[논문]법랑공정에서 Enamel 도포두께에 따른 강판 용기의 변형 메커니즘 분석

박상후; 강동석; 유재현

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.05.067

법랑공정에서 Enamel 도포두께에 따른 강판 용기의 변형 메커니즘 분석
Analysis on Enameled Container with Different Coating Thicknesses of Enamel in Pyrolysis Process 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.5, 2020년, pp.67 - 74

박상후 (부산대학교 기계공학부, 정밀정형 및 금형가공연구소) , 강동석 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 유재현 (한국생산기술연구원 동남권본부)

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To predict the thermal deformation of an oven cabinet during the enamel process, we propose a simple finite element analysis method comprising two steps: heating and cooling. To this end, the basic mechanical and thermal properties such as thermal expansion of the enamel and steel plate were experimentally studied, and the mechanical properties of four different stainless steel (SUS) plates were evaluated to select the target material for the oven at high temperature conditions from 400 ℃ to 700 ℃. In the first analysis step of the enamel process, the SUS plate was heated to 850 ℃ and was then thermally expanded without considering the enamel coating. Next, assuming the perfect bonding of two materials (enamel coating and metal plate), the enamel plate was allowed to cool to room temperature till 22 ℃. From the results of comparing the experimental and analytical data, we can make a conclusion that the proposed method can be applied to evaluate the thermal deformation of enamel products. Especially, the thermal deformation of the oven can be predicted with different enamel coating conditions, such as uniform and nonuniform coating thickness.

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2.4절에 기술한 공정해석 단계에 따라서 첫째 가열단계로 22°C에서 850°C까지 법랑물질과 판재 간의 상호작용이 없다는 가정 하에서 법랑물질을 고려하지 않고 순수한 SUS201의 열팽창 과정을 해석하였다. 이어서 냉각단계로 850°C에서 22°C까지는 도포된 법랑물질과 판재가 완전히 결합이 되었다고 가정하고 법랑소재의 온도별 열수축계수를 고려하고 또한 SUS201 판재의 열수축 계수를 판재 제조사인 POSCO에서 제공한 30~100°C (CTE, 1.
법랑두께가 0.2 mm로 균일하게 SUS201 판재 (두께 2.0 mm)에 도포되었다고 가정하고 해석한 결과, Fig. 6(a)와 6(b)에 나타낸 것처럼 가열구간에서 가스오븐 본체의 열팽창이 발생하였고 특히 많은 부분이 결합되어 정밀도가 요구되는 바닥부에서 -y축 방향으로 배불림 형태의 변형이 발생하는 것을 예측할 수 있다.
4절에 기술한 공정해석 단계에 따라서 첫째 가열단계로 22°C에서 850°C까지 법랑물질과 판재 간의 상호작용이 없다는 가정 하에서 법랑물질을 고려하지 않고 순수한 SUS201의 열팽창 과정을 해석하였다. 이어서 냉각단계로 850°C에서 22°C까지는 도포된 법랑물질과 판재가 완전히 결합이 되었다고 가정하고 법랑소재의 온도별 열수축계수를 고려하고 또한 SUS201 판재의 열수축 계수를 판재 제조사인 POSCO에서 제공한 30~100°C (CTE, 1.6×10^-5 mm/mm·°C), 100~500°C (CTE, 1.7×10^-5 mm/mm·°C)범위로 각각 나누어서 계산에 적용하였다.

제안 방법

1. 법랑공정에 발생하는 변형메커니즘을 예측하기 위한 해석적 방법론을 제시하였으며, 냉각되는 구간에서 온도에 따른 법랑소재의 열수축량과 SUS201 판재의 열수축량의 차이로 인해서 열변형이 발생하며, 이를 예측하기 위해서는 2단계로 해석을 나누어서 진행하는 방법을 제안하였다.
가스오븐 본체의 배불림 현상은 법랑소재와 금속판재 사이의 열수축량 차이와 기하학적인 구속 조건에 의해서 발생된다. 따라서 이를 저감하기 위해 바닥면의 법랑소재 도포두께를 국부적으로 변화시켜 법랑공정 해석을 실시하였다. Fig.
법랑소재가 도포되어 오븐에 사용되는 재료는 고온의 법랑공정과 오븐 사용조건에서 견디어야 하기에 몇 가지 SUS 소재에 대한 기초물성 검토를 위해서 고온실험을 실시하였다. 본 연구에서 검토한 재료는 SUS201, SUS304, SUS316, SUS430 4가지 종류이 포스코에서 공급된 재료를 사용하였다.
2×10^-5 mm/mm·°C 보다 큰 것으로 알려졌기에 SUS201을 선정할 때 열팽창과 열변형에 대한 부분의 고려가 필요하다. 본 연구에서는 최종적으로 선정된 SUS201 소재 위에 법랑공정을 실시한 가스오븐용 본체의 열변형을 해석적으로 검토하였다.

