KR20150071169A

KR20150071169A - 고강도강의 사이드 트리밍 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150071169A
Application number: KR1020130157873A
Authority: KR
Inventors: 임충수; 허형준; 곽성준; 박상호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-26

Abstract

고강도강의 사이드 트리밍 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도강의 사이드 트리밍 장치는, 강판의 진행 방향 일측에 위치하는 스탠드, 상기 강판의 상측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 상부 나이프, 상기 강판의 하측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 하부 나이프를 포함하는 커팅유닛; 상기 커팅유닛의 전방에 설치되며, 강판의 절단 부위에 홈을 형성하는 레이저 가공유닛;을 포함한다.

Description

고강도강의 사이드 트리밍 장치 및 방법{Side trimming apparatus and method of strip}

본 발명은 고강도강의 사이드 트리밍 장치 및 방법에 관한 것이다.

이송 중인 강판의 양쪽 에지부를 트리밍하는 사이드 트리밍 공정은 고객의 요구 수준을 맞추기 위해, 그리고 압연시 판파단의 원인이 되는 열연 판의 에지부 크랙 및 기타 결함을 제거하기 위해 통상 냉간압연 전에 실시된다.

현재 냉연 PCM 라인에서 실시되는 기계식 사이드 트리밍은 강판의 상, 하부에 설치된 회전식 나이프(Knife)를 이용한다. 즉, 두꺼운 디스크 형의 상, 하부 나이프 사이로 강판 에지부가 통과하면서 절단되는 방식이다. 이와 같은 사이드 트리밍 공정은 통상 산세공정 후단에서 실시되며 강종에 따라 200∼250mpm의 속도로 고속 이송 중인 강판을 대상으로 한다.

회전식 나이프에 의한 절단은 상, 하부 나이프가 강판의 상, 하면에 압력을 가하면서 전단(shearing)에 이은 파단 메커니즘에 의해 이루어진다. 이러한 메커니즘을 이용하여 고속으로 이송 중인 강판을 연속적으로 전단할 경우 디스크 형의 나이프 에지부에 지속적인 압력과 기계적 충격이 인가되어 마모에 이은 파손이 불가피하게 발생한다. 따라서 나이프는 일정 기간 사용된 경우 교체되며 연마작업을 거쳐 재사용되기도 한다.

더욱이, 최근 냉연공정에서는 고강도강(AHSS; Advanced High Strength Steel)의 생산이 증대되는 추세이며 강도가 향상된 신제품 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 이와 같이 강판의 강도가 향상됨에 따라 사이드 트리밍 시 회전식 나이프가 받는 부하도 증대되며 이러한 부하 증대는 필연적으로 회전식 나이프의 파손을 유발한다. 현재 냉연 PCM에서는 강도 60kg급 이상의 강종은 나이프 파손으로 인해 사이드 트리밍을 실시하지 못하고 있는 상황이다.

현재 냉연 PCM 라인에서 실시되고 있는 회전식 나이프에 의한 사이드 트리밍 메커니즘을 설명하면 다음과 같다. PCM 사이드 트리밍 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 수평 클리어런스(a) 및 수직 클리어런스(b)를 갖는 상부 및 하부 원형 나이프로 구성된다. 여기서, 수평 클리어런스(a)는 상부 및 하부 나이프(1, 2)가 수평 방향으로 서로 떨어져 있는 갭(gap)을 의미하고, 수직 클리어런스(b)는 상부 및 하부 나이프(1, 2)가 수직방향으로 서로 겹쳐져 있는 랩(lap)을 의미한다. 이렇게 수평 및 수직 클리어런스(a, b)를 갖는 상부 및 하부 나이프(1, 2)를 강판(S)이 연속적으로 통과하면서 강판(S)의 에지부가 일정량 잘리게 된다. 이때, 상부 및 하부 나이프(1, 2)는 자체 구동력을 갖지 않고, 강판(S)의 이송력에 의해 회전하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 강판(S)의 에지부는 상부 및 하부 나이프(1, 2)를 통해 전단(shearing)과 찢김(tearing)에 의해 절단된다. 먼저, 설정된 수직 클리어런스(b) 양만큼 나이프(1, 2)가 강판(S)을 전단 변형시킨다. 그리고, 전단 변형의 끝 부분, 즉 나이프(1, 2)가 강판(S)을 파고 들어간 끝 부분에서 나이프(1, 2)의 회전력에 의해 크랙(4, 5)이 각각 발생한다. 이렇게 상부 및 하부 원형 나이프(1, 2)의 끝 부분에서 발생한 각각의 크랙(C)이 성장하여 강판(S)의 절단면 중앙에서 만나 최종적으로 절단된다.

