KR100325094B1 - 선재의균일냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간압연된 직후의 선재(4)를 일정피치의 링형태로 냉각대의 롤러 컨베이어(5)상에 적치하여 이송하고, 이송되는 선재를 냉각처리하도록 된 선재 제조설비에 있어서 선재의 냉각처리가 선재의 폭방향 전부위에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 할 수 있는 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명에 따른 장치는 이송 선재(4)의 상하부에 선재의 폭방향을 따라 스프레이 노즐(12)들과 미스트 노즐(13)들을 복수열로 배치하고, 상기 선재(4)가 이동되는 냉각대의 적소에는 상기 선재(4)의 폭방향 온도분포를 측정할 수 있는 온도분포측정수단(8)을 설치하여 이 온도분포측정수단(8)으로부터 측정된 선재의 폭방향 온도분포에 따라 상기 노즐(12)(13)들의 작동이 제어되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명을 통해 링형상으로 권취되어 냉각대를 통과하는 선재(4)의 폭방향 전부위에 걸쳐 균일한 냉각이 이루어지게 됨으로써 이러한 선재의 재질편차를 최소화할 수 있는 효과가 얻어진다.

Description

선재의 균일냉각 장치

본 발명은 열간압연된 직후의 선재를 일정피치의 링형태로 권취제조하는 설비에 있어서 냉각대의 롤러 컨베이어상에 적치되어 이송되는 선재를 선재의 폭방향 온도편차 없이 균일하게 냉각처리할 수 있도록 된 선재의 균일냉각 장치에 관한 것이다.

도1은 본 발명이 관련된 선재 제조설비로서 종래의 전형적인 선재 제조설비의 구성개요를 보여 준다. 압연기(1)에 의해 압연되고 수냉장치(2)에 의해 냉각된 열간압연 선재(4)는 권취기(3)에 의해 권취되어 컨베이어(5) 위에 링모양으로 적치되어 이송된다. 이때, 컨베이어(5)의 하부에 설치된 송풍기(7)로부터 슬릿형태의 노즐(6)을 통해 분사된 냉각공기가 선재(4)를 하부로부터 직접 냉각한다. 도면중 ▽는 일점온도계가 설치된 지점을 나타낸다. 상기 선재(4)에 대한 냉각공기의 폭방향의 유속을 조정하기 위한 수단으로서 댐퍼형태의 송풍구각도조정수단이 송풍기(7) 내에 설치되어 있고, 송풍구각도조정수단의 댐퍼 후단에 칸막이가 설치되어 있어 선재의 폭방향부위별로 분할공급되는 냉각공기가 다시 섞이지 않도록 되어 있다.

이러한 선재 제조설비에 있어서 선재에 대한 냉각공정은 압연단계 이후에 최종제품으로 가기 위한 전단계로서, 선재를 물로 냉각하는 수냉대와 공기로 냉각하는 공냉대로 이루어져 있다. 수냉대에서 수분사에 의해 1차로 냉각된 선재는 일명 레잉헤드(laying head)라고 하는 권취기에서 직선상으로부터 링모양으로 감겨져서 공냉대 위로 이송된다. 이때, 상기 선재가 링모양으로 감겨져서 이송되므로 필연적으로 에지부에서 많이 겹쳐지는 부분과 중앙부에서 덜 겹쳐지는 부분이 존재하게된다. 따라서, 이러한 링모양 선재에 대해 선재의 폭방향 전반에 걸쳐 동일한 양으로 냉각을 시킬 경우에는 많이 겹쳐져 있는 에지부분과 그렇지 않은 중앙 부분사이에서 냉각차가 발생하게 되어 불균일하게 냉각이 이루어지게 된다. 특히, 변태가 일어나는 지점에서의 냉각차는 제품불량의 중요한 원인이 된다. 즉, 불균일한 냉각이 되면 변태가 일어나는 온도는 일정하므로 변태가 일어나는 지점이 달라지게 되어 제품품질이 불균일하게 되는 것이다. 따라서, 가장 바람직한 경우는 선재의 폭방향 전반에 걸쳐 온도편차가 없는 균일한 냉각이 이루어지도록 하는 것이다.

