KR101451814B1 - 강판 열처리용 급냉 장치 - Google Patents

강판 열처리용 급냉 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강판 열처리용 급냉 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강판을 열처리 하는 과정에서 소재의 변형을 최소화시켜 냉각할 수 있는 강판 열처리용 급냉 장치에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강판의 수직 이송 경로를 관통하여 배치되며, 내부 수용공간으로 냉각수를 보관하는 냉각처리부와, 냉각처리부를 관통하여 강판이 이송되는 위치에 구비되며, 강판의 이송을 간섭하지 않으면서 수용공간에 보관된 냉각수의 유출을 막아주는 수밀 부재 및, 수용공간에 보관된 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동 수단을 포함하는 강판 열처리용 급냉 장치를 제공한다.

Description

강판 열처리용 급냉 장치{RAPID COOLING APPARATUS FOR HEAT TREATMENT OF STEEL STRIP}
본 발명은 강판 열처리용 급냉 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강판을 열처리 하는 과정에서 소재의 변형을 최소화시켜 냉각할 수 있는 강판 열처리용 급냉 장치에 관한 기술이다.
열처리 공정은 철강 소재의 강도를 바꾸기 위한 공정이다.
특히, 급속냉각 열처리 공정(즉, 담금질, Quenching)은 빠른 냉각속도를 이용하여 저온 변태조직인 베이나이트(bainite), 마르텐사이트(matrensite) 조직으로 변태하여 소재의 강도를 높이는 공정이다. 이러한 공정을 거치는 제품으로는 높은 강도를 요구하는 자동차 구조용 강을 대표적인 예로 들 수 있다.
최근 들어, 이산화탄소 배출량과 에너지 소비를 줄이기 위한 방안으로서, 자동차의 경량화를 달성할 수 있는 고강도 강에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이러한 추세에 따라 급속냉각 열처리 기술 개발에 대한 관심이 고조되고 있다.
도 1은 본 발명의 배경기술로서의 강판 연속 소둔 열처리용 냉각장치를 도시한 개념도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 강판 연속 소둔 열처리용 냉각장치(1)는 서냉장치(10)와 급냉장치(30)를 포함한다.
서냉장치(10)는 강판(S)을 초당 10~100도의 속도로 냉각시킨다. 서냉장치(10)의 대표적인 예로는 도시된 가스 젯 냉각 수단(12)이 이용된다.
또한, 급냉장치(30)는 강판(S)을 초당 1000도의 속도로 급속 냉각시킨다. 도시된 급냉장치(30)는, 담금질 냉각조로서, 냉각수(C)를 내부에 수용하는 냉각조(31)와, 냉각조 내에서 강판(S)의 이송방향을 전환하는 롤(33)과, 냉각효과를 증대시키기 위해 마련된 제트유닛(35)이 포함되며, 미 도시된 교반장치와 냉각수의 온도를 일정하게 유지시켜 주는 냉각기를 더 포함한다.
그런데 상기와 같은 방식을 통해 고온 소재를 담금질 냉각하면 강판의 형상이 나빠지는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하고자 다양한 해결방안들이 소개되어 왔다. 담금질 공정에서 강판의 형상 품질을 개선하기 위해 최근까지 소개된 해결 방안은 다음과 같다.
첫째, 일본 공개특허 제1999-193418호 등에 따르면 담금질 공정에서 평탄한 강판을 확보하기 위해 강판의 장력을 증가시키는 방안이 제시되었다.
둘째, 일본 공개특허 제2005-240077호 등에 따르면 냉각수의 수온을 조절하는 방안이 제시되었다.
셋째, 일본 공개특허 제1982-085923호 등에 따르면 유기산 또는 계면활성제를 첨가하는 방안이 제시되었다.
넷째, 일본 공개특허 제1985-009834호 등에 따르면 냉각수 제트 노즐의 구조를 변경 또는 개선한 방안이 제시되었다.
끝으로, 일본 공개특허 제1994-271942호 등에 따르면 담금질 시작 지점에서 소재의 온도를 낮추고 페라이트 변태를 방지하기 위해 합금을 추가하는 방안이 제시되었다.
이와 같이, 고온의 강판 소재를 담금질 방식으로 급속 냉각함에 있어 강판의 평탄한 형상 품질을 확보하기 위한 기술 개발은 현재까지 중요한 해결 과제로 남아 있다.
