3.4 조관공정
1) 개요
강관(Pipe)은 가스, 물, Oil, 증기 등의 액체의 수송 및 용기로 사용되는 길고 좁은 형체로서 흙, 시멘트, 목재, 납, 청동, 구리, 플라스틱, 알루미늄, 주철 및 강(Steel)으로 만들어지는데 일반적으로 강(Steel)이 가장 많이 사용된다. 또 제조원가가 싸고 강한 강도 유지뿐만 아니라 절단과 용접이 용이한것 외에 많은 장점이 있기 때문에 배관용, 구조용, 우물용, 유정관용, 전선관용, 등 용도는 광범위하다.
강관생산을 위한 첫 공정은 원자재인 열연강판(Hot Coil)을 규정한 폭으로 절단(Hoop Slitting)하는 작업이다. 그 다음은 형성롤(FormingRoll)를 거쳐 용접을 한 후 비드(Bead)를 제거하고 정형롤(Sizing Roll)에서 외경을 공차이내로 정형한다. 이후 정척으로 절단, 조관검사를 거치고 교정기에서 직선도를 교정한다. 관의 끝단면을 용도에 따라 수직(Plain)이나 경사(Bevel)지게 면취한 후 각 규격에 따라 그 압력을 조정실시하는 수압시험을 거친다.
2)강관 제조공정
가) 전기저항 용접법(ERW)
강대를 상온에서 조관롤(Roll)에 의해 관 상태로 성형하고 그 접합부를 전기저항에 의한 발열을 이용해서 용접, 조관하는 방법이다. 고주파 저항용접법, 고주파 유도용접법, 저주파 저항용접법, 직류저항 용접법, TIG용접법 등이 있다.
나 ) 단접법
강대를 약 1,400'c로 가열하고 연속식 단접기로 다이스(Dice)의 구멍을 통하여 인발하여 성형롤 (Forming Roll)에 의해 성형함과 동시에 양단을 롤(Roll)로써 압착시켜 제조하는 방법이다.
다) 스파이럴(Spiral)강관 제조공정
스파이럴용접관은 대구경관을 생산할 때 쓰이며 강대(Strip)를 나선형(Spiral)으로 감으면서 서브머지드아크 (Submerged Arc)용접하는 방법으로 외경을 마음대로 선택할 수 있고 강도가 높은 것이 장점이다.
라) UOE Press)법
외경 18인치 이상 대구 경관을 생산할 때 쓰이며 상온에서 U형 프레스(Press)로 U자형으로 구부린 다음 O형 Press에서 원형으로 성형하고 그 접합부를 내외면에서 용접하는 방법으로 서브머지드 아크용접(Submerged Arc Welding)을 하며 건설용으로 광범하게 사용된다.
마) 롤벤더(Roll Bender)강판 제조공정
롤벤더강관은 후판을 규격에 맞게 절단한 다음 용접할 부위 단면을 밀링 가공한 후 롤 벤딩기계로 원형상태로 성형한다. 원형상태에서 가접을 한 후 다음 내외면 용접을 실시 한 후 각종 시험을 거쳐 완성한다.
3) 무계목(무계목)강관(Seamless Pipe)제조공정
원주에 이음매가 없는 강관으로서 특수빌릿(Billet)에 구멍을 뚫은 다음 소재를 가열하여 압연과정을 거쳐 생산한다. 무계목강관은 건설, 건축, 기계구조용 및 화학, 석유화학 용으로 많이 사용한다.
1)특수강제조공정
가) 개요
국내특수강 조강류의 제조공정은 제강시 고철, 합금철, 부원료를 첨가하여 전기로 (Electic Arc Furnace) 및 전기에서 제강을 하는데 이 방법은 보통강을 생산하는 것과 동일하다. 그러나 특수강은 반드시 래들정련이나 진공탈탄장치를 거쳐 불순물을 아주 낮은 수준으로 제한하고 재질별 특성에 맞게 화학성분을 규격대로 맞춰야 하는 점이 보통강과 다르다. 정련이 모두 끝난 후 연속주조 또는 강괴주조를 통하여 블룸(Bloom) 및 강괴(Ingot)를 생산하게 된다. 블룸 및 강괴를 재질별 특성에 맞게 적정온도로 가열한 후 분괴압연이나 대형압연을 거쳐 빌릿 및 대형, 중형봉강을 생산하게 된다.
