열간 압연기의 고급 형상 제어 기술

압연 스트립의 형상은 횡단면 프로파일(크라운)과 평탄도로 특징지어집니다. 스트립 형상의 정확도는 열간 압연 스트립의 품질을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 스트립 형상은 압연 스트립의 시장 경쟁력을 좌우하는 필수 요소입니다. 스트립 형상이 품질의 핵심 지표이므로 형상 제어 기술은 열간 스트립 생산의 핵심 기술입니다. 열간 압연기(HSM)에서 압연 스트립의 형상에 영향을 미치는 여러 요인이 있습니다.

열간 압연기에서 스트립 압연의 주요 목표

열간 압연기에서 스트립을 압연할 때 주요 목표 중 하나는 출구 스트립의 크라운과 평탄도 측면에서 최적의 품질로 목표 두께를 달성하는 것입니다. 두께 감소 과정에서 스트립 폭 전체에 걸쳐 일정한 압하율을 유지하여 스트립 중심부와 가장자리 사이의 균일한 신율을 확보하는 것이 매우 중요합니다. 이 조건이 충족되지 않으면 내부 응력 상태가 발생하여 평탄도 결함(중심 버클 또는 물결 가장자리)이 생깁니다. 그림 1은 완벽한 평탄도와 평탄도 결함의 개념을 보여줍니다.

그림 1 완벽한 평탄도와 평탄도 결함의 개념

더 높은 스트립 치수 공차에 대한 수요가 증가함에 따라 열간 스트립 압연 중 균일한 스트립 크라운과 평평한 형상을 유지하는 것이 열간 압연기에서 가장 까다로운 기술적 과제 중 하나가 되었습니다. 열간 압연 스트립의 형상 품질에 영향을 미치는 형상 제어 기술은 크게 세 가지 범주로 나뉩니다. (i) 롤용 형상 제어 구동 장치, (ii) 형상 제어 모델, (iii) 압연 공정 시스템. 형상 제어 기술은 통합 방향으로도 발전하고 있습니다. 이 문서에서는 롤용 형상 제어 구동 장치에 대해 설명합니다.

롤용 형상 제어 구동 장치

열간 압연기에서 압연 중 출구 크라운과 스트립 평탄도는 롤 열 프로파일, 압연 하중, 롤 마모, 스트립 폭 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 이 요인들은 압연 캠페인 중에 변화합니다. 이러한 요인을 보상하고 스트립 크라운과 평탄도를 제어하기 위해서는 롤 바이트 형상을 지속적으로 수정할 수 있는 일련의 구동 장치를 설치하는 것이 필수적입니다. 롤 구동에 가장 널리 사용되는 세 가지 기술은 (i) 롤 벤딩 기술, (ii) 롤 시프팅 기술, (iii) 연속 가변 크라운(CVC) 기술입니다.

롤 벤딩 기술

눈에 보이는 평탄도 결함(중심 버클과 가장자리 물결) 없이 사용 가능한 프로파일 제어 범위는 출구 스트립 두께와 관련이 있습니다. 출구 스트립 두께가 두꺼울수록 평탄도 결함을 발생시키지 않고 프로파일을 변경할 수 있는 능력이 높아집니다. 크라운 비율 변경 제한과 스트립 두께의 관계에 대한 일반적인 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 벤딩 시스템 설계에서 중요한 요소는 벤딩 구동 장치가 크라운과 평탄도 제어에 미치는 영향 범위입니다. 압연 재료가 두꺼울 때는 벤딩이 스트립 크라운 비율에 미치는 영향이 제한적이지만, 얇을 때는 영향이 매우 큽니다.

그림 2는 평탄도 결함 없이 크라운 비율을 제어하는 압연기의 능력인 벤딩 제어 범위의 예를 보여줍니다. 벤딩 제어 범위는 두 가지 주요 요인, 즉 (i) 스탠드에 사용되는 크라운 제어 구동 장치의 파워, (ii) 이러한 구동 장치가 설치된 밀 스탠드 위치에 따라 달라집니다. 열간 압연기의 크라운과 평탄도 제어 능력을 높이려면 구동 장치를 적절한 위치에 설치하여 효율을 최적화해야 합니다.

