KR20140059374A - 싱크롤러 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 싱크롤러는, 양측부가 각각 측부 디스크로 폐쇄된 원통형 쉘; 상기 쉘의 양측으로 상기 측부 디스크에 설치된 샤프트; 및 상기 측부 디스크에 대한 상기 샤프트의 연결부위인 넥부에 걸리는 응력집중을 줄이도록 구성되는 응력집중 분산수단;을 포함한다.
이와 같이 본 발명은, 샤프트로부터 쉘의 내측으로 연장된 연장부와, 연장부를 홀드하도록 쉘의 내측에 설치되는 적어도 하나 이상의 보강 디스크를 구비함으로써, 측부 디스크와 샤프트의 연결부위인 넥부에 집중되어 발생하는 응력을 분산시킴에 따라, 넥부에서의 응력집중을 최소화하여 넥부에 크랙이 발생하는 것을 차단하며, 나아가 넥부에서의 용접부가 파손되거나 샤프트가 절손되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명은 넥부의 직경을 확장하는 직경보강부를 구비함으로써, 넥부의 강성을 높이고 넥부에 발생하는 응력집중을 감소시킬 수 있으며, 보강리브로 인하여 측부 디스크와 보강 디스크가 서로에 대해 위치고정을 더욱 견고히 하여 넥부의 응력집중에 대한 분산을 도울 수 있다.

Description

싱크롤러{Sink roller}
본 발명은 싱크롤러로서, 넥부에서의 용접부가 파손되거나 샤프트가 절손되는 것을 방지하는 싱크롤러에 관한 것이다.
연속소둔라인(Countinuous Annealing Line, CAL Line)은 냉간압연되어 경화된 스트립을 연속적으로 소둔하는 공정으로, 내부 응력을 제거하고 연성을 부여하여 조직성분이 균일하게 적정 그레인 사이즈(grain size)로 형성되도록 하여 후공정에서 가공성을 양호하게 한다.
이와 같은 연소소둔라인은 강의 인장강도, 연신 등의 기계적 성질을 개선할 목적으로 일정 온도에서 가열한 후 냉각시키는 공정이다.
도 1은 싱크롤러가 설치된 워터쿨링 시스템을 나타낸 개념도이다.
도면을 참조하며, 상기 연속소둔라인 중 싱크롤러(10)가 설치된 개소는 워터쿨링시스템(Water Cooling System, WCS) 설비(2)이며, 상기 워터쿨링시스템 설비(2)는 노(furnace)에서 소둔된 스트립(1)을 순수물(demi water)를 이용하여 최종냉각하는 설비이다.
여기에서, 연소소둔라인에서 가열된 스트립(1)을 순수물로 수냉시키는데 워터쿨링시스템 설비(1)에 담겨진 냉각수 및 기타 용액에 스트립(1)이 잠길 수 있도록 싱크롤러(10) 또한 냉각수에 잠겨서 배치되는데, 이때 상기 싱크롤러(10)는 스트립(1)을 텐션 릴까지 진행시키는 역할을 수행한다.
도 2는 종래기술에 따른 싱크롤러를 나타낸 절개정면도이고, 또한, 도 3은 도 2의 싱크롤러에서 넥부를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2의 싱크롤러를 나타낸 종단면도이다.
도면을 참조하면, 종래에 사용되었던 연속소둔라인의 싱크롤러(10)는 구조가 취약하게 되어있으며, 재질이 SM25C로서 탄소함량이 낮아 강도가 비교적 약하고, 기존 평균유효압력 대비 받는 부하가 증가하기 때문에, 이에 보다 높은 강도의 싱크롤러가 요구된다.
실제로 스트립이 지나갈 때 그 부하가 싱크롤러(10)에 그대로 전달되며, 예기치 못한 충격이 발생할 때 그 부하는 가장 약한 부분인 쉘(11)의 측부 디스크(12)와 샤프트(13)의 연결부위인 넥부(14)에 응력집중을 발생시킴으로써, 이에 따라 넥부(14)의 파손이 수차례 발생하여, 설비관리적인 측면에서의 손실은 물론 조업생산에도 큰 손실을 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 연장부와 보강 디스크를 구비하여 넥부의 집중응력을 분산시키는 싱크롤러를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 싱크롤러는, 양측부가 각각 측부 디스크로 폐쇄된 원통형 쉘; 상기 쉘의 양측으로 상기 측부 디스크에 설치된 샤프트; 및 상기 측부 디스크에 대한 상기 샤프트의 연결부위인 넥부에 걸리는 응력집중을 줄이도록 구성되는 응력집중 분산수단;을 포함한다.
