열간 압연 특성 분석 및 자동화 설계 모델링

Abstract

압연(rolling)은 회전하고 있는 두 개의 롤(roll)사이에 소성 변형이 비교적 잘되는 금속 소재를 통과시켜 롤의 압력에 의하여 단면적 두께를 감소시키며 길이 방향으로 늘리는 작업을 말한다. 압연 공정은 주조 및 단조에 비해 작업이 신속하고 생산능력이 크기 때문에 대량 생산하는데 있어서 효과적이다. 또한, 재료의 두께 또는 단면적을 변형시키는 과정에서 발생되는 재료의 손실이 적다. 압연 공정은 재료의 온도에 따라 냉간 압연과 열간 압연으로 구분할 수 있다. 이중 열간 압연은 재결정 온도 이상에서 가공하기 때문에, 재료의 변형이 쉽고 비교적 작은 동력으로도 소재를 크게 변형시킬 수 있다. 그러나, 정확한 치수로 가공하기 어렵고 제품 표면이 산화되기 때문에 표면이 깨끗하지 않다. 이에 대한 대표적인 현상으로는 평판이 올록볼록하게 굴곡이 생기는 채터 마크 현상과 평판의 일부가 찌그러져서 편평도가 불균일해지는 현상, 그리고 판의 일부가 찢어지는 파열 현상 등이 있다. 이러한 현상들은 불안정한 압연하중과 압연속도, 이송속도, 롤의 회전속도의 편차, 불균질한 재질, 압연기에서 발생되는 고유 진동 특성 등의 다양한 압연 조건 들에 따라서 발생된다. 이러한 현상들을 고찰하기 위해서 일반적으로 유한요소 해석과 실험을 통하여 원인을 분석하는 방법들이 주로 사용되었다. 하지만, vii 유한요소 해석을 하는데 있어 해석 시간과 모델에 따른 요소의 크기에 한계가 있기 때문에 작업 롤과 Slab만을 모델링 하여 해석을 주로 수행하다 보니 압연기에서 발생되는 진동 특성을 분석하는데 한계가 있었다. 또한, 실험의 경우 압연 공정에서 측정되는 데이터를 분석하기 때문에 다양한 조건에서의 압연 특성을 분석하는데 어렵다. 본 연구에서는 기존 연구에서 다루던 단일 재질의 작업 롤이 아닌 경도가 다른 재질 작업 롤에 대한 Slab와의 마찰계수를 조사하였고 마찰계수 변화에 따라 압연 과정에서 요구되는 압연 하중을 계산하였다. 먼저, 제작과정에서 나타나는 경도가 다른 작업 롤과 Slab의 샘플을 이용하여 마모 시험을 수행하고 경도 차이에 따른 마찰 계수를 측정하였다. 측정된 마찰 계수를 유한요소 모델에 적용하여 경도 변화 및 압연 조건에 따른 압연 하중과 마모량을 계산하였다. 또한 경도 변화에 따른 불안정한 압연 하중은 롤의 튕김으로 인하여 발생되는 대표적인 현상 중 하나인 채터 진동을 발생시킨다. 채터 진동은 일반적으로 압연기에 가속도계를 부착하여 측정하거나 Slab와 작업 롤만을 고려한 수치해석적 방법을 사용하기 때문에 비용적인 측면과 압연기 요소에 대한 연관성을 파악하는데 한계점을 가지고 있다. 따라서, 이와 같은 문제들을 해결하고자 채터 진동이 발생된 실험 데이터를 반영할 수 있는 다물체 동역학 모델을 구성하였고, 채터 진동 중 가장 대표적인 현상인 채터 마크가 발생되었을 경우에 대한 원인을 분석하였다. 그 결과, 저주파의 채터 진동이 viii Slab의 압입 과정에서 발생되는 것을 확인하였으며, 이로 인하여 스핀들의 떨림에도 영향이 있는 것을 확인하였다. 또한, 채터 진동 저감을 위해 다양한 압연 조건을 적용하였고 실험계획법을 이용하여 최적의 압연 조건을 제시하였다. 열간 압연기의 설계 과정에는 Slab의 품질에 크게 영향을 줄 수 있는 압연 하중과 압연기의 진동 특성을 고려하여야 한다. 유한요소 모델의 경우에는 압연기 요소의 구성과 Slab가 변하는 과정에서 발생되는 진동 특성을 조사하는데 어려움이 있고, 다물체 동역학 모델의 경우에는 압연기의 요소에는 제한이 없지만 Slab의 형상 변형을 고려하지 못하는 문제점이 있다. 이러한 것들을 해결하기 위해, Slab의 형상 변형과 압연 하중 그리고 진동 특성을 계산할 수 있는 수치모델을 제안하고자 한다. Slab의 형상을 제작하는데 있어서 직접적으로 압연 하중을 가해주는 작업 롤의 직경을 설계 초기 기준으로 설정하면, 먼저 자동적으로 넥과 롤로 구성된 압연기 형상이 제시되고, 여기에 요구되는 압연 조건을 적용하면 최종적으로 압연 특성을 분석할 수 있는 자동화 수치모델을 구성하게 된다. 제안된 모델은 실험데이터와 유한요소 해석 결과를 비교하여 검증하였으며, 제안된 모델을 이용하여 Slab의 온도와 감면율에 따라 판의 두께, 폭퍼짐, 입력 및 출력 압력, 압연 하중, 그리고 진동 데이터와 같이 압연 공정에 있어 필요한 데이터를 계산함으로써 압연기 설계 자동화에 적용될 수 있게 하였다.