[논문]고강도강의 냉간 조질 압연 시 호일 압연이론을 이용한 압연하중의 예측

송길호; 정제숙

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.2.271

고강도강의 냉간 조질 압연 시 호일 압연이론을 이용한 압연하중의 예측
Roll Force Prediction of High-Strength Steel Using Foil Rolling Theory in Cold Skin Pass Rolling 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.2, 2013년, pp.271 - 277

송길호 (포스코 기술연구원 압연계측연구그룹) , 정제숙 (포스코 기술연구원 압연계측연구그룹)

초록
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냉간압연 및 소둔공정에서의 조질압연 과정은 강종별로 적정 연신율을 부여함으로서 프레스 가공시 항복점 연신 현상을 제거해주는 중요한 공정이다. 적정 연신율 확보를 위해서는 강종별, 사이즈별 정확한 압연하중 예측이 필수이다. 열간 및 냉간압연과는 달리 조질압연에서는 2%이내의 연신율을 부과하는 공정이므로 압연하중 작용 시 롤 바이트 내 에서의 롤의 탄성변형 거동이 복잡하여 정확한 압연하중을 예측하기가 어려워 예측모델이 정립되어 있지 않다. 그럼에도 불구하고 최근 인장강도 590MPa 급 이상의 자동차용 고강도강 개발이 가속화 됨에 따라 조질압연시 정확한 압연하중의 예측은 더욱더 중요하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 조질 압연 시 롤 바이트 내에서 롤의 변형거동이 유사하다고 알려져 있는 호일(foil)압연 이론 식을 이용해 조질 압연 시 전체 생산 강종을 대상으로 압연하중 예측 가능성에 대해 검토하였다. 그 결과 인장강도 350MPa 이상 980MPa 이하의 강종에 대해서는 non circular model 이 circular 모델보다 압연하중 예측 정도가 우수하며, 이 영역에서 압연하중 예측 모델로의 적용이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Skin pass rolling is a very important process for applying a certain elongation to a strip in the cold rolling and annealing processes, which play an important role in preventing the stretching of the yield point when the material is processed. The exact prediction of the rolling force is essential for obtaining a given elongation with the steel grade and strip size. Unlike hot rolling and cold rolling, skin pass rolling is used to apply an elongation of within 2% to the strip. Under a small reduction, it is difficult to predict the rolling force because the elastic deformation behavior of the rolls is complicated and a model for predicting the rolling force has not yet been established. Nevertheless, the exact prediction of the rolling force in skin pass rolling has gained increasing importance in recent times with the rapid development of high-strength steels for use in automobiles. In this study, the possibility of predicting the rolling force in skin pass rolling for producing various steel grades was examined using foil rolling theory, which is known to have similar elastic deformation behavior of rolls in the roll bite. It was found that a noncircular arc model is more accurate than a circular model in predicting the roll force of high-strength steel below TS 980 MPa in skin pass rolling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 당사에서 생산하고 있는 냉연강판 전체 강종을 대상으로 Fleck & Johnson 모델의 적용 가능성에 대해 검토, 정리하고자 하였으며 그 결과를 기존 압연하중 예측 모델과도 비교하였다.
앞 절에서와 같이 인장강도 590MPa 급 강을 대상으로 비-원호 모델을 조질 압연 공정에서의 압연하중 예측 모델로 적용하는 것이 타당한지에 대한 기본적인 검토를 하였다. 이를 바탕으로 본 절에서는 자동차용 고 강도 강을 포함한 전체적인 강종에 대해 적용 가능한지에 대한 종합적인 검토를 수행하였다. Table 3 은 검토대상 강종 및 size 를 나타낸다.
호일(foil)압연 시 압연하중 예측을 위해 제안된 비원호 모델을 압연하중 예측 모델이 정립되어 있지 않은 냉연 조질 압연 공정에 적용하는 것이 가능한지에 대한 검토를 수행하였다. CR (cold rolled) 강종을 대상으로 검토한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

