KR100583301B1 - 레일 강으로 된 공작물, 특히 형상 압연 제품을냉각시키는 방법 - Google Patents

Abstract

미세 펄라이트 또는 페라이트/펄라이트 조직을 갖는 레일 강으로 특히 형상 압연 제품을 제조하기 위해, 본 발명의 방법에 따라 공작물을 냉각 파라미터가 독립적으로 조절될 수 있는 독립적인 개별의 냉각 모듈(2a 내지 2e)로 이뤄진 냉각 라인(1)을 통해 안내하고, 냉각 모듈(2a 내지 2e) 사이에 조직의 응력 제거용 중간 구역(5a 내지 5e)을 설치하고, 중간 구역(5a 내지 5e)에 그 중간 구역(5a 내지 5e)에서의 각각의 공작물의 실제 온도(T_IST)를 결정하는 수단을 구비하고, 중간 구역(5a 내지 5e)에서의 공작물의 각각의 실제 온도치(T_IST)에 의존하여 하나 이상의 각각의 후속 냉각 모듈(2b 내지 2e)의 특정의 냉각 파라미터, 특히 냉각 강도를 제어하여 냉각 라인(1)을 통과하는 전체의 과정 동안 공작물의 설정 온도(T_SOLL)를 확보하고, 공작물의 설정 온도를 베이나이트 조직 부분이 형성되는 임계 온도 위에 항상 놓도록 조치한다.

공작물, 레일 강, 형상 압연, 냉각 라인, 냉각 모듈, 중간 구역, 펄라이트, 페라이트, 베이나이트

Description

레일 강으로 된 공작물, 특히 형상 압연 제품을 냉각시키는 방법{METHOD FOR COOLING WORK PIECES ESPECIALLY SHAPE-ROLLED PRODUCTS FROM RAIL STEEL}

본 발명은 미세 펄라이트 또는 페라이트/펄라이트 조직을 갖는 레일 강으로 된 공작물, 특히 압연 제품, 여기에서는 형상 압연 제품을 냉각시키는 방법으로서, 고온의 공작물, 즉 오스테나이트 조직을 갖는 공작물을 유입 구역 및 유출 구역을 구비한 냉각 라인(cooling stretch)을 통해 안내하고 냉각 공정으로 처리하여 펄라이트 조직 또는 페라이트/펄라이트 조직으로 변환시키는 냉각 방법에 관한 것이다.

레일 강은 주로 레일 및 그 결합 요소 또는 고정 요소를 제조하는데 사용된다. 휠을 경유하여 레일에 작용하는 수직력(normal force), 안내력, 가속력, 및 제동력과 같은 수직 방향과 측 방향의 힘은 그 직접적인 작용 구역에서 매우 높은 동적 응력을 유발하여 통상적으로 강을 소성 변형시키게 된다. 그러한 부하로 인해, 재료의 부분 변위, 마멸, 재료 파괴, 국부적 재료 피로, 또는 초기 균열의 형태의 마모 현상이 발생된다. 레일을 가능한 한 미세한 층상 펄라이트 조직으로 함과 더불어 레일의 오프셋 항복 강도(offset yield strength)와 인장 강도 및 레일의 피로 강도를 높임으로써, 마모 현상에 대한 레일의 내마모성이 개선될 수 있다.

