KR970010775B1 - 열간압연 마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정방법 - Google Patents

열간압연 마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정방법 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

열간압연 마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정방법
제1도는 통상적인 4단 마무리 압연기의 구성도.
제2도는 마무리압연기의 2번재 작동롤의 표면거침과 열연제품 표면결함 발생량과의 상관성도.
제3도는 한압연단위에서 압연되는 압연매수와 작동롤의 표면거침정도와의 상관성도.
제4도는 한압연단위에서 작동롤에 가해지는 총피로손상량과 작동롤의 표면거침 정도와의 상관성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 작동롤 2 : 지지롤
3 : 압연재
본 발명은 열간압연에서의 마무리압연기의 작동롤 교체주기를 설정하는 방법에 관한 것이다.
열간압연은 연속주조를 통해 제조된 슬라브를 재가열하여 주어진 크기의 열연강판을 만드는 공정이다. 이와 관련하여 여러단계의 열간압연과정을 거치게 되는데, 이를 크게 조압연과 마무리압연으로 분류하고 있다. 조압연에서는 250mm 두게의 가열된 슬라브를 40mm 두께의 바아로 압연하며, 마무리압연에서는 바아를 요구하는 두께로 최종압연하여 열연강판을 제조한다. 이와같은 열간압연을 위해 작동롤이 사용되는데, 각 공정에서의 열적 기계적 부하상태와 제품표면 품질에 미치는 영향도 등이 각각 다 르기 때문에 열연공장에서는 사용되는 작동롤의 종류는 다양하다.
그런데 열연공정중에서 마무리압연에 사용되는 작동롤은 제품의 표면품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 롤의 관리가 아주 중요하다. 마무리압연 공정에서는 일반적으로 7개의 압연기가 연속적으로 붙어 있는데, 1번째에서 3번째 압연기롤 전단(前段), 4번째에서 7번째 압연기를 후단(後段)이라고 부르고, 이에 따라 작동롤의 재질도 구분된다. 통상, 전단에서는 고크롬주철률이 사용되고, 후단에는 니켈그레인 주철롤이 사용되고 있다.
마무리압연 공정중에서도 전단작동롤의 표먼거침은 열연강판의 표면품질에 가장 직접적인 영향을 주기 때문에 작동롤이 적정교체 주기를 결정하는 것이 아주 중요하다. 작동롤을 너무 일직 교체하게 되면 제품의 표면품질은 향상되나 작동롤 교체에 따른 제품의 생산성 및 롤원단위가 감소되게 되며, 너무 늦게 교체하게 되면 제품의 표면품질이 열악하게 되어 제품불량이 증대되게 된다. 이에 따라 마무리압연에서의 적정한 작동롤 교체주기를 결정해야 한다.
현재 열연공장에서는 작동롤의 교체주기를 경험적으로 압연매수로 산정하여 사용하고 있다(이를 한 압연단위에서의 압연매수라고 함.) 그 방법은 크게 열연강판의 두께그룹으로 분류하는 경우도 있고, 최종제품의 용도그룹으로 나누기도 한다. 전자에서는 압연판 두께도 1.4-2.3mm인 경우에는 압연매수를 100매로 하며, 두께가 2.31mm이상인 경우에는 130매로 하고 있다. 후자에서는 열연강판이 열연제품으로 사용되는 경우와 냉연을 위한 반제품으로 사용되는 경우로 나눌 수 있는데, 전자인 경우 100매이고 후자인 경우는 80매 압연후 일률적으로 작동롤을 교체하고 있다.
그런데 최근에 와서는 열간압연 제품도 다양해지고 제품의 표면물질 요구수준도 점차 엄격해지고 있다. 이에 따라 압연판의 두께나 용도에 따라 일률적으로 작동롤의 교체주기를 결정하는 것보다는 압연되는 강종과 두께에 따라 작동롤의 교체주기를 변동적으로 수행할 수 있는 방법의 정립이 요구되고 있다.
