철강산업에서, 냉연강판제조는 국가의 산업 경쟁력과 높은 부가가치를 창조하기 위한 전 후방 산업의 핵심 중의 하나이다. 특히 중소기업에서, 주요 문제 중의 하나는 소둔공정에서 일어나는 냉연강판의 탄화 현상이다. 이러한 냉간압연 강판 코일의 표면에서 발생하는 탄화는 생산을 감소시키는데 영향을 미친다. 냉간압연 강판 코일 표면의 탄화 현상의 원인을 규명하기 위해 여러 가지 실험을 실시한 결과, 다음과 같은 결과가 얻어졌다. (1) 현장에서 사용되는 압연유의 분석으로부터, 약 40 ppm 정도의 탄화 물질이 포함되어 있음을 발견하였다. (2) FT-IR 분석에 의한 신 압연유와 사용 압연유의 열 변성 특성 비교에서, 2900 및 $1750cm^{-1}$ 피크의 상대 높이 강도가 현저히 감소한 것으로부터 열 변성이 일어났음을 나타내었다. (3) 압연유의 열분해는 $220^{\circ}C$ 부근에서 일어나는 것으로 나타났다. 또한, $200^{\circ}C$에서의 소둔 실험은 시료의 탄화 현상이 실질적으로 관찰되지 않음을 보여 주었다. 그러나 $240^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 탄화가 관찰되었다.
철강산업에서, 냉연강판제조는 국가의 산업 경쟁력과 높은 부가가치를 창조하기 위한 전 후방 산업의 핵심 중의 하나이다. 특히 중소기업에서, 주요 문제 중의 하나는 소둔공정에서 일어나는 냉연강판의 탄화 현상이다. 이러한 냉간압연 강판 코일의 표면에서 발생하는 탄화는 생산을 감소시키는데 영향을 미친다. 냉간압연 강판 코일 표면의 탄화 현상의 원인을 규명하기 위해 여러 가지 실험을 실시한 결과, 다음과 같은 결과가 얻어졌다. (1) 현장에서 사용되는 압연유의 분석으로부터, 약 40 ppm 정도의 탄화 물질이 포함되어 있음을 발견하였다. (2) FT-IR 분석에 의한 신 압연유와 사용 압연유의 열 변성 특성 비교에서, 2900 및 $1750cm^{-1}$ 피크의 상대 높이 강도가 현저히 감소한 것으로부터 열 변성이 일어났음을 나타내었다. (3) 압연유의 열분해는 $220^{\circ}C$ 부근에서 일어나는 것으로 나타났다. 또한, $200^{\circ}C$에서의 소둔 실험은 시료의 탄화 현상이 실질적으로 관찰되지 않음을 보여 주었다. 그러나 $240^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 탄화가 관찰되었다.
In steel industries, cold-rolled sheet manufacturing is one of the links between the front and rear important industries for national competitiveness and high value-added production. In particular, in small and medium-sized enterprises, one of the major problems is the carbonization phenomenon of th...
In steel industries, cold-rolled sheet manufacturing is one of the links between the front and rear important industries for national competitiveness and high value-added production. In particular, in small and medium-sized enterprises, one of the major problems is the carbonization phenomenon of the steel sheet during the annealing process. Carbonization occurring on the surface of the coil help reduce steel production. After conducting various experiments to identify the cause of carbonization on the surface of a cold-rolled steel, the following results were obtained: (1) An analysis of the rolling oil, which is used in the field, revealed it to contain approximately 40 ppm carbonized material. (2) A comparison of the thermal denaturation characteristics of the fresh rolling oil and using rolling oil by FT-IR analysis showed that thermal denaturation had occurred, as shown by the significant decrease in the relative intensity of the 2900 and $1750cm^{-1}$ peaks. (3) The thermal decomposition of the rolling oil took place for the rolling oil at approximately $220^{\circ}C$. Furthermore, annealing experiments at $200^{\circ}C$ showed that the carbonization phenomenon of the sample was not observed. On the other hand, carbonization was observed at temperatures higher than $240^{\circ}C$.
