KR20230020198A - 열처리로의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열처리로 내에서 스트립의 폭방향에 걸쳐 스트립을 균일하게 냉각시키기 위한 냉각장치로서, 냉각수를 공급하는 공급배관; 상기 공급배관에 연결되고, 상기 스트립에 냉각수를 분사하는 복수의 노즐을 갖춘 노즐헤더; 및 상기 공급배관에 설치되어, 상기 공급배관 내 냉각수의 온도를 승온시키는 가열수단을 포함하고, 상기 가열수단의 열원은 전열 히터로 될 수 있다.

Description

열처리로의 냉각장치 {APPARATUS FOR COOLING STRIP IN HEAT TREATING FURNACE}

본 발명은 예컨대 소둔로 등과 같은 열처리로 내에서 스트립의 폭방향 냉각을 균일하게 할 수 있도록 된 열처리로의 냉각장치에 관한 것이다.

예를 들어, 냉간압연된 두께 약 0.2 ~ 3.0t의 얇은 금속 스트립은, 소둔로 등과 같은 열처리로 내에서 스트립의 온도를 올렸다가 냉각하는 열처리 공정을 거친다.

열처리로 내 냉각대에서는 냉각수를 미스트화시킨 다음에 복수의 노즐을 통해 스트립에 분사하게 된다. 스트립의 폭방향 냉각을 위해 복수의 노즐은 스트립의 폭을 따라 냉각수를 분사할 수 있도록 배치되어 있다.

이러한 냉각대는 노 내를 통과하면서 가열된 스트립을, 단순히 냉각수의 유량만으로 온도를 제어하며 냉각시키는 구조이기 때문에, 목표 냉각온도를 벗어나거나, 급냉으로 인하여 스트립이 폭방향으로 휘어지는 변형이 일어나고 있다.

특히 스트립의 폭방향 냉각속도의 편차를 줄이기 위해, 예를 들어 스트립의 폭방향 중심 혹은 에지(edge) 부분에 대해 냉각수의 유량을 다르게 하여 분사하더라도 온도차를 줄이는 데에 한계가 있으며, 스트립이 고강도 강재인 경우에 냉각속도에 의한 상분율이 폭방향으로 달라져 인장강도의 편차를 유발할 수 있다.

(특허문헌 1) KR 761716 B1

이에 본 발명은 스트립의 폭방향을 따라 국부적으로 온도를 다르게 하여 냉각수를 분사함으로써, 효과적으로 스트립의 폭방향 냉각속도의 편차 및 형상 불량을 저감할 수 있는 열처리로의 냉각장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치는, 열처리로 내에서 스트립의 폭방향에 걸쳐 상기 스트립을 균일하게 냉각시키기 위한 냉각장치로서, 냉각수를 공급하는 복수의 공급배관; 상기 공급배관마다 연결되고, 각각으로 상기 스트립에 냉각수를 분사하는 복수의 노즐을 갖춘 복수의 노즐헤더; 및 상기 공급배관마다 설치되어, 상기 공급배관 내 냉각수의 온도를 개별적으로 승온시키는 복수의 가열수단을 포함하고, 상기 가열수단의 열원은 전열 히터로 될 수 있다.

본 발명에 의하면, 냉각시키고자 하는 스트립의 폭방향으로 균일한 냉각이 이루어질 수 있으며, 목표로 하는 냉각온도를 쉽게 확보할 수 있어, 스트립의 원하는 미세조직을 정확히 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 냉각시 스트립의 형상 프로파일을 모니터링하여 냉각수의 온도를 제어하기 때문에, 폭방향으로의 균일한 냉각을 통해 스트립의 형상을 평탄하게 향상시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치에 의한 스트립의 폭방향 온도차를 시뮬레이션으로 해석한 도면이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치를 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 냉각장치의 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)가 적용되는 열처리로(1)는 밀폐된 상태로서, 내부는 예를 들어 환원성 기체인 HN(질소 및 수소의 혼합기체)가 공급되어 열처리하는 동안 스트립(2)이 산소와 접촉하지 않도록 구성될 수 있다.

