압연기 롤 야금학: 설계, 재료, 성능

압연기 롤 야금학

롤은 압연기에서 압연 재료 단면을 줄이는 데 쓰이는 도구나 기구입니다. 고응력 도구이며 마모 대상입니다. 형강과 평제품 압연 모두에 필요합니다. 최근 압연 기술이 극적으로 개선되고 변했지만 롤은 항상 압연기 가장 중요한 부품으로 남았습니다. 롤 무게는 밀 유형과 크기, 롤 유형에 따라 다를 수 있습니다. 압연 중 롤은 고하중을 받고 롤과 압연 재료 사이 접촉면이 마모됩니다.

압연 제품 프로파일에 따라 롤 바디는 평제품(판, 스트립) 압연용 매끄러운(평면) 것일 수도 있고, 형상 재료(형강) 압연용 홈 가공된 것일 수도 있습니다. 롤은 두 주요 구성요소 (i) 롤 바디, (ii) 롤 넥으로 구성됩니다. 양쪽에 하나씩 두 넥이 있습니다. 바디는 공작물 금속과 직접 접촉해 변형시키는 부분입니다. 홈 가공 롤 한 쌍의 롤 배럴과 롤 넥은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 홈 가공 롤 한 쌍

롤은 압연기 정상/비정상 압연 조건 하중과 압연 중 롤 마모에 따라 변하는 응력을 모두 견뎌야 합니다. 롤은 열간/냉간 압연 중 중량 감축 작업 수행해야 합니다.

롤 설계는 완전히 다른 두 요구사항 고려해야 합니다. (i) 분리력, 토크, 롤 간 고압 대응 위한 최대 강도, (ii) 롤과 압연 재료 사이 접촉면 최대 내마모성. 롤은 파손, 스팰, 마모 없어야 하며 문제 없이 좋은 성능 내야 합니다. 롤은 원하는 롤 프로파일 재구축과 마모, 화재 균열, 피로 표면 제거 위해 정기적으로 가공됩니다.

롤 사양과 품질 척도

롤 사양은 있지만 롤 품질 궁극적 척도는 롤 성능입니다. 압연 강철 톤당 롤 비용이 결정적 요소입니다.

다양한 롤 유형과 압연기 유형은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 롤과 압연기 유형

정상 압연 하중과 마찰력 외에 롤은 정상 압연 중 여러 압연 조건 변화를 경험합니다. 압연 재료가 롤에 들어갈 때마다 충격 발생. 또한 롤은 (i) 밀 운전자 과실, (ii) 내부 결함 가진 불량 재료 롤 유입, (iii) 정전, (iv) 롤로 재료 이송 기계적 문제, (v) 수냉 시스템 문제 등 이유로 발생할 수 있는 여러 비정상 압연 조건 직면해야 합니다. 이런 비정상 압연 조건은 압연기에서 더러 흔하며, 롤 손상 자주 발생해 밀과 압연 제품 모두 영향 줍니다.

압연 공정 하중으로 인한 롤 내 응력과 분포는 매우 복잡하고 넓게 변동. 어떤 응력은 허츠 압력이나 열간 압연 재료와 좋은 롤 냉각 시 열응력처럼 롤 표면 수직 방향 높은 구배 가짐. 어떤 응력은 구동 모터 토크처럼 단순 정적 하중 결과로 간주 가능. 그러나 모든 응력 유형이 롤 손상 유발 가능. 롤 마모도 롤 중요 관심사.

롤과 관련 중요한 측면은 강도, 내마모성, 화재 균열 및 압연 이상 중 보통 발생하는 모든 손상 유형 안전성 등 다양한 특성 최적화입니다. 최적화 과정은 기본적으로 (i) 적절한 조성, 열처리, 제조 공정 선택 포함. 롤 건전성과 롤 파손 안전성이 중요하며 이는 올바른 미세조직 개발과 잔류 응력 수준 통제를 의미합니다.

롤 재료 개발 역사

19세기에는 다양한 C(탄소) 당량과 다른 냉각 속도(사형 주조, 칠 주조)로 식별된 비합금 회주철과 단조강이 롤 재료로 쓰였습니다. 주철 등급은 연경, 반경, 청칠로 다양. 청칠 롤에서 배럴은 백철(흑연 없는) 층이었고 롤 코어와 넥은 회주철. 이후 주강 롤 개발돼 C 함량 최대 2.4%, 흑연 유무 상관없이 사용.

