KR100360085B1 - 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열간압연 강판의 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폭방향으로의 재질편차가 감소되는 열연강판의 냉각방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 열연강판을 냉각하는 방법에 있어서, 수냉각 종료점에서의 열연강판의 폭방향 위치별 온도분포와 각 위치별 온도분포에 대응하는 재질특성을 간단한 수식에 의해 구하고 각 마스크량에 따른 폭방향 위치별 온도분포에 대응하는 재질특성을 상기 수식에 의해 구한 다음, 구해진 재질특성이 폭방향으로 재질편차가 최소가 되도록 마스킹한 후, 냉각함을 반복하는 단계로 구성되는 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열간압연 강판의 냉각방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

폭방향으로 근일한 재질이 확보되는 열간압연 강판의 냉각방법

본 발명은 열간압연 강판(이하, '열연강판'이라고 칭함)을 냉각하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 폭방향으로의 재질편차가 감소되는 열연강판의 냉각방법에 관한 것이다.

열연공장에서는 제품의 강도, 가공성을 증가시키고 생산성을 향상시키기 위해서 열간압연 직후 물을 상하부에서 대칭으로 주수하여 강판을 냉각하게 된다. 일반적으로 마무리 압연 또는 냉각을 종료한 열연판의 폭방향 온도 분포는 균일하지 않고 제1도에 나타나 있는 바와같이 열연판의 폭방향 가장자리 부분은 중앙부에 비해서 온도가 낮다. 이와같이 폭방향으로 불균일한 온도 분포를 가지면서 냉각을 종료하게 되면 제2도에 나타난 바와같이 중앙부에 비해서 가장자리의 인장강도는 높고 연신율은 반대로 매우 낮게 된다. 따라서 이러한 열연강판을 길이방향으로 3조 혹은 4조로 분할해서 성형 및 가공하는 경우, 즉 열연강판을 분할해서 자동차의 휠 (wheel)등을 제조하는 경우 동일한 힘을 분할된 소재를 가공하게 되면, 가장자리부위의 소재는 강도는 높고 연신율은 낮기 때문에 중앙부에 비해서 적게 변형이 된다. 따라서, 성형후의 형상이 당초 목적으로 하는 형상과는 차이가 생기는 경우가 발생하게 된다 또한, 폭방향으로의 온도편차가 매우 심하여, 즉 가장자리 부위가 중앙부에 비해서 매우 낮은 경우는 가장자리의 연신율이 중앙부에 비해서 매우 낮게 되어, 이 부분의 소재가 가공을 심하게 받게 되면 이 가장자리 부분의 소재에서 크랙이 발생되어 제품으로 사용하지 못하게 되는 경우도 발생하여 왔다. 또한, 열연 강판의 제조시 폭방향으로의 온도가 불균일하면 그로 인해서, 제품의 폭방향으로 내부응력의 편차가 존재하게 된다. 따라서 이러한 제품을 폭방향으로 일정한 길이로 절단하는 경우에 제품의 형상이 일정하게 되지 않고 폭방향으로 휘게 된다. 따라서 성형가공에 의해서 어떤 형상을 만드는 경우 절단된 판을 교정하여 사용하거나 심하면 사용하지 못하게 된다.

이러한 문제, 즉 폭방향으로의 재질 불균일에 기인된 문제를 해결하기 위해서 종래에는 폭방향의 온도분포를 구해서 요구하는 재질범위에 대응하는 허용온도 범위 차이를 이탈하는 영역을 절단하는 방법을 사용하여 왔다. 그러나, 이 방법은 폭방향으로의 균일한 재질은 확보할 수 있으나 절단함에 의해서 최종 제품의 실수율은 줄어들 수 밖에 없는 문제가 있다.

또 다른 방법으로는 가장자리 부위의 과냉을 완화 또는 없애주는 적극적인 방법을 많이 시도해 왔는데, 그러한 사례로서 폭방향으로의 주수량을 변경시키는 방법, 냉각 헤더가 스리트 라미나(slit laminar)의 경우는 냉각 노즐의 폭방향 수량분포를 달리하여 폭방향으로 온도 균일화를 한다든지, 중앙에는 냉각 효율이 높은 스리트 라미나로 하여 주고 가장자리는 냉각 효율이 낮은 헤어핀 라미나(hair pin laminar) 또는 파이프 라이나(pipe laminar)를 설치해서 상대적으로 냉각효율이 낮도록 하여 주는 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 이 방법은 설비적으로 많은 문제를 야기하고, 제품의 폭에 맞게 효율적으로 대응하여 제어하기가 어렵고, 또 설치 비용이 고가라는 문제 때문에 경제적으로 실현하기가 용이하지 않았다.

