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, air-knife. One of the surface defects on the steel strip surface after the gas-jet wiping employing an air-knife system is called sag lines or snaky coating. The sag line defect is the oblique patterns such as “W”, “V” or “X” on the coated surface. The present paper presents an analysis of the sag line formation and a numerical simulation of sag lines by using the numerical data produced by Large Eddy Simulation (LES) of the three-dimensional compressible turbulent flow field around the air-knife system. It was found that there is alternating plane-wise vortices near the impinging stagnation region and such alternating vortices move almost periodically to the right and left sides on the stagnation line due to jet flow instability.
In order to simulate the sag line formation, a novel perturbation model has been developed to predict the variation of coating thickness along the transverse direction. The thickness obtained by the proposed model yields very similar results with those obtained by the conventional equation. It is observed that the coating thickness along the transverse direction is affected more by the pressure gradient than the surface shear stress in the stagnation region, while in the far field the shear stress becomes the major factor to determine the thickness.
Finally, the three-dimensional coating surface was obtained by the present perturbation model. It was found that the sag line formation is determined by the combination of the instantaneous coating thickness distribution along the transverse direction near the stagnation line and the feed speed of the steel strip. The computed mean distance between the crests and the shape of the simulated sag show relatively good resemblance with the real sag lines on the strip surface.
연속식 용융아연 도금 공정에서 발생하는 표면 사선 무늬 결함의 생성을 이해하기 위하여 수치해석적 방법과 새로운 수학적 모델이 개발되었다. 아연도금 강판위의 기하학적 사선 무늬 형상을 모사하기 위해 에어-나이프와 충돌 표면 주위의 3차원 압축성 난류 유동장을 전산유체역학 기법을 사용하였으며, 시간에 따른 불안정하고 복잡한 유동장을 보다 정확히 관찰하기 위하여 큰 에디 모사 (large eddy simulation) 난류 모델이 사용되었다. 고속 제트가 강판에 충돌할 때 제트의 관성력과 평판의 반발력에 의해 제트의 중심축은 좌굴을 하게 되는데 이때 중심축 상?하 영역에서 발생하는 와 (vortex) 가 유동의 불안정성을 유도하는 것을 수치해석을 통하여 확인하였다. 이 와들은 제트의 유선 방향뿐만 아니라 횡 방향 (강판의 진행 방향과 수직한 방향) 으로 주기적으로 발생하며 좌?우로 이동을 하게 된다. 일반적으로 와의 중심에는 저압력이, 와들의 사이에는 고압력이 생성되는데 이 때문에 제트와 강판이 충돌하는 정체 압력선에는 고압력점과 저압력점이 시간에 따라 주기적으로 나타나게 된다. 압력이 낮은 지점에서는 압력이 높은 지점에서보다 고속 제트에 의해 용융아연이 덜 제거된다는 것은 물리적으로 타당하다. 따라서 제트가 충돌하는 정체 압력선에서 횡 방향으로의 고압력점들의 주기적인 이동으로 순간적으로 불 균일하게 형성된 도금 두께는 일정한 속도로 이동하는 강판을 따라가며 사선 무늬를 만들게 된다.
표면 사선 무늬를 수치적으로 모사하기 위하여 새로운 수학적 모델이 개발되었다. 아연도금의 두께를 구하는 기존의 모델은 도금의 평균 두께만을 구할 수 밖에 없었기 때문에 표면의 불 균일한 도금 두께를 구하기 위한 수정이 필요하다. 아연도금 강판 위의 임의의 지점에서 횡 방향으로의 도금 두께를 구하기 위하여 전산유체 해석을 통해 얻어진 데이터가 사용되었다. 모델 식의 기본 개념은 도금 두께에 직접적인 영향을 주는 강판 위에서의 압력 구배와 전단응력이 평균 값과 평균 값에 대한 난동 값의 합으로 나타낼 수 있다는 데에 있다. 본 연구에서는 이러한 방법을 통해 얻어진 모델을 ‘난동 모델 (perturbation model)’ 이라 칭하였으며, 이 모델을 통하여 표면의 불 균일한 두께와 그 형상에 영향을 주는 요소인 압력 구배와 전단응력 간의 물리적인 관계를 규명 할 수 있게 되었다.
난동 모델과 수치해석을 통해 얻어진 데이터를 통하여 3차원 표면 사선 무늬 결함을 모사 할 수 있었다. 결함 무늬의 전산 모사는 도금 두께가 결정되는 지점에 따라 여러 가지 종류의 결함 무늬를 모사하였다. 실제 표면 사선 무늬 결함과 비교해 본 결과, 정체 압력선 근처에서 형성된 도금의 평균 두께, 골과 골 사이의 거리 그리고 패턴 무늬 등이 실제 도금 표면에서 나타나는 사선 무늬 측정값과 거의 일치하였다.
이를 통해 도금의 형상은 제트와 강판의 충돌 영역에서 결정되는 것이 타당한데 이를 뒷받침하기 위해 유체가 압력 구배와 전단응력과 같은 외란에 영향을 받은 후 다음 변형을 하기까지 소요되는 시간인 완화 시간 (relaxation time) 이 도입되었다. 본 연구에서는 위 결과들을 통해 제트와 강판의 충돌 영역에서 압력 구배에 의해 순간적으로 생성된 불 균일한 도금 두께가 전단응력의 영향을 받아 변형을 시작하기 전에 강판의 이동 속도 때문에 수 미터를 이동하게 되어 표면 사선 무늬 결함이 발생한다는 것을 유체역학적인 관점에서 규명하였다.
