강판 냉각 장치에 의한 냉각유체의 유량, 유동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 강판 냉각 장치의 장치몸체 및 강판을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 냉각노즐의 간격과 흡입여부에 따른 강판 표면에서의 주파수변화를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 강판 냉각 장치의 유동, 유량을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 토출유량과 흡입출력에 따른 흡입유량비를 도시한 것이다.
도 10은 토출유량과 흡입출력에 따른 흡입유량비를 도시한 것이다.
도 11은 흡입압력에 따른 강판 표면속도를 도시한 것이다.
도 12는 흡입압력에 따른 강판 표면전단응력을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 장치몸체 및 방향전환유닛을 도시한 것이다.
도 14는 통상의 도금 설비의 냉각챔버에 의한 유동을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 강판 냉각 장치에 의한 유동을 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.
아래에서 설명하는 강판은 도금 강판일 수 있고, 구체적으로는 아연 도금 시 양면 도금량 400g/m2이상, 알루미늄 도금, 마그네슘-알루미늄 합금 용융 도금 중 어느 하나의 도금 강판일 수 있다.
이외에도 강판 에지부에 결함이 발생하기 쉬운 도금 강판이 될 수도 있다.
또한, 아래에서 설명하는 냉각용 유체는 도금 강판의 특성에 맞는 적절한 것으로 선택되어 적용될 수 있으며, 그 종류는 반드시 본 발명에 의해 한정되지는 않는다.
본 발명은 이하, 아연도금강판 또는 마그네슘이 1% 이상 포함된 아연합금도금 강판이면서,
1) 열연 또는 냉연 강판이고,
2) 강판의 폭은 700mm~1800mm이며,
3) 냉각용 유체를 공급하는 냉각노즐의 분사구에서부터 강판의 표면까지의 거리는 80mm~150mm이고,
4) 냉각노즐의 분사구에서 공급되는 냉각유체는 공기 또는 질소이며,
5) 냉각노즐 한 개는 상기 냉각용 유체를 50mmAq 이상의 압력으로 공급한 경우를 일 예로 들어 설명하도록 한다.
아울러, 이하에서 특별한 언급이 없는 경우에는 냉각노즐 한 개에서 공급된 냉각용 유체가 강판의 폭방향으로 배출되는 공간이 0.02m2이상이고, 이 경우에 있어서 냉각노즐 한 개에서 토출된 풍량이 강판의 폭방향으로 배출될 때 강판의 표면을 지나는 속도는 거시적으로 계산한 것으로 한다.
먼저, 도 1에 도시된 도금 설비에서 강판(1)은 도금욕조(10)를 지나 도금 강판 냉각 장치(100)를 통과하면서 냉각되고, 도금층이 경화될 수 있다.
소둔로(미도시)에서 열처리 된 강판(1)은 스나우트(11)를 통해 도금욕조(10)의 아연용탕 속으로 유입된 후 도금욕조를 빠져나오면서 강판 표면에 용융아연이 부착된다.
이렇게 용융아연 도금된 강판(1)은 도금욕조(10) 안에서 싱크롤(12)에 의해 방향이 전환되고 안내롤(13)에 의해 안내되어 수직으로 이동한다.
강판(1)의 표면에 피복된 도금층은 에어나이프(14)에서 고속으로 분사되는 냉각유체 예를 들면, 가스 등에 의해 적정 두께로 조절된다.
그리고, 강판(1)의 이송경로에 구비되어 상기 강판(1)의 일측면과 타측면에 대면하게 구비되는 장치몸체(110)를 통과하면서 도금층이 냉각 및 응고될 수 있다.
상기 장치몸체(110)를 통과한 강판(1)은 상부롤(15)에 의해 방향이 전환되어 다음 공정으로 이동하게 된다. 이때, 장치몸체(110)는 강판(1)의 두께, 너비, 도금층 두께 등에 따라 상기 강판(1)의 이송방향에서 복수개가 구비될 수도 있다.
