KR100258008B1

KR100258008B1 - 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법

Info

Publication number: KR100258008B1
Application number: KR1019970705634A
Authority: KR
Inventors: 고이치 사쿠라이; 다쓰루 시부야; 히사모토 와카바야시; 고이치 와키; 세이지 스기야마; 가즈노리 나가이
Original assignee: 아사무라 타카싯; 신닛뽄세이테쯔 가부시키가이샤
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 2000-06-01
Also published as: US5885382A; EP0815268A1; DE69611033T2; EP0815268B1; WO1997024468A1; CN1075838C; JP3365469B2; BR9604885A; TW420718B; JPH09235626A; KR19980702237A; DE69611033D1; CN1176668A

Abstract

본 발명은 가열공정(A), 균열공정(B), 적어도 후반에 급냉처리공정을 가지는 1차 냉각 공정(C), 오버에이징공정(D), 및 최종냉각공정(E)을 가지는 강철 스트립의 연속어닐링에 있어서의 1차 냉각방법으로서, 냉각처리 공정에 사용하는 비활성 가스내의 H₂가스 농도가 30∼60%의 비산화성 가스를 사용함과 동시에, 그 냉각가스의 분출 온도가 30∼150℃이며, 분출 속도가 100∼150m/초인 것을 특징으로 하는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법에 관한 것이다. 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법은 적은 비용으로 급냉 공정을 높은 효율로 수행할 수 있는 급냉 공정을 제공한다.

Description

강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법

제1도는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법을 적용한 박판용 연속 어닐링 라인을 나타내는 설명도이다.

제2도는 연속 로 영역내의 강철 스트립의 통과 시간 및 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.

제3도는 급냉 처리 장치의 사시도이다.

제4도는 냉각 가스 추출을 위한 분출 가스 박스 및 노즐의 정면도이다.

제5도는 분출 가스 및 노즐의 단면도이다.

제6도는 노즐 조작 면적비 및 분출 동력 지수 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

제7도는 분출거리에 대한 노즐의 구멍 내경과 분출 동력 지수의 관계를 나타내는 그래프이다.

제8도는 가스 실링 장치의 설명도이다.

제9도는 강철 스트립의 플러터링을 방지하는 냉각 가스 분출 속도의 상한선과 냉각가스 중 H₂가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

제10도는 급냉 영역의 조작 비용과 H₂가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 다른 그래프이다.

제12도는 급냉 영역내의 강철 스트립의 온도와 통과 시간 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

제13도는 가스 농도와 열전달 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하에서 본 발명은 첨부되는 도면을 참고로 하여 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 실시예에 있어 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법을 적용한 연속 어닐링 라인(10)의 로 영역(10a, 이하, ‘연속 어닐링 로’라 칭함)이 제1도에 도시되어 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 연속 어닐링 로(10a)는 가열 영역(11), 균열 영역(12), 1차 냉각 영역(13)을 포함한다. 1차 냉각 영역(13)은 전반부의 서냉영역(13a) 및 후반부의 급냉영역(13b)으로 이루어진다.

연속 어닐링 로(10a)의 입구 측면에서 재료 코일을 풀기 위한 리코일러(16), 선행 및 후행 강철 스트립을 접속하는 용접기(17), 전해 세정 등을 행하는 전처리장치(18), 및 입구 루퍼(19)를 구비한다. 연속 어닐링 로(10a)의 출구 측면에는 운반 루퍼(20), 조질압정기(21), 강철 스트립의 마름질, 검사 및 도유 등의 처리를 행하는 마무리 장치(22), 제품 코일단위로 강철 스트립을 절단하는 분할 절단기(23) 및 제품 코일을 감는 코일러(24)를 구비하고 있다.

제3도는 1차 냉각 영역(13)의 후반부에 급냉처리영역(13b)을 포함하는 급냉장치(13c)를 도시하고 있다. 복수개의 안정화 롤(25)에 의해 지지되는 강철 스트립(26)을 샌드위치 하도록 방출 가스 박스(27 및 28)가 제공된다. 냉각가스를 공급하기 위한 일원화된 방출관(30)이 단면이 Y-자형인 분지된 방출관(29)와 평행한 복수개의 댐퍼(27a 및 28a)를 통하여 강철 스트립(26)의 일면에 위치한 방출 가스 박스(27 및 28)의 일면에 연결된다.

강철 스트립(26)상에 방출된 냉각 가스를 수집하는 흡인 덕트(31)가 강철 스트립(26)의 다른 면에 제공된다. 냉각 가스를 수집하기 위한 이러한 관(31)은 그 하부에 냉각제로서 물과 같은 것을 사용하는 열 교환기(32)를 제공하는 일원화된 흡인 덕트(31a)의 상부에 연결된다. 가열된 냉각 가스는 열교환기(32)에 의해 냉각되고 하부관(33)을 통하여 블로우어(34)에 도입된다. 열교환기(32)에 부가하여, 냉각제로서 플루오로카본, 암모니아 등을 사용하는 냉각기가 제공되어 열교환기(32)에 의해 냉각되는 냉각가스를 더 냉각할 수도 있다.

