KR101355601B1 - 압연용 워크롤의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 봉강 및 형강 등의 조압연에 사용되는 압연용 워크롤의 열처리 방법에 관한 것으로, 주조에 의해 제조된 워크롤 내 조직이 오스테나이트를 형성하도록 1차 설정온도까지 가열하는 단계와, 상기에서 형성된 오스테나이트 상이 조직 내에서 안정화되도록 설정된 시간동안 상기 1차 설정 온도를 유지하는 단계와, 상기에서 설정된 시간 동안 1차 설정 온도를 유지한 후, 상기 1차 설정 온도보다 낮은 2차 설정 온도까지 냉각하는 단계와, 상기에서 2차 설정 온도까지 냉각이 완료된 후, 설정된 시간 동안 2차 설정 온도를 유지하는 단계와, 상기에서 2차 설정 온도를 유지한 후, 급냉하여 상기 워크롤 내 조직이 펄라이트를 형성하는 온도 이하로 냉각하는 단계를 포함하는 압연용 워크롤의 열처리 방법을 제공한다.

Description

압연용 워크롤의 열처리 방법{HEAT TREATMENT METHOD OF WORK ROLL}

본 발명은 압연용 워크롤의 열처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 봉강 및 형강 등의 조압연에 사용되는 압연용 워크롤의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제철공장에서 압연재를 생산하기 위해서는 압연공정을 거치게 되는데, 상기 압연공정은 연속주조공정에서 제작된 슬라브, 블룸, 빌렛 등의 반제품을 2개의 회전하는 롤(Roll) 사이에 끼워 가늘고 길게 성형하는 것이다.

압연기는 상온 또는 고온에서 회전하는 롤 사이에 재료를 통과시키면서 재료의 소성변형을 통해 판재, 봉재 등을 성형하는 장치이다. 상기 압연기와 압연기의 사이에 이송 가이드가 설치되어 압연재를 다음 공정의 압연롤 측으로 연장 이송시키면서, 상기 압연기에서 연속적으로 철근을 생산하게 된다. 생산된 철근은 일정한 길이로 절단되어 적재 및 보관된다.

워크롤은 압연 공정에서 소재와 직접 접촉하여 소재의 폭 및 두께를 원하는 크기로 감소시키는 소모성 자재로 최종 압연재의 품질을 향상시키고 생산성을 확보하기 위하여 성능의 개선이 필요하다.

특히 봉강 및 형강의 조압연에 적용되는 워크롤은 특수 열처리를 실시한 구상흑연주철 재질이 사용되고 있는데, 이러한 워크롤은 물성을 확보하기 위하여 급냉 및 템퍼링 등의 열처리 공정을 실시하고 있다.

관련 선행기술로는 한국등록특허 제972190호(등록일: 2010.7.19.) '압연롤 및 그 제조방법'이 있다.

본 발명은 워크롤 열처리 중 급냉 시 워크롤 내외부의 온도 편차에 따른 크랙 발생을 방지하기 위한 압연용 워크롤의 열처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 압연용 워크롤의 열처리 방법은, 주조에 의해 제조된 워크롤 내 조직이 오스테나이트를 형성하도록 1차 설정온도까지 가열하는 단계와, 상기에서 형성된 오스테나이트 상이 조직 내에서 안정화되도록 설정된 시간동안 상기 1차 설정 온도를 유지하는 단계와, 상기에서 설정된 시간 동안 1차 설정 온도를 유지한 후, 상기 1차 설정 온도보다 낮은 2차 설정 온도까지 냉각하는 단계와, 상기에서 2차 설정 온도까지 냉각이 완료된 후, 설정된 시간 동안 2차 설정 온도를 유지하는 단계와, 상기에서 2차 설정 온도를 유지한 후, 급냉하여 상기 워크롤 내 조직이 펄라이트를 형성하는 온도 이하로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 2차 설정 온도까지 냉각하는 단계는, 가열로 내에서 온도를 제어할 수 있다.

상기 2차 설정 온도는 800~900℃일 수 있다.

상기 1차 설정 온도는 1000℃일 수 있다.

상기 2차 설정 온도를 유지하는 시간은 5~10시간일 수 있다.

