KR900001092B1 - 금속스트립의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

금속스트립의 냉각장치

제1a도는 종래의 장치에서 일련의 이격된 냉각 로울을 통과하는 금속스트립을 도시한 도시도.

제1b도는 종래의 냉각로울의 부분 종단면도.

제2도는 금속스트립의 뒤틀린 형상을 발생시키는데 영향을 미치는 금속스트립의 평균온도 T 와 이 금속스트립으로부터 측정된 폭방향온도차 △T 의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 금속스트립의 폭방향을 따라 측정되는 최대 온도강하 TH 와 최소 온도강하 TL 사이의 관계를 도시한 제3도와 유사한 그래프.

제4도는 바람직하지 못한 금속 스트립의 뒤틀린 형상을 발생시키지 않는 냉각되기전의 금속 스트립온도 T_s1에 따른 금속 스트립의 허용 온도 강하 T_sm의 관계를 도시한 그래프.

제5도는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 계통도.

제6도는 상기 실시예에서, 냉각로울의 배열을 도시한 도식도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 냉각로울 2 : 금속스트립

5 : 나선형 통로 6 : 회전커플링 조인트

8, 11, 13 : 공급관 9 : 배출관

10 : 저장탱크 12 : 펌프

14 : 열교환기 16 : 유량조절밸브

17 : 금속스트립 온도검출기 18 : 냉각제 온도검출기

19 : 제어장치 20 : 냉각제 공급관

21 : 냉각제 배출관 T : 금속스트립의 평균온도

△T : 금속스트립의 폭방향 온도차 T_s1: 냉각되기전의 금속 스트립온도

T_w1: 냉각제 온도 T_sm: 금속스트립의 허용 온도강하 범위

본 발명은 금속스트립의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 연속 어닐링(풀림) 처리과정 또는 아연도금 처리과정등을 통과하는 금속스트립을 냉각시키는 금속스트립의 냉각장치에 관한 것이다.

제1a도는 연속되는 어닐링 노(furnace)등에서 금속스트립을 연속 냉각처리하는 종래의 냉각장치를 도식적으로 도시한것으로써, 금속스트립(2)은 이격된 여러개의 냉각로울(1)을 돌아 진행하면서 이 냉각로울과 접촉함에 의해 냉각되게 된다. 이와 같은 냉각로울(1)으로는 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 베어링(3)에 회전가능하게 지지되며, 이 냉각로울의 셀(4) 내주면에서는 나선형 통로(5)가 형성되고 그리고 외주면은 금속스트립과 접촉된다. 한쌍의 회전커플링 조인트(6)는 회전샤프트(7)를 경유하여 상기의 나선형통로(5)와 연결되며, 이 연결된 통로를 통해 냉각수가 나선형통로(5)로 들어가 셀(4)을 냉각시켜 주게 된다. 이때 냉각로울의 갯수는 요구되어지는 금속스트립의 냉각정도에 따라 달라진다. 이와 같은 종래의 냉각장치에서는 금속스트립의 일반적인 형상이 균일하지 못하거나 뒤틀려지는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 좀더 상세히 설명한다면, 금속스트립의 폭방향 온도분포가 때때로 고르지 못함으로써 발생되는 폭방향을 따른 불균일한 열응력 때문에 이와 같이 금속스트립이 뒤틀리는 형상을 가지게 되는 것으로 알려져 있다. 상기와 같은 불균일한 폭방향 온도 분포는 금속스트립이 고르게 당겨지지 못함으로 인해 냉각로울과 고르게 접촉되지 못하기 때문에 발생되며, 냉각로울을 통과하는 금속스트립의 냉각 속도가 증가함에 따라 폭 방향의 온도분포는 더욱더 불균일하게 된다. 따라서, 냉각로울을 통과하는 금속스트립의 냉각율을 금속트립의 뒤틀리는 형상이 발생되지 않는 냉각율로 제한한다면 금속스트랩이 뒤틀려지는 현상을 방지할수도 있으나, 상기의 냉각로울을 냉각시키는 냉각제로 종래의 냉각수를 사용해야 함으로, 이와 같이 냉각율을 제한하면 더욱 곤란한 문제점이 발생되는데 이러한 문제점은 다음과 같다.

