강철 코일의 방사상 등가 열전도율은 어닐링 중에 열 대류, 층간 간극 내 복사 및 접점에서의 고체 열전도 복합 작용에 의해 결정됩니다. 이 과정에 영향을 미치는 주요 요인에는 층간 간극 크기(권선 장력에 의해 결정됨), 보호 가스의 열물리적 특성, 층간의 접촉 응력 및 강철 표면에 존재하는 산화막의 열 저항이 포함됩니다.
강철 코일 중심을 향한 열 전달 효율은 궁극적으로 고체 강철 층과 그 사이를 분리하는 가스 채워진 간극 간의 상호 작용으로 형성되는 복잡한 저항 네트워크에 의해 결정됩니다.
열 전달 메커니즘
층간 간극의 역할
코일 구조에서의 열 전달은 고체 블록을 통한 전도와는 다르게 작동합니다. 이 과정은 강철 층 사이에 존재하는 공기 또는 가스 간극에 크게 영향을 받습니다.
이러한 간극 내에서 열은 대류 및 복사를 통해 전달됩니다. 이러한 메커니즘은 층간의 물리적 접촉이 없는 곳에서 지배적이며, 빈 공간을 가로지르는 다리 역할을 합니다.
고체 열전도
직접적인 열 전달은 강철 층이 물리적으로 접촉하는 특정 접점에서만 발생합니다.
이러한 고체 열전도는 최소 저항 경로를 제공합니다. 그러나 이는 스트립의 표면 거칠기와 평탄도에 의해 제한되어 전체 면적에 걸쳐 완벽한 접촉을 방지합니다.
주요 영향 요인
권선 장력 및 간극 크기
코일링 공정 중 적용되는 권선 장력은 가장 중요한 구조적 변수입니다.
장력이 높을수록 코일이 압축되어 층간 간극의 크기가 효과적으로 줄어듭니다. 간극이 작을수록 대류/복사를 통해 이동해야 하는 열의 거리가 최소화되고 고체 전도에 사용 가능한 표면적이 증가합니다.
보호 가스 특성
어닐링로 내부 환경은 중요한 역할을 합니다. 층간 간극을 채우는 보호 가스의 종류 및 열물리적 특성은 전도율에 직접적인 영향을 미칩니다.
열전도율이 높은 가스는 금속 간 접촉이 없는 간극을 통한 열 전달을 촉진합니다.
표면 산화막
강철 스트립의 표면 상태는 추가적인 열 저항층을 도입합니다.
강철 표면의 산화막은 열 장벽 역할을 합니다. 이 막의 두께와 구성은 전체 저항 네트워크에 기여하여 한 층에서 다음 층으로의 열 흐름을 방해합니다.
접촉 응력
초기 간극 크기 외에도 층간의 실제 접촉 응력은 전도율에 영향을 미칩니다.
접촉 응력이 높을수록 미세 요철(표면 거칠기)이 변형되어 유효 접촉 면적이 증가합니다. 이는 총 열 전도율의 고체 전도 구성 요소를 향상시킵니다.
절충안 이해
장력 균형
권선 장력을 높이면 방사상 열전도율이 향상되지만, 만능 해결책은 아닙니다.
과도한 장력은 층간 눌림(확산 결합) 또는 코일 형상 변형과 같은 기계적 문제를 야기할 수 있습니다.
가스 대류의 한계
느슨한 코일에서 가스 대류에 크게 의존하면 불균일한 가열이 발생할 수 있습니다.
간극이 크면 가스 흐름이 더 좋아질 수 있지만, 방사상 열 전선의 균일성을 방해하여 코일 구조 내에 열 응력을 유발할 수 있습니다.
공정 매개변수 최적화
어닐링 공정을 효과적으로 관리하려면 기계적 제약과 열 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다.
- 가열 효율 극대화가 주요 초점이라면: 간극 크기를 최소화하고 고체 접촉 응력을 최대화하여 방사상 전도율을 높이기 위해 더 높은 권선 장력을 우선시하십시오.
- 표면 결함 방지가 주요 초점이라면: 산화막 두께를 모니터링하고 보호 가스 환경을 제어하여 기계적 압축에만 의존하지 않고 일관된 열 특성을 보장하십시오.
간극 크기와 접촉 응력의 특정 기여도를 이해하면 코일의 열 이력을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
요약표:
| 요인 | 영향 메커니즘 | 열전도율에 대한 영향 |
|---|---|---|
| 권선 장력 | 층간 간극 크기 감소 | 접촉 개선을 통한 전도율 증가 |
| 보호 가스 | 간극 내 열 전달 촉진 | 고전도성 가스는 방사상 열 흐름 향상 |
| 접촉 응력 | 표면 미세 요철 변형 | 층간 고체 전도 면적 증가 |
| 산화막 | 열 장벽 역할 | 열 저항 추가로 전도율 감소 |
| 표면 거칠기 | 물리적 접점 제한 | 높은 거칠기는 일반적으로 고체 전도 감소 |
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참고문헌
- Yang Xiao-jing, Yu-Ren Li. Study of heat transfer model and buried thermocouple test of bell-type annealing furnace based on thermal equilibrium. DOI: 10.1038/s41598-025-97422-4
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