이러한 열처리로(1)는, 스트립(2)을 두께, 폭 및 재질에 따라 적정 온도를 유지하고, 수 km에 걸쳐 연속적으로 스트립을 진행시키면서 복사열로 스트립을 가열한 후 스트립에 냉각수를 분사하여 냉각시킴으로써 열처리할 수 있다.

열처리되는 스트립은(2) 예컨대 냉간압연된 박판으로서, 약 0.2 ~ 3.0t의 두께를 가질 수 있다. 이와 같은 박판의 금속 스트립은, 열처리로(1)의 상류에서 소정 온도로 가열되어 있다.

열처리를 위해 가열된 후 이동하는 스트립(2)의 냉각시 냉각속도의 편차가 발생하게 되면, 미세조직의 변화, 형상 구겨짐이나 뒤틀림 현상, 후가공시 가공 불량이 발생되기 때문에 폭방향으로의 균일한 냉각을 필요로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 스트립(2)은 예를 들어 위에서 아래로 또는 아래에서 위를 향하여 수직방향으로 이동하면서 냉각장치(10)를 지나갈 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는 복수로 구비되고, 열처리로(1) 내 소정 구간에 걸쳐 스트립(2)의 진행방향을 따라 배열될 수 있다. 이와 같이 열처리로 내에서 복수의 냉각장치가 배열된 구간을 이하에서는 냉각대(3)로 칭한다.

도 2에 보다 상세히 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 복수의 공급배관(11), 복수의 노즐(12)을 갖춘 복수의 노즐헤더(13), 복수의 가열수단(15)을 포함할 수 있다.

공급배관(11)은 공급원(미도시)으로부터 냉각수를 전달받아 각 노즐헤더(13)에 공급하는 관 부재이다. 각 공급배관에는 노즐(12)로 분사되는 냉각수를 공급하거나 차단하기 위한 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

노즐헤더(13)는 복수의 노즐(12)이 형성된 강관으로 형성될 수 있다. 적어도 3개의 노즐헤더가 직렬로 배치되어 스트립(2)의 폭방향을 따라 배치될 수 있는데, 즉 적어도 하나의 중앙 노즐헤더(13a)와, 중앙 노즐헤더의 측방 양측에 있는 에지 노즐헤더(13b)를 구비할 수 있다.

도 2에는 복수의 노즐헤더(13)가 동일한 길이를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 예컨대 중앙 노즐헤더(13a)의 길이가 양측방에 있는 에지 노즐헤더(13b)의 길이보다 길게 형성될 수도 있다.

측방에 있는 에지 노즐헤더(13b)는 예컨대 대략 90 ~ 110mm 정도의 길이를 가질 수 있다. 여기서, 한 쌍의 에지 노즐헤더는, 스트립(2)의 폭방향 양측 끝에서부터 스트립의 중앙을 향해 약 100mm 정도까지 연장한 영역인 스트립의 폭방향 에지 부분에 각각 대응되게 위치될 수 있다.

이러한 노즐헤더(13)는 각각 별도의 공급배관(11)에 연결되어, 복수의 노즐(12)로부터 분사되는 냉각수의 온도 및 유량이 개별적으로 제어될 수 있다.

복수의 노즐(12)이 노즐헤더(13)의 길이방향(스트립의 폭방향)을 따라 배열될 수 있다. 각 노즐은 예컨대 냉각수 또는 가스를 혼합한 냉각수를 미스트화시킨 다음에 스트립(2)을 향해 분사할 수 있다.

가열수단(15)은 공급배관(11)에 설치되어, 공급배관 내 냉각수의 온도를 승온시킬 수 있다. 이러한 가열수단의 열원으로는 예컨대 전열선 또는 전열 반도체 소자가 내장된 전열 히터가 채용될 수 있다.

가열수단(15)에 내장된 전열 히터는 후술하는 제어부(20)에 전기적으로 연결되어, 각 가열수단에서 전열 히터의 발열은 독립적으로 제어될 수 있다.

