압연
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1. 개요
압연은 금속을 회전하는 롤러 사이로 통과시켜 두께를 줄이거나 형상을 만드는 금속 가공 공정이다. 압연은 금속의 온도에 따라 열간 압연과 냉간 압연으로 나뉘며, 열간 압연은 재결정 온도 이상에서, 냉간 압연은 재결정 온도 이하에서 이루어진다. 압연 공정에는 롤 벤딩, 롤 포밍, 평판 압연, 링 압연, 구조재 압연, 제어 압연, 단조 압연 등이 있다. 압연기는 작업 롤, 받침 롤, 압연 균형 시스템, 롤 교체 장치, 기계 보호 장치, 롤 냉각 및 윤활 시스템, 피니언, 기어링, 구동 모터, 전기 제어 장치, 코일러 및 언코일러 등의 구성 요소로 이루어져 있으며, 탠덤 밀과 같은 특수한 형태도 존재한다. 압연 과정에서는 두께 변화, 평탄도 및 형상 불량, 표면 결함 등의 결함이 발생할 수 있으며, 압연 기술은 고대부터 발전해 왔으며, 헨리 코트의 혁신적인 기술로 현대적인 압연 기술이 확립되었다.
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| 압연 | |
|---|---|
| 압연 (금속 가공) | |
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| 개요 | |
| 정의 | 금속을 압축하여 원하는 형태로 만드는 금속 가공 공정 |
| 작동 원리 | 회전하는 롤 사이로 금속을 통과시켜 압축 |
| 특징 | 금속의 결정립을 미세화하여 기계적 성질을 향상 대량 생산에 적합 다양한 형태의 제품 생산 가능 |
| 압연 공정 종류 | |
| 가공 온도 기준 | 열간 압연 냉간 압연 |
| 제품 형태 기준 | 평판 압연 형재 압연 관재 압연 선재 압연 |
| 압연 설비 | |
| 주요 설비 | 압연기 가열로 이송 장치 |
| 압연기 구성 요소 | 롤 하우징 베어링 구동 장치 |
| 압연 제품 | |
| 대표 제품 | 철판 강판 봉재 형강 레일 파이프 와이어 |
| 압연 관련 용어 | |
| 압하 | 롤 사이 간격을 줄여 금속을 압축하는 양 |
| 압연력 | 롤이 금속을 누르는 힘 |
| 마찰 계수 | 롤과 금속 사이의 마찰력 |
| 슬립 | 롤과 금속 사이의 속도 차이 |
| 역사 | |
| 초기 형태 | 수력으로 구동하는 2개의 롤을 사용 |
| 산업 혁명 | 증기 기관 도입으로 대량 생산 가능 |
| 현대 기술 | 자동화 및 제어 기술 발전으로 정밀 압연 가능 |
| 같이 보기 | |
| 관련 항목 | 단조 인발 압출 금속 가공 제강 |
| 압연 (금속 가공) | |
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| 정의 | |
| 일본어 | 金属を圧縮して所望の形状にする金属加工プロセス |
| 한국어 | 금속을 압축하여 원하는 형태로 만드는 금속 가공 공정 |
| 기본 원리 | |
| 작동 원리 | 回転するロールの間を金属を通過させ、圧縮する |
| 작동 원리 (한국어) | 회전하는 롤 사이로 금속을 통과시켜 압축 |
| 특징 | 金属の結晶粒を微細化し、機械的性質を向上 大量生産に適している さまざまな形状の製品を生産可能 |
| 특징 (한국어) | 금속의 결정립을 미세화하여 기계적 성질을 향상 대량 생산에 적합 다양한 형태의 제품 생산 가능 |
| 압연 공정 분류 | |
| 가공 온도 기준 | 熱間圧延 冷間圧延 |
| 가공 온도 기준 (한국어) | 열간 압연 냉간 압연 |
| 제품 형태 기준 | 平圧延 形鋼圧延 管圧延 線材圧延 |
| 제품 형태 기준 (한국어) | 평판 압연 형재 압연 관재 압연 선재 압연 |
| 압연 설비 | |
| 주요 설비 | 圧延機 加熱炉 搬送装置 |
| 주요 설비 (한국어) | 압연기 가열로 이송 장치 |
| 압연기 구성 요소 | ロール ハウジング ベアリング 駆動装置 |
| 압연기 구성 요소 (한국어) | 롤 하우징 베어링 구동 장치 |
| 압연 제품 | |
| 대표 제품 | 鉄板 鋼板 棒鋼 形鋼 レール パイプ ワイヤ |
| 대표 제품 (한국어) | 철판 강판 봉재 형강 레일 파이프 와이어 |
| 압연 관련 용어 | |
| 압하 | ロール間の距離を縮めて金属を圧縮する量 |
| 압하 (한국어) | 롤 사이 간격을 줄여 금속을 압축하는 양 |
| 압연력 | ロールが金属を押す力 |
| 압연력 (한국어) | 롤이 금속을 누르는 힘 |
| 마찰 계수 | ロールと金属の間の摩擦力 |
| 마찰 계수 (한국어) | 롤과 금속 사이의 마찰력 |
| 슬립 | ロールと金属の間の速度差 |
| 슬립 (한국어) | 롤과 금속 사이의 속도 차이 |
| 역사 | |
