KR930003579B1 - 히이트스트리이크(heat streak)발생의 예측방법 및 온도센서로울 - Google Patents

히이트스트리이크(heat streak)발생의 예측방법 및 온도센서로울 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

히이트스트리이크(heat streak)발생의 예측방법 및 온도센서로울
제 1 도는 본 발명에 의한 파온도연산시스템을 나타내는 블록도.
제 2 도는 온도센서로울의 단면도.
제 3 도는 온도센서로울이 조립된 압연기를 나타내는 개략도.
제 4 도는 본 발명의 효과를 종래법과 비교하여 표시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 온도센서로울 2 : 송신기
3 : 수신기 4 : A/D변환기
5 : 연산기 6 : 압연기
7 : 피압연재 8 : 보상도선
11a, 11b : 열전대 12 : 온도검출블록
TF : 온도센서로울의 표면온도
Tr : 온도센서로울에 접촉하고 있는 피압연재의 판온도
Tv : 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도
Ts : 히이트스트리이크 발생온도
본 발명은 강철스트립(steel strip)등의 금속스트립재를 냉간압연할 때에 히이트스트리이크(heat streak)의 발생을 예측하는 방법 및 그 예측방법에 사용되는 온도센서로울에 관한 것이다. 강철스트립 등의 금속스트립재를 냉간압연할 때, 작업로울의 표면과 피압연재와의 사이에 눌어붙음(少付) 이 발생하여서, 소위 히이트스트리이크라 불리는 표면손상이 피압연재의 표면에 발생하는 것이 있다.
또, 이 눌어붙음에 의하여 작업로울의 표면도 손상되고, 그 작업로울의 손상된 표면모양이 후속하는 피압연재의 표면에 전사되기도 한다.
이 하이트스트리이크의 발생은, 주로 유막( oil film)의 파단에 의해 생기는 늘어붙음에 기인한다.
예를들어 강압하율(强壓下率) 혹은 고속도러 냉간압연을 행할 때, 압연유의 윤활성이 나쁘거나, 냉각제의 냉각효과가 작거나 하면 마찰열, 소성변형에 기인한 발열, 윤활유의 부족에 기인한 발열 등에 의해 피압연재의 판(板)온도가 상승한다.
그 결과, 로울바이트(roll bite)내의 유막압력이나 유막온도의 상승을 초래하여 유막파단이 발생해서, 작업로울과 피압연재와의 사이에 늘어붙음을 발생시키게 된다.
하이트스트리이크의 발생은, 압연제품의 표면품질의 악화, 수율의 저하, 압연능률의 저하 등 많은 악영향을 미친다. 그래서, 하이트스트리이크의 발생을 억제하기 위해서, 압연중인 로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도를 성정치 이하로 관리할 필용가 있다.
그러나, 하이트스트리이크를 미연에 방지하기 위한 적절한 판온도센서는 지금까지 제안되어 있지 않아서, 경험적인 예측으로부터 안전영역내에서 압하율, 압연속도 등의 아연조건을 설정하여서, 압연을 행하고 있는 것이 현상황이다.
그 때문에 압연설비의 능력을 최대한으로 활용하는 압연조업이 불가능하여 생산능률을 저하시키는 한가지 원인으로 되고 있었다. 또, 일부에서는, 압연기 출구측에 배치한 적외선 방사온도계에 의해서, 피압연재의 판온도를 직접 측정하는 방법이 시도되고 있다(일본 특개소 62-199209호 공보 참조).
이 방법에 있어서는, 적외선을 측정파장영역으로 하는 방사온도계를 원통형 용기내에 수용하고, 그 개구측에 차광판과 기체공급구(air supply nozzle)를 설치하여서, 그 기체공급구를 통해 피압연재의 표면에 압축공기를 분사하여 피압연재의 표면위로부터 압연유의 증기층유막을 불어날려 버리는 것에 의하여 판온도를 비접촉상태로 측정하고 있다.
그러나, 적외선방사 온도계로 측정하는 분위기는, 일반적으로는 압연유의 증기 등으로 오염되어 있으며, 또 피압연재의 표면이 압연유막으로 피복되어 있어서, 판표면의 방사율이 상황에 따라 변동한다.