가열수단(15)이 전열 히터를 채용하여 구성됨으로써, 공급배관(11) 및 냉각수의 온도를 신속하게 변화시킬 수 있으며, 온도를 제어하는 응답성을 향상시킬 수 있는 장점이 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)에서는, 가열수단(15)이 공급배관(11)을 둘러싸거나 접촉하도록 설치되어 공급배관을 가열할 수 있게 됨으로써, 노즐(12)로부터 분사되는 냉각수가 선택적으로 열원으로부터의 전도 및 복사에 의해 가열되어 승온될 수 있다.

또한, 가열수단(15)은 일정한 온도로 발열할 수 있으므로, 냉각수의 온도를 일정하게 유지할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 냉각대(3)의 상류에 배치되어, 스트립(2)이 냉각대로 진입할 때 스트립의 폭방향 온도 프로파일을 측정하는 제1 온도계(17)와; 제1 온도계와 복수의 가열수단(15)에 전기적으로 연결되어, 제1 온도계로부터 수신한 스트립의 폭방향 온도 프로파일에 대응하여 적어도 일부 가열수단의 발열량을 조절하여 해당 공급배관 내 냉각수의 온도를 제어하는 제어부(20)를 더 포함할 수 있다.

제1 온도계(17)는 비접촉식 온도센서로서, 스트립(2)이 열처리로(1) 내의 냉각대(3)로 진입하기 전에 스트립의 폭방향에 대한 온도를 측정할 수 있다.

제어부(20)는 제1 온도계(17)로부터 측정된 스트립(2)의 폭방향 온도 프로파일에 기초하여, 스트립에서 상대적으로 낮은 온도의 영역에 분사될 냉각수의 해당 공급배관(11)을 가열하도록 가열수단을 발열시킬 수 있다.

이와 같이, 제어부(20)는 제1 온도계(17)의 정보를 통해 스트립(2)에서 냉각이 필요한 영역과 과냉각을 방지해야 하는 영역을 나누어 냉각수의 온도를 상대적으로 낮게 또는 높게 조정할 수 있다. 과냉각을 방지해야 하는 영역에는 상대적으로 높은 온도의 냉각수가 분사되게 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 냉각대(3)의 하류에 배치되어, 스트립(2)이 냉각대를 지난 후 스트립의 폭방향 온도 프로파일을 측정하여 제어부(20)로 출력하는 제2 온도계(18)를 더 포함할 수 있다.

제2 온도계(18)는, 제1 온도계(17)와 유사하게 비접촉식 온도센서로서, 제어부(20)에 전기적으로 연결되고, 스트립(2)이 열처리로(1) 내의 냉각대(3)를 통과한 후 스트립의 폭방향에 대한 온도를 측정할 수 있다.

제어부(20)는 제2 온도계(18)로부터 측정된 스트립(2)의 폭방향 온도 프로파일을 고려하여, 스트립에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역에 분사할 냉각수의 온도를 재설정할 수 있다.

이와 같이 구성됨으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 온라인 상에서 제1 온도계(17)로부터 측정된 온도 프로파일에 의거하여 1차적으로 스트립(2)에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역에 분사되는 냉각수의 온도를 조정하고, 제2 온도계(18)로부터 측정된 온도 프로파일을 통해 스트립의 폭방향에 대한 온도차가 소정 온도 이상이 되면 2차적으로 각 영역에 분사되는 냉각수의 온도를 다시 조정할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 스트립(2)의 폭방향 온도차를 최소화할 수 있는 최적의 냉각수 온도를 설정하여, 폭방향으로의 균일한 냉각을 도모할 수 있게 되는 것이다.

선택적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 냉각대(3)의 하류에 배치되어, 스트립(2)이 냉각대를 지난 후 스트립의 폭방향 형상 프로파일을 모니터링하여 제어부(20)로 출력하는 형상 측정계(19)를 더 포함할 수 있다.

형상 측정계(19)로는, 예를 들어 레이저를 조사하는 비접촉식 변위 측정센서가 채용될 수 있으며, 제어부(20)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 형상 측정계는 스트립(2)이 열처리로(1) 내의 냉각대(3)를 통과한 후 스트립의 폭방향에 걸친 형상 프로파일 내지 평탄도를 측정할 수 있게 된다.

이 경우에, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 냉각대(3)를 통과한 스트립(2)의 폭방향 형상 프로파일 또는 평탄도를 파악하고, 그 형상 프로파일에 대응하여 스트립에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역에 분사할 냉각수의 온도를 추가적으로 조정할 수 있다.

