KR20030009664A - 열연코일의 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉연코일의 제조공기를 단축하기 위한 열연코일의 강제 냉각방법에 관한 것으로, 그 목적은 냉각시간을 4일에서 1일로 단축하면서도 냉각생산성의 저하 및 과냉각의 문제를 해결할 수 있는 냉각방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열간압연한 강판을 열연코일로 권취하고 냉각하는 방법에 있어서,

상기 권취한 열연코일을 다수개 정렬하는 단계 및,

정렬된 각 열연코일의 양 측면의 하측부에 근접하여 설치된 노즐로 코일 각 측면의 상측부에 냉각수를 분사하여 냉각하는 단계를 포함하여 구성되는 열연코일의 냉각방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

열연코일의 냉각방법{Cooling method for hot rolled coil}

본 발명은 냉연코일의 제조공기를 단축하기 위한 열연코일의 강제 냉각방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열연코일의 양측면에 냉각수를 분사하여 급속냉각하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 열간압연된 열연코일은 고온상태(약 540-720℃)로 권취되어 상온까지 냉각된 후 산세, 냉간압연, 소둔의 과정을 거쳐 냉연코일로 만들어지게 된다. 고온상태에서 권취된 열연코일은 다음공정인 산세공정으로 투입되기 전 산세공정의 특성으로 인하여 상온까지 냉각되어야 한다.

종래에는 열연코일을 권취한 후 컨베이어와 크레인으로 운반하여 냉각장의 바닥에 적치하고 자연공랭으로 상온까지 냉각하였다. 열연코일은 내경이 약762mmm, 외경이 1,600-2,050mm이고 폭이 550-1,990mm로 단중이 크기 때문에 공기에 의한 자연공랭에는 많은 시간이 소요된다. 자연공랭에 의하여 열연코일을 상온까지 냉각하는데는 동절기 3일, 하절기 4일 정도의 기간이 소요된다. 이러한 장시간의 냉각기간 소요로 냉연코일의 제조공기가 길어지는 문제를 해결하기 위하여, 침적냉각방법(도 1) 또는 에어냉각방법(도 2)이 알려져 있다.

침적냉각방식은 도 1에 나타나 있듯이, 고온의 열연코일(11)을 수조(14)의 냉각수에 완전히 침수시켜 냉각하는 방식으로 열연코일의 냉각시간을 4시간 이내로 획기적으로 단축시킬 수 있는 방법이다.

이 기술은 우수한 냉각효과에도 불구하고 냉각생산성 저하, 고중량 (Max.35TON) 열연코일의 물류이동 부하증가, 과냉각 및 급속한 냉각으로 인한 제품 품질저하 등의 문제가 있다. 이러한 연유로 인해 납기 긴급재 등의 일부 열연코일에 제한적으로 사용되고 있다. 일반적으로 열연공장에서 약70-180초 간격으로 생산되는 열연코일을 침적냉각하기 위해서는 넓은 면적의 수조가 필요하나 제한된 공간으로 인하여 대개 동시에 5-10코일 정도 침적시킬 수 있는 좁은 면적만 설치운영되고 있다. 따라서, 냉각생산성이 떨어질 뿐 아니라 계속된 사용으로 탁해진 냉각수로 인하여 고중량의 열연코일을 수조 안으로 넣었다 빼는 크레인 작업이 어렵고 안전사고 발생의 위험성이 높다.

