KR20070068219A - 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고탄소강을 연속으로 열간압연하는데 있어서 열간압연재들의 접합조건을 제어하여 사상압연단계에서 판파단이 일어나지 않고 통판할 수 있는 연속열간압연재의 전단접합방법 및 이를 위한 연속열간압연설비에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 금속바를 열간압연설비에서 후행하는 금속바의 선단과 선행하는 금속바의 후단을 중첩하여 접합하는 접합기를 이용하여 전단접합하고 접합된 금속바의 접합면이 상기 금속바의 두께방향을 따라 경사지게 형성되도록 금속바를 상호접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

고탄소강, 연속압연, 열간압연, 전단접합, 접합조건, 랩, 디스케일링압력

Description

고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법 및 연속열간압연설비{JOINING METHOD OF HIGH CARBON STEEL FOR ENDLESS HOT ROLLING AND THE APPARATUS THEREFOR}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소강 연속열간압연설비의 기본구성을 나타내는 구성도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합기로서 접합이 종료된 금속바를 나타내는 구성도이다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합완료된 금속바의 상태를 나타내는 개념도이다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고상접합의 자유에너지 변화를 나타내는 개념도이다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고상접합시 접합율과 접합강도비의 관계를 나타내는 그래프이다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합면에 작용하는 접합력을 나타내는 개념도이다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에지부의 접합강도 저하 및 균열발생 원인을 나타내는 개념도이다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 접합부 성능에 미치는 접합변수 및 각 접합변수의 상관관계를 설명하는 블럭도이다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트로우크 율과 랩을 정의를 설명하는 개념도이다.

도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스케일링 온도와 접합부 강도비 및 균열율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스케일링 압력과 접합부 강도비 및 균열율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합온도와 접합부 강도비 및 균열율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 랩과 접합부 강도비의 관계를 나타내는 그래프이다.

도14는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트로우크율과 접합부 강도비의 관계를 나타내는 그래프이다.

도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합부 사상압연의 통판시험 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 열간압연 공정에서 열간압연재를 상호 접합하여 연속적으로 열간 압연하는 연속열간압연재의 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고탄소강을 연속으로 열간압연하는데 있어서 열간압연재들의 접합조건을 제어하여 사상압연단계에서 판파단이 일어나지 않고 통판할 수 있는 연속열간압연재의 전단접합방법 및 이를 위한 연속열간압연설비에 관한 것이다.

금속판재를 열간압연으로 생산하는 기술분야에서 사상압연을 연속화 함으로서 생산성과 품질의 향상 그리고 제품 제조가능 사이즈의 확대에 대한 요구가 강하게 일어나고 있다.

이러한 연속열간압연분야에서 중요한 점은 선행하는 열간압연판재(이하 "금속바"라고 한다.)의 후단과 후행하는 금속바를 상호 접합하는 금속바의 접합기술에 있다.

열간압연공정에서 금속바의 접합은 조압연기와 사상압연기 사이에서 이루어지고 있으며, 이와 같이 조압연기 이후의 공정에서 금속바들을 상호 접합시키게 되면 사상압연공정에서 압연되는 금속바들을 연속적으로 압연할 수 있게 된다.

따라서 사상압연을 연속적으로 수행하기 위해서는 주행중인 금속바와 금속바를 고속으로 접합할 필요가 있으며, 이러한 접합을 위하여 여러 가지 기술이 제안되고 있다.

지금까지 알려져 있는 접합기술로서는 크게 용융접합법과 고상접합법으로 구분된다.

용융접합법으로 금속바를 상호 접합할 경우 용융된 접합부의 온도가 인접 부분의 온도보다 높기 때문에 용융접합부의 연화현상이 발생하여 접합부가 모재부에 비해 접합강도가 떨어진다는 단점이 있다.

그리고 고상접합법으로 알려져 있는 기술로는 일본국 특허공개공보 평9-17411호(이하 "411발명" 이라 한다.)에 개시된 금속판의 접합방법이 있다.

이러한 411발명은 선행하는 금속바의 후단부와 후행하는 금속바의 선단부를 상하로 중첩시키고, 중첩된 두 금속바를 동시에 전단함으로써 전단 과정에서 생성되는 두 금속바의 전단면을 직접 접촉시켜 접합하는 기술이다.

이러한 411발명은 전단에 의해 접합이 이루어지기 때문에 간단하고 단시간에 접합이 가능하며 필요한 공간도 작기 때문에 사상압연시 온도저하가 적은 등 열간 연연속 압연설비로서 많은 장점을 가지고 있다.

그러나 이러한 411발명은 접합된 접합부가 그 형상이 불균일하고 접합된 표면에 표면 스케일이 혼입되어 접합부의 접합강도를 현저하게 떨어진다는 단점이 있다.

또한 411발명을 적용하여 금속바를 접합할 경우 접합부 단면 상, 하부와 폭 방향 양 끝단부에 미접합부가 발생하거나 접합력이 약한 부위가 존재한다는 단점이 있고 이와 더불어 접합면으로도 표면 스케일이 혼입되어 접합강도가 떨어진다는 문제점이 있다.

