KR20130074965A - 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후강판재의 균일한 요구특성(고강도, 고인성, 후물화)을 확보하고 압연생산성을 향상시키기 위해 필수적인 품질요구패스(압연공정중 임계압하율보다 큰 압하율이 요구되는 패스)영역에서 강압하를 가능하게 하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 일 실시형태에 따른 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법은 슬래브를 수평압연기로 압연 전에 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키기 위하여 내륜과 상기 내륜의 양단에 외륜이 형성되고, 내륜과 외륜사이에 경사면이 형성되는 단차롤을 설계하는 방법으로서, 상기 수평압연기의 압하율을 이용하여 단차롤의 경사면에 압연되어 형성되는 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계와; 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 한 후 수평압연를 할 때 상기 수평압연기에 작용하는 하중과, 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 하지 않고 동일한 압하량으로 수평압연을 할 때의 하중에 대한 비를 이용하여 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계와; 설정된 상기 챔퍼부의 길이, 챔퍼부의 깊이 및 외륜의 반경(R1)을 이용하여 외륜 사이의 길이(L1), 내륜의 길이(L2) 및 내륜의 반경(R2)을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법{ROLL DESIGN METHOD FOR FORMMING CHAMFER, APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING STEEL PLATE USING THE SAME}
본 발명은 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 후강판재의 균일한 요구특성(고강도, 고인성, 후물화)을 확보하고 압연생산성을 향상시키기 위해 필수적인 품질요구패스(압연공정중 임계압하율보다 큰 압하율이 요구되는 패스)영역에서 강압하를 가능하게 하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 극후강판은 판두께가 70mm를 초과하는 두꺼운 강판으로서 주조된 강괴나 연주 슬래브(slab)를 열간압연하여 제조하는데, 강판의 두께가 매우 두꺼울 경우에는 강괴나 연주 슬래브의 주조시 수축에 의하여 생긴 내부 공극이 압연과정에서 완전히 압착되지 못하고 내부 흠으로 남게 된다.
이러한 내부흠은 제조된 강판 두께의 중심면에 집중적으로 분포되어 있어서 실사용시 강판이 두께방향으로 인장력을 받게 되면 이 부분이 균열 발생의 시발점이 되어 강판이 쪼개지는 등 제품의 건전성을 손상시켰다.
도 1a는 일반적인 후강판의 압연방법을 보여주는 도면으로서, 도 1a에 도시된 바와 같이 일반적인 후강판의 압연방법은 고온의 슬래브를 테이블 롤러(100a)와 사이드 가이드(110a)로 안내하여 압연기(130) 전면에 위치시키는 공정, 에저(120)를 이용하여 폭압연을 하는 공정, 압연기(130)를 이용하여 슬래브를 압연하는 공정과, 다음 패스 압연을 위해 슬래브(200)를 테이블 롤러(100b)와 사이드 가이드(110b)로 안내하여 압연기(130) 후면에 재위치하는 공정으로 이루어져서, 슬래브가 목표두께로 압연될 때까지 압연공정을 반복실시하게 된다.
도 1b는 종래방법으로부터 패스별 두께에 따라 압하량을 결정하는 개념도로서, 후강판 압연방법은 피압연재를 가공하기 이전에 도 1b에서 보는 바와 같이 패스별 소재의 롤갭 입측두께(패스 압연전 압연재의 치수)와 압연기의 설비제한치(허용 설비하중, 허용 설비토오크, 판물림한계:압연기에 소재가 물려 들어갈 수 있는 최대 압하량)로부터 압연패스별 압하량(도 1b의 파란색 점선)과 총 패스수(목표두께보다 임의 패스의 출측두께가 작아질 때의 패스수)를 결정한다. 이때, 목표두께를 확보(종료두께=목표두께)하기 위해 각 패스의 압하량(도1b의 빨간선)을 수정한 후 롤갭 및 압연속도 등을 계산하여 슬래브를 압연한다. 이러한 과정은 매 패스 압연후 최종 패스까지 반복된다.
한편, 최근에는 천연가스의 장거리 경제적 수송, 사용환경의 변화(심해저화, 한냉지화), 해양 플랜트 산업의 발전 및 선박의 대형화에 따라 후강판재는 고강도, 고인성, 후물화로의 특성변화를 요구받고 있다. 이와 같은 후강판재의 요구특성을 만족하기 위한 필수조건은 거칠기 압연 공정후의 결정립 미세화를 통해 가능한 것으로 알려져 있다. 부연하자면, 재가열중 형성된 조대한 결정립은 거칠기 압연을 거치면서 짧은 패스간 시간 및 높은 압연온도 등에 따라 정적 재결정이 발생하여 미세화된 후, 마무리 압연중 재결정없이 압연방향으로 길게 변형되며, 결정립내 전위밀도의 증가가 나타난다. 미세화된 결정립내 전위밀도가 높을수록 마무리 압연후 강냉각에 따른 상변태과정을 통해 새로운 상의 핵생성이 용이하게 됨으로 최종적인 요구특성을 만족하게 된다. 그 예로써 도 1c는 압연온도가 변화될 때 압하율에 따라서 평균 결정립의 크기의 변화를 나타낸 개념도로써, 압연전 결정립의 크기를 140㎛일 때 20% 압연시 압연온도가 높은 1000℃(거칠기 압연영역)에서는 80㎛로 감소하는 반면 압연온도가 낮은 900℃ (마무리 압연영역)에서는 거의 변화가 없는 것을 보인다. ㄸ라서, 결정립 미세화를 위해 거칠기 압연중의 압연 패스간 시간(압연소재가 이전 패스 압연기를 빠져나와 현재패스 압연기에 진입되기전까지의 시간을 의미함)은 최소화되고, 품질요구패스 (거칠기 압연의 종료패스)영역에서의 압하율을 증가시켜 결정립을 미세화시킬 필요가 있다.
