KR20080059885A - 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압연 장치에서 조압연 공정 시 폭압연으로 인해 발생되는 도그본을 고려한 압연하중을 예측하기 위한 방법에 관한 것으로서, 입력된 설정공정 조건을 이용하여 상기 도그본 형상을 고려한 유효공정 조건을 도출하고, 상기 도출된 유효공정 조건으로부터 상기 조압연에 대한 압연하중을 예측한다. 압연하중 예측 시 입측 도그본 형상의 단면적을 고려하여 유효 입측 두께를 산출하고, 상기 유효 입측 두께를 수평 압연하중 모델식에 적용하여 수평압연 시 소요되는 압연하중 값을 구함으로써, 도그본을 고려한 압연하중 예측할 수 있으며, 이로 인해 조압연 공정의 압연하중 예측 오차를 보다 많이 감소할 수 있는 효과가 있다.

압연 장치, 조압연, 폭압연, 도그본, 수평압연기, 대압하 폭압연기, 에저 롤, 압연하중.

Description

폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법{METHOD FOR FORECASTING ROLL FORCE OF ROUGHING MILL CONSIDERING WIDTH REDUCTION}

도 1은 종래의 부정확한 조압연 압연하중 모델로 인한 실험 결과를 도시한 그래프.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조압연 공정 시 압연하중을 예측하기 위한 압연 장치의 구조를 도시한 구성도

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 가역식 조압연에서 폭압연, 수평압연과 도그본 발생을 도시한 개념도,

도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 조압연 공정에서 폭압연 전후 바 형상을 도시한 단면도,

도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 조압연 공정에서 3차원 유한요소 해석으로 도그본 영향 고려 방법을 검증한 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 조압연 공정 시 도그본을 고려한 압연하중을 예측하기 위한 방법을 도시한 흐름도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 압연하중 모델 예측 테스트 결과 및 종래의 압연하중 모델 예측 결과를 도시한 그래프.

본 발명은 조압연 장치에서 압연하중을 예측하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히, 조압연 공정 시 폭압연으로 인해 발생되는 도그본 형상을 고려하여 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법에 관한 것이다.

통상적으로 열간압연은 2~4개의 가역식/비가역식 스탠드의 조압연과 6~7개의 스탠드로 구성된 사상압연으로 구성되어져있다. 열연 조압연은 230~~250mm 슬라브를 30~55mm 두께로 압하를 한다. 고부하강을 압연하는 경우, 압연하중이 압연기 설비 한계를 초과하여 압연기를 구성하는 여러 가지 부속 장치들에 설비 충격을 준다. 이러한 충격으로 부속품들이 영구변형을 함으로 인해 밀하우징의 특성이 바뀌게 되므로 압연하중 측정시스템 특성이 바뀌기도하고, 밀하우징을 구성하는 장치들중 중 상대적으로 약한 부속품들은 정기수리 때 깨어져 나오기도 한다.

이에 따라 기존에는 상기 고부하강 생산 시 사상압연에서 각 스탠드에 걸리는 부하를 전체적으로 최대한 걸리게끔 패스스케줄을 최적으로 설계하는 방법으로 고부하 문제를 해결하였다. 그러나 점점 더 고부하강 종류가 많아지면서 사상압연만으로는 한계에 도달하게 되었다. 최근에 들어서는, 조압연에서도 사상압연처럼 정밀한 압연을 하면서 사상 압연에서의 과부하를 조합연에서도 압연기 능력이 허락하는 범위까지 최대한 압연하는 개념이 도입되고 있다. 하지만, 기존의 조압연 공 정에서는 대략적으로 압연한다는 개념으로서, 조압연 설정 모델은 사상압연 설정 모델에 비해 상대적으로 엄격한 관리가 이루어지지 않고 있다. 때문에 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 고부하강의 경우 조압연에서 압연한 바 두께가 목표 부께보다 편차가 크게 나타나며, 조압연 압연하중 예측 오차도 사상압연 압연하중 예측 오차에 비해 크게 나타나게 되는 문제점이 있다. 최근에는 고부하강을 압연하는 경우가 빈번해짐에 따라 사상압연의 과부하를 경감시키고, 목표 재질을 얻기 위해 조압연에서 강압연하를 하는 경우가 적지 않다. 조압연에서 강압하를 하면서도 목표 바 두께 및 목표재질을 얻고, 관리 한계 이하에서 압연을 하기 위해서는 정확한 압연하중 예측이 필요하다.

