KR101568547B1 - 스트립의 연속소둔 장치 및 그 연속소둔 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판을 제조할 수 있는 스트립의 연속소둔 장치 및 그 연속소둔 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 연속소둔 장치는, 종래의 연속소둔 장치가 가열을 한 번만 실시한 후, 냉각 또는 과시효 처리를 하는 것과는 다르게, 가열 후 냉각하고 다시 가열하는 방법으로 연속소둔을 실시할 수 있다. 그리하여 본 발명의 연속소둔 장치는, 1 차적으로 조직을 균질화 또는 원하는 조직으로 제어하고, 그 후에 조직의 안정화나 형태를 원하는 대로 제어하는 또 한번의 재가열 열처리를 실시할 수 있다. 또한, 저합금으로 가공성과 강도가 매우 우수한 고강도강을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 스트립 (strip)의 표면에 농화되는 원소와 산화물의 두께를 제어할 수 있게 하여 도금표면이 우수한 아연도금 스트립을 제조할 수 있는 스트립을 연속적으로 소둔하는 장치 및 상기 장치를 사용하여 연속소둔 하는 방법을 제공한다.

Description

스트립의 연속소둔 장치 및 그 연속소둔 방법 {EQUIPMENT FOR CONTINUOUS ANNEALING STRIP AND METHOD OF CONTINUOUS ANNEALING SAME}
본 발명은 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판을 제조할 수 있는 스트립의 연속소둔 장치 및 그 연속소둔 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 스트립을 연속적으로 소둔하는 장치 및 상기 장치를 사용하여 연속소둔 하는 방법에 관한 것이다.
종래의 냉간압연된 코일을 제조하는 연속소둔 장치는 가열 및 균열대와 냉각대를 포함하면서, 상온의 스트립 (strip)을 상기 가열 및 균열대에서 소정의 온도로 가열하고, 동일한 온도로 일정시간 유지한 다음, 상기 냉각대에서 상온까지 냉각하는 것으로 이루어진다. 여기에 필요에 따라, 상기 냉각대 이후에 과시효대 또는 항온 유지대를 추가로 구비하여, 상기 과시효대에서 과시효 처리를 하거나 항온 유지대에서 600℃ 이하의 온도에서 일정시간 유지 후, 상온까지 냉각하여 오스템퍼링 또는 마르템퍼링을 실시한다.
상기 가열 및 균열대는 냉간압연된 스트립을 재결정시키고 소정의 상을 갖는 온도까지 가열한다. 이때 탄화물의 용해와 페라이트 조직의 재결정 핵생성 및 성장이 이루어지며 A3이상의 온도가 되면 오스테나이트가 출현한다. 이들 조직은 모두 폴리고날 (polygonal) 구조를 갖는다. 그리고 온도에 맞는 평형상을 얻을 목적으로 소정의 시간 동안 일정온도를 유지하여, 결정립의 성장과 균질화 처리를 한다.
상기 냉각대는 서냉과 급냉을 하는 장치로 구성되어 있고, 페라이트 단상은 탄소를 과포화시키기 위해 급냉하며, 복합조직강은 급냉을 통하여 페라이트 기지조직에 마르텐사이트, 베이나이트 또는 잔류 오스테나이트를 함유하는 조직을 얻기 위해 급속냉각을 한다.
상기 과시효대에서는 페라이트 단상강의 과포화된 탄소를 석출시켜 고용원소를 단시간에 대폭 줄임으로써 가공성을 향상시킨다. 복합조직강에서는 과시효대에서 마르텐사이트를 템퍼링하거나, 항온유지 베이나이트 열처리를 통해 베이나이트 또는 잔류 오스테나이트를 포함하는 베이나이트를 형성시켜 강도와 연성을 제어하는 역할을 한다. 과시효대는 목적에 따라 제거할 수 있다.
상기와 같이 종래의 연속소둔 열처리장치는 가열단계에서부터 재결정에 의해 얻어진 폴리고날 구조를 가지고 있어, 강성분을 제어하여 조직을 미세화 시키는 방법으로는, 다량의 합금원소를 첨가하고도 효과적으로 제어하지 못하는 문제가 있다(특허문헌 1 및 2).
특허문헌 1: 일본특허공개 제 2003-328039호 특허문헌 2: 일본특허공개 제 1984-133329호
본 발명은 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판 및 아연도금용 강판을 제조할 수 있는 스트립의 연속소둔 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판 및 아연도금용 강판을 제조할 수 있는 스트립의 연속소둔 장치를 사용하여 연속소둔 하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 스트립을 1 차 가열하도록 구성되는 제 1 가열대; 제 1 가열대에서 1 차 가열된 스트립을 냉각하거나 항온 유지하도록 구성되는 제 1 냉각 및 항온 유지대; 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 냉각하거나 항온 유지된 스트립을 2 차 가열 및 균열하도록 구성되는 제 2 가열 및 균열대; 및 상기 제 2 가열 및 균열대에서 가열 및 균열된 스트립을 냉각하도록 구성되는 제 2 냉각대를 포함하는 스트립의 연속소둔 장치에 의하여 달성된다.
