정밀 강재 프로파일링을 위한 롤 패스 설계 최적화

롤 패스 설계(Roll Pass Design)

장대 제품은 일반적으로 여러 패스에서 압연되며, 패스 수는 초기 투입 강재(각형 또는 원형 빌릿/블룸)와 완제품 최종 단면적의 비율에 의해 결정됩니다. 단면적은 각 패스에서 감소하며 압연 중인 강재의 형상과 크기가 원하는 프로파일에 점진적으로 접근합니다.

압연은 그루브(groove)가 가공된 롤 사이에서 수행됩니다. 협조하는 두 롤의 반대쪽 그루브가 하나의 패스를 형성하며, 이는 패스 후 예상되는 공작물 단면 형상에 해당합니다. 매 패스마다 단면적이 감소하고 형상이 최종 제품 형상에 가까워집니다. 후속 패스 형상 개발과 롤 위 적절한 배치를 롤 패스 설계라고 합니다.

롤 패스 설계의 중요성과 목적

장대 제품이 장대 압연기에서 형상 롤 사이에서 압연되므로 롤 패스 설계는 장대 제품 압연 공정의 필수적인 부분입니다. 롤 패스 설계는 일반적으로 롤 바디에 그루브를 절삭하여 압연될 강재가 순차적으로 통과하여 원하는 윤곽과 크기를 얻도록 하는 것을 의미합니다.

롤 패스 설계의 주요 목적은 공차 한도 내 올바른 프로파일의 제품 생산, 결함 없음, 양호한 표면 품질, 요구되는 기계적 물성 확보입니다. 또한 제품을 압연하면서 경제적 조건 달성, 예를 들어 최저 비용으로 최대 생산성, 최적 에너지 이용, 압연 작업자의 편한 작업 조건, 최소 롤 마모도 달성해야 합니다.

롤 패스 설계는 압연 밀 패스의 치수, 형상, 수, 배열 유형을 결정하는 일련의 방법입니다. 롤 패스 설계에는 압연력 계산과 패스별 분포도 포함됩니다. 각 단면마다 여러 패스가 수행되며, 각형 또는 원형 빌릿/블룸이 연속 패스에서 지정된 형상을 획득합니다. 롤 패스는 압연 중인 강재에 과도한 응력이 발생하지 않도록 설계되며, 이러한 응력은 균열 및 기타 결함 형성을 초래할 수 있습니다.

롤 패스 설계는 초기 투입 특성(빌릿/블룸 중량, 강종, 압연 전후 강재 온도), 완제품 특성(단면 치수, 공차, 기계적 물성 사양, 표면 마감), 압연기 특성(스탠드 수, 롤 직경, 롤 강도, 압연 속도, 구동 모터 가용 전력, 가용 밀 설비)에 기반합니다. 양호한 롤 패스 설계를 위한 기타 중요한 고려사항은 압연 하중, 압하량, 변형률, 열전달 속도로, 이들은 강재 소성 유동 조건에 영향을 미칩니다. 또한 특정 패스에서 단면 형상이 롤 갭/그루브에서 강재 자유 유동을 보장해야 합니다. 패스에서 적절한 테이퍼/그루브 각도 선택은 강재가 롤에 걸리는 것(재밍)을 방지하기 위해 필요합니다.

전통적으로 롤 패스 설계는 과학보다 예술에 가까웠습니다. 1969년 부사토우스키(Wusatowski)가 롤 패스 설계 원리를 체계화한 주요 저작을 출판했습니다. 이후 장대 제품 압연 공정의 복잡성이 증가했습니다. 현대 장대 압연기는 연속 또는 반연속 압연기로 건설됩니다. 또한 많은 신강종이 개발되어 제어 압연 및 제어 냉각으로 알려진 열기계적 가공과 같은 새로운 압연 전략이 필요해졌습니다. 오늘날 이러한 가공은 변형 및 온도 구동 공정(재결정, 입자 성장 등)에 의해 얻은 미세조직을 최적화하여 제품 품질을 개선하는 일반적인 관행입니다. 따라서 최종 미세조직을 최적화할 때 롤 패스 설계는 더욱 복잡해지며, 롤 패스 설계자는 정교한 소재 및 공정 모델을 작업에 적용해야 합니다. 다행히 지난 10년간 컴퓨터 지원 시뮬레이션이 이러한 접근에 대해 실현 가능해졌고, 장대 제품 압연 공정 최적화를 위한 값비싼 시행착오 접근을 점차 줄이고 있습니다.

롤 그루브(Roll Grooves)

단면 압연에 사용되는 다양한 유형의 그루브가 있습니다. 일반적인 그루브는 직사각형 박스 그루브, 사각형 및 마름모 그루브(다이아몬드) 같은 대각선 그루브, 원형 또는 유사 원형 그루브, 타원형 그루브입니다. 그루브는 대칭, 비대칭, 슬릿(slit)형일 수 있습니다. 그루브의 중요한 파라미터는 높이(깊이), 그루브 각도, 릴리프 반경, 바닥 반경, 칼라/상단/중간/하단 폭, 중간 하단 편향입니다. 일반적으로 롤 패스 설계에 그루브 조합이 사용됩니다. 대표적인 대칭, 비대칭, 슬릿 패스 그루브 도면은 그림 1에 나와 있습니다.

경험칙(Thumb Rules)

롤 패스 설계에서 그루브 각도, 릴리프 반경, 바닥 반경, 피팅에 사용되는 몇 가지 경험칙은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 몇 가지 경험칙
	그루브 각도	바닥 각도	릴리프 반경	바닥 반경
박스 패스	8~10°		10 mm
다이아몬드 패스	> 90°		18 mm
사각 패스	45°	약 90°	5 mm
타원 패스	60°		5 mm
중간 원형 패스	60°	30°
원형용			0.2 × 바닥 반경	0.5 × 직경
마무리 패스 원형용			1.5
(1) 타원에서 원형으로 피팅은 0.3~0.7이어야 함.
(2) 타원의 폭/높이 비율은 3.0 미만이어야 함.

