제조공정
산업 제조
강재 압연은 압연 소재(일반적으로 '압연 재료'라 칭함)를 반대 방향으로 같은 주변 속도로 회전하는 두 롤 사이(하나는 시계 방향, 다른 하나는 반시계 방향)로 통과시키되, 롤 간 거리가 롤에 진입하는 강재 단면 두께보다 다소 작게 유지되도록 하는 공정입니다. 이 조건에서 롤이 소재를 물고 인출하여 두께는 감소하고 길이는 증가하며 폭도 다소 증가합니다. 이는 모든 금속 성형 공정 중 생산성이 높고, 압연 제품 제어가 용이하며, 운전 비용이 낮아 가장 널리 사용되는 공정 중 하나입니다. 압연은 길이 방향 전체에 걸쳐 일정한 단면을 가진 제품을 생산할 수 있으며, 강재 압연 공정으로 다양한 형상과 단면을 생산할 수 있습니다.
강재 압연은 회전 롤을 통해 가해지는 압축력으로 강재의 소성 변형을 일으키는 금속 성형 공정입니다. 롤과 강재 표면 간 마찰로 인해 높은 압축 응력이 발생합니다. 강재는 롤 스탠드에 장착된 한 쌍의 롤 사이에 끼여 압착되면서 두께가 줄어들고 길이가 늘어납니다.
강재 단면은 보통 여러 패스로 압연되며, 패스 수는 초기 입력 소재와 최종 제품 단면적의 비율에 의해 결정됩니다. 각 패스에서 단면적이 감소하고 압연 소재의 형상과 크기가 원하는 프로파일에 점차 접근합니다.
대부분 압연은 큰 변형이 필요하므로 고온에서 수행되며 이를 열간 압연이라 합니다. 열간 압연은 일반적으로 잔류 응력이 없는 압연 제품을 만듭니다. 그러나 열간 압연 중 스케일 생성은 주요 문제로, 이로 인해 치수 정밀도 유지가 어렵습니다.
압연 제품의 최종 치수 품질은 정압대 내 롤 스탠드에 의해 결정됩니다. 최종 제품의 치수 정밀도는 초기 소재 치수, 롤 패스 순서, 온도, 미세조직, 롤 표면 품질, 롤 및 스탠드 강성, 압연 소재/롤 마찰 조건 등 많은 요인에 따라 달라집니다.
압연기는 강재 압연이 수행되는 장소로, 하나 이상의 롤 스탠드와 강재 압연과 관련된 보조 작업을 수행하는 일부 보조 설비로 구성됩니다. 중소형 압연기에서의 강재 압연은 일반적으로 크로스 컨트리 압연기에서 수행됩니다.
이 압연기를 크로스 컨트리 압연기라 부르는 이유는 롤 스탠드 배열 때문입니다. 이들 압연기에서 롤 스탠드 중심선은 서로 평행하며, 압연되는 소재는 압연 방향에 수직으로 이동합니다. 트랜스퍼 테이블과 스키드 테이블을 사용하여 공작물의 진행 방향을 반전시키고 한 롤 스탠드 세트에서 다른 세트로 이송합니다. 크로스 컨트리 압연기의 특징 중 하나는 공작물이 충분히 짧아야 한 조각이 한 스탠드를 떠나기 전에 다른 조각이 그 스탠드로 이송될 수 있다는 점입니다.
광의의 압연기는 롤 스탠드 세트와 압연 및 보조 작업을 모두 수행하는 일련의 설비로 구성됩니다. 압연할 강재는 야드에서 가열로로 이송되어 압연 온도까지 가열됩니다. 압연기에서 수행되는 다양한 작업은 (i) 가열된 강재를 압연기에서 압연, (ii) 압연 중인 소재를 한 롤 스탠드에서 다른 롤 스탠드로 이송, (iii) 일부 압연기에서는 소재의 회전/비틀기 및 전단, (iv) 압연 후 강재 제품 이송, (v) 일부 압연기에서는 냉각 베드에서 압연 소재 냉각, (vi) 압연 제품의 절단, 마킹 또는 스탬핑, (vii) 트리밍, 포장, 완제품 야드로 이송 등입니다. 중소형 압연기에서의 압연 공정 흐름도는 그림 1과 같습니다.
