KR20190107014A - 무연 패턴팅 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

2.8 ㎜ 초과의 직경을 갖는 하나 또는 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 미리결정된 온도 범위로 제어 냉각하는 방법은, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 물과 안정화 첨가제를 포함하는 배스 액체를 포함하는 하나 또는 복수개의 제1 냉매 배스/배스들을 통해서 개별 경로를 따라서 안내하는 단계를 포함한다. 배스 액체와 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선은 각각의 개별 경로를 따라서 각각의 강선 자체 주위에 스팀 필름을 생성하고, 상기 방법은 상기 제1 냉매 배스/배스들 내부에 침지된 충돌 액체를 개별 경로/경로들을 따라서 특정 길이(L)에 걸쳐서 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 쪽으로 인도하여, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 냉각시키는 단계로서, 충돌 액체는 스팀 필름의 두께를 감소시키거나 스팀 필름을 불안정화시키며, 따라서 개별 경로를 따라서 길이(L)에 걸쳐서 냉각 속도를 증가시키는 단계; 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 제1 냉매 배스/배스들 밖으로 안내하여 공기 중에서 추가로 냉각시키는 단계; 공기 중에서의 추가 냉각 이후, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 하나 또는 복수개의 제2 냉매 배스/배스들을 통해서 안내하는 단계를 포함한다. 상기 방법에서, 실질적으로 직선의 강선/강선들은 오스테나이트에서 펄라이트로의 냉각 변태를 겪는다.

Description

무연 패턴팅 방법 및 장치
본 발명은 강선의 무연 패턴팅(lead-free patenting) 방법 및 장치에 관한 것이다.
강선(steel wire)의 열처리는 대개 생산 공정에서 중요한 역할을 한다. 와이어 제조의 제1 단계는 선재(wire rod)를 소망 중간 직경으로 인발하는 것으로 시작된다. 가공-경화의 이 단계에서, 인발된 와이어는 패턴팅 공정에 의해 펄라이트로 열처리되어 추가 소성 변형이 가능해진다. 이후, 패턴팅된 강선은 제2 중간 크기 또는 최종 직경과 같은 보다 작은 크기로 인발된다. 패턴팅은 탄소강 와이어를 대체로 800℃ 초과의 오스테나이트 상으로 가열하는 단계 및 이후 와이어를 오스테나이트의 대략 등온 분해가 완료되기에 충분한 기간 동안 유지되는 선택된 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 온도는 대개 500℃ 내지 680℃의 범위이며, 그 의도는 일반적으로 미세 펄라이트 조직을 제공하는 것이다.
잉곳 또는 빌렛(billet)을 열간 압연함으로써 제조된 스틸 선재는 제어된 냉각을 거친 후에 압연된 상태에서 실용화된다. 열간 압연된 직후의 고탄소봉을 우수한 냉간-가공성을 갖도록 냉각시키기 위해, GB1276738호는 고탄소봉을 온수 배스에 침지시키는 것을 기술하고 있다. 이 문헌에 개시되어 있는 5.5 ㎜ 내지 6.5 ㎜ 범위의 선재 직경을 갖는 스틸 선재를 열처리하는 방법은 600℃ 내지 1100℃의 온도로 유지되는 선재를 계면 활성제가 함유된 온수 배스에 침지시키는 단계를 포함한다. 물은 45℃보다 높은 온도로 유지되며 따라서 선재 표면 상에 균일하게 스팀 필름을 생성하고 따라서 선재의 냉각 속도를 제어한다. 이 열처리 방법의 요점은 선재 표면에 스팀 필름을 균일하게 생성하고 이 상태를 펄라이트 변태가 완료될 때까지 일정 기간 동안 유지하는 것이다. 이러한 방법은 수평 컨베이어 상에서 나선형 코일로 운송되는 열간 압연된 봉의 직접 냉각에 사용될 때 다양한 장점을 갖는다. 이 방법은 다른 직경의 와이어의 처리에는 덜 적합하거나 신뢰성이 낮은 것으로 간주되어 왔다.
WO2007/023696호는 11.0 ㎜ 초과의 직경을 갖는 느슨한 코일형 압연 선재의 직접 열처리 방법에 관한 것이다. 코일형 압연 선재는 이들을 냉매에 침지시키거나 냉매 유동에 노출시킴으로써 냉각된다.
1.5 ㎜에서 5.0 ㎜까지 변화할 수 있는 소망의 중간 직경을 갖는 인발된 와이어의 열처리를 위해, EP0216434호는 오스테나이트 온도로 미리 가열된 강선을 제어 냉각하는 다른 방법을 개시하고 있다: 와이어는 80℃ 이상의 실질적으로 순수한 물을 함유하는 냉매 배스를 통해서 연속적으로 운반되며, 마르텐사이트 또는 베이나이트를 생성하지 않으면서 펄라이트로 냉각되도록 배스에 침지된다. 와이어는 실질적으로 순수한 물의 연속 비난류 유동과 접촉됨으로써 그 전체 침지 길이를 따라서 균일하고 안정적인 필름-비등(film-boiled) 냉각을 겪는다. 워터 패턴팅된(water patented) 와이어는 우수한 인발성 기록을 갖는 충분히 균일한 펄라이트 미세조직을 특징으로 한다.