| 초기 형태 | 水力で駆動する2つのロールを使用 |
| 초기 형태 (한국어) | 수력으로 구동하는 2개의 롤을 사용 |
| 산업 혁명 | 蒸気機関導入により大量生産が可能 |
| 산업 혁명 (한국어) | 증기 기관 도입으로 대량 생산 가능 |
| 현대 기술 | 自動化および制御技術の発展により精密圧延が可能 |
| 현대 기술 (한국어) | 자동화 및 제어 기술 발전으로 정밀 압연 가능 |
| 같이 보기 | |
| 관련 항목 | 鍛造 引抜 押出 金属加工 製鋼 |
| 관련 항목 (한국어) | 단조 인발 압출 금속 가공 제강 |
| 압연 (금속 가공) | |
| |
| 개요 | |
| 정의 | 금속 재료를 회전하는 롤 사이로 통과시켜 압축하거나 늘여서 원하는 모양으로 만드는 금속 가공 공정 |
| 주요 목적 | 금속 재료의 단면적 감소 금속 재료의 형태 변화 금속 재료의 기계적 성질 개선 |
| 압연 방식 분류 | |
| 온도에 따른 분류 | 열간 압연 (재결정 온도 이상) 냉간 압연 (재결정 온도 이하) |
| 제품 형태에 따른 분류 | 평판 압연 (판재, 박판) 형재 압연 (H형강, I형강) 봉재 압연 (환봉, 사각봉) 관재 압연 (강관, 파이프) 선재 압연 (와이어) |
| 압연 설비 | |
| 주요 구성 요소 | 압연기 (롤, 하우징, 베어링, 구동 장치) 가열로 (열간 압연 시) 이송 장치 (롤 테이블, 컨베이어) 냉각 장치 (냉간 압연 시) 권취 장치 |
| 압연 관련 용어 | |
| 압하 | 롤 간의 간격을 줄여 금속 재료를 압축하는 양 |
| 압연력 | 롤이 금속 재료에 가하는 힘 |
| 롤 스크류 | 롤 간격을 조절하는 장치 |
| 마찰 계수 | 롤과 금속 재료 사이의 마찰력 |
| 텐션 | 압연 중 금속 재료에 가해지는 장력 |
| 압연 제품 | |
| 대표 제품 | 철판, 강판 형강 (H형강, I형강) 레일 파이프, 강관 봉재 와이어 |
| 압연 공정 특징 | |
| 장점 | 대량 생산 가능 다양한 형태의 제품 생산 가능 금속 재료의 기계적 성질 개선 높은 생산성 |
| 단점 | 설비 투자 비용이 높음 에너지 소모가 많음 |
| 같이 보기 | |
| 관련 공정 | 단조 인발 압출 금속 가공 |
2. 압연의 종류
압연은 가공되는 금속의 온도에 따라 열간 압연과 냉간 압연으로 분류된다.
- 열간 압연: 금속의 재결정 온도 이상에서 가공하는 열간 가공의 한 종류이다.
- 냉간 압연: 재결정 온도 이하에서 가공하는 냉간 가공의 한 종류이다.
2. 1. 온도에 따른 분류
압연 가공은 금속의 온도에 따라 열간 압연과 냉간 압연으로 나뉜다.- '''열간 압연'''은 금속의 재결정 온도 이상에서 가공하는 열간 가공의 한 종류이다.
- '''냉간 압연'''은 재결정 온도 이하에서 가공하는 냉간 가공의 한 종류이다.
2. 1. 1. 열간 압연
열간 압연은 재료의 재결정 온도 이상에서 일어나는 금속 가공 공정이다.[10] 가공 중에 결정이 변형된 후 재결정되면, 등축성 미세구조가 유지되고 금속이 가공 경화되는 것을 방지한다. 원료는 일반적으로 잉곳(ingots), 슬래브(slabs), 블룸(blooms), 빌릿(billets) 등과 같은 큰 금속 조각이다.
만약 이러한 제품이 연속 주조 공정에서 나온 것이라면, 제품은 일반적으로 적절한 온도에서 압연 공장으로 직접 공급된다. 소규모 작업에서는 재료가 상온에서 시작하여 가열되어야 한다. 이는 대형 소재의 경우 가스 또는 오일로 가열되는 소둔조에서 수행되며, 소형 소재의 경우 유도 가열이 사용된다. 재료가 가공됨에 따라 재결정 온도 이상으로 유지되도록 온도를 모니터링해야 한다.
안전율을 유지하기 위해 재결정 온도 이상의 ''완성 온도''가 정의되는데, 이는 일반적으로 재결정 온도보다 50°C에서 100°C 높다.[10] 온도가 이 온도 이하로 떨어지면 추가적인 열간 압연 전에 재료를 다시 가열해야 한다.
열간 압연된 금속은 일반적으로 기계적 특성이나 변형으로 인한 잔류 응력의 방향성이 거의 없다. 그러나 특정 경우 비금속 개재물이 약간의 방향성을 부여하고, 20mm 두께 미만의 소재는 종종 방향성 특성을 갖는다. 불균일한 냉각은 많은 잔류 응력을 유발하는데, 이는 일반적으로 I형강과 같이 단면이 불균일한 형상에서 발생한다. 완제품은 우수한 품질이지만, 표면은 고온에서 형성되는 산화물인 밀 스케일로 덮여 있다. 일반적으로 산세 또는 매끄러운 깨끗한 표면(SCS) 공정을 통해 제거하여 매끄러운 표면을 드러낸다.[21] 치수 공차는 일반적으로 전체 치수의 2~5%이다.[11]
열간 압연된 연강은 냉간 압연강보다 포함된 탄소의 양에 대한 공차가 더 넓은 것으로 보이며, 따라서 대장장이가 사용하기에는 더 어렵다.
