KR100931453B1 - 스테인레스 사삼영 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철강의 열간압연 공정중 텐덤배열식 사상압연설비를 이용하여 압연영역에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간압연시, 압연하중의 계산에 필수적인 요소인 변형저항을 예측하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 텐덤배열식 사상압연기 중, 첫번째 압연기 입측소재와 동등한 오스테나이트 상분율을 갖는 재료를 실험적으로 모사한 후, 온도와 변형속도가 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 영향을 수학식을 이용하여 실험적으로 구하는 단계; 상기 정상상태 유동응력을 이용하여 평면변형 변형저항(Km)을 수학식을 이용하여 구하는 단계; 실압연 변형저항실적을 이용하여 실험실적 계수 A₁, A₂, A₃를 보정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

스테인레스 430, 페라이트, 스테인레스강, 열간압연, 변형저항

Description

스테인레스 사삼영 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항 예측방법{A method for predicting hot deformation resistance of STS 430 ferritic stainless steel}

도 1은 STS 430에서 측정한 정상상태 유동응력의 온도와 변형속도 의존성을 나타낸 그래프.

도 2는 실험계수와 보정계수로 예측한 변형저항의 차이를 실제 압연온도 구간에서 나타낸 그래프.

도 3은 실험계수와 보정계수로 예측한 변형저항을 실적 변형저항과 비교하여 나타낸 그래프.

도 4는 종래 변형저항 예측방법과 본 발명에 의한 예측방법을 사용하여 계산된 변형저항을 실적 변형저항과 비교하여 나타낸 그래프.

본 발명은 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항 예측방법에 관한 것으로, 특히 철강의 열간압연 공정중 텐덤배열식 사상압연설비를 이용하여 압연영역에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간 압연시, 압연하중의 계산에 필수적인 요소인 변형저항을 예측하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 스테인레스강의 열간압연은 고온에서 빠른 변형속도로 이루어지기 때문에 냉간압연에 비해 재료의 조직변화와 상변태가 크게 일어난다. 따라서 스테인레스강의 표면, 형상 및 기계적 성질 등은 변형온도, 변형량 및 변형속도, 변형저항 등과 같은 열간가공 변수에 크게 영향을 받는다.

상기 열간가공변수 중 변형저항이란 재료를 소성변형시킬 때 변형에 따른 유동응력을 의미하며, 고온에서의 유동응력을 열간 변형저항이라고 한다. 열간 변형 저항은 설비의 기계적, 전기적 용량을 설계하거나 주어진 용량에서 어느 정도의 고온변형이 가능한지를 판단하는데 중요한 자료가 된다.

더욱이 열간압연 공정에 있어서 소재의 두께는 중요한 관리 목표이며, 원하는 두께로 만들어 주는 것은 사상압연 공정의 주요 기능중 하나이다. 목표두께를 얻기 위한 사상 압연 모델로는 소재의 선단부가 압연될 때 각 압연기에서 적절한 롤 갭(roll gap)과 압연하중을 설정하는 설정 모델과, 선단부의 실적을 이용하여 선단 이후에 대해 편차를 제어하는 제어모델이 있다.

선단부 이후에 대해 편차를 제어하는 모델은 이미 상당한 제어 정도를 갖고 있어 선단부를 제외한 부분에 대해서는 소재두께 목표치와 실측치의 차가 50㎛내에 적중하는 비율이 약 95%에 이르는 것으로 알려져 있으나, 선단부에 있어서는 각 압연기의 적절한 롤 갭과 압연하중을 설정하는 모델에 의해서 소재의 두께가 좌우되기 때문에 설정 모델이 중요한 의미를 갖는다.

특히 STS 430 페라이트계 스테인레스강은 열간압연 온도역에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하므로써 고온변형거동 및 동/정적 복구과정이 매우 다르기 때문에 2상 공존영역에서의 변형저항 예측이 정확히 이루어지지 않으면 소재의 두께제어 정도가 저하된다. 이에따라 우수한 예측정도를 지닌 열간 압연하중 예측방법에 대한 많은 시도가 있어 왔다.

