열간 압연기에서 열간 압연 코일 생산의 핵심 요소

두께 200mm 이상의 연속 주조 슬래브를 사용하여 열간 압연 스트립을 만듭니다. 슬래브를 단 몇 밀리미터 두께의 시트/플레이트로 변환하는 것이 평판 강재 압연에서 가장 중요한 단계입니다. 작업은 열간 압연기(HSM)에서 수행됩니다. 열간 압연 코일은 취급과 운반이 용이하도록 코일 형태로 생산된 신장된 강판/플레이트(스트립)입니다.

요즘 열간 압연기는 재래식 열간 압연기이거나 연속 주조 박판 압연용 스트립 밀입니다. 재래식 HSM의 주요 기능은 반제품 슬래브를 압연 온도로 재가열한 다음 대형 모터로 구동되는 일련의 압연 밀 스탠드를 통해 더 얇고 길게 압연하고, 마지막으로 신장된 강판/플레이트(스트립)를 코일링하여 취급과 운반이 용이하게 하는 것입니다.

1960년대와 1970년대 기간 동안 HSM은 5~7개 조압연 스탠드를 갖춘 완전 연속 밀 또는 3/4 연속 밀로 설계되었습니다. 현재 밀은 1~2개 조압연 스탠드를 가진 반연속 설정으로 연간 300만 톤(Mt)~550만 톤 범위의 생산을 달성합니다.

스트립은 최대 25mm 두께로 생산됩니다. 열간 압연 코일은 코일러에서 내경 750mm, 외경 최대 2,600mm, 코일 중량 제한 폭당 최대 22kg으로 생산됩니다. 열간 압연 코일은 냉간 압연용, 더 작은 폭 코일로 슬리팅하거나 직선 길이 시트/플레이트로 전단하는 데 사용됩니다. 최근 몇십 년간 HSM에서 열간 압연 스트립 최소 두께가 1.8~2mm에서 0.8~1.2mm로 감소했습니다. 이러한 두께 스트립은 이전에는 냉간 압연기에서만 생산되었습니다.

HSM이 충족해야 할 여러 요구사항이 있습니다. 이 요구사항은 (i) 높은 밀 가용성과 높은 생산성 및 높은 수율, (ii) 낮은 유지보수, (iii) 낮은 에너지 소비, (iv) 엄격한 두께 및 프로파일 공차 충족으로 제품 품질 개선, (v) 짧은 납기와 경제적인 소량 롯트 압연을 보장하는 유연한 압연 스케줄입니다.

재래식 열간 압연기 기본 설비

재래식 열간 압연기의 기본 설비는 재가열로, 조압연 스탠드/스탠드들, 피니싱 스탠드, 스트립 가속 제어 냉각(ACC), 코일러입니다(그림 1). 조압연 스탠드/스탠드들을 떠난 슬래브는 연속적으로 피니싱 스탠드들을 통과하며 점진적으로 두께가 감소합니다. 강재가 얇아짐에 따라 더 길어지고 롤을 더 빠르게 통과합니다. 동일한 강재의 다른 부분이 각 스탠드 각 롤을 통해 다른 속도로 이동하므로, 이 공정은 각 스탠드 각 롤의 속도를 매우 정밀하게 컴퓨터 제어해야 합니다. 밀 끝에 도달할 때 강재는 최대 20m/초 속도로 이동할 수 있습니다. 긴 강재 스트립이 스트립 밀에서 나오면 코일링되어 냉각됩니다.

그림 1 열간 압연기 일반적인 레이아웃

스탠드 간 설비도 양호한 표면 품질의 열간 압연 스트립 생산에 매우 중요합니다. 중요한 스탠드 간 설비에는 (i) 진입 가이드와 출구 가이드, (ii) 작업 롤 냉각 시스템, (iii) 박리 방지 장치, (iv) 롤 갭 윤활 시스템, (v) 스탠드 간 냉각 및 탈피 시스템이 포함됩니다. 이 모든 설비의 긴밀한 상호작용이 최적 결과를 달성하는 데 필요합니다. 유압 폭 조절 기능이 있는 사이드 가드는 최소 시간 내 정확한 위치를 보장합니다. 스트립 가이드 영역은 모든 마모 부품을 빠르게 교체할 수 있도록 설계되었습니다.