열간 압연은 주로 강판 또는 레일과 같은 간단한 단면을 생산하는 데 사용된다.
2. 1. 2. 냉간 압연
냉간 압연은 금속의 재결정 온도(일반적으로 상온) 이하에서 이루어지는 가공 방법으로, 가공 경화를 통해 강도를 최대 20%까지 증가시킨다.[2] 또한 표면 조도를 개선하고 더욱 엄격한 허용 오차를 유지한다. 일반적인 냉간 압연 제품으로는 시트, 스트립, 막대, 봉강이 있으며, 이러한 제품은 일반적으로 열간 압연 제품보다 크기가 작다. 열간 압연재에 비해 소재의 크기가 작고 강도가 더 크기 때문에 4롤 압연기 또는 클러스터 밀이 사용된다.[2] 냉간 압연은 단일 패스에서 열간 압연만큼 소재의 두께를 줄일 수 없다.냉간 압연 시트 및 스트립은 ''풀 하드'', ''하프 하드'', ''쿼터 하드'' 및 ''스킨 롤링''과 같은 다양한 상태로 제공된다. 풀 하드 압연은 두께를 50% 줄이는 반면, 다른 방법은 그보다 감소량이 적다. 냉간 압연 강은 그 후에 어닐링되어 냉간 압연 강의 연성을 유도하며, 이는 간단히 ''냉간 압연 및 풀 어닐링''으로 알려져 있다. ''스킨 패스''라고도 하는 스킨 롤링은 감소량이 가장 적다(0.5~1%). 이는 매끄러운 표면과 균일한 두께를 생성하고 항복점 현상(후속 가공에서 뤼더스 밴드 형성 방지)을 줄이는 데 사용된다. 표면의 전위를 고정하여 뤼더스 밴드 형성 가능성을 줄인다. 뤼더스 밴드 형성을 피하려면 페라이트 매트릭스에 상당한 밀도의 고정되지 않은 전위를 생성해야 한다. 또한 아연 도금 강판의 스팽글을 분산시키는 데에도 사용된다. 스킨 롤링된 소재는 일반적으로 우수한 연성이 필요한 후속 냉간 가공 공정에 사용된다.
단면이 비교적 균일하고 횡단 치수가 비교적 작으면 다른 형태도 냉간 압연할 수 있다. 냉간 압연 형상은 일반적으로 사이징, 브레이크다운, 러핑, 세미 러핑, 세미 피니싱, 피니싱과 같은 일련의 성형 작업을 필요로 한다.
대장장이가 가공하는 경우, 더 매끄럽고 일관성이 있으며 낮은 수준의 탄소가 강에 포함되어 가공이 더 쉬워지지만, 비용이 더 많이 든다.[17]
2. 2. 기타 금속 압연
납을 위한 압연소는 17세기 후반에 존재했던 것으로 보인다. 구리와 황동도 18세기 후반에 압연되었다.3. 압연 공정
압연은 금속 가공 공정의 한 종류로, 다양한 세부 공정으로 나뉜다. 주요 압연 공정은 다음과 같다:
- 롤 벤딩: 판재나 강판을 구부려 원통형 제품을 만든다.[18]
- 롤 포밍: 긴 금속 스트립을 여러 롤 사이로 통과시켜 원하는 형태로 만든다.[1]
- 평판 압연: 직사각형 단면의 재료를 압연하여 판재나 박판을 만든다.[1]
- 링 압연: 링 형태의 재료를 압연하여 지름을 늘리는 특수한 공정이다.[21]
- 구조재 압연: 형강과 같은 구조재를 만든다.
