KR101309922B1 - 강판 압연시 롤갭 설정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강판 압연시 롤갭 설정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확한 두께로 판재압연하기 위하여 수식모델에 의해 판재의 변형량을 예측하여 롤갭을 설정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 롤갭 설정방법은 압연대상 강판을 결정하는 단계; 상기 결정된 강판의 고온강도와 압하율에 따른 롤부하를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 롤부하로부터 하기 수학식 1에 따른 롤갭을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
롤갭 = 목표두께 - 롤부하/탄성율
상술한 바와 같이, 본 발명은 강판의 조성과 온도를 고려한 탄성복원량과 기타의 요인에 의한 롤갭 부정확도를 개선함으로써 정확한 두께의 판재를 제조할 수 있다는 유리한 효과를 가진다.

Description

강판 압연시 롤갭 설정방법{METHOD FOR DECIDING ROLL GAP}

본 발명은 강판 압연시 롤갭 설정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정확한 두께로 판재압연하기 위하여 수식모델에 의해 판재의 변형량을 예측하여 롤갭을 설정하는 방법에 관한 것이다.

강판을 얻기 위해서는 열간압연과정이 필수적이다. 상기 열간압연은 강 슬라브를 고온으로 가열하고 가열된 강슬라브를 조압연 및 사상압연함으로써 원하는 치수, 즉 두께와 폭을 가지는 판재로 제조한다.

그런데, 강판의 두께는 최종제품의 규격사항으로써, 만일 상기 두께에서 벗어나는 경우에는 규격미달로 처리되어 그 가치가 심각히 감소하기 때문에, 판재의 두께를 정확히 제어하는 것은 매우 중요하다. 이러한 강판의 두께는 압연시의 가공량(통상 압하율이라고 칭함)에 의해 결정된다.

뿐만 아니라, 근래 TMCP라는 열기계적 가공법이 제안됨에 따라서, 강판 내부에서 일어나는 야금학적인 현상들을 강판의 온도와 압하율에 의해 제어함으로써 원하는 물성, 예를 들면 강도와 인성 등을 가지는 판재로 제조된다.

따라서, 강판의 압하율을 제어하는 것은 강판의 치수규격과 품질에 결정적인 영향을 미치는 것이므로, 압하율 제어는 매우 중요하다. 강판의 압하율 제어를 위해서는 강판이 통과하는 롤과 롤(예를 들면, 상부롤과 하부롤) 사이의 간격을 제어할 필요가 있다. 상기 롤과 롤 사이의 간격은 통상 롤갭(Roll Gap)이라고 불리는 것으로서, 상기 롤갭이 정해진 롤과 롤 사이를 강판이 통과하면서 정해진 두께로 압하된다.

그런데, 강판이 통과할 때, 롤 및 롤을 지지하는 기타 부재 역시 일정수준의 탄성변형을 겪게 되는 것이므로 미리 설정된 롤갭과 강판 통과시의 롤갭이 상이하게 된다. 또한, 이러한 탄성변형 현상은 언제나 일률적으로 발생하는 것이 아니라, 강판으로부터의 반작용력에 따라 달라진다. 강판으로부터의 반작용은 강판의 강성, 즉 변형에 대한 저항에 의존하는데, 이러한 반작용력은 모든 강판에서 동일한 정도로 일률적으로 발생하는 것이 아니라, 강판의 조성, 압연 온도 등에 따라서 달라진다. 뿐만 아니라, 강판 즉, 철강재는 응력을 가할 경우 소성변형만 일어나는 것이 아니라 탄성변형도 같이 일어나기 때문에 롤갭 통과후에 탄성복원이 발생하므로 롤갭으로 설정된 간격만큼 모두 압하되는 것은 아니다. 따라서, 롤갭의 설정은 단순히 원하는 강판 두께만큼 설정하는 것이 아니라, 롤갭의 탄성변형 및 강판의 복원에 따른 추가적인 가공량 설정 등을 복합적으로 고려하여 설정하여야 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 강판의 조성, 압연 온도 등에 따른 강판의 탄성복원량을 고려한 롤갭 설정방법이 제공된다.

본 발명의 일측면에 따른 롤갭 설정방법은 압연대상 강판을 결정하는 단계; 상기 결정된 강판의 고온강도와 압하율에 따른 롤부하를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 롤부하로부터 하기 수학식 1에 따른 롤갭을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

롤갭 = 목표두께 - 탄성복원
단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율

이때, 상기 롤갭은 보다 오차를 감소시키기 위해서 하기 수학식 4의 형태로도 계산가능하다.

