KR100892409B1 - 금속재료의 항온 열처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 재료를 가열로에서 가열하고, 어닐링을 위해 항온 열처리장치에서 냉각시키고 그리고 템퍼링하는 금속재료의 열처리 공정에 있어서, 어닐링을 위한 상기한 항온 열처리 장치는, 냉각장치(1)와 항온로(4)의 구성으로 이루어지며, 상기한 냉각장치(1)에는 에어공급장치(2)와 댐퍼장치(3)가 설치되며, 상기한 항온로(4)에는 가열장치(10)가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기한 에어공급장치(2)는 냉각장치(1)의 외벽을 통하여 에어호스(6)가 설치되어, 냉각장치(1)의 내벽(12)과 소통하게 구성하여, 내부에 에어를 공급하게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 냉각장치(1)의 내벽(12)은 좌우 양쪽 모두 에어호스(6)가 설치되며, 에어호스(6)로의 에어 공급은 선택적으로 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 항온로(4)의 내벽 양측에는 히터(11)가 가로 및 세로로 띠 형상으로 나란히 구성되어, 가열 온도 및 가열 위치를 선택적으로 수행할 수 있게 구성한 것을 특징으로 한다

금속 처리, 어닐링, 열처리

Description

금속재료의 항온 열처리장치{annealing apparatus of metal material}

본 발명은 금속 재료를 가열로에서 가열하고, 어닐링을 위해 항온 열처리장치에서 냉각시키고 그리고 템퍼링하는 금속재료의 열처리 공정에 있어서, 어닐링을 위한 항온 열처리 장치에 관한 것이다

일반적으로 금속 재료를 원하는 기계적 성질(경도 및 금속조직)을 부여하기 위하여 열처리 과정을 거치는데 이 경우, 가열로에서 처리하고자 하는 금속 재료를 가열하고, 항온로에서 항온유지 시킨 후 템퍼링하는 순서로 진행된다.

한가지 구체적인 예를 들면, 단조된 제품을 섭씨 930 내지 940도로 가열하여 항온로를 통과하는 과정에서 냉각 곡선에서의 S 곡선(코어부)의 온도가 섭씨 650도 근방에서 서랭 후 템퍼링 처리가 이루어져야 원하는 퍼라이트(Pearlite)와 페라이트(Ferrite) 금속 조직을 얻을 수 있다.

그러나 종래의 항온로 장치에서는 항온 구간이 짧고 온도 상승이 되게 하는 히터 열원이 설치되어 있지 않아 온도 상승이 불가하므로, 신소재, 고급강, 특수강 등의 열처리 품질이 매우 불량하여 사실상 종래의 장치로는 상기한 신소재나 고급 강이나 특수강과 같은 열처리 공정을 수행하지 못하였다.

예를 들어, 최근 자동차 산업의 부품의 신소재 개발이 활성화되고 있어, 종전의 설비로는 처리 금속의 원하는 표준 조직을 얻기가 어렵다. 강재의 소재 개발시, 2차열처리(침탄, 질화처리) 과정에서 강도를 상승시켜 내구성을 증대시키고 있는데 이러한 것은 항온존에서의 냉각처리 과정이 매우 중요한 역할을 한다.

신소재의 경우, 항온존의 유지시간이 매우 중요한데 금속 조직의 변화가 항온 구간에서 어떻게 유지하느냐에 따라서 원하는 금속 조직을 얻을 수 있다. 일반적 이론에 의하면 항온 구간의 통과 유지시간은 10-20분 사이가 되어야 원하는 금속 조직을 얻을 수가 있으며 항온 구간이 짧으면 항온 냉각이 제대로 되지 않아 그대로 템퍼링로를 통과하게 되어 원하는 금속 조직을 얻을 수 없다

최근 개발된 신소재의 성분을 보면 일반 합금의 원소를 다량 첨가하여 기존의 항온 냉각 조건으로는 원하는 품질을 얻기가 어렵다

본 발명은 상기한 점을 감안하여, 처리하고자 하는 금속 재료를 항온 열처리시 자유자재로 원하는 조건으로 냉각 및 가열시킬 수 있게 구성하여 원하는 소정의 열처리가 정확히 이루어질 수 있게 구성하였다