중대형 봉강은 정정 및 2차 가공을 거쳐 중장비 부품 단조업체나 실수요업체, 대리점등으로 판매된다. 연속주조나 분괴압연에 의해 생산된 빌릿은 다시 가열로를 거쳐 소형봉강이나 형강압연기를 통하여 제품을 생산하고 소형압연기에 갈라져 선재압연기를 거치면 바인코일(Bar in Coil), 와이어로드(Wire Rod)형태의 제품이 생산된다.
봉강은 열처리 및 2차 가공을 통하여 판매가 되고 선재는 열처리, 산세, 2차가공공정등을 통하여 주로 대리점이 자동차 부품생산업체, 볼트, 너트제조업 등으로 판매된다.
나) 제강공정
특수강 제강공정은 보통강과 비슷하나 합금원소 첨가 등으로 강의 고유 성질을 부여하기 위해 용해 및 정련시간이 많이 걸리는 특징이 있다. 따라서 철근, 형강 등 보통강에 비해 생산성이 낫다.
제강은 전로, 전기로, 평로에 의한 방법이 있으나 최근 평로는 세계적으로 자취를 감추고 있으며 국내에서는 포항제철의 전로 및 삼미특수강, 기아특수강, 강원산업, 서울제강 등 전기로 제강업체에서 특수강을 생산하고 있다.
전로제강법은 노(노)외정련기술의 발달 및 2차 정련의 보급과 노외 예비처리기술의 진보에 따라 전기로제강의 품질수준을 상회하는 고급강을 제조할 수 있다. 전로에 의해 제조 가능 한 특수강은 고탄소강, 기계구조용강, 고장력강, 규소강등 특수용도강에 이르기까지 범위가 넓다.
전기로 제강법은 노내에 일정량의 고철을 장입하고 전극봉을 이용하여 전기아크를 발생시켜 고철을 용해한다. 전기로 제강기술의 발달은 특수강업체가 선도하고 있으며 UHP(Ultra High Power :초고전력)에 의한 고능률조업 및EBT(Eccentric Bottom Tapping : 편심로저출강)출강, 진공조업을 통한 고청정강제조, 배가스를 이용한 고철 예열 기술 등이 시행되고 있다.
전기로에서 용해된 쇳물은 불순물이 많아 원하고자 하는 특수강의 성분이 대부분 미달인 상태이다. 따라서 별도의 용기 (래들: Ladle)에 받아서 불순물을 제거하고 성분을 조절하여 원하는 강을 얻어내는 과정을 거친다. 이것을 노외 정련이라 하며 특수강의 온도 및 화학성분의 엄밀한 관리, 용강내의 탈황 및 탈가스를 통한 고청정도 유지를 통해 고급특수강을 만든다.
노외정련법은 VD(Vacuum Degasing :진공탈가스), VOD(Vacuum Oxygen Deacarburization :진공탈환), AOD(Argon Oxygen Decarburization), (아르곤,산소 탈탄)등 진공탈가스 및 산소나 아르곤 가스를 이용하여 강의 불순물을 제거하는 여러가지방법이 있다. 최근에는 설비의 종류를 불문하고 특수강업체 뿐만 아니라 보통강업체에도 설치를 늘리고 있다.
최근 노외정련법은 몇 가지 새로운 정련원리를 구사하여 그것을 조합시켜 신기술로서 이미 고도로 발달하고 있는 상태이기 때문에 경제성에 큰 비중을 두고 있는 추세이다. 정련을 마친 용강을 응고시키는 방법으로는 일정한 모양의 주형에 부어 응고시켜 만드는 잉곳(Ingot)과 연속주조에 의한 블룸(Bloom)이 있다.
최근에는 연속주조방법의 발달로 잉곳주형이 거의 자취를 감추고 있으며 생산성 향상을 높이기 위해 연속주조기술개발이 꾸준히 진행되고 있다. 용강의 균일한 응고와 전자교반(Electro Stirring : EMS장치)에 의한 내부품질의 균일화로 고품질의 특수강 블룸 및 빌릿을 만드는 기술이 시행되고 있다.
다) 압연공정
특수강조강류 압연공정은 보통강 제조공정과 방법 및 기술적으로 상당한 차이를 보이고 있다. 제강공정에서 생산된 블룸 및 빌릿을 가열로에 장입하여 가열한 다음 압연기를 통해 일정규격의 제품을 압연, 냉각과정을 거치는 순서는 동일하나 다품종 특성상 세부적인 조업기술 및 설비면에서는 완전히 다르다.