또한, 침적냉각방식에서는 산세투입전 코일의 잠열에 의한 물기증발을 위해80~100℃ 근처에서 냉각중인 코일을 냉각수조 밖으로 빼내어야 하나 이러한 작업이 어렵고 항상 크레인이 대기하고 있을 수 없으므로 80℃이하로 과냉각되는 코일이 발생한다. 과냉각된 코일은 잠열부족으로 코일표면 및 내부에 침투한 물기증발이 불량하여 산세투입전 대기하는 동안 산화층이 형성되어 산세과정에서 산화층 제거를 위한 산세시간이 길어져 원가가 상승하고 생산성이 떨어지는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 물기 있는 코일은 산세투입이 불가능하므로 산세투입전 물기증발을 위한 별도의 과정이 필요하다. 또한, 침적냉각방식에서는 냉연제품의 품질저하 문제가 있다. 코일표면은 물과 접촉하고 내부는 접촉하지 않음으로서 코일내부와 외부의 냉각속도는 크게 차이가 난다. 이러한 냉각속도의 차이로 인하여 코일 전체에 인장 및 압축 잔류응력이 존재하고 고온에서 잔류응력이 강판의 항복응력을 초과하여 강판을 변형시킨다. 평평한 열연강판이 변형되어 최종냉연제품의 형상불량을 일으킨다.

에어냉각방법의 대표적인 기술로는 일본 특허공개공보 평9-171890호가 있다. 이 기술은 도 2에 나타나 있듯이, 열연코일(11)을 일렬로 정렬하고 대형 팬(15)으로 에어를 일렬로 늘어선 열연코일의 양쪽 측면에서 강제송풍하여 냉각하는 방식으로, 코일 표면풍속 3m/s에서 약 30%정도의 냉각시간 감소의 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 냉각시간이 많이 필요하다. 고온의 열연코일의 표면에 바람을 부는 경우 200℃까지는 빨리 냉각되나 200℃에서 100℃이하까지 냉각에는 상당한 시간이 소요되어 자연공랭대비 1일정도 단축하는 효과가 있을 뿐이다.

본 발명은 냉각시간을 획기적으로 단축하면서도 냉연제품의 품질저하 및 냉각생산성 저하를 방지하고, 과냉각의 문제를 해결할 수 있는 냉각방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 침적냉각방법의 개략도

도 2는 종래의 에어냉각방법의 개략도

도 3은 본 발명의 수냉각방법의 개략도

도 4는 본 발명의 수냉각설비의 개략도

도 5는 본 발명의 수냉각 제어 설비의 개략도

도 6은 본 발명의 냉각방법에 따른 열연코일의 온도를 나타내는 그래프

도 7은 냉각방법별 냉각효과를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11.....열연코일 14.....수조

15..... 팬 21.....수동밸브

22.....냉각수배관 23..... 솔레노이드 밸브

24.....피드펌프 26..... 필터

28.....자동밸브 29.....에어라인

32.....코일냉각대 34.....스키드

36.....냉각수배관 38.....노즐

42, 44..... 집수로 46..... 집수조

48..... 배수펌프 49.....스케일 피트

50.....수냉제어 PLC 60..... 자동화시스템의 지상국

70.....차상국 시스템 80.....운전실

90.....운전판넬

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열연코일 냉각방법은, 열연공장에서 열간압연하여 권취한 열연코일을 다수개 정렬하는 단계 및,

정렬된 각 열연코일의 양 측면의 하측부에 근접하여 설치된 노즐로 코일 각 측면의 상측부에 냉각수를 분사하여 냉각하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 먼저, 권취한 열연코일을 다수개 정렬한다. 바람직하게는 권취한 열연코일을 이송설비에 의해 냉각대 1열당 10~15개 정렬한다. 이때, 정렬되는 열연코일은 최초 정렬코일과 최후 정렬코일의 권취시간의 차이를 2시간이내로 한다.

정렬된 각 열연코일의 양측면의 상부에 냉각수를 분사하여 코일을 냉각한다. 냉각수를 코일의 양쪽 측면에 중공의 내경과 외경이 이루는 영역중에서 코일의 하단으로부터 1/3이상의 상부에 고르게 분사한다. 본 발명에서는 코일에 냉각수를 분사하여 최대의 냉각효과를 얻기 위하여서는 냉각수가 코일 외권부 방향(열전도가 느림) 보다는 코일 폭 방향 측면부(열전도가 빠름)에 고르게 분사되어야 냉각효과가 크다는 연구결과에 의해 밝혀 낸 것이다. 코일의 측면부에서도 코일의 내경과 외경이 이루는 영역 즉, 코일의 내경 중공부에는 냉각수를 분사하지 않는 것이 효과적이다. 또한, 이 영역에서도 코일의 하단으로부터 1/3이상의 상부에 분사하는 것이 바람직하다. 코일의 하단부는 직접 냉각수를 분사하지 않아도 코일 외권부 곡면에 의해 자연히 냉각수에 접촉되어지며 또한 코일 내권부까지 냉각수가 스며들어 냉각의 효과를 높인다. 반면 코일 하단부에 노즐각도를 맞추면 코일상부의 냉각수 접촉면이 불량하여 냉각효과가 떨어진다.

