KR20060073346A - 열간압연선재의 균일냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간압연된 후 레잉헤드에서 링형태로 감아져 롤러컨베이어 상에 적재되어 이송되는 선재의 폭방향으로의 겹침 밀도차에 의한 냉각편차를 감소시키도록 한 열간압연선재의 균일냉각방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명에 따른 열간압연선재의 균일냉각방법은, 레잉헤드 후방에 일정간격 이격되어 설치된 서냉커버 사이의 개방된 공간을 롤러컨베어 상에 적재되어 이동하는 선재의 중앙부를 덮도록, 소정의 폭을 가지며 서냉커버의 선단으로부터 레잉헤드 부근까지 연장되는 보열판을 설치하는 것을 특징으로 한다.

보열판은, 금속 외피를 갖는 고온단열재이며, 선재폭 대비 60∼100%의 폭과 1.5m 이상의 길이를 갖도록 한다.

선재공정, 열간압연, 서냉, 헤드레잉, 보열, 냉각편차

Description

열간압연선재의 균일냉각방법{Method for reducing the difference of cooling rates between center portion and outer portion of hot-rolled wire rod}

도 1은 종래의 선재공정라인의 모식도이다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 롤러컨베이어에 적재되어 이송되는 선재의 폭방향 적층밀도를 나타내기 위한 모식도이다.

도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 선재공정라인의 모식도이다.

도 4는 종래의 선재공정라인을 따라 이송되는 선재의 중앙부와 에지부에서의 온도를 레잉헤드로부터의 이송거리에 따라 측정한 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4의 측정데이터를 이용하여 선재의 중앙부와 에지부간의 온도편차를 레잉헤드로부터의 이송거리에 따라 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 압연기 2: 수냉장치

3: 레잉헤드 4: 선재

5: 롤러컨베이어 6: 노즐

10: 서냉커버 20: 보열판

본 발명은 열간압연선재의 균일냉각방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간압연된 후 레잉헤드에서 링형태로 감아져 롤러컨베이어 상에 적재되어 이송되는 선재의 폭방향으로의 겹침 밀도차에 의한 냉각편차를 감소시키도록 한 열간압연선재의 균일냉각방법에 관한 것이다.

일반적으로 선재공정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 강편을 압연기(1)에 의해 선재로 압연하고 수냉장치(2)에 의해 냉각한 후, 압연된 선재를 레잉헤드(3)에 의해 권취하여 롤러컨베이어(5) 상에 링형태로 적치하고 이를 이송시키면서 공냉시키는 공정으로 이루어져 있다.

이때, 공냉되는 선재는 필요로 하는 기계적 특성에 따라 급냉되거나 서냉되는데, 강도가 필요한 선재의 경우에는 롤러컨베이어 하부에 설치된 노즐(6)로부터 바람 및 수증기 등을 이송되는 선재(4) 표면에 분사하여 급냉을 시키며, 높은 연신율이 필요한 선재(4)의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 롤러컨베이어의 상부를 덮는 서냉커버(10)를 사용하여 선재를 서냉시키는 방법을 사용한다. 대체로 서냉커버는 개폐가 가능하도록 설치된다.

도 2는 롤러컨베이어에 적재되어 이송되는 선재의 폭방향(즉, 롤러컨베이어의 폭방향) 적층밀도를 나타낸 도면으로, 선재는 링형태를 하고 있기 선재 폭방향의 에지부 보다 중앙부에서의 적층밀도가 낮게 나타난다. 따라서, 적층밀도가 높은 선재 에지부는 질량 대비 표면적이 적어 열손실이 적고 적층밀도가 낮은 선재의 중앙부는 질량 대비 표면적이 커서 상대적으로 연손실이 크게 나타나며, 이에 의해 선재의 에지부와 중앙부 사이는 서로 다른 냉각이력을 겪게 되고 그에 따라 미세구조가 변화하여 기계적 특성 차이가 발생하게 된다.

그리고 이러한 냉각편차로 선재의 기계적 특성의 차이는 롤러컨베이어의 진행속도가 느려 냉각시간이 길고 선재의 중앙부 및 에지부에서의 적층밀도 차이가 큰 서냉재 작업시에 심각하게 발생되는데, 이는 선재 최종제품에 있어 위치별 특성편차를 발생시켜 품질을 저하시키며, 최종 사용자가 선재를 가공할 때 작업의 기준점을 정하기 어렵게 만들며 제품에 대한 신뢰도를 떨어 뜨리는 문제점이 있었다.

