KR100848649B1

KR100848649B1 - 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및그 방법

Info

Publication number: KR100848649B1
Application number: KR1020010066769A
Authority: KR
Inventors: 이주동; 전기홍
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2008-07-28
Also published as: KR20030034943A

Abstract

본 발명은 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙(hot crack)의 발생과정을 인장시험기의 시편을 통해 직접관찰하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 핫 크랙 직접관찰장치는, 인장시험기(100)에 의해 고정되는 시편(103)의 한 쪽의 면을 가열하는 가열 코일(104)과, 시편(103)의 다른 쪽의 면을 냉각하는 냉각가스를 분사하는 냉각 가스노즐(105)과, 시편(103)의 인장시에 시편(103)의 고상과 액상이 공존하는 구역의 이미지를 촬영하는 카메라(106) 및, 촬영된 이미지를 통해 시간에 따른 위치추적이 가능한 이미지 처리프로그램을 이용하여 촬영된 이미지를 처리함으로써 시편(103)의 변형량과 변형속도를 도출하는 이미지 처리장치(107)를 포함한다. 본 발명의 핫 크랙 직접관찰장치는 고속카메라 및 이미지 처리장치를 통해 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙의 발생과정을 편리하게 직접관찰할 수 있다.

Description

고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및 그 방법{Direct Observation Apparatus and method of Hot Crack in Coexistence Zone of Solid phase and Liquid phase}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치의 구성요소들을 개략적으로 도시한 개략도이고,

도 2a는 도 1에 도시된 장치를 이용하여 융점부근의 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생한 크랙을 고속카메라로 촬영한 사진이고,

도 2b는 도 2a의 크랙 발생과정을 도시한 그래프이고,

도 3은 도 1에 도시된 장치를 통해 시간의 경과에 따른 크랙발생 과정을 도시한 사진이고,

도 4는 도 1에 도시된 장치를 통해 시편의 표면온도에 따른 핫 크랙의 임계 변형량을 측정한 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

100 : 고온인장시험기 101 : 상부지그

102 : 하부지그 103 : 시편

104 : 가열코일 105 : 냉각 가스노즐

106 : 고속카메라 107 : 이미지 처리장치

본 발명은 연속주조시에 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙(hot crack)의 발생과정을 인장시험기의 시편을 통해 직접관찰할 수 있도록 구성한 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 합금의 경우 응고시에 고상과 액상이 공존하는 구역(이하, '고액공존구역'이라 칭함)은 매우 취약해서 크랙이 발생하기 쉽고, 특히 연속주조의 경우 내부크랙의 형태로 주편에 잔류하여 제품품질에 큰 영향을 미친다. 따라서, 이러한 크랙의 발생없이 주조하기 위해서는 합금의 응고크랙 민감정도를 측정하는 것이 필요하다. 이러한 민감도는 크게 크랙발생의 임계 변형량과 크랙이 전파된 길이를 통해 평가할 수 있다. 통상은 펀치테스트나 벤딩테스트에 의해 일정한 변형을 가한 후 시편을 절단, 연마하여 크랙발생 여부와 길이를 측정하는 방식을 되풀이하는 방법이 사용되고 있다. 이 방법은 실험 회수, 시편 개수, 시간이 많이 소모되는 단점이 있고 정확도도 별로 높지 않은 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고속카메라 및 이미지 처리장치를 통해 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙의 발생과정을 직접관찰할 수 있는 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 핫 크랙 직접관찰장치는, 인장시험기에 의해 고정되는 시편의 한 쪽의 면을 가열하는 가열 코일과, 상기 시편의 다른 쪽의 면을 냉각하는 냉각가스를 분사하는 냉각 가스노즐과, 상기 시편의 인장시에 상기 시편의 고상과 액상이 공존하는 구역의 이미지를 촬영하는 카메라 및, 촬영된 이미지를 통해 시간에 따른 위치추적이 가능한 이미지 처리프로그램을 이용하여 촬영된 이미지를 처리함으로써 상기 시편의 변형량과 변형속도를 도출하는 이미지 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 핫 크랙 직접관찰방법은, 상기와 같이 구성된 핫 크랙 직접관찰장치를 통해 시편의 고상과 액상이 공존하는 구역의 핫 크랙을 직접관찰하는 것으로서, 상기 시편의 한 쪽의 면을 상기 가열 코일로 가열하여 용융상태를 유지하고, 다른 쪽의 면을 상기 냉각 가스노즐을 통해 분무되는 냉각가스로 냉각시켜 시편에 상기 공존구역을 형성하는 제1 단계와; 상기 시편에 인장하중을 가하고, 상기 공존구역의 이미지를 카메라로 촬영하는 제2 단계 및; 촬영된 이미지의 특정 위치를 상기 이미지 처리장치를 통해 시간에 따라 분석함으로써 상기 시편의 변형량 및 변형속도를 관찰하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치의 구성요소들을 개략적으로 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 핫 크랙 직접관찰장치는 고온인장시험기(100)의 상부 지그(101) 및 하부 지그(102)에 의해 고정되는 시편(103)의 한 쪽의 면을 가열하는 가열 코일(104)과, 시편(103)의 다른 쪽의 면을 냉각하는 냉각가스를 분사하는 냉각 가스노즐(105)과, 인장시에 시편(103)의 변형, 크랙 발생 및 전파 과정을 촬영하는 고속카메라(106) 및, 촬영된 이미지를 통해 시간에 따른 위치추적이 가능한 이미지 처리프로그램을 이용하여 촬영된 이미지를 처리함으로써 임계 변형량과 크랙길이 등을 도출하는 이미지 처리장치(107)를 포함한다.

