실리콘 강판 압연시 에지크랙 발생에 관한 유한요소해석

변상민,이재현,김상록,장윤찬,나두현,이종빈,이규택,송길호,이성진,Byon, Sang-Min,Lee, Jae-Hyun,Kim, Sang-Rok,Jang, Yun-Chan,Na, Doo-Hyun,Lee, Jong-Bin,Lee, Gyu-Taek,Song, Gil-Ho,Lee, Sung-Jin 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.6

본 논문에서는 냉간압연 중에 실리콘 강판의 에지부에 발생하는 크랙을 해석하는 방법을 제시하였다. 본 방법은 손상역학의 개념에 기초하여 소재의 변형 중 발생하는 손상개시와 손상진전 및 파괴의 형태로 순차적으로 해석하는 기법이다. 이를 통해 압연 중에 크랙 발생 유무와 발생 후 크랙의 진전된 길이 및 형상을 예측할 수 있다. 소재의 파괴물성치는 일반 판상시편 및 노치 판상시편의 인장실험을 통해서 도출하였다. 압연중 발생하는 에지크랙 해석결과가 얼마만큼 정확한지 평가하기 위해서 시험압연기를 통해 얻은 압연시편과 직접 형상 비교를 수행하였다. 크랙의 길이 및 방향 측면에서 본 해석기법의 예측정도가 실험에 상당부분 근접함을 알 수 있었다. 마지막으로 실리콘 강판의 실제 압연공정으로 에지크랙 해석을 수행하여 초기크랙 길이 및 압연기 출측 강판 감기 인장력에 따른 크랙 진전 거동에 대해 분석하였다. In this paper an finite element approach for the edge crack analysis of silicon-steel sheet during cold rolling is presented. Based on the damage mechanics, the proposed approach follows the analysis steps which are composed of damage initiation, damage evolution and fracture. Through those steps, we can find out the initiation instant of crack and resulting propagated length and shape of the crack. The material constants related to fracture is experimentally obtained by tension tests using standard sheet-type specimen and notched sheet-type specimen. To evaluate the prediction accuracy, we performed a pilot rolling test with a initially notched sheets. It is shown that the results obtained by the approach converged to the experimental one concerning about the direction and length of propagated crack. The capability of the proposed one is demonstrated through the application to the actual silicon-steel rolling mill.

유한요소법에 의한 이중 금속봉 압출 공정의 금형 형상 최적설계

변상민(Sang Min Byon),황상무(Sang Moo Hwang) 한국소성·가공학회 1994 소성가공 : 한국소성가공학회지 Vol.3 No.3

철합금 소재의 유동 응력 모델링 및 열간 압연 중 동적 재결정 거동의 비교 연구

변상민(Sang Min Byon) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.6

열간 소성변형에 동적 재결정의 효과를 모델링하기 위해서 열-기계적 유동 응력식을 제시하였다. 본 연구에 사용된 철합금 소재들은 IF 스틸과 오스테나이트계 스테인레스 스틸이다. 유동 응력 연화를 묘사하는 동적 재결정의 부피 분율의 개념을 제시된 유동 응력식에 도입하였다. 제시된 식에 요구되는 재료 상수들은 열간 비틀림 시험에 의해 도출되었다. 본 식은 열간 압연 해석을 위한 유한요소 프로그램에 적용되었다. 유한요소 프로그램과 결합된 본 유동 응력식의 정도를 고찰하기 위해서 파이로트 열간 압연 실험을 실시하였다. 제시된 식의 예측 정도는 압연 하중의 예측치와 측정치의 비교를 통해 나타내었다. 롤 갭에서 변형된 소재들의 동적 재결정 부피 분율 분포의 변화를 비교 고찰하기 위해 일련의 유한요소 해석을 수행하였다. Thermo-mechanical flow stress equations have been presented to model the effect of dynamic recrystallization on hot plastic deformation. The ferreous alloys used are IF steel and austenitic stainless steel. The concept of volume fraction of dynamically recrystallized grains depicting flow stress softening has been introduced in the proposed equations. The material constants required in the equations have been obtained by a series of hot-torsion tests. These equations have been implemented into the finite element (FE) code for hot rolling analysis. A pilot hot rolling experiment has been performed to investigate the accuracy of the proposed equations incorporated with the FE code. The capability of the proposed equations has been demonstrated by comparing the predicted roll forces with the measured values. A series of finite element simulations have been carried out to study the variation in the distribution of dynamically recrystallized volume fraction of the deformed materials at roll gap.

