강철 압연 기초: 주조부터 완제품까지 핵심 원리와 기술

액체 강철은 일반적으로 연속 주조기에서 빌릿, 블룸, 슬래브 형상으로 주조됩니다. 일부 플랜트에서는 박판이나 도그 본(dog bone) 단면으로도 주조됩니다. 이 형상들은 평면 또는 홈 가공된 원통 회전 롤을 통과시키는 열간 압연으로 가공되어 판재, 시트, 봉강, 형강, 강관 등을 생산합니다.

압연 공정은 가장 중요하고 널리 사용되는 산업 금속 성형 작업 중 하나입니다. 높은 생산량과 최종 제품 정밀 제어를 제공합니다. 1500년대 후반 개발되었습니다. 금속 가공 공정으로 생산되는 모든 금속의 90%를 차지합니다.

강철 압연은 회전하는 한 쌍의 롤 사이로 강철을 통과시켜 강철을 소성 변형시키는 금속 성형 공정입니다. 소성 변형은 회전 롤을 통해 가해지는 압축력에 의해 발생합니다. 롤과 강철 소재 표면 간 마찰 결과로 높은 압축 응력이 발생합니다. 강철 소재가 롤 쌍 사이에 압착되어 결과적으로 두께는 감소하고 길이는 증가합니다. 압연은 압연되는 강철 온도에 따라 분류됩니다. 강철 온도가 재결정 온도 이상이면 열간 압연, 재결정 온도 이하면 냉간 압연이라 합니다.

압연기 스탠드

롤은 엄청난 강도 하우징에 장착된 대형 넥 베어링(neck bearing)에서 회전하며 강력한 전기 모터로 구동됩니다. 이를 밀 스탠드(mill stand)라 합니다. 압연기 스탠드는 강철 소성 변형을 위한 2개 이상 롤을 포함합니다. 기본적으로 (i) 롤, (ii) 베어링, (iii) 이 부품들을 담는 하우징, (iv) 기어박스, (v) 롤에 동력 전달용 드라이브(모터), (vi) 속도 제어 장치, (vii) 유압 시스템으로 구성됩니다. 압연기 스탠드는 매우 강성한 구조와 충분한 동력 공급용 대형 모터가 필요합니다. 압연기 스탠드 유형은 다음과 같습니다.

• 투-하이 스탠드(Two-high stand) – 두 대향 롤을 사용하는 기본형. 롤이 같은 방향으로 회전하는 비가역 롤. 따라서 반대쪽에서 공작물 공급 불가. 수평 또는 수직 스탠드 가능. 수평은 두 롤 수평, 수직은 두 롤 수직.
• 투-하이 풀오버 스탠드(Two-high pullover stand) – 압연 강철 소재가 추가 압하를 위해 입구로 반환.
• 투-하이 가역 스탠드(Two-high stand, reversing) – 롤 회전 방향 반전으로 공작물을 왕복 통과 가능. 생산성 향상.
• 쓰리-하이 스탠드(Three-high stand) – 3개 롤 구성. 상하 롤 구동, 중간 롤 마찰 회전. 첫 압연은 하-중 롤 사이, 다음은 방향 반전해 중-상 롤 사이. 생산성 향상.
• 포-하이 스탠드(Four-high stand) – 소경 롤(낮은 강도/강성)이 대경 백업 롤로 지지. 압연 동력 롤 직경에 비례. 소경 롤로 동력 입력 감소 가능. 소경 롤 강도 약해 휠 수 있음. 따라서 대경 백업 롤로 소형 롤 지지. 얇은 단면은 소경 롤로 압연 가능.
• 유니버설 밀 스탠드(Universal mill stand) – 수평 롤 2개, 수직 롤 2개. 수직 롤로 공작물 폭 동시 제어.
• 클러스터 밀 또는 센지미르 밀(Cluster mill or Sendzimir mill stand) – 각 워크 롤이 2개 백업 롤로 지지. 고강도 재료 박판 및 포일(0.0025mm 두께) 압연용. 워크 롤 직경 6mm까지 가능(텅스텐 카바이드).
• 플래너터리 밀(Planetary mill) – 중량 백업 롤 쌍과 이를 둘러싼 다수 플래너터리 롤. 각 플래너터리 롤은 백업 롤과 슬래브 사이 원호 경로로 거의 일정 압하 부여. 한 쌍 플래너터리 롤이 공작물과 접촉 끝나면 다른 쌍이 접촉하여 같은 압하 반복. 전체 압하가 각 롤 쌍 작은 압하 합계. 따라서 플래너터리 밀로 슬래브를 한 패스로 스트립까지 열간 압하 가능. 슬래브 밀 투입용 피드 롤과 출구 측 표면 마무리용 플래니싱 롤(planishing rolls) 쌍 필요.

