KR850000089B1 - 고온용 조립식 롤 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고온용 조립식 롤

제1도는 본 발명에 관한 롤의 일부 파단 정면도.

제2도는 본 발명에 관한 다른 실시예의 슬리브의 일부 파단 정면도.

제3(a)도는 슬리부의 연속 주조시 슬리브 표면의 온도 분포도.

제3(b)도는 슬리브의 연속 주조시 상황을 나타내는 정면도.

제4도는 온도 분포에 대응하여서 상정(想定)되는 이상적인 롤축의 일부 파단 정면도.

제5도는 종래예의 슬리브롤의 일부 파단 정면도.

제6도는 제6도의 일부 확대도.

제7도는 종래예의 슬리드롤의 일부 파단 정면도.

본 발명은 슬라브(slab) 연속 주조용의 핀치롤, 가이드롤 등에 사용되는 조립식 롤에 관한 것이다. 종래, 이러한 종류의 롤로서 사용되고 있는 것은 제5도에 표시하는 바와 같은 슬리브롤과 제7도에 표시하는 바와 같은 슬리드 롤로 크게 나누어 진다. 슬리브롤은 롤축(2)의 외주에 나선형 수냉홈(4)을 설치하고 그위에 슬리브(6)를 끼워 넣어서 한쪽끝을 용접고정(8)에 의하여 일체화환 것이다.

롤축(2)은 보통 강(鋼)으로서 형성되고, 슬리브(6)는 Cr-Mo계(系) 저합금 강으로서 형성되는 것이 보통이다. 한편 슬리드롤(10)은 롤 전체가 Cr-Mo계 저합금 강으로서 형성되며, 주로 그 단조품이 사용되어서 축중심부에 냉각수구멍(12)을 보유하고 있다. 그러데, 상기와 같은 종래롤에 있어서는 구조적으로도 재질적으로도 다음과 같은 결점이 있다.

즉, 슬리브롤에서는 제5도에 표시하는 바와 같이 슬리브 내면은 수냉되고 외면 은 고온 슬라브와 접촉하여 그 온도 변화가 크게되며, 발생하는 열응력에 의한 균열의 발생, 진전이 현저하게 되어서 그 결과수명이 단축되는 일이 많았다. 또 롤에 걸리는 힘에 의하여 굽힘 응력도 커지는데, 이 경우 슬리브(6)와 롤축(2)이 전체길이에 걸쳐서 밀착상태로 있으면 굽힙응력의 집중이 좀처럼 일어나지 않으나, 실제로는 그 나선형 홈의 볼록부(14)와 슬리브 내면은 접촉해 있지 않고, 또 장시간의 사용으로서 볼록부(14)가 부식을 받아서 그 간극이 다시 크게되는 경향에 있으며, 이 간극이 크게되면 슬리브(6)의 축방향 중앙부에 응력집중을 일으키고, 슬리브(6)에 균열이 발생하여 그것이 조기에 진전하여서 결국에는 파단을일으켜 냉각수가 분출되는 사고가 발생한다.

이 경우 물론 연속 주조작업은 할 수 없이 중단된다. 그래서 또 이러한 종류의 슬 리브 롤에서는 사용중에 그 나선형 수냉홈(4)에 부식 생성물이나 물때 등이 퇴적되어서 냉각수가흐르지 못하는 일도 일어나기 쉽고, 이 경우에는 슬리브(6)의 자유단(自由端)과 롤 축(2)과의 사이에 설치한 누수방지용 링(7)에서 냉각수가 분출되거나, 슬리브(6)의 온도가 상승하는 등의 문제를 가져온다.

한편, 슬리드 롤의 경우에서는 그 표면이 고온 슬라브와 접촉하여서 가열되고, 다음의 순간에는 수냉된다는 가혹한 반복의 가열-냉각을 받기 때문에 열균열이 발생하며, 그 균열된 곳에 굽힘 응력이 집중되면 균열이 급속하게 진전하여서 결국에는 롤 파손사고를 일으키고, 역시 연속주조작업이 할수 없이 중단되는 일이 많은 결점이 있었다. 거기서, 보다 내열균열성이 우수한 고급재료를 사용하는 것도 제안되나, 이 경우에는 롤 전체를 고급재료로서 형성하지 않으면 안되고, 채산적으로는 맞지 않는 것으로 된다.

또 롤의 재료특성을 높이기 위해서는 담금질, 템퍼링 처리를 행하지 않으면 안되나, 이 경우에는 롤 전체에 이 열처리를 하는 것이 곤란하여서 충분한 재료 특성을 확보하지 못한다는 것이 현재의 실정이다. 종래 롤은 이상과 같은 주로 구성상의 문제외에도 롤 재료에 대해서도 개선할점이 있다.

