KR101003261B1 - 형강재의 교정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형강재의 교정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 롤러 교정기를 통과한 'H'형강의 휨 방향의 반대측을 금속의 조직변태(FCC→BCC)가 일어나는 온도 이상으로 가열하는 제1단계와; 상기 제1단계 후 상기 'H'형강의 가열한 부분에 냉각수를 분사하여 기지조직의 변화를 수반하지 않는 온도로 냉각하는 제2단계;를 수행하여 'H'형강의 교정불량을 재교정한다. 본 발명은 롤러교정기를 통한 형상 교정 후 2차교정으로 열교정(Heat Flattening)을 실시하여 형상 교정에 대한 'H'형강의 교정불량을 재교정하므로 별도의 프레스 머신 없이도 재교정이 가능하여 원가절감 및 생산효율면에서 유용한 효과를 가진다.
형강재, 'H'형강, 교정, 열교정

Description

형강재의 교정 방법{Straightening method of steel}
본 발명은 형강재의 교정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속이 온도에 따라 수축 팽창하는 성질을 이용하여 'H'형강의 휨을 교정하는 형강재의 교정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 'H'형강(10)은 연주설비로 제조된 반제품 형태의 빔브랑크를 상, 하, 좌, 우, 4방향에서 열간 압연한 후 냉각 장치로 냉각하여 웨브부(11)와 웨브부(11)의 양측에 플랜지부(13)가 돌출된 'H'형 단면형상으로 제조한다.
압연과정은 일반적으로 연속밀이라 불리우는 다수의 유니버셜 압연기에서 수행되는데, 상기 압연기에서는 상하 한 쌍의 수평롤과 좌우 한 쌍의 수직롤이 서로 마주보는 방향으로 회전하면서 빔브랑크에 힘을 가해 연속적으로 압연을 수행하게 된다.
열간압연된 'H'형강(10)은 그 후 냉각되지만 그 냉각과정에서 휘거나 구부러지고 직각도가 불량해지기 때문에 통상의 롤러 교정기를 이용하여 교정한다.
롤러 교정기(미도시)는 'H'형강(10)의 진행경로에 따라 상하 교대로 순차 배치된 수평롤에 의해 'H'형강의 웨브(11)를 누르고, 그 웨브(11)를 통하여 플랜 지(13)에 구부리는 변형을 가하는 것이며 'H'형강의 진행에 따라 구부리는 변형이 반복되면서 교정이 행해진다.
그러나, 교정시에 발생하는 압입 하중이 과도하게 크면 웨브(11)가 휘어지고, 이 때문에 수평롤러쪽의 플랜지가 내측으로 기울어지며, 수평롤러의 측면과 접속하여 플랜지(13)에 소성변형이 생겨 교정 후에 'H'형강의 직각도 불량이 존재한다.
또, 웨브(11)의 강성에 비하여 압입하중이 큰 경우에는 웨브(11)와 플랜지 (13)사이의 부위에 잔류응력이 존재할 가능성이 크고 웨브(11)가 구부러지기 때문에 충분한 교정효과가 얻어지지 않는다.
이와 같이, 교정기를 사용하여 'H'형강의 직진도와 직각도를 교정하는 방법은 압연에 의한 응력의 영향 또는 냉각과정에서 열반응 등으로 인하여 교정불량이 발생하게 된다. 그리고, 잔류 응력은 제품의 사용중 변형이 발생될 수 있으며, 또 가공시 웨브(11)와 플랜지(13) 부위 사이에 균열이 생길 우려가 있는 문제점을 갖는다.
이에 따라 'H'형강의 재교정이 수행된다. 그런데 롤러 교정에 의한 재교정은 'H'형강 제품의 구조적인 특성상 도 1에 도시된 바와 같은, 루트크랙(Root Crack)(C)의 문제를 발생하므로 2차 롤러 재교정이 불가하다. 따라서 오프라인(Off-Line)으로 2차 프레스 교정을 실시하거나, 프레스 설비가 없는 경우에는 교정 불량인 부분을 절단하여 처리하고 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 형강재의 교정방법에는 다음과 같은 문제점이 있 다.
즉, 'H'형강의 직진도를 교정하기 위해 프레스 교정을 실시하는 경우에는 별도의 프레스 머신을 구비해야 하므로 제조원가 대비 설비 투자비가 과다 소요되고, 교정불량 부분을 절단하는 경우에는 제품의 실수율이 감소하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 롤러 교정 후 'H'형강의 휨 또는 굽음을 재교정하도록 가열과 냉각속도의 조절을 통해 'H'형강의 수축량을 조절하는 형강재의 교정 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 롤러 교정기를 통과한 'H'형강의 휨 방향의 반대측을 가열수단을 이용하여 금속의 조직변태(FCC→BCC)가 일어나는 온도 이상으로 가열하는 제1단계와; 상기 제1단계 후 상기 'H'형강의 가열된 부분에 냉각수를 분사하여 기지조직의 변화를 수반하지 않는 온도로 냉각하는 제2단계;를 수행하여 'H'형강의 교정불량을 재교정한다.