레일 강은 선행 기술에 따른 냉각 베드(cooling bed)의 통상의 냉각 조건 하에서 펄라이트 조직으로의 변환을 진행한다. 그 경우, 페라이트-펄라이트 조직을 갖는 레일 강은 700 내지 900 N/㎟의 범위에 있는 인장 강도를 나타내는데 반해, 순수한 펄라이트 조직을 갖는 강은 900 N/㎟을 넘는 인장 강도를 얻는다. 레일 강의 주된 특성은 페라이트/펄라이트 조직의 분율 및 그 형태상의 구성에 의해 결정된다. 페라이트/펄라이트계 강은 물론 펄라이트계 강의 경우에도 층상 간격이 중요한 역할을 하게 된다.
EP 0 725 152 A1로부터, 열간 압연된 레일 형상재를 냉각시키는 방법 및 장치가 공지되어 있다. 계산 시스템에 의해 형상재 기하 형태에 맞춰 조정된 냉각 출력이 계산되는데, 그러한 방법 및 장치에서는 특히 하단에 비해 레일 헤드의 기하 형태를 고려한다. 그 경우, 헤드 및 하단에서의 페라이트 및/또는 펄라이트로의 조직 변환이 가능한 한 짧은 시간 편이를 두고 진행되어 레일의 지연이 방지되도록 냉각을 행한다.
US-A-4 486 248도 역시 레일 형상재를 냉각시키는 방법에 관한 것이다. 그러한 방법에서는 레일 헤드를 주로 냉각시킨다. 연이은 중간 구역에서는 레일 하단에 있는 잔열에 의한 재가열을 행한다. 베이나이트의 체적 분율이 적은 펄라이트 조직이 목표의 조직으로서 출현해야 한다. 끝으로, US 4,638,851은 예컨대 연속적인 스트립 개질 시에 또는 스트립 전해 도금 시에 금속 스트립을 냉각시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 개선된 기계적 특성 및 미세 층상 펄라이트 조직 또는 페라이트/펄라이트 조직을 갖는 레일 강제 공작물, 특히 형상 압연 제품을 제조하기 위한 냉각 방법을 제공하는 것이다.

그러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 바람직한 부가의 구성은 종속 청구항들에 기재되어 있다.

방법상으로, 열기(압연 열기)로부터 나오는 공작물, 예컨대 압연 형상재 제품 또는 경우에 따라서는 압출 형상재 제품을 냉각 파라미터가 독립적으로 조절될 수 있는 독립적인 개별의 냉각 모듈로 이뤄진 냉각 라인을 통해 안내하고, 냉각 모듈 사이에 열 보상용 또는 열 응력 제거용 중간 구역을 마련하고, 중간 구역에 그 중간 구역에서의 각각의 공작물의 실제 온도를 측정하는 수단을 구비하고, 하나의 또는 각각의 중간 구역에서의 각각의 공작물의 실제 온도치에 의존하여 하나 이상의 각각의 후속 냉각 모듈의 특정의 냉각 파라미터, 특히 냉각 강도를 제어하여 냉각 라인을 통과하는 전체의 과정 동안 공작물의 설정 온도(표면 온도)를 유지하고, 공작물의 설정 온도가 베이나이트(bainite) 조직 부분이 형성되는 임계 온도 위에 항상 놓이도록 조치한다.

그러한 조치에 따른 기본 사상은 원하는 펄라이트 또는 페라이트/펄라이트 조직이 나타나도록 레일 강으로 된 공작물의 표면 온도를 냉각시키는 것을 요건으로 하여 냉각 라인에서 레일 강으로 된 공작물의 냉각을 제어하되, 응력 제거 단계를 통과시킴으로써, 그리고 바람직하게는 각각의 중간 구역에서 온도 거동을 지속적으로 점검하고 경우에 따라 개별 냉각 모듈의 냉각 파라미터를 제어함으로써 온도가 임계 온도 미만으로 되지 않도록 보장하고, 그에 따라 베이나이트 변환이 일어나 원하지 않는 베이나이트 조직 부분이 형성될 정도의 과냉각(undercooling)이 생기지 않도록 하는 것을 보장하는 것이다.