노즐 최적 선택과 배열로 스탠드 간 냉각 효율이 향상됩니다. 롤 갭 냉각, 롤 갭 윤활, 개선된 출구 측 냉각 시스템 조합으로 롤 온도가 낮아집니다. 이는 롤 표면 산화층을 얇게 하고 작업 롤 박리를 줄입니다. 롤 갭 내부 윤활은 마찰을 최소화하여 압연 힘을 20~30% 감소시킵니다. 이렇게 하면 패스 스케줄 최적화와 더 얇은 최종 스트립 게이지를 위해 압연 힘을 재분배할 수 있습니다. 추가로 스탠드에서 채터링이나 진동이 방지되어 롤 수명이 연장됩니다.

열간 압연 코일은 코일 언코일링, 교정, 전단 라인에서 원하는 길이 직선 조각으로 전단하여 시트 또는 플레이트를 생산합니다. 이 시트 또는 플레이트는 폭이 두께의 몇 배 이상으로 식별됩니다. 길이와 폭이 두께의 100배 이상인 직사각형 단면을 가집니다. 시트는 두께 5mm 이하 직사각형 단면으로 정의됩니다. 5mm 이상 두께 길이는 플레이트라고 합니다.

HSM에서 압연되는 열간 압연 코일은 여러 강종입니다. 저탄소강, 고탄소강, 냉간 압연용 강재 같은 재래식 강종 외에도 특수강 열간 압연 코일이 HSM에서 생산됩니다. HSM은 라인 파이프강, DP(이상)강, TRIP(변형 유기 소성)강, HSLA(고강도 저합금)강, IF(간극 자유)강, 규소(Si)강 등 특수강 열간 압연 코일 생산 능력도 갖춰야 합니다.

현대 HSM은 일반적으로 (i) 고성능 설비, (ii) 정밀한 치수의 고품질 스트립 표면, (iii) 개선된 강재 기계적 특성, (iv) 높은 밀 및 설비 생산성, (v) 높은 가용 생산량, (vi) 낮은 생산 비용을 가집니다. HSM 피니싱 밀에서 두 연속 스탠드 중간에 배치된 유압 암인 루퍼가 중요한 작업을 수행하며, 그 목적은 스트립 장력을 일정한 값으로 유지하는 것입니다. 이 기계 시스템은 특히 불안정한 동역학을 가지므로 HSM에서 제어 문제가 까다롭습니다.

HSM에서 스트립 압연의 주요 목표 중 하나는 밀을 떠나는 스트립의 크라운과 평탄도 측면에서 최적 품질로 목표 두께를 달성하는 것입니다. 두께 감소 시 스트립 폭 전체에 걸쳐 일정한 압하율을 유지하여 스트립 중심과 가장자리 사이의 균일한 신율을 확보하는 것이 매우 중요합니다. 이 조건이 충족되지 않으면 내부 응력 상태가 발생하여 평탄도 결함(중심 버클 또는 물결 가장자리)을 유발합니다.

최근 몇 년간 강재 사용자 측에서 더 높은 수율, 공정 간소화, 자동화 필요성이 증가함에 따라 열간 압연 코일은 이러한 요구사항을 충족해야 합니다. 이 때문에 열간 압연 스트립 품질 요구사항이 더 엄격해졌으며, 강재 특성뿐만 아니라 두께, 폭, 평탄도, 프로파일 같은 치수 및 형상 요구사항에서도 더 높은 정확도가 요구됩니다.

압연 스트립 형상은 횡단면 프로파일(크라운)과 평탄도로 특징지어집니다. 스트립 형상 정확도는 열간 압연 스트립 품질을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 스트립 형상은 압연 스트립 시장 경쟁력을 결정하는 필수 요소입니다. 스트립 형상이 품질의 핵심 지표이므로 형상 제어 기술은 열간 스트립 생산의 핵심 기술입니다. HSM에서 압연 스트립 형상에 영향을 미치는 여러 요인이 있습니다. 그림 2는 스트립 중심 높이를 나타내는 스트립 크라운, 롤 국부 마모로 인한 하이 스팟, 에지 드롭을 포함하는 스트립 폭 방향 분포를 보여줍니다. 이러한 요구사항을 충족하기 위해 HSM에서 열간 압연 코일 압연을 위한 정교한 기술이 필요합니다.

