열간 압연 스트립 제조 및 주요 결함 방지 대책

열간 압연 스트립 제조 및 스트립 결함

압연은 가장 중요한 산업 금속 성형 조작 중 하나입니다. 열간 압연은 열간 압연기에서 강 슬래브를 열간 스트립으로 압연하는 데 사용됩니다. 다른 열간 압연 조작과 마찬가지로 열간 스트립 압연도 롤 세트를 통해 가해지는 압축력에 의한 슬래브 소재의 소성 변형입니다. 슬래브 단면적은 열간 압연으로 감소합니다. 소재가 한 쌍의 롤 사이에 끼어들어가면서 두께는 감소하고 길이는 증가합니다. 큰 변형 필요로 고온에서 열간 압연 수행. 열간 압연 결과 잔류 응력 없는 스트립 생성. 산화 스케일 동반으로 치수 정밀도는 냉간 압연 스트립 대비 열위.

열간 스트립 압연 조건

슬래브 초기 가열 온도 1100~1300°C. 열간 압연기 최종 피니싱 스탠드 온도 700~900°C 변동. 상위 임계 온도 이상 유지로 균등 축상 페라이트 입자 생성 보장.

압연 목적

슬래브 두께 감소, 길이 증가, 폭 증가 최소화. 스트립 중심부 소재는 스트립 폭 방향 구속, 롤 양측 미변형 숄더가 폭 방향 신장 억제 → 평면 변형(Plane strain) 상태. 소재 길이만 증가, 폭 증가 안 함.

열간 스트립 압연 기본 개념

1. 롤-피압연 소재 간 접촉 아크는 원의 일부
2. 마찰 계수 이론상 상수이나 실제 접촉 아크 따라 변동
3. 피압연 소재 압연 중 소성 변형
4. 압연 전후 소재 부피 일정(실제 기공 폐쇄로 약간 감소 가능)
5. 롤 속도 일정 가정
6. 소재 압연 방향만 신장, 폭 방향 신장 없음
7. 압연 방향 법선 단면적 왜곡 없음

압연 주요 변수

압연 공정 영향 주요 변수: (1) 롤 직경, (2) 야금·온도·변형률 속도 영향 변형 저항, (3) 소재 유동 응력, (4) 롤-소재 간 마찰, (5) 스트립 평면 상 전방/후방 텐션 유무.

열간 스트립 압연 힘·기하학적 관계

두께 h₀ 소재 입구 평면 x-x에서 속도 v₀로 진입. 롤 갭 통과→출구 평면 y-y에서 두께 h_f, 속도 v_f로 배출. 폭 증가 없음 가정 → 수직 압축이 압연 방향 신장으로 변환. 단위 시간당 주어진 지점 금속 부피 불변 → b·h₀·v₀ = b·h·v = b·h_f·v_f (b: 스트립 폭, v: 임의 두께 속도, h: h₀와 h_f 사이 중간값).

b·h₀·v₀ = b·h_f·v_f, b₀=b_f이면 h₀·v₀ = h_f·v_f → v₀/v_f = h_f/h₀. h₀ > h_f이면 v₀ < v_f. 따라서 스트립 속도 입구→출구 꾸준히 증가하여 스트립 수직 요소 왜곡 없이 유지.

압연 중 작용 힘

롤-스트립 접촉면 상 한 점에 두 힘 작용: (1) 반경 방향 힘 P_r, (2) 접선 마찰력 F. 입구 평면(x-x)~중립점 사이 스트립 롤 표면보다 느림 → 접선 마찰력 F가 금속을 롤 내로 당기는 방향(그림 2). 중립점 출구 측(y-y) 스트립 롤 표면보다 빠름 → 마찰력 방향 역전, 스트립 배출 반대 방향.

P_r은 반경 방향 힘, 수직 성분 P(압연 하중: 롤이 소재 누르는 하중). 비압연 압력 p = P / (b·L_p) (L_p: 접촉 아크 투영 길이).

