구리 및 구리 합금 스트립을 생산하는 과정에서 스트립을 어닐링하고 압연한 후 표면에는 다양한 유기 및 무기 오염물이 존재합니다. 적절히 처리되지 않거나 고온 환경에 노출되면 구리 스트립의 표면이 산화되고, 남아 있는 압연유 또한 스트립 표면을 오염시킵니다. 중간 제품을 부적절하게 보관하면 표면 변색이 발생할 수도 있습니다. 현대 산업에서 구리 스트립 제품의 적용 범위가 넓어짐에 따라 그 표면 품질에 대한 요구 사항도 점점 더 높아지고 있습니다. 고품질의 구리 스트립을 얻기 위해서는 표면 세척을 강화하는 것이 매우 중요하며, 이에 따라 구리 스트립 표면 세척 기술과 장비가 일반적으로 중요하게 여겨지고 있습니다.
1 구리 스트립 표면 세정 기술
1.1 탈지
탈지의 목적은 구리 스트립 표면의 유기 오염물, 특히 잔류 압연유와 혼입된 기계유를 제거하는 데 있습니다. 탈지는 주로 산세 및 표면 연마 전 처리를 위해 설정됩니다. 탈지가 완전하지 않으면 구리 스트립 표면의 산화물이 산으로 완전히 세척되지 않습니다. 탈지 방법에는 용제 탈지, 알칼리 탈지, 전해 탈지 및 초음파 탈지가 포함됩니다.
1.1.1 용제 탈지
탈지 용제에는 석유계, 염소 함유계, 불소 함유계 및 계면활성제가 포함됩니다. 석유계는 화재를 일으키기 쉽고, 염소계는 발암성이 있으며, 불소계는 오존층을 파괴하므로 거의 사용되지 않습니다. 최근에는 더 많은 계면활성제가 개발되고 있습니다. 계면활성제는 분자 내에 친유성 기반을 도입하고 물속에서 오일을 유화시켜 탈지 효과를 달성합니다.
1.1.2 알칼리 탈지
동물성 및 식물성 지방과 오일은 알칼리와 함께 분해되고 가수분해되어 고급 나트륨 지방산(비누)과 글리세린을 생성합니다. 이러한 비누화 반응은 탈지 효과를 달성하며, 생성된 비누는 음이온 계면활성제로 작용하여 탈지에 도움을 줍니다. 하지만 롤링 오일은 광유, 주로 석유계 지방족 탄화수소이며, 비누화 반응을 겪지 않습니다. 따라서 알칼리성 탈지에는 계면활성제를 첨가해야 합니다.
1.1.3 전해 탈지
전해 탈지법은 매우 효과적인 방법입니다. 일반적으로 알칼리성 탈지 용액에서 전기를 흘려줍니다. 물이 전기분해되면서, 음극 전해(구리 테이프를 음극으로 사용)에서는 수소가 발생하고, 양극 전해에서는 산소가 발생합니다. 이때 생성된 기포가 표면의 오염물을 벗겨낼 수 있습니다. 음극 전해로 생성되는 수소는 산소의 두 배이며, 수소의 환원 작용은 표면을 활성화시키기도 합니다. 따라서 구리 스트립의 전해 탈지는 음극 전해 방식을 채택하지만, 탈지 용액 내 금속 불순물의 침전과 과도한 탈지 현상이 발생하지 않도록 주의해야 합니다. 시안화물의 첨가는 금속 불순물의 침전을 방지하는 데 도움이 되지만, 오염 문제가 있으므로 엄격히 사용해야 합니다. 양극 전해는 산소의 산화 작용으로 인해 음극 전해로 제거할 수 없는 구리 스트립 표면의 방청제를 제거할 수 있지만, 과도한 탈지가 발생하기 쉽습니다.