이와 같이 강판이 절단될 때 회전식 나이프에 압력이 가해지게 되는데 이 압력은 강판의 강도, 두께, 이송속도 등에 의해 영향을 받는다. 또한 나이프는 사이드 트리밍 조업 시간에 비례하여 마모되며, 이로 인해 나이프가 파손되는 나이프 스폴링(Knife Spalling)이 발생하거나 강판의 에지부에 크랙(Crack)이나 버(Burr)와 같은 결함이 생길 수 있다.

이와 같이 사이드 트리머의 나이프는 영구적으로 사용하지 못하고 교체가 필요하게 된다. 특히 고강도강의 경우 강판의 강도가 일반 강에 비해 높기 때문에 나이프에 가해지는 압력이 커지게 되어 나이프의 마모와 파손이 쉽게, 그리고 자주 발생한다.

따라서 냉연 PCM 공정에서 고강도강의 사이드 트리밍을 실시하기 위해서는 강판의 이송 속도를 낮추어 절단하여야 하는데 연속적인 공정에서 이는 전체적인 생산속도를 낮추기 때문에 실시되기 어렵다. 따라서 고강도강의 경우 현재는 냉간압연 후에 후공정에서 저속으로 사이드 트리밍을 실시하게 되며 이에 따라 공정 손실 비용이 발생하고 있다. 또한 PCM에서 사이드 트리밍 처리를 못하는 경우 열연 원판 상태에서의 에지 크랙에 의해 판파단 등과 같은 라인 트러블(Line Trouble) 발생 위험이 상존하고 있다. 상기한 바와 같이 고강도강 처리 시 발생하는 나이프 파손을 방지하기 위해 그동안 나이프 재질변경을 통한 강도 증대가 추진되었으나 고속으로 이송 중인 고강도강의 트리밍에는 한계가 있음이 확인된 바 있다.

본 발명의 실시예는, 고강도강의 고속 사이드 트리밍 시에 발생하는 회전식 나이프에 의한 기계식 방법의 문제점을 개선하여 고강도강의 고속 트리밍을 가능케 하는 사이드 트리밍 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고강도강의 사이드 트리밍 장치는, 강판의 진행 방향 일측에 위치하는 스탠드, 상기 강판의 상측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 상부 나이프, 상기 강판의 하측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 하부 나이프를 포함하는 커팅유닛; 상기 커팅유닛의 전방에 설치되며, 강판의 절단 부위에 홈을 형성하는 레이저 가공유닛;을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 가공유닛은 레이저 발진기, 광 전송부, 집광 헤드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 가공유닛에 의해 형성된 홈 부위에 보조가스를 분사하는 가스분사유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 강판에 수직한 방향에 대해 가스 분사 유닛은 45°∼80°의 경사각을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도강의 사이드 트리밍 방법은, 강판을 이동시키는 단계; 상기 강판에 레이저 빔을 조사하여 강판의 길이 방향으로 선형의 홈을 형성하는 단계; 상기 홈을 기준으로 상부 나이프와 하부 나이프를 이용하여 강판의 사이드를 커팅하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 레이저 발진기는 CW, Fulse 타입 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 강판에 레이저 빔을 조사하여 홈을 형성할 때, 상기 강판의 홈 부위에 비활성가스를 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 회전식 나이프에 의한 기계식 절단 방식으로는 불가능하였던 냉연 PCM 라인에서의 고강도강의 고속 사이드 트리밍을 레이저 에너지가 융합된 기계식 사이드 트리밍을 통해 가능케 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 사이드 트리밍 장치를 도시한 개략도.
도 2는 종래 기술에 의한 문제점을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 사이드 트리밍 장치를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 의한 사이드 트리밍 장치를 도시한 단면도.

이하에서는, 본 발명에 의한 강판의 사이드 트리밍 장치 및 방법의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 강판의 사이드 트리밍 장치(100)는 커팅유닛(10), 레이저 가공유닛을 포함한다.