가열로에서는 강종별로 소재의 적정 가열온도 유지 및 열효율을 극대화, 자동연소 제어를 통한 최적온도 유지가 중요하며 이를 위해 대차식보다는 워킹빔(Walking Beam)식이 주종을 이루고 있다.
압연라인은 분괴, 조압연(Roughing Mail),다듬질압연(Sizing Mill)등이 일렬로 연속 배열된 템덤(Tandem)방식이 대부분이며 분괴압연기에는 가열된 잉곳 및 블룸(Bloom):최대 370 480mm)을 빌릿(Billet : 규격160 160mm)으로 1차 압연한다.
수직수평(V.H)식 조압연기(Roughing Mill)는 여러대의 압연기를 수직, 수평으로 서로 엇갈리게 배치하여 비틀림 압연을 방지하고 인장응력을 제어한다.
봉강제품의 최종규격을 결정하는 다듬질 압연기는 3방롤방식과 V.H 방식이 있는데 3방롤방식은 국내 유일하게 삼미특수강이 채용하고 있으며, 3개의 롤(Roll)이 120도 각도로 배치되어 치수 정밀도 향상 및 고강성 제어압연이 가능하다. 특히 압연과 동시에 냉각온도를 자동조절 함으로서 열처리 효과도 누릴수 있는 압연방식을 적용하고 있다. 특수강업체에서는 대부분 봉강압연 후속라인에 선재압연라인을 두고 있으며 5.5mm이상의 선재를 생산한다. 선재압연기는 정밀압연기로 고속, 고강성, 연속제어압연이 가능한 설비가 주종을 이루고 있다.
선재압연을 거친 제품은 제어냉각대에서 다양한 제어냉각으로 조직을 개선하고 제조공정중에서 열처리를 시행하여 물성차를 개선한다.
2) 스테인리스강판 제조공정
가) 스테인리스강의 제조공정
스테인리스강판의 일관제조공정을 갖추고 있는 곳은 국내 포항제철밖에 없으므로 포항제철의 제조공정에 대하여 알아본다.
스테인리스강은 주성분으로(Fe)철 이외 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등 다량의 합금원소가 첨가되기 때문에 고가의 합금철이 대량으로 사용된다. 주로 사용되는 원료로는 스테인리스 고철, 훼로크롬(Fe-Cr), 훼로니켈(Fe-Ni),일반강 고철과 기타 합금철 이며,이러한 주원료들은 전기로에 장입하여 용해한다.
전기로는 고전류를 전극봉에 통전할 때 발생하는 전기아크(Arc)열을 이용하여 용해한다. 전기로에서 용해된 용강은 전련로에 장입하여 산소 취련을 실시하여 탈탄작업을 수행하며, 성분과 온도를 조정하기 위하여 합급철 등을 투입한다.
정련로에서 래들(Ladle)에 출강된 용강은 아르곤 가스(Argon Gas)에 의한 노저버블링(Bottom Bubbling)을 실시하여 용강온도를 균일하게 하고 용강중에 잔존하는 비금속게재물을 분리, 부상시킨다. 이외에도 합금철이나 냉각제를 투입하여 성분과 온도를 미세조정한다. 2차정련이 완료된 용강은 연속주조되어 슬래브(Slab)로 된다..
나) 스테인리스 열연 강판 제조공정
주로 생산하는 오스테나이트(Austenite)계의 경우 열간가공성이 일반강보다 불량하기 때문에 슬래브(Slab)는 가열로에서 숙열을 요한다. 따라서, STS304강의 경우 1,300'c정도의 분위기에서 200분동안 가열한 후 열간압연을 한다.
조압연에 의해 200mm두께의 슬래브(Slab)를 약 30mm정도의 바(Bar)로 만들며, 다듬질압연기를 거쳐서 2.0~8.0mm 두께의 흑피상태로 감는다. 압연폭은 800~1,600mm이며, Coil단중은 최대 23톤까지 생산이 가능하나 보통 15톤 수준이다. 특히, 마르덴사이트(Martensite)계와 일부 페라이트Ferrite)계 슬래브(Slab)의 경우 합금성분에 따른 조직 특성에 의해 가열로에 장입되기 전에 200'C이하로 냉각이 되면 슬래브(Slab)표층부에 균열이 발생되기도 한다. (그림 2-25 참조)
다) 스테인리스어닐링.산세공정
열연공장에서 열간압연된 흑피코일(Black Coil)은 어닐링산세공정으로 운반되어 어닐링과 산세공정을 거쳐 백피코일(White Coil)로 된다. 대부분의 백피코일(WITE Coil)은 열연제품으로 국내외 수요가에서 공급되고, 일부는 자가 냉연공장의 소재로 공급된다.