보강롤 구동 4 단 냉간압연기에서 작업롤의 수평하중 거동분석과 안정위치 결정을 위한 해석적 및 수치적 고찰

변상민(Sang Min Byon),이재현(Jae Hyeon Lee),박흥식(Heung Sik Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.9

보강롤 구동 4 단 냉간압연기에서 작업롤과 보강롤 사이의 접촉력으로 인해 발생된 작업롤의 수평력을 고찰하였다. 본 수평력은 작업롤을 수평방향으로 휘게하고 롤갭 형상을 그 만큼 변화시킨다. 본 논문에서는 압연을 정상상태라고 가정하여 작업롤의 수평력을 예측할 수 있는 수식모델을 제시하였다. 해석에 사용된 소재는 고-실리콘(약 3%) 강판이었다. 수평력의 비-정상거동을 고찰하기 위해서 삼차원 유한요소모델을 채용하였다. 두 가지 모델을 이용하여 작업롤의 수평력은 보강롤의 중심으로부터 작업롤의 중심이 벗어난 길이에 따라 변한다는 결과를 얻었다. 그리고 작업롤의 수평력을 최소화 시킬 수 있는 작업롤의 최적 중심이탈 길이를 도출하였다. The horizontal force acting on a work roll was examined. This force results from the contact force between the work roll and backup roll in a backup-roll-drive 4-high cold-rolling mill. This horizontal force bends the work roll horizontally and therefore exerts reciprocal action on the roll-gap contour. An analytical model for predicting the horizontal force acting on a work roll, which generates a mean value in the steady state, was presented. The material used for the analysis was high-silicon steel (about 3% Si). A three-dimensional finite element (FE) model was also employed to investigate the non-steady-state behavior of the horizontal force. Results showed that the horizontal force varied with the off-center distance between the work roll and backup roll. In addition, the optimal off-center distance was determined to minimize the horizontal force.

보강롤 구동 4 단 냉간압연기에서 작업롤의 수평하중 거동분석과 안정위치 결정을 위한 해석적 및 수치적 고찰

변상민(Sang Min Byon),이재현(Jae Hyeon Lee),박흥식(Heung Sik Park) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

보강롤 구동 4 단 냉간압연기에서 작업롤과 보강롤 사이의 접촉력으로 인해 발생된 작업롤의 수평력을 고찰하였다. 본 수평력은 작업롤을 수평방향으로 휘게하고 롤갭 형상을 그 만큼 변화시킨다. 본 논문에서는 압연을 정상상태라고 가정하여 작업롤의 수평력을 예측할 수 있는 수식모델을 제시하였다. 해석에 사용된 소재는 고-실리콘(약 3%) 강판이었다. 수평력의 비-정상거동을 고찰하기 위해서 삼차원 유한요소모델을 채용하였다. 두 가지 모델을 이용하여 작업롤의 수평력은 보강롤의 중심으로부터 작업롤의 중심이 벗어난 길이에 따라 변한다는 결과를 얻었다. 그리고 작업롤의 수평력을 최소화 시킬 수 있는 작업롤의 최적 중심이탈 길이를 도출하였다. We examined the horizontal force of work roll, caused by the contact force between work roll and backup roll in a backup-roll-drive 4-high cold rolling mill. This horizontal force makes work roll horizontally bended and therefore exerted reciprocal action on the roll-gap contour. We presented an analytic model to predict the horizontal force of work roll, which generates the mean value at steady state. The material used in the analysis was high-silicon steel (about 3 %). A three-dimensional finite element (FE) model was also employed to investigate the non-steady state behavior of horizontal force. Results showed that the horizontal force varied with the off-centered distance of work roll from backup roll. The optimal off-centered distance was also found to make the horizontal force minimized.

