최적 성능을 위한 현대 선재 밀의 필수 특징

현대 선재 밀의 주요 특징

선재 밀(WRM)의 목적은 강괴를 재가열하고 압연해 선재(wire rod)를 생산하는 것입니다. 선재 밀에서의 선재 생산은 끊임없는 변화의 대상입니다. 선재 품질과 선재 밀의 유연성 및 비용 효율성에 대한 요구가 증가하면서 새롭고 혁신적인 기술과 공정 개발이 필수적이 되었습니다. 현대 선재 밀은 더 작은 치수를 높은 생산 속도로 압연하면서 투자비와 운영비를 합리적 수준으로 유지할 수 있는 고속 밀입니다. 일반적으로 선재 밀은 연간 30만~80만 톱(투 스트랜드 밀의 경우 80만 톱 초과) 생산량으로 설계됩니다. 이 밀들은 초속 50~120m 속도로 압연 가능합니다. 일반적인 제품 크기는 5.0~20mm 범위입니다. 소재 범위는 저탄소강부터 고탄소강, 냉간 압조용 강, 선재 인발용 강, 합금강, 스프링강, 베어링강, 전극용 강, 철근, 공구강까지 포함합니다. 현대 선재 밀은 다음 요구사항을 충족해야 합니다.

• 높은 밀 가동률과 높은 생산성, 높은 수율
• 저비용 유지보수 필요 충족
• 저에너지 소비 필요 충족
• 선재의 엄격한 치수 공차 ±0.10mm, 타원도 약 0.2mm 범위
• 선재의 낮은 스케일 손실 약 0.5~0.6%
• 단면 중량의 마이너스 공차
• 봉 전체 길이에 걸친 치수 변화 없음
• 균일한 물리적 특성
• 봉 중부와 후단 사이의 공칭 중량 변화 최소화로 균일한 중량