즉, 본 발명은 가열 코일(104)을 통해 시편(103)의 한 쪽의 면을 융점까지 올려 용융상태를 만들고, 냉각 가스노즐(105)을 통해 분사되는 냉각가스를 통해 시편(103)의 다른 쪽의 면을 냉각시켜 시편(103)에 온도경사를 주어 고액공존구역을 형성하고, 그 고액공존구역에서의 핫 크랙의 발생과정을 직접관찰하는 것이다. 이 때, 고온인장시험기(100)는 고주파가열 방식이고, 시편(103)의 용해온도는 조성에 따라 다르지만 스틸의 경우 대개 1500℃ 이상이다. 그리고, 고속카메라(106)의 촬영속도는 최소한 초당 500 프레임 이상이고, 촬영된 이미지를 분석하는 이미지 처리장치(107)는 이미지의 특정위치를 시간에 따라 추적할 수 있는 기능을 갖는다.

본 발명에 사용 가능한 고속카메라(106)로는 약 10초간의 촬영이미지를 저장할 수 있는 메모리를 갖는 'Kodak사'의 'Motion Corder Series SR-C'를 사용할 수 있다. 그리고, 이미지 처리장치(107)로는 'Motion Track'이라는 상품명으로서 상기 고속카메라(106) 전용프로그램을 사용할 수 있다.

그러나, 본 발명은 상기와 같은 특정사의 고속카메라와 프로그램을 사용할 필요는 없으며, 최소한 초당 500 프레임 이상의 촬영속도, 10초 이상의 촬영이 가능한 메모리 용량 및, 촬영이미지의 특정 위치를 시간에 따라 추적하여 변형량을 예측할 수 있는 기능이 있으면 무관하다.

도 1에서 미설명부호 108은 고온부 열전대, 109는 저온부 열전대, 110은 크랙을 각각 나타낸다.

아래에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명의 핫 크랙 직접관찰장치를 통해 핫 크랙의 발생과정을 관찰하는 방법에 대해 상세히 설명하겠다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시편(103)의 한 쪽의 면을 시편(103)의 액상선 온도(융점)까지 가열하여 용융상태를 유지하고, 다른 쪽의 면을 냉각노즐(105)을 통해 분무되는 He 냉각가스로 냉각시켜 원하는 온도를 유지한다. 그러면, 시편(103)은 고액공존구역을 갖게 된다. 이렇게 시편(103)이 고액공존구역을 갖게 되면, 시편(103)에 인장하중을 가한다.

