압연기의 열 기계적 제어 처리

압연기의 열 기계적 제어 처리

열 기계 제어 처리(TMCP)는 압연기에서 열간 변형 공정을 제어하여 재료의 기계적 특성을 개선하도록 설계된 기술입니다. 이것은 원래 제품의 필요한 외부 형상을 생성하도록 설계되었습니다. 제어 압연, 제어 냉각 및 직접 담금질은 열 기계 제어 처리의 전형적인 예입니다. 이러한 가공은 열간 변형 후 열처리를 최소화하거나 제거하여 철강 제조시 에너지를 절약하여 고급강의 생산성을 높입니다. 일반적으로 합금 설계의 변경이 필요하고 종종 열간 변형 공정 자체의 생산성을 감소시키지만 동시에 합금 추가의 총량을 줄이고 용접성을 개선하는 동시에 때때로 새롭고 유익한 특성을 생성할 수 있습니다. 강철.

TMCP 공정은 주요 합금 원소의 추가 및 기존 열처리와 관련된 문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 장점이 있습니다. 미세 합금이 추가된 TMCP 강은 결정립 미세화를 통해 강도, 인성 및 용접성의 상충되는 요구 사항을 관리하기 위해 개발되었습니다. TMCP는 예열 온도를 효과적으로 낮추어 압연 비용을 낮춥니다. TMCP 강재는 용접성이 우수하여 조선, 해양 구조물, 파이프라인 및 건축 건설과 같은 산업에서 높은 평가를 받고 있습니다.

TMCP는 압연되는 강재의 미세 구조를 제어하기 위해 단일 생산 단계에서 잘 정의된 변형 작업과 잘 정의된 열처리의 정교한 조합입니다. TMCP는 원하는 외부 품질(치수, 모양 및 표면 품질)과 허용 가능한 기계적 특성을 가진 강철을 생산합니다. TMCP는 일반적으로 철강 생산의 마지막 단계로 간주됩니다.

TMCP는 일반적으로 열간 스트립 밀, 플레이트 밀, 바 및 로드 밀의 열간 압연 작업과 관련이 있습니다. 예를 들어, 열간 스트립 밀에서 저탄소강 등급의 열간 스트립을 생산하는 경우 온도, 압연 속도, 압연 감소 및 런아웃 냉각 패턴과 관련하여 마무리 트레인에서 제어 압연의 다양한 매개변수가 신중하게 선택됩니다. 핫 스트립의 원하는 기계적 특성을 생성합니다. 전통적으로, 이러한 TMCP의 초점은 열간 압연 후에 원하는 기계적 특성을 제공하는 미세구조를 생성하는 야금학적 측면에 있었습니다. 모양 및 평탄도, 게이지 일관성, 표면 품질 등과 같은 외부 품질 측면은 제품 야금 및 가공 관행과 밀접한 관련이 있지만 훨씬 덜 주목받고 있습니다.

역사적 측면

상업 생산에 열 기계 가공이 처음 도입된 것은 1950년대 조선용 40kgf/sq mm 등급의 탄소(C)-망간(Mn) 강판의 제어 압연이었습니다. 1945년 이후에는 연성의 개념과 구별되는 인성의 개념 및 노치 인성이 조선 및 기타 구조용 강판의 요구 사항이 되었습니다. 1950년대에는 Mn/C 비율의 증가, 알루미늄(Al) 첨가에 의한 탈산, Al 킬드강의 노멀라이징이 모두 노치 인성 향상을 위해 채택되었습니다. 이때 페라이트(알파) 입자 크기를 미세화하여 연성에서 취성으로의 전이 온도를 낮출 수 있다는 개념도 확립되었습니다.

1960년대 초부터 압연 온도가 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구로부터 결정립 크기를 미세화하기 위해 제어된 온도에서의 압연 절차가 개발되었습니다. 제어 압연은 합금 첨가 감소 및 용접성 향상에 크게 기여했습니다. 이러한 발전으로 인해 주로 파이프라인에 사용되는 강하고 질긴 강철이 상당량 생산되었습니다.

제어 압연은 상대적으로 낮은 생산성을 나타내었지만, 상대적으로 낮은 온도에서 수행하여 향상된 수준의 강도 및 인성을 얻을 수 있었습니다. 제어 압연 공정은 결정립 미세화를 기반으로 하므로 항복 강도와 인성을 향상시킬 수 있지만 합금 없이는 인장 강도를 향상시킬 수 없습니다. 따라서 이 공정에서는 용접성의 개선이 제한적이었습니다.

