KR20050063515A - 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폭 프레스 금형을 열간 슬래브 양측에 설치하여 슬래브의 폭을 단조하는 금형장치에 있어서 상기 폭 프레스 금형 내의 온도편차를 감소시킴과 동시에 금형의 표면에 압축응력 조건을 만들어줌으로써 열변형에 의한 균열의 전파를 억제할 수 있도록 구성된 금형장치에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명에 따른 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치는, 연속주조에 의해 생산된 열간 슬래브의 양측에 설치되어 열간 슬래브의 폭방향으로 전후진되는 폭 프레스 금형이 마련되고, 이 폭 프레스 금형의 내부에는 다수개의 냉각수 통로가 형성되며, 상기 폭 프레스 금형의 후단에는 양측에 돌출된 고정단이 마련되어 중앙에 오목한 공간부가 형성되고, 상기 폭 프레스 금형은 그 외부를 둘러싼 홀더 내에 삽입 고정되며, 상기 폭 프레스 금형의 후단과 홀더 사이에는 상기 고정단을 잡아주는 라이너가 삽입 설치되고, 상기 홀더는 이를 열간 슬래브의 폭방향으로 전후진시키는 구동부에 연결 설치된다.

Description

열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치{Press anvil apparatus for forging the width of hot slab}

본 발명은 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폭 프레스 금형을 열간 슬래브 양측에 설치하여 슬래브의 폭을 단조하는 금형장치에 있어서 상기 폭 프레스 금형 내의 온도편차를 감소시킴과 동시에 금형의 표면에 압축응력 조건을 만들어줌으로써 열변형에 의한 균열의 전파를 억제할 수 있도록 구성된 금형장치에 관한 것이다.

종래의 연속주조에서 폭이 다른 슬래브를 제조하는 경우 폭가변 주형을 사용하거나 주형을 교환하는 방법 등을 이용하였다. 근래에는 연속주조시 주조 슬래브의 폭을 고정하는 대신 열간압연 공정의 조압연 단계에서 폭 단조 프레스 금형장치를 이용하여 열간 슬래브를 폭방향으로 단조하여 슬래브의 폭을 변화시킴으로써 연속주조 공정과 연속주조된 슬래브의 열간압연 공정을 동기화하여 생산성을 향상시키고 있다.

열간 슬래브의 폭 단조 방법으로는 수직압연기를 이용해서 폭 단조를 행하는 수직압연법과 프레스 금형을 이용해서 폭 단조를 행하는 폭 단조 프레스법이 있다. 이들 중에서 폭 단조 프레스법은 한 쌍의 폭 프레스 금형을 이용하여 열간 슬래브에 접촉(단조)과 개방을 반복적으로 행하는 것으로 프레스 금형이 접촉되어 있는 동안 열간 슬래브를 길이방향으로 이동시키면서 열간 슬래브 전체 길이를 소정의 폭으로 단조하는 기술이다.

도1은 상기한 폭 단조 프레스법에 사용되던 종래의 폭 단조 프레스 금형장치를 나타낸다. 폭 단조 프레스 금형장치는 크게 열간 슬래브와 접촉되는 폭 프레스 금형(1)과 이 폭 프레스 금형(1)을 열간 슬래브의 폭방향으로 전후진시키는 구동부(5)로 구성된다. 상기 폭 프레스 금형(1)의 전면에는 그 중앙에 열간 슬래브와 평행하게 접촉되는 중앙 평행면(2)과 양측에 열간 슬래브와 경사지게 접촉되는 경사면(3,4)이 각각 형성된다. 상기 입측 경사면(3)은 열간 슬래브와 접촉하여 그 폭을 실질적으로 감소시키므로 반드시 경사지게 형성되어야 하는 반면 상기 출측 경사면(4)은 열간 슬래브와 접촉되지 않는 면으로 반드시 경사지게 형성될 필요는 없다.

