KR20010112335A - 균일한 냉간 스트립을 얻기 위한 표면 균일도 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필요에 따라 직접 또는 매개 롤을 통해 지지 롤에 지지되고, 조정 가능한 상부 및 하부 작업 롤(roll)을 갖는 적어도 2개의 롤 스탠드(roll stand) 또는 하나의 개별 스탠드(individual stand)를 포함하는 스트립 압연기를 사용한다. 이러한 스트립 압연기에서는 압연 스트립의 상태를 변경하기 위해 적어도 하나의 주물을 압연하여 압연 스트립을 압연하는 방법으로서, 미리 정해진 응력 목표 분포치 내지 임의의 불균일 목표 형태를 실제 응력 분포와 비교하고, 활용 가능한 기계적 또는 물리적 제어 요소를 사용하여 소정의 응력 분포 및 실제 응력 분포차가 가능한한 계속 줄어들도록 하며, 열간 스트립의 실제 응력 분포 외에도 열간 상태 스트립의 롤 갭 후단의 온도 분포를 폭 전체에 걸쳐 측정하고 이로부터 응력 분포를 계산하며, 응력 분포는 응력이 없다면 스트립의 냉각 후에 제어하고, 이와 같이 실제 응력을 불균일성 목표 형태와 비교하기 전에 실제 응력의 교정을 위해 온도로부터 유도되는 응력 분포를 활용한다.

Description

균일한 냉간 스트립을 얻기 위한 표면 균일도 제어 방법 {CONTROL OF SURFACE EVENNESS FOR OBTAINING EVEN COLD STRIP}

균일도를 제어함으로써 롤 갭(roll gap)의 윤곽이 조절되면, 스트립의 균일도 또는 의도된 불균일 형태를 유지하거나 얻을 수 있다. 그러나 여기서는 측정 대상이 열간 스트립(hot strip)의 응력 분포이고, 앞서 언급한 온도로부터 유도되는 응력(앞의 예에서는 25N/㎟ 이상)이 응력 분포에 포함되어 있다는 문제점이 있다. 즉 목표를 평면성(flatness)으로 하는 잘 알려져 있는 균일도 제어 또는 균일한 스트립을 위한 목표 함수는 열간 스트립의 경우 온도로부터 유도되는 응력도 제어할 것이다. 냉각 후 및 온도차 저감 후, 냉각된 스트립의 응력 크기를 온도로부터 유도된 응력에 상응하게 불균일 목표 형태에서 감산한다.

응력의 목표 분포치 또는 불균일성 목표 형태는 기존의 제품에서는 기존의 압연 방법 내지 특수 냉각 방법과 함께 원칙상, 냉각된 제품의 충분한 균일도를 유지하도록 미리 정할 수 있다. 필수 목표 함수 또는 불균일성 형태를 얻는 것은 각 제품마다 표본 추출과 함께 스트립을 디코일(decoil)하는 공정이기 때문에 비용이 물론 많이 든다.

롤 갭 후단의 열간 상태의 측정 가능한 균일도 및, 다양한 제품 및 압연 방법에 적합하게 냉각된 스트립의 다양한 냉간 불균일 형태 사이를 더 이상 구분할 필요가 없다면, 이는 공학적으로 만족할만하다.

1973년과 1975년 당시에는 응력 측정 롤러를 이용하여 스트립 응력을 직접 측정하는 것이 아직 개발되지 않았고 국부적인 스트립 연신의 후속 제어 또는 측정이 이루어지지 않았기 때문에, 스트립 온도 분포 자체를 측정하는 방법이 제안되었다(DE-A-2 349 611 및 DE-A-2 554 246). 이러한 방법들에서는 스트립 폭 전체에 걸친 온도차가 직접적으로 폭 전체에 걸친 변형율의 차이로 해석되고, 변형율의 차이는 다시 균일도 오류의 원인으로 해석된다. 스트립의 온도차가 이제 직접 냉각수단이 롤러상에 가하는 충격차로 환산됨으로써, 압연 윤곽(rolling contour) 뿐만 아니라 국부적인 변형율 역시 바뀌게 된다.

이 방법은 불완전한데, 적어도 온도 차이가 나타나는 것은 변형율 차이 때문만이 아니라 열에 의한 압연 프로파일(rolling profile), 냉각 윤활제 흐름의 차이 및 특히 감긴 상태의 스트립 에지에서 표면/체적의 상대적인 고(高)비율 등 다른 원인들이 있기 때문이기도 하다. 이로써 온도는 대개 스트립 에지쪽으로 갈수록 떨어진다. 이에 반해 철강 박판(thin strip)을 압연할 때의 변형율은 압연재가 롤러내에 삽입되므로 대개 스트립 에지에서 비교적 높다. 이에 불구하고 에지에서의온도는 앞서 언급한 효과 때문에 전체적으로는 비교적 낮다.