상기 워크롤은 구상흑연주철 재질일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 워크롤 열처리 중 급냉 시 워크롤 내외부의 온도 편차에 따른 크랙 발생을 방지하여 품질이 향상된 워크롤을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압연용 워크롤의 열처리 방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명과 관련하여 워크롤 내 조직의 변화를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명과 관련된 워크롤 냉각속도에 따른 조직의 변화를 나타낸 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압연용 워크롤의 열처리 방법을 순서에 따라 도시한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 본 발명은 주조에 의해 제조된 압연용 워크롤을 가열로 내에서 가열하는데, 이때 워크롤을 구성하는 금속 조직이 오스테나이트를 형성하는 1차 설정 온도까지 가열하는 것이 바람직하다(S10). 구체적으로, 본 발명의 열처리 대상이되는 압연용 워크롤은 구상흑연주철 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 구상흑연주철은 봉강 및 형강의 조압연에 사용되는 것으로 열처리를 실시하여 기계적인 강도 등 물성치를 적당하게 확보하여 사용하게 된다.

본 발명에서 오스테나이트를 형성하는 1차 설정 온도는 1000℃인 것이 바람직하다. 이는 구상흑연주철이 오스테나이트 상을 형성하는 온도이면서 이 온도까지 올린 후 냉각하여 열처리하였을 때 워크롤의 물성이 우수하게 형성되는 온도이기 때문이다. 만일 워크롤의 재질이 달라질 경우 1차 설정온도 즉, 오스테나이트 형성 온도는 달라질 수 있다.

워크롤을 1차 설정온도까지 가열한 이후, 일정 시간 동안 1차 설정 온도를 유지하도록 한다(S20). 이때 1차 설정온도를 유지하는 시간은 8~10시간인 것이 바람직하다. 1차 설정 온도에서 8시간 미만 유지하는 경우에는 워크롤 전체에 걸쳐 오스테나이트 상이 안정화되지 못할 수 있으며, 10시간을 초과하는 경우에는 도 2에 도시한 바와 같이 상술한 워크롤의 가열에 의해 형성된 오스테나이트 조직의 결정이 조대화되면서 물성치가 떨어지기 때문에 바람직하지 않다. 이 시간은 1차 설정온도가 1000℃인 구상흑연주철 워크롤에 적용 바람직한 온도이며 재질이 변화되는 경우 유지시간 역시 달라질 수 있다.

도 2와 같이, 주조된 워크롤을 가열하기 시작하면 페라이트에서 초석 시멘타이트(Fe₃C)가 본래 오스테나이트 결정립 경계를 따라 석출된다. 온도가 오스테나이트 형성온도가 되면 결정립계에 존재하던 초석 시멘타이트가 오스테나이트로 변태하고 본 발명의 1차 설정 온도, 즉 1000℃에서는 모든 워크롤에 걸쳐 오스테나이트 상이 형성된다. 상술한 바와 같이 형성된 오스테나이트 조직은 8~10시간 동안 1차 설정온도에서 유지되어야 워크롤 전반에 걸쳐 적당한 크기의 결정립 크기를 가지는 안정화된 오스테나이트 조직이 분포할 수 있다.

워크롤 가열 후 1차 설정 온도에서 유지한 후, 1차 설정온도 미만인 2차 설정 온도까지 냉각한다(S30). 본 발명에서 2차 설정 온도는 800~900℃인 것이 바람직하다. 이와 같이 2차 설정온도까지 냉각할 때는 워크롤을 가열하였던 가열로 내에서 온도를 제어하는 방식으로 서서히 냉각하는 것이 중요하다. 즉 워크롤을 가열하여 유지하던 가열로에 열원을 공급하던 버너 중 일부 가동을 중지하는 등의 방식으로 가열로 내의 온도를 서서히 낮추어 워크롤을 냉각한다. 이때 1차 설정 온도에서 2차 설정 온도까지 로냉하는 데 소요되는 시간은 3~5시간일 수 있으며, 이는 냉각을 실시하는 워크롤의 사이즈에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에서 2차 설정 온도가 800℃ 미만이 되면 1차 설정 온도에서 2차 설정 온도로 냉각되는 냉각속도가 느려 향후 급냉을 실시하였을 때 최종적으로 생성되는 조직의 펄라이트와 시멘타이트 사이의 간극이 좁아지고, 펄라이트 상 자체의 조직 간극은 넓어져 워크롤의 경도와 인장강도가 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.