또한, 상기 장치몸체(110)는 강판(1)이 인입되고 인출되는 통로를 구비할 수 있고, 이동수단(미도시) 등에 의해 강판(1)에서 냉각이 필요한 부분으로 이동이 가능하도록 구비될 수도 있다.
장치몸체(110)는 냉각용 유체 공급탱크(미도시)에 연결된 공급라인(111a)을 구비하고, 강판(1)에 공급한 냉각유체를 흡입할 수 있도록 흡입라인(112a)을 구비할 수 있다. 다만, 냉각유체의 공급 및 흡입의 방법 및 수단은 본 발명에 의해 반드시 한정되지 않으며, 그 종류, 설치 위치 등도 당업자에 의해 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이다.
도 2에는 통상의 냉각챔버(20)에 구비된 냉각노즐(미도시)에 의해 강판(1)에 냉각유체를 공급하는 상태가 도시되어 있다.
통상의 냉각챔버(20)는 강판(1)의 폭 방향으로 구비되며, 상기 냉각챔버(20)의 X축 방향 전체에 이르는 영역 중, 냉각유체 분사영역에 해당하는 영역에만 냉각노즐(미도시)을 구비하고, 냉각유체를 공급해왔다.
이러한 경우, 유량을 보면 냉각챔버(20)와 대면하는 영역인 단부영역(23)에서 강판(1)의 가장자리인 에지부(22)로 갈수록 유량이 증가하는 것을 알 수 있다.
이는 강판(1)에 공급된 냉각유체가 에지부(22)로 이동하는 것을 의미하므로 강판(1)의 에지부(22)에서는 유속도 빠르고, 유량도 많으며, 전단응력도 높다는 것을 알 수 있다.
강판(1)의 에지부(22)의 이러한 조간은 강판의 표면 결함을 유발하기에 아주 적합한 조건이기 때문에 강판(1)의 에지부(22)에서의 결함이 강판(1)의 중심부에 서 결함에 비해 월등히 많이 발생한다는 것을 예측할 수 있게 한다.
보다 구체적으로 도 3에서 보이듯, 냉각챔버(20)의 중심부에서부터 X축 방향으로 복수개의 냉각노즐(21)을 마련하고, 상기 냉각노즐(21)로 하여금 냉각유체를 공급하게 할 때, 냉각챔버(20)의 가장자리부(24)에 유량이 증가함을 알 수 있고, 이는 강판(1)의 에지부(22)에서의 전단응력이 높아져 결함이 발생하기 용이한 조건이 된다는 것을 알 수 있다.
따라서, 강판의 결함 발생을 억제하기 위해서는 유량, 유속, 전단응력을 조절해야 한다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 강판 냉각 장치(100)가 도시되어 있다.
이하에서는, X축 방향은 강판의 폭방향, Y축 방향은 강판의 이송방향, Z축 방향은 강판의 두께방향을 의미한다.
본 발명에 따른 강판 냉각 장치(100)는 강판의 이송경로에 구비되는 장치몸체(110)와, 상기 장치몸체(110)에 구비되어 상기 강판 방향으로 냉각용 유체를 공급하는 냉각유닛(120) 및 상기 강판 이외의 방향으로 유체를 흡입하도록 상기 장치몸체(110)에 구비되어, 상기 냉각유닛(120)에서 공급한 유체의 방향을 전환하는 방향전환유닛(130)을 포함할 수 있다.
냉각유닛(120)은 장치몸체(110)에서 X축 방향으로 연속되게 구비되고, Y축 방향으로 복수개가 구비되며, 상호 일정거리 이격되는 노즐가이드(122)를 포함할 수 있다.
노즐가이드(122)의 내부에는 냉각노즐(미도시)이 위치함에 따라 노즐가이드(122)를 통해 냉각용 유체가 장치몸체(110)의 외부로 토출될 수 있다.
또한 장치몸체(110)의 후방으로는 상기 냉각노즐(미도시)에 연결되어 냉각용 유체를 공급하는 냉각유체인입구(123)가 구비될 수 있다. 이 냉각유체인입구(123)는 냉각용 유체 수용탱크(미도시)에 연결되어 냉각용 유체를 공급받을 수 있다.
