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문제 정의
- 실수율 측면에서 본 연구에서 제시한 예측모델로 계산한 값과 실제 평면형상을 측정한 값 사이의 오차는 5% 이내로 평가되었다. 본 비교는 유한요소모델에 의한 다단 후판압연 중 발생하는 소재의 평면형상 및 실수율 예측 결과를 파이롯트 열간 판압연 시험을 통한 직접적인 방법으로 검증한 새로운 시도이다.
- 본 연구에서 후판압연 중에 발생하는 소재의 평면형상과 실수율을 정확하게 예측할 수 있는 유한 요소모델을 제시하였다. 본 모델은 다단 및 가역적으로 이루어지는 후판압연 공정을 연속적으로 해석할 수 있고 실제 후판압연기에 설정되어 있는 패스라인의 효과를 반영하여 실제 판변형 형태와 유사한 변형을 예측할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 후판압연시 판 평면형상을 적은 계산 시간으로 효과적이고 정확하게 모사할 수 있는 삼차원 유한요소해석 모델 개발 방법을 제시하였다. 모델에 고려된 가장 중요한 인자는 패스 라인(Path line)과 패스별 소재의 온도 변화이다.
제안 방법
- 작업롤과 판의 치수는 3 절에서 설명한 파이롯트 압연기 (Pilot rolling mill)에 기초하였다. 가역식이므로 판의 압연방향이 교차로 바뀌어 지는데 홀수 패스 (즉, 1 패스, 3 패스, 5 패스)에서는 오른쪽에서 왼쪽 로 그리고, 짝수 패스(즉, 2 패스 및 4 패스)에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 압연이 이루어 지도록 모델링 되었다. 한 패스 압연완료 후에 상·하 작업롤 사이의 롤갭을 줄여 패스진행에 따라 점차적으로 판의 두께가 줄어들도록 모델링하였다.
- 시편을 가열로에 잠입한 다음 30 분 정도 경과 시켜 판의 전체 온도가 로내 온도까지 충분히 상승되도록 한다. 가열을 과도하게 하면 고온 스케일이 시편의 표면에 발생하기 때문에 판 전체가 균일 온도에 도달하는 시간을 사전에 확인한 다음, 이 시간을 준수하도록 하였다.
- 단일 패스(Single pass) 압연에 대해서 소재의 형상 및 실수율을 비교하였고, 5단 패스 압연에 대해서도 소재 형상 및 실수율을 비교하여 개발한 삼차원 후판압연 유한요소모델의 정합성을 검증하였다. 각 패스별 평면형상 면적과 실수율을 실험과 해석 결과에 대해 비교 분석하여 모델 정확도의 경향성을 검토하였다.
- 파이롯트 열간 압연기를 대상으로 하여 해석모델을 개발하고 실제 압연을 실시하여 해석모델과 실험결과를 직접 비교하였다. 단일 패스(Single pass) 압연에 대해서 소재의 형상 및 실수율을 비교하였고, 5단 패스 압연에 대해서도 소재 형상 및 실수율을 비교하여 개발한 삼차원 후판압연 유한요소모델의 정합성을 검증하였다. 각 패스별 평면형상 면적과 실수율을 실험과 해석 결과에 대해 비교 분석하여 모델 정확도의 경향성을 검토하였다.
- Table 1 에 유한요소모델의 상세한 내용을 요약하였다. 두께가 두꺼운 판재(후판) 압연 시 작업롤의 탄성변형에 의한 소재 두께 변화 차이는 크지 않고 더욱이 소재가 고온일 때에는 그 영향성이 더욱 줄어들기 때문에 본 해석에서 작업롤은 강체로 모델링하였다.
- 홀이 시편의 선단부, 중심부, 후단부에 각각 1 개씩 있으므로 열전대를 3개 장착할 수 있다. 모든 시편이 동일한 온도에서 압연 테스트가 이루어지도록 하기 위해서 중심부 열전대에서 측정하는 온도가 1050 ℃가 될 때 압연이 시작되도록 대기 중에서 지연시간을 주었다.
- 압연방향, 폭방향, 두께방향 치수가 각각 160mm, 90mm, 60mm 인 직사각형 형태의 블록이다. 압연 중에 소재내의 온도이력을 직접 측정하기 위해서 시편의 선단부, 중심부, 후단부에 열전대(Thermo-couple)를 장착하기 위한 1 개씩의 홀(Hole)을 드릴링을 통해 가공하였다. 폭방향으로 중심부에서 온도를 측정하기 위해서 폭방향으로 중심부까지만 홀이 가공되어 있는 것을 알 수 있다.