이에, 본 발명자는 압연되는 강종과 두께에 따라 작동롤의 교체주기를 변동적으로 수행할 수 있는 방법에 대하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 열간압연중에 마무리압연기의 작동롤에 가해지는 열적, 기계적 손상의 정량화를 통해 작동롤의 교체주기를 설정하므로써, 열연강판의 표면품질, 생산성 및 롤원단위를 향상시킬 수 있는 열간압연 마무리압연기의 작동롤 교체주기 설정방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
이하 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 열간압연 마무리압연기의 작동롤에 가해지는 피로손상량(FD)을 하기식과 같이 구하는 단계;
여기서, m : 작동롤 교체시까기 압연되는 압연매수, σR1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 압연응력, Ni : i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤 회전수, C : 피로인성지수, σC1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤과 지지를 사이의 최대접촉응력, b : 파단 응력지수.
작동롤의 표면거침 정도와 열연강판의 표면결함 발생량과의 상관성으로 부터 허용되는 표면결함 발생량에 상응하는 허용 표면거침정도를 구하는 단계; 상기와 같이 구한 피로손상량(FD)과 작동롤의 표면 거침정도와의 상관성을 구하는 단계; 상기와 같이 구한 상관성으로 부터 허용 표면 거침정도에 상응하는 허용피로 손상량(FD)를 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 허용 피로 손상량(FD)을 상기 식에 대입하여 압연매수(m)를 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 압연매수(m)에 의해 작동롤의 교체주기를 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 열간압연 마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따라 열간압연 마무리압연기의 작동롤 교체주기를 설정하기 위해서는 우선 피로손상량(FD)을 구해야 하는데 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 마무리압연 전단 작동롤이 받는 열적 기계적 손상을 정량화하고자 하였다. 마무리압연기는 제1도에 나타난 바와같이, 작동롤(1)과 지지롤(2)의 4단으로 구성되는데, 작동롤(l)에 걸리는 부하로는 압연응력, 열응력 및 접촉응력으로 나눌 수 있다. 압연응력은 압연재의 압연시 발생되고, 접촉응력은 작동롤(1)과 지지롤(2)사이의 접촉에 의해 발생된다. 또한 열응력은 압연재와 작동롤의 접촉에 의한 가열과 롤 냉각수에 의한 냉각 반복에 의해 발생된다. 여기서 작동롤(1)이 받는 손상을 정량화하기 위해서는 압연응력(σR)과 접촉응력(σC)을 구해야 한다.
압연응력(σR)은 열간압연시 발생되는 압연하중으로 부터 구할 수 있으며, 그 계산식은 하기식(1)과 같다.
여기서 P : 압연하중, B : 평균판폭(제1도참조), Ld: 접촉장(여기서, 접촉장은 롤과 압연판이 접촉하는 면적을 의미한다 )
여기서, R' : 편평된 작동롤 반경, R : 초기 작동롤 반경, оH : 압연두께 변화량. υ : 작동롤의 포아송비, E : 작동롤의 영율.
접촉응력(σC)은 작동롤과 지지롤사이의 접촉에 의해 발생되는데, 이때 발생되는 최대 접촉응력(σC)는 하기식(4)와 같다.
여기서 P : 압연하중, 1 : 작동롤과 지지롤의 접촉길이(제1도 참조), R1, R1: 작동롤과 지지롤의 반경, E1: 작동롤의 영율, (고크롬주철 2.1×104kg/mm2, E2: 단강롤(단강롤 2.1×104kg/mm2)
상기 식(1)과 (3)으로부터 작동롤이 받는 압연응력과 접촉응력을 구할 수 있으며, 구해진 값은 압연에 따른 작동롤 손상의 계산에 이용되게 된다.
작동롤을 교체하기 되는 가장 큰 이유는 압연에 의한 기계적, 열적 손상으로 작동롤이 거칠어지게 되고 작동롤이 거칠게 됨에 따라 제품의 표면품질이 나쁘게 되기 때문이다. 따라서 압연에 따른 작동롤이 받는 손상을 정량화해야 한다.
일반적으로 작동롤의 표면거침은 가열, 냉각 반복의 열피로손상에 의해 생성된 수직균열과 지지롤과의 접촉전동 피로손상에 의해 생성된 수평균열의 연결에 의한 작동롤의 표면탈락에 의해 일어난다. 이에따라 작동롤의 표면거침을 정량화하기 위해서는 작동롤에서 가해지는 열피로손상과 접촉전동 피로손상을 구해야 한다.
