고품질 강재 생산을 위한 첨단 기계적 탈스케일링 기술

강재 기계적 탈스케일링 공정

스케일은 열간압연 중 발생하는 산화생성물입니다. 재가열로에서 강재 가열, 다패스 열간압연, 패스간 대기시간 및 압연 후 공랭 중 강재 산화와 스케일 형성은 불가피한 현상입니다.

재가열로에서 압연온도로 가열 중 형성된 스케일을 1차 스케일이라 합니다. 이 1차 스케일은 열간압연 전 제거합니다. 고표면품질 강재생산과 롤마모 감소가 주목적입니다. 그러나 2차 스케일은 탈스케일된 강재표면에서 조압연기와 중압연기 패스간 대기시간 동안 계속 형성됩니다. 1차 압연스케일 색은 일반적으로 청흑색, 2차 스케일은 청색입니다. 2차 스케일은 래커코팅 마감과 유사한 외관을 주어 청색 프라이머로 오인되기 쉽습니다.

1차 스케일 구조

1차 스케일은 세 개의 명확한 산화철층으로 구성됩니다. 강재 인접층은 페라이트(FeO 근사조성)로 가장 두껍습니다. 중간층은 자철석(Fe₃O₄), 최외층은 적철석(Fe₂O₃)입니다. 층두께는 압연조건과 강재표면 산소공급여부 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 표면층이 산소최다함유로 스케일두께의 0.5~2%, 금속계면층이 철최다함유로 약 85%, 중간층이 13~14.5% 차지.

스케일 문제점

스케일이 균일하고 잘 부착된 피복이면 이상적 보호장벽이 될 수 있습니다. 하지만 스케일은 균일하지도, 잘 부착되지도 않습니다. 스케일은 그 아래 강재보다 덜 반응성(더 '귀금속적')이라, 두 이종금속 접촉거동과 일치하게 더 반응성인 하부강재가 스케일 희생하에 산화(녹)합니다. 스케일이 표면에서 '떨어져나가' 코팅에 균열생기고 수분침투 허용. 이로 인해 갈바닉반응 발생해 기저강재에 피팅부식(녹) 초래.

강재 가공 시 스케일은 골칫거리. 냉간가공 전 세척필요. 스케일 위 코팅은 습기찬 공기 유입 시 스케일과 함께 떨어지므로 낭비. 추가가공이나 코팅을 위해 기재강재의 균일하고 깨끗한 표면제시 위해 모든 스케일 제거 필수.

수작업으로 스케일 제거는 사실상 불가능. 전동공구 세척도 극히 지루하고 시간소요. 두 방법 모두 좋은 베이스 제공못함. 열간압연강 표면 스케일 제거용 여러 탈스케일링 공정사용. 보통 4범주로 분류: (1) 화염세정, (2) 기계적탈스케일링, (3) 수압탈스케일링, (4) 화학적탈스케일링. 본문은 기계적탈스케일링 설명.

기계적 탈스케일링 공정

기계적 탈스케일링 공정(그림 1)은 보통 (1) 역굽힘변형, (2) 쇼트블라스팅, (3) 역굽힘과 쇼트블라스팅 조합으로 처리. 이 공정들은 강봉선재 인발산업에서 강봉 스케일제거에 주로 사용.

그림 1 기계적 탈스케일링 공정

역굽힘변형 공정

강봉이 연성이고 열간압연스케일이 취성이란 원리 기반. 봉 변형 시 강철은 굽지만 열간압연스케일은 파단돼 봉표면에서 이탈낙하(충분한 스케일량과 변형조건하). 변형모드는 주로 굽힘이나 신도 포함 가능. 역굽힘원리를 제어된 방식으로 이용해 강봉 물성 과도영향없이 일관된 스케일제거결과 달성장비 필요. 탈스케일링 공정에 영향주는 중요요소 중 하나는 강봉 총변형량.

완전 스케일파단 위한 최적봉변형량은 일반적으로 8~10% 범위. 8% 미만은 불완전파단으로 부착스케일 패치잔류, 10% 초과는 추가스케일파단없으면서 바람직하지 않은 가공경화량 추가. 과도변형(10% 초과)의 추가 바람직않은효과는 봉라인 백텐션증가로 봉신장과 네킹발생, 인발스케줄 영향과 제1블록 동력증가요구. 8~10% 변형목표는 역굽힘용 시브크기와 가공중인 강봉크기 관계로 제어.

