KR100880575B1 - 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중설정방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조질압연기(Skin Pass Mill)에서 소재의 물성치 및 압연롤의 하중과 생산속도에 따라 다르게 분포하며, 압연코일의 압연위치에 따라 달라지는 연신율을 각각의 조건에 대하여 다르게 설정하여 일정한 연신율을 확보하기 위한 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 생산코일에 따라 결정되는 조업조건인 강종, 판 두께, 판 폭, 목표 연신율과 조업속도를 상위 컴퓨터로부터 지시받는 단계와; 상기 지시받은 조업조건 및 조업속도와 소재의 항복강도에 따라 롤 포스(Roll Force) 설정값을 하중 예측모델로 결정하는 단계와; 상기 하중 예측모델에 의해 설정된 롤 포스(Roll Force)값을 조질압연기의 푸시업 실린더로 전달하여 압연롤에 적용하는 단계와; 상기 조질압연롤에 적용된 롤 포스(Roll Force) 값에 따라 변화된 연신율을 PLG가 측정하여 계산하는 단계와; 상기 계산된 측정연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차 안에 있으면 조업속도가 변할 때까지 계속 같은 롤 포스(Roll Force)로 유지하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법 및 그 장치를 제공하게 된다.

조질압연, 롤포스모드, 연신율제어, PLG, 푸시업실린더, 포지션센서

Description

조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법 및 그 장치{METHOD FOR SETTING UP THE ROLLING LOAD TO ACQUIRE THE CONSTANT ELONGATION PERCENTAGE IN THE SKIN PASS MILL, APPARATUS THEREOF}

도 1은 조질압연 설비의 개략적인 구성과 본 발명을 구성하는 PLG의 설치개소를 도시한 개념도;

도 2는 조질압연에서 압연롤과 압연되는 스트립의 영역별 분포를 도시한 개념도;

도 3은 조질압연에서 압연롤과 압연되는 스트립의 영역별 변수정의를 나타낸 개념도;

도 4는 본 발명에 따른 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정장치를 도시한 구성도;

도 5는 롤 포스 모드(Roll Force Mode)로 생산된 제품에 대한 속도에 따른 연신율 분포 및 압연하중 분포도;

도 6은 인장속도에 따른 압연소재의 항복응력 분포도;

도 7은 본 발명에 따른 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법에 관한 순서도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

7:PLG 1:조질압연기 4a,4b:푸시업 실린더 5a,5b:포지션 센서

6:제어용 컴퓨터 8:신호선

본 발명은 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조질압연기(Skin Pass Mill)에서 소재의 물성치 및 압연롤의 하중과 생산속도에 따라 다르게 분포하며, 압연코일의 압연위치에 따라 달라지는 연신율을 각각의 조건에 대하여 다르게 설정하여 일정한 연신율을 확보하기 위한 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 조질압연(Skin Pass Rolling)에서 사용되는 생산방식은 공정변수의 제어대상에 따라 롤 포스 모드(Roll Force Mode) 제어방법과 연신율(Elongation Percentage Mode) 제어방법이 있다.

롤 포스모드 제어방법은 초기 설정값에 따라 장력, 롤 하중 등을 일정하게 두고 조업하는 방법으로서 생산된 제품의 연신율의 변화가 심하며, 연신율의 변화가 심한 이유는 압연된 코일이 바뀌는 부위에 존재하는 용접점 부근이나 코일 분할이 필요한 경우에는 조업속도를 고속에서 저속으로 바꾸어야 하는데, 이때 속도변화에 따라 소재의 항복점이 달라진다.

그러나, 롤 하중은 일정하게 유지되므로 저속의 조업조건의 경우가 고속의 조업조건 일 때 보다 많은 연신이 일어나게 된다.

연신율 제어방법의 경우는 장력은 일정하게 유지하고 일정 연신율을 유지하기 위하여, 롤 갭을 조정하여 롤 하중을 변화 시킨다.

즉 연신율의 설정치와 측정치를 비교하여 오차를 보상하는 방법으로서 제어가 이루어지는 것이다.

