KR20230046072A - 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치로서, 상기 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치는 400℃ 이하의 온도까지 150℃/hr 내지 200℃/hr의 냉각속도로 냉각할 수 있도록, 슬리브 롤의 내벽에 미스트(mist)를 분사할 수 있는 미스트 분사부;를 포함할 수 있다.

Description

원심주조 슬리브 롤의 냉각장치{Cooling apparatus of centrifugal casting sleeve roll}

본 발명은 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 형강 압연 장치에 적용되는 슬리브 롤을 냉각할 수 있는 냉각장치에 관한 것이다.

형강 H빔(H-beam) 압연용 워크롤은 수평원심주조를 통해 제조된 슬리브 롤을 사용한다. 이러한 슬리브 롤은 생산제품에 따라 다양한 규격 및 강종으로 제조된다. 최근 압연 설비의 대형화에 따라 슬리브 롤 규격이 증가되고, 극후/고강도 형강재의 생산에 맞추어 롤의 우수한 압연성능 및 기계적 물성이 요구된다. 이러한 시장 요구에 따라 슬리브 롤의 제조 과정에서 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.

한국등록특허 제10-0711400호에 의하면, 압연롤 냉각장치에 관한 것으로, 열간압연 과정 중 고온의 스트립과 접촉되는 압연롤은 고압의 냉각수 스프레이 분사나 수냉식 자켓에 의해 냉각되는 구성이 개시되어 있다.

일반적으로 형강 압연용 슬리브 롤은 수평원심주조 공정을 통해 주조를 실시하고, 응고가 완료된 뒤 생산 제품 규격에 맞추어 절단가공을 진행하고 열처리를 실시하여 제작한다. 상기 열처리 과정에서 생산성 향상을 위해 절단된 슬리브 롤을 동시에 승온과 냉각을 실시한다.

이때, 복수의 슬리브 롤이 적재된 위치에 따라 냉각속도의 차이가 발생하고, 특히 슬리브 내부는 공기의 순환이 이루어지지 않아 냉각속도가 외부에 비해 현저히 떨어진다. 따라서 슬리브 롤의 경도가 불균일하고, 내/외부의 경도 차이가 발생하는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-0711400호

종래에는 이와 같이, 슬리브 롤의 경도가 불균일하게 제어될 경우, 슬리브 롤 사용 초기에 비해 사용 말기의 롤 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 슬리브 롤의 경도를 균일하게 제어할 수 있는 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 제공한다. 상기 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치는 400℃ 이하의 온도까지 150℃/hr 내지 200℃/hr의 냉각속도로 냉각할 수 있도록, 슬리브 롤의 내벽에 미스트(mist)를 분사할 수 있는 미스트 분사부;를 포함할 수 있다.

상기 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치에 있어서, 상기 슬리브 롤의 내부와 외부를 균일하게 냉각함으로써 균일한 물성을 확보할 수 있도록 상기 슬리브 롤을 회전시키는 가이드 롤러;를 더 포함할 수 있다.

상기 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치에 있어서, 상기 가이드 롤러의 회전속도는 10rpm 내지 25rpm일 수 있다.

상기 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치에 있어서, 상기 슬리브 롤은 1.0wt% 내지 3.0wt%의 C, 0.3wt% 내지 3.0wt%의 Si, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Mn, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Ni, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Cr, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Mo 및 불가피 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 형강 압연 장치를 제공한다. 상기 형강 압연 장치는 상술한 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 이용하여 제조된 슬리브 롤 및 상기 슬리브 롤 내부에 열박음(shrinkage fitting)된 아바(arbor);를 구비하는 롤러를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다양한 규격 및 요구 물성에 맞는 슬리브 롤을 제조할 수 있는 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 제시할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 이용하여 제조된 슬리브 롤을 구비하는 형강 압연 장치용 롤러의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 비교예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치용 롤러의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

일반적으로 형강이란, 구조용 압연 강재로 각종 단면 현상을 가진 압연재를 의미한다. 상기 압연재의 생산 공정은 가열로에서 재가열 후 각종 단면 현상을 가진 롤러를 통과시켜 형상을 만들고, 냉각 과정을 거친다. 이후에 최종 단면 형상에 따라 제품의 사용 용도 및 명칭이 결정된다.

형강의 경우, 일정한 형상을 갖기 때문에 압연 후 냉각하는 과정 중에 각 부위별로 온도 편차가 발생하고, 이에 따라 냉각 변형이 발생하게 된다. 특히, 형강의 형상이 복잡하거나, 위치별로 장변과 단변의 두께 및 길이 편차가 크기 때문에 냉각 변형이 심하게 발생하게 된다. 따라서, 최종적으로 균일한 형강 제품의 형상을 얻기 위해서 별도로 교정기 작업을 거치게 된다.