In steel industries, cold-rolled sheet manufacturing is one of the links between the front and rear important industries for national competitiveness and high value-added production. In particular, in small and medium-sized enterprises, one of the major problems is the carbonization phenomenon of the steel sheet during the annealing process. Carbonization occurring on the surface of the coil help reduce steel production. After conducting various experiments to identify the cause of carbonization on the surface of a cold-rolled steel, the following results were obtained: (1) An analysis of the rolling oil, which is used in the field, revealed it to contain approximately 40 ppm carbonized material. (2) A comparison of the thermal denaturation characteristics of the fresh rolling oil and using rolling oil by FT-IR analysis showed that thermal denaturation had occurred, as shown by the significant decrease in the relative intensity of the 2900 and $1750cm^{-1}$ peaks. (3) The thermal decomposition of the rolling oil took place for the rolling oil at approximately $220^{\circ}C$. Furthermore, annealing experiments at $200^{\circ}C$ showed that the carbonization phenomenon of the sample was not observed. On the other hand, carbonization was observed at temperatures higher than $240^{\circ}C$.
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문제 정의
본 논문은 BAF 소둔공정에서 발생하는 냉연강판표면의 탄화현상에 관한 것으로, BAF 소둔 특성과 탄화 원인에 대한 특성을 분석을 통해 탄화원인을 규명하고 저감방안을 제시하였다.
제안 방법
SEM 분석을 위해, 신유(新油) 또는 탄화(炭化)된 압연유가 묻은 냉연강판을 채취하여 강판의 표면 분석을 실시하였다.
따라서 신유를 둥근 플라스크에 넣은 후 천천히 가열시켜 열변성을 관찰하였다.
본 연구에서는 미제거(未除去)된 압연유가 냉연강판에 코팅되어 소둔공정에서 탄화원인물질로 작용하는 것으로 추정하였고, 이를 위해 소둔 전(前)과 후(後)의 강판의 표면을 SEM으로 분석하였다.
소둔 simulation실험을 위해, 현장 소둔조건을 분석하였는데, 현장에서는 소둔을 위해 2단계 승온을 실시하고 있었다.
소둔공정에서 발생하는 탄화현상 저감연구를 위해서, simulation 장치를 제작하였다.
소둔공정에서 일어나는 냉연강판표면의 탄화현상을 조사하기 위해 Test Rig를 이용한 소둔실험을 실시하였다.
압연유의 열변성 실험결과로부터, 압연유는 대체로 220 ℃ 부근에서 탄화가 시작되는 것으로 조사되었기 때문에, 220℃ 보다 낮은 온도에서 소둔할 경우 압연유의 열변성이 없을 것으로 판단하였고, 열변성이 나타나지 않으면 탄화현상이 나타나지 않을 것이라 사료되어, 200℃에서 탄화실험을 실시하였으며, 실험결과는 Fig. 8 에 나타내었다.
이때 발생하는 잔류응력을 제거하기 위해 소둔로(Annealing Line)에서 열처리를 하며, 최종적으로 기계적 성질 개선과 표면사상 및 형상을 수요가의 요구에 맞도록 0.3∼3.0%의 압하율로 가볍게 Skin Pass Mill(SPM)을 이용하여 압연한다.
즉, 압연유가 코팅된 냉연강판을 SEM(Scanning electron microscope, 제작사: JEOL, model: JSM 5410LV) 사진을 통해 그 특성을 비교하였다.
한편 압연유의 변성 특성을 고찰하기 위해 FT-IR Spectrometer(제조사 : JASCO, 모델명 : FT/IR-620)로 압연유의 열변성 전·후(前·後)의 특성(特性) peak 변화를 조사하였다.
현장과 유사한 조건에서 온도에 따른 열변성을 관찰하기 위해, 상온에서 0.27 ℃/min으로 압연유를 승온시켜, 압연유의 색 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
소둔를 위해 현장에서는 96 % 질소와 4 ∼ 6 %의수소로 구성된 분위기 가스를 사용하는데, 본 연구에서는 질소 95%와 5%수소로 구성된 분위기 가스를 사용하였다.
성능/효과
그러나, 시편무게 변화를 측정하여 분석한 결과, 약약 99 %의 압연유가 소둔과정에서 휘발되는 것으로 나타나, 비록 저온 소둔이라도 신유인 경우에는 대부분의 압연유가 소둔과정에서 제거되는 것으로 나타났다.
넷째 압연유의 열변성은 218℃에서 시작되었고, 온도가 올라갈수록 탄화에 의해 색이 짙어 지는 것을 관찰할수 있었다.
다섯째, 압연유의 열변성보다 낮은 200℃에서 소둔실험을 진행한 결과, 시편의 탄화 현상은 거의 관찰되지 않았지만, 약 99 %의 압연유가 이 공정에서 휘발되는 것으로 나타났다.
둘째, 소둔 전 냉연강판을 채취하여 SEM으로 분석한 결과, 시편 표면에서 탄화현상을 일으키는 탄화물이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 압연유는 220 ℃ 부근에서 열변성이 일어나고, 온도가 올라갈수록 열변성이 더욱 진행 되는 것으로 나타났다.