상술한 바와 같은 기존의 조압연 압연하중 모델은 입측 바의 형상이 대략적으로 직사각형일 때 성립 가능한 식 즉, 하기 <수학식 1>과 같이 고전 심즈 모델을 변형한 식을 이용하여 왔다. 여기서 F는 압연하중, k는 변형저항, R은 롤 반경, △h는 입출측 강판 두께 차, Q_p는 수정계수를 나타낸다.

하지만, 조압연은 사상압연과 달리 두께를 줄이는 수평압연이외에도 폭압연을 수행한다. 조압연 첫 번째 스탠드는 가역식이고 폭압연량도 최대 300mm 이상 압연하는 경우도 있다. 때문에 폭압연 직후에는 폭방향 양쪽 끝부분 두께가 두꺼워지는 이른바, 도그본 현상이 발생하여 수평압연 시 압연하중 값이 증가하게 된다. 이 러한 종래의 부정확한 조압연 압연하중 모델로 인한 압연을 수행한 측정 결과는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같으며, 상기 도 1의 (가)는 바두께 목표값과 실적값 편차를 (나)는 압연하중 설비한계 및 압연하중 측정값을 보여준다.

또한, 이렇게 폭압연을 할 경우 단면 형상이 직사각형이 아닌 도그본 단면 형상이 되어 기존의 직사각형 입측 단면형상의 바를 압연에 사용하는 수식모델을 이용할 경우 정확한 압연하중값을 예측할 수 없다.

이를 위해 도그본 효과를 어느 정도 반영할 수 있도록 압연하중 학습 모델을 운용할 수 있다. 그러나 수많은 강종 및 압연 공정조건에서 기본 압연하중 모델이 부정확한 경우에는 압연하중 학습테이블을 운용해도 학습효과나 학습 안정성이 나쁘기에, 기본 압연하중 모델의 예측 정확도를 높여야 한다.

따라서 고부하강 압연 시 과도한 부하 문제를 해결하기 위해 조압연에서 정밀한 설정을 위한 기술이 필요하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 압연 장치에서 조압연 공정 시 폭압연으로 인한 도그본을 고려하여 정확한 압연하중 예측을 하기 위한 방법을 제공함에 있다.

상기 이러한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 방법은, 압연 장치에서 조압연 공정 시 폭압연으로 인해 발생되는 도그본을 고려한 압연하중을 예측하기 위한 방법으로서, 설정공정 조건을 입력받는 과정과, 상기 설정공정 조건을 이용하여 상기 도그본 형상을 고려한 유효공정 조건을 도출하는 과정과, 상기 도출된 유효공정 조건으로부터 상기 조압연에 대한 압연하중을 예측하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

그러면 본 발명의 실시예에서는 압연 장치에서 조압연 시 도그본 형상을 고려하여 정밀한 압연하중을 예측하기 위한 시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조압연 공정 시 압연하중을 예측하기 위한 압연 장치의 구조를 도시한 구성도이다.

상기 도 2를 참조하면, 압연 장치는 R1 스탠드인 제1 수평압연기(20)와 R2 스탠드인 제2 수평압연기(30)로 구분될 수 있으며, R1 스탠드에서의 수평압연 전에 대압하 폭압연 공정을 수행하는 대압하 폭압연기(HSE)(10)와, 상기 제2 수평 압연기(30) 전 후에 위치하여 조압연 약압하 폭압연 공정을 수행하는 에저 롤(40, 50) 을 포함한다. 그리고 압연 장치는 상기 제1 및 제2 수평압연기(20, 30)를 제어하는 제어기(110)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 제어기(110)는 조압연 공정에서 폭압연에 따른 도그본 형상을 고려한 압연하중을 예측하는 압연하중 예측부를 포함할 수 있다. 조압연 장치는 도 2와 같이 2개의 수평압연기로 구성될수도 있고, 최소 1개부터 최대 4개의 수평압연기로 구성될수도 있다.

