금속 가공에서 압연은 금속을 한 쌍 이상의 롤 사이로 통과시켜 두께를 줄이고, 균일하게 하며, 원하는 형상을 부여하고, 원하는 기계적 특성을 부여하는 금속 성형 공정입니다. 압연에서 피가공 재료는 끊임없이 회전하는 롤 사이의 압축력에 의해 변형됩니다. 즉, 금속이 회전 롤 사이를 지나가며 가해진 힘이 재료 두께를 감소시킵니다. 금속의 형상과 내부 조직 모두 변화합니다. 금속 압연 공정은 밀대로 반죽을 미는 것과 비교할 수 있습니다. 압연은 현대 세계에서 가장 중요한 제조 공정 중 하나입니다. 오늘날 생산되는 거의 모든 금속 제품은 제조 과정에서 어느 시점에 압연을 거칩니다.
현대 압연기는 완전 자동화, 고속, 대용량이며, 압연 중인 재료의 야금적 처리를 자주 포함해 원하는 미세조직과 기계적 특성을 달성합니다. 압연 공정과 압연기에서 이 정도의 완성도에 이르기까지 단일 발명이 아닌, 오랜 시간에 걸친 수많은 작은 지속적 개선의 결실입니다.
압연은 수백 년 전부터 존재했습니다. 최초 롤은 소형 수동식이었으며, 보석·예술품 제조용 금·은 평탄화에 사용되었습니다. 압연기는 중동과 남아시아에서 기원전 600년경 이미 존재했습니다. 이 공장들은 조잡한 형태였으나 압연 공정과 관련된 동일한 기본 원리를 사용했습니다. 유럽에서 최초로 알려진 압연기 설계는 1485년 레오나르도 다 빈치에게 기인합니다. 그의 도면 중 하나에서 평행 축을 가진 두 원통형 롤 사이로 '재료를 통과시켜' 두께를 변경하는 가능성을 최초로 기술했습니다. 이 경우도 연성 재료, 특히 납, 주석 등의 냉간 압연이 의도되었습니다. 이 설계는 당시 매우 선진적이었으나, 이 설계를 기반으로 한 공장이 실제로 지어졌는지는 불확실합니다.
압연기 구동 동력은 4단계를 거쳤습니다.
유럽 초기 판철 생산은 단조(forging)였지 압연기 아니었습니다. 판금 생산 진정한 전환점: 압연기 도입. 1600년대 소형 수동 롤 아닌 압연기 가동 알려짐, 철이 압연 가능 금속으로 막 도입됨. 1501년경 압연기 2기 기록: 금화 제조용 균일 두께 금판 얻는 용도, 기성 판재 스트립 절단 용도. 둘 다 두께 감소용 아닌 '마무리 장치(finishing devices)'로 더 많이 사용.
최초 압연기 = 슬리팅 밀, 1590년 도입. 평평한 막대 롤 사이 통과→철판 형성→홈 롤(슬리터) 통과→철봉 생산. 1590년 다빈치 압연기 실현: 두꺼운 실린더 2개로 다양한 금속 압연→두께 변경. 확실한 증거 있는 최초 산업 플랜트: 1615년, 납·주석판 생산. 이후 수동/수력 구동 공장들 이어짐.
초기 압연기: 흑판(black plate) 압연→주석도금강판(tinplate) 생산용. 주석도금강판: 강철(당시 철) 압연→산 세척으로 밀스케일 제거→얇은 주석 층 도금. 흑판: 개별/소그룹 생산→'팩 압연기(pack rolling mill)'로 알려짐. 주석도금용 철 압연 최초 실험 1670년경. 1697년 존 한버리 소령 폰티풀 공장 설립→'폰티풀 플레이트(Pontypool plates)'=흑판 압연. 이후 재압연·주석 도금→주석도금강판 제작.
