KR100657564B1 - 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법 - Google Patents

테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 롤의 마모에 따른 테이퍼 롤의 시프트량을 정확하게 산출하고 이에 따라 에지 드롭을 효과적으로 방지할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법은, 가열로, 조압연, 사상압연으로 이루어진 통상의 열연방법에 있어서 상기 사상압연에 사용되는 작업롤의 양단부에 테이퍼를 부여하고 이 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키며, (a) 열연재의 에지 드롭을 저감시키기 위한 조작량으로서 압연공정에 따른 롤의 마모량, 롤의 테이퍼량 및 현재 압연 중인 열연재의 폭과의 관계식에 따른 테이퍼 롤의 시프트량을 구하고, (b) 구한 시프트량에 따라 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키도록 구성된다.
열간 압연, 롤의 마모량, 테이퍼 롤, 에지 드롭

Description

테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법{Method for reducing edge drop of hot rolling using taper roll}
도1은 종래의 시프트 제어에서의 에지 드롭을 도시한 도면.
도2a 및 도2b는 종래의 크로스 페어 제어에서의 에지 드롭을 도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 테이퍼 롤의 적용 상태를 도시한 도면.
도4는 본 발명에 따른 테이퍼 롤의 시프트 제어를 도시한 도면.
도5는 종래의 평 롤과 본 발명에 따른 테이퍼 롤의 작용을 비교한 도면.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
R: 작업롤 S: 열연재
본 발명은 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열연공정 중 사상압연에 사용되는 작업롤의 양 끝단에 테이퍼를 부여하여 롤의 마모 상태에 따라서 이를 시프트시킴으로써 작업롤의 마모에 의해 발생되던 열연재의 에지 드롭을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 한 방법에 관한 것이다.
열연공정은 연주 공정에 의해 생산된 200~260mm 두께의 슬라브를 가열로에서 1100~1300℃ 정도로 가열 한 후 조압연 단계에서 40~60mm로 1차 압연하고 사상압연 단계에서 1.2~25.4mm 두께로 2차 압연하여 열연코일을 생산하는 공정을 말한다. 본 공정을 통해 생산된 열연코일은 냉간압연 및 도금공정을 거쳐 2차 제품으로 재생산되기도 하나, 대부분 열연코일 자체가 최종 제품이 되어 수요자에게 납품된다.
따라서, 열연공정의 사상압연 단계는 최종 제품의 품질을 결정하는 마지막 단계로서 엄격한 조업관리가 요구된다. 이 단계에서 관리되는 가장 중요한 품질 요인 중에 하나가 열연재의 폭방향 두께 편차이며 이를 제어하기 위한 지수로서 크라운(Crown)과 에지 드롭(Edge drop)이 있다. 이들 품질 지수를 간단히 설명하면 다음과 같은 식에 의해 산출된다.
크라운(C) = Tc - (Td25 + Tw25)/2 (1)
에지 드롭(ED) = {(Tw100 - Tw25) + (Td100 - Td25)}/2 (2)
Tc : 열연재의 중앙부 두께
Td25 : 열연재의 드라이브 사이드측 단부에서 25mm 지점에서의 두께
Tw25 : 열연재의 워크 사이드측 단부에서 25mm 지점에서의 두께
Tw100 : 열연재의 워크 사이드측 단부에서 100mm 지점에서의 두께
Tw25 : 열연재의 워크 사이드측 단부에서 25mm 지점에서의 두께
Td100 : 열연재의 드라이브 사이드측 단부에서 100mm 지점에서의 두께
Td25 : 열연재의 드라이브 사이드측 단부에서 25mm 지점에서의 두께
상기 식(1),(2)에서 보듯이 크라운(C)은 열연재의 중앙부 두께와 양단부의 두께를 뺀 값으로 열연재의 중앙부로부터 양단부를 향하여 발생하는 완만한 두께 편차를 의미하며, 에지 드롭(ED)은 열연재의 양단부에서 100mm 지점과 25mm 지점에서의 두께를 뺀 값으로 열연재의 양단부에서 급격하게 발생하는 두께 편차를 의미한다.
