KR101666646B1 - 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리 - Google Patents

보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 의하면, 암반, 경사면 등의 붕괴 방지를 위해 설치되는 지보재가 보론이 첨가된 강판으로 강관 성형되어 제조됨으로써, 큰 하중에도 견딜 수 있고 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리{Ultra high strength steel pipe support manufacturing method using a boron steel and Ultra high sterngth steel pipe support assembly}
본 발명은 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 도로, 터널 등을 만들기 위한 토목공사에는 산이나 지면을 깎아내거나 굴착하는 작업이 수반된다.
이 중 터널공사는 터널을 형성할 위치에 기초구멍을 형성하고 다이너마이트와 같은 폭발물을 이용해 기초구멍을 조금씩 넓혀 가면서 기초터널을 형성하고 있다.
이와 같이 기초터널이 형성되면 숏크리트 타설장치를 이용하여 기초터널의 내벽에 콘크리트를 타설하는 보강막 공사를 진행한다.
이 후, 터널이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 보강막에 천공을 형성하고, 천공 내에 락볼트를 삽입한 후 모르타르를 주입하여 암반과 함께 고정하는 작업을 수행한다.
이러한 락볼트에 대한 종래기술의 일예는 한국등록실용신안 제20-0372672호 '스페이서 록볼트'에 개시되어 있다.
한편, 일반적으로 터파기, 철도 및 도로 등에 인접한 자연사면 및 인공사면의 보강 등의 구조물 축조에 필요한 지반보강, 옹벽의 보수, 설치 등의 공사에서는 그 굴착면이 붕괴되는 것을 방지하기 위한 지반보강법이 적용되는데, 흙막이 공사, 어스앵커링 및 소일네일링 공법이 주로 이용되고 있다.
이 중 소일네일링 공법은 경사지반이나 굴착면을 이형철근(네일)으로 보강하는 공법으로서, 통상적으로 비탈면이나 터파기 굴착면에 대해 숏크리트로 표면보호면을 시공하고 지반을 천공하여 네일을 삽입한 후 이를 그라우팅 처리하여 소일네일 앵커체를 조성하는 과정으로 진행한다.
이러한 소일네일링 공법은 한국공개특허 제10-2015-0000992호 '제거식 네일 조립구조 및 이를 이용한 네일 회수공법'에 소개되어 있다.
상술한 락볼트, 네일 등을 포함하는 지보재의 경우, 암반, 경사면 등의 붕괴 방지를 위해 큰 하중을 견딜 수 있어야 하는 바, 초고강도의 강관 지보재를 제조하는 기술 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 암반, 경사면 등의 붕괴 방지를 위해 설치되는 지보재가 보론이 첨가된 강판으로 강관 성형되어 제조됨으로써, 큰 하중에도 견딜 수 있고 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있는 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법 및 지보재 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는 보론이 첨가된 강판을 말아 제조된 강관을 기설정된 길이로 컷팅하는 강관 제조단계; 강관 제조단계 이후, 강관 내에 발생된 응력을 제거하기 위해 기설정된 온도 범위 내에서 열처리하는 열처리 단계; 열처리 단계 이후, 강관 외주면에 기설정된 깊이로 나사골을 성형하는 성형 단계; 성형 단계 이후, 강관을 열처리하여 경화하는 경화 열처리 단계; 및 경화 열처리 단계 이후, 강관 외주면에 방청제를 도포하는 방청 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법을 제공한다.
또한, 몰탈이 채워지는 천공이 형성된 경사면에 삽입되어, 경사면이 붕괴되는 것을 방지하도록 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법에 의해 제조된 지보재; 지보재와 결합되며, 경사면에 밀착되는 플레이트; 및 지보재와 결합되며, 플레이트가 경사면에 밀착되도록 고정시키는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지보재 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 암반, 경사면 등의 붕괴 방지를 위해 설치되는 지보재가 보론이 첨가된 강판으로 강관 성형되어 제조됨으로써, 큰 하중에도 견딜 수 있고 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법의 순서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지보재 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 일부에 대한 단면을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 일부에 대한 확대도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법의 순서를 나타낸 블록도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지보재 어셈블리를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2의 일부에 대한 단면을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 2의 일부에 대한 확대도이다.
이들 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법은, 보론(B)이 첨가된 강판을 말아 제조된 강관을 기설정된 길이로 컷팅하는 강관 제조단계(101); 강관 제조단계(101) 이후, 강관 내에 발생된 응력을 제거하기 위해 기설정된 온도 범위 내에서 열처리하는 열처리 단계(103); 열처리 단계(103) 이후, 강관 외주면에 기설정된 깊이로 나사골을 성형하는 성형 단계(105); 성형 단계(105) 이후, 강관을 열처리하여 경화하는 경화 열처리 단계(107); 및 경화 열처리 단계(107) 이후, 강관 외주면에 방청제를 도포하는 방청 단계(109);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 각 단계별로 설명한다.
