KR101045839B1 - 핫스탬핑용 가열로 장치 - Google Patents

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Abstract

길이 방향을 따라 강판의 이송을 위한 다수의 상·하부 롤 쌍이 배열되며, 이들 상·하부 롤 쌍과 교대로 롤 길이 방향을 따라 고주파 코일이 설치된 제1 가열로; 및 이 제1 가열로로부터의 강판을 연속적으로 이송시키면서 AC3 온도 이상으로 가열하며, 길이 방향을 따라 다수의 이송 롤러가 배열된 제2 가열로;를 포함하는 핫스탬핑용 가열로 장치가 소개된다. 제2 가열로는 전기로 또는 가스로일 수 있으며, 이러한 하이브리드형 가열로 장치에 따르면 기존에 비하여 50% 이상의 설비 공간을 줄일 수 있다.
핫스탬핑, 보론강, 전기로, 고주파 유도가열

Description

핫스탬핑용 가열로 장치{FURNACE APPARATUS FOR HOT STAMPING}
본 발명은 고주파 가열로와 전기로(또는 가스로)가 결합된 핫스탬핑용 하이브리드형 가열로 장치에 관한 것이다.
현재 차량 제조업계의 가장 커다란 화두 중 하나는 경량화 및 고강도화이며, 최근, 이러한 화두의 중심에 핫스탬핑 기술이 자리 잡고 있다. 핫스탬핑 기술은 1970년대 초반 스웨덴 Norrbottens Jarnverk A.B.사에 의해 제안되었는데, 이 회사의 영국특허 1490535호를 살펴보면 핫스탬핑 기술의 내용이 자세히 기술되어 있다.
도 1을 참조하면, 핫스탬핑 기술은 강판(1)을 가열로(10)에서 Ac3 이상의 고온으로 가열한 후 프레스(20) 내에서 성형과 동시에 열처리를 하여 1500Mpa 이상의 고강도 강판 부품(1b)을 제조하는 것을 특징으로 한다. 그리고 이러한 기술 특징으로 인해, 핫스탬핑은 핫포밍(Hot Forming), 핫프레싱(Hot Pressing) 등으로도 불리우며, 이의 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소를 함유하며 열처리 성능 향상 위한 원소로서 Mn, B를 사용하는 이른바 보론강이 사용된다.
위와 같은 핫스탬핑 기술은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도를 향상시키며 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴가 현저하게 감소시킨다는 장점이 있다. 반면, 공정이 고온에서 이루어지므로, 강판 표면의 산화를 피할 수 없고, 따라서 성형이 완료된 제품은 도 1에서 보듯이 별도의 디스케일링(30)이 실시되어야 한다는 단점이 있다. 이러한 디스케일링 공정의 생략을 위해 제안된 것이 아르셀로나 신일본 제철에서 제공되는 Al 도금 강판 등이다.
한편, 핫스탬핑 기술의 적용에 있어, 종래에 사용되어왔던 가열로는 주로 전기로이었다. 핫스탬핑을 위해서 강판은 Ac3 이상의 880~950℃ 정도로 가열하여 완전히 오스테나이트화시켜야 하는데, 두께 1.2mm 강판의 경우 전기로 사용 시 적어도 12~17분 이상 소요된다. 이와 같이, 전기로나 가스로와 같은 종래 가열로는 가열시간의 증가 및 이로 인한 공정속도의 저하 및 생산비용의 증가를 야기하며, 나아가, 가열로의 길이가 23~30m 정도로 상당히 길고 또한 커야 하기에 설비의 대형화에 따른 비용 상승을 야기하는 문제점이 있다.
현재, 센터 필러 등과 같은 차체 부품의 국부 강화를 위해 고주파 유도가열이 사용되고 있다. 이러한 고주파 유도가열은 수 초 이내에 강판 온도를 1000℃ 이상으로 승온시킬 수 있으므로, 핫스탬핑 기술에 적용할 경우 가열로 장치를 보다 소형화할 수 있으며, 강판의 가열 시간 및 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 고주파 유도가열을 이용한 가열로(이하 '고주파로'라 함)를 사용할 경우, 급격한 온도 상승이나 이송 과정에서의 강판의 변형 등이 문제되기 때문에, 지금까지 는 박판재 보다는 어느 정도의 두께를 갖는 부품의 열처리에 이용될 뿐이었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 설비의 소형화 및 생산성 향상을 위해 고주파로와 전기로(또는 가스로)를 결합한 핫스탬핑용 하이브리드형 가열로 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑용 가열로 장치는, 강판 공급부; 길이 방향을 따라 강판의 이송을 위한 다수의 상·하부 롤 쌍이 배열되며, 이들 상·하부 롤 쌍과 교대로 롤 길이 방향을 따라 고주파 코일이 배열된 제1 가열로; 상기 제1 가열로로부터의 강판을 연속적으로 이송시키면서 AC3 온도 이상으로 가열하며, 길이 방향을 따라 다수의 이송 롤러가 배열된 제2 가열로; 및 상기 제2 가열로로부터 강판이 배출되는 취출부;를 포함한다.