일본 공개특허 제1999-193418호 일본 공개특허 제2005-240077호 일본 공개특허 제1982-085923호 일본 공개특허 제1985-009834호 일본 공개특허 제1994-271942호
본 발명은 강판을 열처리 하는 과정에서 소재의 변형을 최소화시켜 냉각할 수 있는 강판 열처리용 급냉 장치를 제공함을 해결하고자 하는 과제로 삼는다.
특히, 고온 소재인 강판을 급속 냉각하는 과정에서 강판의 평탄한 형상 품질이 나빠지는 현상을 방지하는 것을 해결하고자 하는 과제로 삼는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강판의 수직 이송 경로를 관통하여 배치되며, 내부 수용공간으로 냉각수를 보관하는 냉각처리부; 상기 냉각처리부를 관통하여 강판이 이송되는 위치에 구비되며, 강판의 이송을 간섭하지 않으면서 상기 수용공간에 보관된 냉각수의 유출을 막아주는 수밀 부재; 상기 수용공간에 보관된 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동 수단; 을 포함하는 강판 열처리용 급냉 장치를 제공한다.
또한, 상기 냉각처리부, 상기 수밀 부재 및 상기 냉각수 유동 수단은, 강판의 수직 이송 경로를 따라 복수 개가 설정된 간격으로 이격 배치되어, 수직 이송 경로를 따라 유동하는 강판을 단계별로 순차 냉각시키는 강판 열처리용 급냉 장치를 제공한다.
이때, 상기 냉각처리부는, 외기에 노출되는 상단 개방부의 직경이 하단에 비해 확대 형성된 깔때기 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 수밀 부재는, 상기 냉각처리부의 하단 중앙을 관통하여 수직 이송 중인 강판의 양측에 서로 마주하여 접촉 회동하는 한 쌍의 롤 부재로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각수 유동 수단은, 상기 수용공간에 보관된 냉각수에 부분 침지되어 냉각수를 강제로 유동시키는 제트 노즐 또는 흡입 노즐을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 강판을 열처리 하는 과정에서 소재의 변형을 최소화시켜 냉각할 수 있다. 특히, 고온 소재인 강판을 담금질 방식으로 급속 냉각시키는 과정에서 강판의 양호한 평탄도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 배경기술로서 종래의 강판 연속 소둔 열처리용 냉각장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치를 다단 구성하여 반복적인 냉각 단계를 거치도록 해주는 장치 구성도.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 강판 열처리용 급냉 장치(100)는, 냉각처리부(110), 수밀 부재(120) 및 냉각수 유동 수단(130)을 포함한다.
냉각처리부(110)는 강판(S)의 수직 이송 경로를 관통하여 배치되며, 내부 수용공간으로 냉각수(C)를 보관한다.
특히, 냉각처리부(110)는 도시된 형상과 같이 냉각수(C)가 수용되는 높이에 비해 외기에 노출되는 상단 개방부의 직경을 크게 하는 것이 바람직한데, 이러한 상단 개방부의 직경은 하단에 비해 더욱 확대 형성된 깔때기 형상으로 이루어질 수 있다.
수밀 부재(120)는 냉각처리부(110)를 관통하여 강판(S)이송되는 위치에 구비된다. 특히, 수직 방향으로 이송되는 강판(S)의 움직임에 간섭되지 않으면서, 아울러 수용공간에 보관된 냉각수의 외부 유출을 막아준다.
이를 위해, 수밀 부재(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 냉각처리부(110)의 하단 중앙을 관통하여 수직 이송 중인 강판(S)의 양측으로 서로 마주하여 강판에 접촉하여 회동하는 한 쌍의 롤 부재로 이루어질 수 있다. 다만, 반드시 이러한 형태로 이용되어야 하는 것은 아니며, 실시예에 따라 그 형상이 조금씩 달라져도 무방하다.
그리고 냉각수 유동 수단(130)은 냉각처리부(110) 내부 수용공간을 통해 보관된 냉각수를 원활하게 유동시킨다. 이를 위해, 냉각수 수면 아래로 부분 침지되어 냉각수를 분출하는 제트 노즐 또는 흡입 노즐을 더 포함할 수 있다.
