KR100325335B1 - 냉간압연에서의압연하중예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간압연에서의 압연하중 예측방법에 관한 것으로, 압연정보로써 가장 중요한 데이터의 하나인 변형저항을 정확히 측정하는 단계와, 측정된 데이터를 희귀분석하여 실제의 냉간압연 셋업모델에 사용될 수 있는 냉간압연판의 변형저항 예측수식을 만듦으로써 보다 정확한 압연하중 예측을 통해 압연판내에 발생되는 두께편차를 줄이고 이를 통해 실수율을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

냉간압연에서의 압연하중 예측방법

본 발명은 냉간압연에서의 압연하중 예측방법에 관한 것으로, 특히 보다 정확한 압연하중 예측을 통해 압연판내에 발생되는 두께편차를 줄이고, 이를 통해 실수율을 향상시켜 경제적인 이익을 얻고자 하는것이다.

일반적으로 자동화된 냉간압연공장에서의 압연작업은 모든 공정이 전산기에 의해 제어되고 있으며, 이들 공정제어전산기를 실제로 구동시키기 위해서는 셋업모델이라고 하는 소프트웨어가 필요하다.

셋업모델은 원하는 제품이 생산될 수 있도록 압연기의 구동조건을 결정해 주고, 압연작업중 상황의 변화에 따라 설비의 운용조건을 적절히 변경시켜 주는 기능을 갖고 있다.

셋업모델은 오랜 기간동안 많은 연구를 통해 얻어진 압연이론식을 바탕으로 만들어지며, 여러 가지 압연이론식중 가장 중요한 것으로는 당해 기술분야에 Hill식으로도 널리 알려져 있는 압연하중 예측식이 있다.

압연하중 예측식은 셋업모델의 궁극적인 목표인 롤갭과 롤속도 설정치의 계산 그리고 자동두께제어장치(AGC: Automatic Gauge Controller)의 구동에 필요한 계수를 구하는 데 사용된다.

따라서 계산된 압연하중이 실제의 압연하중과 차이가 클 경우에는 판두께 편차가 커지게 되므로 이로 인한 실수율 감소로 경제적 손실을 초래하게 된다. 그러므로 정밀한 두께의 압연판을 생산하기 위해서는 압연하중의 정확한 예측이 전제되어야 한다.

일반적인 AGC시스템의 구성을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

통상적인 냉간압연공정은 순차적으로 압연판의 두께를 감소시키도록 여러개의 압연기 스탠드가 순차적으로 설치되는데, 그 중 특히 1번 스탠드에 적절한 크기의 롤켑이 형성될수 있도록 AGC시스템이 집중적으로 설치된다.

즉, 주어진 압연조건화에서 최상위 컴퓨터에 의해 계산된 1번 스탠드 압연기의 롤캡, 즉 상하 작업롤간의 간격은 상부 작업롤의 상부에 설치된 스크류 다운에 의해 조절된다. 이렇게 초기치가 설정된 후 압연이 진행되면, 압연된 판의 두께는 1번 스탠드의 후단에 설치된 두께 측정기에 의해 계측되고, 이를 목표 두께와 비교하여 오차가 허용 범위내에 들면 계속 압연을 진행한다. 그러나 오차가 크게 되면 그 오차를 줄이기 위해 공정제어용 컴퓨터가 실시간 제어를 실시하게 된다.

공정제어용 컴퓨터는 판두께 오차를 줄이기 위해 작동해야 할 유압시스템의 제어량을 계산하고 이를 하부 작업를 하부에 설치된 유압시스템에 지령을 내리게 되며, 이와 같은 일련의 동작을 판두께 오차가 허용범위에 들 때가지 반복하게 된다. 이러한 판두께 제어의 실시간 제어를 통상 AGC라고 한다.

이러한 AGC에서 적절한 롤캡 제어량(△ S)을 구하기 위하여는, 롤캡 제어량(△S)을 구하는데 이용되는 변수인 소성계수(M)가 구해져야 하며, 상기 소성계수(M)를 구하는데 압연하중 예측식이 이용되게 된다. 그러므로, 압연하중의 정확한 예측이 전제되면, 정확한 롤캡 제어량(△ S)을 얻을 수 있으므로 정밀한 두께의 압연판을 생산할 수 있게 된다.