이러한 형강 압연용 워크롤은 일반적으로 정치주조 롤 또는 원심주조 슬리브 롤 형태로 제작하게 된다. 본 발명에서는 원심주조 슬리브 롤을 대상으로 설명하지만, 이에 의해 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 비교예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.

먼저, 도 6을 참조하면, 형강 압연용 슬리브 롤은 수평원심주조 공정을 통해 주조를 실시한다. 이후에 응고가 완료된 뒤 생산 제품 규격에 맞추어 절단가공을 진행하고 열처리를 수행하여 슬리브 롤(10)을 제조한다. 이때, 열처리 과정에서 생산성 향상을 위해 절단된 복수개의 슬리브 롤(10)을 동시에 승온하고 냉각을 실시한다. 또, 도 7에 도시된 바와 같이, 슬리브 롤(10)의 외부에서 냉각팬(40)을 이용하여 슬리브 롤(10)의 외면으로 공기를 공급하여 슬리브 롤(10)을 냉각할 수 있다.

이때, 슬리브 롤(10)이 적재된 위치에 따라 냉각속도의 차이가 발생한다. 상단에 적층된 슬리브 롤(10)의 냉각 속도가 가장 빠르다. 그 이유는 공기와 접촉되는 부분이기 때문에 열 순환이 많이 이루어지게 되어 가장 빨리 냉각된다. 특히, 상단 슬리브 롤(10) 중에서도 상단부가 가장 빨리 냉각되기 때문에 이에 따라 동일한 슬리브 롤(10)의 상단부와 하단부의 경도 차이도 발생한다.

또한, 솔리브 롤(10)의 내부는 공기의 순환이 이루어지지 않아 냉각속도가 슬리브 롤(10)의 외부에 비해 현저히 떨어진다. 따라서 슬리브 롤(10)의 경도가 불균일하고, 내부와 외부의 경도 차이가 발생하는 문제점이 있다. 이렇게 경도가 불균일하게 제어될 경우, 슬리브 롤(10)의 내구성에 문제가 발생하게 된다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위해서, 슬리브 롤의 내부의 냉각속도를 빠르게 제어할 수 있는 방안을 모색하였다.

일반적으로, 원심주조 슬리브 롤은 회전하는 금형에 액상의 외층재를 주입하여 외층을 형성한 후 액상의 내층재를 주입하여 내층재를 형성하는 방법으로 제조된다. 외층재는 압연재에 직접 접촉되는 부분이기 때문에 내마모성이 확보되어야 하며, 주로 애더마이트(Adamite) 재질로 제조한다. 상기 원심주조 슬리브 롤의 조성은 1.0wt% 내지 3.0wt%의 C, 0.3wt% 내지 3.0wt%의 Si, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Mn, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Ni, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Cr, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Mo 및 불가피 불순물을 포함한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조 슬리브 롤(10)의 냉각장치는 미스트 분사부(20)를 포함할 수 있다. 미스트 분사부(20)는 슬리브 롤(10) 내부의 빈 공간을 관통하여 배치된다. 슬리브 롤(10)의 경도 및 기계적 물성을 확보하기 위해 980℃ 이상의 온도에서 가열 및 ??칭 후 500℃ 내지 540℃에서 템퍼링을 실시한다. 이때, ??칭 속도를 잘 제어해야 슬리브 롤(10)의 미세조직 및 기계적 물성을 목표한 바와 같이 확보할 수 있다. 여기서, 슬리브 롤(10)의 외층재는 0.1wt% 내지 5.0wt%의 흑연과 10.0wt% 내지 20.0wt%의 탄화물로 이루어져 있다.

상기 ??칭 속도를 제어하기 위해서, 슬리브 롤(10)의 온도를 400℃ 이하의 온도까지 150℃/hr 내지 200℃/hr의 냉각속도로 냉각할 수 있도록, 미스트 분사부(20)에서 슬리브 롤(10)의 내벽에 미스트(mist)를 분사할 수 있다. 여기서, 상기 미스트는 대기 속에 부유하는 미립자 중에서 액체로 된 것으로서, 공기(air) 및 물(water)을 포함할 수 있다.

상기 냉각속도가 150℃/hr 미만일 경우, 미세조직의 조대화로 인해 기계적 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있고, 동시에 슬리브의 내/외부의 냉각속도 차이가 커져서 롤을 사용하는 과정에서 사용 초기와 말기의 성능 차이가 크게 발생할 수 있다. 반면, 상기 냉각속도가 200℃/hr 초과일 경우, 과도한 냉각속도로 인해 롤 표면에 크랙이 발생하거나, 심한 경우 절손이 발생할 수 있다.

슬리브 롤(10)을 냉각하기 위해서, 미스트 분사부(20)가 회전하면서 슬리브 롤(10)의 내벽에 미스트를 분사할 수 있다. 혹은 미스트 분사부(20)는 고정되어 있고, 슬리브 롤(10) 자체가 회전하면서 슬리브 롤(10)의 내부가 균일하게 냉각되도록 구성될 수 있다.

