KR100878695B1 - 열간압연 통판성 개선을 위한 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중첩된 선/후행 금속 바의 양측 대향 위치에 상하 접합나이프를 대고 중첩부를 끼우도록 상기 상하 접합나이프를 이동시켜 상기 금속 바를 전단하면서 양측의 전단면의 변형을 이용하여 접합부를 형성하게 하는 금속 바의 접합 방법에 있어서, 접합 중 상기 접합나이프의 전단동작과 동기하는 변형 구속 기구로 상기 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하여 접합부의 에지균열을 저감하는 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 접합부 폭 방향 변형 구속 장치를 이용하여, 전단 접합 공정시 접합부 에지균열이 효과적으로 저감될 수 있어 안정적인 통판성을 확보할 수 있다.

열간압연, 연연속압연, 금속 바, 전단 접합, 에지 균열율

Description

열간압연 통판성 개선을 위한 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법 및 그 장치{Method and Appartus for reducing edge crack ratio in the joint of sheet bar to improve the stability of endless hot rolling}

본 발명은 연연속 열간 압연을 실현하기 위한 선/후행 금속 바(Metal bar)의 접합에 있어서, 접합부의 사상압연 통판의 안정성을 높이기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

강판의 압연 공정에서는, 조압연기와 사상압연기로 금속 바의 두께를 필요한 수치만큼 조절할 수 있어 각광을 받고 있다. 이러한 압연 설비 분야에서도 최근에는 생산성의 향상 및 박물/광폭화를 통한 고부가가치화의 요구가 더욱 높아지고 있으며, 이러한 목적을 달성하기 위해 조압연기와 사상압연기의 사이에서 금속 바를 접합하여 사상압연을 연속적으로 실시하는 압연 방법이 나타나기에 이르렀다.

이러한 방법으로 금속 바를 상호 접합시키는 기술로는, 금속 바를 상호 용융접합시키는 용융접합방법 및 선행 바의 후단과 후행 바의 선단을 중첩시키고 접합 나이프를 이용하여 전단/압축함으로써 청정면을 형성시키고, 동시에 이 과정에서 발생하는 높은 압력을 이용하여 접합하는 기술인 고상접합방법이 주로 알려져 있으나, 어느 방법에 의하여도 접합부의 접합강도가 모재부에 비해 떨어지는 문제가 존재한다.

나아가, 용융접합방법에 의하면 접합부위의 온도가 주위보다 높아 접합부의 연화현상이 발생하는 문제가 있으며, 또한 고상접합방법에 의하면 접합부의 형상이 불균일해지고, 접합면으로 표면 스케일이 혼입되는 현상 등에 의해 접합강도 저하현상이 발생할 수 있다.

또한, 전단에 의한 고상 접합기를 설치한 열간 압연설비에서는 접합부 단면 상, 하부와 폭 방향 양 끝단에 미접합부 또는 접합력이 약한 부위가 존재하고 접합면으로도 표면 스케일이 혼입되어 접합강도가 떨어지는 문제점이 나타나며, 사상압연 과정에서는 접합부에 강한 하중이 가해지는 경우가 많고, 압연기 스탠드 사이에서도 인장 응력이 걸리게 된다. 따라서, 이러한 설비에서는 접합강도가 충분하지 못하면, 모재부에 비해 물성이 취약한 접합부에서 판파단이 발생하거나 과다한 균열이 발생하여 압연 통판성이 심각하게 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고, 아울러 전단 접합방식에 의한 금속 바의 접합시, 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하여, 폭 방향 양쪽 에지부의 접합강도를 향상시킴으로써 안정적 사상압연 통판성을 확보할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 중첩된 선/후행 금속 바의 양측 대향 위치에 상하 접합나이프를 대고 중첩부를 끼우도록 상기 상하 접합나이프를 이동시켜 상기 금속 바를 전단하면서 양측의 전단면의 변형을 이용하여 접합부를 형성하게 하는 금속 바의 접합 방법에 있어서, 접합 중 상기 접합나이프의 전단동작과 동기하는 변형 구속 기구로 상기 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법을 제공한다.