금속스트립의 냉각효과를 조절하는 정상적인 방법으로, 냉각로울을 통과하는 냉각수의 양을 변화시키거나 또는 상기 냉각수의 온도를 변화시키는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 다음과 같은 문제점, 즉, 금속스트립의 온도가 높을 때 상기 냉각수의 양이 감소될 경우에는 냉각수가 증기화될 수 있음으로써 금속스트립의 폭방향에서의 냉각이 불균해질수도 있고, 한편 냉각수 온도가 높을 경우에는 상기 냉각수가 비등(boiling)하거나 증기화함으로써 금속스트립의 폭방향에서의 냉각이 균일하게 이루어질 수 없다. 더욱이, 이와 같은 방법으로는 제어할 수 있는 냉각율의 범위도 상당히 제약을 받으며 다시 말해, 냉각수가 비등하거나 증기화할 가능성을 고려해볼때 상기의 냉각수의 양을 줄일수 없을 뿐 아니라 냉각수 온도도 20 내지 90℃사이에서 변화시켜야 함으로써 약 800℃정도의 금속스트립의 경우에는 약 10%정도의 제어범위 그리고 약 400℃ 정도의 금속 스트립의 경우에는 약 20%정도의 제어범위만을 가질수 있다. 따라서, 전술한 바와 같은 종래의 금속스트립의 냉각장치는 주로 냉각로울의 위치를 변화시켜줌으로써 접촉각 및 그에 따른 금속스트립과 냉각로울의 셀 사이의 접촉면적이 조정될 수 있도록 되어있으나, 이와 같이 요구되어지는 냉각능력을 가지도록 냉각로울의 위치가 변화되면, 그때마다 금속스트립의 재료 및 두께와 스트립 냉각처리 과정의 작업속도로 변화시켜야 하기 때문에 인접된 냉각로울 사이의 평행성에 상당한 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 진행중인 금속스트립이 정상궤도를 벗어나거나 지그재그로 진행될 수 있을뿐만 아니라, 상기의 금속스트립과 냉각로울이 불균일하게 접촉된다.

따라서, 종래의 냉각장치에서 나타나는 상기의 결점 및 문제점을 해결하기 위하여 상기 금속스트립과 냉각로울사이의 접촉각을 변화시킬 필요없이 금속스트립에 불균일성 및 뒤틀림이 발생되지 않게 할 수 있는 금속 스트립 냉각장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명에 따라서 냉각제가 통과하는 서로 이격된 여러개의 냉각로울의 외주면에 금속스트립을 부분적으로 접촉시켜 진행시키는 형태의 금속스트립 냉각장치에 있어서, 각각의 상기 냉각로울들과 접촉하기 전에 금속 스트립의 온도를 검출해주는 금속 스트립 온도 검출수단과 그리고 검출된 금속 스트립의 온도에 따라서 각각의 냉각로울을 통과하는 냉각제의 온도를 금속스트립에 바람직하지 못한 불균일한 또는 뒤틀린 형상이 발생되지 않도록 금속스트립의 온도 강하를 제한된 범위로 조절하는 냉각제 온도조절수단이 구비되어 있고, 각각의 상기 냉각로울에는 검출된 냉각로울의 각각의 온도에 따라서 적합한 비등점을 갖는 냉각제가 사용되는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치를 제공한다.

제2도는 금속스트립의 평균온도 T와 상기 금속스트립의 폭방향의 온도차가 금속스트립의 뒤틀린 형상을 발생시키는데 미치는 영향에 관해 실시된 일련의 실험결과를 도시한 그래프이다.