하기 표 1은 이를 뒷받침하기 위하여 구상흑연주철의 샘플을 각 온도 구간에서 로냉하면서 평균 냉각속도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

구 분		평균냉각속도(℃/min)
온도 영역	900→800(℃)	6.7
	800→700(℃)	2.5
	700→600(℃)	1.3
	600→500(℃)	0.9
	500→450(℃)	0.8

표 1과 같이 실험 결과를 통해 800℃까지 냉각되는 속도가 800℃ 미만으로 냉각되는 속도에 비해 월등히 빠른 것을 알 수 있다. 즉, 동일 온도에서 시작하여 800℃ 까지 냉각할 때는 그 냉각속도가 빠르지만, 동일 온도에서 시작하여 800℃ 미만으로 냉각하는 경우에는 냉각속도가 전자와 비교하여 현저히 떨어질 수 있음을 의미한다. 이처럼 냉각속도가 느려지는 경우에는 도 3의 우측 사진과 같이 후술할 급냉을 통해 최종적으로 생성되는 조직 내 펄라이트와 시멘타이트 사이의 간극이 냉각속도가 빠른 경우 나타나는 좌측 사진에 비해 현저히 좁아지고 펄라이트를 상 자체의 간극이 넓기 때문에 워크롤의 경도 및 인장강도가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.

그러므로 도 3의 좌측 사진과 같이 펄라이트와 시멘타이트 사이의 간극이 넓고 펄라이트가 촘촘하게 형성되어 경도가 높고 인장강도가 높아 기계적 성질이 우수한 최종 제품 내 조직을 얻기 위해서는 2차 설정 온도의 하한점을 800℃로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 2차 설정온도까지 가열로 내에서 서서히 냉각한 후, 2차 설정온도에서 일정 시간 동안 워크롤을 유지한다(S40). 이때 2차 설정 온도는 가열로 내에서 가열로 내 온도제어를 통해 이루어질 수 있다. 또한, 2차 설정온도를 유지하는 시간은 5~10시간인 것이 바람직하다.

일반적으로 압연용 워크롤을 열처리할 때 소정의 온도 즉 오스테나이트 형성 온도 이상으로 가열한 후, 이를 한번에 급냉(Quenching)하고 템퍼링하는 방식으로 열처리를 수행한다. 그러나 이와 같이 한번에 펄라이트 변태점 이하로 급냉하게 되면 워크롤의 형상때문에 내외부의 온도 편차가 발생하게 된다. 이러한 내외부 온도편차는 내외부 열응력의 차이를 발생시키게 되고 이로 인하여 열처리 중 워크롤의 파단 즉 크랙이 발생하게 되는 문제점이 발생하였다.

이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 1차 설정 온도까지 가열하여 오스테나이트 상을 형성시키고 이를 일정 시간 유지하여 안정화시킨 후, 2차 설정온도까지 순차 냉각을 실시하여 5~10시간 유지함으로써 후속 공정인 급냉에 의해 발생되는 워크롤 내외부의 온도 편차를 최소화하여 급냉 이후 내외부 열응력 차이에 의해 발생될 수 있는 크랙을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명에서 2차 설정 온도는 800~900℃가 바람직하며, 이때 5~10시간 가열로 내에서 이 온도를 유지하도록 한다. 만약 5시간 미만 유지시에는 후속 공정인 급냉 이후 내외부 온도편차가 크게 발생하여 크랙 발생이 일어날 위험성이 크다. 10시간을 초과하여 유지하는 경우에는 결정이 조대화되어 기계적인 물성치가 떨어질 수 있으며 불필요한 에너지를 사용하게 되는 문제점이 있다.

이처럼 2차 설정온도에서 5~10시간 워크롤을 유지한 이후에 급냉을 실시하여 워크롤 내 조직이 펄라이트를 형성하는 펄라이트 변태점 이하로 온도를 급격히 내리는 냉각을 실시한다(S50). 2차 설정 온도에서 펄라이트 변태점 이하 상세하게는 구상흑연주철에서 600℃ 이하로 단시간에 냉각을 실시하면 워크롤이 급격히 경화되어 강도가 증가하고 기계적 물성이 향상되어 조압연용 워크롤로서 적당한 물성치를 확보하게 된다.

급냉 실시 이후에도 급냉 종료 온도에서 일정 시간 워크롤을 유지하여 5~10시간 동안 조직을 워크롤 전반에 안정화시킨 후, 급냉 종료 온도에서 100~150℃정도 온도를 올려 템퍼링을 더 실시할 수 있다. 이때 템퍼링 온도는 A1 변태점 이하의 온도에서 일반적인 방법에 의하여 실시하는 것일 수 있다.

