In this study, a three-dimensional analysis program considering roll deformation during the hot rolling process and incorporating a slit beam deflection model into a three-dimensional finite element (FE) program was developed. The in-house three-dimensional FE program CAMProll was utilized to simulate a steady state rolling process based on a rigid-viscoplastic approach to investigate the deformation behavior of a strip during the hot rolling process. According to the rolling simulation results, the line pressure distribution between the strip and the work roll was calculated. The longitudinal distribution of the roll pressure known as the friction hill was affected by the shear friction constant and the roll velocity. Also, rolling simulations with front and back tensions were carried out. It was found that the longitudinal distribution of the roll pressure and the neutral point were changed by the applied tension.
A slit beam deflection model was adopted to investigate the deformation behavior of rolls in a four-high mill. The degrees of roll flattening and roll bending were calculated using the slit beam deflection model with line pressure distribution between the strip and the work roll. Verification of the slit beam deflection model was conducted by comparing a deformed roll configuration with corresponding results available in reference for the given conditions.
To develop the three-dimensional analysis program considering roll deformation, the three-dimensional FE program with the slit beam deflection model was applied to the hot rolling process to predict the deformation behavior of the strip. The line pressure distribution between the strip and the work roll was calculated. The tension distribution at the entry and exit were closely correlated to the line pressure distribution between the strip and the work roll. In addition, the longitudinal distribution of the roll pressure and the distribution of the contact length between the strip and the work roll were calculated considering the roll deformation. In order to validate the program developed in this study, the prediction of the deformed strip profile was compared with the corresponding experimental result available in the literature. The comparison showed that the simulation result was in good agreement with the experimental result.
It can be construed from the current investigations that the prediction of a deformed strip shape considering the deformation of the roll during the hot rolling process may be helpful for improving the quality of hot rolled steel at the industry.
압연공정이란, Figure 1.1에서와 같이 반제품 슬래브 (slab), 빌렛 (billet), 블룸 (bloom) 등을 회전하는 롤 사이로 통과시켜 연속적인 변형을 가함으로써 원하는 형상의 제품을 만드는 소성가공 공정이다 [1]. 압연공정은 다른 소성가공 공정에 비해 제품의 생산속도가 빠르고 생산비가 저렴하기 때문에 대량 생산에 적합한 공정이며, 가공되는 소재의 온도에 따라 열간압연, 온간압연 및 냉간압연으로 대별된다. 그 중 열간압연공정 (이하 열연공정)은 Figure 1.2와 같이 반제품을 재결정 온도 (recrystallization temperature) 이상으로 가열하여 압연하는 공정이다 [2]. 열연공정을 통해 생산된 열연강판은 냉연강판, 도금강판, 자동차강판 등 대부분의 판재류 품목들을 생산할 때 재가공되어 사용한다. 따라서 고품질 열연강판을 생산하는 것은 많은 판재류 품목들의 품질 향상에 도움을 줄 수 있다. 또한 Table 1.1에서와 같이 최근 5년 간 국내 전체 철강 생산량 대비 판재류 생산량의 비율은 50% 내외의 아주 높은 비중을 차지한다 [3]. 결과적으로 열연강판의 품질 향상으로 인한 긍정적 파급효과는 국내 철강산업에 크게 작용할 것이다.
일본 및 독일과 같은 철강기술 선진국의 경우, 오랜 시간 동안 축적해온 기술을 바탕으로 전산모사기법을 통해 열연제품의 품질과 생산성을 높이고 있다 [4]. 반면에 국내 열연산업의 경우에는 아직까지 열연공정설비의 대외의존도가 높아 독자적인 기술 확보가 요구된다. 특히, 열연공정 중 마무리압연은 열연강판의 품질과 직결되기 때문에 적절한 공정제어 및 설계가 필수적이다. 하지만 마무리압연에서의 공정변수를 결정하기 위해서는 많은 시간과 비용이 소모되기 때문에 실험을 대신하여 소재의 변형을 예측할 수 있는 요소기술을 개발한다면 열연공정 설계를 위한 막대한 양의 재원을 절약할 수 있을 것이다. 또한 요소기술을 통해 열연공정의 각 공정변수들이 소재의 변형에 미치는 영향을 분석하고, 그 정보를 이용한다면 실제 열연공정에서 발생하는 문제점을 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 판단된다.
열연공정 시 소재가 압연됨과 동시에 롤의 변형도 수반되기 때문에 정확한 열연공정 해석을 위해서는 소재와 롤의 변형을 함께 고려하는 해석을 수행해야 하며, 해석 결과를 통해 주어진 공정조건에 따른 소재의 변형거동을 분석해야 한다. 또한 열연공정 시 변형된 소재의 형상을 제어하기 위한 작업롤 굽힘 설비를 적용하여 작업롤 지지부에 가해진 벤더력이 소재 변형에 미치는 영향을 분석하여 최적의 벤더력을 설정하는 데 활용할 것이다. 따라서 본 연구에서는 롤 변형을 고려한 열연공정의 3차원 유한요소해석을 통해 소재의 변형을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하여 고품질 열연강판을 생산하기 위한 마무리압연 중 작업롤 굽힘 설비의 벤더력을 선정하는 데 기여하고자 한다.
