KR100992270B1 - 열간 압연공정에서의 작업롤 파손 방지 방법 - Google Patents

열간 압연공정에서의 작업롤 파손 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간으로 변동하는 압연하중과 롤의 마모 및 그 하중에서의 접촉편평에 의해 발생되는 국부적 응력집중을 계산하여, 롤이 받게 되는 피로를 실제와 근사하게 계산하여, 응력 집중을 완화시킴으로서, 롤의 파손 빈도를 저하시키는 열간압연공정에서의 작업롤 파손 방지 방법을 제공하기 위한 것으로서, 그 구성은 압연재에 직접 접촉하는 작업롤과 이 작업롤을 지지하는 백업롤로 구성된 압연기의 압연 제어 방법에 있어서, 압연기로 압연재가 인입되었는지의 여부로 압연시작을 판단하여, 압연시작시 해당 압연재가 인입된 압연기의 작업롤과 백업롤간의 축심 접근량(δ)을 산출하고, 이어 상기 산출된 축심 접근량(δ)으로부터 원주방향의 실제 접촉길이(b)을 산출하고, 상기 압연기의 롤 마모도를 측정하여, 실측된 마모프로파일과 상기 축심 접근량과 비교하여, 압연시 작업롤과 백업롤의 축방향 접촉길이(L)을 구한 후, 상기 산출된 축방향 접촉길이(L)와 원주방향 접촉길이(b)로부터 접촉면적을 구하고, 이로부터 해당 롤의 단위 접촉면적당 접촉응력을 구하여, 상기 산출된 단위 접촉면적당 접촉응력과 현재 롤의 회전수을 해당 롤의 응력-회전수 곡선(S-N Curve)에 대비하여, 롤의 파손 가능 여부를 판단하는 것에 기술적 요지가 있다.
압연기, 작업롤, 백업롤, 접촉응력, 파손(spalling)

Description

열간 압연공정에서의 작업롤 파손 방지 방법{Method for preventing a spalling of work roll in hot mill process}
도 1은 일반적인 압연기의 구조를 보인 측면도이다.
도 2는 압연기에서의 롤의 탄성변형 상태를 보인 모식도이다.
도 3은 압연기에서 롤마모 진행후의 압연상황을 나타내는 모식도이다.
도 4는 압연기에서 작업롤의 쉬프트시 롤의 마모에 따른 압연상황을 나타내는 모식도이다.
도 5는 압연기에 있어서, 백업롤 챔퍼(Chamfer)부 변경 모식도이다.
도 6은 압연기에 있어서, 작업롤과 백업롤의 접촉길이에 따른 단위면적당 하중 변화를 보인 그래프이다.
도 7은 압연기에 있어서, 롤의 피로특성 그래프(S-N Curve)이다.
도 8은 본 발명이 적용된 압연 제어 시스템의 개략적인 구성을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 압연 제어 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 10은 압연기에 있어서 작업롤과 백업롤의 응력 집중 모식도이다.
본 발명은 압연재와 접촉되는 작업롤과 상기 작업롤을 지지하는 백업롤로 구성된 압연기의 압연 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작업롤과 백업롤간의 응력집중 완화를 통해 작업롤의 파손을 미연에 방지할 수 있는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소재를 목표 두께로 압연하는 압연기는 도 1에 도시된 바와 같이, 소재와 직접 접촉되는 상,하부의 작업롤(2)과, 상기 작업롤(2)를 지지하는 상하부의 백업롤(1)로 이루어진다.
보통, 백업롤(1)의 경우 제품의 표면품질이나 형상품질에 직접적 영향을 미치지 않기 때문에, 작업롤(2)과 대비하여 장기간을 사용하게 된다. 따라서, 피로누적에 의한 파손(spalling) 발생 가능성이 크고 파손 발생시 공정이 정지되고 롤을 폐기처분해야 하므로 손실이 크기 때문에 경험적으로 가장 안정적인 범위내에서 처한 조건의 변화에 무관하게 일률적으로 교체주기가 정해져 있는 경우가 대부분이며, 백업롤(1)의 끝단부의 응력집중에 의한 파손 사고를 방지하도록, 도 5에 도시된 바와 같이, 끝단부에 챔버(Chamfer)를 주어 백업롤의 사고를 방지하고 있다.
