Hot Strip Mill의 형상 제어 기술

핫 스트립 밀의 형상 제어 기술

압연 스트립의 모양은 횡단면 프로파일(크라운)과 평탄도가 특징입니다. 스트립 형상의 정확도는 열간 압연 스트립의 품질을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 스트립 모양은 압연 스트립의 시장 경쟁력을 결정하는 필수 요소입니다. 스트립 모양은 품질의 핵심 지표이므로 모양 제어 기술은 열간 스트립 생산의 핵심 기술입니다. 핫 스트립 밀(HSM)에서 압연 스트립의 모양에 영향을 미치는 몇 가지 요소가 있습니다.

HSM에서 스트립 압연의 주요 목표 중 하나는 출구 스트립의 크라운 및 평탄도 측면에서 최적의 품질로 목표 두께를 달성하는 것입니다. 두께 감소 동안 스트립의 중심과 가장자리 사이에 균일한 연신율을 갖기 위해 스트립 폭 전체에 걸쳐 일정한 감소를 갖는 것이 매우 중요합니다. 이 조건이 충족되지 않으면 내부 응력 조건이 발생하여 평탄도 결함(중앙 버클 또는 물결 모양 모서리)이 발생합니다. 그림 1은 완벽한 평탄도와 평탄도 결함의 개념을 보여줍니다.

그림 1 완벽한 평탄도와 평탄도 결함의 개념

더 높은 스트립 치수 공차에 대한 요구가 증가함에 따라 핫 스트립을 압연하는 동안 균일한 스트립 크라운과 평평한 모양을 유지해야 하는 필요성이 HSM에서 가장 어려운 기술 작업 중 하나가 되었습니다. 열연 스트립의 형상 품질에 영향을 미치는 형상 제어 기술은 (i) 롤의 형상 제어 작동 장치, (ii) 형상 제어 모델 및 (iii) 압연 공정 시스템의 세 가지 범주로 나뉩니다. 형상 제어 기술도 통합 방향으로 발전하고 있습니다. 이 문서에서는 롤용 형상 제어 작동 장치에 대해 설명합니다.

롤용 형상 제어 작동 장치

HSM에서 압연하는 동안 스트립의 출구 크라운과 평탄도는 롤 열 프로파일, 롤링 힘, 롤 마모 및 스트립 폭 등과 같은 여러 요인의 영향을 받습니다. 이러한 요인은 압연 캠페인 중에 변경됩니다. 이러한 요인을 보상하고 스트립 크라운 및 , 를 제어하기 위해서는 롤 바이트 형상을 지속적으로 수정할 수 있는 일련의 작동 장치를 설치하는 것이 필수적입니다. 롤 작동에 가장 널리 사용되는 세 가지 기술은 (i) 롤 벤딩 기술, (ii) 롤 이동 기술, (iii) 연속 가변 크라운(CVC) 기술입니다.

롤 벤딩 기술 – 가시적인 평탄도 결함(중앙 버클 및 가장자리 파동)이 없는 사용 가능한 프로파일 제어 범위는 스트립 출구 두께와 상관 관계가 있습니다. 스트립 출구 두께가 높을수록 평탄도 결함을 생성하지 않고 프로파일을 변경할 수 있는 능력이 높아집니다. 크라운 비율 변화 대 스트립 두께의 제한이 있는 일반적인 다이어그램이 그림 2에 나와 있습니다. 굽힘 시스템 설계에서 중요한 요소는 크라운 및 평탄도 제어에 대한 굽힘 작동 장치의 영향 범위입니다. 압연 소재가 두꺼우면 굽힘이 스트립 크라운 비율에 미치는 영향이 제한되고 얇으면 충격이 매우 높습니다.

Fig 2는 압연기가 평탄도 결함 없이 크라운 비율을 제어할 수 있는 능력인 굽힘 제어 범위의 예를 보여준다. 굽힘 제어 범위는 두 가지 주요 요인, 즉 (i) 스탠드에 사용되는 크라운 제어 작동 장치의 전력, (ii) 이러한 작동 장치가 설치된 밀 스탠드를 따라 위치에 따라 다릅니다. HSM의 크라운 및 평탄도 제어 기능을 높이려면 작동 장치를 올바른 위치에 설치하여 효율성을 최적화해야 합니다.