열피로손상은 위에서 언급한 바와같이 압연판과의 접촉시 가열과 롤냉각수에 의한 냉각에 의해 발생된다. 일반적인 열피로의 경우는 표면온도 변화량만 고려하면 되겠지만 작동롤의 경우에는 롤 표면손상이 표면온도 변화량 뿐만 아니라 롤표면으로부러 내부로 열이 침투된 깊이에도 직접 영향을 받고 있기 때문에 롤의 열피로손상을 정확히 나타내기 위해서는 표면온은 변화량과 열침투깊이를 동시에 고려해야 한다. 롤표면의 열피로손상은 가열, 냉각과정에서 발생된 소성변형량에 의해 발생되므로 소성변형량 (oξP)과 피로수명(Nf)과의 관계는 일반적으로 다음식으로 나타낼 수 있다.
△ ξP·(Nf)Cξf' … (5)
여기서 ξf' : 피로인성 계수, C : 피로인성지수(주철 : 0.7*)
(*CHR, Boller : Materials Data for Cyclic Loading, part E : Cast and Welded Metals, Elservier, Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo, (1987), p .36)]
상기 식(5)는 한주기에서 발생된 소성변형량이 주기가 증가됨에 따라 축적되었다가 재료로 견딜 수 없는 한계(ξf')에 도달될 때 파단(Nf)이 일어나는 것을 의미하므로 상기식(5)의 첫째항(△ξP·(Nf)C)은 손상의 축적강도롤 나타내는 척도로 이용할 수 있다. 이를 바탕으로 열피로손상(TF)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
TF = △ ξP·NC…(6)
여기서 N : 열연강판 1매 압연시의 작동률 회전수.
작동롤 표면의 가열-냉각에 의해 발생될 수 있는 소성변형량(△ξP)은 롤 표면의 온도변화랑(△ T)과 열침투깊이(d)의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉,
△ξP=△T·d … (7)
따라서, 상기식(7)을 상기식(6)에 대입하면 작동롤의 열피로손상(TF)을 구할 수 있다.
TF =△T·d· Nc… (8)
실제 작동롤 교체시까지 크기와 강종이 다른 여러 종류의 열연강판이 압연되기 때문에 작동롤에 받는 총열피로손상량(TFD)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, m : 작동롤 교체시까지 압연되는 압연매수.
작동롤의 온도변화 및 열침투 깊이는 압연응력(σR)에 비례하므로 하기식(9)는 압연응력의 함수로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서 σR1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 압연응력, N1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤 회전수.
이상의 과정을 통해 작동롤 교체시까지 작동롤이 받는 열피로 손상은 압연응열과 작동롤 회전수의 함수인 상기식(10)으로 된다.
다음은, 작동롤과 지지롤 사이의 접촉전동피로에 의해 작동롤이 받는 접촉전등 피로손상을 구하고자 한다. 접촉전동피로인 경우 접촉응역에 의해 소성변형에 일어날 정도의 고응력이 작용하지 않기 때문에 고주기 피로라고 볼 수 있다. 고주기 피로인 경우 가해진 접촉응력(σc)과 피로수명(Nf)과의 관계는 일반적으로 다음식으로 나타낼 수 있다.
여기서 σf' 파단응력, b : 파단응력 지수.
상기식(11)은 한주기에서 가해진 접촉응력(σC)이 주기가 증가됨에 따라 축적되었다가 재료가 견딜 수 없는 한계(σf')에 도달할 때 파단(Nf)이 일어나는 것을 의미하므로 (11)식의 첫째항(σC·(Nf)b)은 손상의 축적정도를 나타내는 척도로 이용할 수 있다. 이를 바탕으로 작동롤이 받는 접촉전동피로 손상함수(CF)는 다음과 같이 나타 낼 수 있다.