상기 제1 가열로는, 서로 다른 목표 온도를 갖는 2개 이상의 가열존을 구비하며, 각 가열존에는 별도의 인버터에 연결된 고주파 코일이 설치될 수 있다.
상기 고주파 코일은, 상부롤과 인접 상부롤 사이 그리고 하부롤과 인접 하부롤 사이에 각각 설치될 수 있다.
상기 상·하부 롤 쌍들은 각각 중공이며 세라믹 재질일 수 있다.
상·하부 롤 쌍들의 양단에는 롤 길이의 연장 및 구동부에의 연결을 위한 익스텐션이 삽입 설치되며, 익스텐션이 삽입된 부위의 롤 외주면에는 수지로 함침된 실이 감아질 수 있다.
상기 취출부는 강판의 유입을 위하여 설치된 회전롤을 구비하며, 서로 인접하는 회전롤 사이에는 유입된 강판의 위치 고정을 위한 스토퍼가 상방향 돌출 설치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 핫스탬핑용 가열로 장치는, 강판 공급부; 서로 다른 목표 온도를 갖는 2개 이상의 가열존을 구비하며, 각 가열존에는 별도의 인버터에 연결된 고주파 코일이 설치된 제1 가열로; 적어도 승온 구간과 대기 구간을 구비하며, 제1 가열로로부터 이송된 강판은 승온 구간에서 AC3 온도 이상으로 가열되며, 대기 구간에서의 강판 이송속도를 승온 구간과 별도로 조절 가능한 제2 가열로; 및 상기 제2 가열로로부터 강판이 배출되는 취출부;를 포함한다.
상기 제1 가열로는, 강판의 이송을 위하여 길이 방향을 따라 배열된 다수의 상·하부 롤 쌍, 및 이들 상·하부 롤 쌍과 교대로 롤 길이 방향으로 설치된 고주파 코일을 구비할 수 있다.
상기 대기 구간에는 강판의 위치 및 온도 검출 센서가 설치될 수 있다.
상기 대기 구간에서의 강판 취출 전 이송속도는 승온 구간과 동일하며, 강판이 대기 구간 내에 완전히 진입되어 강판 취출 시 강판 이송속도가 증가할 수 있으며, 또한, 대기 구간에서의 강판 취출 후 이송속도는 단계적으로 하강하여 승온 구간에서의 이송속도와 동일해질 수 있다.
상기 제2 가열로는 전기로 또는 가스로일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 핫스탬핑용 가열로 장치에 따르면, 종래에 비하여 50% 이상의 설비 공간을 줄일 수 있으며, 또한, 전기로의 길이 단축에 따라 연료비 절감이 가능하며, 핫스탬핑된 부품의 단가를 낮출 수 있다.
또한, 제1 가열로에서 인버터의 출력을 적절히 조절하여 강판의 온도를 단계적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라 다수의 상·하부 롤 쌍을 이용하므로, 강판의 급속 가열에 따른 변형이 방지되며 이송 중의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 고주파 코일이 상·하부 롤 쌍과 교대로 설치되므로, 강판의 직접적인 유도 가열이 가능하며 고주파 가열을 함에 있어서 강판 이외의 부품에 대한 고주파 영향을 최소화할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핫스탬핑용 가열로 장치에 대하여 살펴본다.
도 2를 참조하면, 핫스탬핑 공정은 강판을 가열로 장치(100,200,300,400)에서 가열한 후, 프레스 장치(600)에서 성형 및 열처리한 다음 컨베이어(800)에 적재하는 과정으로 이루어진다. 가열로 장치(100,200,300,400)와 프레스 장치(600) 사이, 그리고 프레스 장치(600)와 컨베이어(800) 사이에는 각각 강판(또는 제품)의 이동을 위한 이송로봇(500,700)이 배치된다.
상기 가열로 장치(100,200,300,400)는 강판 공급부(100), 가열로(200,300) 및 취출부(400)로 구성되며, 가열로(200,300)는 제1 가열로(200)와 제2 가열 로(300)으로 구성된다.