그림 2 열간 압연 스트립 전형적 프로파일

슬래브 재가열

HSM에서 첫 번째 주요 작업은 슬래브 재가열입니다. 슬래브가 주조 구역을 떠날 때 900℃ 이상으로 뜨겁습니다. 슬래브는 슬래브 야드에서 대기하다 재가열로에 투입되며, 온도는 100~800℃ 사이에서 변동합니다. 이 슬래브를 온슬래브라고 합니다. 슬래브가 재가열로 투입 전 슬래브 야드에서 상온으로 냉각되면 콜드 슬래브라고 합니다.

재가열로 기술뿐만 아니라 운전도 중요합니다. 재가열로 운전은 금속 수율, 환경 배출, 비용에 매우 중요합니다. 슬래브를 열간 압연 코일로 압연하는 가변 비용의 약 30%가 연료 가스에 지출됩니다. 재가열로에서 슬래브 재가열 시 고온 슬래브 투입(핫 차지)하고 필요한 재가열 온도를 가능한 한 낮게 유지하면 연료 에너지 요구량이 크게 줄어듭니다. 후자는 HSM 압연 중 열 손실 감소로 달성됩니다. 복사 열 손실은 열 패널로 줄입니다. 탈피용 수분 분사 시 대류 열손실에도 주의해야 합니다.

재가열로에서 슬래브 재가열 관련 중요한 이슈는 (i) 재가열로에서 직접 화염 접촉으로 슬래브 표면이 산화되어 스케일 형성으로 인해 일반적으로 약 1% 물질 손실이 발생하고, (ii) 재가열로 관성이 크다는 것입니다. 슬래브 온도 변화에 따른 재가열로 운전 조정에는 시간이 걸립니다. 배출 온도는 점진적으로만 변경 가능합니다.

재가열로는 목표 진입 및 출구 피니싱 밀 온도에 대응하여 슬래브별로 배출 온도를 정밀하게 조정하는 데 적합하지 않습니다. 이러한 유연성 부족은 슬래브 재가열 시 단점입니다. 슬래브별 배출 온도 변경이 불가능하므로 연속 슬래브는 일반적으로 가장 높은 배출 온도가 필요한 슬래브를 수용할 수 있을 만큼 충분히 높은 온도로 가열됩니다. 이는 일반적으로 작은 두께로 압연될 슬래브(높은 열 손실) 또는 높은 마감 압연 온도 슬래브입니다. 결과적으로 순서상 다른 슬래브들은 필요한 것보다 더 높은 온도로 가열됩니다. 이는 슬래브에 과도한 에너지 투입을 초래할 뿐만 아니라 슬래브가 롤러 테이블에서 냉각 대기해야 하므로 생산 속도에도 영향을 미칩니다. 따라서 재가열로에서 에너지 지출이 있고 압연 능력 손실도 있습니다. HSM에서 재가열로의 이러한 유연성 부족을 극복하기 위해 제공되는 설비는 (i) 트랜스퍼 바 냉각, (ii) 유도 가열입니다.

열간 압연기 스트립 압연 기본 개념

HSM에서 스트립 압연 시 적용되는 기본 개념은 (i) 롤과 압연 소재 간 접촉 아크는 원의 일부, (ii) 마찰 계수는 이론상 일정하지만 실제로는 접촉 아크를 따라 변함, (iii) 압연 소재는 압연 중 소성 변형, (iv) 압연 전후 소재 부피 일정(실제로는 기공 폐쇄로 약간 감소 가능), (v) 롤 속도 일정 가정, (vi) 소재는 압연 방향으로만 연신되고 폭 방향 연신 없음, (vii) 압연 방향에 수직인 단면적은 왜곡되지 않음입니다.

HSM에서 스트립 압연 중 압연 공정에 영향을 미치는 주요 변수는 (i) 롤 직경, (ii) 야금, 온도, 변형률에 영향을 받는 소재 변형 저항, (iii) 소재 유동 응력, (iv) 롤과 압연 소재 간 마찰, (v) 스트립 평면 내 전방 장력 및/또는 후방 장력 존재입니다.

