KR101510535B1 - 좌굴 응력 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 코일에서 좌굴발생시 그 발생응력을 정확하게 측정할 수 있도록 제안된 좌굴 응력 측정 장치를 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 좌굴 응력 측정 장치는 코일의 내경부에 삽입되며 대향 방향으로 제공되어 코일의 좌굴에 의해 상기 내경부에 접촉되는 한 쌍의 접촉부; 상기 접촉부 사이에 길이 조절 가능토록 설치되는 지지부; 및 상기 지지부의 일측에 제공되어 상기 접촉부에 전달되는 응력을 측정하는 측정부;를 포함한다.

Description

좌굴 응력 측정 장치 {BUCKING STRESS MEASURING APPARATUS}

본 발명은 좌굴 응력 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간압연의 권취공정에서 생산된 코일을 인출 및 냉각 야드로 이송하는 컨베이어 상에서 반경방향으로 발생하는 좌굴 응력을 정확하게 측정할 수 있도록 한 좌굴 응력 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업의 발달에 따라 사용되는 강판의 강도 등의 향상이 요구되고 있으며, 이에 따라 강판의 강도를 향상시키기 위해 석출경화 또는 고용강화방법 등이 활용되고 있다.

이와 같이, 강판을 사용하는 대표적인 산업으로 자동차 산업이 있으며, 이러한 자동차 산업에서는 안전 및 연비절감이나, 환경규제 등에 대응하기 위해 강도가 더 높으면서 두께가 얇은 고강도강이 요구되고 있다.

이에 따라 최근에는 강의 변태조직을 이용하여 강도를 향상시킨 열연 고강도강(AHSS;Advanced High Strength Steel)과 같은 고강도강이 개발되었으며, 생산량이 지속적으로 증가되고 있다.

열연 고강도강은 열간압연후, 고속 냉각구간인 런 아웃 테이블(Run Out Table)상을 주행하며 목표 권취온도(Coiling Temperature)에 맞게 설정된 물의 양에 의해 냉각되는 과정을 거치면서 변태가 일어난다.

그런데, 대부분의 열연 고강도강은 런 아웃 테이블(run out table)상에서 변태과정이 완료되지 못하고 있으며, 권취기에 코일 스트립으로 권취된 후 냉각야드에 적재된 상태에서 변태과정이 완료된다.

또한, 코일 스트립은 온도에 민감하게 반응하며, 권취도중 또는 냉각야드에서 냉각되며 변태가 완료되는 과정에서 부피팽창이 수반되고 있다. 이에 따라 코일 스트립은 부피팽창과정에서 스트립이 감겨있는 각 층(layer)간에 틈이 발생하며, 이로 인해 코일 스트립이 권취된 코일(10)이 자중을 견디지 못하고 반경방향으로 변형(좌굴: bucking)(B)이 발생되는 문제가 있다.

즉, 좌굴(B)은 강의 변태력에 의해 코일(10)이 찌그러지는 현상으로, 후공정, 예컨대 열간압연 및 냉간압연공정에서의 정상적인 작업을 불가능하게 하는 요인이 되고 있으며, 이에 따라 생산성 및 실수율 측면에서 많은 손실을 초래하게 된다.

이에 따라 종래에는 열간압연공정에서 좌굴(B)을 발생시키지 않기 위해 좌굴 발생 메커니즘에 대한 많은 연구가 수행되고 있으며, 실제 현장에서는 권취중 또는 권취후 냉각수로 추가로 냉각을 진행하고 있다.

특히, 권취후 바로 코일(10)을 인출하지 않고 아이들링(idling) 회전하면서 추가적으로 냉각하는 방법은 코일 길이방향으로의 재질편차 발생은 물론 열연 생산성을 떨어뜨리는 원인으로 작용하고 있다.

이외의 종래 기술로는 권취온도 범위에 따라 고온권취, 저온권취를 함으로서 좌굴(B)을 방지하기 위한 노력이 지속되고 있다. 즉, 권취온도가 높은 강은 권취온도를 설계값보다 더 증가시켜 변태시점을 더 뒤로 늦추고, 권취온도가 낮은 강종에 대해서는 설계값보다 권취온도를 더 낮추어 런아웃 테이블상에서 변태를 완료하도록 하는 방법이 사용되고 있다.