우선, 대한민국 특허 출원번호 1997-62738을 들 수 있다. 이 방법은 변형저항의 온도의존성을 Cr의 함량으로 예측할 수 있음을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법은 17 Wt% Cr을 함유하고 있는 STS 430에서 비록 Cr의 함량이 일정하더라도 압연온도 저하에 따라 발생할 수 있는 변형저항의 온도의존성 변화를 무시하는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 특허 출원번호 2000-80842에서는 오스테나이트계, 페라이트계 및 2상 스테인레스강을 대상으로 하여 고온 유동응력과 변형율의 관계로부터 후판 압연시 변형저항을 계산하는 방법을 제시하고 있다.

그러나, 이 방법은 압연구간에서 단순히 압하변형율로 변형저항을 예측하므로, 압연온도가 낮아서 압연패스 사이에 변형율 축적 현상이 발생할 경우에 압연하중을 정확히 예측하기 어렵다. 또한, STS 430과 같이 압연영역에서 오스테나이트와 페라이트가 공존하는 경우, 오스테나이트의 상분율이 변형저항에 영향을 미치므로 압연시작 시점에서의 오스테나이트 상분율을 고려하여 변형저항을 예측하여야 하지만, 위의 발명에서는 오스테나이트 상분율의 영향을 고려하고 있지 않다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열간압연 온도 구간에서 오스테나이트와 페라이트 2상으로 존재하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강을 대상으로 열간압연 온도구간에서 변형저항의 온도 의존성 변화를 정확히 고려하고, 저온 압연의 경우에 발생할 수 있는 압연기 사이의 변형율 축적시에도 변형저항을 정확히 예측할 수 있는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항 예측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열간압연 구간에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항을 예측하는 방법에 있어서, 텐덤배열식 사상압연기 중, 첫번째 압연기 입측소재와 동등한 오스테나이트 상분율을 갖는 재료를 실험적으로 모사한 후, 온도와 변형속도가 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 영향을 하기 수학식 1을 이용하여 실험적으로 구하는 단계;

σ_s = A₁ ×ln ε+ A₂/T +A₃

여기서, σ_s : 정상상태 유동응력(kg/㎟), ε: 변형속도(1/sec),

T : 절대온도, A₁, A₂, A₃ : 상수

상기 정상상태 유동응력(σ_s)을 이용하여 평면변형 변형저항을 하기 수학식 2로 구하는 단계;

Km = ×σ_s = ×(A₁ ×ln ε+ A₂/T +A₃)

여기서, Km: 평면변형 변형저항(kg/㎟)

실압연 변형저항실적을 이용하여 상기 수학식 2의 상수 A₁, A₂, A₃를 보정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법에 관한 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 열간압연 구간에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강을 열간압연시, 압연온도와 속도변화에 따라 변화하는 변형저항을 예측하는 모델을 제공한다.

STS 430 페라이트계 스테인레스강에 있어 열간 사상압연을 하는 시점에서의 페라이트와 오스테나이트의 상분율은 변형저항에 영향을 미친다. 도 1은 첫번째 압연기 입측소재와 동등한 오스테나이트 분율을 갖는 재료를 실험적으로 모사한 후, 이 실험재를 이용하여 온도저하가 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 영향을 여러 변형조건에서 도시한 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 정상상태 유동응력(σ_s)의 온도 의존성은 온도저하와 함께 증가한다. 전술한 바와 같이, 변형저항의 온도의존성을 단지 Cr량의 함수 로 표시할 경우에, 온도저하에 따라서 정상상태 유동응력(σ_s)의 온도의존성 증가에 의한 변형저항의 증가를 반영할 수 없다. 따라서, 단순히 Cr의 함량으로 변형저항의 온도의존성을 정량화하여 압연하중을 예측할 경우에 압연하중의 예측오차가 커진다.

본 발명에서 제공하는 상기 수학식 1을 사용하여 도 1의 데이터를 분석하면 압연온도 구간에서의 정상상태 유동응력(σ_s)의 온도의존성의 변화를 비교적 정확히 기술할 수 있다. 수학식 1을 이용하여 각 변형조건에서 정상상태 유동응력(σ_s)을 분석하면, 변형속도 의존계수로서 상수 A₁, 온도의존계수로서 상수 A₂, 및 상수 A₃를 얻을 수 있다. 이를 상기 수학식 2에 대입하면 압연의 응력상태에 해당하는 평면변형 조건에서의 변형저항을 구할 수 있다.