- 냉각 효율을 높이고 냉각시 변형을 막기 위해서 시편을 세운 상태로 냉각한다. 압연된 판의 전체 형상 및 판의 선후단부 크롭 형상을 투사지(Tracing paper)를 이용하여 발췌한다. 발췌된 형상은 스케너 및 이미지 프로세서를 통해서 디지털 데이터로 저장한다.
- 온도가 800º , 900º , 1000º , 1100℃의 네 가지 경우에 대해서 변형율 속도는 0.1, 1.0, 10.0 sec -1의 세가지 경우를 조합하여 응력-변형율 그래프를 도출하였다.
- 유한요소모델에 소재의 소성 변형저항 즉, 유동응력식을 온도, 변형율 속도 및 변형율의 함수로 입력하기 위해서 GLEEBLE® 테스트를 실시하였다.
- 두번째로 판의 평면형상 예측시에 영향을 미칠 수 있는 열전달 현상을 고려하여 해석에 반영하기 위해서는 각종 열전달 계수를 실험적으로 측정해야 하는 문제점이 발생한다. 이것을 극복하기 위해서 판의 온도를 직접 측정하고 또한 대표온도를 사용하였다. 이것을 판의 평면형상 예측 모델에 반영함으로써 큰 오차 없이 정확한 평면형상 및 실수율을 예측할 수 있었다.
- 판과 롤 사이의 열전달해석을 수행하기 위해서는 각종 열전달계수 즉, 판과 롤 사이의 접촉열전달 계수, 판의 온도에 따른 열전도계수 및 열용량 계수, 판과 외부 대기와의 대류 열전달계수와 복사 열전달계수 그리고 롤의 냉각 대류 계수 등이 실험적으로 알려져야 한다. 이러한 열전달 관련 계수를 실험적으로 결정하기 위해서는 막대한 시간과 노력이 소요되므로 본 모델에서는 파이롯트 압연 테스트에서 시편 내부에 장착한 열전대 (Thermo-couple)에서 측정한 실제 온도를 판의 소성변형해석에 입력으로 제공하는 방식으로 열전달 해석을 대체하였다.
- 4(a)는 가역식 다단 패스로 해석되는 유한요소모델의 3 차원 기하학을 보여주고 있다. 작업롤과 판의 치수는 3 절에서 설명한 파이롯트 압연기 (Pilot rolling mill)에 기초하였다. 가역식이므로 판의 압연방향이 교차로 바뀌어 지는데 홀수 패스 (즉, 1 패스, 3 패스, 5 패스)에서는 오른쪽에서 왼쪽 로 그리고, 짝수 패스(즉, 2 패스 및 4 패스)에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 압연이 이루어 지도록 모델링 되었다.
- 모델에 고려된 가장 중요한 인자는 패스 라인(Path line)과 패스별 소재의 온도 변화이다. 파이롯트 열간 압연기를 대상으로 하여 해석모델을 개발하고 실제 압연을 실시하여 해석모델과 실험결과를 직접 비교하였다. 단일 패스(Single pass) 압연에 대해서 소재의 형상 및 실수율을 비교하였고, 5단 패스 압연에 대해서도 소재 형상 및 실수율을 비교하여 개발한 삼차원 후판압연 유한요소모델의 정합성을 검증하였다.
- 판이 롤러 테이블 위에서 압연기 쪽으로 이송 되고 또한 상·하 작업롤 사이에 취입되어 압연 및 유출하는 과정을 모사하기 위해서 비정상상태 (Non-steady state) 해석을 실시하였다.
- 한 패스 압연완료 후에 상·하 작업롤 사이의 롤갭을 줄여 패스진행에 따라 점차적으로 판의 두께가 줄어들도록 모델링하였다.
대상 데이터
- 본 파이롯트 압연에 사용된 소재는 0.15% 탄소강이었고 총 5 패스에 걸쳐서 압연되었다. Table 2 에 각 패스별 시편의 입측 두께와 출측 두께 및 압하율을 요약하였다.
- 2 는 테스트에 사용된 압연 시편의 형상을 나타낸 것이다. 압연방향, 폭방향, 두께방향 치수가 각각 160mm, 90mm, 60mm 인 직사각형 형태의 블록이다. 압연 중에 소재내의 온도이력을 직접 측정하기 위해서 시편의 선단부, 중심부, 후단부에 열전대(Thermo-couple)를 장착하기 위한 1 개씩의 홀(Hole)을 드릴링을 통해 가공하였다.