봉신장문제도 중요고려사항. 탄성신장은 탈스케일링효과증대하나 과도소성신장은 유사 바람직않은영향.

역굽힘변형공정장비는 겉보기엔 단순직관적이나 스케일제거하면서 강봉에 부작용없는 균형잡힌 탈스케일링성능위해 만족해야할 구체적설계파라미터존재. 스케일파단공정기본원리따른 적정장비설계가 강재성공적탈스케일링 핵심요소.

적절히설계된장비는 열간압연스케일 본질적으로전부제거. 이중 80~90% 거친스케일은 봉에서낙하해 스케일브레이커에수집. 나머지 10~20% 스케일은 느슨해도 강봉표면에정전기하전으로붙어있음. 미세분말잔류스케일로 미제거시 오염윤활박스, 다이수명단축, 급속인발블록마모, 인발봉품질저하, 인발유닛전체생산성저하문제발생.

역굽힘공정개발초기부터 탈스케일봉표면미세스케일잔류 바람직않은결과인식. 초기제거시도는 꽤조잡: 봉라인에닦는천묶기, 두꺼운마로프걸기(생산공정이라하기어려움), 브러시로미세스케일닦기등.

최근 미세스케일제거장비개발로 탈스케일봉표면미세스케일잔류제거. 여러컨셉작동. 한컨셉은고속에어제트로봉표면세정, 다른컨셉은물세척/공기건조온더플라이접근. 두컨셉기반장비모두스케일잔류제거뿐아니라본질적으로포함해작업장비산방지, 이후폐기용이.

미세스케일제거장비핵심목표: (1)산업기술로잔류제거, (2)제거물질포함, (3)최소운전자관리, (4)최소운전유지보수, (5)낮은운영비용.

쇼트블라스팅 공정

쇼트블라스팅공정(연마재블라스팅공정도칭)은 강재표면세정을 연마매체를 건식또는액체매체현탁상태로강재표면에강제방향분사해수행하는표면처리공정. 연마입자고속(50~110m/s) 제어된방식으로강재재료에집중. 연마입자충격으로스케일기타표면오염물제거.

연마블라스팅공정은 1904년시작. 현재강봉탈스케일링표면처리에가장많이사용. 경제적이고 산세탈스케일링보다빠름. 연마매체또는상당부분재활용가능.

쇼트블라스팅으로강봉매우좋은세정표면준비획득가능. 이탈스케일링공정보통용도: (1)주철강주단조품표면세정, (2)강판봉코일와이어기계적세정, (3)쇼트피닝으로기계적성질변경(스프링기어등내피로성증대), (4)도장코팅위한강재표면준비. 강탈스케일링쇼트블라스팅은브라이트바생산중탈스케일링일반방법. 쇼트블라스팅표면세정은자동차건설주조단조조선철도등강재사용거의모든산업에서사용.

연마재도포방법: 건식/습식

쇼트블라스팅탈스케일링공정에서연마재도포방법은두가지구분: (1)건식, (2)습식.

건식방법

기계적블라스팅: 캐비닛타입장비주로사용. 배치, 반자동, 자동버전가능. 통상캐비닛에하나이상블라스트휠장착, 원심력으로연마재강재표면향해분사. 휠위치최대커버리지와고효율블라스트패턴보장. 깨끗한연마재(일반적공기세척등급) 호퍼저장. 호퍼중력공급→피드퍼널→디퍼밸브계량→임펠러원심속도부여→컨트롤케이지통과. 컨트롤케이지는강재표면블라스트패턴방향형상결정. 휠일반적보호하우징내장착으로연마재비산방지.

이러한기계는상당마모대상(특히휠구성품기계내부)여서부품많은경우고합금내마모주철제작, 쉬운교체설계. 고무매트작업대자주사용해연마재충격완화. 다양한휠타입가용으로작업효율증대. 일반적으로연마속도(약50m/s) 연마매체량으로기계식시스템단위시간당높은작업용량제공. 결과적으로기계식블라스트캐비닛장비중고생산적용가능.

공기압블라스팅: 압축공기로연마재표면도포. 세가지기본방법: (1)흡입, (2)중력, (3)직접압력.