그림 2 굽힘 제어 범위

WRB(Work Roll Bending) 장치는 사용성과 설치가 용이한 구조로 인해 열간 스트립 압연에 가장 일반적으로 사용되는 형상 제어 작동 메커니즘입니다. 이상적인 WRB 하중 용량은 구름 하중의 10분의 1보다 약간 적지만 WRB를 음의 굽힘과 결합하여 총 WRB 하중을 개선하더라도 달성하기 어려운 경우가 많습니다.

DCB(Double Chock Bending) 장치는 Work Roll의 Roll Neck에 2개의 Chock를 장착하여 3가지 강도 구속조건(Roll Strength, Bearing Strength, Chock) 간의 균형 설계를 쉽게 달성할 수 있는 효과적인 WRB 공법입니다. 강도) 제한된 공간에서 큰 굽힘 능력을 달성합니다. 그러나 이러한 유형의 롤은 롤 축 끝단이 약간 돌출되어 있어 기존 압연기를 개조하여 쉽게 설치할 수 없습니다.

WRB는 구조가 비교적 단순하고 다른 형상제어 구동장치와 함께 설치되는 경우가 많다. 그림 3은 가변 크라운(VC 롤)과 함께 DCB를 설치할 때 달성되는 제어 특성의 예를 보여줍니다. 그림에서 기계식 중심 크라운 값은 수직축에 표시되어 있으며 압연력이 폭 방향으로 균일하게 분포될 때 스트립 중심과 스트립 가장자리 사이의 스트립 두께 차이를 나타내고 기계식 쿼터 크라운 값은 세로축에 표시됩니다. 가로축은 스트립 중앙과 스트립 1/4 너비 위치 사이의 스트립 두께 차이를 나타냅니다.

그림 3 형상 제어를 위한 워크 벤딩 방법

굽힘 하중을 가하기 위해서는 반응성이 높은 유압 시스템이 필요하기 때문에 다이렉트 드라이브 서보 밸브가 채택되는 경우가 있습니다. 스레딩 및 테일링 아웃이 자주 필요한 많은 압연기에서는 네거티브 벤딩을 사용하기 어렵지만 밸브와 실린더 사이의 파이프 길이가 짧은 고 반응성 서보 밸브를 채택하면 스레딩 및 테일링 아웃에서 네거티브 벤딩의 사용성을 향상시킬 수 있습니다.

작은 직경의 작업 롤은 매우 얇은 스트립과 단단한 재료를 압연할 때 압연 하중을 줄이는 데 효과적입니다. 그러나, 롤의 끝단이 휘어지는 WRB 장치에서는 롤 중심 영역까지 휘어지는 효과가 잘 전달되지 않는다. 굽힘 및 지지 효과를 제공하기 위해 작업 롤과 접촉하는 지지 롤을 추가로 설치하여 롤 배럴 길이로 지지할 수 있습니다. 롤링 하중을 수직으로 지지하는 메인 지지 롤 외에 벤딩(지지) 롤의 한 종류는 작업 롤을 비스듬히 또는 수평 방향으로 밀도록 설계되었습니다. 경우에 따라 그림 3과 같이 작업 롤 배럴의 특정 부분을 굽힘 롤에 의해 유압식으로 선택적으로 밀어내는 형상 제어 방법(FFC 방법)이 채택됩니다.

긴 배럴을 가진 압연기의 경우 작업 롤을 굽히는 방법으로 백업 롤에 아웃보드 굽힘 기구를 설치하여 큰 직경의 백업 롤을 굽히고 긴 배럴 작업 롤을 간접적으로 굽힙니다. 후판 압연기(작업 롤 직경 1,020mm, 백업 롤 직경 1,830mm, 배럴)에서 열간 압연을 위한 아웃보드 백업 롤 벤딩(BURB) 장치를 사용하여 각 압연 스트립 너비의 추정된 기계적 중심 크라운 제어 효과 길이는 4,700 mm)이 그림 3에 나와 있습니다. 그림은 또한 WRB를 사용한 각 압연 너비의 기계적 중심 크라운 제어 효과를 보여줍니다. 그림에서 스트립 폭이 클 때 BURB보다 WRB의 제어 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 스트립 폭이 작을 때 WRB보다 BURB의 제어 효과가 더 큽니다.