더욱이, 이 방사율은, 피압연재의 강종(鋼種)이나 산세척도(degree of acid pickling)에 따라서도 변동하여서, 측정정도(精度)에 대한 외란(外亂)요인으로 되어 있다. 그 때문에, 일정조건하에서 방사율을 설정하는 것은 불가능하고, 또, 실제의 판온도에 대응한 방사율의 변동패턴을 구하는 것도 곤란하다.
그 결과, 고정도(高精度) 판온도측정치를 기대할 수가 없어서, 하이트스트리이크 발생을 신뢰성 높게 예측할 수가 없다. 따라서, 본 발명은, 피압연재에 접촉하는 온도센서로울에 다른 표면깊이로 매리되어 있는 복수의 열전대를 사용하여 피압연재의 판온도를 측정하는 것에 의해서, 압연로율바이트 직하에 있는 피아연재의 판온도를, 외란 등의 영향을 받지 않고 안정한 레벨로 구하는 것을 가능하게 하여 하이트스트리이크 발생의 예측정도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하이트스트리이크 발생예측방법은, 그 목적은 달성하기 위해서, 서로 접근한 복수의 열전대를 각각 다른 표면깊이로 매립한 온도검출블록을 온도센서로울에 장착시키고, 피압연재에 접촉하도록 전기한 온도센서로울을 배치해서, 전기한 열전대에 의해 측정된 온도정보에 기초하여 압연로울바이트 직하의 판온도를 연산함과 아울러, 측정시의 압하율 및 압연속도로부터 미리 구해진 하이트스트리이크 발생온도와 전기한 판온도의 연산치를 비교하는 것을 특징으로 한다. 또 이 방법에서 사용되는 온도센서로울은, 복수의 열전대를 각각 다른 표면깊이에서 서로 접근시켜서 매립한 온도검출블록을 장착하고 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 온도검출블록에 매립되는 복수의 열전대는, 온도센서로울의 축방향 및 길이방향에 대해 가능한한 접근한 상태로 배치시키는 것이 바람직하며, 온도검출블록은, 축방향 또는 원주방향을 따라서 온도센서로울의 둘레면에 복수개 장착시킬 수가 있다.
본 발명자들은, 피압연재의 판온도를 정도좋게 측정하는 방법에 대하여 검토하였다. 그렇게 해서, 표면깊이를 다르게 하고, 축방향 및 원주방향으로 가능한 한 접근시킨 복수의 열전대를 매립한 온도검출블록을 온도센서로울에 장착시켜서 이 온도센서로울에 의해 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도를 연산하는 시스템을 개발하였다.
다른 표면깊이로 매립된 열전대에 의해 얻어지는 온도정보는, 온도센서로울 표면의 열전달 및 피압연재로부터 온도센서로울의 열전도 및 온도센서로울 내부에 있어서의 열전도의 영향을 포함하고 있는 것이다. 그래서, 측정된 내부의 온도정보를 기초해서 역으로 온도기울기 및 그 시간변화로부터 판온도를 연산할 수가 있다.
이와 같이 해서 구해진 판온도는, 적외선방사온도계에 의한 측정과는 달리 외란요인의 영향을 잘 받지 않아서, 높은 신뢰성을 갖는 값으로 된다. 그리고, 본 발명의 판온도측정 원리는, 온도검출블록의 표면으로 부터 깊이방향으로 다른 위치에서 측정한 2점의 온도로부터 온도검출블록의 표면온도, 열유속(熱流束)을 산출하는 것이다. 2점의 온도로부터 온도검출블록의 표면온도, 열유속을 산출하는 방법으로서는, 온도검출블록 내의 열흐름을 온도검출블록의 표면으로부터 수직방향 내부로의 1차원의 비정상적인 열흐름으로 가정하는 것에 의해 1차원 비정상열전도의 역(逆)문제로서 해석하여서, 온도검출블록의 표면온도, 열유속을 후술하는 식(1)(2)으로부터 구하고 있다.
