- 강판 품질을 좌우하는 합금화 공정과 온도 제어의 중요성

- 미합금과 과합금이라는 상충 결함을 동시에 제어하는 세계 최초 기술 

- 머신비전 검출과 데이터 기반 제어를 통한 공정 자동화의 확장

미합금과 과합금을 동시에 잡는 기술

강판을 그대로 사용하면 시간이 지나면서 부식이 발생할 수 있습니다. 그래서 강판 표면에는 아연도금을 입혀 내구성을 강화하고, 사용성을 개선하는 공정을 거치죠.

여기에 한 단계 더 나아가, 열을 가해 아연과 철을 결합시키는 ‘합금화 공정’이 적용되는데요. 이 과정을 거쳐 만들어진 제품을 합금화 용융아연도금강판 (GA, Galva Annealed Iron) 이라고 합니다. 그리고 해당 공정에서 가장 중요한 요소는 바로 온도입니다.

강판은 어떻게 완성될까?

강판은 연속 공정(CGL, Continuous Galvanizing Line)을 따라 생산됩니다. 코일 형태의 강판이 풀려나오고, 열처리 → 도금 → 합금화 공정을 거치며 하나의 완성된 소재로 만들어집니다.

이 과정에서 아연은 단순히 표면에 입혀지는 것이 아니라, 열을 통해 철과 확산 반응을 일으키며 합금층을 형성합니다. 이 합금층의 구조가 강판의 내식성¹, 용접성², 가공성³까지 결정하게 됩니다. 즉, 온도를 어떻게 제어하느냐가 곧 품질을 결정하는 구조이죠.

1) 내식성 : 외부 환경에 의해 발생하는 부식을 억제하는 특성

2) 용접성 : 재료가 용접 공정을 통해 결함 없이 건전한 용접부를 형성할 수 있는 능력

3) 가공성 : 구부리거나 늘리는 등의 가공 과정에서 찢어지거나 깨지지 않고 원하는 형태로 잘 변형되는 성질

온도에 따라 달라지는 두 가지 결함

합금화 공정은 매우 정밀한 제어가 요구됩니다. 온도가 조금만 달라져도 전혀 다른 품질의 결과가 나타나기 때문인데요. 온도가 적정 수준보다 낮으면 ‘미합금’이라는 품질 불량이 발생하게 됩니다. 아연과 철이 충분히 결합되지 못해 강판 표면에 밝은 색 띠가 나타나고, 품질 균일성이 떨어지게 되는 것이죠.

반대로 온도가 적정 수준보다 높으면 ‘과합금’ 상태의 품질 불량이 발생하게 되는데,  이때는 합금층이 과도하게 성장하며 도금층이 단단하면서도 쉽게 부서지는 취성 구조로 변합니다. 이로 인해 강판을 가공하는 과정에서 도금층이 가루처럼 떨어지는 ‘파우더링’ 현상이 발생할 수 있습니다. 파우더링 현상이 생기면 도금 가루가 설비에 쌓여 작업효율을 낮출 뿐만 아니라, 도금층이 벗겨진 제품은 내식성이 떨어져 품질이 저하됩니다. 

결국 온도를 너무 올리거나, 낮춰도 또 다른 문제가 발생하는 구조인 셈이죠. 이러한 상충 관계 속에서 합금화 공정은 단순한 온도 조건 설정이 아니라, 두 결함 사이에서 최적의 균형을 찾아야 하는 고도의 제어 영역이라고 할 수 있습니다.

강판 상태를 ‘영상’으로 읽어내다

그동안 현장에서는 작업자의 경험과 감각을 바탕으로 강판의 합금화 상태를 판단해왔습니다. 초 단위로 빠르게 이동하는 강판에서 미세한 색깔 차이만으로 강판의 합금 결함여부를 판단하는 데 한계가 있었죠. 

현대제철은 이러한 한계를 해결하기 위해 머신비전 기반 검출 시스템을 구축했습니다. 이 시스템은 합금화 공정에서 발생하는 결함을 CCTV 기반 머신비전을 통해 실시간으로 확인하고, 공정 제어까지 연계하는 통합 기술입니다.

노란 박스로 표현되는 미합금 결함 구간

미합금 결함은 강판 표면에 나타나는 미세한 색차를 기반으로 실시간 자동 검출됩니다. 카메라로 강판 표면을 연속 촬영하고, 이미지의 밝기 값을 0~255 범위의 수치로 변환해 분석합니다. 이때 강판을 다수의 구간(ROI)으로 세분화하고, 각 영역의 밝기 분포를 비교해 정상 구간과 다른 패턴을 자동으로 검출합니다. 즉, 사람이 ‘밝다’고 느끼는 차이를 숫자 기준으로 판단하는 방식입니다. 이 시스템은 고속 라인에서도 미합금 결함을 안정적으로 검출할 수 있는 환경을 제공합니다.