EP0524689A1호는 2.8 ㎜ 미만의 직경을 갖는 하나 이상의 강선을 패턴팅하는 방법을 개시하고 있다. 냉각은 1회 이상의 수냉 기간 중에는 수중에서 그리고 1회 이상의 공냉 기간 중에는 공기 중에서 필름 비등시킴으로써 교호적으로 이루어진다. 수냉 기간은 공냉 기간의 직후에 이어지며 그 반대도 마찬가지이다. 수중에서의 냉각 속도는 빠르지만, 공기중에서의 냉각 속도는 훨씬 느리다. 수중에서의 빠른 냉각 속도는 직경이 2.8 ㎜ 미만의 직경을 갖는 와이어에 대해 중대한 위험을 초래한다. 강선의 냉각 속도를 늦추기 위해 수냉 구간 사이에서 공냉이 이루어진다. 수냉 기간의 횟수, 공냉 기간의 횟수, 및 각 수냉 기간의 길이는 마르텐사이트 또는 베이나이트의 형성을 회피하도록 선택된다.
발명의 명칭이 "두꺼운 강선의 강제 수냉"인 WO2014/118089A1호는 5 ㎜보다 큰 직경을 갖는 직선의 강선에 대한 강제 냉각 공정을 개시하고 있다. 냉매 배스 내부에 침지되는 충돌 액체는 강선으로 인도되어, 가열된 강선의 냉각 속도를 가속화한다. 냉매 배스 내의 이 "강제" 냉각 영역에 이어서, 방해받지 않은(이것은 와이어 주위의 비등 필름에 액체가 충돌하지 않음을 의미한다) 비등 필름이 와이어를 추가로 냉각시키는 냉각 영역이 뒤따른다.
패턴팅 공정, 즉 냉각 또는 변태 단계는 매우 중요하며, 오스테나이트화된 강선의 펄라이트로의 냉각-변태에 영향을 주기 위해 상기와 같은 많은 종래 시도가 이루어졌다. 그러나, 결과적인 강선은 수많은 바람직하지 않은 금속 조직으로 인해 일관성없는 인발성 및 빈번한 예상밖의 취성 거동과 같은 특성의 변동을 여전히 나타낼 수 있다. 패턴팅된 와이어의 정확한 금속 조직은 후속 와이어 인발 도중의 와이어 파단 유무를 결정할 뿐만 아니라 그 최종 직경에서의 와이어의 기계적 특성을 대부분 결정한다. 변태 조건은 강선 표면의 매우 국소적인 지점에서도 마르텐사이트 또는 베이나이트가 회피되도록 이루어져야 한다. 다른 한편으로, 패턴팅된 강선의 금속 조직은 너무 부드럽지 않아야 하는 바, 즉 너무 거친 펄라이트 조직이나 너무 많은 양의 페라이트가 존재하지 않아야 하는데, 왜냐면 이러한 금속 조직은 강선의 소망 극한 인장 강도를 결코 초래하지 않을 것이기 때문이다. 강선, 특히 더 큰 직경의 강선에 대해서는 강선의 금속 조직 및 인장 강도가 양호하게 제어될 수 있는 신뢰성있고 비용 효과적인 패턴팅 공정이 여전히 요구된다.
본 발명의 목적은 시간이 지날수록 보다 안정적인 2.8㎜보다 큰 직경을 갖는 강선을 패턴팅하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 적절한 금속조직학적 미세조직, 즉 마르텐사이트 또는 베이나이트 스폿이 전혀 없는 미세 펄라이트 조직을 갖는 2.8 ㎜보다 큰 직경의 패턴팅된 강선을 얻는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상이한 직경 및 스틸 조성을 갖는 복수개의 강선의 미세조직 및 인장 특성을 미세조정하는데 적합한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태는 하나 또는 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 미리결정된 온도 범위로 제어 냉각하는 방법이다. 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선은 2.8 ㎜ 초과의 직경을 갖는다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:
a) 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 하나 또는 복수개의 제1 냉매 배스/배스들을 통해서 안내하는 단계. 상기 제1 냉매 배스/배스들은 배스 액체를 포함한다. 상기 배스 액체는 물과 안정화 첨가제를 포함한다. 바람직하게, 상기 배스 액체는 80℃ 초과의 온도를 갖는다. 상기 배스 액체와 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선은 각각의 개별 경로를 따라서 각각의 강선 자체 주위에 스팀 필름을 생성한다.
b) 제1 냉매 배스/배스들 내부에 침지된 충돌 액체를 개별 경로/경로들을 따라서 특정 길이(L)에 걸쳐서 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들 쪽으로 인도하여, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 냉각시키는 단계. 충돌 액체는 스팀 필름의 두께를 감소시키거나 스팀 필름을 불안정화시키며, 따라서 개별 경로/경로들을 따라서 길이(L)에 걸쳐서 냉각 속도를 증가시킨다.
c) 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 제1 냉매 배스/배스들 밖으로 안내하여 공기 중에서 추가로 냉각시키는 단계.
d) 공기 중에서의 추가 냉각 이후, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 하나 또는 복수개의 제2 냉매 배스/배스들을 통해서 안내하는 단계. 이 방법에서, 실질적으로 직선의 강선/강선들은 오스테나이트에서 펄라이트로의 냉각 변태를 겪는다.