• 흡입식: 압축공기에어젯으로노즐향해저압고속기류생성→흡입라인→건. 공기압력(보통6kg/cm²) 호스와압력용기양쪽에동일인가→압력용기바닥개구부(피드포인트)자유낙하허용. 낙하중압축공기가픽업→작업점전달. 충전점밸브로공기압유지. 노즐보어크기와공기압적합한연마유량조절용미터링밸브피드포인트장착.
• 유도사이폰식: 블라스트건압축공기파이프와연마재이송유연호스연결. 연마호스기계호퍼바닥근처대기개방. 결과적압축공기건통과→연마호스상부부분진공생성→연마재건내유도→압축공기제트노즐분사. 고무연마공급호스보통호퍼-건간 2~2.5m. 연마재공기스트림가속노즐통과하지만압축공기스트림완전속도도달안함. 노즐이탈연마속도직접압력기계약40%. 유도사이폰기반장비수동연마블라스팅캐비닛광범위사용. 연속자동장비에도사용되나일반적경량연마재적용한정.
• 유도중력식: 유도사이폰장비와유사하나연마재상부저장소중력공급. 공기공급연마재부분진공+중량하에서혼입되는건포인트진입. 건출현압축공기급팽창연마재최종가속. 유도중력시스템광범위사용안함. 연속작동적용가능하나보통특수용도만고용.

기계식건식블라스팅장비점점인기. 연마입자속도증가, 단위시간당연마투입량증가로스케일제거속도증가. 설비반자동/완전자동화상대적용이. 저생산요구또는간헐적작업예상시공기압블라스팅사용.

습식방법

고속압축공기로슬러리강재표면추진. 슬러리는보통화학처리수에현탁된미세연마재. 연속교반으로연마재침강방지. 직접압력건식블라스트유닛처럼압축공기혼합물담긴용기와블라스트호스에동일압력공급. 압력균등화로연마혼합물믹싱밸브통해에어라인공급. 연마유량호퍼-믹싱챔버사이풀플로밸브제어.

대부분습식연마블라스팅장비캐비닛장착, 보조스트리퍼, 테이크오프컨베이어, 세척-린스-드라이스테이션으로수정. 기본설계포함: 수직휠, 수평턴테이블, 레일/카연장셔틀, 체인/벨트컨베이어, 축/관부품자체회전기구, 복합텀블링캐비닛머신. 슬러리표면추진세가지구별방법: (1)압축공기스트림으로사이폰작용슬러리들어올려적절노즐분사, (2)압축공기로중력공급슬러리건추진, (3)고압원심펌프로슬러리필요투사속도생성.

특수공정위한다양한습식연마블라스팅변형존재. 일부새공정명칭생겼으나습식연마블라스팅범주분류가능. 모든습식연마블라스팅두유형분류: (1)하이드로블라스트공정: 모래물혼합물수압추진, (2)베이퍼블라스트공정: 연마재액체현탁압축공기제트고속투사.

역굽힘과 쇼트블라스팅 조합

이탈스케일링공정에서역굽힘과쇼트블라스팅두방법직렬사용. 보통역굽힘먼저적용후쇼트블라스팅.

연마재종류

다양한연마재일반사용. 특정유형선택주로경제적, 야금적, 실용공학적요인에따라. 일반적인연마재: 모래, 강철쇼트, 강철그릿, 알루미늄, 플린트/가넷, 유리비드, 탄화물, 슬래그, 유기물.

강철쇼트는액체강철원자화(과립화)공정으로만들어진구형입자. 다양한크기와경도. 일반적으로전기로/유도로강철스크랩녹여제조. 스크랩용해→고압물제트원자화→건조→스크리닝(SAE쇼트크기오버사이즈그릿생산용분리)→스파이럴링(불규칙형쇼트제거)→퀜칭(최소응력균열우수입자무결성생산)→템퍼링→스크리닝→포장.

최대직경쇼트입자분할→각진강철그릿형성→쇼트블라스팅연마재사용. 강철쇼트낮은파쇄성으로내구성. 블라스팅충격으로템퍼링되어경도시간증가→수천사이클일관된반복성능발휘. 생산시강철쇼트일반적록웰경도 40~60 HRC. 극히낮은분해율, 사실상분진미생성. 고충격에너지빠른세정율로중장비세척, 매우밝은마감생산용.

이연마재작업수행내용따라선정, 입자크기(대부분균일)뿐아니라특정경도범위도고려. 입자직경, 종류, 경도에따라 700~5,000회투사재활용가능.