KR102236162B1

KR102236162B1 - 열처리로의 허스롤

Info

Publication number: KR102236162B1
Application number: KR1020190034591A
Authority: KR
Inventors: 황진화; 이도륜
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2021-04-02
Also published as: KR20200113835A

Abstract

열처리로의 허스롤은 슬리브, 샤프트, 한 쌍의 냉각부, 및 열차폐 유닛을 포함한다. 중공형의 슬리브는 스트립을 지지하며, 회전축을 이루는 한 쌍의 샤프트는 슬리브의 양측 단부에 결합된다. 한 쌍의 냉각부는 제1 간격을 두고 한 쌍의 샤프트 각각을 둘러싸는 케이스와, 케이스 내부의 밀폐된 공간으로 냉각수를 공급하고 사용된 냉각수를 배출하는 한 쌍의 포트를 포함하며, 축 방향을 따라 슬리브와 이격된다. 열차폐 유닛은 슬리브와 마주하는 케이스의 단부 내측에서 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 샤프트를 둘러싸도록 설치된 섬유내화 단열재를 포함한다.

Description

열처리로의 허스롤 {HEARTH ROLL IN HEATING FURNACE}

본 발명은 열처리로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열처리로 내부에서 스트립을 지지하며 이송하는 허스롤에 관한 것이다.

열처리로는 전기강판 제품을 생산하는 소둔산세 라인의 소둔로일 수 있으며, 스트립을 고온으로 열처리한다. 열처리로에는 스트립을 지지하며 이송하는 복수의 허스롤이 소정의 간격을 두고 설치된다. 소둔산세 라인의 열처리로는 대략 900℃ 내지 1,100℃의 온도로 스트립을 가열하는데, 열처리로 내부의 허스롤은 고열에 장시간 노출되어 휘어질 수 있으며, 이 경우 사용수명이 단축된다.

예를 들어, 900℃ 이하의 환경에서는 허스롤의 교환 주기가 300일을 초과하지만, 900℃보다 높은 초고온의 환경에서는 허스롤의 교환 주기가 100일을 넘지 않는다.

허스롤의 사용수명을 늘리기 위한 대표적인 방법은, 슬리브와 슬리브의 양측에 결합되는 한 쌍의 샤프트를 중공형으로 제작하고, 일측의 샤프트를 통해 롤 내부로 냉각수를 공급하며, 타측의 샤프트를 통해 냉각수를 배출하는 방법이다. 그런데 허스롤 전체를 냉각시키는 방법은 열처리로 내 강판의 온도 저하를 유발할 수 있고, 냉각수 공급과 배출을 위한 복잡한 구조를 필요로 하므로 비용이 상승한다.

열처리로의 고열에 의한 허스롤의 휘어짐은 주로 샤프트의 휘어짐에 의한 것이다. 따라서, 허스롤의 사용수명을 늘리기 위해서는 샤프트에 대한 복사열 전달을 차단함으로써 샤프트의 휘어짐을 억제하는 것이 매우 중요하다.

본 발명은 샤프트에 대한 열처리로 내부의 복사열 전달을 차단하여 고열에 의한 샤프트의 휘어짐을 억제하고, 그 결과 사용수명을 늘릴 수 있는 열처리로의 허스롤을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 허스롤은 슬리브, 샤프트, 한 쌍의 냉각부, 및 열차폐 유닛을 포함한다. 중공형의 슬리브는 스트립을 지지하고, 회전축을 이루는 한 쌍의 샤프트는 슬리브의 양측 단부에 결합된다. 한 쌍의 냉각부는 제1 간격을 두고 한 쌍의 샤프트 각각을 둘러싸는 케이스와, 케이스 내부의 밀폐된 공간으로 냉각수를 공급하고 사용된 냉각수를 배출하는 한 쌍의 포트를 포함하며, 축 방향을 따라 슬리브와 이격된다. 열차폐 유닛은 슬리브와 마주하는 케이스의 단부 내측에서 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 샤프트를 둘러싸도록 설치된 섬유내화 단열재를 포함하며, 한 쌍의 냉각부 중 적어도 하나의 냉각부에 제공된다.