1970년대 후반부터 강도와 인성을 모두 향상시키는 TMCP와 용접성을 향상시키는 미세합금의 결합을 시도하고 있다. TMCP를 제어 압연과 함께 사용하면 가속 냉각을 통해 오스테나이트(감마)에서 페라이트(알파)로의 변태를 제어할 수 있습니다. TMCP는 이제 우수한 용접성을 지닌 더 강하고 더 강한 강재의 생산에 널리 사용됩니다.

저온 압연 및 직접 담금질 후 가속 냉각을 제공하는 수냉식 TMCP를 사용하는 현재 접근 방식은 1980년대에 크게 개선되었습니다. 연속 온라인 제어 프로세스는 광범위한 냉각 매개변수(예:열 전달 계수) 및 오스테나이트 조건(예:미가공, 재결정 또는 재결정)을 다루며 다양한 강철 속성을 생성합니다.

냉각 장비에는 여러 개념이 사용됩니다. 가장 정교한 현재 구성 중 하나에서 플레이트는 수냉 전에 레벨러에 의해 평평해집니다. 이 절차는 플레이트 평면 전체에 걸쳐 균일한 냉각을 달성하고 균질한 기계적 특성을 실현하기 위해 광범위한 냉각 속도에 걸쳐 효과적입니다.

TMCP 프로세스

TMCP에는 여러 프로세스가 있습니다. 이러한 프로세스는 대체로 다음 세 가지 주요 범주로 나뉩니다.

• 아직 완전히 오스테나이트(Ar3 온도 이상)인 정규화 온도에서 제어된 롤다운 후 약 10℃/초의 급속 냉각. 이 공정의 목적은 압연을 제어하여 입자 크기를 미세화하고 강인한 베이나이트 대신 페라이트 및 펄라이트의 형성을 억제하여 강도를 높이는 것입니다.
• 오스테나이트 페라이트 혼합 영역에서 Ar3 이상과 그 이하 온도 모두에서 압연을 제어했습니다. 오스테나이트 결정립 미세화와 함께 재결정된 결정립이 평평해지고 변형에 의해 미세한 페라이트의 핵 생성이 촉진됩니다. Ar1 이상의 온도에서 제어 압연이 중단되고 실온 또는 중간 온도로 급속 냉각됩니다.
• 제어 압연은 예비 처리의 일부로 수행된 다음 Ar3 온도 바로 위까지 냉각 및 재가열한 다음 Ar1 온도보다 훨씬 낮은 온도까지 급속 냉각합니다. 이 기술의 목적은 제어 냉각이 시작되기 전에 가장 미세한 등축 오스테나이트 입자 크기를 개발하는 것입니다.

변형 온도와 변형률을 적절히 선택하여 강철의 강도를 높일 수 있습니다. TMCP 강재의 강도는 동일한 조성의 정규화 강재보다 높습니다. 따라서 TMCP 강철은 동일한 강도의 기존 정규화 강철보다 더 희박한 구성(낮은 합금 함량)을 갖습니다.

TMCP의 야금학적 특성

TMCP에 의한 미세구조 제어의 개념은 그림 1에 개략적으로 제시되어 있다. TMCP는 강화된 인성과 더불어 페라이트 및 베이나이트로의 변태를 이용하여 고강도를 달성하는 반면, 제어 압연 기술은 주로 페라이트 미세조직의 미세화를 통해 인성을 향상시킨다. 가속 냉각은 임계(오스테나이트 + 페라이트 영역) 압연에 비해 높은 생산성을 제공하고 분리 현상을 통한 흡수 에너지의 감소를 최소화합니다. TMCP는 (i) 제어 압연 및 (ii) 후속 가속 냉각 공정의 두 단계로 구성됩니다. 압연 단계에서 오스테나이트 결정립은 팬케이크 모양으로 늘어나서 돌출부 및 변형 밴드와 같은 결정학적 불연속성이 발생합니다. 이러한 선반과 변형 밴드는 압연 온도가 충분히 낮을 때(800℃ 미만) 가속 냉각이 시작될 때까지 유지됩니다.

그림 1 미세구조 제어와 Nb 침전의 개념과 그 효과

재결정은 온도가 충분히 높을 때(900℃ 이상) 일어나며, 변형에 의해 유도된 대부분의 돌출부 및 변형 밴드가 사라집니다. 유지 변형 렛지 및 밴드는 오스테나이트가 페라이트로 변태하는 잠재적인 불균질 핵 생성 사이트로 작용하고 결정립 미세화에 기여할 수 있습니다. 또한 오스테나이트의 불균일 변형은 단위 부피당 결정립 표면적과 결정립 모서리의 길이를 증가시키는 반면, 단위 부피당 결정립 모서리 수에는 변화가 없습니다.

