KR20110065964A

KR20110065964A - 냉각롤의 보수 방법

Info

Publication number: KR20110065964A
Application number: KR1020090122671A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 천창근; 김성욱
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR101136336B1

Abstract

본 발명은 냉각롤의 보수 방법에 관한 것이다. 특히, 박판주조기용 냉각롤을 재사용할 수 있는 보수 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법은 냉각롤의 채널과 덮개 사이의 용접부에 발생되는 균열부를 보수하는 방법으로서, 상기 냉각롤의 용접부를 검사하는 단계와, 상기 용접부의 균열 검출 부위(균열부)에 코팅홈을 형성하는 단계와, 상기 코팅홈에 코팅 분말을 분사하여 적층시키는 단계와, 상기 냉각롤을 열처리시키는 단계 및 상기 용접부의 코팅 표면을 연마하여 돌출부를 제거하는 단계를 포함한다.

냉각롤, 구리합금롤, 박판주조, 코팅, 열처리

Description

냉각롤의 보수 방법{Method for repairing of cooling roll}

일반적으로, 쌍롤식 박판주조기는 용탕으로부터 직접 박판(strip)을 제조할 수 있는 장치이다. 도 1을 참조하여 일반적인 쌍롤식 박판주조기(1)의 구성을 개략적으로 살펴보면, 래들(ladle; 2)에 담긴 용강은 턴디쉬(tundish; 3)로 공급되어 일시 저장되고, 턴디쉬(3)에 저장된 용강은 용강공급노즐(4)을 통해 한 쌍의 냉각롤(cooling roll; 10) 사이에 투입된다. 이때, 한 쌍의 냉각롤(10; 10a, 10b)의 양 측면은 내화물 재질의 에지댐(edge dam; 5)에 의해 차단된다. 따라서, 마주하는 한 쌍의 냉각롤(10a, 10b)이 반대 방향(R₁, R₂)으로 회전되고, 냉각롤(10)의 외주면을 따라 용강이 하측 방향을 밀리면서 박판(6)이 형성된다.

냉각롤(10)을 통과한 박판(6)은 이후 다수의 핀치롤(7) 및 압연롤(8)을 통과하면서 일정한 형상을 갖도록 냉각되고, 권취기(미도시)에 의해 롤(9) 형상으로 감겨 제품화된다. (여기서, 도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.)

쌍롤식 박판주조기(1)에 적용되는 냉각롤(10)은 고온의 용융 금속과 접촉되기 때문에 열전도도 및 고온 강도가 우수한 재질로 형성된다. 또한, 냉각롤(10)의 내부에는 냉각롤(10)을 냉각시킬 수 있도록 냉각수가 순환되는 통로, 즉 채널(channel)이 형성된다. 한편, 채널은 냉각롤(10)의 양 수평단면에서 용접 방식으로 결합되는 덮개(cover)에 의해 밀폐된다.

그런데, 냉각롤(10)은 박판주조공정 시 고온의 환경에 노출되고, 가열 및 냉각이 반복되어 취약부, 즉 용접부(채널과 덮개 또는 냉각롤 몸체와 덮개의 용접 부위)에서 균열(crack)이 발생되는 문제점이 있었다. (여기서, 냉각롤(10)의 용접부는 용접 작업시 인장응력이 잔류되고, 경도가 높아 냉각롤(10)에서 가장 취약한 부위를 형성한다.)

만약, 냉각롤(10)의 용접부에서 균열이 발생된 상태로 박판주조공정이 진행되면 채널을 순환하는 냉각수의 누수를 초래하고, 이로 인해 폭발 등의 대형 조업사고를 야기할 수 있는 문제점이 있었다. 따라서, 종래에는 대형 조업사고를 방지하기 위해 냉각롤(10)의 용접부에 대한 검사가 주기적으로 실시되었다.