종래에는 위와 같은 선재의 중앙부와 에지부에서의 냉각편차를 저감시키기 위하여 선재 중앙부의 보열 혹은 선재 중앙부를 선택적으로 가열하기 위한 별도의 가열장치를 서냉커버 내측면에 설치하는 방법이 소개되고 있었다. 그러나 이러한 방법은 서냉커버가 설치된 구간에서 냉각편차가 집중적으로 발생한다는 판단에 기초한 것으로서, 최종 제품의 선재에는 냉각편차로 인한 기계적 특성의 차이가 여전히 문제가 되고 있으며, 효과 대비 비용면에서 크게 효과적이지는 못한 것이었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 레잉헤드 후방에서 롤러컨베이어에 적재되어 이송되는 선재의 중앙부와 에지부에서의 냉각편차가 집중적으로 발생되는 구간을 관찰하여 열간압연선재가 냉각편차 없이 균일하게 냉각될 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열간압연선재의 균일냉각방법은, 레잉헤드 후방에 일정간격 이격되어 설치된 서냉커버 사이의 개방된 공간을 롤러컨베어 상에 적재되어 이동하는 선재의 중앙부를 덮도록, 소정의 폭을 가지며 서냉커버의 선단으로부터 레잉헤드 부근까지 연장되는 보열판을 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한 보열판은, 금속 외피를 갖는 고온단열재이며, 선재폭 대비 60∼100%의 폭과 1.5m 이상의 길이를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명은 서냉된 선재의 위치별 기계적 특성의 변화가 각 부위의 온도이력 및 냉각속도 차이 때문에 발생한다는 점과 이러한 선재의 중앙부 및 에지부의 온도차이가 서냉커버에 진입하기 전에 발생한다는 점에 착안하여, 레잉헤드 직후부터 서냉커버 진입 직전구간에 중앙부에 보열판을 설치하여 선재 중앙부 및 에지부 간의 냉각편차가 감소되도록 한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열간압연선재의 균일냉각방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 선재공정라인에는 종래와 달리, 레잉헤드(3) 후방에 일정간격 이격(3∼5m)되어 설치된 서냉커버(10) 사이의 개방된 공간을 롤러컨베어 상에 적재되어 이동하는 선재(4)의 중앙부를 덮는 보열판(20)가 설치되어 있다. 보열판(20)는 소정의 폭을 가지며 서냉커버(10)의 상측 선단으로부터 레잉헤드(3) 부근까지 연장되며, 내부의 단열재와 외피인 금속으로 이루어지도록 하여 선재로부터 흡수된 열에 의해 외피 금속이 달구어진 후 이러한 금속의 열이 내부의 단열재에 의해 쉽게 떨어지지 않도록 한다. 미설명부호 21은 보열판의 하면이다.

한편, 기존 시스템에서 레잉헤드(3) 직후부터 서냉커버(10)를 적용하지 않는 이유는, 최종 두께로 압연된 선재가 이 구간에서 레잉헤드로부터 빠른 속도로 롤러컨테이너(5)로 낙하는 구간이어서 조업이상이 발생될 수 있는 가능성이 높아 이에 신속히 대처하기 위해 조업자가 항상 관찰을 요하고 있기 때문이다. 따라서 이러한 작업조건을 충족시키면서 선재의 냉각편차를 저감시키기 위해서는, 보열판(20)는 선재폭 대비 60∼100%의 폭을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 보열판의 폭이 너무 커지면 조업자의 시야가 확보가 어렵기 때문이다.

또한, 보열판의 길이는 1.5m 이상이 되도록 하는데, 그 이하인 경우에는 선재의 냉각편차를 저감시키는 효과가 미미하며, 최대 길이는 레잉헤드(3)나 이로부터 떨어져 나오는 선재(4)와의 간섭이 발생되지 않도록 하는 길이로 설정된다.