냉각 공정은, 공작물이 통과하는 냉각 모듈에 의존하여 개별 냉각 공정 단계로 구성하고, 조직 응력 제거를 위해 통과하는 중간 구역에 의존하여 재가열의 시간 단계 및/또는 보온의 시간 단계 및/또는 서냉의 시간 단계로 구성한다. 그와 관련하여, 공작물을 모든 중간 구역에서 열 응력 제거의 동일한 시간 단계를 통해 통과시키거나 여러 중간 구역에서 열 응력 제거의 상이한 시간 단계를 통해 통과시킬 수 있다. 그 경우, 재가열을 아직 공작물 내부에 있는 잔열(rest heat)에 의해, 아니면 외부 열 공급에 의해 행한다. 그와 같이 하여, 설정된 최종 조직에 유리하게, 그에 따라 기계 특성에 유리하게 작용하는 대략 톱니 형태의 냉각 패턴이 만들어진다. 냉각 공정의 어떠한 시점에도 베이나이트의 형성이 시작될 수 없도록 냉각 라인의 냉각 파라미터를 조절함으로써 베이나이트의 형성이 저지되게 된다.

중간 구역을 공작물, 특히 압연 제품에 걸친 열 보상 또는 완만한 냉각 속도에 의한 냉각에 사용하는 것도 역시 본 발명에 포함된다.

각각의 중간 구역에서 측정된 각각의 실제 온도치에 의존하여 각각의 후속 냉각 구역의 특정의 냉각 파라미터를 제어하는 동시에, 선행 냉각 모듈의 냉각 파라미터를 제어하는 것이 바람직하다. 그것은 공작물이 정해진 시점에서 또는 특정 중간 구역에서 보여야 하는 미리 주어진 설정 온도로부터 벗어난 경우에 후속 냉각 모듈에서의 냉각 파라미터를 특정하게 조정함으로써 공작물 또는 압연 제품을 다시 설정 온도로 제어하는 동시에, 후속 공작물에 대해 선행 냉각 모듈을 제어한다는 것을 의미한다.

중간 구역의 단부, 즉 조직의 응력 제거 구역의 단부에서의 공작물의 표면 온도를 측정하는 것이 바람직하다. 중간 구역에서의 온도 측정치는 품질을 감시하는데도 사용될 수 있다.

바람직한 실시 양태에 따르면, 광학 비접촉 측정 장치, 즉 고온계(pyrometer)에 의해 표면 온도 측정을 행한다.

공작물의 표면 상에 부딪치는 냉각 매체의 압력을 제어함으로써 및/또는 냉각 매체의 온도를 제어 조절함으로써 및/또는 노즐 기하 형태의 선택에 의해 냉각 매체의 체적 흐름을 제어 조절함으로써 냉각 파라미터, 특히 여기서는 냉각 강도를 제어한다. 냉각 매체로서는 냉각수를 고려하는 것이 바람직하다.

냉각 빔(cooling beam)에 배치된 노즐에의 공급 라인에 있는 압력 제어 밸브 에 의해 압력 제어를 행하는 것이 바람직하다. 냉각 빔 또는 냉각 빔 장치마다 상이한 수의 노즐을 제어 작동시킴으로써 냉각 강도를 제어하는 것도 가능하다.

냉각 매체의 온도를 제어하는 매우 바람직한 실시 양태에 따르면, 냉각 매체, 즉 특히 냉각수를 공작물 표면 상에 분출되기 전에 라이덴프로스트 온도(Leidenfrost temperature)를 하회하지 않거나 매우 뒤늦게야 비로소 라이덴프로스트 온도를 하회하게 될 정도로 예열하는 조치를 취한다. 라이덴프로스트 현상(Leidenfrost phenomenon)이란 접촉체의 온도가 유체의 비등점 위에 있을 때에 액체가 적셔지지 않는 거동을 말한다. 예컨대, 물은 기화된 물로 이뤄진 가스 막에 의해 추가로 기화되는 것으로부터 보호되어 일정 시간 동안 냉각 작용을 상실하게 된다. 냉각수 공급 온도에 의해 라이덴프로스트 온도에 영향을 미칠 수 있다. 냉각수 공급 온도가 높으면 높을수록 라이덴프로스트 온도가 더욱 올라가 냉각이 보다 더 약해지게 된다. 라이덴프로스트 온도를 하회하지 않거나 매우 뒤늦게야 비로소 라이덴프로스트 온도를 하회하게 되도록 하기 위해, 냉각수를 예열하는 조치를 취한다. 그에 의해, 냉각이 보다 더 약해져서 양호하게 재현될 수 있다는 장점이 제공되게 된다.