상기한 폭 단조 프레스 금형장치를 이용하여 폭 단조 프레스법을 행하는 경우, 폭 프레스 금형(1)이 1100~1300℃로 가열된 열간 슬래브와 접촉되면서 온도가 500~900℃ 정도까지 상승된다. 특히 금형과 슬래브가 접촉되는 순간 금형의 표면과 내부 사이에 매우 큰 온도편차가 발생된다. 금형의 표면부 온도가 내부보다 높아지면 열응력에 의해 표면부가 높은 인장응력 조건에 노출된다. 이 상태에서 폭 프레스 금형(1) 표면을 냉각수로 냉각시키면 표면부의 온도가 내부보다 급격히 낮아지면서 표면부의 인장응력이 급격히 감소된다. 결국 폭 프레스 금형(1)의 표면부는 상기와 같이 인장응력이 급격히 변화되는 일련의 과정을 반복적으로 겪으면서 열피로 조건에 노출됨으로써 피로 균열을 발생시킨다. 이렇게 발생된 균열이 상기와 같은 인장응력에 의해 더욱 성장되어 임계치에 이르면 결국 파괴된다.

상기와 같이 금형의 표면부와 내부의 온도편차로 인해 금형 수명이 단축되는 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 폭 단조 프레스 작업 중 금형이 슬래브로부터 개방된 시점에서 금형을 냉각수로 강제 냉각하고 있다. 그러나 개방 단계라 하더라도 슬래브와 금형 사이의 간격이 좁기 때문에 냉각수를 너무 많이 사용하는 경우에는 열간 슬래브 측면의 모서리가 과냉각되면서 품질 결함이 발생된다. 반대로 상기 품질결함 방지를 위해 냉각수량을 감소시키는 경우에는 온도상승에 의해 열응력이 증가되면서 금형의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

이상과 같은 금형과 슬래브의 온도편차로부터 발생되는 문제점을 해결하기 위해 종래에는 금형 내부에 유도가열장치를 설치해서 금형 자체를 가열하는 방법, 금형을 분할구조로 해서 분할면 사이에 단열성 재료를 삽입하거나 분할면 사이에 고온 유체를 통과시키는 통로를 설치하는 방법 등이 제시되어 왔다.

그러나, 상기 금형을 유도 가열하는 방법은 금형의 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 소모품으로 사용되는 금형에 유도가열장치를 설치하면서 비용이 상승되는 문제점이 있었고, 상기 금형을 분할하는 방법은 단열성 재료를 사용하는 경우 세라믹 용사코팅 또는 단열성 섬유가 고온 및 고하중에서 파괴되어 성능을 발휘할 수 없고 고온 유체를 사용하는 경우에는 금형 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 특수한 고온 유체를 유지관리하면서 비용이 상승되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 폭 프레스 금형의 내부를 냉각시켜 열간 슬래브와의 접촉과 개방이 반복되면서 발생되는 표면부와 내부의 온도편차를 감소시킴과 동시에 금형의 표면부와 후단부 사이의 열팽창 차이에서 오는 변형응력을 이용해서 표면부에 압축응력을 가할 수 있도록 구성된 프레스 금형장치를 마련하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명에 따른 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치는, 연속주조에 의해 생산된 열간 슬래브의 양측에 설치되어 열간 슬래브의 폭방향으로 전후진되는 폭 프레스 금형이 마련되고, 이 폭 프레스 금형의 내부에는 다수개의 냉각수 통로가 형성되며, 상기 폭 프레스 금형의 후단에는 양측에 돌출된 고정단이 마련되어 중앙에 오목한 공간부가 형성되고, 상기 폭 프레스 금형은 그 외부를 둘러싼 홀더 내에 삽입 고정되며, 상기 폭 프레스 금형의 후단과 홀더 사이에는 상기 고정단을 잡아주는 라이너가 삽입 설치되고, 상기 홀더는 이를 열간 슬래브의 폭방향으로 전후진시키는 구동부에 연결 설치된다.

또한, 상기 폭 프레스 금형의 전면에는 그 중앙에 열간 슬래브와 평행하게 접촉되는 중앙 평행면이 형성되고, 그 일측에는 상기 열간 슬래브와 경사지게 접촉되는 입측 경사면이 형성된다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 구성을 보다 상세히 설명한다. 도2는 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 사시도이고, 도3은 도2의 A-A' 선에 따른 단면도이다.