한편, 고탄소강은 상온에서는 강도가 매우 높아 공구용등으로 이용되는 유용한 강종이다.

이와 같은 고탄소강을 접합기술을 적용하여 연속열간압연을 수행할 경우 생산성 증가와 박물화가 가능해지는 등 많은 장점이 있다.

그러나 고탄소강의 소재가 매우 취약하다는 특성 때문에 연속열간압연을 수행하는데 많은 문제점을 수반하고 있다.

이러한 고탄소강에 대하여 용접접합기술을 적용하여 연속열간압연을 수행할경우 고온균열과 저온균열 등과 같은 각종 용접균열이 잘 발생하기 때문에 높은 온도로의 예열 및 후열처리가 필요하게 된다. 따라서 고탄소강의 경우 용접 작업성이 매우 떨어지고 용접 시공이 어렵다는 단점이 있다.

또한 고탄소강은 스케일의 융점이 모재보다 높아 유도가열방식과 같은 용융접합에서는 가열 후 압착 시, 스케일을 비드로 밀어내는 것이 어려워 스케일이 접합부 내에서 결함으로 남게 된다는 문제점이 있다.

또한 고탄소강의 경우 모재에 포함된 다량의 탄소가 용접시에 대기와 반응하여 CO 또는 CO₂ 가스를 생성하게 되어 용접부내에 기공으로 존재하게 된다. 이와 같이 기공이 존재하게 되면 접합부가 용접 이후에 상온뿐만 아니라 고온에서도 기계적 성능이 떨어져 사상압연이 매우 어렵게 된다.

이상과 같은 문제점 때문에 고탄소강의 경우 연속열간압연을 거의 적용하지않고 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고탄소강에 대하여 연속열간압연을 적용할 수 있는 전단접합방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고탄소강의 금속바를 접합할 때 사상압연공정에서 금속바의 접합부가 사상압연의 하중을 충분히 부담할 수 있고 사상압연 스탠드 간의 인장장력을 이겨낼 수 있는 인장특성을 확보하는 전단접합조건을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중량%로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 금속바를 열간압연설비에서 후행하는 금속바의 선단과 선행하는 금속바의 후단을 중첩하여 접합하는 접합기를 이용하여 전단접합하고 접합된 금속바의 접합면이 상기 금속바의 두께방향을 따라 경사지게 형성되도록 금속바를 상호접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 금속바의 접합 예정부를, 50 MPa 이하의 압력으로 디스케일링하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 상호 중첩되는 거리인 랩의 범위는 2mm 내지 18mm로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 이동한 거리의 합을 금속바의 두께로 나눈 스트로우크 율을 1.3 내지 1.7로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

그리고 본 발명에서 상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날 모두 상하로 동시에 이동하면서 전단접합하거나 상부날과 하부날 중 어느 한쪽만 이동하면서 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법을 제공한다.

또한 본 발명은 중량%로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 슬라브를 조압연하는 조압연기;

상기 조압연된 금속바를 코일상태로 권취하는 코일박스;

상기 코일박스의 코일러로부터 풀리는 금속바의 접합 예정부를 디스케일링하는 디스케일링장치;

상기 디스케일링된 금속바를 선행금속바의 후단과 후행금속바의 선단을 상호중첩하여 중첩부를 문 상태에서 그 양 측으로부터 압입하여 전단하면서 전단접합하는 한 쌍의 전단날이 구비되어 있는 전단접합장치; 및

상기 전단접합된 금속바를 사상압연하는 사상압연기

를 포함하는 고탄소강 금속바를 연속열간압연하는 열간압연설비을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 고탄소강은 중량%(이하 본 발명에서 %는 특별한 언급이 없는 한 중량 %를 의미한다.)로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나 머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강을 의미한다.

또한, 본 발명에서 전단접합이란 중첩된 금속바의 접합부에 대향하는 전단날이 위치하여 전달날에 의하여 전단하는 과정에서 접합부의 전단면이 상호 눌러지는 전단압력에 의하여 발생한 소성유동변형에 의하여 금속바가 상호 접합되며 이 때 접합부의 접합면은 금속바의 두께방향을 따라 경사지게 형성되는 것을 의미한다.

먼저, 본 발명에 따른 고탄소강을 전단접합하여 연속열간압연을 수행하기 위한 열간압연설비와 이 설비를 이용하여 고탄소강을 전단접합하는 방법을 도1내지 도4를 참조하여 함께 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시 형태예에 따른 열간압연설비의 전체 구성을 나타내고 있다.

도1을 참조하면, 본 발명에 따른 열간압연설비는, 크게 상류측으로부터 조압연기(10), 코일박스(20), 접합장치(30), 복수의 압연기로 구성되는 사상압연기(40) 그리고 다운코일러(50)로 이루어져 있다.

고탄소강 슬라브를 상기 조압연기(10)에서 압연하여 제조된 고탄소강 금속바는 코일박스(20)의 코일러에서 코일상태로 권취된다. 이와 같은 코일박스(20)는 조압연기(10)와 사상압연기(40)에서 주행하는 금속바의 속도 차이를 조정하게 된다.