통상의 냉간압연 셋업모텔에서 사용되고 있는 압연하중 예측식을 나타내어 보면 다음과 같다.

여기서, B : 압연판의 폭

k : 압연된 소재외 변형저항

Kt : 압연기 전후방의 장력에 의한 영향항

Dp : 마찰계수 영향항

R : 압연기의 작업롤 반경

H, h : 압연기의 입, 출측판두께

상기 식(1)에서 볼 수 있는 바와 같이 압연하중의 크기는 압연판폭, 판두께, 압연기의 작업롤 반경 등의 압연조건은 물론, 압연될 소재의 물성치인 변형저항 k에 의해 정해지게 된다.

변형저항(k)은 압연될 소재의 강도, 즉 해당 재료를 소성변형시키기 위해 필요한 단위면적당의 하중을 나타내는 물리량으로써 실험에 의해 구해지는 값이다.

따라서 상기 식(1)에서 알 수 있는 바와 같이 압연하중과 변형저항은 정비례하고 있으므로 압연하중을 정확히 예측하기 위해서는 먼저, 압연될 소재의 변형저항을 정확히 구해두어야 한다.

통상의 셋업모델에서 사용되고 있는 냉간변형저항 예측식은 일정량의 소성가공에 대한 변형저항의 측정치를 수식화하여 사용하고 있으며, 수식은 소성가공량, 즉 변형률ε의 증가에 따라 지수함수적으로 증가하는 다음과 같은 형태를 갖고 있다.

윗식에서 l, m, n은 압연될 소재에 따라 달라지는 재료의 고유상수이다.

따라서 압연될 소재의 냉간변형저항 예측식을 구한다는 것은 상기 식(3)의 재료상수 l, m, n를 구하는 것과 같다.

여기서 통상의 방법에서 사용되고 있는 냉간변형 저항 예측상수를 구하는 방법을 간단하게 기술하면 다음과 같다.

금속재료의 냉간변형저항을 구하는 방법에는 압연-인장시험법, 원주압측시험법, 평판압축시험법, 비틀림시험법 그리고 휨시험법등이 있으나, 가장 쉽고 정확한 측정방법으로서 최근에 널리 사용되는 것은 압연-인장시험법이다.

이방법은 동일한 모재로부터 절취한 10여개의 소재를 일정한 간격의 압하율로 각각 압연을 한후, 압연된 판으로부터 인장시험편을 떼어낸다. 그리고 이들을 각각 인장시험을 통해 인장강도를 측정한다.

이와 같이 구해진 재료의 인장강도는 해당시험편이 이미 압연에 의해 가공경화을 받은 상태이므로 압연시의 압하율에 해당하는 변형저항을 구한 것이 된다.

따라서 이들의 변형저항을 각 시험편의 초기 압연량에 대응되도록 X-Y그래프에 플로팅하게 되면 해당소재의 변형저항 측정치가 얻어질 수 있으며, 이들 측정치를 모두 만족할 수 있는 대표 함수. 즉 상기 식(3)과 같은 형태의 변형저항 예측식이 얻어지게 되는 것이다.

일반적으로, 실험치를 이용한 함수의 도출에는 희귀분석법이 많이 사용되고 있으며, 상기 식(3)은 변형률에 따라 변형저항이 지수함수의 형태로 증가하므로 중회귀분석법을 사용하게 된다.

도 1은 통상의 압연-인장법으로 구해진 각 압하율별 변형저항을 플로트하고 이들을 하나의 예측식으로 만들어내는 과정을 보여주는 하나의 예이다.

그런데 이와같은 통상의 방법에 의해 구해진 금속재료의 냉간변형저항은 실제로 이 값이 사용되는 환경이 실험조건과 많은 차이가 있으므로, 실험에 의해 구해진 값을 직접 사용하게 되면 압연하중의 계산에 있어서 많은 오차를 발생시키게 된다.

왜냐하면 기존의 냉간변형저항 측정실험은 상온에서 실시되었으나, 실제의 압연은 도 2a에서 볼수 있는 바와 같이 상하부작업롤(1)(1a)를 소재인 압연판(3) 사이에 작용되는 큰 부하에 의해 많은 양의 열이 발생하고, 이로 인해 압연판의 온도는 약 200℃까지 상승하기 때문이다.

