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Oct 19. 2022
대장간에서 압연기까지_6
꼬리에 꼬리를 무는 소성가공 이야기
냉간압연 구역으로 온 열연 코일은 맨 먼저 세척부터 한다. 세척은 강판을 산(acid)에 담그는 것으로, 우리가 오이나 양파를 식초에 담가먹는 것과 동일한 용어를 쓴다. 피클링(pickling)이다. 보통 염산 18% 내외로 물에 희석한 용액에 담그는데, 물론 코일을 통째로 산에 빠뜨리는 것은 아니고 릴에 걸어 한쪽에서 풀고 다른 쪽에서 다시 감으면서 연속으로 산세조(pickling tank), 수세조(rinsing tank)에 차례로 담갔다 건조시킨다. 부수적으로 브러시와 스프레이 세척, 연마 등 다양한 보조 공정이 있지만 기본적으로는 산세와 수세가 피클링의 뼈대다.
연속 산세라인 개념도코일을 강판으로 푸는 장치를 언코일러(uncoiler), 또는 왜 이런 이름이 붙었는지 이해가 안되지만 페이오프릴(payoff reel)이라고 한다. 현장에서 열에 아홉은 언코일러보다 페이오프릴이란 용어를 쓰는데 영어사전 어디를 봐도 payoff라는 단어에 이 기계와 연관지을 의미는 없다. 다른 쪽에서 다시 코일로 감는 기계는 리코일러(recoiler) 혹은 텐션릴(tension reel)이다. 언코일러에서 풀리면서부터 강판은 스트립(strip)이라 부르는데, 스트립을 팽팽하게 감기 위해 리코일러 쪽은 언코일러보다 장력(tension)을 더 많이 준다. 텐션릴이라는 이름이 그래서 붙었다.
열연코일을 이렇게 세척한 후 그대로 소매업이나 2차 가공업체에 출하하는 강판도 있다. 이 경우 녹이 슬지 않게 방청유를 바르는 공정을 건조기 다음에 집어넣기도 한다. 그러나 우리는 자동차용 강판을 따라가기로 했으니 TCM, 탠덤 냉간 압연기(Tandem Cold Mill)를 보지 않으면 안된다.
열연코일과 냉연코일의 표면 비교영단어 탠덤(tandem)은 '동시에, 더불어, 세로로 연결된' 따위의 뜻을 가진 형용사다. 명사로 쓰일 때는 말 두마리가 앞뒤 종렬로 매여진 마차, 그리고 2인승 자전거를 말하기도 한다. 현장에서는 흔히 '탄뎀'이라고 발음한다. 슬랩(slab)을 슬라브라 발음하는 것처럼 묘하게 본토발음을 익힌 유학파들도 현장에만 오면 현장식 발음을 하는걸 자주 볼 수 있다. 슬레지해머? 컨크리트? 미국 박사 출신도 현장에서는 그렇게 말하지 않는다. 오함마에 공구리다. 이 현상을 언어의 사회성으로 설명해도 될까? 인문학과 거리가 먼 인생을 산 덕분에 이 주제를 탐구할 처지는 아니지만 언어생활에는 분명 엄밀성보다 사회적 규범이 앞서기도 하는 것 같다. 일례로, J-Pop의 슈퍼스타 우타다 히카루(宇多田 光)는 미국에서 태어나고 성장한 이중언어 사용자다. 그런데 그녀의 2008년 곡 Heart Station을 들어보면 하-또 스테-숀, 아주 분명한 일본식 발음으로 부른다. 일본 청자가 듣는 노래는 일본식 영어 발음으로 불러야 의미 전달이 더 잘 될것이라고 판단하지 않았나 싶다.
우타다 히카루. 의문의 1패압연이 철강산업의 꽃이라면 TCM, 냉간 '탄뎀'밀은 그 중 압연기의 꽃이라 할 수 있다. 일반적으로 6단(6-high) 압연기이며 tandem이라는 이름처럼 5~6대 줄지어 있는 구조다. 압연기의 명칭은 일관성이 결여되어 있어 똑같이 여러대가 한 줄로 서 있는 열간 사상압연기는 tandem hot mill이라 하지 않고 냉간압연기에 대해서만 그 이름을 쓴다.