더불어, 롤 제조 기술의 발전으로 백업롤의 재질이 대폭 개선되어, 백업롤(1)의 사고는 대폭 감소하였으나 작업롤(2)의 경우 압연조건의 가혹화에 의한 압연 부하 가중으로 과도한 단위 접촉 응력이 발생하여 나타나는 파손 사고가 여전히 빈번하게 발생되고 있다.
보통, 압연대상재와 직접 접촉하는 작업롤(2)의 경우는, 일차적으로 롤의 표면이 거칠어지는 경우 제품의 품질에 문제가 발생되고, 이차적으로 압연기의 롤 마모량이 일정 기준 이상이 되면 판의 형상이 불량해진다. 이 두가지 조건하에서, 제품의 품질 및 형상에 영향을 주지않는 범위내에서, 롤의 교체주기가 경험적으로 정해지며, 소재와의 접촉응력, 백업롤과의 접촉 진동응력, 고온의 소재로부터 받는 주기적 열응력부하로부터 발생하는 표면의 피로누적은 문제가 되지 않는 것으로 알려져 있으며, 통상적인 롤의 교체주기하에서 누적피로도(F)는 0.1이하로 알려져 있고, 이 누적피로도내에서는 피로누적으로 인한 국부적 파괴현상인 스폴링도 발생하지 않는 것으로 알려져 있다.
그러나, 접촉 진동응력의 계산에 있어서 종래에는 작업롤과 백업롤의 접촉면이 평평하다는 전제하에 계산되었기 때문에, 실제 접촉 진동 응력과는 수십 %의 오차가 발생할 수도 있다.
왜냐하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 실제 압연중에는 작업롤(2)과 백업롤(1)의 마모와, 압연하중에 따른 접촉 편평에 의하여, 국부적으로 응력이 집중되는 부위가 발생하였고, 그에 따라서, 상기 부위에 대한 누적피로도가 높아져, 그 부위에서의 파손(spalling)이 발생하였었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 실시간으로 변동하는 압연하중과 롤의 마모 및 그 하중에서의 접촉편평에 의 해 발생되는 국부적 응력집중을 계산하여, 롤이 받게 되는 피로를 실제와 근사하게 계산하여, 응력 집중을 완화시킴으로서, 롤의 파손 빈도를 저하시키는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 압연재에 직접 접촉하는 작업롤과 이 작업롤을 지지하는 백업롤로 구성된 압연기로 이루어진 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법에 있어서,
압연기로 압연재가 인입되었는지의 여부로 압연시작을 판단하는 단계;
압연시작시 해당 압연재가 인입된 압연기의 작업롤과 백업롤간의 축심 접근량(δ)을 산출하는 단계;
상기 산출된 축심 접근량(δ)으로부터 원주방향의 실제 접촉길이(b)을 산출하는 단계;
상기 압연기의 롤 마모도를 측정하여, 실측된 마모프로파일과 상기 축심 접근량과 비교하여, 압연시 작업롤과 백업롤의 축방향 접촉길이(L)을 구하는 단계;
상기 산출된 축방향 접촉길이(L)와 원주방향 접촉길이(b)로부터 접촉면적을 구하고, 이로부터 해당 롤의 단위 접촉면적당 접촉응력을 구하는 단계; 및
상기 산출된 단위 접촉면적당 접촉응력과 현재 롤의 회전수을 해당 롤의 응력-회전수 곡선(S-N Curve)에 대비하여, 롤의 파손 가능 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 작업롤 파손 방지 방법에 있어서, 상기 축심 접근량은
Figure 112003036933393-pat00001
(여기서, δ 는 두 Roll의 축심 접근량, q는 양롤의 접촉부 단위 길이당 등분포 하중, D1,D2는 양 롤의 직경, a는
Figure 112003036933393-pat00002
, β 는 롤의 탄성특성에 의해 결정되는 양으로,
Figure 112003036933393-pat00003
(여기서, E는 영률(Young's modulus), ν는 포와손비이다.)이다.)에 의하여 산출된다.