그림 2 벤딩 제어 범위

작업 롤 벤딩(WRB) 장치는 사용성과 설치가 쉬운 구조 덕분에 열간 스트립 압연용 형상 제어 구동 메커니즘으로 가장 일반적으로 사용됩니다. 이상적인 WRB 하중 용량은 압연 하중의 1/10보다 약간 작지만, 음성 벤딩과 결합하여 총 WRB 하중을 개선하더라도 많은 경우 이를 달성하기 어렵습니다.

작업 롤 목에 두 초크를 장착한 더블 초크 벤딩(DCB) 장치는 롤 강도, 베어링 강도, 초크 강도라는 세 가지 강도 제약 조건 간의 균형 잡힌 설계를 쉽게 달성하고 제한된 공간에서 큰 벤딩 용량을 구현하는 효과적인 WRB 방법입니다. 그러나 이러한 롤은 롤 축 끝이 약간 돌출되어 있어 기존 밀에 개조 설치하기 어렵습니다.

WRB는 구조가 비교적 단순하여 다른 형상 제어 구동 장치와 함께 자주 설치됩니다. 그림 3은 DCB가 가변 크라운(VC 롤)과 함께 설치되었을 때 달성되는 제어 특성의 예를 보여줍니다. 그림에서 수직 축의 기계적 중심 크라운 값은 압연 하중이 폭 방향으로 균일하게 분포할 때 스트립 중심과 가장자리 사이의 두께 차이를 나타내며, 수평 축의 기계적 1/4 크라운 값은 스트립 중심과 1/4 폭 위치 사이의 두께 차이를 나타냅니다.

그림 3 형상 제어를 위한 작업 롤 벤딩 방법

벤딩 하중을 가하기 위해 고응답 유압 시스템이 필요하므로 일부 경우 직접 구동 서보 밸브가 채택됩니다. 스레딩과 테일 아웃이 빈번한 많은 압연기에서 음성 벤딩을 사용하기 어렵지만, 밸브와 실린더 사이의 배관 길이가 짧은 고응답 서보 밸브를 채택하면 스레딩과 테일 아웃에서 음성 벤딩의 사용성을 개선할 수 있습니다.

소구경 작업 롤은 극박판 및 고경도 소재 압연 시 압연 하중을 줄이는 데 효과적입니다. 그러나 롤 끝에서 롤을 굽히는 WRB 장치에서는 벤딩 효과가 롤 중심부까지 잘 전달되지 않습니다. 이를 보완하기 위해 작업 롤 배럴 길이에서 작업 롤과 접촉하여 지지하는 서포트 롤을 추가로 설치하여 벤딩과 지지 효과를 제공할 수 있습니다. 메인 서포트 롤(수직으로 압연 하중을 지지) 외에 작업 롤을 비스듬히 또는 수평으로 밀어주는 벤딩(서포트) 롤이 있습니다. 경우에 따라 그림 3과 같이 벤딩 롤이 작업 롤 배럴의 특정 부분을 유압으로 선택적으로 밀어주는 형상 제어 방식(FFC 방식)을 채택하기도 합니다.

긴 배럴을 가진 압연기의 작업 롤 벤딩 방법으로, 백업 롤에 아웃보드 벤딩 메커니즘을 설치하여 대구경 백업 롤을 굽히고 간접적으로 긴 배럴 작업 롤을 굽힙니다. 플레이트 밀에서 열간 강재 압연 시 아웃보드 백업 롤 벤딩(BURB) 장치와 WRB를 사용한 각 압연 폭별 기계적 중심 크라운 제어 효과 추정치는 그림 3에 나와 있습니다. 스트립 폭이 클 때는 WRB의 제어 효과가 BURB보다 크지만, 스트립 폭이 작을 때는 BURB의 제어 효과가 WRB보다 큽니다.