본 발명은 크게 연속주조에 의해 생산된 열간 슬래브의 양측에 설치되어 상기 열간 슬래브의 폭 방향으로 전후진되면서 슬래브의 폭을 단조하는 폭 프레스 금형(10)과, 이 폭 프레스 금형(10)을 고정 지지하는 홀더(25)와, 이 홀더(25)를 이동시킴으로써 상기 폭 프레스 금형(10)을 슬래브의 폭 방향으로 전후진시키는 구동부(27)로 구성된다.

상기 폭 프레스 금형(10)은 열간 슬래브와 반복적으로 접촉 및 개방되면서 미리 설정된 폭으로 슬래브를 단조하는데 열간 슬래브와 접촉되는 전면은 다음과 같이 형성된다. 먼저, 전면의 중앙에는 열간 슬래브와 평행하게 접촉되는 중앙 평행면(11)이 형성되고, 일측에는 열간 슬래브와 경사지게 접촉되는 입측 경사면(12)이 형성되며, 타측에는 출측 경사면(13)이 형성되어 있으나 이 출측 경사면(13)은 열간 슬래브와는 직접 접촉되지는 않는다(도6a 참조).

상기 입측 경사면(12)은 열간 슬래브와 맨 먼저 접촉되는 면으로 슬래브의 폭을 직접 감소시키는 역할을 하며 상기 중앙 평행면(11)은 프레스 과정에서 요철이 형성된 슬래브의 측면과 평행하게 접촉되면서 이를 고르게 만들어주는 역할을 한다. 이 중앙 평행면(11)은 슬래브와 빈번하게 접촉되므로 너무 길게 형성되어 있으면 장시간 접촉에 따라 슬래브를 불균일하게 냉각시킬 수 있는 바 출측 경사면(13)을 형성하여 중앙 평행면(11)의 길이를 조절하고 있다. 따라서, 슬래브 폭을 프레스 하기 위해서는 반드시 금형의 입측에는 경사면이 형성되어야 하는 반면 출측에도 반드시 경사면이 형성되어야 하는 것은 아니다.

상기 폭 프레스 금형(10)의 내부에는 다수개의 냉각수 통로(17)가 상하로 관통되게 형성되고, 이 냉각수 통로(17)는 냉각 파이프(29)와 연결되고 폭 프레스 금형(10)이 열간 슬래브로부터 개방된 때에 냉각수 통로(17)에 냉각수를 유입시켜 금형을 냉각시킨다. 폭 프레스 금형(10)이 열간 슬래브와 접촉된 때에 냉각수를 유입시키면 금형과 접촉된 열간 슬래브의 측면까지 냉각되어 슬래브의 불균일 냉각을 초래하게 되므로 반드시 폭 프레스 금형(10)이 개방된 때에 금형을 냉각시키는 것이 바람직하다. 상기 냉각수 통로(17)는 접촉과 개방에 따른 금형의 온도편차를 줄여 열변형을 감소시켜준다.

상기 폭 프레스 금형(10)은 그 후단이 이를 둘러싼 홀더(25) 내에 하방으로 삽입 고정된다. 홀더(25)의 선단에 단턱이 형성되어 폭 프레스 금형(10)이 앞으로 빠져나오는 것을 방지해 준다. 폭 프레스 금형(10)의 후단에는 그 양측에 고정단(19)이 마련되어 중앙에는 오목한 공간부(21)가 형성된다. 상기 폭 프레스 금형(10)의 후단과 홀더(10) 사이에는 상기 고정단(19)을 잡아주는 라이너(23)가 삽입 설치된다. 이 라이너(23)는 상기 공간부(21)와 함께 열응력에 따른 폭 프레스 금형(10)의 열변형을 구속하여 금형 표면에 형성된 균열의 전파를 억제하는 역할을 한다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하기로 한다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 작용을 도4 내지 도6을 참조로 보다 상세히 설명한다.

도4에서 보는 바와 같이 폭 프레스 과정에서 금형의 표면에 발생되는 피로균열의 전파는 균열발생시간과 균열성장시간에 의존한다. 발생된 균열의 깊이가 임계치에 도달하면 금형이 파괴되기 때문에 금형의 수명은 임계치 이하에서 결정된다. 본 발명의 금형장치에 따르면 상기 균열발생시간은 냉각수 통로(17)를 통해 신속하게 금형을 냉각시킴으로써 지연시킬 수 있고, 상기 균열성장시간은 라이너(2)에 금형의 열변형을 구속함으로써 생기는 응력조건에 의해 지연시킬 수 있다.

