금속 압연에 대한 완벽한 가이드: 열간 압연, 냉간 압연, 평면 압연 및 형상 압연

현대 금속 가공에서는 구르는 매우 중요한 성형 공정입니다. 철강 생산에 널리 사용될 뿐만 아니라 알루미늄, 구리, 티타늄 등 다양한 금속의 가공에서도 핵심적인 역할을 합니다. 본 논문에서는 금속 압연의 정의, 역사적 발전 과정, 그리고 산업 제조에서 금속 압연이 차지하는 핵심 역할에 대해 간략하게 살펴봅니다.

1.0금속 압연이란 무엇인가?

야금공학에서 구르는롤 성형 또는 캘린더링이라고도 하는 이 공정은 금속 잉곳을 회전하는 롤 사이로 통과시켜 형상을 만드는 공정입니다. 작업 중 금속의 온도가 재결정점을 초과하면 이 공정을 열간 압연; 그렇지 않으면 다음과 같이 알려져 있습니다. 냉간 압연.

압연은 한 쌍 이상의 회전 롤을 사용하여 소재에 압축력을 가하여 두께를 줄이거나 단면 형상을 변형하는 금속 변형 기술입니다. 일반적으로 판, 막대, 스트립과 같은 긴 소재에 적용됩니다.

추천 독서:열간압연코일(HRC)이란?

1.1프로세스의 간략한 역사

압연 기술은 1500년대 후반 유럽에서 시작되었으며, 처음에는 귀금속 가공에 사용되었습니다. 산업 혁명의 도래와 함께 압연은 철강 산업의 주요 방식으로 빠르게 자리 잡았습니다. 20세기에는 현대식 압연기의 등장으로 생산 능력과 정밀도가 더욱 향상되어 압연 공정의 자동화 및 지능형 제조가 가능해졌습니다.

1.2롤링의 산업적 역할

모든 금속 성형 기술 중에서 압연은 지배적인 위치를 차지합니다. 업계 통계에 따르면, 모든 금속 소재의 약 90%가 생산 과정의 어느 단계에서 압연을 거칩니다. 압연은 금속 주조 잉곳을 강판, 강대, 봉재와 같은 사용 가능한 제품으로 변환하는 주요 방법입니다.

1.3열간 압연: 금속 압연의 첫 단계

실제 생산에서 압연 공정은 일반적으로 다음으로 시작됩니다. 열간 압연금속의 재결정 온도 이상에서 진행되는 열간 압연은 소재 내부의 거친 입자를 분쇄하고 미세화하여 기계적 성질, 밀도, 가공성을 향상시킵니다.

열간 압연을 통해 취성과 다공성을 가진 주조 구조가 치밀한 단조 미세 구조로 변형됩니다. 이 단계는 냉간 압연, 열처리 또는 정밀 가공과 같은 후속 공정의 견고한 기반을 마련합니다.

2.0플랫 롤링: 가장 기본적인 롤링 공정

금속 압연 작업에서 평압연 가장 일반적으로 사용되고 기본적인 형태입니다. 주로 금속 슬래브의 두께를 줄이면서 폭을 약간 늘리는 데 적용됩니다. 회전하는 상하 롤에 의해 균일한 압축력이 가해지기 때문에 이 공정은 일반적으로 평압연.

이 과정에는 몇 가지 주요 기술 매개변수가 포함됩니다.

• 초기 두께: h₀
• 최종 두께: h_f
• 롤스트립 접촉 길이: 엘
• 롤의 표면 속도: V_r
• 스트립의 진입 속도: V₀
• 스트립의 출구 속도: V_f

롤링 중에는 다음과 같은 것이 존재합니다. 중성점— 스트립의 속도가 롤의 표면 속도와 같아지는 접촉 호를 따라 위치. 이 지점은 접촉 영역을 "전방 슬립 영역"과 "후방 슬립 영역"으로 구분합니다.

평탄 압연과 관련된 주요 수학적 표현식은 다음과 같습니다.

초안 (두께 감소):
h₀ − h_f

최대 초안:
h₀ − h_f = μ²R

어디 μ 롤과 금속 사이의 마찰 계수입니다

그리고 아르 자형 롤 반경은

압연의 주요 목적은 두께를 줄이는 것이지만, 부피 보존의 원리 스트립 폭이 약간 증가하는데, 일반적으로 약 2%입니다. 체적 관계는 다음과 같이 표현됩니다.

h₀ × V₀ × w₀ = h_f × V_f × w_f
일반적인 가정: w_f ≈ 1.02 × w₀

이러한 근사값은 재료 흐름을 이해하고 압연 제품의 치수 정확도를 유지하는 데 중요합니다.

