다공질 자용성 합금 피복에 의한 열간 압연용 런-아웃 테이블 롤러의 내구성 향상에 관한 연구 A Study on Improvement of Durability for Run-out Table Roller with Hot Rolling by Porous Self-fluxing Alloy Coating원문보기
본 연구목적은 열간압연용 런-아웃 테이블 롤러 표면의 기계적 성질을 개선하기 위해 다공질 자용성 합금으로 피복하는 방법을 개발하는 것이다. 열간압연에서 런-아웃 테이블의 롤러 내구성을 높이기 위해서는 고온에서 롤러표면의 경도를 높게 유지해야 하고, 내마모성, 내식성, 내열성, 내소부성 및 내응착성의 향상을 유지하여야 한다. 또한, 고온의 열연 강판을 안정적으로 이송할 수 있도록 하기 위해서는 롤러표면에 적절한 마찰계수를 유지하도록 하여야 하고, 롤러와 강판 사이에 미끄럼 발생이 없어야 한다. 본 연구에서는 자용성 합금에 텅스텐카바이드를 첨가시켜 서메트화하여 롤러의 내마모성을 증대시켰고, 미세 철분말을 롤러표면에 피복하여 다공질을 만들어 마찰계수를 높이고 붙잡음성을 향상시켰다. 그 결과, Ni-Cr 피복 롤러에 비하여 다공질 자용성 합금 피복 롤러는 피복층에 철분이 5 ~ 10 wt%로 많이 함유되어 재용융 공정에서 전기로로 가열하여 일부분만 합금화되고 나머지는 산화 및 용해에 의해 탈락되어 다공질로 나타나 강판과의 붙잡음성을 향상시켰다.
본 연구목적은 열간압연용 런-아웃 테이블 롤러 표면의 기계적 성질을 개선하기 위해 다공질 자용성 합금으로 피복하는 방법을 개발하는 것이다. 열간압연에서 런-아웃 테이블의 롤러 내구성을 높이기 위해서는 고온에서 롤러표면의 경도를 높게 유지해야 하고, 내마모성, 내식성, 내열성, 내소부성 및 내응착성의 향상을 유지하여야 한다. 또한, 고온의 열연 강판을 안정적으로 이송할 수 있도록 하기 위해서는 롤러표면에 적절한 마찰계수를 유지하도록 하여야 하고, 롤러와 강판 사이에 미끄럼 발생이 없어야 한다. 본 연구에서는 자용성 합금에 텅스텐카바이드를 첨가시켜 서메트화하여 롤러의 내마모성을 증대시켰고, 미세 철분말을 롤러표면에 피복하여 다공질을 만들어 마찰계수를 높이고 붙잡음성을 향상시켰다. 그 결과, Ni-Cr 피복 롤러에 비하여 다공질 자용성 합금 피복 롤러는 피복층에 철분이 5 ~ 10 wt%로 많이 함유되어 재용융 공정에서 전기로로 가열하여 일부분만 합금화되고 나머지는 산화 및 용해에 의해 탈락되어 다공질로 나타나 강판과의 붙잡음성을 향상시켰다.
The objective of this research is to develop the coating technique by a porous self-fluxing alloy for improving the mechanical properties of run-out table roller surface with the hot rolling. To enhance the durability of run-out table roller with the hot rolling, the high hardness of roller surface ...
The objective of this research is to develop the coating technique by a porous self-fluxing alloy for improving the mechanical properties of run-out table roller surface with the hot rolling. To enhance the durability of run-out table roller with the hot rolling, the high hardness of roller surface should be maintained at high temperatures, and the improvement of wear resistance, corrosion resistance, heat resistance, burn resistance and adhesion resistance should be maintained. In order to be able to transport reliably a hot rolled steel sheet, also, the appropriate friction coefficient on the roller surface should be maintained and the slip between roller and steel should not occur. In this study, the wear resistance of roller increases after the self-fluxing alloy is changed to a cermet by adding the tungsten carbide(WC), and the coefficient of friction increases and the ability of grip is improved because the porosities are made by coating with fine iron powder on the roller surface. As a result, it is found that the ability of grip between the steel and the roller coated by a porous self-fluxing alloy contained to 5 ~ 10 wt% of Fe in the coating layer is improved compared to the roller coated by Ni-Cr. This is because the porosities are made after Fe contained in the roller is partially alloyed by heating with a furnace in the fusing process and the rest is eliminated by oxidation and dissolution.