HSM에서 스트립 압연은 입측 소재, 기계 및 전기 설비, 운전 파라미터, 윤활, 자동화 및 제어 전략 등 다양한 요인이 제품 품질에 영향을 미치는 복잡한 공정입니다. 중요한 품질 매개변수는 소재 두께, 소재 형상 및 표면, 응력 분포 균질성입니다. 최적 비용 효율성과 소재 사용량 극대화를 위해 엄격한 두께 공차가 필요하며, 스트립을 최소 허용 두께에 최대한 가깝게 압연할 수 있게 합니다. 제품 품질은 기계, 전기, 계측 설비 및 제어 전략 솔루션이 잘 결합될 때만 효과적으로 최적화될 수 있습니다.

코일 생산 스케줄링 영향 요인

코일 생산 스케줄링에 영향을 미치는 여러 요인이 있습니다. (i) 제품 품질 사양, (ii) 공정 효율 표준, (iii) 생산성, (iv) 목표 납기일. 각 슬래브는 폭, 두께, 강종(화학 조성), 투입 온도, 배출 온도, 총 압연력(슬래브 두께 감소에 필요한 힘), 게이지(생산할 스트립 필요 두께) 등 여러 중요한 특성을 가집니다. 가장 중요한 제약은 네 가지 측면에서 부드러운 변화를 필요로 합니다. (i) 폭, (ii) 총 압연력, (iii) 게이지, (iv) 재가열로 체류 시간.

압연 스케줄 중요성

압연 스케줄은 HSM에서 스트립 압연에 결정적 역할을 합니다. 전통적으로 가장 중요한 요소는 마모와 열팽창으로 인한 밀 내 롤 프로파일 변화입니다. 이로 인해 '관짝(coffin) 스케줄'이 도출되는데, 좁은 것부터 시작하여 롤 열 크라운 증가에 따라 빠르게 넓은 소재로 늘리고, 롤 마모에 따라 점차 다시 좁은 것으로 돌아가는 것을 의미합니다.

압연 스케줄은 밀 능력에 중요한 영향을 미칩니다. 압연기 스케줄은 압하, 속도, 온도 스케줄을 포함합니다. 압하 스케줄은 압연 패스와 패스당 압하를 결정합니다. 속도 스케줄은 바이트 속도, 통과 속도, 모터 가감속 변화 없는 최대 압연 속도를 결정합니다. 온도 스케줄은 밀 하우스 온도 강하와 마감 압연 온도를 냉각수 유량으로 시작 압연 온도에 따라 제어합니다. 압연 스케줄에 중요한 이슈는 (i) 스트립 형상이 양호하고 크라운이 사양 요구사항 충족, (ii) 압연기 수율, (iii) 스트립 양호한 성능입니다. 압연 스케줄은 HSM에서 생산된 스트립이 스트립 치수, 종합 특성, 미세조직 요구사항을 충족하도록 보장해야 합니다.

작업 롤 수명과 성능

HSM 작업 롤은 극한 서비스 조건을 견뎌야 합니다. 재가열로 출구에서 슬래브 온도는 약 1250℃입니다. 압연 중 스트립 접촉으로 롤 표면이 50~80℃(정지 상태)에서 매우 높은 온도(초기 스탠드에서 500~600℃)로 단 1초 만에 상승하고, 수분 분사로 약 4초 만에 다시 80℃로 냉각됩니다. 이러한 열적 변화는 1~2mm 깊이에 영향을 미치는 심각한 열피로 사이클을 촉진합니다. 롤 표면이 가열될 때까지 종방향 및 원주 방향 압축 응력이 생성되며, 롤 표면이 소성 항복할 때까지(합금의 고온 항복 강도와 열팽창 계수가 이 점 결정) 계속됩니다. 사이클 냉각 반에서는 인장 응력이 생성되고 추가 항복이 발생합니다. 그림 3은 작업 롤 표면 열응력을 보여줍니다.

그림 3 작업 롤 열응력과 그 영향

작업 롤 열응력이 매우 높아 짧은 작업 기간 후 균열 패턴이 발생합니다. 이 균열은 초기 스탠드에서 롤 깊숙이 있지만, 마지막 피니싱 스탠드에서는 대부분 얕습니다(그림 3). 이 화염 균열은 롤 회전마다 작업 롤과 백업 롤 접촉에서 생성되는 높은 응력(헤르츠 응력 2,000MPa 이상)으로 인해 성장하고 분기합니다. 헤르츠 응력은 스트립이 밀 다양한 스탠드 롤과 접촉하며 냉각됨에 따라 압연 하중 증가와 함께 증가합니다.