여기에서, 상기 제 2 냉각대 후방에, 스트립을 과시효 또는 항온유지 하도록 구성되는 과시효 및 항온 유지대; 및 과시효 및 항온 유지대에서 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 최종 냉각대를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1 가열대에서의 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어진다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 가스에 의한 냉각장치, 가스 및 미스트에 의한 냉각장치 및 가스, 미스트 및 물에 의한 냉각 장치 중 적어도 하나의 냉각장치를 포함한다.
바람직하게는, 연속소둔 장치 후방에 도금장치가 구비되는 경우에는 상기 냉각장치가 가스에 의한 냉각장치이다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대에는 입구부와 출구부에 각각 장력제어 롤이 구비된다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 내부에 음압을 발생시키는 가스 및 증기배출장치를 적어도 하나 이상 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 스트립의 진행방향으로 최 후방의 냉각장치의 후방에 한 쌍의 중공형 수냉롤을 포함하고; 상기 한 쌍의 중공형 수냉롤은 상기 냉각장치에서 냉각된 스트립이 그 사이로 이동가능 하도록 배치되고; 그리고 상기 중공형 수냉롤은 회전가능하고 그 내부에 냉각수가 흐르도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 중공형 수냉롤은 좌우 방향으로 이동가능 하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 상하 방향으로 이동가능 하도록 구성되는 이동식 수냉조를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 스트립의 연속소둔 장치를 사용하여 스트립을 연속소둔하는 방법에 있어서, 스트립을 제 1 가열대에서 1 차 가열하는 단계; 상기 1 차 가열된 스트립을 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 1 차 냉각하거나 항온 유지하는 단계; 상기 1 차 냉각 또는 항온 유지된 스트립을 제 2 가열 및 균열대에서 2 차 가열 및 균열하는 단계; 및 상기 2 차 가열 및 균열된 스트립을 제 2 냉각대에서 2 차 냉각하는 단계를 포함하는 스트립의 연속소둔 방법에 의하여 달성된다.
여기에서, 상기 2 차 냉각단계 후, 스트립을 과시효 또는 항온유지하는 단계; 및 상기 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1 가열대에서, 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어지고, 승온속도는 3~150℃/s이고, 가열온도는 최대 1000℃이고, 그리고 유지시간은 10초 이하이다.
바람직하게는, 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식, 수소냉각방식, 물과 가스를 혼합 분사하는 미스트 냉각방식 및 물을 직접 분사하는 수냉각 방식 중 적어도 하나의 방식에 의해 이루어지고, 냉각속도는 5~200℃/s 이고, 그리고 냉각온도는 최저 80℃이다.
바람직하게는, 연속소둔 후에 도금공정이 수반되는 경우에는 제 1 냉각 및 항온 유지대에서의 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식에 의해 실시한다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 스트립에 그 항복강도의 1/5~3/5의 장력을 부여한 상태에서 실시한다.
바람직하게는, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 음압이 형성된 상태에서 실시한다.
본 발명에 따른 연속소둔 장치로 열처리를 실시함으로써, 극저탄소강의 경우에도 드로잉성이 우수할 뿐만 아니라, 페라이트 및 2 차 상의 복합조직이 미세하여 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판 및 아연도금용 강판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 연속소둔 장치의 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 연속소둔 장치의 제 1 냉각 및 항온 유지대의 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 연속소둔 장치의 중공형 수냉롤의 일 실시예의 개략적인 단면 및 작동을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 연속소둔 장치의 이동식 수냉조의 일 실시예의 개략적인 구성 및 작동을 나타내는 개념도이다.
도 5a는 종래의 연속소둔 장치로 소둔된 비교예 2의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예의 연속소둔 장치로 소둔된 발명예 3의 미세조직을 촬영한 사진이다.
본 발명은 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판을 제조할 수 있는 스트립의 연속소둔 장치 및 그 연속소둔 방법에 관한 것이다.
본 발명의 연속소둔 장치는, 종래의 연속소둔 장치가 가열을 한 번만 실시한 후, 냉각 또는 과시효 처리를 하는 것과는 다르게, 가열 후 냉각하고 다시 가열하는 방법으로 연속소둔을 실시할 수 있다. 그리하여 본 발명의 연속소둔 장치는, 1 차적으로 조직을 균질화 또는 원하는 조직으로 제어하고, 그 후에 조직의 안정화나 형태를 원하는 대로 제어하는 또 한번의 재가열 열처리를 실시할 수 있어, 저합금으로 가공성과 강도가 매우 우수한 고강도강을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 스트립 (strip)의 표면에 농화되는 원소와 산화물의 두께를 제어할 수 있게 하여 도금표면이 우수한 아연도금 스트립을 제조할 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 단일 가열방식이 아닌 승온 방식을 다양화함에 따라 종래의 물성을 벗어나는 물성을 얻을 수 있음을 확인하고, 이를 실현할 수 있는 새로운 연속소둔 장치를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 발명의 스트립의 연속소둔 장치는, 도 1에 나타난 바와 같이, 스트립을 1 차 가열하도록 구성되는 제 1 가열대 (1); 이 제 1 가열대 (1)에서 1 차 가열된 스트립을 냉각하거나 항온 유지하도록 구성되는 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2); 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에서 냉각하거나 항온 유지된 스트립을 2 차 가열 및 균열하도록 구성되는 제 2 가열 및 균열대 (3); 및 상기 제 2 가열 및 균열대 (3)에서 가열 및 균열된 스트립을 냉각하도록 구성되는 제 2 냉각대 (4)를 포함한다.
