KR940007494B1 - 실수율 향상을 위한 열연 조업 방법 - Google Patents

실수율 향상을 위한 열연 조업 방법 Download PDF

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor

Abstract

내용 없음.

Description

실수율 향상을 위한 열연 조업 방법
제 1 도는 열연공정의 개략적인 설명도.
제 2 도는 본 발명을 구현하기 위한 온라인 재질예측 시스템의 블루다이어 그램.
제 3 도는 본 발명을 설명하기 위한 제 2 도의 실행 플로우챠트.
제 4 도는 본 발명에 따라 재질을 예측한 기계적 성질 예측 그래프.
제 5 도는 본 발명에 따른 코일길이 방향에 대한 인장강도의 실측치와 예측치의 비교 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 가열로 11 : 슬라브
12 : 조압연기 13 : 사상압연기
14 : 런 아웃 테이블 15 : 코일
16 : 권취기
20 : DCC(Direct Digital Control Computer) 2 : 가열 및 압연조건 설정부
22 : 냉각조건 설정부 23 : 제품구간 설정부
30 : SCC(Supervisory Control Computer) 31 : 열간압연 모델화부
33 : 상변태 모델화부 35 : 기계적 성질 모델화부
본 발명은 열간압연 공정을 통하여 제조되는 열연 코일의 실수율 향상 기술에 관한 것으로, 특히 열연공정시의 가열조건, 압연조건, 냉각조건등을 기초로 하는 금속학적 모델을 이용하여 열연코일 전장에 걸쳐 기계적 성질을 정확히 예측함으로써 열연코일을 품질보증과 함께 향상시킬 수 있는 열연조업 방법에 관한 것이다.
최근 열연코일의 형상, 재질 및 가격에 대한 수요가의 요구가 엄격해져 제조기술의 개발에 박차가 가해지고 있다. 이러한 수요가의 요구중에서 열연코일의 형상 및 가격에 대해서는 열연설비 및 제어프로그램의 보완을 통하여 충분히 만족시킬 수 있지만 재질에 관한한 아직까지는 수요자의 요구를 만족시킬 수 없는 것이 현실이다.
현재의 품질보증 또는 품질관리 방법을 보면 목표로 하는 제품의 재질을 얻기 위해서, 먼저 품질설계를 하는데 이때 목표로 하는 강의 성분 등의 제강 및 연주조업조건과 열연의 조업조건 즉 스라브의 가열, 추출 온도, 각 패스(pass)의 압하량, 사상압연 츨측온도 및 권취온도 등이 결정되게 된다. 이렇게 결정된 각 조업인자를 실제 제강 및 열연 조업시에 지켜지도록 공정제어를 적절히 하게 된다. 그리고 특히 열연공정에서는 코일내의 재질을 균일하게 하기 위해서 설정된 각 단위공정의 온도를 목표치에서 일정한 범위 즉 ±15℃이내가 되도록 조업을 제어하고 있다. 이렇게 제조된 제품의 품질검사 및 품질보증을 위해서 몇 코일마다 주기적으로 코일의 끝부분을 채취해서 기계시험에 의해서 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하여 품질을 보증하고, 그 생상된 코일들의 재질 대표치로 사용하고 있는 실정이다. 이때 이 부분 즉 생산된 코일 끝부분의 재질시험 결과치의 기계적 성질이 강재의 규격이나 재질 관리범위를 벗어나게 되면 코일 전체를 급의품 또는 목외품이라고 하여 목적 전환시키고 재생산을 하게 된다. 이렇게 되는 경우 수요자의 납기나 생산공정의 관리상 상당한 장애를 일으키게 되고, 열연공정의 실수율을 크게 떨어뜨리게 된다.