2.1롤링 힘 및 전력 분석

평압연 공정에서는 롤링 포스 장비 설계, 에너지 소비 및 공정 최적화에 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다. 이상적인 조건(마찰 무시)에서 압연력은 다음 공식을 사용하여 추정할 수 있습니다.

F=L×w×Y_avg F = L w Y_avg

어디:

• 에프: 롤링 힘
• 엘: 롤과 스트립 사이의 접촉 길이
• 와: 평균 스트립 폭
• Y_평균: 변형대의 평균 진응력

산업용에서는 롤 구동에 필요한 전력을 예측하는 것도 중요합니다. 압연 전력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

SI 단위(kW):

영국식 단위(hp):

어디 N 롤 회전 속도(RPM)입니다.

2.2압연력과 롤 변형을 줄이는 방법

압연력을 줄이고 롤 처짐을 최소화하기 위해 다음과 같은 여러 가지 공정 전략을 사용할 수 있습니다.

• 마찰계수 감소(예: 윤활)
• 접촉 면적을 줄이려면 더 작은 직경의 롤을 사용하세요
• 패스당 감소량을 줄이세요
• 압연 온도를 높여 재료 강도를 낮추세요
• 세로 스트립 장력(입구 후면 장력 및 출구 전면 장력)을 적용합니다.
• 그라인드 롤 크라운(일반적으로 중앙이 가장자리보다 약 0.25mm 더 높음)
• 롤 벤딩을 통한 시뮬레이션된 크라운 제어를 사용하여 중앙 돌출을 유도합니다.

3.0압연 공정 유형

평판 압연 생산에서는 일반적으로 초기 단계에 다음이 포함됩니다. 열간 압연, 잉곳 또는 연속 주조 빌렛을 변형 가능한 중간 제품으로 변환

• 꽃: 후속 단면 압연에 사용됨(예: I-빔, 레일)
• 투수판: 판재 또는 냉간 압연판 제조에 사용

기타 일반적인 압연 공정은 다음과 같습니다.

4.0일반적인 롤링 결함

평압연 공정은 매우 발달되어 있지만 실제 생산 중에 여전히 몇 가지 일반적인 결함이 발생할 수 있습니다.

• 표면 결함: 스케일, 녹 반점, 긁힘, 구멍 및 균열 포함
• 물결 모양의 가장자리: 롤 탄성 변형으로 인해 스트립 가장자리의 과도한 신장으로 인해 발생
• 센터 스플릿: 스트립 중앙 부분의 찢어짐은 종종 장력 조절 불균형으로 인해 발생합니다.
• 가장자리 균열: 재료의 연성이나 응력 집중이 부족하여 발생
• 악어링: 빌렛의 불균일한 내부 구조 또는 일관되지 않은 변형으로 인해 열린 턱과 유사한 파단 패턴

이러한 결함은 식별을 용이하게 하기 위해 그림으로 표현되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 교육 자료에서는 일반적으로 그림 13.8을 참조하는데, 그림은 다음과 같습니다.

대부분의 압연 결함은 공정 매개변수를 적절히 제어하고 온라인 검사 시스템을 활용하면 효과적으로 예방하거나 조기에 감지할 수 있습니다.

5.0압연 제품의 특성

압연 제품은 이후의 가공성과 최종 사용 성능에 직접적인 영향을 미치는 다양한 물리적, 기하학적 특성을 보입니다.

잔류응력: 압연 중 불균일한 소성 변형은 내부 응력을 유발하여 이후 가공 중 평탄도와 변형에 영향을 미칠 수 있습니다.

두께 허용 오차:

냉연판: 일반적으로 ±0.1~±0.35mm(약 ±0.004~±0.014인치)의 높은 제어 정밀도

평탄도 허용 오차:

냉간 압연: ±15mm/m(약 3/16인치/피트)

열간 압연: ±55mm/m(약 5/8인치/피트)

표면 거칠기:

열간 압연: 모래주조와 비슷한 표면조도

냉간 압연: 매끄러운 마감으로 전기 도금, 도장 및 기타 마감 공정에 적합

두께 지정: 일반적으로 "게이지 번호"를 사용하여 표현합니다. 숫자가 작을수록 시트가 두꺼워집니다(예: 10게이지는 20게이지보다 두껍습니다).