1700년대 후반 최초 열간 압연기 등장→철 압연 소재로 대중화. 산업혁명(1760~1840년대)→철 수요 폭발. 제철·제강 신기술 발명, 기계·철도·증기선 등 신제품에 금속 사용. 철강 소재 조달 용이해지며 강철 냉간 압연 동시 시작. 1682년 영국 뉴캐슬 주목할 크기 냉간 압연기 존재. 상세 기록 몇 년 후. 웨일즈 공장: 700mm 길이, 100mm 폭 봉재→1500×700mm 시트 생산. 강철 압연으로 판금 생산 최초 확실 증거, 수차 구동. 1700년대 말까지 웨일즈 유럽 박판 주생산지.
이미 당시 압연이 반제품(판금 포함) 엄청난 수요 충족 가능한 고생산성 공정임 이해. 하지만 압연기 여전히 상당량 수작업 필요.
시간 경과 제품 크기 지속 증가. 1851년 '영국 대박람회'서 길이 6m 초과, 폭 1m, 두께 11mm, 중량 500kg 초과 판금 전시.
압연기 진화는 시대 수요 충족 위한 필요 소재 생산 따라 진행. 1600년 지붕 덮개용 납판 고수요→가능성 개발. 1700년대 말 산업혁명 한복판→레일·반제품 강재 필요→압연기 이 수요 충족 발전. 19세기 초 압연기 구조 본질적으로 현재 것: 견고한 주철 롤 스탠드, 2개 강철 롤, 나사로 롤 간격 조정 가능.
현대 압연 관행: 판틀리 아이언 밀스(헴프셔 판틀리 인근) 헨리 코트 선구적 공로. 1783년 코트 홈 롤(grooved rolls) 철봉 압연 특허. 홈 롤: 필요 치수 홈으로 원형, 사각, 평판 등 봉재 압연 가능. 코트 최초 홈 롤 사용자 아님. 단, 당시 알려진 제철·성형 공정 최고 특징 다수 최초 결합. 현대 저자들 '현대 압연의 아버지(father of modern rolling)' 호칭. 코트 초기 압연기 이후 공정·공장 규모 지속 발전. 18세기 원형, 사각, 레일, 더블-T 빔 등 복잡 형상 압연 시작.
신설계로 압연기 일일 생산량 단조 해머 대비 15배 증가. 코트 발명으로 판틀리 소규모 공장 연간 10,000톤 이상 봉재 생산(주 200톤 상당). 이후 압연기 생산량 누적→미국 단독 1890년 압연량(판압연 제품 제외) 철강 약 500만 톤(주 10만 톤), 1899년 800만 톤 초과(주 16.7만 톤), 모든 파운드가 판틀리 '작은 공장' 최초 사용 홈 롤 통과.
1810년 미국 브랜디와인 아이언 웍스 네일 팩토리 설립→압연기 가동. 브랜디와인: 고수요 보일러 플레이트 생산·품질로 성공. 1867년 조지 프리츠(캠브리아 아이언 컴퍼니 수석 엔지니어, 펜실베이니아 존슨)가 블루밍 밀(blooming mill) 발명: 강괴(ingot) 압연→단조 대체. 종전 단조로 강괴 크기 줄였음.
코트 사용 공장: 통상 2하이(2-high) 압연기. 코트 2하이 밀 이후 수정 거듭→리버싱, 3하이 밀 등 온갖 유형·종류·등급 진화. 문명 발전 요구: 더 크고, 더 좋고, 더 길고, 더 강한 것 무한 조합. 프리츠 1871년 최초 정규 3하이 밀 건설. 구 관행 탈피→생산량 대폭 증대. 3롤 구성: 중간 롤 직경 훨씬 작음→필요 동력 저감, 모터 회전 역전 없이 양방향 압연 가능. 4롤 구성(다빈치 이미 구상): 외부 2롤이 내부 2롤 지지→평판 압연. 더 많은 롤(최대 20롤) 밀도 개발.