코일박스(20)의 코일러로부터 풀리는 후행금속바(60)는 그 선단이 크롭쉬어에 의해 절단된 후, 접합하고자 하는 금속바의 접합 예정부의 표면을 부분 디스케 일링장치(81)에서 디스케일링하고 접합장치(30)의 중첩장치(80)에서 선행금속바(90)의 후단에 중첩된다. 이때 필요에 따라 선행금속바의 단부는 크롭쉬어에 의해 절단될 수 있다.

후행금속바(60)의 선단과 선행금속바(90)의 후단이 접합장치(30)의 접합기(100)에서 접합되고, 접합부의 크롭이 크롭처리장치(120)에 의해 절단된다. 접합장치(30)에서 접합되어 연속된 상태가 된 금속바(110)는 사상압연기(40)로 이송된다.

여기서 접합장치(30)는, 선행금속바(90)의 후단과 후행금속바(60)의 선단을 주행 중인 상태에서 접합하는 설비로서, 짧은 시간내에 전단접합이 가능한 단시간 접합장치이다.

그리고, 주행 중인 상태에서 금속바들을 전단접합하기 위하여, 접합기(30)는 금속바의 주행에 따라 이동할 수 있도록 되어 있으며, 접합기(30)가 금속바의 주행에 따라 요동시키는 설비가 추가로 설치될 수 있다.

예를 들어, 접합장치(30)의 접합기(100)에는, 후술하는 바와 같이, 선행금속바(90)의 후단과 후행금속바(60)의 선단이 중첩된 중첩부를 문 상태에서 그 양 측으로부터 압입하여 전단하면서 전단접합하는 한 쌍의 전단날이 구비되어 있다.

그리고 사상압연기(40)로 이송된 금속바(110)는 복수의 압연기를 통하여 순차적으로 열간압연되어 필요한 두께로 제조되고 이후 다운코일러(50)에서 권취된다.

도1에서 미 설명 도면 부호 130과 140은 코일박스(20)와 접합장치(30)의 각 출구 측에 설치된 레벨라이고, 도면 부호150은 사상압연기의 입구측에 설치된 크롭쉬어이며, 도면부호 160은 상기 레벨라(140)와 크롭쉬어(150) 사이에 배치된 에지히터이며, 도면부호 170은 에지히터(160)의 전방에 배치된 바히터를 나타낸다.

이러한 레벨라(130)(140)나 크롭쉬어(150) 그리고 에지히터(160) 및 바히터(170)들은 열간압연되는 소재 및 열간압연 조건에 따라 선택적으로 배치될 수 있으며, 도 1에서 이들 설비의 설치 위치나 설치유무 등은 하나의 예로 나타낸 것으로 다양한 변형이 가능하다.

그리고, 선행금속바(90)의 후단 및 후행금속바(60)의 선단을 절단하는 크롭쉬어(70)는 금속바를 맞대기 접합하는 경우에 필요로 되나, 금속바를 중첩시켜 전단하는 과정으로 전단접합하는 경우에는 필요치 않기 때문에 생략될 수도 있다.

다음은 도2와 도3을 참조하여, 본 발명에 따른 접합기(100) 및 전단접합과정의 고탄소강의 금속바를 자세히 설명한다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 접합기(100)는 크게 상부날 집합체(120)와 하부날 집합체(130) 그리고 이들을 이동 가능하게 지지하는 하우징(110)으로 이루어져 있다.

여기서 상부날 집합체(120)는 상부날(121)과 상부클램프(122) 그리고 상부지지장치(123)로 이루어지며, 이들은 모두 일체로 구성되어 있다. 그리고, 하부날 집합체(130)는 하부날(131)과 하부클램프(132) 그리고 하부지지장치(133)로 이루어지며, 이들은 모두 일체로 구성되어 있다.

그리고 상부날 집합체(120)와 하부날 집합체(130)는 하우징(110)의 포스트부( 미도시)에 의해 안내되며, 선행금속바(90) 및 후행금속바(60)의 두께 방향으로 이동이 가능하도록 지지된다. 또한 상부날 집합체(120)와 하부날 집합체(130)은 링크 기구(미도시)에 의해 접근 및 이반될 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 접합기(100)내부로 고탄소강의 선행금속바(90)의 후단(210)위에 후행금속바(60)의 선단(220)이 중첩된 상태로 안내 된다.

그러면 고탄소강의 선행금속바(90)의 후단(91) 위에 후행금속바(60)의 선단(61)이 중첩되게 되고, 선단(61)과 후단(91)이 중첩된 부분은 상부날과 하부날의 돌기(124)(134) 사이에 물려지게 된다. 즉, 상부날과 하부날의 돌기(124)(134)가 선단(61)과 후단(91)의 표면에 접촉하게 된다.

그리고, 선행금속바(90)의 후단(91)과 후행금속바(60)의 선단(61)이 중첩된 부위에는, 상부클램프(122)와 하부클램프(132)가 접촉하게 된다. 여기서 상부클램프(122)는 상부지지장치(123)에 의해 유압력으로 지지되고, 하부클램프(132)는 하부지지장치(133)에 의해 유압력으로 지지되어 있다.