섬유내화 단열재는 세라믹 울과 유리섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 외력에 의해 휘어지는 가요성을 가질 수 있다. 섬유내화 단열재의 내주면에 샤프트의 축 방향과 나란한 복수의 홈이 위치할 수 있다.

열차폐 유닛은, 섬유내화 단열재의 양면에 밀착된 한 쌍의 결합판과, 섬유내화 단열재와 한 쌍의 결합판을 체결시키는 체결부를 더 포함할 수 있다. 한 쌍의 결합판은 원호 모양으로 형성되어 섬유내화 단열재의 일부면에 밀착될 수 있다. 체결부는, 한 쌍의 결합판과 섬유내화 단열재를 관통하는 스터드 핀과, 어느 하나의 결합판의 외측에서 스터드 핀의 단부에 체결된 조임 나사를 포함할 수 있다.

케이스의 단부 내주면에 고리 모양의 오목부가 위치할 수 있고, 오목부의 둘레 방향을 따라 서로간 거리를 두고 복수의 체결홈이 오목부의 양측에 연결 형성될 수 있다. 오목부의 폭은 한 쌍의 결합판과 섬유내화 단열재의 두께를 더한 값에 대응할 수 있다. 복수의 체결홈은 샤프트의 축 방향을 따라 서로 마주하도록 한 쌍으로 구비될 수 있다.

열차폐 유닛은 섬유내화 단열재가 휘어진 상태에서 케이스의 단부 내측으로 진입할 수 있고, 한 쌍의 결합판과 섬유내화 단열재가 오목부에 끼워질 수 있으며, 열차폐 유닛의 회전에 의해 스퍼드 핀의 헤드와 조임 너트가 체결홈에 걸릴 때 케이스에 결합될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 열차폐 유닛을 이용하여 냉각부 안쪽의 샤프트로 복사열 유입을 차단하고, 샤프트의 냉각 효율을 높여 샤프트의 휘어짐을 억제할 수 있으며, 그 결과 허스롤의 교환 주기를 늘릴 수 있다. 또한, 열차폐 유닛은 샤프트에 부딪히더라도 깨짐이 발생하지 않으며, 교체가 용이하다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 허스롤을 나타낸 정면도와 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허스롤의 부분 확대 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 허스롤의 부분 확대 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 허스롤 중 열차폐 유닛의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 열차폐 유닛의 분해 사시도이다.
도 7은 도 3에 도시한 허스롤 중 제1 파트의 내부를 도시한 사시도이다.
도 8은 비교예의 허스롤과 실시예의 허스롤에 있어서 샤프트의 온도 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 비교예의 허스롤과 실시예의 허스롤에 있어서 샤프트와 슬리브의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 허스롤을 나타낸 정면도와 단면도이다. 열처리로는 소둔로를 포함할 수 있으며, 소둔로 이외에 고온에서 대상물을 열처리하는 다양한 로(furnace)를 포함할 수 있다.

도 1과 도 2를 참고하면, 허스롤(100)은 내부가 빈 중공관 형태의 슬리브(10)와, 슬리브(10)의 양측 단부에 결합되어 회전축을 이루는 한 쌍의 샤프트(20)와, 한 쌍의 샤프트(20) 각각에 설치되어 샤프트(20)를 냉각시키는 한 쌍의 냉각부(30)와, 슬리브(10)를 향한 냉각부(30)의 일측에 설치되어 복사열 유입을 차단하는 열차폐 유닛(40)(도 3, 4 참조)을 포함한다.

열처리로에서 슬리브(10)는 스트립을 지지하며, 회전에 의해 스트립을 이송한다. 한 쌍의 샤프트(20)는 슬리브(10)의 양측에서 축 방향을 따라 슬리브(10)의 중공에 끼워지는 방식으로 슬리브(10)에 결합될 수 있다. 샤프트(20)의 일부는 슬리브(10)와 중첩되고, 샤프트(20)의 나머지는 슬리브(10) 바깥으로 돌출된다.