다중 고 압연기(예:6단 압연기)에서 대경 중간 롤에 수직 굽힘 기능을 장착하여 작업 롤을 간접적으로 굽힐 수 있습니다. 중간 롤 벤딩 방식과 백업 롤 벤딩 방식은 작업 롤 교체, 스트립 스레딩 및 테일링 아웃에 필요한 복잡한 WRB 압력 제어에 영향을 받지 않고 사용할 수 있습니다.

작업 롤 더블 잭 헤비 벤딩 시스템 – 롤 갭에서 원하는 두께 프로파일을 달성하고 전체 코일을 롤링하는 동안 해당 갭을 제어하기 위해 들어오는 작업물의 가능한 열적 및 기하학적 변화에도 불구하고 모든 마감 스탠드에 대한 포지티브 및 네거티브 무거운 벤딩 시스템 개발되었습니다. 작업 롤 벤딩은 일반적으로 동적 및 연속 스트립 크라운 및 롤링 중 평탄도 제어에 사용됩니다. 롤 벤딩 힘이 롤링 힘의 방향으로 적용될 때 벤딩은 양수(크라운 인)입니다. 굽힘력이 구름력의 반대 방향으로 가해질 때 굽힘은 그림 4와 같이 음수(크라운 아웃)가 됩니다.

그림 4 작업 롤 벤딩 시스템

온라인 제어 모델은 롤 분리력, 스트립 너비, 롤 직경, 작업 롤 기계적 크라운, 작업 롤 열 크라운, 작업 롤 마모 및 진입 스트립 프로파일의 함수로 작업 롤 굽힘력의 합을 계산합니다. 이는 작업 롤 벤딩 시스템 설정이 목표 공차 내에서 스트립 크라운과 최적의 스트립 평탄도를 달성하기 위해 부하(동적 제어) 하에서 빠르게 변경될 수 있음을 의미합니다. 포지티브 벤딩 작동 장치는 'Mae West' 블록에 있고 네거티브 벤딩 실린더는 백업 롤(BUR) 초크 내부에 있습니다(그림 4). 이 시스템은 다른 압연기 제어에 방해가 되지 않고 유지 관리의 증가 없이 최고 수준의 성능을 얻을 수 있습니다. 최대 200톤/초크까지 포지티브 무거운 벤딩 및 120톤/초크까지 네거티브 무거운 벤딩을 달성할 수 있습니다. 이러한 힘은 측면 이동 절차에 따라 롤의 축 위치에 관계없이 베어링 중심선을 중심으로 굽힘력을 유지하는 더블 잭 롤 벤딩 시스템으로 인해 베어링 수명에 영향을 미치지 않고 달성할 수 있습니다.

롤 시프팅 기술 – 다양한 롤 시프트 형상 제어 기술이 개발되었습니다. 이러한 기술은 기본적으로 (i) 롤을 이동시켜 롤 사이의 접촉 부분을 스트립 폭 외부로 줄여 형상 제어 효과를 향상시켜 결과적으로 롤의 처짐을 개선하는 방법 및 (ii) 특수 형상의 롤을 이동시켜 형상 조절 효과를 향상시킬 수 있는 방법으로, 폭 방향으로 기하학적 롤 간격 분포 변화 효과를 발생시킨다. 이를 그림 5에 나타내었다. 다양한 롤 시프트 방법 중 기하학적 형상의 시프트 롤의 효과에 기반한 방법은 형상 제어 효과를 기하학적 형상에 따라 자유롭게 설정할 수 있다는 장점이 있다. 수치 제어(NC) 롤 연삭기는 연삭 롤 곡선을 보다 자유롭게 설정하고 최적화된 롤 곡선의 효과를 보다 쉽게 ​​개선할 수 있습니다.

