열간 스트립 롤링 및 스트립 결함

뜨거운 스트립 및 스트립 결함 롤링

압연은 가장 중요한 산업 금속 성형 작업 중 하나입니다. 열간 압연은 강철 슬래브를 열간 스트립 밀에서 열간 스트립으로 압연하는 데 사용됩니다. 다른 열간 압연 작업과 마찬가지로 열간 스트립의 압연은 롤 세트를 통해 가해지는 압축력으로 인한 슬래브 재료의 소성 변형이기도 합니다. 슬래브의 단면은 열간 압연 공정에 의해 감소됩니다. 재료는 한 쌍의 롤 사이에 압착되어 두께가 줄어들고 길이가 늘어납니다. 열간 스트립의 압연은 큰 변형이 필요하기 때문에 고온에서 수행됩니다. 열간 압연은 잔류 응력이 없는 스트립을 생성합니다. 일반적으로 산화물 스케일링은 열간 압연을 동반하므로 냉간 압연 스트립의 치수 정확도에 비해 치수 정확도가 떨어집니다.

열간 스트립 압연의 경우 슬래브는 초기에 1100℃에서 1300℃로 가열됩니다. 열간 스트립 압연기의 마지막 마무리 스탠드의 온도는 700℃에서 900℃까지 다양합니다. 균일한 등축 페라이트 입자를 생성하기 위한 임계 온도.

열간 스트립을 압연하는 동안의 목적은 길이는 증가하고 폭은 거의 증가시키지 않으면서 슬래브의 두께를 줄이는 것입니다. 스트립의 중앙에 있는 재료는 스트립의 폭 방향으로 구속되고 롤의 양쪽에 있는 재료의 변형되지 않은 숄더의 구속은 스트립이 폭 방향으로 확장되는 것을 방지합니다. 이 상태를 평면 변형이라고 합니다. 따라서 재료가 더 길어지고 넓어지지 않습니다.

열간 스트립을 압연하는 동안 적용할 수 있는 기본 개념은 (i) 롤과 압연되는 재료 사이의 접촉 호가 원의 일부이고, (ii) 마찰 계수는 이론상 일정하지만 실제로는 접점의 호, (iii) 압연되는 재료가 압연 동안 소성 변형되는 것으로 간주됨, (iv) 재료의 체적이 압연 전후에 일정함(실제로 체적은 폐쇄로 인해 약간 감소할 수 있음) (v) 롤의 속도는 일정하다고 가정하고, (vi) 재료는 롤링 방향으로만 확장되고 재료의 너비는 확장되지 않으며, (vii) 에 수직인 단면적 롤링 방향이 왜곡되지 않습니다.

압연 공정에 영향을 미치는 압연의 주요 변수는 (i) 롤 직경입니다. (ii) 야금, 온도 및 변형률 속도의 영향을 받는 재료의 변형 저항, (iii) 재료 유동 응력, (iv) 롤과 압연되는 재료 사이의 마찰, 및 (v) 전면 장력 및/또는 존재 스트립 평면의 백 텐션.

열간 스트립 압연의 힘과 기하학적 관계는 그림 1에 나와 있습니다. 두께 'ho'로 압연되는 재료는 'vo' 속도로 입구 평면 x-x에서 롤에 들어갑니다. 그것은 롤 갭을 통과하고 감소된 두께 'hf'와 증가된 속도 'vf'로 출구 평면 y-y를 떠납니다. 너비의 증가가 없다는 점을 감안할 때 금속의 수직 압축은 압연 방향의 연신율로 변환됩니다. 공정 전반에 걸쳐 단위 시간당 주어진 지점에서 금속 부피의 변화가 없으므로 b*ho*vo =b*h*v =b*hf*vf, 여기서 'b'는 스트립의 너비, ' v'는 임의의 두께에서의 속도이고 'h'는 'ho'와 'hf'의 중간값입니다.

b*ho*vo =b*hf*vf 및 bo =bf이면 ho*Lo/t =hf*Lf/t, ho*vo =hf*vf, 즉 vo/vf =hf/ho . 이것은 ho> hf일 때 vo