냉간압연은 최종 제품을 만드는 공정이다. 냉간 탠덤밀은 제철소에 따라 다르지만 열연 스트립을 대략 최종두께 0.2~3.2mm, 1번 스탠드에서 끝 스탠드까지의 누적압하율 85% 이상으로 압연한다. 압연 속도는 출측에서 분당 1400미터에 달하는 초고속이다. 이 설비가 압연기의 끝판왕이라고 일컬어지는 이유는 미친듯한 정밀도 때문이다. 앞서 압연 워크롤의 휨 때문에 별도의 조치를 취하지 않으면 압연된 강판 가장자리에 비해 중앙부가 두꺼워지고 그 때문에 백업롤을 쓴다고 설명했는데, TCM처럼 최종 제품을 생산하는 압연기는 그정도로는 부족하다. 롤 양쪽 초크를 이용해 휨을 보상하기까지 해야 제대로 된 판형상이 나오는 것이다.
일단 압연력에 의한 롤의 휨 역방향으로 유압을 이용해 강제로 휨을 가한다(negative bending). 이것이 지나치면 스트립 가운데가 가장자리보다 얇아지는 상황이 오므로 또 다른 유압 실린더로 정방향 휨(positive bending)을 주어야 할 때도 생긴다. 이렇게 +/- 두개의 휘는 힘(bending force)이 상호 작용하여 최적의 판형상을 얻도록 하고 있다. 이를 위해 판형상을 실시간으로 제어 프로그램에 피드백하는 측정장치가 필수적이다.
5-stand Tandem Cold Mill. 6단 압연기인데 워크롤과 1단 백업롤(중간롤)이 빠져 있는 사진이다.여기에서 그치지 않는다. 백업롤 양쪽 압하력을 다르게 하고(roll tilting), 6단 압연 롤 중의 중간롤을 앞뒤로 밀고 당기기도 한다(roll shifting). 물론 판형상 제어를 위해서다. 중간롤을 워크롤과 완전히 정렬시키지 않고 각도를 주어 틀기도 한다(roll skewing). 이것도 판형상 제어 동작이다. 이들 벤딩, 틸팅, 시프팅, 스큐잉 동작들이 유기적으로 맞물려 마이크로초(秒) 단위의 시퀀스로 제어된다. 단 1미크론의 두께 편차라도 해결하는데 피나는 노력을 하는 것이다.
두께의 허용오차 자체는 그리 엄정하지 않다. KS 규격상 1.25mm 냉연강판 두께 허용오차는 ±0.12mm로, 상한 하한의 차이가 0.24mm이니 상당히 관대한 오차다. 그러나 같은 판 내에서 두께의 편차는 다른 문제다. 가령 시편을 오려내어 인장시험을 한다고 할 때 시편 따내는 부위에 따라 시험 결과가 달라지는게 허용이 되겠는가? 강판 전 면적이 고르게 0.1mm 두꺼운 건 상관 없다. 한 코일 내에서의 편차는 그보다 훨씬 까다롭게 통제되어 어느 압연기나 4%를 넘지 않도록 관리한다.
압연기는 유압이나 스크루로 롤 양쪽의 초크를 눌러 압하력을 발생시키는데, 이 힘에 의해 압연기 자체가 늘어나고 제품과 접촉하는 순간의 롤 표면이 눌려 평탄화 되기도 한다. 이 때문에 롤 사이 간격을 1mm로 설정하고 스트립을 통과시켜도 1mm 두께가 나오지 않게 된다. 설정두께와 압연 두께의 차이는 압하력에 비례하므로 압연기마다 고유의 상수가 있고 압연기 시운전 때 이미 측정이 되어 있다. TCM은 수천톤(ton)의 압하력이 가해지고 이 힘에 의한 신장량이 수 mm에 달해 제품 두께보다 오히려 클 수도 있다. 쉽게 말해 1mm 두께로 압연하려 하는데 압연력 때문에 압연기가 2~3mm 늘어나는 것이다. 이런 경우는 마이너스 갭을 준다. 압연기 설정 두께를 -0.5mm같은 식으로 물리적으로 불가능한 숫자를 주어야 겨우 원하는 제품 두께를 얻을 수 있다.