압연 공정 또 다른 개선: 롤 기계적 기구 추가. 초기 압연 소재: 후크·집게 수동 공급. 당시까지 다수 발명가 자동 동작 기계로 이 작업 수행 시도, 실제 제작 안 됨. 1884년 올버니 렌슬레어 아이언 스틸 컴퍼니(뉴욕 트로이) 레일 밀 정압연 롤 전 구동 롤러 테이블 도입. 효과 좋아 조압연 롤 전에도 자동 장치 설치.
1766년 영국 리처드 포드 탠덤 밀 특허. 탠덤 밀: 금속 연속 스탠드서 압연. 포드 탠덤 밀: 선재 열간 압연용.
압연기 추가 진화: 연속 밀(continuous mill) 개발, 그와 함께 성장한 거대 보조 설비군. 모든 발명처럼 작은 시작. 프랑스서 시도 흔적. 최초 기록 특허·실제 연속 밀 사용: 미국 J.E. 세렐, 1842-43. 용도 제한: 납관·구리 압연. 또 다른 미국인 헨리 B. 코머 1859년 연속 밀 특허, 미건설. 모든 고려 시 최초 연속 압연기 공로: 영국 맨체스터 조지 베드슨(George Bedson). 철강 압연용 연속 밀 실용화, 필수 요소 성공적 결합, 광범위 적용 공로.
이름 그대로 금속 연속 가공. 롤 밀접 탠덤 배치, 가이드로 패스 간 직접 이송→인력 개입 없음. 중단 없음, 캐칭/루핑 없음, 조압연 롤 바이트→정압연 스탠드 배출 연속 전진. 각 롤 쌍: 정밀 기어링으로 패스별 압하량 대응 속도 조정→해당 신장량 흡수. 이 밀 특유 현상 극복 필요, 단 문 즉시 열림: 훨씬 긴 길이, 무거운 중량, 고속 가능. 당시 유럽: 벨기에/루핑 시스템 50파운드 빌릿 압연, 미국: 일반 2하이/3하이 밀 15파운드. 베드슨 밀: 70~80파운드 빌릿 처리→급속히 300파운드 빌릿 통상 압연. 베드슨 발명 연속 밀서 단일 빌릿으로부터 281파운드, 530야드 선재 코일 압연.
Fig 1: 미국 최초 베드슨 설계·시공 연속 밀, 1869년 봄 가동. 16스탠드 탠덤 배치, 1 1/8인치 빌릿(70~80파운드) 압연. 단일 평면 동일 각도 연속 압연→단순 평탄화만. 신장 위해 축 각도 변화 평면 압축 필요(대장간 뿔 위에서 금속 회전시키는 것 유사). 베드슨 밀: 각 롤 쌍을 선대 90도 각도 배치(유니버설 밀 방식)→목적 달성. 단 관리에 막대한 번거로움: 지상 위 1개 기어링, 지하 피트 1개 기어링 필요. 롤 교체·조정 시 접근성 심각 저해. 차기 연속 밀(1878년 설계): 모든 롤 수평면 배치, 모든 기어링 단일 평면, 필수 압축 평면 변화: 트위스트 가이드(twist guide)로 패스 간 금속 90도 회전→이 장치 이 밀들 보편 채택.
모든 세부 발전 추적 불가능. 신기술서 놀라움 지속 극복. 조정(adjustment) 연속 밀 불가분 특징. 롤 대응 속도·패스 정확 매칭 어려움. 실패 시 둘 중 하나 필연: 패스 수용 능력 초과 유입→측방 루핑(lateral looping), 또는 수용 능력 미만→신장(stretching). 둘 중 후자 선호: 루핑 완화 가이드 간섭. 루핑 누적 효과→밀·운전원 안전 심각 위협. 신장: 가열 금속 인장 강도·균질성 부족한 일반 철강 등급 견딜 수 없는 요구→일반 등급 철 압연서 초기 연속 밀 사용 크게 제한. 1877년 워번 무엔(Washburn & Moen)사 차기 밀: 벨기에 시스템 적용 3하이 밀 건설.