이렇게 생산된 코일중 길이 방향으로의 재질이 규격이나 관리 범위를 벗어나는 부위기 극히 일부부만 있는 경우도 상당수 있으나, 코일 내부의 재질을 확인할 수 있는 방법이 없어서 코일 전체를 목급외 처리함으로써 열연공정 전체의 실수율을 상당히 떨어뜨리게 하는 요인이 되어 왔다. 또한 재질의 보증에 있어서도 이렇게 코일의 끝 부위를 기계적 시험에 의해서 합격시킨 제품중에도 내부의 재질이 불안정하여 수요자로부터 불만의 대상이 되기는 하지만, 코일 내부의 재질을 확인할 수 있는 방법이 없었으므로 이를 대처하기 어려웠다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서 열연공정의 작업조건을 이용하여 금속학적인 이론에 근거한 재질예측 제어 모델을 사용해서 재질을 예측할 수 있는 실수율 향상을 위한 열연조업 방법을 제안한다.
본 발명의 특징은 열연설비에 온라인 시스템을 구성하여 코일의 제조와 동시에 제조공정 조건의 실적을 온라인으로 받아서 온라인 재질예측 컴퓨터를 이용하여 코일의 전길이 방향에 대한 재질을 예측할 수 있게 함으로써 코일 전장에 대한 재질 평가 및 재질 보증을 할 수 있게 한다는데 있다.
이하 첨부한 도면에 기초하여 본 발명을 설명한다.
제 1 도는 열연공정의 개념설명도로써, 가열로(10)에서 가열된 슬라브(11)는 조압연기(12)에서 수차에 걸쳐 가역압연된 후 사상압연기(13)에서 연속일방향으로 압연되어 희망하는 두께의 코일(15)이 얻어진다. 이러한 코일(15)은 냉각을 포함하는 런 아웃 테이블(runout table)을 거쳐 권취기(16)에 권취된다. 이때 최종 코일의 재질을 예측하는 방법에는 여러가지가 있다. 대표적으로 고전적이고 경험에 의한 방법은 간단하게 열연제조공정 인자중의 일부분과 최종 제품의 기계적 성질과의 상관관계를 단순하게 회귀분석하여 수식화하여 예측하는 방법이다. 이 방법에 의하면 공정인자로서 소재의 성분, 제품의 두께, 슬라브의 가열, 추출온도, 사상압연 출측온도 및 권취온도등과 기계적 성질과의 회귀식을 만들어 재질예측에 이용하는 것이다. 이 방법은 열연공정의 제어가 각 코일에 대해서 완벽하게 동일한 경우, 즉 압연시 각 pass에서의 압연온도, 압연속도, 압하량 및 압연간 시간등이 동일하고, 냉각시 냉각과정이 동일한 경우에만 적용이 가능하다. 그러나 이러한 방법은 압연의 조업상 사실상 불가능하다. 따라서 단순한 회귀식에 의해서만 재질을 예측하는 데는 사실상 한계가 있고 예측정도도 또한 낮을 수밖에 없다. 따라서 코일 전장의 재질보증등에 사용이 불가능하다. 따라서 본 발명에서는 이러한 미비점을 보완하고 정도가 높을 뿐만 아니라 실제 열연의 가열부터 권취까지의 전 공정에서 일어나는 금속학적 현상을 제대로 예측하여 최종적으로는 제품의 기계적 성질을 정확히 예측할 수 있는 금속학적 모델을 개발 사용하였다. 금속학적 모델은 3개의 보조 모델로 구성되어 있는데, 그것은 열간압연 모델, 상변태 모델 및 기계적 성질 모델이다. 이러한 금속학적 모델을 이용하여 기계적 성질을 예측하기 위한 온라인 재질예측 시스템의 블록다이어 그램을 제 2 도에서 보이고 있다. 상기 재질예측 시스템은 다이렉트 디지탈 콘트롤 컴퓨터 (Direct Digital Contral Computer : 이하 DCC라 약함)(20)와 슈퍼바이저리 콘트롤 컴퓨터(Supervisory Contral Computer : 이하 SCC라 약함)(30)로 구성된다.