바람직한 방법 단계에 따르면, 냉각 라인에 유입되기 전의 또는 유입 시의 공작물의 온도를 측정하여 그 온도치를 냉각 파라미터를 예비 세팅하는데 사용함으로써 개별 냉각 모듈의 냉각 파라미터를 예비 조절하고, 특히 공작물 상에 부딪치는 냉각 매체의 압력을 조절한다.

본 발명의 다른 명세 및 장점은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 실시 양태를 더욱 상세히 설명하는 이후의 설명 및 종속 청구항들에 개시되어 있다. 그와 관련하여, 전술된 특징의 조합 이외에 단독의 특징 또는 다르게 조합된 특징들도 역시 본 발명의 본질을 이루고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 행하는 냉각 라인의 개략도이고;

도 2는 냉각 라인에서 본 발명의 방법에 따라 베이나이트 온도를 하회하지 않도록 하는 그러한 냉각 추이로 처리되는, 0.8 % C 및 1.0 % Mn을 함유한 통상의 레일 강의 레일 헤드에 위치된 5개의 측정 점의 냉각 곡선을 담고 있는 온도 대 시간 도표이며;

도 3은 비교를 위해 베이나이트 온도를 하회하는 제어되지 않는 냉각 추이의 5개의 냉각 곡선을 담고 있는 온도 대 시간 도표이다.

도 1에 도시된 냉각 라인(1)은 형상 압연 라인(도시를 생략), 예컨대 레일 강으로 된 레일 형상재의 압연 라인에 연결된다. 냉각 라인(1)은 도시된 실시 양태에서는 5개의 냉각 모듈(2a 내지 2e)로 이뤄지지만, 그러한 냉각 모듈의 개수에 한정되는 것은 아니다. 개별 냉각 모듈(2a 내지 2e)은 예컨대 하나 이상의 냉각 빔 또는 냉각 노즐 장치를 포함하도록 형성된다. 개별 노즐로부터 분출되는 냉각수의 압력은 각각의 압력 제어 밸브(3a 내지 3e)에 의해 세팅될 수 있다. 실제 압력은 압력 측정 장치(4a 내지 4e)에 의해 측정된다. 개별 냉각 모듈(2a 내지 2e) 사이에는 중간 구역(5a 내지 5e)이 배치된다. 중간 구역(5a 내지 5e)의 단부에는 그 중간 구역에 위치된 압연 제품의 표면 온도를 접촉됨이 없이 광학적으로 측정하는 고온계(6a 내지 6e)가 각각 배치되는데, 레일 형상재의 경우에는 레일 헤드에서의 표면 온도가 측정된다.

냉각 라인(1)의 시작부 또는 유입 구역(12)에 있는 제1 냉각 모듈(2a) 전방에 추가의 고온계(6f)가 배치된다. 개별 고온계(6a 내지 6f)는 신호 라인(7a 내지 7g)을 경유하여 계산 유닛(8)에 접속된다. 계산 유닛(8)은 냉각 매체 노즐의 개별 제어 밸브(3a 내지 3e)의 조정을 위해 해당 제어 라인(9a 내지 9e)을 경유하여 그 개별 제어 밸브(3a 내지 3e)에 접속된다. 냉각 매체, 특히 냉각수(KW)는 분기 라인(10a 내지 10e)을 구비한 공통의 공급 파이프(10)를 경유하여 냉각 모듈(2a 내지 2e)에 공급된다. 압력치의 제어를 위해, 계산 유닛(8)과 함께 압력 측정 장치(4a 내지 4e)의 제어 회로도 마련된다(신호 라인 "11a" 내지 "11e").