그림 1: 크로스 컨트리 압연기의 압연 공정 흐름도
크로스 컨트리 타입 밀 레이아웃은 저능력 압연기에 사용됩니다. 이 레이아웃은 보통 압연기 설치 공간이 제한되어 있어 채택됩니다. 크로스 컨트리 타입 밀 레이아웃은 압연기에서 압연 가능한 강재 제품의 최대 길이를 제한합니다.
크로스 컨트리 압연기는 원형, 사각, 평강, 단면 제품 등 형강 제품을 압연하는 열간 압연기입니다. 이들 형강 제품은 보통 '장대제품'이라는 공통 이름으로 불립니다.
크로스 컨트리 타입 압연기는 공작물이 동시에 두 개 이상의 롤 스탠드에 있지 않도록 여러 롤 스탠드를 배열합니다. 롤 스탠드가 나란히 위치하므로 공작물은 다양한 스탠드의 롤 바이트로 측면 이동합니다. 많은 크로스 컨트리 압연기에서 공작물 압연은 양방향으로 이루어집니다. 이러한 압연기에서는 패스마다 압연 방향이 바뀌므로 압연 제품 품질에 긍정적 영향을 줍니다.
각 패스에서 단면이 감소하고 길이가 그에 상응하여 증가합니다. 따라서 각 스탠드 양쪽에서 각 스탠드에서 가장 긴 강재 조각을 수용할 수 있는 설비가 필요합니다.
단일 드라이브를 사용하는 크로스 컨트리 압연기에서 달성 가능한 최대 환원에는 한계가 있으며, 특히 압연기에서 동시에 2개 이상의 강재 조각을 압연하도록 설계된 경우 더욱 그렇습니다. 따라서 투입 강재 크기는 보통 꽤 작습니다. 또한 이러한 압연기에서는 투하이 스탠드를 제1 스탠드 상부 롤이 제2 스탠드 하부 롤 높이와 대응하도록, 그리고 그 이후도 마찬가지로 설정하여 공작물을 스탠드 라인을 따라 앞뒤로 번갈아 가공할 수 있습니다. 동일한 크로스 컨트리 조립에 투하이와 쓰리고 스탠드가 조합된 경우, 쓰리고 스탠드의 센터 롤이 관련 투하이 유닛의 구동 롤에 대응합니다.
대안적 배치는 크로스 컨트리 스탠드 앞에 단일 조압 스탠드를 두고 홀수 패스(예: 3~5패스)만 수행한 후 강재를 크로스 컨트리 스탠드로 통과시키는 것입니다. 이 레이아웃은 더 큰 단면의 투입 소재 압연에도 사용할 수 있습니다.
크로스 컨트리 압연기에서도 다른 열간 압연기와 마찬가지로 강재의 재결정 온도 이상에서 압연합니다. 이들 압연기에서 압연 중 변형된 입자가 재결정되어 등축 미세조직을 유지하고 강재의 가공 경화를 방지합니다. 이러한 압연 유형에서 열간 압연 강재 제품은 기계적 특성에서 방향성이 거의 없고 변형 유도 잔류 응력도 거의 없습니다.
장대제품은 보통 여러 패스로 압연되며, 패스 수는 초기 입력 강재 단면과 최종 제품 단면의 비율에 의해 결정됩니다. 각 압연 패스에서 단면적이 감소하고 압연 중인 강재의 형상과 크기가 원하는 프로파일에 점차 접근합니다.
크로스 컨트리 압연기에 사용되는 롤 스탠드는 투하이 스탠드 또는 쓰리고 스탠드입니다. 크로스 컨트리 압연기는 보통 여러 투하이 스탠드 또는 쓰리고 스탠드, 또는 둘의 조합으로 구성됩니다.
투하이 롤 스탠드에는 2개의 롤이 있습니다. 위에 있는 것을 상부 롤, 아래를 하부 롤이라 합니다. 투하이 스탠드 압연기에서는 압연이 한 방향으로만 이루어집니다. 역방향 압연 시 압연기를 리버싱 타입으로 해야 합니다. 리버싱이 아니면 풀오버 타입 투하이 스탠드를 사용합니다. 이 경우 패스 압연 후 소재를 롤 위로 넘겨 피딩 측으로 이송하여 다음 패스 압연을 수행합니다.