냉연 조질 압연 시 의미 있는 압연하중 예측을 위한 호일압연이론식의 적용 가능성을 검토하기 위해, 앞 절에서 설명한 롤 바이트 내 각 영역에서의 압연하중 예측 식을 이용하여 프로그램을 구성하고 인장강도 590MPa 급 강종을 대상으로 기본 특성을 파악하였다. 인장강도 590MPa 급 강을 대상으로 한 기본특성 파악 후 현재 생산하고 있는 CR(cold rolled)재를 대상으로 호일압연이론의 적용성에 대해 검토하였으며 동시에 각 case 에 대한 결과를 기존 냉간 및 열간 압연 시 압연하중을 예측하는데 사용되고 있는 Bland & Ford 모델 결과와 비교 하였다.
인장강도 590MPa 급 강을 대상으로 한 기본특성 파악 후 현재 생산하고 있는 CR(cold rolled)재를 대상으로 호일압연이론의 적용성에 대해 검토하였으며 동시에 각 case 에 대한 결과를 기존 냉간 및 열간 압연 시 압연하중을 예측하는데 사용되고 있는 Bland & Ford 모델 결과와 비교 하였다.

이론/모형

영역 B 와 영역 C 의 경계에 해당하는 x_B좌표는식 (7)을 db/dx=0 의 조건을 만족할 때 까지 Newton-Raphson 법을 이용하여 적분함으로서 구할 수 있으며, x_E 의 좌표는 영역 F 에서 적분된 압력곡선과 영역 E 에서의 압력분포의 교차점으로부터 구한다. 또한 x_C 와 x_D 에서 전단응력(q) 과 σ_x는 연속성을 가지며, x_C에서 dq/dx 는 연속성을 가진다는 경계조건을 이용하면 각각 x_C 와 x_D 를 구할 수가 있게 된다.

성능/효과

(1) 롤 바이트 내 압력분포 예측 시 비-원호 모델은 원호 모델과 같이 friction hill 을 가지지 않으므로 인장강도 980MPa 이하 강종에서는 압연하중이 과다 평가되지 않는다. 하지만, 초 고 강도 강의 경우 소성변형이 발생하지 않는 flat 한 영역이 크게 발달되어 압연하중이 크게 과다 평가된다.
(2) 인장강도 350MPa 이하의 강종에 대해서는 원호 모델 (Bland & Ford)이 비-원호 모델보다 예측 정도가 우수하다.
(3) 인장강도 350MPa 이상 980MPa 이하의 강종에 대해서는 비-원호 모델이 원호 모델보다 압연 하중 예측 정도가 우수하며, 이 영역에서 압연하중 예측 모델로의 적용이 가능하다.
Fig. 4(a)로부터 고 강도 강으로 갈수록 압력분포의 면적은 커지며, 즉 압연하중은 커지며 압력분포 곡선도 중심부를 기준으로 완화되어감을 확인할 수 있다. 한편, 스트립의 두께 분포 데이터로부터는 고강도 강으로 갈수록 B,D,E 의 영역이 점차 확대되어짐을 확인 할 수 있는데 이로 인해 Fig.
즉, Fig. 5(a), (b)에 나타난 바와 같이 강종의 변화에 따라 전 영역에서의 영역별 길이 및 각 영역에서의 압연하중이 변하게 되는데이 중 강종이 단단해짐에 따라 영역 C,D,E 에서의 변화가 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 결론부에서 다시 언급하겠지만, 이와 같은 특성으로 인해 인장강도 980MPa 급 이상의 초 고강도 강에서는 압연하중이 크게 고 평가되어 압연하중의 예측 모델로 적합하지 않게 된다.
7 의 결과로부터 인장강도 350MPa 이하 강종에서는 원호 모델의 정도가 우수하며 인장강도 350MPa 이상 980MPa 이하에서는 비원호 모델의 압연하중 예측 정도가 우수함을 알 수 있다. 또한 인장강도 980MPa 이상의 강종에 대해서는 예측 에러 율이 150%를 초과하여 두 모델 모두 압연하중을 예측 할 수 있는 모델로서 부적합하였다. 980MPa 급 이상에 대해서는 에러율이 큰 관계로 Fig.
3mm 에 해당하는 280 코일을 대상으로 비-원호 모델과 원호 모델의 압연하중 예측 정도를 현장 조질 압연기에서 측정된 실측 압연하중을 기준으로 정리하여 나타낸 것이다. 전체 코일 평균 압연하중 예측 정도는 비-원호 모델은 90%, 원호모델은 82%로서 인장강도 590MPa 급 강에 대해서는 비-원호 모델의 예측 정도가 우수함을 알 수 있다.