따라서, 열전대의 위치를 온도검출블록 표면으로부터 깊이방향으로 다르게 한 것은, 본 발명의 온도측정 원리상 필수조건이다. 또한 인접하는 열전대 사이의 거리를 작게하는 것에 의해서, 온도센서로울의 축방향으로 흐르는 열유속의 영향이 배제되어 로울표면으로부터 수직방향 내부로 향한 열유속이 고정도(高精度)로 파악할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같이, 온도검출블록내의 2점의 온도로부터 온도검출블록의 표면온도, 열유속을 산출하는 방법으로서, 1차원 비정상열전도의 역문제로서 해석한 식을 적용하고 있으므로, 온도검출블록내의 로울축방향의 열유속의 영향을 극력 배제해서, 온도거출블록 표면으로부터 수직방향내부로 향하는 열유속을 고정도로 검출할 필요가 있다. 따라서, 열전대는 서로 가능한 한 접근시킬 필요가 있다.
한편, 하이트스트리이크는, 피압연재의 온도가 압하율, 아연속도 등과 높은 상관관계를 보유하는 하이트스트리이크 발생온도를 초과할 때에 발생한다.
이 하이트스트리이크 발생온도는, 압하율, 압연속도 등의 함수로서 실험적으로 구할 수 있다. 그래서 온도센서로울로부터 얻어진 판온도의 연산치를 하이트스트리이크 발생온도와 비교하는 것에 의하여, 하이트스트리이크의 발생을 고정도로 예측할 수가 있다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 있어서, 판온도 연산시스템은, 제 1 도에 도시하는 바와 같이, 온도센서로울(1), 송신기(2), 수신기(3), A/D변환기(4) 및 연산기(5)를 구비하고 있다.
온도센서로울(1) 내부의 온도정보는, FM파로 변환되어서 송신기(2)로부터 수신기(3)로 전송된 후, A/D 변환기(4)에 의해 디지탈정보로 변환되어 연산기(5)로 입력된다.
연산기(5)에서는, 입력된 정보에 기초하여 아연기(6)(제 3 도 참조) 작업로울바이트 직하에 있는 피압연재(7)의 온도(Ts)가 연산된다. 판온도(Tv)는, 미리 연산기(5)에 입력되어 있는 측정시의 압하율, 압연속도 등으로부터 예상되는 하이트스트리이크 발생온도(Ts)와 비교된다.
판온도(Tv)가 하이트스트리이크의 발생오도(Ts)보다 높은 경우, 하이트스트리이크의 발생이 예측되는 것으로 하여서, 연산기(5)로부터 경고 등의 점밀이나 경보음 등과 같은 적절한 경고신호를 외부로 출력한다. 혹은 판온도(Tv)의 상승속도가 급격하여 하이트스트리이크의 발생온도(Ts)를 넘을 것같은 경우에도, 하이트스트리이크의 발생이 예측되는 것으로 하여서, 연산기(5)로부터 동일한 경고신호를 외부로 출력한다.
온도센서로울(1)은, 제 2 도에 도시하는 바와 같이, 보수의 열전대(11a)(11b)를 매립한 온도검출블록(12)을 장착하고 있다. 열전대(11a)의 검출단자는, 다른쪽 열전대(11b)의 검출단자보다도, 온도센서로울(1)의 둘레면으로부터 얕은 위치에 배치되어 있다. 또, 이들 열전대(11a)(11b)는, 온도센서로울(1)의 축방향 및 원주방향에 관해 가능한 한 서로 접근한 위치에 설치되어 있다. 이들 열전대(11a)(11b)를 구비한 온도검출블록(12)은 온도센서로울(1)의 축방향을 따라서 복수개 배치하는 것도 가능하다. 이와 같은 복수배치에 의해서, 압연로울라이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도에 관해서 판의 폭방향의 온도분포를 연산할 수 있다. 또, 상기한 온도검출블록(12)은 온도센서로울(1)의 원주방향을 따라서 복수개 배치하여도 좋다.
상기한 복수의 온도검출불록(12)의 원주방향배치에 의하여, 온도센서로울(1)이 1회전할 때에, 다수의 측정점에서 피압연재(7)의 판온도를 측정하는 것이 가능하게 된다. 열전대(11a)(11b)에 의해 검출된 온도정보는, 보상도선(補償導線)(8)을 통해서, 온도센서로울(1)의 측면에 부착되어 있는 송신기(2)로 입력된다.
