제조공정
산업 제조
후판은 두께 5mm 이상, 폭 1,200mm 이상인 평판 압연 또는 열처리 제품을 말합니다. 널리 쓰이는 강재로 통상 탄소강, 고장력 저합금강(HSLA), 합금강으로 분류됩니다. 구조용 후판은 일반적으로 탄소 0.3%, 망간 1.5% 이하입니다. 초고층 빌딩, 해양 시추설비, 대형 교량, 풍력 타워, 파이프라인, 대형 가스홀더, 굴착기, 모바일 크레인, 컨테이너선, 호화 여객선 등에 두꺼운 고품질 고강도 후판이 필요합니다. 이들 용도는 신뢰성을 위해 고품질·고강도 후판을 요구합니다.
후판 분야 최대 트렌드는 점점 더 높은 강도, 고인성, 고경도, 양호한 용접성 요구입니다. 모든 강종과 극한 치수에서도 두께, 폭, 형상, 평탄도, 직각도, 균질 미세조직 등 프라임 품질이 기대됩니다. 동시에 치수 정밀도와 평탄도 공차는 점점 엄격해지고 있습니다. 이러한 요구 충족을 위해 후판 공장은 다양한 생산 기술 보유, 고강도 후판 비중 높은 폭넓은 제품 믹스 생산 역량이 필요하며, 신규 후판 공장은 다양한 생산 기술로 설계됩니다. 또한 두께·폭·강종이 후판마다 크게 달라지더라도 생산성 저하 없는 무제한 압연 캠페인 편성(스케줄 프리 압연)도 요구됩니다.
산성 가스용 라인파이프 후판 제조 시 수소 유기 균열 저항성이 최중요. 해양 구조물용, 특히 겨울 극저온 지역서는 고강도, 대두께, 초저온 인성(저온 우수 용접부 특성) 필요. 이들 특성 일부 상충하나 합금화·가공 기술 극한 조합으로 달성 가능해졌습니다. 최근 후판 물성 제어 기술 다수 개발되어 고강도·고인성 요구 충족하고 있습니다.
다양한 제품, 고강도 후판 고비중 생산 수요 충족 위해 현대 후판 공장은 다양한 생산 기술 역량 보유 설계. 고강도 후판 생산은 중후판 공장 전 구간에 영향. 압연 스탠드, 판 냉각 시스템, 모든 하류 구간이 고강도 후판 생산·가공·최종 품질 확보 위해 설계되어야 함. 압연·냉각·교정·전단 기술 향상으로 고품질 기준 달성. 재현성 있는 생산 공정·고생산율 위해 고도 자동화 필수. 현대 후판 공장은 기계·전기·자동화 설비 통합 솔루션 설계로 최적 공정 제어 조건 구비.
중후판 생산 위해 숙련 운전원, 효율적 플랜트 설치, 전 공정 단계 적합 제어·계장 시스템 필요. 최신 노하우 기반 체계적 절차, 대량 에너지(가열 가스, 구동계 전력 등) 투입→압연기 입력, 출력: 후판 외 품질 모니터링·평가용 종합 공정 데이터, 인수 검사원 기계·기술 시험용 시험편. Fig 1: 후판 공장 전형적 레이아웃.
검사 완료 슬래브 → 가열로서 ~1,200℃ 가열(강철 소성 변형·압연 적정 온도) → 고압 스케일 제거 → 압연기 압연.
후판 압연기: 통상 4하이 가역 압연기, 단일/2스탠드 구성. 2스탠드 시 조압연·정압연 스탠드. 에저 롤 부착→판폭 제어. 처방 두께까지 가역 압연 스탠드서 압연(상하 롤 사이 반복 통과)하며 롤갭 단계적 축소. 다수 패스 필요. 1회 통과 = 패스(pass), 패스당 두께 감소량 = 압하량(rolling reduction). 두께 감소 다수 패스 분배. 슬래브 두께→제품 두께 패스 수·패스별 압하량 결정 = 압연 패스 스케줄. 정압연 온도→소재 물성 영향→패스 수 결정(저온 소재 경화→더 많은 패스 필요).
일반 두께 제품(평판): 압연 패스 중 상하 롤갭 불변 제어→전장 동일 두께 획득.
박판 압연: 자동 형상 제어·평탄도 제어·두께 제어 설비 필수. 온라인 두께 측정기 필요. 압연 개시·종료 온도→공정 안정성 결정(저온 소재 더 큰 압연력 필요). 박판 냉각 속도 빠름→특히 저두께판 온도 강하 커서 공정 불안정 유발 가능.