6.0일반적인 압연기 유형

압연 공정에 따라 각기 다른 유형의 압연기 구조가 필요합니다. 주요 분류는 다음과 같습니다.

• 2단 압연기: 가장 기본적인 유형으로 일반적으로 대략적인 작업이나 실험실 목적으로 사용됩니다.
• 3단 압연기: 상부, 중간, 하부 롤을 사용하여 공급 방향을 번갈아가며 조정하여 효율성을 향상시킵니다.
• 4단 압연기: 대형 백업 롤과 소형 작업 롤을 결합하여 강성과 치수 정밀도를 향상시킵니다.
• 클러스터(센드지미르) 밀: 소구경 작업롤을 지지하기 위해 여러 개의 백업롤을 채택하여 초박형 소재의 고정밀 냉간 압연에 이상적입니다.
• 탠덤 압연기: 연속적인 다중 패스 압연을 위해 순차적으로 배치된 여러 개의 스탠드로 구성되며, 대규모 냉간 압연 생산에 일반적으로 사용됩니다.

롤링은 부피 보존의 원칙을 따릅니다.
h₀V₀w₀ = h₁V₁w₁ = h₂V₂w₂ = … = h_fV_fw_f
실제로 제어는 종종 동등한 감소 또는 동등한 변형 전략을 통해 달성됩니다.
h₀ – h₁ = h₁ – h₂ = h₂ – h₃ = h₃ – h_f

7.0특수 압연 공정

금속 압연에는 평면 압연 외에도 다양한 부품 형상과 적용 요구 사항을 충족하기 위해 여러 가지 특수 형태가 포함됩니다.

• 모양 롤링: 슬래브는 홈이 있는 롤을 통과하여 I-빔, 채널 강철, 레일과 같은 복잡한 단면 형상을 형성합니다.

• 링 롤링: 그림 13.14에서 볼 수 있듯이, 링 모양의 블랭크는 두께를 줄여 직경을 늘립니다. 이 공정은 기어 링이나 베어링 레이스와 같은 부품에 널리 사용됩니다.

• 스레드 롤링: 볼트와 같은 나사산 패스너는 평다이 또는 롤링 다이를 사용하여 형성됩니다(그림 13.15 참조).
  절삭 공정과 달리 나사 압연은 곡물 흐름을 끊지 않습니다(그림 13.16 참조). 따라서 나사산의 강도와 피로 수명이 크게 향상됩니다.

• 튜브 롤링: 고정 맨드럴, 플로팅 맨드럴, 플러그 롤링, 필거 롤링이 포함됩니다(그림 13.18 참조).
  이 기술은 튜브 치수, 벽 두께, 표면 품질을 변경하는 데 사용되며, 스테인리스 강철 및 티타늄 합금과 같이 기계로 가공하기 어려운 소재에 특히 효과적입니다.

• 롤 피어싱(마네스만 공정): 견고한 원형 막대에 내부 구멍을 뚫어 심리스(seamless) 튜브를 생산합니다. 그림 13.17에서 볼 수 있듯이, 이 방법은 1880년대에 만네스만(Mannesmann) 형제에 의해 개발되었으며, 현대 심리스 파이프 생산의 기초가 되었습니다.

8.0결론

금속 압연은 현대 제조 분야에서 가장 널리 사용되는 금속 성형 기술일 뿐만 아니라, 대량 생산, 고정밀, 고효율 생산을 뒷받침하는 기초 공정이기도 합니다. 열간 압연에서 냉간 마무리, 평판 제품에서 실이나 링과 같은 복잡한 형상에 이르기까지, 압연의 다재다능함은 건설, 자동차, 항공우주, 에너지 산업 등 다양한 산업에서 필수적인 요소입니다.

점점 더 자동화되는 산업 환경에서 재료 흐름을 최적화하고, 제품 품질을 보장하고, 생산 비용을 절감하려는 엔지니어와 제조업체에게는 원리, 매개변수 및 잠재적 결함을 이해하는 것이 필수적입니다.

 

첨부된 자료 : PDF 금속 압연 공정