[논문]FEM을 이용한 H형강 압연공정 해석

박춘수; 김정민; 우기만

FEM을 이용한 H형강 압연공정 해석
Simulation of H-beam rolling process using FEM 원문보기

박춘수 (동국제강(주) 중앙기술연구소) , 김정민 (동국제강(주) 중앙기술연구소) , 우기만 (동국제강(주) 중앙기술연구소)

It is most important to design the roll pass in shape rolling process. However, roll pass design has been accomplished by experience and intuition of a skilled engineer up to now. And it has being produced throughout a lot of trial and error. Thus, in this study, we tried to analysis the rolling process of H-beam by using FEM program for the quantitative evaluation of the plastic deformation. It could be predicted that rolling load, torque, shape of cross section and distribution of effective strain each pass by the analysis of rolling from break down mill(2 Hi rolling) to finishing rolling(Universal rolling) considering the heat transfer.

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문제 정의

그래서 본 연구에서는 소성변형의 정량적인 검토를 위해 소성 전문 FEM 프로그램을 이용하여 H형강 압연 전 공정의 해석을 시도하였다. H형강 대표 Size의 Break Down 압연에서부터 Finishing 압연공정까지, 2HiRoll압연 및 Universal압연은 물론 공정간 열전달까지 해석하여 각 Pass별 단면형상 및 유효변형율의 분포 그리고 가장 중요한 조업기준인 압연 하중 및 압연토크 등을 예측할 수 있었다.
1은 1번 stand에서의 Lagrangian방법과 ALE방법에 의한 해석 결과를 비교한 그림으로 압연 후의 Effective Strain분포가 거의 동일함을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 계산시간 등 여러 장점이 있는 ALE 해석기법을 이용한 압연공정 해석을 수행하였다.
본 연구의 목표는 FEM 해석을 통한 현 조업조건의 적합성 평가 및 개선사항 도출에 있으며, 이를 달성하기 위하여 H 형강 대표 Size 의 Break Down 압연에서부터 Finishing 압연까지 압연 전 공정을 Simulation 하였으며, 개선사항 도출을 통한 압연공정 최적화를 시도하였다.

제안 방법

그래서 본 연구에서는 소성변형의 정량적인 검토를 위해 소성 전문 FEM 프로그램을 이용하여 H형강 압연 전 공정의 해석을 시도하였다. H형강 대표 Size의 Break Down 압연에서부터 Finishing 압연공정까지, 2HiRoll압연 및 Universal압연은 물론 공정간 열전달까지 해석하여 각 Pass별 단면형상 및 유효변형율의 분포 그리고 가장 중요한 조업기준인 압연 하중 및 압연토크 등을 예측할 수 있었다. 해석 결과 조업 측정치와 경향성은 거의 일치하였으나, 이상화/이산화된 해석 모델의 특성상 절대치에서다소 오차가 있음을 알 수 있었다.
7 로 하였다. 또한 압연 패스간에 일어나는 열전달도 고려하여 해석을 수행하였다.
2는 압연템플릿을 이용하여 소재와 Roll의 단면정보로부터 자동으로 3차원 모델을 생성하는 일련의 과정을 보여준다. 또한 압연공정의 특성인 다단공정을 일괄적으로 Setup하고 순차적으로 해석할 수 있었다.

대상 데이터

H형강의 기하학적 특성상 소재는 1/4모델을 사용하였으며, 압연해석의 경우는 Roll과 소재는 τ=mk인 일정전단마찰(Constant Shear Friction)에 의해 압연되도록 설정하였으며 마찰정수비는 m=0.7 로 하였다. 또한 압연 패스간에 일어나는 열전달도 고려하여 해석을 수행하였다.
압연 소재는 열간압연 일반강재인 SS400강종을 대상으로 하였으나 고온 물성치 미보유로 이와 탄소함유량이 가장 유사한(0.16%C) AIS1-I016의 실험 데이터를 사용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

H형강의 압연공정 해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 DEF0RM-3D의 Shape Rolling Template 를 사용하였다[4].

성능/효과

Break Down 및 Finishing 압연 다단공정 해석을 통해 Fig. 5와 같이 각 패스별 소재 단면형상 및 유효변형율(Effective Strain)분포를 확인할 수 있었으며, 실제 제품에서 확인되는 바와 같이 Web부 코너R에 변형이 집중되는 것도 확인할 수 있었다.
6은 압연 전 공정의 온도 변화를 나타내고 있다 측정위치는 web중앙부와 Flange 1/4지점으로 하였다. Break Down압연공정에서는 Flange에 비해 Web이 압하량이 많기 때문에 가공발열에 의해 온도가 높음을 알 수 있고, Finishing 압연공정에서는 두께차에 의한 냉각효과로 인해 Web이 빨리 냉각됨을 확인할 수 있었다. 설비 및 조업여건상 2개소에서 정확한 온도측정이 가능하여 해석결과와 비교한 결과 비교적 일치하는 것을 알 수 있다
Break Down압연공정에서는 Flange에 비해 Web이 압하량이 많기 때문에 가공발열에 의해 온도가 높음을 알 수 있고, Finishing 압연공정에서는 두께차에 의한 냉각효과로 인해 Web이 빨리 냉각됨을 확인할 수 있었다. 설비 및 조업여건상 2개소에서 정확한 온도측정이 가능하여 해석결과와 비교한 결과 비교적 일치하는 것을 알 수 있다
해석해는 자유표면에 수직인 속도성분 및 주요 상태변수의 변화가 없을 때 정상상태에 도달한다. 이 방법을 사용함으로써, 변형이 일어나는 구간에 많은 수의 요소를 사용하고, 변형이 없는 나머지 구간에 적은 수의 요소를 사용함으로써, 해석의 정도를 증가하면서 해석시간을 줄일 수 있다. 또한 고정된 길이의 압연 형재의 사용은 정상상태의 압연형상을 충분히 예측할 수 있게 한다.
특히 Finishing압연공정 Setup시 Fig. 3과 같이 몇 개의 형상정보만으로 Universal Roll이 구성되도록 DEFORM 개발사와 공동으로 기능을 추가하여 Setup시의 노력을 최소화 할 수 있었다.
H형강 대표 Size의 Break Down 압연에서부터 Finishing 압연공정까지, 2HiRoll압연 및 Universal압연은 물론 공정간 열전달까지 해석하여 각 Pass별 단면형상 및 유효변형율의 분포 그리고 가장 중요한 조업기준인 압연 하중 및 압연토크 등을 예측할 수 있었다. 해석 결과 조업 측정치와 경향성은 거의 일치하였으나, 이상화/이산화된 해석 모델의 특성상 절대치에서다소 오차가 있음을 알 수 있었다.

후속연구

8의 압연 토크는 실제 압연설비에서 측정이 불가하므로 모터의 전류치를 환산하여 나타내었다. 비교적 오차가 크지만 경향성은 확인할 수 있었으며 이러한 오차들은 Ro!l과 소재의 접촉 정도의 영향이 크므로 향후 Mesh Study를 통해 줄여 나갈 수 있을 것으로 사료된다.
또한 이러한 현상분석을 통해서 조업시 문제가 되는 공정의 개선이 가능할 것이며, 특히 개발 초기에 적극 활용된다면 개발비용 절감에 상당한 기여를 할 수 있을 것이다.

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