또한, 상기 스트립의 연속소둔 장치는 상기 제 2 냉각대 (4) 후방에, 스트립을 과시효 또는 항온유지 하도록 구성되는 과시효 및 항온 유지대 (5); 및 과시효 및 항온 유지대에서 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 최종 냉각대 (6)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 1 가열대 (1) 및 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)를 추가한 본 발명의 연속소둔 장치를 사용하여 연속소둔 열처리를 실시함으로써, 승온 후 냉각하여 마르텐사이트나 베이나이트로 만들어 조직 미세화한 다음 재가열 열처리를 실시할 수 있어, 적은 량의 합금원소로도 고강도 고가공성을 얻을 수 있다. 또한, 극저탄소강의 재결정 집합조직을 강화함으로써, 우수한 딥드로잉성을 얻을 수 있다.
상기 제 1 가열대 (1)에서의 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하여 설명하면, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)는 가스에 의한 냉각장치 (23), 가스 및 미스트에 의한 냉각장치 (24) 및 가스, 미스트 및 물에 의한 냉각 장치 (25) 중 적어도 하나의 냉각장치를 포함하는 것이 바람직하다. 필요에 따라 5~200℃/s로 냉각속도를 조절하기 위하여 상기와 같은 장치들을 구비할 수 있다.
또한, 연속소둔 장치 후방에 도금장치가 구비되는 경우에는, 1~3 개로 구성되는 상기 냉각장치 (23, 24, 25)가 모두 가스에 의한 냉각장치 (23)인 것이 바람직하다. 상기 도금장치에서 도금을 실시할 경우에 물 및/또는 미스트에 의하여 수냉을 하게되면 미스트나 표면에 산화막이 형성되어 도금이 어렵기 때문이다.
상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에는 입구부와 출구부에 각각 장력제어 롤 (21)이 구비되는 것이 바람직하다. 도 2에서와 같이, 입구부와 출구부에 장력제어 롤 (21)을 구비함으로써, 급속 냉각 중 변태에 대한 스트립의 선팽창에 대응할 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)는 내부에 음압을 발생시키는 가스 및 증기배출장치 (22)를 적어도 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)는 내부에 증기가 높아지면 표면에 산화물이 발 생할 수 있고, 전후에 구비된 장치에까지 증기가 확산되는 것을 막기 위해서이다.
도 2 및 3을 참조하여 설명하면, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)는 스트립의 진행방향으로 최 후방의 냉각장치 (25)의 후방에 한 쌍의 중공형 수냉롤 (26)을 포함하고; 상기 한 쌍의 중공형 수냉롤 (26)은 상기 냉각장치 (23, 24, 25)에서 냉각된 스트립이 그 사이로 이동가능 하도록 배치되고; 그리고 상기 중공형 수냉롤 (26)은 회전가능하고 그 내부에 냉각수가 흐르도록 구성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 중공형 수냉롤 (26)은 좌우 방향으로 이동 가능하도록 구성된다.
상기 중공형 수냉롤 (26)은 수냉효율을 극대화 하기 위하여 설치된다. 상기 냉각장치 (23, 24, 25)에서 발생되는 가스, 미스트 및 물 중에서, 물은 중력에 의해 하부로 낙하하는데, 이를 진행하는 스트립과 같은 속도로 회전하는 상기 중공형 수냉롤 (26)의 사이에 받아서 틈사이로 배출하면 스트립 표면에 수막을 형성하게 함으로써 비등 현상을 막아 균일한 냉각을 이룰 수 있다.
상기 중공형 수냉롤 (26)은 냉각수가 내부로 흐르도록 하기 위하여, 동공구조인 것이 바람직하다. 중공형 수냉롤 (26)의 내부로 냉각수가 흐르도록 하여, 중공형 수냉롤 (26)의 표면 온도가 올라가는 것을 방지하여 냉각장치로부터 흘러내리는 냉각수의 비등현상을 막을 수 있다.
상기 중공형 수냉롤 (26)은 좌우 방향으로 이동 가능하여 냉각수 유량을 조절할 수 있도록 구성되는 것이 보다 바람직하다.