즉, 상기한 슬리브롤 또는 슬리드롤에서는 그 슬리브 또는 롤전체에 Cr-Mo계 저합금강(예컨대 1%Cr-0.3%Mo 강) 이 주로 사용되고 있으나, 이것은 보통강에 비교하면 보다 우수한 롤 재질이기는 하나, 이러한 종류의 연속 주조롤에 요구되는 특성 특히, 내열균열성의 관점에 대해서 보면 아직 불충분한 것이다. 이상과 같은 결점 내지 문제점에 비추어, 본 발명은 롤재료와 롤 구조의 양면에서 고온용 롤의 사용수명을 연장할 수 있는 새로운 조립식 롤을 제공하는 것으로서, 슬리브는 다음의 조성을 보유하고 있다.

C : 0.2% 이하(중량 % 이하 같음), Si : 0.1-2.0%, Mn : 0.1-2.0%, Cr : 10-14%, N : 0.02-0.20% 및 C+N : 0.03-0.35%, 나머지는 실질적으로 Fe 라는 성분을 보유하는 고온용 조립식 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명 합금은 슬라브 연속주조롤용 합금으로서 특히 우수한 성질을 발휘하도록 상기와 같이 구성한 것이며, 그 각 성분범위의 한정이유에 대해서는 이하에서 설명한다.

즉, 본발명의 롤은 그 롤구조상, 뒤에서 설명하는 바와 같이 그 부하응력이 오직 롤축에 의해서 충분히 견디어 내도록 연구해서 설계된 것이기 때문에 슬리브에 요구되는 최대의 요인은 반복의 가열·냉각을 받아도 열균열이 쉽게 발생되지 않는 것이다. 또 롤표면은 고온 슬라브와 접촉하여 고온 산화도 받게됨과 아울러 그위에 냉각수에 의한 물의 부식도 겹치며, 이들의 요인도 중요한 요인으로서 합금 조성은 특히, 이러한 점에 의거해서 선정된다.

C는 내열균열성의 관점에서 볼 때는 낮을수록 바람직하나, 통상의 대기용해에서는 0.01%이하로 하는 것은 곤란하다. C가 높게되면 강도나 경도를 증대하고, 부하하중의 지지력이 강화되거나 내마모성이 향상된다는 잇점이 있기는 하나, 인성(靭性)이 저하됨과 아울러 내열균열성이 현저하게 저하되어서 바람직하지 않아 그 상한치를 0.2%로 한다.

Si, Mn 은 모두 탈산(脫酸)원소로서 작용하고, 0.1%정도는 필연적으로 포함되는 것이나, 2.0% 이상 첨가해도 그 효과가 없으며, 특히 Si의 경우에서는 인성 저하를 초래하여 유해하므로, 이들 모두는 0.1-2.0%가 적당한 범위이다.

Cr은 본발명은 슬리브 합금에 있어서 가장 유효한 원소이다. 내열성, 내식성 및 내열균일성 이라는 중요한 3요인을 동시에 만족시키기 위해서는 10% 이상의 Cr를 포함하는 것이 필요하다. 그러나, 14%를 초과하면 인성의 저하가 생겨서 내열균일성이 저하됨과 아울러 발생한 균일의 성장 진전도 용이해져서 바람직하지 않다. N은 상기한 슬리브 합금의 기본성분(C, Si, Mn, Cr)에 소량으로 첨가되어서 한층 그 특성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 즉 0.02% 이상 포함되면 합금의 강도와 인성을 향상시킴과 아울러 연속주조용 롤로서 가장 중요한 내열균일성을 대폭적으로 향상시켜 극히 유효하게 사용되는 것이다.

그러나, 0.20%를 초과하여 첨가하게 되면 슬리브 품질에 대해서 바람직하지 않은 핀홀(Pinhole)과 같은 개스 결함이 발생하기 쉬우며, 또한 인성저하도 현저하게 되므로 반대로 내열균일성도 저하된다. 더구나 N은 그 적당한 범위에서는 C와 유사한 작용을 다하는 원소이며, 따라서 양자는 모두 그 상한치 근방까지 포함될 때에는 내열균일성을 확보와 함께 바람직하지 않은 결과도 발생하기 쉽고, 이러한 점에 의하여 C와 N의 합(C+N)을 0.03-0.35% 범위로 억제할 필요가 있다. 슬비브 합금으로 사용되고 있는 상기한 주요성분 조성을 보유하는 합금은 충분히 우수한 성능을 발휘한다.

