KR20000032103A - 유도가열장치내의 슬라브 이송용 롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 유도가열장치에 사용되는 롤(roll)에 관한 것이며, 그 목적은 전자기 유도환경에서 슬라브와 롤간에 발생되는 스파크 세기를 크게 저감시키고자 함에 있다.

본 발명의 롤(30)은 그 내부가 중공상태인 몸체부(31)와, 상기 몸체부의 길이방향의 중심축으로 샤프트(32)를 구비하고, 상기 몸체부는 중앙부보다 양쪽 가장장리의 높이가 낮도록 단차가 형성되어 구성되며, 이러한 롤은 미니밀(mini-mill) 등에 설치되는 유도가열장치의 하부에 설치되어 코일의 내부로 통과하는 슬라브(3)를 이송하는 과정에서 슬라브와 롤 사이에 발생되는 스파크의 강도를 크게 저감시킬 수 있다.

Description

유도가열장치내의 슬라브 이송용 롤

본 발명은 고주파 유도가열장치에 사용되는 롤(roll)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기 유도환경에서 슬라브와 롤간에 발생되는 스파크 세기를 크게 저감시키는 롤에 관한 것이다.

보통 유도가열장치(inductive heater)는 금속의 용해 및 제련공정이나 연속주조공정에 이르기까지 폭넓게 사용되며, 특히 미니밀공장(mini-mill)에 많이 사용되고 있다. 미니밀의 경우 도1과 같이, 박슬라브연주기(2)를 빠져나와 탈스케일장치(descaler)(4) 및 압연유니트(reduction unit)(5)를 통과한 슬라브(3)의 온도를 상승시켜 권취박스(coil box)(6)에서 권취후, 사상압연기(7)에서 롤의 부하감소나 제품의 품질상 온도저하에 따른 결함을 방지하기 위해 유도가열장치(10)를 사용한다.

일반적으로 유도가열장치(10)에 의한 슬라브의 승온 원리는 금속의 용해 등에 사용되어 온 고주파 전자기장의 활용과 원리적으로 유사하다. 구체적으로 3상 변압기, 정류기, 인버터, 발진기용 커패시터 등으로 구성되며 최종적으로 온도제어 시스템의 제어로 수 kHz, 수천 A의 교류전류가 통전 가능한 유도가열로의 각 코일에 의하여 강력한 교류자기장을 발생시킨다. 이 교류자기장은 전자 유도로 각 코일을 통과하는 슬라브에 소용돌이 형태의 와전류를 야기시키고, 이때 발생한 막대한 크기의 와전류 에너지는 슬라브의 전기저항에 의하여 주울(Joule)열로 변환되며, 이 열에 의하여 슬라브를 가열하는 것이다.

도2는 상기한 유도가열장치의 일부 구성을 보이고 있다. 유도가열장치(10)는 보통 8개의 코일(12)과 상기 코일(12)의 내부를 통과한 슬라브(3)를 이송하기 위한 롤(20)을 포함한다. 상기 롤(20)에 대한 상세한 모습이 도3에 도시되어 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 유도가열장치에 사용되는 이송용 롤(20)은 내부가 중공상태인 몸체부(21)와, 상기 몸체부의 길이방향의 중심축으로 샤프트(22)를 구비하며, 슬라브의 열에 의해 몸체부의 온도가 올라가는 것을 방지하기 위하여 몸체부의 내부에는 냉각수가 흐른다.