제3도에 있어서, 도면의 부호 35는 가스 블로우어(34)에 대한 구동모터를 나타내며, 각 화살표는 냉각 가스의 흐름방향을 나타낸다.

방출 가스 박스(27 또는 28)는 제4도 및 제5도에 도시되어 있다. 각각 이 짧은 관으로 이루어진 다수의 노즐(36)이 방출 가스 박스(27)의 정면에 제공된다. 각각의 노즐(36)은 원형 공극 단면을 가지는 원통형 튜브로 이루어지며, 강철 스트립(26)으로 돌출되어 있다. 노즐(36)의 방출구의 내경은 예컨대, 9.2mm이다. 이들 노즐(36)은 지그재그형으로 방출 가스 박스(27) 앞면에 배열된다. 또한, 노즐(36)은 노즐의 전체 개구 면적이 방출 가스 박스(27)의 앞면적의 2 내지 4%를 점유하며, 냉각가스가 균일한 유속으로 노즐(36)을 모두 통과하도록 형성된다. 제6도는 노즐 개구 면적비(방출 가스 박스(27)의 앞면적에 대한 노즐(36)의 개구 면적 퍼센트) 및 블로우어(34)의 모터 동력 지수를 나타낸다. 제6도에 나타낸 바와 같이, 최대 효율은 약 2 내지 4%의 노즐 개구 면적비에서 나타난다. 이러한 결과는 노즐(36)로부터 방출된 냉각가스의 량이 동일하기만 하면, 노즐(36)의 개구 면적 퍼센트가 4%를 초과하는 경우, 냉각가스의 유속이 너무 낮게 되고, 노즐(36)의 개구 면적 퍼센트가 2%를 넘지 않는 경우, 냉각 가스의 유속이 너무 증가하게 되며, 따라서, 노즐(36)에서 압력 손실이 크게 되는 것으로 해석된다.

또한, 강철 스트립(26)의 표면에 대한 노즐(36)의 팁단부로 부터의 거리, 즉 제5도에 도시된 바와 같은 방출 거리 d는 70mm 이하이며, 각 노즐(36)의 돌출길이는(100mm-d) 이상으로 설정된다. 이는 만일 노즐(36)로부터 강철 스트립(26)까지의 거리 d가 증하는 경우, 강철 스트립(26)의 표면상에 방출된 냉각 가스의 유속이 매우 약해지기 때문이다. 각 노즐(36)의 돌출 길이(100mm-d)이상으로 설정하는 이유는 돌출되는 노즐(36) 중 냉각 가스의 탈출 공간을 한정하여, 강철 스트립에 의해 가열되고 방출된 냉각 가스가 강철 스트립(26)의 표면에 재대피하고 냉각 성능이 분배되지 않도록 함으로써 냉각 효율을 개선시킬 뿐 아니라 강철 스트립의 너비 방향으로 냉각 균일성을 개선시킬 수 있다.

이제, 방출 개구의 내경에 대하여 기술한다. 제7도는 방출 거리 d에 대한 노즐 개구의 내경과 블로우어(34)의 동력 지수의 비율만큼 감소한다. 또한, 노즐(36)을 통하여 냉각 가스를 방출함으로써, 높은 냉각 성능을 알기 위하여, 노즐 축 근처에 위치하고, 최대 냉각 성능을 가지는 냉각 가스의 각 제트 기류 부분이 강철 스트립(26)위에 조밀하고 균일하게 분포하는 것과 같이 높은 밀도로 노즐(36)을 배치할 필요가 있다. 따라서, 노즐 개구의 내경은 가능한 한 적다. 그러나, 노즐 개구의 내경이 급격히 감소하면 노즐의 수가 증가하고, 시설 및 유지비용이 증가한다. 이들 간의 양립된 입장을 고려하여, 노즐 개구의 내경은 바람직하게는 거리 d의 1/5이하이며, 가공된 방출 개구가 실질적으로 3mm 이상이다.

급냉처리영역(13b)에 인접하게 배치된 서냉영역(13a) 또는 오버에이징 영역(14)으로부터 다른 종류의 가스가 급냉처리영역(13b)에 혼합되는 경우, 이는 급냉처리영역(13b)내의 냉각 가스내의 H₂농도를 감소시키는 문제를 일으킨다.

또한, 급냉처리영역(13b)내의 냉각 가스로서 고농도의 H₂가스가 사용되기 때문에 급냉처리영역(13b)은 내-폭발 시스템을 갖추고 있어야 한다. 따라서, 제8도에 도시된 바와 같은 가스 실링장치(38)는 연속 어닐링 라인(10)내의 1차 냉각 영역(13)의 후반부에서 급냉처리영역(13b)의 업스트림 및 다운스트림 각 측면에 제공된다. 급냉처리영역(13b)과 오버에이징 영역(14) 사이에 개입된 가스 실링 장치(38)가 이하에 기재되며, 서냉영역(13a) 및 급냉처리영역(13b) 사이의 실링 장치(38)도 동일한 구조를 갖는다.

