KR101060888B1 - 내마모성이 우수한 조립형 스케일 브레이커 롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 직경이 서로 다른 복수의 부분롤들이 직렬로 결합되어 전체롤을 형성하고, 상기 전체롤의 표면에 내마모 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤을 제공한다. 상기 부분롤들은 최대 마모 부위 부분롤, 중간 마모 부위 부분롤 및 엣지 부위 부분롤로 이루어질 수 있으며, 상기 최대 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 2.0~8.0mm, 상기 중간 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~5.0mm, 그리고 상기 롤의 엣지 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~2.0mm일 수 있다.

본 발명에 의한 스케일 브레이커 롤은 마모 부위에 따른 코팅층의 두께가 달라 내마모 효과가 우수하고 일부 마모에도 전체 롤을 교체할 필요가 없어 생산단가의 절감은 물론 그 수명도 연장되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

스케일 브레이커 롤, 내마모 코팅층, 부분롤, 전체롤, 레이저 용사법

Description

내마모성이 우수한 조립형 스케일 브레이커 롤{Assembled Scale Breaker Roll with Excellent Abrasion Resistance}

본 발명은 철강 제품 생산 중 냉간압연에 사용되는 스케일 브레이커 롤의 내마모성을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스케일 브레이커 롤을 직경이 다른 복수의 조립형 롤을 결합시키는 방법으로 구성하여 스케일 브레이커 롤의 마모로 인한 수명 저하를 최소화시킬 수 있는 스케일 브레이커 롤에 관한 것이다.

일반적으로 스케일 브레이커 롤은 압연 공정 중에 강판의 표면에 발생할 수 있는 스케일을 제거하기 위한 장치로서 알려져 있다. 도 1과 같이 압연 롤에 스케일 브레이커 롤을 함께 이용하여 압연 공정을 수행하는 경우, 압연된 강판의 평탄도 교정은 물론 표면 스케일층을 분쇄할 수 있어 보다 우수한 제품을 생산할 수 있는 것이다.

종래에 사용되는 스케일 브레이커 롤은 SUJ2(ASTM 52100)합금에 중주파 열처 리를 하여 사용하는 것이 있으며, 이러한 롤은 Hs 90 정도의 경도를 나타낸다. 하지만 상기 종래의 스케일 브레이커 롤을 이용한 조업시, 강판 폭의 끝 부분을 압연하는 부분에서 마모가 많이 발생하는데, 이는 마찰에 의하여 강판 조직에 열처리 효과가 발생하고 이를 통해 미세조직에 풀림(annealing) 현상이 발생하기 때문이다.

또한, 이러한 마모 현상을 방지하기 위한 기술로 나타난 종래 기술로는 초고속화염용사코팅(high Velocity Oxygen Fuel coating), 화염용사(Flame Spraying), 육성 용접(Plasma Transferred Arc Cladding) 등의 방법을 통해 고온에서 내마모성이 우수한 Ni기 자용성 합금을 코팅하는 방법이 나타난 바 있다. 그러나 이러한 코팅 방법에 의하여도 롤 표면에 크랙이 발생하거나 코팅이 박리되는 현상을 피할 수가 없었다.

나아가 보다 효율적이고 안정적으로 롤 표면을 코팅하기 위하여 고주파 열처리 방식이나 전범위 레이저 용사코팅 방법이 제안된 바 있으나, 스케일 브레이커 롤의 특성상 강판과의 접촉이 많은 부분과 상대적으로 강판과의 접촉이 적은 부분의 마모량이 달라 최대 마모부위의 마모속도가 롤의 수명과 직결되는 현상으로 인하여 일부분의 마모로 전체롤을 모두 교환해야 하는 문제점은 여전히 존재하였으며, 롤의 생산비용 및 가공단가의 상승 역시 해결해야 할 과제로 남아 있다.

따라서, 스케일 브레이커 롤에 존재하는 종래의 문제를 해결하고, 수명이 길고 롤의 일부분의 마모로 인하여 롤 전체를 교환할 필요가 없는 새로운 개념의 스케일 브레이커 롤이 요구된다.

본 발명은, 직경이 서로 다른 복수의 부분롤들이 롤의 마모 정도나 수준에 따라 직렬로 결합되어 전체롤을 형성하고, 상기 전체롤의 표면에 내마모 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤을 제공한다. 상기 부분롤은 최대 마모 부위 부분롤, 중간 마모 부위 부분롤 및 엣지 부위 부분롤 중 하나이며, 상기 최대 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 2.0~8.0mm, 상기 중간 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~5.0mm, 그리고 상기 롤의 엣지 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~2.0mm일 수 있다.