이어서, 도 2를 계속 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치의 작용 효과에 관하여 살펴보기로 한다.
열처리를 통해 강판(S)은 냉각수(C)의 끓는 점의 몇 배에 달하는 고온 상태가 되며, 이를 담금질하여 급냉 시키면 강판의 표면에서 비등현상이 발생한다.
비등현상은 주지된 바와 같이, 핵비등(Nucleate Boiling), 천이비등(Transition Boiling), 막비등(Film Boiling)으로 구분된다.
핵비등은 소재 표면에 기체방울이 만들어지는 현상으로 냉각 속도가 빠르다. 그리고 막비등은 소재표면에 기체 막이 만들어지는 현상으로 기체 막이 소재와 냉매의 열 전달을 방해하여 냉각 속도가 느리다. 그리고 천이비등은 핵비등과 막비등의 중간으로 소재온도와 냉각 속도가 반비례하는 특성을 가진다.
그리고 담금질 냉각 방식에서, 강판 표면의 비등현상은 수온, 강판 속도, 교반 정도, 냉각 제트 등 여러 가지에 영향을 받는다.
연구를 통해 800도 고온 강판을 담금질 할 경우, 냉각 초기 막비등 유지시간이 위치별로 다름을 확인하였다. 이때 온도 편차는 300도 이상 발생하였다. 따라서 강판의 각 부위별 냉각 수축률 및 변태 팽창률이 달라지고 소성 변형이 일어나 형상이 나빠지게 된다. 이는 종래의 담금질 방식 냉각 시, 강판의 표면 형상 결함을 초래하는 원인이 되었다.
도 2에 도시된 본 발명의 강판 열처리용 급냉 장치(100)는 강판(S)에 막비등유지시간을 제한하여 냉각 편차를 줄이고 강판의 형상 변형을 최소화 하기 위한 목적으로 안출된 장치이다.
즉, 냉각수(C)가 수용되는 냉각처리부(110)의 내부 수용공간이 깊이가 도시된 바와 같이 낮게 형성되어 있다. 이로써, 강판(S)의 표면에서 막비등의 유지시간이 위치별로 다르더라도 강판(S)가 냉각처리부(110)와 접촉하는 길이가 제한되므로 막비등 유지시간이 위치별로 다르더라도 강판(S)가 외기로 노출되면서 비등현상이 사라져 막비등 유지시간을 제한하고 균일하게 해줄 수 있다. 이에 더하여, 냉각수(C)의 유동을 더욱 원활하게 해주기 위하여, 냉각수 유동 수단(130)이 더 구비되는데, 제트 노즐 또는 흡입 노즐을 포함하는 구성을 통해, 강판(S) 표면에 형성된 기포를 더욱 효과적으로 제거해줄 수 있다.
그 결과, 종래와 같이 강판 표면에서 생성된 기포막이 제거되지 못하고 냉각 속도 편차를 유발하는 문제를 미연에 방지할 수 있다.
따라서, 열처리 과정에서 강판(S)에 대한 균일한 냉각이 가능해 질 수 있으며, AC1 이상의 고온 소재라도 급속냉각이 가능하며 동시에 형상 품질을 양호하게 개선할 수 있으며, 합금 량을 줄일 수 있는 효과를 가져온다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치를 다단 구성하여 반복적인 냉각 단계를 거치도록 해주는 장치 구성도이다.
앞서, 도 2를 통해 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치는 냉각처리부, 수밀 부재, 냉각수 유동 수단의 세부 구성을 포함한다. 다만, 이러한 세부 구성은 강판의 수직 이송 경로를 따라 복수 개가 구비되어 단계별로 반복 냉각 처리가 가능한 강판 열처리용 급냉 장치로 구성될 수 있다. 도 3을 참조하여 이러한 반복 냉각 처리가 가능한 강판 열처리용 급냉 장치(100)에 관하여 살펴보기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전체 구성으로서의 강판 열처리용 급냉 장치(100)는, 1단계 냉각(C-Ⅰ)를 수행하는 1단계 급냉 장치(100-A)와, 2단계 냉각(C-Ⅱ)를 수행하는 2단계 급냉 장치(100-B)와, 3단계 냉각(C-Ⅲ)을 수행하는 3단계 급냉 장치(100-C)를 포함한다. 도시된 실시예의 경우, 3단계의 반복 냉각에 관하여 개시되어 있으나, 냉각 설비 및 조건 등을 고려하여 상기 단계는 더 많은 회수로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 각각의 급냉 장치(즉, 100-A, 100-B, 100-C)의 세부 구성에 관하여는 앞서 도 2를 통해 살펴보았으므로, 불필요한 중복된 설명은 생략한다.