상기 DCC(20)는 슬라브의 가열 및 압연조건, 냉각조건, 제품구간을 각각 설정하는 가열 및 압연조건 설정부(21), 냉각조건 설정부(22), 제품 구간 설정부(23)를 포함하며, 열연공정의 조업 데이타를 온 라인 방식으로 주고 받게 된다.
상기 SCC(30)는 상기 가열 및 압연조건 설정부(21)의 데이터에 기초하여 열연을 모델화하는 열간압연 모델화부(31), 상기 열간압연 모델화부(31)에 기초하여 오스테나이트 결정립 크기와 잔류 스트레인을 결정하는 제 1 처리부(32) 상기 냉각조건 설정부(22)와 열간압연 모델화부(31)와 제 1 처리부(32)의 데이터에 기초하여 상변태를 모델화하는 상변태 모델화부(33), 상기 상변태 모델화부(33)에 기초하여 조직분율, 조직경도, 페라이트 결정립 크기를 결정하는 제 2 처리부(34), 상기 상변태 모델화부(33)와 제 2 처리부(34)와 제품구간 설정부(23)의 데이터에 기초하여 기계적 성질을 모델화하는 기계적 성질 모델화부(35), 상기 기계적 성질 모델화부(35)에서 인장 및 항복강도 연신율을 계산 출력하는 예측 데이터 출력부(36)를 포함한다.
이와 같은 온라인 재질예측 시스템에 의한 열간압연 코일의 기계적 성질을 예측하는 계산 플로우 챠트가 제 3 도에 나타나 있다.
DCC(20의 가열 및 압연조건성질부(21)의 가열조건, 예를들면 가열온도, 가열시간 소재성분등의 가열조건에 따라, 압연소재의 금속학적 결정립은 200-250㎛ 크기로 성장하고, 또한 열간압연조건(1000℃ 정도)에 따라 SCC(30)의 열간압연 모델화부(31)에 의해 열간압연을 실행한다. 열간압연 결과 열간압연시 스트레인(ε)이 임계 스트레인(ε)보다 크면 동적 재결정을 실행하고 그 반대이면 정적 재결정을 실행한다. 정적 재결정 이후 설정시간(t)의 95%(t95%)에 이르기 전까지는 정적 재결정을 진행되고 그 이후 결정립은 성장한다.
한편, 제 1 처리부(32)에서는 정적 재결정이 진행될때 압연간 시간이 설정시간(t)의 95%(t95%)에 이르지 못하면 잔류 스트레인(△ε)을 구하고 이를 토대로 하여 평균결정립 크기(D)를 결정하며 이러한 계산의 미리 설정된 십 수회의 최종 패스이면 최종 열간압연 모델 결과인 △ε와 D을 결정하여 출력한다.
이와 같은 재질예측 모델은 냉각조건 설정부(22)의 냉각조건, 예를들면 냉각개시 온도, 냉각속도, 냉각패턴, 냉각종료 온도등의 냉각조건에 따라 상변태의 종류, 분율 및 결정립 크기등의 금속학적인 인자를 예측하여 그 예측결과를 토대로하여 기계적 성질을 예측하게 된다.
이를 제 3 도에 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
최종 열간압연 모델결과 △ε, D에 상기한 냉각조건을 주고 상변태 온도 Ae1(펠라이트 변태온도), Ae3(페라이트 변태온도)등을 각 압연소재 성분에 따라 설정한다.
이후 온도 T가 베이나이트(Bainite) 온도(TBS)보다 작으면 베이나이트 변태, Ae1〉T〉TBS이면 펄라이트(pearlite) 변태, Ae3〉T〉Ae1이면 페라이트(Ferrite) 변태를 계산하고 T〈Ae3이면 앞의 냉각조건에 따라 다시 계산을 반복 실행한다.
한편 상기 페라이트 변태율 Vf와 펄라이트 변태율 Vp의 합이 1보다 작으면(V5+ Vp〈1)앞의 냉각조건에 따라 계산을 실행하고 온도에 따라서 베이나이트 변태율과 함께 각상의 조직분을 Vi 페라이트 결정립크기 D등을 계산하여, 이로부터 열연재질인 인장강도, 항복강도, 연신율 등의 기계적 성질을 결정한다.
