KR100264824B1 - 베타영역에서의 적외선 가열 단계를 포함하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

베타구역(Bata Range)에서 적외선으로 가열하는 것을 포함한 지르코늄 합금의 평판형 제품을 제조하는 방법
본 발명은 두께가 0.4∼3mm인 스트립, 밴드, 시트(4)로 이루어진 지르코늄 합금의 평판형 제품(4)을 제조하는 방법과 관련되며, 이 방법은 냉간압연후에 상기 제품의 베타영역에서 가열, 유지하고, 그 다음에 급냉하는 것을 포함한 방법에 있어서, 상기 가열과 상기 유지는 0.8∼5㎛의 파장을 갖고 있는 적외선 빔 램프를 사용하여 실시되며, 50∼600mm이 폭을 갖는 제품(4)의 폭에 걸쳐 35℃보다 작은 최대 온도편차를 제공한다.
본 발명은 핵 반응기를 고정하고, 이격시키기 위한 제품의 제조와 관련된다.

Description

베타영역에서의 적외선 가열 단계를 포함하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법
제1도와 제2도는 각각 적외선 가열과 유도 가열에 의해 얻어지는 평판형 지르코늄 합금 제품의 온도 구배를 나타내는 도면이고,
제3도는 일군의 지르칼로이 4로 이루어진 시이트의 적외선 가열 시험을 나타내고,
제4도는 제3도의 장치에 따라서 시험된 시이트들 위에서 관찰되는 온도 변화를 나타내고,
제5도는 본 발명에 따른 지르코늄 합금 스트립의 처리 장치를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
3 : 적외선 튜브 4 : 시이트
41 : 밴드 50 : 내화물
9 : 냉각 수단
본 발명은 두께 0.4∼3mm의 스트립 밴드 또는 시이트로 이루어지는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은 특허 청구의 범위 제1항에 전제부에 따라, 냉간 압연 후 이 제품을 베타 영역에서 가열 및 유지시킨 후 급속 냉각시키는 단계를 포함하는 것이다.
이 열처리 공정은 통상 “베타 영역에서의 템퍼링(tempering)”이라 부른다.
이러한 종류의 방법은 프랑스 특허 제2673198호에 개시되어 있으며, 이 방법에 따라, 지르칼로이(zircaloy) 2 또는 지르칼로이 4로 이루어진 밴드에 전류 루프가 형성되도록, 이 밴드를 전류가 공급되는 적어도 2쌍의 연속된 롤러 사이로 통과시킨다. 이 방법은 롤러와 밴드 사이의 전기적 접촉이 불규칙하므로 산업상 이용되기 어려운데, 이는 제품에서 얻을 수 있는 온도 균일성과 재현성이 만족스럽지 않기 때문이다.
프랑스 특허 제2303865호(영국 특허 제1537930호)에는, 예를 들어 4mm 두께의 지르칼로이 합금 4로 이루어지며 핵반응기에 쓰이는 지르코늄 합금 시이트를 고주파 유도에 의해 적어도 900℃로 가열하는 방법이 개시되어 있다. 이 시이트의 표면이 가열된다. 만일 더 낮은 주파수가 사용된다면 전체 두께의 시이트가 가열되는 것이 가능하지만, 가열 후에 실시되는 급속 냉각 시에 상당한 온도 편차와 변형이 일어나게 된다. 예로서 주어진 유일한 가열 온도는 지르칼로이 2 또는 4의 경우의(알파+베타)영역에 상응하는 “900℃”이다.
출원인은 베타 영역으로부터의 가열과 템퍼링하는 공정을 실현하였으며, 이 공정은 재현성이 있고 신속하며 핵 반응기의 부식에 대한 내성을 보다 장기화시키고, 알파 어닐링이 후속될 수 있는 템퍼링 조건을 적용함으로써 얻을 수 있다.