그러나, 종래와 같이 주기적인 냉각롤(10)의 검사를 통해 용접부에서 균열을 검출하더라도 냉각롤(10)의 균열부를 보수하여 냉각롤(10)을 재사용할 수 있는 적절한 방법이 없었다. 즉, 냉각롤(10)의 용접부에서 균열이 발생되면 냉각롤(10)의 교체가 이루어지고, 교체된 냉각롤(10)은 폐기 처리되었다. 따라서, 종래에는 박판주조공정에서 고가(高價)의 냉각롤(10)을 교체하는데 과다한 비용이 소요되어 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 냉각롤, 특히 박판주조기용 냉각롤을 재사용할 수 있는 보수 방법을 제공한다.

본 발명은 박판주조기용 냉각롤의 용접부에서 발생하는 균열부에 코팅 분말을 분사하고 열처리시켜 냉각롤을 재사용할 수 있는 보수 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법은 냉각롤의 채널과 덮개 사이의 용접부에서 발생되는 균열부를 보수하는 방법으로서, 상기 냉각롤의 용접부를 검사하는 단계와, 상기 용접부의 균열 검출 부위, 즉 균열부에 코팅홈을 형성하는 단계와, 상기 코팅홈에 코팅 분말을 분사하여 적층시키는 단계와, 상기 냉각롤을 열처리시키는 단계 및 상기 용접부의 코팅 표면을 연마하여 돌출부를 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면 냉각롤의 채널과 덮개 사이에 형성되는 용접부에 균열부가 형성되면, 균열부를 코팅하여 보수함으로써 냉각롤을 재사용할 수 있다. 따라서, 박판주조공정에서 냉각롤의 내부를 순환하는 냉각수의 누수를 방지하여 대형 조업사고의 발생을 예방할 수 있다.

또한, 냉각롤을 코팅 방식으로 보수함으로써 고가의 냉각롤을 교체하지 않고 재사용할 수 있어서 냉각롤의 교체에 따른 비용을 절감할 수 있으며, 이를 통해 생 산성을 향상시킬 수 있다.

이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉각롤의 보수 방법에 적용되는 냉각롤의 일측 수평단면을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 선 A-A'에 따른 내부 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 냉각롤의 보수 방법에 사용되는 분사 장치의 개략적인 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 냉각롤의 균열부에 형성시킨 코팅홈의 변형예를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법을 도시한 순서도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법은 냉각롤(10)의 채널(16)과 덮개(14) 사이의 용접부(S)에 형성되는 균열부를 보수하는 방법으로서, 냉각롤(10)의 용접부(S)를 검사하는 단계(S110)와, 용접부(S)의 균열 검출 부위(균열부)에 코팅홈(18)을 형성하는 단계(S120)와, 코팅홈(18)에 코팅 분말(P₁, P₂)을 분사하여 적층시키는 단계(S130)와, 냉각롤(10)을 열처리시키는 단계(S140) 및 용접부(S)의 코팅 표면을 연마하여 돌출부(P₂)를 제거하는 단계(S150)를 포함한다.

도 2 및 도 3에 도시된 냉각롤(10)은 박판주조기(1; 도1 참조)에 적용되며, 원통 형상의 냉각롤 몸체(12)의 내부에는 냉각수가 순환될 수 있는 통로인 채널(16)이 형성되고, 채널(16)은 냉각롤 몸체(12)의 양측 수평단면에서 용접되는 링(ring) 형상의 덮개(14)에 의해 밀폐되어 외부와 차단된다.

냉각롤 몸체(12)와 덮개(14)는 열전도도가 우수하면서 고온 강도가 우수한 구리계 합금을 재질로 형성되며, CuCrCz 합금이나 CuNiBe 합금 등을 예로 들어 사용할 수 있다. 따라서, 채널(16)과 덮개(14)의 용접은 냉각롤(10)의 재질 특성에 의해 통상적인 용접 방법이 아닌 전자빔 용접 방식으로 이루어진다.

위와 같은 냉각롤(10)은 박판주조공정에서 고온의 환경에 노출되고, 고온의 용융 금속과 접촉하기 때문에 용접부(S)에서 균열이 발생될 수 있다. 냉각롤(10)에 균열이 발생되면 대형 조업사고로 이어질 수 있기 때문에 냉각롤(10)에 대한 주기적인 검사가 실시된다(S110).