그러면, 고액공존구역의 크랙발생 과정을 고속카메라(106)가 초당 500 프레임 이상의 속도로 연속적으로 촬영하고, 촬영된 이미지의 특정 위치를 이미지 처리장치(107)를 통해 시간에 따라 분석함으로써 크랙 발생시의 변형량 및 변형속도를 관찰할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명의 방법은 특정 위치에서의 변형과정을 직접 모니터링 할 수 있기 때문에 크랙 발생 위치에서의 변형률을 보다 정확히 측정할 수 있다. 그러나, 종래에는 측정위치로 마크된 표점 사이의 거리 변화를 평균적으로 측정하여 변형률을 계산하는 방법을 이용하였기 때문에 정확한 변형률 측정이 불가능하였다. 그리고, 종래의 방법에 본 발명의 가열 코일 및 냉각노즐을 이용한 온도경사를 주는 방식을 채용하더라도, 크랙 발생의 임계 변형량을 측정하기 위해서는 일정 변형률을 가한 후 시편을 절단, 연마하여 현미경 관찰을 통해 크랙의 존재 유무를 관찰해야 한다. 이 때, 크랙이 존재하지 없으면 변형률을 증가시켜 동일한 실험을 반복해야 한다. 이렇게 종래의 방법에 본 발명의 가열 코일 및 냉각노즐을 이용하더라도 크랙발생 시점을 예측하기 위해서는 많은 시간과 실험 회수를 요구하고, 모든 변형률에 대한 실험도 불가능하여 실험의 정확도가 떨어진다.

결론적으로, 본 발명은 온도경사 시편(103)의 고액공존구역에서의 크랙 발생 및 전파 과정을 고속카메라(106)를 이용하여 최소한 초당 500 프레임 이상의 속도로 촬영하고, 촬영된 디지털 이미지를 이미지 처리장치(107)에 저장한 후 촬영 이미지내의 특정 위치를 시간에 따라 추적이 가능한 이미지 처리프로그램을 통해 종래의 방법에 비해 훨씬 빠르고 간편하게 크랙의 임계 변형량과 전파길이를 단 한 번의 실험으로 측정하게 된다.

상기와 같은 방법을 통해 얻어진 측정값들을 이용하여 제작한 크랙발생 민감도 맵(Map)이나 고온취성 데이터베이스를 근거로 2차 냉각, 주조속도 등 연속주조시에 내부크랙을 방지할 수 있는 연주조건 및 설비조건을 설정할 수 있게 된다.

<실험예>

도 2a는 도 1에 도시된 장치를 이용하여 융점부근의 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생한 크랙을 고속카메라로 촬영한 사진이고, 도 2b는 도 2a의 크랙 발 생과정을 도시한 그래프이다.

본 발명을 실험함에 있어서, 시편의 한 쪽의 면은 약 1520℃로서 액상선 온도를 유지하고, 다른 쪽의 면은 1100℃를 유지한 상태에서, 평균 스트로크 속도 2mm/s로 약 20%의 변형률까지 인장하중을 가하였다. 이 때, 고속카메라의 촬영속도는 초당 500 프레임이고 약 2초간 촬영하였다.

크랙 발생의 임계 변형량을 측정하기 위해서는 인장하중이 가해져 시편이 변형하기 시작하는 시작점을 정확히 아는 것이 중요하다. 실제로 인장시험기에서 이 시작점을 알리는 신호를 받을 수도 있으나, 그 정확도가 매우 낮아 적용하는 것이 불가능하다.

그러나, 도 2b에 나타난 바와 같이, 본 발명의 장치를 이용할 경우에는 이미지상의 임의 포인트의 움직임을 정확하게 계측할 수 있기 때문에 크랙발생의 시작점을 명확하게 알 수 있고 이 값을 기준으로 시간에 따른 변형량을 정확하게 계측할 수 있어, 크랙발생 시점의 임계 변형량 측정이 가능하다. 도 2b에서 미설명 부호 200은 변형 시작점, 201은 크랙발생 시점을 각각 나타낸다.