- 제어 압연: 재료의 변형과 열처리를 통합하여 기계적 성질을 향상시키는 공정이다.[11]
- 단조 압연: 단조 공정에 사용될 재료의 형태를 미리 만드는 공정이다.[22]
3. 1. 롤 벤딩 (Roll Bending)
롤 벤딩은 판재나 강판으로 원통형 제품을 만드는 공정이다.[18]
3. 2. 롤 포밍 (Roll Forming)
롤 포밍은 긴 금속 스트립(일반적으로 코일형 강철)을 연속적인 롤 세트 또는 스탠드를 통과시켜, 각 롤에서 증분적인 굽힘 작업을 수행하여 원하는 단면 프로파일을 얻는 연속 굽힘 공정이다. 롤 포밍은 긴 길이나 대량의 부품을 생산하는 데 이상적이다.[1]
주요 공정에는 4롤, 3롤, 2롤의 세 가지가 있으며, 각각 출력 플레이트의 원하는 사양에 따라 서로 다른 장점을 갖는다.[1]
3. 3. 평판 압연 (Flat Rolling)
평판 압연은 출발 물질과 최종 물질 모두 직사각형 단면을 갖는 가장 기본적인 압연 방식이다. 재료는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 롤러(작업 롤) 사이로 공급된다. 두 롤 사이의 간격은 출발 재료의 두께보다 작아서 변형이 발생한다. 재료 두께의 감소는 재료의 신장을 초래한다. 재료와 롤 사이의 마찰은 재료가 밀려나가도록 한다.[1] 단일 공정에서 가능한 변형량은 롤 사이의 마찰에 의해 제한된다. 두께 변화가 너무 크면 롤이 재료 위로 미끄러져서 재료를 끌어들이지 못한다. 최종 제품은 두께가 6mm 미만인 판재이거나, 그 이상의 판재이다. 그러나 두꺼운 판재는 프레스를 사용하여 성형하는 경우가 많은데, 이를 단조라고 한다.종종 롤러를 가열하여 금속의 가공성을 향상시킨다. 윤활제는 가공물이 롤러에 달라붙는 것을 방지하는 데 자주 사용된다. 공정을 미세 조정하기 위해 롤러의 속도와 온도를 조정한다.[19]
두께가 200um 미만인 박판의 경우, 두께가 작기 때문에 직경이 작은 롤러가 필요하므로 클러스터 밀에서 압연을 한다.[10] 작은 롤러의 필요성을 줄이기 위해 여러 장의 시트를 함께 압연하는 패크 압연이 사용된다. 이는 유효한 초기 두께를 증가시킨다. 호일 시트가 롤러를 통과하면 원형 또는 면도날 모양의 칼날로 트리밍 및 슬리팅된다. 트리밍은 호일의 가장자리를 말하고, 슬리팅은 여러 장으로 절단하는 것을 의미한다.[19] 알루미늄 호일은 패크 압연을 통해 가장 일반적으로 생산되는 제품이다. 이는 두 가지 다른 표면 마감에서 알 수 있다. 광택면은 롤 측면에 있고 무광택면은 다른 호일 시트에 닿는 면이다.[20]
3. 4. 링 압연 (Ring Rolling)
링 압연은 고온 압연의 한 종류로, 링의 지름을 '''확대'''하는 공정이다. 두꺼운 벽을 가진 링 형태의 원재료를 아이들러 롤(idler roll)과 구동 롤(driven roll) 사이에 넣고 외부에서 압축한다. 압연이 진행되면서 벽 두께는 얇아지고 지름은 커진다. 롤의 형태를 조절하여 다양한 단면 형상을 만들 수 있다. 이 공정을 거치면 결정립 조직이 원주 방향으로 배열되어 재료의 기계적 특성이 좋아진다. 링의 지름은 최대 8m, 높이는 최대 2m까지 만들 수 있다. 링 압연은 철도 차륜, 베어링, 기어, 로켓, 터빈, 항공기, 파이프, 압력 용기 등 다양한 분야에 사용된다.[21]
3. 5. 구조재 압연 (Structural Shape Rolling)
다양한 형상의 구조재(형강)를 생산하는 공정이다.
3. 6. 제어 압연 (Controlled Rolling)
제어 압연은 제어된 변형과 열처리를 통합하는 열기계적 가공의 일종이다. 재결정 온도 이상으로 소재를 가열하여 열처리를 하므로, 후속 열처리가 불필요하다. 열처리에는 미세한 결정립 구조 생성, 다양한 변태 생성물(페라이트, 오스테나이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트)의 특성, 크기 및 분포 제어, 석출 경화 유도, 인성 제어 등이 포함된다. 이를 위해 전체 공정을 면밀히 관찰하고 제어해야 한다. 제어 압연의 일반적인 변수에는 원료의 조성 및 구조, 변형량, 각 단계의 온도 및 냉각 조건 등이 있다. 제어 압연의 장점은 기계적 성질 향상과 에너지 절약이다.[11]3. 7. 단조 압연 (Forge Rolling)
단조 압연은 가열된 봉재 또는 빌릿을 두 개의 반대 방향으로 회전하는 압연 롤 세그먼트 사이로 통과시켜 단면적을 줄이는 종방향 압연 공정이다.[22] 이 공정은 주로 후속 다이 단조 공정을 위한 최적의 소재 분포를 제공하여, 다이 단조 공정에서 더 나은 소재 활용도, 낮은 공정력, 더 나은 부품 표면 품질을 달성할 수 있게 한다.[22]기본적으로 단조 가능한 모든 금속은 단조 압연될 수 있다. 단조 압연은 크랭크축, 연결봉, 스티어링 너클 및 차량 차축과 같은 부품을 예비 성형하는 데 주로 사용되며, 목표 질량 분포를 통해 장축 빌릿을 만든다. 단조 압연으로는 가장 좁은 제조 공차를 부분적으로만 달성할 수 있어, 마무리 작업에는 거의 사용되지 않고 주로 예비 성형에 사용된다.[23]
단조 압연의 특징은 다음과 같다.[24]
- 높은 생산성 및 높은 소재 활용도
- 단조 압연 가공품의 우수한 표면 품질
- 연장된 공구 수명
- 소형 공구 및 낮은 공구 비용
- 전적으로 다이 단조된 가공품에 비해 최적화된 결정립 흐름으로 인한 기계적 특성 향상
4. 압연기 (Rolling Mill)
압연기는 압연 공정을 수행하는 기계 장치이다. 18세기 후반까지 압연소는 물레방앗간에서 동력을 얻었다. 증기기관을 직접 압연소에 사용한 최초의 기록은 1786년 존 윌킨슨의 브래들리 공장에서 볼턴과 와트사의 기관을 절단 및 압연소에 연결한 것이다.[7] 증기기관의 사용은 압연소의 생산 능력을 상당히 향상시켰으며, 1900년 직후 전동기에 의해 대체될 때까지 이러한 동력 방식이 사용되었다.[7]
현대 압연 기술은 영국 햄프셔 주 페어햄 근처 펀틀리 제철소의 헨리 코트의 선구적인 노력에 기인한다. 1783년, 헨리 코트는 철근 압연을 위한 홈이 있는 롤러 사용에 대한 특허를 받았다.[8] 이 새로운 설계를 통해 압연소는 해머를 사용했을 때보다 하루 생산량이 15배 증가했다.[9] 코트가 홈이 있는 롤러를 처음 사용한 사람은 아니었지만, 당시 알려진 다양한 제철 및 성형 공정의 여러 장점을 결합한 최초의 사람이었다. 따라서 현대 저술가들은 그를 "현대 압연의 아버지"라고 부른다.