그러나, 정상속도 구간에서는 제어가 용이하지만 짧은 시간에 큰 속도변화가 있는 경우는 제어기가 따라가지 못하며, 과도한 롤 갭 변화는 판 표면에 롤 자국을 남기게 된다.

또한, 조질압연기에서는 연신율 확보와 더불어 형상도 교정해야 하는데 롤 하중이 과도하게 변하는 경우 형상제어가 제대로 작동하지 못하는 단점이 있다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 소재의 물성치 및 압연롤의 하중과 생산속도에 따라 다르게 분포하며, 압연코일의 압연위치에 따라 달라지는 연신율을 실측된 연신율과 예측된 연신율의 차이 부분을 보정하여 각각의 조건에 대하여 다르게 설정하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 조질 압연롤의 회전수를 측정하고, 스트립의 실제 생산속도 및 조질압연기 전후단에서 스트립의 속도차이를 측정하여 연신율 값을 계산하는 PLG와; 상기 PLG로부터 측정된 연신율 값 및 조업조건을 수신하여 조질압연롤의 하중 설정값을 계산하는 제어용 컴퓨터와; 상기 제어용 컴퓨터로부터 계산된 하중 설정값에 따라 조질압연롤의 하중을 변화시키기 위하여 조질압연기의 백업롤 하부면에 설치되는 푸시업 실린더 및 피스톤 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 생산코일에 따라 결정되는 조업조건인 강종, 판 두께, 판 폭, 목표 연신율과 조업속도를 상위 컴퓨터로부터 지시받는 단계와; 상기 지시받은 조업조건 및 조업속도와 소재의 항복강도에 따라 롤 포스(Roll Force) 설정값을 하중 예측모델로 결정하는 단계와; 상기 하중 예측모델에 의해 설정된 롤 포스(Roll Force)값을 조질압연기의 푸시업 실린더로 전달하여 압연롤에 적용하는 단계와; 상기 조질압연롤에 적용된 롤 포스(Roll Force) 값에 따라 변화된 연신율을 PLG가 측정하여 계산하는 단계와; 상기 계산된 측정연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차 안에 있으면 조업속도가 변할 때까지 계속 같은 롤 포스(Roll Force)로 유지하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법을 제공하게 된다.

이하, 본 발명이 적용되는 롤 포스모드(Roll Force Mode)의 이론적 배경을 수식을 유도하여 설명하고자 한다.

본 발명은 기존의 롤 포스모드 제어방법과 연신율 제어방법의 장점을 수용하고, 롤 하중의 정밀한 예측 및 조업조건 설정 방법을 자동으로 설정함으로써 일정 연신율을 가진 판재를 생산할 수 있다.

도 2는 조질압연에서 압연롤과 압연되는 스트립의 영역별 분포를 도시한 개념도이고, 도 3은 조질압연에서 압연롤과 압연되는 스트립의 영역별 변수정의를 나타낸 개념도이다.

먼저, 조질압연(이하, ‘SPM’라 한다.)에서 사용되는 롤 포스 예측모델을 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 롤 갭(Roll Gap) 영역을 7개의 서로 다른 영역으로 나누어 해석한다.

상기한 롤갭을 통과하는 동안 탄성 및 소성영역을 거치게 되고, 롤과 스트립 사이에 슬립(Slip)이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어지게 되며, 각각의 영역에서는 설정된 가정에 따라 다른 경계조건 및 방정식이 성립하게 된다.

스트립에 성립하는 지배방정식은 힘의 평형과 스트립 폭변화를 무시하는 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다.

------------------------------------------------(1)

또한, SPM과 같이 낮은 연신이 일어나는 경우 스트립과 롤 사이의 접촉을 Hertzian Contact로 가정 할 수 있는데, 이 경우 롤압력과 롤변형 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

------------------------------------------(2)

여기서, 2Δb는 스트립 두께 감소량이고, P₀는 최대 Hertzian 압력값이다.

또한, P₀는 P0 = E^*·a₀/2R과 같이 표현할 수 있고, 무차원화 시켜 다음과 같 이 표현할 수 있다.