이상 기재한 조성의 합금은 다음에 상세히 설명하는 바와 같은 구조의 조립식 롤에 있어서 슬리브 재료로서 사용된다. 이와 같은 합금 조성의 것을 사용하여서 경제적으로 또한 높은 품질의 슬리브를 제조함에는 원심력 주조로서 제조하는 것이 가장 적합하다. 또 이합금재료 슬리브는 그 내열성, 내식성, 내마모성 및 내열균열성을 다시금 충분히 만족할 수 있는 상태로 높이기 위해서 주조후 950-1080℃로 가열하며, 적당한 시간을 보전하면서 수냉, 유냉(油冷), 급냉으로서 담금질하고, 다음에 600-750℃로 재차 가열하여서 템퍼링하는 열처리를 하는 것이 유효하다.

다음에 본 발명 조립식롤의 롤 구조에 대하여 설명한다. 상기와 같은 슬리브 재료로서 우수한 특성을 보유하는 것을 채용하여도 그 롤 구조가 적합하지 않으면 그 재료특성을 충분히 활용할 수가 없다는 것에 주의해야 한다. 그래서 본 발명의 조립식 롤에서는 종래의 슬리브 롤이나 슬리드브 롤과는 달리 제1도 또는 제2도에 표시한 바와 같이 그 롤축(2)과 이것을 바깥쪽에서 둘러싸는 슬리브(6)로 구성되며, 슬리브(6)를 롤 축(2)에 밀착상태로 가열하여 끼워 맞추어서 조립되는 것이다.

즉, 슬리브(6)가 롤 축(2)에 밀착상태로 가열하여 끼워맞추어서 구성되는 롤 구조에는 롤에 걸리는 부하를 슬리브(6)와 롤 축(2)의 양쪽에서 받아 맡을 수가 있으므로, 슬리브 표면에 열균열이 발생하여도 그 진전이 늦어지고, 또 만일 균열이 진전되어서 슬리브(6)가 파손되어도 균열은 그 슬리브(6) 내에 머물러서 롤 축(2)에까지 균열이 연속되는 일은 없다.

균열은 롤 축(2)에까지 미치는 일이 없으므로, 연속 주조작업이 중단되는 일도 없고, 물이 새는 염려도 없는 구조상의 잇점을 얻을 수 있다. 이 경우, 슬리브(6)는 그 사용수명에 따라서 정기적으로 교환하는데 롤 축(2)은 반영구적으로 사용할 수 있으며, 또 슬리브 사용되는 것 같은 고급재료를 필요로 하지 않아서 단순한 구조용 재료로서 보통강 또는 저합금강의 사용으로 충분하게 된다.

그래서 롤축(2)에 냉각수의 통로를 설치할 경우에는 종래의 슬리브 롤과 같은 복잡한 나선형 수냉홈은 물론 불필요하며, 그 중심부에만 냉각수 구멍(12)을 보유하는 것으로하면 좋다. 또한, 제1도에 나타낸 구조는 가열하여 끼워맞춘후 슬리브(6)의 한쪽끝부분을 용접 고정(8)하고, 다른쪽을 자유단부(9)로 한 경우이며, 한편 제2도에 나타낸 구조는 그 양쪽끝부분(16)(16)을 자유단부로 한 경우를 나타내고 있다.

슬리브(6)의 한쪽 끝 또는 양쪽끝의 여러곳에 있어서, 롤축 외면과 슬리브 내면의 양쪽에 걸쳐서 축방향으로 홈을 설치하고, 이 홈에 분할핀(18)을 끼워넣어서 홈의 개구부에 용접하여 분할핀(18)이 빠지는 것을 방지하며, 또는 롤축과 슬리브와의 축방향의 상대 이동은 허용되나 회전방향으로는 일체로 끼워맞추는 수단을 설치하고, 슬리브(6)의 엇갈림을 방지하는 대책을 강구할 필요가 있다. 그런데 슬리브(6)를 롤축(2)에 가열하여 끼워맞추어서 조립식 롤을 제작함에 있어서는 다음과 같은 문제에 대하여 고려해야 할것이다. 즉, 조립식 롤에서는 연속 주조된 고온 슬라브와 접촉하면서 장시간운전에 사용되면, 슬리브(6)만이 가열되어서 축방향으로 신장되는 경향이 있다.

이 때 제1도와 같이 한쪽끝 고정의 경우에서는, 그 한쪽 끝부분은 고정(8)되어 있어, 다른쪽의 자유단부(9)에서 신장되지 않으면 안되나, 통상은 고온의 슬라브는 슬리브의 중앙부에 접촉하고, 끝부분에서는 접촉하지 않기 때문에 슬리브(6)의 자유단부(9)는 거의 가열되지 않는다.