압연 스탠드·판 냉각 시스템·하류 전 구간 고강도 후판 생산·가공·최종 품질 확보 설계. 스크루다운·자동 갭 제어 = 압연기 롤갭 설정 두께 따라 조정 주부품. 각 판 크기별 고유 패스 스케줄 계산(적정 롤갭, 롤력, 밀 모듈러스 포함).
압연 판 열간 교정기(열처리 전)→열처리 구간→냉간 교정기(열처리 후) 평탄화. 강판 평탄도 양호해야: 냉각 중 물 충돌 거리·판 위 물 흐름 영향. 열간 교정기: 냉각 전 평탄화. 냉간 교정기: 냉각 변형 형상 교정→후공정 이송 용이.
열처리 구간: 강판 최종 물성 결정 핵심 공정. 필요 열처리로 강도·경도·인성 목표 물성 달성 후 냉간 교정기 재교정→전단·절단, 시험편 채취, 시험·검사, 필요 시 쇼트 블라스팅·코팅·도장→최종 검사→출하.
시험: 규격 요구 모든 시험 실시→치수, 공차, 미세조직, 강도, 경도, 인성 등 규격값 적합 확인. 압연기 실험실: 필요 시험·검사 설비 완비→압연 판 필수 시험·검사 수행. Fig 2: 후판 공장 강판 압연·가공 흐름도.
중후판 생산 공정: 다양한 공정 단계 잠재 조합 다수. 압연 중 수많은 파라미터(압연 설비 변형, 온도, 롤력, 압연 속도 등)가 판 품질 영향. 규정 강조성 출발→기계적·기술적 물성 달성 야금 메커니즘 필요. 다양한 공정 단계서 활성화. 야금적 의미 단계: 후판 형상(기하학)뿐만 아니라 미세조직 변형으로 기계적·기술적 물성에도 기여. 주요 압연 파라미터 제어 기술:
감마선 근접 두께계로 모니터링. 압연 하중·롤갭 변화(롤 플렉스처, 밀 하우징 변형 등) 압연 하중 예측·게이지 미터 모델로 예측→압연 전 롤갭 고정밀 설정. 압연 중 하중 변동 롤갭 변화 AGC로 보정→판 두께 편차 저감. 목표 두께-실측 두께 차이 즉시 롤갭 피드백→전장 목표 두께 제어.
압연 패스별 판 크라운 엄격 제어 필수. 형상 제어 시스템 없는 공장: 작업 롤 프로파일·패스별 압하 분포 제어로 크라운 제어 주력. 형상 제어 기술: CVC(Continuous Variable Crown, 연속 가변 크라운) + 작업 롤 벤딩 + 백업 롤 벤딩. 소프트웨어/센서: (i) 압연 소재 3차원 변형 고려 고정밀 크라운 모델, (ii) 근접 평탄도 센서, (iii) 실측 평탄도 기반 피드포워드/피드백 제어.
슬래브 가열 중 1,050~1,200℃ 범위 내 규정 온도서 오스테나이트화(균질화, 미량 합금 원소 고용). 선택 온도 체제에 따라 압연 중 일정 강화·입자 미세화 발생→후속 냉각 단계서 조직 변태·석출 공정으로 추가 심화(냉각 속도 의존). 판 하부 냉각 구간서 핫 스태킹→수소 유출 보장. 다양한 열처리 단계 적용으로 규정 조직 변형 달성 가능.
제어 압연(Controlled Rolling), 가속 냉각(Accelerated Cooling) 채택. 통상 압연(노말 압연): 특수 온도 제어 없음→단순 형상 가공. 고온 가열 슬래브→압연 단계서 판 형상 변환→공랭 냉각.
후판 공장 노말 압연: 압연 공정 특수 온도 제어 없음. 비열처리 '압연 그대로(as-rolled)' 상태로 납품. 단, 규정 온도 처리·냉각 기술 공정 조합으로 압연 판 대표 물성 조합 달성 가능. 후판 공장서 다양한 기술 공정 조합으로 각기 다른 판 규격 물성 요구 충족. Fig 3: 압연 기술 공정 요약.
노말 압연 + 열처리: 오스테나이트화 온도(Ac3 초과, ~900℃) 가열→공랭. 해당 치수 로(연속 예: 더블 워킹빔, 고정 예: 횡차지 로)에서 수행. 결과: 다각 페라이트+펄라이트 주 조직. 이 처리로 노말라이징강만 고합금 원소 증대로 고항복·고인장 강도 달성 가능→노말라이징 압연서 달성 가능 물성 조합 한계 존재. 동등 상태: 노말라이징 온도역 최종 변형 압연(노말라이징 압연)으로 달성 가능.