2.8 ㎜보다 큰 직경을 갖는 강선은 패턴팅 시에 초기에 급속히 냉각될 필요가 있다. 이러한 급속 냉각은 본 발명의 방법에서 제1 냉매 배스에서의 강제 냉각에 의해 이루어진다. WO2014/118089A1호에서와 같이, 강제 냉각은 냉매 배스 내부에 침지된 충돌 액체를 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 쪽으로 인도함으로써 달성된다. 충돌 액체는 스팀 필름의 두께를 감소시키거나 스팀 필름을 불안정화시킴으로써, 냉각 속도를 증가시킨다. WO2014/118089A1호에서와 같이, 본 발명의 방법은 강선 주위의 방해받지 않는 스팀 필름에 의해 강선을 추가-저속-냉각하는 단계를 포함(요구)하며; 이것은 와이어가 액체를 통과하는 비강제 냉각이라고 지칭될 수 있다. 본 발명의 방법에서, 강선은 제1 냉매 배스(강선에 강제 냉각이 가해짐)와 제2 냉매 배스(강선 주위의 방해받지 않는 스팀 필름에 의해, 따라서 비강제 냉각에 의해 와이어의 냉각이 이루어짐) 사이의 공기를 통과한다. 본 발명의 방법에서의 에어 갭으로 인해, 강제 냉각 시에 생성된 난류는 WO2014/118089A1호와 달리 비강제 냉각(이것은 와이어 주위의 스팀 필름이 방해받지 않는 액체 중에서의 냉각임)에 영향을 미치지 않는다. WO2014/118089A1호에서, 냉매 배스 내의 난류는 의도치 않게 비강제 냉각 영역에서 스팀 필름에 대해 통제되지 않는 식으로 영향을 미친다. 펄라이트로의 변태 과정 중에는, 등온 변태가 바람직한데, 그 이유는 냉각 속도가 정확해야 하기 때문이다. 비강제 냉각 영역에서 강선 주위의 스팀 필름이 통제되지 않는 식으로 영향을 받을 때, 이는 냉각 속도가 변화한다는 의미이다. 따라서, 냉각 조건은 제2 냉각 영역에서 안정적이지 않을 것이며, 패턴팅된 와이어의 품질은 시간이 지남에 따라 일정하지 않을 것이고, 심지어 허용 불가능하게 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 2.8 ㎜보다 큰 직경에서 강선의 오스테나이트로부터 펄라이트로의 보다 신뢰성있고 보다 일정한 변태가 얻어진다는 이점을 갖는다.
본 발명은 제1 냉매 배스에서의 강제 냉각에 의한 급속 초기 냉각 및 제2 액체 냉매 배스에서의 난류를 방지하는 에어 갭의 제공에 의한 안정적인 변태 공정에 초점을 맞추고 있다. EP0524689A1호는 또한 필름 비등을 수반하는 두 개의 섹션 사이에 공냉을 제공하지만, 공냉의 이유가 완전히 다른데, 그 이유는 EP0524689A1호에서의 공냉은 냉각 속도를 감소시키기 위해 제공되고, 그렇지 않으면 강선이 연속적으로 펄라이트 대신에 마르텐사이트로 변태될 것이기 때문이다.
본 발명에서, 제어된 냉각 방법은 하나 또는 복수개의 실질적으로 직선의 강선에 관한 것이다. 이들 강선은 개별 경로를 따라서 제1 냉매 배스를 통과한다. 다시 말해서, 제1 냉매 배스 내의 경로는 실질적으로 직선이다. 따라서 각각의 강선의 경로가 양호하게 형성된다. 통상적으로, 제1 냉매 배스는 장방형 형상을 가질 수 있으며 강선의 경로는 장방형 제1 냉매 배스의 일 측과 실질적으로 평행하다. 이로 인해 제1 냉매 배스 내부에 침지된 충돌 액체가 강선 상의 스팀 필름 쪽으로 향하게 될 수 있다. 예를 들어, 충돌 액체는 강선 아래로부터, 강선(또는 스팀 필름) 쪽으로 및 개별 경로를 따라서 올 수 있다. 따라서, 스팀 필름이 불안정해질 수 있거나 스팀 필름의 두께가 감소된다.
본 발명에 따르면, 미리 가열된 강선/강선들은 오스테나이트로부터 펄라이트로의 제어된 냉각-변태 처리를 겪는다. 강선/강선들은 미리 오스테나이트화 온도 이상으로 가열되고, 바람직하게 오스테나이트로부터 펄라이트로의 변태를 가능하게 하기 위해 400℃ 내지 650℃의 미리결정된 온도 범위에서, 보다 바람직하게 약 580℃의 온도에서 냉각된다.
제1 냉매 배스/배스들은 배스 액체를 포함한다. 배스 액체는 물과 안정화 첨가제를 포함한다. 안정화 첨가제는 강선 주위의 증기/스팀 필름의 안정성을 증가시키기 위해 제공된다. 안정화 첨가제는 비누와 같은 계면 활성제, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 알콜과 같은 안정화 폴리머, 및/또는 알칼리폴리아크릴레이트 또는 나트륨 폴리아크릴레이트와 같은 폴리머 ?칭제를 포함할 수 있다. 첨가제는 강선 주위의 증기 필름의 두께와 안정성을 증가시키기 위해 사용된다.
바람직하게, 제1 냉매 배스 내의 배스 액체의 온도는 80℃ 내지 100℃로 설정된다. 제1 냉매 배스의 배스 액체의 온도는 바람직하게 80℃ 초과, 예를 들어 85℃이며, 가장 바람직하게 90℃ 초과, 예를 들어 약 95℃이다. 수온이 높을수록, 강선 주위의 증기 필름의 안정성이 높아진다.