상기 중공형 수냉롤 (26)의 사이에 저장되는 냉각수는, 중공형 수냉롤 (26)의 상부에 위치하는 냉각장치 (23, 24, 25)에서 흘러내리는 냉각수이다.
상기 냉각장치 (23, 24, 25)가 모두 가스 냉각장치 (23)로만 구성이 된다면, 중공형 수냉롤 (26)을 설치할 필요가 없거나, 도 4의 오른쪽에 도시된 중공형 수냉롤 (26)의 형태로 완전히 바같쪽 좌우로 벌려주어 열어두는 것이 바람직하다.
도 4에서는 중공형 수냉롤 (26)의 이동과 함께, 이동식 수냉조 (27)의 이동 전후의 형태를 나타내고 있다. 상기 이동식 수냉조 (27)는 상하 방향으로 이동가능 하도록 구성되는 것이 바람직하다. 80℃ 이하로 냉각하는 것이 불필요할 때는, 도 4의 오른쪽에 도시된 것과 같이 중공형 수냉롤 (26)을 개방하고 이동식 수냉조 (27)를 아래로 이동하여 진행하는 스트립에 물이 닿지 않게 한다.
상기 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)의 하부에 위치하는 순환식 고정 수냉조 (28)는 상온의 냉각수가 계속 순환하는 구조를 갖는다. 이동식 수냉조 (27) 및 순환식 고정 수냉조 (28)와 고온의 스트립이 접촉하여 발생하는 증기는 제 2 가열대 (3)로 유입되지 않도록 가스 및 증기 배출장치 (22)에서 완전히 배출한다. 상기 순환식 고정 수냉조 (28)의 바닥면에 위치하는 냉각수 배출구 (29)는 냉각장치 (24, 25)에서 분사된 미스트 및 물이 잘 배출되어 순환식 고정 수냉조 (28)의 냉각수가 원하는 높이가 되도록 유량을 제어한다.
상기 제 1 가열대 (1)에서의 1 차 가열 후, 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에서 냉각이 아닌 항온 유지를 실시하고자 하는 경우에는, 냉각 장치 (23, 24, 25)를 멈추고, 중공형 수냉롤 (26)을 개방하며, 이동식 수냉조 (27)와 순환식 고정 수냉조 (28)의 냉각수를 비우고 실시하면 된다. 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에 항온 유지를 위한 별도의 가열 장치를 구비하지 않아서, 1 차 가열된 온도보다 저하될 수 있지만, 극저탄소강의 집합조직 제어에 있어서 100℃ 내외의 온도는 큰 문제가 되지 않으므로, 항온유지공정에 문제가 되지 않는다.
이후의 제 2 가열 및 균열대 (3), 제 2 냉각대 (4), 과시효 및 항온유지대 (5) 및 최종 냉각대 (6)에서의 공정은 특별히 제한되지 않고, 종래 연속소둔 장치(7)의 구성을 사용할 수 있으나, 이하 간략히 설명한다.
상기 제 2 가열 및 균열대 (3)는 최대 950℃까지 가열할 수 있으며, 항온 유지는 10초 이상 유지할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 제 2 냉각대 (4)는 가스냉각에 의한 서냉대, 그리고 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있는 급속냉각대로 구성될 수 있다. 또한, 선택적으로 추가 가능한 구성인, 상기 과시효 및 항온 유지대 (5)는 냉각 후 스트립의 현열을 이용하여 과시효 및 항온 유지대 (5)의 내부를 항온으로 보온하거나, 가열설비를 갖추어 능동적으로 항온 유지할 수 있다. 상기 과시효 및 항온 유지대 (5)와 같이 선택적으로 추가 구성이 가능한, 최종 냉각대 (6)은 상온까지 냉각이 가능하도록 구성되며, 최종 냉각대 (6)의 구성을 생략하고 도금장치를 부착할 수 있다.
이하, 상기의 스트립의 연속소둔 장치를 사용하여 스트립을 연속소둔하는 방법에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 스트립의 연속소둔 방법은 상기 본 발명의 스트립의 연속소둔 장치를 사용하여, 스트립을 제 1 가열대에서 1 차 가열하는 단계; 상기 1 차 가열된 스트립을 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 1 차 냉각하거나 항온 유지하는 단계; 상기 1 차 냉각 또는 항온 유지된 스트립을 제 2 가열 및 균열대에서 2 차 가열 및 균열하는 단계; 및 상기 2 차 가열 및 균열된 스트립을 제 2 냉각대에서 2 차 냉각하는 단계로 이루어진다.