베세머·오픈하스 강철 개선→고인장강도·균질성 제품→연속 밀 적합 제품 최종 등장.
완제품 단면 감소·중량 증가→3하이 밀서 뱀형 루핑(serpentine looping) 양측 연속/동시 압연 관행 발생. '전후 왕복(back and forth)' 압연과 구별. 이 경우 패스마다 롤서 금속 자유 배출. 유럽서 최초 사용(추정 벨기에)→'벨기에'=루핑 밀 의미 통용. 이 밀들로 유럽 제조사 30~50파운드 빌릿 압연 가능 vs '전후 왕복' 3하이 밀 15~20파운드. Fig 2: 이 유형 연속 압연기 평면도. 조압연: 4인치 빌릿 처리 2하이 밀→1 1/8인치 감축. 이 크기서 루핑/벨기에 밀→일반 선재 압연. 다수 밀서 선재·상품재 압연용 사용.
Fig 3: 복합 연속-벨기에 밀(조합/공동 밀). 양 밀 장점 통합 노력 산물. 1881년 워번 무엔 공장 가동. 연속 밀서 ~100파운드 빌릿 1 3/16인치→3/8인치 조압연, 벨기에 밀서 3/8인치→일반 선재 정압연. 이 유형 최초 건설. 주장점: 일반 철도 루핑/벨기에 시스템 동등 압연, 더 적은 노동력. 빌릿 크기·중량 증가→밀 부속 설비 성장, 출구 측 새 필요성 대두. 15~20파운드 빌릿/코일→70~80파운드 도약→'확장 정책(policy of expansion)' 강제. 밀 자체 미개발 용량, 한계: 가열·릴링(reeling) 두 부수 기능, 급속·흥미로운 성장.
1880~1890년대 미국 압연기 지형 바꾼 2대 발전: (1) 철 아닌 강철 수요 증가(강철 더 강함), (2) 광폭 판재 선호(리벳 이음 수 감소→보일러·선박 약점·파열 원인 감소). 기업들 대형 압연기 채택→광폭 판재 생산→리벳 이음 최소화.
1882년 워스 브라더스(Worth Brothers) 코츠빌 90인치 압연기 가동→미국 경쟁 격화. 30년간 워스 브라더스·루킨스 아이언 스틸(Lukens Iron and Steel) 최대 폭 경쟁. 1890년 루킨스 120인치 판압연기, 1896년 워스 브라더스 132인치. 1900년 루킨스 134인치, 1903년 140인치. 1903년 워스 브라더스 152인치. 1915년 미드베일 스틸 오드넌스(Midvale Steel and Ordnance) 워스 브라더스 인수→경쟁 종료. 1918년 루킨스 세계 최대 판압연기 가동.
루킨스 최초 계획: 180인치 3하이 밀(세계 최대 폭 타이틀용). 단 롤 제조사 필요 롤 크기·중량 생산 불가. 대신 피츠버그 유나이티드 엔지니어링 파운드리(UE&F) 협업. 루킨스·UE&F 엔지니어 협력→204인치 폭 4하이 압연기 제작. 1918년 5월 22일 초판 압연, 1919년 206인치 확대. 40년 이상 세계 최대 판압연기 타이틀 유지. 34인치 작업 롤(각 3톤), 50인치 백업 롤(각 60톤). 90,000파운드 강괴, 192인치 폭 판 압연 가능. 주간 4,000톤 압연 능력. 동력: 20,000마력 쌍탕던 복합 증기 기관. 밀 하우징: 4분할 강철, 42피트 초과 높이, 트랜스퍼 테이블로 수작업 감소.
이 시기 암염(rock salt)과 마대(burlap bags)를 강괴에 던져 롤 통과 시 표면 스케일 제거.
