KR101187192B1 - 열처리된 액화 장치 노즐 - Google Patents

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Abstract

강판을 천공하고, 이 강판으로부터 액화 장치 노즐을 형성하며, 이 액화 장치 노즐을 열처리하는 방법이 제공된다. 액화 장치 노즐은 적어도 약 110 ksi의 항복 강도와, 적어도 약 140 ksi의 인장 강도를 갖는다. 강판의 천공부는 노즐의 홀이고 직경이 약 0.05 인치 이하이다. 강판의 두께는 약 0 내지 약 0.75 인치일 수 있다. 노즐은 중심 대 중심 홀 거리가 적어도 약 0.08 인치일 수 있는 적어도 약 500,000 개의 천공부를 포함할 수 있다. 액화 장치 노즐의 용량은 약 0 내지 75,000 pph일 수 있다.

Description

열처리된 액화 장치 노즐{HEAT TREATED DEVOLATILIZER NOZZLE}
본 발명은 전반적으로 액화 장치 노즐에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 액화를 향상시키는 동시에, 또한 생산 능력을 유지 및 증대시킬 수 있는 열처리된 액화 장치 노즐의 형성 방법에 관한 것이다.
폴리머 수지에 있어서, 오염 물질 예컨대 모너머 및 휘발성 물질의 감소가 요망되고 있다. 그러한 (액화시키는) 폴리머의 휘발성 물질 용량을 감소시키는 한가지 방법으로는 수지의 노출되는 표면적을 증가시키고, 이에 따라 휘발성 물질의 방출을 촉진시키는 것이 있다. 이 작업에 일반적으로 채용되는 장치는 액화 장치 노즐로서 알려져 있다. 액화 장치 노즐의 예는 본 명세서에 참조 문헌으로서 합체되는 미국 특허 제5,540,813호, 제4,294,652호, 제4,934,433호, 제5,118,388호 및 제5,874,525호에서 알 수 있다. 그러한 노즐은 다양한 형태를 취할 수 있고, 일반적으로 폴리머의 유동이 가능하도록 천공되어 있다. 노즐은 용융 폴리머가 중공 내부로 펌핑될 수 있도록 중공 형태일 수 있다. 폴리머를 노즐로 펌핑하는 압력은 또한 폴리머를 노즐의 천공부 또는 홀을 통해 가압한다. 용융 폴리머를 노즐을 통해 가압하는 것과 관련되어 노즐을 가로지르는 압력 강하는 폴리머 점도 및 밀도, 노즐 홀 직경, 온도, 유량 및 노즐 크기를 비롯한 많은 인자에 따라 변한다. 노즐 은 그러한 압력을 견디도록 설계되어야 한다.
일반적으로, 노즐 홀 직경은 액화를 증진시키기 때문에 보다 작은 것이 요망된다. 한편, 노즐 상의 압력은 노즐 홀 직경이 감소할 때에 증가될 수 있다. 따라서, 감소된 노즐 홀 직경을 매개로 액화를 향상시키기 위하여, 액화 장치 노즐의 강도와 견고성은 작동 압력의 증가에 응답하여 강화되어야 한다.
보다 높은 강도의 강은 보다 높은 압력에 대해 더 양호한 내성을 갖지만, 일반적으로 또한 보다 낮은 연성과 보다 큰 경도를 함유하고 있고, 이들은 액화 장치 노즐을 제조할 때에 제작 및 신뢰성 문제를 보인다. 보다 낮은 연성과 보다 큰 경도는 금속을 천공하는 것과 후프 또는 원형 형태의 노즐로 롤링하는 것을 더 어렵게 한다. 또한, 보다 높은 강도의 강의 보다 큰 경도는 취성 파괴에 보다 민감하게 한다.
따라서, 액화를 증가시키고(즉, 홀 직경을 보다 작게 하고), 압력 증가를 고려하며, 제조율을 증가시키고, 제조 및 재료 비용을 제어하는 액화 장치 노즐 설계에 있어서의 개선이 요망된다.
실시예에 있어서, 강판을 천공하고, 이 강판으로부터 액화 장치 노즐을 형성하며, 이 액화 장치 노즐을 열처리하는 방법이 제공된다. 다른 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐은 적어도 약 110 ksi의 항복 강도를 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 액화 장치는 적어도 약 140 ksi의 인장 강도를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 강판의 천공부는 노즐의 홀이고 직경이 약 0.05 인치 이하이다. 또 다른 실시예에 있어서, 강판의 두께는 약 0 내지 약 0.75 인치이다. 다른 실시예에 있어서, 노즐은 적어도 약 500,000 개의 천공부를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 중심 대 중심 홀 거리는 적어도 약 0.08 인치이다. 다른 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐의 용량은 약 0 내지 약 75,000 pph이다.