이러한 까다로운 요구사항을 달성하기 위해 현대 선재 밀에는 많은 중요한 특징이 적용됩니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 재가열로 – 현대 선재 밀은 일반적으로 컴퓨터 제어되는 에너지 효율적인 워킹 빔 로 또는 워킹 허스 로(walking hearth furnace)를 갖추고 있습니다. 이 재가열로는 강괴를 목표 온도까지 균일하게 가열하여 요구 생산 속도를 맞추며, 스키드 마크와 콜드 스팟 없이 가열합니다. 냉괴나 열괴를 모두 장입 재료로 받아들일 수 있습니다.
• 하우징리스 롤 스탠드 – 하우징리스(HL) 롤 스탠드는 현대 선재 밀의 조압연 및 중압연 스탠드 그룹에 일반적으로 사용됩니다. 모듈식 설계로 HL 스탠드 카세트를 수평, 수직, 틸터블, 유니버설 등 모든 가능한 구성으로 사용할 수 있습니다. 스탠드 크기는 롤과 롤 저널의 필요 치수, 패스 스케줄, 패스 형상, 기어박스와 모터 특성에 따라 다릅니다. HL 스탠드의 주요 특징은 구성품의 콤팩트함과 강성, 낮은 롤 벤딩 모듈러스, 하중 하에서 셀프 얼라인 척을 가진 내구성 높은 다열 롤러 베어링, 백래시 없는 척 밸런싱, 가이드와 가드 조정을 간단하고 정밀하게 할 수 있는 롤러 빔 등입니다. 이 스탠드의 장점은 (i) 기초 깊이와 크기 절감, (ii) 압연 제품이 요구되는 형상과 치수 공차 충족, (iii) 롤 교체가 압연 라인 외부에서 이루어져 스탠드 교체 시간 단축, (iv) 구성품 수 감소와 접근성 향상으로 유지보수 시간 대폭 단축, (v) 자동 롤 간극 조정, (vi) 동일 스탠드 유닛을 어느 위치에서나 사용 가능한 운전 유연성입니다.
• 캔틸레버 롤 스탠드 – 캔틸레버(CL) 롤 스탠드는 다양한 크기로 폭넓은 용도에 사용되는 콤팩트한 스탠드입니다. 용도는 (i) 수평 및 수직 배열의 단일 스트랜드 밀, (ii) 2스트랜드 이상 밀의 분할 중압연 트레인, (iii) 선재 공급 구간의 프리피니셔 스탠드 등입니다. 이 스탠드의 장점은 (i) 더 작은 기초, (ii) 수평 및 수직 스탠드 간에도 동일 스탠드 타입의 카세트 교환 가능, (iii) 작은 직경에서도 높은 하중 지지력으로 고속 선재 블록에 이상적, (iv) 최적의 접근성, (v) 빠른 롤 및 스탠드 교체입니다.
• 냉각 및 균질화 루프 – 노트위스트 블록에 진입하는 소재는 최종 압연을 위해 저온에서 집중 냉각되어야 합니다. 그 후 금속학적 특성이 완제품 선재 단면 전체에 균일하게 달성되도록 충분히 긴 균질화 구간이 따라야 합니다. 균질화 구간이 없으면 표면과 심부 온도 차이가 너무 커서 후속 성형 공정에서 다른 미세조직이 생성될 수 있습니다. 반면 최대한 뜨겁게 압연해야 하는 강종의 경우 긴 균질화 구간이 품질 저하를 초래합니다. 루프 기술은 이 두 요구사항을 완벽하게 조화시킵니다. 중압연 트레인에서 나온 소재는 짧은 직통 경로를 취하거나, 추가 워터 박스와 긴 균질화 구간을 거치는 루프 경로를 취해 노트위스트 블록에서 압연될 수 있습니다.
• 노트위스트 블록 – 노트위스트 밀(no twist mill)이라고도 합니다. 선재 밀에서 핵심 요소 중 하나입니다. 이 개발 덕분에 120m/sec 이상의 속도로 얇은 선재를 안전하게 압연할 수 있게 되었습니다. 노트위스트 블록은 비틀림 없는 압연을 위해 4, 6, 8, 10 롤 스탠드로 구성될 수 있습니다. 메인 기어박스가 두 개의 공통 축을 통해 롤 유닛을 구동합니다. 직경 170/150mm와 223/200mm 두 가지 다른 크기의 롤 유닛을 가진 노트위스트 블록이 있으며, 모든 롤 유닛은 동일하고 교환 가능합니다. 압연 강종에 따라 패스당 10~25%의 다양한 압하율을 가진 노트위스트 블록이 있습니다. 현재 블록은 150m/s 속도까지 설계됩니다. 노트위스트 블록은 텅스텐 카바이드 링을 사용하며 패스 수명은 600~700톤, 제품 표면은 초정마무리됩니다. 노트위스트 블록의 장점은 (i) 초중량 하우징, (ii) 짧은 링 교체 시간, (iii) 무시할 만한 스프링 액션, (iv) 유지보수 감소, (v) 단순화된 단면 제어, 하중 하 원격 조정, (vi) 다양한 선재 강종 압연 유연성입니다.
• 플렉시블 감경 사이징(FRS) 블록 – SMS Meer가 고급 강종 압연과 압연 제품의 금속학적 특성 동시 개선을 위해 개발했습니다. 이는 시프트 기어박스를 가진 4스트랜드 블록입니다. 노트위스트 선재 블록 하류에 설치됩니다. FRS 블록에서는 모든 치수를 피니시 압연할 수 있으며, 원 패밀리 롤링(one family rolling) 이점이 있어 전체 사이즈 범위에서 각 스탠드에 하나의 패스 크기만 사용합니다. 노트위스트 블록과 FRS 블록 사이의 냉각 구간 덕분에 열기계 압연이 가능해집니다. 이 블록에는 많은 우수한 설계 특징이 있습니다.