1930년경 평압연기 열간 압연용 '불정 칠 이중 주조'(ICDP) 롤 개발. ICDP 롤 등급은 1990년대 후반 카바이드 개선으로 롤 성능 향상돼 수정/강화. 1950년경 롤용 구상흑철 재료 개발. 구상흑철은 비합금이거나 종종 Cr(크롬), Ni(니켈), Mo(몰리브덴) 합금돼 내마모성과 강도 동시 확보. 고크롬 주철(C 2~3%, Cr 15~20%)과 이후 고크롬 강(C 1~2%, Cr 10~15%) 롤 사용으로 내마모성 높은 신소재 사용 결과.

1985년 고속 공구강 재료 롤 용도 발견. 이 재료들은 소위 '반공구강 등급'으로 진화. 와이어 로드 압연용 하이테크 소결 텅스텐 카바이드 재료 롤 개발. 냉간 강재 압연용 단조강 롤도 개발돼 Cr 함량 2%에서 5%로 늘리고 유도 가열 써서 열처리 후 경도 침투 깊이 증가. 워크 롤은 연마와 쇼트 블라스팅 후 크롬 도금해 필요 표면 거칠기 수명 연장.

현재 미세조직별 롤 재료 등급 그룹은 (i) 과공석 강, (ii) 준공석 강(아다마이트), (iii) 흑연 준공석 강, (iv) 고합금 강(고크롬 등), (v) 구상흑철, (vi) 불정 칠 주철(ICDP), (vii) 특수 재료(소결 카바이드, 세라믹 등) 포함.

롤 제조 방법

롤은 (i) 주조, (ii) 단조, (iii) 소결 또는 열간 등방성 프레스, (iv) 기타 방법으로 생산 가능. 모든 방법 각자 장단점과 생산 한계. 이 한계는 (i) 롤 치수, (ii) 롤 조성, (iii) 요구 경도나 내마모성, (iv) 생산 비용 등으로 야기될 수 있음.

서로 다른 기술로 만든 롤이 모두 사용 가능한 중첩 영역 있지만, 한 기술로 만든 롤이 다른 기술 롤보다 일반적으로 더 낫다는 규칙은 없음. 롤 선택 최종 결정은 보통 압연 강철 톤당 롤 비용에 의존. 저가 롤이 더 나을 수도 없고 궁극적으로 역효과 날 수 있음.

롤 제조사가 롤을 합리적 가격에 고객에게 공급하면서 롤 제작 상업적 매력 유지하려면 (i) 롤 적용 이해(하중, 속도, 롤 냉각 등), (ii) 최적 재료 선택, (iii) 결함 없는 건전한 롤 생산, (iv) 적절한 열처리 선택(강도, 경도, 잔류 응력 등), (v) 사양과 도면 요구사항 충족 롤 가공 능력, (vi) 압연 기술과 롤 제조 기술 변화 적응 능력 전문성 필요.

롤 제조 기술 통제가 기술 자체보다 더 중요. 롤 제조 절차는 항상 통제 하에 있어야 함. 롤 비용/압연 재료 톤 비율 감소 이유는 (i) 더 나은 밀 기술, (ii) 더 나은 롤 성능 때문. 롤 저가 때문 아님. 저가 롤은 궁극적으로 역효과.

롤과 롤 재료 특성

롤 제조사와 롤 사용자 관심 여러 재료 특성 있습니다. 아래 설명.

물리적 특성

안정 압연 위해 필요한 롤 재료 중요 물리적 특성: (i) 영률, (ii) 푸아송비, (iii) 열팽창 계수, (iv) 열전도율, (v) 열전달 계수. 영률과 푸아송비 특성은 탄성/소성 변환 한계 알기 위함. 열팽창 계수는 온도 함수로 작은 온도 범위서 보통 상수. 열전도율은 롤 만든 재료 고유값. 열전달 계수는 매우 중요하며 롤 표면과 압연 재료 강하게 영향받음.

경도

경도 측정 빠르고 저렴하며 동일 재료 유형(같은 조성, 미세조직)에서는 경도와 다른 기계적 특성 간 좋은 상관관계 존재. 그러나 롤 경우 정확한 경도 판독값 얻기 어렵고 경도-타특성 선형 관계 항상 일정 정도 제한. 롤 재료 조성과 구조 폭넓은 변동 때문. 따라서 경도 판독값은 롤 경우 도움보다 혼란스러움. 롤 제조사와 사용자 경도 판독견해 항상 다름.