TCM 스탠드 롤 배열냉연 TCM을 각국 주요 제철소에 제작 공급한 실적이 있고 신뢰성도 인정받는 메이커는 세계적으로 단 3개에 불과하다. 중국도 자체 제작한다고는 들었는데 어떻게 만드는지 잘 모르겠다. TCM은 기계도 어렵지만 제어 시스템은 장기간의 시운전 경험을 축적해야 가능한 일이므로 후발 주자의 진입장벽이 매우 높다. 머리 끝에서 발 끝까지 특허로 칠갑이 되어 있으면서 여전히 세계적으로 매년 수백개의 특허와 논문이 쏟아져 나오고 있는 이 압연기를 이제 와서 개발하는 것은 아무리 불가능은 없는 한국인이라 해도 전혀 가망없는 일이다.
어떤 기술이나 발명에도 비용이 따르고, 그것을 개발한 다음에는 개발비를 뽑아먹어야 한다는 당연한 사실을 사람들은 자주 망각한다. 일반인 뿐 아니라 과거에 비해 지적 수준이 현저히 떨어졌으면서 자부심만 하늘을 찌를듯 하는 언론계 종사자들이 자주 그러하다. 분야를 가리지 않고 미래 각광받을만한 기술이나 외국과 무역마찰을 빚는 아이템이 발생하면 우리는 뭘 하느냐, 정부는 그동안 손놓고 있었다 등등 너무나 쉽게 말을 한다. 그 분들이 모르는 사실 하나를 내가 알려주고 싶다. 기업가들은 동서고금을 막론하고 영업이익 1%를 위해 영혼이라도 팔 사람들이다. 승산이 있고 미래 먹거리가 될 아이템이면서 비용 대비 효과가 조금이라도 큰 기술이라면 언론계 종사자들보다 훨씬 일찍 포착하고 개발에 나섰을 사람들이 한국의 기업가들이다. 그들이 안하고 있다면 하지 않을 이유가 있기 때문이다. 거기에서 정부는 또 왜 나오는가?
냉간압연 첫 공정인 피클링과 첫 압연인 TCM은 보통 한데 엮는다. 이것이 국내에 10개쯤 있는 PL TCM이다. 언코일러에서 처음 피클링, 그 다음 TCM을 연결한 복합 라인으로, 언코일러에서 리코일러까지 라인 직선길이는 300미터 내외, 강판(스트립)의 펼친 길이는 3km에 달한다.
PL TCM 라인 구성이렇게 TCM에서 생산된 코일은 가공경화로 인해 연성(ductibility)이 떨어진 Full hard재(材)다. 번역할 말이 마땅치 않다. 영단어 그대로 완전히 뻣뻣해진 강판이라 이해하면 되겠다. 이 강판으로는 자동차 외장판을 만들지 못한다. 강판의 강도는 만족하겠으나 펼침성이 부족하여 프레스로 찍으면 쩍쩍 갈라질 것이다. 이 글에 앞서 쓴 내용을 기억하는 독자라면 이제 무엇을 해야 하는지 아실 것이다. 풀림 열처리(annealing)다.
소둔, 즉 풀림도 언코일러에서 코일을 풀고 리코일러에서 되감으며 그 사이에 소둔로(燒鈍爐)를 놓은 설비를 이용한다. 이를 위한 생산라인을 연속소둔설비, CAL(Continuous Annealing Line)이라 한다. 제철소에서 '칼'이라고 하면 이 설비를 말한다.
냉연설비는 언코일러와 리코일러는 어디나 대충 같고 그 중간에 무엇을 설치해 놓았느냐에 따라 이름이 붙는다. 언코일러와 리코일러 사이에 소둔로가 있으면 CAL, 아연도금시설이면 CGL(Continuous Galvanizing Line)이다. 이 이름들도 일관성하고는 담을 쌓아서 구성 설비를 다 반영한 이름짓기도 아니고 연속공정인데도 약자 C(Continuous)를 붙이지 않기도 하며 공정과는 무관한 다른 단어의 약자를 쓰기도 한다. 연속 아연도금설비에는 소둔로가 필수로 들어가는데도 소둔(A)은 쏙 빼버린 CGL이란 명명법을 보라. 이곳의 소둔로는 CAL처럼 제기능을 다 갖춘 것이 아니라서 그렇다고는 하는데, 완벽한 소둔로를 갖춘 아연도금설비도 있거든요! 거기에는 CVGL이라는 엉뚱한 이름을 붙인다. V는 versatile, 다목적이라는 의미다.