도 2에서 보듯이, 상기 강판 공급부(100)는 제1 가열로(100)로의 강판 공급을 위해 길이 방향으로 배열된 다수의 공급롤(110)을 구비한다. 강판 공급부(100)의 길이는 공급되는 강판 크기 및 기타 필요에 따라 조절될 수 있으며, 공급롤(110)로는 스테인리스 재질의 롤이 사용된다.
도 2 내지 도 4에서 보듯이, 상기 제1 가열로(200)는 강판 가열에 고주파 유도가열을 이용하는 고주파로서, 서로 다른 목표 온도를 갖는 2개의 가열존(200a,200b)을 가지며, 각 가열존에는 별도의 인버터(미도시)에 연결된 고주파 코일(220)이 설치된다. 목표 온도는 인버터 출력, 특히, 주파수 조절을 통해 달성되는데, 제1 가열존(200a)에서의 강판 가열 목표 온도는 25~450℃(상대적으로 저주파수 이용)이며, 제2 가열존(200b)에서의 목표 온도는 450~750℃(상대적으로 고주파수 이용)이다. 이와 같이 2개의 가열존으로 구분하여 강판의 온도를 상승시킴으로써, 급격한 온도 상승으로 인한 강판의 변형이나 비틀림을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1 가열로(200)의 길이 방향을 따라서는 강판의 이송을 위한 다수의 상·하부 롤 쌍(210)이 배열되며, 고주파 코일(220)은 롤 길이 방향을 따라 상·하부 롤 쌍(210)과 교대로 배열된다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 고주파 코일(220)은 상부롤(220a)과 인접 상부롤 사이 그리고 하부롤(220b)과 인접 하부롤 사이에 각각 설치되며, 상·하부 롤 쌍(210)의 폭 방향으로 1회 리턴시켜 사각형 형태로 벤딩시킨 구조로 배치(도 5 참조)된다. 상부롤(220a)과 하부롤(220b) 사이를 통과하는 강판은 각 롤 간의 사이 공간에 설치된 고주파 코일(220)에 의해 거의 연속적으로 가열되며, 가열 과정에서 발생되는 강판의 변형이나 비틀림은 상부롤(210a)과 하부롤(210b) 간의 간격 조절을 통해서 효과적으로 제어될 수 있다. 고주파 코일(220)은 강판과의 접촉 시 스파크가 발생되지 않도록 절연 코팅된다.
상기 제1 가열로(200)에서의 강판 이송속도는 70~90mm/sec로 조절된다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상·하부 롤 쌍(210)의 양단은 단열을 위한 헤미트 패널(230)을 관통하여 제1 가열로(200)의 케이스를 형성하는 베이크라이트 패널(240)에 장착된다. 베이크라이트 패널(240)은 고주파에 영향을 차폐함과 아울러 절연성 및 강도 유지를 위하여 사용된다. 이러한 베이크라이트 패널(240)을 관통한 상·하부 롤 쌍(210)의 양단에는 이들의 회전 구동을 위한 스프래킷이나 베어링 등의 구동부(미도시)가 통상의 기술에 따라 연결된다. 한편, 상부롤(210a)이 연결되는 구동부, 특히 베어링 외부에는, 상부롤(210a)과 하부롤(210b) 사이를 진행하면서 강판이 상부롤(210a)에 가하는 충격을 흡수할 수 있도록 완충장치가 설치될 수 있다.
상기 상·하부 롤 쌍(210)은 절연성을 위해 중공의 세라믹 재질로 구성된다. 도 6 및 도 7에서 보듯이, 이러한 상·하부 롤 쌍(210)들의 양단에는 롤 길이의 연장 및 구동부에의 연결을 위한 익스텐션(250)이 삽입 설치되며, 익스텐션이 삽입된 부위의 롤 외주면 일정 면적에는 실(260)이 감아지다. 실(260)을 감는 것은, 세라믹이 충격에 약하여 상·하부 롤 쌍(210) 양단에 끼워진 익스텐션(250)의 중심축이 롤(210) 축과 틀어져 세라믹이 깨지는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이렇게 감아진 실(260)에는 에폭시 수지를 함침시켜 강도를 향상시킨다. 도 6 및 도 7에서 보듯이, 익스텐션(250)은 롤(210)에 끼워지는 삽입부(251)와, 삽입부(251)의 롤(210) 에의 끼움 맞춤을 위한 단턱(252)과, 삽입부(251) 보다 작은 직경을 갖는 연장부(253)를 구비하며, 삽입부(251)와 롤(210)은 서로 볼팅(270)된다.