커팅유닛(10)은 실질적으로 강판의 사이드를 절단하는 것으로, 레이저 빔에 의해 홈이 가공된 강판(S) 부위를 기계적으로 절단하는 상부 및 하부의 원통형 회전식 나이프(12)(13)를 포함한다.

각각의 나이프(12)(13)는 강판(S)의 진행 방향 일측에 수직으로 설치되는 스탠드(11)에 회전 가능하게 결합된다. 각 나이프(12)(13)는 회전축(14)을 매개로 스탠드(11)에 결합되며, 디스크 형태로 이루어져 그 중앙에 회전축(14)이 체결된다. 상부 나이프(12)와 하부 나이프(13)는 강판(S)의 상측과 하측에 소정의 수평 클리어런스 및 수직 클리어런스가 존재하도록 배치된다.

레이저 가공유닛(20)은 레이저를 조사하여 강판에 미리 소정 깊이의 홈을 형성함으로써 커팅유닛(10)에 의해 강판의 사이드가 절단될 때 커팅유닛(10), 특히 나이프에 가해지는 부하를 감소시켜 준다.

본 실시예의 레이저 가공유닛(20)은 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(21), 강판에 홈을 가공하기 위해 레이저 빔을 강판까지 전송하는 광 전송부(22)를 포함한다.

레이저 발진기(21)는 제어장치(도시 생략)에서 보낸 기동신호에 의해 내부에 충전되어 있는 레이저가스를 증폭시키는 역할을 한다. 예컨대, 탄산가스 레이저 발진기에서는 CO₂, N₂, He를 함유한 혼합가스가 내부에서 순환하고, 제어장치의 신호에 의해 고전압이 투입되면 증폭하게 된다.

레이저 발진기(21)로는 레이저 내부의 공진기(resonator)에서 반전 분포(population inversion: 들뜬 상태 에너지 준위가 바닥 상태보다 많게 되는 것)가 일어나기 시작하면 그대로 조사를 시작하는 CW, 반전 분포의 에너지를 모아 두었다가 한꺼번에 분출하는 Pulse 타입 모두 가능하며, 기체, 고체, 광섬유 레이저 등 매질의 구성도 크게 영향을 미치지 않는다.

한편, 강판 이송 속도에 따라 필요한 출력을 산출하고 구현하기 위해서는 소요되는 가격 등을 고려하여 레이저를 선택하는 것이 좋지만, 고강도강의 가공에서는 단파장의 레이저를 사용하는 것이 강판에서 흡수도가 높기 때문에 홈 가공이나 예열에 유리할 수 있다.

광 전송부(22)는 레이저 발진기(21)로부터 트리밍하기 위한 강판의 근접 위치까지 연장되어 레이저 빔을 전달해 준다. 광 전송부(22)는 예컨대 와이어 형상의 광섬유가 적용될 수 있다.

또한, 본 실시예의 레이저 가공유닛(20)은 집속렌즈(도시 생략)를 구비한 상부 집광 헤드(23) 및 하부 집광 헤드(24)를 더 포함할 수 있다. 각 집광 헤드(23)(24)는 광 전송부(22)를 통해 전달된 레이저 빔을 고밀도로 집속하여 강판(S)의 상면과 하면에 각각 조사할 수 있다.

예컨대, 레이저는 고밀도로 집속된 빛을 방출하며 레이저 출력 광(레이저 빔)은 빛의 퍼짐성(Divergence)이 작기 때문에 집속렌즈와 같은 광 굴절 소자를 이용하여 매우 작은 면적에 고밀도로 집속할 수 있다. 고밀도로 집속된 빛이 강판(S)의 표면에 입사하면 빛 에너지의 일부가 물체에 의해 흡수되며 흡수된 광 에너지로 인해 강판의 온도가 상승하게 된다. 이때 흡수된 광 에너지의 양이 충분히 많을 경우 빛이 조사된 부분이 용융된다. 이와 같은 광 흡수에 의한 용융 현상을 이용하여 강판에 홈을 가공할 수 있다.