급냉처리영역(13b)의 출구(39) 및 오버에이징 영역(14)의 입구(40) 사이에 가스 실링 장치(38)가 제공된다. 가스 실링 장치(38)는 러닝 강철 스트립(26) 위 아래에 배치되고, 강철 스트립(26)의 정상부와 바닥에 대면하는 실릿형 흡입 개구(41)를 가지는 가스 흡입 챔버(42) 및 가스 흡인 챔버(42)의 위 아래 양면에 배치되고 강철 스트립(26)의 해당 표면에 대향하는 슬릿형 방출 개구(43)를 가지는 대기 가스 방출 챔버(45 및 46)를 포함한다.

급냉처리영역(13b)내의 냉각 가스는 강철 스트립(26)의 입구면에 상하 가스 방출 챔버(45)에 원형 블로우어(47)를 통하여 공급되며, 급냉처리영역(13b)을 향해 방출 개구(43)로부터 흐르는 가스의 스트림을 형성하기 위하여 강철 스트립(26)의 정상 및 바닥 표면에 방출되어, 급냉처리영역(13b)을 나와 가스 실링 장치(38)로 들어가는 것을 방지한다. 이와 유사하게, 오버에이징 영역(14)내의 대기가 오버에이징 영역(14)으로 방출구(44)로부터 흐르는 가스 스트림을 형성하기 위하여, 원형 블로우어(48)을 통하여 강철 스트립(26)의 운반 측면에 상하 가스 방출 챔버(46)에 공급되고, 오버에이징 영역(14)을 빠져나와 가스 실링 장치(38)로 유입되는 것을 방지한다.

방출 개구(43)로부터 추출된 냉각 가스중 일부는 강철 스트립(26)의 공급방향을 향하여 흐르며, 방출 개구(44)로부터 추출된 대기 중 일부는 강철 스트립(26)의 공급 방향과 반대 방향으로 흐른다. 그러나, 가스 흡인 챔버(42)는 가스 방출 챔버(45 및 46)사이에 배치되고, 냉각 가스와 대기 부분은 흡입 개구(41)을 통하여 흡인되며, 소모 블로우어(49)에 의해 내부로 방출된다. 소모 블로우어(49)의 조작에 의해 방출됨으로써 일어나는 급냉처리영역(13b)과 오버에이징 영역(14)의 가스 부족에 대응하여, 미리 제조된 냉각 가스와 대기가 각각의 영역으로 공급된다.

따라서, 냉각 가스가 급냉처리영역(13b)으로부터 고농도의 H₂가스를 포함하고 오버에이징 영역(14)으로 유입되는 것을 방지하여, 긍정적인 가스 실링을 달성하고, 냉각 가스의 농도를 일정하게 하며, 고농도의 H₂가스의 누설을 예방할 수 있고, 비싼 가스의 소모를 절감하며, 조작에 있어 안정성을 확고히 할 수 있다.

제1도 및 제2도를 참고로 하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 하여 강철 스트립이 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법에 중점을 두고 연속 어닐링 라인(10)의 조작의 개략에 대하여 기술한다.

리코일러(16)로부터 풀려진 강철 스트립(26)은 용접기(17)에 의해 다른 선행 강철 스트립과 결합되고, 전기 세정기 등을 포함하는 전처리장치(18)로 보내진다. 그 후, 강철 스트립(26)을 재결정 온도(가열 단계 A)이상으로 가열되는 연속 어닐링 로(10a)의 가열 영역(11)으로 입구 루퍼(19)를 통하여 공급된다. 따라서, 강철 스트립(26)이 특정 시간(균열단계 B) 동안 700∼800℃의 온도로 유지되는 균열 영역(12)으로 공급된다. 이들 단계 A 및 B 중에, 강철 스트립(26)이 재결정되고, 성장이 진행되어, 연화되고 높은 가공성을 나타내게 된다. 그러나, 강철 스트립(26)이 높은 온도에서 열처리될 때 매트릭스내에서 용해되기 때문에, 강철 스트립(26)이 균열 단계 직후 냉각되지 않으면 고용액 상태의 탄소가 다량으로 존재하게 된다. 고용액 상태의 탄소가 존재하는 것은 이러한 탄소가 시간의 경과됨에 따라 침전되어 강철 스트립(26)을 단단하게 하고, 큰 강복점신장을 일으키기 때문에 바람직하지 못하다.

따라서, 강철 스트립(26)내의 고용액 상태의 탄소량을 감소시키기 위하여, 강철 스트립(26)은 균열 직후, 오버에이징 영역(14)에서 오버에이징 처리된다. 오버에이징 영역(14)에서, 강철 스트립(26)은 특정 온도범위(약 400℃)에서 특정 시간 동안 방치되어, 고용액 상태의 탄소가 확산되도록 한다. 따라서, 고용액 상태의 탄소는 세멘타이트(Fe₃C)로서 침전되며, 강철 스트립(26)내의 고용액 상태의 탄소가 크게 감소된다(오버에이징 단계 D).

오버에이징 처리를 촉진시키기 위하여, 강철 스트립(26)이 균열단계 후, 먼저 서냉영역(13a)에서 A₁변형 온도(723℃) 이하의 특정 온도 Ts로 서서히 냉각되고, 급냉처리영역(13b)에서 오버에이징 온도로 급히 냉각된다. 이러한 급격한 냉각은 급냉단계의 종결시(제2도의 온도 T_E), 과포화 된 조건을 야기하며, Fe-C평형 다이어그램내의 동일 온도에서 허용가능한 탄소의 한계 용해도를 초과하는 량으로 페라이트 매트릭스내에 존재한다. 이러한 과포화 조건은 오버에이징 처리중에 세멘타이트로 고용액 상태의 침전을 촉진시킨다.