이와 같은 구성에 따라 장치몸체(110)와 대면하는 강판에는 노즐가이드(122)로부터 토출되는 냉각용 유체가 충돌하게 되는데 이와 동시에 방향전환유닛(130)에서 냉각용 유체를 흡입하도록 일정 흡입압력을 제공함에 따라, 강판에 충돌하고 난 냉각용 유체의 적어도 일부는 상기 방향전환유닛(130)에서 제공하는 흡입압력에 의해 방향전환유닛(130) 방향으로 유체의 이동방향이 전환되면서 강판의 외부 또는 강판의 에지부로 나가지 못하게 된다.
바람직하게, 상기 방향전환유닛(130)은 90mmAq 이상, 310mmAq이하의 흡입압력으로 냉각용 유체를 흡입하도록 제공될 수 있다.
따라서, 강판의 에지부를 지나 강판의 외부로 나가야하는 냉각용 유체들이 그렇게 하지 못하게 되고, 강판 에지부에서의 유량 및 유속이 현저히 줄게 되어 강판 에지부에서의 전단응력도 감소하게 되는 것이다.
이러한 상태에서의 유동을 도 5에 나타내었다. 도 5에는 강판(101)의 일측 단부에서부터 X축 방향에서 강판(101)의 중심 방향으로 일정거리만큼인 제1 에지부(102) 및 강판(101)의 타측 단부에서부터 X축 방향에서 강판(101)의 중심 방향으로 일정거리만큼인 제2 에지부(103)가 나타나있다.
이때, 상기 장치몸체(110)는 강판(101)의 제1 에지부(102)와 대면하는 영역인 제1 흡입몸체(112) 및 제2 에지부(103)와 대면하는 영역인 제2 흡입몸체(113)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1,2 흡입몸체(112)에는 방향전환유닛(도 4의 130)인 제1 흡입수단(131) 및 제2 흡입수단(132)이 마련될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 흡입수단(131)은 상기 제1 흡입몸체의 외주를 따라 배치되어 상기 제1 에지부(102)와 대면하는 제1 흡입구(133) 및 상기 제1 흡입몸체(112)에 구비되어 상기 제1 흡입구(133)와 연결되고, 상기 제1 흡입구에서 흡입한 냉각용 유체를 수용하였다가 추후에 배출하게 제공되는 제1 흡입챔버(134)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 흡입수단(132)은 상기 제2 흡입몸체(113)의 외주를 따라 배치되어 상기 제2 에지부(103)와 대면하는 제2 흡입구(135) 및 상기 제2 흡입몸체(113)에 구비되어 상기 제2 흡입구(135)와 연결되고, 상기 제2 흡입구에서 흡입한 냉각용 유체를 수용하였다가 추후에 배출하게 제공되는 제2 흡입챔버(136)를 포함할 수 있다.
따라서, 장치몸체(110)의 중앙부인 냉각몸체(111)에서 X축 방향으로 복수개가 구비되는 냉각노즐(121)에서 분사되는 냉각용 유체는 노즐가이드(122)를 통해 외부로 배출되며, 이렇게 배출된 냉각용 유체는 강판(101)의 표면에 닿았다가 제1,2 흡입수단(131,132)의 흡입압력에 의해 강판(101)의 반대방향으로 그 방향이 전환되어 제1,2 흡입챔버(134,136) 내부로 들어가게 된다.
이때, 제1,2 흡입구(133,135)의 흡입압력을 더한 값이 90mmAq 이상, 310mmAq이하가 되도록 구비될 수 있다. 그리고, 상기 제1,2 흡입구(133,135)에 압력을 제공하는 압력공급수단(미도시)은 상기 제1,2 흡입구(133,135)에서의 압력이 90mmAq 이상, 310mmAq이하가 되도록 상기 제1,2 흡입구(133,135)에 연결될 수 있다.
