[논문]후판 압연공정에서 상·하 비대칭 변형거동의 수치적·실험적 예측 및 설정모델에 관한 연구

변상민; 이영석; 전언찬

문제 정의

본 연구에서는 상.하 비대칭 압연 요인과 이로 인해 발생하는 비대칭 변형 사이의 인과 관계를 나타내는 제어설정 모델식을 개발하는데 목적이 있다. 비대칭 변형은 간단한 수식모델로 해석이 불가능하므로 유한요소 모델을 기초로 하여 해석을 수행하였다 각 발생 요인별 제어설정 모델식을 개발하기 위해 먼저, 비대칭 압연변형을 모사하기 위한 유한 요소 모델을 구축하고 이것을 통해 나온 결과를 비대칭 변형 파이롯트(pilot) 압연 실험을 통해 검증하였다 일련의 유한요소해석을 통해 판의 상.

제안 방법

3(b)에 나와 있는 가열로는 단위 분당 10 ℃올릴 수 있는 사양으로써 상온 상태에서 로내 온도를 1100 C 까지 상승시키는데 약 2시간이 소요된다. 가열로의 전열 방식은 전기 저항열을 이용한 복사 열전달 방식이고 열 발생은 로내 6면 중 가열로 밑면과 커버면을 제외한 전면에서 이루어지도록 되어있다 로내에서 시편 전체에 걸쳐 전열이 균일하게 되도록 하고 또한, 시편을 짧은 시간내에 로내에서 외부로 이동하기 쉽게하기 위해서 내화벽돌을 이용하여 거치대로 장착하였다.
실제 압연설비는 선형제어이론에 기초한 PID(proportional integral differential)제어기가사용된다. 따라서, 관련 제어모델은 각 요인별 선형 식으로 구성하고 이 식들의 중첩으로 복잡 요인에 의한 비대칭 압연이 구현되도록 하였다. 판의 상.
4(b)에 보는 바와 같이, 판 두께의 절반 부분을 냉각수에 침수시켜 압연 시편의 두께 중심선을 기준으로 판의 하부 온도를 강하시킨다. 목표 강하 온도를 달성하기 위해 몇 번의 예비 실험을 거쳐서 침수시간을 결정하고 열화상카메라를 이용하여 판의 실제 온도를 확인한다. 이때 판의 표면에 존재하는 고온 스케일을 반드시 제거하고 측정해야 한다.
하 비대칭 압연 요인과 이로 인해 발생하는 비대칭 변형 사이의 인과 관계를 나타내는 제어설정 모델식을 개발하는데 목적이 있다. 비대칭 변형은 간단한 수식모델로 해석이 불가능하므로 유한요소 모델을 기초로 하여 해석을 수행하였다 각 발생 요인별 제어설정 모델식을 개발하기 위해 먼저, 비대칭 압연변형을 모사하기 위한 유한 요소 모델을 구축하고 이것을 통해 나온 결과를 비대칭 변형 파이롯트(pilot) 압연 실험을 통해 검증하였다 일련의 유한요소해석을 통해 판의 상.하 휨에 대한 제어설정 모델식을 제시하였다.
냉각된 부분이 위쪽으로 오도록 하여 시편을 밀어 넣어 롤에 취입했을 때 상향 굽힘이 발생되도록한다. 안내판과 고온의 판 사이에 열전달이 일어나는 것을 방지하기 위해 내화벽돌 재질로 만든 단열 판을 안내판 위에 장착하도록 하였다. 단열판의 두께가 있으므로 이것을 고려하여 안내판의 높이를 조절하여 압연시편이 수평상태로 롤갭에 취입되도록 하였다 Fig.
제시한 유한요소모델에서 롤은 강체로 모델링하였고 소재는 탄-소성 재료로 모델링하였다 후판과 같이 두께가 두꺼운 소재를 압연할 경우, 롤의 탄성변형에 의한 소재 두께 변화 차이는 크지 않고 더욱이 소재가 고온일 때에는 그 영향성이 더욱 줄어들기 때문에 본 연구에서 롤은 강체로 모델링하였다. 소재 내에서 온도 편차에 의한 압연 후 소재의 형상 변화를 고찰하기 위해서 각 요소마다 온도값을 지정하도록 모델링 하였다 식 (1)은 온도변화에 따라 소재의 변형저항 거동이 나타나도록 도입된 유동응력식 S)[3]이다.
본 연구에서는 상.하 비대칭 압연 인자와 이로 인해 발생하는 비대칭 변형 사이의 인과 관계를 나타내는 제어설정 모델식을 개발하였다. 이를 위해서 유한요소해석과 무차원화 방법이 도입되었다.
따라서, 본 연구에서는 상.하 휨 비대칭 거동을 고찰하기 위해 계산시간이 훨씬 적게 소요되는 2차원 모델을 구축하여 해석을 수행하였다

대상 데이터

3은 파이롯트(pilot) 열간압연 실험장치를 나타내고 있다. 실험에 사용한 파이롯트 압연기는 Fig. 3(a) 에 보는 바와 같이 보강롤이 없고 작업롤만 있는2단 단동 가역식 스탠드 (2-high single reversiblestand) 형태를 가지고 있다. 압연 모터의 최대 동력은 11kW이고 감속기를 통해서 최대 토크를 5433.

이론/모형

무차원 선형 제어설정 모델식 (4)를 실제 후판 압연공정에 적용하였다. Table 2는 POSCO 제 2 후판 공장에서 생산되는 압연공정을 나열한 것이다.

성능/효과

1. 개발한 제어설정 모델식은 두께 방향 온도 편차에 의한 상향 휨 파이롯트 압연 테스트의 결과와 상당히 일치하였다. 이것으로부터 본 모델의 정확성을 분석할 수 있었다.
2. 크기가 다른 실제 후판 압연공정에 본 제어설정 모델을 적용했을 경우에 무차원 변수의 상사 성에 의해 모델 예측 휨량과 실측 휨량 사이의 값이 비교적 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.
제어설정 모델은 실제 제어시 기준 신호를 제공하는 역할을 하기 때문에 국부적인 정확도 보다는 전체적인 제어 영역에서 경향성 이 중요하다. 이러한 측면에서 제시한 제어설정 모델은 비대칭 압연 유발요인에 의한 휨 발생 수준을 낮추는데 있어서 적용 효과가 있는 것으로 판단된다.

후속연구

그러나, 이러한 인과관계를 실제 압연설비의 제어 중에 사용되도록 하기 위해서는 간단한 수식 모델 형태로 구현해야 한다. 또한, 개발된 수식 모델의 효용가치를 높이기 위해서는 롤의 크기 혹은 판의 크기와 관계없이 적용 가능한 무차원화된 수식모델로 개발되어야 한다.
후후판관련 연구는 크게 정상변형을 가정하여 가공스케줄을 연구하는 분야와 불균형 공정요인에 의해 비정상(혹은, 비대칭) 변형이 발생했을 때 이것에 대처하는 연구 분야로 나누어진다. 본 연구는 설비효율을 높이는 방법론 개발에 있으므로 후자 연구 분야에 해당된다. 대표적인 비대칭 변형은 판의 상.

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