그림 1 핫 스트립 롤링의 힘과 기하학적 관계

롤과 스트립 사이의 접촉면을 따라 한 지점에서만 두 가지 힘이 재료에 작용합니다. 이들은 (i) 반경 방향 힘 Pr 및 (ii) 접선 마찰력 F입니다. 입구 평면(x-x)과 중립점 사이에서 스트립은 롤 표면보다 느리게 이동하고 접선 마찰력 F는 작용합니다. 방향(그림 2)으로 금속을 롤 안으로 끌어당깁니다. 중립점의 출구 쪽(y-y)에서 스트립은 롤 표면보다 빠르게 움직입니다. 그런 다음 마찰력의 방향이 반대로 되어 롤에서 스트립이 전달되는 것을 반대합니다.

그림 2 구르는 동안 작용하는 힘

Pr은 수직 성분 P(롤링 하중 - 롤이 재료에 대해 누르는 하중)와 함께 반경 방향 힘입니다. 특정 롤 압력 p는 롤링 하중을 접촉 면적으로 나눈 값이며 방정식 p =P/b*Lp로 나타낼 수 있습니다. 여기서 b는 스트립의 너비이고 Lp는 접촉 호의 투영 길이입니다. .

접촉 호를 따른 롤 압력 분포(그림 3)는 압력이 중립점에서 최대로 상승한 다음 떨어지는 것을 보여줍니다. 압력 분포는 중립점에서 급격한 피크에 도달하지 않습니다. 이는 중립점이 실제로 롤 표면의 선이 아니라 영역임을 나타냅니다. 곡선 아래의 면적은 롤링 하중에 비례하고 음영 영역은 롤과 스트립 사이의 마찰력을 극복하는 데 필요한 힘을 나타냅니다. 점선 AB 아래의 영역은 평면 균질 압축에서 금속을 변형하는 데 필요한 힘을 나타냅니다.

그림 3 롤 압력 분포

롤 바이트 조건은 롤의 목에 들어가기 위해 롤링되는 재료를 결정하는 조건입니다(그림 4). 이를 위해서는 마찰력의 성분이 수직력의 수평 성분보다 크거나 같아야 합니다(그림 4). F Cos a>/=Pr Sin a 여기서 'a'는 교합 각도이고 Pr은 반경 방향 힘입니다. 따라서 F/Pr>/=Sin a / Cos a>/=Tan a. F =u*Pr이기 때문에 F는 접선 마찰력이고 'u'는 마찰 계수입니다. 따라서 u =Tan a. tan a> u이면 재료를 롤을 통해 끌어올 수 없으며 u =0이면 롤링을 수행할 수 없습니다. 따라서 u> tan a일 때 자유 참여가 발생합니다. 예를 들어 롤 축에 평행한 롤 홈 가공을 하거나 큰 직경의 롤을 사용하여 tan a를 줄이거나 롤 직경이 고정된 경우 롤링할 재료의 두께를 줄이는 등 u의 유효 값을 높이려면 롤링할 재료의 두께가 줄어듭니다.

그림 4 롤 바이트 상태

마찰이 없는 상황에서 롤링 하중(P)은 롤 압력(p)에 금속과 롤 사이의 접촉 면적(b*Lp)을 곱한 값입니다. (P=p*b*Lp) 여기서 롤 압력(p)은 시트의 너비(b)에 변화가 없을 때 평면 변형률의 항복 응력입니다. 그러나 실제 상황에서는 마찰이 있습니다. 마찰력은 재료를 롤 안으로 끌어당기는 데 필요하며 롤링 하중의 많은 부분을 담당합니다. 높은 마찰은 높은 구름 하중, 가파른 마찰 언덕 및 모서리 균열에 대한 큰 경향을 초래합니다. 마찰은 롤의 접촉 호를 따라 지점마다 다릅니다. 그러나 u의 이러한 변화를 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 모든 롤링 이론은 일정한 마찰 계수를 가정해야 합니다. 스트립의 열간 압연의 경우 u는 점착 상태까지 약 0.2입니다.