먼저, 강관 제조단계(101)는 보론(B)이 첨가된 강판을 말아 제조된 강관을 기설정된 길이로 컷팅하는 단계이다.
여기서, 보론(B)이 첨가된 강판의 원소 조성비를 보면, 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.39%, 실리콘(Si) : 0.10~0.40%, 망간(Mn) : 0.70~1.50%, 인(P) : 0.035% 이하, 황(S) : 0.035% 이하, 티타늄(Ti) : 0.06% 이하, 보론(B) : 0.001~0.005%, 크롬(Cr) : 0.6% 이하, 알루미늄(Al) : 0.2% 이하 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
각 원소에 대해 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도를 부여하기 위하여 첨가되며, 오스테나이트를 안정화시켜 Ac3 변태점을 낮춤으로써 열처리(quenching) 온도를 낮추는데 기여한다.
이러한 탄소(C)는 전체 중량의 0.10~0.39 중량%로 첨가된다.
만일 탄소(C)의 함량이 0.10 중량% 미만일 경우 강도 확보가 불충분하며, 반대로 0.39 중량%를 초과하면 퀀칭(quenching)되는 부분의 인성이 급격히 저하될 수 있다.
실리콘( Si )
실리콘(Si)은 탈산 효과를 발휘하며, 또한 열처리 후 강도의 안정화를 높이는 효과를 준다.
아울러, 펄라이트의 생성을 지연시킴으로써 강재의 성형성을 향상시키는 기능이 있다.
이러한 실리콘(Si)은 전체 중량의 0.10~0.40 중량%로 첨가된다.
만일 실리콘(Si)이 0.10 중량% 미만으로 첨가되면 열처리 후 강도의 안정화 개선 효과가 미미하며, 반대로 0.40 중량%를 초과하면 소재의 표면특성을 저하시킨다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며, 강의 경화능을 향상시켜서 강도 확보에 효과적인 원소이다.
이러한 망간(Mn)은 전체 중량의 0.70~1.50 중량%로 첨가된다.
만일 망간(Mn)이 0.70 중량% 미만으로 첨가되면 망간(Mn) 첨가에 따른 고용강화 효과 및 경화능 향상 효과가 불충분하며, 반대로 1.50 중량%를 초과하면 용접성을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생된다.
인(P), 황(S)
인(P)은 강도확보에 유용한 원소이다. 그러나 다량으로 첨가되면 가공성을 저하시킬 뿐 아니라 용접성도 저하시킨다.
아울러, 인(P)은 강의 제조시 편석 가능성이 큰 원소로서, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 못한 영향을 끼친다.
이러한 이유로, 인(P)은 전체 중량의 0.035 중량% 이하로 그 첨가량이 제한된다.
황(S)은 강의 제조시 불가피하게 첨가되는 원소로서, 강재의 충격 강도 확보에 기여하는 원소이다.
다만, 황(S)의 과다 첨가시 조대한 개재물을 증가시켜 피로특성이 오히려 열화될 수 있다.
또한, 과다 첨가된 황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 MnS와 같은 비금속 개재물을 형성하고, 성형 공정 중 크랙 등의 결함을 발생시킬 수 있다.
따라서, 황(S)은 전체 중량의 0.035 중량% 이하로 그 첨가량이 제한된다.
티타늄( Ti )
티타늄(Ti)은 강중의 탄소(C) 또는 질소(N)와 결합되어 TiN와 같은 질화물 형태로 석출된다.
따라서, 티타늄(Ti)은 강중에 질소(N)와 결합하여 BN(보론 질소 화합물) 형성을 억제시키는 역할을 한다.
이러한 티타늄(Ti)은 전체 중량의 0.06 중량% 이하로 그 첨가량이 제한된다.
만일 티타늄(Ti)이 0.06 중량%를 초과할 경우 다량의 TiC가 석출되기 때문에 용접열영향부(HAZ, Heat Affected Zone) 인성을 저하시키는 문제점이 발생될 수 있다.
보론(B)
보론(B)은 연속냉각변태시 오스테나이트의 페라이트 변태를 지연시킴으로써, 강재의 담금질성을 향상시키는 역할을 한다.
또한, 담금질 후의 강도의 안정적인 확보 효과를 더욱 증대시킨다.
이러한 보론(B)은 전체 중량의 0.001~0.005 중량%로 첨가된다.