그림 5 모양 제어를 위한 롤 이동 방법

기본적으로 위에서 언급한 두 가지 방법에서 동일한 변속 메커니즘이 사용되지만 기하학적 모양의 변속 롤이 더 효과적입니다. 기하학적 모양의 시프트 롤은 단순한 오목 및 볼록 결합 곡선(S자 곡선)을 갖는 롤 프로파일을 가지고 있습니다. 시프트 롤 프로파일은 최적화될 수 있으며 최적의 형태의 시프트 롤은 때때로 '결합 수치 프로파일'(CNP) 롤이라고도 합니다. 롤 시프트 방식은 롤 형상에 따라 시프트 위치 및 롤 벤딩 압력에 대한 설정 값을 동시에 계산하고 명령을 제공하는 자동 설정 시스템에 의해 추가로 지원됩니다.

또한, 압연기 플랜트 또는 압연기 스탠드별로 시프트 롤 형상을 최적화할 수 있고, 압연기 스탠드의 시프트 롤 형상을 하나씩 최적화하여 스트립 폭에 대한 제어 효과를 높은 생산 비율은 더 높아집니다. 롤 형상을 철저히 최적화하기 위해 특정 기능을 사용하지 않고 수치 데이터를 사용하여 형상을 결정하는 경우가 많습니다. 작업 롤 시프트 방법은 강대의 열간 압연에서 롤의 단계적 불균일 마모를 줄이기 위해 롤 마모 분산에도 사용할 수 있습니다.

압연기에 필요한 작업성 및 서비스 용이성에 따라 이동 장치는 작동 측 또는 구동 측 중 하나에 설치할 수 있습니다. Roll Shift 형상 제어 구동 장치는 선택된 롤 형상에 따라 유연한 제어 효과를 낼 수 있고 대형 열간 압연기에 장착할 수 있어 기존보다 사용빈도가 높습니다.

모양 롤 기술 – 스트립 크라운 및 평탄도 범위 제어를 증가시키기 위해 성형 롤 기술을 모든 마감 스탠드에 적용할 수 있습니다. 이 경우 이동은 작업 롤 마모 분포를 제어할 뿐만 아니라 스트립 크라운과 평탄도를 제어하는 ​​데 사용됩니다. 일반적으로 성형 롤의 크라운 제어 용량은 벤딩 시스템 용량보다 2~3배 높습니다. 크라운 및 평탄도 제어와 마모 제어 기능을 결합하기 위해 작업 롤의 부드러운 프로파일 모양이 채택되었습니다. 작업 롤의 프로파일은 비대칭 사인 함수와 3차 다항 함수로 구성된 곡선입니다. 변속 시스템은 갭 프로파일 설정 전용이므로 적절한 작업 롤 갭 프로파일(정적 제어)을 설정하는 데만 사용되는 반면 롤링 스트립 동안 크라운 제어(동적 제어)는 작동 장치를 구부려 수행됩니다.

인플레이팅 롤 방식(가변 크라운 롤 방식) – 롤 배럴 길이가 긴 작업 롤의 경우 WRB 형상 제어에서 WRB의 영향이 스트립 폭 중앙 영역으로 전달될 가능성이 적습니다. WRB 방식과 백업 롤을 롤 배럴 방향으로 일부 팽창시켜 형태를 조절하는 방식을 결합하여 스트립 형태 조절 효과를 유지할 수 있다. 팽창 롤을 백업 롤로 사용하여 형상 제어 성능을 유지할 수 있으면 작업 롤을 가공하여 스트립 중앙 영역에서 볼록한 만곡 형상을 형성할 필요를 없앨 수 있습니다. 이 유형의 롤은 스트립과 작업 롤 사이의 날카로운 불균일한 접촉 가능성을 줄이고 특히 스트립 표면의 품질이 항상 우수해야 하는 경우에 효과적입니다.

작은 압연 하중을 위한 압연기의 경우, 롤 배럴 길이 중앙에 팽창을 위한 유압 챔버가 있는 가변 크라운(VC) 롤과 WRB 롤을 동시에 사용할 수 있습니다. 그림 3은 4단 압연기(직경 480/직경 1,220 × 1,950mm)에 인플레이션율이 0.32mm인 VC 롤과 DCB가 장착된 성능 계산의 예를 보여줍니다. 더 큰 롤링 힘으로 형상 제어를 위해 테이퍼 피스톤(TP) 롤(그림 6)이 개발되었습니다.