그 결과 특허 출원 DE-A-2 349 611 및 DE-A-2 554 246에 기재된 방법은 인정받지 못했고, 나중에 앞서 설명한 후속 제어를 포함하는 응력 분포의 직접 측정 방법으로 대체되었다. 여기서 이러한 제어 요소 중 하나는 또한 작업 롤의 냉각 수단의 양을 국부적으로 제어하기도 한다. 이로써 대개 롤러의 휨, 변위와 같은 다른 제어 요소 또는 팽창할 수 있는 롤러가 보상할 수 있는 잔여 오류를 최소화할 수 있다.

회사 인쇄물 "ABB Automation and Drives(서류번호 3BSE005258), 1994. 2. 17., 3쪽"에는 이 시점에서의 균일도 제어의 기술 상태가 다음과 같이 요약되어 있다.

1. 목표 균일도를 정함.

2. 스트립 균일도를 측정함.

3. 균일도 오류를 계산함

4. 영향을 미치는 함수를 이용한 모든 기계적인 롤 갭 제어 요소의 함수를 설명함.

5. 균일도에서의 오류를 제거하기 위해 영향을 미치는 함수들을 가능한 한 중복시킴.

6. 롤 갭을 조절하기 위해 롤 갭 제어 요소를 활용함.

7. 열로 작업 롤의 직경을 변화시킴으로써 롤 갭을 선택적으로 조정하기 위하여 국부적으로 조정 가능한 압연 냉각을 활용함.

이러한 종래 기술은 유럽 특허 EP 0850704 A1에서 개선되고 있다. 이 특허는 냉각 상태에서 균일한 스트립을 얻기 위해, 열간 스트립의 경우 스트립 길이 전체에 걸쳐 각기 다른 불균일 형태를 미리 정한다. 종래 기술에서는 냉각 상태에서 불균일한 스트립이 생기는 정확한 원인에 대해 전혀 언급하고 있지 않다. 다시 말해 앞서 언급한 바와 같이, 스트립의 폭 전체에 걸친 불균일한 온도 분포와 함께 작용하는 종래 기술에 상응하는 제어 방안 자체를 언급하고 있지 않다. 또한 단순한 사실("열간 스트립에서 각기 다른 불균일 형태") 이외에 이 문제를 해결하기 위한 방안에 대해서도 전혀 언급하고 있지 않다.

본 발명은 각각의 경우에 따라 조정 가능한 상부 및 하부 작업 롤(working rolls)을 가지는 적어도 2개의 롤 스탠드(roll stand) 또는 하나의 개별 스탠드(individual stand)를 포함하는 스트립 압연기(strip rolling mill)에서 압연 스트립(rolled strip)을 압연하기 위한 방법에 관한 것이다. 작업 롤은 경우에 따라 직접 또는 매개 롤(intermediate rolls)을 통해 지지 롤(support rolls)에 지지되고, 이 작업 롤에서 압연 스트립의 상태를 변경하기 위해 적어도 하나의 주물을 압연한다. 이 경우 압연 스트립용으로 응력 목표 분포(target distribution of stresses) 내지 임의의 불균일성 목표 형태(target form of unevenness)가 미리 정해져 실제 응력 분포와 비교되며, 소정의 응력 분포 및 실제 응력 분포의 차이를 가능한 한 계속 줄이기 위하여 활용 가능한 기계적 또는 물리적 제어 요소(control elements)를 사용한다.

냉간 압연된 스트립의 균일도 측정은 대개 스트립의 폭 전체에 걸친 응력의 실제 분포를 측정하는 균일도 측정 롤러를 이용하여 이루어진다. 측정은 보통 롤 스탠드의 출구면 상에서 이루어지는데, 평균 스트립 온도는 80℃ 내지 160℃ 사이이다. 이것은 알루미늄 또는 구리와 같은 다른 금속들의 경우에도 적절하다.

본 발명에 따르면 스트립 중앙 및 스트립 에지 사이의 온도 구배는 10℃ 내지 30℃이다. 도 1에서는 이를 위해 예를 들면 특수강을 가역 압연할 때의 측정 분포를 둘로 나누어 도시한다. 철강의 열팽창 계수가 약 1.2 ×10⁵/℃이고, 탄성 계수가 210000N/㎟ 인 경우, 냉간 압연된 철강 스트립에서 10℃ 정도의 온도차가 있으면 이미 약 25N/㎟의 응력차가 생긴다. 그러나 대개의 경우 스트립의 폭 전반에 걸친 응력차를 20N/㎟ 이하로 유지해야 한다. 균일도를 제어하지 않으면, 이와 같이 온도로부터 유도되는 응력은 최종 제품인 냉각된 스트립을 균일하게 만들지 못한다. 적어도 이 응력이 탄성 영역에 남아 있다면 균일하게 만들 수 없다.