The objective of this research is to develop the coating technique by a porous self-fluxing alloy for improving the mechanical properties of run-out table roller surface with the hot rolling. To enhance the durability of run-out table roller with the hot rolling, the high hardness of roller surface should be maintained at high temperatures, and the improvement of wear resistance, corrosion resistance, heat resistance, burn resistance and adhesion resistance should be maintained. In order to be able to transport reliably a hot rolled steel sheet, also, the appropriate friction coefficient on the roller surface should be maintained and the slip between roller and steel should not occur. In this study, the wear resistance of roller increases after the self-fluxing alloy is changed to a cermet by adding the tungsten carbide(WC), and the coefficient of friction increases and the ability of grip is improved because the porosities are made by coating with fine iron powder on the roller surface. As a result, it is found that the ability of grip between the steel and the roller coated by a porous self-fluxing alloy contained to 5 ~ 10 wt% of Fe in the coating layer is improved compared to the roller coated by Ni-Cr. This is because the porosities are made after Fe contained in the roller is partially alloyed by heating with a furnace in the fusing process and the rest is eliminated by oxidation and dissolution.
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문제 정의
본 연구에서는 열간 압연용 런-아웃 테이블 롤러 표면의 경도를 고온에서 높게 유지시켜 내구성을 높이고, 고온의 열연 강판을 안정적으로 이송시킬 수 있도록 하기 위해 표면 마찰계수를 향상시키는 SA-1과 SA-2의 다공질 자용성 합금으로 피복하는 방법을 개발하여 현재 국내의 제철소에서 많이 사용 중에 있는 Ni-Cr 피복에 의한 롤러와의 표면 거칠기, 표면경도, 단면경도, 단면 미세조직 및 마모량을 측정하여 비교한 결과, 다음과 같은 주요한 결론을 얻었다.
본 연구에서는 열간 압연용 런-아웃 테이블 롤러의 내구성을 높이기 위해 고온에서 고경도, 내마모성, 내식성, 내소착성, 내소부성 및 내열성을 유지시키고, 강판 이송 시에 롤러와 강판 사이에 미끄럼이 발생하지 않도록 적절한 마찰계수를 유지시키는 다공질 자용성 합금의 피복방법을 개발하는 것이 목적이다.
제안 방법
Table 6에는 경도측정기의 주요제원을 나타내고 있다. 경도값을 정확하게 측정하기 위하여 측정기 테이블의 V 블록 상에 시험편을 올려놓고 하중 441.3 N에서 측정시간을 15초로 설정한 다음, 표면 및 단면 경도를 측정하였다.
시험편의 단면 형상을 관찰하기 위해 광학현미경에 부착된 CCD 카메라로 표면 형상을 컴퓨터의 측정프로그램(XT-measure)에 의해 이미지로 저장하여 관찰하였다. 그리고 각 시험편의 단면 형상은 대물렌즈 10배율과 대안렌즈 5배율의 총 50배율로 측정하여 관찰하였다.
Figure 4에는 다공질 자용성 합금 피복 롤러에 대한 분말 용사의 개념도를 나타내고 있다. 그림에서 피복층 표면에 영향을 미치는 용사거리는 100 ~ 200 mm로 되어 있지만, 본 연구에서 이 용사거리는 지그를 이용하여 120 ~ 150 mm 사이에서 조정한 다음 고정된 상태에서 자동이송 적층공법에 의해 피복하였다.