주기적인 검사를 통해서 냉각롤(10)의 용접부(S)에서 균열이 검출되면, 균열을 보수하기 위해 균열 검출 부위(균열부)에 코팅홈(18)을 형성한다(S120). (냉각롤(10)에서 발생되는 균열부는 용접부(S) 영역에서 국부적으로 발생된다. 또한, 균열부는 용접부(S) 영역에서 1개 또는 복수 개 발생될 수 있다.) 코팅홈(18)은 코팅 분말(P₁; 도5참조)이 적층되는 공간으로서, 냉각롤 몸체(12)와 덮개(14)에 모두 코 팅 분말(P₁)이 적층되도록 냉각롤 몸체(12)와 덮개(14)의 경계를 모두 포함하여 형성된다. 본 발명의 일실시예에서는 균열부에 형성시키는 코팅홈(18)을 도 3 또는 도 5(a)에서와 같이 사다리꼴 형상의 코팅홈(18a)으로 형성시켰으나, 균열부의 발생 상태에 따라서 도 5(b), 도 5(c)에 각각 도시된 것처럼 "U"자 형상의 코팅홈(18b)이나 또는 "V"자 형상의 코팅홈(18c)으로 변형하여 형성시킬 수 있다.

이후, 냉각롤(10)의 균열부에 코팅홈(18; 18a, 18b, 18c)이 형성되면, 도 4에 도시된 바와 같은 분사 장치(100)를 통해 코팅 분말(P₁, P₂)이 코팅홈(18)을 향해 분사된다(S130).

여기서, 분사 장치(100)의 개략적인 구성을 살펴보면, 분사 장치(100)는 공급되는 가스의 공급량을 조절하는 가스 조절부(110)와, 가스 조절부(110)의 가스 공급 조절을 통하여 공급된 가스(G₁)를 가열하는 가스 히터(120)와, 가스 조절부(110)의 공급량 조절로 일부 가스(G₂)를 공급받아 코팅 분말(P₁, P₂)을 공급하는 분말 송급장치(130)와, 분말 송급장치(130)로 공급된 코팅 분말(P₁, P₂)과 가스 히터(120)에서 가열된 가스(G₁)를 혼합하고, 코팅 분말(P₁, P₂)이 분사되는 분사노즐(160)이 일측에 구비되는 혼합챔버(150)와, 혼합챔버(150)와 분말 송급장치(130) 사이에 장착되어 분말 송급장치(130)로 공급된 코팅 분말(P₁, P₂)을 예열하는 분말 예열장치(140)와, 분말 예열장치(140)와 가스 히터(120)를 제어하여 온도를 조절하는 제어부(170)를 포함한다. 여기서, 분사 장치(100)에는 분말 예열장치(140)가 구 비되어 코팅 분말(P₁, P₂)의 분사시 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻을 수 있도록 분사 전 예열이 이루어진다.

본 발명의 실시예에서는 코팅 분말(P₁, P₂)이 분사 전 100℃ 내지 500℃의 온도 범위에서 예열된다. 여기서, 100℃ 미만의 온도에서는 분말 예열의 효과가 미비하고, 500℃를 초과하는 온도에서는 구리 성분이 포함된 코팅 분말(P₁, P₂)의 산화가 심해진다.

위와 같은 분사 장치(100)에서 예열되고, 분사되는 코팅 분말(P₁, P₂)은 1㎛ 내지 50㎛의 입도 크기로 형성된다. 또한, 코팅 분말(P₁, P₂)은 모재인 냉각롤(10)과 동일한 구리합금을 재질로 사용하거나, 순수한 구리 재질을 사용할 수 있다.

또한, 분말 간의 결합력을 향상시키고, 분사노즐(160)의 막힘 현상 등을 방지하기 위하여 구리에 SiC, Al₂O₃ 등의 세라믹을 첨가한 구리-세라믹 복합체를 재질로 사용할 수 있다.