크라운이나 에지 드롭이 발생하면 수요자에 의한 2차 가공 시에 에지부 트리밍(trimming)량이 증가하고, 캠버(Camber)나 에지 크랙(Crack)이 유발되어 실수율 및 작업성에 악영향을 주게 된다. 크라운과 에지 드롭이 생기는 원인은 압연 하중에 따른 작업롤의 벤딩, 열연재와의 마찰에 의한 작업롤의 마모, 롤의 열팽창량의 차이, 열연재의 추출온도 및 압연속도의 차이 등 여러 가지가 있는데, 에지 드롭은 작업롤의 마모에 따라 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
특히, 열연재가 경도의 높은 고탄소강인 경우에는 압연 시 작업롤의 마모 현상이 심화시켜 에지 드롭을 더욱 크게 만들게 된다. 따라서, 고부가가치를 가진 외판용 고탄소강에 대한 수요자의 높은 요구를 충족시키기 위해서는 에지 드롭을 저감시킬 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.
종래에도 크라운이나 에지 드롭을 저감시키기 위해 여러 가지 방법이 사용되 어 왔는데, 그 중 하나가 작업롤을 주기적으로 시프트시켜 롤 표면의 편마모를 분산시키는 것이다. 이러한 사이클릭 시프트 제어(Cyclic shift control)의 경우(b)는 도1에서 보는 바와 같이 시프트시키지 않는 경우(a)와 비교해 볼 때 롤의 마모를 어느 정도 균일하게 분산시키는 효과는 있으나, 열연재의 폭방향 두께 편차를 없앨 수 있는 궁극적인 방법이 되지는 못하였다.
크라운이나 에지 드롭을 저감시키기 위한 또 다른 방법 중에 하나로서 도2a에서 보듯이 열연재(S)의 진행방향을 기준으로 상·하 작업롤을 일정한 각도(θ)만큼 회전시켜 롤의 중앙부와 양단부의 압하력을 다르게 함으로써 작업롤의 벤딩에 의한 두께 편차를 저감시키도록 한 페어 크로스 제어(Pair cross control)가 있다. 이러한 페어 크로스 제어에 따르면, 도2b에서 보듯이 열연재 중앙부의 양(+)의 크라운을 저감시키는 효과는 있으나, 열연재 양단부의 에지 드롭은 여전히 감소시키지 못하였다.
한편, 에지 드롭을 저감시키기 위한 제어 방법으로서는 양단부에 테이퍼를 부여한 작업롤(이하 "테이퍼 롤"이라 한다)을 그 폭방향으로 시프트시키는 방법이 있다. 그러나, 종래의 방법들은 에지 드롭에 직접적인 영향을 미치는 롤의 마모에 따라 시프트 양을 결정한 것이 아니라 압연기 출측의 에지 드롭과 그 목표치와의 차이를 구하여 이를 피드백시켜 시프트 양을 결정하는 등 간접적인 방법을 사용하였기 때문에 효과적인 에지 드롭 저감방법이 되지 못하였다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 테이퍼 롤을 이 용한 시프트 제어방법을 보다 발전시켜 롤의 마모에 따른 테이퍼 롤의 시프트 양을 더욱 정확하게 산출하고 이를 제어할 수 있도록 함으로써 에지 드롭을 효과적으로 방지할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명에 따른 에지 드롭 저감방법은 경도가 높아 롤의 마모를 심화시키는 고탄소강의 열간압연에 있어서 더욱 효과적으로 적용될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법은, 가열로, 조압연, 사상압연으로 이루어진 통상의 열연방법에 있어서 상기 사상압연에 사용되는 작업롤의 양단부에 테이퍼를 부여하고 이 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키며, (a) 열연재의 에지 드롭을 저감시키기 위한 조작량으로서 압연공정에 따른 롤의 마모량, 롤의 테이퍼량 및 현재 압연 중인 열연재의 폭과의 관계식에 따른 테이퍼 롤의 시프트량을 구하고, (b) 구한 시프트량에 따라 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키도록 구성된다.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도3에서 보듯이 본 발명에 따른 에지 드롭 저감방법에 사용되는 테이퍼 롤은 각각 압연기의 상·하 작업롤(R)의 일측 단부에 테이퍼를 부여하고 이 테이퍼진 부분이 열연재(S)의 양단부에 각각 접촉되도록 함으로써 롤의 마모에 따른 에지 드롭을 보상할 수 있도록 하였다. 작업롤에 부여된 테이퍼량은 다음과 같이 정의된다.