제2도에 있어서, 부호○는 바람직한 형상의 금속스트립을 부호△는 꽤 양호한 형상을 부호×는 바람직하지 못한 형상을 각각 표시하고 있다. 여기서 꽤 양호한 형상의 경우는 어떤 범위의 굽어짐 또는 휨을 갖는 형상의 금속스트립을 의미하고, 바람직하지 못한 형상의 경우는 눈에 띄는 웨이빙(waving) 스트레칭(stretching), 또는 구김살을 갖는 형상의 금속스트립을 의미한다. 이러한 일련의 실험은 냉각로울군으로부터 0.5 내지 3.0kg/㎟의 인장력으로 당겨지는 두께가 0.5 내지 1.2mm이고 폭이 800 내지 1,200mm 인 여러개의 강철 스트립에 대해 실시된 것이다. 이때, 금속스트립의 평균온도 T 와 폭 방향의 온도차 △T 는 냉각공정을 통과한 후에 측정한 값이며, 상술한 불균일성은 눈으로 판별한 것이다.

상기의 실험결과로부터, 상기 금속 스트립의 형상이 뒤틀려지는 현상은 상기의 금속스트립의 두께, 넓이, 및 인장력에는 크게 영향을 받지 않고, 제2도에 도시된 바와 같이, 상기 금속스트립의 평균온도 T와 폭방향의 온도차 △T 에 따라 조절될 수 있음을 발견했다.

전술한 냉각공정외에, 로울군을 사용하여 약 400℃에 달하는 금속스트립에 대해 일련의 열처리 실험을 실시하였더니, 그 결과 바람직하지 못한 뒤틀린형상의 발생은 전술한 냉각공정과 일반적으로 유사한 것으로 알려졌다.

또한, 제2도에 있어서, 금속스트립의 온도 T 가 높아짐에 따라 좀더 작은 온도차 △T 에서도 뒤틀린 형상이 발생하게 되며, 이와 같은 금속스트립의 뒤틀린형상은 상기 금속스트립의 폭방향 온도가 고르지 못함으로 인해 발생되는 열응력이 상기 금속스트립의 항복점을 초과함에 따라서 소성 변형이 발생되기 때문에 생기며 금속스트립의 온도가 증가함에 따라 열응력도 증가하기 때문에 금속스트립의 온도 T 가 높은 경우에는 좀더 적은 온도차에서도 뒤틀린 형상의 금속스트립이 발생하게 된다.

따라서, 제2도에서 나타나는 실험결과를 고려하여서 금속스트립의 뒤틀린형상이 발생될 범위를 대략 다음과 같은식, 즉, △T＞90-1/10T 로 나타낼 수 있음을 알았다. 즉, 평균온도 T에 따라 결정되는 △T 의 특정한 한계치보다 실제로 측정한 △T가 적을경우에는 뒤틀린 형상이 좀더 적게 발생되나, 그와는 반대로 △T의 특정한 한계치를 초과할 경우에는 뒤틀린 형상이 더 많이 발생한다. 따라서, 본 출원인은 금속스트립의 폭방향 온도를 적절히 제어 하기 위해서는 다음의 식, 즉,

△T

90-1/10T (1)

에 따른 △T의 온도로 조절하는 것이 바람직하다.

제3도는 본출원인에 의해 실시된 또다른 일련의 실험에 의해 상기 금속스트립이 폭방향을 따라 측정된 최대온도강하 TH 와 최소온도강하 TL 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 이때, 상기 그래프로부터 상기의 두 온도강하사이에는 다음과 같은 식, 즉,

TH

TL

1/5TH (2)

의 관계가 있음을 알 수 있다. 특히, 이 그래프는 냉각로울과 금속스트립이 서로 불균일하게 접촉함으로 인해 상기 금속스트립의 폭방향으로의 열전달율에 있어서, 1 : 5로 차이가 생길 수 있음을 보여준다.