여기서 수학식 2의

은 평면변형값으로 전환에 필요한 상수이다. 수학식 2는 변형저항에 미치는 변형율의 영향을 고려하고 있지 않으며, 평면변형 변형저항(Km)이 압연온도 구간에서의 정상상태 유동응력(σ_s)에 의하여 결정됨을 나타낸다. 따라서 본 발명에서 제공한 수학식 2를 이용하면, 압연패스간 시간이 짧은 텐덤배열식 사상압연설비에서 STS 430 페라이트계 스테인레스강을 압연시, 변형율 축적현상 발생여부와 상관없이 변형저항을 예측할 수 있다. 수학식 2의 적합성은 이하의 실시예를 통하여 검증하였으며, 본 발명에서 제공한 수학식 2를 사용하여 평면변형 변형저항(Km)을 구한 후, 이렇게 구한 평면변형 변형저항(Km)을 하기 수 학식 3에 대입하면 압연하중을 구할 수 있게 된다.

RF = Km ×B ×L_d ×Q_p

여기서, RF : 압연하중,

B : 판폭(mm),

L_d : 투영 접촉장(mm),

Q_p: 압하력 함수

수학식 3의 각 변수 중 Km을 제외한 나머지 변수들(B, L_d, Q_p)는 모두 압연소재와 롤의 크기와 형상에 관계되는 인자이며, 소재의 고온 변형특성을 나타내는 인자는 평면변형 변형저항(Km)이다.

전술한 실험방법, 즉 첫번째 압연기 입측소재와 동등한 오스테나이트 상분율을 갖는 STS 430 페라이트계 스테인레스를 실험재로 이용하여 고온유동응력 실험을 수행 후, 정상상태 유동응력(σ_s)의 변형속도 및 온도 의존성으로부터 구한 수학식 2의 계수 A₁, A₂, A₃는 실기 압연 실적을 분석하여 보정이 가능하다. 수학식 2의 계수 A₁, A₂, A₃의 보정은 변형저항을 예측함에 있어서 요구되는 압연온도의 예측과 변형속도의 정량화 과정에서 발생할 수 있는 오차가 변형저항에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.

본 발명에서 제공한 수학식 2의 계수 보정 방법은 수학식 3을 이용한 실압연 실적 분석을 통하여, 각 압연기에서의 실제 평면변형 변형저항(Km)을 계산 한 후, 이를 수학식 2에 대입하여 평면변형 변형저항(Km)과, 공정변수(온도 및 변형속도)와의 상호관계를 분석하여 계수 A₁, A₂, A₃를 재설정하는 방법이다. 따라서 수학식 2의 계수를 실적치로 보정하면 평면변형 변형저항(Km)의 예측정도를 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예)

사상압연 구간에서 온도와 변형속도가 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 영향을 평가하기 위하여 조압연을 마친 소재를 채취하여 급냉한 후, 재가열하여 고온유동응력을 700℃~1050℃의 온도구간 및 0.1 sec^-1~50 sec^-1의 변형속도 구간에서 측정하였다. 조압연을 마친 소재를 급냉하여 사용한 이유는 사상압연기 중 첫번째 압연기에 들어가는 소재가 갖는 오스테나이트 상분율과 동등한 상분율을 갖는 재료를 실험재로 사용하기 위함이다. 각 조건에서의 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 온도와 변형속도의 영향을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이 온도저하에 따라서 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 온도의 영향이 틀리다.

이후, 실제 압연조건에 해당하는 도 1의 데이터를 추출하여 실제 압연영역에서 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 온도와 변형속도의 영향을 수학식 2의 A₁, A₂ , A₃ 계수로 정량화하여 하기 표 1에 "실험계수" 항으로 나타내었다.

수학식 1의 계수	A1	A2	A3
실험계수	2.25	108463	-77.5
보정계수	3.08	120118	-90.7

또한, 표 1에 실압연 변형저항 실적으로 수학식 2의 A₁, A₂, A₃를 보정한 결과를 나타내었다. 즉, 표 1에서 보정계수값은 수학식 3을 이용한 실압연 변형저항 실적을 분석하여 얻을 수 있는데, 실압연 변형저항 실적은 열연공장에서 생산된 코일에 대한 압연하중결과로부터 그 때의 공정변수(B : 판폭(mm), L_d : 투영 접촉장(mm), Q_p: 압하력 함수)를 대입하여 평면변형 변형저항(Km)을 수학식 3을 이용하여 역산한 결과이다. 이렇게 구해진 실제 평면변형 변형저항(Km)을 수학식 2에 대입하고 공정변수(온도 및 변형온도)와의 상호관계를 분석하면 새로운 상수 A₁, A₂, A₃을 얻을 수 있는데, 이것이 보정계수값이 되는 것이다. 이때 사용된 코일은 20개 이었다.