<실시예 1>

구상흑연주철 소재로 주조된 워크롤을 먼저 1000℃로 가열한 후 10시간 유지하고, 800℃까지 가열로 내에서 서서히 냉각하여 800℃에서 10시간 유지한 후, 450℃로 급냉(Quenching)하였다. 급냉 이후 10시간 유지하여 안정화하고 550℃에서 템퍼링을 실시하여 워크롤 열처리를 마무리하였다.

<실시예 2>

구상흑연주철 소재로 주조된 워크롤을 먼저 1000℃로 가열한 후 10시간 유지하고, 900℃까지 가열로 내에서 서서히 냉각하여 900℃에서 10시간 유지한 후, 450℃로 급냉(Quenching)하였다. 급냉 이후 10시간 유지하여 안정화하고 550℃에서 템퍼링을 실시하여 워크롤 열처리를 마무리하였다.

<실시예 3>

구상흑연주철 소재로 주조된 워크롤을 먼저 1000℃로 가열한 후 10시간 유지하고, 900℃까지 가열로 내에서 서서히 냉각하여 900℃에서 5시간 유지한 후, 450℃로 급냉(Quenching)하였다. 급냉 이후 10시간 유지하여 안정화하고 550℃에서 템퍼링을 실시하여 워크롤 열처리를 마무리하였다.

<비교예>

구상흑연주철 소재로 주조된 워크롤을 먼저 1000℃로 가열한 후 10시간 유지하고, 바로 450℃로 급냉(Quenching)하였다. 급냉 이후 10시간 유지하여 안정화하고 550℃에서 템퍼링을 실시하여 워크롤 열처리를 마무리하였다.

상기의 방법으로 제조된 실시예 1 내지 실시예 3의 급냉 후 내외부 온도편차와 최대 열응력을 비교예와 동일한 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.

구 분	급냉 공정 중 최대 내외부 온도편차(℃)	최대 열응력 (MPa)	표면경도 (Mpa)
비교예	429	325	48~52
실시예1	211	33	45~48
실시예2	221	48	47~51
실시예3	222	49	48~52

표 2의 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예들에 의한 방법으로 제조되는 워크롤의 급냉 공정 중 워크롤 내외부의 최대 온도편차는 비교예, 즉 한번에 급냉하는 공정에서 발생하는 워크롤 내외부 온도편차의 절반 정도 수준인 것으로 나타났다. 또한, 워크롤에 발생하는 최대 열응력 역시 비교예와 대비하여 실시예들에서 최대 1/10 정도로 현저히 낮게 나타난 것으로 보아 급냉 이후 워크롤에 발생하는 내외부 온도편차에 의한 열응력이 적어 워크롤의 파단이나 크랙 발생이 방지될 수 있음을 확인하였다.

또한, 표 2와 같이, 본 발명의 실시예들과 비교예의 표면 경도는 비슷한 수준을 보임으로써, 본 발명에 의해 제조된 워크롤이 열응력이 상당히 줄어 크랙 발생이 방지됨과 아울러 표면 경도는 비교예와 같이 확보되었음을 알 수 있다.

따라서, 이와 같이 본 발명에 의하여 압연용 워크롤을 열처리하면, 워크롤의 경도를 향상시키기 위하여 반드시 필요한 급냉 시 워크롤 내외부의 온도 편차에 따른 크랙 및 파단의 발생을 미연에 방지하여 고품질의 워크롤을 제조할 수 있으며, 워크롤 제조 시 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 압연용 워크롤의 열처리 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims (6)

1. 주조에 의해 제조된 워크롤 내 조직이 오스테나이트를 형성하도록 1차 설정온도까지 가열하는 단계;
   상기에서 형성된 오스테나이트 상이 조직 내에서 안정화되도록 설정된 시간동안 상기 1차 설정 온도를 유지하는 단계;
   상기에서 설정된 시간 동안 1차 설정 온도를 유지한 후, 상기 1차 설정 온도보다 낮은 2차 설정 온도까지 냉각하는 단계;
   상기에서 2차 설정 온도까지 냉각이 완료된 후, 설정된 시간 동안 2차 설정 온도를 유지하는 단계; 및
   상기에서 2차 설정 온도를 유지한 후, 급냉하여 상기 워크롤 내 조직이 펄라이트를 형성하는 온도 이하로 냉각하는 단계;를 포함하는 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 설정 온도까지 냉각하는 단계는,
   가열로 내에서 온도를 제어하는 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 설정 온도는 800~900℃인 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 설정 온도는 1000℃인 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 설정 온도를 유지하는 시간은 5~10시간인 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 워크롤은 구상흑연주철 재질인 압연용 워크롤의 열처리 방법.
   
   
   
   
   

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