테이퍼량(Ta) = 테이퍼의 높이(Th) / 테이퍼의 폭(Tw) (3)
상기 테이퍼량(Ta)은 압연 도중에 실시간으로 변경할 수 있는 것이 아니므로, 롤의 재질이나 열연재의 특성을 고려하여 가장 바람직한 사양을 채택하여 롤을 가공한다. 본 발명에서는 롤의 마모 속도에 따라 150㎛/1000㎜, 200㎛/1000mm, 250㎛/1000㎜로 가공하여 사용한다. 롤의 에지 드롭을 효과적으로 저감시키기 위해서는 롤의 테이퍼진 부분과 열연재와의 겹침폭(Sd)이 가장 중요한 인자가 된다. 이 겹침폭(Sd)은 롤에 테이퍼가 부여된 시작점으로부터 열연재의 끝단부까지의 거리로 정의되며 롤의 마모량, 롤의 테이퍼량(Ta), 열연재의 폭(Sw) 등을 종합적으로 고려하여 정해진다.
에지 드롭을 저감시키기 위한 최적의 겹침폭(Sd)을 유지하기 위해서는 롤의 마모량이나 열연재의 폭이 가변함에 따라 테이퍼 롤을 적절하게 시프트시킬 필요가 있다. 도4의 (a)에서 보는 바와 같이, 테이퍼 롤을 시프트시키지 않으면 테이퍼 롤과 열연재 양단부의 압연위치가 부적절하게 대응되어 에지 드롭을 증가시킬 뿐만 아니라, 반대로 에지 업(Edge Up)이 발생할 수도 있다. 따라서, 에지 드롭을 효과적으로 저감시키기 위해서는 도4의 (b)에서와 같이 롤의 마모량과 테이퍼량과의 관계식에 따른 테이퍼 롤의 시프트량을 구하고, 구한 시프트량과 현재 압연 중인 열연재의 폭을 고려하여 최적의 겹침폭을 설정할 수 있도록 테이퍼 롤을 시프트시켜 야 한다.
롤의 마모가 열연재의 에지 드롭에 미치는 영향을 도5를 참조로 설명한다. 롤은 열연재와의 마찰로 인해 마모가 발생한다. 이러한 롤의 마모는 열연재와의 접촉이 끝나는 양단부에서 중앙부보다 작게 발생되므로 롤의 폭방향을 따라 마모량의 프로파일을 표시해 보면 도5의 (a)에서 보듯이 양 끝단에 굴곡이 발생한다. 롤의 마모량 편차는 열연 공정이 진행됨에 따라 더욱 심화되어 결국 열연재의 양단부에서 두께가 급격하게 감소하는 에지 드롭이 발생하게 되는 것이다.
따라서, 이러한 에지 드롭을 저감시키기 위해서는 도5의 (b)에서와 같이 롤의 마모량과 롤의 테이퍼량을 고려하여 적절한 시프트량을 산출하고, 이에 따라 테이퍼 롤을 시프트시켜야 한다. 이 때, 롤의 마모량(Rw)은 마모가 발생되기 전의 롤의 표면과 열연 중에 마모되는 롤의 중앙부와의 두께 차로 정의되며, 이는 작업자의 경험칙에 의해 정해질 수도 있으나, 압연기의 측면에 부착되어 롤의 표면을 센싱하도록 설치된 센서에 의해 실시간으로 측정하는 것이 바람직하다.
롤의 테이퍼량은 롤의 마모 속도에 따라 150㎛/1000㎜, 200㎛/1000mm, 250㎛/1000㎜로 정해져 있으므로, 상기한 방법으로 롤의 마모량이 측정되면 열연재의 양 끝단부가 롤의 마모량과 일치하는 테이퍼 지점에 겹쳐지도록 롤을 시프트시킴으로써 에지 드롭을 감소시킬 수 있다. 이 때, 상기 롤의 시프트량은 열연재 양 끝단부의 소정 지점과 롤의 마모량과 일치하는 테이퍼 지점 사이의 거리로 정의될 수 있다. 다만, 열연재의 겹침 지점은 열연재의 폭에 따라 달라지므로 롤의 시프트량을 결정함에 있어서 현재 압연 중인 열연재의 폭을 함께 고려하여야 한다. 따라서, 롤의 시프트량은 압연공정에서의 롤의 마모량, 롤의 테이퍼량 및 현재 압연 중인 열연재의 폭의 관계식으로부터 구해진다.