이러한 반복 냉각 처리가 가능한 강판 열처리용 급냉 장치의 작용 효과에 관하여 살펴보기로 한다.
만일, 도 3에 도시된 바와 같이 복수 개로 이루어진 급냉 장치(즉, 100-A, 100-B, 100-C)를 이용할 경우, 냉각 정지 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어 800도 소재의 강판이 상기 급냉 장치를 통해 100도씩 냉각된다고 하면, 6개의 급냉 장치를 차례대로 거치면서 강판(S)의 온도는 800도의 초기 온도로부터 200도까지 급속 냉각된다. 즉, 냉각 정지 온도 제어에 효과적인 측면이 있다.
또한, 일 예로 마르텐사이트 조직은 150~250도의 온도로 가열하는 템퍼링 공정을 거쳐 소재의 물성이 개선된다. 그런데 종래의 방식을 따를 경우, 급냉 공정을 거친 소재를 재가열 하여야 한다. 이와 달리, 상기와 같은 방식으로 냉각 정지 온도를 제어할 수 있다면, 별도의 재가열 공정을 거치지 않고서도 소재 자체의 템퍼링이 가능해 질 수 있다.
더 나아가, 냉각 정지 온도를 제어하여 강판 변태 조직 및 그 분율을 제어할 수 있다. 다시 말해서, 상기와 같이 냉각 정지 온도를 제어할 수 있다면, 베이나이트 조직 변태 온도와 마르텐사이트 조직 변태 온도 사이까지 소재를 냉각할 경우, 베이나이트 조직 소재 또는 상온에서 안정한 오스테나이트 조직 소재를 만들 수 있다. 그 결과 강도와 인장률을 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 냉각 정지 온도 제어에서 한발 더 나아가 변태 조직 제어까지 가능해 질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 강판을 열처리 하는 과정에서 소재의 변형을 최소화시켜 냉각할 수 있다. 특히, 고온 소재인 강판을 담금질 방식으로 급속 냉각시키는 과정에서 강판의 양호한 평탄도를 확보할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 강판 열처리용 급냉 장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
전술된 본 발명의 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
A: 기포
C: 냉각수
S: 강판(또는 강 스트립)
100(100-A, 100-B, 100-C): 강판 열처리용 급냉 장치
110(110-A, 110-B, 110-C): 냉각처리부
120(120-A, 120-B, 120-C): 수밀 부재
130(130-A, 130-B, 130-C): 냉각수 유동 수단

Claims (5)

  1. 강판의 수직 이송 경로를 관통하여 배치되며, 내부 수용공간으로 냉각수를 보관하는 냉각처리부;
    상기 냉각처리부를 관통하여 강판이 이송되는 위치에 구비되며, 강판의 이송을 간섭하지 않으면서 상기 수용공간에 보관된 냉각수의 유출을 막아주는 수밀 부재;
    상기 수용공간에 보관된 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동 수단; 을 포함하고,
    상기 냉각처리부, 상기 수밀 부재 및 상기 냉각수 유동 수단은, 강판의 수직 이송 경로를 따라 복수 개가 설정된 간격으로 이격 배치되어, 수직 이송 경로를 따라 유동하는 강판을 단계별로 순차 냉각시키는 것을 특징으로 하는 강판 열처리용 급냉 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각처리부는,
    외기에 노출되는 상단 개방부의 직경이 하단에 비해 확대 형성된 깔때기 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 강판 열처리용 급냉 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수밀 부재는,
    상기 냉각처리부의 하단 중앙을 관통하여 수직 이송 중인 강판의 양측에 서로 마주하여 접촉 회동하는 한 쌍의 롤 부재인 것을 특징으로 하는 강판 열처리용 급냉 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 유동 수단은,
    상기 수용공간에 보관된 냉각수에 부분 침지되어 냉각수를 강제로 유동시키는 제트 노즐 또는 흡입 노즐을 포함하는 강판 열처리용 급냉 장치.
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