KR20000045531A - 선재 표면의 겹침흠 발생을 방지하기 위한 공형압연시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선재압연공정의 조압연 라인(Rough Rolling Line)에서 최소의 단면 감면율하에서 최종 제품표면의 겹침흠(Folding Defects)을 방지하도록 구성한 공형 압연 시스템에 관한 것으로, 가열로에서 추출된 빌레트의 공형 압연시 압연 선재 표면의 겹침흠을 제거하기 위해 1번 스탠드 및 2번 스탠드의 압연롤을 각각 (2-R) 타원형(Double Radius Oval) 공형롤로 구성하는 것을 특징으로 하며, 1번 스탠드 압연롤의 공형과 2번 스탠드 압연롤의 공형의 곡률 반경비(P₂/P₁)가 0.65 ∼0.80 이며, 구석 반경비(R₂/R₁)는 0.9∼1.0 인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 압연 선재의 겹침흠의 발생을 방지할 수 있어서 표면흠이 없는 선재 제품을 제조할 수 있다.

Description

선재 표면의 겹침흠 발생을 방지하기 위한 공형압연시스템

본 발명은 선재압연공정의 조압연 라인(rough rolling line)에서 최소의 단면 감면율하에서 최종 제품표면의 겸침흠을 방지하도록 구성한 공형 압연 시스템에 관한 것이다.

선재 압연은 열간압연 상태에서 빌레트(billet)를 수십개의 압연 스탠드를 거치면서 원하는 형상으로 만들어 내는 연속압연공정이다.

그러나 일반적인 판 압연 공정과는 달리 각 스탠드(패스)별로 압연롤의 형상이 일정하지 않고, 압연시 폭방향으로 소재의 유동이 허용된다.

세계 각국에서 실시되고 있는 일반적인 선재 압연방법은 타원형-원형(oval-round)패스이고, 그밖에 정사각형-마름모형(square-diamond) 패스, 마름모형-마름모형(diamond-diamond) 패스등도 있다.

빌레트(billet)가 가열로에서 나와 1번 스탠드의 상자형상의 압연롤에서 제일 처음 압연되고, 그 다음 2번 스탠드의 타원형 패스(oval pass)에서 압연되고, 3번 스탠드의 원형 패스(round pass)에서 압연되고, 그후는 타원형-원형 패스가 반복된다.

도 1 은 압연롤의 상자형(box), 타원형(oval) 그리고 원형(round) 공형(caliber)들을 보여주고 있다. 예를들면 현재 포철(주)의 1,2,3 선재 공장들이 모두 이 압연 방법에 따라서 선재 제품을 생산하고 있어서, 120 각 또는 160 각의 빌레트를 원형-타원형(round-oval)패스의 압연을 거쳐서 단면 형상이 둥근 선재 제품으로 제조하고 있다.

도 2 에서는 압연전의 빌레트 단면과 1번 스탠드에서의 상자형 공형의 중첩(overlap) 형상을 보여주고 있다. 가열로를 빠져나온 빌레트는 1 번 스탠드에서의 상자형 공형과 2 번 스탠드의 타원형 공형의 압연을 거쳐서 3 번 스탠드의 원형 패스 이후부터는 원형-타원형 패스가 반복되면서 최종제품 크기별로 다른수의 스탠드를 거치면서 원하는 단면 크기의 최종 제품을 생산하게 된다.

도 3 에서는 1번 스탠드의 상자형 압연 패스 이후의 소재의 단면과 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형(Double Radius Oval) 공형 단면을 과정별로 중첩하여 도시하고 있는데, 첫 번째 단계는 1번 스탠드의 상자형 패스를 거친 소재가 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 공형 패스를 거치기 전의 중간 형태이고, 세 번째 단계는 2-R 타원형 공형 패스를 거친 최종 형태이다.