나아가 본 발명은, 중첩된 선/후행 금속 바의 양측 대향 위치에 상하 접합나이프를 대고 중첩부를 끼우도록 상기 상하 접합나이프를 이동시켜 상기 금속 바를 전단하면서 양측의 전단면의 변형을 이용하여 접합부를 형성하게 하는 금속 바의 접합 장치에 있어서, 접합 중 상기 접합나이프의 전단동작과 동기하여 상기 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하는 변형 구속 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치를 제공한다.

본 발명에서 사용되는 금속 바는 모양이 바(bar) 형태는 물론, 금속 판 형태의 것도 포함하는 것으로 한다.

이하 사상압연시 접합 에지부의 접합강도 저하 원인 및 에지 균열의 발생기구에 관하여 설명한다.

도1 (a)와 같이 선/후행 강판을 전단하면서 접합하는 방법에서, 두 판재를 접합시키는 힘은 접합 나이프(전단 날 101 및 102)가 누르는 압축 하중(F) 중 접합선에 수직한 방향의 분력(Fj)이며, 여기에 선/후행 강판의 중첩면 간의 마찰력이 접합력을 증가시키게 된다.

이러한 힘들에 의해 도1 (b)와 같이 접합선을 중심으로 서로 마주보는 힘이 작용하여 접합이 일어나게 된다. 이때 이 힘은 접합장치의 강성, 용량 등과 같은 하드웨어적 인자와 접합공정 조건 간의 함수 관계에 있으며, 접합 나이프의 돌기는 접합시 소재의 변형(유동)을 막아 줌으로써 이러한 접합력의 손실을 방지해주는 역할을 한다.

하지만, 상기 도1에 나타난 조건은 소재의 변형에 대한 구속이 완전한 이상 적인 상태로서, 실제 접합과정에서는 이와는 달리 폭 방향으로의 중앙부 정도에서만 이러한 조건을 만족한다. 즉, 도2에서 보는 바와 같이, 폭 방향의 양 단부는 전혀 구속이 없는 상태로서, 접합 중 폭의 바깥 방향으로 변형이 발생하는 것이 일반적이며, 이로 인해 마주보는 힘의 방향이 경사지게 되므로 접합력이 저하되며 양 단부의 접합강도는 낮아지게 된다.

한편, 도3은 사상압연시 판의 길이 방향으로 발생하는 하중(인장하중)에 의한 접합부의 손상(Damage)의 3차원 수치해석결과와 압연시 폭 방향 에지부의 인장응력 발생에 대한 문헌(塑性と加工, 17(1976))자료를 도시한 것이다. 도3 (b)에서 보듯이 압연에 의해 에지부에 발생하는 인장응력은 접합부의 에지부에 균열을 발생시키며, 이러한 균열이 계속적인 압연에 의해 성장함으로써 통판성을 악화시키거나, 심한 경우 즉, 임계치를 초과하는 경우에는 판파단을 발생시키게 된다.

따라서, 본 발명자들은 전단 방식에 의한 접합부의 성능은 전단 및 압축 작용에 의해 발생하는 소재의 변형의 구속 정도와 상관 관계를 가지며, 반면 접합 나이프의 형상, 나이프의 구동 기구 등의 최적화는 폭 방향의 대부분에서의 변형에 대한 구속을 최대화할 수 있지만, 접합 중 폭 방향으로의 변형이 자유로운 폭의 양 에지(Edge)에 있어서는 효과를 발휘할 수 없다는 사실을 알게 되었다. 나아가, 통판성을 양호하게 함과 동시에 판파단이 발생하지 않도록 사상압연을 수행하기 위해서는 접합부 에지부의 접합강도를 높여 균열을 최대한 저감시키는 것이 필요하다는 사실을 예측할 수 있었다.

특히, 에지부에서의 접합강도 저하는, 폭 방향 변형에 의한 접합력의 손실이주된 원인이며, 이러한 결과로부터 본 발명자들은 선/후행 금속 바의 전단에 의한 고상 접합을 실시하는 설비에 있어서, 사상압연시 접합부의 에지균열을 효과적으로 저감하기 위하여 접합 중 폭 방향으로의 변형을 효과적으로 구속하여 에지부의 접합강도를 향상시키는 방법 및 이러한 폭 방향의 변형을 구속하는 장치를 완성하기에 이르렀다.