최초의 레일 압연소는 1820년 영국 노섬벌랜드 주 베들링턴 제철소에서 존 버킨쇼에 의해 설립되었으며, 여기서 그는 길이 약 4.57m~약 5.49m의 물고기 배 모양의 단조 철 레일을 생산했다.[9] 압연소 기술의 발전과 함께 압연소의 크기는 압연되는 제품의 크기와 함께 급속도로 증가했다. 그 한 예로 1851년 런던에서 열린 만국박람회에서 길이 약 6.10m, 너비 약 1.07m, 두께 약 17.78cm, 무게 약 510.29kg의 강판이 컨셋 제철회사(Consett Iron Company)에 의해 전시되었다.[9] 압연소의 추가적인 발전은 1853년 중량 단면을 압연하는 데 사용된 3단 압연기의 도입으로 이루어졌다.
역사적으로 압연기는 생산되는 제품에 따라 다음과 같이 분류되었다.[26]
- 블루밍, 코깅 및 슬래빙 밀은 각각 완제품 레일, 형상 또는 판재를 압연하기 위한 준비 밀이다. 가역식인 경우 직경이 약 86.36cm~약 121.92cm이고, 3단인 경우 약 71.12cm~약 106.68cm이다.
- 빌릿 밀은 3단이며, 직경 약 60.96cm~약 81.28cm의 롤러를 사용하여 블룸을 약 3.81cmx약 3.81cm 빌릿으로 더욱 감소시키며, 바 및 로드의 준비 밀이다.
- 빔 밀은 3단이며, 직경 약 71.12cm~약 91.44cm의 롤러를 사용하여 약 30.48cm 이상의 무거운 빔과 채널을 생산한다.
- 롤러 직경이 약 66.04cm~약 101.60cm인 레일 밀.
- 롤러 직경이 약 50.80cm~약 66.04cm인 형상 밀은 더 작은 크기의 빔과 채널 및 기타 구조적 형상을 위해 사용된다.
- 롤러 직경이 약 40.64cm~약 50.80cm인 상업용 바 밀.
- 마무리 롤러 직경이 약 20.32cm~약 40.64cm인 소형 상업용 바 밀은 일반적으로 더 큰 크기의 조압 스탠드와 함께 배치된다.
- 마무리 롤러 직경이 약 20.32cm~약 30.48cm인 로드 및 와이어 밀은 항상 더 큰 크기의 조압 스탠드와 함께 배치된다.
- 소형 상업용 바 밀과 유사한 후프 및 코튼 타이 밀.
- 롤러 직경이 약 111.76cm~약 127.00cm이고 본체가 약 355.60cm~약 457.20cm인 장갑판 밀.
- 롤러 직경이 약 71.12cm~약 111.76cm인 판재 밀.
- 롤러 직경이 약 50.80cm~약 81.28cm인 강판 밀.
- 수직 및 수평 롤러 시스템을 통해 모서리가 네모난 또는 소위 유니버설 플레이트와 다양한 넓은 플랜지 형상을 생산하는 유니버설 밀.
4. 1. 구성 요소
압연기는 다음과 같은 공통적인 구조를 가지고 있다.[25]- 작업 롤(Work rolls)
- 받침 롤(Backup rolls): 압연 하중에서 굽힘을 방지하기 위해 작업 롤에 필요한 단단한 지지대를 제공한다.
- 압연 균형 시스템(Rolling balance system): 상부 작업 롤과 받침 롤이 하부 롤에 대해 적절한 위치를 유지하도록 한다.
- 롤 교체 장치(Roll changing devices): 오버헤드 크레인과 롤의 목에 부착되어 기계에서 제거하거나 기계에 삽입하도록 설계된 장치를 사용한다.
- 기계 보호 장치(Mill protection devices): 받침 롤 받침대에 가해지는 힘이 롤 목을 파손시키거나 기계 하우징을 손상시키는 정도가 아니도록 한다.
- 롤 냉각 및 윤활 시스템(Roll cooling and lubrication systems)
- 피니언(Pinions): 두 개의 스핀들을 통해 동력을 분배하고, 동일한 속도로 다른 방향으로 회전시키는 기어이다.
- 기어링(Gearing): 원하는 압연 속도를 설정한다.
- 구동 모터(Drive motors): 얇은 박판 제품에서 수천 마력까지 압연한다.
- 전기 제어 장치(Electrical controls): 모터에 적용되는 일정하고 가변적인 전압이다.
- 코일러 및 언코일러(Coilers and uncoilers): 금속 코일을 풀고 감는다.