자동차 외장에 쓰이는 강판은 부식 방지를 위해 70% 이상을 아연으로 도금한다. 아연을 녹여 강판에 도포하는 방식이 CGL, 전기도금 방식은 일관성 없는 이름짓기의 한 단면인 EGL(Electric Galvanizing Line)이다. 전기도금 방식이 도금의 균일성과 치밀함에서 더 우수하다고 하나 옛날 말이고, 용융도금으로도 아연 도막을 가열하여 모재(강판) 표면과 합금화하는 기술을 적용하면 고품질의 도금강판을 얻을 수 있다. 고급차 강판은 이러한 표면 합금화 아연도금강판(GA; Galvannealed steel)을 쓰고 있으며 점점 저렴한 차에도 사용이 확대되는 추세다.
다음 그림은 연속 아연도금설비의 공정도다.
CGL 공정 구성주설비인 용융도금조(zinc pot)와 소둔로(annealing furnace) 외에도 줄잡아 100여 종의 단위설비로 구성되는 아주 긴 라인이다. 소둔로에 들어가기 전 스트립을 세척하는 전처리(pre treatment) 또는 클리닝 설비가 있고 주요 공정을 마친 후 도금강판 표면에 피막을 입히는 후처리(post treatment) 설비, 그리고 도금강판을 압연하는 스킨패스 압연기(skinpass mill)도 주설비 다음으로 중요한 설비다.
CGL 중간의 스킨패스 압연기는 압하율이 1% 내외, 아주 많이 눌러도 5%를 넘지 않는다. 그러므로 강판의 두께를 더 얇게 하는 목적은 아니다. 이름 자체가 표면만 살짝 압연한다는 뜻이다. 이 압연기는 지금까지 우리가 극혐하던 가공경화 현상을 거꾸로 이용하여 강판 표면에 경도와 강도를 부여하는 일을 한다. Full hard재를 소둔로에서 목적에 맞게 연화시켰지만 원하는 기계적 성질을 딱 맞춰 얻기는 힘들다. 그래서 로에서는 목표치보다 충분히 더 연화를 시킨 후 스킨패스밀에서 압연에 의해 강도를 최종 조절하는 방법을 쓴다. 스킨패스밀은 이 외에도 용융 도금층을 안정화시키고 약간의 도금 불량은 밀어 없애는 효과도 있으며 판의 굴곡을 교정하는 역할도 어느정도 수행하는 압연기다.
공정도에서 라인 입측과 출측에 루퍼(looper)라는게 하나씩 있는 걸 보실 것이다. 루퍼는 스트립을 저장하는 역할을 한다. 무슨 말이냐면 이 연속 라인의 주설비에서는 강판 스트립이 정지하는 일 없이 계속 전진하는데 양 끝 언코일러와 리코일러는 코일을 바꿔 끼우고 빼내는 동안의 정지 시간이 발생한다. 가동중에 입측 루퍼는 잔뜩 늘어났다가 양쪽 터미널 중 한곳 또는 두곳 다 정지했을 때 길이가 줄어들며 축적한 길이를 보내준다. 출측 루퍼는 리코일러가 정지했을 때 반대로 앞에서 오는 스트립을 축적한다. 루퍼 두개의 작용으로 주설비에서 강판이 스톱하여 폭 익어버리는 일이 방지되는 것이다.
입측 언코일러 직후에는 용접기가 있어 앞 코일 끝과 새 코일 앞단을 연결시키고 출측 텐션릴 직전에는 전단기(shear)를 두어 어느정도 감기면 스트립을 끊고 코일을 빼낸다.
워낙 긴 라인이라 냉연설비 최대의 적은 절판(切板) 사고다. 언코일러에서 리코일러까지 처음 스트립을 걸 때는 길다란 면(綿) 밧줄을 쓰고 이후에는 끊임없이 용접으로 스트립을 연결해서 가동하는데 과도한 순간장력이 걸린다거나 해서 스트립이 끊어지면, 끊기는 순간 라인이 정지하는 것도 아니고, 여기저기 축 늘어지고 엉망이 된 강판을 제거하고 새로 걸어야 한다. 새로 걸지 않고 현장 용접하거나 구멍 내서 철사로 엮기도 하는데, 하여튼 절판사고가 나면 사무실 근무자까지 다 튀어 나간다. 자동차용으로 고장력 강판이 많이 쓰이게 되면서 절판사고 뒷처리도 그만큼 어려워지고 있다. 뻣뻣해서 치우기 아주 힘들기 때문이다.
CGL Annealing furnace와 zinc pot 부근