연속 압연기는 생산성 향상을 위해 일련의 압연기 스탠드를 연속 배치합니다. 강철 소재는 밀 내 각 스탠드에서 다른 속도로 이동합니다.

광의로 압연기는 롤 스탠드 자동 시스템/라인에 압연과 보조 작업을 수행하는 일련의 설비가 추가된 것입니다: 원료 빌릿/블룸/슬래브를 재고에서 가열로와 밀 롤로 이송, 압연 소재를 한 롤 스탠드에서 다음으로 이송, 일부 밀에서는 회전/비틀기, 압연 후 금속 이송, 절단, 일부 밀에서 냉각 베드 냉각, 마킹/스탬핑, 트리밍, 포장, 완제품 재고 이송. 일부 밀(열간 압연기, 와이어 로드 밀, 머천트 밀, 냉간 압연기)에서는 압연 제품이 코일러나 와인드업 릴(wind-up reel)에서 코일링됩니다.

대부분 압연은 큰 변형 필요로 고온(열간 압연)에서 수행됩니다. 열간 압연은 잔류 응력 없는 제품 생산. 그러나 스케일링(scaling)이 열간 압연 중 주요 이슈로 치수 정밀도 유지 어렵습니다.

열간 압연 강철 냉간 압연은 높은 정밀도와 산화 스케일 부재로 중요합니다. 재결정 온도 이하에서 수행되며 가공 경화(work hardening) 유발. 냉간 압연 강판 시초 재료는 연속 열간 스트립 밀에서 나온 산세된 열간 압연 코일. 냉간 압연 총 압하율은 일반적으로 50~90% 변동. 각 스탠드 압하는 각 패스 최대 압하 훨씬 아래로 떨어지지 않게 균일 분배. 일반적으로 마지막 패스에서 최저 압하율로 평탄도, 게이지, 표면 마감 더 나은 제어.

압연은 공작물 온도에 따라 분류. 강철 온도 재결정 온도 이상이면 열간 압연. 열간 가공 공정에서 큰 변형 연속 반복 가능, 강철이 부드럽고 연성 유지. 강철 소재는 롤과 강철 표면 마찰 결과로 높은 압축 응력 받음. 압연은 소재를 거의 같은 주변 속도지만 반대 방향(시계/반시계)으로 회전하는 두 롤 사이 통과시킴. 간격은 들어오는 강철 소재 높이보다 약간 작게 간격. 롤은 평면 또는 홈 가공(contoured)되어 봉강/형상 열간 압연용. 이 조건에서 롤이 강철 조각을 잡아 단면적 감소로 인출, 길이 증가.

대부분 강철 제품 초기 열간 가공은 1차 조압연기(primary roughing mill)에서 수행. 목적은 후속 바, 스트립, 판, 다양한 압연 단면 마무리를 위한 압연 소재 단면 분해/감소. 주조 블룸, 슬래브, 빌릿은 처음 1100°C~1300°C로 가열. 강철 열간 압연에서 최종 정압연 스탠드 온도 850°C~900°C 변동, 항상 강철 상임계 온도 위. 강철이 최종 두께와 형상 달성까지 롤 사이 압착. 이를 위해 롤이 수천 톤 힘 가함.

압연기 레이아웃은 단순 단일 스탠드 밀부터 여러 스탠드 나란히 또는 일렬 배치까지 다양. 롤러 테이블(roller table)이라고 불리는 메커니즘이 공작물을 롤로 안내, 다른 롤러 테이블이 롤에서 나오는 조각 처리. 롤 앞 테이블이 강철을 롤에 밀어 롤이 잡아 당겨 롤 사이로 통과시킴. 강철은 롤 간 거리와 같은 두께로 감소, 롤이 홈 가공되면 홈 설계 따라 형상 부여. 열간 압연으로 적은 압연 사이클로 강철 큰 변형 달성 가능.