슬랩은 열간 스트립 압연기 또는 판재 압연기의 원료이며, 블룸은 빌릿 압연기에서 빌릿으로 또는 구조용 압연기에서 대형 단면으로 압연된다. 스트립 압연기의 출력물은 코일로 감겨져 이후 냉간 압연기의 원료로 사용되거나 제작업체에서 직접 사용된다. 재압연을 위한 빌릿은 이후 상업용, 봉강 또는 선재 압연기에서 압연된다. 상업용 또는 봉강 압연기는 각형강, 채널, 보, 원형(장형 또는 코일형) 및 육각형과 같은 다양한 형상의 제품을 생산한다.
4. 2. 구성
압연기는 수행되는 압연의 특정 유형과 관계없이 공통적인 구조를 가지고 있다.[25]
| 구성 요소 | 설명 |
|---|---|
| 작업 롤 (Work rolls) | |
| 받침 롤 (Backup rolls) | 압연 하중 하에서 굽힘을 방지하기 위해 작업 롤에 필요한 단단한 지지대를 제공 |
| 압연 균형 시스템 (Rolling balance system) | 상부 작업 롤과 받침 롤이 하부 롤에 대해 적절한 위치를 유지하도록 하기 위한 것 |
| 롤 교체 장치 (Roll changing devices) | 오버헤드 크레인과 롤의 목에 부착되어 기계에서 제거하거나 기계에 삽입하도록 설계된 장치를 사용 |
| 기계 보호 장치 (Mill protection devices) | 받침 롤 받침대에 가해지는 힘이 롤 목을 파손시키거나 기계 하우징을 손상시키는 정도가 아니도록 하기 위한 것 |
| 롤 냉각 및 윤활 시스템 (Roll cooling and lubrication systems) | |
| 피니언 (Pinions) | 두 개의 스핀들을 통해 동력을 분배하고, 동일한 속도로 다른 방향으로 회전시키는 기어 |
| 기어링 (Gearing) | 원하는 압연 속도를 설정 |
| 구동 모터 (Drive motors) | 얇은 박판 제품에서 수천 마력까지 압연 |
| 전기 제어 장치 (Electrical controls) | 모터에 적용되는 일정하고 가변적인 전압 |
| 코일러 및 언코일러 (Coilers and uncoilers) | 금속 코일을 풀고 감기 위한 것 |
압연기는 다양한 구성으로 설계되며, 가장 기본적인 것은 단방향으로만 회전하는 두 개의 롤러를 가진 ''2단 비가역식''이다. ''2단 가역식'' 압연기는 양방향으로 회전할 수 있는 롤러를 가지고 있지만, 각 패스 사이에 롤러를 정지시키고, 반전시키고, 다시 압연 속도로 올려야 한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 ''3단'' 압연기가 발명되었는데, 이는 한 방향으로 회전하는 세 개의 롤러를 사용한다. 금속은 두 개의 롤러를 통해 공급된 다음 다른 한 쌍을 통해 반환된다. 이 시스템의 단점은 소재를 승강기를 사용하여 들어 올리고 내려야 한다는 것이다. 이러한 모든 압연기는 일반적으로 1차 압연에 사용되며 롤러 직경은 60cm에서 140cm이다.[10]
롤러 직경을 최소화하기 위해 ''4단'' 또는 ''클러스터'' 압연기가 사용된다. 작은 롤러 직경은 유리한데, 재료와 접촉하는 롤러가 적어 힘과 동력 요구량이 줄어들기 때문이다. 작은 롤러의 문제점은 강성이 감소하는 것이며, 이는 ''백업 롤러''를 사용하여 극복된다. 이러한 백업 롤러는 더 크고 작은 롤러의 뒷면에 접촉한다. 4단 압연기는 두 개의 작은 롤러와 두 개의 큰 롤러, 총 네 개의 롤러를 가지고 있다. 클러스터 압연기는 일반적으로 세 개의 계층으로 네 개 이상의 롤러를 가지고 있다. 이러한 유형의 압연기는 일반적으로 넓은 판재의 열간 압연, 대부분의 냉간 압연 응용 분야, 그리고 박판 압연에 사용된다.[10]
4. 3. 탠덤 밀 (Tandem Mill)
탠덤 압연기는 한 번의 통과로 압연이 이루어지는 특수한 유형의 현대식 압연기이다. 기존의 압연기는 여러 번 통과시켜 압연하지만, 탠덤 압연기에는 여러 개의 스탠드(2개 이상)가 설치되어 있어 연속적으로 감폭이 일어난다. 스탠드의 수는 2개에서 18개까지 다양하다.탠덤 압연기는 열간 압연기 또는 냉간 압연기 유형일 수 있다. 냉간 압연기는 다시 연속식 또는 배치식으로 나눌 수 있다.
연속식 압연기에는 루핑 타워가 있어서, 스트립 용접기가 현재 코일의 끝을 다음 코일의 앞쪽에 연결하는 동안 밀이 타워에서 스트립을 천천히 계속 압연할 수 있다. 압연기 출구에는 일반적으로 플라잉 셔어(용접 부근 또는 용접 지점에서 스트립을 절단하는 장치)가 있고, 그 뒤에 두 개의 코일러가 있다. 코일러 중 하나는 언로딩(코일을 풀어내는 작업) 중이고 다른 하나는 현재 코일을 감고 있다.