다른 실시예에 있어서, 열처리 및 천공된 강판으로 형성되는 액화 장치가 제공된다. 다른 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐은 적어도 약 110 ksi의 항복 강도를 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서, 액화 장치는 적어도 약 140 ksi의 인장 강도를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 강판의 천공부는 노즐의 홀이고 직경이 약 0.05 인치 이하이다. 또 다른 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐은 적어도 약 500,000 개의 천공부를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐의 용량은 약 0 내지 약 75,000 pph이다.
실시예에 있어서, 폴리머 수지를 처리하는 방법이 제공된다. 용융 폴리머는 액화 장치 노즐의 천공부를 통과할 때에 액화되는 액화 장치 노즐로 급송된다. 액화 장치 노즐은 열처리 및 천공된 강판이다. 실시예에 있어서, 액화 장치 노즐의 용량은 약 0 내지 약 75,000 pph이다.
도 1은 액화 장치 노즐 형태의 실시예를 도시한다.
도 2는 스테인레스강의 강도와 경화 온도 사이의 관계를 보여주는 실례의 데이터를 도시한다.
도 3은 홀 직경이 감소할 때에 압력 증가를 보여주는 실례의 데이터를 도시 한다.
도 4는 상이한 홀 직경의 벽 두께와 압력 사이의 관계를 보여주는 실례의 데이터를 도시한다.
도 5는 2개의 상이한 홀 직경을 갖는 상이한 2개의 액화 장치 노즐벽의 섹션의 실시예를 도시한다.
도 6은 응력 집중 인자를 보여주는 실례의 데이터를 도시한다.
액화 장치 노즐 및 그 제조 방법이 제공된다. 도 1은 본 명세서에서 제공되는 액화 장치 노즐(100) 형태의 실시예를 도시한다. 노즐(100)은 천공부/홀이 없이 도시되어 있다. 노즐은 액화를 실행하도록 폴리머가 천공부를 통과하여 유동되게 하는 임의의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 실시예의 후프 또는 도넛 형태는 용융 폴리머가 중공 내부로 펌핑될 수 있도록 중공이다. 폴리머를 노즐의 중공 내부로 펌핑하는 압력은 노즐의 표면에서 천공부(도시 생략)를 통해 폴리머를 압박함으로써, 액화를 야기한다.
본 명세서에서 제공되는 액화 장치 노즐과 그 제조 방법의 실시예에 있어서, 강판이 천공되어 액화 장치 노즐로 형성되고 열처리된다. 열처리 또는 템퍼링으로 인해 액화를 증대시키는 노즐 홀의 작은 직경과 관련된 보다 큰 작동 압력을 견딜 수 있는 더 강한 노즐을 완성시킬 수 있다. 이외에, 템퍼링없이 강도 증가 요건에 부합하는 노즐의 재료를 이용하지 않고, 보다 강하게 완성된 노즐을 달성하는 열처리의 채택은 보다 연성인 출발 재료를 이용할 수 있게 한다. 보다 연성인 출발 재 료는 노즐 제조에 필요한 천공 및 노즐 형성 단계를 보다 양호하게 받을 수 있다. 템퍼링되었을 때에 보다 연성인 출발 재료는 또한 경화되지 않아 취성 파괴에 보다 큰 내성을 갖는 노즐이 열처리된다. 전술한 열처리는 이 용례에 설명되는 노즐 특성을 달성할 수 있는 임의의 열처리일 수 있다. 그러한 열처리는 금속 템퍼링 분야에서 통상적인 것일 수 있다. 실시예에 있어서, 열처리는 적어도 약 200℃의 온도에서 수행된다. 다른 실시예에 있어서, 열처리는 적어도 약 300℃의 온도에서 수행된다. 도 2는 인장 강도와 항복 강도 사이의 관계와, AISI 스테인레스강의 경화 온도를 보여주는 실례의 데이터 챠트이다.