후속연구

(4) 인장강도 980MPa 이상의 강종에 대해서는 두 모델 모두 냉연 조질 압연공정에서의 압연하중 예측 모델로는 적합 치 않으며 새로운 모델 도입이 필요하다.
인장강도 980MPa 이상의 강종에 대해서는 향후 유한요소 해석을 통해 압연하중 예측 모델을 개발할 예정이며 향후 보고 드릴 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉간압연 및 소둔공정에서의 조질압연 과정에서는 어떤 일이 처리되는가?	냉간압연 및 소둔공정에서의 조질압연 과정은 강종별로 적정 연신율을 부여함으로서 프레스 가공시 항복점 연신 현상을 제거해주는 중요한 공정이다. 적정 연신율 확보를 위해서는 강종별, 사이즈별 정확한 압연하중 예측이 필수이다.
	조질 압연 과정에서 적정 연신율 확보하기 위해 필수적으로 행해야 하는 것은 무엇인가?	냉간 압연 및 소둔 공정에서의 조질 압연 과정은 강종별로 적정 연신율을 부여함으로서 프레스 가공 시 항복점 연신 현상을 제거해주는 중요한 마무리 공정이다. 적정 연신율 확보를 위해서는 강종 별, 사이즈 별 정확한 압연하중 예측이 필수이다. 열간 및 냉간 압연과는 달리 조질 압연에서는 2%이내의 연신율을 부과하는 공정이므로 압연 하중 작용 시 롤 바이트 내 에서의 롤의 탄성변형 거동이 복잡하다.

참고문헌 (10)

Fleck, N.A and Johnson,K.L., 1987, Towards a New Theory of Cold Rolling Thin Foil, Int.J.Mech.Sci., Vol 29. No.7. pp.507-524.

상세보기
Bland, D.R. and Ford, H., 1948, The Calculation of roll Force and Torque in Cold Strip Rolling with Tensons, Proc. Inst. Mech. Engrs, Vol.159, pp.144

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Ford, H. and Alexander, J.M., 1959, Rolling Hard Material in Thin Gauges. Basic Consideration, J. Inst. Metals, Vol. 88, p.193
Johnson, K.L. and Bentall, R.H., 1969, The Onset of Yield in the Cold Rolling of Tin Strip, J.Mech.Phys.Solids , Vol.17, p.253

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Grimble, M.J., 1978, Solution of Nonlinear Funtional Equations Representing the Roll Gap Relationships in a Cold Mill, J.Optimization Theor. Applic., Vol.26, No.3, p.427

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Yuen, W.Y.D, 1996, The Modelling of the Mechanics of Deformation in Flat Rolling, Journal of Meterials Processing Technology, pp. 87-94
Yuen, W.Y.D, 2003, On-Line and Off-Line Models for the Rolling Process, Scandinavian Journal of Metallurgy, pp.86-93
Alexander, K. and Konrad, K., 2003, FE-Simulation of Thin Strip and Temper Rolling Processes, ABAQUS Austria User's Conference
Sun, J.-n., Huang, H.-g., 2009, Nonlinear Finite Element Analysis of Thin Strip Temper Rolling Process, Eournal of Iron and Steel Research, Vol.16, No.4, pp. 27-32.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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