이와 같은 상태에서 상부날(121)과 하부날(131)이 선행금속바(90)와 후행금속바(60)를 전단하게 되면, 선행금속바(90)와 후행금속바(60)의 각 전단면이 소성유동변형에 의해 서로 전단접합되어 일체로 연속접합된 금속바(110)가 된다.

이와 같이 고탄소강의 단부가 전단접합을 완료하게 되면 연속된 금속바의 접합부위에는 후행금속바(60)의 선단(61)이 절단된 상부크롭이 위치하고 선행금속바(90)의 후단(91)이 절단된 하부크롭이 위치하게 된다. 그리고 금속바가 서로 접합이 완료되면 상부날(121)과 하부날(131)은 일정한 이격거리를 가질 때까 지 후퇴한다.

금속바의 전단접합에 따라 절단된 상부크롭과 하부크롭은 도1에 나타나 있는 크롭처리장치(120)에 의해 제거되고, 연속된 금속바(110)는 사상압연기(40)로 이송되게 된다.

여기서 금속바의 접합부가 사상압연기(40)를 통과할 때에는 사상압연시 강한 압축응력 및 굴곡 그리고 사상압연기의 각 스탠드 사이에서 굴곡 또는 인장 등의 외력이 작용하기 때문에 상기 접합부는 가혹한 공정조건하에 놓여지게 된다.

이때, 고탄소강 금속바의 접합부는 파단되지 않고 사상압연기(40)를 통과시킬 수 있을 정도의 접합강도를 유지할 필요가 있다.

이하에서는 연속열간압연에서 고탄소강 금속바를 전단접합할 경우 접합부의 접합강도를 제어하기 위한 접합공정의 공정변수에 대하여 자세히 설명한다.

먼저, 도4를 참조하여, 두 개의 금속바를 고상접합하는 공정을 금속열역학적으로 설명한다.

고상접합은 두 개의 자유 표면(free surface)이 한 개의 계면(interface)로 되는 공정이라고 볼 수 있다. 이 경우 열역학적으로 고상접합 공정에서 자유 에너지 변화를 계산해 보면 아래 수학식 1과 같다.

γ_interface - 2γ_{free surface} = -1.7γ_{free surface} -----------(1)

수학식 1에서 계면에너지는 자유표면 에너지의 30% 이하의 값을 갖기 때문에 자유에너지 변화는 -1.7γ_{free surface} 으로 나타낼 수 있다. 그리고 γ_{free surface} 는 양의 값을 갖기 때문에 전체 에너지의 변화는 음의 값을 가지며 이는 자발반응 즉, 외력이 전혀 없어도 두 표면은 저절로 접합이 된다는 것을 의미한다.

그러나 실제로는 두 표면이 대기 중에서 외력 없이 자연적으로 접합되는 경우는 없으며, 이것은 판재 표면의 요철과 스케일이 두 표면의 접합을 방해하기 때문이다.

두 개의 금속바가 서로 접합되기 위해서는 접합되고자 하는 금속바의 표면에 있는 원자들끼리 인력이 작용하여야 하며 원자간 인력이 작용하기 위해서는 원자간 거리가 Å(10^-8m) 단위이어야 한다.

그러나 금속바의 표면은 기계가공을 하더라도 요철이 존재하기 때문에 두 개 금속바 표면의 원자간 거리는 Å 단위보다는 훨씬 멀다. 이 점을 고려하여 통상의 고상접합에서는 강한 압력(압축력)을 인가하게 되며 상온에서는 매우 큰 힘이 필요하기 때문에 금속바를 고온으로 가열하게 된다.

그러나 이와 같이 강한 압력을 인가하게 되더라도 금속바의 표면에 존재하거나 금속바를 가열할 경우 금속바의 표면에 생성되는 스케일이 접합력을 저하시키게 된다. 따라서 고탄소강의 연속열간압연시 충분한 접합부의 접합강도를 확보하기 위해서는 반드시 스케일을 저감시켜야만 한다.

종래의 고상접합법으로 두 개의 금속바를 접합하는 방법에서는 극히 예외적으로 스케일 혼입을 억제하는 접합이 가능할 수도 있다. 그러나 이 경우에서도 열간압연이 1,000℃ 정도의 고온에서 행해지기 때문에 두 개의 금속바가 중첩되는 예정 면에서 고온 산화에 의한 스케일이 자연적으로 발생하며 이를 제거하기 위하여 디스케일링 하더라도 순간적으로 표면에 스케일이 생성된다.

또한 고온에서는 소재의 연성이 매우 높기 때문에 중첩되는 예정면에 존재하는 스케일이 접합부로 혼입되게 되며 이 같은 스케일 혼입은 접합강도를 저하시키는 원인으로 작용하게 된다.

도 5를 참조하여 이와 같이 열간에서 두 금속바를 접합할 경우 접합부의 접합율과 접합강도비를 설명한다.