이러한 거칠기 압연의 품질요구패스 (거칠기 압연의 종료패스)영역에서의 압하율 증가를 위해 기존 압연기의 설비값에 근사한 하중 및 토오크를 사용하고자 하는 요구가 커지고 있는 실정이다. 그러나, 압연기의 설비값(설비하중 및 설비토오크)은 압연기 도입시 기결정되어 있기 때문에, 극후강판 제조시 후강판 품질요구패스의 임계압하율이 압연기의 설비 한계 압하율(압연기의 설비값으로부터 결정되는 압하율)보다 큰 경우 요구품질을 만족하는 극후강판의 제조가 불가능하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 후강판 제조공정에 대해 압연전의 슬래브의 두께나 폭을 단조한 후 압연기에서 압하하는 방법이 "극후강판의 제조방법(일본특허공개공보 1995-232201)", "연주 슬래브를 이용한 극후강판의 제조방법(일본특허공개공보 2000-263103)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다. 하지만, 단조기를 이용한 두께 압하 및 폭압하의 경우 압연기외 별도의 장치가 요구되고, 제한된 단조기의 설비하중조건하에서 패스당 높은 압하량을 부여하기 위해서는 소재와 접촉하는 단조기의 다이 길이 및 단조속도의 감소가 불가피하다. 따라서 단조기를 이용하여 슬래브의 전체길이를 압하하는 공정은 대단히 많은 연속 단조를 요구하며, 슬래브의 길이방향으로 과도한 온도편차를 유발한다. 또한, 단조다이의 마모에 따라 단조후 소재의 두께는 스라브 길이방향으로 편차를 가지며, 심할 경우 소재의 랩핑이 발생할 수 있는 문제가 있었다.
일본특허공개공보 1995-232201 (1995. 09. 05) 일본특허공개공보 2000-263103 (2000. 09. 26)
본 발명은 후강판 품질요구패스의 임계압하율이 수평압연기의 설비 한계 압하율보다 큰 경우, 슬래브의 수평압연전에 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키는 단차롤의 설계 방법 및 이를 이용한 후강판 제조장치를 제공한다.
또한, 단차롤에 의해 감소된 슬래브폭을 이용하여 압연기의 설비 허용치에 근접하게 패스별 압하율을 설정하여 품질요구패스구간에서 강압하가 되면서 목표두께를 확보하도록 압하율을 재설정시키는 후강판 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법은 슬래브를 수평압연기로 압연 전에 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키기 위하여 내륜과 상기 내륜의 양단에 외륜이 형성되고, 내륜과 외륜사이에 경사면이 형성되는 단차롤을 설계하는 방법으로서, 상기 수평압연기의 압하율을 이용하여 단차롤의 경사면에 압연되어 형성되는 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계와; 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 한 후 수평압연를 할 때 상기 수평압연기에 작용하는 하중과, 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 하지 않고 동일한 압하량으로 수평압연을 할 때의 하중에 대한 비를 이용하여 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계와; 설정된 상기 챔퍼부의 길이, 챔퍼부의 깊이 및 외륜의 반경(R1)을 이용하여 외륜 사이의 길이(L1), 내륜의 길이(L2) 및 내륜의 반경(R2)을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계에서 설정되는 챔퍼길이(Lc)는 하기의 [수학식 1]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
------- [수학식 1]
여기서, rc는 임계압하율이고, rm은 압하율임.
상기 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계에서 설정되는 챔퍼깊이(dc)는 하기의 [수학식 2]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
dc 〉 0.5ΔHmax ------- [수학식 2]
여기서, ΔH는 수평압연기에서 한 패스 압하량으로서 입측두께와 출측두께의 차이임.
상기 외륜 사이의 길이, 내륜의 길이 및 내륜의 반경을 결정하는 단계에서, 상기 외륜 사이의 길이(L1), 내륜의 길이(L2) 및 내륜의 반경(R2)은 하기의 [수학식 3], [수학식 4] 및 [수학식 5]에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
L1 = Hslab + α ------- [수학식 3]
L2 = Hmin - α ------- [수학식 4]
R1 = R2 + (L1 - L2)tanθc ------- [수학식 5]
여기서, Hslab는 슬래브 두께이고, Hmin는 후강판의 최소두께이며, α는 여유 공차임.