구체적으로, 형상 측정계(19)로부터 측정된 형상 프로파일을 통해 스트립(2)의 폭방향에 걸쳐 굴곡지거나 비틀어진 형상이 일정 수준 이상이 되면 각 영역에 분사되는 냉각수의 온도를 조정할 수 있다. 예를 들면, 심하게 불규칙한 형상을 가진 부위는 과냉각된 것으로 판단하여, 제어부(20)는 해당 영역에 분사되는 냉각수의 온도를 상승시키도록 가열수단(15)의 전열 히터를 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(10)는, 스트립(2)의 폭방향 평탄도를 극대화할 수 있는 최적의 냉각수 온도를 설정하여, 스트립이 폭방향으로 균일한 형상을 갖도록 정밀하게 교정하는 기능도 발휘할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치(10)의 작동에 대해 간략히 설명한다.

열처리를 위해 가열된 후 냉각대(3)로 진입되는 스트립(2)은, 제1 온도계(17)에 의해 그 폭방향 온도 프로파일이 측정된다.

제어부(20)는 제1 온도계(17)의 정보를 통해 스트립(2)에서 냉각이 필요한 영역과 과냉각을 방지해야 하는 영역을 나누어, 냉각대(3)에서 분사될 냉각수의 온도를 조정할 수 있다.

예를 들면, 측정된 폭방향 온도 프로파일 중 상대적으로 온도가 낮은 부위, 예컨대 스트립(2)의 폭방향 에지 부분에 대응되는 에지 노즐헤더(13b)의 공급배관(11)을 가열하도록, 제어부(20)는 해당 가열수단(15)의 전열 히터를 작동시켜 발열시킬 수 있다.

분사되는 냉각수의 기본적인 온도는 상온(25℃)이며, 가열수단(15)에 의해 빠르게 승온되는 냉각수의 최고 온도는 100℃ 미만으로 될 수 있다. 제어부(20)는 가열수단들을 개별적으로 제어하여, 노즐헤더(13)별 냉각수의 온도차를 대략 0 ~ 75℃까지 구별되도록 공급배관(11)을 가열할 수 있다.

이로써, 에지 노즐헤더(13b)의 노즐(12)에서는, 스트립의 폭방향 중심에서 분사되는 중앙 노즐헤더(13a)의 냉각수보다 높은 온도의 냉각수가 분사될 수 있다.

또한, 냉각대(3)를 통과한 스트립(2)은, 제2 온도계(18)에 의해 그 폭방향 온도 프로파일이 측정된다.

제어부(20)는 제2 온도계(18)로부터 측정된 스트립(2)의 폭방향 온도 프로파일을 고려하여, 스트립에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역에 분사할 냉각수의 온도를 재설정할 수 있다.

선택적으로, 냉각대(3)를 통과한 스트립(2)은, 형상 측정계(19)에 의해 그 폭방향에 걸친 형상 프로파일 내지 평탄도가 측정된다.

제어부(20)는 형상 측정계(19)로부터 측정된 스트립(2)의 폭방향 형상 프로파일에 대응하여, 스트립에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역에 분사할 냉각수의 온도를 추가적으로 조정할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치(10)는, 최종적으로 스트립(2)의 냉각시 폭방향으로 균일한 냉각속도를 가질 수 있도록 하여 원하는 미세조직이 정확히 형성될 수 있게 하고, 이로 인해 스트립의 재질 및 형상 불량을 저감할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치(10)는, 스트립(2)의 냉각온도를 폭방향으로 제어할 수 있으므로, 스트립에서 폭방향을 따라 분할될 각 영역의 목표 냉각온도를 다르게 설정하여, 재질 측면에서 최적의 냉각패턴을 도출 및 적용할 수 있는 효과도 얻게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치에 의한 스트립의 폭방향 온도차를 시뮬레이션으로 해석한 도면이다.