본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐의 강도는 폴리머를 노즐 홀을 통해 압박하는 것과 관련된 작동 압력을 견디기에 충분하다. 적절한 노즐 강도의 결정에 기여하는 인자는 홀 직경, 중심 대 중심의 홀 거리(즉, 홀 또는 천공부의 총 개수), 노즐 벽 두께 및 질량 유량을 포함한다. 항복 강도는 열처리/템퍼링에 의해 증대되는 노즐의 한가지 특성이다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 열처리된 액화 장치 노즐의 항복 강도는 275℃에서 적어도 약 110 ksi이다. 다른 실시예에 있어서, 항복 강도는 275℃에서 적어도 약 200 ksi이다. 항복 강도 외에, 노즐의 인장 강도가 템퍼링을 통해 증대된다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 열처리된 액화 장치 노즐의 인장 강도는 275℃에서 적어도 약 140 ksi이다. 다른 실시예에 있어서, 인장 강도는 275℃에서 적어도 약 210 ksi이다. 또 다른 실시예에 있어서, 인장 강도는 275℃에서 적어도 약 290 ksi이다.
액화를 증대시키기 위한 홀 직경의 감소는 액화 장치 노즐 상에 응력을 증가 시킨다. 강도를 증가시키기 위한 노즐의 열처리 또는 템퍼링은 그러한 효과를 적어도 부분적으로 상쇄시킬 수 있다. 도 3의 실례의 데이터는 홀 직경이 상이한 2개의 노즐 벽 두께에 대해 감소할 때에 압력 감소를 예시한다. 액화 장치 노즐을 가로지르는 허용 가능한 압력 강하 수준은 폴리머를 노즐을 통해 이동시키도록 계획된 펌프의 용량에 의해 제한될 수 있다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐의 홀 직경은 약 0.01 인치 이하이다. 다른 실시예에 있어서, 홀 직경은 약 0.03 인치 이하이다. 또 다른 실시예에 있어서, 홀 직경은 약 0.05 인치 이하이다.
노즐 벽의 두께를 고려할 수도 있다. 일반적으로, 노즐 벽 두께가 증가할 때에 비용이 증가된다. 노즐 벽 두께가 증가할 때에, 노즐을 가로지르는 압력 강하도 증가한다. 따라서, 노즐 벽 두께와 함께 압력 강하가 증가할 때에, 압력 강하를 오프셋시키도록 펌프 용량이 증가되어야 한다. 이에 따라, 보다 두꺼운 노즐 벽은 보다 값비싼 펌프를 필요로 하고, 열처리하기가 더욱 어렵다. 펌프 비용의 증가 외에, 노즐 벽 두께가 증가할 때에 노즐 제조와 관련된 비용이 금지될 수 있다면 노즐의 제조 비용이 벽 두께와 함께 증가한다. 보다 두꺼운 강은 일반적으로 천공하여 노즐로 형성하는 데에 보다 어렵고 비용이 비싸다. 따라서, 비용 및 제작성에 대해 균형을 이루어야 하는 두께가 제한된다.
노즐 벽 두께는 또한 허용 가능한 홀 직경에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 홀 직경의 감소는 액화를 증가시키는 데에 바람직하지만, 홀 직경의 감소는 또한 노즐을 가로지르는 압력 강하를 증가시킨다. 압력 강하가 증가하면, 노즐 벽 에 대한 응력과 펌프 용량 요건이 또한 증가한다. 따라서, 노즐 벽 강도는 압력 강하의 임의의 증가(즉, 홀 직경의 감소)를 수용하도록 설계되어야 한다. 도 4의 실례 데이터 챠트는 상이한 홀 직경에 대한 벽 두께와 압력 사이의 관계를 예시한다. 압력이 임의의 두께에서 약 3/64 인치의 홀 직경으로부터 약 1/64로 약 9 내지 9.5 배 증가하더라도, 임의의 홀 직경에서 노즐 벽 두께가 약 0.375 인치에서 약 0.165 인치로 약 2.3 배 감소한다. 따라서, 비용 및 제작성의 개선 외에, 노즐 벽 두께의 감소는 홀 직경의 감소와 관련된 임의의 압력 강하 감소를 부분적으로 오프셋시킬 수 있다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐을 형성하는 데에 채택된 강판의 두께는 약 0 내지 약 0.75 인치이다. 다른 실시예에 있어서, 강판의 두께는 약 0.4 인치 이하이다. 또 다른 실시예에 있어서, 강판의 두께는 약 0.25 인치 이하이다.
본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐은 강판으로 형성된다. 선택된 강의 타입은 템퍼링 전에 강판을 천공하고 노즐 형태로 롤링하는 단계 동안 제작의 어려움을 최소화하도록 충분한 연성을 갖도록 되어야 한다. 강판이 충분한 연성을 갖지 않거나 과도하게 경화되면, 그 결과로 인한 제조의 어려움이 비용을 상승시킬 수 있다. 보다 큰 경도의 강은 또한 취성 파괴에 보다 민감하다. 보다 큰 강도에 대한 요구와 제조성에 대한 요구 사이에 균형이 달성될 수 있다. 실시예에 있어서, 강판은 천공 및 노즐 형성 전에 연성을 증대시키도록 어닐링된다.