본 발명의 일실시예에 따른 후강판 제조장치는 슬래브를 이송시키는 제 1 테이블 롤러 및 제 2 테이블 롤러와; 상기 제 1 테이블 롤러와 제 2 테이블 롤러 사이에 설치되어 상기 슬래브를 수평압연시키는 수평압연기를 포함하고, 상기 제 1 테이블 롤러와 수평압연기 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 테이블 롤러 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키는 챔퍼압연을 위한 한 쌍의 단차롤이 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드와 상기 슬래브를 폭압연시키는 에저가 순차적으로 배치되고, 상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며, 상기 단차롤은 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드가 배치되고, 상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며, 상기 단차롤은 상기 제 1 사이드 가이드와 수평압연기 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드와 상기 슬래브를 폭압연시키는 에저가 순차적으로 배치되고, 상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며, 상기 단차롤은 상기 제 1 테이블 롤러와 제 1 사이드 가이드 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 단차롤은 인접 배치되는 사이드 가이드에 선택적으로 장착할 수 있도록 이동식으로 구비되고, 상기 단차롤은 상기 사이드 가이드와 동기되어 상기 슬래브의 폭방향으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 후강판 제조방법은 후강판을 제조하는 방법으로서, 슬래브의 길이방향 모서리에 챔퍼부가 형성되도록 슬래브를 챔퍼압연시키는 챔퍼압연 단계와; 상기 슬래브의 압연시 압연 패스의 출측두께가 목표두께와 같거나 작아질 때까지 압연 패스를 반복하여 압연을 실시하는 수평압연 단계를 포함하고, 상기 수평압연 단계에서 상기 수평압연기의 압하율은 허용설비토오크(Gm), 허용설비하중(Fm)을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 수평압연 단계에서 수평압연기의 압하율(r)은 하기의 [수학식 6] 내지 [수학식 8]에 의해 설정되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00002
------- [수학식 6]
Figure pat00003
------- [수학식 7]
r = min(r1,r2) ------- [수학식 8]
여기서, Gm은 허용설비토오크이고, Fm은 허용설비하중이며, KG는 슬래브의 회전에 대한 변형저항이고, KF는 슬래브의 두께압하에 대한 변형저항이며, Lc는 챔퍼길이임.
본 발명의 실시예들에 따르면, 이동식 수직 단차롤을 압연기 전면 또는 후면 또는 전/후면에 배치하여 슬래브의 수평압연 전에 슬래브의 모서리부분에 챔퍼부를 형성함에 따라 극후강판 제조시 후강판 품질요구패스의 임계압하율이 수평압연기의 설비 한계 압하율보다 큰 경우(한정된 압연기의 설비 능력을 벗어나는 경우)에 있어서도 압연기의 합리화 등의 설비 교체없이 후물 후강판재의 요구특성(고강도, 고인성, 후물화)의 확보가 가능하고, 압연생산성을 향상시키는 장점을 가지고 있다.
도 1a는 일반적인 후강판의 압연방법을 보여주는 도면이고,
도 1b는 종래방법으로부터 패스별 두께에 따라 압하량을 결정하는 개념도이며,
도 1c는 압연온도가 변화될 때 압하율에 따라서 평균 결정립의 크기의 변화를 나타낸 개념도이고,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 후강판 제조장치를 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후강판 제조장치의 요부를 보여주는 도면이고,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 단차롤 및 세부적인 설계파라미터를 나타낸 개념도이고,
도 4b는 챔퍼압연을 하기 전과 후의 슬래브 형상을 나타낸 개념도이며,
도 5a는 후강판재 두께에 따른 평균형상비를 나타낸 도면이고,
도 5b는 후강판 압연공정에서 발생할 수 있는 모든 조건에 대해 형상비와 변형률의 비를 나타낸 도표이며,
도 6a 내지 8b는 본 발명의 효과를 알아보는 실험의 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명은 후강판 품질요구패스의 임계압하율이 수평압연기의 설비 한계 압하율보다 큰 경우(한정된 압연기의 설비 능력을 벗어나는 경우)에 이를 보완하기 위하여 수평압연기와 함께 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시킬 수 있는 단차롤을 구비한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 후강판 제조장치를 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후강판 제조장치의 요부를 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 후강판 제조장치는 슬래브(200)를 이송시키는 제 1 테이블 롤러(100a) 및 제 2 테이블 롤러(100b)와; 상기 제 1 테이블 롤러(100a)와 제 2 테이블 롤러(100b) 사이에 설치되어 상기 슬래브(200)를 수평압연시키는 수평압연기(300)를 포함하고, 상기 제 1 테이블 롤러(100a)와 수평압연기(300) 사이 및 상기 수평압연기(300)와 제 2 테이블 롤러(100b) 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 상기 슬래브(200)의 모서리에 챔퍼부(210)를 형성시키는 챔퍼압연을 위한 한 쌍의 단차롤(150)이 배치된다.