또한, 상기 스트립의 연속소둔 방법은, 상기 2 차 냉각단계 후, 스트립을 과시효 또는 항온유지하는 단계; 및 상기 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 1 가열대에서, 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어지는 것이 바람직하고, 상기와 같은 가열방식을 택함으로써, 승온속도를 3~150℃/s로 조절할 수 있고, 에너지 비용 증가, 스틸 강도저하 및 통판성 저하를 막기 위하여 최대 1000℃까지 가열하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 가열대 (1)은 항온 유지가 가능할 수도 있도록 구성될 수 있으며, 라인 길이가 길어지는 문제가 있으므로, 10초 이내로 유지할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에서 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식, 수소냉각방식, 물과 가스를 혼합 분사하는 미스트 냉각방식 및 물을 직접 분사하는 수냉각 방식 중 적어도 하나의 방식에 의해 이루어지는 것이 바람직하며, 상기와 같은 냉각방식에 의하여, 냉각속도는 5~200℃/s 로 조절할 수 있고, 연성의 향상을 위하여 최저 80℃까지 냉각하는 것이 바람직하다.
연속소둔공정을 마친 후에 도금공정이 수반되는 경우에는, 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)에서의 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식에 의해 실시하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 스트립에 그 항복강도의 1/5~3/5의 장력을 부여한 상태에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 냉각 및 항온유지대 (2)의 장력제어 롤 (21)은 제 1 냉각 및 항온유지대 (2)의 양 끝단에 구비되는 것이 바람직하며, 그리하여 급속 냉각 중 변태에 대한 스트립의 선팽창에 대응할 수 있으므로, 상기 장력제어 롤 (21)에 의하여 상기 스트립에 그 항복강도의 1/5~3/5의 장력을 부여하는 것이 바람직하다.
냉각단계에서 변태유기소성을 활용하여 판형상을 제어하기 위하여, 상기 스트립의 항복강도의 1/5~3/5 수준으로 상기 스트립에 장력을 부여할 수 있도록 조절함으로써, 변태 유기 소성 (Transform Induced Plasticity)에 의해 형상이 교정될 수 있다. 오스테나이트로부터 급속한 냉각에 의해 베이나이트나 마르텐사이트로 변태하는 경우 선팽창이 일어나고, 불균일한 냉각에 의해 판이 뒤틀리는 현상이 일어나 판 쏠림이 발생하는 경우를 방지하기 위하여 본 발명에서는 단계적 냉각과 장력을 인위적으로 가하여 판 형상을 교정하고자 하였다. 본 발명자는 스트립에 그 항복강도의 1/5~3/5 수준까지 장력을 가하면, 가해지는 장력 방향으로만 부피 팽창이 이루어져 판이 평탄해지는 것을 발견하였고, 이에 제 1 냉각 및 항온 유지대 (2)의 입구부와 출구부에 각각 장력제어롤이 구비하여, 스트립의 항복강도의 1/5~3/5 수준으로 상기 스트립에 장력을 부여할 수 있도록 하였다.
상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 음압이 형성된 상태에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 연속소둔 방법으로 제조한 강판은 극저탄소강의 경우 랭크포드 (r)값이 통상의 열처리 방법보다 높아서 드로잉성이 우수할 뿐만 아니라, 페라이트과 2 차상의 복합조직이 미세하여 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판과 아연도금용 강판을 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[ 실시예 ]
하기 표 1과 같이 조성되는 강 슬라브를 진공유도 용해에 의해 제작하고, 1200℃의 온도로 가열하여 추출한 후, 900℃ 이상의 범위에서 열간압연을 마무리하였다. 열연판의 두께는 3.2mm이며 이를 500~700℃의 온도에서 1시간 유지 후 노냉하여 상온으로 냉각한 다음 스케일을 제거한 후 1mm 두께의 냉간압연 강판을 제조하였다.
열처리는 적외선 가열 장치로 종래의 열처리 방법과 본 발명의 열처리 방법을 재현하여 인장 시험 및 소성이방성을 나타내는 지표인 랭크포드 (r)값을 15%의 변형율에서 측정하였다. 극저탄소강의 경우 EBSD (전자후면 산란회절, Electron Back Scattered Diffraction)을 분석에 의해 집합조직을 분석하였다. EBSD분석은 열처리된 시편의 1/4t지점까지 연마한 다음 다시 전해 연마를 통해 표면의 잔류 응력을 제거한 다음 표면방향으로 집합조직의 강도를 측정하였다. 인장시험은 ASTM Standard size로 가공하여 항복강도(YS)와 인장강도(TS) 및 연신율(El)을 평가하였다.
강종 C Mn Si P S Al Ti N
극저탄소강 0.003 0.25 Tr 0.011 0.008 0.03 0.05 0.002
합금강 0.2 1.5 1.5 0.009 0.005 0.04 Tr 0.004
상기 표 1의 극저탄소강의 조성을 가지는 강으로 본 발명의 열처리를 실시한 발명예 1은 5℃/s로 700℃까지 가열한 다음 5℃/s의 냉각속도로 620℃까지 냉각하여 항온 유지와 유사한 열처리가 되게 1 차 가열 항온 유지 열처리를 하였다. 700℃의 온도에서 16초 정도를 유지할 수도 있지만, 가열 장치가 없는 냉각대에서 온도 저하가 예상되므로 620℃까지 저하시켰다. 2 차 가열 및 열처리는 통상과 같이 5℃/s로 850℃까지 가열하고 850℃에서 60초간 유지 후 5℃/s로 650℃까지 서냉각 후 15℃/s로 400℃까지 급냉하고 400℃의 온도에서 120초간 유지한 후 상온으로 공냉하였다.