본 발명의 주요 구성은, 어닐링을 위한 항온 열처리 장치가, 냉각장치(1)와 항온로(4)의 구성으로 이루어지며, 상기한 냉각장치(1)에는 에어공급장치(2)와 댐퍼장치(3)가 설치되며, 상기한 항온로(4)에는 가열장치(10)가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기한 에어공급장치(2)는 냉각장치(1)의 외벽을 통하여 에어호스(6)가 설치되어, 냉각장치(1)의 내벽(12)과 소통하게 구성하여, 내부에 에어를 공급하게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 냉각장치(1)의 내벽(12)은 좌우 양쪽 모두 에어호스(6)가 설치되며, 에어호스(6)로의 에어 공급은 선택적으로 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 내벽(12)에는 에어가 배출되는 에어공(7)이 상부로 45도 각도로 형성되어, 처리하고자 하는 제품에 직접 송풍되지 않게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 항온로(4)의 내벽 양측에는 히터(11)가 가로 및 세로로 띠 형상으로 나란히 구성되어, 가열 온도 및 가열 위치를 선택적으로 수행할 수 있게 구성한 것을 특징으로 한다

본 발명에 의하면 열처리 조건이 까다로운 신소재 및 고급강, 특수강 등의 원하는 열처리 조건을 모두 충족시키는 양질의 품질로 열처리 가능하다

본 발명에 의하면, 열처리 시스템에서 냉각영역과 항온영역 구간을 구분하여 각 구간별 히터장치를 이용하여 항온 제어가 매우 자유롭다

본 발명에 의하면 항온 구간의 연장에 따라 처리하고자 하는 금속의 열처리 분위기가 양호하다

본 발명에 의하면 재질에 따른 다른 소재의 열처리 시에는 전혀 다른 냉각 조건을 설정하여 열처리를 진행할 수 있어, 원하는 금속의 조직을 얻을 수 있다

또한 조건별 냉각 및 가열 셋팅을 자유자재로 조절 가능하여 어떠한 조건의 변화에도 열처리가 가능하다

도 1 은 열처리 시스템을 전반적으로 보여주기 위한 장치의 구성도이다

도시한 바와 같이, 미도시한 가열로를 경과한 제품은 냉각장치(1)로 유입된냉각장치(1)는 에어공급장치(2)가 구성되고 그 상부에는 댐퍼장치(3)가 설치된다

에어공급장치(2)를 통하여 공기가 주입되어 냉각장치(1) 내부의 온도를 떨어뜨리며, 그리고 그 상부에 구성된 댐퍼장치(3)에서의 개폐 조절로 냉각장치(1) 내부의 온도를 조절할 수 있다. 에어공급장치(2) 우측에는 연속하여 항온로(4)가 구성되고 그 우측에는 연속하여 템퍼링로(5)가 구성된다

도 2 는 에어공급장치(2)를 내부에서 본 도면으로 에어호스(6)가 냉각장치(1)의 벽과 통하게 구성되어 내부에 에어를 공급할 수 있게 되어 있음을 보여 준다. 에어공(7)을 통하여 에어가 주입된다

도 2 에 도시된 이송롤러(8) 위로는 냉각하고자 하는 제품을 이송된다

도 3 은 제품이 이송롤러를 타고 냉각장치(1)로 들어가는 것을 보여 준다

도 4 는 도 1 의 장치를 상세하 도시한 것으로 냉각장치(1)와 연속하여 항온로(4)가 구성되어 있음을 보여 준다. 항온로(4)에는 가열장치(10)가 설치된다

도 5 는 항온로(4)의 내부를 보여주는 도면으로, 가열장치(10)와 연결되어 히터(11)가 구성됨을 보여준다.

도시한 도면에서는 세로로 촘촘히 스트립 형태로 히터(11)가 구성된다. 가열장치(10)의 가열 열원은 가스, 전기 등 여러 가열수단으로 구성할 수 있다. 이송롤러(8) 상에서 매우 서서히 이송되는 제품을 이 히터(11)에서 가열한다

도 6 은 도 1 에 도시한 항온로(4)와 연속하여 템퍼링로(5)가 구성되어 있음을 확대된 도면으로 보여 준다

상기 구성에 의한 작동을 예를 들어 이하, 설명한다

제품(9)이 가열로를 경유하여 예를 들어, 섭씨 930±10도로 가열된 후, 도 3에 도시한 냉각장치(1)로 컨베이어 장치에 의해 서서히 들어간다. 그러면 냉각장치(1)에 설치된 에어공급장치(2)에서 에어 분사를 한다