여기서 σC: 작동롤과 지지롤 사이의 최대접촉응력, N : 열연강판 l매 압연시의 작동롤 회전수, b : 지수(코크롬주철롤인 경우 b =0.11*)
(*A. Ohnuki : Journal of the JSTP, 25(1984), p.936)
실제 작동롤 교체시까기 여러매의 열연강판이 압연되기 때문에 작동롤이 받는 총접촉전동 피로손상량(CFD)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서 σC1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤과 지지롤 사이의 최대접촉응력, N1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤 회전수.
따라서, 작동롤의 교체시까지 작동롤의 교체시까지 작동롤이 받는 총피로손상량(FD)은 총열피로손상인 (10)식과 총접촉전동피로 손싱인 (13)식의 합으로 된다.
여기서 σR, σC: ㎏/mm2·
위의 식으로부터 작동롤에 가해지는 압연응력, 접촉응력 및 작동롤의 회전수를 계산함으로써 작동롤이 받는 피로손상량을 계산할 수 있다.
위의 식을 이용하여 작동롤의 교체주기를 결정하기 위해서는 계산된 작동롤의 피로손상량과 실제 작동롤에서 발생되는 표면거침정도와의 상관성을 구해야 한다. 이를 위해 실제 작동롤의 거침 정도를 나타낼 수 있는 방법을 정립하는 것이 필요하다. 일반적으로 작동롤이 거칠어지는 과정은 1차적으로 유성홈 형태로 거칠어 지며 최종적으로는 흑피박리로 이어지게 된다. 이를 바탕으로 작동을 교체후를 표면을 검사하여 거침 정도를 표 1과 같은 평점을 부여하여 작동롤의 피로손상영과 작동롤의 표면거칠기 정도와의 관성을 구할 수 있다.
[표 1]
작동롤이 받는 피로선상량과 작동을 표면거침과 상관성을 마무리압연기의 모든 작동롤에서 구하는 것도 좋지만 작동롤의 표면거침이 가장 심한 활동을 기준으로 물교체주기기를 정하는 것이 바람직하다. 작동롤의 표면거침과 제품결함을 발생량과의 상관성을 조사한 결과 제2도에 나타난 바와같이, 마무리압연기 2번째 작동롤의 표면거침과 제품 표면 불량과의 직접적인 상관성이 있는 것으로 밝혔다.
실제 마무리연압기의 표면상태를, 조사한 글과 작동롤의 표면거침이 가장 심한 작동롤도 마무리연압기 2번째였다. 또한, 제2도의 경우에는 작동롤의 표면거침도 평정 3정이상이 되면 제품의 결함발생량이 높아짐을 알 수 있다. 이와같은 결과로 부터 열연강판의 표면불량을 방지하기 위해서는 마무리연압기의 2번째 작동롤의 표면거침 정도가 3이하에서 작동롤이 교체되면 된다.
물론, 각각의 작동롤의 표면거침 정도를 기준으로 하여 작동롤을 교체할 수도 있다. 즉, 열연강판의 표면결함 발생량과 작동을 표면거침 정도와의 상관성으로 부터 허용되는 표면결함 발생량의 상응하는 허용표면거침정도(제2도에서는 평점 3이하)를 구한다.
다음에, 이 허용표면 거침정도에 상응하는 허용피로 손상량을 구한 다음, 상기식(14)에 대입하여 압연매수(m)를 구하여 이 압연매수(m)에 의해 작동롤의 교체주기를 설정한다.
이하, 압연매수를 근거로 작동롤을 교체주기로 설정하는 종래의 방법과 본 발명법의 일례를 비교하여 설명한다.
여기서, 사용된 전단의 작동롤의 재질은 하기표 2와 같은 조성되는 고크롬 주철이고, 후단의 작동롤의 재질은 하기표 2와 같이 조성되는 니켈그레인 주철이다.
[표 2]
압연판 두께가 1.4-2.3mm인 경우에는 100매 압연후 작동롤을 교체하는 것이 종래의 방법이며, 경우에 따라서는 정해진 압연매수보다 적거나 또는 많을 수도 있다.