표 1에 나타낸 2가지 종류의 계수들을 사용하였을 경우에 평면변형 변형저항(Km)의 차이를 나타내기 위하여, 실제 사상압연 동안의 평균적인 공정조건(변형율=0.25, 변형속도=25 sec^-1)을 이용하여 실압연온도 영역에서 평면변형 변형저항(Km)의 차이를 도 2에 표시하였다. 도 2에서의 비교와 같이 계수보정을 하여도 변형저항의 절대값은 실험계수로 도출된 변형저항과 크게 다르지 않으며, 보정 전과 후의 변형저항은 약 10%의 최대오차를 갖는다.

도 3은 실적 변형저항과 표 1의 두가지 실험계수로 예측된 변형저항의 차이를 나타낸다. 보정계수값을 사용한 경우에 변형저항 예측정확도가 더욱 향상되었음을 나타내고 있다. 또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 예측변형저항과 실적변형저항의 우수한 상응관계는 STS 430강의 변형저항이 정상상태 유동응력(σ_s)으로 표시될 수 있다는 본 발명의 수학식 2의 적합성을 입증하는 결과이다.

도 4에 대한민국 특허 출원번호 2000-80842의 계산식을 이용한 예측변형저항 과, 본 발명에서 제공하는 수학식 2 및 표 1의 보정계수를 사용한 예측변형저항을 실압연 변형저항 실적과 비교하여 나타내었다. 실압연 변형저항 실적이 약 25~40 kg/㎟에 해당하는 비교적 저온영역에서 본 발명이 제공하는 변형저항 예측법이 현저하게 우수함을 나타낸다. 따라서, 본 발명이 제공하는 열간 변형저항 예측방법을 사용하는 경우, STS 430 페라이트계 스테인레스강의 두께 제어에 위한 압연하중 예측이 정확해져 압연 실수율의 향상과 동시에 우수한 품질의 압연판 제조가 가능할 것으로 판단된다.

이상에서와 같이 본 발명의 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항 예측방법에 따르면, STS 430 페라이트계 스테인레스강의 변형저항을 비교적 정확히 예측함으로써, 압연제어의 학습의존성을 저감시켜 조업의 안정성과 생산성 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한, STS 430 페라이트계 스테인레스강의 변형저항 예측수식을 실제 압연실적을 통하여 보정하므로써, 실제 조업을 통하여 변형저항 예측수식의 정확도 향상을 위한 계수관리가 가능하고, 이에 따라 압연제어의 학습의존성을 더욱 저감시킴으로써, 보다 정밀한 두께제어를 통한 실수율 향상을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 열간압연 구간에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 STS 430 페라이트계 스테인레스강의 열간 변형저항을 예측하는 방법에 있어서,

   텐덤배열식 사상압연기 중, 첫번째 압연기 입측소재와 동등한 오스테나이트 상분율을 갖는 재료를 실험적으로 모사한 후, 온도와 변형속도가 정상상태 유동응력(σ_s)에 미치는 영향을 하기 수학식 1을 이용하여 실험적으로 구하는 단계;

   [수학식 1]

   σ_s = A₁ ×ln ε+ A₂/T +A₃

   여기서, σ_s : 정상상태 유동응력(kg/㎟), ε: 변형속도(1/sec),

   T : 절대온도, A₁, A₂, A₃ : 상수

   상기 정상상태 유동응력(σ_s)을 이용하여 평면변형 변형저항(Km)을 하기 수학식 2를 이용하여 구하는 단계;

   [수학식 2]

   Km =

   

   ×σ_s =

   

   ×(A₁ ×ln ε+ A₂/T +A₃)

   여기서, Km: 평면변형 변형저항(kg/㎟)

   실압연 변형저항실적을 이용하여 상기 수학식 2의 실험실적 계수 A₁, A₂, A₃를 보정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 STS 430 페라이트 계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법.

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