When galvanized steel strip is produced through a continuous hot-dip galvanizing process, the thickness of the adhered zinc film is controlled by impinging a thin plane nitrogen gas jet. In such a gas wiping process frequently there appears stain of check-mark shape. The check-mark stain is caused by non-uniform zinc coating over the surface. In order to find the main reason of the appearance of the check-mark stain, the unsteady compressible flow field is numerically simulated by using LES turbulence model for two cases of L/d= 6.67 in the Case 1, 11.54 in the Case 2 where d is the nozzle width and L is the lip-to-plate distance. It was found that there are alternating plane-wise vortices near the impinging stagnation region, and that such alternating vortices move almost periodically to the right and to the left sides on the stagnation line due to the jet flow instability and alternating pressure peaks along the stagnation line. Since higher stagnation pressure removes more molten zinc adhered on the surface, the zinc coating thickness is thinner there. In addition, since the strip moves upward at a constant speed, the non-uniform coating surface is formed with a variety of patterns like “W”, “V” and “X”. The angle of the check-mark was calculated by using both the moving speeds of the steel strip and the sidewise movement of the vortices along the stagnation line. It was favorably compared with the experimental measurement.
And, in the present study, in order to remove the defect of the check mark stain, the new type of the air knife system is designed. This system consists of the main and guide jet located under the main jet. The main jet works on the same function of the existing jet. On the other hand, the purpose of the guide jet is to prevent the unstable flow of the main jet. The buckling of the jet is occurred at the existing air knife system. In the new air knife system, however, the guide jet suppresses the buckling of the main jet. Therefore, the flow field of the jet becomes more stable, and the alternating vortices are no longer generated on the stagnation line, furthermore, check mark stain is disappeared and cutting ability is improved.
Instability of the impinging jet region causes the non-uniform heat transfer characteristic in the impinging region. In order to verify these flow characteristic, Impinging slot jet system has been investigated numerically by using a commercial 3-D flow analysis code, FLUENT. LES turbulent model is used to obtain instantaneous flow field.
연속식 용융아연 도금 공정에서 발생하는 표면 얼룩무늬 결함 현상을 이해하기 위해, 강판의 이동을 고려한 에어나이프 주변의 3차원 유동장을 수치해석 코드인 FLUENT를 사용하여 계산하였다. 이차원 평면 충돌 제트의 복잡한 3차원 유동장을 정확히 관찰하기 위해 LES 난류 모델을 사용하였다. 수치해석을 통해 제트가 강판에 충돌하는 정체 압력선을 따라 고압력장과 저압력장이 주기적으로 나타나는 것을 확인하였다. 또한 표면 얼룩무늬의 기울기를 강판의 이동속도와 고압력점의 이동속도를 통해 예측하였다. 수치해석을 통해 얻은 표면 얼룩무늬 사이의 거리와 기울기는 실제 측정값과 거의 일치하였다. 고압력점은 저압력점에 비해서 용융아연을 더 제거하기 때문에 정체 압력선을 따라 용융아연 표면에는 순간적으로 물결모양의 표면이 나타나게 된다. 이와 같은 특징과 시간에 따른 정체 압력선에서의 압력을 이용하여 표면 얼룩무늬를 도식화 한 결과 실제 얼룩무늬 형태와 유사함을 관찰하였다.
또한 연속식 용융아연 도금 공정에서 발생하는 표면 얼룩무늬 현상을 방지하기 위해 새로운 형태의 2중 에어나이프를 제안하였다. 새로 제안된 2중 에어나이프의 성능을 효과적으로 설명하기 위해 기존의 에어나이프 시스템과 비교 해석하였다. 수치해석 결과 2중 에어나이프 시스템에서는 안내 제트가 중심 제트를 안정화 시키는 역할을 하면서 충돌 제트 영역에서의 유동장이 균일하게 된다. 이로 인해 충돌지점에서의 압력 감소가 줄어들게 되고 아연제거 능력이 향상됨을 확인하였다. 또한 제트의 충돌 영역이 안정화 되면서 아연 도금 강판 표면에서는 더 이상 표면 얼룩무늬 현상이 나타나지 않을 것이라고 판단된다.
한편 수치해석을 통해 평면 충돌 제트의 좌굴 현상에 의한 유동장 및 열전달 특징을 알아보았다. 제트의 출구와 충돌지점 사이의 거리에 따른 유동장 특징을 살펴 보았으며, 이를 통해 거리에 따라 유동장을 Stable, Periodically-stable, Unstable impinging jet의 세 부분으로 구분하였다. 또한 평면 충돌제트의 비정상 유동 특성에 대하여 알아보았다. 평판 충돌 영역에서의 유동장과 열전달 현상에서는 정체 압력선을 따라 고압력 지점에서는 높은 온도를 보이고, 저압력 지점에서는 낮은 온도를 보이게 됨을 확인하였다.