[수학식 4]

롤갭 = 목표두께 - 탄성복원 + 보상치
단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율

또한, 계산의 정확도를 보다 높이기 위해서는 상기 강판의 고온강도는 해당 강판의 조성에 의해 결정되는 것이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 강판의 조성과 온도를 고려한 탄성복원량과 기타의 요인에 의한 롤갭 부정확도를 개선함으로써 정확한 두께의 판재를 제조할 수 있다는 유리한 효과를 가진다.

도 1은 각 온도별로 고온강도를 구하기 위한 테스트 조건,
도 2는 도 1의 조건으로 테스트한 경우의 응력-변형율 곡선으로서, 도면에서 MFS는 평균 유동 응력(Mean Flow Stress)을 나타내며, 그리고
도 3은 강판 조성의 함수로서 구한 고온강도를 예측한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 압연과정의 롤갭을 설정하기 위하여 다음과 같은 수식을 적용한다. 즉, 하기 수학식 1에서 나타낸 바와 같이 탄성복원은 롤부하/탄성율(moduluus)로 표시될 수 있다.

[수학식 1]

롤갭 = 목표두께 - 탄성복원
단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율

상기 수학식 1에서는 롤갭을 설정할 때, 롤갭에 작용하는 반작용력으로 인하여 롤갭이 증가하는 현상, 즉, 강판에 의한 압력으로 롤과 롤사이가 원래 부하가 없을 때보다 더 벌어지게 되는 현상을 고려한 것이다. 강판은 실제 부하가 없을 때의 롤갭에 비하여 더 두꺼운 치수로 배출되게 되므로(즉, 강판 두께 > 설정된 롤갭), 강판의 두께를 목표치로 제어하기 위해서는 상기 수학식 1과 같이 롤갭은 실제 목표두께 보다 작은 값으로 설정되어야 하는 것이다.

이를 위해서는 롤에 미치는 부하 즉, 롤부하를 정확히 예측할 필요가 있다. 롤부하는 앞에서도 언급하였듯이, 강판으로부터 작용하는 반작용에 크게 좌우하게 된다.

본 발명은 압연과정에서 일어나는 야금학적 현상들에 대한 치밀한 고찰끝에 이루어진 것으로서, 이를 위하여 본 발명의 발명자들은 롤부하에에 영향을 미치는 주요인자들이 다음과 같음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

강판의 조성

강판의 강도는 압연시 변형저항에 관련된 것으로서, 롤과 롤이 강판에 가하는 압하력에 대하여 반작용력을 롤에 전달할 뿐만 아니라, 압하후 하중으로부터 해방되었을 때, 복원정도에도 영향을 미친다. 종래와 같이 고온에서 강판을 압연할 경우에는 강판의 강도는 조성별로 큰 차이를 가지지 못하였고, 그에 따라 하나 또는 제한된 숫자의 고온강도 값을 적용하여 강판의 변형저항 등을 예측하는 것 만으로도 롤갭 설정에 큰 문제가 없었다. 그러나, TMCP 법에 의한 강판 압연이 널리 보급되면서 강판의 압연온도를 엄격히 제한하고 그에 따라 강판 조직이 가공에 의하여 영향받을 수 있는 비교적 낮은 온도에서 가공이 실시되게 되었다. 그런데, 비교적 낮은 온도에서 가공이 실시됨에 따라, 조성별로 강도가 크게 차이나게 되었고 이러한 차이로 인하여 동일한 롤갭을 설정한다 하더라도 제조되는 강판의 두께에 큰 차이가 발생하는 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 롤갭 설정에 필요한 강판의 강도를 조성에 의존하는 값으로 하는 것이 바람직하다는 사실을 발견하고 조성의존식으로 도출하여 롤갭 설정에 적용한다.

상술한 조성의존식은 경험적인 식으로서, 통상적인 회귀분석방법에 의해 설정가능하다. 즉, 제조된 강재의 조성과 그에 따른 고온강도의 관계를 회귀분석하면 각 강재를 이루는 성분의 함량과 각온도별 고온강도 사이에서는 하기 수학식 2와 같은 다원1차적인 관계가 성립한다.