• 감경정밀압연기(RSM) – 다재다능하고 요구되는 압연 기술입니다. RSM은 변형 시 전개(spread)가 낮고 변형 효율이 높은 3롤 기술의 특수 기능을 활용합니다. 선재 감경정밀압연기의 장점은 많습니다. 통상 피니싱 블록 후단에 통합해 작은 사이즈에서 밀 생산성을 최대 60%까지 높일 수 있습니다. 극도의 정밀성이 많은 실용 응용에서 입증되었습니다. 특허받은 패스 설계로 재가열로 후 첫 스탠드부터 감경정밀압연기 앞 마지막 블록 스탠드까지 진정한 싱글 패밀리 롤링이 가능합니다. 통상 봉강 피니싱 블록 뒤에 특허받은 RSM 유닛을 추가하면 작은 사이즈에서 피니싱 속도를 크게 높일 수 있습니다.
• 열기계 압연 – 저온 압연이라고도 하며, 압연 공정 중 최종 소재 물성을 온라인으로 제어하는 기본적인 방법입니다. 부분 재결정 또는 재결정 억제에 해당하는 온도 범위에서 밀의 마지막 패스에 소재 변형을 가하는 것을 포함합니다. 재결정이 억제되면 미세조직 정제 현상이 발생해 최종 선재 제품의 기술적 물성이 향상됩니다. 또한 봉 표면 품질이 상당히 개선됩니다. 열기계 압연의 장점은 미세 입자 크기, 오프라인 노말라이징 생략, 저온 인성 향상, 침탄강의 열처리 후 물성 개선, 스프링강의 어닐링 시간 단축, 최종 부품의 피로 강도 향상, 미세합금강의 인장 강도를 인라인으로 직접 향상, 탈탄 깊이 감소 등입니다. 두 블록(보통 6스탠드와 4스탠드)을 사용하면 선재의 모든 치수를 열기계적으로 저렴하게 고생산 속도로 압연할 수 있습니다. 노트위스트 블록을 분할하면 최대 4패스로 피니시 압연이 가능해집니다. 충분한 냉각과 단면 전체에 걸친 좋은 온도 균질화로 고생산 속도에서 열기계 압연이 가능해집니다. 노트위스트 블록 전 냉각 및 균질화 루프는 열기계 압연에서 중요한 역할을 합니다. 제1 노트위스트 블록 진입 온도를 750℃로 낮추고 온도 프로파일을 50℃ 미만으로 만듭니다. 이 750℃ 재도달 전제조건으로 제2 노트위스트 블록에서 10패스로 압연할 단면들에 대해 열기계 압연이 가능해지며, 따라서 작은 치수에서도 열기계 압연이 가능해집니다.
• 노트위스트 블록 드라이브 – 보통 노트위스트 블록의 모든 스탠드는 마모와 유지보수 대상인 복잡한 기어박스 구성을 가지며, 하나 이상의 거대한 모터(최대 7000kW)가 탠덤 배열로 1차 기어박스와 두 공통 축을 통해 공동 구동합니다. 노트위스트 블록은 고정 압하율이 필요해 고정 롤 링 직경이 요구되는 제약이 있습니다. SMS Meer는 노트위스트 블록의 모터들을 서로 상대적으로 제어하는 전자 기어박스를 개발해 스탠드들이 노트위스트 블록처럼 기능하면서 더 정밀하게 제어되게 했습니다. 이 드라이브는 MEERdrive로 명명되었으며, 이로 인해 스탠드 간 고정 압하율이 제거되었습니다. 이는 동일한 스탠드에서 다양한 면적 압하율을 압연할 수 있게 해 롤 사이징에 도움이 되며, 롤 링 관리도 단순화되고 필요 패스 수도 줄일 수 있습니다.
• 루프 레이잉 헤드 – 루프 레이잉 헤드로 다양한 선재 사이즈를 높은 압연 속도에서도 균일한 루프로 권취하는 것은 중요한 기준입니다. 또한 열기계 압연으로 많은 강종의 레이잉 온도가 금속학적 이유로 크게 낮아졌습니다. 이는 레이잉 헤드, 특히 레이잉 튜브에 더 많은 요구를 부과하며 특수 소재로 제작되어야 합니다.
• 제어 냉각 컨베이어 – 제어 냉각 컨베이어 시스템은 다양한 강종의 선재에 원하는 물성을 달성하기 위한 선재 밀의 중요한 부분 중 하나입니다. 컨베이어의 속도, 팬 파워, 커버 위치의 최적 조합으로 단일 시스템 내에서 급속 냉각과 완만 냉각 모드 모두를 포함한 광범위한 조건에서 가공이 가능합니다. 이 기능으로 선재 밀은 일반 탄소강과 합금강뿐만 아니라 스테인리스강과 기타 특수 강종도 생산할 수 있습니다. '강제 냉각' 시 최대 풍량과 열린 커버로 풀린 와인딩에 공기를 불어 선재를 최대한 빨리 냉각해 펄라이트 조직을 얻습니다. '지연 냉각' 시 팬 없이 커버를 닫고 낮은 컨베이어 속도로 선재 루프를 이송해 온도를 주어진 범위에서 최대한 오래 유지합니다. 이는 선재의 페라이트/펄라이트 미세조직 달성을 가능하게 합니다. 결과적으로 압연 상태 그대로의 봉 물성이 개선됩니다. 이는 더 많은 강종을 직접 사용 가능한 상태로 생산할 수 있게 해 구상화 어닐링 등 후공정을 줄이거나 없앨 수 있습니다.
• 리폼 링 디스트리뷰터 – 리폼 링 디스트리뷰터는 회전 블레이드로 리폼 탭 상단에서 링을 수집해 최적으로 배치합니다. 이 시스템은 코일 패키지를 짧게 만들어 운송과 보관 공간 문제를 완화해 비용을 절감합니다. 향상된 수집으로 더 잘 형성된 코일이 되어 풀림 시 엉킴과 걸림이 줄어듭니다.

독일 뒤스부르크 아르셀로미탈의 현대 선재 밀 레이아웃이 그림 1에 나와 있습니다. 이 밀은 2012년 가동되었습니다.

그림 1 현대 선재 밀 레이아웃