상기 제2 가열로(300)는 제1 가열로(200)로부터 이송되어 온 강판을 AC3 온도 이상(약 950℃ 이상)으로 가열하기 위한 전기로 또는 가스로로 구성된다. 도 2에서 보듯이, 제2 가열로(300)는 5개의 가열존을 구비하는데, 제1 가열로(200)는 2개의 가열존을 구비하므로 실시예에 따른 가열로 장치는 총 7개의 가열존을 구비한다. 제2 가열로(300)의 5개의 가열존을 제3 내지 제7 가열존으로 지칭하면, 제3 내지 제 5 가열존은 제1 가열로(200)로부터 이송된 강판을 이송하면서 AC3 온도 이상으로 가열하기 위한 승온 구간(300a)이며, 제6 가열존은 소킹 구간(300b)이고, 제7 가열존은 대기 구간(300c)이다. 도면 부호 320은 히터이다.
도 2에서 보듯이, 제2 가열로(300)의 전 길이에 걸쳐 내열강 재질의 이송 롤러(310)가 다수 배열되며, 대기 구간(300c)에는 강판의 위치 검출 센서(330)및 온도 검출 센서(320)가 설치된다. 이들 센서(320,330)는 강판이 대기 구간(300c)에 진입하였는지(즉, 강판이 전체 길이에 걸쳐 대기구간의 이송롤러 위에 얹혀져 있는지), AC3 온도 이상의 취출 온도로 충분히 소킹되었는지의 여부를 검출하며, 이러한 조건이 충족되었을 때, 대기 구간(300c)으로부터 취출부(400)로의 강판 취출이 시작된다.
한편, 승온 및 소킹 구간(300a,300b)에서의 강판 이송속도는 동일하며, 대기 구간(300c)에서의 강판 이송속도는 취출 전까지는 승온 및 소킹 구간(300a,300b)에 서의 강판 이송속도와 동일하다. 그리고, 강판이 대기 구간(300c) 내에 완전히 진입되어 강판 취출 시(즉, 상기 위치 및 온도 검출센서로부터의 측정값을 기초로 대기구간으로부터의 강판 취출이 가능한 것으로 판단되어 실제 취출 작동이 시작된 때) 강판 이송속도가 증가되도록 설정된다. 강판의 선단은 대기구간(300c)에 후단은 소킹구간(300b)에 걸쳐져 있는 경우, 대기구간(300c)의 이송 롤러 속도를 증가시키더라도, 특히, 강판의 무게 중심이 후단부에 있는 경우 강판의 이송속도는 소킹구간(300b)의 이송 롤러 속도에 의존하기 때문이다. 또한, 증가된 이송롤러(310)의 회전속도가 급격히 감소되는 경우 롤러(310)에 무리를 주어 휘거나 손상이 발생될 수 있으므로, 대기 구간(300c)에서의 강판 취출 후 이송속도는 단계적으로 하강하여 승온 및 소킹구간(300a,300b)에서의 이송속도와 동일해지도록 설정된다. 대기 구간(300c)으로부터 취출부(400)로 빠져나와 프레스 장치(600)에서 프레싱 전까지의 몇 초 동안 강판의 온도는 급격히 떨어진다. 제2 가열로(300)는 강판의 산화방지를 위해 분위기 가스가 공급될 수 있다.
도 2 및, 도 7 내지 도 10을 참조하면, 제2 가열로(300)의 대기 구간(300c) 후미에는 강판의 유입을 위한 회전롤(410)이 설치된 취출부(400)가 배치되며, 서로 인접하는 회전롤(410) 사이에는 유입된 강판의 위치 고정을 위한 스토퍼(420)가 상방향 돌출 설치된다. 회전롤(410)의 하부에는 지지대(430)가 설치되며, 이 지지대(430)에는 롤(410) 폭방향으로 장착홀(431)이 다수 형성된다. 이 장착홀(431)은 가열되는 강판의 형상에 따라 강판과 간섭 가능한 위치에 스토퍼(420)를 설치할 수 있도록 촘촘히 형성된다. 도 10에서 보듯이, 지지대(430)는 취출부 프레임(420)에 연결된다. 한편, 취출부(400)의 회전롤(410)은 그 위에 강판이 존재하는 한 계속 회전된다. 회전롤(410)이 닿는 부위에서의 강판의 국부적인 온도 저하나, 변형 등을 방지하기 위함이다.
