공업로기술/ 스텐레스 강 STRIP 광휘 소둔을 위한 소둔로
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스텐레스 강 STRIP 광휘 소둔을 위한 소둔로
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1. 스텐레스 강 STRIP 수직광휘소둔로(Vertical) 개요

세상의 수효열이 하이테크화 경박단소화를 지향하는 오늘 스텐레스 강 스트립의 분야에 있어서도 이들의 요구에 응할수 있는 기술을 개발하는 것이 급선무가 되고 있다. 스테레스 강 스트립의 압정기술은 이미 두께 10micron이 달성되어 더 한층5micron에 도전하고 있다.
이것을 광휘 열처리 하기 위해 연속 소둔로의 분야에 있어서도 여러 가지 생로운 기술이 시험되고 있다. 여기에서는 박물의 스텐레스 스트립을 열처리 하기 위한 제일의 수직 광휘 소둔爐를 소개한다.

(1) 스텐레스 광휘소둔로
스텐레스를 대기중에 소둔하면 그 표면에 탄화 스켈을 생성하고 소둔후 산세나 광택을 필요로 하는 것에 대해서는 연마 등의 후처리가 필요하게 된다. 당연한 것으로 이들의 후처리를 생략하고 소둔후의 표면이 소둔전의 그것과 같은가, 그것 이상의 광택을 나타낼 수 있는 소둔법의 요구가 높아졌다.
광휘소둔법은 상처를 적게하는 버티칼의 개발 jet cooler, 폐파, 데그리스 등의 신기술과 수소 내화물의 진보에 의해 급속히 발전했다. 광휘소둔은 소재를 소둔하고 또한 그 표면의 광택을 얻는것이기 때문에 문제점을 3개로 나누어 약간의 해설을 한다.
① 박판재의 소둔에 관한 문제
② 광택을 얻기 위한 분위기
③ 박판재의 소둔시의 형상에 관한 문제

1) 박판재의 소둔에 관한 문제
일반적으로 스트립의 연속광휘로에는 처리하는 재질과 로온 조건이 동일하면 판후에 한하지 않고 생산률 (판폭1m당 생산량을 좋게, 단위는 kgf/m-h으로 표현한다.) 일정의 조업을 할 수 있다.
결국 판후(GA) X line speed (LS) 의 크기가 일정하게 되도록 조업하면 열처리후에 얻어지는 기계적 성질도 거의 동일한 것이 된다. 예를 들면 스텐레스의 산화 소둔로(Annealing and pickling - AP)에는 판후 9mm의 것이 line speed 10m/min에서 처리할수 있는 로능력이면 판후 3mm의 것은 30m/min에서 처리할 수 있는 것이 된다.
여기에 실험용 광휘소둔로에서 sus 304 스텐레스 스트립을 소둔한 경우 판 후가 얇게 될수록 결정 알의 성장이 느린 것을 알 수 있다. 바꾸어 말하면 결정알을 동일하게 하기 위하여는 얇은 스트립이 될수록 생산 율을 저하시키지 않는 것을 얻고 싶은 것이 된다.
여기에 계속해서 행한 실험에서는 결정 알맹이 정도를 ASTM 규격의 N08로 하기 위해서는 판 후 0.1mm의 생산률은 판후 0.3mm의 그것에 비해 30~40%저하하는 결과가 나왔다. 판 후 0.05mm(50micron)의 것은 더욱더 약 50% 저하했다.


실기로에 있어서도 거의 이것과 같은 모양인 결과가 얻어지지만 약간의 스트립의 압정시의 압하율이나 표면의 방사율에 따라 변하는 것이 있다. 따라서 박물 스텐레스 소둔로의 능력을 계획함에 있어서는 이것을 인식하여둘 필요가 있다.

2) 광휘를 얻기 위한 분위기
雰圍氣爐에서 광휘 열처리를 행함에는 다음과 같이 재질, 온도 및 분위기중의 수분과 수소 량이 관계한다.
①재질
처리재가 보통 강이면 용이하게 탄화(Feo)되지만 반면 간단히 환원되므로 표면은 광휘되기 쉽다. 그러나 스텐레스 강은 Cr을 함유하고 있으므로 좀처럼 탄화(Cr203)되지 않지만 환원도 되기 어려우므로 광휘가 되기 어렵다.
②온도
가열온도가 낮으면 환원력이 저하한다. 예를 들면 스텐레스 강의 탄화물(Cr203)은 수소가스 중에서 로점-60℃와 동일조건에서라도 1000℃에서는 더욱더 탄화가 진행된다.
③수분량(로점) D.P(dew point)
수분량이(로점이 높다) 탄화된다. 이것은 수분이 많으면 수분이 고온에서 강에 닿아 H2와 O2로 분해하여 이 O2에서 탄화하기 때문이다. 표면의 탄화한 스텐레스 강은 수소가스의 로 점이 -38℃보다 높으면 탄화가 더욱더 진행하는 것이 된다.
SUS 304의 소둔(정확히는 고용화 열처리라고 한다)로서는 -50℃의 로점이 필요하다. 수소 농도는 높을수록 환원력이 강하다. 스텐레스 소둔로로 이용되는 분위기 가스는 수소와 질소의 혼합가스이지만 일반적으로는 원가가 싼 암모니아 분해가스(H2 75% + N2 25%)가 가장 많이 사용되고 있다.