I. 1.4 초음파 탈지
초음파 탈지 세정기는 초음파 신호 발생기와 탈지 세정 탱크로 구성되어 있습니다. 초음파 신호 발생기는 고주파 발진 신호(사인파)를 생성하며, 이 신호는 변환기를 통해 초당 수만 회의 고주파 기계적 진동을 일으켜 탈지액 내에 초음파를 형성합니다. 이러한 초음파는 높은 주파수로 양압과 음압이 교차하며, 밀집된 매질 속에서 전방 방사 전파(직접 방사, 반사 및 굴절 기능 포함)가 간헐적으로 이루어져 탈지액 내에 수없이 많은 미세한 기포를 지속적으로 생성하고 파열시킵니다. 이러한 현상을 “캐비테이션 효과”라고 합니다. 기포가 파열될 때 1,000기압 이상의 순간적인 고압이 형성되어 일련의 폭발을 일으키고 막대한 에너지를 방출하며 구리 스트립 표면에 강력한 충격을 가해 스트립 표면의 오일을 빠르게 제거하여 탈지 및 세정의 목적을 달성합니다. 초음파 용매를 이용한 탈지 방식에서는 구리 스트립 표면이 약간 산화되어 있어도 산세척이 필요하지 않습니다. 또한 세정제에 패시베이션제를 첨가하여 세정과 동시에 패시베이션을 완료할 수 있으므로 탈지 세정 공정과 장비가 크게 단순화됩니다.
1.2 산세
기계적 표면 세정과 비교하여, 구리 스트립 표면의 화학적 세정에는 산세척과 담금질 두 가지 유형이 있습니다. 표면의 두꺼운 산화막을 제거하기 위해 구리 스트립을 산 용액에 장시간 담그는 방법을 산세척이라고 하며, 산화막을 제거하고 구리 스트립을 짧은 시간 동안 산 용액에 담그는 방법을 담금질이라고 합니다. 전통적으로 이 두 가지 방법을 통칭하여 산세척이라고 부릅니다. 구리 스트립 산세척 용액은 일반적으로 황산 용액을 사용하며, 농도는 구리 스트립 표면의 산화 정도에 따라 결정됩니다. 현대 구리 스트립 생산에서 표면 산화는 비교적 경미하므로 대부분의 산세척에는 5%~15% 농도의 황산 용액을 사용합니다. 온도는 상온이며, 일부는 60°C로 가열하기도 합니다. 관통식 산세척의 경우 처리 시간은 10초에서 60초까지 다양합니다. 구체적인 산세척 공정 파라미터는 다양한 구리 스트립 품종과 표면 상태에 따라 조정해야 합니다. 황동용 산 용액의 농도는 비교적 낮고, 청동과 적동은 비교적 높습니다. 구리-니켈 합금의 산세척 효과를 강화하기 위해 황산 용액에 질산 및 과산화수소와 같은 산화제를 혼합하기도 합니다. 그러나 질산은 NO₂가 휘발되므로 과도하게 사용해서는 안 됩니다. 염산은 염화물 기반의 부식성 매체를 생성하여 구리 스트립의 변색을 촉진하고 설비를 부식시키므로 피해야 합니다. 일반적으로 산세척과 연마를 병행하면 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
1.3 연마 및 세정
연삭 방법에는 연마, 롤러 브러싱 및 롤러 연삭 등이 포함되어 기계 표면을 청소합니다. 천, 린넨, 수지 등으로 만든 연마 휠에 탄화규소, 알루미나 등의 연마재를 추가하거나 알루미나가 코팅된 나일론(폴리아미드) 와이어 브러시를 사용하여 구리 스트립의 표면을 기계적으로 브러싱합니다. 구리 스트립 표면 연마 및 연삭 품질을 향상시키기 위해 일반적으로 탈지 세척, 산세, 연마 및 연삭 공정을 하나의 생산 라인으로 통합합니다. 연마 및 연삭 시에는 구리 벨트의 종류, 벨트 두께 및 표면 상태에 따라 서로 다른 연마·연삭 브러시 롤러와 나일론(폴리아미드) 필라멘트 와이어 직경, 입자 크기 또는 브러시 롤러 메쉬와 경도를 선택해야 합니다. 알루미나가 코팅된 연마 와이어 브러시의 경우 일반적으로 와이어 직경 0.25~0.3 mm, 입자 크기 500~600 메시의 연마 브러시를 사용합니다. 부직포로 제작된 연마 브러시 롤러의 경우 입자 크기는 1500~2000 메시이며, 경도는 40(연질) 또는 60(중간)입니다. 구리 스트립 표면에 대한 요구 사항이 더 높은 제품의 경우 입자 크기가 250,000~3,000 메시인 연마 브러시 롤러를 사용할 수도 있습니다. 메시가 클수록 브러시의 수명은 짧아집니다. 사용 시에는 구리 스트립 표면 상태에 따라 연마 브러시와 스트립 표면 간의 접촉 압력, 연삭 브러시 롤러의 연삭량, 그리고 적절한 브러시 롤러 회전 속도를 조정해야 합니다. 거친 압연 후 어닐링 처리된 주석-인 청동 스트립의 경우, 주조 및 압연으로 인한 표면 결함을 제거하고 스트립의 표면 품질을 개선하기 위해 종종 낮은 메시(220 메시)의 탄성 연삭 휠을 사용합니다. 두꺼운 스트립에는 간단한 표면 연마를 수행합니다. 완팡 데이터 No. 2 궁쇼우펑: 구리 스트립 표면 세정 기술 및 장비 71 이 처리 방식은 스트립 표면의 금속 손실을 증가시키지만, 구리 스트립의 표면 품질 향상에 중요한 역할을 합니다. 또한 이 방법은 수평 연속 주조 공정에서 용해 및 주조 과정과 작업이 부적절하여 발생한 황동 스트립의 표면 결함을 제거하고 개선하는 데에도 효과적입니다.