노말라이징 압연 변형. 오스테나이트 영역(Ac3 초과) 가열→수담금질. 롤러 하스 로 + 롤러 퀜치 조합 또는 고정식 퀜칭 박스. 극초고속 냉각→마르텐사이트+베이나이트 주 경질 조직. 후속 템퍼링(추가 롤러 하스 로, ~Ac1-100℃ ≈ 600℃)로 원래 경도·취성 마르텐사이트 구역 개질→여전히 비교적 높은 경도/항복강도/인장강도 + 체계적 조절 인성 조합 열처리 조직. 퀜칭·템퍼링 강판: 고강도·내마모성 특별 요구 용도 사용.
제어 압연(Controlled Rolling): 후판 강도 증대·노치 인성 개선 널리 적용. 압연 파라미터 제어로 시간-온도-변형 공정 맞춤. 핵심 파라미터: (i) 정압연 스탠드 제어 압연 개시 온도, (ii) 제어 압연 개시~최종 두께 압하율, (iii) 판 정압연 종료 온도. 제어 압연: 통상 열간 압연보다 훨씬 낮은 정압연 종료 온도(705~815℃)서 변형. 통상 열간 압연: 고온서 가공성 유리→최대한 빠르게 압연, 통상 1,000℃ 이상 종료. 제어 압연: 부분 압연 슬래브 목표 중간 온도 도달 대기 위해 홀드/지연 통상 필요.
제어 압연 관행(Fig 4): 미량 합금강 전용 설계. 합금 원소 재결정·입자 성장 영향 + 특정 압하 스케줄 결합 활용. 실용적 제약(주로 밀 부하·지연 시간)으로 제어 압연 판 통상 25mm 초과 생산 안 함.
'제어 정압연 온도 압연(Controlled-finishing temperature rolling)': '제어 압연'과 구분. 제어 압연보다 훨씬 완화된 관행, ~75mm 두께 판 노치 인성 개선 주목적. 정압연 종료 온도(~870℃)가 제어 압연보다 높음. 단, 후판 관여로 목표 온도 도달 밀 지연 여전히 발생. 정압연 온도 제어→미세 입자→우수 노치 인성 획득.
제어 냉각 사이클: 최종 압연 직후 수냉(~540~600℃)→공랭(Fig 4). 제어 압연 또는 제어 정압연 온도 압연 후 가속 냉각→추가 조직 미세화→물성 조합 개선. 가속 냉각: ~12~100mm 두께 판 물성 개선 효과.
현재 고강도 후판 제조 최중요 생산 공정. 대구경 라인파이프(저벽두께, 고수송압-천연가스) 고항복강도 등 고강도 + 저온 고인성 + 양호 용접성 동시 충족용. '열기계적 제어 공정(TMCP)' 포괄 용어. 위 압연 공정과 본질적 차이: 압연을 단순 형상 가공 아닌 목표 물성 조합 체계적 달성 수단으로 활용. 열기계적 압연 정의: 미세 유효 입자 크기 조직 달성, 유리한 사용 물성 조합 허용, 강조성 맞춤 공정. 시퀀스(시간·온도 제어):
간단 정의 추가 설명 필요. 열기계적 압연 핵심 혜택: 미량 합금 원소(예: 니오븀) 효과 기반. Nb 0.02~0.05% 저함량서도 완전 효과. Nb 오스테나이트 재결정(패스 간 입자 재형성) 지연/억제. ~850℃ 이하 다수 패스 변형 효과 누적→변태 시 초미세 입자 형성 가능. 공정 중 Nb 탄질화물 석출→원자 격자 전위 이동 차단→항복강도·인장강도 증대.
Nb 두 효과 공정 적응으로 활용→합금 원소·탄소 함량 대폭 저감→동일/더 높은 항복·인장강도서 고인성·양호 용접성 달성. '미세조직 육종(microstructure breeding)'으로 강화 메커니즘 최적 활용→지정 물성 프로파일 달성→압연기 적정 설비 범위 필요. 이 방식서도 정압연·냉각 온도 정확히 지정·설정.
위 복잡 공정 정밀 제어 위해 기계 설비·자동화 시스템 긴밀 상호작용 필수.
중후판 압연기: 전기·계장·자동화 시스템 제어. 구성: 기술 측정 시스템, 계기, 센서 시스템, 공정 모델 탑재 1·2레벨 자동화, 전 공장 HMI(Human Machine Interface). 전기: 트랜스포머, 컨버터, 주/보조 구동, 롤러 테이블 모터 등 완전 구동 기술.
기술 공정 모델: 생산성·제품 품질 핵심. 주요 모델: '패스 스케줄 계산', '프로파일·평탄도 제어', '냉각·교정 모델'.