한 쌍의 샤프트(20)는 구동장치와 결합되어 슬리브(10)에 회전 동력을 제공하는 동력측 샤프트(21)와, 베어링에 의해 지지되어 회전하는 작업측 샤프트(22)로 구분될 수 있다. 아래에서 샤프트로만 기재하는 경우 동력측 샤프트(21)와 작업측 샤프트(22) 구분 없이 둘 모두를 지칭할 수 있다.

소둔로의 경우 내부 온도가 대략 900℃ 내지 1,100℃이므로, 열처리로의 허스롤(100)은 고열에 장시간 노출되어 휘어질 수 있다. 허스롤(100)의 휘어짐은 주로 샤프트(20)의 휘어짐에 기인하므로, 냉각부(30)가 일차적으로 샤프트(20)를 냉각시키고, 열차폐 유닛(40)(도 3, 4 참조)이 냉각부(30) 안쪽의 샤프트(20)로 복사열이 유입되는 것을 차단함으로써 샤프트(20)의 휘어짐을 적극적으로 억제한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허스롤의 부분 확대 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 허스롤의 부분 확대 단면도이다.

도 3과 도 4에서는 동력측 샤프트(21)에 결합된 냉각부(30)와 열차폐 유닛(40)을 도시하였으나, 냉각부(30)와 열차폐 유닛(40)은 동력측 샤프트(21)와 작업측 샤프트(22) 중 적어도 하나에 제공된다. 작업측 샤프트(22)에 제공되는 냉각부와 열차폐 유닛은 다음에 설명하는 냉각부(30) 및 열차폐 유닛(40)과 같은 구성으로 이루어진다.

도 3과 도 4를 참고하면, 냉각부(30)는 제1 간격(G1)을 두고 동력측 샤프트(21)를 둘러싸는 원통 모양의 케이스(31)와, 케이스(31) 내부의 밀폐된 공간(S)으로 냉각수를 공급하는 공급 포트(32)(도 1 참조)와, 사용된 냉각수를 배출하는 배출 포트(33)(도 1 참조)를 포함한다. 냉각부(30)는 축 방향을 따라 슬리브(10)와 거리를 두고 위치하며, 회전하는 동력측 샤프트(21)와 간섭이 일어나지 않도록 제1 간격(G1)을 유지한다.

케이스(31)는 슬리브와 마주하는 제1 파트(311)와, 제1 파트(311)의 일측에 연결되며 냉각수 수용을 위한 밀폐된 내부 공간(S)을 가지는 제2 파트(312)로 구성될 수 있다. 제2 파트(312)의 외경은 제1 파트(311)의 외경보다 크며, 냉각수를 수용하는 제2 파트(312)가 실질적인 냉각부로 기능한다.

제2 파트(312)의 일측에는 케이스(31)를 내화물에 고정시키기 위한 제1 플랜지(34)가 연결될 수 있고, 제1 플랜지(34)의 외측에 동력측 샤프트(21)와 구동장치를 결합시키기 위한 제2 플랜지(35)가 연결될 수 있다. 공급 포트(32)와 배출 포트(33)는 제1 플랜지(34)의 외측에서 제2 파트(312)에 결합될 수 있다.

동력측 샤프트(21)의 열은 제1 간격(G1)에 위치하는 공기층을 통해 냉각부(30)의 케이스(31)로 전달되고, 케이스(31)의 열은 밀폐된 내부 공간(S)의 냉각수로 전달되어 냉각수를 승온시킨다. 승온된 냉각수는 배출되고, 새로운 냉각수가 밀폐된 내부 공간(S)으로 공급되면서 동력측 샤프트(21)의 열을 지속적으로 흡수한다. 냉각부(30)는 이러한 방식으로 동력측 샤프트(21)를 냉각시킨다.

