연속 봉강/선재 압연: 고품질 장대 제품을 위한 최첨단 기술

봉강 및 선재의 엔드리스 압연(Endless Rolling)

엔드리스 압연 기술은 빌릿(billets)에서 봉강과 선재(장대 제품, long products)를 압연하는 가장 진보된 공정 방법입니다. 이는 압연기 열(rolling mill train) 스탠드 업스트림 측 재가열로에서 나오는 빌릿들을 엔드리스로 결합해 압연기에 연속적으로 소재를 공급하도록 설계된 용접 장치로 구성됩니다. 사실, 압연 중인 빌릿의 테일 엔드와 압연될 빌릿의 헤드 엔드 결합은 엔드리스 압연 기술의 핵심 요소 중 하나입니다.

엔드리스 압연이 1990년대 후반부터 상업 운전되었으나, 일정 기술 성숙도에 도달하기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 주된 이유: (i) 대단면적 고온 빌릿을 단시간에 용접하는 기술 개발 난이도, (ii) 수율 향상에 필요한 고품질 접합부 달성, (iii) 용접 이음부의 완전하고 매끄러운 디버링(deburring) 기술을 단시간에 개발해 표면 결함과 빌릿 변형 방지 난이도, (iv) 용접 이음부 품질과 빌릿 타 부분 품질 차이를 허용 한계 내로 유지하는 것(이 이음부가 압연 과정에서 장길이로 압연되어 화학 성분 균일성과 완제품 기계적 안정성 저하, 제품 범위 제한).

엔드리스 압연 개념

엔드리스 압연 공정 개념은 기존 개별 빌릿 기반 방식(노즈 엔드 진입→압연→테일 엔드 퇴출→빌릿 간격 사이클)에서 전체 압연 방식을 변화시켰습니다. 이 사이클이 기존 봉강/선재 압연기의 장비 설계와 제어 시스템을 좌우해왔습니다.

재가열로에서 나온 빌릿 표면 스케일은 디스케일링 박스 통과 시 고압 수제트로 제거됩니다. 이후 빌릿 헤드 엔드가 압연기 조압연기 그룹 스탠드에 진입한 빌릿 테일 엔드와 용접됩니다. 용접 공정은 빌릿이 압연기 내에서 전진하며 완료됩니다. 용접기는 두 브러시리스 모터로 구동되는 이동 차에 고정되거나, 양측에 핀치 롤 세트가 있거나, 둘 다입니다. 두 빌릿 속도를 맞춥니다. 이후 용접기 클램프 척이 유압으로 구동돼 두 단부를 클램핑해 두 빌릿 단면이 중심 정렬되게 합니다. 용접 전 공정 첫 단계는 단면 용융, 다음은 압접(upsetting)입니다. 이 과정에서 두 빌릿이 용접됩니다. 이 용접 방식은 용접선 물리 구조가 원본 빌릿과 일치하도록 해 용접선 품질을 유지합니다.

엔드리스 압연 기술 특성상 드라이브 시스템은 특수 요건을 충족해야 합니다. 첫째, 용접기 설비 안전과 용접 공정 정밀성 확보를 위해 용접기 헤드 엔드 빌릿 속도가 압연기 제1스탠드 선속도와 같아야 합니다. 둘째, 디스케일링 박스 통과 시 디스케일링 효과를 위한 저속 빌릿 속도가 디스케일링 후 압연기 내 빌릿 속도를 따라잡도록 증가해야 합니다. 따라서 재가열로부터 조압연기 그룹까지 롤러 테이블 드라이브 시스템은 다단 속도 드라이브 시스템이어야 합니다. 셋째, 압연 공정 중 무작위 조건 영향으로 압연될 빌릿이 이미 압연 중인 빌릿을 따라잡는 위치가 매번 다릅니다. 따라서 결합을 위한 추적 드라이브 시스템은 위치 서보 시스템에 대응해야 합니다. 엔드리스 압연용 결합 빌릿 속도 곡선은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 압연될 빌릿의 속도 곡선