이러한 실험으로부터 얻은 결과로부터, 본 출원인은 상기 금속스트립의 형상이 뒤틀리는 것을 방지하기 위해서는 냉각로울을 통과하는 상기 금속스트립의 온도강하 허용범위가 제4도의 그래프와 같이 되어야 한다는 것을 발견했으며, 제4도에 있어서, 냉각되기전의 금속스트립온도 T_s1는 횡축으로, 금속스트립의 허용온도 강하범위 T_sm는 충축으로 각각 표시되어 있다. 제4도로부터, 뒤틀린형상이 발생되지 않는 금속스트립의 허용온도 강하 범위는 다음과 같은 식, 즉,

T_sm=115-1/8T_B1(3)

으로 표시될 수 있다. 한편, 냉각되기전이 금속스트립 온도 T_s1(즉, 냉각로울과 접촉되기전의 온도)와 상기 냉각로울과 접촉한 후의 금속스트립온도 T_s2사이의 온도차△T_s는 다음과 같은식, 즉,

으로 표시될 수 있는데, 이때 K 는 금속스트립과 냉각로울내의 냉각제 사이의 총열전달 계수 (Kcal/㎡h℃)이고, A 는 금속스트립과 냉각 로울사이의 접촉면적(㎡)이고, G 는 처리되어지는 금속스트립의 시간당 무게(kg/Hr )이고, C 는 금속스트립의 비열(Kcal/kg℃)이고,_s는 냉각로울과 접촉하는 부분에서의 금속스트립의 평균온도(℃이고, 그리고_w는 냉각제의 평균온도(℃)이다. 따라서, 금속스트립을 냉각공정중에 뒤틀리지 않고 적절히 냉각되도록 하기 위해서는 상기의 온도차 △T_s의 값이 식(3)의 금속스트립의 허용온도 강하범위 T_sm가 다음식과 같은 관계를 만족하여야 한다.

이때, 식(5)에서의 평균온도_s는 대수평균온도로 대치될 수 있으므로, 식(5)는 냉각되기전의(냉각로울과 접촉하기 전의)금속스트립 온도 T_s1에 의해 다음의 식, 즉,

으로 표현될 수 있다. 여기서, T_sm=115-1/8·T_s1이다. 더욱이 금속스트립의 폭방향에서의 냉각이 균일하게 되도록 냉각로울의 내부통로를 통과하는 냉각제는 가능한 상기 금속스트립의 폭방향을 따라 온도 변화가 적은 것이 바람직하다. 따라서, 냉각공정시 냉각로울의 내부통로를 통과하는 냉각제의 온도상승이 가능한 적게 일어나도록 비교적 다량의 냉각제가 흐르도록 해주는 것이 바람직하다. 이런 관점에서 볼 때, 냉각공정시 상기 냉각제의 평균온도_W는 냉각로울에 들어갈때의 냉각제 온도 T_w1와 거의 같게 될 수도 있다. 따라서, 상기의 식(6)은 다음의 식, 즉,

으로 바꿔질 수 있다. 여기서, T_sm=115-1/8·T_s1이다. 예를 들어 고려할 때 약 5,500kg/Hr 의 처리량 G를 갖는 연강스트립용 어닐링노(일반적인 크기임)에서, 폭이 1.5m 인 연강스트립이 1,500mm 직경의 냉각로울과 120˚의 장입 접촉간으로 냉각될 경우를 들어본다. 이 경우 총 열전달 계수 K는 일반적으로 700Kcal/㎡h이다. 그리고, 금속스트립의 뒤틀린 형상이 발생되지 않는 금속스트립의 허용 온도 강하범위 T_sm가 냉각되기전의 금속스트립 온도 T_s1과 냉각로울에 장입시의 냉각제온도 T_w1에 대해 다음의 도표 1에 표시되어 있다.

[표 1]

이러한 특별한 예를 고려할 때, 냉각공정시 냉각되기전의 금속스트립 온도 T_s1에따라 냉각로울에 장입되는 냉각제 온도 T_w1를 조절해줌으로써, 금속스트립을 뒤틀리지 않게 균일하게 냉각시켜 줄 수 있다. 상기 도표에 있어서, 냉각제로써 냉각수가 사용될때 이 냉각제의 온도가 100℃이상이 되며, 상기와 같은 냉각공정을 제어 할 수 없게 된다. 그러나, 이러한 제어에 도표 2와 같이 적합한 비등점의 냉각제를 사용한다면 냉각공정의 제어가 가능하게 된다.

