강선재는 철강 산업의 핵심 제품으로 용도가 다양하여 '만능 재능'이라 불립니다. 볼트, 스프링, 베어링, 와이어 로프, 체인, 케이블, 와이어 메쉬, 펜싱, 타이어 코드, 철도 침목 보강재 등 수많은 용도로 사용됩니다. 자동차 산업, 화학 산업, 발전소, 기계 공학에 필요한 부품 소재로도 쓰입니다. 냉간 압연 강판, 후판, 파이프, 형강 등 다른 철강 제품과 달리 선재는 열간 압연 상태로 최종 제품에 직접 사용되는 경우가 드물며, 전문 공장에서 열처리, 단조, 인발 등 소위 후공정(2차, 3차 가공)을 한 번 이상 거쳐 기계 부품으로 제조됩니다. 선재는 일반적으로 2차 가공에서 단조나 다른 성형 조작을 하기 전에 특정 직경으로 인발됩니다. 많은 경우 이러한 성형 조작 전 선재 크기는 압연 공급 가능한 최소 크기인 5.5mm보다 작아야 합니다.
일반적으로 각 선재 제품은 후공정 단계에서의 거동을 고려하여 개발됩니다. 제강소에 요구되는 것은 좋은 가공성과 가공 후 요구 특성의 충족입니다. 더욱이 후공정 비용이 때로는 선재 가격의 몇 배에 달하므로, 강재부터 최종 제품까지의 총 통합 제조 비용을 절감하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 또한 건축 건설에 기본적으로 필요한 6mm, 8mm, 10mm 열간 기계적 처리(TMT) 철근도 선재 압연기에서 생산됩니다.
위 사항을 고려하여 새로운 선재 강철 제품을 개발할 때 다음과 같은 중요한 문제에 주의를 기울여야 합니다.
이러한 요구사항은 항상 상호 호환되는 것은 아니며, 가공 단계의 운전 조건, 선재가 사용될 최종 제품의 사용 조건과 특성 등에 대한 충분한 이해를 바탕으로 개발 단계를 진행하는 것이 중요합니다.
선재는 광범위한 산업 분야에 사용되므로 강도, 연성, 냉간 성형성, 인발성, 경화성 등 주어진 특성 조합을 충족해야 합니다. 또한 현재 시장은 선재에 다음과 같은 추가 특성을 요구합니다: (1) 초정밀 치수 공차와 타원도, (2) 낮은 스케일 손실, (3) 마이너스 공차(단면 중량), (4) 선재 전 길이에 걸친 치수 변화 없음, (5) 균일한 물리적 특성, (6) 선단, 중간, 후단 간의 공칭 중량 변동 최소화.
선재 품질이 최근 더욱 중요해지고 있습니다. 많은 선재 용도에서 선재 표면에 자국, 스크래치, 쉘(shell), 크랙, 오버필(overfill), 산화물 입자가 없어야 합니다.
압연 후 선재 전 길이에 대한 품질 보증은 시간과 노동력이 많이 들기 때문에, 압연 전 소재인 빌릿의 품질 관리가 매우 중요합니다. 빌릿은 일반적으로 자동 마그나플럭스(magnaflux) 검사 장비로 검사하고 표면 결함 제거를 위해 컨디셔닝합니다.
선재 요구사항이 매우 다양하기 때문에 선재 압연기는 일반적으로 다용성을 염두에 두고 설계됩니다. 신뢰성 있는 설비, 공정 일관성, 생산 유연성, 폐기물 최소화 모두 선재 압연기에 필요합니다. 또한 모든 크기 범위, 소재, 합금을 선재 압연기에서 효율적이고 높은 생산성으로 압연해야 합니다. 압연기는 공정 최적화와 가동 중단 시간 최소화, 생산 단계의 원활한 연계를 통해 생산성을 극대화해야 합니다. 복잡한 압연기 레이아웃은 각 공정 단계에 필요한 시간, 요구 온도 프로파일, 효율적인 이송 구역을 보장하도록 최적화되어야 합니다. 또한 빠른 교체(change-over)가 압연기 유연성의 핵심입니다. 압연기는 현재 제품을 처리하면서 다음 주문으로 전환할 수 있어야 하며, 한 제품에서 다른 제품으로 라인을 거의 가동 중단 없이 변경할 수 있어야 합니다. 연간 40만 톤 용량의 일반적인 선재 압연기 레이아웃은 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1 일반적인 선재 압연기 레이아웃
또한 선재 압연기는 높은 하중과 변화하는 온도 요구사항을 견디도록 설계된 압연 스탠드로 매우 높은 정밀도를 달성해야 합니다. 공정 기술, 기계 설비, 전기 부품, 자동화 기능의 조합은 압연기 설계의 중요한 측면입니다. 이들이 함께 선재 제품의 원하는 품질을 위한 광범위한 공정 조건을 가능하게 합니다. 또한 압연기는 비용 최적화가 필요합니다. 비용 최적화에는 공정 제어 수율 극대화, 가동 중단 시간 감소, 유지보수 비용 통제가 포함됩니다.