- 3(a)~(d)는 파이롯트 후판 압연기를 통해서 다단 패스 압연시 판의 평면형상 및 판의 압연 온도를 측정하는 테스트 절차를 보여주고 있다. 테스트에 사용된 파이롯트 후판 압연기는 작업롤만 있는 2 단 가역식 압연기로써 최대 압연하중을 500 ton 까지 전달할 수 있도록 설계되어 큰 압연 하중을 요하는 후판압연도 가능한 구조이다.
이론/모형
- 롤 바이트 내에서 판의 체류 시간이 순간적이고 측정한 판의 온도 갯수가 많지 않기 때문에 판에 연속적으로 온도를 입력하는 것은 합리적이지 않다. 따라서, 본 모델에서는 가중 체적법에 의해서 계산된 아래와 같은 판의 평균온도(TAG)를 롤 바이트 내에서 사용하였다.
- 본 연구에서는 후판의 가역식 다단 패스 유한요 소해석을 수행하기 위해서 ABAQUS ®를 도입하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 후판압연 중에 발생하는 소재의 평면형상과 실수율을 정확하게 예측할 수 있는 유한 요소모델을 제시하였다. 본 모델은 다단 및 가역적으로 이루어지는 후판압연 공정을 연속적으로 해석할 수 있고 실제 후판압연기에 설정되어 있는 패스라인의 효과를 반영하여 실제 판변형 형태와 유사한 변형을 예측할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 또한, 본 모델은 실제 후판 압연시 발생할 수 있는 여러가지 열전달 문제를 실제 판의 온도 측정 및 대표온도 모델을 통해서 간단하면서도 효과적으로 모델에 반영하고 있다.
- 이것을 판의 평면형상 예측 모델에 반영함으로써 큰 오차 없이 정확한 평면형상 및 실수율을 예측할 수 있었다. 실수율 측면에서 본 연구에서 제시한 예측모델로 계산한 값과 실제 평면형상을 측정한 값 사이의 오차는 5% 이내로 평가되었다. 본 비교는 유한요소모델에 의한 다단 후판압연 중 발생하는 소재의 평면형상 및 실수율 예측 결과를 파이롯트 열간 판압연 시험을 통한 직접적인 방법으로 검증한 새로운 시도이다.
- 7 에 각각의 온도와 변형율 속도 조합에 대해서 응력-변형율 거동이 도시되어 있다. 온도가 강하될수록 유동응력이 크게 상승하고 변형율 속도가 커질수록 유동응력이 높아지는 것을 알 수 있다.
- 예측 실수율과 측정 실수율의 편차는 패스에 관계없이 거의 비슷한 오차를 보여주고 있는데 약 5%의 오차가 있는 것으로 파악된다. 유한요소모델에 반영하기 힘든 파이롯트 압연에서의 많은 국소 인자가 존재하는 사실을 고려하면, 본 논문에서 제시한 유한요소모델이 후판 압연시 판의 실수율을 평가 하는데 있어서 매우 높은 정밀도를 가진다는 것을 알 수 있다.
- 이것을 극복하기 위해서 판의 온도를 직접 측정하고 또한 대표온도를 사용하였다. 이것을 판의 평면형상 예측 모델에 반영함으로써 큰 오차 없이 정확한 평면형상 및 실수율을 예측할 수 있었다. 실수율 측면에서 본 연구에서 제시한 예측모델로 계산한 값과 실제 평면형상을 측정한 값 사이의 오차는 5% 이내로 평가되었다.
- 첫번째로 후판압연시 판의 평면형상 및 크롭부 형상은 패스라인에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 패스라인 반영에 의해 비대칭 접촉면적 형성 및 이로 인한 해석시간이 크게 증대되지만 정확한 판의 평면형상 및 실수율 예측을 위해서는 반드시 유한요소모델에 패스라인을 반영해야 한다.
후속연구
- 패스 라인이 고려될 경우에 해석시간은 패스라인이 고려되지 않을 때에 비해 2 배 이상 걸린다. 그러나, 본 연구의 목적인 후판 압연시 판의 평면형상을 정확하기 예측하기 위해서 패스라인을 반드시 고려해야 하는지 여부는 필수적으로 고찰해야 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.