그런데, 상기 유도가열장치에 의해 슬라브를 가열하는 경우 코일(12)의 내부를 통과한 슬라브(3)가 상기 이송용 롤(20)에 접촉하는 순간 강력한 스파크가 연속적으로 발생한다. 도4는 폭이 약 1350mm인 슬라브(3)가 상기 코일(12)의 내부를 통과했을 때 롤(20)과 접촉하는 순간 발생된 스파크의 양을 롤 길이에 따라 측정한 일례를 보이는 것으로서, 도4a는 슬라브측에서 측정한 경우를, 그리고 도4b는 롤 측에서 측정한 경우를 보이고 있다. 도4를 살펴보면, 롤의 가장자리에서 2개의 큰 와전류피크(peak)가 나타나며 중심부로 갈수록 급격히 감소하고 있음을 볼 수 있다. 즉, 도4에서와 같이, 슬라브와 롤 사이에 발생되는 스파크는 롤의 양측 가장자리 부근에서 슬라브와 롤에서의 유기된 전압(와전류밀도)의 차이로 인해 발생하며, 그 크기에 비례하여 강도도 커진다. 도4의 경우 스파크의 강도는 슬라브에서의 전류밀도와 롤에서의 그것을 뺀 것으로 표현될 수 있는데, 슬라브 측에서는 약 350A/㎠, 롤 측에서는 약 90A/㎠를 나타내고 있는 바, 스파크의 강도는 약 260A/㎠로서 중심부(거의 0)에 비하여 매우 큰 양임을 알 수 있다.

이러한 큰 양의 스파크 발생현상은 슬라브와 롤을 국부적으로 순간 용접하는 것과 같은 현상으로서 롤 표면의 마모 및 손상을 초래함과 동시에 슬라브 측에도 손상을 일으키며 슬라브에 생긴 자국은 사상압연으로도 제거 불가능하여 최종 제품의 가장자리 부위에 집중적으로 연속적인 결함을 남기게 되는 문제가 있다.

이러한 문제점은 고주파 대용량의 교류전력을 유도코일에 투입할 경우 코일에 의해 슬라브와 롤에 서로 다른 크기로 유기된 전압에 의하여 와전류의 흐름이 발생하기 때문에 일어난다. 즉, 슬라브와 롤이 접촉할 때 공기의 절연층을 파괴하여 높은 쪽에서 낮은 쪽으로의 흐름이 폭발적으로 일어나는 순간 스파크가 발생하며 그 때 발생되는 열로 슬라브와 롤이 용해되어 그 흔적이 결함으로 남게 되는 것이다. 일반적으로 이종의 두 도체에 유도된 전압의 차이가 공기의 절연파괴전압(24,000V/cm)이상이 되면 필수 불가결하게 스파크가 발생하게 된다. 따라서, 가열코일을 벗어난 슬라브와 이송용 롤이 접촉하는 위치에서 서로 다른 크기로 유기된 전압의 차를 극력 저감시키는 방안이 필요하다.

이렇게 유도된 전압을 저감시키는 방법으로는 슬라브와 롤간의 접촉면적을 크게 하는 방법 혹은 롤과 슬라브에서 유기된 전압의 차를 원척적으로 없애기 위하여 롤과 슬라브를 부분적으로 향상 접촉하도록 하는 이른바 등전위면을 구성시키는 방안이 있다. 이와 같은 방법은 슬라브와 롤이 접촉하는 계면전체 혹은 부분에 있어 슬라브 이동시 롤과 항상 완벽하게 접촉되도록 하는 것이 핵심이다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 사상압연의 전단계에서의 슬라브는 그 표면에 스케일이 묻어 있어 국부적으로 요철이 존재하는 등 경면상태가 아니므로 기계적인 방법으로 슬라브와 롤을 완벽하게 접촉시킬 수 있는 방법은 현상황에서 기술적으로 곤란하다. 또, 코일의 사양, 롤의 사양, 코일간의 거리, 스파크 발생의 100% 방지는 불가능하다.

본 발명은 전자기 유도환경에서 이종의 도체인 슬라브와 롤이 불규칙적으로 접촉될 때 발생하는 강력한 스파크로 인해 슬라브의 표면 가장자리 부근에 야기되는 결함 발생을 저감시키고자 함에 그 목적이 있다.