본 발명의 방법은, 폭이 50∼600mm 사이인 제품의 폭 전체에 걸쳐 온도 편차가 35℃ 미만이 되게 하는 파장 0.8∼5㎛, 바람직하게는 파장 1∼3㎛의 적외선 램프를 사용하여 상기 가열 및 유지 단계를 실행하는 데 특징이 있다.
이러한 가열 단계는 제품의 산화가 방지되도록 통상 아르곤, 질소, 헬륨의 불활성 가스 분위기에서 실시된다. 횡방향 플러스 유도에 의한 제품의 온도 구배는 60℃ 이상의 편차를 나타내고, 각각의 길이 방향의 연부와 중간부 사이는 저온인데 반해, 적외선 가열에 의해 얻어지는 온도 구배는 각각의 길이 방향 연부에서 약간의 온도 감소만이 나타나며, 총 온도 편차는 각 부분에서 35℃ 미만이다. 길이 방향의 온도 변화는 보통 10℃ 미만이다. 가열은 상당히 빠르고, 예를 들어 두께 1.4mm의 스트립 또는 시이트에 대해 대기 온도와 1040℃ 사이에서의 가열은 40초 미만에 종료된다. 적외선 램프 또는 튜브에는 전류가 공급되고, 양호하며 신뢰성 있게 가열하도록 조절되며, 다음과 같은 장점이 있다.
- 베타 영역에서 제품의 최소화 최대 온도의 위치를 보다 정확하게 선택할 수 있다.
- 급속 냉각(템퍼링)전에 용액 속에서의 위치 설정 및 베타 결정 크기를 더 양호하게 조절할 수 있다.
- 냉각 후에 더 균일한 미세 조직을 얻을 수 있다.
- 결과적으로 균일한 구상(nodular)의 부식에 의하여 더욱 규칙적으로 중량이 증가하고, 가열이 베타 영역의 하부 영역에서 실행되는 경우, 평균적으로 더 적게 중량이 증가한다.
베타 영역에서의 가열 및 유지 단계는 평판형 제품의 길이 방향으로 배치되고 개별적으로 조절되는 적외선 튜브의 램프들을 사용하여 실행되는 것이 바람직하다. 따라서, 제품의 최대 온도 차이는 25℃ 이하로 되고, 통상적으로는 10℃∼20℃ 사이이다.
본 발명의 실시를 위한 바람직한 조건들은 지르칼로이 2 및 지르칼로이 4로 이루어진 합금의 경우에 좀더 정확하게 특정될 수 있다. 이 지르칼로이 2 및 지르칼로이 4합금의 조성은 ASTM B 352-85 규격으로 주어져 있고, 이에 상응하는 합금들은 각각 R 60804 와 60802이다.
이 바람직한 조건들은 주석 함량을 최소 0.5%로 감소시켜 변형된 같은 합금에도 적용할 수 있고, 본 발명의 출원인이 출원한 프랑스 특허 B-2624136(미국 특허 4981527에 상응)에 기재된 Zr-Fe-V합금에도 적용될 수 있다.
전술한 모든 합금에서 베타 영역은 적어도 980℃∼1100℃의 온도 범위로 이루어진다.
제1의 바람직한 조건에 따르면, 급속 냉각의 시작은, 한편으로는 균일한 부식에 대한 저항성에 중요하고, 다른 한편으로는 결절상 부식에 대한 저항성에 관하여 상당히 중요하다. 이에 상응하는 표면 질량의 증가는 만일 평판형 제품이 1000℃ 내지 800℃ 사이에서 40∼100℃/sec. 의 냉각 속도로 급속 냉각되는 경우에 상당히 감소한다.
평판형 제품을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 제품의 일면에 복사(radiate)하는 적외선 램프를 사용하여 제품의 나머지 면으로부터 작은 거리만큼 떨어진 바람직하게는 흰색인 내화물 및 Zr합금을 가열하는 것이 실용적이다. 내화물로부터 40mm에서 20mm로 접근시키면 제품의 온도 증가 속도가 40∼60% 상승하며, 이 거리는 30mm 미만으로 선택하는 것이 바람직하다. 흰색의 내화물은 나머지면 에 의해 복사되는 열에너지의 대부분을 반사하며, 내화물이 검은 색인 경우 보다 1.2배 높은 평판형 제품의 온도 증가 속도를 얻을 수 있다.