롤 힘은 롤 반경이 증가하거나 스트립의 두께가 감소함에 따라 증가합니다. 압연 하중은 스트립의 두께가 감소하거나 롤 직경이 증가함에 따라 증가합니다. 스트립의 특정 최소 두께 미만(임계 두께 미만)에서는 스트립의 저항이 매우 높은 값으로 증가하기 때문에 롤링 하중이 매우 높은 값으로 증가합니다. 결과적으로 스트립을 롤링하지 못할 수 있습니다. 대신 스트립은 두께가 눈에 띄게 줄어들지 않고 롤 사이에 밀어 넣어집니다. 얇은 스트립을 롤링하려면 더 작은 직경의 롤을 사용하고 큰 직경의 롤을 사용해야 합니다. 접촉 호의 길이는 롤 반경에 따라 감소하므로 마찰 계수가 증가하고 구름 하중도 증가합니다.

압연시 발생하는 큰 힘이 압연될 재료에 롤을 통해 전달될 때 탄성 변형에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 이들은 (i) 롤이 길이를 따라 구부러지는 경향이 있는데, 그 이유는 재료가 롤을 분리하는 경향이 있는 반면 두께 변화를 야기하는 끝에서 구속되는 경향이 있기 때문입니다. (ii) 롤은 스트립과 접촉하는 영역에서 평평해져서 롤을 평평하게 만드는 곡률 반경입니다.

높은 압연력 하에서 롤은 평평하고 구부러지며 전체 밀이 탄성적으로 왜곡됩니다. 밀 스프링은 압연기에서 나오는 스트립의 두께가 무부하 조건에서 설정된 롤 간격보다 커지도록 합니다. 정확한 두께 압연은 압연기의 탄성 상수가 필요합니다. 보정 곡선이 필요합니다. 탄성 상수는 일반적으로 나사식 압연기의 경우 1GNm-1 ~ 3GNm-1, 유압식 압연기의 경우 약 4GNm-1입니다.

롤의 힘으로 인해 롤이 휘어지고 롤 시트의 중앙에서 더 두꺼운 두께가 되고 가장자리가 더 얇아집니다. 이 결함을 크라운 및 캠버라고 합니다. 이를 방지하기 위해 롤의 중심이 가장자리보다 큰 직경을 갖도록 연마하여 표면에 약간의 곡률을 부여합니다. 이것을 롤의 캠버링이라고 합니다. 볼록한 롤은 롤링 중에 구부러지면 평평한 스트립이 생성됩니다. 스트립 압연의 경우 일반적으로 롤 직경에 0.5mm의 캠버가 제공됩니다. 또한 열간 압연 중에 롤이 가열되어 중앙에서 팽창하여 롤의 캠버가 발생합니다. 이것은 가장자리와 롤 중심 사이의 온도 변화 때문입니다. 롤 캠버는 열 효과와 롤 처짐으로 인해 롤 캠버를 처리하기 위해 롤링 중에 변경되어야 합니다. 이렇게 하면 고르지 않은 롤 마모도 방지됩니다(롤은 중앙보다 가장자리에서 더 많이 마모됨).

롤 캠버는 (i) 외력을 가하여 작업 롤을 구부리고, (ii) 스트립의 중심선에 대해 작업 롤을 측면으로 이동하고, (iii) 성형 롤(프로파일이 있는 롤)을 사용하고, (iv) 수평면에서 백업 롤의 축에 대한 작업 롤의 축 회전(작업 롤 끝의 처짐으로 인해 캠버 생성)

롤의 탄성 변형을 일으키는 롤 압력으로 인해 롤의 곡률 반경이 증가하면 롤 평탄화가 발생합니다. 이것을 롤 플래트닝이라고 합니다. 롤을 평평하게 하면 접촉 길이가 증가하여 롤 포스가 증가합니다.

롤링 하중은 롤 직경에 의존한다고 앞서 언급했습니다. 롤 직경이 클수록 롤 힘이 커집니다. 유사하게, 더 작은 감소는 더 낮은 롤 포스를 필요로 합니다. 롤 포스를 줄이기 위해서는 롤 직경을 줄이거나 마찰을 줄이는 것이 필요합니다. 압연력을 줄이는 또 다른 방법은 스트립에 작은 인장력을 가하는 것입니다. 인장력을 세로 방향으로 가하면 재료의 횡방향 압축 항복 강도가 감소합니다. 이것은 Tresca 수율 기준에서 분명합니다. 압연 시에는 제동 장치가 있는 피더 또는 언코일러를 통해 진입부에 세로 방향의 인장력이 가해집니다. 코일러의 토크를 제어하여 코일러를 통해 출구부에 순방향 장력이 가해집니다.