루핑 타워는 연속 열처리 라인, 연속 전해 주석 도금, 연속 아연 도금 라인 등 다른 곳에서도 사용된다.
5. 결함
압연 공정에서는 다음과 같은 다양한 결함이 발생할 수 있다.
- 두께 변화: 열간 압연 시 소재의 온도 불균형으로 인해 균열 및 파열이 발생할 수 있다.[10] 냉간 압연 시에는 백업 롤의 편심 및 원형도 불량으로 인해 두께 변화가 발생할 수 있다.
- 평탄도 및 형상 결함: 롤의 불균일한 압축과 원재료의 특성으로 인해 내부 응력이 발생하여 평탄도에 결함이 생길 수 있다. 롤 굽힘, 크라운 롤러, CVC, 쌍 교차 압연, 작업 롤 굽힘, 하중 감소 등의 방법으로 해결할 수 있다.[11]
- 표면 결함: 겹침, 밀링 시어링, 압연된 비늘, 딱지, 이음매, 조각 등의 표면 결함이 발생할 수 있으며, 이는 পরবর্তী 압연 전에 제거해야 한다.[28]
5. 1. 두께 변화
열간 압연 시, 소재의 온도가 균일하지 않으면 재료의 흐름은 온도가 높은 부분에서 더 많이 발생하고, 온도가 낮은 부분에서는 더 적게 발생한다. 온도 차이가 충분히 크면 균열과 파열이 발생할 수 있다.[10]온도가 낮은 부분은 재가열로의 지지대 등 여러 요인의 결과이다.
냉간 압연 시, 스트립 두께 변화의 거의 대부분은 열간 스트립 밀의 3번 스탠드부터 최종 제품까지 백업 롤의 편심 및 원형도 불량으로 인한 것이다.
백업 롤 편심은 스택당 최대 100μm에 달할 수 있다. 편심은 밀이 크리프 상태이고, 스트립이 없으며, 밀 스탠드가 페이스 아래에 있을 때 힘 변화를 시간에 따라 그래프로 나타내어 오프라인으로 측정할 수 있다.
1986년부터 2009년 생산 중단까지 블루스코프 스틸, 포트 켐블라의 5스탠드 냉간 밀에서는 수정된 푸리에 분석이 사용되었다. 각 코일 내에서, 스트립 1m당 출구 두께 편차에 10을 곱한 값이 파일에 저장되었다. 이 파일은 5m부터 60m까지 0.1m 간격으로 각 주파수/파장에 대해 개별적으로 분석되었다. 정확도를 높이기 위해 각 파장의 정수배(100배)를 사용하는 데 주의했다. 계산된 진폭을 파장에 대해 도시하여 스파이크를 각 스탠드의 백업 롤에 의해 생성된 예상 파장과 비교할 수 있었다.
밀 스탠드에 전기 구동 기계식 나사 대신 또는 추가로 유압 피스톤이 장착된 경우 해당 스탠드의 백업 롤 편심 효과를 제거할 수 있다. 압연 중에는 각 백업 롤의 편심이 롤 힘을 샘플링하고 각 백업 롤의 회전 위치에 해당하는 부분에 할당하여 결정된다. 그런 다음 이러한 기록을 사용하여 유압 피스톤을 작동하여 편심을 중화시킨다.
5. 2. 평탄도 및 형상 (Flatness and Shape)
금속 가공물의 평탄도는 기준면에서 얼마나 벗어났는지를 나타내는 중요한 특성이다. 완벽하게 평평해야 하지만, 실제로는 압연 과정에서 롤의 불균일한 압축과 원재료의 특성 때문에 내부 응력이 발생하여 평탄도에 결함이 생길 수 있다. 평탄도와 관련된 용어로는 형상이 있으며, 이는 재료의 평균 응력에 대한 미세한 변형/신장에 의해 유도된 응력의 횡 방향 분포를 의미한다. 평탄도와 형상은 밀접하게 관련되어 있어 서로 바꿔 사용할 수 있다.금속 스트립이나 시트의 경우, 평탄도는 가공물 너비에 걸친 미세 섬유 신장을 반영한다. 이러한 특성은 최종 변형 공정에서 금속 시트의 가공성을 보장하기 위해 정밀하게 제어되어야 한다. 평탄도의 피드백 제어에 대한 기술적 세부 사항은 [27]에서 확인할 수 있다.
프로파일프로파일은 크라운과 웨지로 측정할 수 있다.
- 크라운: 가공물 중앙의 두께를 가장자리의 평균 두께와 비교한 값이다.
- 웨지: 가공물의 한쪽 가장자리 두께를 다른 쪽 가장자리 두께와 비교한 값이다.
크라운과 웨지는 절대값(예: 2밀) 또는 상대값(예: 2%)으로 표현할 수 있다. 일반적으로 가공물에 약간의 크라운을 주는 것이 좋은데, 이는 가공물이 압연기의 중앙으로 당겨지게 하여 안정성을 높이기 때문이다.
롤 굽힘 문제압연 시 롤 사이에 균일한 간격을 유지하는 것은 어렵다. 압연에 필요한 힘 때문에 롤이 휘어지기 때문이다. 롤이 휘어지면 가공물 가장자리가 얇아지고 중앙이 두꺼워지는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 다음과 같은 방법들이 사용된다.