도1은 전체적인 미니밀 설비의 개략 구성도

도2는 도1의 유도가열장치의 일부 구성에 대한 상세도

도3은 도2의 이송용 롤의 정단면도

도4는 코일의 내부를 통과한 슬라브와 종래의 롤과의 순간접촉으로 발생된 스파크의 양을 롤 길이에 따라 측정한 그래프로서, 도4a는 슬라브측에서, 그리고 도4b는 롤 측에서 측정한 경우이다.

도5a는 본 발명의 이송용 롤의 정단면도이고, 도5b는 도4a의 일부 상세도

도6은 코일의 내부를 통과한 슬라브와 본 발명의 롤과의 순간접촉으로 발생된 스파크의 양을 롤 길이에 따라 측정한 그래프로서, 도6a는 슬라브측에서, 그리고 도6b는 롤 측에서 측정한 경우이다.

도7은 기존의 롤과 본 발명의 롤을 적용한 후 각 롤의 표면 상태를 보이는 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

3 ... 슬라브, 10 ... 유도가열장치, 12 ... 코일,

20, 30 ... 이송용 롤, 31 ... 롤 몸체부, 32 ... 샤프트,

33 ... 단차, 34 ... 지지대

본 발명은 코일과, 그 코일의 내부로 통과하는 슬라브를 이송하는 롤을 포함한 유도가열장치에 있어서,

상기 롤은 내부가 중공상태인 몸체부와, 상기 몸체부의 길이방향의 중심축으로 샤프트를 구비하며; 상기 몸체부는 중앙부보다 양쪽 가장장리의 높이가 낮도록 단차가 형성되어 있는 유도가열장치내의 이송용 롤에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

본 발명의 롤에 대한 정단면도인 도5a와 같이, 본 발명의 롤(30)은 그 내부가 중공상태인 몸체부(31)와, 상기 몸체부(31)의 길이방향의 중심축으로 샤프트(32)를 포함하여 구성된다.

상기 몸체부(31)는 중앙부보다 양쪽 가장장리의 높이가 낮도록 단차(33)가 형성되어 있으며, 바람직하게는 몸체부(31)에 단차가 발생되는 지점에서 몸체부와 샤프트사이에 디스크 형태의 지지대(34)가 형성되도록 하여 단차 발생으로 인한 롤의 강도를 보완하는 것이다.

상기 몸체부에 형성되는 단차는 롤의 길이와 슬라브의 폭에 따라 조정된다. 본 발명에 의한 이송용 롤의 단차가 적은 경우 스파크의 강도 저감효과가 적다. 반면 상기 단차가 큰 경우 오히려 이송되는 슬라브의 휨 발생이나 뒤틀림 등이 생겨 원활한 이송이 곤란할 수 있다. 따라서, 롤에 부여되는 단차는 롤의 길이와 슬라브의 폭을 고려하여 적절한 범위로 선정함이 필요한데, 예를들어, 통상적인 미니밀 등을 포함한 일반 제철소에서 생산되는 슬라브의 폭은 보통 970~1350mm의 범위를 갖는데, 만일 롤의 전체길이를 1500mm로 할 때 상기 단차는 롤의 몸체부 전체길이에 대하여 롤의 몸체부 가장자리에서부터 350~465mm의 범위에 걸쳐 형성함이 바람직하다.

이러한 본 발명의 롤 형상은 전자기 유도환경에 따른 대상체, 즉 슬라브, 롤 및 코일부에서의 전자기학적 상황변화를 수치해석적으로 예측 가능한 전산모사실험을 통하여 구한 것이다. 즉, 전자기적 환경에서 자기장 분포, 와전류의 분포 등을 3차원적으로 계산 가능한 Opera-3D라는 소프트웨어를 사용하여 각종 상황을 매개변수(parameter)로 전산모사 실험을 통해 롤과 슬라브간에 유도되는 와전류 크기의 차를 최소화하는 방향으로 롤의 형상을 제어한 것이다.

이와 같이, 본 발명의 롤은 적절한 국부적인 가공만을 통하여 롤과 슬라브에서 유기된 전압의 차를 저감시킬 수 있는 바, 이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 작용효과를 상세히 설명한다.