한편, 최근 이러한 문제를 해결하기 위해서 압연판의 가장자리를 냉각이 적게 되도록 마스킹(masking)을 하여 상부 또는 하부 냉각헤더에서 분사되는 직접 충돌수에 의한 가장자리의 과냉을 막아 폭방향으로 균일냉각을 하는 방법이 제시되어 왔다.

예를들면, 재질편차를 최소화하기 위한 마스킹량의 결정방법으로는 본 발명자들이 제안한 대한민국 특허출원 번호 94-29053 에 나타나 있는 바와같이 열연공정에서 1개 혹은 몇개의 폭방향 온도 측정용 스케닝 파이트미터(scanning pyrometer)를 사용하여 폭방향 온도를 측정하고, 이 측정치를 이용하여 금속학적인 모델, 즉 열간압연 모델, 상변태 모델 및 기계적 성질 모델을 사용하여 폭방향 부위별 재질 분포를 구해서 그 편차가 최소가 되도록 마스크를 제어하는 방법이 있다. 즉, 이 방법은 상기 금속학적인 모델에 의해서 마스킹량을 구해서 마스킹한 다음 냉각하는 과정을 반복하여 열연강판의 폭방향으로의 재질 분포의 변화가 최소가 되도록 하는 최적 마스크랑을 구하고, 이 최적 마스크량만큼 마스킹한 다음 냉각함으로대 최종적으로 폭방향의 재질을 균일화 한다는 것이다.

이러한 금속학적인 모델을 사용하는 경우 정확한 재질의 분포는 구할 수 있으나, 금속학적인 모델이 너무 길고 복잡하여 전폭의 재질 분포를 1회 계산하는 시간이 너무 길어지는 문제점이 발생하였다. 즉, 폭방향의 재질분포로 부터 최적 마스킹량을 결정하기까지의 시간이 길어져, 결정된 마스크량을 설정하기 까지의 시간이 길게 되어 한개의 열연코일내에서 최적 마스크량을 재설정할 수 있는 횟수가 극히 제한되는 문제점이 발생하였다. 구체적으로 이 방법을 사용하는 경우에는 폭방향으로의 전폭에 대한 약 10mm 간격으로 재질분포를 구하는데 약 8초 정도의 시간이 소요되어 1개의 열연코일을 제조하는데 약 10회 이하의 횟수밖에 최적 조건을 설정할 수 없다. 따라서, 이러한 결과로 1개의 코일을 생산할 때 제어할 수 있는 횟수가 5-9회 밖에 되지 않아서, 열연코일 전 길이방향으로의 폭방향 재질의 편차를 줄이는데 어려움이 있어 왔다. 이러한 문계점를 해결하기 위한 방법으로는 계산시간을 단축하기 위한 대용량의 컴퓨터를 설치하던지, 또는 폭방향의 재질분포를 비교적 정확하게 구하면서 계산시간도 획기적으로 줄일 수 있는 간단한 수식 모델을 만들면 된다. 전자의 경우는 대용량의 컴퓨터를 설치하여야 하므로 상당히 많은 투자가 필요한데 반해서, 후자의 경우는 열연공장의 공정인자와 재질과의 관계를 간단한 수식으로 표현할 수 있으면 가능하므로 후자의 방법이 훨신 경제적임을 알 수 있다.