이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 원심주조 슬리브 롤(10)의 냉각장치는 슬리브 롤(10)을 회전시킬 수 있도록 가이드 롤러(30)를 더 포함할 수 있다. 가이드 롤러(30)에 의해 슬리브 롤(10)의 내부와 외부를 균일하게 냉각함으로써 균일한 물성을 확보할 수 있다. 가이드 롤러(30)의 회전속도는 슬리브 롤(10)의 내외부 전체의 균일한 물성확보를 위해서 조정되며, 슬리브 롤(10)의 외경에 따라 적절하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 슬리브 롤(10)의 외경의 크기가 900mm 내지 1,500mm 일 때, 바람직한 가이드 롤러(30)의 회전속도는 10rpm 내지 25rpm로 제어될 수 있다. 여기서, 슬리브 롤(10)의 내경의 크기는 제품별로 차이가 크기 때문에 외경의 크기를 기준으로 회전속도를 제어하는 것이 좋다.

가이드 롤러(30)의 내부에는 냉각 유로가 형성되어 냉각수 혹은 액체질소와 같은 냉각제가 상기 유로를 통해 이동되면서 가이드 롤러(30)의 표면 온도를 낮게 제어할 수 있다. 이 경우, 가이드 롤러(30) 표면의 온도에 의해 슬리브 롤(10)의 외부 표면 온도를 균일하게 낮추는데 도움을 줄 수 있다.

또한, 슬리브 롤(10)의 외부에서 냉각팬(40)을 이용하여 슬리브 롤(10)의 외면으로 공기를 공급하여 슬리브 롤(10)을 냉각할 수 있다. 냉각팬(40) 대신 슬리브 롤(10)의 폭방향으로 배치된 다수의 스프레이 노즐이 구비된 냉각수 분사부(미도시)를 형성하여 슬리브 롤(10)의 외부 표면을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 이용하여 제조된 슬리브 롤을 구비하는 형강 압연 장치용 롤러의 구조를 개략적으로 도해한 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬리브 롤을 구비하는 형강 압연 장치용 롤러(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 의 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 이용하여 제조된 슬리브 롤(10) 및 슬리브 롤(10) 내부의 빈 공간에 열박음(shrinkage fitting)된 아버(50, arbor)를 구비할 수 있다. 여기서, 아버(50)는 공작 기계로서 절삭 공구를 부착하는 작은 축으로서, 그 한쪽 끝은 기계의 주측 끝에 삽입할 수 있도록 테이퍼 가공된 것을 의미한다.

또한, 상기 열박음은 열을 이용하여 정밀한 축을 조립하는 방법으로서, 슬리브 롤(10)의 내경과 같은 치수로 가공된 아버(50)를 조립하기 전에 적절한 온도로 가열한다. 이후에 조립장치를 사용하여 슬리브 롤(10)과 아버(50)를 조립하고, 공랭시키면 정밀한 조립이 가능한 방법이다.

상술한 바와 같이, 슬리브 롤을 회전시킬 수 있는 가이드 롤러를 사용하고, 슬리브 롤 내부에 배치된 미스트 분사부를 이용하여 미스트를 분사함으로써, 슬리브 롤이 균일한 냉각속도로 빠르게 냉각이 가능해진다. 이에 따라 극후/고강도 형강재의 생산에 맞추어 슬리브 롤의 우수한 압연성능 및 기계적 물성을 만족할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 슬리브 롤
20: 미스트 분사부
30: 가이드 롤러
40: 냉각팬
50: 아버
100: 형강 압연 장치용 롤러

Claims (5)

1. 400℃ 이하의 온도까지 150℃/hr 내지 200℃/hr의 냉각속도로 냉각할 수 있도록, 슬리브 롤의 내벽에 미스트(mist)를 분사할 수 있는 미스트 분사부;를 포함하는,
   원심주조 슬리브 롤의 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬리브 롤의 내부와 외부를 균일하게 냉각함으로써 균일한 물성을 확보할 수 있도록 상기 슬리브 롤을 회전시키는 가이드 롤러;를 더 포함하는,
   원심주조 슬리브 롤의 냉각장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가이드 롤러의 회전속도는 10rpm 내지 25rpm인,
   원심주조 슬리브 롤의 냉각장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬리브 롤은 1.0wt% 내지 3.0wt%의 C, 0.3wt% 내지 3.0wt%의 Si, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Mn, 0.5wt% 내지 5.0wt%의 Ni, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Cr, 0.3wt% 내지 5.0wt%의 Mo 및 불가피 불순물을 포함하는,
   원심주조 슬리브 롤의 냉각장치.
5. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 원심주조 슬리브 롤의 냉각장치를 이용하여 제조된 슬리브 롤; 및 상기 슬리브 롤 내부에 열박음(shrinkage fitting)된 아버(arbor);를 구비하는 롤러를 포함하는,
   형강 압연 장치.

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