이어서, 온도센서로울(1) 내부의 온도정보에 기초하여 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도(Tv)를 연산하는 순서를 설명한다.
온도센서로울(1) 표면으로부터의 깊이가 x1, x2, (x1＜x2)인 2점에서의 온도를 각각 T1,T2라 하고, 이들 2점과 그 직선상에 있는 온도검출블록(12) 표면상의 점에 관한 열전도를 생각한다. 온도센서로울(1)의 표면온도(Tf) 및 온도센서로울(1) 표면의 열유속(q)은, 각각 다음의 식(1)(2)으로 표시된다.
Tf=AT1+BT2+CT'1+CT'2…………………………………………… (1)
q=ET1+FT2+GT'1+HT2………………………………………………(2)
여기서, T'1및 T'2는 각각 온도 T1, T2의 시간 t에 관한 1차도함수 dt1/dt,dt2/dt이고, A -H는 표면깊이 x1,x2및 온도검출블록(12)의 재질에 따라 정해지는 정수이다. 온도센서로울과 접촉하고 있을 때의 피압연재(7)의 온도(Tr)는, 피압연재(7)와 온도센서로울(1) 사이의 열전달율을 a1이라 할 때, 식(3)으로 표시된다.
Tr=TF+q/a1……………………………………………………………(3)
그리고, 압연로울라이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도(Tv)는, 냉각제 또는 외기의 온도를 TC, 피압연재(7)의 판두께를 h, 피압연재(7)의 밀도를 Ps, 피압연재(7)의 비열을 Cs, 피압연재(7)가 압연로울바이트 직하의 위치로부터 온도센서로울(1)에 도달하기까지의 시간을 t라고 할 때, 다음의 식(4)(5)으로 표시된다.
Tv=(Tr-Tc)×exp(K)÷Tc …………………………………………(4)
K=2×a2×t/(s×Cs×h) …………………………………………………(5)
따라서, 식(1)-(5)에 기초하여 온도센서로울(1) 내부의 2점에서의 온도 T1,T2로부터 압연기(6)의 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도(Tv)를 연산할 수가 있다. 또, 하나의 온도검출블록(12)내에 3개 이상의 열전대를 매립하여도 좋다.
이 경우에는, 온도검출블록(12) 내부의 측정점이 3점 이상으로 되므로, 임의의 2점의 온도에 대해 전술한 순서로 압연로울바이트 직하의 판온도(Tv)를 연산하고, 이 연산을 보수회 행한다. 그리고, 이들 연산결과의 평균치를 피압연재(7)의 판온도(Tv)로서 채택하여서, 연산의 정도(精度)를 높일 수 있다.
즉, 본 발명에서는 압연기(6)의 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도(Tv)를 상기한 식을 사용하는 연산에 의해 지속적으로 구하여서, 측정시의 압하율, 압연속도 등으로부터 예상되는 하이트스트리이크 발생온도(Ts)와 비교한다. 이것에 의해서, 하이트스트리이크의 발생이 예측되며, 그 예측에 기초하여 즉시 압연속도를 감속하거나, 냉각제의 냉각을 강화하는 등의 히이트스트리이크 발생방지대책을 채택할 수가 있다. 그 결과, 압연기(6)의 능력을 최대한으로 발휘시킨 조업이 가능하게 되어서, 생산효율이 향상된다.
또, 제 2 도에 도시한 구조를 보유하는 온도센서로울은, 압연시의 판온도를 연산하는 이외에 여러가지 기술분야에도 사용가능하다. 예를들어 열처리로 내의 반송라인을 따라서 복수의 온도센서로울을 배치하여 두면, 열처리로 내의 재료온도를 정확하게 관리할 수가 있다.
[실시예]
제 3 도에 도시한 4단 압연기(6)에 본 발명을 적용한 실시예를 설명한다.