[표 2]

본 발명을 상술한 것처럼 실험으로부터 얻어진 이론에 바탕을 둔 것으로, 이하 도면을 참조로 한 본 발명의 양호한 실시예에 의해 보다 상세하게 설명될 것이다.

제5도에 있어서, 회전가능하게 지지되는 냉각로울(1)의 셀둘레에 감겨진 금속스트립(2)은 상기 냉각 로울의 외주면과 접촉함으로써 냉각되게 된다.

상술한 것처럼 냉각로울(1)셀의 내부면에는 나선형 통로(도시안됨)가 형성되어 냉각제가 공급관(8)을 거쳐 나선형 통로로 들어가 상기 금속스트립(2)의 열을 흡수한 후 배출관(9)를 거쳐 배출하게 된다.

상기 배출관(9)은 저장탱크(10)와 연결되며 이 저장탱크(10)는 공급관(11), 펌프(12), 공급관(13), 열교환기(14)를 차례로 거쳐 상기 공급관(8)에 연결된다. 따라서, 저장탱크(10)에 저장된 냉각제는 상기의 펌프(12)의 작동에 의해 냉각로울을 통과하게 된다.

열교환기(14)는 적당하게 냉각된 또는 가열된 유체를 수용하도록 설계된 관(15)을 포함하고, 한편 유동율 조절밸브(16)에 의해 상기 유체가 적당한 유동율로 조절됨으로써 냉각제의 온도가 적절하게 조절된다.

금속스트립 온도검출기(17)는 냉각로울(1)과 접촉하기전 금속스트립(2) 온도를 검출하는 역할을 하고, 냉각제 온도 검출기(18)는 상기 냉각로울(1)로 공급되는 냉각제의 온도를 검출한다. 그후, 온도검출기들로부터 발생되는 출력신호가 제어장치(19)로 입력되어 냉각제의 온도는 검출기로부터의 출력신호에 따라 적절하게 냉각조절밸브(16)를 조절한다. 좀 더 상세히 설명한다면, 냉각제는 냉각공정이 시작되기전에 온도검출기(17)에 의해 검출된 스트립(2)의 온도에 따라 조절됨으로써 상기 냉각제는 허용 온도 강하 범위 T_sm를 유지할 수 있는 온도 T_w1로 고정되어진다. 따라서, 금속스트립의 뒤틀림은 방지되어진다.

또한, 상기의 저장관(10)에는 냉각제 공급관(20)과 냉각제 배출관(21)이 상기의 냉각로울(1)을 통과하는 냉각제가 상기 냉각로울에 공급되는 금속스트립(2)의 온도에 따라 적당한 다른 냉각제로 교체될 수 있게끔 장치 되어 있다. 좀더 상세히 설명한다면 냉각제는 금속스트립(2)의 온도 T_s1에 의해 정해지는 냉각제 온도 T_w1에 따라서, 도 표2에 의해 선택된다.

제6도에 있어서, 일반적인 냉각라인의 배열은 금속스트립을 연속 냉각처리하는 냉각제순환시스템 R, R',R＂ 과 R'''을 각각 갖는 일련의 냉각로울 1, 1', 1＂ 및 1'''을 포함하고 있다. 이러한 냉각 시스템에서, 상기의 금속스트립(2)은 각각의 냉각로울을 접촉하여 통과되면서 냉각되게 된다. 그리고 각각의 냉각로울에 공급되는 냉각제는 냉각로울 상류에 위치하는 각각의 온도검출기 17, 17', 17＂ 와 17'''에 의해 검출된 금속스트립(2)의 온도 T_s1에 따른 각각의 냉각제온도 T_w1(식(7)로부터 얻을 수 있음)로 조절된다. 또한, 상기의 냉각제 종류는 필요한 냉각제 온도 T_w1가 정의된 도표 2에 의해 적절히 선택되며, 좀더 상세히 설명한다면 냉제는 요구되는 온도를 참조하여 각각의 금속스트립(2)의 상류쪽에서 냉각되는 단계에 따라 용융염, 기름, 또는 물로부터 선택된다. 예를들자면, 냉각로울(1)에 의한 제1냉각단계에서는 용융염, 다음단계(냉각로울(1'))에는 기름, 그외에 추가되는 단계(냉각로울 1'', 1''')에서는 물이 선택될 수 있다. 물론, 두단계 이상의 냉각단계들에 동일한 냉각제가 사용될 수도 있는데, 이 경우 상기 냉각제의 순환시스템은 그에 해당하는 냉각로울에 대해 공통되게 설계될 수도 있으나, 상기 각각의 냉각로울의 온도를 개별적으로 조절할 수 있어야 한다.