예를 들어 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 수평압연기(300)의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러(100a) 이후에 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드(110a)와 상기 슬래브(200)를 폭압연시키는 에저(120)가 순차적으로 배치되고, 상기 수평압연기(300)의 후단에는 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드(110b)가 배치되는 경우에는 수평압연기(130)에 근접한 에저(120)와의 간섭을 피하기 위해 수평압연기(300)의 출측에 위치하며, 슬래브(200)의 최소 길이(1600mm)에 대해서도 챔퍼압연을 가능하게 하기 위해 단차롤(150)을 상기 수평압연기(300)와 제 2 사이드 가이드(110b) 사이에 배치한다.
만약 에저(120)가 설치되는 않는 경우, 예를 들어 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 수평압연기(300)의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러(100a) 이후에 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드(110a)가 배치되고, 상기 수평압연기(300)의 후단에는 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드(110b)가 배치되는 경우에, 상기 단차롤(150a, 150b)은 상기 제 1 사이드 가이드(110a)와 수평압연기(300) 사이 및 상기 수평압연기(300)와 제 2 사이드 가이드(110b) 사이에 배치된다.
그리고, 각 압연 패스별로 챔퍼압연을 실시하기 위해서는 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 수평압연기(300)의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러(100a) 이후에 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드(110a)와 상기 슬래브(200)를 폭압연시키는 에저가 순차적으로 배치되고, 상기 수평압연기(300)의 후단에는 상기 슬래브(200)의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드(110b)가 배치되며, 상기 단차롤(150a, 150b)은 상기 제 1 테이블 롤러(100a)와 제 1 사이드 가이드(110a) 사이 및 상기 수평압연기(300)와 제 2 사이드 가이드(110b) 사이에 배치된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 단차롤(150)은 인접 배치되는 사이드 가이드(110b)에 선택적으로 장착할 수 있도록 이동식으로 구비되고, 압연중 에저(120)에 의한 폭변화시에도 챔퍼압연을 하기 위하여 상기 사이드 가이드(110b)와 동기되어 상기 슬래브(200)의 폭방향으로 이동되도록 위치가 제어되는 것이 바람직하다.
그래서, 패스 압연전 슬래브(200)는 사이드 가이드(110b) 사이에 들어온 후 정지한다. 그리고, 슬래브(200)의 폭방향 대칭 압연을 위해 사이드 가이드(110b)를 이용하여 슬래브(200)의 중심 위치를 압연기(130)의 중심위치와 일치되도록 슬래브(200)를 이동시킨다. 이때 단차롤(150)은 사이드 가이드(110b)와 함께 위치 이동되는 것이다.
다음으로, 제한된 수평압연기 설비 능력하에서 임계압하율을 만족하기 위해 슬래브의 모서리를 챔퍼압연하여 수평압연기로 들어가는 슬래브의 폭을 감소시키는 단차롤을 설계하는 방법에 대하여 설명한다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 단차롤 및 세부적인 설계파라미터를 나타낸 개념도이고, 도 4b는 챔퍼압연을 하기 전과 후의 슬래브 형상을 나타낸 개념도이다.
먼저, 도4a에 도시된 바와 같이 본 발명에 사용되는 단차롤(150)은 슬래브(200)를 수평압연기(130)로 압연 전에 슬래브(200)의 모서리에 챔퍼부(210)를 형성시키기 위하여 원통형상의 내륜(151)과 상기 내륜(151)의 양단에 외륜(152)이 형성되고, 내륜(151)과 외륜(152)사이에 경사면(153)이 형성되는 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 챔퍼부(210)를 형성시키는 단차롤(150)의 설계 방법은 크게 수평압연기(130)의 압하율을 이용하여 단차롤(150)의 경사면(153)에 압연되어 형성되는 챔퍼부(210)의 길이를 설정하는 단계와; 상기 슬래브(200)의 모서리에 챔퍼압연을 한 후 수평압연를 할 때 상기 수평압연기(130)에 작용하는 하중과, 상기 슬래브(200)의 모서리에 챔퍼압연을 하지 않고 동일한 압하량으로 수평압연을 할 때의 하중에 대한 비를 이용하여 챔퍼부(210)의 깊이를 설정하는 단계와; 설정된 상기 챔퍼부(210)의 길이, 챔퍼부(210)의 깊이 및 외륜(152)의 반경(R1)을 이용하여 외륜(152) 사이의 길이(L1), 내륜(151)의 길이(L2) 및 내륜(151)의 반경(R2)을 결정하는 단계를 포함한다.
먼저, 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계에 대해서 설명한다.
챔퍼길이(Lc)는 수평압연기에서 극후강판 제조시 후강판 품질요구패스의 임계압하율 rc을 얻기 위해 감소되어야 할 폭 변화량으로부터 결정된다. 수평압연기의 압하율이 r이고 압연되는 소재폭이 W라 하면, 압연기에 작용하는 하중 F는 하기의 식 (1)과 같다.
F = WKFr -------------------- (1)
여기서, KF는 슬래브의 변형저항이며, 폭 및 압하율에 무관하다.