본 발명에 따라 코일 내경과 외경이 이루는 영역중에서 코일의 하단으로부터 1/3이상의 상부에 분사하여 코일측면 전체에 냉각수가 고르게 접촉되게 하기 위해서는 노즐의 설정위치와 설치각도를 조절하는 것이 바람직하다. 도 3(c)에서 알 수 있듯이, 코일의 중심으로부터 코일의 반지름(r) 거리의 지점에(a)서 5/4r지점(b)의 이루는 좌측영역과 우측영역에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 코일의 좌측영역과 우측영역에 각 1개식, 양측에 2개씩 1코일당 총 4개의 노즐을 설치하는 것이 권장된다. 또한, 노즐설치 각도는 코일과 지면과의 이루는 각도 (θ1, y축과 z축의 각도)와, 냉각수배관에서 코일쪽으로 이동한 각도(θ2, x축과 y축이 이루는 각도)는 각각 75±5˚가 되도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한 노즐의 분사각도 (θ3)는 분사각도는 35~40˚가 되도록 하여 코일측면 전체에 냉각수가 고르게 분사될 수 있도록 한다. 이러한 분사각도로 냉각수를 분사할 수 있는 노즐로는 풀콘 타입(Full Cone Type)노즐이 있다.

본 발명에 따라 열연코일에 냉각수를 분사하여 냉각하는 경우에는 도 6에서 알 수 있듯이, 냉각개시 후 코일을 100℃까지 떨어지는데 약 5시간 정도 소요된다. 따라서, 다수개의 코일을 일렬로 정렬하여 냉각할 때 동일 냉각열의 모든 코일을 목표 냉각온도인 80-100℃로 냉각하기 위해서는 최초 정렬코일과 최후 정렬코일의 권취시간의 차이를 2시간 이내로 하는 것이 바람직하다. 코일의 정렬은 도 3(a)에 제시되어 있듯이, 일정간격을 유지하여 일단으로 일렬로 정렬하는 것이 좋다.

고온의 열연코일을 목표온도로 냉각하도록 노즐에 의해 냉각수를 분사하는데, 이때 냉각수는 코일당 약 16~20ℓ/min 분사하는 것이 바람직하다. 냉각수 분사량이 16ℓ/min 이하이면 최초 냉각개시 후 수시간 동안 고온의 코일표면에 냉각수가 붙지않아 냉각효과가 저하되며, 20ℓ/min 이상이면 수냉개시 후 냉각초기 효과는 좋지만 효과가 그다지 높지 않아 결국 냉각수 비용만 늘어나게 된다.

본 발명의 열연코일 냉각설비를 도 3, 도 4를 통해 설명한다.

본 발명의 열연코일 냉각설비는, 냉각수 공급부, 냉각부, 냉각수 집배수부로 구성된다.

상기 냉각수 공급부는 냉각수를 이송하는 냉각수 배관(22), 냉각수의 공급압을 조절하는 피드 펌프(24), 냉각노즐의 구멍막힘을 방지하기 위한 필터(26), 자동밸브(28)로 구성되어 냉각수를 노즐로 공급한다. 피드펌프(24)는 냉각수를 약 3-4kgf/cm²으로 승압한다. 자동밸브(28)은 야드자동화 시스템과 연결된 냉각제어 PLC에 의해 자동으로 개폐된다. 이 냉각수 공급부에는 작업도중에 정비 및 강제배수를 위해 수동밸브(21)을 구비하는 것이 좋다. 또한, 자동밸브(28) 개폐용 압축 에어라인(29)이 설치되어 솔레노이드 밸브(23)를 통해 자동밸브(28)이 개폐된다.