상기와 같이 열간압연 선재를 링상으로 권취제조하는 설비에 있어서 선재에 대한 대표적인 냉각방법으로는 전세계적으로 스텔모어(Stelmor) 방식이 가장 널리 사용되고 있다. 이 방법은 800∼900℃의 열간압연 선재를 권취기에서 링모양으로 형성한 후 컨베이어상에 낙하시켜 비동심링 상태로 이송하면서 컨베이어 하부의 송풍기로부터 20∼50m/sec의 냉각공기를 불어 냉각하는 방법이다. 그러나 이 방법으로는 선재의 냉각속도가 낮아 원하는 강도를 가지는 선재를 제조하기 곤란하다. 이러한 스텔모어 냉각법의 결점을 해결하기 위하여 물을 미소입자로 분무하거나 물을 냉각공기에 혼합하여 분사하는 방법과 같은 미스트 냉각법과 스프레이 냉각법이 개발된 바 있다. 그러나, 이러한 방법은 단순히 냉각매체의 냉각능력을 높이기 위한 것으로, 서로 겹쳐져 이송되는 링모양 선재에서 발생하는 선재 부위별 냉각속도의 편차를 해결하기에는 적합하지 않다.

또한, 링모양 선재의 균일냉각을 위하여 종래에 제안된 바 있는 한 방법은 냉각대에서 모터로 선재 폭방향으로의 전체적인 풍량을 조절하며, 송풍구 각도를변경시켜 냉각대에서 폭방향 풍속분포를 조절하는 것이다. 그러나, 이 방법은 선재의 폭방향 온도분포를 측정제어할 수 있는 수단이 없어 선재의 실제 폭방향 온도분포변화에 상응하여 정확한 냉각제어를 하는 것이 불가능한 단점이 있다.

상술한 바와 같이 일반적으로 선재의 냉각공정에서 사용하는 냉각방법은 냉각매체의 종류에 따라 공기를 이용하는 방법, 물을 이용하는 방법 그리고 다른 매체를 이용하는 방법들로 나뉘어지는데, 전세계적으로 가장 보편화되어 있는 스텔모어 설비가 여기에 해당된다. 이 냉각방법은 1964년부터 공업적으로 이용되기 시작하여 1981년까지 전 세계적으로 많은 개소에 설치가동되고 있는 가장 보편화된 냉각방식으로, 모건(Morgan)에 의해 설계되고 스텔코(Stelco)에 의해 처음으로 실용화되었다. 이 냉각방식이 널리 보급된 이유는 탄소강 선재의 직접 열처리를 실시하여 제품의 강도 및 신선성을 높일 수 있고, 송풍을 이용하는 설비구조가 간단하며 작업성이 우수한 특성을 갖고 있어 코일 단중 및 압연속도의 제약이 작으며, 얇고 균일한 두께의 스케일 생성으로 손실이 적고 산세비용이 절감되며, 비교적 넓은 범위의 냉각속도 제어가 가능하다는 장점이 있기 때문이다. 그러나, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 낮은 냉각속도로 원하는 강도를 가지는 선재를 제조하기 곤란하고 선재의 폭방향 냉각이 불균일하게 이루어지는 단점이 있다.