바람직하게, 충돌 액체는 제1 냉매 배스의 배스 액체와 동일한 화학적 조성을 갖는다.
바람직하게, 제2 냉매 배스(들)의 배스 액체의 조성은 제1 냉매 배스(들)의 배스 액체의 조성과 동일하다. 보다 바람직하게, 제1 냉매 배스(들) 및 제2 냉매 배스(들)의 배스 액체는 순환 펌프에 의해 연속적으로 순환되며, 제1 냉매 배스 및 제2 냉매 배스로부터 취출되어 제1 냉매 배스(들) 및 제2 냉매 배스(들)로 재순환되는 배스 액체를 위해 공통의 중간 저장 수용체가 사용된다. 이런 식으로, 제1 냉매 배스(들) 및 제2 냉매 배스(들) 내의 배스 액체의 조성의 균질성이 개선되며, 결과적으로 보다 안정적인 냉각 시스템이 얻어진다.
바람직하게, 충돌 액체의 강도는 각각의 개별 강선에 대해 또는 복수개의 강선의 서브세트에 대해 개별적으로 설정 및/또는 제어될 수 있다. 충돌 액체의 강도를 설정 및/또는 제어함으로써, 강선 주위의 스팀 필름을 교란시키는 강도가 수정되고, 따라서 강선의 냉각 속도가 수정된다. 이런 식으로, 각각의 와이어를 최적으로 냉각 및 변태시키도록 파라미터가 설정될 수 있으며, 따라서 변태 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 충돌 액체의 강도는 예를 들어 충돌 액체를 생성하는 제트를 향한 유량 제어에 의해 제어될 수 있으며; 이를 위해 적절한 유량 제어 시스템이 사용될 수 있다. 본 발명에서, 바람직하게 냉각 속도는 제트 전방의 압력에 의해 냉매 유동을 조정함으로써 조절된다. 보다 바람직하게, 각각의 강선의 냉각 속도는 상이한 와이어에 대해 상이한 냉각 계획 및 바람직한 인장 강도가 달성될 수 있도록 별도의 제어 액추에이터에 의해 개별적으로 제어된다.
본 발명에 따르면, 개별 강선의 냉각은 오스테나이트에서 펄라이트로의 변태가 발생하는 장소가 변경될 수 있도록 양호하게 제어될 수 있다. 냉각 계획을 조절함으로써, 예를 들어, 제1 냉매 배스에 충돌 액체를 제공하는 충돌 제트로의 유량을 선택함으로써, 개별 강선의 변태는 제1 냉매 배스에서, 제1 냉매 배스와 제2 냉매 배스 사이의 에어 갭 영역에서, 또는 제2 냉매 배스에서 발생할 수 있다. 따라서, 상이한 직경 및 스틸 조성을 갖는 강선의 인장 강도가 미세조정될 수 있다.
바람직한 방법에서, 오스테나이트로부터 펄라이트로의 냉각 변태는 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선이 제1 냉매 배스와 제2 냉매 배스 사이의 공기 중에서 냉각될 때 실질적으로 시작된다.
충돌 액체의 유량은 바람직하게 스팀 필름의 소망 불안정화 또는 스팀 필름의 두께 감소를 갖기 위해 신중하게 조절될 필요가 있다. 다수의 냉각 또는 패턴팅 설비에서와 같이 냉수 및 충돌 액체를 갖는 분리된 시스템을 사용하는 대신에, 바람직하게 본 발명에 따르면 충돌 액체와 제1 냉매 배스 내의 액체의 화학적 조성은 동일하다. 이것은 두 가지 큰 장점을 제공하는 바: 하나는 설치 비용이 훨씬 저렴하다는 것(동일한 탱크와 냉각 액체의 사용)이고; 다른 하나는 코어와 와이어 표면 사이의 온도 구배를 감소시켜(냉수와 전혀 직접 접촉하지 않고, 보다 안정적인 스팀 필름이 얻어짐), 보다 균질한 패턴팅된 조직에 기여하는 것이다.
바람직한 실시예에서, 제1 냉매 배스 및/또는 제2 냉매 배스/배스들의 길이는 조절 가능하다. 이런 식으로, 패턴팅된 강선의 미세조직을 최적화 및 안정화시키기 위해 본 발명의 방법에 추가적인 미세조정 능력이 제공된다.
바람직한 실시예에서, 제1 냉매 배스 내의 강선을 강선 주위의 스팀 필름이 충돌 액체에 의해 이를 따라서 영향받는 강선의 전체 길이를 따라서 분리시키는 분할(partitioning) 벽이 제공되며, 따라서 제1 강선에 대한 충돌 액체는 제2 강선 주위의 스팀 필름에 영향을 미치지 않는다. 이는 또한 충돌 액체의 강도가 인접한 강선으로부터의 충돌 액체의 강도에 의해 영향받지 않으면서 개별 강선에 대해 설정될 수 있음을 포함한다. 이러한 실시예는, 특히 상이한 직경 및/또는 상이한 합금의 강선이 동시에 패턴팅될 때 강선의 패턴팅 품질 및 안정성에 있어서 추가의 상승적 개선을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 각각의 개별 경로를 따라서 길이(L)에 걸친 냉각 속도는 충돌 액체의 유량에 의해 제어된다.
바람직한 실시예에서, 제1 냉매 배스(들)는 고정된 길이를 갖는다.