압연 압력 분포

접촉 아크 따라 롤 압력 분포(그림 3): 중립점에서 최대치 도달 후 하강. 중립점에서 뾰족한 피크 아님 → 중립점은 롤 표면 선 아닌 영역. 곡선 아래 면적 ∝ 압연 하중. 음영 영역: 롤-스트립 마찰력 극복 필요 힘. 점선 AB 아래 면적: 평면 균질 압축 금속 변형 필요 힘.

롤 바이트 조건(Roll Bite Condition)

피압연 소재 롤 목구멍 진입 조건(그림 4). 마찰력 성분 ≥ 법선력 수평 성분. F cos α ≥ P_r sin α (α: 바이트 각, P_r: 반경력). F/P_r ≥ tan α. F = μ·P_r (μ: 마찰 계수) → μ = tan α. tan α > μ면 소재 롤 통과 불가. μ = 0이면 압연 불가. 따라서 자유 물림 조건: μ > tan α. 유효 μ 증대 위해 롤 홈 가공(롤 축 평행) 또는 대직경 롤로 tan α 감소 또는 롤 직경 고정 시 피압연 소재 두께 감소.

마찰 및 압연 하중

무마찰 상황: 압연 하중 P = p·b·L_p (p: 평면 변형 항복 응력). 실제 마찰 존재. 마찰력 소재 롤 내 인입 필요, 압연 하중 큰 부분 차지. 고마찰 → 고압연 하중, 가파른 마찰 힐, 에지 크랙 경향 대. 마찰 계수 접촉 아크 따라 점별 변동. 측정 곤란 → 모든 압연 이론 상수 마찰 계수 가정. 열간 스트립 압연 μ ≈ 0.2~스티키 조건.

압연 하중: 롤 반경 증가 또는 두께 감소량 증가 시 증가. 두께 감소 또는 롤 직경 증가 시 압연 하중 증가. 임계 얇아짐 이하 두께에서 압연 하중 급증(스트립 저항 급증) → 압연 불가, 스트립 두께 감소 없이 롤 사이 밀려만 들어감. 박판 압연 위해 소직경 롤 사용, 대직경 백업 롤 지지. 접촉 아크 길이 롤 반경 감소 시 감소, 마찰 계수 증가, 압연 하중 증가.

탄성 변형 및 밀 스프링(Mill Spring)

고압연 힘 롤 통해 소재 전달 시 두 주요 탄성 변형: (1) 롤 길이 방향 휨(소재 롤 분리하려 하나 양단 구속→두께 변동), (2) 롤 접촉부 플래트닝(곡률 반경 증가→롤 플래트닝).

고압연력 하 롤 휨·플래트닝, 전체 밀 탄성 변형. 밀 스프링으로 무부하 설정 롤 갭보다 출구 스트립 두께 두꺼워짐. 정밀 두께 압연 위해 밀 탄성 상수 필요. 캘리브레이션 곡선 필요. 탄성 상수: 스크류 하중 밀 1~3 GN/m, 유압 하중 밀 ~4 GN/m.

롤 캠버(Camber) 및 크라운/캠버 결함

롤 힘으로 롤 휨→스트립 중심부 두꺼움, 에지 얇음 → 크라운(Crown) 및 캠버(Camber) 결함. 방지 위해 롤 표면 약간 크라운 그라인딩(중심부 직경>에지). 벌지 롤, 압연 중 휨으로 평탄 스트립 생산. 스트립 압연용 롤 직경 캠버 보통 0.5mm. 열간 압연 중 롤 가열→중심부 돌출→롤 캠버 발생(에지-중심 온도 차이). 롤 캠버는 열효과·롤 휨 모두 고려하여 압연 중 가변 제어 필요. 불균일 롤 마모(에지>중심 마모) 방지도 겸함.

롤 캠버 가변 방법: (1) 작업 롤 외부 힘으로 벤딩, (2) 작업 롤 스트립 중심선 기준 횡방향 시프트, (3) 형상 롤(프로파일 롤) 사용, (4) 작업 롤 축-백업 롤 축 수평면 내 회전(작업 롤 단부 휨→캠버 생성).