적외선 가열에 기인하여 제품의 온도 균일성이 우수한 제2의 바람직한 조건에 따르면, 급속 냉각 전에 제품은 모든 지점에서 통상적으로 1020℃∼1060℃ 사이의 온도로 가열된다. 온도 상승 시간은 특별히 짧다.
- 제품의 두께가 0.4∼1.4mm일 때 15∼40초.
- 제품의 두께가 1.4∼3mm일 때 30∼80초.
일반적으로 부과되는 다른 조건에 따르면, 급속 냉각 전에 이 균일한 상에서 베타 방위 조직의 크기 증가를 억제하기 위해서 베타 영역에서 980℃ 이상으로 5∼30초 동안 유지하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 제3의 바람직한 조건에 따르면, 본 발명의 일련의 처리들을 연속적으로 실시하는 것이 바람직하고, 평판형 제품은 적외선 튜브의 조립체와 제품으로부터 30mm 내의 위치한 내화물 또는 적외선 튜브의 제2조립체 사이에서 순환되고, 제품의 양면은 중성 가스에 의해 보호되며, 이어서, 예를 들어 물 또는 중성 가스와 같은 급속 냉각 수단을 통하여 순환된다.
본 발명의 연속 처리 기술에 따르면, 평판형 제품은 통상 각각 공급 롤러와 권취 롤러인 2개의 롤러 사이에서 당겨지는 인장 상태 하의 밴드 형태인데, 대칭적으로 밴드의 양면을 가열하는 2개의 적외선 튜브 조립체 사이에서의 가열 공정은 급속 냉각 후 제품을 가로지르는 변형을 크게 제한한다. 제품의 높이 상의 변화는 폭의 최대 0.5%이지만, 일면만 적외선으로 가열하는 경우의 높이 상의 변화는 폭의 1.5∼2%이다.
템퍼링 후의 제품의 편평도에 의해 롤러 사이에서의 조질 압연(調質 壓延)을 회피할 수 있는데, 상기 제품의 불규칙한 가공 경화는 내부식성 측면에서 또는 적어도 조질 압연을 촉진하는 측면에서 불리하지만, 이러한 제품의 편평도에 의해 가공경화의 불규칙성 및 그에 따른 불리한 효과가 억제된다.
[본 발명의 장점]
- 평균적으로 개선된 내부식성과 개선된 재현성이 있는 더욱 균일한 조직을 얻을 수 있다.
- 변형을 억제 또는 제한하고 핵반응기에서의 내부식성에 미치는 해로운 영향과 조질 압연을 방지하고 제한 할 수 있다.
- 처리가 상당히 신속하다.
[실시예]
1) 제1도와 제2도
두께가 2∼3mm이고 폭이 300mm인 지르칼로이 4의 시이트에서 단파장의 적외선 가열(R)과 횡방향 플럭스의 전기 유도 가열에 의해 얻어진 온도 구배(profile)(1,2)를 1000℃에서 비교하였다.
제1도의 온도 구배는 시이트의 단부(A1과 A2)에 상응하는 시이트의 각각의 연부로부터 10∼15mm 떨어진 부위에서 거의 평탄하게 되는 정도로 둥글게 된다. 최대 온도차(△T1)는 연부의 영향과 관련 있으며 20℃미만이다.
제2도의 온도 구배는 양쪽이 오목하고 각각의 연부(A2또는 B2)로부터 거리(D)가 40∼50mm인 C2와 같은 온도 골(trough)이 있다: 최대 온도차(△T2)는 60 내지 70℃이다.