압연되는 슬래브의 폭이 W에서 압하율 rm인 수평압연기에 작용하는 하중이 허용설비하중 Fm은 하기의 식 (2)와 같다.
Fm = WKFrm -------------------- (2)
그리고, 하중이 허용성비하중 Fm이고, 압하율이 임계압하율 rc이기 위한 슬래브 폭 Wc(=W-2Lc)일 경우, 허용설비하중은 하기의 식 (3)과 같다.
Fm = WcKFrc -------------------- (3)
그러므로, 식 (2)와 식 (3)으로부터 단차롤의 챔퍼길이(Lc)는 아래의 [수학식 1]과 같이 설계된다.
Figure pat00004
------- [수학식 1]
여기서, rc는 임계압하율이고, rm은 압하율이다.
이어서, 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계에 대해서 설명한다.
챔퍼깊이(dc)의 설계는 단차롤을 이용하여 슬래브를 챔퍼압연한 후 수평압연을 실시할 때 수평압연기에 작용하는 하중 Fc와 챔퍼압연을 하지 않고 동일한 압하량을 수평압연할 때의 하중 Fh의 비를 최소로 하는 설계조건(하기의 식 (4))을 사용한다. 이 비가 작으면 작을수록 일정 압하량을 압연하기 위한 하중이 작게 필요함을 의미하므로 제한된 압연기의 설비하중하에서 더 많은 압하량을 부여할 수 있음을 의미한다.
Figure pat00005
--------------- (4)
여기서, ΔH는 수평압연기에서 한 패스 압하량으로서 입측두께와 출측두께의 차이이다.
이때 수평압연을 한 후 챔퍼량은 일부 잔류한다고 가정하여, 하기의 식 (5)를 도출한다.
ΔH〈 2dc -------------------- (5)
또한, 한 패스에서의 압하량은 치입압하량(후강판이 수평압연기에 물려들어갈 수 있는 최대 압하량:ΔHmax) 한계보다 작아야 압연이 가능하므로 하기의 식 (6)을 도출한다.
Figure pat00006
-------------------- (6)
그러므로, 식 (5) 및 식 (6)으로부터 단차롤의 챔퍼 깊이는 하기의 [수학식 2]와 같이 설계된다.
dc 〉 0.5ΔHmax ------- [수학식 2]
만약, 수평압연기의 롤 직경이 1000mm일 때 최대 압하량 ΔHmax 가 45mm라면 챔퍼깊이는 22.5mm 이상이 필요하다.
따라서 챔퍼각은 하기의 식 (7)과 같다.
θc = tan-1(Lc/dc) -------------------- (7)
이어서, 단차롤의 내륜 반경(R2), 챔퍼깊이 및 챔퍼길이로부터 외륜사이의 길이(L1), 내륜 길이(L2) 및 내륜 반경(R1)을 결정한다.
상기 값들은 챔퍼압연이 필요한 후강판의 최소두께 Hmin과 슬래브 두께 Hslab로부터 하기의 [수학식 3] 내지 [수학식 5]와 식 (8) 및 식 (9)와 같이 결정된다.
L1 = Hslab + α ------- [수학식 3]
L2 = Hmin - α ------- [수학식 4]
L3 = W + 2d + 2R2 ------- (8)
d = (H - dc - L2)tanθc ------- (9)
R1 = R2 + (L1 - L2)tanθc ------- [수학식 5]
여기서, α는 여유공차로서 10mm로 가정된다.
상기와 같이 구성되는 단차롤 및 단차롤이 적용된 후강판 제조장치를 이용하여 후강판을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 후강판을 제조하는 방법은 슬래브의 길이방향 모서리에 챔퍼부가 형성되도록 슬래브를 챔퍼압연시키는 챔퍼압연 단계와; 상기 슬래브의 압연시 압연 패스의 출측두께가 목표두께와 같거나 작아질 때까지 압연 패스를 반복하여 압연을 실시하는 수평압연 단계를 포함한다.
상기 챔퍼압연 단계는 상기와 같이 설계되는 단차롤을 이용하여 슬래브의 수평압연전에 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시켜 슬래브와 수평압연기의 접촉길이를 낮추는 효과를 얻을 수 있고, 이에 따라 수평압연기 설비의 허용치에 근접하게 수평압연기의 패스별 압하율을 설정할 수 있다.
상기 수평압연 단계는 수평압연기의 패스별 압하율을 설정하는 단계와, 설정된 각 패스별 압하율에 따라 압연 패스의 출측두께가 목표두께와 같거나 작아질 때까지 압연 패스를 반복하여 압연을 실시하는 압연단계를 포함한다.
먼저, 수평압연기의 패스별 압하율을 설정하는 방법은 크게 상기 슬래브가 압연되는 압연기의 임계형상비를 설계하는 단계와; 상기 임계형상비로부터 임계압하율을 도출하는 단계를 포함한다.
상기 임계형상비를 설계하는 단계는 슬래브의 기공성 결함감소가 가능한 형상비 및 중심부 내질확보 형상비로부터 설정한다. 여기서 형상비는 판재와 작업롤간의 접촉길이를 각 패스별 평균두께로 나눈 값으로 정의된다.