한편, 코팅 분말(P₁, P₂)의 재질로서 구리-세라믹 복합체를 사용할 경우에는 세라믹 분말이 5㎛ 내지 100㎛의 입도 크기로 형성되고, 5% 내지 50%의 중량비로 혼합된다. 여기서, 세라믹을 5%중량비 미만으로 첨가하면 첨가 효과가 미비하고, 50%중량비를 초과할 경우에는 분사 코팅 효율이 저하된다. 또한, 세라믹의 입도 크기로서 5㎛ 미만의 입도 크기를 갖는 경우에는 세라믹 첨가 효과가 미비하고, 세라믹이 100㎛를 초과하는 입도 크기를 갖는 경우에는 세라믹 코팅이 거의 불가능하여 코팅시 악영향을 끼친다.

위와 같은 재질과 크기 등을 갖는 코팅 분말(P₁, P₂)이 분사 장치(100)를 통해 코팅홈(18)에 분사되면, 코팅 분말(P₁, P₂)의 일부(P₁)는 코팅홈(18)에 적층되어 채워지고, 나머지 일부(P₂)는 균열부의 코팅 표면에서 돌출되어 부착된다. 본 발명의 실시예에서 코팅 분말(P₁)은 0.5㎜ 내지 10㎜의 두께로 적층된다. 만약, 코팅 분말(P₁)의 두께가 0.5㎜ 미만이 되면 코팅에 의한 밀폐 강도가 충분히 나오지 않아 채널(16)에서 순환되는 냉각수의 수압에 의해 냉각수가 누수 될 수 있다. 이와 반대로 코팅 분말(P₁)의 두께가 10㎜를 초과하는 경우에는 적층 비용이 과다하게 소요되고, 코팅층의 잔류 응력의 증가로 인하여 모재, 즉 냉각롤(10)과의 결합력이 약화되는 문제점이 발생된다.

이상과 같은 단계를 통해 냉각롤(10)의 용접부(S)에 발생되는 균열부에 형성시킨 코팅홈(18)에 코팅 분말(P₁, P₂)이 적층된 이후에는 코팅 분말(P₁, P₂)의 결합력을 향상시키고, 코팅층의 인성을 향상시키기 위하여 열처리가 이루어진다(S140). 본 발명의 실시예에서는 냉각롤(10)의 열처리가 350℃ 온도에서 2시간 내지 24시간 동안 지속되도록 실시된다. 여기서, 열처리 온도가 350℃를 초과하는 경우에는 구리계 합금의 강도가 저하되는 문제점이 있으며, 열처리 지속 시간이 2시간 이내인 경우에는 열처리 효과가 미비하게 발생하고, 반대로 열처리 지속 시간이 24시간을 초과하는 경우에는 생산성 및 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

이후, 열처리가 완료되면 용접부(S)의 코팅 표면, 보다 구체적으로는 균열부의 외측으로 돌출되는 코팅 분말(P₂), 즉 돌출부를 제거하는 연마가 이루어져 냉각롤(10)의 양측 수평단면은 코팅 개시 전과 같이 매끈하게 보수된다(S150).

이하, 본 발명의 실시예에 따른 실험예를 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 코팅 분말의 코팅 후 냉각수의 누수를 확인하기 위한 수압 시편을 촬영한 사진이고, 도 8은 본 발명의 제1실험예에 따른 코팅 단면을 확대 촬영한 사진이며, 도 9는 본 발명의 제2실험예에 따른 코팅 단면을 확대 촬영한 사진이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제1실험예는 CuCrZr 합금을 재질로 하는 모재에 입도 크기가 5㎛ 내지 50㎛인 구리 분말을 코팅한 실험예이며, 본 발명의 제2실험예는 CuNiBe 합금을 재질로 하는 모재에 입도 크기가 5㎛ 내지 50㎛인 구리 분말과 20%중량비의 알루미나(Al₂O₃)를 혼합한 분말을 코팅한 실험예이다.

본 발명의 제1실험예에서와 같이 순수 구리가 코팅된 수압 시편을 상온과 350℃에서 열처리한 후 수압을 시험한 결과 15bar의 수압에서도 냉각수가 누수 되지 않음을 확인할 수 있었다. 도 8에 도시된 구리 코팅의 단면을 살펴보면, 구리 코팅이 약 4㎜ 두께로 적층되어 우수하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2실험예를 보이는 도 9를 참조하면 검은 입자가 알루미나 세라믹 입자이며, 분말시에는 20%중량비로 세라믹 입자를 혼합하였으나 코팅층 내 에서는 약 10% 만 함유되어 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 세라믹의 적층 효율은 구리 금속의 적층 효율보다 낮음을 확인할 수 있었다.