롤에서 표면 경도만 비파괴 측정 가능. 이 2차원 측정 보통 표면 뒤 3차원 부피 대표값으로 간주. 하지만 롤 내부에는 주조(표면 거리 증가에 따른 응고 속도 감소)와 열처리(시간-온도-변태 곡선 관련 담금질 시 표면 거리 증가에 따른 냉각 속도 감소)로 인한 거시적/미시적 변동 때문에 경도 구배 존재. 추가로 경도 깊이는 조성과 열처리 방법 영향받음.

롤 표면 여러 것에도 취약. 취급 부주의, 산화, 부식, 가공 경화, 연마 중 연소 국소 템퍼링, 열처리 탈탄 등. 이 모든 것들이 롤 표면에서 양/음 미시적 구배 일으켜 롤 경도에 영향.

잔류 응력

롤은 보통 잔류 응력 가짐. 이 잔류 응력은 표면에서 2차원, 부피에서 3차원. 표면에서 방사 응력 0, 배럴 에지에서 종방향 응력(축방향)도 0. 배럴 주부분에서 축방향과 원주방향(접선) 부호와 크기 같음. 중심선 근처 롤 축방향 영역에서 접선과 방사 응력 크기와 부호 같음. 여기서 종방향-접선/방사 응력 관계는 롤 직경-길이 비율로 주어짐. 어느 응력이 롤 재료 강도 초과하면 롤 자발 파손. 파열은 종방향 응력 너무 높으면 축방향 수직, 접선/방사 응력 너무 높으면 축방향 발생.

잔류 응력 롤 강도 큰 영향. 압축 잔류 응력 피로 강도 증가, 균열 전파 감소, 롤 배럴 표면 전단 응력과 가공 경화 감소. 인장 잔류 응력 롤 파손 원인. 롤 단면에서 압축/인장 잔류 응력 서로 보상. 롤에서 적절한 잔류 응력 수준 통제 필요.

피로 강도

롤 파손 다수 피로로 발생하므로 중요. 피로는 변화하는 하중과 회전/굽힘 응력으로 발생. 노치와 화재 균열 피로 강도 큰 영향.

균질 강철에서 굽힘 피로 강도는 한계까지 경도와 선형 관계, 한계 넘으면 피로 강도 감소. 피로 영향 여러 요인 있지만 재료 점점 취약해지고 노치 민감해지며 응력 작은 증가도 균열 개시 도와 반복 하중 하 균열 전파. 회주철, 흑연 주강, 준공석 강 같은 비균질 재료 경우 동일 경도 균질 강철보다 피로 강도 낮음.

회전 굽힘 피로 값 항상 인장/압축 피로 강도보다 높음. 따라서 회전 굽힘이 롤 피로 파손 가장 일반적인 이유.

내마모 강도

롤 경우 마모가 원칙적으로 중요. 그러나 롤 마모 영향 주는 파라미터 많음. 이 파라미터들: (i) 재료 관련(조성, 미세조직, 경도 등), (ii) 압연 상대 재료 특성, (iii) 마모 조건(슬립 정도, 압력, 속도, 온도, 냉각 시스템 등), (iv) 상호작용제(물, 윤활제, 모든 종류 부식제). 이 모든 파라미터 널리 변동 가능.

압연기에서 마모는 주로 최고 마찰 영역, 즉 롤과 압연 재료 사이 발생. 마모는 보통 배럴 한 끝에서 다른 끝까지 균일 분포 안 됨. 또한 롤 표면은 매 회전 변하는 온도 영향받아 화재 균열 유발 가능. 롤 마모 영향 또 다른 요인은 롤 냉각. 냉각제가 마모 도울 수 있는 물질 포함 가능.

롤 내마모성은 적절한 롤 재료 등급 선택으로 개선 가능. 롤 재료 경도 영향은 내마모성에 한계적. C 함량과 합금 원소, 미세조직이 내마모성 더 중요한 파라미터.

마찰력

압연기에서 롤과 압연 재료 같은 하중으로 서로 눌려짐. 따라서 압연 재료 롤 갭 사이 이동 위해 힘 필요. 힘 양은 표면 조건(형상, 거칠기 등)과 롤 재료-압연 재료 사이 마찰 계수 의존. 롤 갭 상황 다소 복잡.

장력 없거나 최소 장력 연속 압연은 롤-압연 재료 사이 높은 마찰 필요. 마찰 낮으면 슬립 발생. 슬립 방지 압연 조건 중요 파라미터는 물림 각과 압연 속도. 속도 높을수록 물림 각 낮음. 물림 각이 압연 속도에 비해 너무 높으면 압연 속도 줄이거나 롤 표면 수정해 마찰 증가 필요. 롤 표면 래깅이나 화재 균열 패턴이 마찰 개선 도움.