--------------------------------------------------------(3)

여기서 U=μ·E^*·r/Y_s이다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 출측 접촉길이, a₂는 입측 접촉 길이 a₀와 밀접한 관계가 있는데, 상기 수학식 (2)에서 x=a₂에서 p=0이고, Δb=Δb₂=rb₀이므로 다음과 같은 식이 성립한다.

------------------------------------------(4)

여기서, r는 스트립의 총 압하율로 r=(b₀-b₂)/b₀=Δb₂/b₀ 이다.

다음은 롤갭(Roll Gap)에서 가정한 각 영역에 대하여 성립하는 식에 대하여 기술하겠다.

1) 영역 A

영역 A는 탄성 변형이 일어나는 구간으로 두께 변화는 거의 없다고 가정한다. 상기 수학식 (2)에서 Δb≒0이므로 다음의 식이 성립한다.

----------------------------------------------(5)

또한, 쉬어 스트레스(Shear Stress), q=μp이므로 다음의 식이 성립한다.

-----------------------------------------------(6)

이 영역에서는 db/dx=0이므로 길이방향 응력, σ_x는 상기 수학식 (1)을 적분하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

-------------------------------(7)

2) 영역 B

영역 B는 소성 변형이 일어나는 구간이다. 영역 A에서 소재의 항복 응력을 넘어선 힘이 가해지면 영역 B로 바뀌며 항복조건 및 슬립조건은 다음과 같다.

------------------------------------------------------(8)

-----------------------------------------------------(9)

상기 수학식 (2), (8), (9) 그리고, 평형방정식인 수학식 (1)에 의해 압력기울기(Pressure gradient), -dσ_x/dx는 다음과 같이 표현된다.

-------------------------------------------------------------------(10)

이 때 압력분포, -σ_x는 수학식 (10)을 적분하여 구할 수 있는데, 적분은 Runge-Kutta 법에 의한 수치적분을 수행하며, σ_x가 구해지면 수학식 (8) 및 (9)에 대입하여 σ_x와 q를 구할 수 있다.

스트립 두께분포는 구해진 -σ_x와 상기 수학식 (2)로부터 다음과 같이 유도된다.

----------------------------(11)

3) 영역 C

이 영역에서는 소성변형 영역이면서 롤과 스트립 사이에 슬립이 없는 것으로 가정한다. 즉 Δb=Δb1 및 수학식 (2)에 의해 다음과 같은 식을 유도할 수 있다.

-----------------------------(12)

길이 방향 응력, σ_x는 상기 수학식 (12)와 항복 조건식을 이용하여 얻을 수 있다.

------------------------------------------------------(13)

전단응력, q는 상기 수학식(1), (12), (13)을 이용하고, db/dx=0을 가정하여 다음과 같이 유도할 수 있다.

----------------------------------------(14)

4) 영역 D

본 영역에서는 스트립과 롤 사이에 슬립이 존재하지 않으며 탄성변형 영역으로 가정한다. 이 영역에 대한 자세한 유도과정은 생략하고 응력 분포에 관한 결과 식만 기술하면 다음과 같다.

-------------------------------------------------------------------(15)

여기서 L₄와 L₅는 미지수이며 나머지 변수는 다음과 같다.

--------------------------(16)

전단응력, q는 상기 수학식 (15)와 수학식 (1)로부터 다음과 같이 유도된다.

-------------------------(17)

5) 영역 E

영역 E에서의 스트립 거동은 탄성변형이 일어나고, 워크 롤(Work Roll)보다 빠르게 움직인다.

스트립에 작용하는 수직 압력, -σ_x와 전단응력,q는 다음과 같은 관계가 있다.

----------------------------------------------------(18)

길이방향 응력, σ_x를 결정하기 위하여 상기 수학식 (18)을 이용하고, db/dx=0을 가정한 다음, 상기 수학식 (1)을 적분하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

-------------------------------(19)

6) 영역 F

이 영역에서 스트립은 소성변형이 일어나고, 워크 롤(Work Roll) 속도보다 빠르게 움직인다. 다소 복잡한 과정을 거쳐 다음과 같은 미분 방정식을 유도할 수 있는데, 수치적분에 의해 -σ_x값을 결정 할 수 있다.