필요한 요구사항을 충족하기 위해 선재 압연용 강재는 오스테나이트 강화와 열간 압연 선재 경도 증가로 인한 냉간 단조 성형성과 인발 한계 저하를 줄이기 위해 충분한 합금 원소를 포함해야 할 수 있습니다. 따라서 열간 압연 선재를 연화하기 위해 비싼 열처리(예: 어닐링)가 수행됩니다. 전체 공정 단순화를 통한 생산 비용 절감을 위해 온라인 제어 냉각 시스템이 적용되지만, 고객을 만족시키기 위해서는 추가 개선이 필요합니다. 선재 제조사들은 인라인 열처리뿐만 아니라 텐션 제어와 AGC(자동 게이지 제어) 기반의 정밀 압연 기술을 통해 더 정교한 선재 제품으로 이동했습니다. 빌릿 균일 가열과 열간 압연 중 텐션 제어는 일반적으로 요구되는 치수 정밀도를 달성하는 데 사용되며, 실제로는 기존 선재 압연기로 장기간 생산에서 더 엄격한 공차를 보장하기 어렵기 때문입니다.
선재 압연기에서는 홈 롤을 사용하는 것이 일반적입니다. 중간 압연기의 일반적인 홈 시퀀스는 '사각-타원'과 '가원(원형)-타원'입니다. 조압연기 상류에서는 '다이아몬드-사각', '다이아몬드-다이아몬드', '박스 홈' 시퀀스도 널리 사용됩니다. 다른 패스 설계 유형도 있습니다. 모건(Morgan)의 특허받은 타원-원-원-원 롤 패스 시퀀스는 고압하 압연과 노멀라이징 및 열역학적 처리를 위해 설계되었으며 표면 품질 향상과 롤 수명 연장을 도모합니다. 롤 패스 설계는 선재의 높은 수율과 적절한 품질을 보장하여 생산 비용을 통제하는 데 매우 중요합니다.
생산성 향상을 위해 선재 압연기는 일반적으로 압연기 가동 중단 시간 최소화에 초점을 맞춥니다. 이러한 초점의 효과는 새로운 최종 치수, 새로운 강종, 형상을 제조할 때 롤 교체 시간과 필요성을 줄임으로써 향상됩니다. 작업 범위(유연성)를 개선함으로써 향상된 유연성을 달성합니다. 다양한 강종, 형상, 치수를 최소한의 압연 스케줄 변경으로 압연할 때 유연성이 향상됩니다. 각 강종은 롤 갭을 통과할 때 다른 스프레드 등 고유한 재료 흐름 방식을 가집니다. 또한 실제 강종에 따라 시동 시간과 올바른 압연 온도 대기 시간도 단축해야 합니다. 그러나 다양한 가열 사이클은 여전히 넓은 범위의 강종을 압연할 때 너무 높은 가동 중단 시간을 초래합니다. 오늘날 소량 다품종이라는 시장 수요를 충족하기 위해 현대식 선재 압연기가 높은 유연성을 보여주는 것이 필수가 되었습니다.
선재 생산 기술의 발전(예: 스탠드 간 냉각, 기존 피니싱 블록 후 사이징 설비 추가, 개선된 제어 냉각 설비)은 정밀 압연과 열역학적 제어 공정(TMCP)을 가능하게 하고, 저탄소 및 중탄소 강선재의 범위를 확장하며, 단순화된 생산 공정이나 직접 가공에 적합한 선재 제조를 가능하게 합니다.
고정밀 압연 기술을 통해 치수 공차 개선 외에도 낮은 피니싱 압연 온도를 달성할 수 있습니다. 피니싱 블록 후 콤팩트 사이징 밀을 배치하면 생산성 향상뿐만 아니라 금속학적 특성 개선에도 유리합니다. 저온에서 제품을 압연할 수 있는 능력은 입자 미세화를 위한 열역학적 압연의 이점을 활용하여 연성을 높이고 후속 열처리 공정을 단축할 수 있게 합니다.
그러나 열역학적 공정에는 몇 가지 고려해야 할 매개변수가 있습니다: (1) 압연 설비 위치, (2) 수냉 위치, (3) 압연 속도, (4) 피니싱 압연 온도.
예를 들어, 미니 블록 도입은 분리력과 출력의 한계로 피니싱 압연 온도가 1000°C 이상인 기존 선재 압연기에서 피니싱 압연 온도를 950°C 이하로 낮추는 데 도움이 됩니다. 그러나 무꼬임 밀과 사이징 밀 사이에 수냉을 사용하여 압연 소재 온도를 낮추기 위한 적절한 거리가 필요합니다. 사이징 밀의 위치는 최종 압하 전에 봉재가 제어 냉각되고 균질화될 시간을 허용하여 봉재 코어의 과열 위험을 줄이는 데 중요합니다. 이는 고온 피니싱에서 입자 조대화에 민감한 특수강에 매우 중요합니다.