그러나 이 현상은 분위기 가스와 직접 접촉하는 시편의 표면에서만 일어나고, 내부에 적치된 시편에서는 탄화 현상이 약하게 일어 나는 것으로 나타났다. 또한 압연유가 얇고, 강판 표면에 고르게 코팅될 경우에는 탄화현상이 더욱 적어지는 것으로 나타났다.
또한, 내부에 적치된 시편 중, 왼편은 압연유가 비교적 고르게 코팅된 경우고, 중간은 압연유가 과량으로 코팅된 경우이며, 오른쪽은 중간과 겹친 것으로, 고르게 얇게 코팅된 부분에서 압연유의 탄화 현상은 거의 일어나지 않는 반면, 압연유가 많이 코팅되면 탄화가 많이 일어나는 것을 알 수 있다.
또한, 분위기가스와 직접 접촉을 피하기 위한 장치를 개발하여 도입할 경우, 소둔공정에서 압연유의 탄화를 저감할 수 있을 것으로 사료되었다.
셋째, 압연유의 열변성 특성을 비교분석하기 위해 FT-IR 분석을 추진한 결과, 2900 cm-1에서 C-H peak를, 1750 cm-1에서 C=O peak를 관찰할 수 있었고, 이것들은 열변성 후, 크게 감소하는 것으로 나타났는데, 이것으로부터 압연유의 열변성을 입증할 수 있었다.
여섯째, 현장의 소둔온도와 유사한 700℃에서 소둔실 험을 진행한 결과, 시편의 탄화 현상이 현장처럼 강하게 일어나는 것을 관찰 할 수 있었다. 그러나 이 현상은 분위기 가스와 직접 접촉하는 시편의 표면에서만 일어나고, 내부에 적치된 시편에서는 탄화 현상이 약하게 일어 나는 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터, 압연유 중의 탄화물을 제거하고, 압연 후 소둔공정으로 가기 전에 냉연강판 표면에 흡착된 압연유를 최대한 제거하면, 냉연코일의 탄화현상을 저감할 수 있을 것으로 판단되었다.
즉 압연유는 많은 CH와 CO 기를 갖고 있는데, 이들 특성기들은 열변성에 의해 변화될 것으로 추정되기 때문에, 압연유의 특성기 변화를 FT-IR로 조사하면, 열변성을 확인할 수 있을 것으로 판단하였다.
첫째, 현장에 사용하고 있는 압연유 중의 탄화물질을 분석한 결과 약 40 ppm 정도의 탄화물이 함유되어 있음을 알 수 있었다.
현장 압연유를 채취하여 탄화물질 함량을 분석한 결과, 약 40 ppm정도 포함되어 있는 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 분위기가스와 직접접촉을 줄이고, 이와 같은 현상을 고려한 장치를 개발할 경우, 분위기 가스에 의한 탄화를 크게 저감할 수 있을 것으로 사료된다.
이와 같은 소둔 공정은 제품의 종류에 따라 승온 온도와 승온 시간이 다르게 구성하기 때문에, 각 회사에 적합한 최적 소둔기술 개발은 생산성 및 경쟁력 향상을 위해 반드시 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄화현상으로 인한 문제점은?
즉 냉연강판표면에 나타난 탄화현상은 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 발생한 표면 불량 부분을 절삭제거(切削除去)하는데, 이로 인한 생산성 저하와 인건 비의 낭비가 발생하고 있다.
BAF 소둔공정의 특징과 문제점은?
BAF 소둔공정(annealing process)은 에너지의 소모가 크고, 강판의 표면 상태 및 강의 품질에 결정적인 영향을 미치므로, BAF 소둔공정을 최적으로 유지하는 것이 중요한데, 현재 이 방식으로 냉연강판을 소둔할 때 가장 문제가 되고 있는 것은 강판표면에 나타나는 탄화현상(炭 化懸象)이다.
일반적으로 냉연제품에 대기업과 중소기업은 각각 어떠한 소둔기술을 채택하였나?
즉 2차 가공을 통해, 냉연제품에 높은 내식성, 도장성 등을 부가해야 하는데, 이를 위해서는 강판표면에 결정 적인 영향을 주는 고급 소둔기술(燒鈍技術)이 필요하다.[4] 일반적으로, 대기업에서는 CAL(Continuous Annealing Line: 연속어닐링설비) 방식을, 그리고 중소기업에서는 BAF(Batch Annealing Furnace: 상자어닐링설비) 방식의 냉연코일 소둔공정이 채택되고 있다.
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