3) 박판재의 소둔시의 형상에 관한 문제
스텐레스 스트립의 광휘열처리는 가열 냉각속도를 빨리 할 필요가 있고 연속로에는 핡힌 상처, 꺾임, 인와 등의 발생에 의한 문제가 있고 특히 박물이 되면 이 발생 빈도가 많게 된다.
이들의 발생원인은 원판의 압정시의 문제나 로내의 탄력의 문제 또 가열, 냉각의 문제가 복잡하기 때문에 균형잡히어 발생하고 있다고 생각된다.以下에 개개의 요인에 대해 진술한 것으로 한다.

①로내장력
일반적으로 로 내에서의 과대 팽창에 의한 변형의 경향을 판후, 판폭 및 가열온도에 따라 달라진다. 예를들면 알미늄 스트립의 연속 소둔로의 경우는 A점(0.5mm(t) x 1800mm(w) -580℃가열)에서 30psi(0.02kgf/mm2)이하에서 낮을수록 구김살이 발생하기 어렵다.
(0.1mm(t) x 1000mm(w) -350℃ 가열)에서 3000psi 2.1kgf/mm2)에서도 변형하지 않는다. 다만 이들의 가격은 원판의 형상에 의해 상당히 변동하고 tension라베라를 통한 재료로서는 상당히 큰 긴장력을 더하여도 변형은 발생하지 않는다. 게다가 板厚이 판폭 방향에서 변형하고 있는 경우는 응력의 불균일분포와 응력 집중에 의한 변형은 조장된다.
실제의 광휘소둔로에 있어서 로내장으로서는 로장이나 판후, 판폭에 따라 변하지만 unit tension으로하여 대략 0.2 ~0.34kgf/mm2의 치를 채용하고 있다.

②가열에서 냉각에의 이행시의 문제
재료폭 방향의 열팽창은 완전한 자유 팽창이라면 변형과 직접적으로 결부되는 것은 없지만 연속로의 경우는 장력에 의한 포동이 파해지지 않는 이것이 구김살의 원인이 된다.
특히 가열 완료 후 냉각에 이행하는 포인트는 중요하다.이 포인트는 가열이 완료된 것이고 열팽창량 4w가 최대이고 또한 판의 내력이 가장 낮은 것이다.
여기에서 長力T에 의해 판폭 방향에 발생한 力F를 받으면 판 자체에 저항력이 없으면 '구김살'이 발생한다.이 구김살의 발생도는 박판이 될 수록 판의 견디는 힘이 작게 되기 때문에 증가한다. 또 급히 냉각할수록 판의 수축율이 크게 되고 작용력 F가 크게 되므로 발생도는 증가하는 것이 된다.



박판을 처리하는 광휘소둔로에서느 가열대의 출구와 냉각대의 사이에 서냉대를
설치하고 냉각속도를 늦게 하도록 공부하고 있다.

③냉각대의 냉각방법
분위기 가스에 의한 대류냉각의 방법으로서는 크게 따라서 2개의 방법이 있다.
1) 가스 JET 냉각법: 판의 양면에 있는 NOZZLE에서 고 속의 냉각가스를 판에 충돌시켜 냉각하는 방법으로 냉각 효과가 크다.
2) 평행 냉각법: 판의 진행방향과 평행으로 냉각가스를 흘려 냉각시키는 방법으로 냉각효과는 조금 떨어진다.
열처리 판의 두께가 두껍고 처리량이 큰 로에서는 가스 JET를 채용할수 있지만 판 후이 극박하게 되면 가스 JET에서는 가스의 충돌력에 의해 판에 "꺾임"이 발생하므로 마스후로 냉각을 채용하고 있다. 板厚이 0.1mm이하가 되면 마스후로 냉각이 바람직하지만 가스 JET를 채용하고
있는 로에서 이것을 통판 시키는 것으로는 가스 JET의 풍속을 극단적으로 떨어뜨리고 평행에 가까운 상태로 할 필요가 있다.

2. UP HIT TYPE 제일의 형광휘소둔로


스텐레스 스트립의 연속 광휘소둔로에는 크게 다르고 수직과 수평의 형이 있고 각각 장점, 단점이 있고 이중에 제일의 형로의 주요한 특징을 이하에 적는다.