1.4 표면 패시베이션(녹 방지) 처리
구리 금속 자체가 루이스 염기성이기 때문에 전자를 잃고 쉽게 산화되며, 특히 구리 합금은 자체적으로 음의 전위 차를 가지고 있어 습하고 더운 환경에서 매우 쉽게 산화되어 변색을 일으킵니다. 따라서 세척 후 변색 방지 또한 구리 스트립 표면 처리의 중요한 부분입니다. 전통적인 변색 방지 처리에는 크로메이트 패시베이션과 벤조트리아졸(BTA) 패시베이션이 포함됩니다. 크로메이트는 강한 산화성을 가지며 구리 표면에 비활성 패시베이션층을 형성하여 보호 역할을 하며 우수한 패시베이션 효과를 발휘합니다. 그러나 환경 규제로 인해 이 정화 방법은 더 이상 대규모로 사용될 수 없습니다. 벤조트리아졸 및 그 유도체는 구리의 부식을 억제하는 데 효과적이며 현재 가장 널리 사용되는 패시베이터입니다. BTA(C₆H₅N₃)의 패시베이션 메커니즘은 BTA 벤젠 고리의 NH 기의 H가 1가 구리와 반복적으로 배위 결합하여 고분자와 유사한 화합물 피막을 형성하며, 이 피막은 스트립과 강한 결합력을 갖습니다. 데이터에 따르면 피막 두께는 5×10⁻⁶~10⁻⁵mm에 달하며 열안정성은 300°C이고 녹는점은 100°C 미만이며 pH 3~12 범위에서 안정적인 성능을 발휘합니다. 사용 시 수용액의 농도는 0.5%~1%(중량%)이며 온도는 60~80°C입니다. BTA의 물 용해도가 제한적이므로 준비 시 일정량의 알코올에 녹인 다음 연수에 희석하는 것이 좋습니다. 최근 중국에서는 새로운 형태의 구리 합금 패시베이션제 CC-2002가 개발되었습니다. 이는 BTA를 기본으로 다양한 유기 첨가제를 포함하고 있으며, 액체 형태로 제조, 사용 및 유지보수가 매우 간편합니다. 변색 방지 효과는 기존 BTA에 비해 크게 향상되었으며, 중금속 이온과 환경 유해 화학물질을 함유하지 않고 pH가 중성에 가까워 장비에 대한 부식이 없고 피부 자극도 없어 보급 및 적용 가치가 높은 신형 패시베이션제입니다.