용접 공정

용접 공정은 빌릿 전진 중 완료됩니다. 두 빌릿 단부 간 제어된 전기 아크를 형성해 양측 강재를 충분한 부피만큼 용융시키고, 유압 압접 장치로 업세팅(조임)해 결합시킵니다. 강재 일부가 두 빌릿 단부에서 '확산'(버어, burr)됩니다. 용접 완료 후 용접 이음부에서 발생한 버어는 디버링 머신으로 제거되며 압연 중 추적됩니다. 제거된 버어 총량은 압연기 수율 손실(12m 빌릿 중량 기준 0.2~0.3%)로 산정되며 빌릿 크기에 직접 의존합니다. 위 일련 작업은 완전 자동화돼 밀 운전원 작업 부하 증가 없이 엔드리스 압연이 달성됩니다.

재가열로와 조압연기 사이 제한된 공간 내 단시간 용접 완료를 위해 일반적으로 플래시 버트 용접(flash-butt welding) 방식을 채택합니다. 용접기는 재가열로와 조압연기 사이에 설치되며, 용접기 전후에 핀치 롤이 설치됩니다. 통상 압연에서는 재가열로 순차 제어에서 빌릿 인출 타이밍 조절이나 조압연기 순차 제어에서 용접기 전후 핀치 롤 이송 속도 조절로 빌릿 간 일정 간격을 유지합니다. 반면 엔드리스 압연 빌릿 용접에서는 빌릿 이송 속도를 전후 핀치 롤로 제어합니다. 이후 용접기 속도를 빌릿 이송 속도와 동기화하고 빌릿 단부에 용접과 압접을 적용합니다.

엔드리스 압연 용접 결합 방식은 플래시 버트 용접입니다. 빌릿 용접 결합 시 대량 스파크와 스패터(spatter)가 발생합니다. 이는 상단, 양측, 용접부 하단 등 모든 방향으로 발생합니다. 이 스패터가 인접 스트랜드에서 압연 중인 봉강/선재에 설비/품질 문제를 일으킬 우려가 있습니다. 이는 엔드리스 압연 공정 주요 과제 중 하나로, 빌릿 예열 및 후속 플래싱 단계에서 발생하는 스파크와 스패터 물질의 효과적 차폐가 필요합니다. 이 물질이 제어 없이 용접 구역 주변에 퍼지면 용접기 구성품과 소멸 롤러 시스템(센서, 엔코더 포함)에 잠재적으로 해로운 방식으로 달라붙습니다. 스패터 영향을 최대한 최소화하기 위해 봉강/선재 엔드리스 압연 장비 공급사별로 다양한 방법이 개발되었습니다. 빌릿 용접 절차와 디버링 작업은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 빌릿 용접 절차와 디버링 작업

이상적 조건에서는 모든 물질이 동일한 가열/압연 사이클을 가져야 합니다. 엔드리스 빌릿 용접이 적용된 신설 공장에서는 이 조건에 가까운 레이아웃 설계가 가능합니다. 그러나 기존 공장에서는 재가열로 퇴출부터 제1압연 스탠드 도착까지 시간이 빌릿 헤드/테일 간 상당히 다를 수 있습니다. 또한 압연 공정 중 빌릿 소길이는 두 빌릿 결합 시 가해진 에너지로 온도 상승하고, 양측에서는 용접기 수냉 클램프가 접촉한 표면 영역에서 더 낮은 온도가 유지됩니다.

엔드리스 연속 압연 공정에 주로 영향을 주는 두 요인: (i) 롤 마모, (ii) 온도 차이. 롤 마모 보상을 위해 재료 전개 변화, 연계 스탠드 간 텐션 유지 요건, 개별 스탠드 과부하 가능성 고려해 미세 롤 간극 변경이 필요합니다. 일관된 온도는 통계적 압력 제어로 주기적 온도 편차 최소화해 달성해야 합니다.

