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문제 정의
- 표면흠 발생을 유지하려면 실제 소재 길이와 동일하게 하고 연속압연으로 해석되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 손상기준에 도달한 요소 수를 비교하여 표면흠 발생 가능성 여부를 판단하였다.
- 하지만 마이크로 사이즈로 요소를 생성하여 해석할 경우 해석 시간을 감당할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 요소에 전단파괴 모델을 적용하여 파괴기준에 도달한 요소가 얼마나 많은지를 비교 분석하였다. 본 연구에서의 손상은 물리적인 손상이 아니고 손상기준에 도달한 요소(element)를 의미한다.
- 표면흠은 초기 소재의 모서리 부분에서 주로 발생한다. 따라서 이러한 표면흠을 억제하기 위해 새로운 공형을 제안하였다. 본 연구에서는 2 번 정사각형(square) 공형 설계를 변경하였다.
- 본 논문에서는 공형압연 공정의 소재 표면흠 발생억제를 위한 연구를 수행하였다. 표면흠을 예측하기 위해 유한요소법에 전단파괴 모델을 적용하였으며 표면흠 발생을 감소시킬 수 있는 패스 스케줄을 제안하였다.
- 본 연구에서는 고온에서 철강(steel)의 파괴거동을 예측하고자 한다. 따라서 Hooputra 가 사용한 Aluminum alloy ENAQ-7108 과 800℃에서 철강의 응력-변형률 선도(stress-strain curve)를 비교하였다.
- 본 연구에서는 소재 표면에 발생하는 흠(defect)을 손상으로 간주하고 유한요소해석을 수행하였다. 소재 손상(damage)에 사용된 모델은 전단파괴 모델(shear damage model)(7)이다.
- 본 연구에서는 유한요소해석 결과를 통해 현재 공형 패스 스케줄보다 표면흠을 더 억제하는 새로운 패스 스케줄을 제안하였다. 현재 사용중인 공형은 손상에 도달하는 요소가 3 번 공형이 가장 많았고 5 번 공형은 전혀 없었다.
- 그리고 이 모델을 유한요소법에 연계시켜 ㈜세아베스틸 압연 공정(소형압연공장)의 조압연 라인에 적용하였다. 이 결과를 토대로 설계한 공형을 직접 현장에 적용하여 표면흠 발생문제 개선 가능성을 확인하였다. 나아가 현재 공형보다 표면흠 발생을 더 감소시키는 새로운 패스 스케줄을 설계하여 제안하였다.
가설 설정
- 전단응력의 경우 인장응력보다 파단 변형률이 줄어든다. 따라서 Fig. 2 에서의 파단 변형률 차이만큼 상온 알루미늄과 고온 철강의 차이가 있다고 가정하였다.
- 하지만 롤 갭을 너무 높이면 다음 스탠드에서 감면률이 높아지기 때문에 적절하게 조절되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 3 번 타원 공형에서의 롤 갭을 19mm 로 설정하였다.
- 유한요소해석 결과를 통해 알루미늄과 동일한 기준을 고온의 철강에 적용할 때 전단파괴(shear damage)가 소재 코너 부분이외에 다른 부분에도 집중되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1 에 나타난 상온 알루미늄과 고온철강의 응력(stress) 차이가 Fig. 2 에서의 전단응력비(shear stress ratio) 차이라고 가정하였다. 그 이유는 응력-변형률 선도는 파스칼(Pascal) 단위로 되어 있지만 전단응력비는 비(ratio)로 되어있기 때문이다.
- 소재와 롤의 접촉열전도계수는 실험적으로 구하기가 힘들다. 따라서 유한요소해석 결과를 통해 실제 소재 온도 경향과 가장 비슷한 계수로 가정하였다. 소재와 롤의 접촉열전도계수는 3500W/m·℃로 하였고 소재의 대류 열전달 계수는 10W/m2·℃로 하였다.
- 또한 등가 파단 변형률(equivalent fracture strain)이 상온 알루미늄보다 고온 철강이 높다고 가정하였다. Fig.
- 상기의 연구자들은 수 밀리미터(millimeter) 크기의 초기 표면흠이 존재한다고 가정하거나 응력(변형률) 등가 개념으로 표면흠 발생에 대해 연구하였다. 공형압연에서 소재는 빌렛 정정 과정에서 표면을 연마(grinding)하기 때문에 초기 표면흠이 거의 없다.
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