다중 고압연기(예: 6고 압연기)에서는 대구경 중간 롤에 수직 벤딩 기능을 장착하여 작업 롤을 간접적으로 굽힐 수 있습니다. 중간 롤 벤딩 방식과 백업 롤 벤딩 방식은 작업 롤 교체, 스트립 스레딩 및 테일 아웃에 필요한 복잡한 WRB 압력 제어의 영향을 받지 않고 사용할 수 있습니다.

작업 롤 더블 잭 헤비 벤딩 시스템

열간 압연기에서 열적, 기하학적 변화가 발생할 수 있는 입측 공작물에도 불구하고 롤 갭의 원하는 두께 프로파일을 얻고 코일 전체 압연 동안 해당 갭을 제어하기 위해 모든 피니싱 스탠드에 양성 및 음성 헤비 벤딩 시스템이 개발되었습니다. 작업 롤 벤딩은 일반적으로 압연 중 동적, 연속적 스트립 크라운 및 평탄도 제어에 사용됩니다. 롤 벤딩 힘이 압연 힘 방향으로 가해지면 양성 벤딩(크라운 인), 압연 힘과 반대 방향으로 가해지면 음성 벤딩(크라운 아웃)이 됩니다(그림 4 참조).

그림 4 작업 롤 벤딩 시스템

온라인 제어 모델은 롤 분리 힘, 스트립 폭, 롤 직경, 작업 롤 기계적 크라운, 작업 롤 열 크라운, 작업 롤 마모, 입측 스트립 프로파일의 함수로 작업 롤 벤딩 힘의 합을 계산합니다. 즉, 작업 롤 벤딩 시스템 설정을 하중 하에서 빠르게 변경(동적 제어)하여 목표 공차 내의 스트립 크라운과 최적의 스트립 평탄도를 달성할 수 있습니다. 양성 벤딩 구동 장치는 '메이 웨스트' 블록에, 음성 벤딩 실린더는 백업 롤(BUR) 초크 내부에 위치합니다(그림 4). 이 시스템은 다른 밀 제어와의 간섭 없이, 유지보수 증가 없이 최고 수준의 성능을 달성할 수 있습니다. 양성 헤비 벤딩 최대 200톤/초크, 음성 헤비 벤딩 최대 120톤/초크까지 가능합니다. 이러한 힘은 더블 잭 롤 벤딩 시스템 덕분에 베어링 수명에 영향을 주지 않고 달성할 수 있으며, 이 시스템은 사이드 시프팅 절차에 따라 롤의 축 방향 위치에 관계없이 벤딩 힘이 베어링 중심선에 대해 중심에 있도록 유지합니다.

롤 시프팅 기술

다양한 롤 시프트 형상 제어 기술이 개발되었습니다. 이 기술들은 기본적으로 (i) 롤을 시프트하여 롤과 스트립 폭 밖의 접촉 부분을 줄여 롤 처짐을 개선함으로써 형상 제어 효과를 높이는 방법, (ii) 특수 형상 롤을 시프트하여 폭 방향으로 기하학적 롤 갭 분포 변화 효과를 냄으로써 형상 제어 효과를 높이는 방법으로 구성됩니다(그림 5 참조). 다양한 롤 시프트 방법 중 기하학적 형상 시프트 롤의 효과를 기반으로 한 방법은 롤의 기하학적 형상에 따라 형상 제어 효과를 자유롭게 설정할 수 있다는 장점이 있습니다. 수치 제어(NC) 롤 연삭기를 사용하면 연삭 롤 커브를 더 자유롭게 설정하고 최적화된 롤 커브의 효과를 더 쉽게 개선할 수 있습니다.