- 크라운 롤러(포물선 크라운): 특정 조건(소재, 온도, 변형량)에 대해서만 롤 굽힘을 보상한다.[11]
- 지속적 가변 크라운(CVC): 3차 다항식 곡선을 작업 롤에 연마하고, 작업 롤을 좌우로 이동시켜 롤 사이의 간격을 조절한다.
- 쌍 교차 압연: 평평하거나 포물선형 크라운이 있는 롤을 사용하고, 롤 끝부분을 각도로 이동시켜 롤 가장자리 사이의 간격을 조절한다.
- 작업 롤 굽힘: 롤 끝부분에 유압 실린더를 사용하여 롤 굽힘을 상쇄한다.
- 하중 감소: 종방향 힘을 가하거나, 롤 재료의 탄성 계수를 높이거나, 롤에 백업 지지대를 추가하여 롤에 가해지는 하중을 줄인다.[11]
평탄도 결함의 종류평탄도 결함은 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 대칭형 가장자리 파형: 소재 가장자리의 재료가 중앙보다 길어 양쪽 가장자리가 물결 모양이다.
- 비대칭형 가장자리 파형: 한쪽 가장자리의 재료가 다른 쪽보다 길어 한쪽 가장자리만 물결 모양이다.
- 중앙 버클: 스트립 중앙의 재료가 가장자리보다 길어 스트립 중앙이 물결 모양이다.
- 쿼터 버클: 섬유가 쿼터 영역(중앙과 가장자리 사이)에서 늘어나는 드문 결함이다. 과도한 롤 굽힘력을 사용할 때 발생할 수 있다.
평탄한 소재 생산소재의 너비 전체에 걸쳐 두께가 동일하더라도 평탄도 결함이 발생할 수 있다. 하지만, 높은 크라운이나 웨지가 있더라도 평평한 소재를 생산할 수 있다. 핵심은 소재의 너비 전체에 걸쳐 동일한 비율로 두께를 감소시키는 것이다. 소재가 줄어들면서 늘어나기 때문에, 너비 전체에 걸쳐 동일하게 늘어나면 압연기 입구의 평탄도가 출구에서도 유지된다.
5. 3. 표면 결함 (Surface Defects)
압연 과정에서 다음과 같은 다양한 표면 결함이 발생할 수 있다.[28]- 겹침(Lap): 모서리나 핀이 접혀서 압연되지만 금속과 용접되지 않아, 금속 표면에 이음매처럼 나타나는 결함이다.[29]
- 밀링 시어링(Mill-shearing): 깃털 모양의 겹침으로 나타나는 결함이다.
- 압연된 비늘(Rolled-in scale): 밀 스케일(mill scale)이 금속에 압연될 때 발생한다.
- 딱지(Scabs): 금속 표면에 압연된 느슨한 금속의 긴 패치이다.
- 이음매(Seams): 금속의 길이를 따라 이어지는 열린 균열선으로, 비늘의 존재와 조압연기의 조면도 때문에 발생한다.
- 조각(Slivers): 두드러진 표면 파열이다.
이러한 표면 결함은 이후 압연 전에 제거할 수 있다. 제거 방법에는 끌로 수작업으로 깎아내는 방법(18세기와 19세기), 공압식 끌과 그라인더를 이용한 파쇄 및 연삭, 산소-연료 토치를 이용하여 가스압으로 불꽃에 의해 용융된 금속이나 슬래그를 날려 보내는 연소 방법,[30] 레이저 스카핑 등이 있다.
6. 역사
초기 압연소는 기원전 600년경 중동과 남아시아에서 발견되었다.[3] 유럽에서 압연소의 발명은 레오나르도 다 빈치의 그림에 기인할 수 있다.[3] 가장 초기의 압연소는 슬리팅 밀(slitting mill)이었는데, 1590년에 현재의 벨기에에서 영국으로 도입되었다. 슬리팅 밀은 평평한 철막대를 압연기 사이로 통과시켜 철판을 형성한 다음, 홈이 있는 압연기(슬리터) 사이로 통과시켜 철봉을 생산하는 방식이었다.[4] 1670년경에는 주석판용 철을 압연하는 최초의 실험이 이루어졌다. 1697년 존 한버리 소령은 폰티풀에 밀을 세워 "폰티풀 플레이트", 즉 블랙플레이트를 압연했다. 이는 후에 다시 압연되고 주석도금되어 주석판이 되었다. 다만, 유럽에서 초기의 철판 생산은 압연소가 아닌 단조 공장에서 이루어졌다.
슬리팅 밀은 약 1679년에 특허를 받은 두 가지 방법을 통해 후프(통용)와 반원형 또는 기타 단면의 철을 생산하는 데에도 적용되었다.
압연소에 대한 초기 문헌 중 하나는 1761년 스웨덴의 엔지니어 크리스토퍼 폴헴의 저서 ''Patriotista Testamente''에서 찾을 수 있다.[5] 그는 이 책에서 판철과 봉강 압연소를 언급하며, 압연소가 동시에 10개에서 20개 이상의 봉을 생산할 수 있어 시간과 노동을 절약할 수 있다고 설명했다.
1759년 영국의 토마스 블록리에게 금속 연마 및 압연에 대한 특허가 부여되었다. 1766년에는 영국의 리처드 포드가 최초의 탠덤 밀에 대한 특허를 받았다.[6] 탠덤 밀은 금속이 연속적인 스탠드에서 압연되는 방식이며, 포드의 탠덤 밀은 와이어로드의 열간 압연용이었다.
참조
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