또한, 상기 내마모 코팅층은 파장 0.4~1.0㎛의 다이오드 레이저를 이용한 레이저 용사법으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 내마모 코팅층은, 중량%로 자용성 합금 50~70% 및 WC 30~50%을 포함한다. 상기 WC는 CrC 계통의 카바이드로 대체될 수 있으며, 상기 자용성 합금은 NiCrSiBCuMoFeC, NiCrFeSiBC, 또는 NiCrSiBCuMoFeC와 NiCrFeSiBC의 혼합물일 수 있다. 이 경우, 상기 코팅 분말의 입도는 45~125㎛일 수 있으며, 상기 내마모 코팅층은 상기 각 부분롤 표면에 개별 코팅된 것, 또는 전체롤로 조립한 후에 전체롤 표면에 코팅된 것일 수 있다.

본 발명에 의한 스케일 브레이커 롤은 마모 정도에 따른 코팅층의 두께가 달라 내마모 효과가 우수하고 일부 마모에도 전체 롤을 교체할 필요가 없어 생산단가의 절감은 물론 그 수명도 연장되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

본 발명에서 제시하는 스케일 브레이커 롤은 분리된 복수개의 서로 다른 부분롤을 조립하여 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 마모가 발생하는 부위에 따라 직경이 다른 부분롤을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 각 부분롤 중 마모가 많이 발생하는 부분에는 레이저 용사코팅을 이용하여 상대적으로 코팅을 두껍게 함으로써 최종적으로 코팅롤의 수명을 연장하고, 롤 일부분의 파손에도 불구하고 롤 전체를 교체할 필요가 없는 형태의 스케일 브레이커 롤을 제공할 수 있다.

이하 본 발명의 스케일 브레이커 롤에 관하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 스케일 브레이커 롤은 도 2(a)와 같이 복수의 부분롤을 결합하는 형태로 이루어진다. 이 때, 전체롤을 구성하는 부분롤의 개수는 특별히 한정하지 않으며, 제조하는 강판의 폭, 롤을 지지하는 지지대의 강도, 기타 조업 환경에 따라 유기적으로 변화시켜 사용할 수 있을 것이다. 하지만, 본 발명에서의 부분롤은 최소한 마모 정도에 따라서 최대 마모 부위(11), 중간 마모 부위(12) 및 롤의 엣지 부위(10)로 구분되어, 도 2와 같이 5개 이상의 부분롤로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 최대 마모 부위 부분롤(11)은 마모가 가장 많이 발생할 수 있는 부분으로, 가장 두꺼운 내마모 코팅 처리가 필요한 곳으로, 바람직하게는 2.0~8.0mm의 두께로 코팅을 실시한다. 반면, 롤의 엣지 부위 부분롤(10)은 실질적으로 마모가 잘 일어나지 않는 부분에 해당되므로, 다량의 코팅이 굳이 필요하지 않으며 비경제적일 수 있으므로 얇은 코팅을 하며, 바람직하게는 1.0~2.0mm 두께로 코팅할 수 있다. 그리고 롤의 중심부인 중간 마모 부위 부분롤(12)은 바람직하게는 1.0~5.0mm의 두께로 코팅이 이루어질 수 있다. 단, 도 2(b)에서 나타난 바와 같이, 각 부분롤은 그 코팅층의 두께가 서로 상이하지만, 전체롤로 결합시 롤 표면에 높낮이 차이가 존재하지 않아야 하므로, 코팅된 부분롤의 최종 직경이 서로 일치하도록 코팅 두께를 조절하거나, 코팅 처리를 전체롤 상태로 결합시킨 후에 일괄적으로 함으로써, 최종 스케일 브레이커 롤의 표면에 굴곡이나 높낮이 차이가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

상기 코팅을 형성하는 코팅 방법은 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 다이오드 레이저를 이용한 레이저 용사법을 사용하여 코팅한다. 상기 다이오드 레이저 용사법은 도 3에 나타난 바와 같이 다이오드 레이저를 이용하여 이루어진다. 상기 다이오드 레이저는 반도체 다이오드의 P-N 접합에 의한 레이저 발진을 기본 원리로 하며, 분말은 다이오드에서 발진한 레이저 빔을 기준으로 주변에서부터 균일하게 공급된다. 공급된 분말이 녹아서 모재에 흡착하는 공정과, 다이오드에서 발진되는 레이저 빔은 모재를 일부 녹임으로서 분말과 모재의 금속간 화합물 형성을 유도하고 생성된 금속간 화합물은 코팅층의 접착력 향상에 크게 기여한다. 이러한 특성은 코팅층을 형성함에 있어서 공급되는 분말을 균일하게 녹여 주고 빔의 중심부와 외부의 열적 균일도를 유지할수 있는 장점이 있어 코팅층의 크랙을 사전에 방지할 수 있는 장점이 있다. 이 경우 바람직한 레이저의 파장은 0.4~1.0㎛이다. 상기 파장이 0.4㎛보다 짧으면 레이저의 에너지가 너무 과도하여 레이저가 조사되는 부분과 그렇지 않은 부분의 용융상태가 불균형해지고, 반면 1.0㎛을 초과하여 너무 길면 용사 코팅 효율이 저하되므로 바람직하지 않다. 나아가 본 발명자들의 실험에 의하면 가장 최적의 레이저 파장은 0.8㎛인 것으로 측정되었다.