구체적으로, 상기 응력집중 분산수단은, 상기 샤프트로부터 상기 쉘의 내측으로 연장된 연장부; 및 상기 연장부를 홀드하도록 상기 쉘의 내측에 설치되는 적어도 하나 이상의 보강 디스크;를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 넥부에는 응력집중에 대한 지지력을 증대시키도록 직경보강부가 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 직경보강부는 상기 넥부에 충진되면서 상기 샤프트로부터 상기 측부 디스크에 이르도록 경사진 것이 바람직하다.
나아가, 상기 측부 디스크와 보강 디스크를 연결하는 적어도 하나 이상의 보강리브가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 싱크롤러는, 샤프트로부터 쉘의 내측으로 연장된 연장부와, 연장부를 홀드하도록 쉘의 내측에 설치되는 적어도 하나 이상의 보강 디스크를 구비함으로써, 측부 디스크와 샤프트의 연결부위인 넥부에 집중되어 발생하는 응력을 분산시킴에 따라, 넥부에서의 응력집중을 최소화하여 넥부에 크랙이 발생하는 것을 차단하며, 나아가 넥부에서의 용접부가 파손되거나 샤프트가 절손되는 것을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
나아가, 본 발명은 넥부의 직경을 확장하는 직경보강부를 구비함으로써, 넥부의 강성을 높이고 넥부에 발생하는 응력집중을 감소시킬 수 있으며, 보강리브로 인하여 측부 디스크와 보강 디스크가 서로에 대해 위치고정을 더욱 견고히 하여 넥부의 응력집중에 대한 분산을 도울 수 있는 장점을 지닌다.
도 1은 싱크롤러가 설치된 워터쿨링 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래기술에 따른 싱크롤러를 나타낸 절개정면도이다.
도 3은 도 2의 싱크롤러에서 넥부를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 싱크롤러를 나타낸 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 싱크롤러를 나타낸 절개정면도이다.
도 6은 도 5의 싱크롤러를 나타낸 종단면도이다.
도 7은 종래기술에 따른 싱크롤러와 본 발명에 따른 싱크롤러에 대한 강도검토 결과를 비교하여 나타낸 표이다.
본 발명의 싱크롤러는, 측부 디스크와 샤프트의 연결부위인 넥부의 집중응력을 분산시키기 위해 연장부와 보강 디스크를 구비하는 것을 기술적 특징으로 한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 싱크롤러를 나타낸 절개정면도이고, 도 6은 도 5의 싱크롤러를 나타낸 종단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 원통형 쉘(110), 및 상기 원통형 쉘(110)에 설치되는 샤프트(130)와 응력집중 분산수단을 포함한다.
이때, 상기 쉘(110)은 원통형 구조를 지니며, 양측부가 각각 측부 디스크(120)로 폐쇄된 구조를 이룬다.
즉, 원통형 쉘(110)은 원형인 측부 디스크(120)가 개방된 양측부에 각각 용접되어 고정된 구조를 이룬다.
또한, 상기 샤프트(130)는 쉘(110)의 양측으로 배치되며, 웰의 양측부에 고정된 측부 디스크(120)로부터 연장되는 구조로 이루어진다.
진행되는 스트립이 접하여 진행을 유지하도록 싱크롤러(100)가 공회전하는데, 상기 샤프트(130)는 이를 위해 싱크롤러(100)의 양측에 배치되는 일정 구조의 프레임에 회전가능하게 연결된 체결구조를 취한다.
여기에서, 싱크롤러(100)에는 진행되는 스트립의 부하가 걸리게 되고, 작동 중 예상치 못한 충격이 발생하는 경우 상기 부하는 가장 약한 부분인 샤프트(130)의 넥부(140)에 응력집중을 발생시키며, 이는 나아가 넥부(140)에서의 용접부 파손 또는 샤프트(130)의 절손으로 이어질 수 있다.
상기와 같은 문제점을 방지하기 위해, 본 발명은 응력집중 분산수단을 포함한다.
상기 응력집중 분산수단은 측부 디스크(120)에 대한 샤프트(130)의 연결부위인 넥부(140)에 걸리는 응력집중을 줄이도록 구성된다.
