철강 열연공정 중 가열로 내 냉각롤에 대한 재료의 기계적거동과 고온산화의 열역학적 반응

Abstract

초 록

본 연구는 철강 열연공정 중 가열로 내부에 있는 수냉식 냉각롤에 대하여 재료의 기계적 거동을 분석하고, 롤표면의 고온산화를 열역학적인 관점에서 접근하여 최적사용조건을 수식화하는 것을 목적으로 한다. 첫 번째 연구부분인 재료의 기계적 거동 분석은 가열로의 높은 온도조건과 수냉식 냉각롤의 온도차이를 고려하여 유체역학 및 열전달 적용원리를 수치적으로 계산하고, 온도조건을 고려한 재질의 기계적 물성치와 압하응력 및 열응력계산을 수행한다. 우선 롤내부의 3가지 다른 재질에 대해 온도별 물성치를 분석한다. 다음은 롤의 설계구조를 파악하여 응력전달구간과 지지점을 분석하고, Load Cell을 이용하여 하중을 측정한다. 이를 통해 SFD(Shear Force Diagram)와 BMD(Bending Moment Diagram)를 표현하고 단면계수(Section Modulus)를 고려하여 최대굽힙응력(Maximum Bending Stress)을 도출한다. 그 후 롤에서 파단이 발생하는 롤표면 재질에 대하여 피로강도를 계산하고 ASME(American Society of Mechanical Engineers)의 코드를 기준으로 한 설계허용응력을 계산한다. 마지막으로 열화상카메라로 가열로 내부 온도분포(Profile)와 롤표면의 온도를 측정하고, 수냉식 냉각롤의 냉각라인에 센서를 부착하여 유입되고 토출되는 냉각수의 양과 온도를 측정한다. 이러한 측정치를 바탕으로 열전달량(heat flux), Prandtl Number, Sutherland equation의 온도별 점성도출, Reynolds number, Nusselt Number, 열저항, 열전도도, Fourier law를 고려하여 롤 내부의 구간별 온도분포를 찾아내어 이를 FEM(Finite Element Method)에 적용한다. 이러한 분석을 통하여 재료의 기계적 거동 연구 부분에서는 롤표면에 발생하는 최대응력을 알아내고, 설계적인 관점에서 안전계수(Safety factor)를 도출한다.

두 번째 연구부분은 롤표면에 발생하는 고온산화를 열역학적으로 접근하는 것이다. 우선 고온산화의 발생기구를 연구하고 이를 깁스자유에너지(Gibbs Free Energy)식을 이용하여 산소분압에 따른 고온산화에 필요한 구동력(Drive Force), 즉 깁스에너지 차이(∆G, G는 Gibbs Free Energy)를 분석한다. 산화반응(2Fe+O2 = 2FeO)에 필요한 산소분압을 알아내기 위해 Ellingham Diagram의 Richardson Line을 분석하여 산소분압의 고온산화 영향정도를 도출한다. 또한 열역학계산프로그램인 FactSage를 이용하여 해당 롤재질인 합금강에 대하여서도 별도의 계산을 수행한다. 다음은 Fe-O 2상 상평형도(Binary-System Phase Diagram)을 분석하여 온도별 산화스케일 발생영역을 분석하고, 산화스케일 형태(FeO, Fe3O4, Fe2O3)에 따른 파괴강도를 비교한다.

세 번째 연구부분은 연구대상인 냉각롤이 가지고 있는 표면파단과 산화스케일생성의 문제를 해결하기 위해 TRIZ(Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch, Theory of Inventive Problem Solving)의 기법을 사용하여 경제성을 갖춘 해결안을 도출하고, 이를 실제 조업에 적용을 하여 실험을 수행하고 이에 따른 개선결과를 분석한다.

마지막 연구부분은 본 연구를 바탕으로 모든 가열로 내 냉각롤의 응력분석과 적정온도 관리구간을 설정할 수 있도록 롤 설계치수, 압하중, 롤표면온도, 수냉롤 냉각수 유량, 유입과 토출의 온도차이 등을 기호화 하여 수식을 도출한다. 이러한 식을 바탕으로 유사한 공정을 가지고 있는 경우에 단순히 수치만 입력하여 원하는 결과를 얻을 수 있도록 하고자 한다.

In this study, we aim to develop general equation for water-cooling roll surface maximum stress in high-temperature space considering mechanical stress and thermal stress. To achieve this general equation, we research about mechanical behavior of materials and high-temperature oxidation in terms of thermodynamics of materials for water-cooling roll in high-temperature furnace.

The first part of this study is mechanical behavior analysis of materials. we do calculations about fluid dynamics and heat and mass transfer principles considering furnace's high-temperature atmosphere and temperature difference between inlet and outlet cooling water in water-cooling line. And we also research materials' mechanical and thermal properties and calculate mechanical and thermal stress. In this part, firstly, we research three different materials' various properties depending on temperature. After this process, we analyze stress-transient area and support point in roll's structure and measure load value using load-cell. Through this step, we present SFD(Shear Force Diagram) and BMD(Bending Moment Diagram) and maximum bending stress considering section modulus. And then, we calculate fatigue strength and allowable design stress using ASME(American Society of Mechanical Engineers) design code. Finally, we analyze furnace atmosphere temperature profile and roll shell temperature using thermo-vision and measure inlet and outlet temperature and flow rate of cooling water using sensors. Base on these measured value, we analyze temperature profile in water-cooling roll's structure considering heat flux, Prandtl number, Sutherland equation, Reynolds number, Nusselt number, thermal Resistance, thermal conductivity, Fourier law. And from this temperature profile, we can achieve thermal stress using FEM(Finite Element Method). Through all these process, we find maximum stress on roll shell and safety factor.

Second part of this study is about thermodynamics and high-temperature oxidation phenomena. Firstly, we research about high-temperature oxidation mechanism and Gibbs free energy for oxidation depending on oxygen partial pressure. To find oxygen partial pressure requirement for oxidation(2Fe+O2 = 2FeO), we use Richardson line in Ellingham Diagram. To consider ferro-alloy's chemical composition for heat-resistant steel which is used in roll shell part, we do analysis using FactSage program. Then, we analyze Fe-O binary system phase diagram and achieve temperature-dependent oxide-phase. Lastly, we compare fracture strength for different type of oxide scale(FeO, Fe3O4, Fe2O3).

Third Part of this study is about TRIZ(Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch, Theory of Inventive Problem Solving). we use TRIZ principles and achieve economically feasible solutions and adjust this concept to real operation situation. And we analyze this result.

The last part of this study is achieving general equation for water-cooling roll maximum stress expecting that some researchers who have similar problems can easily analyze the maximum stress using only measured values for their own water-cooling roll situation.