이에 본 발명은 수각냉 종료시 측정된 폭방향 온도 분포로 부터 복잡한 금속학적 모델 대신에 간단한 수식을 통해 폭방향으로의 재질분포를 구하고 이 재질분포의 편차가 최소로 되도록 하므로서 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열연강판의 냉각방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 열간 마무리 압연기와 권취기 사이에서 열연강판을 냉각하는 방법에 있어서,

수냉각 종료점에서의 열연강판 폭방향으로의 각 위차별 온도를 측정하는 단계;

각 위치별 온도에 대응하는 열연강판의 폭방향 위치별 재질특성을 측정하는 단계;

상기 측정된 폭방향 위치별 온도와 재질특성과의 상관관계를 구하는 단계;

상기 수냉각 종료시의 각 위치별 온도분포 및 마스킹양에 따른 온도보상량으로 부터 각 마스킹량에 따른 온도분포를 구하는 단계;

구해진 각 마스킹량에 따른 온도분포에 대한 폭방향 부위별 재질특성을 상기와 같이 구한 상관관계로 부터 구하는 단계;

상기에서 구한 폭방향 부위별 재질특성을 기초로 하여 열연강판의 폭방향으로의 재질특성이 최소화하도록 하는 최적의 마스킹량을 설정하는 단계; 및

상기 최적 마스킹량에 따라 열연강판을 마스킹한 후 냉각함를 반복하는 단계를 포함하여 구성되는 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열간압연강판의 냉각방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 열연강판의 제조시 열연공정에서의 폭방향 온도편차는 앞에서 설명한 바와같이 열연판 가장자리의 은도과냉으로 발생하게 된다. 이러한 은도의 과냉은 열연판의 두께가 얇을수록, 공냉보다는 수냉을 하는 경우, 또 수냉하는 경우에는 수냉에 의한 온도 강하량이 큰 경우에 온도편차가 크게 발생하계 된다.

그러므로 이러한 폭방향 온도편차가 주로 발생하는 공정은 열간압연 이후에 있는 수냉각 공정임을 알 수 있다.

본 발명에서는 이 수냉각 종료시의 폭방향으로의 각 위치별 온도측정치와 그 부위에 대응하는 위치의 재질을 측정하여 그 상관관계를 구하여 간단한 수식으로 작성하였는데, 그 수식은 다음과 같이 표시된다.

본 발명에서 재질특성은 열연강판의 기계적성질을 의미하는 것으로, 인장강도, 항복강도 연신율 등의 어느 하나가 될 수 있다.

이와같이 구한 온도에 대한 인장강도의 상관계수 γ=0.975로 매우 높았다. 그리고, 항복강도와 연신율도 이와 같은 수식으로 표현할 수 있었고 상관관계수는 각각 γ=0.925, γ=0.954로 높은 상관관계가 있었다.

인장강도= a[C] + b[Si] + c[Mn] + d[P] - e[CT] - f[TH] + g ·····(1)

여기에서, a, b, c, d, e, f, g는 상수이다.

일례로 상수값은 다음과 같다.

a=53.7, b=8.0, c=9.8, d=57.1, e=0.031, f=0.457, g=51.39

[C], [Si], [Mn], [P] 는 각각 열연강판중에 함유된 탄소, 실리콘, 망간, 인의 양 즉 중량%, [CT] 는 수냉각 종료시의 폭방향으로의 각 위치별 온도(℃), [TH]는 열간탄소강판의 두께(mm) 이다.

예를들면, 0.147% 탄소, 0.02% 실리콘, 0.7% 망간 및 0.010% 인을 함유한4.5mm 두께 소재의 열연강판의 폭방향 부위별 온도 측정치와 그 위치에 대응하는 부위의 측정된 인장강도와의 상관관계를 제3도에 나타내었다. 제3도에 나타난 바와같이, 폭방향의 부위별 온도와 인장강도와는 좋은 상관성을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 이러한 간단한 수식으로 수냉각 종료시의 열연강판의 폭방향위치에 따른 온도분포로 부터 폭방향으로의 재질 분포를 구할 수 있음이 확인된다.

상기에서 구한 상관관계를 통하여 본 발명에 의한 냉각방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 구현하기 위한 냉각시스템의 일례의 개략도를 나타낸 제4도에서 알 수 있는 바와같이, 마무리 압연기(1)에 의해 마무리 압연된 열연강판은 권취기 (2)에 의해서 열연코일로 만들어지며, 상기 마무리 압연기(1)와 권취기(2) 사이에서 수냉각된다.

제4도에서 부호 '3'은 컴퓨터, '4'는 제어기, '5'는 냉각설비, '6'은 스케닝 파이로미터 온도계를 나타낸다.