상기 압연 장치는 첨부된 도 3a에 도시된 바와 같이, 대압하 폭압연기(10)를 이용한 조압연 대압하 폭압연 공정 및 제1 수평압연기(20)를 통해 수평압연으로 구성되어있다. 그리고 첨부된 도 3b에 도시된 바와 같이, 에저 롤(40)을 이용한 조압연 약압하 폭압연 공정 및 제2 수평 압연기(20)를 이용한 수평 압연 공정, 그리고 에저 롤(50)에 의한 조압연 약압하 폭압연 공정으로 구성되어있다. 이러한 폭압연 공정에 따른 폭압연 전후 강판의 바 단면 형상은 첨부된 도 4에 도시된 바와 같은 형상 및 특성을 보인다.

상기 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 폭압연 전 바 단면 형상(62)은 거의 직사각형을 이루고 있으며, 폭압연 후 바 단면 형상(61)은 폭방향 양쪽끝 두께가 더 두껍게 형성된 도그본 형상임을 알 수 있다. 상기 도 4b 는 유한 요소 해석 결과 두 번의 폭압연 후 바 단면 형상을 보여준다. 여기서 그래프(63)는 도그본 형상의 폭에 따른 두께를 나타내고, 그래프(64)는 동일한 단면적의 유효 두께를 나타낸다. 그리고 상기 도그본 형상(63)은 압연하중 값이 2485.6톤이며, 상기 직사각형 형상(64)은 압연하중 값이 2457.6톤이다. 이와 같이 압연기에서 폭압연으로 인한 도그본 형상을 고려할 경우 정밀한 압연하중을 예측할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 압연 장치의 제1 및 제2 수평압연기를 제어하는 제어기(100)는 압연 시작 전에 압연하중을 예측하여 롤갭을 설정하기 위해서 설정 공정 조건을 입력받고, 압연이 진행된 뒤 결정될 공정 조건에 대해서는 조업 실적 평균값을 이용한다. 그리고 상기 제어기(100)의 압연하중 예측부(110)는 폭압연에 의한 도그본 형상을 고려하여 설정 공정 조건으로부터 유효 공정 조건을 계산한다.

또한, 상기 제어기의 압연하중 예측부는 수평압연하중 모델식과 강종별 변형 저항 함수식을 이용하고, 환경 변화에 적응할 수 있도록 압연하중 학습 모델을 운용하여 상기 계산한 유효 공정 조건으로부터 최종적으로 조압연 압연하중 예측값을 산출한다. 여기서 상기 강종별 변형 저항 함수는 압연하중 실측 데이터를 이용하여 도출한다. 변형 저항 함수는 화학 성분 및 공정조건을 입력변수로하는 함수이다.

이와 같은 상기 압연하중 예측 시스템에서 정밀한 압연하중 예측을 위한 방법에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 조압연 공정 시 도그본을 고려한 압연하중을 예측하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.

상기 도 5를 참조하면, 201단계에서 압연하중 예측부(110)는 공정 조건값들을 입력받고, 202단계에서 하기 <수학식 2>와 같이, 입력된 공정 조건값을 이용하여 입측 도그본 형상(61)의 단면적을 구한 후 도그본 영향을 반영하기 위한 유효 입측 두께(H'₁)를 계산한다. 여기서 입력된 상기 공정 조건값들은 입/출측 두께(H₁, H₂), 롤경(R), 강종, 롤 속도(w), 온도(T), 폭(W) 등이다.

상기 <수학식 2>에서 H'₁은 도그본 영향을 반영하기 위한 유효 입측 두께, H_2P는 이전 마지막 수평압연 패스의 출측 바 두께, W_P는 이전 마지막 수평압연 패스의 추출 바 폭, ε_L는 폭압연으로 인한 바의 압연 길이 방향 연신율을 나타낸다.

그런 다음 203단계에서 압연하중 예측부(110)는 하기 <수학식 3>와 같이, 수평 압연하중 모델식을 이용하여 도그본 영향을 고려한 압연하중 값을 계산한다.