그림 5 형상 제어를 위한 롤 시프트 방법

기본적으로 위에서 언급한 두 방법에 동일한 시프트 메커니즘이 사용되지만 기하학적 형상 시프트 롤이 더 효과적입니다. 기하학적 형상 시프트 롤은 단순한 오목 및 볼록 결합 커브(S자형 커브)인 롤 프로파일을 가집니다. 시프트 롤 프로파일은 최적화될 수 있으며 최적 형상의 시프트 롤은 '결합 수치 프로파일(CNP) 롤'이라고도 합니다. 롤 시프트 방식은 롤 형상에 따라 시프트 위치와 롤 벤딩 압력의 설정 값을 동시에 계산하여 명령하는 자동 설정 시스템의 도움을 받습니다.

또한 시프트 롤 형상은 각 압연기 플랜트나 압연기 스탠드별로 최적화할 수 있으며, 압연기 스탠드의 시프트 롤 형상을 하나씩 최적화하여 생산 비율이 높은 스트립 폭에 대한 제어 효과를 높일 수 있습니다. 롤 형상을 철저히 최적화하기 위해 특정 함수를 사용하는 대신 수치 데이터로 형상을 결정하는 경우가 많습니다. 작업 롤 시프트 방식은 열간 강판 압연에서 롤의 계단식 불균일 마모를 줄이기 위한 롤 마모 분산에도 사용할 수 있습니다.

시프팅 장치는 압연기에서 필요한 작업성과 정비성에 따라 조작 측 또는 구동 측에 설치할 수 있습니다. 롤 시프트 형상 제어 구동 장치는 선택한 롤 형상에 따라 유연한 제어 효과를 낼 수 있고 대형 열간 압연기에 설치할 수 있기 때문에 이전보다 더 자주 사용됩니다.

형상 롤 기술

스트립 크라운과 평탄도 제어 범위를 확대하기 위해 모든 피니싱 스탠드에 형상 롤 기술을 적용할 수 있습니다. 이 경우 시프팅은 작업 롤 마모 분산 제어뿐만 아니라 스트립 크라운과 평탄도 제어에도 사용됩니다. 일반적으로 형상 롤을 사용한 크라운 제어 능력은 벤딩 시스템의 2~3배 더 높습니다. 작업 롤의 매끄러운 프로파일 형상을 채택하여 크라운 및 평탄도 제어와 마모 제어 기능을 결합합니다. 작업 롤 프로파일은 비대칭 사인 함수와 3차 다항 함수의 조합으로 이루어진 커브입니다. 시프팅 시스템은 갭 프로파일 설정에 전념하므로 적절한 작업 롤 갭 프로파일 설정(정적 제어)에만 사용되며, 압연 중 스트립 크라운 제어(동적 제어)는 벤딩 구동 장치로 수행됩니다.

인플레이팅 롤 방식(가변 크라운 롤 방식)

긴 롤 배럴 길이를 가진 작업 롤의 경우 WRB 형상 제어에서 WRB 효과가 스트립 폭 중심 영역까지 전달되기 어렵습니다. 백업 롤을 롤 배럴 방향으로 부분적으로 팽창시켜 형상 제어하는 방식과 WRB 방식을 결합하면 스트립 형상 제어 효과를 유지할 수 있습니다. 백업 롤로 인플레이팅 롤을 사용하여 형상 제어 성능을 유지할 수 있다면 스트립 중심 영역에서 작업 롤을 볼록 곡선 형상으로 가공할 필요가 없어집니다. 이러한 롤은 스트립과 작업 롤 사이의 날카로운 불균일 접촉 가능성을 줄이며, 특히 스트립 표면 품질이 항상 우수해야 할 때 효과적입니다.

소형 압연 하중용 압연기에서는 롤 배럴 길이 중심에 유압 챔버를 가진 가변 크라운(VC) 롤과 WRB 롤을 동시에 사용할 수 있습니다. 그림 3은 VC 롤(팽창률 0.32mm)과 DCB를 장착한 4고 압연기(직경 480/직경 1,220 × 1,950mm)의 성능 계산 예입니다. 더 큰 압연력에 대한 형상 제어를 위해 테이퍼 피스톤(TP) 롤(그림 6)이 개발되었습니다.