본 발명에 따라 열연강판을 냉각하기 위해서는 우선, 수냉각 종료점에서의 폭방향 부위별 재질을 구해야 한다. 수냉각 종료점에서의 열연 강판의 폭방향 부위별 재질을 구하는 방법은 수냉각 종료점에서의 폭방향 온도분포를 제4도의 폭방향 스케닝 파이로미터(6)를 이용하여 구하고, 컴퓨터(3)에 저장되어 있는 소재의 성분 데이터와 두께계(7)에서 두께를 측정하고, 컴퓨터(3)에 이미 구해서 저장되어 있는 이 두께 소재의 마스킹량에 대한 폭방향 온도보상량을 이용해서 각 마스킹량에 따른 폭방향의 온도분포를 구한다. 이렇게 구해진 온도분포를 이용해서 앞의 수식[1]을 이용하여 폭방향의 기계적 성질의 분포를 구한다. 즉 제1도에 나타난 바와같이 폭방향으로의 온도를 구하고 각 마스킹량에 따른 폭방향으로의 온도보상량(제5도(가))을 이용해서 마스킹후의 폭방향으로의 온도분포(제5도(나))를 구한다. 이렇게 구해된 마스킹후의 온도분포로 부터 각 마스킹량에 대한 폭방향으로의 기계적 성질 분포를 구한다.

상기와 같이 구한 기계적 성질에 기초하여 폭방향으로의 재질편차를 최소로 할 수 있는 마스킹량을 구하여 마스킹한 다음 냉각하는 과정을 반복한다. 즉, 열연강판의 폭방향으로의 재질특성 변화가 최소가 되도록 하는 최적 마스크량을 구하고, 이 최적 마스크량만큼 마스킹한 다음 냉각함으로써, 본 발명의 목적이 달성된다.

따라서 이전의 방법을 사용하는 경우에는 폭방향으로의 전폭에 대한 약 10mm 간격으로 재질분포를 구하는데 약 8초 정도의 시간이 소요되어 1개의 열연코일을 제조하는데 약 10회 이하의 횟수밖에 최적 조건을 재설정할 수 없다. 이러한 결과로 1개의 코일을 생산할 때 제어할 수 있는 횟수가 5-9회 밖에 되지 않아서, 열연코일 전 길이방향으로의 폭방향 재질의 편차를 줄이는데 어려움이 있어 왔다. 반면, 본 발명은 간단한 수식을 사용함으로써, 전폭에 대한 계산시간이 기종의 약 1/15 이하인 0.5초 밖에 소요되지 않게 되어 약 100회 이상의 최적 조건을 재설정할 수 있다. 결국, 본 발명에 의하면 열연코일 전 길이방향으로의 폭방향 재질의 편차를 현재보다 훨씬 줄일 수 있게 되는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명은 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

중량%로 0.125% 탄소, 0.02% 실리콘, 0.6% 망간 및 0.009% 인을 함유하고 나머지 성분이 철인 두께 3.0mm 의 열연 탄소강판의 제조시 폭방향 온도계(6)로 폭방향 온도 분포를 구하고, 이 온도로 부터 각 마스킹량에 따른 폭방향 온도분포를 계산하여 이 온도분포로 부터 상기 (1)식에 의해 폭방향 재질특성을 구하여 제6도에 나타내었다. 제6도에 나타난 바와같이, 이 소재의 폭방향 재질편차를 최소로 할 수 있는 마스킹량은 110mm 임을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 방법으로 구한 마스킹량을 110mm 적용하여 생산된 소재에 대한 폭방향 재질 본포의 계산치와 측정치를 비교하고 그 결과를 제7도에 나타내었다.

제7도에서도 알 수 있는 바와같이, 폭방향으로의 재질편차가 마스킹하기 전에는 약 6kg/mm²정도 발생하던 것이 약 3kg/mm²으로 줄어듬을 알 수 있다. 본 발명에 따라 계산된 인장강도 값과 실측된 인장강도의 값이 매우 잘 일치함을 알 수 있다.