상기 극저탄소강의 조성으로 종래의 열처리 방법으로 실시한 비교예 1은 2 차 가열 열처리에서부터 동일하게 열처리 하였다. 즉, 통상과 같이 1 차 열처리 없이, 5℃/s로 850℃까지 가열하고 850℃에서 60초간 유지 후 5℃/s로 650℃까지 서냉각 후 15℃/s로 400℃까지 급냉하고 400℃의 온도에서 120초간 유지한 후 상온으로 공냉하였다.
구분 φ1 φ2 Φ Texture f(g) YS TS El r
발명예 1 60 45 55 {111}<110> 13.1 18 29 48 2.69
90 45 55 {111}<112> 9.6
비교예 1 60 45 55 {111}<110> 10.4 19 29 45 2.28
90 45 55 {111}<112> 6.2
상기 표 2의 발명예 1 나타난 바와 같이 본 발명의 열처리는 가공성에 유리한 {111}집합조직의 강도가 높기 때문에, 연신율과 특히 소성이방성 값인 r값이 우수하여 심가공 부품을 만드는데 유리하다. {111}<110>~{111}<112> 집합조직을 감마 텍스쳐라 하는데, 재결정 초기에는 {100}, {110}방위가 발달하지만 성장이 느리다. 그러나 600~750℃의 온도 구간에서는 {111}집합조직의 성장이 활발하게 이뤄지므로 보다 발달하게 된다.
발명예 1의 열처리 장치와 같이 700℃ 근처에서 항온 유지 후 이보다 높은 온도로 계속 승온하게 되면, {111}집합조직에 비해 성장속도가 느린 {100}, {110}집합조직은 강도가 매우 미약해진다. 종래의 방법에서는 계속 승온이 이뤄지므로 재결정 초기에 {111} 집합조직의 량이 줄어 들어 {100}, {110}집합조직의 강도가 상대적으로 높게 된다.
다음으로는, 상기 표 1의 합금강의 조성을 가지는 강을 이용하여 복합조직강을 제조하였다. 본 발명 장치에 의한 열처리를 실시한 발명예 2~4는 하기 표 3에서와 같이 5℃/s로 900℃까지 가열한 다음 15℃/s의 냉각속도로 Ms이하의 온도인 80~300℃로 냉각한 것이다. 또한, 발명예 2~4는 상기 1 차 가열 및 냉각을 마치고 2 차 가열 및 열처리는 통상과 같이 5℃/s로 820℃까지 가열하고 820℃에서 60초간 유지후 5℃/s로 650℃까지 서냉각 후 15℃/s로 400℃까지 급냉하고 400℃의 온도에서 120초간 유지한 후 상온으로 공냉하였다.
상기 표 1의 합금강의 조성을 가지는 강을 이용하여 종래 장치의 열처리를 실시한 비교예 2는 2 차 가열 열처리에서부터 동일하게 열처리 하였다. 즉, 통상과 같이 1 차 열처리 없이, 5℃/s로 820℃ 까지 가열하고 820℃에서 60초간 유지후 5℃/s로 650℃ 까지 서냉각 후 15℃/s로 400℃ 까지 급냉하고 400℃의 온도에서 120초간 유지한 후 상온으로 공냉하였다.
구분 1 차소둔온도 1 차냉각온도 2 차소둔온도 YS TS El
발명예 2 900 80 820 615 1012 22
발명예 3 900 200 820 632 1008 26
발명예 4 900 300 820 658 998 26
비교예 2 - - 820 420 1072 17
상기 표 3에 나타낸 바와 같이 종래의 연속소둔 열처리장치를 이용한 방법 보다 본 발명의 열처리 장치를 이용한 방법으로 합금강을 열처리하면 현저히 우수한 연성을 얻을 수 있다. 그 이유는 도 5a 및 5b의 비교예 2 및 발명예 3의 조직 비교에서 확인할 수 있는데, 발명예 3을 나타내는 도 5b는 열처리한 조직이 마르텐사이트 양은 훨씬 적은 반면 페라이트와 베이나이트 및 마르텐사이트 조직이 4배 이상 미세하여 인장강도는 유사 수준이지만, 항복강도도 높고 연신율이 현저히 우수하다. 이와 같은 조직의 차이가 나타나는 것은 다음과 같다.