지금까지 양호한 실시예에 있어서는 냉각제로 용융염, 기름, 및 물을 사용했으나 반드시 냉각제의 종류가 이에 한정되는 것이 아니며 또한 요구되는 냉각제 온도를 얻기 위한 상기 식도 스트립 재료의 종류와 다른 조건등에 따라 적절히 변화될 수 있다.

앞에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 금속스트립과 냉각로울 사이의 접촉각을 변화시켜 주지 않으면서도 금속스트립의 뒤틀린 형상이 발생되지 않는 또는 적어도 상당히 감소하게 해줄 수 있는 우수한 냉각공정을 수행하는 금속스트립 냉각장치가 제공된다.

Claims (6)

1. 냉각제가 통과되는 이격된 여러개의 냉각로울(1, 1')의 외주면에 금속스트립(2)이 부분적으로 접촉되어 진행되는 형태의 금속스트립 냉각장치에 있어서, 상기 각각의 냉각로울(1, 1'등)과 접촉하기 전에 금속스트립(2)의 온도(T_s1)를 검출해주는 금속스트립온도 검출수단(17, 17'등)과 바람직하지 못한 불균일한 또는 비틀려진 형상이 금속스트립에 발생되지 않도록 온도강하(T_sm)를 한정하는 범위로 각각의 냉각로울을 통과하는 냉각제의 온도(T_w1)를 검출된 금속스트립의 온도(T_s1)에 따라 조절하는 냉각제 온도조절수단(16)과 그리고, 상기 각각의 냉각로울에는 각각의 검출된 온도에 따라 적합한 분해점을 갖는 냉각제가 사용되는 것을 특징으로 하는 금속스트립의 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 조절수단은 금속스트립의 온도(T_s)가 전달되는 제어장치(19)에 의해 조절되는 유량 조절밸브(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 각각의 냉각로울에는 냉각로울에는 냉각제의 온도를 검출하는 온도 검출수단(18)이 추가로 구비되어있고, 상기 두 온도 검출수단(17, 18)에서 발생되는 출력신호(T_s와 T_w각각)는 제어장치(19)에 입력되는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치.
4. 제3항에 있어서, 상기의 냉각제 온도는 식(7)에 의해 얻어지는 온도(T_w1)로 유지되도록 온도 검출수단(17)에 의해 검출된 금속스트립온도(T_s1)에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치.
5. 제1항 내지 4항중 어느한 항에 있어서, 각각의 냉각로울에 사용되는 냉각제는 도표 2에 나와있는 바와 같이, 검출된 금속스트립 온도(T_s1)와 허용 온도강하(T_sm)에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치.
6. 제1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 냉각로울(1, 1'등)용 냉각제 순환시스템(R, R'등)은 각각의 냉각로울(1, 1'등)을 펌프(12)와 열교환기(14)가 장치된 공급관(11, 13 및 18)을 통해 연결된 저장탱크(10)에 연결하는 공급관(9)을 구비하며 상기 열교환기에는 요구되는 냉각제 온도(T_w1)로 조절하기 위하여 냉각 또는 가열된 유체용 튜브가 갖추어져 있는 것을 특징으로 하는 금속스트립 냉각장치.

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