롤 플래트닝(Roll Flattening)

롤 압력으로 롤 곡률 반경 증가→롤 탄성 변형. 롤 플래트닝→접촉 길이 증가→압연 힘 증가.

압연 힘 저감 방안

압연 하중 롤 직경 의존(대직경→대하중). 소량 압연→저하중. 롤 직경 감소 또는 마찰 저감으로 압연 힘 저감 가능. 또 다른 방법: 스트립에 소량 인장력 적용. 종방향 인장력→횡방향 압축 항복 강도 저감(트레스카 항복 기준). 압연 시 입구 측 피더/언코일러 브레이크로 전방 텐션, 출구 측 코일러 토크 제어로 후방 텐션 적용.

롤 토크 및 파워

롤 토크 압연 힘으로 추정. 토크 = 힘 × 힘 작용 반경. 총 롤 토크 = 압연 토크 + 롤 베어링 마찰 토크 + 모터 축 토크 + 전달계 마찰 토크. 롤 파워: 소재 변형, 회전부 마찰 극복 등에 소요.

텐션 효과

충분한 백 텐션 적용 시 중립점 롤 출구 측 이동(롤>소재 속도). 프론트 텐션 시 중립점 입구 측 이동. 보통 백 텐션이 프론트 텐션 대비 압연 하중 저감 효과 약 2배.

스프레드(Spread) 제어

스프레드: 저폭-두께비 스트립(정방형 단면 등) 압연 시 폭 증가. 마찰 저감, 롤 반경-스트립 두께 비 증대, 광폭 스트립 사용으로 스프레드 저감. 에저 롤(Edger rolls) 한 쌍 수직 롤로 스프레드 억제 가능.

스트립 두께·단면 제어

열간 압연기 스트립 두께 연속 모니터링 위해 X선/감마선 센서 사용. 롤 갭 조정으로 압연 스트립 게이지 정밀 제어. 열간 압연기 게이지 제어: X선 게이지 두께 측정→피드백 제어 시스템으로 스트립 텐션 조정.

열간 스트립 압연 중 스트립 코일링으로 두께 감소에 따른 길이 증가 처리. 상이한 두께 스트립 상이한 속도(얇은 부분 더 빠름) 제어 복잡성 저감 중요.

압연 결함

열간 압연 스트립 표면 품질은 생산 공정 최우선 과제. 모든 소재 불완전성→결함 또는 최종 제품 품질 저하. 열간 압연 스트립 표면 결함 가능 소스는 제조 단계별: (1) 액체 강 생산·주조, (2) 슬래브 재가열, (3) 열간 슬래브 압연. 가장 문제되는 표면 결함 개시 인자는 액체 강 생산·주조 단계서 생성: (1) 개재물, (2) 블로홀, (3) 스캡, (4) 산화 알루미늄 라인, (5) 구멍, (6) 종·횡·에지 크랙. 슬래브 재가열로 조건·열간 압연 공정은 결함 추가 생성·진화. 가열·압연 기술 조작도 특정 표면 결함 생성: 쉘 표면, 열간 크랙, 행네일, 슬리버, 스케일, 롤 짜임, 스크래치 등. 공정 중 결함 누적→기계적 물성 저하, 파단면 분석서 추가 열화 메커니즘 확인.

압연 전 주조 슬래브 결함

• 주조 슬래브 기공, 공동, 블로홀 등 압연 중 폐합됨.
• 비금속 개재물 종방향 스트링거 또는 펄라이트 밴딩: 용해·응고 관행 관련. 심각한 경우 박리(라미네이션)→두께 방향 강도 급감.

압연 중 발생 결함

스트립 형상 문제 두 측면: (1) 폭 방향 균일 두께·정밀 제어(현대 게이지 제어 시스템으로 가능), (2) 평탄도(Flatness) - 정확한 측정 곤란.