이후로 공정에 관해 설명하기로 한다. 압연된 강제 형상재, 예컨대 레일이 냉각 라인에 유입되기 전에 제1 고온계(6f), 예컨대 2색 고온계에 의해 실제 표면 온도치를 측정한다. 그러한 제1 표면 온도치를 이미 그 개별 값에 의존하여 냉각수 압력 및 냉각수 온도를 세팅하는 개별 제어 밸브의 예비 세팅(presetting)을 구현하고 있는 계산 유닛(8)에 전송한다. 제1 냉각 모듈(2a)을 통과하고 제1 냉각 단계를 행한 후에 레일 형상재를 제1 중간 구역(5a)에 유입시켜 그 제1 중간 구역(5a)에서 조직에 대한 열 응력 제거 단계를 행한다. 제1 중간 구역(5a)의 단부에서는 제2 고온계(6a), 예컨대 2색 고온계에 의해 추가의 표면 온도 측정(T_IST)을 행한다. 그와 같이 측정된 실제치를 신호 라인(7a 및 7b)을 경유하여 계산 유닛(8)에 전송하고, 거기에서 설정치(T_SOLL)와 실제치(T_IST) 사이의 차를 계산한다. 그 경우, 설정치는 베이나이트의 형성을 일으킬 수 있는, 재료별로 특유한 온도 위에 항상 놓인다. 그러한 설정치는 합금별로 특유하고, 시험으로부터 조사될 수 있다. 레일 강의 경우에 냉각 공정에서 하회되지 않아야 하는 그러한 임계 온도에 대한 기준치는 약 450 내지 500 ℃이다.

실제치와 설정치 사이에 차가 있는 경우에는 후속 냉각 모듈 또는 다수의 후속 냉각 모듈을 그 냉각 파라미터, 여기서는 부딪치는 냉각수의 압력과 관련하여 압력 제어 밸브(3a 내지 3e)의 조정에 의해 제어한다. 그 경우, 압력치의 제어를 측정된 실제 압력치에 의존하여 지속적으로 행한다.

전술된 바와 같은 제어를 각각의 후속 중간 구역(5b 내지 5e)에서 측정된 온도치에 의존하여 반복한다. 그와 관련하여, 후속 냉각 모듈뿐만 아니라, 후속적으로 냉각시키려는 압연물을 위해 선행 냉각 모듈도 아울러 제어하도록 조치하는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3은 온도 대 시간 도표를 사용하여 0.8 % 탄소를 함유한 재료로 된 레일 헤드의 냉각 곡선을 제어를 동반한 경우와 제어를 동반하지 않은 경우로 나누어 나타낸 것이다. C80W60 또는 C80W65라는 표시는 레일 헤드(예컨대, AREA 136(미국 철도 엔지니어링 협회의 납품 규정)에 따른 레일 형태)의 코어(core)에서의 냉각 속도가 에지 구역에서보다 덜 높고, 그럼으로써 비교적 고온에서 오스테나이트로부터 펄라이트 또는 페라이트로의 변환이 코어 구역에서 일어남을 분명히 해주고 있다.

시간에 따른 온도 추이를 레일 헤드에 있는 5개의 상이한 측정 점에서 탐지한다. 여기서, 도표의 번호 "1"은 레일 헤드의 코어 내의 측정 점이고, "2"는 표면 밑 5 ㎜에 배치된 측정 점이며, "3"은 측면 밑 5 ㎜에 배치된 측정 점이고, "4"는 측부 표면 상의 측정 점이며, "5"는 헤드 표면 상의 측정 점이다. 어떠한 시점에 어떠한 측정 점에서도 레일 헤드의 조직이 냉각에 의해 그 조직 중에 베이나이트가 형성될 수 있는 그러한 과냉각(undercooling)을 겪지 않음을 알 수 있다.

모의시험된 냉각 라인은 5개의 모듈에 의해 개별적으로 제어될 수 있었다. 도 2에 도시된 개별 냉각 곡선은 베이나이트의 형성이 시작되는 임계 온도를 하회하는 적이 없음을 보여주고 있다. 레일 헤드의 표면에서의 냉각을 보여주고 있는 냉각 곡선 "4" 및 "5"는 중간 구역 또는 보상 구역에서의 재가열에 의한 톱니 형태의 냉각 추이를 명확히 나타내고 있다.