본 발명의 목적은 균일도 제어 방법을 제공하여, 롤 갭 후단의 열간 상태에서 측정 가능한 균일도 및 다양한 제품과 압연 방법에 적합하게 냉각된 스트립의 다양한 냉간 불균일 형태를 더 이상 구분할 필요가 없게 하고, 열간 상태에서 동일한 균일도 형태 내지 불균일성 형태를 미리 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 열간 스트립의 실제 응력 분포 이외에 스트립의 폭 전체에 걸친 스트립 온도 분포를 파악하여 계산상으로 응력 분포를 측정함으로써 달성된다. 열간 상태의 스트립이 롤 갭 후단의 온도 분포를 갖고 응력이 없다면, 응력 분포는 스트립의 냉각 후 조절될 것이다. 또한 본 발명의 목적은 실제 응력을 불균일성 목표 형태와 비교하기 전에, 이처럼 온도로부터 유도되는 응력 분포를 실제 응력의 교정을 위해 활용함으로써 달성된다.

본 발명이 제안하는 방안이 지니는 이점은, 균일도에 대한 목표 함수를 적절하게 공식화할 수 있고, 냉각된 스트립의 최대 균일도를 직접적인 방법으로 달성할 수 있다는 데 있다. DE-A-2 349 611 및 DE-A-2 554 246의 의도와 달리 본 발명은 온도 측정을 불균일성과 직접 연관된 측정 대상(이 과제는 응력 측정 롤러가 떠맡는다)으로서 이용하지 않고, 불균일성 원인의 기술적 인식에 상응하게 열간 스트립에서 직접 측정 가능한 응력에 대한 보충 교정 대상으로서 활용한다. 그 결과 제어로 각각의 경우에 따라 적절하게 냉각되고 규정된 대로 균일도를 지닌 냉간 스트립을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 형태를 종속항에 제시한다.

본 발명을 도 2에 따라 설명한다. 스트립은 계산상으로는 이동 방향을 따라 박판으로 나누어지지만, 실제로 박판의 폭은 사용한 응력 측정 롤러가 정하는 대로 반드시 결정되지 않는다. 수많은 기술 형태에서 박판의 폭은 약 52㎜에 달하며, 대체로 냉각 거더(cooling girder)상의 노즐 피치(pitch)에도 상응한다. 각 박판(i)마다의 온도 신호로부터 평균 온도(T_i)를 측정한다. 제시한 실시예에서 온도 신호의 피치가 52㎜가 아니라면, 박판 피치상에 사전에 삽입이 이루어져야 한다. 또한 평균 온도(T_m)를 스트립의 폭 전체에 걸쳐 산출한다. 출구에서 박판 온도(T_Ai)와 평균 온도(T_Am)의 차이를 다음의 수학식 1에서 △T_Ai로 표시한다.

박판 온도값(△T_Ai)과 출구면 상에 있는 압연재의 열 팽창 계수(α)를 곱하여, 이 박판을 모든 박판의 평균 길이(L_Am)와 비교한 경우의 상대적인 길이 변화(△L_Ai/L_Am)를 다음의 수학식 2에서 구한다.

그러나 이 박판들이 서로 연관되므로 이러한 길이 변화를 감당할 수 없고, 응력하에 대략 평균 스트립 온도가 미리 정해진 길이(L_Am)로 유지된다. 따라서 박판과 연관된 이러한 응력을 다음의 수학식 3에서 나타낸다.

여기서, E는 압연재의 탄성 계수이다.

관례대로 응력은 양의 값을 가지고, 압축률은 음의 값을 가진다.

각각의 응력 구배를 열간 스트립의 제어 요소로 제어하는 경우, 냉각 스트립에 응력(σ_a)이 남는다.

다음의 수학식 4에서 온도에 좌우되는 재료값(α) 및 E는 음의 값을 가진다.

수학식 2 내지 수학식 4는 온도 피치를 응력 피치로 환산하기 위한 제1 근사값을 제공한다. 이는,

ㆍ 재료값(α)과 E는 완전히 온도에 의존하지는 않기 때문이고,

ㆍ 각각의 박판들은 평균 온도로 인해 미리 규정된 길이(L_m)로 완전히 되돌아가지 않고, 원칙상 약간 차이가 나는 길이(L_i≠L_m)로 유지되기 때문이다. 이로써 수학식 4에 따라 계산한 것보다 응력이 약간 감소하게 된다.