이때 슬리브(10)와 냉각부(30) 사이에 해당하는 동력측 샤프트(21)의 일부는 열처리로의 고온에 그대로 노출되어 있고, 냉각부(30)는 회전하는 동력측 샤프트(21)와의 간섭을 피하기 위해 동력측 샤프트(21)와 제1 간격(G1)을 두고 위치한다. 이러한 제1 간격(G1)을 통해 냉각부(30) 안쪽의 동력측 샤프트(21)로 복사열이 유입된다. 복사열은 온도의 4제곱에 비례하는 열전달 효과를 나타낸다.

열차폐 유닛(40)은 고온 단열재로서 슬리브(10)를 향한 제1 파트(311)의 일측 내부에 위치하며, 제1 간격(G1)보다 작은 제2 간격(G2)을 사이에 두고 동력측 샤프트(21)를 둘러싼다. 열차폐 유닛(40)은 냉각부(30) 안쪽의 동력측 샤프트(21)로 복사열이 유입되는 것을 차단한다.

도 5는 도 3에 도시한 허스롤 중 열차폐 유닛의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 열차폐 유닛의 분해 사시도이다.

도 3 내지 도 6을 참고하면, 열차폐 유닛(40)은 고리 모양의 섬유내화 단열재(41)와, 섬유내화 단열재(41)의 양면에 밀착된 한 쌍의 결합판(42, 43)과, 한 쌍의 결합판(42, 43)과 섬유내화 단열재(41)를 결합시키는 체결부(44)를 포함할 수 있다.

섬유내화 단열재(41)는 세라믹 울이나 유리섬유 등을 포함할 수 있고, 각종 화학성분을 녹여 이불솜 형태로 만든 후 고온고압 상태에서 압축하는 방법으로 제작될 수 있다. 섬유내화 단열재(41)는 외력이 가해졌을 때 휘어지는 특성을 가지며, 동력측 샤프트(21)가 휘어져 섬유내화 단열재(41)에 부딪히더라도 깨짐 없이 사용할 수 있다.

섬유내화 단열재(41)의 내경은 동력측 샤프트(21)의 외경에 제2 간격(G2)의 2배를 더한 크기이고, 섬유내화 단열재(41)의 외경은 제1 파트(311)의 외경보다 작다. 제2 간격(G2)은 대략 1mm 내지 2mm일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다.

섬유내화 단열재(41)가 접착제에 의해 제1 파트(311)에 부착되는 경우를 가정하면 쉽게 탈락될 수 있다. 이러한 탈락을 방지하기 위해 금속으로 제작된 한 쌍의 결합판(42, 43)과 체결부(44)가 제공된다. 한 쌍의 결합판(42, 43)은 원호(arc) 형태로 이루어져 섬유내화 단열재(41)의 일부면과 접촉할 수 있고, 섬유내화 단열재(41)를 사이에 두고 마주하도록 같은 위치에 제공된다.

체결부(44)는 스터드 핀(45)과 조임 너트(46)의 조합으로 이루어질 수 있다. 스터드 핀(45)은 단부에 형성된 나사산을 포함하며, 어느 하나의 결합판(42)과 섬유내화 단열재(41) 및 다른 하나의 결합판(43)을 순차적으로 관통한다. 조임 너트(46)는 다른 하나의 결합판(43) 외측에서 스터드 핀(45)의 단부에 체결되고, 한 쌍의 결합판(42, 43)과 섬유내화 단열재(41)를 가압하여 이들을 단단하게 조인다.

스터드 핀(45)과 조임 너트(46)는 섬유내화 단열재(41)의 둘레 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다. 체결부(44)는 스터드 핀(45)과 조임 너트(46)의 조합으로 한정되지 않으며, 한 쌍의 결합판(42, 43)과 섬유내화 단열재(41)에 기계적인 체결력을 부여할 수 있는 구성이면 모두 적용 가능하다.

