KR101179239B1 - 용접 재료 제조 방법 - Google Patents

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채승수
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Abstract

용접 재료 제조 방법이 제공된다. 상기 용접 재료 제조 방법은 이산화티타늄 원료를 고주파 가열하여 용융시켜 용융물을 형성하는 단계, 상기 용융물을 냉각시키는 단계, 및 상기 냉각된 용융물을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용접 재료 제조 방법에 의해 고순도의 이산화티타늄을 포함하면서도 높은 가사비중을 갖는 용접 재료가 제조될 수 있다.

Description

용접 재료 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING WELDING MATERIAL}
본 발명은 용접 재료 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 가열을 이용한 용접 재료 제조 방법에 관한 것이다.
용접봉은 피복아크 용접봉과 플럭스 코어도 와이어로 구분될 수 있다. 피복아크 용접봉은 와이어 외부에 플럭스가 피복된 형태로 약 35㎝의 길이로 절단되어 사용되는 수작업용 용접봉이다. 플럭스 코어드 와이어는 철판을 말아 만든 파이프 내에 플럭스가 충진된 형태로 절단되지 않고 전선과 같이 롤에 권취되어 사용되며 선박 제조와 같이 대량의 자동 용접이 필요한 산업에 주로 사용된다. 이러한 이유로 피복아크 용접봉은 생산량이 감소하는 반면 플럭스 코어드 와이어의 생산량은 증가하고 있다.
일반적으로 용접봉의 플럭스 원료로 사용되는 이산화티타늄(TiO2) 재료는 루타일과 아나타제가 있다. 루타일은 가격이 저렴하고 비중이 높지만, 불순물 함량이 높아 고용접 강도를 요구하는 특수 용접봉 제조에는 사용될 수 없다. 아나타제는 순도가 높지만, 가사비중이 낮아 파이프 내에 일정량의 플럭스가 충진되지 않아 플럭스 코어드 와이어용으로 사용되기 어렵다.
따라서, 플럭스 코어도 와이어용 플럭스를 제조하기 위해서는 이산화티타늄의 순도가 높으면서도 가사비중이 높은 이산화티타늄 재료가 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고순도의 이산화티타늄을 포함하면서 가사비중이 높은 용접 재료의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료 제조 방법은, 이산화티타늄 원료를 고주파 가열하여 용융시켜 용융물을 형성하는 단계; 상기 용융물을 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 용융물을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이산화티타늄 원료는 상기 고주파 가열에 의한 용융을 유도하기 위한 도체를 포함할 수 있다. 상기 도체는 금속 티타늄 및 카본 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 고주파 가열 온도는 2000℃ 이상일 수 있다.
상기 고주파 가열은 고주파 유도 가열일 수 있다.
상기 냉각에 의해 상기 용융물의 온도는 1500℃ 이하로 떨어질 수 있다.
상기 분쇄는 롤러 압착에 의한 1차 분쇄와 진동밀 분쇄기에 의한 2차 분쇄를 포함할 수 있다.
상기 이산화티타늄은 아나타제일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 제조 방법에 의해 고순도의 이산화티타늄을 포함하면서도 높은 가사비중을 갖는 용접 재료가 제조될 수 있다. 또, 상기 제조 방법은 고주파 용융 기술을 이용함으로써 상기 용접 재료는 기존의 플럭스보다 낮은 용융점과 낮은 수분율을 가질 수 있고, 이에 의해 우수한 플럭스 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 용접 재료를 플럭스로 포함하는 플럭스 코어드 와이어는 우수한 용접 성능을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 재료의 제조 공정을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 재료의 제조 장치를 나타낸다.
도 3a는 도 2의 제조 장치 중 고주파 용융기의 평면도이고, 도 3b는 상기 고주파 용융기의 정명도이고, 도 3c는 상기 고주파 용융기의 측면도이고, 도 3d는 도 3a의 I-I'라인을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 2의 제조 장치 중 냉각기를 나타낸다.
도 5는 도 2의 제조 장치 중 롤러 압착기를 나타낸다.
도 6은 도 2의 제조 장치 중 진동밀 분쇄기를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어와 그 제조 과정을 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이산화티타늄을 포함하는 용접 재료