쓰리고 롤 스탠드에는 상부 롤, 중간 롤, 하부 롤 3개 롤이 있습니다. 강재는 한 쌍의 롤을 통해 한 방향으로 공급된 후 다른 쌍을 통해 역방향으로 공급됩니다. 중간 롤은 각 공급에서 공통으로 사용됩니다. 쓰리고 롤 스탠드는 모터와 기어 드라이브 회전 방향을 반전시키지 않고 압연 중인 강봉의 방향을 반전시키는 데 사용됩니다. 한 갭(하부-중간 롤 사이)은 한 방향으로 봉강을 받아들이고, 다른 갭(상부-중간 롤 사이)은 반대 방향으로 받아들입니다. 하부 갭 높이에서 상부 갭 높이로 봉강을 이동시키기 위해 틸트 테이블을 사용할 수 있습니다. 리프트 테이블로 테이블 전체를 상하 이동시키는 등 다른 방법도 사용됩니다.
투하이 롤 스탠드에서는 상부 또는 하부 롤 중 하나 또는 둘 다 구동됩니다. 쓰리고 롤 스탠드에서는 1개 또는 2개 롤이 구동되고 나머지 롤은 마찰로 회전합니다. 쓰리고 스탠드에서 2개 롤 구동 시 보통 상부와 하부 롤을 구동하고 중간 롤은 마찰 구동합니다.
토크와 파워는 압연의 두 가지 중요 요소입니다. 토크는 롤에 회전 운동을 생성하기 위해 가해지는 힘의 척도이며, 파워는 롤에 토크를 가하고 공작물 장력을 통해 압연기에 전달됩니다. 압연기에서 파워는 주로 네 가지 방식으로 소모됩니다: (i) 강재 변형에 필요한 에너지, (ii) 마찰력 극복에 필요한 에너지, (iii) 피니언 및 동력 전달계에서의 동력 손실, (iv) 각종 모터에서의 전기적 손실.
중소형 크로스 컨트리 레이아웃 압연기에서는 일반적으로 모든 롤 스탠드에 단일 드라이브를 사용합니다. 업스트림에 조압 스탠드가 있는 경우 조압 스탠드는 별도 드라이브를 가질 수 있습니다. 드라이브는 (i) 충분한 용량의 전기 모터, (ii) 드라이브 벨트, (iii) 플라이휠, (iv) 기어 세트, (v) 피니언 스탠드, (vi) 커플링으로 구성됩니다. 일반적으로 이러한 압연기에서는 속도 제어가 중요한 이슈가 아니므로 AC(교류) 모터를 사용합니다.
롤은 압연기에서 주된 고가 소모품입니다. 롤은 압연기에서 강재를 압연하는 데 사용되며, 그 성능은 사용 재료와 운전 중 받는 하중 등 많은 요인에 따라 달라집니다. 롤 설계는 압연 하중, 롤 강도, 압연용 토크의 제약을 받습니다. 롤 재료는 압연 소재를 소성 변형시키면서 자신은 소성 변형되지 않는 능력을 가져야 합니다.
특정 롤 스탠드에 주철 롤 또는 강철 롤 중 어느 것을 사용할지는 그들이 수행해야 할 특정 임무에 따라 달라집니다. 주철 롤에는 회주철 롤, 합금 주철 롤, 클리어 칠 또는 데피니트 칠 롤, 컴포지트/듀플렉스 롤, 인디피니트 칠 롤, 구상 흑연 주철 롤 등이 있으며, 강철 롤에는 주강 롤이나 단조강 롤이 있습니다. 롤 선정에 고려해야 할 중요한 특성으로는 인성, 내열크랙성, 충격 하중, 내마모성 등이 있습니다. 특정 롤 선택은 생산 요구사항, 초기 비용, 요구 특정 품질 등 이슈에 따라 달라집니다. 롤 제조사와 긴밀히 협력하여 이러한 요구사항을 최대한 충족시키는 것이 바람직합니다.
형상 제품은 홈 가공된 롤 사이에서 압연됩니다. 홈은 롤 터닝 머신으로 맞물리는 롤에 가공됩니다. 이 홈들은 강재가 통과하여 목표 단면을 얻는 패스를 형성합니다. 최종 형상을 얻기 전에 압연 중인 강재는 많은 패스를 거칩니다. 롤 패스는 (i) 조압 패스 또는 브레이크다운 패스, (ii) 리더 패스, (iii) 정압 패스로 분류됩니다. 조압 패스는 단면적 감소 목적이며, 리더 패스는 단면을 최종 형상에 가깝게 점차 접근시키고, 정압 패스는 강재에 최종 또는 요구 단면을 부여합니다.