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명은 선/후행 강판을 전단하면서 접합하는 장치에 있어서, 폭 방향으로의 변형을 구속하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 도4에 나타난 바와 같이 선행 금속 바의 후단(405)과 후행 금속 바(406)의 선단의 중첩부에 대한 상하 접합나이프(401 및 402)의 전단작용을 통해 선/후행 금속 바를 접합시키는 경우, 접합 장치에서 접합 중 접합부의 폭 방향에서 나타나는 변형(팽창)을 구속하기 위해 접합나이프의 전단동작과 동기하는 변형 구속 기구(금속 블록 407 및 실린더 408)를 접합나이프의 양 에지쪽에 장치하여 변형을 구속하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기 변형 구속 기구는 접합나이프의 폭이 강판의 폭에 비해 큰 경우가 일반 적이므로 접합부의 두께와 같거나 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하며, 접합시 폭 방향 변형을 직접 구속하는 금속 블록(407)과 접합시 접합되는 금속 바의 폭에 따라 구속용 블록의 위치를 제어하고, 변형 구속에 의해 발생하는 하중에 의한 구속용 블록의 후퇴를 방지할 수 있는 실린더(408)로 구성된다.

상기 금속 블록(407)과 접합부의 에지 간의 간격이 0 일 때가 가장 효과적이지만, 폭 방향 구속에 의해 발생하는 압력에 의해 접합부와 상기 구속용 블록(407)이 접합되는 문제가 발생할 수 있으며, 나아가 그 간격이 접합부의 폭 방향 변형량보다 같거나 더 크면 변형의 구속효과가 저하되기 때문에 적절한 간격의 조절이 필요하다. 바람직하게는 이를 위한 제어 시스템이 구비될 수도 있다. 또한, 상기 구속용 블록(407)의 두께는 접합부의 두께와 같거나 얇아야 하는바, 이는 전단동작하는 상하 나이프가 이동하는 경로를 감안한 것이다.

한편, 상기 도4에서는 폭 방향 변형 구속을 위한 변형 구속 기구를 접합 나이프의 양 측면에 각각 하나씩 장치한 예를 나타내었으나, 폭이 서로 다른 금속 바를 접합하는 경우에도 동일한 효과를 이루기 위해서는, 상하 나이프에 각각 독립적인 변형 구속 기구를 설치할 수 있다. 이러한 경우, 구속용 금속 블록의 두께를 정함에 있어서, 상하 나이프의 이동 경로를 감안하여 구속용 상부 블록 및 구속용 하부 블록의 두께의 합은 접합부 두께와 같거나 더 얇아야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 접합부 폭 방향 변형 구속 장치를 이용하는 경우, 전단 접합 공정시 접합부 에지균열이 효과적으로 저감될 수 있어 안정적인 통판성을 확보할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

본 실시예에서는 전단 접합으로 에지 균열이 특히 많이 발생하는 강종이 어떤 것인지 실험을 수행하였고, 그 결과를 도5에 나타내었다. 다양한 강종에 대한 접합부의 열간 압연 후 에지균열율(접합부의 폭 대비 에지부 균열의 총 길이)을 각각 평가했으며, 접합조건 및 각 소재의 크기(폭 200mm X 길이 325mm X 두께 28mm) 는 모두 동일하다. 도5의 결과를 참고하면, 타 강종에 비해 전기강판의 에지균열율이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예에서는 에지균열율의 크기와 폭 방향 접합강도의 분포 간의 관계를 실험하였으며, 그 결과를 도6에 나타내었다. 사용된 강종으로는 에지균열율이 상대적으로 큰 전기강판과 에지균열율이 작은 강종의 하나로 내후성강을 이용하였다.