[수학식 2]

고온강도 = a1×함량1 + a2×함량2 + a3×함량3 + a4×함량4 + a5×함량5 + ...

상술한 온도별 고온강도는 열간압연실시 영역 내 몇개의 온도범위에서 계산되어질 수 있으며, 나머지 온도는 상술한 각 온도별 강도를 기준온도에 맞게 내삽 또는 외삽하여 결정할 수 있다. 또한, 한가지 온도에서 기준 강도를 결정한 후 온도 상승 또는 하강에 따른 변경 정도를 미리 구한 후 이를 압연온도에 맞추어 계산하는 방법도 사용가능하다.

압하율

많은 양이 압하될 수록 롤에 가해지는 부하는 커지게 된다. 즉, 인입되는 강판의 두께에 비하여 배출되는 강판의 두께가 클수록 롤부하가 커지므로 이역시 롤부하를 결정하는 요인에 해당된다.

상술한 각 변수는 롤부하를 계산하는 인자로 사용되게 된다. 이때, 상술한 각 변수와 롤부하의 관계는 실험, 수치해석, 또는 경험적으로 결정되게 되며, 이를 구하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 용이하게 실시할 수 있으므로 본 발명에서 자세히 언급하지는 않는다. 다만, 경험적으로 결정하는 방법 중 하나의 예를 든다면, 상기에서 계산한 강판의 고온강도와 압하율을 인자로 삽입한 다중회귀분석법을 이용하여 구할 수 있다.

또한, 상기 수학식 1에서 탄성률은 설비별로 결정되는 것이므로 미리 측정하여 구해둘 수 있다. 따라서, 상술한 과정에 의하여 롤갭은 간단히 측정될 수 있다.

그러므로, 상기 내용을 참고한 본 발명의 롤갭 설정방법은 우선 압연대상 강판을 결정하는 단계; 상기 결정된 강판의 고온강도와 압하율에 따른 롤부하를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 롤부하로부터 상기 수학식 1에 따른 롤갭을 계산하는 단계를 포함한다.

이때, 상술한 바와 같이 강판의 고온강도는 강판의 실제 조성으로부터 산출된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 계산과정에서 도출되는 각 식의 계수들은 최초에 결정된 값으로부터 변경없이 사용할 수도 있으나, 실제 압연후 측정된 강판의 두께 값과 계산값을 비교하여 오차를 정정하기 위하여 변경된 후 피드백 될 수 있다. 이때, 변경된 계수를 100% 반영하는 것이 아니라 하기 수학식 3에 따라 가중치를 가지고 피드백 되는 것이 바람직하다.

[수학식 3]

결정된 계수 = 변경전 계수×(1-w) + 변경된 계수×w

단, 여기서 w는 가중치를 의미하고 0에서 1사이의 값을 가진다.

또한, 본 발명의 또한가지 바람직한 구현례에 따르면, 상술한 수학식 1에 의해서 발생할지도 모르는 오차를 보상하기 위하여 하기 수학식 4와 같은 형태로 롤갭을 보상할 수도 있다.

[수학식 4]

롤갭 = 목표두께 - 탄성복원 + 보상치
단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율

상기 보상치는 압연되는 강의 조성(강종) 별로 설정된 보상치로서, 최초에 설정된 값(상수)을 사용할 수도 있으며, 압연후 실측두께에 근거하여 발생하는 오차(즉, 목표두께와 실측두께의 차)를 감소시키는 방식으로 사용할 수도 있다. 예를 들면, 각 롤갭별로 얻어지는 실측두께가 목표두께와 동일하게 되도록 설정되는 값(즉, 보상치 = 롤갭 - 실측두께 + 롤부하/탄성율)일 수 있으며, 이러한 값은 1회의 결과값으로 도출될 수 있으나, 2회 이상의 결과의 평균값으로 설정하는 것이 보다 바람직하다.

물론, 이때 실측두께와 목표두께의 오차는 상술한 바와 같이 각 계수를 피드백하기 위해서도 사용될 수 있으므로, 발생되는 오차를 일정비율로 분배하여 계수변경과 보상치 변경에 각각 사용할 수도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 그로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정된는 것이기 때문이다.

