KR101423833B1 - 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법 - Google Patents

티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법에 관한 것으로, 소둔로, 상기 소둔로 내에 위치되되, 티타늄 판재가 적치되는 적어도 2개 이상의 코일적치대, 및 상기 코일적치대를 구동시키는 구동부를 포함하고, 상기 티타늄 판재는 상기 구동부에 의해 상기 2개 이상의 코일적치대에 교대로 감기는 것을 특징으로 하며, 티타늄 판재 표면의 유분을 효과적으로 제거하고 열처리시간을 감소시키는 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법을 제공한다.

Description

티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법{Device and method for heat treatment of titanium plate}
본 발명은 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 티타늄 판재를 두 개 이상의 코일적치대에 교대로 감아 열처리하는 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법에 관한 것이다.
티타늄은 가벼우면서도 비강도 및 비탄성이 크고 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주, 해양분야에서 주로 사용되어 왔으며, 항공 및 우주산업의 발달에 따라 그 사용이 증가하고 있는 실정이다. 최근에는 경량화뿐만 아니라 극도의 내구성과 내식성을 요구하는 군수용 및 민수용 항공기, 인공위성 발사용 로켓, 고속선박분야에서 알루미늄만으로 대처할 수 없는 부품에 사용될 뿐만 아니라, 자동차, 식품, 정유, 화학, 의료분야에도 사용되는 등 티타늄의 용도가 확대되고 있다.
티타늄 소재의 요구량이 증가하는데 비하여 현재 국내에서 사용되는 티타늄 소재는 전량 수입에 의존하고 있으며, 티타늄 소재의 개발 및 생산은 기술 장벽이 높아 후발 주자의 시장 진입에 어려움이 있다. 그러나, 기존 스테인리스강 설비의 활용이 가능한 장점이 있다.
이러한 티타늄 판재를 제조하기 위해서는 복수 개의 단위 공정을 거쳐야하고, 이러한 단위 공정은 티타늄 판재에 대하여 원하는 표면 형상을 얻고 조직을 재결정 및 연화하기 위한 소둔공정을 포함한다.
이때, 티타늄 판재는 소둔공정 후 별도의 산세공정을 거치지 않기 때문에 탈지 후 잔류한 유분을 소둔공정에서 충분히 제거해야 한다. 그러나, 종래에는 소둔공정에서 잔류 유분을 충분히 제거하지 못하고 이에 따라 소둔시간이 길어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 티타늄 판재 표면의 잔류 유분을 충분히 제거할 수 있는 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 티타늄 판재의 소둔시간을 감소시킬 수 있는 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치는, 소둔로, 상기 소둔로 내에 위치되되, 티타늄 판재가 적치되는 적어도 2개 이상의 코일적치대, 및 상기 코일적치대를 구동시키는 구동부를 포함하고, 상기 티타늄 판재는 상기 구동부에 의해 상기 2개 이상의 코일적치대에 교대로 감길 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 상기 코일적치대를 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 코일적치대는 제1 코일적치대 및 제2 코일적치대를 포함하고, 상기 티타늄 판재는 일측이 코일형상으로 제1 코일적치대에 감기고 타측이 코일형상으로 제2 코일적치대에 감길 수 있다.
또한, 상기 구동부에 의해 회전되는 상기 2개 이상의 코일적치대의 회전방향 및 회전속도는 동일할 수 있다.
또한, 상기 코일적치대의 회전 방향에 따라 상기 티타늄 판재가 상기 2개 이상의 코일적치대에 교대로 감길 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 코일적치대의 회전방향을 소정시간 간격으로 바꿀 수 있다.
또한, 상기 소둔로 내부는 외부와 밀폐되고, 내부에 불활성 가스가 채워질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리방법은, 티타늄 판재의 열처리방법에 있어서, 상기 티타늄 판재의 일측을 소둔로 내의 제1 코일적치대에 적치하고 타측을 상기 소둔로 내의 제2 코일적치대에 적치하며, 상기 제1 코일적치대 및 상기 제2 코일적치대를 회전시켜 상기 티타늄 판재를 상기 제1 코일적치대 및 상기 제2 코일적치대에 교대로 감기도록 할 수 있다.