상기 제1단계에서 상기 가열은 820~1130℃의 온도범위로 가열한다.
상기 제2단계에서 상기 냉각은 40초~7분의 시간범위로 수냉하여 최종 냉각온도가 30℃이하가 되도록 한다.
상기 가열수단은 산소토치를 채용하며, 상기 산소토치의 산소압력은 16~21kgf/cm2 범위를 만족하도록 한다.
본 발명은 롤러교정기를 통한 형상 교정 후 2차교정으로 열교정(Heat Flattening)을 실시하여 형상 교정에 대한 'H'형강의 교정불량을 재교정한다. 따라서 별도의 프레스 머신 없이도 국부적인 가열과 냉각을 통해 재교정이 용이하므로 'H'형강의 압연과정 중 발생되는 휨에 대한 재공품의 교정을 통해 정품화하여 판매하는 것이 가능하다.
따라서 제품신뢰성이 향상되는 것은 물론 교정을 위한 별도의 설비투자비가 소요되지 않아 원가절감 및 생산효율면에서 유용한 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 열교정을 적용할 경우 종래의 프레스 머신을 적용하는 경우보다 일 처리량이 200톤 정도로 처리량도 높아 생산성이 향상되는 효과를 가진다.
이하 본 발명에 의한 형강재의 교정 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3에는 본 발명에 의한 형강재의 교정 방법에 의해 'H'형강이 교정되는 모습이 작업과정도로 도시되어 있다.
본 발명에서는 형강재 중 'H'형강을 예로 들어 설명한다.
본 발명은 연속주조된 압연소재인 빔브랑크를 조압연, 중간압연, 사상압연을 구성하는 다수개의 연속밀 압연기를 통과하여 'H'형상으로 제조하고, 형상 교정 후 2차교정으로 열교정(Heat Flattening)을 실시하여 형상 교정에 대한 'H'형강의 교정불량을 재교정하는 것을 특징으로 한다.
'H'형강의 교정불량은 형상 교정에 대한 'H'형강의 전장 또는 국부적인 굽음을 의미하는 것으로 교정시에 발생하는 압입 하중이 부적절할 경우에 발생한다. 'H'형강의 교정불량은 루트 크랙(Root Crack) 등의 문제로 롤러 교정기에서 2차 재교정이 불가하므로 열교정을 실시한다.
열교정은 금속이 온도에 따라 팽창·수축하는 성질을 이용한다. 일반적으로 금속은 온도변화에 따라 팽창·수축하나 이 변화는 일정하지 않으며 변태점에서는 더욱 급격하게 변화한다. 따라서 롤러 교정시 발생하는 휨의 재교정을 위해 열교정을 실시한다. 이러한 열교정은 휨의 재교정과 형강재의 조직을 균일하고 미세화, 표준화 한다.
열교정은 'H'형강의 휜 반대방향에 가열수단을 이용하여 국부적으로 열을 가하여 수행하되, 금속조직의 변태가 일어나는 온도 이상으로 가열하고 기지조직의 변화를 수반하지 않는 온도로 냉각하여 교정을 수행한다.
여기서, 금속조직의 변태는 면심입방격자(FCC)에서 체심입방격자(BCC)로 원자배열이 바뀌는 동소변태를 의미하며, 원자배열이 바뀌는 동소변태는 단지 'H'형강의 체적변화만을 가져온다.
이때, 가열은 'H'형강의 휜 부분 두께의 팽창을 유도하여 두께 방향의 소성변형이 일어나도록 하고, 냉각은 길이방향의 탄성 수축이 일어나도록 하여 'H'형강의 휨을 교정하게 된다.
가열수단은 산소와 LNG를 사용하는 산소토치가 채용될 수 있다. 산소토치의 산소압력은 16~21kgf/cm2 범위가 바람직하며, 가장 바람직한 산소압력은 18kgf/cm2이다. 산소압력은 16kgf/cm2보다 낮으면 가열이 어렵고, 21kgf/cm2보다 높으면 열조 절이 어렵다.
산소토치를 이용한 가열은 'H'형강의 웨브 및 플랜지의 두께에 따라 820~1130℃의 온도범위 내에서 가열한다. 이때, 가열온도는 과도하게 높으면 결정립이 조대화되면서 재질이 변하고, 과도하게 낮으면 원자배열이 바뀌지 않아 휜 부분의 체적변화가 발생하지 않는다.
가열 후에는 기지조직의 변화를 수반하지 않으면서 수축량이 조절될 수 있도록 냉각을 실시한다. 냉각은 가열된 부분에 분사노즐을 이용하여 냉각수를 분사함에 의해 이루어진다. 그리고 가열온도 및 가열시간은 'H'형강의 웨브와 좌우측 플랜지의 두께 및 휨정도 와 휜 방향에 따라 상이할 수 있으므로 자세한 조건범위를 아래의 표 1에 도시한다.
아래의 표 1은 'H'형강의 웨브와 좌우측 플랜지의 두께 및 휨정도에 따른 열교정시의 가열온도, 가열시간, 냉각시간의 조건범위를 나타낸 것이다.