하지만 이와 같이 강종별로 냉각 온도나 성분조절 등의 조업조건 설정을 통해 해결하는 방법은 강종별 특성에 따라 다른 조업 조건을 설정해야 하므로 정확한 메커니즘을 도출하여야 하고 권취온도에 제한을 받아야 하는 단점이 있다.

따라서 모든 강종에 대해 동일하게 한 가지 방법으로 적용할 수 있는 기계적인 장치에 의한 좌굴 방지 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.

그런데, 이러한 장치를 최적 설계하기 위해서는 가장 기본적으로 좌굴(B) 발생시 그 응력을 정확하게 알아야 할 필요가 있다. 즉, 종래에는 좌굴(B) 발생시 작용하는 응력에 대해서는 변태를 정확하게 고려할 수 없으므로 시뮬레이션만으로는 정확한 응력을 계산할 수 없는 한계가 있으며, 이에 따라 실제 좌굴(B) 발생시 발생하는 좌굴 응력을 직접 측정하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 일 실시예는 코일에서 좌굴발생시 그 발생응력을 정확하게 측정할 수 있도록 제안된 좌굴 응력 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 좌굴 응력 측정 장치는 코일의 내경부에 삽입되며 대향 방향으로 제공되어 코일의 좌굴에 의해 상기 내경부에 접촉되는 한 쌍의 접촉부; 상기 접촉부 사이에 길이 조절 가능토록 설치되는 지지부; 및 상기 지지부의 일측에 제공되어 상기 접촉부에 전달되는 응력을 측정하는 측정부;를 포함한다.

또한, 상기 측정부는 상기 지지부의 일측에 매개되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 제공되어 상기 하우징을 매개로 전달되는 응력을 측정하는 압력센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 측정부는 상기 압력센서의 냉각을 위해 상기 하우징 내부를 순환하도록 연계되는 냉각부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 압력센서는 로드셀(load cell)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 지지부는 길이 방향으로 이동 가능하게 연계되는 제1지지부 및 제2지지부와, 상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이에 연계되어 상기 제1지지부 및 상기 제2지지부를 신축이동시키는 동력전달부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 좌굴 응력 측정 장치는 상기 코일의 내경부에 한 쌍의 접촉부가 복수열로 제공되고, 각각의 접촉부를 지지하는 지지부가 연결부재에 의해 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 코일의 좌굴 발생시 발생하는 응력을 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 코일의 발생하는 좌굴을 기계적으로 방지할 수 있는 좌굴 방지 장치를 최적 설계할 수 있는 데이터를 확보할 수 있다.

더불어, 최적의 조건으로 설계된 좌굴 방지 장치를 제작함에 따라 열연공정에서 코일의 좌굴을 방지하기 위해 설정된 단중을 해제함으로써 열연 생산성을 대폭 증가시킬 수 있고, 유연한 열연 조업조건 설정이 가능하여 열연코일의 재질 편차를 대폭 줄일 수 있다.

또한, 냉간압연시는 열연 권취후 아이들링 회전 상태에서 20~80초 동안의 냉각 수를 이용한 냉각을 하지 않음으로서 코일 길이방향 및 폭 방향 재질편차가 현저희 줄어들어 냉간압연 속도 향상에 의한 냉연 생산성은 물론 형상품질을 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 열연코일의 좌굴 변형을 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 측면도.
도 5는 도 4의 A부분을 확대한 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치가 코일에 설치된 상태를 도시한 정면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치에 의해 측정되는 좌굴응력을 도시한 그래프.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치의 측면도이다. 또한, 도 5는 도 4의 A부분을 확대한 단면도이다.

도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예의 좌굴 응력 측정 장치(100)는 코일(10)의 내경부에 삽입되는 한 쌍의 접촉부(110)를 포함할 수 있다. 이 한 쌍의 접촉부(110)는 서로 대향되는 방향으로 제공되어 코일(10)에 발생하는 좌굴(B)에 의해 코일(10)이 변형함에 따라 코일(10)의 내경부에 접촉할 수 있다.