그림 6 테이퍼 피스톤 롤과 표면 변위

그림 6은 TP 롤을 보여줍니다. 아버, 슬리브 및 테이퍼 피스톤으로 구성되며 테이퍼 피스톤 위치를 유압으로 조정하여 롤 프로파일을 조정합니다. 양쪽에 2개의 피스톤을 설치하여 프로파일을 보다 자유롭게 조정할 수 있습니다. TP 롤은 백업 롤의 배럴 길이가 큰 열간 압연기에 사용됩니다.

TP Roll은 2단 압연기에도 쉽게 설치가 가능하며, Work Roll Bending을 적용할 수 없어 형상제어 구동장치의 설치가 용이하지 않습니다. TP 롤은 작업 롤로 설치할 수 있으므로 크기와 팽창은 열간 압연기에서 백업 롤로 달성되는 것보다 작습니다. 그러나 스트립은 직접 접촉하여 롤 프로파일의 변화에 ​​영향을 받기 때문에 형상 제어 효과가 더 커집니다. 그림 6은 2단 압연기에 대해 직경 550mm의 중간 직경 TP 롤의 측정된 팽창 곡선의 예를 보여줍니다.

기타 방법

얇은 두께의 와이드 스트립 밀에서는 기계적 형상 제어 작동 장치로 임의(비대칭) 위치에서 형상을 국부적으로 제어하기 어렵기 때문에 포켓형 형상이 발생할 가능성이 더 큽니다. 이러한 경우 구역 냉각수 또는 스폿 냉각수(또는 가열) 제어가 효과적입니다. 롤의 국부적인 열팽창과 국부적인 수축을 사용하는 이러한 제어는 스트립 평탄도 센서와 결합되어 자동 형상 제어 시스템을 형성합니다.

작업 롤 열 크라운(RTC) 냉각 헤더 – 작업 롤 RTC는 각 마감 압연 스탠드(상단 및 하단)의 출구 측에 배치된 2개의 틸팅 헤더(그림 7)입니다. 노즐은 정점이 압연기의 중심선에 있는 포물선 경로를 따라 이러한 헤더에 배치됩니다. 또한 각 RTC 헤더는 유압 실린더로 회전할 수 있습니다. 스프레이 노즐 분포와 헤더 회전 각도의 조합은 가장자리보다 롤 센터를 더 효율적으로 냉각하거나 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 롤 배럴을 따른 냉각 구배는 RTC 헤더의 적절한 각도 위치에 의해 작업 롤 열 크라운을 효과적으로 제어하는 ​​것을 가능하게 합니다. RTC 시스템을 사용한 결과는 (i) 정상 상태로의 짧은 전환, (ii) 효과적인 작업 롤 열 크라운 제어, (iii) RTC를 보상하는 데 필요한 굽힘력 감소로 인해 더 많은 굽힘력을 사용할 수 있습니다. 스트립 크라운과 평탄도를 제어합니다.

그림 7 작업 롤 열 크라운 헤더 및 롤 교차 시스템

작업 롤 및 백업 롤 교차 – 작업 롤 및 백업 롤 교차(플렉시블 크라운 및 자유 롤링)는 롤링 스탠드용으로 개발된 새로운 개념입니다. 이 개념은 매우 넓은 제어 범위 내에서 스트립 크라운을 지속적으로 조정하고 롤 마모를 독립적으로 제어하기 위해 롤링 중 롤 교차 및 이동을 가능하게 합니다. 목표는 다양한 최종 응용 분야에 필요한 광범위한 스트립 프로필의 초박형 게이지를 포함하여 가장 까다로운 제품 조합에 대한 스트립 프로필 및 평탄도 제어 요구 사항을 충족하는 것입니다.