구체적으로, 상기 응력집중 분산수단은 샤프트(130)로부터 상기 쉘(110)의 내측으로 연장된 연장부(150)와, 상기 연장부(150)를 홀드하도록 쉘(110)의 내측에 설치되는 보강 디스크(160)를 구비할 수 있다.
상기 연장부(150)는 측부 디스크(120)로부터 싱크롤러(100)의 외부 측방향으로 연장된 샤프트(130)에서, 싱크롤러(100)의 내측으로 연장된 부분이다.
즉, 연장부(150)는 샤프트(130)의 일 부위로서 샤프트(130)가 측부 디스크(120)를 통과한 후 싱크롤러(100)의 내측으로 연장된 부분이다.
또한, 상기 보강 디스크(160)는 쉘(110)의 내측에 설치되되 원형으로서 쉘(110)의 내주면에 용접체결될 수 있다.
이러한 보강 디스크(160)는 샤프트(130)로부터 쉘(110) 내측으로 연장된 연장부(150)를 홀드하는 역할을 수행한다.
상기 보강 디스크(160)는 연장부(150)를 적어도 일 지점 이상에서 홀드 할 수 있도록, 적어도 하나 이상 쉘(110)의 내측에 설치될 수 있다.
이와 같은 보강 디스크(160)는 비록 도면에는 쉘(110)의 내부에 한 개가 설치되었지만, 구조 및 비용을 고려하여 적정 수만큼 쉘(110) 내부에 설치될 수 있다.
상기와 같이 응력집중 분산수단은, 연장부(150)와 이를 홀드하는 보강 디스크(160)로 구성됨으로써, 싱크롤러(100)에 걸리는 부하가 측부 디스크(120)와 샤프트(130)의 연결부위인 넥부(140)에 집중되어 발생하는 응력을 분산시킴에 따라, 넥부(140)에서의 응력집중을 최소화하여 넥부(140)에 크랙이 발생하는 것을 차단하며, 나아가 넥부(140)에서의 용접부가 파손되거나 샤프트(130)가 절손되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 넥부(140)에는 응력집중에 대한 지지력을 증대시키도록 직경보강부(170)가 형성된 것이 바람직하다.
이러한 직경보강부(170)는 넥부(140)의 직경을 확장함으로써 넥부(140)의 강성을 높이고 넥부(140)에 발생하는 응력집중을 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 직경보강부(170)는 샤프트(130)로부터 측부 디스크(120)에 이르도록 경사진 구조를 취할 수 있다. 이러한 경사구조는 직경보강부(170)의 상기와 같은 기능을 수행하면서도 형상 측면에서 안전성을 높일 수 있으며 이와 더불어 부재의 낭비를 막을 수 있다.
나아가, 상기 측부 디스크(120)와 보강 디스크(160)를 연결하는 적어도 하나 이상의 보강리브(180)가 형성될 수 있다.
상기 보강리브(180)는 측부 디스크(120)와 보강 디스크(160)가 서로에 대해 위치고정을 더욱 견고하게 함으로써, 측부 디스크(120)와 보강 디스크(160)에 걸리는 응력을 분산시킴에 따라, 결과적으로 넥부(140)에 걸리는 응력을 분산시킬 수 있다.
한편, 상기 샤프트(130)는 기계구조용 탄소강 중 SM35 재질로 이루어 질 수 있다.
이와 같이 SM35 재질인 기계구조용 탄소강은 탄소함량이 높아져 항복강도는 기존 대비 15%이상 향상되었다. 나아가, 이러한 재질은 용이하게 구할 수 있다.
나아가, 상기 샤프트(130)를 고주파 유도가열 방법으로 담금질 및 뜨임(Quenching & Tempering)하여 제조하는 것이 바람직하다.
고주파 유도가열이란 피가열체가 되는 금속 도체를 코일 내에 두고, 여기에 고주파 전류를 흘리면 금속 도체의 표면 가까이에 와전류가 생겨 이 손실의 열로 가열하는 방법이다.
즉, 고주파 유도가열은 코일에 전류를 흐르게 하면 자기장이 발생하여 피가열체 표면을 타고 2차 전류가 유도되어 금속의 저항성분에서 열이 발생하는 원리로 피가열체를 가열하는 방식이다.
본 발명은 샤프트(130)의 열처리 시 고주파 유도가열 방법으로 담금질 및 뜨임을 하여 제조함으로써, 재질의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
즉, 담금질을 함으로써 금속의 전연성이 떨어지며 강도가 우수해지고, 풀림을 함으로써 담금질한 금속에 열을 주어 전연성이 향상되며 경도가 낮아지게 된다.