그리고, 상기 원주방향 접촉길이(b)는
Figure 112003036933393-pat00004
로부터 산출될 수 있다.
또한, 상기 작업롤과 백업롤의 축방향 접촉길이(L)은
Figure 112003036933393-pat00005
(여기서, LBUR은 백업롤의 전체길이이고, Wd는 실측된 축심 접근량(δ) 이상으로 마모된 작업롤의 길이이다.)에 의하여 산출될 수 있다.
더하여, 본 발명에 의한 작업롤 파손 방지 방법은 상기 판단결과, 해당 롤이 파손가능한 것으로 판단되는 경우, 작업롤의 쉬프팅가능여부를 체크하여, 쉬프팅가능시 작업롤을 소정 길이 쉬프팅시킨 후 압연을 진행하고, 쉬프팅 불가능시 작업자에게 작업롤을 교체하도록 알리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 작업롤 파손 방지 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 8는 본 발명에 의한 작업롤 파손 방지 방법이 적용된 압연제어시스템의 일부 구성을 보인 개략구성도로서, 상기 시스템은 압연기의 압연하중을 검출하는 로드셀(4)과, 롤의 회전수를 측정하는 펄스제너레이터(5)와, 입력된 롤 관련 정보와 상기 로드셀(4) 및 펄스제너레이터(5)의 회전수 검출값으로부터 상기 압연기의 작업롤(2)과 백업롤(1)간의 접촉응력을 계산하는 제어부(6)와, 롤의 마모정도를 알려주는 마모예측시스템이 갖춰진 형상제어컴퓨터(7)와, 실제 롤의 마모 프로필을 측정하는는 온라인 프로필미터(8)와, 접촉응력 계산결과를 시각적으로 작업자에게 알려주는 모니터(9)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 접촉응력은 도 8의 로드셀(Load Cell)(4)로부터 검출된 압연하중과 작업롤(2)과 백업롤(1)의 접촉면적을 이용하여 계산하며, 이때, 작업롤(2)과 백업롤(1)의 접촉면적은 작업롤(2)과 백업롤(1)의 기하학적 관계와 롤의 영률(Young's Modulus)로부터 계산한다.
그리고, 상기 압연기에서 작업롤(2)의 회전수는 작업롤(2)을 구동하는 모터에 부착된 펄스제너레이터(PLG)(5)로부터 계산된다.
더하여, 작업롤(2)의 마모량은 압연되는 소재의 판 형상을 제어하기 위한 형상제어 컴퓨터의 예측결과나, 초음파 또는 차하중 방식의 온라인 프로필 측정장치의 실측결과를 이용할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(6)는 소재가 롤(2)에 인입하여 압연이 시작된 후에는, 실시간으로 작업롤(2)의 접촉응력 계산 결과를 산출하여 작업자에게 보여주며 접촉응력이 미리 설정한 일정범위를 초과하면 경고를 해주도록 한다.
도 9는 상기 제어부(6)에 의해 실행되는 본 발명에 의한 작업롤 파손 방지 방법을 나타낸 플로우챠트이다.
초기 동작으로, 상기 제어부(6)에는 접촉응력를 계산하기 위해서 먼저, 작업롤(2)과 백업롤(1)의 영률, 백업롤(1)의 피로특성(S-N Diagram) 등 필요한 롤 관련 정보가 입력되어 저장되어야 한다.
그리고 나서, 실제 압연이 시작되면(901), 상기 로드셀(4)에서 검출된 압연하중을 다음의 수학식 1에 입력하여 축심 접근량(δ)을 계산한다(902).