구분 'H'형강의 웨브 부분
 'H'형강의
플랜지 부분
두께
(mm)		 12 14 18 21 28 35 28 35
가열온도(℃) 820~880 820~880 870~930 920~980 1020~1080 1070~1130 970~1030 970~1030
가열시간(초) 20~30 20~30 45~55 50~60 60~80 75~95 3~4분 6~8분
냉각시간(초) 40~50 40~50 50~70 80~100 85~105 100~120 3~6분 4~7분
최종냉각온도 30℃이하
가열크기 폭:80~100mm 길이:130~180mm 폭:230~250mm
길이:300~350mm
표 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 두께가 12mm인 'H'형강의 웨브 부분의 휨을 교정하는 경우에는 휨반대방향에 산소토치로 20~30초간 가열하여 820~880℃ 온도범위까지 가열한다. 이후 냉각수를 40~50초간 분사하여 최종 냉각온도가 30℃이하가 되도록 한다.
그리고 두께가 28mm인 'H'형강의 플랜지 부분의 휨을 교정하는 경우에는 휨반대방향에 산소토치로 3~4분간 가열하여 970~1030℃ 온도범위까지 가열한 후 냉각수를 3~6분간 분사하여 냉각온도가 30℃이하가 되도록 한다.
이는 'H'형강의 두께 및 길이 폭 등에 따라 열전도율이 다르므로 이를 고려한 것이다. 가열온도의 경우 표 1에 제시된 하한치보다 낮으면 열교정 효과가 없고, 상한치를 초과하면 재질의 변화를 초래하게 된다.
가열시간은 각 조건별 금속의 변태(FCC→BCC)가 일어나는 온도로 상승시키기 위한 시간으로, 표 1에 제시된 하한치보다 낮으면 열교정 처리효율이 낮아지고, 상한치를 초과하면 과열로 인한 재질의 변화를 초래하게 된다.
냉각시간은 열교정 대상부분의 길이방향 수축량을 조절에 중요하다. 냉각시간은 표 1에 제시된 범위보다 낮거나 높으면 'H'형강의 정확한 수축량 조절이 어려워 교정효과가 낮아진다.
도 2 및 도 3를 참고하면서, 'H'형강을 재교정하는 과정을 간략하게 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 'H'형강(10)의 플랜지(13)가 내측으로 휘어진 경우에는 휘어진 플랜지(13)의 외측을 산소토치(20)로 가열하고 냉각하여 휨을 교정한다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 'H'형강(10)의 웨브(11)가 휘어진 경우에는 휘어진 웨브(11)의 반대측을 산소토치(20)로 가열하고 냉각하여 휨을 교정한다. 이때, 가열시간 및 냉각시간 등은 표 1의 조건을 참조하여 실시한다. 그리고 냉각은 분사노즐(30)을 이용한 냉각수 분사에 의해 이루어지도록 한다.
아래의 표 2는 표 1의 가열온도, 가열시간, 냉각시간을 만족하는 범위로 열교정한 'H'형강의 교정 개선정도를 나타낸 것이다.
구분 'H'형강의 웨브 부분
 'H'형강의
플랜지 부분
두께
(mm)		 12 14 18 21 28 35 28 35
가열온도(℃) 850 850 900 950 1050 1100 1000 1000
가열시간(초) 25 25 50 55 70 85 3분30초 7분10초
냉각시간(초) 50 50 60 90 95 105 4분20초 4분55초
최종냉각온도 24℃
가열크기 폭:80~100mm 길이:130~180mm 폭:230~250mm
길이:300~350mm
교정도 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호
표 2에 도시된 바와 같이, 표 1의 범위로 가열온도, 가열시간, 냉각시간을 만족하는 범위로 열교정을 실시한 경우 교정이 용이함을 알 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 일반적인 'H'형강의 모습을 보인 사시도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 형강재의 교정 방법에 의해 'H'형강이 재교정되는 모습을 보인 작업과정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10:'H'형강 11:웨브
13:플랜지 20:산소토치
30:분사노즐

Claims (4)

  1. 롤러 교정기를 통과한 'H'형강의 휨 방향의 반대측을 가열수단을 이용하여 금속의 조직변태(FCC→BCC)가 일어나는 온도 이상으로 가열하는 제1단계와;
    상기 제1단계 후 상기 'H'형강의 가열된 부분에 냉각수를 분사하여 기지조직의 변화를 수반하지 않는 온도로 냉각하는 제2단계;를 수행하여 'H'형강의 교정불량을 재교정하는 것을 특징으로 하는 형강재의 교정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계에서
    상기 가열은 820~1130℃의 온도범위로 가열하는 것을 특징으로 하는 형강재의 교정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계에서
    상기 냉각은 40초~7분의 시간범위로 수냉하여 최종 냉각온도가 30℃이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 형강재의 교정방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 가열수단은 산소토치를 채용하며, 상기 산소토치의 산소압력은 16~21kgf/cm2 범위를 만족하도록 하는 것을 특징으로 하는 형강재의 교정방법.
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