균열발생시간은 반복적으로 가해지는 열응력 부하에 의해 결정되는데, 열응력 부하의 가혹도는 금형의 위치별 온도편차와 그 변화주기에 의해 결정된다. 따라서, 열응력에 의해 균열이 발생되는 시간을 지연시키기 위해서는 근본적으로 금형의 위치별 온도편차를 감소시켜야 하며, 본 발명에서는 금형의 내부에 형성된 냉각수 통로(17)를 통해 금형을 신속하게 냉각시킴으로써 금형 내 온도편차를 최소화한다.

한편, 균열성장시간은 열응력 부하뿐만 아니라 균열선단의 응력조건에 의해 지배되는데, 균열선단에 인장응력이 가해지면 균열성장이 가속되고 압축응력이 가해지면 균열성장이 억제된다. 따라서, 균열성장시간을 지연시키기 위해서는 균열이 발생한 금형 표면이 가능한 낮은 인장응력에 노출되거나 압축응력에 노출되어야 한다. 도5에서 보는 바와 같이, 폭 프레스 금형(10)이 열간 슬래브(30)에 접촉되면 금형 표면부의 온도가 후면부의 온도보다 높아지기 때문에 표면부의 열팽창이 후면부보다 더 크게 된다. 이 같은 열팽창의 차이로 인해 금형이 구속되지 않는 경우 도5에서 점선으로 표시한 형태로 열변형을 일으키게 된다. 그러나, 본 발명과 같이 금형의 후면부에 형성된 고정단(19)을 구속하는 라이너(23)가 설치되면 점선과 같은 열변형을 하지 못하기 때문에 구속응력이 발생되어 금형의 후면부에는 인장응력이 발생되고, 표면부 특히 중앙 평행면(11)에는 압축응력이 발생된다. 더욱이, 금형의 후면 중앙에 형성된 공간부(21)는 구속응력에 저항하는 인장응력을 감소시킴으로써 균열의 성장을 억제시키는 압축응력이 균열이 많이 발생하는 중앙 평행면(11)에 더욱 효과적으로 작용하도록 해준다.

도6은 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치를 사용할 때 측정 위치에 따른 온도 및 응력의 변화를 나타낸다. 도6a는 폭 프레스 금형(10)이 열간 슬래브(30)와 접촉된 상태를 나타내면 상기 폭 프레스 금형(10)의 온도 및 응력은 각각 X축 방향을 따라 금형의 표면부부터 후면부까지 측정된다. 특히, e는 금형의 내부 중에서 냉각수 통로(17)가 설치된 위치를, f는 공간부(21)가 시작되는 위치를, g는 공간부(21)가 끝나는 금형의 후단 위치를 각각 나타낸다.

도6b는 도1에 도시된 종래의 폭 프레스 금형(1)을 사용할 때와 본 발명에 따른 폭 프레스 금형(10)을 사용할 때 금형 내부의 온도 분포를 도시한 그래프이다. 금형이 열간 슬래브에 접촉되면 표면부의 온도가 상승하고 후면부로 갈수록 온도가 하강하는 반면, 열간 슬래브에서 개방되면 표면부가 냉각수에 의해 냉각되기 때문에 후면부로 갈수록 온도가 상승한다. 따라서, 접촉 및 개방시의 온도분포 곡선은 소정의 위치에서 그 온도가 동일하게 되는데, 종래의 금형에 의하면 그 동일점이 f부근이 되는 반면 본 발명의 금형에 따르면 냉각수에 의해 냉각되기 때문에 더 낮은 온도를 나타낼 뿐만 아니라 온도 동일점도 냉각수 통로 위치(e)보다 가까운 e'이 된다. 이 그래프에서 종래의 금형은 표면부에서 f지점까지 온도편차에 따른 열변형이 생기는 반면 본 발명의 금형은 표면부에서 e'지점까지만 온도편차에 따른 열변형이 생긴다는 것을 알 수 있다. 더욱이 작은 온도편차에 노출되기 때문에 열변형의 크기도 작아진다. 결과적으로 본 발명에 따른 금형은 냉각수 통로(17)에 의해 신속히 냉각되기 때문에 열변형에 의한 균열발생 확률도 그만큼 낮아진다.