후판 압연공정에서 폭방향 비대칭 변형거동 예측 및 설정모델에 관한 연구

변상민(Sang Min Byon) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.11

선박 건조를 위한 기본 자재인 후판은 압연공정을 통해 생산된다. 본 논문에서는 후판압연 중에 발생하는 폭방향 휨을 일으키는 비대칭 요인들을 제어할 수 있는 설정모델을 제시한다. 일련의 삼차원 유한요소해석을 통해서 휨과 비대칭 요인 사이의 관계를 예측한다. 그 관계를 무차원 변수로 이루어진 선형 방정식으로 수식화 시킴으로써 설정모델을 도출한다. 소재 폭방향으로 두께 편차와 온도차이가 있는 경우에 대해서 파이롯트 압연 시험으로 통해서 설정모델의 정도를 검증한다. 본 모델에 의해 예측된 휨 곡률이 각각의 비대칭 요인들에 의해 측정된 휨 곡률과 상당히 일치하는 결과를 보여 주었다. Thick plates produced by the rolling process are used as the basic elements of ship structures. In this paper, we present a setup model for controlling the asymmetric factors causing plate bending in the width direction during plate rolling. A series of three-dimensional finite element analyses is conducted to predict the relationship between various asymmetric factors and plate bending. The setup model is developed by performing regression on the relationship to produce linear equations with several nondimensional parameters. The setup model is verified with a pilot rolling test in which variations in thickness and temperature differences in the width direction exist. The results show that the bending curvatures predicted by the model are in fairly good agreement with the measured results for those asymmetric factors.

Ductile Cast Iron (DCI) 롤의 마모 특성 고찰 및 마모계수 도출을 위한 실험적 연구

변상민(Sang-Min Byon) 한국트라이볼로지학회 2017 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.33 No.3

A pin-on-disk test is performed to measure the wear volume of a ductile cast iron (DCI) roll when it wears down using a high carbon steel and two alloy steels at different sliding velocities between the roll and the material (steel). Normal pressure is set as constant and test temperatures are 400, 500 and 600 ℃. In addition, thermal softening behavior of the DCI roll is examined using a high-temperature micro-hardness tester and the surface hardness variation of the DCI roll is expressed in terms of temperature and heating time. Based on experimental data, a wear coefficient used in Archard’s wear model for each material is obtained. The wear volume is clearly observed when the test temperature is 400 ℃ and sliding velocity varies. However, it is not measured at temperatures of 500 ℃ and 600℃ even with variations in sliding velocity. From the optical photographs of the pin and disk, the abrasive wear is observed at 400 ℃ clearly, but no at 500 ℃ and 600 ℃. At higher temperatures, the pin surface is not smooth and has many tiny caves distributed on it. It is found that wear volume is dependent on the carbon contents rather than alloy contents. Results also reveal that the variations of wear coefficients are almost linearly proportional to the carbon contents of the material.

냉연 압연공정에서 스트립의 변형저항 평가

변상민(Sang-Min Byon),강정호(Jung-Ho Kang),김중완(Joong-Wan Kim),전언찬(Eon-Chan Jeon) 한국기계가공학회 2007 한국기계가공학회 춘추계학술대회 논문집 Vol.2007 No.-

In this paper we present an experimental procedure for evaluating the deformation resistance of cold rolled strip. The deformation resistance is the plane strain yield stress at a pass during rolling. It is crucial parameter in calculating roll force. The procedure has several steps to cut out some part of the actual strip and make specimens following slitting and rolling it and finally perform a series of tensile test. The present approach is applied to a reversible mill for cold rolling. A good agreement is noted between the experimentally predicted results and the gathering data from actual mill.