실시예 2

실시예 1과 동일한 방법으로 5.9mm 두께이고 성분으로 0.147% 탄소, 0.02% 실리콘, 0.75% 망간 및 0.011% 인을 함유하나 나머지 성분이 철인 소재이 열연탄소강판의 제조시 폭방향 온도계(6)로 폭방향 온도 분포를 구하고, 이 온도로 부터 마스킹량에 따른 폭방향 온도분포로 부터 재질특성을 구하여 제8도에나타내었다.

제8도에서 알 수 있는 바와같이, 이 소재의 폭방향 재질편차를 최소로 할 수 있는 마스킹량은 40mm 임을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 방법으로 구한 마스킹량을 40mm 적용하여 생산된 소재에 대한 폭방향 재질 분포의 계산치와 측정치를 비교하고, 그 결과를 제9도에 나타내었다.

제9도에서 알 수 있는 바와같이, 폭방향으로의 재질편차가 마스킹하기 전에는 약 3kg/mm²정도 발생하던 것이 약 1.5kg/mm²된 인장강도의 값이 매우 잘 일치함을 알 수 있다.

제1도는 통상의 수냉각이 종료된 열연판의 폭방향 온도분포도

제2도는 통상의 열연판의 폭방향 인장강도 및 연신율의 변화도

제3도는 일반 열연판의 폭방향 부위별 온도와 인장강도의 상관관계의 일례를 나타낸 그래프

제4도는 본 발명을 구현하기 위한 냉각시스템의 일리를 나타내는 개략도

제5도는 마스크량에 따른 폭방향 온도분포의 변화 및 온도보상량을 나타낸 그래프

제6도는 두께 3mm 의 열연강판에서 마스크량에 따라 본 발명에 의해 계산된 폭방향 위치별 인장강도의 변화를 나타내는 그래프

제7도는 제6도에서 구한 최적의 마스크량을 적용하여 얻은 결과도

제8도는 두께 5.9mm 의 또다른 열연강판에서 마스크량에 따라 본 발명에 의해 계산된 폭방향 위치별 인장감도의 변화를 나타내는 그래프

제9도는 제8도에서 구한 최적의 마스크량을 적용하여 얻은 결과도

* 도면의 주요 부분에 때한 부호의 설명 *

1 ..... 마무리 압연기

2 ..... 권취기

3 ..... 컴퓨터

4 ..... 수냉각 밸브 제어기

5 ..... 수냉각 설비

6 ..... 온도계

7 ..... 두께계

Claims (2)

1. 열간마무리 압연기와 권취기 사이에서 열연강판을 냉각하는 방법에 있어서,

   수냉각 종료점에서의 열연강판 폭방향으로의 각 위치별 온도를 측정하는 단계;

   각 위치별 온도에 대응하는 열연강판의 폭방향 위치별 재질특성을 측정하는 단계;

   상기 측정된 폭방향 위치별 온도와 재질특성과의 상관관계를 구하는 단계;

   상기 수냉각 종료시의 각 위치별 온도분포 및 마스킹양에 따른 온도보상량으로 부터 각 마스킹량에 따른 온도분포를 구하는 단계;

   구해진 각 마스킹량에 따른 온도분포에 대한 폭방향 부위별 재질특성을 상기와 같이 구한 상관관계로 부터 구하는 단계;

   상기에서 구한 폭방향 부위별 재질특성을 기초로 하여 열연강판의 폭방향으로의 재질특성이 최소화하도록 하는 최적의 마스킹량을 설정하는 단계; 및

   상기 최적 마스킹량에 따라 열연강판을 마스킹한 후 냉각함을 반복하는 단계를 포함하여 구성되는 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열간압연강판의 냉각방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 상관관계가 다음과 같은 식임을 특징으로 하는 폭방향으로 균일한 재질이 확보되는 열간압연 강판의 냉각방법

   인장강도 = a[C] + b[Si] + c[Mn] + a[P] - e[CT] - f[TH] + g

   여기서, a,b,c,a,e,f,g 는 상수이다.

   [C], [Si], [Mn], [P] 는 각각 일연강판중에 함유된 탄소, 실리콘, 망간, 인의 양 즉 중량%,

   [CT] 는 수냉각 종료시의 폭방향으로의 각 위치별 온도(℃),

   [TH]는 열간탄소강판의 두께(mm)