한편, 레이저 빔을 이용하여 강판의 절단도 가능하지만, 레이저 빔을 이용하여 강판을 절단할 경우 강판에 조사되는 빔의 세기와 이동 속도에 의해 결정되는 에너지 밀도(Power density)가 임계값 이상이 되어야 한다. 예를 들어 2kW의 레이저 빔을 렌즈로 집속하여 절단할 경우 두께 0.23mm 강판의 경우 최대 절단속도는 100mpm 정도이다. 냉연 PCM의 경우 소재 두께가 3∼5mm이고 강판의 최대 이송속도가 250mpm 이상이므로 강판 절단을 위한 레이저 출력은 수십 kW 이상이 되어야 할 것으로 예상할 수 있다. 따라서 레이저 빔 만을 이용하여 PCM 라인에서 사이드 트리밍을 실시하는 것은 한계가 있으므로, 본 실시예에서는 레이저 가공유닛(20)이 기계식 커팅유닛(10)과 연동되도록 설치된다.

본 실시예의 고강도강의 사이드 트리밍 장치는 가스분사유닛(30)을 더 포함한다. 가스분사유닛(30)은 홈을 형성하기 위해 레이저 빔이 조사되는 강판 부위에 보조가스를 분사하여 용융물을 외부로 배출시키는 상부 가스분사노즐(31) 및 하부 가스분사노즐(32)을 포함한다.

각각의 가스분사노즐(31)(32)은 도시하지 않은 가스저장부와 가스공급라인(33)을 매개로 연결되며, 각 가스분사노즐(31)(32)은 강판(S) 표면의 수직 방향과 소정의 각도(θ)를 갖도록 설치된다. 강판(S) 표면의 수직 방향을 기준으로 그 각도가 클수록 용융물의 배출이 용이하므로, 각 가스분사노즐의 각도(θ)는 예컨대 45°∼80°로 설치되는 것이 좋다.

그리고 각 가스분사노즐(31)(32)에서 사용되는 보조가스는 강판과 화학반응을 일으키지 않는 비활성가스로 이루어지는 것이 좋다. 예컨대, 에어(air), 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있다.

이와 같이 구성된 고강도강의 사이드 트리밍 장치를 이용하여 사이드 트리밍 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 설명의 편의를 위해 파이버(Fiber) 레이저를 이용하는 경우를 도시한 개략도로서, 본 발명에는 파이버(Fiber) 레이저 외에 다른 종류의 레이저도 적용될 수 있다.

도시된 바와 같이, 강판(S) 근처까지 전송된 레이저 빔은 집속렌즈를 포함하는 집광 헤드(23)(24)에 의해 강판의 표면에 고밀도로 조사된다.

광섬유를 이용해 전송된 경우에는 광섬유 출력단에서의 레이저 빔의 크기는 충분히 작으나 이 경우에도 집속렌즈를 이용하여 레이저 빔을 집광시키는 과정을 거친다. 집속렌즈를 이용하여 레이저 빔을 집광시키는 이유는, 레이저 빔이 강판 표면에서 충분한 에너지 밀도를 갖도록 하기 위한 것뿐 아니라 최종 광학계가 강판으로부터 충분한 거리를 유지하여 충돌이나 열에 의해 손상되지 않도록 하기 위함이다.

도 3에서 상부 및 하부의 회전식 나이프 전방에서 집광 헤드(23)(24)로부터 강판 표면에 고밀도로 레이저 빔이 조사되고 강판이 일정한 속도로 이송 중에 있으므로 강판(S)의 길이 방향으로 선형 홈(G)이 형성된다.

즉, 집광 헤드(23)(24)에 의해 충분히 고밀도로 집속된 레이저 빔은 강판(S)의 상면과 하면의 정해진 지점에 조사되며, 레이저 빔이 조사된 강판은 국소적으로 용융된다. 이때 강판(S)의 표면에 수직한 방향과 소정의 각도(θ)로 설치된 가스분사유닛(30)에 의해 보조가스가 분사되어 용융물을 강판(S)의 바깥쪽으로 제거한다. 필요에 따라서는 강판의 상면 및 하면의 레이저 빔 조사위치와 가스분사노즐(31)(32)의 각도(θ)를 적절히 조절할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.

이와 같이 가스압이 용융물에 인가되면 용융물이 제거되어 홈(groove)이 형성되는 것이다. 홈의 폭(W)과 깊이(D)는 강판에 조사된 레이저 빔의 스폿(Spot) 크기와 에너지 밀도, 그리고 보조가스 입사각도(θ)의 조절을 통해 조정이 가능하며 회전식 나이프의 전단 부하가 최소가 되도록 조절한다.