• 박판 압연 시 형상 문제 최대: 롤 갭 프로파일 분율 오차 두께 감소 시 증대→내부 응력 증대. 박판 버클링 저항 낮음. 경미 형상 문제는 텐션 스트레치 레벨링 또는 롤러 레벨러 벤드 플렉싱으로 교정.
• 밀 스프링: 고압연 힘 롤 휨→압연 스트립 요구 두께보다 두꺼움. 압연 중 밀 탄성 변형. 고강성 롤(고강성/탄성 상수 소재) 사용 시 방지. 밀 탄성 상수 통상 1~4 GN/m.
• 롤 탄성 변형→스트립 폭 방향 불균일 두께. 롤 소재 고탄성 계수 필요. 극박판 위해 소직경 롤 사용·대직경 롤 지지. 최소 압연 두께 ∝ 롤 반경·마찰·유동 응력.
• 롤 플래트닝→롤 압력 증가→소재보다 롤 더 쉽게 변형.
• 스트립 평탄도 롤 휨 의존. 롤 휨 발생→스트립 파형화.
• 롤 갭 완벽 평행해야 양단 동일 두께 스트립 생산. 압연 속도 평탄도 극민감. 스트립 다른 위치 신율 차이 1/10,000만으로 파형 유발.
• 롤 탄성 휨 시 스트립 에지 얇음, 중심 두꺼움. 휜 롤→에지 중심보다 길어짐. 에지 신장>중심 신장. 스트립 연속성→중심 인장, 에지 압축 잔류 응력→에지 파형. 중심부 고인장→지퍼 크랙(Zipper cracks).
• 롤 캠버링으로 위 결함 방지. 단, 특정 압연 하중에서만 1개 캠버 유효. 범용 압연 조건 롤 휨 보정 위해 유압 잭으로 롤 탄성 변형 제어.
• 과도 롤 볼록성→중심부 신장>에지 → 센터 버클(Center buckle) 결함.
• 불충분 캠버 효과: 중심 두꺼움→에지 소성 신장>중심(롱 에지). 잔류 응력: 에지 압축, 중심 인장→중심 크랙, 워핑, 에지 주름, 크레페 페이퍼 효과, 파형 에지.
• 과캠버 효과: 에지 두꺼움→중심 소성 신장>에지(측방 스프레드). 잔류 응력: 중심 압축, 에지 인장→에지 크랙, 센터 스플리팅, 센터라인 주름.
• 박판은 롤 갭 결함 민감→결함 확대. 박판 파형/버클링 빈번. 롤러 레벨링 또는 텐션 스트레치 레벨링으로 교정. 스트레치 레벨링은 롤러 레벨러 롤 사이에서 수행.
• 압연 중 스트립 횡방향 변형 경향. 중심부 마찰 높음→스프레드 최소. 스트립 단부 라운딩. 에지 인장 변형→에지 크랙. 중심 심한 구속+과인장→센터 스플릿.
• 두께 방향 불균질 변형→에지 고 2차 인장 응력→에지 크랙. 2차 인장 응력: 자유 표면 불거짐. 에지 롤로 에지 크랙 방지.
• 에징 결함(Edging defect): 두께 방향 불균질 변형 유발. 표면만 변형(후박판 경감압 시)→에지 함몰. 오버행 물질 후속 압연서 압축 안됨→인장 응력→에지 크랙. h/L_p > 2 초기 열간 압연 분해 압연서 관찰. 대압연 시 중심부 측면 신장>표면→배럴 에지(Barreled edges). 배럴링 2차 인장 응력→에지 크랙 감수성.
• 앨리게이터링(Alligatoring): 두께 방향 불균질 흐름 결과. 표면 인장 변형, 중심 압축 변형(중심부 스프레드>표면). 야금적 약점 중심선 존재 시 앨리게이터링 발생(중심부 측면 스프레드>표면, 표면 인장/중심 압축).
• 표면 결함 고표면적-체적비로 압연 중 빈발. 주조 슬래브 표면 결함 연마/치핑/디스케일링 후 압연 필수. 롤 미스매치 랩스(Laps)→원치 않는 형상. 조대 입자 슬래브 에지 플레이크/냉각 크랙→연성 저하. 스크래치: 공구·취급 기인. 두께 변동: 롤 휨 또는 압연 속도 기인.