(실시예)

각 종류의 강종에 대하여 도 1에 예시한 바와 같은 형태의 다양한 고온강도 테스트(torsion test)를 수행하였다. 테스트는 최고온도 1160℃에서 10분간 유지한 후 시편을 냉각시키면서 인장하는 방식으로 실시하였다. 냉각시 냉각속도는 1.0℃/s로 설정하였으며, 각단계별로 변형속도 1.0S^-1, 변형율을 0.13으로 하는 변형시험을 반복하였다. 이와 같은 테스트에 의해 각 온도별 시편의 고온강도를 용이하게 구할 수 있다. 도 1에 예시한 고온강도 테스트 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 a는 각 온도별 응력-변형률 곡선을 나타내었으며, b는 이러한 시험결과 얻어진 각 온도별 고온강도(변형저항)를 나타내었다.

도면에서 볼 수 있듯이, 온도가 감소할수록 고온강도가 높아지는 것을 알 수 있었다. 다만, 비교적 연질조직인 페라이트 조직이 형성되는 2상역(Ar3 이하의 온도 영역)에서는 페라이트 조직의 영향으로 다소 고온강도가 감소하는 형상을 나타내고 있었으나, 종래의 압연온도 영역(예를 들면 800℃ 이상)에 비해서는 높은 고온강도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

TMCP와 같이 오스테나이트 단상역 중 저온영역(예를 들면 오스테나이트 미재결정 온도 영역 등)과 오스테나이트/페라이트 2상역에서 압연을 실시하는 TMCP의 경우에는 높은 고온강도를 가짐을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 다양한 강종에 대하여 얻은 고온강도를 온도별로 성분과 강도의 관계를 회귀분석하여 각각의 수식을 산출하였다.

[수학식 5]

고온강도 = RCEQ( = 0.6[C] + 0.08[Si] + 0.18[Mn] + 0.004[Ni] + 0.02[Cr] + 0.17[Mo] + 2.0[Ni] + 0.4[V] + 1.1[Ti]) ⅹ 계수

상기 수학식 5에 의한 예측가능성을 확인하기 위하여 도 3에 수학식 5에서 사용된 RCEQ와 고온강도(Ton/mm)(도면에서 WAF라는 변수로 표시하였음)의 관계를 나타내었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 고온강도와 RCEQ는 양호한 상관관계를 나타내고 있었으며, RCEQ에 의해 고온강도가 양호하게 예견가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 모든 경우 일정한 고온강도를 적용할 경우(도면중 실선, 도면에서는 5.1ton/mm로 설정되어 있음)에는 실제 강도와 크게 어긋날 수 있어 정확한 롤갭 산출이 어렵다는 것도 확인할 수 있었다.

상술한, 과정에 의해 성분의 함수로 구해진 고온강도와 압하율을 가지고 다중회귀분석함으로써 롤부하를 구하였다. 구해진 롤부하를 상기 수학식 1에 대입하여 목표 강판두께를 얻는데 필요한 롤갭을 산출하도록 하였으며, 상기 산출된 롤갭을 압연시 설정하여 압연하였다. 압연온도는 통상의 TMCP 온도 범위인 750~1150℃에서 실시하였다.

그 결과, 압연후 강판의 두께는 목표 두께 대비 ±0.5% 내인 것(20mm 두께를 가지는 강판의 경우)을. 확인할 수 있었으며, 본 발명의 롤갭 설정 방법에 따라서, 강판의 목표두께 조절이 용이함을 알 수 있었다.

Claims (3)

1. 압연대상 강판을 결정하는 단계;
   상기 결정된 강판의 고온강도와 압하율에 따른 롤부하를 계산하는 단계;
   및 상기 계산된 롤부하로부터 하기 수학식 1에 따른 롤갭을 계산하는 단계를 포함하는 강판 압연시 롤갭 설정방법.
   [수학식 1]
   롤갭 = 목표두께 - 탄성복원
   단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율
   
2. 압연대상 강판을 결정하는 단계;
   상기 결정된 강판의 고온강도와 압하율에 따른 롤부하를 계산하는 단계;
   및 상기 계산된 롤부하로부터 하기 수학식 4에 따른 롤갭을 계산하는 단계를 포함하는 강판 압연시 롤갭 설정방법.
   [수학식 4]
   롤갭 = 목표두께 - 탄성복원 + 보상치
   단, 상기 탄성복원 = 롤부하/탄성율
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강판의 고온강도는 해당 강판의 조성에 의해 결정되는 강판 압연시 롤갭 설정방법.

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