[논문]HIP(열간 등방압) 공정을 이용한 압연 롤 제조 공정의 해석 메커니즘

김웅

doi:10.5228/kstp.2023.32.3.114

HIP(열간 등방압) 공정을 이용한 압연 롤 제조 공정의 해석 메커니즘
Analysis Mechanism of Roll Forming Manufacturing Process using HIP (Hot Isostatic Press) Process 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.3, 2023년, pp.114 - 121

김웅 (코나솔, SimCenter)

Abstract ▼ AI-Helper

During rolling, rolling mill rolls endure wear when shaping metal billets into a desired form, such as bars, plates, and shapes. Such wear affects the lifespan of the rolls and product quality. Therefore, in addition to rigidity, wear performance is a key factor influencing the performance of rolling mill rolls. Conventional methods such as casting and forging have been used to manufacture rolling mill rolls. However, powder alloying methods are increasingly being adopted to enhance wear resistance. These powder manufacturing methods include atomization, canning to shape the powder, hot isostatic pressing to combine the powder alloy with conventional metals, and various wear performance tests on rolls prepared with powder alloys. In this study, numerical simulations and experimental tests were used to develop and elucidate the wear analysis mechanism of rolling mill rolls. The wear characteristics of the rolls under various rolling conditions were analyzed. In addition, experimental tests (wear and surface analysis tests) and wear theory (Archard wear model) were used to evaluate wear. These tests were performed on two different materials in various powder states to evaluate the different aspects of wear resistance. In particular, this study identifies the factors influencing the wear behavior of rolling mill rolls and proposes an analytical approach based on the actual production of products. The developed wear analysis mechanism can serve the future development of rolls with high wear resistance using new materials. Moreover, it can be applied in the mechanical and wear performance testing of new products.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Manufacturing process of alloy metal for rolled products
그림 Fig. 2 EIGA (electrode induction melting gas atomization) equipment & powder (H&F-material)
$Fig. 3 (a) Volume fraction of fluid A; (b) Volume fraction of fluid B$ 그림 Fig. 3 (a) Volume fraction of fluid A; (b) Volume fraction of fluid B
그림 Fig. 4 (a) Design of powder & shaft; (b) After canning process
그림 Fig. 5 Powder filling analysis
그림 Fig. 6 HIP equipment
그림 Fig. 7 Temp. & press profile of HIP process
그림 Fig. 8 (a) Deformation profile after HIP process; (b) Relative density
그림 Fig. 9 Powder of H-material & F-material
그림 Fig. 10 Wear test of H-material & F-material
그림 Fig. 11 Friction Coefficient of H-material & F-material
그림 Fig. 12 SEM of H-material & F-material
그림 Fig. 13 Axisymmetric model of rolling roll wear analysis
그림 Fig. 15 Wear depth of H&F material
그림 Fig. 14 (a) Profile of billet; (b) Reaction force of roll
그림 Fig. 16 (a) Maximum principal stress of H-material; (b) Maximum principal stress of F-material

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 HIP 공정 후의 변형 Profile과 상대밀도를 해석을 통하여 예측하여 NNS을 위한 설계 가이드로 활용하기 위하여 연구 진행 중이다. 그림 8은 Porous Metal Plasticity의 HIP공정 후 변형 Profile과 상대밀도를 나타낸다.
본 연구에서는 정통적인 압연 롤 제조 공정인 주조, 단조 등과 비교하여, 상대적으로 내마모성과 강성을 높이는 제조 방법 중 하나인 분말 합금 공정에 의한 압연 롤 제조공정을 연구한다. 특히 압연롤의 여러 특성 중 하나인 마모에 대한 실험적 연구뿐만 아니라 비용적, 시간적으로 유리한 시뮬레이션을 통하여 신뢰성 높은 제품을 제조하는 것이 목적이다.
본 연구에서는 정통적인 압연 롤 제조 공정인 주조, 단조 등과 비교하여, 상대적으로 내마모성과 강성을 높이는 제조 방법 중 하나인 분말 합금 공정에 의한 압연 롤 제조공정을 연구한다. 특히 압연롤의 여러 특성 중 하나인 마모에 대한 실험적 연구뿐만 아니라 비용적, 시간적으로 유리한 시뮬레이션을 통하여 신뢰성 높은 제품을 제조하는 것이 목적이다.

가설 설정

간단하게 설명하면, DPM은 Lagrangian 관점과 불연속 관점에서의 입자 거동을 조사하게 된다. Lagrangian와 Euler의 차이점은 유체 거동이 추적 된다는 것이며, 미립자 흐름의 입자 추적을 기반으로 하는 반면, Euler는 유체 거동의 유체 흐름 경로에서 유한 체적 요소의 가정이다. 즉, Particle에 대해서는 Lagrangian로 계산하고, Particle를 포함한 Fluid는 Euler로 계산하는 방법이다.
Archard Wear Model은 재료의 마모율과 적용된 하중 및 슬라이딩 거리 사이의 관계를 설명하는 널리 사용되는 경험적 모델이다. 이 모델은 마모율이 일반하중, 슬라이딩 거리 및 마모 계수로 알려진 무차원 상수에 비례한다고 가정한다. 마모 계수는 마모에 대한 재료의 저항을 나타내며 일반적으로 실험적으로 결정된다.