슬래브의 기공성 결함을 감소시킬 수 있는 방법은 슬래브 중심부의 기공성 결함을 제거할 수 있는 수차례의 실기데이터(도 3a 참조)를 근거로 만든 하기의 식 (10) 및 (11)의 임계 형상비 조건을 슬래브의 두께별로 설정한다.
도 5a는 후강판재 두께에 따른 평균형상비를 나타낸 것으로서, 최종 제품에서 중심부의 기공성 UT결함이 있는 경우와 없는 경우를 나타낸 실기데이터이다.
- 제품두께(Hp)〈 50mm일 때 Sp = 0.62 ----------------- (10)
- 제품두께(Hp) ≥ 50mm일 때 Sp = -0.0037Hp + 0.8 ------ (11)
도 5b는 후강판 압연공정에서 발생할 수 있는 모든 조건에 대해 형상비와 변형률의 비를 나타낸 도표로서, 도 5b에서 알 수 있듯이 후물 후강판재의 품질 요구패스 강압하 영역인 거칠기 압연 영역에서 형상비가 증가함에 따라서 변형률의 비 또한 증가한다. 여기서 변형률의 비는 두께 중앙부 변형률을 최대 변형률로 나눈 무차원 변수로서 이 비가 0이면, 두께 중앙부는 변형이 없는 상태를 의미하는 Skin pass 압연을 의미한다. 또한, 이 비가 1이면 두께 중앙부의 변형량이 최대 변형량과 동일해 지는 것을 의미하며, 이것은 주로 냉간압연에서 가능한 이상적인 경우이다. 열간 후강판 압연에서는 이 비는 결코 1이 될 수 없음을 도 5b를 통하여 알 수 있다.
또한, 거칠기 압연구간에서 변형률의 비는 형상비가 0.8이상에서는 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 후강판재의 중심부 내질 확보를 위한 임계형상비를 하기의 식 (12)과 같이 도출하였다.
Sc ≥ 0.8 ---------------------------------- (12)
다음으로, 상기 임계형상비로부터 임계압하율(rc)을 도출하는 단계에 대해서 설명한다. 이때 임계압하율(rc)은 형상비의 정의를 사용한다.
형상비는 하기의 식 (13)와 같다.
Figure pat00007
---------------------------- (13)
이때 패스별 형상비가 후강판재의 균일물성확보를 위한 임계형상비보다 커야 하므로 하기의 식 (14)가 도출된다.
Sc ≥ S ------------------------------------- (14)
상기 식 (13) 및 (14)의 관계로 부터 하기의 식 (15)가 도출된다.
Figure pat00008
---------------------- (15)
여기서 H는 슬래브의 패스 압연전 두께이고, R은 압연기의 작업롤 반경을 의미한다.
이렇게 임계압하율(rc)이 도출되었다면, 도 4b에서 알 수 있듯이 단차롤에 의해 감소된 소재폭 및 압연기의 설비 허용치를 이용하여 수평압연기의 패스별 강압하율을 설정한다.
압연 패스별 압하율은 압하율(r)과 설비 허용치(허용설비토오크(Gm), 허용설비하중(Fm))와의 관계로부터 결정된다.
압하율(r)과 허용 설비치(설비토오크;Gm, 설비하중;Fm)와의 관계로부터 하기의 [수학식 6] 및 [수학식 7]와 같이 결정된다.
Figure pat00009
------- [수학식 6]
Figure pat00010
------- [수학식 7]
여기서, KG는 슬래브의 회전에 대한 변형저항이고, KF는 슬래브의 두께압하에 대한 변형저항이며, Lc는 챔퍼길이이다.
그래서, 각 압연패스에서의 강압하율은 하기의 [수학식 8]과 같이 r1과 r2 중 작은 값으로 설정된다.
r = min(r1,r2) ------- [수학식 8]
상기와 같이 각 압연패스에서의 강압하율이 설정되었다면 슬래브의 압연시 압연 패스의 출측두께가 목표두께와 같거나 작아질 때까지 압연 패스를 반복하여 압연을 실시한다.
한편, 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험을 실시하였고, 그 결과를 도 6a 내지 8b에 나타내었다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 1100도의 온도를 가진 슬래브의 두께가 400mm이고, 슬래브의 폭이 2000mm 이고, 챔퍼길이가 150mm인 경우 챔퍼깊이가 10 ~ 30mm로 변화될 때, 챔퍼압연후의 슬래브 단면변화 및 단차롤 하중을 나타낸 것이다.
도 6a에서 확인할 수 있듯이 챔퍼깊이가 증가함에 따라서 단차롤 하중은 단차롤과 슬래브 접촉길이의 증가에 따라 다소 증가하나 큰 변화가 없음을 보이며, 챔퍼압연후 슬래브는 챔퍼형상과 동일한 형상을 가짐을 알 수 있다.