이와 같은 제1,2 흡입구(133,135)에 따르면 강판(101)의 중심부에 닿았다가 제1,2 에지부(102,103)로 이동하거나, 제1,2 에지부(102,103)에 접촉할 수 있는 냉각용 유체가 제1,2 흡입챔버(134,136) 내부로 흡입되게 되므로 제1,2 에지부(102,103)에서의 유량 및 유속이 현저히 줄어들게 된다.
또한, 강판의 제1,2 에지부(102,103)에서의 전단응력도 현저히 줄게 되므로 강판의 온도 불균형에 의한 뒤틀림 등의 결함을 억제할 수 있다.
한편, 도 6에서 보이듯, 장치몸체(110)는 상기 강판(101)에 대하여 일부 경사지게 배치될 수 있다.
구체적으로 상기 냉각몸체(111)는 강판(101)에 대하여 평행하게 놓이지만 상기 냉각몸체(111)의 일측에 이웃하는 제2 흡입몸체(113)는 상기 강판(101)에 대하여 경사지게 놓인다. 이는, 제1 흡입몸체(도 5의 112)의 경우도 마찬가지다.
따라서, 냉각몸체(111)에서부터 Z축 방향으로 강판(101)까지의 최단거리(L1)는 제2 흡입몸체(113)의 단부에서부터 Z축 방향으로 강판(101)까지의 최단거리(L2)보다 가깝게 된다.
이에 따르면, 냉각노즐(121)에서 공급된 냉각용 유체가 강판(101)에 닿았다가 일부는 제2 흡입구(135)로 흡입되어 제2 흡입챔버(136)에 수용되고, 또 일부는 제2 흡입몸체(113)의 측면을 통해 외부로 배출될 수 있게 된다.
즉, 제2 흡입몸체(113)의 단부가 강판(101)에 대하여 Z축 방향으로 후퇴하게 구비되므로 그만큼 유체가 배출될 수 있는 공간이 확보되는 것이다.
따라서, 강판(101)의 제2 에지부(103)에 머물러 있게 될 냉각용 유체가 제2 에지부(103)에 머무르지 못하게 되며, 초기에 제2 흡입구(135)에서 공급하는 흡입압력에 의해 X축 방향으로 방향이 전환되었다가 제2 흡입챔버(136)로 들어가거나 또는 장치몸체(110)와 강판(101)의 외부로 배출되게 되는 것이다.
이에 따라 냉각용 유체가 강판의 에지부에 머무르지 못하게 하고, 대신 외부로 배출되게 할 수 있어 강판의 에지부의 전단응력을 줄일 수 있게 된다.
이때, 장치몸체(110)에 연결되어 냉각노즐(121)을 덮는 노즐가이드(122)는 반드시 구비되어야 하는 것은 아니며, 노즐가이드(122)의 적용여부는 작업자 및 작업환경에 의해 적절히 변경되어 적용될 수 있는 사항이다.
바람직하게는 냉각노즐(121) 간의 간격을 조절하여서도 강판 에지부의 결함을 억제할 수 있다. 즉, 하나의 냉각노즐(121)과 상기 냉각노즐(121)에 이웃하는 또 다른 냉각노즐 간의 X축 방향으로의 거리를 다르게 할 수 있는 것이다.
도 7에는 냉각노즐(도 6의 121) 간의 간격과 흡입압력에 따른 전단력의 주파수별 크기가 도시되어 있고, 이 주파수는 냉각노즐은 300mmAq의 압력으로 냉각용 유체를 분사하게 구비되고, 냉각노즐 하나의 내경은 7mm이며, 냉각노즐 간의 간격을 200mm 또는 400mm로 했을 때의 크기이다.
이 변화는 강판의 표면에서 전단력의 변화로 해석할 수 있는데 세로축은 강판 표면에 발생하는 전단력의 크기를 의미하고, 가로축은 전단력이 발생하는 주기를 의미한다.
냉각노즐 간의 간격이 200mm 일 때에는 300Hz 이하의 주기로 큰 전단력이 발생하고, 냉각노즐 간의 간격이 400mm 일 때에는 200mm 일 때와 달리 300Hz이하에서 큰 전단력이 발생하지 않는다. 그러면서 400Hz~700Hz 주기를 가지는 전단력은 강하게 발생하는 것을 알 수 있다.