도 2b는 실제의 연속 냉간압연중 압연판의 온도변화을 나타내고 있으며, 압연기를 빠져나오는 압연판의 온도를 측정한 결과 약 200℃의 비교적 고온에서 인장시험을 해야 하고 여기서 측정된 데이터를 기준으로 냉간변형저항식을 구해주는 것이 타당하게 된다.

본 발명은 냉간압연의 셋업모델에서 압연하중을 구함에 있어서, 반영되는 금속재료의 변형저항치를 상온에서 측정된 값을 사용하지 않고, 실제의 압연온도인 약 200℃에서 측정된 값을 사용함에 따라 통상의 방법에서 갖고 있는 압연하중 계산의 오류를 극복하고 보다 정확한 압연하중을 계산하여 양질의 제품을 생산할수 있도록 함에 그 목적이 있다.

도 1은 통상의 압연-인장시험법에 의해 구해지는 금속재료의 변형저항곡선도,

도 2a는 통상의 연속냉간압연시 압연이 진행됨에 따라 변화되는 압연판의 온도를 나타내는 개략도로서 5개의 압연기로 구성된 연속냉각압연기구성도,

도 2b는 통상의 연속냉간압연시 압연이 진행됨에 따라 변화되는 압연판의 온도를 나타내는 개략도로서 연속냉간압연중 압연판의 온도변화를 나타낸 그래프,

도 3은 고온에서의 변형저항을 측정하기 위한 시험장치의 구성도,

도 4는 BO4CZ강종에 대한 변형저항의 실험치와 실제값의 비교 그래프,

도 5은 본 발명의 효과를 나타내는 압연하중 예측치와 실측치의 비교 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상부작업롤 1a : 하부작업롤

2 : 상부보강롤 2a : 하부보당롤

3 : 압연판 4 : 인장시험기

5 : 인장시험편 6 : 인장시험기의 상부 죠오

6a : 인장시험기의 하부죠오 7 : 가열로

8 : 써모커풀 9 : 온도측정장치

10 : 온도조절장치

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉간압연공정에서 압연되는 판두게의 오차가 허용범위에 들도록, 통상의 셋업모델이 적용된 AGC시스템을 이용하여 압연기를 제어함에 있어서,

실제의 연속 냉간압연중 압연기를 빠져나오는 압연판의 온도를 측정하여, 상기 측정된 온도가 유지되는 상태에서 압연-인장시험법을 실시한 후, 상기 시험 결과로 나온 해당소재의 변형저항 측정치를 이용하여 하기 식(3)으로 표시되는 변형저항 예측식을 회귀분석법을 통해 구하는 단계,

(단, k : 변형 저항

1, m, n : 압연될 소재에 따라 달라지는 재료의 고유상수

ε: 변형률 ):

상기 AGC시스템 상에서, 상기와 같이 구해진 변형저항 예측식을 하기의 식(1)로 표시되는 압연하중 예측식에 적용하는 단계,

(단, B : 압연판의 폭

k : 압연된 소재의 변형저항

Kt : 압연기 전후방의 장력에 의한 영향항

Dp: 마찰계수 영방항

R: 압연기의 작업롤 반경

H,h :압연기의 입, 출측판두께 );를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에서 사용된 고온 변형저항 측정장치를 나타내는 개략도이다.

종래의 인장시험기(4)에 인장시험편(5)을 장착한 후 인장시험편(5)과 인장시험기의 죠오(jow)(6)(6a)전체를 감싸는 가열로(7)를 설치한다.

설치된 가열로(7)는 인장시험편(5)에 부착된 온도측정용 써머커플(8)과 온도 측정장치를 통해 측정된 온도가 원하는 시험온도인 200℃로 유지될 수 있도록 온도조절장치(10)를 이용하여 적절히 온도가 조절되도록 한다.

이와 같이 고온 인장실험이 가능하도록 구성된 실험장치를 이용하여, 실제의 압연온도에 가까운 200℃를 유지한 상태로 인장실험을 하게 되면 압연판의 변형저항을 측정할 수 있게 된다. 측정된 변형저항은 종래의 방식과 마찬가지로 중회귀분석을 통해 실제의 압연에서 사용할 수 있는 변형저항 예측식이 만들어진다.