도 7a는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 1100도의 온도를 가진 슬래브의 폭이 2000mm 이고, 챔퍼깊이가 10mm이며, 챔퍼길이가 150mm인 경우 슬래브의 두께가 200 ~ 400mm로 변화될 때 챔퍼압연 후의 슬래브 단면변화 및 단차롤 하중을 나타낸 것이다.
도 7a에서 확인할 수 있듯이 슬래브의 두께가 두꺼울수록 피닝(peening) 현상(챔퍼압연 입측과 출측 근방영역에서의 추가적인 변형)이 발생하기 때문에 동일한 챔퍼깊이 및 길이에 대해서도 슬래브의 두께 증가에 따라 하중이 증가함을 보인다. 또한, 단차롤 하중은 100mm 두께증가량에 대해 평균 91 톤 정도로 선형적인 증가를 보인다.
도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 1100도의 온도를 가진 슬래브의 두께가 400mm이고 피압연재의 폭이 2000mm 이며, 챔퍼깊이가 10mm인 경우 챔퍼길이가 100 ~ 200mm로 변화될 때 챔퍼압연 후의 슬래브 단면변화 및 단차롤 하중을 나타낸 것이다.
도 7b에서 확인할 수 있듯이 챔퍼길이가 증가함에 따라서 단차롤과 슬래브의 접촉길이가 증가함에 따라서 단차롤하중은 비선형적으로 증가함(50mm 챔퍼길이 증가량에 대해 평균 160 톤 정도로 증가)을 보인다. 또한, 챔퍼압연후 슬래븐는 챔퍼형상과 동일한 형상을 가짐을 알 수 있다.
이상의 결과는 챔퍼압연에 사용된 단차롤의 설비하중은 400 ~ 600톤이 적정하며, 슬래브의 단면 형상은 챔퍼 형상을 가지도록 단차롤이 설계되는 것이 바람직함을 보인다.
한편, 도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 1100도의 온도를 가진 슬래브의 두께가 400mm이고, 슬래브의 폭이 2000mm 일때 단차롤을 이용하여 챔퍼압연(챔퍼깊이 20mm,챔퍼길이 150mm)-수평압연을 한 경우와 종래발명의 수평압연만을 실시한 경우에 대해 압하율에 따른 하중을 나타낸 것이다.
동일한 압하율로 수평 압연할 때 종래 발명에 비해 본 발명의 경우 7.5 ~ 12% 정도 하중이 감소함을 알 수 있다. 이것은 한정된 압연기 설비한계에서 종래 설비 압하율 대비 1.07 ~ 1.12배 강압하할 수 있음을 의미한다.
그리고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 1120도의 온도로 가열로에서 추출된 두께 300mm이고 폭이 2200mm인 슬래브를 두께 172mm, 폭 2460mm의 슬래브로 6패스 거칠기 압연하는 경우 본 발명에서 제안한 챔퍼압연 후 수평압연을 한 경우, 종래발명의 수평압연만을 실시한 경우 및 챔퍼를 가진 몰드에서 생성된 챔퍼슬래브(챔퍼깊이 40mm, 챔퍼길이 100mm)를 이용한 경우에 대해 거칠기 압연패스별 압연하중을 나타낸 것이다.
종래 발명의 챔퍼슬라브와 동일한 위치에서의 챔퍼 조건을 고려하기 위해 거칠기 압연 2패스 동안 수평압연만을 실시한 후 3패스 이후부터 본 발명에 따르는 경우를 가정한다.
종래 발명의 챔퍼슬래브는 연속주조 공정의 챔퍼몰드에 의해 챔퍼 형상을 부여하므로 압연이 진행됨에 따라 챔퍼형상은 사라지게 된다. 따라서, 챔퍼가 존재하는 3~5패스 구간에서 압연하중이 챔퍼가 없는 종래발명의 하중보다 감소하는 반면 6패스에서는 종래발명에 근접함을 보인다.
그러나, 본 발명의 경우 압연 매 패스 구간동안 챔퍼압연을 통해 수평압연기에 들어가는 슬래브의 입측단면의 챔퍼를 형성하므로 챔퍼압연(챔퍼깊이 20mm, 챔퍼길이 100mm)한 경우 챔퍼를 가지지 않는 종래발명의 하중 대비 94%, 챔퍼슬래브를 사용하는 종래발명 대비 97%의 하중만이 필요하다. 또한, 단차롤의 이동을 통해 챔퍼각을 유지한 채 챔퍼압연(챔퍼깊이 40mm, 챔퍼길이 200mm)을 증가한 경우 챔퍼를 가지지 않는 종래발명의 하중 대비 86%, 챔퍼슬래브를 사용하는 종래발명 대비 88.6%의 하중만이 필요하다. 이것은 수평압연기의 설비하중과 압연하중의 차이만큼 추가적인 압하율의 증가가 가능함을 보인다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100a, 100b: 테이블 롤러 110a, 110b: 사이드 가이드
120: 에저 130: 압연기
150: 단차롤 151: 내륜
152: 외륜 153: 경사면
200: 슬래브 210: 챔퍼부

Claims (11)

  1. 슬래브를 수평압연기로 압연 전에 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키기 위하여 내륜과 상기 내륜의 양단에 외륜이 형성되고, 내륜과 외륜사이에 경사면이 형성되는 단차롤을 설계하는 방법으로서,
    상기 수평압연기의 압하율을 이용하여 단차롤의 경사면에 압연되어 형성되는 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계와;
    상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 한 후 수평압연를 할 때 상기 수평압연기에 작용하는 하중과, 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼압연을 하지 않고 동일한 압하량으로 수평압연을 할 때의 하중에 대한 비를 이용하여 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계와;
    설정된 상기 챔퍼부의 길이, 챔퍼부의 깊이 및 외륜의 반경(R1)을 이용하여 외륜 사이의 길이(L1), 내륜의 길이(L2) 및 내륜의 반경(R2)을 결정하는 단계를 포함하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔퍼부의 길이를 설정하는 단계에서 설정되는 챔퍼길이(Lc)는 하기의 [수학식 1]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법.