도5에서 직선은 접합부 내에 스케일이 혼입되지 않아 이론적으로 스케일간의 접합력은 전혀 없는 경우를 가정하였을 때의 접합율과 접합강도와의 관계를 나타내는 것이다. 이와 같이 이론적으로는 접합율과 접합강도는 선형의 관계로 나타나기 때문에 접합율이 증가하면 접합강도비도 증가하여야 한다. 여기서 접합율은 접합부 중 스케일이 없이 완전하게 접합된 길이를 접합부 전체길이로 나눈 백분율로 표시한 것이다. 이것은 접합부내에 스케일 혼입이 많아질수록 접합율은 낮아지고 따라서 접합강도비도 낮아진다는 사실을 나타낸 것이다.

그러나 실제의 열간압연공정에서는 고온의 온도 조건 때문에 스케일이 발생할 수 밖에 없고 스케일간에도 약한 접합력이 존재하기 때문에 직선보다 약간 높은 접합강도비 즉 점선과 같은 관계를 나타내게 된다.

다음, 연속열간압연에서 고탄소강 금속바를 전단접합할 경우 접합부의 접합강도를 제어하기 위한 접합조건에 대하여 설명한다.

도 6을 참조하여 본 발명에 따른 접합기(100)의 전단접합과정을 설명한다.

도6에서와 같이, 두 개의 금속바를 전단접합에 의하여 접합시키는 힘은 상부날(121)과 하부날(131)이 누르는 압축하중 중 접합부에 수직한 방향의 분력이며 여기에 전단에 의하여 발생하는 두 개의 신생면끼리의 마찰력이 접합력을 증가시키게 된다.

이와 같은 힘들에 의해 도6의 오른 쪽에서와 같이 서로 마주보는 압력들이 작용하여 접합이 발생하게 된다.

이 때 이 힘은 접합기(100)와 공정조건의 함수로서 이 힘이 부족하면 접합부가 충분한 접합강도를 가지지 못한다. 한편, 상부날과 하부날에 있는 돌기(124)(134)는 금속바가 전단 시 금속의 유동을 막아주는 역할을 하여 접합력을 견고하게 한다.

또한 도 7에서와 같이 금속바의 폭 방향으로 중앙부는 주위의 구속으로 전혀 문제가 없으나 금속바 폭 방향의 양 단부는 전혀 구속이 없는 자유표면상태로 된다.

이와 같이 금속바의 접합시 자유표면상태인 양 단부는 도7에서와 같이 바깥 방향으로 벌어지기 때문에 마주보는 방향의 힘이 경사지게 된다.

따라서 금속바의 양 단부는 접합강도가 떨어지게 되고 이 부분에는 접합시 도7의 오른쪽에서와 같이 부분 산화도 일어나게 되며 이것이 후속하는 사상압연시에 균열 발생의 원인이 되며 균열이 커지면 판 파단이 발생하게 된다.

또한 접합부의 형상도 접합강도에 영향을 미치게 되며, 전단접합을 적용하는 경우에는 접합방법의 특성상 접합부 단면의 상, 하부에 미접합부가 존재하며 이 미 접합부의 위치 및 크기에 따라서 접합강도가 변하게 된다.

이상과 같은 설명을 고려하여 접합부의 성능에 미치는 각종 제어인자들의 영향을 정리하면 도8에서와 같다.

도8에서와 같이 금속바 접합부의 성능에는 소재특성과 공정변수 그리고 접합장치가 접합부의 접합강도에 모두 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

그러나 여기서 소재특성과 접합장치는 제어가 곤란하므로 실제 금속바를 접합할 경우에는 공정변수를 조절하는 것이 접합조건을 제어하는데 용이하고 그 효과가 확실하다.

이러한 공정변수로서는 디스케일링 조건과 접합조건이 있다.

디스케일링 조건은 디스케일링시의 온도 및 압력을 제어하여 스케일의 혼입을 억제할 수 있으며, 접합조건은 금속바의 접합시 온도와 랩(Lap) 그리고 스트로우크(stroke) 율을 제어하여 접합부의 접합력와 접합부의 형상을 조절할 수 있다.

이상과 같은 다섯 가지 공정변수를 적절히 조절함으로서 접합강도를 떨어트리는 요인인 스케일 혼입문제와 접합력 부족문제 그리고 접합부의 형상을 제어할 수 있고 이러한 공정변수를 제어함으로써 금속바 접합부의 강도 저하를 억제할 수 있다.

여기서 공정변수의 접합조건인 스트로우크 율과 랩의 정의를 도9을 참조하여 설명한다.

스트로우크 율은 접합기(100)의 상부날(121)과 하부날(131)이 상하로 움직인 거리의 합을 금속바의 두께로 나눈 값을 나타낸다. 따라서 스트로우크 율이 커지면 접합부 두께는 감소하게 된다.

그리고 랩은 상부날(121)과 하부날(131)이 상호 중첩되는 거리이다. 그러나 전단 날(상부날과 하부날)이 소정의 각을 가지고 있어서 전단날이 전단한 이후에는 스트로우크 율에 따라 설정치와 약간의 차이가 발생할 수도 있다. 따라서 실제로 금속바를 전단접합할 경우에는 실제 측정이 불가능하기 때문에 접합기의 설정치로 제어하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 본 발명에 따른 열간압연설비 및 이를 이용한 접합방법은 전단접합을 수행하므로 탄소함유량이 높아서 금속바의 물성이 취약한 고탄소강에 적용하는 것이 가능하다.