또한 작업 롤 표면은 산화와 마모성 마모 공정도 겪습니다. 마모는 압연 압축 하중과 접촉각을 따른 롤-스트립 미끄러짐 조합, 특히 스트립 표면 산화 스케일 존재로 생성됩니다. 이 스케일은 외부층 Fe₂O₃, 중간층 Fe₃O₄, 내부층 FeO 3층으로 구성되며, 실온 평균 경도는 각각 1,000HV, 450HV, 350HV입니다. 또한 이 층 두께는 스트립 온도에 의존합니다. 조압연 스탠드(1,150~1,250℃) 하 스트립은 마모성 Fe₂O₃ 스케일 함량이 상당하며, 마지막 피니싱 스탠드(850~950℃) 하에서는 연질 FeO 스케일이 우세합니다. 이는 HSM 다른 스탠드에서 관찰되는 다른 마모 패턴의 주된 이유입니다.

또한 2~3분마다 차가운 스트립 선단부와 후단부와의 고속 충격이 발생합니다. 게다가 작업 롤은 압연 목 근처에서 최대값에 도달하는 벤딩과 비틀림 응력도 겪을 수 있습니다.

HSM 작업 롤 성능은 최소 롤 직경 도달 후 롤 폐기 시 mm당 압연 톤수에 의존합니다. 또한 각 롤 런 후 필요한 마모량 또는 드레싱 양에도 의존합니다. 런 종료 시 작업 롤 표면은 비파괴 검사 후 모든 결함(표면 균열)과 최외각 열화층을 제거하기 위해 연삭됩니다. 이후 롤을 다시 검사하여 밀에 장착합니다. 각 작업 롤 쌍은 최소 직경 달성까지 사용됩니다. 따라서 밀에서 압연 롤 거동 개선은 주요 비용 측면에 직접적 영향을 미칩니다. 이는 (i) 더 나은 스트립 품질(표면 및 형상), (ii) 더 높은 생산성(폐기 전 압연 톤수), (iii) 압연 롤 교체 횟수 감소 및 낮은 롤 재고, (iv) HSM 압연 롤 작업 조건 개선 때문입니다.

스트립 기계적 특성 개선 방법

스트립 기계적 특성 개선 방법에는 합금화, 열처리, 제어 압연, 가속 제어 냉각이 있습니다. 스트립 품질 개선에 가장 유망한 것은 제어 압연과 후속 가속 제어 냉각(ACC)입니다. ACC 동안 압연열로부터 열을 제거하여 스트립 뜨거운 표면에 냉각 환경(물)을 공급하여 냉각을 수행합니다. 이 경우 물 공급 방법과 스트립 표면 공급 속도가 스트립 최종 특성에 상당히 영향을 미칩니다.

ACC 시스템은 양면 라미나 유동 시스템으로 설계되며 라인 사이드 헤드 탱크 시스템을 포함합니다. 냉각 구역은 필요한 냉각 뱅크로 나뉘며, 더 빠른 냉각을 위한 집중 냉각 뱅크, 정기 냉각을 위한 일반 냉각 뱅크, DP강과 TRIP강 원하는 냉각 패턴과 코일링 온도 달성을 위한 미세 온도 제어 냉각 뱅크로 구성됩니다. 라미나 냉각과 에지 마스킹 시스템 조합으로 스트립 가장자리 과도 냉각을 방지하여 스트립 폭 방향 응력 차이를 최소화합니다.

자동화 및 제어 기술

슬래브에서 열간 압연 스트립으로 가공하는 HSM 여러 단계는 복잡하며 기계 및 자동화 기술을 포함합니다. HSM에서 스트립 열간 압연은 기계적 솔루션뿐만 아니라 적절한 제어 기술도 필요합니다. HSM 압연 공정은 레벨 0, 1, 2, 3 네 개 자동화 레벨을 포함하는 표준 소프트웨어 및 자동화 아키텍처로 제어할 수 있습니다.