시프트량(X) = W / tan θ (4)
X : 열연시 시프트량
W : 열연시 마모량
다만, ∑Wi =1,m < 600mm (최대 시프트 가능량)
I = 롤 단위내 압연재 매수
m = 압연재의 최대 매수
θ : 테이퍼 각도
테이퍼 각도(θ) = tan-1 [테이퍼량(Ta)] (5)
= tan-1 [테이퍼의 높이(Th)/테이퍼의 폭(Tw)]
상기 식(4)에서 보는 바와 같이, 테이퍼 롤의 시프트량(X)은 열연시 발생하는 마모량(W)과 롤의 테이퍼 각도(θ)와의 관계식으로 계산된다. 상기 테이퍼 각도(θ)는 식(5)에서 보듯이 테이퍼량(Ta)을 나타내는 식이므로, 상기 식(4)으로 계산 된 시프트량(X)에는 롤의 마모량(W)과 테이퍼량(Ta)이 모두 반영되어 있다.
여기서 상기 마모량(W)을 1매 압연시를 기준으로 롤의 마모량을 실제 측정하고 이를 평균하여 얻은 값으로 최대 시프트 가능량인 600mm를 초과하지 못하도록 제어된다. 상기 테이퍼량(Ta)은 롤의 재질이나 열연재의 특성을 고려해 미리 가공해 놓은 값으로 150㎛/1000㎜, 200㎛/1000mm, 250㎛/1000㎜ 등이 많이 사용된다는 것은 이미 상기한 바 있다.
식(4)에 따른 시프트량(X)은 열연재의 에지 드롭을 저감시키기 위한 조작량이기는 하나, 롤 자체의 재질 및 형태상의 특징인 마모량(W)과 테이퍼량(Ta)에 의해서만 계산된 절대 수치이므로 이를 실제 테이퍼 롤 시프트에 직접 사용할 수 없다. 왜냐하면, 상기한 바와 같이 에지 드롭을 저감시키기 위해서는 롤과 압연재와의 겹침폭이 가장 중요하며, 이 겹침폭은 반드시 압연 중이 압연재의 폭을 고려하여야 하기 때문이다. 열연재의 폭은 항상 가변되는 것이므로 이를 직접적으로 수식에 반영할 수 없으므로, 작업자는 상기한 식(4)에 의해 계산된 시프트량(X)을 기준으로 현재 압연 중인 열연재의 폭을 고려하여 실제 시프트량을 결정한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법에 의하면, 에지 드롭에 직접적인 영향을 미치는 롤의 마모량에 따라 테이퍼 롤의 시프트량을 제어함으로써 보다 효과적으로 에지 드롭을 감소시켜 준다. 이에 따라 열연재의 실수율이 증가되고 캠버나 에지 크랙 등을 방지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 가열로, 조압연, 사상압연으로 이루어진 통상의 열연방법에 있어서, 상기 사상압연에 사용되는 작업롤의 양단부에 테이퍼를 부여하고 이 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키며, (a) 열연재의 에지 드롭을 저감시키기 위한 조작량으로서 압연 공정에 따른 롤의 마모량, 롤의 테이퍼량 및 압연 중인 열연재의 폭과의 관계식에 따른 테이퍼 롤의 시프트량을 구하고, (b) 구한 시프트량에 따라 테이퍼 롤을 압연기의 축방향으로 시프트시키는 것을 특징으로 하는 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시프트량은 다음의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 테이퍼 롤을 이용한 열연재의 에지 드롭 저감방법.
    시프트량(X) = W / tan θ (4)
    X : 열연시 시프트량
    W : 열연시 마모량
    다만, ∑Wi =1,m < 600mm (최대 시프트 가능량)
    I = 롤 단위내 압연재 매수
    m = 압연재의 최대 매수
    θ : 테이퍼 각도
    테이퍼 각도(θ) = tan-1 [테이퍼량(Ta)] (5)
    = tan-1 [테이퍼의 높이(Th)/테이퍼의 폭(Tw)]
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