더욱이 본 발명에 따른 접합방법은 고상접합이므로 열간압연 설비라인 상에서 별도의 열원을 공급하지 않고도 열간으로 가열되어 있는 금속바 자체의 온도 범위 내에서 전단접합을 수행할 수 있기 때문에 예열 및 후열이 필요하지 않으며 별도의 열원 도입에 따른 금속바 접합부의 균열을 방지할 수 있다.

또한 종래의 용접접합 방법과는 달리 전단력만을 이용하므로 고탄소강의 접합공정시 스케일 혼입문제와 기공 혼입문제를 근본적으로 방지하는 기술적 효과가 있다.

따라서 본 발명에 따른 전단접합 방법은 연속열간압연공정에서 고탄소강의 접합에 매우 유용한 방법이며 공정변수만 적절히 제어하면 접합부의 사상압연 통판성을 확보하는 것이 가능하다.

다만, 고탄소강은 저탄소강과는 달리 표면 스케일이 모재와의 밀착성이 좋아 공정조건을 타 강종보다는 엄격하게 관리할 필요가 있다.

이하에서는 이러한 점을 고려하여 고탄소강의 전단접합시 공정변수와 공정조건에 대하여 실시예를 통하여 살펴본다.

[실시예]

아래 표1의 조성을 갖는 고탄소강의 금속바를 이용하여 도1내지 도3에 나타나 있는 연속열간압연설비에서 금속바의 전단접합시의 공정변수를 실험하였다.

강종	화학조성(wt%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Al	V
S35C	0.33	0.20	0.681	0.014	0.004	0.153	0.014	0.014	0	0.016	0
S45C	0.448	0.198	0.685	0.016	0.004	0.023	0.013	0.015	0.001	0.013	0
SK85	0.851	0.197	0.413	0.014	0.003	0.16	0.012	0.015	0.001	0.008	0
SCM435	0.350	0.97	0.684	0.017	0.003	0.987	0.019	0.015	0.195	0.016	0

이하 도10내지 도15에 나타낸 실험그래프는 표1에 나타난 강종의 평균 실험값을 나타내는 것이다. 고탄소강의 경우 표1에 나타낸 강종에 따른 조성을 갖는 경우에 실험결과 접합강도비(후술)등의 특성이 유사한 패턴을 나타내기 때문이다.

도 10은 접합부 강도비와 금속바 에지의 균열율(edge crack ratio)에 미치는 디스케일링 온도의 영향을 나타낸 것이다.

여기서 접합부 강도비란 아래와 수학식 2와 같다

접합부 강도비 = 금속바의 접합부 부분의 강도/ 금속바의 모재부분의 강도 -- (2)

그리고 에지 균열율은 아래 수학식 3과 같다.

에지 균열율= 좌, 우 균열길이의 합/ 금속바의 폭 -- (3)

도10에서와 같이 고탄소강의 경우 금속바를 전단접합할 경우 디스케일링 온도 변수는 접합강도비와 에지 균열율에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있다.

그리고 사상압연 시, 접합강도비가 낮으면 첫 번째 또는 두 번째 패스에서 판 파단이 발생하며 에지 균열율이 높아지면 후단부에서 판 파단이 발생한다는 것을 알 수 있었다.

도 11은 접합부 강도비와 금속바 에지의 균열율(edge crack ratio)에 미치는 디스케일링 압력의 영향을 나타낸 것이다.

도11에서와 같이 접합된 금속바를 사상압연기에서 사상압연하여 통판성을 시험한 결과, 접합강도비는 52% 이상일 경우 금속바의 접합부 파단 없이 사상압연이 가능하다는 것을 알 수 있다. 그리고 에지균열율의 경우 30%까지는 통판이 가능하였다.

또한 도11에서와 같이 디스케일링 압력은 증가할수록 접합부로의 스케일 혼입이 감소하기 때문에 접합부의 접합부 강도가 증가하고 폭 방향 양 단부의 미접합부 면적이 줄어들기 때문에 에지 균열율도 감소한다.

그러나 디스케일링 압력이 너무 높아지면 분사되는 수량이 많아지게 되어 접합부의 온도저하가 커지기 때문에 후속 공정인 사상압연에 필요한 온도 확보가 어렵게 된다.

또한 과도한 디스케일링 압력에 의해 고온강도가 약한 금속바의 모재가 심하게 손상되어 접합부의 표면에 요철이 심하게 발생하여 접합성이 떨어지게 된다.

이상과 같은 실험결과 고탄소강을 접합기로 전단접합할 경우 접합기(100) 이전의 디스케일링 장치(81)에서의 디스케일링 압력은 50MPa 이하로 제어하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 디스케일링 압력은 금속바의 모재 손상현상에 의한 접합성 열화현상이 35 MPa 이상에서 나타나기 시작하나 50MPa까지는 통판기준을 만족하기 때문에 50MPa 이하가 바람직하다.