이와 같은 결과를 통하여 동일한 유량이 장치몸체의 폭방향(도 6의 X축 방향)으로 배출된다고 할 때, 냉각노즐 간의 간격이 증가할 경우, 냉각용 유체의 배출면적이 증가하기 때문에 유속이 감소하여 전단력의 크기를 줄일 수 있음을 알 수 있다.
배출면적을 증가시키기 위해서는 장치몸체(도 6의 110)의 길이 특히, 제2 흡입몸체(113)의 길이를 늘리면 된다. 이는 제1 흡입몸체의 길이를 늘려도 배출면적이 증가되는 것과 동일한 의미이다. 더하여, 제1,2 흡입몸체의 길이를 늘린 상태에서 냉각노즐 간의 간격을 400mm로 하고, 방향전환유닛에 의해 냉각용 유체의 흡입을 함께 실시하면 강판 에지부에서 전단응력이 증가하는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
그러나, 이 수치들은 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것은 아니며, 작업조건, 강판의 특성 등에 따라 적절한 수치로 변경되어 적용될 수 있는 사항이다.
한편, 도 8에서 보이듯, 냉각노즐(121)은 제1 흡입몸체(112)에도 구비될 수 있으며, 이는 제2 흡입몸체에도 구비될 수 있다는 것과 동일한 의미이다. 그러나, 필요에 따라 냉각몸체(도 6의 111)에 구비된 냉각노즐(121) 만을 작동시킬 수도 있고, 제1 흡입몸체(112) 및 제 2흡입몸체(도 6의 113)에도 구비된 냉각노즐도 함께 작동시킬 수 있다. 이는 작업조건 및 강판의 특징 등에 의해 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이다.
그리고 상기 냉각노즐(121)은 강판의 이송방향인 Y축 방향으로 복수개가 구비될 수 있는데, 상기 냉각노즐(121)들은 방향전환유닛(130)과 번갈아가며 배치될 수 있다.
즉, 강판(101)의 일정 높이에 대면하는 제1 냉각노즐(121a)의 아래에는 방향전환유닛(130)이 구비되고, 상기 방향전환유닛(130)의 아래에는 제2 냉각노즐(121b)이 구비되며, 그 아래에는 또 다른 방향전환유닛(130)과 제3 냉각노즐(121c)이 순차적으로 구비될 수 있다.
그러면 제1,2,3 냉각노즐(121a,121b,121c)에 의해 발생한 냉각유량이 방향전환유닛(130)에 의해 강판 이송방향인 Y축 방향으로도 전환되므로 냉각유량이 강판의 폭방향으로 이동하면서 강판의 에지부로 과다하게 모이는 현상을 방지할 수 있게 된다. 이는, 강판 에지부의 전단응력이 증가하는 것을 방지할 수 있도록 하는 효과를 창출할 수 있다.
한편, 도 9에는 냉각노즐(도 8의 121)에서 토출되는 냉각용 유체의 유량이 38.7m3/min일 때, 방향전환유닛(도 8의 130)의 흡입유량비가 도시되어 있다. 이때, 냉각노즐 한 개에 의해 발생한 유량은 강판 표면에 부딪힌 후, 강판의 양측 에지부 방향으로 분배되므로 냉각노즐 한 개에서 실제로 발생한 유량은 38.7m3/min의 2배이나, 이하에서는 38.7m3/min을 기준으로 계산하도록 한다.
강판의 폭방향으로 배출되는 유량을 Q1으로 하고, 상기 방향전환유닛에 의해 흡입되는 유량을 Q2로 하고, 강판의 에지부를 지나 외부로 배출되는 유량을 Q3으로 하며, 방향전환유닛에서는 300mmAq의 흡입압력으로 냉각용 유체를 흡입한다.