보열판의 작동 원리는 다음과 같다. 복사에 의한 열손실은 절대온도의 4승에 비례한다. 따라서 기존에 사용하는 방법과 같이 서냉커버 직전구간을 개방시키게 되면 선재의 최초 온도를 830℃로 그리고 주변의 개방된 곳의 온도를 25℃로 가정할 때, 그 손실은 {(830+273)⁴ - (25+273)⁴}= 1.47x10¹²에 비례하게 된다. 그런데 선재 온도는 그대로 두고 주변의 온도를 650℃로 올려주게 되면 이때의 열손실은 {(830+273)⁴ - (650+273)⁴}= 7.54x10¹¹에 비례하게 된다. 두 경우를 열손실을 비교하 면 주변부의 온도를 증가시킴으로써 열손실이 약 50% 가량 감소한다는 것을 알 수 있다.

본 발명에서 이렇게 주변의 온도를 높여주는 방법으로 선택한 것이 보열판이며, 이러한 보열판은 금속판을 외피로 하고 내부에는 단열재를 사용하여 외부의 열(선재의 열)에 의해서 가열된 후 그 온도가 급격히 떨어지는 것을 방지되도록 한다. 따라서 일단 선재가 지나가면서 보열판의 온도를 높이게 되면 후속 선재가 지나갈 때 주변부의 온도가 그만큼 높아져서 열손실을 방지할 수 있다. 이 방법은 단열재에 비해 표면 온도가 균일하여 선재의 온도 분포를 균일하게 하여준다.

<비교예>

레잉헤드로부터 서냉커버 사이가 개방된 종래의 선재공정라인을 따라 선재가 이송되는 경우 선재 중심부와 에지부 간의 냉각편차가 집중적으로 발생되는 구간을 찾기 위하여, 레잉헤드로부터의 길이에 따라 선재 중앙부와 에지부에서의 온도 및 이들의 편차를 관찰하였다.

선재 압연 후 레잉헤드를 통해 이송 테이블에 놓여진 선재가 서냉커버로 진입하기 전에 약 3~5m 구간은 서냉커버 없이 느린 속도로 진행하게 되는데(0.12~0.25m/sec), 선재의 온도측정은 통상적인 선재 진행 속도인 0.25m/sec로 진행하는 선재를 레잉헤드 후단 1.8m 부터 레잉헤드 후단 5.4m까지 중앙부와 에지부로 나누어 측정을 실시하였다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 선재의 온도 측정 결과 레잉헤드로 부터 5.4m 후단에서 에지부가 약 740-750℃, 중앙부가 690-700℃로 중앙부-에지부의 온 도차이가 약 50~60℃에 이르게 되는 것을 확인할 수 있었다. 이때 중앙 부위의 냉각속도는 초당 약 5℃, 측면 부는 그에 반 정도인 초당 약 2.5℃ 정도로 측정되었다. 즉 초당 약 2℃ 이상씩 온도차이가 발생하는 것을 알 수 있었다. 중앙부-에지부 간의 온도차이가 발생하는 주요한 원인은 레잉헤드에서 서냉커버 직전 구간에서 선재의 적층 밀도 차이에 의한 복사 에너지 손실의 차이 때문이다. 그리고 이 구간에서 양 부분에서의 온도차가 이렇게 크게 발생하는 원인은 고온에서 나타나는 열 손실은 복사에 의한 열 손실이 대부분을 차지하기 때문이다.

서냉커버내 선재의 온도측정은 적외선 온도계 3대를 동원하여 실시하였다. 온도를 측정한 부위는 선재의 중앙 및 측면 부위이며 온도를 측정한 위치는 레잉헤드 후단 8.4m, 29.4m, 및 53.4m으로 적외선 온도계를 이용하여 측정하였다. 서냉커버는 레잉헤드 후단 5.4m 부터 54m 구간에 걸쳐서 덮여있었다. 레잉헤드 후단 8.4m 의 선재 온도 측정 결과 서냉커버 진입 3m 구간에서(진입 후 12초 경과) 측면의 온도는 715℃ 중앙의 온도는 636℃를 보여주고 있다. 레잉헤드 후단 29.4m 의 경우 서냉커버 진입 96초 후로 측면의 온도는 633℃ 중앙의 온도는 544℃를 보여주고 있다. 레잉헤드 후단 53.4m 의 경우 서냉커버 진입 192초 후로 측면의 온도는 600℃ 중앙의 온도는 496℃를 보여주고 있다.