균열단계 이후, 상기한 바와 같이, 강철 스트립(26)이 1차 냉각의 전반부에서 서서히 냉각되어, A₁변형 온도(723℃) 이하의 특정 온도 Ts로 된다. 이러한 서냉은 페라이트 매트릭스내의 고용 상태 탄소의 량을 증가시켜 만족스런 조작을 위한 냉각 버클과 같이 강철 스트립의 편평 뒤틀림을 방지하는 것이다. 따라서, 조작 온도의 견지에서, Ts이 상한 온도는 700℃이다.

또한, 제2도에 도시된 바와 같이, Ts가 급냉을 개시하는 온도이고, 급냉이 종료되는 오버에이징 온도와 매우 가까운 경우 중요하지 않기 때문에, Ts의 하한 온도는 600℃이다.

또한, 급냉 종료 온도 T_E의 상한은 오버에이징 개시 온도의 상한과 동일하여, 450℃이다. 1차 냉각의 후반에서 수행되는 급냉 단계, 즉 급냉처리영역(13b)의 냉각 속도는 상기 과포화 조건을 얻기 위한 금속학적 견지에서 60℃/초, 바람직하게는 80℃/초이다. 즉, 냉각속도가 60℃/초 미만인 경우, 생성물로서 강철 시트내의 고용액 상태의 탄소량이 너무 크고, 생성물이 너무 단단하여, 프레스 성형중 가공성을 나쁘게 한다(1차 냉각 단계 C).

따라서, 강철 스트립(26)은 오버에이징 처리 후, 서서히 냉각되어 최종냉각 영역(15)에서 실온으로 된다(최종냉각단계 E).

고강도의 강철 스트립을 제조하는 경우, 특히, 마르텐사이트가 페라이트 매트릭스에 혼합된 2중상 타입의 고강도 스트립을 제조하는 경우, 어닐링 사이클은 강철 스트립(26)이 A₁변형 온도(가열 단계 A′)까지 가열되도록 변형되며, 가열된 강철 스트립(26)은 균열 영역(12)내에서 동일한 온도를 유지하여, 페라이트와 오스테나이트의 2상 상태를 생성하며(균열단계 B′), 급냉처리영역(13b)에서 급냉 개시 온도 Ts로부터 급속히 냉각되기 전에, 서냉영역(13a)에서 서서히 냉각된다. 또한, 급냉 종료 온도 T_E′는 마르텐사이트 변형 온도 Ms보다 낮은 온도(화학 조성물에 따라 다르나, 약 250℃)이고, 오스테나이트는 마르텐사이트로 효과적으로 변형된다. 따라서, T_E′의 하한선은 200℃이다. 급냉단계에서의 냉각 속도가 충분하지 않은 경우, 냉각 곡선은 페라이트, 퍼얼라이트 등으로의 변형이 시작되고 오스테나이트 일부가 이러한 상으로 변형되는 연속 냉각 변형 다이어그램에서의 노우즈(Nose)에 의해 걸린다. 상기와 같은 이유로, 금속학적 견지에서 냉각 속도는 60℃/초의 냉각 속도가 요구된다. 합금 성분을 절감하기 위한 시도로서, 냉각 속도를 100℃/초 이상이 되게 한다. 이러한 경우가 제2도에 일점쇄선으로 나타나 있다. 구체적으로, 강철 스트립은 1차 냉각 단계 C′에서 약 200℃로 급속히 냉각되고, 오버에이징 영역(14)에서 저온 유지단계 D′에 부가되며, 최종냉각단계 E′로 이전된다.

따라서, 연속 어닐링로(10a)의 급냉영역(13b)의 냉각능력은 냉각속도를 CR, 강철 스트립 두께를 t로 하고, 연속 어닐링로(10a)에서 어닐링하는 강철 스트립의 판두께가 약 1mm 정도인 것을 고려하면, 상기한 (1)식이 성립하여야 한다.

한편, 전열이론에 의하면 열전달계수 a(kcal/m²h℃)는 다음 (2)식인 것으로 나타낼 수 있다.

CR=k·a/t(여기서, k는 정수) … (2)

이 (2)식을 변형하면 다음 (3)식과 같이 된다.