-------------------------------------------------------------------(20)

7) 영역 G

이 영역에서 스트립은 탄성거동(Elastic Unloading)이 일어나고, 워크 롤(Work Roll)보다 빠르게 움직인다. 수학식 (2)와 Δb=rb₀로부터 다음 식을 얻을 수 있다.

-------------------------------------(A29)

σx는 수학식 (1)을 b=b₂=(1-r)b₀인 조건을 가지고 적분하여 다음과 같은 식을 유도 할 수 있다.

------------------------------------------------------------------(A30)

여기서, L₇은 임의의 적분 상수이다.

상기한 각각의 영역에서는 설정된 가정에 따라 조질압연(SPM)에서 사용되는 롤 포스 예측모델을 유도하였으며, 본 발명은 이러한 롤 포스예측모델에 따라 다양하게 적용될 수 있다.

도 1은 조질압연 설비의 개략적인 구성과 본 발명을 구성하는 PLG의 설치개소를 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정장치를 도시한 구성도이다.

본 발명은 상기한 롤 포스예측모델을 적용하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 조질압연의 전후의 연신율을 측정하기 위한 PLG(Pulse Logic Generator; 7)와, 도 4와 같이 조질압연기(1)의 롤 하중을 설정된 값에 따라 변화시키기 위한 푸시업 실린더(Push-Up Cylinder; 4a,4b) 및 포지션 센서(Position Sensor; 5a,5b)와, 측정된 연신율 값 및 조업 조건을 수신하고 설정값을 계산하기 위한 제어용 컴퓨터(6)로 구성되어 있으며, 상기 포지션센서(5a,5b)와 신호선(8)으로 연결되어 있다.

여기서, PLG(7)는 롤 회전수를 측정하여 판의 실제 생산속도를 측정하는 장치로, SPM(1) 전후단에 설치하여 스트립 통판속도 차이를 측정하고 이로부터 연신율 값을 계산하는 장치이다.

도 5는 롤 포스 모드(Roll Force Mode)로 생산된 제품에 대한 속도에 따른 연신율 분포 및 압연하중 분포도이고, 도 6은 인장속도에 따른 압연소재의 항복응력 분포도이며, 도 7은 본 발명에 따른 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법에 관한 순서도이다.

본 발명의 작동 및 작용방법은 도 7에 도시된 순서도와 같다.

먼저 생산코일에 따라 결정되는 강종, 판 두께, 판 폭, 목표 연신율 등을 상위 컴퓨터로부터 지시 받으며, 이전 코일과 경계부분은 용접점이 존재하므로 이 부분을 통과 할 때는 저속으로 조업하고, 이 부분을 통과한 후에는 고속 조업이 이루어진다.

즉 조업속도는 저속구간, 저속에서 고속으로 속도천이구간, 고속구간 등으로 나눌 수 있다. 하중예측에 사용되는 소재의 물성치 값은 조업속도의 함수이므로 인 장시험을 통하여 각각의 속도에 대하여 항복점을 구하여야 한다.

도 6에는 소재 물성치 값의 한 예로서, 속도에 따른 소재 물성치 실험 결과를 나타내었다. 속도가 결정되게 되면 대응되는 강종 및 물성치 식으로부터 소재의 항복강도를 예측하여 롤 포스 설정(Roll Force Setup)값을 결정하게 된다.

현재 사용되고 있는 설정방법은 이러한 역학적인 계산에 의한 설정방법이 아니라 조업실적을 바탕으로 한 테이블(Table) 방식을 채택하고 있으며, 설정값 또한 속도와 무관하게 초기 어느 한 값만을 사용하고 있다.

따라서 조업속도의 변화나 코일의 제조위치에 따라 다른 소재 물성치 변화를 반영하지 못하고 있다.

한 예로 도 5에는 롤 포스 모드(Roll Force Mode)에 의해 생산된 제품의 연신율 분포를 나타내었는데, 조업속도 및 코일위치에 따라 연신율이 크게 변하고 있음을 알 수 있다.

상기 설명한 하중 예측모델에 의해 설정된 롤 포스(Roll Force)값은 SPM(1)의 푸시업 실린더(4a,4b)로 전달되어 롤의 위치이동을 통하여 실현된다.