보이지 않는 결함, 파우더링 평가

합금화 공정에서는 미합금 뿐만 아니라, 온도가 높을 때 발생하는 ‘과합금’ 문제도 함께 관리해야 합니다. 과합금은 도금층 내부 구조가 변하면서 발생하기 때문에, 표면만으로는 상태를 정확히 확인하기 어렵습니다.

이러한 과합금 상태는 일반적으로 ‘파우더링’ 현상을 통해 확인됩니다. 도금층이 단단하지만 쉽게 부서지는 취성 상태가 되면, 가공 과정에서 아연이 강판 표면에서 가루처럼 떨어지게 되는데, 이를 파우더링이라고 합니다.

이 파우더링 정도를 평가하기 위해 V-bending 시험이 활용됩니다. 강판을 구부렸다가 다시 펼친 뒤, 접힌 부위에서 도금층이 얼마나 떨어지는지를 확인하는 방식이죠. 이때 도금층이 떨어진 폭(mm)을 측정하면 도금층의 취성과 파우더링 정도를 정량적으로 판단할 수 있죠.

하지만 이 방식은 제품이 모두 만들어진 이후에 수행되는 평가입니다. 즉, 공정 중에는 과합금 상태를 미리 파악하기 어렵고, 문제가 발생한 뒤에야 결과를 확인할 수 있다는 한계가 있었습니다.

현대제철은 이러한 한계를 해결하기 위해 국내 최초로 Online XRD(X-ray Diffraction) 기반 합금상 분석 기술을 적용했습니다.

XRD는 X선을 이용해 소재 내부 구조를 분석하는 기술입니다. GA 도금층은 제타상(ζ), 델타상(δ), 감마상(Γ) 등 여러 합금상으로 이루어져 있는데, 이 합금상 비율에 따라 도금층의 특성과 파우더링 거동이 달라집니다.

현대제철은 공정 중 강판에 X선을 조사해 회절⁴ 패턴을 측정하고, 이를 통해 합금상 비율을 실시간으로 분석합니다. 이렇게 얻은 합금상 정보는 V-bending 평가 결과와의 관계를 기반으로 학습된 예측 모델에 적용됩니다. 이를 통해 별도의 물성 평가 과정 없이도 파우더링 발생 가능성을 예측할 수 있습니다.

즉, 기존에는 제품을 만든 뒤 평가를 통해 품질 결과를 확인했다면, 이제는 공정 중 데이터를 기반으로 품질을 미리 예측하는 방식으로 전환된 것입니다. 현대제철은 이  Online XRD 기반 과합금 예측 기술을 국내에서 처음으로 생산 공정에 적용했답니다.

4) 회절 : 파동이 장애물이나 틈을 지나면서 퍼지거나 방향이 바뀌는 현상 

검출을 넘어 ‘제어’로

고민은 여기서 끝나지 않았죠. CCTV 기반 색차 결함을 실시간 머신비전으로 검출하는 ‘미합금’ 검사와 Online XRD 기반 파우더링 예측 시스템 ‘과합금’ 검사를 통합하여 하나의 시스템으로 제어할 수 없을까?

현대제철은 여기서 한 단계 더 나아갔습니다. 

바로 세계 최초로 머신비전 기반 미합금 검출 기술과 Online XRD 기반 과합금 예측 기술을 하나의 시스템으로 통합한거죠.

이 실시간 통합 제어 시스템은 미합금이 검출되면 합금화 온도(ΔT)를 상승시키고, 과합금 위험이 예측되면 ΔT를 낮추는 방식입니다. 검출 및 예측 결과는 공정 제어 시스템으로 바로 전달되며, 설정된 로직에 따라 즉각적인 온도 피드백 제어가 이루어집니다. 이는 단순한 품질 모니터링을 넘어, 판단 즉시 제어로 이어지는 실시간 공정 제어 기술입니다.

미합금과 과합금을 각각 독립적으로 판단하고, 이를 기반으로 온도를 자동 제어하는 통합 시스템은 세계 최초로 구현된 현대제철만의 독보적인 공정 제어 방식입니다.

공정 운영의 새로운 방식

이 시스템을 통해 현대제철의 강판 품질은 보다 안정적으로 유지될 수 있게 되었습니다. 이는 공정 운영이 작업자의 경험 중심에서 데이터와 제어 로직 기반으로 전환되고 있음을 의미하는데요. 현대제철은 앞으로도 공정 데이터를 기반으로 합금화 조건을 지속적으로 최적화하며, 보다 정밀하고 안정적인 품질 관리 체계를 구축해 나갈 계획입니다.