도 2에서 보듯이, 위와 같이 취출부(400)에 이송된 강판은 제1 이송로봇(500)에 의해 프레스 장치(20)의 상하 다이(610,620) 사이에 투입된 후, 프레싱 및 열처리된다. 상하 다이(610,620)에는 열방출을 위한 냉각채널이 마련되며, 프레싱 및 열처리 완료된 제품은 제2 이송로봇(600)에 의해 취출되어 컨베이러(800) 위에 올려진 후, 이송된다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도 1은 통상적인 핫스탬핑 공정의 설명을 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 가열로 장치와 함께 프레스 장치가 도시된 도면,
도 3은 도 2에 도시된 제1 가열로의 상·하부 롤 쌍이 도시된 도면,
도 4는 도 3에 도시된 상·하부 롤 쌍을 상부에서 바라본 도면,
도 5는 도 4에 도시된 상·하부 롤 쌍과 고주파 코일의 배치관계의 설명을 위한 도면,
도 6은 도 3에 도시된 상·하부 롤 쌍의 단부 결합 구조가 도시된 도면,
도 7은 도 6에 도시된 상·하부 롤 쌍의 단부 단면도,
도 8은 도 2에 도시된 취출부가 도시된 도면,
도 9는 도 8에 도시된 취출부에 유입된 강판이 스토퍼에 의해 홀딩되는 것을 보인 도면,
도 10은 도 8에 도시된 스토퍼의 결합 구조를 보인 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 공급부 110: 공급롤
200: 제1 가열로 200a: 제1 가열존
200b: 제2 가열존 210: 상·하부 롤 쌍
220: 고주파 코일 250: 익스텐션
260: 실 300: 제2 가열로
300a: 승온 구간 300b: 소킹 구간
300c: 대기 구간 310: 이송롤러
320: 히터 400: 취출부
410: 회전롤 420: 스토퍼
500,700: 이송로봇 600: 프레스 장치
800: 컨베이어

Claims (12)

  1. 강판 공급부;
    길이 방향을 따라 강판의 이송을 위한 다수의 상·하부 롤 쌍이 배열되며, 이들 상·하부 롤 쌍과 교대로 롤 길이 방향을 따라 고주파 코일이 배열된 제1 가열로;
    상기 제1 가열로로부터의 강판을 연속적으로 이송시키면서 AC3 온도 이상으로 가열하며, 길이 방향을 따라 다수의 이송 롤러가 배열된 제2 가열로; 및
    상기 제2 가열로로부터 강판이 배출되는 취출부;를 포함하며,
    상기 고주파 코일은, 상부롤과 인접 상부롤 사이 그리고 하부롤과 인접 하부롤 사이에 각각 설치된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 가열로는, 서로 다른 목표 온도를 갖는 2개 이상의 가열존을 구비하며, 각 가열존에는 별도의 인버터에 연결된 고주파 코일이 설치된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 상·하부 롤 쌍들은 각각 중공이며 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상·하부 롤 쌍들의 양단에는 롤 길이의 연장 및 구동부에의 연결을 위한 익스텐션이 삽입 설치되며, 익스텐션이 삽입된 부위의 롤 외주면에는 수지로 함침된 실이 감아진 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 취출부는 강판의 유입을 위하여 설치된 회전롤을 구비하며, 서로 인접하는 회전롤 사이에는 유입된 강판의 위치 고정을 위한 스토퍼가 상방향 돌출 설치된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  7. 강판 공급부;
    서로 다른 목표 온도를 갖는 2개 이상의 가열존을 구비하며, 각 가열존에는 별도의 인버터에 연결된 고주파 코일이 설치된 제1 가열로;
    적어도 승온 구간과 대기 구간을 구비하며, 제1 가열로로부터 이송된 강판은 승온 구간에서 AC3 온도 이상으로 가열되며, 대기 구간에서의 강판 이송속도를 승온 구간과 별도로 조절 가능한 제2 가열로; 및
    상기 제2 가열로로부터 강판이 배출되는 취출부;를 포함하며,
    상기 대기 구간에서의 강판 취출 전 이송속도는 승온 구간과 동일하며, 강판이 대기 구간 내에 완전히 진입되어 강판 취출 시 강판 이송속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 가열로는, 강판의 이송을 위하여 길이 방향을 따라 배열된 다수의 상·하부 롤 쌍, 및 이들 상·하부 롤 쌍과 교대로 롤 길이 방향으로 설치된 고주파 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 대기 구간에는 강판의 위치 및 온도 검출 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 대기 구간에서의 강판 취출 후 이송속도는 단계적으로 하강하여 승온 구간에서의 이송속도와 동일해지는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 제2 가열로는 전기로 또는 가스로인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 가열로 장치.
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