도 3 이 압연중 소재가 변형되지 않는 것을 나타낸 반면에, 도 4는 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 패스 압연중 소재가 변형되고 있는 상태를 나타내고 있다. 도 4의 첫 번째 단계는 1 번 스탠드의 상자형 패스를 거친 소재가 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 공형에 치입되는 상태를 도시한 것이고, 두 번째 단계는 소재가 압연되는 중에 공형의 롤갭(roll gap) 쪽에서 소재의 자유표면이 벌징(폭협소:bulging)되고 있는 상태를 보여주고 있으며, 세 번째 단계는 (2-R) 타원형 패스 압연의 마지막 단계에서 여전히 벌징(bulging)이 생기고 있는 모습을 보여주고 있다. 세 번째 단계에서 압연된 형상이 3번 스탠드의 원형 패스(round pass)로 들어가서 둥근 형상으로 압연된다.

도 5는 실제 압연시 2 번 스탠드의 타원형 패스를 거친 소재 단면 형상을 도시하고 있다.

도 6은 3 번 스탠드의 원형 패스에서의 압연과정을 나타내고 있는데, 첫 번째 단계는 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 패스를 거친 소재가 원형 공형에 치입되는 순간을 나타내고, 두 번째 단계는 그 중간 과정을 나타내며, 세 번째 단계는 롤 부위에 겹침흠(folding defects)이 생기는 모습을 보여준다.

이 겹침흠은 벌징 부위의 모서리(edge) 부분 소재가 롤 갭 방향으로 유동하지 못하고 롤 머리부(roll head) 쪽으로 유동하면서 일어난다. 이 겹침홈은 최종제품 생산후 제품의 한 부분을 절단해서 압축시험을 하면 소재 표면에 균열이 발생되는 것을 확인함으로써 알 수 있다.

따라서, 이와같은 겹침흠이 발생하는 것을 해결하는 방법으로 1 번 및 2 번 스탠드에서 단면감면율을 많이 주면 되나, 1 번과 2번 스탠드의 구동력(motor power)의 한계 때문에 단면 감면률을 많이 주는데에는 표 1 에 나타낸 바와 같이 한계가 있다.

표 1 은 각공장별 1번 및 2 번 스탠드의 단면감면율을 비교하여 나타낸 것이다.

압연 스탠드	공 장
	1 선재	2 선재	3 선재
1번스탠드(상자형)	24.9%	18.8%	21.3%
2번스탠드(타원형)	29.3%	14.6%	26.9%

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 1,2 번 스탠드에서의 단면 감면률이 제한되어 소재의 자유표면에 벌징이 생겨서 3 번 스탠드의 원형 패스에서 압연될 때 소재에 겹침흠이 발생하는 것을 방지하고 궁극적으로는 표면흠이 없는 선재 제품을 제조하는 공형 압연 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 공형의 여러 형상을 도시한 도면,

도 2 는 압연전 상자형 공형과 빌레트를 도시한 도면,

도 3 은 변형되지 않은 소재를 바탕으로 한 (2-R)타원형(Double Radius Oval) 공형의 압연 과정을 도시한 도면,

도 4 는 변형되는 소재를 바탕으로 한 (2-R) 타원형 공형의 압연 과정을 도시한 도면,

도 5 는 2번 스탠드 출측 소재의 단면 형상을 도시한 도면,

도 6 은 변형되는 소재를 바탕으로 한 원형 공형의 압연 과정을 도시한 도면,

도 7 은 변형되는 소재를 바탕으로 한 (2-R) 타원형 공형의 압연 과정과 응력 상태를 도시한 도면,

도 8 은 본 발명이 적용된 1번 스탠드 및 2번 스탠드 압연롤의 (2-R) 타원형 공형을 도시한 도면이다.