폭 방향 접합강도는 도6 (a)의 시편 채취 방법에 나타나 있듯이, 전 폭에 걸쳐 10mm의 폭으로 시편을 채취하여 상온에서 인장강도를 측정하였으며, 각 강종별 최대 접합강도에 대한 비율로 나타내었다. 절대값의 차이는 다소 존재하나, 압연이 행해지는 고온에서의 폭 방향의 접합강도 분포는 동일하다.

실험 결과, 도6 (b)와 같이 두 강종 모두 폭 중앙부에 비해 에지부의 접합강도가 낮게 나타났으며, 특히 전기강판의 경우에는 접합강도가 저하되는 위치가 내후성강에 비해 폭 방향으로 더 깊이 존재함을 알 수 있었다. 따라서, 압연시 동일한 인장응력이 가해진다면, 내후성강에 비해 전기강판의 에지균열은 더욱 커질 것으로 예상된다.

(실시예 3)

본 실시예에서는 내후성강 및 전기강판을 각각 접합한 후의 형상과 원 폭(200mm) 대비 접합부의 폭 방향 변형량을 측정하였으며, 그 결과를 도7에 나타내었다. 여기에서 폭 방향 변형량이라 함은, 워크사이드(W/S)와 드라이브사이드(D/S)의 변형량의 평균값을 의미한다.

도7에서 알 수 있듯이 내후성강에 비해 전기강판의 폭 방향 변형량이 더 크며, 이것은 동일 접합조건(접합온도 1000℃)에서 전기강판 모재의 낮은 고온강도(약 9MPa)에 기인하는 것으로 보인다. 따라서, 실시예 2에 나타난 에지부의 접합강 도 저하는 앞서 설명한 바와 같이 이러한 폭 방향 변형에 의한 에지부의 접합력의 손실에 기인하는 것으로 보이며, 이러한 변형량이 보다 큰 전기강판에서 접합력의 손실의 크기 및 영향을 미치는 범위가 더 큰 것으로 판단된다.

(실시예 4)

본 실시예에서는, 상술한 실시예1 내지 3에서 상대적으로 에지균열 특성이 취약한 것으로 나타난 전기강판을 접합하는 과정에서 본 발명에 의한 폭 방향 변형 구속 장치를 이용하였으며, 그 조건 및 결과를 측정하였다.

우선 2매의 전기강판에 대하여 전단에 의한 접합을 실시하였다. 접합 과정에서 본 발명의 접합부 폭 방향 변형 구속 장치를 이용하였으며, 접합이 완료된 후에 접합부에 대한 압연 특성을 평가하였고, 또한 비교를 위해 변형 구속을 하지 않고 동일 접합조건에서 접합한 시편을 평가하여 그 결과를 표1 및 도8에 나타내었다.

압연특성의 평가 기준은 모재의 폭 대비 접합부 에지균열의 비인 에지균열율을 이용했으며, 접합부와 변형 구속용 금속 블록 사이의 간격에 대한 영향을 평가하기 위해 그 접합 공정시의 접합부와 금속 블록 간의 간격을 접합부 변형량 대비 25%, 50% 및 75%로 변화시켜 접합을 실시하여 압연 특성을 평가하고, 또한 접합부와 변형 구속용 금속 판사이의 비정상 접합 발생 여부를 평가하였다.

	간격조건(폭 변형량 대비, %)	에지균열율(%)	비정상접합여부
폭 방향 구속 조건 1	25	11.3	O
폭 방향 구속 조건 2	50	0	X
폭 방향 구속 조건 3	75	26	X
미구속(비교)	-	28	-

(O: 접합부와 변형 구속용 금속판 사이에 접합이 발생했음을 의미하며, X는 접합부와 변형 구속용 금속판 사이에서 접합이 발생하지 않았음을 의미함)

표1 및 도8로부터 접합부와 변형 구속용 금속 판 사이의 최초 간격이 변형량에 비하여 50% 이하의 조건에서는 압연시 접합부 에지 균열율이 폭 방향의 변형을 구속하지 않은 경우에 비해서 오히려 현저히 저하됨을 알 수 있었다.