또한, 롤러의 제조과정 중에 진공 재용융처리(fusing) 단계에서 산화 및 용해의 외부요인에 의해 쉽게 탈락되는 미세 철분말을 첨가하여 롤러표면에 다공질을 만들어 붙잡음성(grip) 및 내소부성을 향상시키고, 최종적으로 이러한 재료를 분말 용사법으로 롤러표면에 피복시켜 열간 압연용 런-아웃 테이블 롤러를 제조하여 국내 제철소에서 현재 널리 사용되고 있는 Ni계 및 Co계의 피복 롤러 중에서 Ni-Cr 피복 롤러와 표면 거칠기, 표면경도, 단면경도, 단면 미세조직 및 마모량을 측정하여 비교하였다.
본 연구에서는 일반적인 자용성 합금의 단점인 낮은 표면 마찰계수를 향상시키기 위해 Figure 2의 롤러표면에 Tables 2 및 3의 재료로 피복을 한 후, 재용융 처리공정 중, 외부요인에 의해 25 ~ 45 ㎛의 미세 철분말이 산화 및 용해되어 쉽게 탈락됨으로 써 롤러표면에 다공질이 형성되도록 하였다. 또한, 분말용사 시에 자용성 합금의 내마모성을 더욱 보강할 수 있도록 WC를 첨가시켰다.
롤러의 기본 재료로서는 고온에서 내식성과 내마모성이 양호한 니켈(Ni)계, 코발트(Co)계 등의 일반적인 자용성 합금을 많이 사용해 오고 있는데, 본 연구에서는 내마모성을 향상시키기 위해 텅스텐카바이드(WC) 등을 첨가하여 서메트(cermet)화하고, 무산화 피복을 하여 사용하였다[8].
본 연구에서는 국내 제철소에서 현재 널리 사용되고있는 Ni-Cr 피복 롤러와 본 연구에서 적용한 SA-1 및 SA-2의 다공질 자용성 합금 피복 롤러에 대해 표면 거칠기, 표면경도, 단면경도, 단면 미세조직 및 마모량을 측정하여 비교하였다.
본 연구에서는 일반적인 자용성 합금의 단점인 낮은 표면 마찰계수를 향상시키기 위해 Figure 2의 롤러표면에 Tables 2 및 3의 재료로 피복을 한 후, 재용융 처리공정 중, 외부요인에 의해 25 ~ 45 ㎛의 미세 철분말이 산화 및 용해되어 쉽게 탈락됨으로 써 롤러표면에 다공질이 형성되도록 하였다. 또한, 분말용사 시에 자용성 합금의 내마모성을 더욱 보강할 수 있도록 WC를 첨가시켰다.
Table 7에는 광학현미경의 주요제원을 나타내고 있다. 시험편의 단면 형상을 관찰하기 위해 광학현미경에 부착된 CCD 카메라로 표면 형상을 컴퓨터의 측정프로그램(XT-measure)에 의해 이미지로 저장하여 관찰하였다. 그리고 각 시험편의 단면 형상은 대물렌즈 10배율과 대안렌즈 5배율의 총 50배율로 측정하여 관찰하였다.
8 mm로, 기준길이는 컷오프 값의 5배인 4 mm로, 범위 값은 25 ㎛로 설정하였으며 시험편 표면과 단면을 알코올로 세척한 후 측정 테이블 위에 올려놓고 이송장치를 작동시켜 측정하였다. 이송장치로부터 최대높이(Ry), 산술 평균 거칠기(Ra), 10점 평균 거칠기(Rz)를 측정하여 증폭기 및 기록기를 거친 다음, 그 중에서 최대높이 값과 산술 평균 거칠기 값을 3회 측정한 평균값을 데이터로 사용하였다.