도6c는 금형이 도6b의 온도 분포를 따를 때 그 내부에 발생하는 열응력의 변화를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이 종래 금형의 경우 온도편차가 f지점까지 생기기 때문에 이 온도편차에 의한 열응력으로서 표면부에서 f지점까지 인장응력이 생긴다. 반면, 본 발명에 따른 금형의 경우에는 표면부에서 e'지점까지만 인장응력이 생긴다. 따라서, 금형 내부에 인장응력이 생기는 폭이 더 좁기 때문에 그 만큼 균열이 성장하기 어렵게 된다.

더욱이 본 발명과 같이 금형의 후면 중앙에 공간부(21)가 형성되어 있는 경우에는 도6d에서 보는 바와 같이 라이너(23)에 의한 구속응력에 의해 금형의 표면부 특히 중앙 평행면(11)에는 압축응력이 작용하게 된다. 그리고 e와 f지점 사이에는 공간부(21)와 라이너(23)의 작용으로 열변형 응력에 대응해서 발생된 구속응력에 의해 인장응력이 발생된다. 이러한 응력조건은 금형 표면에 발생된 균열은 더욱더 성장하기 어렵게 만든다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 열간 슬래브의 폭 단조을 위한 프레스 금형장치에 의하면, 금형의 표면부에 걸리는 인장응력이 작거나 오히려 압축응력이 발생함으로써 균열의 성장속도가 한층 감소되는 효과를 가져와 균열의 깊이가 임계치에 이르는 시간이 지연되어 결과적으로 금형의 수명을 연장시킨다.

도1은 종래의 폭 단조 프레스 금형장치의 사시도.

도2는 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 사시도.

도3은 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 평단면도.

도4는 프레스 금형의 균열발생을 도시한 그래프.

도5는 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형장치의 사용상태도.

도6a는 본 발명에 따른 폭 단조 프레스 금형의 측정 위치를 도시한 도면.

도6b는 상기 도6a에 도시된 측정 위치에 따른 온도 변화를 도시한 그래프.

도6c 및 도6d는 상기 도6a에 도시된 측정 위치에 따른 응력 변화를 도시한 그래프.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: 폭 프레스 금형 2: 중앙 평행면

3: 입측 경사면 4: 출측 경사면

5: 구동부 10: 폭 프레스 금형

11: 중앙 평행면 13: 입측 경사면

15: 출측 경사면 17: 냉각수 통로

19: 고정단 21: 공간부

23: 라이너 25: 홀더

27: 구동부 29: 냉각 파이프

30: 열간 슬래브

Claims (2)

1. 연속주조에 의해 생산된 열간 슬래브(30)의 양측에 설치되어 열간 슬래브(30)의 폭방향으로 전후진되는 폭 프레스 금형(10)이 마련되고, 이 폭 프레스 금형(10)의 내부에는 다수개의 냉각수 통로(17)가 형성되며, 상기 폭 프레스 금형(10)의 후단에는 양측에 돌출된 고정단(19)이 마련되어 중앙에 오목한 공간부(21)가 형성되고, 상기 폭 프레스 금형(10)은 그 외부를 둘러싼 홀더(25) 내에 삽입 고정되며, 상기 폭 프레스 금형(10)의 후단과 홀더(25) 사이에는 상기 고정단(19)을 잡아주는 라이너(23)가 삽입 설치되며, 상기 홀더(25)는 이를 열간 슬래브(30)의 폭방향으로 전후진시키는 구동부(27)에 연결 설치된 것을 특징으로 하는 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 폭 프레스 금형(10)의 전면에는 그 중앙에 열간 슬래브(30)와 평행하게 접촉되는 중앙 평행면(11)이 형성되고, 그 일측에는 상기 열간 슬래브(30)와 경사지게 접촉되는 입측 경사면(13)이 형성된 것을 특징으로 하는 열간 슬래브의 폭 단조 프레스 금형장치.