길이의 윤곽(L_i)을 계산하기 위해 선택할 수 있는 방법은, 소논문 "Thermal camber model for hot and cold rolling" 20쪽의 "Thermoelastic coupling" 장에서 실린더용 롤러에 대해 기술된 것과 비슷하다. 여기에서의 결과물인 실린더의 공식(26)에서, R이 대단히 커지면 반경 방향의 팽창 윤곽[R(z)]이 없어진다는 것을 알 수 있다. 이와 비슷하게 스트립의 길이(L_m)가 대단히 커지면 스트립의 세로 길이 윤곽(L_i)도 없어진다. 이로써 수학식 1 내지 수학식 4에 따라 실제로 충분히 계산된다.

열에 의해 유도되는 응력을 포함할 수 있는 경험적으로 측정되는 목표 함수와 비교할 때 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 이점들을 지닌다

냉각된 스트립의 검사 절차를 없애 열간 스트립의 경우 불균일 대상 측정이 상당히 간소화된다. 온도의 변동으로 인한 냉각 불균일성의 분산이 방지된다. 각기 다른 제품들의 경우 불균일 목표차가 줄어든다. 스트립을 위해 새로운 냉각 방법을 활용하는 경우, 불균일 목표에 맞출 필요가 없다. 지금까지 냉각할 때 압연되고 그 결과 각 주물을 크기에 맞게 하루에 걸쳐 냉각한 스트립을 전체 온도가 허용치를 넘지 않는 한 약간의 시간 간격을 두고 다시 압연할 수 있다. 여기서 새로운 방법을 통하여 불균일 목표는 주물들 간의 대기 시간에 좌우한다.

Claims (7)

1. 필요에 따라 직접 또는 매개 롤을 통해 지지 롤에 지지되고, 조정 가능한 상부 및 하부 작업 롤(roll)을 갖는 적어도 2개의 롤 스탠드(roll stand) 또는 하나의 개별 스탠드(individual stand)를 포함하는 스트립 압연기를 사용하여, 압연 스트립의 상태를 변경하기 위해 적어도 하나의 주물을 압연하여 압연 스트립을 압연하는 방법에서,

   미리 정해진 응력 목표 분포치 내지 임의의 불균일 목표 형태를 실제 응력 분포와 비교하고, 활용 가능한 기계적 또는 물리적 제어 요소를 사용하여 소정의 응력 분포 및 실제 응력 분포차가 가능한 한 계속 줄어들도록 하며,

   열간 스트립의 실제 응력 분포 외에도 열간 상태 스트립의 롤 갭 후단의 온도 분포를 폭 전체에 걸쳐 측정하고 이로부터 응력 분포를 계산하며, 상기 응력 분포는 응력이 없다면 스트립의 냉각 후에 제어하고,

   상기와 같이 실제 응력을 불균일성 목표 형태와 비교하기 전에 실제 응력의 교정을 위해 온도로부터 유도되는 상기 응력 분포를 활용하는 압연 방법.
2. 제1항에서,

   온도로부터 유도되는 상기 응력 분포를 실제 응력 분포로부터 감산하고, 상기 감산된 응력 분포를 불균일 목표 형태와 비교하며, 그 차이를 산출하여 상기 차이가 가능한 한 계속 줄어들도록, 활용 가능한 상기 기계적 또는 물리적 제어 요소를 사용하는 압연 방법.
3. 제1항에서,

   온도로부터 유도되는 상기 응력 분포를 불균일 목표 형태에 추가하고, 실제로 측정된 균일도 분포를 상기 분포 총계와 비교하여 그 차이를 산출하고, 상기 차이가 가능한 한 계속 줄어들도록, 활용 가능한 상기 기계적 또는 물리적 제어 요소를 사용하는 압연 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

   균일도 제어에 대한 여러가지 면을 기술 공학적으로 절충하기 위하여, 온도로부터 유도되는 상기 응력 분포를 가공하기 전에 보강 인수(strengthening factor)로 계속하여 곱하는 압연 방법.
5. 제4항에서,

   공학적 프로파일 가중치(profile weighting)의 의미에서 상기 보강 인수가 각각의 박판(thin strip)에 따라 서로 다른 값을 지니는 압연 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

   상기 롤 갭 후단의 스트립 온도 분포를 바람직하게는 접촉 없이 계측 공학적으로 측정하는 압연 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

   상기 롤 갭 후단의 스트립 온도 분포를 계산 모델(calculating model)로부터 유도하는 압연 방법.