Figure 5에는 표면 거칠기 측정시스템을, Table 5에는 표면 거칠기 측정기의 주요제원을 나타내고 있다. 표면 거칠기의 정확한 측정을 하기 위해 수준기로 수평을 맞춘 후에 컷오프 값은 0.8 mm로, 기준길이는 컷오프 값의 5배인 4 mm로, 범위 값은 25 ㎛로 설정하였으며 시험편 표면과 단면을 알코올로 세척한 후 측정 테이블 위에 올려놓고 이송장치를 작동시켜 측정하였다. 이송장치로부터 최대높이(Ry), 산술 평균 거칠기(Ra), 10점 평균 거칠기(Rz)를 측정하여 증폭기 및 기록기를 거친 다음, 그 중에서 최대높이 값과 산술 평균 거칠기 값을 3회 측정한 평균값을 데이터로 사용하였다.
/mm2 탄화규소 연마지로 고정한 후, 두 축을 역방향으로 회전시켰다. 회전 중 두 축을 29.43 N으로 밀착시켰고, 1회전마다 탄화규소 연마지를 교환하여 회전시킨 후 롤러의 마찰횟수에 따른 마모감소량을 측정하였다.
대상 데이터
측정기로부터 표면 로크웰, 로크웰, 브리넬 경도를 10회 반복하여 측정한 후, 그 중에서 표면 로크웰 경도 값에 대해 가장 큰 경도 값과 가장 작은 경도 값을 제외한 나머지 8회 측정한 평균값을 미세 경도의 데이터로 사용하였다.
성능/효과
1) 다공질 자용성 합금 피복의 롤러는 Ni-Cr 피복 롤러에 비하여 산술 평균 거칠기가 약 3.8배 높고, 최대높이가 약 4.6배 높게 나타났는데, 거칠기가 클수록 마찰표면이 넓어져 마찰계수가 증가되고 롤러와 강판 사이의 미끄럼 발생이 감소되어 열연강판 이송능력을 향상시킬 수 있다.
2) 내마모성 평가의 척도로서 롤러 내구성에 직접적인 영향을 주는 표면경도는 다공질 자용성 합금 피복 롤러가 Ni-Cr 피복 롤러보다 약 1.11 ~ 1.21배 더 높았고, 단면경도는 약 1.32 ~ 1.45배 더 높았는데, 이것은 내마모성의 향상을 위해 첨가한 텅스텐카바이드(WC)의 함유량이 많을수록 두꺼운 무산화 피복이 형성되었기 때문이다.
3) Ni-Cr 피복 롤러에 비하여 다공질 자용성 합금 피복의 롤러는 피복층에 철분이 5 ~ 10 wt%로 많이 함유되어 재용융 공정에서 전기로로 가열하여 일부분만 합금화되고 나머지는 산화 및 용해에 의해 탈락되어 다공질로 나타나 강판과의 붙잡음성을 향상시켰다.
4) 내마모성 평가의 척도로서 롤러 내구성에 직접적인 영향을 주는 다공질 자용성 합금 피복 롤러의 마모량은 내마모성에 강한 WC가 3 ~ 9 wt% 정도로 함유되어 있어 Ni-Cr 피복 롤러의 7 ~ 18% 정도로 아주 적게 나타났다.
그림에서 왕복운동 횟수가 증가할수록 Ni-Cr 피복 롤러, SA-1 및 SA-2롤러의 시험편 마모량이 모두 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 왕복운동 횟수가 400회일 때 각각의 마모량을 비교해 보면 SA-1은 Ni-Cr 피복 롤러 시험편의 약 15%, SA-2는 약 7%, 왕복운동 횟수가 800회일 경우의 마모량은 SA-1은 Ni-Cr 피복 롤러 시험편의 약 18%, SA-2는 약 9%, 1200회일 때 마모량은 SA-1은 Ni-Cr 피복 롤러 시험편의 약 15%, SA-2는 약 8%로 모든 조건의 마모시험에서 SA-2가 가장 마모량이 적게 나타났다. 이것은 내마모성에 강한 텅스텐카바이드가 SA-2에 7 ~ 9 wt%로 가장 많이 함유되어 있기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
롤러의 기본 재료는 어떤 것들이 많이 사용되는가?