또한 고탄소강의 경우에는 디스케일링 압력이 0 MPa인 경우에도 사상압연공정에서 통판이 가능한 접합강도와 낮은 에지 균열율이 얻어지기 때문에 디스케일링을 생략하는 것도 가능하다.

도 12는 고탄소강의 전단접합시 접합온도에 따른 접합강도비를 나타낸 것이다.

그러나 도12에서와 같이 고탄소강의 전단접합시 접합온도는 접합부 강도비에 영향이 거의 없었으며 에지 균열율에도 영향을 주지 않았다.

도 13은 고탄소강의 전단접합시 랩의 변화에 따른 접합부의 강도비를 나타낸것이다.

도13에 나타난 바와 같이 랩과 접합강도비는 가우시안(Gaussian) 분포 즉, 포물선의 관계를 나타내고 있다는 것을 알 수 있다.

이것은 랩이 증가하면 접합강도비가 증가하여 2mm 이상에서는 통판기준(후술한다)을 만족하기 시작하고 18mm 이상에서는 다시 감소하기 시작하여 21mm를 넘으면 통판기준을 만족시키지 못하였다.

이와 같이 랩의 범위가 2mm 내지 18mm의 범위에서 통판기준을 만족하는 이유는 다음과 같다.

즉, 랩이 증가하게 되면 접합강도가 증가하는 이유는 랩이 증가함에 따라 접합선의 각도는 작아지며, 따라서 전단날의 수직응력 중 접합선 수직방향 분력이 증가하기 때문이며 랩 양이 소정의 값보다 커지면 필요한 하중이 커지기 때문에 접합강도가 감소한다.

따라서 랩의 범위는 2mm 내지 18mm의 범위가 바람직하다.

한편, 에지 균열율은 디스케일링 압력에 의해서는 큰 영향을 받았으나 랩에 의한 영향은 거의 나타나지 않았다. 이것은 랩이 증가함에 따라 접합력은 증가하지만 에지부에서는 폭 방향으로 벌어짐 현상이 발생하여 접합력이 떨어지고 따라서 에지부 산화가 발생하여 그 효과가 현저히 미미하기 때문이다.

그리고 전단날은 사용하면 할수록 마모가 일어나 랩 양이 수시로 변하고 실제 열연라인에서는 측정이 어렵기 때문에 본 발명에서의 랩 양은 접합기(100)에서의 설정치를 의미한다.

도 14는 고탄소강의 전단접합시 스트로우크 율에 따른 금속바의 파단하중을나타내는 그래프이다.

도14에서와 같이 스트로우크 율이 증가함에 따라 접합부의 파단하중은 서서히 증가하다가 1.30을 지나면서 통판기준을 만족하였으며 1.45 이상에서는 거의 포화현상을 나타내다가 1.65 이상에서는 다시 감소하였다. 그러나 1.70까지 통판기준을 만족하고 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 고탄소강의 경우 전단접합시 접합기(100)의 스트로우크 율은 1.30 ~ 1.70이 바람직하다.

이 때 스트로우크는 접합기(100)의 상부날과 하부날을 동시에 상하로 이동하게하여 전단접합을 할 수도 있고, 상부날과 하부날 중 어느 하나만을 이동하면서 전단접합을 할 수도 있다.

다른 접합조건과 달리 스트로우크 율은 접합부의 두께에 영향을 미친다. 즉, 스트로우크 율이 증가하면 접합부의 두께가 얇아지기 때문에 접합강도는 올라가더라도 하중은 감소할 수도 있기 때문에 스트로우크 율과 접합부의 파단하중과의 관계를 조사하였으며 도 14에서 알 수 있듯이 스트로우크 율이 증가하면 접합부 두께가 얇아짐에도 불구하고 파단 하중이 증가하고 있으며 이는 접합강도비는 스트로크 율이 증가함에 따라 현저히 상승한다는 것을 의미하고 있다.

또한 스트로우크 율이 증가하면 연신율도 향상되었으나 에지 균열율에 미치는 영향은 크지 않았다. 이와 같이 스트로우크 율이 증가함에 따라 파단응력 및 파단하중이 증가하는 현상은 스트로우크 율 증가에 따라 접합력이 증가하고 또 판 두께 방향 상, 하부 미접합부의 위치 및 형상이 다르게 나타나기 때문이다.

도15는 본 실시예에 따른 고탄소강을 열간압연설비에 전단접합을 하고 사상압연기에서 통판실험을 한 결과를 나타내고 있으며 도15에 의하여 본 발명에 의한 통판기준을 확인할 수 있다.

도 15는 표1에 나타난 성분조성을 갖는 고탄소강 강재를 이용하여 전단접합한 다음 접합된 금속바를 열연공장의 사상압연기에서 압연한 결과를 나타낸 것이다.