제1실험예의 모재, 제2실험예의 모재, 제1실험예의 코팅층 및 제2실험예의 코팅층이 상온, 250℃, 350℃의 열처리 온도에서 4시간 지속되었을 때 경도 측정 결과를 아래의 [표 1]을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

[표 1]

	상온	250℃	350℃
CuCrZr 모재	140	142	141
CuNiBe 모재	205	207	205
제1실험예 코팅층	125	101	91
제2실험예 코팅층	120	105	92

구리계 합금, 즉 CuCrZr 모재 및 CuNiBe 모재는 350℃까지의 열처리시에도 경도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 그러나, 구리가 코팅된 경우(제1실험예 및 제2실험예의 코팅층)에는 열처리시 소성 가공된 코팅 조직을 어닐링(annealing)되면서 경도가 하강됨을 확인할 수 있었다. 이 경우, 모재보다 경도가 낮아지는데 코팅 부위가 용탕이 직접 접촉되는 부위라면 경도 하강으로 악영향이 발생될 수 있지만, 본 발명에서와 같이 냉각롤(10)의 코팅 부위가 냉각롤(10)의 곡면 부위가 아닌 양단 수평단면 부위이므로 경도 하강의 영향을 크게 받지 않는다. 오히려, 경도의 하강에 의해 인성이 증가하여 균열 발생의 가능성이 감소된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법은 냉각롤의 채널과 덮개 사이에 형성되는 용접부에 균열 발생시, 균열부를 코팅시켜 냉각롤을 보수할 수 있다. 따라서, 박판주조공정에서 냉각롤의 내부를 순환하는 냉각수의 누 수를 방지하여 대형 조업사고의 발생을 예방할 수 있다.

또한, 냉각롤을 코팅 방식으로 용이하게 보수하여 고가의 냉각롤을 교체하지 않고 재사용할 수 있어서 냉각롤의 교체에 따른 비용을 절감할 수 있으며, 이를 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 냉각롤의 보수 방법에 적용되는 냉각롤의 일측 수평단면을 도시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 선 A-A'에 따른 내부 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 냉각롤의 보수 방법에 사용되는 분사 장치의 개략적인 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 냉각롤의 균열부에 형성시킨 코팅홈의 변형예를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각롤의 보수 방법을 도시한 순서도.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실험예를 촬영한 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10 : 냉각롤 14 : 덮개

16 : 채널 18 : 코팅홈

100 : 분사 장치 140 : 분말 예열장치

S : 용접부

Claims

냉각롤의 채널과 덮개 사이의 용접부에서 발생되는 균열부를 보수하는 방법으로서,

상기 냉각롤의 용접부를 검사하는 단계와;

상기 용접부의 균열 검출 부위에 코팅홈을 형성하는 단계와;

상기 코팅홈에 코팅 분말을 분사하여 적층시키는 단계와;

상기 냉각롤을 열처리시키는 단계; 및

상기 용접부의 코팅 표면을 연마하여 돌출부를 제거하는 단계;

를 포함하는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 코팅 분말은 구리, 구리합금 및 구리-세라믹 복합체 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 2에 있어서,

상기 구리-세라믹 복합체에 혼합되는 세라믹 분말은 5㎛ 내지 100㎛의 입도 크기로 형성되고, 5% 내지 50%의 중량비로 혼합되는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 코팅 분말은 1㎛ 내지 50㎛의 입도 크기로 형성되는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 코팅 분말은 상기 코팅홈에 0.5㎜ 내지 10㎜의 두께로 적층되는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 냉각롤의 열처리는 350℃ 온도에서 2시간 내지 24시간 동안 지속되는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1 내지 청구항 6에 있어서,

상기 코팅 분말은 분사 전 100℃ 내지 500℃의 온도로 예열되는 냉각롤의 보수 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 코팅홈은 사다리꼴 형상, U자 형상 또는 V자 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 냉각롤의 보수 방법.