또한, 레이저 용사로 이루어지는 코팅층의 성분은 자용성 합금 및 WC를 포함하는 분말을 이용할 수 있다. 이 경우, 자용성(Self-fluxing) 합금의 조성범위는 중량%로 50~70%이며, 대표적인 자용성 합금은 NiCrSiBCuMoFeC, NiCrFeSiBC 등이 있다. 또한, WC는 CrC 계통의 카바이드로 대체하여 사용될 수 있으며, 중량%로 30~50%가 포함될 수 있다. 나아가 분말의 입도는 미세할수록 좋으나, 코팅 효율성 및 비용을 감안할 때, 45~125㎛ 범위의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 스케일 브레이커 롤의 특성을 하기 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

기존에 사용되고 있는 일반 스케일 브레이커 롤(고주파 열처리 롤로서 표면 경화 깊이는 5mm, 모재는 SM45C 재료가 사용됨-비교예)과 본 발명에 의하여 제조된 롤(발명예)을 준비하여 내마모층의 표면경도, 조업 후의 표면 경도 및 제품 수명을 실험하였고, 이러한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	모재 재질	표면경화방법	내마모층의 두께	표면경도(HS)	조업 후의 표면경도(HS)	제품수명
비교예	SUJ2	중주파 열처리	5mm	80 이상	25	7일
발명예	SM45C	레이저 용사	1.5mm	80 이상	62	40일

*발명예 1의 내마모층은 Ni base 자용성 합금 : 초경합금 = 35: 65으로 사용

상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 발명예는 비교예에 비하여 초기 표면경도는 동일하였으나, 조업 후에는 표면경도의 차이가 현저하게 차이를 나타냈고, 그 결과 제품의 수명도 비교예에 비하여 우수함을 알 수 있다.

(실시예 2)

상기 비교예 및 발명예를 현장에서 7일간 사용한 후, 그 결과를 측정하여 마모도, 제품 수명, 공정 단가 등을 예측하였다. 표면 경도면에서, 상기 비교예는 표면 경도가 초기 대비 70% 이상 감소하였음을 알 수 있었고, 이는 급격한 내마모성 저하로 이어졌다. 또한, 일정 부위에만 급격한 마모가 진행되었음에도 불구하고 롤 전체를 교환해야 하므로 공정단가 상승과 효율저하가 예측되었다.

반면, 본 발명에서 사용한 레이저를 이용한 자용성합금과 초경합금의 코팅은 기존 롤 제품의 마모량 대비 10% 마모 수준을 유지하고 있으며, 특히 마모가 집중되는 부위에는 코팅층이 상대적으로 두꺼워서 롤 자체의 마모가 적게 일어남은 물론, 롤을 교체한는 경우에도 마모가 많이 발생한 일부 부분롤만을 교체할 수 있어 공정단가 절감과 전체적인 롤의 사용 수명 연장이 예측되었다.

도 1은 스케일 브레이커 롤이 사용되는 배치형태를 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명의 조립형 스케일 브레이커 롤 및 용사 코팅된 상태를 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명의 레이저 용사 코팅에 의하여 코팅하는 방법을 나타낸 모식도.

도 4는 본 발명의 레이저 용사 코팅에 의하여 이루어진 코팅층의 단면을 나타낸 사진.

● 도면 주요 부호에 관한 설명

1. 레이저 빔

2. 분말과 쉴딩(Shielding)가스

3. 쉴드 가스

4. Coaxial 노즐

5. 분말 제트

6. 멜트 풀 (Melt Pool)

7. 코팅 부위

8. 강판

9. 코팅

10. 롤 모재

Claims (8)

1. 삭제
2. 직경이 서로 다른 복수의 부분롤이 직렬로 결합되어 전체롤을 형성하고, 상기 전체롤의 표면에 내마모 코팅층이 형성되며,

   상기 부분롤은 최대 마모 부위 부분롤, 중간 마모 부위 부분롤 및 엣지 부위 부분롤 중 어느 하나인 것임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
3. 제2항에 있어서, 상기 최대 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 2.0~8.0mm, 상기 중간 마모 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~5.0mm, 그리고 상기 롤의 엣지 부위 부분롤의 내마모 코팅층은 1.0~2.0mm임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 내마모 코팅층은 파장 0.4~1.0㎛의 다이오드 레이저를 이용한 레이저 용사법으로 형성된 것임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 내마모 코팅층은 중량%로 자용성 합금 50~70%, WC 또는 CrC 계통의 카바이드를 30~50% 포함하는 코팅 분말을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
6. 제5항에 있어서, 상기 자용성 합금은 NiCrSiBCuMoFeC, NiCrFeSiBC, 또는 NiCrSiBCuMoFeC와 NiCrFeSiBC의 혼합물임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
7. 제5항에 있어서, 상기 코팅 분말의 입도는 45~125㎛임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.
8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 내마모 코팅층은 상기 각 부분롤 표면에 개별 코팅된 것, 또는 전체롤로 조립한 후에 전체롤 표면에 코팅된 것임을 특징으로 하는 스케일 브레이커 롤.

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