그리고, 이때의 냉각노즐 한 개에서 유량이 배출되는 배출면적은 0.0775m2으로 하였고, 이러한 상태에서 방향전환유닛에서 제공하는 흡입압력의 100%가 300 mmAq이다.
그런데 도 9를 보면 방향전환유닛에서 제공하는 흡입압력을 75%, 50%로 변화를 주었을 때 흡입유량비 또한 줄어듦을 알 수 있다. 즉, 흡입압력을 높일수록 실제 강판에 영향을 미치면서 강판의 에지부를 지나 외부로 배출되는 유량인 Q3의 값이 줄어들게 되는 것을 알 수 있다.
마찬가지로 도 10에서 보이듯, 동일한 조건에서 토출유량을 18.7m3/min로 하였을 때에도 같은 결과를 가져오는 것을 알 수 있다.
또한 도 11에는 냉각노즐 한 개에서 실제로 발생한 유량이 38.7m3/min인 경우의 강판의 표면속도가 도시되어 있고, 도 12에는 냉각노즐 한 개에서 실제로 발생한 유량이 18.7m3/min인 경우의 강판의 표면전단응력이 도시되어 있다. 도 11 및 도 12의 결과를 도 9 및 도 10의 결과와 비교해보면 방향전환유닛의 흡입압력이 증가함에 따라 강판의 표면에 부딪히고, 강판의 표면에 영향을 미치면서 강판 에지부를 지나 외부로 배출되는 유량이 감소하는 것을 알 수 있고, 이 수치는 강판 표면에서 냉각용 유체의 유동의 속도 및 전단응력의 크기와도 연관이 있음을 알 수 있다.
즉, 도 9 내지 도 12의 결과를 종합해보면 방향전환유닛의 흡입압력이 100%까지 증가할수록, 강판 표면에서의 유동의 속도가 최대 37%까지 감소하는 것을 알 수 있고, 이는 전단응력에도 영향을 미쳐서 냉각노즐 한 개에서 실제로 발생한 유량이 18.7m3/min인 경우에는 전단응력이 최대 80%까지 감소하게 된다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 강판의 표면에서 유동의 속도를 감소시키는 것 또한 강판의 에지부에서 전단응력을 감소시키게 되므로 강판의 결함을 방지하는 효과를 가져오게 된다.
도 13에는 방향전환유닛(130)이 구체적으로 도시되어 있다. 제1 흡입몸체(112)에 구비되는 제1 흡입구(133) 및 제2 흡입몸체(113)에 구비되는 제2 흡입구(135)가 도시되어 있으며, 제1,2 흡입구(133,135) 각각에 연결되는 제1,2 흡입챔버(134,136)가 도시되어 있다.
상기 제1,2 흡입구(133,135)의 위치는 바람직하게는 강판의 폭에 의해 결정될 수 있는데 이하에서는 제2 흡입구(135)를 예로 들어 설명하며, 아래에서 설명하는 내용은 제1 흡입구(133)에도 동일하게 적용될 수 있는 사항이다.
강판의 중심에서부터 X축 방향으로 강판의 중심에 가장 가까운 제2 흡입구(135)까지의 거리를 최소길이(201)로 하고, 강판의 중심에서부터 X축 방향으로 강판의 중심에 가장 먼 제2 흡입구(135)까지의 거리를 최대길이(202)로 하면, 강판에 최적화된 상기 최소길이(201)는 아래 [수학식 1]에 의해 계산할 수 있고, 상기 최대길이(202)는 아래 [수학식 2]에 의해 계산할 수 있다.
이때, 강판의 최소폭=Lmin, 강판의 최대폭=Lmax이고, 상기 최소길이(201)=α 이고, 상기 최대길이(202)=β이다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2018015914-appb-I000003
[수학식 2]
Figure PCTKR2018015914-appb-I000004
상기의 [수학식 1]에서 γ는 흡입구의 종류에 따른 보정계수로서, 상기 제2 흡입구(135)가 다공판으로 구비되는 경우에는 γ=0.1이고, 상기 제2 흡입구가 흡입슬롯으로 구비되는 경우에는 γ=0.05이다. 따라서, 제2 흡입구의 종류에 따라 적절한 γ 값을 선택하여 계산할 수 있다.