엔드리스 운전을 최대한 안정화해 피니싱 밀에 일관된 조건 제공, 공차 개선, 야금 품질 향상, 밀 운전 개선 필요합니다. 실무상 보정해야 할 효과들: (i) 진입 타임 사이클이 헤드-테일 간 동일 빌릿 온도 제공 못 할 수 있음, (ii) 결합 공정으로 온도 차이 발생, (iii) 용접 이음부 디버링으로 미세 단면적 차이 발생. 또한 완제품 코일 중량(압연 제품이 코일링될 경우)이 더 이상 빌릿 중량과 연계되지 않으므로, 품질 식별과 정확한 코일 중량 달성을 모두 허용하도록 추적 시스템 설계 필요.

용접 공정은 빌릿 전진 중 완료돼야 하므로, 엔드리스 압연 제어 시스템은 드라이브 제어, 루프 제어, 시퀀스 제어로 구성돼야 합니다.

용접 공정 자동화

효과적 자동화 시스템은 용접 공정 제어 핵심 요소로, 요구 품질 수준과 공정 안정성 달성을 보장합니다. 성공적/잘 실행된 용접 이음부는 다음 주요 특성을 보여야 합니다: (i) 압연 공정 중 표면 결함 생성 없는 용접 이음부 견고성과 기계적 안정성, (ii) 탈탄소(용접부 내) 만족스럽고 일관된 값으로, 모든 저/중탄소 강종(탄소 함량 0.4% 이하)에서 허용 편차 범위 4~8% 최대 내, (iii) 항복강도와 인장강도 값 절대 편차가 봉강 정상 값의 ±8% 초과하지 않음.

용융 물질 내 불량 균질성, 용접부 내 공동/기포 존재 시 위 요건 충족 어려움. 이 결함들은 전기 아크 불안정 또는 압접 단계 불만족스러운 실행, 구체적으로 가압 압력과 두 빌릿 단부 간 필요 기하학적 '조임(squeezing)' 달성 미흡 탓입니다. 따라서 (i) 로 퇴출 빌릿 온도, (ii) 빌릿 융해 특성 기반 결합면 온도, (iii) 클램프 위치, 클램프 간 텐션과 클램프 통과 전류, (iv) 결합면 연소 속도, (v) 플래싱 중 연소 길이, (vi) 용융 깊이와 플래싱 시간, (vii) 압접 단계 압력과 '조임' 깊이 등 다양한 파라미터를 엄격하고 정확하게 실시간 모니터링하는 전용 자동화 시스템이 필요합니다.

엔드리스 압연 공정 이점

엔드리스 압연 공정에는 다음과 같은 여러 이점이 있습니다.

• 빌릿 간 간격 시간 제거. 이로 인해 압연기 생산 능력이 8~12% 범위에서 증가(재가열로 내 빌트인 용량 가용 시, 압연기 운전 파라미터 변경 없음). 재가열로 내 빌트인 용량 없으면 압연기 출력을 더 낮은 압연 속도로 달성 가능. 이는 비전력 소비 절감과 교체 운전 부품 마모 감소로 이어짐.
• 헤드/테일 컷팅 제거로 수율 0.7~0.9% 증가(특정 롤 패스 설계와 크롭 샤 레이아웃에 의존).
• 단일 엔드리스 빌릿 압연으로 셋업 일관성 확보돼 압연기 운전 안정성 향상.
• 압연기 내 코블(cobble) 발생 위험 대폭 감소.
• 단일 엔드리스 빌릿 압연으로 쿨링 베드에서 쇼트 바(short bars) 실질적 미발생. 이로 인해 수율 증가(최대 1%, 특정 롤 패스 설계, 제품 크기, 압연기 자동화 수준에 의존).
• 압연 스탠드와 가이드에서 헤드 바이트(head biting) 횟수 급감으로 기계적 충격 감소와 압연 중 온도 안정성 향상 결과, 교체 부품 수명 증가.