상기 냉각부는 코일이 놓여지는 코일 냉각대(32), 코일냉각대 위의 코일을 고정하는 스키드(34), 노즐로 냉각수를 공급하는 냉각수배관(36), 코일에 냉각수를 분사하는 노즐(38)로 구성된다.

상기 냉각수 집배수부는 증발되지 않은 냉각수의 이송로인 집수로(42, 44), 집수로를 통해 이송되는 물을 모으는 집수조(46)로 구성된다. 이 집수조(46)의 물은 다시 스케일피트(49)로 배수하는 배수펌프(48)로 구성된다. 스케일피트(49)로 배수된 물은 냉각, 정수과정을 거쳐 다시 상기 냉각수 공급부의 냉각수배관(22)으로 공급된다.

본 발명의 냉각설비에서 코일의 냉각은, 먼저 냉각부의 코일냉각대(32)에 코일이 준비되면 냉각수 공급부에서 자동밸브(28)가 열리고 냉각수는 배관(22)을 따라 노즐(38)을 거쳐 열연코일에 뿌려지게 된다. 코일을 냉각시킨후 냉각수는 집수조(46)에 모이게 된다. 집수조의 물은 다시 냉각, 정수과정을 거쳐 다시 냉각수배관(22)으로 공급된다.

본 발명의 냉각설비의 제어시스템을 도 5를 통해 설명한다.

열간압연에서 권취된 고온의 열연코일은 압연순서대로 코일냉각대에 운반하여 정렬한다. 하나의 냉각열은 가능한 비슷한 단중끼리 모으는 것이 좋다. 이때, 자동밸브(28)는 폐쇄된 상태로 하나의 열이 코일로 완전히 채워질 때까지 대기한다. 일반적으로 열연코일은 70-180초 간격으로 생산되므로 하나의 열은 늦어도 1시간이내에 채워지게 되지만 간혹 코일작업순서 및 압연롤 교체작업 등으로 2시간 이상 소요될 수도 있다. 또한 열연코일의 압연권취시 일부강종의 석출을 고려하여 2시간 후부터 냉각개시하는 것이 좋다.

일단, 하나의 냉각열이 코일로 다 채워지면 자동밸브(28)가 열리면서 수냉이 시작된다. 도 5는 야드(Yard) 자동화 시스템과 코일냉각 PLC 제어시스템의 하드웨어 구성을 나타낸다. 수냉제어 PLC는 야드관리 자동화시스템의 지상국과 연결하여 각 열연코일의 정보를 수신받고 설정된 수냉시간 조건별 자동밸브(28)를 개폐한다. 이때, 열연코일의 수냉각대에 적치는 천정OHC의 차상국시스템(70)에 의해 자동으로 배열 적치된다. 수냉각대에 배열적치된 열연코일은 수냉제어 PLC(50)에 의해 설정된 시간동안 냉각되다가 냉각종료 신호에 의해 열려 있던 자동밸브가 폐쇄되면서 냉각이 종료된다.

일반적으로 5-8시간동안 냉각수를 분사하게되며, 냉각패턴은 다음과 같다. 권취후 2시간 공냉 → 스프레이 수냉(5~8시간) → 자연공냉(10시간) → 코일이적 순이다. 냉각이 종료된 코일은 냉각목표온도인 80-100℃ 범위가 되며 냉각종료 후 10시간정도 자연 공냉하면 상온까지 냉각되면서 코일내권부의 수분은 잠열에 의해 증발 된다. 이러한 야드의 조건과 수냉현황은 운전실(80)의 MMI(82)에 의해 자동으로 운전자에게 디스플레이 되면서 지상국시스템과 정보를 송수신한다. 또한, 현장에 로컬(local) 운전판넬(90)을 두어 스팬(span)별 정비 및 매뉴얼 운전시 조업에 편의를 제공한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