올바른 롤 패스 설계의 기본 요구사항

• 특정 롤 스탠드의 패스 수와 배열은 각 스탠드의 모든 패스를 가능한 한 균일하게 활용하도록 해야 합니다. 패스 수가 많으면 롤 스탠드 출력이 낮아지고, 패스 수가 적으면 과도한 롤 마모를 초래합니다. 또한 패스 수가 최적이 아니면 압연 결함 발생 위험이나 롤 파손 가능성이 있습니다.
• 최종 패스에서는 균일한 압하량을, 초기 성형 패스에서는 프로파일이 크고 강재가 뜨거울 때 다른 압하량을 가져야 합니다.
• 패스 마모를 가능한 한 균일하게 하고 드라이브와 롤 과부하를 피하도록 압하량을 분배해야 합니다.

양호한 롤 패스 설계의 특징

• 관련 표준에 지정된 한도 내 올바른 치수와 매끄러운 표면의 프로파일 보장
• 에너지, 전력, 롤의 최소 단위 소비 보장
• 완제품 내 최소 내부 응력을 갖도록 압연 소재에 변형을 가하는 방식과 단계 보장
• 스탠드에서 단순하고 편리한 작업 문화 창출, 수작업 최소화, 기술 공정 자동화 도입 가능
• 압연에 필요한 패스 수 최적화로 총 압연 시간 사이클 단축, 롤 교체 및 조정 시간 최소화

롤 패스 설계 과정 계산

• 완제품 치수 결정: 기하학, 강재, 온도, 장력 함수로 치수 계산. 스프레드 공식(보통 Wusatowski 스프레드 공식을 Lendl 방법에 적용) 사용
• 강재 수축 계수 계산: 냉간 치수는 실제 온도와 실제 유동 응력 기반 팽창 계수로 나눈 열간 치수
• 열간 압연은 압축 공정: 열간 압연 중 가공 금속이 롤에 가하는 롤 힘(roll force)은 중요한 설계 이슈. 롤 분리력과 토크는 롤 패스 설계 전체 공정에 영향. 롤 힘 계산은 밀 과부하 방지와 압연 압하를 위한 충분한 전력 가용성 확인 위해 필요
• 평균 신장률과 필요 패스 수 계산
• 필요 압연 동력과 기계 설비 하중 계산: 하중, 토크, 동력 계산은 빌릿/블룸부터 마감 치수까지 기하학, 강종, 온도, 장력 함수로 Sims 공식 기반. 온도 계산은 동력, 치수, 열전달 계수 함수
• 패스 진행 및 패밀리 트리 결정
• 상세 패스 형상 도면 작성

스탠드 간 장력 제어를 위해 연속 밀에서 스탠드/모터 간 정확한 속도 및 모터 회전 제어 관계 설정도 중요합니다. 속도와 모터 회전 계산은 일정 질량 흐름 원칙에 따라 마감 출구 속도에서 업스트림 빌릿/블룸 방향으로 수행. 속도 계산은 마감 속도, 바 단면적, 롤 직경, 장력, 전진 슬립 함수.

롤 패스 설계는 압연 제품의 크기, 형상, 기계적 물성 개선뿐만 아니라 롤 패스 공정 자체 최적화도 추구합니다. 단면 압연 롤 패스 설계가 보통 인간 전문가의 경험적 지식에 기반하지만, 대부분의 경험 공식은 제한된 적용 범위에서만 좋은 결과를 줍니다. 단면 압연은 항상 최적화에 가장 복잡한 압연 공정을 대표합니다.

주어진 롤 패스 설계 문제에 대한 최적 솔루션을 결정하는 것은 여전히 어렵습니다. 문제의 일부는 롤 패스 설계에 미리 정해진 구체적 규칙이 없어 문제가 발생했을 때 정확한 원인을 알기 어렵다는 점입니다. 또한 계층적 경쟁 목표가 있을 때 문제는 더 복잡해집니다.

롤 패스 설계의 옛 예술은 과학적 진보에 기반한 현대 기술로 변모하고 있습니다. 오늘날 열간 롤 설계 작업에는 현대적 설계 도구와 방법론 사용이 요구됩니다. 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어 급속한 발전에 따라 다음 방법론들이 개발되었습니다.

• 단면 압연 롤 패스 설계를 위한 유한 요소법(FEM)
• 계층적 형상 구성이 롤 패스 설계에서 설계 문제 분류 및 강조에 성공적으로 사용됨. 계층적 분류 시스템이 캐스케이딩 메뉴 시스템으로 구현 가능함이 입증됨
• 매트릭스 기반 열간 롤 패스 설계 방법. 롤 패스 설계가 다양한 파라미터 계산에 의해 지배됨. 롤링 힘, 토크, 스프레드, 신장, 압하 등 파라미터는 복잡한 계산 과정 포함. 모든 공식과 방법이 매트릭스 기반 롤 패스 설계 시스템에 통합됨

장대 제품 열간 압연의 복잡한 설계 공정이 매트릭스 기반 롤 설계 시스템에 통합되었습니다. 경험적, 실험적, 이론적, FE 방법 등 가용 설계 방법과 정보가 매트릭스에서 찾을 수 있으므로, 기존 애드혹(ad-hoc) 방법의 적용 조건 대비 최적화된 롤 패스 설계 방법으로 더 높은 품질의 압연 제품 생산 잠재력을 가집니다. 따라서 매트릭스 기반 롤 패스 설계 시스템이 요즘 더 대중화되고 있습니다.