도 3의 (a)는 종래기술에 따라 냉각수의 유량을 제어함으로써 얻은 스트립의 폭방향 온도차에 대한 해석도면이고, (b)는 본 발명에 따라 냉각수의 온도를 제어함으로써 얻은 스트립의 폭방향 온도차에 대한 해석도면이다. 여기서, 스트립은 1000mm의 폭을 가진 동일한 재질의 것을 사용한다.

도 3의 (a)에서는 냉각수의 유량 제어를 통해 스트립의 온도를 낮추려 하고 있는데, 냉각 종점에서는 폭방향 중심 부분과 에지 부분의 온도차가 거의 200℃에 육박하고 있다. 본래, 스트립의 에지 부분이 중심 부분 대비 더 빨리 냉각되기 때문에, 냉각 종점으로 갈수록 온도차가 더 심해진 것을 볼 수 있다.

반면에, 도 3의 (b)에서는 냉각수의 온도 제어를 통해, 특히 스트립의 폭방향 에지 부분에다 중심 부분 대비 고온의 냉각수를 분사하여 에지 부분의 온도를 낮추고 있기 때문에, 냉각 종점에서의 온도차가 최소화된 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리로의 냉각장치에 의하면, 냉각시키고자 하는 스트립의 폭방향으로 균일한 냉각이 이루어질 수 있으며, 목표로 하는 냉각온도를 쉽게 확보할 수 있어, 스트립의 원하는 미세조직을 정확히 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 열처리로 2: 스트립
3: 냉각대 10: 냉각장치
11: 공급배관 12: 노즐
13: 노즐헤더 13a: 중앙 노즐헤더
13b: 에지 노즐헤더 15: 가열수단
17: 제1 온도계 18: 제2 온도계
19: 형상 측정계 20: 제어부

Claims (8)

1. 열처리로 내에서 스트립의 폭방향에 걸쳐 상기 스트립을 균일하게 냉각시키기 위한 냉각장치로서,
   냉각수를 공급하는 복수의 공급배관;
   상기 공급배관마다 연결되고, 각각으로 상기 스트립에 냉각수를 분사하는 복수의 노즐을 갖춘 복수의 노즐헤더; 및
   상기 공급배관마다 설치되어, 상기 공급배관 내 냉각수의 온도를 개별적으로 승온시키는 복수의 가열수단
   을 포함하고,
   상기 가열수단의 열원은 전열 히터인 열처리로의 냉각장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각장치는 복수로 구비되고, 상기 열처리로 내에서 상기 스트립의 진행방향을 따라 배열되어 냉각대를 구성하는 열처리로의 냉각장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 노즐헤더는, 상기 스트립의 폭방향을 따라 직렬로 배치된 적어도 3개의 노즐헤더를 포함하고,
   상기 복수의 노즐헤더는, 상기 스트립의 폭방향 에지 부분에 대응되게 위치된 한 쌍의 에지 노즐헤더를 포함하는 열처리로의 냉각장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 냉각대의 상류에 배치되어, 상기 스트립이 냉각대로 진입할 때 상기 스트립의 폭방향 온도 프로파일을 측정하는 제1 온도계; 및
   상기 제1 온도계와 상기 복수의 가열수단에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 온도계로부터 수신한 스트립의 폭방향 온도 프로파일에 대응하여 적어도 일부 가열수단의 발열량을 조절하여 해당 공급배관 내 냉각수의 온도를 제어하는 제어부
   를 더 포함하는 열처리로의 냉각장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉각대의 하류에 배치되어, 상기 스트립이 냉각대를 지난 후 상기 스트립의 폭방향 온도 프로파일을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 제2 온도계를 더 포함하는 열처리로의 냉각장치.
   
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 제어부는, 측정된 상기 폭방향 온도 프로파일 중 상대적으로 온도가 낮은 부위에 대응되는 노즐헤더의 공급배관을 가열하도록, 해당 가열수단을 작동시키는 열처리로의 냉각장치.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 냉각대의 하류에 배치되어, 상기 스트립이 냉각대를 지난 후 상기 스트립의 폭방향 형상 프로파일을 모니터링하여 상기 제어부로 출력하는 형상 측정계를 더 포함하는 열처리로의 냉각장치.
   
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리로는 밀폐된 상태이고, 내부에는 환원성 기체가 공급된 열처리로의 냉각장치.
   
   

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