금속학적인 모델중 열간압연 모델의 구성식은 가열시 입성장식, 재결정 분율식, 재결정 속도식등으로 구성되어 되어 있다. 먼저 가열시 입성장식은 다음과 같이 표시된다.
Dg = A taexp(-Qg/RT)
여기에서 Dg는 가열 오스테나이트의 입경, T는 가열온도, Qg는 입성장 활성화에너지, t는 가열시간, R은 가스정수이고 A와 a는 상수이다. 그리고 재결정 분율식은 다음과 같이 표시된다.
X = 1 - exp[K(t/t50%)]
여기에서 X는 재결정 분율, K는 In0.5정도의 값을 나타내고, m은 2정도의 값을 갖고, t는 유지시간을 나타내고, t50%은 50% 재결정하는데 필요한 시간을 의미한다. 한편, 재결정 속도식을 다음과 같이 표시된다.
t50%= BDoaεbZcexp(-QR/RT)
여기에서 Do는 초기 오스테나이트 결정립 크기이고, ε는 가해진 스트레인량이고, Z는 제너할로만 파라미터(Zener-Holloman Parameter)이고, Q는 재결정에 필요한 활성화 에너지이고, 그외의 인자인 B, a, b, c등은 상수이다. 그리고 열연공정에서의 사상압연은 압연간 시간이 매우 짧기 때문에 재결정이 충분히 일어나지 않는 경우가 있으므로 이 경우는 잔류 스트레인을 계산해서 다음 압연시에 고려해 주도록 되어 있다.
그리고 보조 모델중 상변태 모델식은 상변태 속도를 이론적으로 잘 표현하고 있는 존슨 멜 아브라미(Johnson-Mehl-Avrami)식을 기본적인 형태로 취하고 있다. 즉
Y = 1 - exp{-K(t-γ)n/dm}
이다. 여기에서 Y는 상변태율로 주어진 온도에서 생성되는 최대 변태량에 대한 비율을 말하며, K는 변태속도에 의존하는 상수이고,는 변태개시까지의 잠복기, d는 오스테나이트 결정립 크기, 지수 m과 n은 상수이다. 여기에서 K와는 변태온도와 성분등의 함수로 다음과 같이 표시된다.
1nK = {a[%C] + b[%Mn]}T2+ {c[%C] + d[%Mn]}T + e[%C] + f[%Mn] + g
1n= a'1nd + b'1nT + c'1nT + d'1n[%C] + e'1n[%Mn] + f'
여기에서 [%C]와 [%Mn]는 각각 탄소(C)와 망간(Mn)의 중량 퍼센트이고,T는 상변태의 평형온도와 실제 변태가 일어나는 온도와의 차인 과냉도를 나타내고, 나머지 a, b, c, d, e, f, g와 a', b', c', d', e', f'는 상수이다.
마지막으로 기계적 성질 모델은 상변태 모델에서 계산되는 값인 각 상의 경도(Hi)와 각 상의 조직분율(Vi)와 결정립 크기(Df)로 다음과 같이 표시된다.
б= a + bHfㆍVfㆍDf-12+cHpㆍVp + dHbㆍVb
여기에서 б는 인장강도, 항복강도와 연신율을 나타내는 것이고, 첨자 f, p, b는 변태상을 나타내는 것으로 각각 페라이트, 펄라이트, 베이나이트를 의미한다.
제 4 도는 본 발명의 온라인 재질예측 시스템으로 예측한 인장강도, 항복강도 및 연신율의 한 실측예를 보이고 있다.