롤 토크는 롤링 힘에서 추정할 수 있습니다. 토크는 힘에 힘이 작용하는 반경을 곱한 것과 같습니다. 총 롤 토크는 롤링 토크와 롤 베어링의 마찰을 극복하는 데 필요한 토크, 모터 샤프트의 토크, 변속기 시스템의 마찰을 극복하기 위한 토크로 구성됩니다. 롤 파워는 피가공물의 변형, 회전부 마찰 등을 극복하기 위해 가해집니다.

충분히 높은 백 텐션이 가해지면 중립점이 롤 출구 쪽으로 이동합니다. 이것은 롤이 재료보다 빠르게 움직인다는 것을 의미합니다. 전면 장력을 사용하면 중립점이 롤 입구쪽으로 이동합니다. 일반적으로 백 텐션은 프론트 텐션보다 롤링 하중을 줄이는 데 거의 두 배나 효과적입니다.

스프레드는 너비 대 두께 비율이 낮은 압연 스트립의 너비 증가를 나타냅니다(예:정사각형 단면 스트립). 마찰을 줄이고 롤 반경 대 스트립 두께 비율을 늘리고 더 넓은 스트립을 사용하면 롤 확산을 줄일 수 있습니다. 에저 롤이라고 하는 한 쌍의 수직 롤을 사용하여 퍼짐을 줄일 수 있습니다.

스트립 두께와 단면을 제어하는 ​​것은 열간 스트립 압연기에서 정말 어려운 일입니다. 압연되는 스트립의 두께를 지속적으로 모니터링하기 위해 X선 또는 감마선 센서가 사용됩니다. 롤 간격을 조절하여 롤 스트립의 게이지를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 열간 스트립 압연기의 게이지 제어는 X선 게이지를 사용하여 스트립 두께를 측정하고 피드백 제어 시스템을 사용하여 스트립 장력을 조정하여 이루어집니다.

열간 스트립을 압연하는 동안 두께 감소로 인해 증가하는 길이를 처리하기 위해 열간 스트립이 감겨집니다. 또한 열간 스트립 밀에서 압연하는 동안 더 얇은 섹션이 더 빨리 움직이기 때문에 두께가 다르기 때문에 속도가 다른 스트립을 제어하는 ​​복잡성을 줄이는 것이 중요합니다.

롤링 결함

열간 압연 스트립의 표면 품질 문제는 생산 공정의 기본 우선 순위에 속합니다. 재료의 각 불완전성은 불량의 원인이 되거나 최종 제품의 품질을 저하시킬 수 있습니다. 열간 압연 스트립의 표면 결함의 가능한 원인은 (i) 액강의 생산 및 주조, (ii) 슬래브 재가열, (iii) 열간 슬래브 압연과 같은 제조 공정의 여러 단계에 있을 수 있습니다. 가장 문제가 되는 표면 결함 사이에서 표면 결함의 개시자는 액체강의 생산 및 주조 과정에서 생성되며 (i) 개재물, (ii) 블로우홀, (iii) 딱지, (iv) 산화물 알루미늄 라인, (v) ) 구멍 및 (vi) 세로, 가로 및 가장자리 균열. 재가열로 및 열간 압연 공정에서 슬래브를 재가열하는 조건은 결함의 추가 생성 및 진화를 나타냅니다. 가열 및 압연의 기술적 작업은 또한 쉘 표면, 열 균열, 행네일, 슬라이버, 비늘, 롤 압착, 긁힘 및 기타 결함과 같은 특정 표면 결함을 생성할 수 있습니다. 기술 작업 중 재료에 결함이 누적되면 기계적 특성이 감소하고 파면 분석 결과 재료의 또 다른 열화 메커니즘이 드러납니다.

압연 전 주조 슬래브의 결함은 다음과 같습니다.