롤러의 기본 재료로서는 고온에서 내식성과 내마모성이 양호한 니켈(Ni)계, 코발트(Co)계 등의 일반적인 자용성 합금을 많이 사용해 오고 있는데, 본 연구에서는 내마모성을 향상시키기 위해 텅스텐카바이드(WC) 등을 첨가하여 서메트(cermet)화하고, 무산화 피복을 하여 사용하였다[8].
열연강판의 단점은?
열연강판은 연속으로 설치되어 있는 롤러의 회전력과 롤러 상에 발생된 열연강판 자중의 표면 마찰력에 의해 이송되기 때문에 롤러표면과 열연강판 사이에 적절한 마찰계수가 유지되지 않으면 열연강판의 이송능력이 저하되고, 열연강판의 미끄럼이 발생되어 강판 표면에 흠이 생성된다.
열간압연용 런-아웃 테이블 롤러의 장단점은?
현재, 국내 제철소에서 사용되고 있는 열간압연용 런-아웃 테이블 롤러는 마찰계수 개선보다는 내마모성개선의 개발에 집중을 하고 있다. 이 방법은 일본 Fujico사가 개발한 것으로 탄소강관(STKM-13A)에 고크롬-바나듐계 특수주철을 클래딩 공정에 의해 생산한 것인데, 제작비용이 적게 들고 일반 롤러에 비해 내마모성이 우수한 장점이 있지만, 롤러 클래딩 공정 중 표면에 기공이 발생하고, 사용 중에 내소착성, 내소부성 및 내마모성이 감소하는 것이 단점이다[1-7].
참고문헌 (14)
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S. Sakamoto, S. Tamagawa, Y. Moritaka and A. Yamamoto, "Development of Runout Table Roller with High Corrosion Resistivity by Continuous Pouring Process for Cladding," Fujiko Technical Report 1993, no. 1, pp. 13-15, 1993.
S. Sakamoto and H. Saito, "Development of Composite Roll for Re-rolled Iron Mill with High Durability by Continuous Pouring Process for Cladding," Fujiko Technical Report 1993, no. 1, pp. 16-20, 1993.
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P. Li, S. Sakamoto and H. Saito, "High Speed Steel Edger Roll in Hot Strip Mill by Continuous Pouring Process for Cladding," Fujico Technical Report 1997, no. 5, pp. 28-30, 1997.
H. Miyazaki and T. Yoshimura "Successful Applications of SHH-300 to Overlaying of Rolls and Rollers," Fujico Technical Report 1997, no. 5, pp. 31-34, 1997.
FUJICO, "Run-out Table Roller with Core Material SUS304 of Water Cooling Struc-ture at Inside in Hot Strip Mill," Fujico Technical Report 1997, no. 5, pp. 41-42, 1997.
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K. Tani, "Thermal spraying surface modification and its interaction with environment", Journal of the Japan Institute of Marine Engineering, vol. 46, no. 5, pp. 20-25, 2011 (in Japanese).
A. Nakayama and K. Tanabe, "Potential for marine engineering applications of DLC films," Journal of the Japan Institute of Marine Engineering, vol. 46, no. 5, pp. 30-35, 2011 (in Japanese).
K. Murakami, "Corrosion protection and antifouling properties of thermal sprayed metal coatings", Journal of the Japan Institute of Marine Engineering, vol. 46, no. 5, pp. 40-45, 2011 (in Japanese).
B. H. Park, "Super-mirror Face Grinding Machine," Patent No. 10-0564387, 2006. (in Korean).
M. W. Bae, B. H. Park and H, Jung, "Performance characteristics of super-mirror face grinding machine using variable air pressure," Proceedings of 2011 KSAE Division Conference (KSAE11-B0350), pp. 1835-1840, 2011 (in Korean).
M. W. Bae, U. C. Kang and B. H. Song, "Development of run-out table roller for hot rolling with high durability by porous selffluxing alloy coating", Proceedings of 2011 KOSME for Green Ship Technology, p. 226, 2011 (in Korean).
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