또한 균일한 미세조직을 촉진하기 위해 변형량과 피니싱 온도의 결정적인 조합이 필요합니다. 정적 및 메타동적 재결정 공정은 온도와 누적 변형량에 강하게 의존합니다. 봉재 사이징 중 충분한 변형량 없이 재결정 공정이 적절히 촉진되지 않거나 재결정 핵 생성이 적으면 국부적인 조대 입자가 발생할 수 있습니다.
선재의 열역학적 처리는 더 높은 피니싱 속도와 더 미세한 오스테나이트 입자 크기를 가져옵니다. 결과적으로 컨베이어 라인을 따라 다른 냉각 패턴을 사용해야 하는데, 이는 다른 변태 거동과 권취 중첩(루프 층의 코일 쌓임) 때문입니다. 이 점에서 열간 압연 및 선재 제어 냉각 중 오스테나이트 진화를 예측할 수 있는 수학적 모델을 현재 플랜트 및 기술 데이터와 함께 효과적으로 적용하여, 플랜트 구성, 압연 및 냉각 관행이 선재 미세조직의 진화와 균질성에 미치는 영향을 예측할 수 있습니다.
피니싱 블록과 레이잉 헤드 사이에 선재 감압 및 사이징 밀을 배치하면 수냉 및 균질화 구역을 통해 750°C까지 낮을 수 있는 제어된 진입 온도를 제공하여 미세 입자 구조를 달성합니다. 그 결과 향상된 특성으로 값비싼 하류 어닐링 공정을 줄이거나 없앨 수 있습니다. 다양한 강종이 저온 압연의 이점을 얻을 수 있습니다.
오늘날 많은 선재 압연기에는 온라인 게이지 측정 시스템과 온라인 갭 조정 절차가 있습니다. 이러한 시스템으로 첫 압연 선재부터 치수에 맞출 수 있으며, 시험 압연 없이 압연을 완전히 제어할 수 있습니다.
선재 압연기에서 전통적으로 사용 가능한 표면 결함 검출 방법에는 에칭과 파일링, 업셋 테스트, 육안 검사 등이 있으나, 이 모든 방법은 고속 현대식 선재 압연기가 생산하는 물질의 양과 품질 관리 요원이 일해야 하는 열악한 환경을 고려할 때 결국 비현실적입니다. 열간 압연 와이어 제품 소비자들은 항상 더 나은 표면 품질을 요구합니다. 출하 제품 품질 개선을 위한 노력은 단순한 검사에서 공정 개선으로 이동해야 했습니다.
용해 및 압연 공정 내에는 표면 결함의 잠재적 원인이 숨어 있습니다. 이를 찾기 위해서는 독창성이 필요합니다. 공정 개선에 익숙한 사람이라면 공정 변경의 효과를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 좋은 반응 변수의 중요성을 이해합니다.
공정 변경을 측정할 명확한 방법이 없을 때 공정 변수를 조정하는 것은 도움이 되지 않고 종종 해를 끼칩니다. 위와 같은 압연기 조건에서 표면 품질에 대한 반응 변수는 파악하기 어려웠지만, 인라인 와전류 표면 검사 시스템이 유망함을 보였습니다. 이는 심각한 품질 및 재료 손실로 이어지기 전에 잠재적 생산 문제를 감지할 수 있는 오늘날 유일한 방법이며, 동시에 압연 제품에서 신뢰성 있는 결함 검출을 수행합니다. 이는 열간 압연 선재 코일의 다양한 표면 결함을 찾는 데 매우 유용한 장치임이 입증되었습니다. 밀착 압연된 심(seam)을 감지할 수 있는지는 아직 불분명합니다. 더 인상적인 것은 의도적이거나 의도하지 않은 공정 변경이 코일 생산에 미치는 영향을 나타내는 능력입니다.
제조공정
은 브레이징(Silver Brazing)이란? 은 브레이징은 비철 필러 메탈(합금)을 용융 온도(800°F 이상)까지 가열해, 모세관 힘(Capillary Attraction)으로 두 개 이상 밀착된 부품 사이로 분포시키는 접합 공정입니다. 은, 구리, 아연, 카드뮴 등을 필러 메탈로 씁니다. 액상선 온도에서 용융 필러 메탈이 모재 표면 얇은 층과 반응하고, 냉각되며 결정립 구조 상호작용으로 예외적으로 강하고 밀폐된 접합부를 형성합니다. 은 브레이징 접합부는 각 층이 야금학적으로 결합된 샌드위치 구조가 됩니다. 토치, 플레임, 아세
이 글에서는 케이블 제조의 일반적이고 핵심적인 단계들을 다룹니다. 먼저 두 용어를 명확히 하겠습니다: 와이어(wire)와 케이블(cable). 일반적으로 단일 도체를 와이어라 부르며, 두 개 이상의 절연 와이어를 한 개의 재킷으로 감싼 것을 케이블이라 합니다. 특히 단일 절연층 내에 여러 도체가 연선(스트랜딩)된 경우(이유는 후술) 단일 도체로 분류해 와이어라고 부릅니다. 이제 제조 절차를 함께 배워보겠습니다. 1단계: 와이어 드로잉 (Wire Drawing) 첫 단계 목표는 AWG(미국 와이어 규격)에 맞는 금속(주로 구리