• 주조 슬래브에서 발생하는 기공, 캐비티, 블로우 홀 등의 일부 결함은 압연 과정에서 메워집니다.
• 비금속 개재물 또는 펄라이트 밴딩의 세로 스트링거는 용융 및 응고 관행과 관련이 있습니다. 심한 경우 이러한 결함이 적층으로 이어져 두께 방향의 강도가 급격히 감소할 수 있습니다.

롤링 중 발생하는 결함은 다음과 같습니다.

스트립 모양의 문제에는 두 가지 측면이 있습니다. (i) 현대식 게이지 제어 시스템으로 정밀하게 제어할 수 있는 너비와 두께에 걸쳐 균일한 두께와 (ii) 정확하게 측정하기 어려운 평탄도입니다.

두께가 감소함에 따라 롤 갭 프로파일의 분수 오차가 증가하여 더 큰 내부 응력을 생성하기 때문에 얇은 스트립에서 롤링할 때 형상 문제가 가장 큽니다. 얇은 스트립은 좌굴에 대한 저항도 적습니다. 경미한 모양 문제는 장력으로 스트립을 수평으로 늘리거나 롤러 레벨러에서 스트립을 구부려 교정할 수 있습니다.

밀스프링은 롤이 높은 롤링력에 의해 휘어지기 때문에 롤 스트립이 필요한 두께보다 두꺼워지는 결함입니다. 압연 중에 압연기의 탄성 변형이 발생합니다. 더 단단한 롤을 사용하면 밀 스프링을 피할 수 있습니다. 이는 롤 재료가 높은 강성 또는 탄성 상수를 갖는다는 것을 의미합니다. 일반적으로 압연기의 탄성 상수는 1에서 4 GNm-1 범위일 수 있습니다.

롤 탄성 변형으로 인해 스트립 두께가 고르지 않을 수 있습니다. 롤 재료는 롤 변형을 줄이기 위해 높은 탄성 계수가 필요합니다. 매우 얇은 게이지 스트립을 생산하기 위해 작은 직경의 롤이 사용됩니다. 그들은 더 큰 롤로 지원됩니다. 일반적으로 달성된 압연 스트립의 최소 두께는 롤 반경, 마찰, 유동 응력에 정비례합니다.

롤을 평평하게 하면 롤 압력이 증가하고 결국 롤이 롤링되는 재료보다 더 쉽게 변형됩니다.

압연 스트립의 평탄도는 롤 편향에 따라 다릅니다. 롤 편향이 발생하면 스트립이 물결 모양이 됩니다.

롤 간격은 양쪽 끝에서 동일한 두께의 스트립을 생산하기 위해 완벽하게 평행해야 합니다. 압연 속도는 평탄도에 매우 민감합니다. 스트립의 서로 다른 위치 사이에서 한 부품의 10,000분의 1의 연신율 차이로 인해 물결 모양이 발생할 수 있습니다.

롤이 탄성적으로 편향되면 롤 스트립은 가장자리를 따라 가늘어지고 중앙에서는 두께가 더 두꺼워집니다. 유사하게, 편향된 롤은 중앙보다 더 긴 모서리를 생성합니다. 스트립의 가장자리는 중심보다 더 길다. 스트립의 연속성으로 인해 중심은 장력을 받고 가장자리는 압축을 받는다고 말할 수 있습니다. 이것은 가장자리를 따라 물결 모양으로 이어집니다. 중앙을 따라 높은 인장 응력으로 인해 지퍼 균열이 발생합니다.

롤의 캠버링은 이러한 결함을 방지할 수 있습니다. 그러나 하나의 캠버는 특정 롤 포스에 대해서만 작동합니다. 다양한 롤링 조건에서 롤 처짐을 수정하기 위해 요구 사항에 따라 롤의 탄성 변형을 제어하는 ​​유압 잭이 사용됩니다.

롤에 과도한 볼록성이 있는 경우 스트립 재료의 중심이 가장자리보다 신장이 더 큽니다. 이는 센터 버클이라는 결함으로 이어집니다.