콕스 압연기에서 변형 후 소재의 폭 퍼짐과 형상을 예측하기 위한 수식 모델에 관한 연구

변상민(Sang Min Byon) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.3

콕스 압연기는 3개의 롤을 이용하여 소재의 형상을 정밀하게 성형하는 장치이다. 본 논문에서는 3개의 롤에 의해 변형한 소재의 폭 퍼짐과 형상을 예측하기 위한 수식 모델을 제시한다. 유효 압하율과 소재와 롤 사이의 접촉길이를 계산하기 위해서 등가 사각형 근사법을 도입하였다. 폭 퍼짐은 유효 압하율, 초기 소재 단면에서 최대 폭 및 소재와 롤 사이의 접촉길이의 함수로 나타내었다. 압연 후 소재 형상은 입측 소재 형상, 롤갭 형상, 최대 폭과 유효 압하율의 함수로 나타내었다. 제시된 모델을 실제 7단 압연기에 적용하여 압연 후 소재의 형상을 예측하였고, 3차원 유한요소 해석을 통해 모델의 정확도를 검증하였다. 제시된 모델과 유한요소 해석 결과를 비교해 볼 때 최대 폭은 0.03~0.8% 차이가 있고, 표면형상 편차는 0.1~0.98%였다. In this paper, a mathematical model to predict the spreading and shape of a material deformed by three rolls is presented. An equivalent rectangle approximation method was employed to calculate the effective reduction ratio and the contact length between the material and the roll. The spreading was expressed as a function of the effective reduction ratio, maximum width on the initial material cross-section, and contact length between the material and the roll. The shape of the material was expressed as a function of the shape of the incoming material, shape of the roll gap, maximum width, and effective reduction ratio. The proposed model was applied to an actual seven-stage rolling mill, and the accuracy of the model was verified by the finite element analysis. When comparing the presented model with the finite element analysis results, there was a difference of 0.03~0.8% in the maximum width and 0.1~0.98% in the area of the surface shape.

다단 후판압연에서 평면형상 및 실수율 고찰을 위한 수치적, 실험적 연구

변상민(Sang Min Byon) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.9

후판압연 중에 발생하는 소재의 평면형상과 손실량을 정확하게 고찰할 수 있는 유한요소에 기초한 접근법을 제시한다. 압연의 패스 수가 증가함에 따른 소재의 선, 후단부의 형상을 연속적으로 모사할 수 있는 3 차원 유한요소모델을 도입하였다. 본 모델의 가장 큰 특징은 다단 압연을 할 수 있도록 롤 갭이 순차적으로 감소됨에 따라 소재의 압연 방향을 바꾸면서 중단 없이 해석 가능하다는데 있다. 유한요소해석에서 요구되는 재료상수는 열간 인장시험에 의해서 실험적으로 얻어졌다. 제시된 유한요소모델의 유용성을 입증하기 위해서 파이롯트 열간 판압연 시험을 실시하였다. 제시된 유한요소모델로 계산된 평면형상과 손실량이 판압연 시험에서 실제 측정된 양과 매우 잘 일치하는 결과를 얻었다. 제시된 모델로 예측한 손실량과 판압연 시험에서 측정한 양 사이의 오차는 5% 이하로 나타났다. A finite element based approach that can be used to investigate the plane-view shape and crop loss of a material during plate rolling is presented. We employed a three-dimensional finite element model to continuously simulate the shape change of the head and tail of a plate as the number of rolling passes increases. The main feature of the proposed model lies in the fact that the multistage rolling can be simulated without a break because the rolling direction of the material is reversibly controlled as the roll gap sequentially decreases. The material constants required in the finite element analysis were experimentally obtained by hot tensile tests. We also performed a pilot hot plate rolling test to verify the usefulness of the proposed finite element model. Results reveal that the computed plane-view shapes as well as crop losses by the proposed finite element model were in good agreement with the measured ones. The crop losses predicted by the proposed model were within 5% of those measured from the pilot hot plate rolling test.