바람직하게, 충돌 액체는 각각의 개별 경로를 따라서, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 자체 아래에 침지되거나; 충돌 액체는 그 개별 경로를 따라서 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 중 일부의 아래에 부분적으로 침지된다.
바람직하게, 제1 냉매 배스는 오버플로우-타입의 것이다. 보다 바람직하게, 충돌 액체는 냉매 배스 내부에 침지된 구멍으로부터의 복수의 제트에 의해 각각의 개별 경로를 따라서 강선 자체 아래에 제공된다. 강선 아래에 제트를 갖는 것의 장점은 제트에 방해받지 않으면서 강선에 쉽게 도달하여 강선을 쉽게 배치할 수 있다는 것이다.
침지된 구멍으로부터의 복수의 제트는 스팀 필름을 향해서, 예를 들어 스팀 필름에 대해 효과적인 영향을 미쳐, 즉 스팀 필름을 불안정화하거나 스팀 필름의 두께를 감소시켜, 추가로 강선의 냉각 속도를 증가시키기 위해, 와이어 또는 와이어들에 수직하게 직선적으로 인도되도록 구성되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 충돌 액체는 예를 들어 펌프를 사용하여 연속적으로 재순환되고 유량 제어 시스템에 의해 제어된다. 보다 바람직하게, 하나 또는 복수개의 강선의 자기 응답을 측정하고, 피드백을 제공하여 제1 냉매 배스 내의 충돌 액체를 폐쇄 루프 제어에서 적응시키기 위해 하나 또는 복수개의 센서가 제공된다. 이는 WO2014/118089A1호에 개시된 가변 강제 냉각 길이를 사용하는 개념으로는 불가능하지 않더라도 훨씬 더 어려울 것이다.
본 발명에 따른 제어된 냉각을 겪는 강선은 2.8 ㎜ 내지 20 ㎜ 범위의 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 강선의 직경은 3.5 ㎜ 내지 20 ㎜ 또는 6.5 ㎜ 내지 13.5 ㎜의 범위에 있다.
본 발명의 제2 양태는 하나 또는 복수개의 미리 가열된 강선을 미리결정된 온도 범위로 제어 냉각하기 위한 장치이다. 이 장치는 하기를 포함한다:
a) 제1 냉매 배스(들). 제1 냉매 배스(들)는 물과 안정화 첨가제, 예를 들어 안정화 폴리머를 포함하는 배스 액체를 수용하기 위해 제공된다. 바람직하게, 배스 액체 온도를 보다 바람직하게 80℃ 초과의 온도로 조절하기 위한 수단이 제공된다;
b) 제1 냉매 배스(들) 내부에 침지되고, 충돌 액체를 개별 경로를 따라서 각각의 강선을 향해 분사하도록 구성되는 하나 또는 복수개의 충돌 액체 발생기(들);
c) 제2 냉매 배스(들). 제2 냉매 배스(들)는 물과 안정화 첨가제, 예를 들어 안정화 폴리머를 포함하는 배스 액체를 수용하기 위해 제공된다. 바람직하게, 배스 액체 온도를 보다 바람직하게 80℃ 초과의 온도로 조절하기 위한 수단이 제공된다. 제2 냉매 배스(들)는 제1 냉매 배스(들)와 제2 냉매 배스(들) 사이의 에어 갭에 의해 제1 냉매 배스(들)로부터 분리된다. 바람직하게, 상기 에어 갭은 0.1 내지 2 m의 길이를 갖는다;
d) 하나 또는 복수개의 미리 가열된 강선을 개별 경로를 따라서 연속적으로 이어서 제1 냉매 배스(들), 에어 갭 및 제2 냉매 배스(들)를 통해서 안내하는 안내 수단. 바람직하게, 상기 장치는 본 발명의 제1 양태의 임의의 실시예에서와 같은 방법을 수행하기 위해 제공된다.
본 발명에 따른 장치는 낮은 투자 비용 및 낮은 운영 비용이라는 장점을 갖는다. 종래의 물 공기 패턴팅 장치를 본 발명에 따른 강제 수냉 장치에 적응시키는 것은 매우 쉽다. 본 발명에 따른 장치는 각각 동일한 직경을 갖는 복수개의 미리 가열된 강선을 냉각시키는데 적용될 뿐 아니라; 상이한 직경을 갖는 복수개의 미리 가열된 강선을 냉각시키는 데에도 적용되며, 이는 제1 냉매 배스 내의 유량을 개별적으로 조절함으로써 및/또는 제2 냉매 배스의 길이를 각각의 개별 경로를 따라서 조절함으로써 실현될 수 있다.
바람직하게, 제1 냉매 배스, 충돌 액체 발생기 및 에어 갭은 각각의 개별 경로를 따라서 고정된 길이를 갖는다.
바람직하게, 제1 냉매 배스 및/또는 제2 냉매 배스의 길이는 조절 가능하다.
바람직하게, 상기 장치는 하나 또는 복수개의 충돌 액체 발생기(들)의 강도를 제어하는 수단을 포함한다. 이를 위해, 바람직하게 제1 냉매 배스 외부의 유량 제어 시스템이 제공될 수 있다. 이를 위해 유량 제어되는 펌프가 사용될 수 있다. 대안적으로, 유량은 하나 또는 복수개의 밸브 또는 오리피스에 의해 제어될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 냉매 배스(들)는 오버플로우 타입의 것이다.