지난 40~50년간 HSM을 위한 고급 제어 및 모델링 솔루션 사용은 다양한 방향으로 발전해 왔습니다. 이에는 (i) 1970년대부터 피니싱 밀에 제안되어 이제 일반 압연 스탠드와 하류 루퍼 또는 하류 코일러를 함께 제어하는 통합 도구로 간주되는 다변수 제어 기술 사용, (ii) 소재 온도와 압연 공정에 따른 소재 특성 예측을 위한 다양한 모델 개발 및 코일링 온도 조절 제어 적용, (iii) 마찰 현상 보상을 위한 고급 제어 기술 개발, (iv) 소재 평탄도와 프로파일 개선을 위한 모델 및 컨트롤러 개발, (v) 코블 발생 확률을 줄여 생산성 수준을 높이기 위해 최근 도입된 스티어링 제어 기술 개발 등이 포함됩니다.

밀 기계 및 유압 설비 고성능을 위해 신뢰할 수 있는 자동화 시스템이 필요합니다. 자동화 시스템은 밀 제약, 에너지 소비, 설비 열화, 밀 생산성을 고려하여 고품질 스트립 압연 스케줄을 계산하는 밀 세트업을 결정해야 합니다. 압연 스케줄은 밀에 고유한 변동성을 고려하여 압연될 각 슬래브별로 수학적 모델로 계산됩니다. 예를 들어 밀에 진입하는 두 구성 슬래브 간 가능한 온도 차이와 이 차이가 동일한 최종 두께 달성에 필요한 압연 힘에 미치는 영향, 또는 슬래브별로 작업 롤 마모가 겪는 것과 압연 중인 스트립 두께에 미치는 영향 등입니다.

자동화 시스템이 HSM 성능의 유일한 결정 요인은 아닙니다. 그러나 주어진 기계 및 전기 설비 구성에서 밀 잠재 성능은 고성능 제어와 자동화로만 달성됩니다. 자동화 시스템 기본 데이터에는 (i) 입측 슬래브 기하학적 및 물리적 데이터(치수 및 강질), (ii) 스트립 목표 데이터(두께, 폭, 온도, 프로파일 등), (iii) 밀 데이터 및 HSM 한계가 포함됩니다.

HSM에 적용되는 자동화 기술은 일반적으로 레벨 0, 1, 2, 3 네 단계로 나뉩니다(각각 레벨 0, 1, 2, 3이라고 함)(그림 4). 이 모든 자동화 레벨은 최고 성능 달성을 위해 계층적으로 협력해야 합니다. 밀 최고 생산성 수준을 위해 여러 제어 기술, 물리 현상 수학적 모델, 최적화 알고리즘이 밀에 구현되어야 합니다.

그림 4 열간 압연기 자동화 레벨

레벨 1 자동화 시스템과 액추에이터 레퍼런스는 밀 고유 변동성을 고려하여 압연될 각 스트립별로 수학적 모델로 계산됩니다. 예를 들어 밀에 진입하는 두 슬래브 간 가능한 온도 차이와 이 차이가 동일한 최종 스트립 두께 달성에 필요한 압연 힘에 미치는 영향, 또는 스트립별 작업 롤 마모와 스트립 두께에 미치는 영향 등입니다.

레벨 2 자동화는 슬래브 밀 진입부터 열간 압연 코일 생산되어 HSM을 떠날 때까지 스트립 추적에 특별히 주의를 기울입니다. 압연되는 모든 스트립 추적은 밀 전체를 통틀어 모든 스트립을 고려합니다. 이는 측정 획득을 가능하게 하고 밀 세트업과 적응이 실행되어야 하는 모든 작업을 관리합니다. 밀 세트업에 기여하는 세 가지 요소가 있습니다. (i) 압연 전략, (ii) 수학적 모델, (iii) 모델 적응.

레벨 3은 주로 열간 압연기 스케줄러 역할을 합니다. 밀 주문 장부를 가져와 일반적으로 100~200개 공작물로 구성된 라운드로 구성하며, 이는 밀에 개발된 스케줄링 규칙을 준수합니다. HSM 자체뿐만 아니라 업스트림 및 다운스트림 공정과 재고 구역도 고려합니다. HSM에서 사용되는 스케줄링 규칙은 본질적으로 압연기 글로벌 모델로, 스케줄러가 밀 설비 제약 조건 내에서 요구 품질 매개변수 달성이 가능하도록 라운드를 구성할 수 있게 합니다.