도2는 선재의 중첩상태에 따른 선재 코일내 폭방향 중량비를 나타낸 그림으로, 중심부를 1.0으로 할 때 양단부에서는 3.0∼5.0으로 매우 커짐을 알 수 있다. 따라서 코일 양단부에서의 필요 냉각량 또한 이에 비례하여 중심부에서보다 커져야한다는 것을 추정할 수 있다. 이때, 냉각공기량이 코일의 폭방향으로 동일하다면 코일 양단부의 냉각속도는 중심부에 비하여 떨어질 수 밖에 없으므로, 통상 이의 제어를 위해 냉각공기 토출부 즉 노즐부의 면적 혹은 노즐의 수량을 폭방향으로 상이하게 설정하거나 송풍구 각도와 송풍기 회전수를 조절하기도 한다. 그러나, 송풍구 각도변경에 의하여 폭방향 송풍량을 조정하여 폭방향 온도편차를 줄이는 방법은 고속으로 공기가 유입되는 덕트내에서 바람의 면적을 넓은 판으로 조절하기 때문에 각도를 미세조정하더라도 공기속도에 의한 진동으로 동일한 유속분포가 얻어지는 경향이 있어 목적하는 냉각제어를 이루기 어렵다. 따라서, 현재 사용되고 있는 설비로써는 선재 코일의 에지부와 중앙부의 온도편차를 줄이는 데에 한계가 있고, 특히 동일한 에지부라 하더라도 겹침밀도의 불균일에 의한 냉각불균일은 더욱 더 해소하기 어렵다. 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 공기에 액적을 함포시켜 분사하는 스프레이 냉각법이나 미스트 냉각법이 제안되고 있으나, 이러한 방법들은 모두 단순히 미리 계산된 선재 코일의 적치밀도를 기준으로 코일의 폭방향 부위별로 냉각량을 일정비율로 달리 해주는 것이기 때문에 순간순간 수시로 변화하는 코일의 폭방향 겹침밀도나 조업인자에 동적으로 부응하는 적합한 냉각제어가 가능하지 않은 문제점을 안고 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 연구발명된 것이다.

전술한 선재 제조설비에 있어서, 냉각대의 송풍구 각도변화에 의한 냉각제어는 가장 보편화되어 있는 방법이나 이는 미리 계산된 고정적인 냉각제어 방식으로, 수시로 변화하는 냉각대상 이송선재의 폭방향 온도분포 변화에 동적으로 상응하는냉각제어가 불가능하다. 따라서, 선재 코일의 폭방향 전부위에 걸친 균일급냉을 위해서는 코일의 겹침밀도가 높아서 높은 냉각속도가 필요한 에지부에는 스프레이 냉각노즐을 배치하고, 겹침밀도가 낮아서 낮은 냉각속도로도 충분한 중앙부에는 미스트 냉각노즐을 폭방향으로 배치하되 이들 냉각노즐이 해당 선재 코일의 현재의 폭방향 온도분포에 따라 가변적으로 작동제어되도록 하는 냉각방법의 사용이 바람직하다. 참고로, 미스트 냉각노즐은 공기와 미세한 입자의 액적을 함께 분사하는 것으로 스프레이 냉각노즐에 비해 냉각능력이 떨어지고 많은 양의 에너지가 필요한 반면에, 스프레이 냉각노즐은 보다 큰 액적의 분사로 높은 냉각속도를 얻을 수 있다.

본 발명은 권취기에서 권취되어 냉각대를 이동하는 선재의 냉각과정에서 이동선재 코일의 현재의 폭방향 온도분포를 예컨대 폭방향 위치별 10개 영역에서 측정하여 그 측정값을 상위 컴퓨터로 송신하고, 이 컴퓨터에서 상기 스프레이 냉각노즐 및 미스트 냉각노즐들의 작동을 동적으로 제어할 수 있는 장치를 제공한다.

도1은 종래의 선재 제조설비의 구성개요도,

도2는 선재의 폭방향 적치밀도 상태도,

도3은 선재의 폭방향 온도분포 상태도,

도4a는 본 발명이 적용된 선재 제조설비의 구성개요도,

도4b는 본 발명에 따른 장치의 요부구성을 도식적인 방법으로 나타낸 측면도,

도6은 스프레이 노즐냉각과 미스트 노즐냉각의 냉각능력을 비교한 그래프.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 압연기 2 : 수냉장치 3 : 권취기