(1) 수직 형로의 특징
1) 한 개의 수직의 PASS중에서 가열 냉각이 완료하기 위해서 수평로와 같은 스트립 사포트 ROLL를 필요로 하지 않는다. 이 때문에 ROLL에 의한 접곡상이 발생하지 않고 ROLL 수리 보수가 필요로 하지 않는다.
2) 수직의 형로는 그 DRAFT 효과에 의해 로내압은 최하단에 있는 入,出口의 SIL부가 가장 낮고 상부가 될 수록 높게 된다.
3) MUFFLE TYPE의 경우 수평의 MUFFLE의 단면 방향의 열변형을 억제하는 목적 으로 스텐레스판에 파형가공을 행하는 경우가 많지만 수직형의 MUFFLE은 스트레이트의 원통이 좋다. 수직형의 MUFFLE의 COST는 이와 같은 파형가공을 한수평 MUFFLE은 제작비용을 절감하는 MERIT가 있다.

(2) 수직형로의 분류
수직에는 UP HIT TYPE과 DOWN HIT TYPE이 있고 이 2개의 TYPE을 비교한다. UP HIT TYPE로는 STRIP은 하단의 가열대부터 상부의 냉각대와 위를 향함(UP)으로 진행하는 TYPE이고 DOWN HIT TYPE는 가열대와 냉각대의 배치가 UP HIT의 반대로 STRIP은 아래로 향해서 진행하는 TYPE이다.
UP HIT TYPE의 특징은 광휘성에 있어서 가장 중요한 서냉대, 냉각대가 가열대와 출측 슈트의 중간에 위치하고 있기 때문에 만일 실성에 문제가 있어도 로압이 높아 안정되기 때문에 공기에 따른 산화의 영향을 받기 어렵다. 이것에 반해 DOWN HIT TYPE는 냉각대가 출구실과 근접하고 있기 때문에 공기의 침입이 있으면 서서히 산화시키는 염려가 있다.

(3) 설 비 개 요
UP HIT TYPE 수직 광휘 소둔로의 설비개요를 STRIP의 진행순서에 따라서 설명한다. 본 로의 통판 STRIP은 최소두께 0.01mm(10미크롬) 최대 판폭은 650mm이다.

1) 입구실
STRIP의 변형에 관해서 로내장력을 낮게 할 필요가 있는 것은 앞에 서술했지만 입구실에서 STRIP를 구속하면 그 장력이 UP하기 때문에 주의를 요한다. 본 로는 순모의 FELT실을 사용하고 있지만 FELT의 STRIP에 로의 누르는 힘을 극력 작게 하고 또한 분위기 가스의 유출을 적게 하도록 특별한 연구를 하고있다.

2) 가열대 및 MUFFLE
근년 시즈닝 시간의 단축과 제품 품질의 향상을 위해 가열대는 MUFFLE을 설치한 간접 가열방식을 채용하는 경우가 많다. MUFFLE은 1100℃이상으로 장기간 사용에 견딜 필요가 있고 그 재질의 선정은 물론 구조적으로도 충분한 배려가 필요하다.
수직형로에 있어서의 MUFFLE은 그 최상부를 고정하고 있을뿐인 아래로 매다는 TYPE 때문에 열팽창과 크리프 신장은 어떤 구속도 없이 자유로 아래로 놓칠수가 있다. 그러므로 MUFFLE은 고온과 자중 때문에 냉각ZONE과 사이에 완충SYSTEM을 채용했다.

3) 서냉대
박판재의 소둔시의 형상에 관한 문제에서도 서술했지만 STRIP의 변형(특히 시와)에 대해서는 가열대에서 나온 STRIP을 극력 차분한 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 그러나 광휘로에 관해서는 Cr은 온도가 내려감에 따라 산화되기 쉽게 되기 때문에 극력 냉각속도를빠르게 해서 산화 피막의 성장을 억제할 필요가 있다.
이 상반하는 문제점을 현실적으로 처리하기 위해서 서 냉대의 냉각 속도에 가역성을 가지게 하고 있다. 예를 들면 냉각속도를 30℃/s - 60℃/s로 판후, 판 폭에 의해 조절하고 있다.