다만, 다공판은 국부적 흡입에 더 적합하고, 흡입슬롯은 전체적 흡입에 더 적합하며 흡입효율은 다공판 대비 흡입슬롯이 더 높을 수 있다.
또한, 상기 제1 흡입몸체(112) 및 상기 제2 흡입몸체(113)가 강판과 대면하는 표면은 상기 강판에 대하여 경사지게 구비될 수 있는데 냉각몸체(111)의 연장선과 제1,2 흡입몸체(112,113)의 표면이 형성하는 각도(θ)는 1°이상 12°이하가 될 수 있다.
이는 전술한 바와 같이 냉각용 유체의 배출면적을 늘리는 효과가 있어 강판 에지부에서의 전단응력을 감소시키는데 효과적인데, 제1,2 흡입몸체(112,113)를 경사지게 하여 배출면적을 늘리는 것이므로 장치몸체(110) 전체의 대형화 없이도 강판의 품질을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
따라서, 상기 제1,2 흡입몸체(112,113)에 구비되는 제1,2 흡입구(133,135) 또한 제1,2 흡입몸체(112,113)에 대응되는 각도로 강판에 대하여 경사지게 상기 제1,2 흡입몸체(112,113)에 구비되게 된다.
이때, 상기 제2 흡입구(135)가 슬롯으로 구비되는 경우에 상기 장치몸체(110)에는 별도의 흡입블로워(미도시)가 연결되어 상기 흡입슬롯에 일정 흡입압력을 제공하게 된다.
또한, 이러한 경우 제1 흡입구(133)도 흡입슬롯으로 구비될 수 있으며, 상기 흡입블로워(미도시)는 상기 제1,2 흡입구(133,135)에서의 흡입압력이 90mmAq 이상 310mmAq 이하가 되도록 흡입압력을 제공하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 장치몸체(110)는 강판과 대면하는 상기 냉각몸체(111)의 표면이 강판의 표면으로부터 일정거리 이격되게 제공될 수 있는데 상기 강판과 대면하는 냉각몸체(111)의 표면에서부터 강판의 폭방향 즉, Z축 방향으로의 이격거리는 100mm 이상 300mm일 수 있다. 이 거리는 방향전환유닛(130)에서 제공하는 흡입압력이 가장 효과적으로 작용할 수 있는 거리이다.
한편, 도 14에는 종래 냉각 장치에 의한 냉각용 유체의 유동이 도시되어 있다. 냉각용 유체는 직선방향(D1)으로 이동하면서 강판의 에지부로 이동하고 있음을 알 수 있다.
반면, 도 15는 본 발명에 따른 강판 냉각 장치에 의한 냉각용 유체의 유동이 도시되어 있다. 냉각용 유체는 방향전환유닛(도 13의 130)에서 제공하는 흡입압력에 의해 방향이 전환되어 굴절방향(D2)으로 이동하면서 강판의 에지부 방향이 아닌 방향전환유닛(도 13의 130)으로 빨려들어가는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면 강판의 에지부에서 유동 및 유동의 속도가 증가하여 전단응력이 상승하는 것을 억제할 수 있고, 이에 따라 강판 특히, 강판의 에지부에서 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (14)

  1. 강판의 이송경로에 구비되는 장치몸체;
    상기 장치몸체에 구비되어 상기 강판을 향하는 방향으로 유체를 공급하는 냉각유닛; 및
    상기 장치몸체에 구비되며, 상기 강판 방향과는 다른 방향으로 상기 유체에 인력을 제공하여 상기 냉각유닛에서 공급한 유체의 방향을 전환하는 방향전환유닛;
    을 포함하는 강판 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방향전환유닛은,
    흡입구의 적어도 일부가 상기 강판의 일측 끝단에서부터 상기 강판의 중심방향으로 일정거리까지인 제1 에지부에 대면하도록 상기 장치몸체에 구비되는 제1 흡입수단; 및
    또 다른 흡입구의 적어도 일부가 상기 강판의 타측 끝단에서부터 상기 강판의 중심방향으로 일정거리까지인 제2 에지부에 대면하도록 상기 장치몸체에 구비되는 제2 흡입수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 장치몸체는,
    상기 냉각유닛이 구비되는 냉각몸체;
    상기 냉각몸체 일측에 이웃하고, 상기 제1 흡입수단이 구비되는 제1 흡입몸체; 및
    상기 냉각몸체 타측에 이웃하고, 상기 제2 흡입수단이 구비되는 제2 흡입몸체;를 포함하되,