종래의 열처리 방법으로 가열하면, 냉간압연에 의해 형성된 다량의 전위로부터 페라이트 핵 생성 후 성장이 이뤄진다. 700℃ 이상이 되면 열연 석출 탄화물이 용해하면서 페라이트에 고용탄소가 증가하게 된다. 오스테나이트가 출현하는 온도인 780℃이상이 되면 페라이트 결정입계에서 오스테나이트가 출현하며 탄소는 오스테나이트로 농화된다. 온도가 높아짐에 따라 오스테나이트량은 점차 증가하는데 페라이트나 오스테나이트 모두 폴리고날형태를 가진다. 균열대에서는 페라이트와 오스테나이트가 특정온도의 평형분율을 갖게 된다. 이후 서냉대에서 650℃까지 온도가 낮아짐에 따라 에피텍셜 페라이트가 출현한다. 이는 페라이트와 오스테나이트 입계에서 오스테나이트 쪽으로 성장하는 페라이트를 말한다. 이후 400℃까지 급냉하면 오스테나이트에는 베이나이트가 출현 하면서 잔류하는 오스테나이트에는 탄소가 1%수준으로 농화되어 안정화 되며 마르텐사이트 형성온도는 상온 이하로 된다. 그러나 오스테나이트 중심부나 조대한 오스테나이트에는 탄소가 충분히 농화되지 않아 마르텐사이트 형성온도가 상온 이상이 되는데, 최종 냉각과정에서 마르텐사이트로 변태한다. 따라서 종래 열처리법의 조직은 도 5a에서와 같이 조대한 페라이트와 오스테나이트로부터 출현한 베이나이트 그리고 미세한 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트로 구성된다. 페라이트는 결정립이 크고 탄소 농도가 낮으므로 항복강도가 낮다. 연신율 역시 페라이트가 주된 변형을 하며 제 2상과 강도 차가 크므로 미세 공공이 형성되고 페라이트/제 2상의 계면을 따라 크랙이 급속히 전파되므로 연신율도 낮다.
한편 발명예 3에서는 1 차 가열에 의해서 전체가 조대한 폴리고날 오스테나이트로 변태하고, 이후 200℃까지의 급속냉각에 의해 상당부분이 마르텐사이트로 변태하여 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 조직을 갖게 된다. 마르텐사이트에는 다량의 전위가 포함되는데, 온도가 높을수록 전위밀도와 마르텐사이트의 면적 분율은 낮아진다. 이후 다시 2 차 가열하면, 마르텐사이트로부터 높은 농도로 과포화된 탄소가 오스테나이트로 이동함으로써, 마르텐사이트의 격자 상수가 모두 같은 정방형 구조를 갖게 되어 페라이트로 되며, 오스테나이트로 농화된 탄소는 오스테나이트를 안정화시킨다. 이를 역변태 (Reverse Transformation)라 하는데, 본 발명에서 2 차의 가열 열처리에 의해 조직이 미세화되는 핵심 기구이다. 이후 650℃까지 서냉에서 페라이트는 쿼시폴리고날 (Quasi-polygonal) 페라이트가 형성된다. 이에 따라 본 발명의 장치에 의한 열처리에서는 미세한 쿼시폴리고날 페라이트와 미세한 오스테나이트가 출현하여 종래의 열처리 방법보다 4배 이상 미세한 페라이트 조직을 얻게 된다. 이후 400℃의 베이나이트 항온 변태를 시키면, 막대형태의 미세 분산된 오스테나이트로부터 베이나이트가 출현하며, 오스테나이트/베이나이트 면적이 종래의 열처리에서 얻어지는 폴리고날 오스테나이트 보다 훨씬 미세하므로 오스테나이트/베니아이트 면적이 넓어져 오스테나이트 안정화가 원활히 이뤄져 잔류 오스테나이트 량이 훨씬 증가하여 연성이 우수하다.
따라서 본 발명 장치를 이용한 연속소둔 열처리를 하면 마르텐사이트 량이 감소하여 인장강도다 약간 저하하지만 페라이트 조직의 미세화에 의해 항복 강도가 증가하며, 잔류 오스테나이트가 보다 안정화 하므로 연성이 증가한다. 또한 동일한 합금강을 사용하여 1 차 냉각온도를 조절함으로써 항복강도를 조절할 수 있다. 1 차 냉각온도가 높을수록 항복강도가 증가하는 것은 열변태 마르텐사이트 (Athermal Martesite)량이 온도가 높을수록 줄어들고 오스테나이트가 증가하므로 2 차 가열 중 탄소 확산과 함께 전위를 해소하기 위해 성정하는 페라이트의 량이 감소하여 페라이트 조직이 보다 미세하게 되기 때문이다.