TMCP의 추가 기능은 냉각 프로세스입니다. 가속 냉각 동안 변형된 제품의 성장은 효과적으로 억제되고 위에서 언급한 핵 생성 사이트가 도입된 변형에 의해 결정립 미세화가 달성됩니다. 가속 냉각으로 인한 변태 온도의 감소는 과립 내 구조에 강한 변화를 유발합니다. 변형 추진력은 또한 저온 압연 후 물로 담금질을 통해 입자 크기의 미세화에 기여합니다. 인장 강도는 광범위하게 제어할 수 있습니다(50kg/sq mm에서 80kg/sq mm 이상까지).

강철의 미세 합금 요소는 미세 구조를 제어합니다. 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti)(0.01% 정도의 농도)과 같은 원소의 미량은 강철의 재가열에서 제어된 압연 및 가속 냉각 공정에 이르기까지 미세 구조를 미세하게 하고 최종 압연의 강도를 향상시킵니다. 제품. 미세 합금 원소의 예로서 Nb(그림 1)의 효과는 각 공정에서 형성된 Nb 석출물의 크기가 압연 전 슬래브 재가열 온도(1000℃ 이상)에서 약 300nm, 압연 중 50nm임을 보여줍니다. 냉각 동안 변형 온도(약 600℃)에서 제어된 압연(약 800℃) 및 10nm. 요컨대, 공정이 진행됨에 따라 온도가 감소함에 따라 침전물의 크기가 감소한다. 이것은 미세 구조 제어에 유용합니다. 따라서 후속 공정에서 충분한 양으로 침전될 수 있도록 고용체에서 Nb를 유지하는 것이 필요합니다.

Nb는 강의 재가열 중에 석출되고 피닝 효과를 통해 오스테나이트 결정립 성장을 방지합니다. 후속 압연 공정 동안, 재결정화 온도(약 900℃) 미만에서 이러한 압연에 의해 도입된 변형 에너지에 의해 생성된 구동력은 미세한 Nb 탄화물 및/또는 질화물의 석출을 촉진한다. 이러한 미세한 침전물은 오스테나이트 결정립 재결정화를 방지하여 조대화를 방지합니다.

열기계적 압연 중에 Nb와 같은 미세 합금 원소의 변형 유도 석출은 미세 구조를 제어하는 ​​데 중요한 역할을 합니다. Nb는 오스테나이트 재결정의 시작을 지연시킵니다.

오스테나이트의 재결정화되지 않은 특성 때문에 후속 냉각 공정을 위해 이질적인 페라이트 핵 생성 사이트(레지 및 변형 밴드)가 풍부하게 공급됩니다. Nb는 또한 냉각 시 오스테나이트가 페라이트로 변태하는 동안 페라이트 매트릭스에 침전되고 침전 강화 메커니즘을 통해 강도를 향상시키는 것과 같은 다른 효과를 유도합니다. 석출물의 결정 구조가 페라이트 격자에 잘 맞지 않아 페라이트와 석출물의 비간섭성으로 인해 강도가 증가합니다.

TMCP 매개변수는 Nb-Ti 미세 합금강의 미세 구조 및 특성에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 마무리 냉각 또는 미재결정 압연 온도가 감소하면 항복 및 인장 강도가 증가합니다.

TMCP의 가장 눈에 띄는 효과는 미세구조 제어를 통해 기존 강재와 동일한 강도의 강을 탄소 당량을 낮추고(즉, 합금을 더 적게 첨가하여) 제조할 수 있다는 것입니다. TMCP강이 동일한 강도를 얻기 위해 필요한 Ceq 값은 normalized steel에 필요한 값보다 0.04~0.08% 낮은 것으로 입증되었습니다. 결과적으로 TMCP 강의 용접성(HAZ에서 냉간 균열을 방지하기 위해 필요한 예열 온도)이 크게 향상되었습니다. 따라서 TMCP는 철 구조물 제작 시 생산성을 높이는 동시에 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.

TMCP에 사용되는 장비 및 기술

TMCP의 경우 1980년부터 여러 종류의 가속 냉각 장치가 제안되어 실용화되었습니다. 이 개발에서 필요한 점은 냉각 온도 및 냉각 후 평판 평면도의 균일성 및 제어성 및 생산성뿐만 아니라 프로세스. 이를 위해 자주 사용하는 가속 냉각 장비를 철저히 검토했습니다. 각 제철소는 냉각 방법, 설치 위치 및 스트립/플레이트의 움직임과 관련된 특정 기능을 추가합니다.