한편, 한 쌍의 접촉부(110) 사이에는 길이 조절이 가능한 지지부(120)가 설치될 수 있다.

또한, 이 지지부(120)의 일측에는 코일(10)의 좌굴에 의해 코일(10)의 내경이 변화되며 접촉부(110)에 전달되는 응력을 측정하기 위한 측정부(130)가 제공될 수 있다.

일례로, 본 실시예에서 측정부(130)는 지지부(120)의 일측에 매개되는 하우징(132)을 포함할 수 있고, 이 하우징(132)의 내부에 하우징(132)을 매개로 전달되는 응력을 측정하는 압력센서(131)가 제공될 수 있다.

하우징(132)은 지지부(120)의 일측에 설치되어 압력센서(131)로 응력을 전달하도록 매개되는 하우징 본체(134)와, 이 하우징 본체(134)를 덮는 하우징 너트(136)를 포함할 수 있다.

또한, 하우징 너트(136)에는 압력센서(131)로 접촉부(110)로 전달되는 응력을 전달하는 블록부재(138)가 매개될 수 있다.

본 실시예에서 압력센서(131)는 로드셀(load cell)(131)을 포함할 수 있다.

한편, 하우징(132)의 내부는 코일(10)의 좌굴(B) 발생시 발생하는 응력에 의해 내부 압력이 증가하게 되며, 이에 따라 내부 온도가 상승하게 되며, 예컨대 800℃ 이상으로 상승된다. 여기서, 사용되는 로드셀(131)의 사용온도 범위는 700~800℃ 정도이므로 냉각이 필수적으로 요구된다.

이를 위해, 하우징(132)은 냉각부가 구비되며, 이러한 냉각부는 외부의 냉각수 열교환부와 연계되는 배관(139)에 의해 냉각수가 순환가능하게 제공될 수 있다. 이러한 냉각수에 의해 하우징(132) 내부의 로드셀(131)의 냉각이 이루어질 수 있다.

한편, 로드셀(131)에는 출력신호를 외부로 전달하기 위한 케이블이 연결될 수 있으며, 하우징(132)을 통해 외부의 컨트롤 박스(150)로 전달될 수 있다. 컨트롤 박스(150)는 로드셀(131)에서 측정되는 하중을 직접 디스플레이도 가능하며, 별도의 데이터 로거(logger)를 통해 디지털 값으로 받을 수도 있다.

본 실시예에서 지지부(120)는 길이방향으로 이동가능하게 연계되는 제1지지부(122) 및 제2지지부(124)를 포함할 수 있다. 제1지지부(122)와 제2지지부(124)는 슬라이딩 이동 가능하게 중첩되어 서로 다른 방향으로 이동하도록 제공될 수 있다.

여기서 지지부(120)의 구조는 다양하게 변형될 수 있으며, 제1지지부(122)와 제2지지부(124)가 길이 조정 가능하게 연결되는 구조이면 족하다.

또한, 제1지지부(122)와 제2지지부(124) 사이에는 제1지지부(122) 및 제2지지부(124)를 신축 이동시키기 위한 동력전달부(140)가 연계될 수 있다.

동력전달부(140)에는 모터 또는 작업자가 돌릴 수 있는 핸들(144)을 갖는 구동축(142)이 연결될 수 있다.

구동축(142)은 플랜지(flange)(146)를 매개로 다른 동력 전달부의 구동축(142)과 연결될 수 있으며, 이에 따라 복수열로 배치된 동력전달부(140)에 구동력을 동시에 전달할 수 있다.

또한, 동력전달부(140)는 구동축(142)에 의해 입력되는 회전운동을 길이방향으로 전환하기 위한 기어부재를 포함할 수 있으며, 이를 이용하여 제1지지부(122)와 제2지지부(124)를 신축 이동시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서 좌굴 응력 측정 장치(100)는 코일(10)의 내경부에 삽입되는 접촉부(110)가 복수열로 제공될 수 있다.

또한, 복수의 접촉부(110)는 코일(10)의 좌굴 발생시 함께 움직일 수 있도록 각각의 접촉부(110)를 지지하는 지지부(120)가 연결부재(148)에 의해 연결될 수 있다.