도15의 그래프에 나타난 실험재는 폭 450mm인 고탄소강 금속바를 전단접합한 후, 접합된 실험재 두 세트를 측면 용접하여 폭을 840mm ~ 900mm로 만든 다음, 다시 전, 후면에 동일한 두께의 바를 용접하여 길이 900mm의 금속바로 만들었다. 그리고 이러한 금속바를 가열로에서 가열한 다음 사상압연을 실시한 결과이다.

이러한 시험결과 접합강도비가 52% 이하인 금속바들은 사상압연에서 모두 판 파단이 일어났으며 접합강도비가 52% 이상의 금속바들은 통판에 성공하였다.

이와 같이 사상압연의 통판에 성공한 금속바의 접합부 에지균열은 25% 이하로 나타났다.

한편, 스트로우크 율이 고정된 경우에는 접합강도비로 통판 기준을 설정하여도 문제가 없으나 스트로우크 율이 변하면 접합부 두께가 달라지기 때문에 이를 감안하여 정리한 결과를 도15의 아래 그림에 나타내었다. 여기서 접합하중비란 아래 수학식 4에 나타난 바와 같고 이러한 접합하중비에 대한 통판기준은 31.5%이다.

접합하중비 = 접합부 파단하중/모재 파단하중 --- (4)

이상 도15에서 나타난 바와 같이 사상압연단계에서의 통판기준은 금속바의 파단 없이 사상압연의 접합강도비 및 파단하중을 만족하는 것을 의미한다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이상과 같은 고탄소강의 연속열간압연시 접합부에서의 접합조건에 특정되는 것이 아니라 이러한 고탄소강의 연속열간압연의 전단접합에 필요한 다양한 접합방법에 적용하는 것이 가능하다.

따라서 본원 발명은 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법은 지금까지 적용되지 않았던 고탄소강의 열간압연재를 전단접합에 의하여 접합이 가능하게 하여 연속열간압연을 할 수 있게 하는 기술적 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고탄소강의 금속바를 접합할 경우 사상압연공정에서 금속바의 접합부가 사상압연의 하중을 충분히 부담할 수 있고 사상압연 스탠드 간의 인장장력을 이겨낼 수 있는 인장특성을 확보하는 전단접합조건을 제공하는 기술적 효과가 있다.

여기에 더하여 본 발명은 고탄소강을 연속열간압연할 경우 금속바를 상호 접합하여도 후속하는 사상압연공정에서 판 파단없이 압연을 연속적으로 수행할 수 있는 공정변수를 제공하는 기술적 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명의 공정조건 범위를 적용하면 고탄소강이라고 하더라도금속바의 접합부는 사상압연에 의한 강한 압축하중과 스탠드 사이에 걸리는 인장하중에도 내성이 충분한 성능을 가져 사상압연에서 판 파단 즉 접합부 파단이 일어나지 않고도 연속열간압연이 가능해진다.

Claims (10)

1. 중량%로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 금속바를 열간압연설비에서 후행하는 금속바의 선단과 선행하는 금속바의 후단을 중첩하여 접합하는 접합기를 이용하여 전단접합하고 접합된 금속바의 접합면이 상기 금속바의 두께방향을 따라 경사지게 형성되도록 금속바를 상호접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
2. 제1항에서

   상기 금속바의 접합 예정부를, 50 MPa 이하의 압력으로 디스케일링하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
3. 제1항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 상호 중첩되는 거리인 랩의 범위는 2mm 내지 18mm로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
4. 제1항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 이동한 거리의 합을 금속바의 두께로 나눈 스트로우크 율을 1.3 내지 1.7로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
5. 제4항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날 모두 상하로 동시에 이동하면서 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
6. 제4항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날 중 어느 한쪽만 이동하면서 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
7. 제2항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 상호 중첩되는 거리인 랩의 범위는 2mm 내지 18mm로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
8. 제7항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 이동한 거리의 합을 금속바의 두께로 나눈 스트로우크 율을 1.3 내지 1.7로 하여 전단접합하 는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
9. 제2항에서

   상기 금속바를 전단접합할 경우 상기 접합기의 상부날과 하부날이 이동한 거리의 합을 금속바의 두께로 나눈 스트로우크 율을 1.3 내지 1.7로 하여 전단접합하는 고탄소강 연속열간압연재의 전단접합방법.
10. 중량%로 C ; 0.30% ~ 1.20%를 함유하고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 또는 C ; 0.15% ~ 1.5%에 Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, B, Nb, Sb 등의 원소가 적어도 하나 이상 포함되어 있고 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 이루어진 고탄소강 슬라브를 조압연하는 조압연기;

    상기 조압연된 금속바를 코일상태로 권취하는 코일박스;

    상기 코일박스의 코일러로부터 풀리는 금속바의 접합 예정부를 디스케일링하는 디스케일링장치;

    상기 디스케일링된 금속바를 선행금속바의 후단과 후행금속바의 선단을 상호중첩하여 중첩부를 문 상태에서 그 양 측으로부터 압입하여 전단하면서 전단접합하는 한 쌍의 전단날이 구비되어 있는 전단접합장치; 및

    상기 전단접합된 금속바를 사상압연하는 사상압연기

    를 포함하는 고탄소강 금속바를 연속열간압연하는 열간압연설비.

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