어닐링산세공정의 주요공정으로는 열연공정에서 운반된 코일을 수요가의 주문폭으로 코일의 양쪽 가장자리를 원형의 나이프(Knife)로 절단(Trimming)하는 CPL(Coil Preparation Line), 페라이트계와 마르겐사이트계 강종을 불황성 분위기에서 장시간 어닐링하는 BAF(BatchAnnealing Furnace), 오스테나이트계 강종을 연속어닐링하고 모든 강종의 스테인레스강을 산세하는 APL(Annealing & Pickling Line),코일의 표면에 발생한 결함을 제거하는 CGL(Coil Grinding Line), 최종제품을 평량하고 포장하는 CPE (Cpil Packing Equipment)등이 있다.
열간압연판에는 크롬(Cr)탄화물이 형성되어 있기 때문에 그대로 산세하게 되면 크롬(Cr)탄화물의 석출에 따른 크롬(Cr)결핍부가 산용액에 의해 부식을 받게 되어 표면이 거칠게 된다. 이 상태에서 냉간압연을 하게 되면 양호한 제품표면을 얻을 수가 있다.
STS 304강의 보통 탄소량은 0,03~0,08%정도에서의 1,000'c이상으로 가열하면 탄호물은 고용화된다.
라) 스테인리스 냉연강판 제조공정
스테인리스 냉연강판을 제조하는 설비에는 소재인 열연코일(Hot Coil)을 수요가가 요구하는 두께로 압연하는 냉간압연기 (ZRM :Sendzimir Mill)와 냉간압연된 강판을 열처리하여 용도에 맞도록 품질 특성을 부여하는 어닐링산세 설비(Apl :Annealing & Picking Line), 강판의 평탄도와 기계적 성질을 개선하는 조질압연 설비(SPM: Skin PASS mILL), 어닐링산세후 표면의 결함제거와 일반건축 내. 외장재 등에 사용하기 위해 강판을 연마하는 연마설비(CPL : Coil Polishing Line), 강판의 최적 평탄도 확보, Side Trimming 과 냉연코일 제품 생산을 위한 평탄설비(TLL : Tension Levelling Line), 박판,(Sheet)을 생산하는 절단설비(SHL : Shearing Line), 후프(Hoop)를 생산하는 절단설비(STL : Slitting Line)등의 설비에서 스테인리스 냉연제품이 생산되고 있다.
스테인리스는 보통강에 비해 가공경화가 크므로 같은 롤(Roll)경을 갖는 워크롤(Work Roll)로 압연하는 경우 금방 압연한계에 도달되며, 롤 직경이 작을 수록 압연가능 범위는 넓어진다. 최신압연기로 20단 Sendzimir Mill 의 롤 배치는 기존압연기와 거의 같지만 지지방법이 크게 다르다. 즉, 압연하중이 워크롤에서 중간롤 (Roll), 백업(Back up)베아링, 세드(Saddle)을 거쳐 일체구조인 하우징((Housing)에 전해지는 방법이다.
3.6) 제조부산물
1)슬래그(Slab)
- 매립, 도로포장등 골재 대체용, 시멘트 제조원료, 흑연원료 등으로 사용된다.
2)코크스(Cokes)
- 고로원료, 주물용원료, 소결용, 가탄제, 카바이트 제조, 성형탄원료 등으로 사용된다.
3) 화성품
- 유안 : 유안비료
- 유황 : 인산질 비료
- 타르 : 의약, 농약, 염료, 향료의 재료
- 조경유 : 농약, 경유, 향료의 재료
- 중결타르 : B-C유 대체원료
4) Gas류
- 연료용가스 : COG(Coke Oven Gas), LDG(Linz Donawitz Gas ), BFG(Blast Furnace Gas)
- 공업용가스: 질소, 아르곤, 수소, 기체산소, 액체산소
5)산화철
- 영구자석, 전자석, 페인트원료, 보도블록원료
6)아연류
- 페아연아노드: 아연다이캐스팅(Diecasting)
- 아연드로스 : 아연화
- 아연재(Ash):고료비료, 아연화
- 아연더스트 :고로비료, 아연화
7) 스팀(Steam)
- 전기로 진공탈가스조업, 난방용