그림 6 테이퍼 피스톤 롤과 표면 변위

그림 6은 TP 롤을 보여줍니다. 아버, 슬리브, 테이퍼 피스톤으로 구성되며 테이퍼 피스톤 위치를 유압으로 조정하여 롤 프로파일을 조정합니다. 양쪽에 두 개의 피스톤을 설치하면 프로파일을 더 자유롭게 조정할 수 있습니다. TP 롤은 백업 롤 배럴 길이가 큰 열간 압연기에 사용됩니다.

TP 롤은 작업 롤 벤딩을 적용할 수 없어 형상 제어 구동 장치 설치가 어려운 2고 압연기에도 쉽게 설치할 수 있습니다. TP 롤을 작업 롤로 설치할 수 있으므로 열간 압연기의 백업 롤보다 크기와 팽창은 작습니다. 그러나 스트립이 직접 접촉하여 롤 프로파일 변화의 영향을 직접 받기 때문에 형상 제어 효과가 더 큽니다. 그림 6은 2고 밀용 직경 550mm 중구경 TP 롤의 측정된 팽창 커브 예입니다.

기타 방법

박판용 광폭 압연기에서는 기계적 형상 제어 구동 장치로 비대칭 위치에서 국부적으로 형상을 제어하기 어려워 포켓 형상 결함이 발생하기 쉽습니다. 이런 경우 존 냉각 또는 스팟 냉각(또는 가열) 제어가 효과적입니다. 이러한 제어는 롤의 국부적 열팽창과 수축을 이용하며 스트립 평탄도 센서와 결합하여 자동 형상 제어 시스템을 구성합니다.

작업 롤 열 크라운(RTC) 냉각 헤더

작업 롤 RTC는 각 피니싱 스탠드 출구 측(상단 및 하단)에 설치된 두 개의 틸팅 헤더로 구성됩니다(그림 7). 노즐은 압연기 중심선에 정점이 있는 포물선 경로를 따라 이 헤더에 배치됩니다. 또한 각 RTC 헤더는 유압 실린더로 회전할 수 있습니다. 분사 노즐 분포와 헤더 회전 각도의 조합으로 롤 중심을 가장자리보다 더 효율적으로 냉각하거나 그 반대의 경우도 가능합니다. 따라서 롤 배럴을 따른 냉각 구배를 통해 RTC 헤더의 적절한 각도 위치로 작업 롤 열 크라운을 효과적으로 제어할 수 있습니다. RTC 시스템 사용 결과는 (i) 정상 상태까지의 짧은 과도기, (ii) 효과적인 작업 롤 열 크라운 제어, (iii) RTC 보상에 필요한 벤딩 힘 감소로 더 많은 벤딩 힘을 스트립 크라운과 평탄도 제어에 사용할 수 있다는 점입니다.

그림 7 작업 롤 열 크라운 헤더와 롤 크로싱 시스템

작업 롤 및 백업 롤 크로싱

작업 롤 및 백업 롤 크로싱(플렉시블 크라운 및 프리 롤링)은 압연 스탠드를 위해 개발된 새로운 개념입니다. 이 개념은 압연 중 롤 크로싱과 시프팅을 가능하게 하여 매우 넓은 제어 범위 내에서 스트립 크라운을 연속적으로 조정하고 롤 마모를 독립적으로 제어할 수 있게 합니다. 목표는 초박판을 포함한 다양한 최종 용도에 필요한 광범위한 스트립 프로파일에서 가장 까다로운 제품 믹스의 스트립 프로파일 및 평탄도 제어 요구 사항을 충족하는 것입니다.