본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료는, 이산화티타늄 원료가 고주파 가열에 의해 용융된 후 냉각되고 분쇄되어 형성될 수 있다. 상기 이산화티타늄 원료는 예를 들어, 아나타제일 수 있다.
상기 용접 재료의 물성은 하기 표 1과 같다.
물성 비중 용융점 입도 수분율
값 4.0 이상 1700℃ 이하 50 ~ 250㎛ 1% 이하
상기 표 1을 참조하면, 상기 용접 재료의 가사비중은 4.0 이상일 수 있고, 입도는 50 ~ 250㎛일 수 있다. 상기 용접재료는 약 150㎛의 균일한 평균 입도를 가질 수 있다. 상기 이산화티타늄 원료인 아나타제의 가사비중은 0.44로 낮지만, 고주파 가열 공정을 거치면서 형성된 용접 재료는 가사비중이 4.0 이상으로 아나타제에 비하여 가사비중이 매우 높아짐을 알 수 있다. 상기 아나타제는, 이산화티타늄의 순도는 높지만, 가사비중이 0.44로 낮아, 금속 외피로 조관 후 충진 시 일정량의 플럭스가 충진되지 않는다. 그러나, 상기 용접 재료는 가사비중이 4.0 이상으로 상기 아나타제에 비하여 매우 높으므로 조관 후 충진 시 일정량의 플럭스가 충진될 수 있다.
상기 용접 재료의 용융점은 1700℃보다 낮을 수 있고, 수분율은 0.1% 이하일 수 있다. 하기 표 2는 본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료와 기존의 용접 재료의 용융점과 수분율을 나타낸다. 기존의 용접 재료는 아나타제를 프레스한 후 소결하고 분쇄하여 제조된 것이다.
항목 기존의 용접 재료 본 발명의 용접 재료
용융점 1800℃ 이상 1700℃ 이하
수분율 0.15% 이상 0.1% 이하
상기 표 2를 참조하면, 기존의 용접 재료의 용융점은 1800℃ 이상이나, 본 발명의 용접 재료의 용융점은 1700℃ 이하이다. 또, 기존의 용접 재료의 수분율은 0.15% 이상이나, 본 발명의 용접 재료의 용융점은 0.1% 이하이다. 용접에서 플럭스의 역할은 낮은 용융점을 이용하여 슬래그를 만들어 대기 중 산소나 질소와의 접촉을 방지하여 용융금속을 보호하는 데 있다. 본 발명의 용접 재료는 소결에 의해 제조되는 기존의 용접 재료보다 용융점과 수분율이 낮아 더욱 우수한 플럭스 기능을 수행할 수 있다.
상기 용접 재료의 성분과 함량은 하기 표 2와 같다.
성분 TiO2 CaO P S Nb2O5 V2O5 강열감량
함량 98중량% 이하 0.5중량% 이하 0.04중량% 이하 0.03중량% 이하 0.05중량% 이하 0.05중량% 이하 1.0중량% 이하
상기 용접 재료는, 이산화티타늄의 함량이 98중량% 이상일 수 있고, Nb2O5의 함량과 V2O5의 함량이 각각 0.05중량% 이하일 수 있다. CaO의 함량, P의 함량, 및 S의 함량이 각각 0.5중량% 이하, 0.04중량% 이하, 0.03중량% 이하일 수 있다. 강열감량(Ignition Loss)은 1.0중량% 이하일 수 있다. 이와 같이, 본 발명이 실시예들에 따른 용접 재료는 이산화티타늄의 함량이 높고, 불순물의 함량이 낮다. 특히, 불순물인 Nb2O5와 V2O5의 함량이 모두 0.05중량% 이하로 매우 낮다.
용접 재료의 제조방법
본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료 제조 방법은 이산화티타늄 원료를 고주파 가열하여 용융물을 형성하는 단계, 상기 용융물을 냉각시키는 단계, 및 상기 냉각된 용융물을 분쇄하여 용접 재료를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 이산화티타늄 원료는 아나타제일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 재료의 제조 공정을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이산화티타늄 원료가 고주파 가열에 의해 용융된다(S10). 상기 고주파 가열은 고주파 유도가열일 수 있다. 상기 고주파 유도가열은, 교류 전류가 흐르는 코일 쪽에 위치한 금속 등의 도전체에 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의하여 발생되는 열을 이용하여 피가열물을 가열하는 것을 말한다. 즉, 코일에 고주파 전류가 흐르면 고주파 자장이 발생하게 되고, 이 고주파 자장 내에 있는 피가열물에 유도전류가 흘러 가열이 이루어진다.
티타늄은 1870℃에 도달하게 되면 저항율이 0.01Ω/m가 되어 고주파 가열에 의한 용융이 가능하나 이산화티타늄은 산화물이므로 저항이 매우 높아 고주파 가열 초기에는 용융이 잘 되지 않을 수 있다. 그러나, 고주파 가열 초기에 금속 티타늄이나 카본과 같은 도체를 이산화티탄 원료의 분말 사이에 넣으면 상기 도체 주위부터 용융이 시작되고 시간이 흐름에 따라 이산화티타늄 전체가 용융된다. 고주파 가열에 의해 이산화티타늄 원료가 용융되는 온도는 약 2000℃일 수 있다.