전술된 바와 같이 구성된 좌굴 응력 측정 장치(100)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치가 코일에 설치된 상태를 도시한 정면도이다.

도 6을 참고하면, 먼저, 코일(10)이 권취기로부터 인출되면 본 실시예의 좌굴 응력 측정 장치(100)가 수축된 상태, 즉 한 쌍의 접촉부(110) 사이가 코일(10)의 내경보다 작은 길이를 유지한 상태에서 코일(10)의 내경부에 삽입한다.

그리고, 핸들(144)을 이용하여 구동축(142)을 회전하게 되면, 동력전달부(140)에 의해 회전운동이 제1지지부(122)와 제2지지지부(120)를 신축이동하는 운동으로 전환된다.

이에 따라 한 쌍의 접촉부(110)는 코일(10)의 내경부 측으로 확장된다. 이때, 접촉부(110)는 코일(10)의 내경부와 완전히 밀착하지 않고 약 0.5mm정도의 갭을 유지하도록 설치한다.

이 상태에서 좌굴이 진행되어 코일(10)이 찌그러져 코일(10) 내경부가 접촉부(110)에 접촉하게 되면, 압력센서(131)인 로드셀(131)에 의해 좌굴 응력이 측정된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 좌굴 응력 측정 장치에 의해 측정되는 좌굴응력을 도시한 그래프이다.

여기서, 코일(10)의 단중은 약 16.5톤이었다.

코일(10)은 좌굴이 진행되어 코일(10) 내경이 장치상면에 도달하면서부터 하중이 증가하여 약 1.3톤 정도까지 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다.

그리고, 추가 좌굴 발생 진행상황을 판단하기 위해 다시 장치를 수축, 즉 한 쌍의 접촉부(110) 사이 길이를 줄여 내경부와 약 0.5mm 정도의 갭을 유지하도록 조정한다. 이때 이 갭의 영향으로 하중이 급감했다가 좌굴이 아주 서서히 다시 진행하면서 약 25분간에 걸쳐 약 1톤 정도까지 하중이 증가하는 경향을 볼 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 좌굴 응력 측정 장치(100)를 이용하면 좌굴 발생시 하중의 측정은 물론, 변태가 진행되는 시간 및 거동을 정확하게 파악할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

10: 코일 100: 좌굴 응력 측정 장치
110: 접촉부 120: 지지부
122: 제1지지부 124: 제2지지부
130: 측정부 131: 압력센서(로드셀)
132: 하우징 134: 하우징 본체
136: 하우징 너트 138: 블록부재
139: 배관 140: 동력전달부
142: 구동축 144: 핸들
146: 플랜지 148: 연결부재
150: 컨트롤 박스

Claims (6)

1. 코일의 내경부에 삽입되며 대향 방향으로 제공되어 코일의 좌굴에 의해 상기 내경부에 접촉되는 한 쌍의 접촉부;
   상기 접촉부 사이에 길이 조절 가능토록 설치되는 지지부; 및
   상기 지지부의 일측에 제공되어 상기 접촉부에 전달되는 응력을 측정하는 측정부;
   를 포함하는 좌굴 응력 측정 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 측정부는
   상기 지지부의 일측에 매개되는 하우징과,
   상기 하우징의 내부에 제공되어 상기 하우징을 매개로 전달되는 응력을 측정하는 압력센서를 포함하는 좌굴 응력 측정 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 측정부는
   상기 압력센서의 냉각을 위해 상기 하우징 내부를 순환하도록 연계되는 냉각부를 더 포함하는 좌굴 응력 측정 장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 압력센서는 로드셀(load cell)을 포함하는 좌굴 응력 측정 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부는
   길이 방향으로 이동 가능하게 연계되는 제1지지부 및 제2지지부와,
   상기 제1지지부와 상기 제2지지부 사이에 연계되어 상기 제1지지부 및 상기 제2지지부를 신축이동시키는 동력전달부를 포함하는 좌굴 응력 측정 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 좌굴 응력 측정 장치는 상기 코일의 내경부에 한 쌍의 접촉부가 복수열로 제공되고,
   각각의 접촉부를 지지하는 지지부가 연결부재에 의해 연결되는 좌굴 응력 측정 장치.
   
   
   

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