    상기 강판으로부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 냉각몸체까지의 최단거리(L1)가 상기 강판으로부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 제1,2 흡입몸체의 단부까지의 최단거리(L2)보다 가깝게 제공되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 장치몸체는,
    상기 제1,2 흡입몸체가 상기 냉각몸체와 이웃한 영역에서부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 강판까지의 최단거리가 가장 가깝고, 상기 제1,2 흡입몸체의 상기 단부에서부터 상기 강판의 두께방향으로 상기 강판까지의 최단거리가 가장 멀되, 상기 최단거리는 순차적으로 멀어지도록 제공되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1,2 흡입수단은,
    상기 제1,2 흡입몸체에 각각 구비되어 상기 강판에 대하여 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 흡입수단은,
    상기 제1 흡입몸체의 외주를 따라 배치되어 상기 제1 에지부와 대면하는 제1 흡입구; 및
    상기 제1 흡입몸체에 구비되어 상기 제1 흡입구와 연결되고, 상기 제1 흡입구에서 흡입한 유체를 수용하는 제1 흡입챔버;를 포함하고,
    상기 제2 흡입수단은,
    상기 제2 흡입몸체의 외주를 따라 배치되어 상기 제2 에지부와 대면하는 제2 흡입구; 및
    상기 제2 흡입몸체에 구비되어 상기 제2 흡입구와 연결되고, 상기 제2 흡입구에서 흡입한 유체를 수용하는 제2 흡입챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 흡입구는,
    복수개의 구멍을 포함하는 다공판 또는 하나의 구멍을 포함하는 흡입슬롯인 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡입구는,
    상기 제1,2 흡입몸체에서 흡입영역에 배치되되, 강판의 최소폭=Lmin, 강판의 최대폭=Lmax 일때, 상기 강판의 중심에서부터 상기 강판의 중심에 가장 가까운 상기 흡입구까지의 위치(α)는,
    Figure PCTKR2018015914-appb-I000005
    이고,
    상기 강판의 중심에서부터 상기 강판의 중심에 가장 먼 상기 흡입구까지의 위치(β)는,
    Figure PCTKR2018015914-appb-I000006
    이며,
    상기 흡입구가 상기 다공판일 경우 γ=0.1,
    상기 흡입구가 상기 흡입슬롯일 경우 γ=0.05인 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방향전환유닛은,
    상기 장치몸체에 구비되고, 상기 흡입구에 연결되어 흡입압력을 제공하는 흡입블로워;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각유닛은,
    상기 장치몸체에 구비되되, 적어도 상기 냉각몸체에 구비되어 유체를 분사하는 적어도 하나의 냉각노즐;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡입블로워는,
    90mmAq 이상 310mmAq 이하의 흡입압력을 제공하고,
    상기 냉각노즐은,
    17m3/min 이상 40m3/min 이하의 유량으로 유체를 공급하게 제공되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각노즐은,
    상기 제1,2 흡입몸체에도 구비되되, 상기 강판의 이송방향으로 상기 방향전환유닛과 번갈아가며 구비되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 제1,2 흡입몸체는,
    상기 강판과 대면하는 면이 상기 냉각몸체의 연장선과 형성하는 각도는 1° 이상 12° 이하인 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 장치몸체는,
    상기 강판으로부터 상기 냉각몸체까지 상기 강판의 두께방향으로의 최단거리가 100mm 이상 300mm 이하가 되도록 상기 강판으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 강판 냉각 장치.
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