도 3은 개별적으로 제어될 수 없어 레일 헤드의 표면 구역(곡선 "4" 및 곡선 "5")에서 베이나이트 온도를 하회하는 일이 생기는 5개의 냉각 모듈을 구비한 냉각 라인을 비교하여 나타낸 것이다.

본 발명에 따라 제안된 방법에 의해, 압연 열기로부터 나온 레일 강의 냉각 시에 기계 특성, 특히 내마모성에 악영향을 미치는 베이나이트 부분을 수반하지 않는 미세 펄라이트 또는 페라이트/펄라이트 조직이 나타날 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 고온의 공작물을 유입 구역(12) 및 유출 구역을 구비한 냉각 라인(1)을 통해 안내하고 냉각 공정으로 처리하여 펄라이트 조직 또는 페라이트/펄라이트 조직으로 변환시키는 형식으로 미세 펄라이트 또는 페라이트/펄라이트 조직을 갖는 레일 강으로 된 공작물, 특히 형상 압연 제품을 냉각시키는 방법에 있어서,

   공작물을, 냉각 파라미터가 독립적으로 조절될 수 있고 냉각 라인(1)의 길이에 걸쳐 순차적으로 배치된 독립적인 개별의 냉각 모듈(2a 내지 2e)로 이뤄진 냉각 라인(1)을 통해 안내하고, 냉각 모듈(2a 내지 2e) 사이에 조직 열 응력 제거용 중간 구역(5a 내지 5e)을 설치하고, 중간 구역(5a 내지 5e)에 그 중간 구역(5a 내지 5e)에서의 각각의 공작물의 실제 온도(T_IST)를 측정하는 수단을 구비하고, 중간 구역(5a 내지 5e)에서의 공작물의 각각의 실제 온도치(T_IST)에 의존하여 하나 이상의 각각의 후속 냉각 모듈(2b 내지 2e)의 특정의 냉각 파라미터, 특히 냉각 강도를 제어하여 냉각 라인(1)을 통과하는 전체의 과정 동안 공작물의 설정 온도(T_SOLL)를 확보하고, 공작물의 설정 온도(T_SOLL)가 베이나이트 조직 부분이 형성되는 임계 온도 위에 항상 놓이도록 하는 것을 특징으로 하는 레일 강으로 된 공작물, 특히 형상 압연 제품의 냉각 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 냉각 공정은, 공작물이 통과하는 냉각 모듈에 의존하는 개별 냉각 공정 단계로 구성하고, 조직 응력 제거를 위해 통과하는 중간 구역에 의존하여 재가열의 시간 단계 및/또는 보온의 시간 단계 및/또는 서냉의 시간 단계로 구성하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하나의 또는 각각의 중간 구역(5a 내지 5e)에서 측정된 각각의 실제 온도치(T_IST)에 의존하여 각각의 후속 냉각 모듈(2b 내지 2e)의 특정의 냉각 파라미터를 제어하는 동시에, 선행 냉각 모듈(2a 내지 2d)의 냉각 파라미터를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 중간 구역(5a 내지 5e)의 단부에서 공작물의 표면 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 실제 온도(T_IST)의 측정을 광학 비접촉 측정 장치에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 냉각 파라미터, 특히 냉각 강도의 제어를 냉각 매체의 압력 제어 및/또는 온도 제어에 의해 구현하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 냉각 매체, 특히 냉각수를 공작물 표면 상에 분출되기 전에 라이덴프로스트 온도를 하회하지 않거나 예열되지 않은 냉각 매체의 경우보다 더 뒤늦게 하회하게 될 정도로 예열하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 냉각 라인(1)에 유입되기 전의 또는 유입 시의 공작물의 온도를 측정하여 그 온도치를 개별의 냉각 모듈의 냉각 파라미터를 예비 세팅하는데 사용하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.

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