제안 방법

본 연구에서는 H재질과 F재질의 2가지 분말에 의해 만들어진 압연 롤의 마모 특성에 대하여 해석적 검증을 한다. 실험적으로는 2가지 재질의 고온 내마모 시험을 통하여 비교 검증하였으며, 조직 분석을 통해서도 내마모 성능을 예측한다.
본 연구에서는 H재질과 F재질의 2가지 분말에 의해 만들어진 압연 롤의 마모 특성에 대하여 해석적 검증을 한다. 실험적으로는 2가지 재질의 고온 내마모 시험을 통하여 비교 검증하였으며, 조직 분석을 통해서도 내마모 성능을 예측한다.

대상 데이터

그림 10은 고온 내마모 시험 후의 질량 감소량을 나타낸다. H재질은 -5.27E-03, F재질은 -9.43E-03으로 H재질은 F재질 대비 약 56% 마모 후 질량 감소량에서 우수한 성능을 나타낸다.
이러한 분말 소재는 높은 표면적과 활성화를 얻어 다양한 응용 분야에 활용된다. 본 연구에서는 특히 분말 합금강을 만들기 위한 EIGA장비를 이용하여 분말을 제조한다.
분말부터 Canning, HIP 공정을 거쳐 만들어진 합금강 압연 롤은 철강 제조 공정에서 사용된다. 서론에서 설명한 것과 같이, 압연 롤은 마모성이 중요한 성능 중에 하나이다.
본 연구에서는 이러한 2가지 재질의 마모 성능 검증을 위하여 Archard Wear Model을 이용한 해석을 함께 검증한다. 해석에 사용된 모델은 제철 공정의 특정 스탠드에서의 롤이다.

이론/모형

(3) 마모에 대한 이론(Archard Wear Model) 적용 결과와 실 제품에서의 적용 결과를 검증 가능하다: H&F재질의 압연 롤 제품의 마모 성능을 검증하기 위하여 Archard Wear Model을 적용한다
Atomization공정의 해석적 검증을 위하여 DPM(discrete phase model)의 해석 메커니즘을 이용한다. 간단하게 설명하면, DPM은 Lagrangian 관점과 불연속 관점에서의 입자 거동을 조사하게 된다.
열과 압력이 가해지는 HIP공정은 정통적인 열-구조 해석을 통하여 검증 가능하다. 단, 일반적인 재질이 아닌 분말에서 고체로 변하는 연속체를 해석하기 위하여 Porous Metal Plasticity 모델의 기계적 물성을 이용한다. Porous Metal Plasticity는 다공성 금속 소재의 변형 및 무너짐에 대하여 물리적 모델 및 현상을 규명하는데 사용된다.
본 연구에서는 이러한 2가지 재질의 마모 성능 검증을 위하여 Archard Wear Model을 이용한 해석을 함께 검증한다. 해석에 사용된 모델은 제철 공정의 특정 스탠드에서의 롤이다.

성능/효과

F재질의 최대 주응력은 1786MPa, H재질의 최대 주응력은 2452MPa이다. 강성 해석의 결과 F재질은 785MPa, H재질은 950MPa로, 두 재질 모두 최대 주응력 이하이므로 파괴가 일어나지 않으며, 파괴 안전율 대비로는 F재질은 227%, H재질은 259%로 H재질이 F재질 대비 약 13%로 파괴에서도 유리하다.

후속연구

(4) 신제품 개발에 중요한 요소인 마모에 대한 해석 검증으로 활용 가능하다: 전반적 압연 공정에 대한 해석 메커니즘 적용을 통하여, H재질 개발에 적용하고 있으며 향후 H재질 보다 강성 및 내마모성이 높은 재질을 개발 중이며, 다른 여러 개발 제품에 적용 및 활용 가능하다.
균일한 크기의 분말 생산, HIP을 하기위한 충진, HIP 공정을 통하여 만들어진 압연 롤은 필드에 적용하기 전에 압연 롤 제품에 대한 신뢰성을 사전에 검증하고 개선할 수 있다고 판단된다.
본 연구에서는 Atomizing Process의 공정 변수(노즐설계, 분사 속도, 온도 등)를 제어하며, 최대한 일정한 크기의 분말을 생산할 수 있는 최적 조건 해석을 진행 중이며, 본 연구에 한하여 상세 결과는 생략한다. 그림 3은 EIGA장비의 간단한 모델을 선정하여 내부 유체와 Fluid의 Volume Fraction을 나타낸다.
본 연구와 같이 합금강으로 만들어지는 압연 롤 전 공정에 대하여 해석 메커니즘을 통하여 신뢰성 있는 제품 개발이 가능하다고 판단된다.

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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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