2 구리 스트립 표면 세정 장비
구리 스트립 세정 장치는 지난 20년 동안 개발된 특수 설비로, 실제 사용 과정에서 지속적으로 개선되고 완성되어 왔습니다. 일반적으로 구리 스트립 세정 장치는 다양한 기능 단위로 구성됩니다. 이러한 기능 단위에는 탈지 및 세척 단위, 산세 및 세척 단위, 연마 및 세척 단위, 그리고 패시베이션 및 건조 단위가 포함됩니다. 서로 다른 기능 단위를 조합하면 다양한 목적에 맞는 구리 스트립 표면 처리 생산라인을 구성할 수 있습니다. 예를 들어, 표면 탈지 생산라인, 표면 탈지 및 산세 생산라인, 표면 탈지, 산세, 연마, 연삭 및 패시베이션 생산라인이 있습니다. 또한, 다기능 단위 조합으로 인해 세정 라인이 길어지고 바닥 면적이 넓어지며 전면 작업이 불편해짐에 따라, 최근에는 단층형 외에도 이층형 구리 스트립 세정 라인이 개발되었습니다. 구리 스트립 세정 생산라인의 단층형 배치는 그림 1에, 이층형 배치는 그림 2에 나타나 있습니다.
2.1 구리 테이프 이음
두 롤의 구리 테이프 머리와 꼬리 부분의 이음은 일반적으로 유압 스트립 이음 기계를 사용하며, 상하 두 개의 다이, 유압 시스템, 그리고 전후 가이드 플레이트가 장착되어 있습니다. 상하의 오목-볼록 다이를 사용하여 접합부를 펀칭하고 구리 와이어를 삽입하여 두 스트립을 연결합니다. 스트립의 이음 부분이 핀치 롤러, 압착 롤러 또는 브러시 롤러를 통과할 때에는 이러한 롤러들이 자동으로 들어 올려져 손상을 방지합니다. 이음 부분이 지나간 후에는 롤러가 자동으로 다시 내려옵니다. 최근에는 간편한 작업성으로 인해 클리닝 머신에서 아르곤 아크 스폿 용접 방식의 스트립 이음 방법이 사용되기 시작했습니다.
2.2 탈지 및 세척 유닛
이 장치는 일반적으로 스트립 탈지 챔버, 냉수 세척 챔버, 여러 쌍의 밀봉된 압착 롤러, 탈지제 저장 탱크, 순환 시스템 및 가열 장치로 구성됩니다. 최근에는 탈지 효과를 향상시키기 위해 탈지실 앞에 분사식 예비 탈지를 추가했습니다. 탈지 챔버에는 연마재가 없는 나일론(벨론) 와이어 브러시 롤러와 역압 롤러가 장착되어 있습니다. 브러시 롤러 모터 전류를 조절하여 브러시와 스트립 사이의 압력을 조정할 수 있습니다. 현대의 탈지 장치에는 탈지제 여과 장치와 자동 유수분 분리 장치도 갖추고 있습니다. 탈지제의 유수분 분리가 제대로 되지 않으면 탈지 효과가 저하됩니다.
2.3 산세 및 물 세척
스트립 산세 탱크 구조에는 단순한 단층 관통형과 상하 2층형의 두 가지 유형이 있습니다. 현대적인 구리 스트립 산세 공정에서는 리프팅 방식의 상하 2층 순환 산세 탱크 구조를 채택합니다. 하층에는 산액을 저장하고, 스트립은 상층을 통과합니다. 스트립을 산세해야 할 경우, 산액 순환 펌프를 가동하여 하층의 산액을 상층으로 올려 스트립을 산액에 완전히 담가줍니다. 스트립에 잠긴 산액이 흐르는 상태이므로 산세 효과가 더욱 우수합니다. 스트립의 산세가 필요하지 않을 때에는 산액 펌프를 정지시키면 상층의 산액이 하층으로 다시 내려가고, 스트립은 바로 통과하게 됩니다. 산세 후 구리 스트립 표면에는 산액이 남아 있습니다. 일반적으로 산세 탱크 출구에는 두 쌍의 압착 롤러가 배치되어 있으며, 압착 후 파이프와 노즐로 구성된 냉수 세척실로 들어갑니다.