이때문에 슬리브(6)의 자유단부(9)가 견고하게 가열하여 끼워맞추어서 고정되어 있으면 슬리브(6)가 축방향으로 신장되지 못하며, 이 때문에 슬리브(6)의 중앙부의 외경이 확대되는 변형을 가져오는 일이 있다. 이것은 제2도와 같은 양쪽 끝 자유의 경우에서도 역시 그 양쪽 자유단부(16)(16)의 고정이 강하면 동일하게 생기는 현상이다. 또 다음과 같은 문제에 대해서도 고려할 필요가 있다.

즉, 연속주조에 사용되고 있는 상태로서의 슬리브(6)의 온도 분포는 고온 슬라브(20)와의 접촉에 의해서 제3(a)도와 같이 중앙부가 높고 양쪽 끝부분이 낮은 크라운 형의 온도 분포로 되는 것으로 생각된다.

그런데, 슬리브(6)와 롤축(2)과의 가열하여 끼워맞추는 것이 똑같고항상 밀착상태로 보전되면 문제는 없으나, 연속주조작업이 몇 차지(Charge)고 연속되던지 제품 슬라브를 냉각하는 냉각수가 롤에 걸리지 않는 경우 또는 롤축 축심부의 냉각수 구멍(12)의 수량이 불충분할 경우에는 제3(a)도와 같은 크라운형의 온도 분포에 따라서 슬리브 지름이 열팽창에 의하여 확대되고, 슬리브(6)와 롤 축(2)이 떨어져서 그 사이에 간극이 생긴다.

이 경우도 양쪽 끝부분에 있어서는 열팽창에 의한 부풀림이 없고, 가열하여 끼워맞춘 고정력이 작용하여서 슬리브의 이등이 저지된다. 그러면 슬리브 중앙부의 열팽창에 의하여 롤축과의 사이에 간극이 생긴 부분에서는 롤 축(2)에서의 냉각작용이 전달되지 않게하고, 더욱 슬리브의 표면 온도가 상승하여서 문제을 일으킨다. 그람서 이때 슬라브(20)에서 슬리브(6)에 큰 부하를 받으면 무리하게 한쪽 끝쪽의 자유단부(9)(16)(제1도)(제2도)에서 엇감림을 일으키는 경우도 있으며, 연속 주조작업이 종료한 때에 슬리브(6)가 원래의 치수로 수축될 수 없어서 틈새가 벌어지는 일이 발생하는 것으로 된다.

이러한 문제점에 대응하고자 본 발명에서는 슬리브(6)를 지름이 300-500mm인 통상의 롤 축(2)에 가열하여 끼워 맞추는 것에 있어서 다음과 같이 가열하여 끼워 맞추는 여유를 연구할 것을 제안한다. 즉, 제1도와 같은 한쪽끝 고정의 경우에서는 슬리브(6)의 중앙부 및 고정부(8)는 0.2-1.0mm의 가열하여 끼워 맞추는 큰 여유로 하고 강환 체결력으로서 롤 축(2)에 고정 되도록 하며, 한편 그 자유단부(9)의 부근(끝에서 500mm 정도이상)은 0-0.2mm의 가열하여 끼워 맞추는 적은 여유로 하고 약한 체결력으로서 롤 축(2)에 고정되도록 하는 것이다.

또 제2도와 같은 양쪽끝 자유의 경우에서도 역시 같은 취지로서, 그 중앙부는 0.2-1.0mm의 가열하여 끼워 맞추는 큰 여유로 하고, 한편 그 양쪽 자유단부(16)(16)부근 (끝에서 100-500mm 정도의 길이)은 0-2.0mm의 가열하여 끼워 맞추는 여유를 두는 것이다.

이와 같이 하면, 어느 경우도 슬리브(6)의 열 팽창에 의한 신장을 그 자유단부(9)(16)에서 해방할 수 있으며, 동시에 슬리브(6)와 롤 축(2)과의 사이에 간극이 생기는 일 없이 항상 밀착상태가 확보되어서 슬리브(6)의 지름을 확대하는 변형이나 이상(異常) 가열을 잘 방지할 수가 있고, 그 사용수명을 단축시키는 균열의 발생 및 진전이나 마모를 억제할 수 있다.