무한 또는 반 무한 압연에서 초박형 스트립을 생산하려면 일반적으로 필요하고 기존 작동 장치로 달성되는 제어 범위보다 4~5배 더 넓은 매우 넓은 스트립 크라운 제어 범위(최대 1,700마이크로미터)가 필요합니다. 이러한 노력은 현재 사용 가능한 모든 기술의 한계를 극복하는 작업 롤 및 백업 롤 교차 스탠드의 개발로 이어졌습니다. 스트립 프로파일에 대한 롤링 하중 효과뿐만 아니라 롤 마모 및 RTC의 변화를 독립적으로 제어하기 위한 롤 벤딩, 이동 및 교차 기능이 있습니다. 압연기에 설치된 작업 롤 및 백업 롤 교차 시스템은 (i) 작업 롤 및 백업 롤 교차, (ii) 교차 각도의 동적 제어, (iii) 작업 롤 포지티브 및 네거티브 벤딩, (iv) 작업을 가질 수 있습니다. 히스테리시스가 없는 롤 변속 시스템, (v) 구름 하중 하에서 교차 및 변속, (vi) 교차 및 변속의 독립적 사용

롤 교차는 볼록 크라운을 연마하는 것이 작업 롤에 미치는 것과 동일한 효과를 스트립에 적용합니다. 롤 크라운의 등가량은 Ceq =Se-Sc =(L2 tan2A) / (2(Dw + Sc))입니다. 여기서 L은 배럴 길이, Dw는 작업 롤 직경, Sc는 롤 중심에서의 롤 간격, Se 는 롤 가장자리의 롤 간격이고 A는 교차 각도입니다. 굽힘 작동 장치와 함께 교차 작동 장치는 스트립 프로파일의 2차 및 4차 부분을 수정할 수 있습니다. 롤 교차는 밀 창을 가로지르고 작업 롤 초크와 백업 롤 초크가 미끄러지는 진동 라이너를 지지하는 F자형 블록에 의해 달성됩니다. 각 F자형 블록은 하우징 포스트의 내부 면에 있는 슬롯에 배치됩니다. 블록은 2개의 특수 기계식 캠 유형 잭과 유압 밸런싱 시스템을 통해 슬롯에 연결됩니다.

작업 롤 및 백업 롤 교차 스탠드의 장점은 (i) 넓은 제어 범위 내에서 연속적으로 조정 가능한 스트립 크라운, (ii) 부하 시 이동을 통해 수행되는 작업 롤 마모 및 모서리 마모 제어의 분포, (iii) 작업 롤 마모 및 스트립 크라운 제어가 독립적임, (iv) 균일한 백업 롤 마모, (v) 작업 롤과 백업 롤 사이의 균일한 접촉 압력으로 인한 백업 롤 수명 증가, (vi) 스케줄 없는 롤링 기능, (vii) 열 크라운 제어의 높은 효율성, (viii) 무한 롤링을 위해 특별히 설계되었습니다.

기타 측면

기본적으로 열간 압연을 위한 형상 제어 작동 장치는 형상 센서 출력을 기반으로 작동 및 제어됩니다. 따라서 고성능의 구동장치를 사용하더라도 형상검출오차나 피드백 계산오차로 인해 형상오차가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 스트립의 평탄도를 자동 및 기계적으로 보정하는 텐션 레벨러를 얇은 스트립의 최종 마무리 장비로 채택할 수 있습니다. 또한 극도로 얇은 스트립에 대한 효과를 높이기 위해 스트립 벤딩 헤드가 매우 작은 곡률 반경을 갖는 하이드로 텐션 레벨러를 채택할 수 있습니다.

차속 압연기는 하단 롤이 상단 롤과 다른 속도로 작동하여 압연력을 줄여 생산성을 향상시킵니다. 이것은 (i) 더 작은 최소 압연 두께, (ii) 개선된 스트립 모양, (iii) 더 미세한 미세 구조 크기와 같은 이점을 제공합니다. 차속비를 가변으로 하면 회전력을 가변으로 하여 형상 제어 효과를 발생시킨다. 이러한 포괄적인 관점에서 차동 속도 압연기는 유성 기어가 있는 차동 기어 시스템을 갖추고 있습니다. 이를 통해 전체 장비 모터 전력을 증가시키지 않고도 적절한 차속비를 선택할 수 있습니다.