바람직하게, 상기 제2 냉매 배스(들)는 오버플로우 타입의 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 물 공기 패턴팅 개념을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 공정의 실시의 개략도이다.
도 3은 상이한 루틴에 따른 가열된 강선의 냉각 곡선을 도시한다.
도 4는 냉각 속도에 대한 유량의 영향을 도시한다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 상이한 유량에서 강제 냉각을 겪는 강선의 냉각 곡선을 도시한다.
도 6은 본 발명의 예에 따른 상이한 유량에서 강제 냉각을 겪는 강선의 인장 강도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 상이한 유량에서 강제 냉각을 겪는 강선의 냉각 곡선을 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 예에 따른 상이한 유량에서 강제 냉각을 겪는 강선의 인장 강도를 도시한다.
본 발명에 따른 바람직한 물 공기 패턴팅 냉각 방법 및 장치가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 제1 냉매 배스(CB1) 내의 충돌 액체에 의한 냉각 길이는 고정되며, 냉각 속도는 제트 전방의 압력에 의해 냉매 유동을 조정함으로써 조절된다. 제1 냉매 배스(CB1)와 제2 냉매 배스(CB2)를 분리하기 위해 짧은 에어 갭(AG)이 제공된다. 제2 냉매 배스(CB2)는 길이를 조절할 수 있다. 제1 냉매 배스의 길이, 강제 냉각을 위한 제트의 유량, 및 에어 갭 영역의 길이는 마르텐사이트 또는 베이나이트의 형성을 회피하도록 선택된다.
바람직하게, 도 1에 도시하듯이, 제1 냉매 배스에는 제1 냉매 배스 내의 강선을 강선 주위의 스팀 필름이 충돌 액체에 의해 이를 따라서 영향받는 강선의 전체 길이를 따라서 분리시키는 분할 벽이 제공되며, 따라서 제1 강선에 대한 충돌 액체는 제2 강선 주위의 스팀 필름에 영향을 미치지 않는다. 바람직하게, 도 1에 도시하듯이, 제1 냉매 배스, 충돌 액체 발생기, 및 에어 갭은 각각의 개별 경로를 따라서 고정된 길이를 가지며, 제2 냉매 배스의 길이는 조절 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 하나의 실질적으로 직선인 강선의 제어된 냉각을 개략적으로 도시한다. 도 2에 도시하듯이, 강선(10)은 약 1000℃의 온도(T)를 갖는 노(12)로부터 인출된다. 와이어 주행 속도는 와이어의 직경에 따라 조절될 수 있으며, 약 20 m/min이다. 오버플로우-타입의 제1 냉매 배스(14)는 노(12)의 바로 하류에 배치된다. 제1 냉매 배스 내부에 침지된 중공 판(즉, 천공된 판)(22)의 구멍(20)으로부터의 복수의 제트(16)가 충돌 액체를 형성하고 있으며, 충돌 액체의 유량은 제1 냉매 배스 외부의 순환 펌프 및 제어 시스템(18)에 의해 제어된다. 구멍(20)으로부터의 압력 하의 충돌 액체는 강선(10)을 향해서 분출된다. 도 2에 도시하듯이, 제1 길이(L1)는 노(12)의 출구에서 충돌 액체까지의 거리이다. 제2 길이(L2)는 제1 냉매 배스 내의 강제 냉매 냉각 공정을 위해 사용되는 길이(강제 냉매 냉각 길이)를 나타낸다. 강선(10)은 이후 제1 냉매 배스로부터 인출되고 도 2에 도시하듯이 길이(L4)를 갖는 에어 갭 영역을 겪는다. 이후, 강선(10)은 추가 냉각을 위해 제2 냉매 배스(17) 내로 안내된다. 제2 냉매 배스(17) 내의 강선(10)의 침지 길이는 L5로 지칭된다. 길이(L5)는 강선(10)의 직경 및 소망 인장 강도에 따라 가변적일 수 있다.
도 3은 소위 TTT 다이어그램(온도-시간-변태)에서의 상이한 냉각 곡선을 도시한다. 시간은 횡좌표로 도시되고 온도는 종좌표를 형성한다. S는 오스테나이트(A)에서 펄라이트(P)로의 변태의 시작을 나타내는 곡선이며, E는 이 변태의 종료를 나타내는 곡선이다. 예로서, 오버플로우 워터 배스 중에서 필름 비등에 의해 냉각되는 강선은 냉각 곡선(1')의 점선을 따른다. 냉각 곡선(1')의 점선은 곡선(S, E)의 "코(nose)"에 도달하지 않는다. 곡선(1-4)은 WO2014118089호에 기재된 공정을 도시하며, 여기에서 곡선 1은 강제 수냉 처리 기간에서의 냉각 진행을 나타내고, 곡선 2는 "소프트한" 종래의 물 공기 패턴팅 공정에서의 다음 단계를 나타내며, 곡선 3은 변태 중의 냉각 곡선이고, 곡선 4는 변태후 단계에서의 추가 냉각이 공기 중에서 발생하는 것을 나타낸다. 상기 두 가지 상황과 비교하여, 본 발명에 따른 냉각 곡선의 예는 곡선 a-c로 도시된다. 곡선 a는 냉각 속도가 유량에 의해 조절되는 제1 냉매 배스, 및 제1 냉매 배스에 이어지는 에어 갭에서 발생하는 냉각을 도시한다. 곡선 b는 변태 중의 냉각 곡선이며, 이는 스팀 필름을 손상시키지 않으면서 제2 냉매 배스에서 발생할 수 있다. 곡선 c는 공기 중에서의 변태-이후를 보여주는 냉각 곡선이다. 냉각 곡선 a-c는 강선의 냉각 계획을 변경함으로써 수정될 수 있다.