도 7은 도 3에 도시한 허스롤 중 제1 파트의 내부를 도시한 사시도이다.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 제1 파트(311)의 내주면에는 고리 모양의 오목부(36)가 위치할 수 있고, 오목부(36)의 좌우측 양측에 오목부(36)의 둘레 방향을 따라 서로간 거리를 두고 복수의 체결홈(37)이 위치할 수 있다. 체결홈(37)은 제1 파트(311)의 축 방향을 따라 서로 마주하도록 한 쌍으로 구비된다.

오목부(36)의 폭은 한 쌍의 결합판(42, 43)과 섬유내화 단열재(41)의 두께를 더한 값에 대응하며, 체결홈(37)의 위치는 스터드 핀(45)의 헤드와 조임 너트(46)에 대응한다. 제1 파트(311)의 오목부(36)는 슬리브(10)와 마주하는 제1 파트(311)의 단부에 가깝게 위치하여 열차폐 유닛(40)이 제1 파트(311)의 입구측에 위치하도록 한다.

한 쌍의 결합판(42, 43)이 원호형으로 이루어져 섬유내화 단열재(41)의 일부면과 접촉하므로, 섬유내화 단열재(41)의 나머지 부분은 외력에 의해 쉽게 휘어질 수 있다. 섬유내화 단열재(41)의 일부가 외력에 의해 휘어지면 열차폐 유닛(40)이 제1 파트(311)의 내부로 진입할 수 있고, 한 쌍의 결합판(42, 43)이 제1 파트(311)의 오목부(36)에 끼워질 수 있다.

이 상태에서 열차폐 유닛(40)을 회전시키면 스터드 핀(45)의 헤드와 조임 너트(46)가 체결홈(37)에 걸리면서 제1 파트(311)와 열차폐 유닛(40)의 조립이 완성된다. 이때 섬유내화 단열재(41)의 내주면에는 복수의 홈(47)이 위치할 수 있고, 섬유내화 단열재(41)를 변형시킬 때 복수의 홈(47)에 의해 높은 자유도를 구현할 수 있다.

한 쌍의 결합판(42, 43)과 체결부(44)를 이용한 제1 파트(311)와 섬유내화 단열재(41)의 결합 구조는 섬유내화 단열재(41)의 탈락을 방지하면서 섬유내화 단열재(41)의 교체를 쉽게 하는 효과가 있다.

도 8은 비교예의 허스롤과 실시예의 허스롤에 있어서 샤프트의 온도 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 비교예는 샤프트에 열차폐 유닛이 없는 냉각부가 설치된 경우이고, 실시예는 샤프트에 열차폐 유닛과 냉각부가 같이 설치된 경우이다. 온도는 표면 온도를 나타낸다.

도 8을 참고하면, 비교예의 경우, 열처리로의 복사열이 냉각부의 안쪽으로 유입되므로 샤프트의 넓은 영역에서 높은 온도를 나타낸다. 반면 실시예의 경우, 섬유내화 단열재가 열처리로의 복사열 유입을 차단하므로 비교예보다 좁은 영역에서 높은 온도를 나타낸다. 결과적으로, 실시예가 비교예보다 넓은 영역에서 우수한 냉각 효과를 발휘하고 있음을 알 수 있다.

도 9는 비교예의 허스롤과 실시예의 허스롤에 있어서 샤프트와 슬리브의 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9를 참고하면, 비교예의 경우 슬리브의 온도가 약 1,000℃이고, 샤프트의 온도가 약 850℃이나, 실시예의 경우 슬리브의 온도가 약 990℃이고, 샤프트의 온도가 약 630℃인 것을 알 수 있다. 샤프트를 기준으로, 실시예가 비교예보다 약 26% 낮은 온도를 구현하고 있다.