대상 데이터

3에 나타낸 것처럼 열기계 분석법(thermo -mechanical analyzer, TMA7000, Hitachi, Japan)으로 냉각구간에 대한 열수축량을 실험적으로 구하였다. 가스오븐 본체는 SUS304 계열 (0.08%C, POSCO, Korea) 소재를 사용하였으며 아래에 열팽창계수에 대해서 법랑소재와 비교하였다.
법랑공정 해석을 위하여 대형 가스오븐 본체를 예제로 삼았다. 대형 가스오븐은 작동온도 400°C까지 안정성이 확보되도록 설계가 되어 있으며, 음식물을 조리하는 내구면에 법랑공정으로 표면처리가 되어 있다.
또한 T_g점 온도는 냉각속도에 따라서도 바뀌기 때문에 공정조건마다 T_n점 온도가 달라질 수 있다. 본 연구에 사용된 법랑소재의 물성으로 밀도는 2600 kg/m³, 열전도도는 5 W/m·°C이다. 온도에 따라 탄성계수는 Table 2에 나타낸 것처럼 변하며 600 °C 이상에서는 거의 0 GPa에 가깝다^[16].
법랑소재가 도포되어 오븐에 사용되는 재료는 고온의 법랑공정과 오븐 사용조건에서 견디어야 하기에 몇 가지 SUS 소재에 대한 기초물성 검토를 위해서 고온실험을 실시하였다. 본 연구에서 검토한 재료는 SUS201, SUS304, SUS316, SUS430 4가지 종류이 포스코에서 공급된 재료를 사용하였다. 인장시편의 두께는 1 mm이며 시편의 형상은 Fig.

이론/모형

명확한 변형거동 메커니즘 분석을 위해서 Fig. 3에 나타낸 것처럼 열기계 분석법(thermo -mechanical analyzer, TMA7000, Hitachi, Japan)으로 냉각구간에 대한 열수축량을 실험적으로 구하였다. 가스오븐 본체는 SUS304 계열 (0.
따라서 온도변화 상황에서 법랑소재의 거동을 미시적으로 분석하기 위해서는 복잡한 열 유동학적 분석(thermo-rheological analysis)이 필요하다. 열분해 과정에서 법랑소재의 점탄성 거동에 대한 모델은 식(1)과 같이 일반화된 맥스웰 모델 (generalized Maxwell model)을 이용하였다^[17].

성능/효과

3. 가스오븐 본체 바닥면의 배불림 현상에 대해서 해석적으로 발생 메커니즘을 분석하였으며, 이것은 법랑공정에서 가열구간에서 기하학적 구속조건 하에서 약간의 배불림 변형이 발생하고 이후 냉각구간에서 법랑소재와 판재의 온도별 열수축량에의 급격한 차이로 인해서 배불림 형상변형이 가속화됨을 알 수 있다.
4. 본 연구에서 제안하는 해석적 방법으로 가스오븐 본체의 법랑공정 중 발생하는 배불림 현상을 저감할 수 있도록 국부적인 법랑소재 도포를 달리하는 방법을 제안하였고, 해석결과 중간부 변형량이 약 70% 이상 개선됨을 확인할 수 있었다.
또한 고온조건으로 올라갈수록 SUS316 소재가 그 다음으로 우수한 기계적 특성을 보였다. SUS201 소재는 700°C에서 SUS304에 비하여 항복 응력이 약 32% 우수한 것으로 나타났다. 다만 CTE값은 SUS201이 100°C 조건에서 1.
예를 들면 법랑소재 도포량이 균일하지 못한 것이나 가열 및 냉각온도의 편차가 있을 수 있다. 그러나 본 연구에서 제안하는 방법으로 법랑공정 해석이 가능하며 실험결과와 비교하여 변형량 측면에서 예측이 가능함을 알 수 있다. 이러한 바닥면의 배불림 현상을 개선할 수 있는 새로운 법랑공정 방법이 필요하다.
2. 해석신뢰성 검증을 위해 가스오븐 본체를 예제로 하여 실험과 비교한 결과 최대 열변형량과 변형거동 형태가 유사하였으나, 국부적으로는 법랑도포량의 불균일 등과 같은 해석에서 고려하지 못한 변수로 인해 변형량의 정량적인 값은 차이가 있었다. 그러나 본체 중간부의 최대 변형량 크기의 경우 약 1% 이내로 일치하였다.

후속연구

8(b)에 나태낸 것처럼 균일하게 법랑을 도포한 경우에 비하여 국부적으로 법랑두께를 달리 도포한 경우에 바닥부 배불림 현상이 상당히 달라짐을 알 수 있다. 따라서 법랑공정에서 원하는 형태의 열변형 거동을 얻기 위해서 본 연구에서 제안한 해석방법을 이용하여 향후 최적화된 국부적 법랑도포 두께에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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