[실시예]

길이 1500mmL인 이송용 롤을 그 양측부로부터 약 420mm까지 선반으로 약 10~20mm 정도 가공하여 단차를 부여한 다음, 가공된 롤을 유도가열장치에 장착하고, 400mm x 380mm x 1900mm 크기(슬라브 통과부분의 크기는 약 400mm x 80mm x 1550mm)인 코일에 통전전류를 약 583A(주파수 5,630Hz), 통전전압을 약 3,000V를 인가하면서 폭 1350mm의 슬라브를 상기 코일 내부로 통판시켰다. 이때, 상기 가공롤을 사용하였을 때 발생되는 롤의 길이에 따른 와전류밀도를 측정하고, 그 결과를 도6에 나타내었다. 도6a는 슬라브와 롤이 접촉되는 순간 슬라브에서 측정된 와전류밀도의 변화를 나타내며, 도6b는 롤 측에서 측정된 와전류밀도의 변화를 보이고 있다.

도6a에서도 알 수 있듯이, 슬라브와 롤이 접촉되는 지점에서 슬라브와 롤 사이에 발생되는 스파크의 강도는 100A/㎠ (즉, 300-200A/㎠)로서 기존의 롤을 사용했을 때의 스파크의 강도(260A/㎠)보다도 약 2.6배가 감소하였다. 이때, 전류에너지에 의하여 발생되는 열량은 전류밀도비의 제곱에 비례하므로 이 전류차에 의한 순간 발열량은 기존의 롤에 비하여 약 6.8배가 감소되는 것으로 추정된다.

한편, 본 발명의 롤에 대한 실험결과를 검증하기 위하여 기존의 롤과 본 발명의 롤을 교대로 장착하여 현장실험을 행하고, 각 롤의 표면 상태를 도7에 나타내었다. 도7a는 약 1개월간 현장실험을 행한 기존의 롤 표면 상태이며, 도7b는 약 2개월간 현장실험을 행한 본 발명의 롤 표면 상태를 나타낸다.

도7에서도 알 수 있듯이, 본 발명의 롤 표면에는 슬라브와 접촉한 가장자리에서 스파크의 흔적을 거의 발견할 수 없으나, 기존의 롤에서는 사용시간이 적음에도 불구하고 오히려 심각한 스파크의 흔적이 발견되었다.

이와같이, 본 발명의 롤을 사용하면, 기존의 설비의 변경이나 개조없이도 슬라브와 롤 사이의 와전류밀도 크기 차이를 대폭 감소시켜 스파크 강도를 크게 저감시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 롤은 미니밀 등의 유도가열장치에 매우 유용한 설비로서, 특히 전자기 유도환경에서 이종의 도체인 슬라브와 롤이 불규칙적으로 접촉될 때 발생하는 강력한 스파크로 인해 슬라브의 표면 가장자리 부근에 야기되는 결함 발생을 저감시킬 수 있는 커다란 효과가 있다.

Claims (3)

1. 코일과, 그 코일의 내부로 통과하는 슬라브를 이송하는 롤을 포함한 유도가열장치에 있어서,

   상기 롤은 내부가 중공상태인 몸체부와, 상기 몸체부의 길이방향의 중심축으로 샤프트를 구비하며; 상기 몸체부는 중앙부보다 양쪽 가장장리의 높이가 낮도록 단차가 형성되어 있음을 특징으로 하는 유도가열장치내의 이송용 롤
2. 제1항에 있어서, 상기 슬라브의 폭이 970~1350mm의 범위이고 롤의 전체길이가 1500mm일 때 상기 단차는 롤의 몸체부 전체길이에 대하여 롤의 몸체부 가장자리에서부터 350~465mm의 범위에 걸쳐 형성함을 특징으로 하는 이송용 롤
3. 제1항에 있어서, 상기 단차가 발생되는 지점에서 롤의 몸체부와 샤프트 사이에 지지대가 형성됨을 특징으로 하는 이송용 롤