압연은 홈 가공된 롤 사이에서 수행됩니다. 협력하는 롤의 두 반대 홈은 패스를 형성하며, 이는 패스 후 예상되는 공작물 단면 형상에 대응합니다. 매 패스 후 단면이 감소하고 형상이 최종 제품 형상에 가까워집니다. 후속 패스 형상 개발과 롤 위 적절한 배치를 롤 패스 설계라 합니다.
롤은 압연 중인 강재 단면 축소라는 중노동을 수행해야 합니다. 롤은 정상 및 비정상 압연에서 발생하는 모든 종류의 응력과 하중을 견뎌야 하며, 이는 롤 마모에 따라 변합니다. 또한 롤은 파손, 스팔링, 마모 없이 우수한 성능을 발휘해야 합니다. 압연 조건에서 롤과 강재가 접촉하는 접촉면은 마모를 겪지만, 롤 바디와 롤 넥의 다른 부분은 소성 변형이나 피로는 겪지 않으나 높은 하중을 받습니다. 최근 압연 기술이 많이 개선되고 변화했지만 롤은 항상 압연기의 핵심 부품으로 남아 있습니다.
롤은 압연기의 도구이자 가장 비싼 소모품입니다. 롤이 강재 변형 임무를 수행하는 방식은 많은 경우 롤 패스 설계에 의해 크게 결정됩니다. 롤 패스 설계의 목적: (i) 공차 한도 내 정확한 프로파일 생산, 양호한 표면 마감(표면 결함 없음), (ii) 최저 비용으로 최대 생산성, (iii) 최소 롤 마모, (iv) 쉬운 작업, (v) 최적 에너지 이용.
작업 정확도와 속도, 롤 수명은 모두 롤 패스 설계와 롤 재료 선택과 관련됩니다. 롤 패스 설계의 압연 순서는 압연 하중, 롤 강도, 압연용 가용 토크의 제약을 받습니다. 롤 패스 설계는 또한 롤의 물리적 치수와 재료가 압연 순서 중 발생하는 최대 하중을 견딜 수 있도록 보장해야 합니다.
롤 재료는 중요합니다. 롤 재료는 압연 소재를 소성 변형시키면서 자신은 소성 변형되지 않는 하중을 견딜 수 있어야 하기 때문입니다. 열간 강재 압연에서 이는 어려운 문제가 아니며, 롤을 압연 소재 온도보다 상당히 낮은 온도에서 운전한다면 주철이나 강철 롤이 적합합니다. 주철 또는 강철(주강 또는 단조) 롤 선택은 롤이 수행할 특정 임무와 표면 인성, 내열크랙성, 내충격성, 내마모성 등 중요한 특성에 따라 달라집니다. 특정 롤 선택은 생산 요구사항, 초기 비용, 요구 특정 품질에 따라 달라집니다.
롤 재료는 롤이 견뎌야 할 하중을 추정하는 데 중요합니다. 또한 주어진 제품 범위에 가장 적합한 밀 크기가 무엇인지 제안하여 밀을 합리적인 효율로 작업할 수 있게 합니다. 롤 수명과 관련하여 아마도 가장 중요한 단일 요인은 롤 재료의 내마모 특성입니다.
롤은 원활한 회전과 다양한 힘에 대한 저항을 위해 '베어링'이 필요합니다. 롤 베어링은 압연기의 기본 요구사항인 강재 제품의 원활한 압연을 충족해야 합니다. 베어링은 롤을 지지하여 최소 에너지 손실로 효과적인 압연을 가능하게 하는 마찰 저감 장치입니다. 베어링은 높은 압연 하중, 큰 충격, 다양한 속도, 고온을 견디도록 설계되어야 합니다. 이 외에도 베어링은 스케일, 먼지, 물의 유입을 견디도록 설계되어야 합니다. 전력 소비 감소와 압연 조건 개선에 중요한 역할을 합니다.
롤 스탠드에서 롤을 지지하는 롤 베어링은 높은 하중을 받습니다. 비하중도 높습니다. 베어링이 압연 힘을 신뢰성 있게 지지하려면 높은 하중 지지 용량이 필요합니다. 반면, 이 베어링에 사용할 수 있는 장착 공간은 제한적이며, 특히 베어링 단면 높이에 비례하여 제한됩니다.