본 실시예의 허스롤(100)은 열차폐 유닛(40)을 이용하여 냉각부(30) 안쪽의 샤프트(20)로 복사열 유입을 차단하고, 샤프트(20)의 냉각 효율을 높여 샤프트(20)의 휘어짐을 억제할 수 있다. 따라서 열처리로에 설치된 허스롤(100)의 교환 주기를 늘릴 수 있다. 전술한 열차폐 유닛(40)은 샤프트에 부딪히더라도 깨짐이 발생하지 않으며, 교체가 용이하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 허스롤 10: 슬리브
20: 샤프트 21: 동력측 샤프트
22: 작업측 샤프트 30: 냉각부
31: 케이스 32: 공급 포트
33: 배출 포트 36: 오목부
37: 체결홈 40: 열차폐 유닛
41: 섬유내화 단열재 42, 43: 결합판
44: 체결부 45: 스터드 핀
46: 조임 너트

Claims

스트립을 지지하는 중공형의 슬리브;
상기 슬리브의 양측 단부에 결합되며, 회전축을 이루는 한 쌍의 샤프트;
제1 간격을 두고 상기 한 쌍의 샤프트 각각을 둘러싸는 케이스와, 상기 케이스 내부의 밀폐된 공간으로 냉각수를 공급하고 사용된 냉각수를 배출하는 한 쌍의 포트를 포함하며, 축 방향을 따라 상기 슬리브와 이격된 한 쌍의 냉각부; 및
상기 슬리브와 마주하는 상기 케이스의 단부 내측에 교체 가능하게 결합되고, 상기 제1 간격보다 작은 제2 간격을 두고 상기 샤프트를 둘러싸는 원통 형상의 섬유내화 단열재를 포함하며, 상기 한 쌍의 냉각부 중 적어도 하나의 냉각부에 제공되는 열차폐 유닛
을 포함하는 열처리로의 허스롤.
제1항에 있어서,
상기 섬유내화 단열재는 세라믹 울과 유리섬유 중 적어도 하나를 포함하고, 외력에 의해 휘어지는 가요성을 가지며,
상기 섬유내화 단열재의 내주면에 상기 샤프트의 축 방향과 나란한 복수의 홈이 위치하여 외력에 의한 변형을 쉽게 하는 열처리로의 허스롤.
제1항에 있어서,
상기 열차폐 유닛은,
상기 섬유내화 단열재의 양면에 밀착된 한 쌍의 결합판과,
상기 섬유내화 단열재와 상기 한 쌍의 결합판을 체결시키는 체결부
를 더 포함하는 열처리로의 허스롤.
제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 결합판은 원호 모양으로 형성되어 상기 섬유내화 단열재의 일부면에 밀착되고,
상기 체결부는, 상기 한 쌍의 결합판과 상기 섬유내화 단열재를 관통하는 스터드 핀과, 어느 하나의 결합판의 외측에서 상기 스터드 핀의 단부에 체결된 조임 너트를 포함하는 열처리로의 허스롤.
제4항에 있어서,
상기 케이스의 단부 내주면에 고리 모양의 오목부가 위치하고, 상기 오목부의 둘레 방향을 따라 서로간 거리를 두고 복수의 체결홈이 상기 오목부의 양측에 연결 형성되는 열처리로의 허스롤.
제5항에 있어서,
상기 오목부의 폭은 상기 한 쌍의 결합판과 상기 섬유내화 단열재의 두께를 더한 값에 대응하고,
상기 복수의 체결홈은 상기 샤프트의 축 방향을 따라 서로 마주하도록 한 쌍으로 구비되는 열처리로의 허스롤.
제6항에 있어서,
상기 열차폐 유닛은 상기 섬유내화 단열재가 휘어진 상태에서 상기 케이스의 단부 내측으로 진입하고, 상기 한 쌍의 결합판과 상기 섬유내화 단열재가 상기 오목부에 끼워지며, 상기 열차폐 유닛의 회전에 의해 상기 스터드 핀의 헤드와 상기 조임 너트가 상기 체결홈에 걸릴 때 상기 케이스에 결합되는 열처리로의 허스롤.