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 가열로에서 추출된 빌레트의 공형 압연시 압연 선재 표면의 겹침흠을 제거하기 위해 1번 스탠드 및 2번 스탠드의 압연롤을 각각 (2-R)(Double-Radius) 타원형(Oval) 공형롤로 구성하는 것을 특징으로 하는 공형 압연 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에서 1번 스탠드 압연롤의 공형과 2번 스탠드 압연롤의 공형의 곡률 반경비(P₂/P₁)가 0.65 ∼0.80 이며, 구석 반경비(R₂/R₁)는 0.9∼1.0 인 것이 바람직하다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 7 에서는 상자형 압연 패스에 이은 (2-R) 타원형 압연 패스에서 소재의 자유표면에 벌징(bulging)이 발생되는 현상을 이론적으로 해석하기 위하여 (2-R) 타원형 압연 과정에서의 응력 상태를 압연 과정별로 간략히 나타내었다.

도 7 에서 첫 번째 단계를 보면 1 번 상자형 패스 이후의 소재의 단면이 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 공형에 치입되는 순간부터 양옆의 요소(element)에는 수평과 수직 방향으로 압축력이 걸리고, 중앙의 요소(element)에는 수평방향으로는 압축력이 수직방향으로는 인장력이 걸리게 된다.

그 이유는 도면에도 나타낸 바와 같이 압연초기에 소재 중앙부위의 자유표면과 롤 머리부는 떨어져 있으며, 이 소재 중앙부위의 자유표면과 롤 머리부의 격차 때문에 소재 양옆의 자유표면에서는 소재가 일정하게 퍼져나가지 못해서 벌징(=폭협소)이 생기는 원인을 제공하게 된다. 그래서 도 7 의 두 번째 단계에 나타낸 바와 같은 소재 형상이 생성되게 된다.

도 7 의 두 번째 단계에서는 공형의 머리부와 소재의 위쪽면이 모두 접촉하고 있으므로 양옆과 중앙의 요소(element)에서는 수직방향으로는 압축력이 걸리고 수평방향으로는 인장력이 걸리고 있다. 중앙의 요소에서 보면 수직 및 수평방향으로는 응력의 방향이 바뀌었고 양옆의 요소(element)에서는 수평방향으로의 응력의 방향이 바뀌었다.

압연이 계속되면서 소재는 양옆으로 더 퍼져나가지만 형성된 벌징(bulging)은 중앙의 요소(element)에서 보면 수직방향 압축응력이 양옆의 요소에서의 수직방향 압축응력보다 작으므로 크게 개선되지는 않는다.

도 7 의 세 번째 단계는 2번 스탠드의 (2-R) 타원형 패스의 최종 단계의 압연 상태를 나타내고 있다. 소재내의 응력상태는 두 번째 단계의 상태와 비슷하나 압축 및 인장응력이 두 번째 단계의 경우와 비교해서 모두 증가된 상태이다.

여기서 하나 주의해야 할 것은 롤 갭(roll gap)을 줄여주면 자유표면의 벌징은 해소된다는 사실이다.

그러나 2 선재 공장의 1번 스탠드의 단면 감면률(18.8%)과 2 번 스탠드의 단면감면률(14.6%)의 한계를 고려하면 상기의 상자형-타원형 패스에서 공형설계 변경만으로는 겹침흠이 제거되지 않는다.

여기서 벌징(bulging)의 정도를 나타내는 변수(parameter)를 "δ" 라고 정의하고 도 7 에 나타내었는데, "δ"가 영(zero)에 가까우면 이상적인 압연 공정이 되고, 다음 원형 패스에서 겹침흠이 생기지 아니할 수 있다.

따라서, 겹침흠 문제에 대한 근본적인 해결책은 도 8에 도시한 바와 같이 1,2번 스탠드의 상자형-타원형의 공형롤 조합을, (2-R) 타원형(Double Radius Oval) - (2-R) 타원형 공형롤의 조합으로 공형압연 시스템을 구성하여 압연을 실시하는 것이다.

상자형 - (2-R) 타원형 패스의 근본적인 문제는 상자형 공형과 타원형 공형의 곡률 반경비(ratio of radius of curvature)(=P₂/P₁)가 아주 큰 값(100 이상)이라는 사실이다.