최초 레일 압연기: 1820년 존 버킨쇼(John Birkenshaw) 노섬벌랜드 베들링턴 아이언웍스 설립. 15~18피트 피시벨리 주철 레일(fish-bellied wrought iron rails) 생산. 대형 단면 압연용 3하이 밀 1853년 도입.
단일 강편에서 압연되는 I빔 제조법: 1849년 알퐁스 알부(Alphonse Halbou, 포르주 드 라 프로비던스사) 특허. 베들레헴 스틸(Bethlehem Steel): 20세기 중반 미국 교량·초고층 빌딩용 각종 단면 구조용 압연강재 선도 공급업체.
열간 스트립 밀: 20세기 전반 개발. 강철 압연 주요 혁신, 최초 1923년 켄터키 애슐랜드 건립. 연속 공정→판재 롤 통과·겹침(팩 밀 방식) 불필요. 말단 길로틴 전단 또는 코일링. 초기 열간 스트립 밀: 주석도금강판용 스트립 미생산. 1929년 냉간 압연 도입→게이지 추가 감소. 영국 최초 열간 스트립 밀 1938년 에브베일 개장, 연산 20만 톤. 1961년 초기 열간 스트립 밀 업그레이드/대체→대용량 반연속/연속 열간 스트립 밀, 연산 40만~300만 톤.
1950년대 연속 주조 상용화→슬래빙 밀·블루밍 밀 압연기 현장서 서서히 사라짐. 현재 슬래브, 블룸, 빌릿 연속 주조→후속 압연→완제품(Fig 4). 1989년 10월 박판 주조·압연 공정 상용화→열간 스트립 밀 조압연 트레인조차 제거.
압연기 지속 발전 중. 현대 밀: 대용량, 고속 연속 밀. 더 무겁고 큰 치수 소재 압연 가능. 더 얇은 단면 압연 가능. 현대 밀: 압연뿐만 아니라 온라인 열처리로 압연 소재 야금 기능 수행. 완전 자동화. 고생산성, 고수율. 필요 인력 감소. 압연 제품 치수 공차 향상. 하지만 오늘날 존재하는 압연이 단일 발명가 기인 아님, 압연을 금속 가공 최다 사용 공정으로 만든 여러 작은 지속적 개선의 결실임 언급 가치 있음. 현재 산업용 금속 ~90%가 조만간 압연 공정 거침.
제조공정
신제품 개발이란 무엇인가? 신제품 개발(New Product Development, NPD)은 시장 기회를 시장성 있는 신제품으로 전환하여 고객 요구를 충족시키는 종합적인 다학제적 프로세스입니다. Wheelwright와 Clark(1992)에 따르면, NPD는 낮은 개발 비용과 짧은 개발 기간으로 제품을 시장에 출시하기 위한 효과적인 활동 조직 및 관리로 정의됩니다. PDMA(제품개발관리협회)는 NPD를 다음과 같이 정의합니다. “기업이 초기 아이디어를 반복적으로 판매 가능한 제품이나 서비스로 전환하는 정상적인 수단을 설명하는
압연(Rolling)이란? 금속 가공에서 압연은 금속 소재를 한 쌍 이상 롤 사이 통과시켜 두께 감소, 두께 균일화, 원하는 기계적 물성 부여하는 금속 성형 공정. 개념은 반죽 밀기와 유사. 압연은 압연 금속 온도 따라 분류. 금속 온도 재결정 온도 이상 → 열간 압연(Hot Rolling). 재결정 온도 미만 → 냉간 압연(Cold Rolling). 사용량 기준: 열간 압연이 타 제조 공정보다 더 많은 톤수 처리, 냉간 압연이 모든 냉간 가공 공정 중 최다 톤수 처리. 롤 쌍 보유 롤 스탠드(Roll Stands) 그룹화 → 압연