도 3은 도 1에 도시된 장치를 통해 시간의 경과에 따른 크랙발생 과정을 도시한 사진이다. 도 3의 (a)는 크랙발생전, (b)는 크랙발생이 시작하는 순간, (c)는 발생된 크랙내부로 모세관 현상에 의해 표면부의 완전 용융된 액상이 침투하는 과정을 각각 나타내고, (d)는 액상이 완전히 크랙내부까지 침투하여 정지한 상태를 나타내는 결과이다. 도 3에 도시된 사진에서 알 수 있듯이, 본 발명의 장치를 이용할 경우에는 크랙발생 과정을 정확하게 관찰할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 장치를 통해 시편의 표면온도에 따른 핫 크랙의 임계 변형량을 측정한 그래프이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 시편의 표면온도가 낮을수록 임계 변형량이 증가하여 크랙발생이 어려워짐을 알 수 있다. 또한, 다른 재질을 갖는 강종(강종 A, 강종 B)은 그 표면온도에 따른 임계 변형량이 각기 달라짐을 할 수 있다.

그리고, 본 발명의 장치를 통해 얻어진 데이터들을 통해 도 4와 같은 간단한 크랙발생 민감도 맵을 구성하거나 별도의 고온취성 데이터베이스를 구성할 수 있다. 이러한 크랙발생 민감도 맵이나 고온취성 데이터베이스를 이용함으로써, 신강종 개발에 따른 연속주조시 무결함주편 주조를 위한 최적의 주조속도, 몰드냉각, 2차 냉각 등 조업조건을 도출할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및 방법은 고속카메라 및 이미지 처리장치를 통해 고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙의 발생과정을 편리하게 직접관찰할 수 있다.

또한, 본 발명의 직접관찰장치를 통해 얻어진 데이터들을 통해 간단한 크랙발생 민감도 맵을 구성하거나 별도의 고온취성 데이터베이스를 구성함으로써 최적의 주조속도, 몰드냉각, 2차 냉각 등 조업조건을 도출할 수 있다.

이상에서 본 발명의 고상과 액상의 공존구역에서의 핫 크랙 직접관찰장치 및 그 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양 호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

고상과 액상이 공존하는 구역에서 발생하는 핫 크랙(hot crack)의 발생과정을 인장시험기의 시편을 통해 직접관찰하는 장치에 있어서,

상기 인장시험기에 의해 고정되는 시편의 한 쪽의 면을 가열하는 가열 코일과, 상기 시편의 다른 쪽의 면을 냉각하는 냉각가스를 분사하는 냉각 가스노즐과, 상기 시편의 인장시에 상기 시편의 고상과 액상이 공존하는 구역의 이미지를 촬영하는 카메라 및, 촬영된 이미지를 통해 시간에 따른 위치추적이 가능한 이미지 처리프로그램을 이용하여 촬영된 이미지를 처리함으로써 상기 시편의 변형량과 변형속도를 도출하는 이미지 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 크랙 직접관찰장치.
제1항에 있어서, 상기 카메라는 초당 500 프레임 이상의 촬영속도와, 10초 이상의 촬영이미지 저장용량을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 크랙 직접관찰장치.
인장시험기에 의해 고정되는 시편의 한 쪽의 면을 가열하는 가열 코일과, 상기 시편의 다른 쪽의 면을 냉각하는 냉각가스를 분사하는 냉각 가스노즐과, 상기 시편의 고상과 액상이 공존하는 구역의 이미지를 촬영하는 카메라 및, 촬영된 이미지를 처리함으로써 상기 시편의 변형량과 변형속도를 도출하는 이미지 처리장치를 포함하는 핫 크랙(hot crack) 직접관찰장치를 통해 상기 공존구역의 핫 크랙을 직 접관찰하는 방법에 있어서,

상기 시편의 한 쪽의 면을 상기 가열 코일로 가열하여 용융상태를 유지하고, 다른 쪽의 면을 상기 냉각 가스노즐을 통해 분무되는 냉각가스로 냉각시켜 시편에 상기 공존구역을 형성하는 제1 단계와;

상기 시편에 인장하중을 가하고, 상기 공존구역의 이미지를 카메라로 촬영하는 제2 단계 및;

촬영된 이미지의 특정 위치를 상기 이미지 처리장치를 통해 시간에 따라 분석함으로써 상기 시편의 변형량 및 변형속도를 관찰하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 크랙 직접관찰방법.
제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서 상기 카메라를 초당 500 프레임 이상의 촬영속도로 촬영하는 것을 특징으로 하는 핫 크랙 직접관찰방법.