4 : 선재 5 : 컨베이어 6 : 노즐

7 : 송풍기 8 : 온도분포측정수단 9 : 원격입출력기

10 : 콘트롤러 11 : 모니터 12 : 스프레이 노즐

13 : 미스트 노즐

이하에서 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도3은 선재 제조설비의 냉각대를 통과이동하는 선재 코일의 폭방향 온도분포를 나타낸 그림이다. 폭방향으로 보면 중첩밀도가 높은 양단부의 온도가 중첩밀도가 낮은 중앙부의 온도보다 높은 것을 알 수 있다. 이는 선재공장 냉각대에서 측정한 선재의 폭방향 온도분포의 예로서, 폭방향 적치밀도차에 의해 온도 차이가 난다는 것을 보여 준다.

도4a는 본 발명이 적용된 선재 제조설비의 전체 구성개요를 보여 준다.

현재 스텔모어냉각법을 적용하여 가동중인 선재 제조설비들에서는 냉각대상을 이동하는 선재의 폭방향 온도분포를 제어하기 위한 댐퍼수단이 송풍기내에 설치되어 있으나, 현재 이동중인 선재 코일의 폭방향 온도분포변화를 파악할 수 있는 수단이 없어 수시로 변화하는 선재 코일의 폭방향 온도분포변화에 적합하게 대응하는 것이 가능하지 않다. 따라서, 불균일한 온도분포가 발생하여도 그에 상응하는 냉각 제어가 이루어지지 않기 때문에 같은 소재를 연속해서 수십코일씩 작업하는 도중에 계속적인 냉각편차가 발생하게 되며, 이로 인한 재질편차가 수요가 또는 후공정에서 발생하여 클레임제기의 원인이 되고 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명은 도4b에 도시된 예와 같이 스프레이 노즐(12)들과 미스트 노즐(13)들을 선재(4)의 폭방향을 따라 선재(4)의 상부와 하부에 각각 복수열로 배치하고, 냉각대상의 적소에는 선재의 폭방향 온도분포를 측정할 수 있는 온도분포측정수단을 설치하여 이를 통해 현재 이동중인 선재의 폭방향 온도분포값을 측정하고 그 측정값을 토대로 상기 스프레이 노즐(12)들과 미스트 노즐(13)들의 분사유량 제어가 이루어지도록 하였다.

상기 스프레이 노즐(12)은 가압수(냉각수)를 정해진 노즐직경을 통해 선재(4)에 직접 분사시키는 노즐을 말하고, 미스트 노즐(13)은 냉각수를 벤츄리관형태를, 통해 분무시켜 미세물입자(수증기) 형태로 선재(4)에 분사시키는 노즐을 말한다.

따라서, 상기 스프레이 노즐(12)은 이를 통한 냉각수의 분사량이 많고 직접적인 방식으로 수냉각시키므로 냉각능력이 탁월함에 비해 상기 마스트 노즐(13)은 수증기 형태로 분사되므로 그 분사량이 적을 뿐만 아니라 그 냉각능력이 상대적으로 떨어지게 된다.

본 발명에서는 예컨대, 선재(4)의 겹침이 크게 일어나 온도가 높게 측정되는 선재(4)의 폭(직경)방향 양단측에는 스프레이 노즐(12)을 다수쌍 설치하고, 상대적 으로 온도변화가 심하지 않는 선재(4)의 중앙부에는 미스트 노즐(13)을 다수쌍 배치하여서 된 것이다.

상기 온도분포측정수단인 센서(8)로부터 측정된 선재(4)의 폭방향 온도분포값은 원격입출력기(9)를 통해 상기 노즐들의 분사유량을 제어하기 위한 콘트롤러(10)으로 송신된다. 선재(4)의 폭방향 복수위치, 예컨대 10개 위치의 온도값이 상기 센서(8)를 통해 측정파악되고, 이를 토대로 상기 각각의 노즐들이 상기 선재(4)가 그 폭방향의 전 부위에 걸쳐 고른 냉각이 이루어지도록 제어된 분사량으로 작동된다. 이와 같이 하여, 현재 냉각대상에서 이동중인 선재(4)의 폭방향 온도분포가 검출됨과 동시에 그에 상응하여 상기 노즐(12)(13)들의 분사량이 자동제어됨으로써 선재(4)의 냉각이 선재(4)의 폭방향 전부위에 걸쳐 최대한 균일한 온도분포로 이루어질 수 있다. 이때 변화하는 온도분포는 모니터(11)에서 육안으로 확인할 수 있다.