현재 가속 냉각 장치는 일반적으로 냉각 영역이 스트립/플레이트의 진행 방향으로 분할되는 연속 유형입니다. 이 설정에서 스트립/플레이트의 윗면과 아랫면의 수냉식은 각 구역에서 독립적으로 제어할 수 있습니다.

균질한 수냉과 더불어 더욱 정교한 냉각 제어가 필요한 왜곡 감소 냉각 기술이 발전했습니다. 이는 냉각 온도의 균일성과 냉각 후 필요한 스트립/플레이트 평탄도를 모두 보장하기 위해 필요합니다. 스트립/플레이트 변형(처짐)과 관련된 문제는 냉각 불균일한 방향, 즉 두께 방향, 길이 방향 및 가로 방향에 따라 크게 세 가지로 분류됩니다. 열응력 및 탄성불안정성 이론에 기초하여 불균일한 냉각으로 인한 이 세 방향의 임계좌굴에 대한 표현이 발견되었습니다. 플레이트 왜곡의 원인 중 하나는 플레이트의 4개의 좁은 면에서 불가피한 과냉각입니다. 이러한 온도 감소를 피하기 위해 일반적으로 수관 프로파일을 가로 방향으로 적용할 수 있고, 가장자리를 따라 물의 흐름을 줄이는 가장자리 스크리닝을 너비 방향으로 적용할 수 있고, 머리와 꼬리를 적용할 수 있는 것과 같은 몇 가지 기계적 조치가 취해집니다. 각각의 좁은 면에서 과냉각을 방지하기 위해 스크리닝을 적용할 수 있습니다. 변형을 유발하는 또 다른 메커니즘은 스트립/플레이트의 상단 및 하단면의 서로 다른 열 이력이기 때문에 온도 차이를 최소화하기 위해 하단면에서 노즐 배열의 최적화도 조사되었습니다. 일부 제철소에서는 축적된 온도 및 평탄도 데이터를 바탕으로 상면과 하면에 가해지는 물의 양의 비율을 자동으로 제어할 수 있도록 학습 기능을 적용하고 있다. 냉각 전 스트립/플레이트의 평탄도는 균일한 냉각 온도를 보장하는 데 필수적입니다. 이는 가속 냉각 단계 이전에 핫 레벨러를 설치하여 순차 장비 구성을 최적화하는 최근 추세와 일치합니다.

1990년대 이후 증가하는 TMCP 수요를 충족하기 위해 추가 기술이 필요했습니다. 이러한 기술의 핵심 문제는 매우 균일한 냉각을 달성하여 기존 TMCP 방법에서 가끔 발생하는 강철 변형을 최소화하고 재평준화 양을 줄이기 위해 수정해야 하는 것이었습니다. 제품 품질 요구 사항도 더욱 엄격해졌으며 강철은 강도 변화를 줄여야 합니다. 이는 가속 냉각 동안 냉각 마무리 온도의 정확도가 향상되어 달성됩니다. 이러한 요구 사항에 대응하기 위해 CLC-? 및 Super OLAC이 개발되어 현재 프로덕션에 사용 중입니다.

개선된 냉각 장비 시스템 중 하나인 CLC-α는 Nippon Steel Corporation(NSC)에서 상업용으로 개발 및 도입되었습니다. 이 시스템은 TMCP를 위한 기술적 혁신입니다. 고유한 냉각 기술과 설비 레이아웃으로 인해 스트립/플레이트 전체에 걸쳐 광범위한 냉각 속도 및 패턴 및 균일한 냉각 특성이 구현됩니다. NSC는 열전도 공학 및 유체 역학에 대한 실험 및 수치 분석을 수행하여 기존 냉각 장비를 사용하여 피할 수 없었던 냉각 거동의 이질성을 극복했습니다. 그들은 온도 변화를 기존 장비의 약 절반으로 줄인 광범위한 냉각 기능을 갖춘 새로운 수냉식 시스템을 개발했습니다. 이 차세대 제어 냉각 기술은 이제 실제 제품에 널리 적용되어 강도 및 인성과 같은 상충되는 속성 요구 사항을 해결할 수 있습니다.

전술한 조치는 과거 TMCP 적용과 비교하여 냉각 온도 및 냉각 후 판 평탄도의 균일성을 개선하였다. 그러나 강철 평탄도에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해짐에 따라 냉각 후 평탄도를 보장하기 위해 가속 냉각 장비 및 제어 조치의 추가 수정이 필요합니다. 이를 위해 일부 제철소에서는 최근 대형 콜드 레벨러를 설치하는 등의 조치를 취하고 있다.