상기 <수학식 3>에서 F'는 도그본 영향을 고려한 가설모드 하중, H₁은 입측 두께, H₂는 출측 두께, W는 강판 폭, μ는 마찰계수, R은 롤, ω는 롤각 속도, T는 강판 온도, C, Mn, Si는 화학성분들을 나타낸다.

이후, 204단계에서 압연하중 예측부(110)는 상기 계산한 도그본 영향을 고려한 가설모드 하중 값을 이용하여 기준 변형저항 하중값(F_model)을 계산한다. 이러한 기준 변형저항 하중 값(F_model)은 하기 <수학식 4>와 같다.

상기 <수학식 4>에서 기준 변형저항 하중(F_model) 값을 계산하기 위한 필요한 무차원함수(f)는 형상 계수(s) 및 압하률(r)의 계산을 통해 얻을 수 있다. 이러한 형상 계수(s) 및 압하률(r)은 하기 <수학식 5> 및 <수학식 6>과 같다.

그런 다음 205단계에서 압연하중 예측부(110)는 강종별 고온 변형저항 특성을 반영해주기 위해 신경망 변형 저항 팩터()를 계산하고, 해당 레코드 압연하중 학습계수()를 읽어온 후, 206단계에서 각 스탠드별 압연하중을 하기 <수학식 5>와 같이 계산한다. 이러한 계산 결과에 따라 압연하중 예측부(110)는 조압연 공정 시 폭압연으로 인한 도그본 형상을 고려한 압연하중을 예측할 수 있게 된다.

이러한 압연하중 예측 결과를 조압연에 적용 시 첨부된 도 6의 (가)에 도시 된 바와 같이 (나)의 기존 모델보다 압연하중 예측 오차가 많이 감소했음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 조압연 공정 시 폭압연으로 인한 도그본 영향을 반영하기 위한 유효 입측 두께를 수평 압연하중 모델식에 적용하여 압연하중 값을 구함으로써 도그본을 고려한 압연하중을 예측할 수 있으므로 압연하중 예측 오차를 보다 많이 감소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 압연 장치에서 조압연 공정 시 폭압연으로 인해 발생되는 도그본을 고려한 압연하중을 예측하기 위한 방법에 있어서,

   설정공정 조건을 입력받는 과정과,

   상기 설정공정 조건을 이용하여 상기 도그본 형상을 고려한 유효공정 조건을 도출하는 과정과,

   상기 도출된 유효공정 조건으로부터 상기 조압연에 대한 압연하중을 예측하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도그본 형상을 고려한 유효공정 조건을 도출하는 과정은, 상기 폭압연으로 인한 입측 도그본 단면적을 구하여 유효 입측 두께를 산출함을 특징으로 하는 폭압하을 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유효입측 두께는 이전 마지막 수평압연 패스의 출측 바 두께(H_2p), 이전 마지막 수평압연 패스의 출측 바 폭(W_p), 폭압연으로 인한 바의 압연 길이방향 연신율(ε_L)을 적용하여 하기 <수학식 8>을 통해 산출됨을 특징으로 하는 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.

   [수학식 8]

   
4. 제1항에 있어서, 상기 도출된 유효공정 조건으로부터 상기 조압연에 대한 압연하중을 예측하는 과정은,

   상기 산출된 유효 입측 두께를 적용한 수평압연 압연하중 모델식을 도출하는것을 특징으로 하는 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 압연하중 값은 상기 산출된 유효 입측 두께(H'₁)를 적용한 하기 <수학식 9>와 같은 상기 수평압연 가설모드 하중 모델식을 이용하여 계산하며, 여기서 H2는 출측 두께, W는 강판 폭, μ는 마찰계수, R은 롤, ω는 롤각 속도, T는 강판 온도, C, Mn, Si는 화학성분들을 나타냄을 특징으로 하는 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.

   [수학식 9]

   
6. 제4항에 있어서,

   강종별 변형 저항 함수식을 이용하여 변형 저항 함수를 계산하는 단계와,

   환경 변화에 적응하기 위한 압연하중 학습테이블을 운용하는 단계와,

   상기 계산된 변형 저항 함수 및 상기 압연하중 학습테이블을 상기 압연하중 예측에 반영하여 최종 각 스탠드별 압연하중을 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폭압하를 고려한 조압연 수평 압연하중 예측 방법.

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