즉, 각 노즐(12,13)들을 통해 공급되는 냉각수에 의해 선재(4)는 지속적으로 냉각되면서 상기 온도분포측정수단인 센서(8)를 통해 검출된 선재(4)의 폭방향 온도분포를 모니터(11)로 주시하면서 규정치 이하의 온도분포가 나타날 때에는 각 노즐(12,13) 혹은 어느 하나의 노즐만을 점점 폐쇄하여 냉각수의 스프레이 양을 줄이도록 하고, 규정치 이상일 때에는 해당 노즐 혹은 양 노즐 모두를 더욱 더 개방하여 냉각수의 스프레이 양을 늘리도록 함으로써 지속적인 측정값과 냉각수 스프레이 양을 조절하는 밸브간의 피이드백에 의해 선재(4)의 폭방향 전부에 걸친 온도분포를 균일하게 조절할 수 있게 된다.

바람직한 실시예에서, 상기 선재(4)의 양 에지부에 대응하여 배치되는 스프레이 노즐(12)들과 선재(4)의 중앙부에 대응하여 배치되는 미스트 노즐(12)들은 3:4:3의 개수비율을 가지도록 하여 10개열로 배치된다.

상기 본 발명의 장치는 종래에 사용되어온 장치의 단점인 수시로 변화하는 운전조건에 따른 선재의 온도분포변화에 대응할 수 없다는 단점을 극복할 수 있는 것이다.

도5는 기존의 방식에 의하여 냉각한 선재의 폭방향 온도분포와 본 발명을 사용한 경우의 선재의 폭방향 온도분포의 차이를 명확히 보여준다.

도6은 참고적으로 상기 스프레이 노즐(12)과 미스트 노즐(13)에 대한 냉각능력을 비교하여 나타낸 것인데, 스프레이 노즐(12)의 냉각능력이 미스트 노즐(13)의 냉각능력보다 2∼3배 정도 높은 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 선재 제조설비의 냉각대에 있어서 냉각대를 통과하는 선재 코일의 폭방향 온도분포변화를 파악하여 그에 동적으로 상응하는 냉각제어가 이루어지도록 함으로써 선재를 보다 균일하게 냉각처리할 수 있고, 이로써선재의 재질편차를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (2)

1. 열간압연된 직후의 선재를 일정피치의 링형태로 냉각대의 롤러 컨베이어(5)상에 적치하여 이송하고, 이송되는 선재(4)에 대한 냉각처리를 행하도록 된 선재 제조설비에 있어서,

   이송 선재(4)의 폭방향을 따라 폭 양단측에는 냉각수를 직접 분사하는 스프레이 노즐(12)들을 배치하고,

   상기 선재(4)의 폭 중앙부에는 냉각수를 수증기형태로 분무하는 미스트 노즐(13)들을 배치하며,

   상기 냉각대의 적소에는 이송 선재(4)이 폭방향 온도분포를 측정할 수 있는 온도분포 측정수단인 센서(8)를 설치하여 상기 센서(8)로부터 측정된 선재(4)이 폭방향 온도분포에 대응되게 상기 스프레이 노즐(12) 및 미스트 노즐(13)들을 통해 분사 및 분무되는 냉각수량을 증감시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 선재의 균일 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스프레이 노즐(12)들 및 미스트 노즐(13)들이 선재(4)의 폭방향을 따라 3:4:3의 개수비율로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 선재의 균일냉각 장치.

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