열간 압연은 여러 단계로 진행되며 매 단계 드로프팅(draughting)/압하 부여. 최종 드로프트는 재결정/상변태 온도 이상 온도에서. 따라서 냉간 소재는 재결정 온도보다 훨씬 높은 온도로 가열. 최종 공작물 온도는 총 드로프트 양, 드로프팅 제공 단계 수, 강철 소재 조성에 의존.

압연기 목적은 강철 두께 감소와 길이 증가, 폭 증가는 최소화. 압연 소재 중앙부 재료는 시트 폭 방향 제약, 롤 양측 미성형 숄더 제약으로 폭 방향 신장 방지. 이 조건을 평면 변형(plane strain)이라 함. 재료는 따라서 더 길어지고 넓어지지 않음.

압연 역학 영향 요인

압연 역학에 영향 주는 주요 요인:

• 롤 직경
• 한 패스 압하량
• 압연될 소재 초기 두께
• 압연 속도(변형률 속도 결정)
• 전/후 텐션
• 롤과 압연 강철 간 마찰 성질
• 강철 소재와 롤 온도 범위
• 압연될 강철 소재 물성
• 강철 소재 변형되는 롤 컨투어/롤 패스 형상
• 하중 하 밀 거동
• 가공 경화 등 이전 처리 효과
• 하중 하 롤 탄성 변형
• 야금, 온도, 변형률 속도 영향 받는 금속 변형 저항
• 소재 이방성 상태
• 종횡비(압연 소재 폭/초기 두께 비율)

위 파라미터들이 단독 또는 2개 이상 조합으로 2차 파라미터와 현상 생성, 압연 공정과 더 직접 관련되고 일반적으로 연관됨. 롤 압력, 토크, 일, 파워는 이 요인들 영향 받음. 주요 파라미터:

• 드로프트 계수, 절대/상대 드로프트: 초기/최종 평균 두께로 설정
• 슬립(slip): 압연 소재 선속도와 롤 주변 속도 차이. 중립각(neutral angle)은 노-슬립 점으로 결정
• 스프레드(spread): 출구 소재 폭과 입구 압연 소재 폭 차이
• 신장 계수(coefficient of elongation): 드로프트와 스프레드 상대값 의존
• 롤 바이트(roll bite): 드로프트, 롤 직경, 마찰 계수, 입구 두께 함수

압연 기본 개념

강철 압연 기본 개념:

• 롤과 강철 사이 접촉 아크는 원 일부
• 마찰 계수는 이론상 상수이나 실제론 접촉 아크 따라 변동
• 강철 소재는 압연 중 소성 변형 고려
• 압연 전후 소재 부피 일정. 실제론 기공 폐쇄로 약간 감소 가능
• 롤 속도 일정 가정
• 강철 소재는 압연 방향으로만 신장, 폭 방향 신장 없음
• 압연 방향 법선 단면적 왜곡 없음

냉간 압연 스트립 텐션 예외 제외, 외부 마찰(롤 표면과 압연 소재 표면 마찰)이 롤링에 의한 강철 소재 감소 근본 요소. 소재를 롤 사이로 끌어당기는 힘이며, 압연과 인발(drawing) 기본 차이 표시. 마찰은 롤과 소재 사이 작용 압력 크기와 분포 크게 영향, 결과적으로 소재 감소 필요 동력 영향. 또한 가능한 압하량 제어. 일반적으로 마찰 계수 높을수록 가능한 드로프트 큼. 강철 소재가 롤 갭 진입 조건에 따라 두 상황 발생 가능.

• 강철이 롤에 잡혀 롤 갭으로 당겨짐
• 강철이 롤 표면 미끄러져 잡히지 않고 압연 안 됨

마찰력 크기 접촉 표면 상태 의존, 거칠기 증가, 롤-압연 소재 상대 속도, 롤 압력 증가 시 증가.

롤 힘 감소 전략:

• 롤-공작물 인터페이스 마찰 감소
• 접촉 면적 감소를 위한 소경 롤 사용
• 패스당 작은 압하로 접촉 면적 감소
• 고온 압연으로 소재 강도 낮춤
• 압연 소재에 전/후 텐션 적용

단조 또는 주조 강철 제품이 열간 압연되면 조대 입자 구조가 압연 방향으로 신장되며 더 미세해짐. 이런 텍스처드 입자 구조는 압연 제품에 방향성 특성(이방성) 유발. 입자 미세화를 위해 압연 직후 열처리 수행, 압연 후 재결정 결과.