2) 적외선 빔에 의한 지르칼로이 4시이트의 정적 가열 시험(static heating test)-(제3도 및 제4도)
2.1 장치(제3도)
이 장치는 2100℃까지 가열되는 텅스텐 필라멘트가 구비된 “단파장”의 적외선 튜브(파장 1∼3㎛)로 이루어져 있다. 그 밖에, 튜브당 전압이 230V이고 전력이 3kw인 교류가 공급된다. 튜브 연결부는 350℃를 넘지 않아야 하므로, 각 연결부는 시간당 13㎥ 정도의 상당한 기류에 의해 냉각된다. 냉각수가 순환되는 튜브를 사용할 수도 있다.
가열 판넬(3)은 6개의 튜브로 이루어져 있는데, 그 총전력은 18kw이다. 시이트(4)로부터 거리 “d”가 40mm에서 전력 밀도(P)는 약 180kw/㎡이고, 20mm에서는 220kw/㎡이다.
폭 250mm의 시이트(4)는, 폭(“1”)이 300mm이고 시이트 주위로 경계를 형성하는 베이스판(5) 위에 튜브를 따라서 거리 d만큼 떨어진 지점에 배치되어 있다.
2.2 시험
두께 0.88, 1.48, 2.85mm의 시이트(4)(제4도)의 상면(40)의 온도가 연속적으로 조사되었다. 장치의 낮은 관성은 논의될 필요가 없다. 판넬은 최대로 10분의 수초만에 작업 영역에 도달한다. 판넬(3)로의 공급이 방해받더라도 960℃∼980℃의 베타 천이 온도가 초과되었다. 이로써 시스템을 상당히 신축성 있게 조절할 수 있다.
2.2.1
베이스판(5) : 흑색, d=40mm
두께 0.88mm : 곡선 a
판넬(3)은 시이트(4)로부터 너무 많이 떨어져 있어서, 흑색의 베이스판이 시이트의 하부면에 의해 복사되는 에너지의 대부분을 흡수한다.
이러한 조건하에서 시이트(4)의 온도는 900℃의 정적 상태를 향하여 점근적으로 상승하기 전에 40℃/s로 빠르게 상승하여 복사와 대류에 의한 손실을 적외선 조사의 공급으로 보상한다.
2.2.2 백색 내화물 (50). d=20mm
본 장치의 수율을 증가시키기 위해 다음과 같이 수행하였다.
- “d”가 40mm 내지 20mm가 되도록 판넬(3)을 더 가까이 가져갔다.
- 베이스판은 백색 내화물(50)위에 배치되었다.
이것은 하부면에 의해 복사되는 에너지의 대부분이 돌아오게 하기 위함이다.
향상된 결과에 따라 시이트(4)의 양면에 걸쳐 열 균형이 이루어지는데, 이 열 균형은 시험된 모든 시편 위에서 베타 천이 영역이 초과될 수 있게 해준다. 약 800℃와 950℃ 내지 1000℃에서 곡선이 굽어지는 것은 2상(α+β) 영역을 확실히 보여줄 수 있게 해준다.
일단 베타 영역에 도달되면 판넬로의 전류 공급이 차단되고 시이트(4)의 냉각상이 기억된다.
시이트(4)의 오직 한면(40)의 적외선 가열 시험에 있어서, 가열 및 냉각 속도는 다음과 같이 조절된다.
[표 1]
bo의 경우는 시이트의 약간의 산화에 의해 적외선(IR)의 더욱 양호한 흡수를 통하여 온도 상승 속도가 증가하는 것을 보여준다.