Figure 112003036933393-pat00006
여기서, δ는 두 롤, 즉, 작업롤(2)과 백업롤(1)의 축심 접근량이고, q는 양 롤(2,1)의 접촉부분의 단위 길이당 등분포 하중이고, D1,D2는 양 롤(2,1)의 직경이고, a는 다음의 수학식 2와 같고, β는 롤의 탄성특성에 의해 결정되는 양으로서, 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112003036933393-pat00007
Figure 112003036933393-pat00008
여기서, E는 영률(Young's modulus)이고, ν는 포와손비이다.
상기 영률은 압연진행전에 미리 알 수 있는 값으로서, 사전에 제어부(6)에 입력되는데, 롤의 재질에 따라 달라지며, 예를 들어, 고 크롬 주철의 경우에는 약 22000kg/mm2, 니켈그레인의 경우 19000kg/mm2, 단조백업롤의 경우 21000kg/mm2 이다.
그 다음, 상기와 같이 산출된 축심 접근량(δ)을 다음의 수학식 4에 대입하여 작업롤(2)과 백업롤(1)의 실제 접촉장(b)을 구한다(903).
Figure 112003036933393-pat00009
그리고, 압연이 진행됨에 따른 작업롤(2)의 실측된 마모 프로파일을 입력받아 상기 산출된 축심 접근량(δ)과 비교하여 압연시의 축방향 접촉길이(L)를 수학식 5와 같이 산출된다(904).
Figure 112003036933393-pat00010
상기에서, LBUR은 백업롤(1)의 전체길이이고, Wd는 축심 접근량(δ) 이상으로 마모된 작업롤(2)의 길이를 나타낸다.
그리고, 상기 로드셀(4)에 의해 실시간으로 측정된 압연하중과, 상기 산출된 축방향 접촉길이(L)와 원주방향 접촉길이(b)로부터 구해진 접촉면적을 이용하여, 작업롤(2)의 단위 접촉면적당 접촉응력(σact)을 다음의 수학식 6과 같이 산출한다(905).
Figure 112003036933393-pat00011
여기서, P는 로드셀(4)에서 검출된 실시간 압연 하중으로서, 도 6은 축방향 접촉길이에 따른 단위면적당 하중 변화를 나타낸다.
상기 산출된 단위 접촉면적당 접촉응력(σact)을 도 7에 도시된 바와 같은 접촉응력과 회전수간의 관계 곡선(S-N Curve)에 대비하여, 롤의 파괴여부를 판단한다(906). 상기 접촉응력과 회전수간의 관계그래프(S-N Curve)는 미리 산출되는 값으로서, 제어부(6)에 사전에 입력된다. 상기와 같이, 산출된 접촉응력(σact)이 현재 회전수 대비 파괴영역의 접촉응력(σcontact)이상인지를 비교하여, 상기 판단 결과, 산출된 현재 회전수대비 파괴가능한 접촉응력(σcontact)보다 커지면, 작업롤(2)의 축방향 접촉길이의 변경 가능여부를 확인하여(907), 축방향 접촉길이를 접측응력이 큰 부분을 피하도록 쉬프팅가능하며, 작업롤을 쉬프팅시킨 후, 압연 을 계속진행하면서 상기 단계902~906을 반복하고, 작업롤의 쉬프팅이 불가능한 경우, 이를 작업자에게 알려 작업롤(2)을 교체시킨다(908).
이상에 의하여, 작업롤(2)의 파손에 따른 설비사고나 제품의 불량을 미연에 방지할 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
작업롤(2)의 접촉응력은 상기 수학식 6에 나타낸 바와 같이 압연하중과 롤의 마모 및 탄성변형에 의한 축방향 및 원주방향의 접촉길이에 크게 영향을 받는다. 압연시의 압연하중은 압연판의 두께와 폭에 의해 결정되기 때문에 인위적인 조정이 불가피하지만, 축방향의 접촉길이는 백업롤의 에지부(Edge)의 파손 방지를 위해 백업롤에 부여하는 챔퍼(Chamfer)의 길이조정에 의해 조정이 가능하다. 백업롤의 에지부 파손은 백업롤의 재질 개선으로 압연시 거의 발생하지 않기 때문에 도5에 나타낸 바와 같이 챔퍼의 제거로 작업롤의 축방향 접촉 길이를 확대시켜 작업롤(2)의 단위 면적당 접촉응력을 크게 감소 시킬수 있다.