한편, 폭 변형량 대비 25%의 간격 조건에서는 접합부와 변형 구속용 금속 판사이의 간격이 작아, 접합부와 구속용 툴 사이의 비정상적인 접합이 발생하였다. 또한, 이러한 비정상적인 접합을 제거하기 위하여 충격이 가해졌고, 이로 인한 접합부에 데미지가 가해져, 약 11%의 에지균열이 발생한 것으로 판단된다.

따라서 이러한 결과를 종합할 때, 적절한 간격 조건에서 본 발명의 접합부 폭 방향 변형 구속 장치를 이용하는 경우, 전단 접합 공정시 접합부 에지균열이 효과적으로 저감될 수 있으며, 그러한 간격 조건은 접합부의 폭 변형량 대비 25% 초과 75% 미만이 적절함을 알 수 있다.

도1은 접합면에 작용하는 접합력을 나타내는 개념도

도2는 접합부 에지(edge)부의 접합강도 저하 원인을 설명하는 개념도

도3은 압연시 판 폭방향 응력 분포를 나타내는 그래프

도4는 본 발명에 의한 폭 방향 변형 구속 장치의 구성도

도5는 다양한 강종의 접합부의 열간 압연 후 에지균열율을 나타내는 도표

도6은 접합강도의 접합부 폭 방향 분포를 나타내는 그래프

도7은 강종에 따른 접합부 폭 방향 변형량을 나타내는 도표

도8은 폭 방향 변형 구속장치의 조건에 따른 압연특성을 나타내는 도표

● 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : 상측 전단나이프

102 : 하측 전단나이프

401 : 본 발명 장치의 상측 전단나이프

402 : 본 발명 장치의 하측 전단나이프

405 : 선행 금속 바의 후단

406 : 후행 금속 바

407 : 금속 블록

408 : 실린더

Claims (8)

1. 중첩된 선/후행 금속 바의 양측 대향 위치에 상하 접합나이프를 대고 중첩부를 끼우도록 상기 상하 접합나이프를 이동시켜 상기 금속 바를 전단하면서 양측의 전단면의 변형을 이용하여 접합부를 형성하게 하는 금속 바 접합 방법에 있어서,

   접합 중 상기 접합나이프의 전단동작과 동기하는 변형 구속 기구로 상기 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 접합부와 상기 변형 구속 기구 간의 간격은 접합부 변형량 대비 25% 초과 75% 미만임을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 방법.
3. 중첩된 선/후행 금속 바의 양측 대향 위치에 상하 접합나이프를 대고 중첩부를 끼우도록 상기 상하 접합나이프를 이동시켜 상기 금속 바를 전단하면서 양측의 전단면의 변형을 이용하여 접합부를 형성하게 하는 금속 바 접합 장치에 있어서,

   접합 중 상기 접합나이프의 전단동작과 동기하여 상기 접합부의 폭 방향으로의 변형을 구속하는 변형 구속 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 변형 구속 기구는 상측 접합나이프 양쪽 에지부 하단에 각각 설치되어 전단시 하측 접합나이프 양쪽 에지부 상단과 맞물리는 금속 블록 및 상기 금속 블록 각각의 외측에서 상기 금속 블록의 위치 및 밀림을 제어하는 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 변형 구속 기구는 하측 접합나이프 양쪽 에지부 상단에 각각 설치되어 전단시 상측 접합나이프 양쪽 에지부 하단과 맞물리는 금속 블록 및 상기 금속 블록 각각의 외측에서 상기 금속 블록의 위치 및 밀림을 제어하는 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 금속 블록의 두께는 접합부의 두께와 같거나 얇은 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 변형 구속 기구는 상측 접합나이프 양쪽 에지부 하단 및 하측 접합나이프 양쪽 에지부 상단에 각각 설치되어 전단시 접합나이프 양쪽 에지부에서 맞물리는 상측 및 하측 금속 블록 및 상기 금속 블록 각각의 외측에서 상기 금속 블록의 위치 및 밀림을 제어하는 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 상측 및 하측 금속 블록 두께의 합은 접합부의 두께와 같거나 얇은 것을 특징으로 하는 연연속 접합부의 에지균열 저감형 금속 바 접합 장치.

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