도 5는 중앙부-에지부 간의 온도차이를 분석한 그래프이다. 초기에 레잉헤드에서 나오는 선재의 온도는 부위에 상관없이 일정하며 이 온도는 약 830℃ 정도이다. 그런데 이 균일했던 선재의 온도는 레잉헤드 후단 8.4m 에 도착할 즈음(즉, 레잉헤드를 떠난 후 34초, 서냉커버 진입 후 12초 경과 후), 중앙부-에지부 간의 온 도차이는 약 70℃ 가 된다. 레잉헤드 후단 29.4m에서는 그 값이 90℃ 정도가 되며 레잉헤드 후단 53.4m에서는 110℃ 정도로 벌어진다. 이러한 결과를 분석해보면 선재의 중앙부와 에지부에서 나타나는 온도차이가 주로 발생하는 부위는 서냉커버 구간이 아니라 선재가 서냉커버로 들어오기 전이라는 것을 알 수 있다. 즉, 서냉커버로 선재가 진입하기 전에는 측면과 중앙의 온도차이가 초당 약 2℃ 정도로 나고 있지만 서냉커버로 진입하게 되면 그 차이가 초당 약 0.23℃로 감소하였다.

위의 결과를 종합하면 서냉 선재를 제조할 때 선재의 중앙부와 에지부의 온도차이를 감소시키기 위해서는 레잉헤드에서 서냉커버로 진입하기 직전구간에서 온도차이 감소가 중요하다는 것을 알 수 있다.

<실시예>

본 발명에 따른 보열판의 작용효과를 확인하기 위하여 두께가 0.5mm인 인코넬 601을 외피로 하고 내부에는 50mm 두께의 고온 단열재를 적용한 보열판에 대하여 그 폭과 길이를 변화시키면서, 보열판이 선재 중앙부-에지부 간의 온도편차를 저감시키는 정도를 측정하였다. 그 결과치는 아래의 표 1에 나타냈다.

선재의 온도측정은 레잉헤드로부터 8.4m 떨어진 곳에서 실시하였으며, 보열판은 레잉헤드 후단 5.4m에 설치되었다.

아래의 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 보열판의 폭이 너무 적으면(40%) 보열판에 의한 중앙부-에지부 간의 온도차이는 미미한 것으로 드러났다. 그러나, 보열판의 폭이 선재폭과 대비하여 너무 크면(120%) 중앙부-에지부 간의 온도차이에는 영향을 주었으나 조업자의 시야확보가 불가능해서 현장적용이 어려웠다.

한편, 보열판의 길이가 1m 이하일 경우에는 그 효과가 미미해서 큰 영향이 없었으며 바람직하게는 1.5m 이상 적용되는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

표 1. 결과데이터

보열판의 길이(m)	선재폭 대비 보열판의 폭(%)
	40	60	80	100	120
0.5	X	X	X	X	X
1	X	X	X	X	X
1.5	X	X	△	△	△
2	X	X	◎	◎	△
3	X	X	◎	◎	△
4	X	△	◎	◎	△
5	X	△	◎	◎	△

◎: 우수(선재 중앙부-에지부 간의 온도편차 15℃ 이내)

△: 보통(선재 중앙부-에지부 간의 온도편차 30℃ 이내)

X: 열등(선재 중앙부-에지부 간의 온도편차 30℃ 이상)

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 열간압연선재의 균일냉각방법에 따르면, 선재 중앙부와 에지부 간의 냉각편차가 크게 발생되는 레잉헤드와 서냉커버 사이의 개방된 구간에 보열판을 설치됨으로써 열간압연선재가 냉각편차 없이 균일하게 냉각될 수 있다.

Claims (3)

1. 열간압연된 후 레잉헤드에서 링형태로 감아져 롤러컨베이어 상에 적재된 선재가 상기 롤러컨베이어에 의해 이송되어 상기 레잉헤드 후방에 일정간격 이격되어 설치된 서냉커버를 통과하면서 서냉되도록 한 열간압연선재 냉각방법에 있어서,

   레잉헤드와 서냉커버 사이의 개방된 공간을 롤러컨베어 상에 적재되어 이동하는 선재의 중앙부를 덮도록, 소정의 폭을 가지며 서냉커버의 선단으로부터 레잉헤드 부근까지 연장되는 보열판을 설치하는 것을 특징으로 하는 열간압연선재 냉각방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보열판은 금속 외피를 갖는 고온단열재인 것을 특징으로 하는 열간압연선재 냉각방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 보열판은 선재폭 대비 60∼100%의 폭과 1.5m 이상의 길이를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 열간압연선재 냉각방법.

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