도 2 에 도시한 내벽(12)의 좌우에 구성된 에어공(7)을 통하여 냉각장치(1) 내부에 공기가 유입되어 제품을 냉각시킨다. 즉, 본 발명에서는 브로워 장치(미도시)를 인버터를 이용한 속도 조절을 이용하여 발생된 공기를 강제송풍한다

에어공(7)의 에어 배출 각도는 상부로 45도로 각도가 지게하여 송풍되도록 구성한다. 그리하여 에어가 직접 제품에는 접촉하지 않게 하여 원하는 조직을 얻을 수 있도록 하였다. 에어를 제품에 직접 부딪치게 분사하는 것은 제품의 일부분에 급격한 냉각을 가져다 주므로 냉각에 따른 품질에 악영향을 줄 수 있어 바람직하지 못하다. 따라서 본 발명의 구성과 같이 제품의 상부에서 송풍하는 간접 냉각방식이 제품의 금속 조직에 악영향을 주기 않고 냉각을 부드럽고 효율적으로 행하게 해 준다. 내벽(12)의 양쪽 좌우에서의 공기 분사로 냉각시키는 것은 또한 와류 공기를 발생시키고 공기의 순환을 매우 원활하게 하여 주므로 순간적으로 강력한 냉각을 줄 수 있다.

그리고 그 상부에 구성된 댐퍼장치(3)의 개폐 작동으로 그 내부의 실내 온도를 적절히 조절한다. 댐퍼장치(3)는 일반적인 장치의 것을 사용하는 것이므로 이에 대한 상세한 구조 및 설명은 불필요하다. 냉각장치(1) 내부에는 도시하지는 않았으나 당연히 온도 계측 장치가 구성됨은 물론이다

에어를 공급하는 에어호스(6)는 여러 개 구성되어 있어서 그 에어 공급을 자유자재로 조절할 수 있다. 예를 들어, 온도를 신속하게 크게 떨어뜨리고자 할 경우에는 에어호스(6) 전부에 에어를 공급하고, 반대로 온도를 조금만 낮추고자 한다면 에어호스(6)의 에어 공급 갯수를 줄이면 된다

그리고 원하는 위치에 있는 에어호스(6)에 에어를 공급할 수 있다. 에어호스(6)는 내벽(12)의 하부에서 상부까지 설치되어 있어 에어를 하부에 집중적으로 공급하거나 또는 상부에 집중하여 공급하거나 하는 등과 같이 에어 공급 위치를 자유자재로 조절할 수 있다. 추가로 에어의 송풍 세기도 인버터를 이용하여 RPM을 조절할 수 있어 냉각장치(1) 내부의 온도를 원하는 각종 조건으로 정확하고도 자유자재로 냉각 조절할 수 있다.

상기한 냉각 공정이 끝난 후에는 항온로(4)로 투입되어 가열을 한다

본 발명에서는 종래와 같이 냉각 후 바로 템퍼링로(5)에서 템퍼링하는 것이 아니라, 항온로(4)에서 필요 시 재차 가열을 한다. 냉각장치(1) 및 항온로(4)에서 원하는 냉각 속도로 냉각시켜 예를 들어, 섭씨 600±10도로 항온 유지되게 하고 그리고 템퍼링로(5)에서 예를 들어, 섭씨 650±10도로 템퍼링 처리하여, 원하는 최종 금속 조직을 얻도록 한다. 그리하여 제품의 추후 공정에서의 침탄 및 기타 가공 공정 등에서 가장 유리한 표준 조직으로 만들어 낼 수 있다

상기 설명에서 템퍼링 공정보다 그 앞의 공정에서 템퍼링 온도보다 더 낮은 온도로 떨어뜨리는 이유는 템퍼링로(5)에서의 온도 안정성을 위한 것이다. 비록 냉각 장치(1)를 거쳤어도 제품에는 아직 내장된 잠열이 있어 지속적으로 발열이 된다. 따라서 이 상태로 바로 템퍼링 공정으로 들어가면 템퍼링 공정이 안정적이지 못하고 예측하지 못한 온도 변화가 심하게 온다

따라서 냉각장치(1)에서 미리 템퍼링로(5)에서의 원하는 온도 이하로 충분히 떨어뜨린 후에 항온로(4)을 거치게 하면 항온로(4)에서 선템퍼링하여 주는 효과가 있다. 온도가 지나치게 떨어졌을 경우에는 항온로(4)에 구성된 히터(11)로 가열하여 약간 온도를 올려주면 그 이상 온도가 더 올라가지 않으므로 다음 공정인 템퍼링에서 안정적인 템퍼링이 이루어질 수 있어 원하는 최적의 금속 표면 조직을 얻을 수 있다.