상기 고주파 가열에 의해 용융된 이산화티타늄 원료의 용융물이 냉각된다(S20). 상기 냉각에 의해 약 2000℃의 용융물은 1500℃ 이하로 냉각될 수 있다. 이와 같이 상기 용융물은 1500℃ 이하로 냉각됨으로써 그 다음에 수행되는 분쇄 단계에서 효과적으로 분쇄될 수 있다.
상기 냉각된 용융물이 분쇄되어 용접 재료가 형성된다(S30). 상기 분쇄는 1차 분쇄와 2차 분쇄를 포함할 수 있다. 예를 들어, 1차 분쇄는 롤러 압착에 의한 분쇄일 수 있고, 2차 분쇄는 진동 밀에 의한 분쇄일 수 있다. 상기 분쇄에 의해 용접 재료는 50 ~ 250㎛의 균일한 입도를 가질 수 있고, 평균 입도는 약 150㎛일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료는 고주파 가열에 의한 용융 과정을 거침으로써 이산화티타늄의 함량이 98% 이상으로 높아질 뿐만 아니라 수분율이 0.1% 이하로 낮아지고, 비중이 4.0 이상으로 높아질 수 있다. 따라서, 상기 용접 재료를 플럭스로 포함하는 플럭스 코어드 와이어는 우수한 용접 성능을 가질 수 있다.
용접 재료의 제조 장치
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 재료 제조 장치를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 용접 재료 제조 장치(1)는 고주파 용융기(10), 냉각기(20), 분쇄기(30), 및 분급기(40)를 포함할 수 있다. 분쇄기(30)는 1차 분쇄기인 롤러 압착기(31)와 2차 분쇄기인 진동밀 분쇄기(35)를 포함할 수 있다.
도 3a는 도 2의 제조 장치 중 고주파 용융기의 평면도이고, 도 3b는 상기 고주파 용융기의 정명도이고, 도 3c는 상기 고주파 용융기의 측면도이고, 도 3d는 도 3a의 I-I'라인을 따라 취한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 고주파 용융기(10)는 이산화티타늄을 고주파 가열하여 용융시키는 도가니(skull)일 수 있다. 고주파 용융기(10)는 일정한 공간을 한정하기 위해 평판(11)과 평판(11) 위의 측벽(12)을 포함한다. 측벽(12)은 다수개의 동파이프(12c)가 연결되어 형성될 수 있다.
측벽(12)은 고주파 가열을 위한 코일을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 코일(13)이 측벽(12) 내에 배치되어 있으나 이에 한정되지 않으며, 코일(13)이 측벽(12)을 둘러싼 형태일 수 있다. 코일(13)에 고주파 전류가 흐르면 고주파 자장이 발생하게 되고, 이 고주파 자장 내에 있는 피가열물에 유도전류가 흘러 가열이 이루어진다. 상기 고주파 가열에 의해 고주파 용융기(10) 내 용융물의 온도는 2000℃ 이상일 수 있다.
고주파 가열기(10) 상부에 미용융물 배출 방지판(14)이 배치된다. 미용융물 배출 방지판(14)에 의해 고주파 가열기(10)의 상부 영역은 이산화티타늄 원료(ma)가 투입되는 투입 영역(A)과 용융물이 배출되는 배출 영역(B)으로 구분될 수 있다. 즉, 미용융물 배출 방지판(14)과 그 일측의 측벽(12)은 투입 영역(A)을 한정하고, 미용융물 배출 방지판(14)과 그 타측의 측벽(12)은 배출 영역(B)을 한정할 수 있다. 미용융물 배출 방지판(14)은 투입 영역(A)에 투입된 이산화티타늄 원료(ma)가 용융되기 전에 배출되는 것을 방지할 수 있다.
배출 영역(B)의 측벽 상부에 배출부(15)가 연결된다. 배출부(15)는 아래로 볼록한 형태를 가지며, 이에 의해 고주파 가열기(10) 내 용융물(mb)이 흘러 넘쳐 배출부(15)를 통하여 외부로 배출된다. 투입 영역(A)에 투입된 이산화티타늄 원료(ma)는 고주파 가열기(10) 내의 용융물(mb)과 함께 교반되어 용융된 후 배출 영역(B)으로 이동하여 배출부(15)를 통하여 배출된다.
도 4는 도 2의 제조 장치 중 냉각기를 나타낸다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 냉각기(20)가 고주파 용융기(10)와 분쇄기(30) 사이에 배치되고, 아래로 볼록한 형상(예를 들어, 그 단면이 반원형임)을 가질 수 있다. 냉각기(20)의 일측은 고주파 용융기(10)의 배출부(15)에 인접하게 배치되고, 냉각기(20)의 타측은 분쇄기(30)에 인접하게 배치되며, 고주파 용융기(10)에 인접하게 배치된 상기 일측이 분쇄기(30)에 인접하게 배치된 상기 타측보다 위에 배치된다. 이에 의해, 별도의 이송 수단 없이 고주파 용융기(10)에서 배출되는 용융물(mb)은 분쇄기(30)로 흘러서 이동할 수 있다. 본 실시예와 달리 냉각기(20)는 다양한 형상으로 다양하게 배치될 수 있다.