    Figure pat00011
    ------- [수학식 1]
    여기서, rc는 임계압하율이고, rm은 압하율임.
  3. 청구항 1에서,
    상기 챔퍼부의 깊이를 설정하는 단계에서 설정되는 챔퍼깊이(dc)는 하기의 [수학식 2]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법.
    dc 〉 0.5ΔHmax ------- [수학식 2]
    여기서, ΔH는 수평압연기에서 한 패스 압하량으로서 입측두께와 출측두께의 차이임.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외륜 사이의 길이, 내륜의 길이 및 내륜의 반경을 결정하는 단계에서,
    상기 외륜 사이의 길이(L1), 내륜의 길이(L2) 및 내륜의 반경(R2)은 하기의 [수학식 3], [수학식 4] 및 [수학식 5]에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법.
    L1 = Hslab + α ------- [수학식 3]
    L2 = Hmin - α ------- [수학식 4]
    R1 = R2 + (L1 - L2)tanθc ------- [수학식 5]
    여기서, Hslab는 슬래브 두께이고, Hmin는 후강판의 최소두께이며, α는 여유 공차임.
  5. 수평압연기를 이용하여 후강판을 제조하는 장치로서,
    슬래브를 이송시키는 제 1 테이블 롤러 및 제 2 테이블 롤러와;
    상기 제 1 테이블 롤러와 제 2 테이블 롤러 사이에 설치되어 상기 슬래브를 수평압연시키는 수평압연기를 포함하고,
    상기 제 1 테이블 롤러와 수평압연기 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 테이블 롤러 사이 중 적어도 어느 한 곳에는 상기 슬래브의 모서리에 챔퍼부를 형성시키는 챔퍼압연을 위한 한 쌍의 단차롤이 배치되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드와 상기 슬래브를 폭압연시키는 에저가 순차적으로 배치되고,
    상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며,
    상기 단차롤은 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드가 배치되고,
    상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며,
    상기 단차롤은 상기 제 1 사이드 가이드와 수평압연기 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 수평압연기의 전단에는 상기 제 1 테이블 롤러 이후에 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 1 사이드 가이드와 상기 슬래브를 폭압연시키는 에저가 순차적으로 배치되고,
    상기 수평압연기의 후단에는 상기 슬래브의 측면을 가이드하는 제 2 사이드 가이드가 배치되며,
    상기 단차롤은 상기 제 1 테이블 롤러와 제 1 사이드 가이드 사이 및 상기 수평압연기와 제 2 사이드 가이드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조 장치.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단차롤은 인접 배치되는 사이드 가이드에 선택적으로 장착할 수 있도록 이동식으로 구비되고,
    상기 단차롤은 상기 사이드 가이드와 동기되어 상기 슬래브의 폭방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조 장치.
  10. 후강판을 제조하는 방법으로서,
    슬래브의 길이방향 모서리에 챔퍼부가 형성되도록 슬래브를 챔퍼압연시키는 챔퍼압연 단계와;
    상기 슬래브의 압연시 압연 패스의 출측두께가 목표두께와 같거나 작아질 때까지 압연 패스를 반복하여 압연을 실시하는 수평압연 단계를 포함하고,
    상기 수평압연 단계에서
    상기 수평압연기의 압하율은 허용설비토오크(Gm), 허용설비하중(Fm)을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 수평압연 단계에서 수평압연기의 압하율(r)은 하기의 [수학식 6] 내지 [수학식 8]에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 후강판 제조방법.
    Figure pat00012
    ------- [수학식 6]
    Figure pat00013
    ------- [수학식 7]
    r = min(r1,r2) ------- [수학식 8]
    여기서, Gm은 허용설비토오크이고, Fm은 허용설비하중이며, KG는 슬래브의 회전에 대한 변형저항이고, KF는 슬래브의 두께압하에 대한 변형저항이며, Lc는 챔퍼길이임.
KR1020110143113A 2011-12-27 2011-12-27 챔퍼를 형성시키는 단차롤의 설계 방법과, 이를 이용한 후강판 제조장치 및 제조방법 KR101433432B1 (ko)

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