CR·t=k·a…(3)

이것을 상기한 (1)식에 대입하면 (4)식과 같이 된다.

k·a ≥ 60℃·mm/초 … (4)

여기서, 급냉영역(13b)을 제3도에 나타낸 바와 같은 급냉장치(13c)로 특정지은 경우에는, 정수(k)의 값이 정해지고, 이 값을 (4)식에 대입하면, 상기 (1)식의 조건을 만족시킨 열전달계수(a)의 값은 (5)식과 같이 된다.

a ≥ 410kcal/m²h℃ … (5)

상기 급냉처리공정에 상술한 바와 같이 기수냉각을 사용하면, (5)식을 만족하는 냉각은 가능하지만, 강철 스트립(26) 표면에 얇은 산화막이 형성되고, 어닐링후의 후처리로 약산성세제, 산성세제 린스, 화성성(phosphatability) 향상을 위한 특수처리, 최종린스 공정이 필요하게 되므로 설비 비용이 증가하는 결점이 있다. 여기서, 비산화성 가스의 재트류를 강철 스트립(26)에 내뿜어 급냉하는 방법에 주목하였다. 표 1에 100℃에서의 질소가스(N₂) 95%와 수소(H₂) 가스 5%의 혼합가스 냉각기능을 1로 한 경우의 사용 가능한 각 가스의 냉각기능비를 나타낸다. 표 1에 의하면 H₂가스 농도가 높은 냉각 가스를 이용함으로써 높은 냉각 기능을 얻을 수 있게 되지만, 이것은 H₂가스 열전도율이 H₂가스의 약 7배라고 하는 물성치 상위에 의한 것이다.

[표 1]

먼저 본 출원인이 제안한 일본국 특공평 2-16375호 공보에 있어서는, 상기 기수냉각 대신에 표 1의 기준 가스인 폭발한계 내의 5% H₂나머지 N₂가스인 냉각가스가 사용되고, 이와 같이 5% H₂나머지 N₂가스인 냉각 가스를 이용한 실제의 조업으로는, 노즐 앞끝에서 가스를 분출 속도를 100m/초 정도까지 올린 고속가스 냉각법이 행해지고, 이하의 (6)식을 만족하는 냉각능력을 달성하고 있다.

CR·t=30∼50℃·mm/초 … (6)

본 발명은 상술한 바와 같이, 새롭게 밝혀진 야금학적 요청에서, 상기 (1)식을 만족하도록 다시 급냉영역(13b)의 냉각능력을 높히는 것으로, 5% H₂나머지 N₂가스인 냉각가스의 냉각능력이 상기 (6)식을 만족시키는 것, 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 100%의 H₂가스는 냉각능력이 5% H₂나머지 N₂의 약 1.7배가 되는 것에서, 100%의 H₂가스 냉각가스로서 사용하면, 일단 상기 (5)식은 만족한다고 생각된다. 그렇지만, 냉각가스의 일부는 제8도에 나타낸 바와 같이 배기 블로우어(49)에서 배기하고 있으므로, 순차공급 할 필요도 있고, H₂가스의 농도를 과도하게 높게 하면 설비전체의 운전 비용이 높아진다. 더욱이, 표 1에 의하면 He가스를 사용하는 것도 고려되지만, He가스는 가스자체가 극히 고가이므로 현실적이지 않다.

그렇지만, 급냉영역(13b)의 냉각정도를 나타내는 상기한 열전달계수(a)는, 본 발명자가 파이롯트 라인 테스트에 의해 얻은 실험식에 따르면, 냉각가스의 노즐에서 분출 속도(V) 및 냉각가스 종류와의 관수로 다음 (7)식과 같이 나타낼 수 있다.

a=K·λ^a·V^b(여기서, a＞0, b＜0) … (7)

λ : 가스의 종류에 따라 변하는 정수,

V : 방출 속도,

K : 정수

(7)식에서, 냉각가스의 속도(V)를 빠르게 하면 열전달계수(a)는 커지므로, 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교적 비용이 드는 100% H₂가스를 사용하지 않아도 냉각가스를 분출속도를 크게 함으로써, 냉각능력 향상을 도모할 수 있음을 알 수 있다. 그렇지만, 냉각가스를 분출 속도를 일정이상으로 증대시키면, 블로우어 운전을 위한 전력비용이 급격하게 증대함과 동시에, 냉각하는 강철 스트립(26)에 플러터링을 발생시키고, 단위체적당 중량이 큰 N₂가스의 비율이 증가하면 이 경향이 현저하게 된다. 이는 판에 플러터링을 발생시키는 힘은, 분출 가스의 운동 에너지에 가장 강하게 영향받는다(비례한다)고 생각되며, 분출 가스의 운동에너지(E)는 이하의 식과 같이 나타나기 때문이다.

E=γ/2g×v²… (8)

(여기서, γ는 가스의 비중, g는 중력의 가속도, v는 가스의 유속)

강철 스트립(26)에 플러터링이 발생하면, 강철 스트립(26)이 냉각 가스의 노즐(36) 앞끝등에 닿아서 강철 스트립(26)에 긁힘이 발생하는 등 문제가 있다. 여기서, 제3도에 나타낸 바와 같은 장치를 사용하여, 냉각 가스온도를 일정(100℃)하게 하고, H₂가스 농도를 바꾼 냉각 가스를 강철 스트립(26)에 내뿜고, 플러터링을 일으키는 한계 분출 속도를 검토한 결과를 제9도에 나타낸다. 그리고, 이 플러터링을 일으키는 한계는, 강철 스트립의 판 두께(t) 및 장력에 의해 다소 변화된다. 또, 제3도에 나타낸 스터비라이징롤(25)의 간격을 짧게 함으로써 완화되므로, 냉각가스의 분출 속도를 크게 할 수도 있다.