이때, 상기 티타늄 판재가 상기 소둔로 내에 위치되는 시간은 25~30 시간이고, 상기 소둔로의 온도는 680~730℃일 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법에 따르면, 두 개 이상의 코일적치대를 이용하여 티타늄 판재를 교대로 감음으로써, 코일 상의 티타늄 판재 내부까지 복사열 및 대류열이 전달되어 티타늄 판재 표면의 유분이 충분히 제거될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 티타늄 판재의 온도가 단시간에 균일해질 수 있는바, 열처리시간이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 제조단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 냉간압연 후의 티타늄 판재의 표면 형상을 나타낸 사진도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시한 티타늄 판재의 열처리장치의 작동방식 및 열처리방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 제조단계를 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 냉간압연 후의 티타늄 판재의 표면 형상을 나타낸 사진도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 티타늄 판재(200)의 제조과정을 간략하게 설명하기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 티타늄 판재는 냉간압연단계(S10), 탈지단계(S20), 소둔단계(S30), 조질압연단계(S40), 정정단계(S50)를 거쳐 냉연코일로써 제조될 수 있다.
예를 들어 설명하자면, 두께 3~5mm의 열연판을 냉간압연기에서 0.4~1mm로 냉간압연단계(S10)를 진행할 수 있는데, 이때 티타늄 판재의 경우 소재의 일부가 압연롤 표면에 달라붙어 떨어져 나가는 스티킹(sticking) 현상이 스테인리스강보다 훨씬 심해 도 2에 도시한 바와 같이 표면형상 품질이 떨어질 수 있다. 따라서, 티타늄 판재의 경우 탈지단계(S20)를 거치더라도 만족할만한 탈지 표면을 얻기가 힘들다. 이러한 탈지 불량은 후공정인 소둔단계(S30)에서 소재의 연화뿐만 아니라 잔류유분도 제거해야 하는 문제로 나타나며, 이에 따라 소둔단계(S30)에서 약 48시간의 장시간의 열처리가 필요할 수 있다. 이렇게 열처리한 티타늄 판재의 코일은 조질압연단계(S40)를 거쳐 원하는 표면 거칠기를 만들고, 정정단계(S50)를 거치면서 표면 형상을 제조하여 최종제품인 냉연코일로써 제조될 수 있다.
그러나, 상기에서 살핀 바와 같이 소둔단계(S30)에서 장시간의 열처리가 필요한 단점 및 표면 형상이 불량한 문제를 해결해야 하며, 이를 개선하기 위해 본 발명이 도출되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치(100)의 사시도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치(100)에 대해 설명하기로 한다. 본 티타늄 판재의 열처리장치(100)는 소둔단계(S30)에서 사용되는 것으로 설명할 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않음을 미리 밝혀둔다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치(100)는 소둔로(110), 소둔로(110) 내에 위치하는 2개 이상의 코일적치대(120), 코일적치대(120)를 구동시키는 구동부(130)를 포함할 수 있다.
소둔로(110)는 탈지단계(S20)를 거친 티타늄 판재(200)의 표면에 잔류한 유분을 제거하고, 티타늄 판재(200)를 연화시키기 위한 부재이다.
여기서, 티타늄 판재(200)는 대기 중에서 열처리가 이루어지는 경우 산화에 의한 고가 금속의 손실이 발생되기 때문에, 외부와 밀폐된 소둔로(110) 내에서 열처리가 이루어질 수 있다. 또한, 소둔로(110) 내부에는 예를 들어 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 채워져, 티타늄 판재(200)의 산화를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 소둔로(110)는 내부에 공간이 마련되는 형태로 구현될 수 있으며, 내부에 위치한 탈지단계(S20)를 거친 티타늄 판재(200)는 소둔단계(S30)를 거치면서 연화되고 표면에 잔류한 유분이 제거될 수 있다.
코일적치대(120)는 소둔로(110) 내부에 위치하여 티타늄 판재(200)를 적치하는 부재이다.
여기서, 코일적치대(120)는 적어도 2개 이상으로 구현될 수 있으며, 예를 들어 제1 코일적치대(121)와 제2 코일적치대(122)를 포함할 수 있다. 이때, 코일적치대(120)에 위치한 티타늄 판재(200)는 일측이 코일형상으로 제1 코일적치대(121)에 감기고, 일측과 반대되는 타측이 코일형상으로 제2 코일적치대(122)에 감겨있을 수 있다. 즉, 티타늄 판재(200) 일측 코일(210)의 중앙 관통부(211)에 제1 코일적치대(121)가 삽입되고, 타측 코일(220)의 중앙 관통부(221)에 제2 코일적치대(122)가 삽입된 형태를 가질 수 있다.