무한 또는 반무한 압연에서 초박판 생산에는 기존 구동 장치로 일반적으로 필요하고 달성되는 제어 범위보다 4~5배 더 넓은 최대 1,700마이크로미터의 매우 넓은 스트립 크라운 제어 범위가 필요합니다. 이러한 노력은 현재 사용 가능한 모든 기술의 한계를 극복하는 작업 롤 및 백업 롤 크로싱 스탠드 개발로 이어졌습니다. 이 스탠드는 롤 벤딩, 시프팅, 크로싱을 통해 롤 마모와 RTC의 변화를 독립적으로 제어할 뿐만 아니라 스트립 프로파일에 대한 압연 하중 효과도 제어합니다. 밀에 설치된 작업 롤 및 백업 롤 크로싱 시스템은 (i) 작업 롤 및 백업 롤 크로싱, (ii) 크로싱 각도의 동적 제어, (iii) 작업 롤 양성 및 음성 벤딩, (iv) 히스테리시스 없는 작업 롤 시프팅 시스템, (v) 압연 하중 하에서의 크로싱 및 시프팅, (vi) 크로싱과 시프팅의 독립적 사용이 가능합니다.

롤을 크로싱하는 것은 작업 롤에 볼록 크라운을 연삭하는 것과 동일한 효과를 스트립에 줍니다. 등가 롤 크라운 양은 Ceq = Se-Sc = (L2 tan2A) / (2(Dw + Sc))이며, 여기서 L은 배럴 길이, Dw는 작업 롤 직경, Sc는 롤 중심의 롤 갭, Se는 롤 가장자리의 롤 갭, A는 크로스 각도입니다. 크로싱 구동 장치는 벤딩 구동 장치와 함께 스트립 프로파일의 2차 및 4차 부분을 수정할 수 있습니다. 롤 크로싱은 밀 윈도우를 가로지르는 F자형 블록과 작업 롤 초크 및 백업 롤 초크가 슬라이드하는 진동 라이너에 의해 이루어집니다. 각 F자형 블록은 하우징 포스트 내면의 슬롯에 배치되며, 두 개의 특수 기계식 캠 타입 잭과 유압 밸런싱 시스템으로 슬롯과 결합됩니다.

작업 롤 및 백업 롤 크로싱 스탠드의 장점은 (i) 넓은 제어 범위 내에서 연속 조절 가능한 스트립 크라운, (ii) 압연 하중 하에서 시프팅을 통한 작업 롤 마모 분산 및 가장자리 마모 제어, (iii) 작업 롤 마모와 스트립 크라운 제어의 독립성, (iv) 균일한 백업 롤 마모, (v) 작업 롤과 백업 롤 간 균일한 접촉 압력으로 인한 백업 롤 수명 증가, (vi) 스케줄 프리 압연 능력, (vii) 열 크라운 제어의 높은 효율, (viii) 무한 압연을 위해 특별히 설계됨 등입니다.

기타 측면

기본적으로 열간 스트립 압연용 형상 제어 구동 장치는 형상 센서 출력을 기반으로 작동하고 제어됩니다. 따라서 고성능 구동 장치가 있어도 형상 검출 오류나 피드백 계산 오류로 인해 형상 오차가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 스트립 평탄도를 자동으로 기계적으로 보정하는 텐션 레벨러를 박판용 최종 마무리 장비로 채택할 수 있습니다. 또한 극박판에 대한 효과를 높이기 위해 극히 작은 곡률 반경을 가진 스트립 벤딩 헤드를 갖춘 하이드로 텐션 레벨러를 채택할 수 있습니다.

차속 압연기는 상단 롤과 다른 속도로 작동하는 하단 롤을 가지며 압연 힘을 줄여 생산성 향상에 기여합니다. (i) 최소 압연 두께 감소, (ii) 스트립 형상 개선, (iii) 미세 조직 크기 미세화 등의 이점을 제공합니다. 차속 비율을 가변적으로 만들면 압연 힘을 가변적으로 만들어 형상 제어 효과를 냅니다. 이러한 종합적 관점에서 차속 압연기는 유성 기어가 있는 차동 기어 시스템을 갖추고 있어 전체 장비 모터 출력을 증가시키지 않고 적절한 차속 비율을 선택할 수 있습니다.