우선, 상기 (1)식의 조건을 좌우하는 것에 냉각가스 온도가 있다. 냉각가스는, 물을 냉매로 하는 열교환기에 의하여 냉각되는 것이므로, 냉각가스의 온도를 30℃ 미만으로 하는 경우에는 냉동기를 사용해야 하므로, 경제적이지 못하다. 또한 냉각가스의 온도가 150℃를 넘는 경우에는, 가스로서의 냉각효율이 나빠 실용적이지 못하다.

제3도에 나타낸 급냉장치(13c)에서는 강철 스트립(26) 냉각에 사용한 냉각 가스는, 흡인 덕트(31)에서 흡인되어 열교환기(32)에 의해 열교환되고 있다. 이 열교환기(32)의 냉매에는 저렴한 가격의 물을 사용하고 있으므로, 열교환기(32)를 통과한 냉각가스 온도는 80∼150℃로 되지만, 효율적인 냉각을 하여 80∼100℃정도로 하는 것이 경제적으로도 보다 바람직하다. 또, 상기 열교환기(32)에 플론이나 암모니아 등을 냉매로 하는 냉매기를 부가하여 냉각가스 온도를 30∼80℃로 하는 것도 가능하고, 이에 따라 다시 효율적인 강철 스트립 냉각을 할 수 있다.

다음에, 냉각가스중의 H₂가스 농도를 낮게 하면 H₂가스 농도가 증가하며, H₂가스는 저렴한 가격이므로 사용할 냉각 가스값은 저렴하게 된다. 그렇지만, 냉각 가스중 H₂가스 농도를 작게 하면 H₂가스 농도가 커져서 냉각 가스 단위 체적당 중량이 커지며 블로우어등의 전력비가 상승된다. 또 표 1에서도 미루어 알 수 있는 바와 같이, 냉각 가스중의 H₂가스 농도를 증가시키면 열전달계수는 증가하게 된다. 상기 (1)식을 만족시키는 조건으로, 냉각 가스중의 H₂가스 농도를 바꾼 경우의 냉각 가스 러닝 비용에 대하여 조사한 실험예 1 및 실험예 2의 결과를 제10도, 제11도에 각각 나타낸다. 그리고, 냉각 가스 중 H₂가스량이 감소하면 열전달계수가 작아지므로, 그 분량은 표 2에 나타낸 바와 같이 냉각가스 노즐에서의 분출 속도로 보충되고 있다.

[표 2]

제10도에서 두께가 0.798mm이며 폭이 1300mm인 강철 스트립을 270m/분으로 반송하여 강철 스트립 온도를 675℃에서 410℃로 급냉시킨 경우의 강철 스트립 1톤당 냉각 가스의 러닝 비용을 나타낸다.

그리고, 제11도에는 두께가 0.633mm, 폭이 1300mm의 강철 스트립을 260m/분으로 반송하여, 강철 스트립온도를 670℃에서 270℃로 급냉했을 경우의 강철 스트립 1톤당 냉각 가스의 러닝 비용을 나타낸다. 제10도, 제11도에 있어서, 점선은 냉각 가스비용을, 쇄선 전력비용을, 실선은 이들을 합한 경우의 종합비용이다.

제10도에 있어서는, 냉각 가스 중 H₂가스 농도가 약 45%인 경우가, 제11도에 있어서는 약 55%인 경우가 러닝 비용이 가장 많이 내려간다.

또한, H₂농도가 60% 이상에서는 냉각능력이 포화하기 때문에 60% 이상으로 할 경우 코스트만 높아질 뿐이고, H₂가스의 농도가 30% 미만이면, 열전달계수도 낮아져 냉각능력이 나쁘게 되는 것 외에, 중량이 무거운 N₂가스가 증가하기 때문에, 팬의 전력비용이 높아진다. 따라서 이들의 밸런스를 도모하여 가장 경제적인 범위를 제10도, 제11도에서와 같이 H₂가스농도를 30∼60%로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 노즐 형상 및 배치, 냉각 가스 속도 등의 냉각 조건을 일정하게 한 경우의 열전달계수(a)는, 제12도에 나타낸 바와 같이 급냉처리를 하는 실제 조건의 데이터에서 다음에 (9),(10)식에 의해 계산하였다.

a=A·t·(i₁-i₂)/(△T·θ) … (9)

△T=(T₁-T₂)/1n(T₁-Tg)/(T₂-Tg) … (10)

여기서, T₁:강철 스트립의 입구측 온도, T₂:강철 스트립의 출구측 온도, i₁:입구측 강철 스트립의 엔터피, i₂:출구측 강철 스트립의 엔터피, θ:강철 스트립의 통과시간, A:정수, t:강철 스트립의 두께, Tg:냉각 가스 온도를 나타낸다.

냉각 가스를 분출 속도를 130m/초, 및 100m/초로 하여, H₂가스 농도를 여러 가지로 변환시킨 경우의 데이터에서 계산한 열전달계수(a)를 제13도에 나타낸다. H₂가스 농도가 60%를 넘으면, 열전달계수(a)가 포화하고 있음을 알 수 있다. 따라서, H₂가스 농도가 60%를 넘는 H₂가스를 사용해도 큰 냉각효과가 없게 된다.