온도센서로울(1)의 표면으로부터 각각 0.3mm 및 0.8mm의 표면깊이로 열전대(11a)(11b)를 온도검출블록(12)에 배립하였다. 이 온도검출블록(12)을 구비한 온도센서로울(1)을 압연기(6)의 하류측에 배치하고, 피압연재(7)로서 오오스테나이트계 스텐인레스강을 압하율 30% 및 압연속도 60m/분으로 압연하였다. 이 조건하에서 하이트스트리이크의 발생온도(Ts)는 약 170℃인 것이 실혐적으로 얻어졌다. 그리고, 온도센서로울(1)에 접촉하고 있는 피압연재(7)의 판온도(Tr) 및 압연로울바이트 직하에 있는 판온도(7)의 판온도(Tv)의 변화를 본 발명에 의한 방법으로 측정하였다. 그 결과를, 제 4 도에 표시한다.
비교를 위하여, 적외선방사온도계를 사용하여 측정된 피압연재(7)의 판온도(Tr)(Tv)도 제 4 도에 표시한다. 제 4 도로부터 명확하듯이, 적외선방사온도계를 사용하여 얻어진 판온도(Tr)(Tv)는, 약 ±30℃의 분산 범위내에서 불안정하게 변동하고 있었다.
이것은, 적외선방사온도계에 의한 측정치가 압연분위기의 변화 등에 기인한 외란요인의 영향을 받아서 발생하는 것으로 생각된다. 이와 같이 불안정하게 변동하는 판온도(Tv)로부터 하이트스트리이크의 발생을 예측하는 것은 곤란하며, 또한 예측하였다고 해도 정도가 낮아서 신뢰성이 부족한 것이다.
이것에 대해, 본 발명에 의해 측정된 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도(Tv)는, 약 160℃의 레벨로 안전한 것이었다. 따라서, 이 판온도(Tv)를 실험적으로 미리 확인하였던 하이트스트리이크 발생온도(Ts=170)와 비교하는 것에 의하여, 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재(7)의 판온도(Tv)가 확실하게 하이트스트리이크 발생온도(Ts) 이하라는 정확한 정보를 얻을 수가 있었다.
그 결과, 현재의 압연조건을 유지한 채로 압연을 계속하여도, 하이트스트리이크의 발생이 없어 표면성상이 우수한 냉간압연의 스테인레스강 스트리을 제조할 수가 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 다른 표면깊이로 온도검출블록에 매립한 복수의 열전대를 사용하여 온도센서로울에 접촉하는 피압연재의 판온도를 측정하고, 이 판온도로부터 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도를 산출하는 것에 의해서, 적외선방사온도계를 사용하는 경우에 비교하여 외란요인 등에 의한 영향을 받지 않고, 안정한 레벨로 판온도가 구해진다.
이 판온도를 하이트스트리이크 발생온도와 비교하는 것에 의해서, 하이트스트리이크의 발생을 정확하게 예측하는 것이 가능하게 되어 효율좋은 조업이 행해진다.

Claims (4)

  1. 서로 접근한 상태로 복수의 열전대(11a)(11b)를 각각 다른 표면깊이로 매립란 1개 이상의 온도검출블록(12)을 온도센서로울(1)에 장착시키고, 압연기(6)의 하류측에서 피압연재(7)에 접속하는 위치에 전기한 온도센서로울을 배치하고, 전기한 열전대에 의해 전기한 온도센서로울 내부의 온도를 검출하고, 열전대에 의해 검출된 온도정보를 전자파로서 송수신하고, 측정된 온도정보에 기초하여 압연로울바이트 직하에 있는 피압연재의 판온도(Tv)를 연산함과 아울러, 측정시의 압하율 및 압연속도로부터 미리 구해진 하이트스트리이크 발생온도(Ts)와 전기한 판온도의 연산치를 비교하는 것으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 하이트스트리이크 발생의 예측방법.
  2. 로울과, 전기한 로울상에 장착시킨 온도검출블록(12)과, 로울온도를 검출하기 위해 전기한 온도검출블록의 표면으로부터 각각 다른 깊이로 서로 접근하여 매립된 복수의 열전대(11a)(11b)와, 검출된 온도에 따라서 전기한 로울의 내부온도를 정하는 수단으로 전자파를 송신하기 위해 로울상에 장착된 송신기(2)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 온도센서로울.
  3. 제 2 항에 있어서, 복수의 열전대(11a)(11b)가 온도센서로울의 축방향을 따라서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도센서로울.
  4. 제 2 항에 있어서, 복수의 열전대(11a)(11b)가 온도센서로울의 원주방향을 따라서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도센서로울.
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