2.4 폴리싱, 연삭 및 스크러빙
연마, 연삭 및 브러싱은 구리 스트립의 표면 세척에서 매우 중요한 공정입니다. 이는 일반적으로 고속으로 회전하며 다량의 물을 분사하여 헹구는 연마 브러시 또는 연마 브러시가 장착된 스크러빙 박스에서 수행됩니다. 브러시 롤러에는 여러 종류가 있으며, 일반적인 브러싱에는 일반 나일론 와이어 롤러 브러시를 사용할 수 있습니다. 벨트 표면의 연마 및 연삭에는 알루미늄 산화물 또는 탄화규소(Anderlon)가 나선형으로 배열된 롤러 브러시나 고강도 인공 부직포로 만든 연마 연삭 롤러가 자주 사용됩니다. 폭이 4001Tlnl 이하인 구리 벨트의 경우, 연마 및 연삭용 브러시 롤러는 캔틸레버 구조를 채택할 수 있습니다. 폭이 400mm를 초과하는 벨트의 경우 대부분의 구조는 브러시 롤러의 양쪽 끝에서 지지됩니다. 장비 제작 정밀도, 브러시 롤러의 동적 균형 및 설치 상태는 스트립의 표면 연마 및 연삭 품질에 영향을 미치며, 심한 브러시 자국으로 인해 스트립을 사용할 수 없게 만들 수도 있습니다. 브러시 롤러의 회전 속도는 최대 750-1200 rpm까지 가능합니다. 또한 연마 브러시 롤러의 개수를 늘리고 앞뒤에 서로 다른 유형이나 메쉬의 연마 브러시 롤러를 배치하여 구리 벨트의 표면 청결도를 향상시킬 수 있습니다.
2.5 세척수의 다단계 활용
탈지, 산세, 연마, 연삭 및 부동태화 기능을 갖춘 구리 스트립 세정 생산 라인으로, 각 기능 단위에는 냉수 세척 장치가 설치되어야 합니다. 각 단위의 세척수가 개별적으로 공급되고 배출되면 물 소비량이 매우 커집니다. 따라서 “역공급” 방식의 다단계 물 세척 장치가 도입되었습니다. 이 장치는 세척수 탱크를 여러 개의 별도 수조로 나눕니다. 연마 후의 세척수는 1번 수조로 반환됩니다. 1번 수조의 물은 스트립 산세 후의 헹굼수로 사용됩니다. 헹굼수는 2번 수조로 반환되어 스트립 탈지 후의 헹굼수로 사용되며, 잔수는 다시 배출됩니다. 연마수에는 구리 분말 및 기타 입자가 더 많이 포함되어 있으므로 별도의 벨트 필터를 설치해야 하며, 여과 후 재활용할 수 있습니다.
2.6 패시베이션 및 건조
재활용된 부동태화제를 분사하거나 침지하여 통과하는 구리 테이프와 반응시켜 표면에 부동태 피막을 형성함으로써 녹 방지 효과를 얻을 수 있습니다. 건조실의 열풍 온도는 약 80°C이며, 일반적으로 열풍 순환 팬과 제습 팬을 사용하여 가열합니다. 건조 챔버를 통과한 후 구리 스트립의 표면이 완전히 건조되도록 하기 위해, 건조 챔버로 들어가는 구리 스트립의 표면 습기를 먼저 제거해야 합니다. 이를 위해 두 쌍의 고무 압착 롤러에 “에어 나이프”가 장착되어 잔여 습기를 날려 보냅니다. 최근에는 고무 압착 롤러 대신 3M 밀레니엄 롤러(Mill Roll)가 사용되고 있습니다. 밀레니엄 롤러는 고강도 다공성 부직포 섬유 디스크 구조의 롤러로, 더 우수한 압착 효과를 제공합니다. 밀레니엄 롤러를 사용할 때는 구리 테이프의 모서리가 지나치게 날카롭거나 가장자리가 갈라져 손상되지 않도록 특별히 주의해야 합니다.
2.6 패시베이션 및 건조
다양한 기능 단위로 구성된 구리 스트립 세정 장비는 완제품 구리 스트립의 표면 세정 요구를 충족할 뿐만 아니라, 중간 공정의 구리 스트립 표면 세정에도 사용될 수 있으며, 심지어 거친 압연 블랭크의 표면 결함 제거 및 연마 작업에도 활용될 수 있습니다. 고객들의 구리 스트립 표면 품질에 대한 요구가 지속적으로 향상됨에 따라, 구리 스트립 표면 처리 기술과 장비의 발전은 구리 생산 업체와 장비 제조업체의 관심을 더욱 크게 끌고 있으며, 이는 구리 스트립 생산 기술 및 장비의 중요한 부분으로 자리매김하여 그 중요성이 점점 더 부각되고 있습니다.