본 발명에서 제안한 (2-R) 타원형 - (2-R) 타원형 공형롤 조합에 의한 압연의 경우, 곡률 반경비(=P₂/P₁)가 0.70 이므로 2 번 스탠드의 (2-R) 타원형 패스 압연에서 벌징(bulging)이 생기지 않는다.

본 발명에서 제안한 (2-R) 타원형 - (2-R) 타원형 공형롤 조합에 의한 압연의 경우 2 번 스탠드 압연 이후의 소재 단면 형상이 소재 양쪽의 자유표면에 벌징(bulging)이 발생되지 않는 형상이다.

만약 곡률 반경비가 0.80 보다 크면 (2-R) 타원형-(2-R) 타원형 공형롤의 조합에 의한 압연시 2번 스탠드 압연후 소재 양쪽의 자유 표면에 벌징이 발생하기 시작한다. 곡률 반경비가 1.0 이 되면 롤과 소재의 접촉이 이상적이므로 양호한 자유표면을 얻을 수 있겠지만, 이 경우에는 1 번 스탠드의 단면 감면률을 25% 이상 주어야 한다. 따라서, 곡률반경비는 0.65∼0.80의 범위로 함이 바람직하다.

한편 (2-R) 타원형 - (2-R) 타원형 공형롤 조합의 압연 시스템의 공형에서 구석 반경비(R₂/R₁)도 벌징(bluging) 형성에 중요한 역활을 한다(여기에서 R₁은 1번 스탠드 공형롤의 (2-R) 타원형 공형의 구석반경이며, R₂는 2번 스탠드 공형롤의 (2-R) 타원형 공형의 구석반경이다).

R₂/R₁을 1.0보다 크게 하면 소재의 모서리 부위로의 유동을 억제시킴으로써 2 번 스탠드 압연후 소재의 자유표면에 벌징이 발생하는 것을 방지하는 것이 곤란하다. 또한, R₂/R₁이 0.9 보다 작으면 벌징 발생의 가능성이 크다. 따라서, 구석반경비(R₂/R₁)는 0.9∼1.0 으로 함이 바람직하다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예

표 2 에는 본 발명의 1번 스탠드와 2번 스탠드의 롤을 (2-R) 타원형(Double-Radius Oval) 공형롤로 각각 구성한 압연시스템에서의 압연공정을 공형압연 시험기로 시험한 결과를 나타내었다.

(2-R)타원형 - (2-R)타원형 공형롤 조합의 공형의 설계변수를 여러 경우로 바꾸면서 시험을 수행하여 곡률반경비 (P₂/P₁)와 벌징 변수(δ)의 상관관계를 구했다.

구 분	곡률반경비(P2/P1)	벌징변수(δ)(㎜)
비교예 1	100.0	5.1
비교예 2	10.0	3.2
비교예 3	1.0	1.5
발명예	0.70	0.4

시험 결과, 2 번 스탠드의 단면감면률이 15.0% 이하로 제한되고 있는 조건에서는 곡률 반경비(P₂/P₁)=0.70 이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면 1,2 번 스탠드에서의 단면감면률이 제한되어 있기 때문에 소재의 자유표면에 벌징(bulging)이 생겨서 3 번 스탠드 원형 패스에서 압연될 때 소재에 겹침흠이 발생하는 것을 방지할 수 있어서 표면흠이 없는 선재 제품을 제조할 수 있다.

Claims (2)

1. 가열로에서 추출된 빌레트의 공형 압연시 압연 선재 표면의 겹침흠 발생을 방지하기 위해 1번 스탠드 및 2번 스탠드의 압연롤을 각각 (2-R) 타원형 (Double Radius Oval) 공형롤로 구성하는 것을 특징으로 하는 공형 압연 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 1번 스탠드 압연롤의 공형과 2번 스탠드 압연롤의 공형의 곡률 반경비(P₂/P₁)가 0.65 ∼0.80 이며, 구석 반경비(R₂/R₁)는 0.9∼1.0 인 것을 특징으로 하는 공형 압연 시스템.