충분한 연성을 함유하는 것 외에, 강의 타입은 템퍼링이 항복 강도와 인장 강도를 본 명세서에 제공되는 값으로 상승시키도록 되어야 한다. 실시예에 있어 서, 강판은 스테인레스강으로 제조된다. 다른 실시예에 있어서, 강판은 미국 철강 협회(AISI)의 표준에 따른 420 스테인레스강으로 제조된다. 또 다른 실시예에 있어서, 강판은 AISI 표준에 따른 420F 스테인레스강으로 제조된다. 또 다른 실시예에 있어서, 강판은 AISI 표준에 따른 440A 스테인레스강으로 제조된다.
강판은 천공되고, 강판의 천공부는 액화 장치 노즐에서 홀로 나타난다. 강판의 천공 방법은 당해 분야에 공지되어 있고, 액화 장치 노즐 설계/제작 분야의 숙련자는 본 명세서에 제공되는 천공부/홀을 달성할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 실시예에 있어서, 강판의 천공은 노즐의 형성 전에 일어난다. 천공의 양은 일반적으로 본 명세서에서 논의된 다른 고려 사항들 중에 질량 유량 및 중심 대 중심 홀 거리에 의해 결정된다. 질량 유량과 허용 가능한 중심 대 중심 홀 거리가 결정되면, 필요한 천공의 양 및 등가적으로 전체 노즐 표면적이 쉽게 연산될 수 있다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 개시되는 액화 장치 노즐은 적어도 약 500,000 개의 천공부를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 본 명세서에 개시되는 액화 장치 노즐은 적어도 약 1,000,000 개의 천공부를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 본 명세서에 개시되는 액화 장치 노즐은 적어도 약 1,500,000 개의 천공부를 포함한다.
노즐의 중심 대 중심 홀 거리는 일반적으로 일정하고, 특히 압력 공차와 홀 직경의 함수일 수 있다. 도 5는 상이한 2개의 홀 직경을 갖는 상이한 2개의 액화 장치 노즐벽의 섹션(200, 210)의 실시예를 예시한다. 제1 노즐 섹션(200)의 홀은 제2 노즐 섹션(210)의 홀보다 작지만, 중심 대 중심 홀 거리는 일정하게 유지된다. 노즐 벽의 보전성으로부터 손상되는 노즐의 홀, 이에 따라 홀 직경 및 중심 대 중심 홀 거리는 노즐의 응력 집중 인자를 결정하는 기여 인자이다. 실시예에 있어서, 제공된 액화 장치 노즐은 적어도 약 0.08 인치의 중심 대 중심 홀 거리를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 중심 대 중심 홀 거리는 적어도 약 0.13 인치이다. 또 다른 실시예에 있어서, 중심 대 중심 홀 거리는 적어도 약 0.18 인치이다.
도 6은 응력 집중 인자의 실례 데이터를 예시한다. 도 6의 실례는 홀 직경을 증가시키는 응력 집중의 증가를 보여주는데, 여기서 중심 대 중심 홀 거리는 약 5/32 인치이고 강판의 두께는 약 3/16 인치이다. 일정한 유량과 중심 대 중심 홀 거리의 경우, 홀 직경의 감소는 또한 응력 집중을 감소시킨다. 이것은 일정한 중심 대 중심 홀 거리를 갖는 홀 크기의 감소가 홀 사이의 재료량을 증가시키기 때문에 명백하다. 그 반대도 또한 명백하다. 일정한 중심 대 중심 홀 거리를 갖는 홀 크기가 증가하면, 홀 사이의 재료량이 감소하고, 응력 집중 인자가 증가된다.
일반적으로, 일정하게 유지되는 홀 직경과 유량은 서로 직비례한다. 따라서, 액화를 향상시키기 위한 홀 직경의 감소는 보다 낮은 유량을 필요로 한다. 그러나, 본 명세서에 제공되는 노즐의 열처리 및 그 결과로 생긴 강도는 보다 높은 유량이 보다 작은 노즐 홀 직경에 대해 유지되도록 이 효과를 적어도 약간 상쇄시킨다. 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐의 용량은 약 0 내지 약 75,000 pph(pounds per hour)이다. 다른 실시예에 있어서, 본 명세서에 제공되는 액화 장치 노즐의 용량은 약 20,000 내지 50,000 pph이다.