두께 2.3mm의 열연판을 폭 886mm, 단중 16.5Ton의 코일로서 645℃의 온도에서 권취한 다음에 최초권취코일과 최후권취코일의 시간차를 2시간 이내로 하여 일렬로 정렬한 다음에 448℃의 열연코일에 노즐에 의해 냉각수를 분사하였다. 코일당 각 측면에 2개씩 4개의 노즐을 설치하였으며, 노즐의 설치위치는 코일의 중심에서 1.1r(r은 코일의 반지름)되는 코일의 양쪽에 설치하고, 설치각도는 도 3에서 θ1, θ2를 각각 70°로 하였고 노즐당 냉각수 유량은 4.3ℓ/min로 하였다. 냉각수분사각도는 37°로 하였다. 상기와 같은 조건으로 냉각하여 시간에 따른 코일온도의 변화를 아래 표 1과 도 6(a)에 나타내었다.

구분	주위온도(℃)	17.5	17.5	17	17	17.3	17	17.3	17	17	16.8	16.5	17	17.2	17.2	17.5	17.3	17
	시간(Hr)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
코일온도(℃)	643	496	448.3	277	194	98	76.8	60.1	73.7	71.5	67.7	64.6	61.8	58.6	55.4	53	50.4
수냉시간(Hr)	공냉	0	1	2	3	4	5	공냉

또한, 코일당 분사수량을 분당 20ℓ로하고 2시간후 수냉개시 했을 때 코일폭에 따른 스프레이 냉각시간(목표온도 100℃)을 알아본 결과가 표 2이다.

코일폭	1,000mm이하	1,000-1,300mm	1,300-1,400mm	1,400mm이상
수냉시간(Hr)	5	6	7	8

또한, 본 발명의 열연코일의 수냉각방법과 종래의 냉각방법인 자연냉각, 팬에 의한 에어냉각, 침적냉각에서 시간에 따른 온도변화를 그래프로 나타낸 것이 도 7이다.

도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 열연코일을 100℃이하의 목표온도로 냉각하는 데에는 약 5-8시간 이내에 냉각시켜 종래 냉각기술 보다 냉각시간이 크게 단축(종래:4일, 본 발명:20시간)될 뿐 아니라 침적냉각 기술 보다는 냉각생산성이 높고 안전사고의 위험도 낮은 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 코일내외부의 냉각속도를 크지 않게 하면서 냉각시간을 단축할 수 있어 생산성을 현저하게 개선할 수 있는 유효한 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

1. 열간압연한 강판을 열연코일로 권취하고 냉각하는 방법에 있어서,

   상기 권취한 열연코일을 다수개 정렬하는 단계,

   정렬된 각 열연코일의 양 측면의 하측부에 근접하여 설치된 노즐로 코일 각 측면의 상측부에 냉각수를 분사하여 냉각하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 정렬되는 열연코일은 최초정렬코일과 최후 정렬코일의 권취시간의 차이를 2시간 이내로 하고, 냉각수의 분사는 열연코일의 온도가 80~100℃의 범위내에서 종료하고 상온까지 자연공냉함을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 노즐은 코일의 양쪽 측면에 각각 2개씩 4개의 노즐을 설치하여 코일측면에 중공의 내경과 외경이 이루는 영역중에서 코일의 하단으로 부터 1/3이상의 상부에 분사함을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 노즐은 코일의 중심으로부터 코일의 반지름(r) 거리의 지점(a)에서 5/4r지점(b)의 이루는 좌측영역과 우측영역에 설치하는 것을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.
5. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 노즐은 지면과 이루는 각도 (θ1, y축과 z축의 각도)와, 냉각수배관에서 노즐이 이동한 각도 (θ2, x축과 y축이 이루는 각도)는 각각 75±5˚임을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수는 코일당 16 - 20ℓ/min의 유량으로 35~40˚의 분사각도(θ3)로 분사함을 특징으로 하는 열연코일의 냉각방법.