이와 같이 고온에서 측정된 변형저항 예측식을 압연하중식(1)에 사용함으로써 압연하중 계산의 정확도가 높아진다. 이렇게 압연하중 계산의 정확도가 높아짐에 따라 AGC시스템에 있어서의 제어에 사용되는 소성계수(M)의 정확한 산출이 가능해지고, 이에 따라 상하 롤캡의 정확한 제어가 가능해지므로, 압연판의 두게 편차가 줄여질 수 있게 된다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예)

본 발명이 제시한 냉각변형저항 예측식을 200℃의 비교적 고온에서 구한 결과와 이를 압연하중 계산에 사용한 실시예이다. 도 4는 냉간압연공장에서 대표적으로 많이 생산하고 있는 BO4CZ라고 하는 강종에 대한 상온과 200℃에서 측정된 변형저항의 크기를 변형율과 함께 나타내었고 이들 측정치를 중회귀분석하여 구해낸 변형저항 예측식을 오른쪽에 표시해 두었다.

또한 같은 그림에 앞서의 실험으로부터 구해낸 변형저항 예측식의 정확도를 검토해보기 위해 실제 압연으로부터 얻어진 변형저항값을 'ε'로 표시해 두었다.

실제의 압연으로부터 변형저항을 구해내는 방법은 해당강종의 압연시에 로드셀로부터 측정된 압연하중을 기준으로 식(1)을 역산함으로써 구해진다.

도 4로부터 200℃의 고온에서 측정된 변형저항은 상온에서 측정된 변형저항보다 약10∼15%정도 낮다는 것을 알 수 있다. 또한 실제 압연시의 변형저항은 고온에서 측정된 변형저항과 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다.

따라서 고부하상태에서 가공이 진행되는 냉간압연의 경우에는 압연상태의 온도와 동일한 조건에서 측정된 변형저항을 사용하여야 실제의 압연하중을 예측하는 데 있어서 정확한 계산이 가능함을 알 수 있다.

한편, 5도는 압연전에 셋업모델에서 계산한 압연하중과 실적 압연하중을 비교한 것으로써, 새로 구해진 변형저항예측식을 사용하여 계산한 압연하중이 실적 압연하중과 잘 맞고 압연하중 예측방법이 통상의 방법보다 정확한 압연하중 계산을 할 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 냉간압연의 셋업모델에서 압연하중을 구함에 있어서, 반영되는 금속재료의 변형저항치를 상온에서 측정된 값을 사용하지 않고, 실제의 압연온도인 약 200℃에서 측정된 값을 사용함에 따라 통상의 방법에서 갖고 있는 압연하중 계산의 오류를 극복하고 보다 정확한 압연하중을 계산하여 양질의 제품을 생산할수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 냉간압연공정에서 압연되는 판두께의 오차가 허용범위에 들도록, 통상의 셋업모델이 적용된 AGC시스템을 이용하여 압연기를 제어함에 있어서,

   실제의 연속 냉간압연중 압연기를 빠져나오는 압연판의 온도를 측정하여, 상기 측정된 온도가 유지되는 상태에서 압연-인장시험법을 실시한 후, 상기 시험 결과로 나온 해당소재의 변형저항 측정치를 이용하여 하기 식(3)으로 표시되는 변형저항 예측식을 회귀분석법을 통해 구하는 단계.

   

   (단, k : 변형저항

   l, m, n : 압연될 소재에 따라 달라지는 재료의 고유상수

   ε: 변형률 ):

   상기 AGC 시스템 상에서, 상기와 같이 구해진 변형저항 예측식을 하기의 식(1)로 표시되는 압연하중 예측식에 적용하는 단계.

   

   (단, B : 압연판의 폭

   k : 압연된 소재의 변형저항

   Kt : 압연기 전후방의 장력에 의한 영향항

   Dp : 마찰계수 영향항

   R :압연기의 작업롤 반경

   H,h : 압연기의 입, 출측판두께):

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉간압연에서의 압연하중 예측방법.

Images