본 발명을 특히 장치 및 사용 방법의 관점에서 예시 및 설명하였지만, 등가 의 기법 및 구성요소가 도시된 것을 대체할 수 있고, 첨부된 청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 내에서 다른 변경이 이루어질 수 있다는 것이 명백하다. 본 발명이 다르지만 등가의 방식으로 수정 및 실시될 수 있기 때문에, 본 명세서에 개시된 특정 실시예가 오로지 예시적이라는 것은 본 명세서의 기술을 향유하는 당업자에게 명백하다. 또한, 이하의 청구범위에 개시된 것 외에 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 상세 내용에 제한은 없다. 따라서, 전술한 특정 실시예는 변경 또는 수정될 수 있고, 그러한 모든 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 고려된다는 것이 명백하다. 이에 따라, 본 명세서에서 구하는 보호 범위는 이하의 청구범위에 기재된다.

Claims (55)

  1. 직경이 0 초과 0.05 인치 이하의 홀들을 형성하여, 액화 장치 노즐의 형상으로 형성하기 위해, 열처리 이전에 연성을 가지는 강판을 천공하는 단계로서, 상기 강판은 미국 철강협회(American Iron and Steel Institute standards)에 따른 420 스테인레스강, 420F 스테인레스강, 또는 440A 스테인레스강을 포함하는, 천공하는 단계;
    상기 강판으로부터 액화 장치 노즐을 형성하는 단계;
    상기 액화 장치 노즐이 275℃에서 적어도 110 ksi의 항복 강도를 가지도록, 200℃ 내지 300℃의 온도에서 상기 액화 장치 노즐을 열처리하는 단계; 및
    상기 액화 장치 노즐의 천공을 통해 휘발성 성분을 통과시키는 단계를 포함하며,
    상기 천공에 의해 직경이 0 초과 0.05 인치 이하인 홀이 형성되고,
    상기 열 처리는, 상기 직경이 0 초과 0.05 인치 이하인 홀로 인하여 약화될 수 있는 상기 액화 장치 노즐의 항복 강도를 증가시키는, 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열 처리는 상기 액화 장치 노즐의 인장 강도를 증가시키는, 방법.
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  13. 제 1항에 있어서, 상기 강판의 두께는 0 초과 0.75 인치 이하인, 방법.
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  16. 제 1항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐은 적어도 500,000개의 천공을 포함하는, 방법.
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  19. 제 1항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐은 적어도 0.08 인치의 중심 대 중심 홀 거리를 갖는, 방법.
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  22. 제 1항에 있어서, 액화 장치 노즐을 형성하는 단계 전에 상기 강판을 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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  26. 제 1항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐의 용량은 0 초과 75,000 pph(pound per hour) 이하인, 방법.
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  28. 액화 장치 노즐로서,
    직경이 0 초과 0.05 인치 이하의 홀들을 형성하여, 액화 장치 노즐의 형상으로 형성하기 위해, 열처리 이전에 연성을 가지는 강판으로부터 형성된 열처리 및 천공된 강판을 포함하고,
    상기 강판은 미국 철강협회(American Iron and Steel Institute standards)에 따른 420 스테인레스강, 420F 스테인레스강, 또는 440A 스테인레스강을 포함하며,
    상기 천공에 의해 직경이 0 초과 0.05 인치 이하인 홀이 형성되고,
    상기 열 처리는, 200℃ 내지 300℃의 온도에서 수행되어, 상기 액화 장치 노즐의 항복 강도를 증가시켜 275℃에서 적어도 110 ksi이 되도록하고,
    상기 열처리는 상기 직경이 0 초과 0.05 인치 이하인 홀로 인하여 약화될 수 있는 상기 액화 장치 노즐의 항복 강도를 증가시키는, 액화 장치 노즐.
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  32. 제 28항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐은 적어도 140 ksi의 인장 강도를 갖는, 액화 장치 노즐.
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  38. 제 28항에 있어서, 상기 강판의 두께는 0 초과 0.75 인치 이하인, 액화 장치 노즐.
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  41. 제 28항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐은 적어도 500,000개의 천공을 포함하는, 액화 장치 노즐.
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  44. 제 28항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐은 적어도 0.08 인치의 중심 대 중심 홀 거리를 갖는, 액화 장치 노즐.
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  50. 제 28항에 있어서, 상기 액화 장치 노즐의 용량은 0 초과 75,000 pph 이하인, 액화 장치 노즐.
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