3) 본 발명에 따른 연속 처리 장치(제5도)
지르칼로이 2 또는 4로 이루어진 밴드(41)는 공급 롤러(6)와 권취 롤러(7)의 2개의 롤러 사이에서 당겨진다. 이 밴드는 적외선 밴드(41)로부터 20mm 떨어진 적외선 램프나 튜브의 판넬(3)과 밴드(41)로부터 10∼20mm 사이에 위치하는 백색 내화물 판넬(50) 사이로 통과된다. 그 이동 속도는 0.7∼1.5m/분 사이이다. 적외선 가열 출구에서 밴드(41)의 온도를 조절하는 수단(8)이 판넬(3)의 전력을 조절하기 위해 동시에 사용된다. 이어서 밴드(41)는 진동하는 불활성 가스 또는 미세한 방울로 분무되는 물 또는 액체 질소를 통하여 냉각 지대(9)를 통과한다. 아르곤, 헬륨 또는 질소 같은 불활성 가스는 밴드(41)의 각각의 면위에서 화살표 방향(10,11)으로 순환한다.
내화물 판넬(50)은 밴드(41)로부터 20mm 이격된 제2적외선 판넬(30)로 대체될 수 있다. 대칭의 가열 수단(3,30)은 얻어지는 제품의 질과 생산성을 향상시킨다.
[산업적 용도]
가압수형 혹은 비등수형 핵반응기용의 전형적으로 표준화된 가공편의 고정 및 배치에 적용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 두께가 0.4∼3mm인 스트립, 밴드(41) 또는 시이트(4)로 이루어진 평판형 지르코늄 합금 제품(4, 41)의 제조 방법으로서, 냉간 압연 후에 상기 제품을 베타 영역에서 가열 및 유지하는 단계 및 이 단계 후에 실시되는 급속 냉각 및 가능하게는 어닐링 단계를 포함하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법에 있어서, 상기 가열 및 유지 단계는, 폭이 50∼600mm인 제품(4,41)의 폭에 걸쳐 35℃미만의 최대 온도차(△T1)를 제공하는, 파장이 0.8∼5㎛ 사이인 적외선 램프(3)를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 램프(3)는 상기 제품(4, 41)의 길이 방향으로 배치되는 적외선 튜브를 포함하고, 각각의 상기 튜브는 개별적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 온도차(△T1)는 25℃ 미만인 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 합금은 지르칼로이 2 또는 지르칼로이 4로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 제품의 급속 냉각 단계는 1000℃∼800℃ 사이에서 40∼100℃/s의 냉각 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 및 유지 단계는, 제품(4,41)의 일면(40)과, 제품의 다른 일면으로부터 적어도 30mm 이격된 하나 이상의 백색 내화물(50)에 조사하는 적외선 빔 램프에 의해 베타 영역에서 실시되는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제품(4)은 급속 냉각 전에 1020∼1060℃ 사이의 온도로 가열되고, 이 제품은 두께가 0.4 내지 1.4mm이며, 온도 상승 시간은 15∼40초인 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제품(4)은 급속 냉각 전에 1020∼1060℃ 사이의 온도로 가열되고, 상기 제품은 두께가 1.4 내지 3mm이며, 온도 상승 시간은 30∼80초인 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 베타 영역에서 유지하는 시간은 980℃ 이상에서 5∼30초인 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 가열, 유지 및 급속 냉각 공정은 연속적으로 이루어지고, 상기 평판형 제품(41)은 적외선 튜브(3)의 조립체와 제품(41)으로부터 적어도 30mm 이격된 내화물(50) 사이에서 순환하며, 상기 제품의 양면은 중성 가스에 의해 보호되며, 이어서 물 또는 중성 가스의 분사류와 같은 급속 냉각 수단(9)을 통해 순환하는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 가열, 유지 및 급속 냉각 공정은 연속적으로 이루어지고, 상기 평판형 제품(41)은 2개의 면을 각각 대칭적으로 가열하는 적외선 튜브(3,30)의 2개의 조립체 사이에서 순환하고, 상기 제품의 양면은 중성 가스에 의해 보호되며, 이어서 물 또는 중성 가스의 분사류와 같은 급속 냉각 수단(9)을 통하여 순환하는 것을 특징으로 하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법.
KR1019940025526A 1993-10-11 1994-10-06 베타영역에서의 적외선 가열 단계를 포함하는 평판형 지르코늄 합금 제품의 제조 방법 KR100264824B1 (ko)

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