또한, 야금학적 조건에서 이끌어낸 상기 (5)식 조건을 제13도에 적용하면, 냉각 가스를 분출 속도(V)가 100m/초 이상이며, 동시에 H₂가스 농도가 30% 이상인 것이 필요하게 된다.

제9도∼제13도의 결과에서 냉각 가스중 H₂가스 농도는 30∼60%를 사용하는 것이, 경제적으로 상기 (1)식 조건을 얻는 냉각 능력을 주는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 강철 스트립에 플러터링을 발생시키지 않는 냉각가스의 최대속도는 제9도에서 115∼150m/초임을 알 수 있지만, 이상의 다른 냉각조건을 만족시켜 상기 (5)식을 만족시키면 냉각 가스를 분출 속도의 하한은 100m/초가 되며, 이것 미만인 경우에는 상기 (5)식을 만족하는 냉각능력을 줄 수 없다. 이것은, H₂가스 농도를 5%로 하여, 냉각속도를 100m/초로 하면 상기 특공평 2-16375호 공보기재의 기술인 CR·t가 30∼50℃·mm/초이므로, 이 조건에서 H₂가스농도를 30∼60% 정도로 증가시키면, 냉각능력이 증가하여, CR·t가 60℃·mm/초 이상이 된다고 이해할 수 있고, 제13도에서도 명확하다. 그리고, 실험에 의하면, 냉각 가스농도가 100m/초 미만인 경우에는, 강철 스트립(26) 표면에 부착하여 유동하지 않는 부동층(경계층이라고도 한다.)이 형성되기 쉬워지고 열전달계수가 작아진다.

상기 실시 형태에 있어서는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 구체적 숫자에 의거하여 설명했지만, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 정도의 변경은 당연히 가능하며 이 경우에도 본 발명은 적용된다.

본 발명에 따른 강철 스트립 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법에서는, 냉각 가스 H₂농도, 온도, 분출 속도를 적절하게 선택함으로써, 냉각능력과 경제성 모두를 만족하는 최적의 냉각조건을 얻을 수 있었다.

특히, 일차 냉각에서의 급냉처리 개시온도를 600∼700℃로 하고, 급냉 종료온도를 200∼450℃로 하며, 다시 냉각속도 × 강철 스트립의 판두께(CR·t)를 60℃·mm/초 이상으로 하고 있으므로, 강철 스트립 야금학적 필요조건을 만족하여 연강판에서는 보다 효율적인 오버에이징 처리가, 고강도 강판에서는 보다 효율적인 형태 변형 처리를 행할 수 있다.

또한, 냉각 가스를 분출하기에 강철 스트립을 향하여 돌출하는 원형구멍 노즐을 이용하고, 그 원형구멍 노즐의 앞끝단과 강철 스트립과의 거리를 70mm 이하로 했으므로, 노즐에서 분출 유속이 큰 냉각가스가 효율좋게 강철 스트립에 닿으며, 이에 따라 강철 스트립 표면에 부동층을 형성하지 않고 효율적으로 냉각이 가능하다.

그리고, 냉각 처리를 행하는 로(瀘) 영역과 근접하는 로 영역 사이의 가스실을 행하고 있으므로 폭발방지 구조로 되고, 상술한 바와 같이 냉각 가스에 폭발한계를 넘는 30∼60% H₂가스를 안전하게 사용할 수 있다.

본 발명은 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법에 있어서, 냉각 가스에 H₂가스를 포함하는 비산화성 가스의 분출로 급속 냉각하는 방법에 관한 것이다.

냉간 압연후의 강철 스트립은 너무 단단하여 가공성이 거의 없기 때문에 그대로 프레스 성형을 할 수 없고, 따라서, 더 이상의 처리를 하지 않고는 실용적으로 사용할 수 없다. 강철 스트립의 가공성을 향상시키기 위하여는, 강철 스트립의 결정 입도를 충분히 크게 하고, 강철 스트립에 포함되는 고용탄소를 가능한 적게 할 필요가 있다.

이를 위하여, 가열공정, 균열공정, 적어도 후반에 급냉처리공정을 가지는 1차 냉각 공정, 오버에이징공정, 및 최종냉각공정을 가지는 강철 스트립의 연속 어닐링 처리를 한다. 보다 상세하게는, 냉간 압연 후의 강철 스트립을 재결정온도 이상으로 가열하고, 700∼850℃의 균일한 온도에서 일정시간 유지하여 결정이 생기게 한다. 균열 단계 중 용해된 탄소가 고용액 상태로 생성되며, 이는 다음 단계에 무리없이 설정될 수 있다. 따라서, 일차 냉각의 전반부에, 강철 스트립이 특정 온도(600∼700℃)까지 서서히 냉각되어, 페라이트지내의 고용상태 탄소량을 증가시키고, 만족스런 조작을 위한 냉각 버클과 같은 강철 스트립의 평탄성의 뒤틀림을 방지한다. 1차 냉각의 후반부에 있어, 강철 스트립은 빠르게 냉각되어, 오버에이징 온도(약 400℃)까지 내려간다. 강철 스트립은 일정 시간 동안 오버에이징 온도로 유지되고 고용액 상태의 탄소를 세멘타이트로서 분출시켜 고용 탄소를 감소시킨다. 강철 스트립은 마지막으로 최종 냉각된다.