슬리브(6)를 부분적으로 가열하여 끼워맞추는 다른 여유로서 롤 축(2)에 가열하여 끼워 맞추기 위해서는 미리 롤 축(2)의 외경을 각 부분에 있어서 가열하여 끼워 맞추기 위해서는 미리 롤 축(2)의 외경을 각 부분에 있어서 가열하여 끼워 맞추는 소정의 여유가 얻어지도록 가공해 놓는 것이 필요하며, 가장 이상적으로는 제4도에 표시한 바와 같이 롤 외주면(슬리브를 가열하여 끼워맞추는 면)을 제3도의 사용상태에 있어서의 슬리브 온도 분포에 따라서 크라운 형으로 가공형성하는 것이 제창된다.

그 위에 슬리브(6)의 가열하여 끼워맞추는 조립 구조로서 한쪽끝 고정의 경우와 양쪽끝 자유의 경우를 비교하면, 후자의 경우에서는 전자의 경우보다도 그 자유단부(16)(16)에 있어서의 슬리브(6)의 신축을 절반 이하로 하는 것이 가능한 것으로서, 슬리브(6)의 팽창 변형이나 균열이 발생되는 것을 방지함에는 보다 유효한 것이라고 할 수 있다. 이하 본발명의 실시예에 대해서 설명한다.

[실시예]

(공시료) 각 공시료는 고주파 용해로에서 용해하고 금형원심력이 주조로서 외경 160mm

×28mmt×220mml의 치수의 시험체로 주조하며, 주조후 1030℃에서 기름으로 담금질하고 680℃에서 템퍼링하는 열처리를 하였다. 이어서 외경 150mm

×23mmt×70mml의 링 시험재로 절삭가공하여서 열균열 시험용 재료로 하였다.

(열균열 시험법) 공시료의 외주 표면을 100KC고주파 가열하고 표면 온도가 550℃로 됨과 동시에 가열을 중지하여서 가열면을 수냉한다. 이 가열·수냉을 연속적으로 반복하고 공시료의 표면에 열균열이 발생할 때가지 계속해서 행하였다. 결국, 이 시험법에 의하면 내열균열성이 우수한 재료일수록 균열발생까지 가열·수냉의 반복회수를 많이 필요하는 것으로 된다.

제1표에 각 공시료의 화학조성을 표시하며, 제2표에는 그 열균열시험 결과를 표시한다. 시험 결과에 대해서 설명하면, 공시료 1번은 보통강, 2, 3번은 저합금강이나, 어느것도 열균열의 발생은 빠르다. 4, 5번은 Cr원소만이 본발명합금의 범위내 속하지 않은 것이나, 이합금도 열균열의 발생은 빠르다. 6번은 N을 첨가하지 않은 것이나, 그 내열균열성은 불충분 한 것으로 판단된다.

7번은 반대로 N 이 소정범위를 초과하여 다량으로 포함되며, 더구나 그 C + N 량도 초과되어 있기 때문에 내열균열성의 저하가 인정된다. 또 8번은 각 원소가 어느 것이고 소정 범위내에 있는 것이나, C + N=0.37%이며, 한계치 0.35%를 초과하고 있기 때문에 역시 내열균열성의 저하가 인정된다. 이에 대하여 본발명의 조성범위의 합금에 해당하는 9-13번의 것에서는 어느 것이고 우수한 내열균열성을 가지고 있는 것이 확인된다.

[제1표]

각 공시료의 화학조성(중량 %)

(주) 표중 -로서 표시한 것은, 특히 그 원소를 첨가하지 않았으므로 분석은 하지 않은 것을 표시한다.

[제2표]

열균열 시험결과

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본발명의 조립식 롤은 종전의 슬리브롤이나 솔리드 롤을 그 롤재료와 롤구조의 양면에서 개량한 것으로서, 특히 슬라브 연속 주조용의 핀치롤, 가이드롤등의 용도에 적합하고, 그 가혹한 사용 환경에 있어서 사용수명을 대폭적으로 연장할 수가 있으며, 더우기 경제적인 것을 제공할 수가 있다. 또한 본발명의 조립식롤은 빌릿(Billet), 블루움(Bloom) 연속주조용의 롤에도 동일하게 적용 할수 있는 것은 물론이며, 예컨대 두꺼운 판 반송로울러와 같이 고온 및 큰 부하가 걸리는 용도에도 적용 할 수 있다.

Claims (1)

1. 롤축상에 슬리브를 밀착상태로 가열하여 끼워 맞춘 고온용 롤에 있어서, 슬리브의 합금 화학조성이 중량 %로 C : 0.20이하, Si : 0.1-2.0, Mn : 0.1-2.0, Cr : 10-14, N : 0.02-0.20, 나머지 부분은 실질적으로 Fe로서, 또한 C + N : 0.03-0.35인 것을 특징으로 하는 고온용 조립식 롤.

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