상이한 직경을 갖는 강선의 냉각 속도는 유량을 조절함으로써 양호하게 조정될 수 있다. 냉각 시간 대 유량에 대한 테스트는 750℃에서 500℃로 냉각된 직경 6 ㎜의 탐침에 의해 이루어졌다. 테스트는 1 ㎥/h 내지 16 ㎥/h 범위의 여러 유량에서 이루어졌으며 그 결과는 도 4에 도시되어 있다. 1.15 ㎥/h에서 15.3 ㎥/h로의 유량 증가는 냉각 시간을 11.4초에서 5.1초로 감소시킬 수 있다. 이는 유량의 증가가 냉각 시간을 현저하게 감소시킬 수 있음을, 즉 냉각 속도를 가속시킬 수 있음을 나타낸다.
유량을 조절함으로써, 강선의 오스테나이트로부터 펄라이트로의 변태의 시작점이 제어될 수 있다. 변태는 제1 냉매 배스(CB1)에서, 에어 갭 영역(AG)에서 또는 제2 냉매 배스(CB2)에서 시작할 수 있다.
도 5에 도시된 예로서, 6.5 ㎜의 직경 및 0.62 중량%의 탄소 함량을 갖는 강선이 950℃로부터 냉각된다. 가열된 강선은 노로부터 제1 냉매 배스(CB1) 내로 신속하게 안내되고, 이후 에어 갭 영역(AG)을 지나며, 이어서 제2 냉매 배스(CB2)로 안내된다. 3 ㎥/h, 9 ㎥/h, 12 ㎥/h, 15 ㎥/h의 상이한 유량에서 강선의 온도 대 냉각 시간이 각각 측정되며 냉각 곡선은 도 5에서 각각 곡선 A, B, C, D로 도시되어 있다. 여기에서는, 유량이 상이한 것을 제외하고 동일한 냉각 장치 설치가 적용된다. 강제 냉각을 위한 길이는 160 cm이고, 에어 갭 영역을 위한 길이는 65 cm이며, 제2 냉매 배스를 위한 길이는 200 cm이다. 유량이 3 ㎥/h로 설정되면, 곡선 A로 도시하듯이, 변태는 제2 냉매 배스에서 약 580℃의 온도에서 시작된다. 더 높은 유량, 즉 9 ㎥/h, 12 ㎥/h, 15 ㎥/h를 사용하여, 변태는 제1 냉매 배스에서 500℃ 내지 550℃의 온도에서 시작되며 에어 갭 영역에서 계속된다.
결과적으로, 냉각 속도 및 냉각 공정은 냉각된 강선의 미세조직을 결정하며 따라서 강선의 극한 인장 강도를 결정한다. 유량의 함수로서 6.5 ㎜의 직경 및 0.62 중량%의 탄소 함량을 갖는 강선의 인장 강도가 도 6에 도시되어 있다. 3 ㎥/h, 9 ㎥/h, 12 ㎥/h, 15 ㎥/h의 강제 냉각 속도로 냉각된 강선은 각각 1012 N/㎟, 997 N/㎟, 1077 N/㎟, 1151 N/㎟의 인장 강도(Rm)를 갖는다. 따라서, 강선의 인장 강도는 제1 냉매 배스에서의 강제 냉각 중에 유량을 선택함으로써 조절될 수 있다.
다른 예가 도 7에 도시되어 있으며: 3.6 ㎜의 직경 및 0.70 중량%의 탄소 함량을 갖는 강선이 950℃로부터 냉각된다. 가열된 강선은 노로부터 제1 냉매 배스(CB1) 내로 신속하게 안내되고, 이후 에어 갭 영역(AG)을 지나며, 이어서 제2 냉매 배스(CB2)로 안내된다. 3 ㎥/h, 9 ㎥/h, 11 ㎥/h, 14 ㎥/h의 상이한 유량에서 강선의 온도 대 냉각 시간이 각각 측정되며 냉각 곡선은 도 7에서 각각 곡선 A, B, C, D로 도시되어 있다. 여기에서는, 유량이 상이한 것을 제외하고 동일한 냉각 장치 설치가 적용된다. 강제 냉각을 위한 길이는 160 cm이고, 에어 갭 영역을 위한 길이는 65 cm이며, 제2 냉매 배스를 위한 길이는 120 cm이다. 유량이 3 ㎥/h로 설정되면, 곡선 A로 도시하듯이, 변태는 제2 냉매 배스에서 560℃보다 약간 높은 온도에서 시작된다. 더 높은 유량, 즉 9 ㎥/h, 11 ㎥/h, 14 ㎥/h를 사용하여, 변태는 제1 냉매 배스에서 약 500℃의 온도에서 시작되며 에어 갭 영역에서 계속된다.