한편, 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)는 소둔로(110) 내부에서 지면과 수평한 방향으로, 서로 수평되게 위치될 수 있다.
구동부(130)는 코일적치대(120)를 구동시키는 부재로서 코일적치대(120)와 연결되게 소둔로(110) 내에 위치될 수 있다.
여기서, 구동부(130)는 2개 이상의 코일적치대(120)에 모두 연결된 하나의 구동부(130)로 구현되거나, 2개 이상의 코일적치대(120) 각각에 연결된 다수의 구동부(130)로 구현될 수 있다. 한편, 구동부(130)는 코일적치대(120)를 일방향 또는 타방향으로 회전시킬 수 있으며, 구동부(130)에 의해 회전되는 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)는 동일한 방향 및 속도로 회전될 수 있다. 또한, 구동부(130)는 코일적치대(120)의 회전방향을 소정시간 주기로 바꾸어 주는 것, 즉 일방향으로 코일적치대(120)를 회전시키다가 소정시간 이후 타방향으로 회전시키고, 다시 소정시간 이후 일방향으로 회전시키는 것이 가능하다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시한 티타늄 판재의 열처리장치(100)의 작동방식 및 열처리방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 티타늄 판재(200)의 열처리장치(100)의 작동방식 및 열처리방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 4에 도시한 바와 같이, 구동부(130)가 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)를 일방향으로 회전시키면, 소둔로(110) 내의 티타늄 판재(200)는 예를 들어 제1 코일적치대(121)에 점점 감기고 제2 코일적치대(122)로부터 점점 풀릴 수 있다. 다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 구동부(130)가 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)를 타방향으로 회전시키면, 티타늄 판재(200)는 제1 코일적치대(121)로부터 점점 풀리고 제2 코일적치대(122)에 점점 감길 수 있다. 즉, 구동부(130)의 구동력, 즉 코일적치대(120)가 회전되는 방향이 바뀜에 따라, 티타늄 판재(200)가 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)에 교대로 감기면서 왕복운동될 수 있다.
따라서, 티타늄 판재(200)가 고정식의 코일적치대에 감긴 상태로 소둔되는 경우데 비하여 소둔로(110) 내에서 노출이 많이 이루어져 유분 제거가 더욱 효과적일 수 있다.
구체적으로, 종래에는 티타늄 판재가 고정식의 코일적치대에 겹겹이 감긴 상태로 위치되어 외부에 노출된 표면만 복사열이 전달되고, 내부까지 복사열이나 대류열이 전달되기 어려워 단지 겹겹이 감긴 상태에서 전도열만 전달되었다. 따라서, 티타늄 판재의 균일한 온도를 확보하기 어려운 문제점이 있었고, 이에 따라 유분 제거가 효과적으로 이루어지지 않았으며, 소둔시간이 약 48시간 이상으로 길어지는 문제점이 있었다.
그러나, 본 실시예에 따른 티타늄 판재의 열처리장치(100)를 이용하여 티타늄 판재(200)를 열처리하는 경우, 티타늄 판재(200)가 제1 코일적치대(121) 및 제2 코일적치대(122)에 교대로 감기면서, 소둔로(110) 내에서 1겹 식 노출될 수 있으며, 이에 따라 전도열뿐만 아니라 복사열, 대류열 등이 티타늄 판재(200)에 골고루 전달될 수 있어, 티타늄 판재(200)의 온도를 단시간에 균일하게 확보할 수 있다. 따라서, 소둔시간을 약 25~30 시간까지 줄일 수 있으며 탈지단계 이후의 티타늄 판재(200)의 유분 제거가 용이하고, 티타늄 판재(200)의 표면 품질이 향상될 수 있다.
본 발명의 발명자는 이러한 티타늄 판재의 열처리장치(100) 및 열처리방법을 증명하기 위하여, 냉연단계 및 탈지단계를 거친 0.7mm 두께의 티타늄 판재(200)로 [표 1]과 같이 테스트를 진행하였다.
여기서, 적치대 형식 중 '고정식'이란 하나의 코일적치대에 티타늄 판재를 고정식으로 설치하는 경우를 의미하고, '회전식'이란 본 발명과 같이 두 개 이상의 코일적치대를 이용하여 티타늄 판재를 교대로 감아 왕복운동시키는 경우를 의미한다.