제3도는 실제 압연시에 작동롤의 교체시까지 압연된 압연매수와 교체된 작동롤의 표면거침 정도와의 상관성을 나타내었다. 제3도에 나타난 바와같이, 압연매수와 작동을 거침과의 상관성이 좋지 않다. 이는 압연되는 강종의 종류 및 두께가 압연다윈마다 다르므로 비록 압연매수가 동일하다고 해도 작동롤의 거침정도가 다르기 때문이다. 이러한 결과로부터 압연매수를 근거로 작동롤의 교체주기를 결정하기는 힘들다는 것을 알 수 있다.
제4도에는 본 발명에서 개발한 작동롤의 피로손상 개념을 사용하여 작동롤의 피로손상량과 교체된 2번째 작동롤의 표면거침 정도와의 상관성을 나타내었다. 제4도에 나타난 바와같이, 피로손상량과 작동롤의 표면거침 정도의 사이에 좋은 상관성을 가짐을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 개발된 방법에 의해 작동롤의 표면손상을 정량화 할 수 있고, 작동롤의 교체주기를 설정할 수 있다. 작동롤의 표면거침 정도가 3이상에서 열연강판의 표면결함이 발생량이 증가하므로 표면거침정도가 3이하에서 작동롤을 교체하면 되지만 생산량과 롤원단위를 함께 고려하면 표면거침정도가 3일대 최적기이다. 이때 계산된 작동롤의 표면손상량은 제4도에 나타난 바와 같이 7.5×104이다. 즉, 작동롤의 교체주기는 작동롤 표면손상량이 하기 식(15)이 되는 조건이다.
상기식(15)에서 σR·σC및 N등은 압연하중 및 작동롤의 회전수로 부터 구할수 있으므로 (15)식의 기준을 만족할 수 있는 압연매수 m을 구할 수 있다. 따라서 압연매수 m이 작동롤의 교체주기가 된다. 상기식(15)를 이용하여 계산된 작동롤 교체주기를 하기표 3에 나타내었다.
[표 3]
상기 표 3에 나타난 바와같이, 현행 작동롤 교체기준은 강종 및 압연판 크기에 관계없이 일정한 주기로 작동롤을 교체하고 있지만 본 발명에서 개발된 방식에 의하면 강종 및 압연판의 크기에 따라 변동적으로 작동롤의 교체주기를 설정할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명은 마무리 압연 작동롤에 가해진 피로손상량으로 부터 열연압연 작동롤의 교체주기를 설정함으로써 작동롤의 교체를 적기에 이를 수 있으므로, 제품의 표면품질을 크게 향상시킬뿐만 아니라 생산성 및 작동롤의 원단위 증가에도 기여할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 열간압연 마무리압연기의 작동롤에 가재지는 피로손상량(FD)을 하기식과 같이 구하는 단계;
    여기서, m : 작동롤 교체시까지 압연되는 압연매수, σC1번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 압연응력, Ni : i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤 회전수, C : 피로인성지수, σC1: i번째 압연되는 열연강판 1매 압연시의 작동롤과 지지롤 사이의 최대접촉능력, b : 파단 응력지수
    작동롤의 표면거침 정도와 열연강판의 표면결함 발생량과의 상관상으로 부터 허용되는 표면결함 발생량에 상응하는 허용 표면거침정도를 구하는 단계; 상기와 같이 구한 피로손상량(FD)과 작동롤의 표면거침정도를 구하는 단계; 상기와 같이 구한 피로손상량(FD)과 작동롤의 표면 거침정도와의 상관성을 구하는 단계; 상기와 같이 구한 상관성으로부터 허용 표면 거침정도에 상응하는 허용피로 손상량(FD)를 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 허용 피로 손상량(FD)을 상기 식에서 대입하여 압연매수(m)를 구하는 단계; 및 상기와 같이 구한 압연매무(m)에 의해 작동롤의 교체주기를 설정하는 단계를 포함하여 구성되는 열간압연 마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정하는 방법.
  2. 제l항에 있어서, 상기 작동롤의 재질이 피로인성지수(c)가 0.7이고, 파단응력지수(b)가 0.1l인 고크롬주철이고, 상기 작동롤이 2번째 작동롤이고; 그리고 상기 허용 표면거침정도가 유성홈의 깊이가 얕고 손량존재할때의 표면거침 정도인 것을 특징으로 하는 열간압연마무리 압연기의 작동롤 교체주기 설정방법.
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