도 7은 종래기술에 따른 싱크롤러와 본 발명에 따른 싱크롤러에 대한 강도검토 결과를 비교하여 나타낸 표이다.
이때, 용접부 측면에서는 샤프트와 측부 디스크 사이의 용접부 파손을 고려하였고, 샤프트 측면에서는 샤프트의 절손을 고려하여 강도검토를 수행하였다.
도면을 참조하며, 구조 해석을 통해 도 2 및 도 4의 종래기술에 따른 싱크롤러에서 넥부의 작용응력은 3.21kgf/mm2임을 알 수 있다.
또한, 허용응력 계산법을 활용하여 용접부의 허용응력은 10.2kgf/mm2 이고, SM25C 재질의 샤프트의 허용응력은 15kgf/mm2로 도출되었을 때, 각각의 안전율(= 허용응력 / 작용응력)을 계산하면, 용접부의 안전율은 3.17이고 샤프트의 안전율은 4.67이다.
그리고, 구조 해석을 통해 도 5 및 도 6의 본 발명에 따른 싱크롤러에서 넥부의 작용응력은 2.98kgf/mm2임을 알 수 있다.
또한, 허용응력 계산법을 활용하여 용접부의 허용응력은 10.2kgf/mm2 이고, SM35C 재질의 샤프트의 허용응력은 17.3kgf/mm2로 도출되었을 때, 각각의 안전율(= 허용응력 / 작용응력)을 계산하면, 용접부의 안전율은 3.42이고 샤프트의 안전율은 5.76이다.
결과적으로, 용접부의 작용응력은 허용응력 이내이고, 안전율은 3.42로 종래기술 대비 8% 강도가 향상되었다.
또한, 샤프트의 작용응력도 허용응력 이내이고, 안전율은 5.76으로 종래기술 대비 23% 강도가 향상되었다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은, 샤프트(130)로부터 쉘(110)의 내측으로 연장된 연장부(150)와, 연장부(150)를 홀드하도록 쉘(110)의 내측에 설치되는 적어도 하나 이상의 보강 디스크(160)를 구비함으로써, 측부 디스크(120)와 샤프트(130)의 연결부위인 넥부(140)에 집중되어 발생하는 응력을 분산시킴에 따라, 넥부(140)에서의 응력집중을 최소화하여 넥부(140)에 크랙이 발생하는 것을 차단하며, 나아가 넥부(140)에서의 용접부가 파손되거나 샤프트(130)가 절손되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명은 넥부(140)의 직경을 확장하는 직경보강부(170)를 구비함으로써, 넥부(140)의 강성을 높이고 넥부(140)에 발생하는 응력집중을 감소시킬 수 있으며, 보강리브(180)로 인하여 측부 디스크(120)와 보강 디스크(160)가 서로에 대해 위치고정을 더욱 견고히 하여 넥부(140)의 응력집중에 대한 분산을 도울 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 싱크롤러 110 : 쉘
120 : 측부 디스크 130 : 샤프트
140 : 넥부 150 : 연장부
160 : 보강 디스크 170 : 직경보강부
180 : 보강리브

Claims (5)

  1. 양측부가 각각 측부 디스크(120)로 폐쇄된 원통형 쉘(110);
    상기 쉘(110)의 양측으로 상기 측부 디스크(120)에 설치된 샤프트(130); 및
    상기 측부 디스크(120)에 대한 상기 샤프트(130)의 연결부위인 넥부(140)에 걸리는 응력집중을 줄이도록 구성되는 응력집중 분산수단;
    을 포함하는 싱크롤러(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응력집중 분산수단은,
    상기 샤프트(130)로부터 상기 쉘(110)의 내측으로 연장된 연장부(150); 및
    상기 연장부(150)를 홀드하도록 상기 쉘(110)의 내측에 설치되는 적어도 하나 이상의 보강 디스크(160);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 싱크롤러(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 넥부(140)에는 응력집중에 대한 지지력을 증대시키도록 직경보강부(170)가 형성된 것을 특징으로 하는 싱크롤러(100).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직경보강부(170)는 상기 샤프트(130)로부터 상기 측부 디스크(120)에 이르도록 경사진 것을 특징으로 하는 싱크롤러(100).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 측부 디스크(120)와 보강 디스크(160)를 연결하는 적어도 하나 이상의 보강리브(180)가 형성된 것을 특징으로 하는 싱크롤러.
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