밀 베어링은 정격 회전 속도에서 분리력에 저항하도록 크기가 정해집니다. 베어링 유형과 스타일이 밀 스탠드 용량을 결정합니다. 슬라이더 베어링(건메탈 또는 파이버) 또는 롤러 베어링이 중소형 장대제품 압연기에서 가장 일반적으로 사용되는 베어링입니다.
강재 열간 압연 중 열이 롤로 전달됩니다. 냉각하지 않으면 열 축적으로 롤 온도가 압연 중인 소재 온도와 같아집니다. 이 단계에서 롤도 소성 변형을 겪습니다. 롤에서 열을 제거하기 위해 냉각수를 적용합니다. 냉각수 적용은 롤 진입점에서 압연 소재에 물이 떨어지지 않도록 제어해야 합니다. 만약 그렇게 되면 압연 소재만 냉각시키고 롤과 압연 소재 사이에 증기 포켓을 생성하며, 롤 다른 쪽에 더 잘 사용될 물을 낭비하게 됩니다. 롤 마모를 최소화하기 위해 압연 소재가 롤을 떠나는 지점에 가능한 한 가깝게 롤 냉각수를 적용해야 합니다.
장대제품 열간 압연기에서 가이드 설비는 롤 패스 입구와 출구에서 압연 소재를 안내하여 원활한 압연을 돕습니다. 가이드 설비는 견고하고 정확하며 안정적이어야 합니다. 압연기 가이드 설비는 압연 제품 표면 품질 확보에 주요 역할을 합니다. 가이드는 장대제품 압연에서 통상적으로 마주치는 다양한 소재 크기와 형상에 맞게 설계되어야 합니다.
가이드 설비는 보통 세 가지 방식으로 분류됩니다: (i) 작업 스탠드에 대한 위치(예: 입측 가이드, 출측 가이드 등), (ii) 구조 방식, (iii) 압연 소재와 가이드 설비 작업 요소 간 마찰 유형(예: 슬라이딩 또는 롤링 등).
중소형 크로스 컨트리 압연기에서는 보통 슬라이딩 타입의 입측/출측 가이드를 사용하며, 이를 정적 가이드라고도 합니다. 이들 가이드 설계는 슬라이딩 마찰 기반입니다. 이 가이드들은 보통 가이드 박스, 밀 패스 라인 양쪽에 대향하여 가이드 박스에 장착된 두 개의 대향 블록과 그 인접면에 종방향으로 연장된 채널, 압연 소재 측면에 밀착되도록 각각의 채널을 연결하는 별도 금속 플레이트, 플레이트 외면과 접촉하는 채널로 물을 순환시키는 수단으로 구성됩니다.
중소형 압연기 관련 주요 보조 설비는 다음과 같습니다.
제조공정
압연기(Rolling Mills)란? 압연 공정은 가장 광범위하게 사용되는 공정이며, 설비 비용 측면에서 가장 비쌉니다. 성형으로 생산되는 금속의 거의 90%를 차지합니다. 압연 공정에서 공작물은 마찰력으로 인해 롤 세트 사이로 인입되고, 압축력으로 공작물의 두께가 감소하거나 단면적이 변경됩니다. 압연기에 사용되는 롤의 종류는 형상, 크기, 롤 간 간격 및 윤곽에 따라 달라집니다. 가공성과 설비 제한 때문에 압연은 여러 단계로 수행되며, 원하는 형상을 얻기 위해 롤을 여러 번 통과해야 할 수 있습니다. 압연 중 초기 패스는 단면적
압연(Rolling)이란? 금속 가공에서 압연은 금속 소재를 한 쌍 이상 롤 사이 통과시켜 두께 감소, 두께 균일화, 원하는 기계적 물성 부여하는 금속 성형 공정. 개념은 반죽 밀기와 유사. 압연은 압연 금속 온도 따라 분류. 금속 온도 재결정 온도 이상 → 열간 압연(Hot Rolling). 재결정 온도 미만 → 냉간 압연(Cold Rolling). 사용량 기준: 열간 압연이 타 제조 공정보다 더 많은 톤수 처리, 냉간 압연이 모든 냉간 가공 공정 중 최다 톤수 처리. 롤 쌍 보유 롤 스탠드(Roll Stands) 그룹화 → 압연