이러한 재질예측 시스템에서 가장 중요한 소프트웨어는 재질예측 제어 모델인데 예측된 기계적 성질과 실측한 기계적 성질이 서로 다르면 사실상 예측의 의미는 없고 재질의 평가나 재질보증을 할 수 없다. 제 5 도는 실제 현장에서 시험편을 채취해서 코일 전장에 대해서 시험한 실측 인장강도와 재질예측 제어 모델로 예측한 인장강도를 비교한 것이다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이 예측정도가 높음을 알 수 있다. 따라서 금속학적 재질예측 제어 모델에 의한 예측치를 이용하여 코일 전장에 대한 기계적 성질을 표시할 수 있다.
그리고 이와 같은 금속학적인 모델을 이용해서 코일 길이방향으로의 재질을 예측함에 의해 코일전장에 대한 재질의 평가, 분석 및 재질보증을 하기 위해서는 온라인에서 코일의 생산과 동시에 일정 간격으로의 재질을 예측하지 않으면 안된다. 열연판재의 경우 최소 전단 길이는 약 2m이므로 온라인 재질예측 시스템으로 재질을 예측해야 하는 일정간격의 최소 단위는 2m이거나 그보다 적어야 한다. 최소 단위가 2m보다 적으면 더욱 좋으나 계산해야 하는 데이터의 수는 코일의 길이에 비례하므로 컴퓨터가 계산하는데 더욱 많은 부하를 받게 되어 공정제어에 장애가 생길 우려가 있다. 그리고 실제로 재질에 크게 영향을 주는 냉각 제어설비의 온도제어 응답성을 길이로 환산하면 약 6m이다. 따라서 본 발명에서는 최소 재질예측 길이를 2m로 하였고, 최대를 6m로 하였다.
이러한 온라인 재질예측 시스템을 이용하여 인장강도의 예측이와 실측치를 코일의 선단부터의 길이로 나타내서 비교하고 있다. 제 5 도에서 실선은 예측치를 나타낸 것이고, 네모로 표시한 것은 실측치를 나타낸것이다. 그리고 가는 점선은 통상 품질관리를 위해서 관리하는 인장강도의 상한치와 하한치이고, 굵은 점선은 제품의 규격 상한과 하한을 나타낸 것이다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이 예측치가 실측치와 상당히 잘 일치함을 알 수 있다. 이 그림에서 제품의 인장강도의 규격범위를 벗어나는 부위가 각각 0-2m, 438-476m임을 알 수 있고, 제품의 전체적인 인장강도가 규격의 위쪽에 취우쳐져 있음을 알 수 있다. 따라서 이 시스템을 이용해서 제품의 규격이 벗어난 부위를 코일 생산과 동시에 알 수 있게 되어, 그 부분을 절단하게 하므로써 나머지 부위는 정품으로 출하할 수 있게 되어 실수율의 향상과 수요가를 위한 품질 보증을 해줄 수 있다. 또한 코일 전장에 대한 재질을 알 수 있게 됨으로써 만약 코일 전체의 재질이 규격의 상한에 가까이 있게 되면 공정 조건이나 성분을 적절히 조절함으로써 최적 품질설계에 이 시스템을 활용할 수 있는 등 여러가지 잇점이 있다.

Claims (1)

  1. 열간압연 조업방법에 있어서, 열연코일의 전장을 2-6m 구간으로 설정하여 각 구간마다, 가열온도와 시간의 가열조건과 매열간압연 패스의 압연온도, 압연속도, 압하량, 압연간 시간으로부터 열간압연시의 결정립 크기 및 잔류 변형량을 계산하는 열간압연 모델과, 이 열간압연 모델의 결과와 냉각개시 온도, 냉각속도, 냉각패턴, 냉각종료 온도의 냉각조건으로부터 변태상의 종류, 분율 및 결정립의 크기를 예측하는 상변태 모델과, 상기 상변태 모델에서 최종 기계적 성질을 예측하는 기계적 성질 모델의 3가지 금속학적 모델을 기초로 하여 온라인으로 재질을 예측하고, 목표로 하는 재질의 범위를 벗어나는 부위를 선택적으로 절단하여 제품의 실수율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 실수율 향상을 위한 열연조업 방법.
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