이후, 강판(S)의 지속적인 이동에 따라 강판(S)에 형성된 선형 홈(G)은 회전식 나이프(12)(13)의 절단 위치로 이송되고, 홈이 형성된 강판 부위는 상부 나이프(12)와 하부 나이프(13)의 회전에 의해 용이하게 절단된다.

이와 같이 본 발명의 실시예는 회전식 나이프에 의한 강판의 절단 부위에 사전에 레이저 빔을 집속하여 홈을 형성함으로써 나이프에 의한 전단 부하를 저감하고 이를 통해 고강도강의 고속 트리밍을 가능케 할 수 있다.

즉, 레이저 빔은 렌즈 등과 같은 광 굴절 소자를 이용하여 조절이 가능한 스폿(Spot) 형태로 집광하는 것이 가능하므로 일정한 방법으로 전송된 레이저 빔을 광 굴절 소자를 이용하여 강판에 조사하면 레이저 광의 흡수에 의해 강판 표면이 국소적으로 가열되고 레이저 에너지가 충분할 경우 국소적 용융 현상이 동반된다. 이때 국소적 용융물의 측면에서 가스압(gas pressure)을 인가하면 용융물의 제거가 가능하고 이를 통해 홈(groove)이 형성된다.

PCM 라인에서 고속으로 사이드 트리밍을 실시하는 경우 회전식 나이프 전방에 상술한 바와 같이 레이저 빔을 집속하고 측면에서 가스압을 인가하면 회전식 나이프 전단 전에 일정한 깊이와 폭의 홈을 형성할 수 있으며, 홈이 형성된 부분은 국소적으로 강판의 두께가 감소되는 효과가 있으며 홈 내면의 불규칙한 미세 형상으로 인해 크랙(Crack) 발생이 용이하므로 회전식 나이프에 의해 쉽게 파단되어 절단이 용이하게 된다.

따라서 기존에는 고속 사이드 트리밍이 불가능하던 고강도 강에 대해서도 레이저를 이용하여 사전에 홈을 형성하면 두께 감소 및 나이프에 의한 크랙 발생이 용이함에 따라 기존에는 불가능하였던 고속 사이드 트리밍이 가능하게 되는 것이다.

100; 사이드 트리밍 장치 10; 커팅유닛
11; 스탠드 12; 상부 나이프
13; 하부 나이프 14; 회전축
20; 레이저 가공유닛 21; 레이저 발진기
22; 광 전송부 23; 상부 집광 헤드
24; 하부 집광 헤드 30; 가스분사유닛
31; 상부 가스분사노즐 32; 하부 가스분사노즐
33; 가스공급라인

Claims

강판의 진행 방향 일측에 위치하는 스탠드, 상기 강판의 상측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 상부 나이프, 상기 강판의 하측에 위치되도록 스탠드에 회전 가능하게 결합되는 하부 나이프를 포함하는 커팅유닛;
상기 커팅유닛의 전방에 설치되며, 강판의 절단 부위에 홈을 형성하는 레이저 가공유닛;
을 포함하는 고강도강의 사이드 트리밍 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 가공유닛은 레이저를 발생시키는 레이저 발진기, 상기 레이저 발생기로부터 강판의 근접 위치까지 빔을 전달하는 광 전송부, 전달된 빔을 집속하여 강판에 조사하는 집광 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도강의 사이드 트리밍 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 가공유닛에 의해 형성된 홈 부위에 보조가스를 분사하는 가스분사유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도강의 사이드 트리밍 장치.
제3항에 있어서,
상기 가스분사유닛은 상기 강판에 수직한 방향에 대해 45°∼80°의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 고강고강의 사이드 트리밍 장치.
강판을 이동시키는 단계;
상기 강판에 레이저 빔을 조사하여 강판의 길이 방향으로 선형의 홈을 형성하는 단계;
상기 홈을 기준으로 상부 나이프와 하부 나이프를 이용하여 강판의 사이드를 커팅하는 단계;
를 포함하는 고강도강의 사이드 트리밍 방법.
제5항에 있어서,
상기 레이저 발진기는 CW, Fulse 타입 중 어느 하나의 방식으로 발진하는 것을 특징으로 하는 고강도강의 사이트 트리밍 방법.
제5항에 있어서,
상기 강판에 레이저 빔을 조사하여 홈을 형성할 때, 상기 강판의 홈 부위에 비활성가스를 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도강의 사이트 트리밍 방법.