또한, 실시간으로 압연하중과 롤의 마모상태에 따른 실제의 국부적 접촉응력을 수학식 1 내지 수학식 6에 의하여 산출하고, 주어진 응력조건에서 단위 접촉면적당 접촉응력(sact)을 도 7에 도시된 것과 같은 해당 롤의 접촉응력-회전수 곡선(S-N Curve)을 이용하여, 산출된 접촉응력(sact)이 파괴 가능영역에 있을 경우 는 작업롤(2)의 축방향 접촉길이의 변경 가능여부를 확인후 불가시는 작업롤을 교체하였다.
다음의 표 1은 압연하중이 2000톤인 압연기에서 접촉길이에 따른 단위면적당의 응력 계산결과를 나타내는데, 접촉길이의 감소에 따라 단위면적당의 하중은 지수함수적으로 증가함을 알 수 있따. 그리고, 상기 압연기에 있어서, 본 발명에 따라 압연 제어 방법에 따라서 작업롤을 교체한 결과는 표 2에 나타낸다.
축방향 접촉길이[mm] 700 1000 1300 1600 1900
단위면적당 응력[kgf/㎣] 58 48 42 37 34

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 롤의 파손에 의한 사고 손실을 방지할 수 있으며, 더불어, 롤의 파손 사고에 의한 사고처리 및 롤교체 작업에 소요되는 인력과 시간을 크게 절감하여, 생산성을 향상시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 압연재에 직접 접촉하는 작업롤과 이 작업롤을 지지하는 백업롤로 구성된 압연기로 이루어진 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법에 있어서,
    압연기로 압연재가 인입되었는지의 여부로 압연시작을 판단하는 단계;
    압연시작시 해당 압연재가 인입된 압연기의 작업롤과 백업롤간의 축심 접근량(δ)을 산출하는 단계;
    상기 산출된 축심 접근량(δ)으로부터 원주방향의 실제 접촉길이(b)을 산출하는 단계;
    상기 압연기의 롤 마모도를 측정하여, 실측된 마모프로파일과 상기 축심 접근량과 비교하여, 압연시 작업롤과 백업롤의 축방향 접촉길이(L)을 구하는 단계;
    상기 산출된 축방향 접촉길이(L)와 원주방향 접촉길이(b)로부터 접촉면적을 구하고, 이로부터 해당 롤의 단위 접촉면적당 접촉응력을 구하는 단계; 및
    상기 산출된 단위 접촉면적당 접촉응력과 현재 롤의 회전수을 해당 롤의 응력-회전수 곡선(S-N Curve)에 대비하여, 롤의 파손 가능 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 축심 접근량은
    Figure 112003036933393-pat00012
    (여기서, δ 는 두 Roll의 축심 접근량, q는 양롤의 접촉부 단위 길이당 등분포 하중, D1,D2는 양 롤의 직경, a는
    Figure 112003036933393-pat00013
    , β 는 롤의 탄성특성에 의해 결정되는 양으로,
    Figure 112003036933393-pat00014
    (여기서, E는 영률(Young's modulus), ν는 포와손비이다.)이다.)에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 원주방향 접촉길이(b)는
    Figure 112003036933393-pat00015
    로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 작업롤과 백업롤의 축방향 접촉길이(L)은
    Figure 112003036933393-pat00016
    (여기서, LBUR은 백업롤의 전체길이이고, Wd는 실측된 축심 접근량(δ) 이상으로 마모된 작업롤의 길이이다.)에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    상기 판단결과, 해당 롤이 파손가능한 것으로 판단되는 경우, 작업롤의 쉬프팅가능여부를 체크하여, 쉬프팅가능시 작업롤을 소정 길이 쉬프팅시킨 후 압연을 진행하고, 쉬프팅 불가능시 작업자에게 작업롤을 교체하도록 알리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 공정에서의 작업롤 파손 방지 방법.
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