캠버가 충분하지 않은 상태에서 롤링할 때 발생할 수 있는 영향에는 더 두꺼운 중심이 포함됩니다. 즉, 일반적으로 긴 가장자리라고 하는 중심보다 가장자리가 더 소성적으로 늘어납니다. 이것은 가장자리에서 압축의 잔류 응력 패턴과 중심선을 따라 인장을 유도합니다. 이로 인해 중심선 균열, 뒤틀림 또는 가장자리 주름, 크레이프지 효과 또는 물결 모양 가장자리가 발생할 수 있습니다.

롤이 지나치게 캠버링되었을 때 가능한 영향에는 중앙보다 더 두꺼운 모서리가 포함됩니다. 즉, 중앙이 모서리보다 소성적으로 더 길어져 측면 퍼짐이 발생합니다. 잔류 응력 패턴은 이제 중심선에서 압축되고 가장자리에서 장력이 적용됩니다. 이로 인해 가장자리 균열, 중앙 분할 및 중심선 주름이 발생할 수 있습니다.

얇은 두께의 스트립은 롤 갭 결함에 더 민감하여 더 큰 결함을 유발합니다. 얇은 스트립은 물결 모양이나 좌굴을 겪을 가능성이 더 큽니다. 이러한 결함은 장력 하에서 롤러 레벨링 또는 스트레치 레벨링을 수행하여 수정됩니다. 스트레치 레벨링은 롤러 레벨러 롤 사이에서 수행됩니다.

롤링하는 동안 스트립은 측면 방향으로 변형되는 경향이 있습니다. 중심에서 마찰이 높습니다. 따라서 확산은 중앙에서 가장 작습니다. 이것은 스트립의 끝을 둥글게 만듭니다. 스트립의 가장자리는 인장 변형을 받습니다. 이것은 가장자리 균열로 이어집니다. 스트립의 중심이 심하게 구속되고 과도한 인장 응력을 받으면 중심 분할이 발생할 수 있습니다.

두께 전반에 걸친 비균질 재료 변형은 모서리를 따라 높은 2차 인장 응력을 유발합니다. 이것은 가장자리 균열로 이어집니다. 2차 인장 응력은 자유 표면의 팽창으로 인한 것입니다. 에지 롤을 사용하면 에지 균열을 피할 수 있습니다.

테두리 결함은 두께 방향의 불균일한 변형으로 인해 발생합니다. 압연되는 재료의 표면만 변형되면(두꺼운 슬래브의 라이트 축소에서와 같이) 가장자리가 오목합니다. 돌출된 재료는 압연의 후속 단계에서 압축되지 않아 이 영역이 인장 응력을 받고 가장자리 균열이 발생합니다. 이것은 h/Lp> 2일 때 열간 압연의 초기 파괴에서 관찰되었습니다. 크게 줄이면 중심이 표면보다 측면으로 더 확장되어 배럴 가장자리가 생성되는 경향이 있습니다. 이것은 가장자리 균열에 민감한 배럴링에 의한 2차 인장 응력을 유발합니다.

스트립의 두께에 걸쳐 재료의 비균질한 흐름으로 인해 또 다른 결함이 발생합니다. 이 결함을 주장이라고 합니다. 이는 표면이 인장 변형을 받고 중심이 압축 변형을 받기 때문입니다. 재료의 확산이 중앙에서 더 많이 발생하기 때문입니다. 앨리게이터링은 측면 퍼짐이 표면보다 중앙에서 더 크고(장력의 표면, 압축의 중심) 중심선을 따라 야금학적 약점이 존재할 때 발생합니다.

표면 대 체적 비율이 높기 때문에 압연에서 표면 결함이 더 쉽게 발생합니다. 주조 슬래브의 표면에 있는 결함의 그라인딩, 치핑 또는 스케일 제거는 일반적으로 압연 전에 수행되어야 합니다. 롤의 잘못된 위치로 인한 랩은 원하지 않는 모양을 유발할 수 있습니다. 가장자리를 따라 발생하는 플레이크 또는 냉각 균열은 거친 입자 슬래브의 열간 압연에서 연성을 감소시킵니다. 긁힘은 도구 및 취급으로 인해 발생할 수 있습니다. 두께의 변화는 롤의 편향 또는 압연 속도에 기인합니다.