전 공장 운전: 다양한 공정 정밀 기술하는 수리-물리 모델 적용 제어. 자재 추적→공장 내 물류(압연기~마무리 라인) 완전 투명화. 패스 스케줄 모델·프로파일 평탄도 제어 결합→다중 판 동시 열기계적 압연 가능→압연기 고생산성 보장. 압연기 제어 데스크: 인체공학적 설계. HMI 시스템: 운전원 시야 맞춤 배치→관련 모든 시스템 표시 생산 지향 공정 표현.
압연 공정 다단계: 초기 슬래브 재결정화 온도(~1,200℃) 가열로 가열→후판 공장 다수 패스→최종 목표 후판. 이후 냉각 공정 중 오스테나이트 상변태로 판 미세조직 제어. 슬래브 가열로 출하 후 압연 구간 운전 시퀀스: 패스 계산 알고리즘 결정. 필요 압연 연산 순서 계산+각 패스 후 판 특성 예측. Fig 5: 패스별 압연 시퀀스 3단계: (i) 사전 계산 단계, (ii) 실시간 제어 단계(압연 단계), (iii) 사후 계산 단계.
판 압연 공정: 다변수, 비선형, 강결합 복잡 공정. 압연 환경 복잡성(소재 상수 변화, 마찰 계수, 롤 표면 조도, 롤 마모, 유막 두께, 윤활 조건 등)으로 설정 계산값(압연력, 압연 토크, 전방 슬립, 변형 저항) ≠ 실제 압연. 압연력 = 설비·기술 파라미터 중 최중요. 소성 가공 기술, 설비 최적 설계, 공정 제어 중요 기초. 압연력 계산 정밀도→압연 스케줄 설정 정밀도 직결. 두께·강판 헤드 규제 능력 최대 활용 열쇠.
통상 압연력: 경험·통계 기반 수학 모델 계산→사용 중 결함: (i) 온라인 제어용 범용 모델 단순화 가정→충분히 정확한 예측값 제공 어려움, (ii) 측정 오차·시스템 특성 변동→모델 파라미터 오차 큼. 따라서 적응·자가학습법(즉시 정보 기반)으로 모델 수정→압연력 설정 정밀도 향상.
후판 압연 생산서 압연 스케줄 핵심 역할. 우수 스케줄 = 압연기 생산 능력 기본 보장→제품 품질 향상. 중후판 압연 스케줄 주구성: 압하(하중) 시스템, 속도 시스템, 온도 시스템, 롤 유형 시스템. 강재 기술 요구, 원료 조건, 온도 조건, 생산 설비 실태 기반→수식/차트 이용 인위/컴퓨터 계산→실제 압하량, 무부하 롤갭, 압연 속도 등 파라미터 결정. 동시에 적응 보정·실제 압연 조건 처리→설비 잠재력 극대화, 증산, 품질 보장, 운전 용이, 설비 안전.
후판 압연 특성상 전통적 최적화/지능형 최적화 불문 최적화 전 과정 통상 4단계 요약: (i) 실제 생산 조건 기준 압연 하중 분배 목적 함수 결정, (ii) 실제 생산 조건 기준 제약 조건 결정, (iii) 적정 최적화 기법 선택, (iv) 목적 함수 극값 도출·극값 도달 공정 파라미터 획득.
제조공정
압연기(Rolling Mill)란? 압연기는 회전하는 롤 사이에 소재를 통과시켜 압축 변형으로 단면적 감소·길이 증가시키는 장비입니다. 롤 수·배열·크기에 따라 6대 기본 타입으로 분류되며, 제품 종류(판재, 봉강, 형강, 파이프), 소재(강, 알루미늄, 비철), 생산량, 정밀도 요구에 따라 선택됩니다. 주요 압연기 타입 비교 개요 1. 2하이 압연기 (Two-High Rolling Mill) 상하 2개 롤 대향 회전. 가장 기본 구조. 비가역식(Non-reversing): 롤 회전 방향 고정. 소재 왕복 이송 위해 컨베
제철소는 오랜 세월 미국 생산성의 근간이었습니다. 세계화가 진행되면서 제철소들은 생산 방식을 재평가할 기회를 얻었습니다. 더 이상 종이와 연필로 철광석 배합을 계산할 필요가 없습니다. 로봇이 현장에 투입되었습니다. 글로벌 경쟁과 자동화의 필연성 1980년대 세계화 물결 이후 국제 철강 시장이 형성되면서, 수익성이 낮은 제철소들은 문을 닫을 위기에 처했습니다. 2008년, 10년간 방치되었던 인디애나주의 번스 하버 제철소가 벨기에의 초현대식 제철소를 본보기로 재가동되었습니다. 이곳에서는 철, 광석, 석탄, 석회강으로 강철을 생산하