압연기 종류

다양한 압연기 종류:

• 연속 압연기
• 가역 압연기
• 트랜스버스 압연기(Transverse rolling mill) – 원형 쐐기 롤 사용. 가열 바 길이 절단 후 롤 사이 횡방향 공급. 롤 밀 내 한 방향 회전.
• 형상 압연기/단면 압연기(Shaped rolling or section rolling mill) – 바 밀, 머천트 밀, 와이어 로드 밀, 형강 밀, 빔 밀, 레일 밀
• 링 롤링 밀(Ring rolling mill) – 도넛 형상 프리폼을 자유 회전 내부 롤과 구동 외부 롤 사이 배치. 링 밀은 단면 얇게 하면서 링 직경 증가.
• 분말 압연기(Powder rolling mill) – 금속 분말 롤 사이 도입하여 '그린 스트립(green strip)'으로 압축, 이후 소결 및 추가 열간/냉간 가공 및 어닐링 사이클.
• 박판 주조 압연기(Thin slab casting and rolling mill) – 열간 스트립 생산용. 액체 강철 얇은 슬래브(두께 50~80mm) 주조 후 로 온도 균일화 거쳐 열간 압연기 정압연기 압연.
• 나사 압연기(Thread rolling mill) – 다이가 원통 블랭크 표면 압착. 블랭크가 인피딩 다이 면에 회전하며 재료 변위되어 나사 뿌리(root) 형성, 변위된 재료 방사외향 흐르며 나사 크레스트(crest) 형성.

압연 힘과 기하학적 관계

두께 h_o 강철 시트가 입구 평면 xx에서 속도 v_o로 롤 진입. 롤 갭 통과 후 출구 평면 yy에서 감소된 두께 h_f와 속도 v_f로 나감. 폭 증가 없음 가정 시 강철 수직 압축이 압연 방향 신장으로 변환. 공정 전반 주어진 지점 단위 시간당 강철 부피 변화 없으므로

b×h_o×v_o = b×h_f×v_f = b×h×v

여기서 b는 시트 폭, v는 h_o와 h_f 사이 임의 중간 두께 h에서의 속도.

그림 1은 압연 중 기하학적 관계와 힘을 보여줍니다.

롤과 시트 접촉 표면 상 단 한 점에서만 두 힘이 강철에 작용: (i) 반경 방향 힘 P_r, (ii) 접선 마찰력 F. 입구 평면(xx)과 중립점 사이 시트 이동이 롤 표면보다 느리고, 접선 마찰력 F가 (그림 1 참조) 강철을 롤 내로 끌어당기는 방향 작용. 중립점 출구 측(yy)에서는 시트 이동이 롤 표면보다 빠름. 마찰력 방향 반전되어 시트 롤로부터 인출 반대 방향 작용.

그림 1 압연 중 기하학적 관계와 힘

압연 핵심 포인트

강철 압연 주요 포인트:

• 압연은 가장 광범위하게 사용되는 강철 금속 성형 공정, 비중 약 90%
• 압연 소재는 마찰에 의해 두 회전 롤 갭으로 인입
• 롤 가압 압축력으로 소재 두께 감소 또는 단면적 변경
• 제품 기하학은 롤 갭 컨투어에 의존
• 롤 재료: 높은 강도와 내마모성 요구로 주철, 주강, 단강
• 열간 압연기 롤 일반적으로 거칠어 공작물 바이트, 냉간 압연기 롤 연마/폴리싱으로 좋은 마감
• 압연 중 입자 압연 방향으로 신장. 냉간 압연 결정 대체로 신장 형상 유지, 열간 압연 변형 구역 벗어나면 재형성 시작
• 롤 주변 속도 입구서 스트립 초과, 인터페이스 마찰 충분히 높으면 스트립 인입
• 변형 구역에서 강철 소재 두께 감소, 신장. 출구 압연 강철 선속도 증가
• 롤 속도와 스트립 속도 같은 중립점 존재. 이 점에서 마찰 방향 반전
• 접촉각이 마찰각 초과 시 롤 신선 스트립 인입 불가
• 롤 토크, 파워 등은 롤-작업 접촉 길이 또는 롤 반경 증가 시 증가