즉, 상기와 같이 변화된 롤 포스(Roll Force)에 따라 연신율은 변하게 되고, 이 값은 다시 PLG(7)로부터 계산된 연신율 값으로 확인할 수 있다.

이 때 연신율의 설정값과 측정값이 허용오차 안에 있으면 조업속도가 변할 때까지 계속 같은 롤 포스(Roll Rorce)로 유지한다.

만약 허용오차를 넘으면 연신율 차이를 소재의 물성치 값에 반영하여 소재의 변형 저항식을 재 보정한 후, 롤 포스(Roll Force)값을 재설정하며, 속도가 급격하 게 변하는 속도천이구간에서는 최종속도에 해당하는 물성치 값을 바탕으로 롤 포스(Roll Force)값을 계산한다.

기존의 연신율 제어방법의 경우, 속도변화에 따른 연신율 변화를 롤 포스(Roll Force)의 미세조정에 의해 제어하였으므로 시간이 오래 걸려 제어성능이 많이 떨어지고, 과도한 롤 포스(Roll Force) 변화에 따른 롤 마크(Roll /Mark)등이 발생하는 문제점이 있었다.

본 방법의 경우 예측제어가 가능하고, 실측 연신율과 예측 연신율의 차이 부분을 보정하는 방법이므로 속도가 변하거나 소재의 물성치가 코일위치에 따라 변함으로써 발생하는 문제점을 모두 해결 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 조질압연조업 시 이러한 조업속도의 변화에 쉽게 대응할 수 있고, 외란에 대해서도 본 발명의 제어시스템으로 그 영향을 막을 수 있으므로, 코일의 압연 전영역을 통하여 일정 연신율 제어가 가능함과 동시에 급격한 롤 포스(Roll Force) 변화가 없으므로 형상교정을 위하여 벤더를 제어할 때도 형상제어의 성능에 아무런 영향을 주지 않고 제어할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 조질 압연롤의 회전수를 측정하고, 스트립의 실제 생산속도 및 조질압연기 전후단에서 스트립의 속도차이를 측정하여 연신율 값을 계산하는 PLG와;

   상기 PLG로부터 측정된 연신율 값 및 조업조건을 수신하여 조질압연롤의 하중 설정값을 계산하는 제어용 컴퓨터와;

   상기 제어용 컴퓨터로부터 계산된 하중 설정값에 따라 조질압연롤의 하중을 변화시키기 위하여 조질압연기의 백업롤 하부면에 설치되는 푸시업 실린더 및 포지션 센서를 포함하여 구성되며,

   상기 제어용 컴퓨터는 상기 PLG로부터 측정된 연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차 안에 있으면 조업속도가 변할 때까지 계속 같은 롤 포스로 유지되도록 제어하고, 상기 PLG로부터 측정된 연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차를 초과하면 연신율 차이를 반영하여 소재의 물성치 값을 보정한 다음 롤 포스 값이 재설정되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정장치.
2. 생산코일에 따라 결정되는 조업조건인 강종, 판 두께, 판 폭, 목표 연신율과 조업속도를 상위 컴퓨터로부터 지시받는 단계와;

   상기 지시받은 조업조건 및 조업속도와 소재의 항복강도에 따라 롤 포스(Roll Force) 설정값을 하중 예측모델로 결정하는 단계와;

   상기 하중 예측모델에 의해 설정된 롤 포스 값을 조질압연기의 푸시업 실린더로 전달하여 압연롤에 적용하는 단계와;

   상기 압연롤에 적용된 롤 포스 값에 따라 변화된 연신율을 PLG가 측정하여 계산하는 단계와;

   상기 계산된 연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차 안에 있으면 조업속도가 변할 때까지 계속 같은 롤 포스로 유지하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 계산된 연신율 값과 설정연신율 값이 허용오차를 초과하면, 연신율 차이를 반영하여 소재의 물성치 값을 보정한 다음 롤 포스 값을 재설정하는 것을 특징으로 하는 조질압연기에서 일정 연신율 확보를 위한 압연하중 설정방법.

Images