강철 스트립을 급냉 시키기 위하여, 1차 냉각의 후반부에 물-가스 혼합물에 의해 냉각이 이루어지는 경우, 산화 필름은 강철 스트립의 표면에 형성되어, 연속 어닐링 직후, 산 절임과 같은 후처리가 요구된다. 상기와 같은 견지에서, 냉각 가스가 다량의 H₂를 포함하는 N₂를 기본으로 하는 비활성 가스를 분출시킴으로써 강철 스트립을 냉각하는 방법이 일본 특공소 55-1969 및 일본 특개평 6-346156호 공보에 제안되어 있다.

상기 인용례가 H₂가스 농도가 8∼90%의 범위로 H₂가스를 조정하는 것이 기재되어 있으나, 이하와 같은 문제점들을 완전히 해결하지는 못하였다.

(1) H₂가스의 농도가 높아지면 냉각 능력이 확실히 증가하나, 이러한 H₂가스의 농도의 증가는 코스트를 높이게 된다.

(2) H₂가스의 농도가 내려가고, 노즐로부터의 가스의 분출 속도를 증가시키면, 높은 냉각능력을 달성할 수 있다. 그러나, 분출 속도가 일정 속도 이상이 되면, 통과하는 강철 스트립이 플러터링하는 경향이 있고 표면에 긁힘이 일어난다.

(3) 또한, H₂가스를 포함하는 냉각가스를 순환 사용하고, 부족분만을 공급하면, 비교적 냉각 가스를 사용할 수 있으나, 냉각하는 강철 스트립에 의해 냉각 가스가 가열되니까, 결과로서 고온의 가스로 되고 냉각 효율이 떨어지는 결점이 있으나, 종래 기술에 있어서는 적정한 냉각 가스의 온도에 대하여 고려되지 않았다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 결함을 극복하고자 이루어졌으며, 이러한 목적은 H₂가스 농도, 냉각 가스의 온도, 냉각 가스의 분출 속도를 다양한 실험 결과를 기초로 하여 적정하게 조절함으로써, 보다 저렴한 비용으로 보다 효과적인 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법을 제공하는 것을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가열공정, 균열공정, 적어도 후반에 급냉처리공정을 가지는 1차 냉각 공정, 오버에이징공정, 및 최종냉각공정을 가지는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법으로서, 상기 냉각처리공정에 사용하는 비활성 냉각 가스내의 H₂가스 농도가 30∼60%의 비산화성 가스를 사용함과 동시에, 그 냉각 가스의 분출 온도가 30∼150℃이며, 분출 속도가 100∼150m/초인 것을 특징으로 하는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법을 제공한다.

본 명세서에서, 용어 “분출속도”는 강철 스트립이 노즐로부터 축출될 때, 냉각 가스가 분출되는 속도를 의미한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 급냉 처리 공정의 개시 온도는 600∼700℃이고, 종료 온도는 200∼450℃이며, 냉각 속도 CR(℃/초)와 스트립 두께 t(mm)와의 관계가 이하의 식(1)을 만족한다;

CR·t ≥ 60℃·mm/초 …… (1)

보다 바람직하게는, 상기 1차 냉각 공정에 있어, 냉각 가스가 각각 원형 동공 단면을 가지고 상기 강철 스트립을 향하여 돌출되는 다수의 노즐을 사용하여 분출되며, 상기 노즐의 팁단부 사이의 거리 및 강철 스트립이 70mm 이하이다. 상기 1차 냉각공정에 있어서, 보다 더 바람직하게는, 가스 시일이 급냉처리영역과 그 인접 영역 사이에서 행해지며, 폭발 방지 시스템이 제공된다.

Claims

가열공정, 균열공정, 적어도 후반에 급냉처리공정을 가지는 1차 냉각 공정, 오버에이징공정, 및 최종냉각공정을 가지는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서의 1차 냉각방법으로서, 상기 급냉처리공정에 사용하는 냉각 가스로, H₂가스 농도가 30∼60%인 비산화성 가스를 사용함과 동시에, 그 냉각가스의 분출 온도를 30∼150℃, 그 분출 속도를 100∼150m/초로 하며, 상기 급냉처리공정의 개시 온도를 600∼700℃, 종료 온도를 200∼450℃로 하고, 그 냉각 속도 CR(℃/초)와 스트립 두께 t(mm)와의 관계가 이하의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법.

CR·t ≥ 60℃·mm/초
제1항에 있어서, 상기 냉각 가스의 분출에는 상기 강철 스트립을 향하여 돌출하는 원형구멍 노즐을 사용하고, 이 원형구멍 노즐의 앞끝단과 이 강철 스트립의 거리를 70mm 이하로 한 것을 특징으로 하는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강철 스트립의 급냉처리를 행하는 급냉처리영역과 그 인접 영역 사이에 가스시일을 행하여 폭발을 방지한 것을 특징으로 하는 강철 스트립의 연속 어닐링에 있어서 1차 냉각방법.