[논문]연속식 용용아연도금 공정에서의 단부 과도금 현상에 대한 수치 해석

안기장; 김상준; 조중원; 정명균

doi:10.3795/ksme-b.2004.28.7.763

문제 정의

본 연구에서는 강판의 단부근방에서 형성된 주기적인 와동으로 인해 강판의 단부영역에서 질소가스의 충돌압력이 중앙영역보다 낮아겨 단부 과도금 현상이 발생함을 정량적인 수치해석을 통해 입증였다. 그러나 강판의 단부영역에서 충돌압력 저하를 방지할 수 있는 방법에 대한 연구 및 Marangoni 대류현상이 단부 과도금 현상에 미치는 영향에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
본 연구에서는 용융아연의 도금량을 조절하기 위해 에어나이프로부터 분사된 질소가스가 강판의 단부근방에 주기적인 와동을 형성하고, 이렇게 형성된 주기적인 와동이 강판의 단부영역에서 질소가스의 충돌압력을 저하시키는 것을 보이기 위해, 상용코드인 STAR-CD를 사용해 연속식 용융 아연도금 공정에 대한 3차원 비정상 압축성 유동장을 계산해 보았다. 그리고 강판의 단부영역에서 발생하는 질소가스의 충돌압력저하가 단부과도금 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 앞의 STAR-CD 계산결과로 나온 충돌압력 데이터와 전단응력데이터를 사용해 용융 아연의 도금두께에 대한 지배방정식을 풀어 보았다.

가설 설정

용융아연의 온도에 따른 물성치변화(thermal effect)는 무시할 수 있다고 가정하였다.

제안 방법

Fig. 8과 같은 형태를 갖는 강판의 진행방향에 대한 용융아연의 도금두께분포를 구하기 위해, 다음과 같은 과정을 거쳐 용융아연의 도금두께에대한 지배방정식을 구하였다.
강판의 단부근방에서 형성된 주기적인 와동이 질소가스의 충돌압력분포에 미치는 영향을 자세히 살펴보기 위해 비정상 수치해석을 수행하였다. 이때 비정상 수치해석을 위한 시간간격는 5xl0「6sec를 사용하였다.
계산하였다. 그리고 강판의 단부영역에서 발생하는 질소가스의 충돌압력저하가 단부 과도 금 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 앞의 STAR-CD 계산결과로 나온 충돌압력 데이터와 전단응력데이터를 사용해 용융아연의 도금두께에 대한 지배방정식을 풀었다.
계산해 보았다. 그리고 강판의 단부영역에서 발생하는 질소가스의 충돌압력저하가 단부과도금 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 앞의 STAR-CD 계산결과로 나온 충돌압력 데이터와 전단응력데이터를 사용해 용융 아연의 도금두께에 대한 지배방정식을 풀어 보았다. 본 연구에서는 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있지 않은 영역에서 만들어진 대항 충돌 제트의 굴절로 인해 형성된 주기적인 와동이 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있는 영역에서 만들어진 평판 수직 충돌제트의 압력장에 영향을 주어 강판의 단부영역 평균 충돌압력이 중앙영역보다 대략 5~7kPa 정도 낮아짐을 알 수 있었다.
3(b)에 나타낸 것처럼 계산영역의 상단면과 하단면에는 일정압력 경계조건을 사용하였고, 좌측면과 우측면에는 Neumann 조건에 질량의 출입을 막는 경계조건을 사용하였다. 그리고 에어나이프의 노즐에는 정체압력 (Po) 과 정체온도(To)가 각각 30kPa(gage pressure)과 34010] 질소가스가 대기압까지 떨어졌을 때의 속도와 온도를 경계조건으로 사용하였다. 즉, 에어나이프로부터 분사된 질소가스의 속도와 온도는 각각225.
본 연구에서는 3.1 절의 식 ⑹과 식 ⑺을 이용해, 강판의 표면에서 각각의 z위치별로 Fig. 9의 형태를 갖는 강판의 진행방향에 대한 용융아연의 도금두께 분포를 구하고, 이를 이용해 강판의 표면에서 각각의 y위치별로 Fig. 10의 형태를 갖는 강판의 폭방향에 대한 용융아연의 도금두께 분포를 구하였다.
본 연구에서는 용융아연의 도금량을 조절하기 위해 에어나이프로부터 분사된 질소가스가 강판의 단부근방에 주기적인 와동을 형성하고, 이렇게 형성된 주기적인 와동이 강판의 단부영역에서 질소가스의 충돌압력을 저하시키는 것을 보이기위해, 상용코드인 S* TAR-CD 사용해 연속식 용융아연도금 공정에 대한 3차원 비정상 압축성 유동장을 계산하였다. 그리고 강판의 단부영역에서 발생하는 질소가스의 충돌압력저하가 단부 과도 금 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 앞의 STAR-CD 계산결과로 나온 충돌압력 데이터와 전단응력데이터를 사용해 용융아연의 도금두께에 대한 지배방정식을 풀었다.
10은 본 연구의 계산결과로 나온 강판의.폭방향에 대한 최종 도금두께분포와 박정렬 등(1) 모0의 실험결과로 나온 강판의 폭방향에 대한 최종 日-도금두께분포를 비교한 것이다. 이 그래프에 나타낸 것처럼 강판의 단부로부터 중앙부로 대략 20~50mm 떨어진 영역에서 용융아연의 최종 도금두께 계산결과가 실험결과보다 대략 10% 높음을 알 수 있다.