구분 적치대
형식		 열처리
시간
(hr)		 열처리
온도
(℃)		 항복강도
(YS,MPa)		 연신율
(%)		 잔류
탄소량
(mg/m2)		 비고
종래예 고정식 48 680 210 51 15 X
비교예 1 회전식 10 700 292 35 20 X
비교예 2 회전식 20 700 234 45 12 △
실시예 1 회전식 25 680 208 50 10 ○
실시예 2 회전식 30 680 205 53 9 ○
비교예 3 회전식 35 680 203 46 9 △
비교예 4 회전식 30 650 230 45 9 △
상기 [표 1]을 참고하면 종래예는 고정식 코일 적치대를 이용하는바, 열처리 시간이 48시간으로 매우 긴 것으로 나타나, 공정시간에 불리하고 상기에서 살핀 바와 같이 유분 제거에 비효율적인 것으로 나타난다.
또한, 비교예 1 및 비교예 2를 살펴보면, 일반적인 열처리 장치의 기계적 특성이 항복강도 220 MPa 이하, 연신율이 48% 이상일 것을 요구하는 것을 고려할 때, 항복강도 및 연신율과 같은 기계적 특성이 떨어지는 것으로 나타난다. 또한, 비교예 3 및 4에서도 연신율을 48% 이상으로 만족시키지 못하는 것으로 나타나며, 비교예 4의 경우 항복강도를 220 MPa 이하로 만족시키지 못하고 비교예 3은 35 시간으로 열처리시간이 길어지는 것으로 나타난다. 특히, 비교예 3과 같이 열처리시간이 길어지는 경우 grain size가 커져서 오히려 기계적 성질이 떨어질 수 있다. 즉, 열처리 시간은 25 시간 이상이고(비교예 1 및 비교예 2 참고), 30 시간 이하인 것(비교예 3 참조)이 바람직하며, 열처리 온도는 680℃ 이상(비교예 4 참조)으로 제어하는 것이 바람직하다.
결국, 실시예 1 및 실시예 2와 같이 회전식 코일 적치대를 이용하되, 열처리 시간을 25~30 시간 정도로 제한하고 열처리 온도를 680~730℃로 제한하는 경우, 품질이 향상된 티타늄 판재 또는 코일을 제조할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 티타늄 판재의 열처리장치 및 열처리방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
110 : 소둔로 120 : 코일적치대
121 : 제1 코일적치대 122 : 제2 코일적치대
130 : 구동부 200 : 티타늄 판재

Claims (9)

  1. 소둔로;
    상기 소둔로 내에 위치되되, 티타늄 판재가 적치되는 적어도 2개 이상의 코일적치대; 및
    상기 코일적치대를 구동시키는 구동부;
    를 포함하고,
    상기 티타늄 판재는 상기 구동부에 의해 상기 2개 이상의 코일적치대에 교대로 감기고,
    상기 구동부는 상기 코일적치대를 회전시키며,
    상기 코일적치대의 회전 방향에 따라 상기 티타늄 판재가 상기 2개 이상의 코일적치대에 교대로 감기는 티타늄 판재의 열처리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일적치대는 제1 코일적치대 및 제2 코일적치대를 포함하고,
    상기 티타늄 판재는 일측이 코일형상으로 제1 코일적치대에 감기고 타측이 코일형상으로 제2 코일적치대에 감기는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재의 열처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부에 의해 회전되는 상기 2개 이상의 코일적치대의 회전방향 및 회전속도는 동일한 것을 특징으로 하는 티타늄 판재의 열처리장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 코일적치대의 회전방향을 소정시간 간격으로 바꾸는 것을 특징으로 하는 티타늄 판재의 열처리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소둔로 내부는 외부와 밀폐되고, 내부에 불활성 가스가 채워진 것을 특징으로 하는 티타늄 판재의 열처리장치.
  8. 티타늄 판재의 열처리방법에 있어서,
    상기 티타늄 판재의 일측을 소둔로 내의 제1 코일적치대에 적치하고 타측을 상기 소둔로 내의 제2 코일적치대에 적치하며,
    상기 제1 코일적치대 및 상기 제2 코일적치대를 회전시켜, 회전 방향에 따라 상기 티타늄 판재를 상기 제1 코일적치대 및 상기 제2 코일적치대에 교대로 감기도록 하는 티타늄 판재의 열처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 티타늄 판재가 상기 소둔로 내에 위치되는 시간은 25~30 시간이고, 상기 소둔로의 온도는 680~730℃인 것을 특징으로 하는 티타늄 판재의 열처리방법.
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