결과적으로, 냉각 속도 및 냉각 공정은 냉각된 강선의 미세조직을 결정하며 따라서 강선의 극한 인장 강도를 결정한다. 유량의 함수로서 3.6 ㎜의 직경 및 0.70 중량%의 탄소 함량을 갖는 강선의 인장 강도가 도 8에 도시되어 있다. 3 ㎥/h, 9 ㎥/h, 11 ㎥/h, 14 ㎥/h의 강제 냉각 속도로 냉각된 강선은 각각 1084 N/㎟, 1094 N/㎟, 1164 N/㎟, 1252 N/㎟의 인장 강도(Rm)를 갖는다. 이는 강선의 인장 강도가 제1 냉매 배스에서의 강제 냉각 중에 유량을 선택함으로써 조절될 수 있음을 보여준다.

Claims (15)

  1. 하나 또는 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 미리결정된 온도 범위로 제어 냉각하는 방법이며, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선은 2.8 ㎜ 초과의 직경을 가지며, 상기 방법은
    a) 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 하나 또는 복수개의 제1 냉매 배스/배스들을 통해서 안내하는 단계로서, 상기 제1 냉매 배스/배스들은 배스 액체를 포함하고, 상기 배스 액체는 물과 안정화 첨가제를 포함하며, 상기 배스 액체와 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선은 각각의 개별 경로를 따라서 각각의 강선 자체 주위에 스팀 필름을 생성하는 단계;
    b) 상기 제1 냉매 배스/배스들 내부에 침지된 충돌 액체를 개별 경로/경로들을 따라서 특정 길이(L)에 걸쳐서 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들 쪽으로 인도하여, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 냉각시키는 단계로서, 충돌 액체는 스팀 필름의 두께를 감소시키거나 스팀 필름을 불안정화시키며, 따라서 개별 경로/경로들을 따라서 길이(L)에 걸쳐서 냉각 속도를 증가시키는 단계,
    c) 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 제1 냉매 배스/배스들 밖으로 안내하여 공기 중에서 추가로 냉각시키는 단계,
    d) 공기 중에서의 추가 냉각 이후, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선/강선들을 개별 경로/경로들을 따라서 하나 또는 복수개의 제2 냉매 배스/배스들을 통해서 안내하는 단계를 포함하고,
    상기 실질적으로 직선의 강선/강선들은 오스테나이트에서 펄라이트로의 냉각 변태를 겪는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충돌 액체는 각각의 개별 경로를 따라서, 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 자체 아래에 침지되거나; 상기 충돌 액체는 그 개별 경로를 따라서 복수개의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선 중 일부의 아래에 부분적으로 침지되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 냉매 배스 및/또는 상기 제2 냉매 배스/배스들의 길이는 조절 가능한, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉매 배스에는 제1 냉매 배스 내의 강선을 강선 주위의 스팀 필름이 충돌 액체에 의해 이를 따라서 영향받는 강선의 전체 길이를 따라서 분리시키는 분할 벽이 제공되며, 따라서 제1 강선에 대한 충돌 액체는 제2 강선 주위의 스팀 필름에 영향을 미치지 않는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충돌 액체의 강도는 각각의 개별 강선에 대해 또는 복수개의 강선의 서브세트에 대해 개별적으로 설정 및/또는 제어되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉매 배스(들)는 고정된 길이를 갖는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충돌 액체는 제1 냉매 배스의 배스 액체와 동일한 화학적 조성을 갖는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충돌 액체는 유량 제어 시스템에 의해 연속적으로 재순환 및 제어되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하나 또는 복수개의 강선의 자기 응답을 측정하기 위해, 그리고 피드백을 제공하여 제1 냉매 배스 내의 충돌 액체를 폐쇄 루프 제어에서 적응시키기 위해 하나 또는 복수개의 센서가 제공되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선(들)의 직경은 2.8 ㎜ 내지 20 ㎜의 범위에 있는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트로부터 펄라이트로의 냉각 변태는 미리 가열된 실질적으로 직선의 강선이 제1 냉매 배스와 제2 냉매 배스 사이의 공기 중에서 냉각될 때 실질적으로 시작되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강선의 각각은 오스테나이트화 온도 이상으로 미리 가열되고 400℃ 내지 650℃의 미리결정된 온도로 냉각되는, 방법.
  13. 하나 또는 복수개의 미리 가열된 강선을 미리결정된 온도 범위로 제어 냉각하기 위한 장치이며,
    a) 제1 냉매 배스(들)로서, 물과 바람직하게 안정화 폴리머를 포함하는 배스 액체를 수용하기 위해 제공되는, 제1 냉매 배스(들);
    b) 상기 제1 냉매 배스(들) 내부에 침지되고, 충돌 액체를 개별 경로를 따라서 각각의 강선을 향해 분사하도록 구성되는, 하나 또는 복수개의 충돌 액체 발생기(들);
    c) 제2 냉배 배스(들)로서, 물과 바람직하게 안정화 첨가제를 포함하는 배스 액체를 수용하기 위해 제공되며, 그 사이의 에어 갭에 의해 제1 냉매 배스(들)로부터 분리되는, 제2 냉배 배스(들);
    d) 하나 또는 복수개의 미리 가열된 강선을 개별 경로를 따라서 연속적으로 이어서 제1 냉매 배스(들), 에어 갭 및 제2 냉매 배스(들)를 통해서 안내하는, 안내 수단
    을 포함하는, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 냉매 배스, 충돌 액체 발생기 및 에어 갭은 각각의 개별 경로를 따라서 고정된 길이를 갖는, 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 제1 냉매 배스 및/또는 상기 제2 냉매 배스의 길이는 조절 가능한, 장치.
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