히터(11)는 항온로(4)의 좌우 내벽에서 가로 및 세로로 스트립 형태로 균일하게 구성되어 있어 제품에 대하여 순간적으로 균일한 가열이 가능하다

이와 같이 스트립 형태로 촘촘히 구성한 이유는 전체적인 균일한 가열이나 또는 구간별 부분적인 선택적 가열을 가능하게 하여 준다

도 1 및 도 4 에 도시한 바와 같이 가열장치(10)가 나란히 여러개 설치되어 있어 소정의 원하는 것만 선택적으로 가열할 수 있다. 예를 들어 앞에서 하나씩 간격을 띄워 가열할 수도 있다. 이렇게 선택적으로 가열하는 이유는 가열 온도와 기타 내부의 가열 분위기 등을 조절하기에 유리하다

그리고 도 5 에 도시한 내부 구조에서도 보듯이, 히터(11)가 스트립 형태로 가로 및 세로로 양벽에 나란히 배치되어 있어서, 가열장치(10)와 연결되어 작동하는 히터(11) 전체를 가열하거나 또는 일정 간격별로 또는 구간별로 선택적인 가열이 가능하다. 상기한 냉각장치(1) 및 항온로(4)에서의 공정은 항온 어닐링 공정이며, 이 공정 후에는 템퍼링로(5)에 들어간다.

상기한 구성에 의하면, 처리하고자 하는 금속 재질별 냉각 조건에 따라, 히터를 이용한 항온냉각 또는 브로와를 이용하여 에어호스(6)로의 강제송풍을 이용한 항온 냉각 그리고 공기와의 접촉 없이 댐퍼 장치(3)를 닫아 항온 냉각하는 방법 등으로 다양한 열처리를 할 수 있다

예를 들어 강제 송풍이 아닌 히터 장치를 이용하여 냉각 구역에서의 분위기를 섭씨 500-600도로 상승시켜 댐퍼 장치를 열고 닫아 원하는 조직을 얻는다

냉각구간을 통과한 제품은 강종에 따른 냉각 곡선도에서 S구역(600-700도)에서 항온유지가 되어야 원하는 조직을 얻을 수 있다. 그러므로 각 재질별 항온 유지 온도의 변화를 히터를 통한 열원 공급으로 다양하게 열처리를 할 수 있다

다시 말해 본 발명은 한가지 금속재질 조건에 맞게 장치가 작동될 수 있게 이루어진 것이 아니라 다양한 금속 재질의 열처리의 조건에 맞게 설정할 수 있어 최근의 신소재에 대한 열처리도 가능하게 된다.

도 1 은 본 발명에 따른 장치의 구성을 설명하기 위한 외형도

도 2 는 냉각장치의 내부 구성을 보여 주는 도면

도 3 은 냉각장치로 제품이 이송되어 들어가는 것을 보여주는 도면

도 4 는 냉각장치에 대항 상세 외형도

도 5 는 항온로의 내부 히터를 보여주는 도면

도 6 은 템퍼링로(5)를 보여 주는 도면

Claims (5)

1. 금속 재료를 가열로에서 가열하고, 항온 열처리장치에서 냉각시키고 그리고 템퍼링하는 금속재료를 열처리하는 공정에서 상기한 항온 열처리 장치는,

   냉각장치(1)와 냉각장치(1)의 후방에 설치하는 항온로(4)의 구성으로 이루어지며,

   상기한 냉각장치(1)에는 냉각장치(1)의 벽에 에어공급장치(2)와, 냉각장치(1)의 상부에 댐퍼장치(3)가 설치되며,

   상기한 항온로(4)에는 가열장치(10)가 설치되고,

   상기한 에어공급장치(2)는, 냉각장치(1)의 외벽 좌우 양측에 에어호스(6)가 설치되어, 냉각장치(1)의 내벽(12)과 소통하게 구성되고,

   상기한 내벽(12)에는 에어가 배출되는 에어공(7)이 상부로 45도 각도로 형성되어, 처리하고자 하는 제품에 직접 송풍되지 않게 구성되고,

   상기한 항온로(4)의 내벽 양측에는 히터(11)가 가로 및 세로로 띠 형상으로 나란히 구성되어, 가열 온도 및 가열 위치를 선택적으로 수행할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 금속재료의 항온 열처리장치.
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