냉각기(20)는 그 내부에 냉각수 파이프(21)를 포함한다. 냉각수 파이프(21)에 공급되는 냉각수에 의해 냉각기(20)를 통하여 흐르는 용융물이 냉각될 수 있다. 고주파 가열기(10)에서 배출되는 용융물(mb)의 온도는 약 2000℃이나, 용융물(mb)이 냉각기(20)를 통하여 흐르면서 냉각되어 분쇄기(30)에서 분쇄되기 전에 그 온도는 1500℃ 이하로 떨어질 수 있다. 이와 같이 용융물(ma)은 1500℃ 이하로 냉각됨으로써 그 다음에 수행되는 분쇄 단계에서 효과적으로 분쇄될 수 있다.
도 5는 도 2의 제조 장치 중 롤러 압착기를 나타내고, 도 6은 도 2의 제조 장치 중 진동밀 분쇄기를 나타낸다.
도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 냉각기(20)에 분쇄기(30)가 연결된다. 분쇄기(30)는 1차 분쇄기인 롤러 압착기(31)와 2차 분쇄기인 진동밀 분쇄기(35)를 포함할 수 있다.
롤러 압착기(31)는 서로 마주보고 회전하는 한 쌍의 롤러(32)를 포함한다. 냉각기(20)에서 냉각된 용융물(mb)이 한 쌍의 롤러(32) 사이로 공급되고 압착되어 1차 분쇄되고 용접 재료(mc)가 형성된다. 롤러(32) 내부에는 냉각수가 공급되어 용융물(mb)은 냉각되면서 분쇄될 수 있다.
롤러 압착기(31)에서 분쇄된 용접 재료(mc)는 진동밀 분쇄기(35)로 이송되어 2차 분쇄된다. 진동봉(36)은 철봉 또는 티타늄봉이 사용될 수 있고, 불순물을 낮추기 위해 티타늄봉을 사용하는 것이 바람직하다. 용접 재료(mc)는 진동밀 분쇄기(35)에서 조분쇄되어 50 ~ 250㎛의 입도를 가질 수 있다. 조분쇄된 용접 재료(mc)의 평균 입도는 약 150㎛일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 분급기(40)가 분쇄기(30)에 연결된다. 분급기(30)는 분쇄기(30)에서 분쇄된 용접 재료를 크기에 따라 나눌 수 있다. 크기가 큰 용접 재료, 예를 들어, 입도가 250㎛보다 큰 용접 재료는 분쇄기(30)로 돌려보내 분쇄 공정을 다시 진행시킬 수 있다.
플럭스 코어드 와이어
본 발명의 실시예들에 따른 플럭스 코어드 와이어는 본 발명의 용접 재료(mc)를 플럭스로 포함한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어와 그 제조 과정을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 플럭스 코어드 와이어(100)는 금속 외피(110)와 그 내부에 충진된 플럭스(120)를 포함한다. 플럭스 코어드 와이어(100)는 금속 외피(110)로 조관한 후 용접 재료(mc)를 충진함으로써 제조될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 용접 재료(mc)는 가사비중이 높고 50 ~ 250㎛의 균일한 입도를 가지고 있어 조관된 금속 외피(110) 내에 일정량의 플럭스(120)가 충진될 수 있다. 또, 용접 재료(mc)는 이산화티타늄의 순도가 높고 용융점이 낮으며 수분율이 낮아 용접 재료(mc)를 플럭스로 포함하는 플럭스 코어드 와이어(100)는 우수한 용접 성능을 가질 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 용접 재료 제조 장치 10 : 고주파 용융기
20 : 냉각기 30 : 분쇄기
31 : 롤러 압착기 35 : 진동밀 분쇄기
40 : 분급기 100 : 플럭스 코어드 와이어
110 : 금속 외피 120 : 플럭스

Claims (8)

  1. 이산화티타늄 원료를 고주파 가열하여 용융시켜 용융물을 형성하는 단계;
    상기 용융물을 냉각시키는 단계; 및
    상기 냉각된 용융물을 분쇄하는 단계를 포함하는 용접 재료 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화티타늄 원료는 상기 고주파 가열에 의한 용융을 유도하기 위한 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도체는 금속 티타늄 및 카본 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 가열 온도는 2000℃ 이상인 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 가열은 고주파 유도 가열인 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각에 의해 상기 용융물의 온도는 1500℃ 이하로 떨어지는 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분쇄는 롤러 압착에 의한 1차 분쇄와 진동밀 분쇄기에 의한 2차 분쇄를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화티타늄은 아나타제인 것을 특징으로 하는 용접 재료 제조 방법.


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