4) 냉각대
냉각대 전반부에 있어서의 STRIP의 온도는 아직 비교적 높고, 과대한 냉각을 가하자 변형하는 영역이고 후반부에서는 식어서 내력도 회복하고 있기 때문에 너무 변형을하지 않고 강한 냉각을 가해도 좋다.이를 위해 냉각대는 전반부와 후반부의 2대에 나누어 배려를 요하는 전반부에는 다음과 같은 기술을 첨가하고 있다.
① STRIP 안전장치
STRIP의 카누잉이 일어났던 경우와 가스제트 냉각을 채용하고 있는 경우에서의 풍압의 차와 도망가는 바람에 의한 흡인작용의 차잉서 발생하는 바타치키, 치이스트 등이 일어나고 로내 금물과 접촉해서 상처가 발생하는일이있기 때문에 무엇인가의 STRIP 안정장치가 필요하다. 비접촉식의 프렛샤팟드를 채용하고 필요에 응해서 접촉식의 가이드롤을 채용하고 있는 경우도 있다.
② 판폭 방향, 풍량 조절
이 기구는 가스젯트 노즐의 중앙부와 그 양단부를 분리하고 각각의 토출가스풍을 조절할 수 있도록 한 것이다. 이것에는 판폭 방향의 온도의 균일화를 확보하고 변형을 방지하는 것과 바람의 힘에 의해 판의 변형을 수정하는 것이 있다.
③ 텐퍼 쿨(TENPER COOL)
고온의 판을 냉각할 경우 판의 변형을 발생시키지 않기 위해 균일한 냉각을 할 필요가 있지만 일반적으로 판의 온도와 냉각가스의 온도의 차가 큰 만큼 판 폭 방향의 온도차는 크게 된다.
이것을 막기 위해 판과 냉각가스의 온도차를 적게 하고 조용한 냉각을 하는것을 TEMPER COOL이라고 하고 이것을 실현하기 위해 바이파스 COOLER 방식을 채용하고 있다.

5) TOP롤 및 TOP몰실
냉각대 출구에서 약 80℃로 냉각된 STRIP은 로 정부의 2개의 TOP ROLL에서 TUM하고, 출측 슈트에 들어간다. 스텐레스 수직 광휘 소둔의 경우 1개의 바스 중에서 1100℃로 가열되고 또 상온까지 냉각되기 때문에 이상하게 심한 온도 변화를 받는다.이 사이 사행이 발생하는 것도 있다.
이를 위해 입축의 TOP ROLL에는 사행을 수정하기 위한 kWKDCL를 설치하고 있다. 또 수직 DOWN HIT의 경우의 TOP ROLL실은 가열대의 직상에 있고 열의 영향을 받기 때문에 수냉 자켓트 구조로 할 필요가 있지만 UP HIT TYPE은 TOP ROLL실이 냉각대의 위에 있고 수냉의 필요가 없이 수리 보수가 용이하다.

6) 출측 슈트
출츨슈트의 목적은 다음 두 점이다.
① 냉각대와 출측실 간의 가스의 완층대로서의 역할이 있고, 만일 출측실로 부터 공기가 침입해도 STRIP에 직접 영향을 주기 어렵다.
② 출측실을 생략하자 실장치가 높은 장치가 되어 이 장소에서는 로압이 높기 때문에 분위기 가스의 젖은 양이 불어나다. 또 실의 수리 보수가 용이 하기 어렵게 되는 의 결정이 생긴다. 출측 슈트는 이것을 막기 위해 필요하다.

7) 출측실 출측실은 입구 시트와 달라서 로내장력에 직접 관계 없지만 소둔후의 부드러운 STRIP이 통과하는 것이기 때문에을 가할수 없도록 주의를 요한다. 구조는 입측과 같이 휄루트실이 많지만 판후, 판폭이 크고, 가스의 소비량이 다소 증가해도 인정되는 경우는 ROLL 실을 사용하고 있는 것도 있다.

8) 분위기 가스
로내 분위기 가스는 암모니아 분해 가스를 사용하고 있는 경우와 H2 가스와 N2가스를 혼합해서 사용하는 경우가 있다.
로내압은 통상 가장 낮은 수치를 나타내는 입측실 내의 압력을 측정하고 이것을 +25㎜Aq에 견디도록 가스의 투입측에서 유량을 제어하고 있다. 이와 같이 하면 로 안도 안정되고 가스의 소비량을 절약할 수가 있다.
또 로 내의 로 점과 O2 제거장치와 DRYER로부터 구성된 분위기 가스 정제장치를 설치하고 있는 예도 있다. 이와 같이 하는 것에 의해 STRIP 폭 550mm의 조업으로 암모니아 분해가스의 소비량이 30m3/h 약 로 점 -55℃~60℃, O2 농도는 1pmm이하가 확보되어 있다.
한편 로내에서 발생하는 하얀 분말 소위 화이트 파우다에는 어디에도 괴롭혀지고 있지만 분위기 정제장치의 O2제거장치의 전에 입자상태의 FILT를 설치하는 것에 따라 제법 화이트 파우다의 爐 내 축척을 방지할 수 있었다.

9) 안전장치
광휘 소둔은 대단히 폭발성이 강한 수소 혼합 가스를 사용하고 있기 때문에 2중, 3중의 폭발대책을 고려하고 있다. 본 爐는 이하의 안전장치를 구비하고 있다.
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