단조로는 모든 단조 공장의 최전선 장비입니다. 차가운 빌릿이나 봉을 투입하여 강철 단조의 경우 일반적으로 1150~1250°C의 정확한 온도로 30~90초 간격으로 하루 종일, 매일같이 배출합니다. 신뢰성과 온도 균일성은 필수 조건입니다. 설정 온도에서 30°C만 벗어나도 하루 생산량이 망가질 수 있으며, 단조로가 고장 나면 프레스나 해머 작업이 중단되고 단조 작업자들이 모두 집으로 돌아가야 합니다.
몬테 인텔리전스는 아시아와 중동 지역의 단조 공장에 배치식(보기형 노) 및 연속식(푸셔식, 워킹 빔식, 로터리 노) 가스 연소 단조로를 공급합니다. 이 글에서는 단조로 성능을 결정하는 설계 및 운영 요소에 대해 다룹니다.
강철의 단조 온도는 재결정 온도보다 높은 열간 가공 온도 범위에 속합니다. 재결정 온도는 금속이 연화되어 더 낮은 힘으로 변형될 수 있는 온도입니다. 중탄소강 및 합금강의 경우, 단조 온도 범위는 일반적으로 1150~1250°C입니다. 상한 온도는 결정립계 용융이 시작되는 온도인 연소 온도(많은 강종에서 약 1250~1300°C)와 온도에 따라 기하급수적으로 증가하는 스케일 형성 속도에 의해 결정됩니다. 하한 온도는 필요한 단조력과 가공물의 균열 발생 위험에 의해 결정됩니다.
단조로의 온도 균일성은 단조 공정 중 금속 유동의 균일성을 결정합니다. 한쪽 끝이 1200°C이고 다른 쪽 끝이 1150°C인 빌릿은 양쪽 끝에서 유동이 다르게 나타나 금형 충진 문제, 치수 편차 또는 온도가 낮은 쪽 끝에서의 균열을 유발할 수 있습니다. 단조로 온도 균일성에 대한 표준 요구 사항은 ±14°C(AMS 2750 기준 5등급)에서 ±28°C(6등급)입니다. 이는 후속 단조 공정에서 금속이 재분배되어 작은 온도 변화가 평균화되기 때문에 열처리 균일성 요구 사항보다 완화된 기준입니다.
단조 공정에서 가열 속도는 생산성과 공작물의 열 응력 균열 발생 위험 사이의 균형을 고려해야 합니다. 직경 200mm의 공구강 빌릿을 상온에서 분당 100°C씩 가열할 경우, 뜨거운 표면과 차가운 중심부 사이의 열 응력으로 인해 균열이 발생할 수 있습니다. 최대 안전 가열 속도는 강종, 단면적, 초기 온도에 따라 달라집니다. 고탄소강 및 고합금강은 일반 탄소강보다 느린 가열 속도가 필요합니다. 겨울철의 차가운 빌릿(초기 온도 0°C)은 따뜻한 곳에 보관하여 예열한 빌릿보다 더 느린 가열 속도가 필요합니다.
스케일 형성은 단조로에서 가열하는 동안 강철 표면이 산화되는 현상입니다. 산화철(FeO, Fe3O4, Fe2O3)로 구성된 스케일 층은 재료 손실(일반적으로 빌릿 무게의 1~3%)을 야기하고, 금형 마모를 촉진하며(스케일은 마모성이 있어 깨끗한 금속보다 단조 금형 표면을 더 빨리 마모시킴), 표면 조도 문제를 일으킵니다(단조 표면에 박힌 스케일로 인해 더 많은 가공 여유가 필요함).
스케일 형성 속도는 주로 온도와 시간에 따라 달라집니다. 1200°C의 온도에서 공기 중에 있는 탄소강 빌릿은 15분 만에 약 0.1mm의 스케일이 형성됩니다. 60분 후에는 스케일 두께가 0.3~0.5mm에 달할 수 있습니다. 이러한 지수 함수적인 온도 의존성 때문에 용광로 온도가 50°C 상승하면 스케일 형성 속도가 두 배로 증가할 수 있습니다. 이것이 바로 정밀한 온도 제어가 에너지 절약 이상의 경제적 가치를 지니는 이유 중 하나입니다. 정밀한 온도 제어는 스케일로 인한 재료 손실을 직접적으로 줄여줍니다.
환원 분위기 운전(화학양론적 공기량보다 적은 양의 공기로 가스를 연소시켜 연소 생성물에 CO와 H2를 생성하는 방식)은 스케일 생성을 줄일 수 있습니다. CO와 H2는 산화철과 반응하여 금속철로 환원시킵니다. 그러나 연료 과잉 운전은 그을음을 발생시키고 CO 배출량을 증가시키며 안전 문제(연도계 내 가연성 가스 존재)를 야기합니다. 일부 단조로에서는 스케일 제어를 위해 화학양론적 공기량보다 5~10% 적은 양의 연료를 사용하는 조건(환원 화염 운전이라고도 함)을 사용하지만, 이는 정밀한 버너 조정과 연도 가스 모니터링이 필요합니다.
연속 단조로의 처리량은 가열로 길이, 빌릿 크기 및 필요한 가열 시간에 따라 달라집니다. 강철 빌릿의 가열 시간은 단면적을 기준으로 추정할 수 있습니다. 예를 들어, 1200°C에서 교반이 잘 되는 가스로에서 가열하는 경우 직경 25mm의 원형 빌릿당 약 5~6분이 소요됩니다. 직경 100mm 빌릿이 균일한 단조 온도에 도달하는 데는 약 22~25분이 걸립니다. 가열로 길이가 6m이고 빌릿 간격이 200mm인 경우, 용광로에는 약 30개의 빌릿을 넣을 수 있으며, 빌릿당 25분이 소요되므로 시간당 처리량은 30 / 25 × 60 = 72개입니다.
용광로 내부 분위기 순환, 즉 고온의 연소 가스가 빌릿 주변을 순환하는 것이 대류 열 전달의 핵심 메커니즘입니다. 고온의 용광로에서 자연 대류도 어느 정도 순환을 제공하지만, 높은 처리량으로 균일한 가열을 위해서는 재순환 팬이 필수적입니다. 일반적으로 용광로 천장이나 측벽에 설치되는 이 팬은 용광로 내부의 고온 가스를 흡입하여 고속으로 다시 용광로 내부로 배출함으로써, 빌릿의 모든 표면을 균일하게 가열하는 교반 환경을 조성합니다.
몬테 인텔리전스 단조로는 견고한 내화 라이닝, 산업용 버너 및 단조 작업에 필요한 열 순환에 맞춰 구성된 제어 시스템을 갖추고 있어 24시간 연중무휴 가동이 가능하도록 설계되었습니다.
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