표 2 및 3과 도 5a 및 5b에서 볼 수 있듯이 본 발명의 장치로 제조한 강판은 극저탄소강의 경우 r값이 통상의 열처리 법보다 높아서 드로잉성이 우수할 뿐만 아니라, 페라이트과 2 차상의 복합조직이 미세하여 강도와 연성이 모두 우수한 고강도 고연성의 냉연강판과 아연도금강용 강판을 제조할 수 있는 장점이 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
1: 제 1 가열대 2: 제 1 냉각 및 항온 유지대
3: 제 2 가열 및 균열대 4: 제 2 냉각대
5: 과시효 및 항온 유지대 6: 최종 냉각대
7: 종래 연속소둔 장치 21: 장력제어 롤
22: 가스 및 증기배출장치 23: 가스 냉각장치
24: 가스 및 미스트(mist) 냉각장치
25: 가스, 미스트 및 물 분사 냉각장치
26: 중공형 수냉롤 27: 이동식 수냉조
28: 순환식 고정 수냉조 29: 냉각수 배출구

Claims (17)

  1. 스트립을 1 차 가열하도록 구성되는 제 1 가열대;
    상기 제 1 가열대에서 1 차 가열된 스트립을 냉각하거나 항온 유지하도록 구성되는 제 1 냉각 및 항온 유지대;
    상기 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 냉각하거나 항온 유지된 스트립을 2 차 가열 및 균열하도록 구성되는 제 2 가열 및 균열대;
    상기 제 2 가열 및 균열대에서 가열 및 균열된 스트립을 냉각하도록 구성되는 제 2 냉각대; 및
    상기 제 2 냉각대에서 냉각된 스트립을 과시효 또는 항온유지 하도록 구성되는 과시효 및 항온 유지대를 포함하는 스트립의 연속소둔 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 과시효 및 항온 유지대에서 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 최종 냉각대를 추가로 포함하는 스트립의 연속소둔 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열대에서의 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어지는 스트립의 연속소둔 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 가스에 의한 냉각장치, 가스 및 미스트에 의한 냉각장치 및 가스, 미스트 및 물에 의한 냉각 장치 중 적어도 하나의 냉각장치를 포함하는 스트립의 연속소둔 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 연속소둔 장치 후방에 도금장치가 구비되는 경우에는 상기 냉각장치가 가스에 의한 냉각장치인 스트립의 연속소둔 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대에는 입구부와 출구부에 각각 장력제어 롤이 구비되는 스트립의 연속소둔 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 내부에 음압을 발생시키는 가스 및 증기배출장치를 적어도 하나 이상 포함하는 스트립의 연속소둔 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 스트립의 진행방향으로 최 후방의 냉각장치의 후방에 한 쌍의 중공형 수냉롤을 포함하고;
    상기 한 쌍의 중공형 수냉롤은 상기 냉각장치에서 냉각된 스트립이 그 사이로 이동가능 하도록 배치되고; 그리고
    상기 중공형 수냉롤은 회전가능하고 그 내부에 냉각수가 흐르도록 구성되는 스트립의 연속소둔 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 중공형 수냉롤은 좌우 방향으로 이동가능 하도록 구성되는 스트립의 연속소둔 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지대는 상하 방향으로 이동가능 하도록 구성되는 이동식 수냉조를 포함하는 스트립의 연속소둔 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항의 스트립의 연속소둔 장치를 사용하여 스트립을 연속소둔하는 방법에 있어서,
    스트립을 제 1 가열대에서 1 차 가열하는 단계;
    상기 1 차 가열된 스트립을 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 1 차 냉각하거나 항온 유지하는 단계;
    상기 1 차 냉각 또는 항온 유지된 스트립을 제 2 가열 및 균열대에서 2 차 가열 및 균열하는 단계;
    상기 2 차 가열 및 균열된 스트립을 제 2 냉각대에서 2 차 냉각하는 단계; 및
    상기 2 차 냉각된 스트립을 과시효 또는 항온유지하는 단계를 포함하는 스트립의 연속소둔 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 과시효 또는 항온유지된 스트립을 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 스트립의 연속소둔 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 가열대에서, 스트립의 가열은 유도가열방식, 라디안트 튜브 (Radiant Tube) 가열 방식 또는 직화 가열방식에 의해 이루어지고, 승온속도는 3~150℃/s이고, 가열온도는 최대 1000℃이고, 그리고 유지시간은 10초 이하인 것을 특징으로 하는 스트립의 연속소둔 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 제 1 냉각 및 항온 유지대에서 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식, 수소냉각방식, 물과 가스를 혼합 분사하는 미스트 냉각방식 및 물을 직접 분사하는 수냉각 방식 중 적어도 하나의 방식에 의해 이루어지고, 냉각속도는 5~200℃/s 이고, 그리고 냉각온도는 최저 80℃인 것을 특징으로 하는 스트립의 연속소둔 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 연속소둔 후에 도금공정이 수반되는 경우에는 제 1 냉각 및 항온 유지대에서의 냉각 또는 항온유지는 가스냉각방식에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 스트립의 연속소둔 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 스트립에 그 항복강도의 1/5~3/5의 장력을 부여한 상태에서 실시하는 것을 특징으로 하는 스트립의 연속소둔 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 및 항온 유지단계는 음압이 형성된 상태에서 실시하는 것을 특징으로 하는 스트립의 연속소둔 방법.
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