데이터처리

6, Ts, L)로 구성되어 있다. 이때 미지수 PH평균 충돌압력)와 TH평균 전단응력)는 2장의 STAR-CD 계산결과를 사용하였다.

이론/모형

강판의 진행방향에 대한 2차원 용융아연유동의 속도분포인 식 (5)를 Navier-Stokes 방정식인 식 (2)에 대입하고, 액체필름(liquid film)두께 6까지적분하면 다음과 같이 표현된다.
따라서 용융아연의 도금두께 6에 대한 경계조건으로는 질소가스의 분사높이에서 충분히 멀리 떨어진 x»0 영역과 x«0 영역에서는 용융아연의 도금두께가 변화없다는 조건을 사용하였다. 또한 x«0 영역 즉, 강판이 용융 아연욕조를 막 빠져나왔올 때 용융아연의 도금두께는 Ellen 등⑹의 논문에서 사용된 제트가 없는 경우의 도금두께식을 사용하였다.
본 연구의 계산결과와 기존의 실험결과를 비교하기 위해 박정렬 등이 사용한 실 험조건을 계산조건으로 사용하였다.
연속방정식과 운동량방정식에 추가로 상태방정식과 에너지방정식을 풀어야 하는 압축성유동의 지배방정식을 풀기 위해 상용코드인 STAR-CD를 사용하였다. 이때 난류모형으로는 고 Reynolds 수영역의 난류유동해석에 가장 일반적으로 사용되는 표준 k-e 모형을 사용하였다.
용융아연의 도금량을 조절하기 위해 에어나이프로부터 분사된 질소가스는 Mach 수가 대략 0.3~0.6이기 때문에 압축성유동의 지배방정식을 사용하였다.
이때 난류모형으로는 고 Reynolds 수영역의 난류유동해석에 가장 일반적으로 사용되는 표준 k-e 모형을 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있지 않은 영역에서 만들어진 대항 충돌 제트의 굴절로 인해 형성된 주기적인 와동이 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있는 영역에서 만들어진 평판 수직 충돌제트의 압력장에 영향을 주어 강판의 단부영역 평균 충돌압력이 중앙영역보다 대략 5~7kPa 정도 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 이러한 강판의 단부영역에서 질소가스의 충돌압력저하가 에어나이프의 아연 제거능력을 저하시켜 강판의 단부영역에서 용융아연의 도금두께가 중앙영역보다 두꺼워지는 단부과도금 현상을 초래함을 알 수 있었다.
그리고 강판의 단부영역에서 발생하는 질소가스의 충돌압력저하가 단부과도금 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 앞의 STAR-CD 계산결과로 나온 충돌압력 데이터와 전단응력데이터를 사용해 용융 아연의 도금두께에 대한 지배방정식을 풀어 보았다. 본 연구에서는 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있지 않은 영역에서 만들어진 대항 충돌 제트의 굴절로 인해 형성된 주기적인 와동이 강판이 두 에어나이프 사이를 가로막고 있는 영역에서 만들어진 평판 수직 충돌제트의 압력장에 영향을 주어 강판의 단부영역 평균 충돌압력이 중앙영역보다 대략 5~7kPa 정도 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 이러한 강판의 단부영역에서 질소가스의 충돌압력저하가 에어나이프의 아연 제거능력을 저하시켜 강판의 단부영역에서 용융아연의 도금두께가 중앙영역보다 두꺼워지는 단부과도금 현상을 초래함을 알 수 있었다.
0mm 떨어진 곳에서 강판의 진행방향 (x-direction) 에대한 평균 충돌압력분포와 평균 전단응력분포를 나타낸 것이다. 질소가스가 분사되는 높이근방에서 평균 충돌압력이 다른 영역에서보다 높아짐을 알 수 있는데, 이는 에어나이프의 아연 제거능력이 질소가스가 분사되는 높이근방에 밀집되어 있음을 나타낸다. 또한 Fig.

후속연구

그러나 강판의 단부영역에서 충돌압력 저하를 방지할 수 있는 방법에 대한 연구 및 Marangoni 대류현상이 단부 과도금 현상에 미치는 영향에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.

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