만일 보론(B)이 0.001 중량% 미만으로 첨가될 경우 그 효과가 미미하고, 반대로 보론(B)이 0.005 중량%를 초과할 경우 적열취성(강철이 빨갛게 달았을 때 나타나는 부스러지는 성질)을 일으킨다.
크롬( Cr )
본 발명의 일실시예에서, 크롬(Cr)은 소재의 경도 증가 및 소입성 향상을 위해 전체 중량의 0.6 중량% 이하로 한정되는 것이 바람직하다.
만일 크롬(Cr)이 0.6 중량%를 초과하게 되면 소재의 결정립계에 과도한 Cr 탄화물이 형성되어 소재의 강도가 급격히 저하될 수 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 티타늄(Ti)과 마찬가지로 질소(N)와 결합되어 AlN와 같은 질화물 형태로 석출되어 강중에 질소(N)와 결합하여 BN(보론 질소 화합물) 형성을 억제시키는 역할을 한다.
이러한 알루미늄(Al)은 전체 중량의 0.2 중량% 이하로 그 첨가량이 제한된다.
만일 알루미늄(Al)이 0.2 중량%를 초과하게 되면 비금속 개재물 생성으로 인해 소재의 피로 강도가 급격하게 저하될 수 있다.
이러한 합성 성분이 제시된 함량 조성비와, 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강판이 말려서 강관으로 제조되며, 기설정된 길이로 컷팅된다.
여기서, 기설정된 길이는 일예로, 3~12m가 될 수 있다.
이어서, 열처리 단계(103)는 강관 제조단계(101) 이후, 강관 내에 발생된 응력을 제거하기 위해 기설정된 온도 범위 내에서 열처리하는 단계이다.
이러한 열처리 단계(103)는 용접 부위의 응력 집중으로 강도가 불균일해져 강관의 가공시 휨이 발생하는 것을 방지하기 위하여 응력을 제거하는 단계이다.
여기서, 강관의 응력 제거를 위한 열처리의 기설정된 온도 범위는 500℃~700℃로 주어지며, 로냉 또는 공랭 처리된다.
이어서, 성형 단계(105)는 열처리 단계(103) 이후, 강관 외주면에 기설정된 깊이로 나사골을 성형하는 단계이다.
여기서, 나사골이 성형되는 기설정된 깊이는 0.1mm~4mm이다.
또한, 나사골이 성형되는 길이는 일예로, 10~600㎝가 될 수 있으며, 이러한 길이로 성형되는 나사골이 일정 간격을 두고 다수로 강관 외주면에 형성된다.
한편, 성형 단계(105)는 강관에 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 홀은 지보재를 통해 투입되는 몰탈이 지보재 외부로 유출되는 유출구 역할을 하게 된다.
여기서, 강관에 형성되는 홀의 지름은 일예로, 1~6㎝가 될 수 있다.
그리고 이처럼 강관 외주면에 나사골, 홀 등을 형성하는 성형 단계(105)가 후술할 경화 열처리 단계(107) 이전에 실시되는 이유는, 경화 열처리 단계(107)를 거친 이후에는 강관 외주면에 나사골, 홀 등을 형성하기가 어렵기 때문이다.
이어서, 경화 열처리 단계(107)는 성형 단계(105) 이후 강관을 열처리하여 경화하는 단계이다.
여기서, 경화 열처리 단계(107)는, 강관을 700~1000℃에서 고주파 열처리를 실시하여 급랭하는 단계, 급랭한 강관을 150~400℃에서 템퍼링하는 단계를 포함한다.
이처럼 템퍼링하는 단계를 통해 취약한 강관 제품에 인성이 향상되어 기계적 성질이 안정화된다.
한편, 고주파 열처리는 고주파 유도가열의 열원으로 금속부품의 표면을 가열 또는 냉각하여 표면을 경화시켜 내마모성과 강도를 향상시키는 것으로 기계적 성질을 높이는 것이다.
이어서, 방청 단계(109)는 경화 열처리 단계(107) 이후, 강관 외주면에 방청제를 도포하는 단계이다.
여기서, 방청제는 수성 방청제 또는 용융아연도금, 전기아연도금, 에폭시코팅, 방청도료 등이 이용된다.
경화 열처리 단계(107) 이후 상술한 방청 단계(109)는 사용자의 요구에 따라 수행되지 않을 수도 있으며, 사용자의 요구시에는 사용 환경에 따라 상술한 방법 등이 적용된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조되며, 몰탈이 채워지는 천공이 형성된 경사면에 삽입되어, 경사면이 붕괴되는 것을 방지하는 지보재(201); 지보재(201)와 결합되며, 경사면에 밀착되는 플레이트(203); 및 지보재(201)와 결합되며, 플레이트(203)가 경사면에 밀착되도록 고정시키는 체결부재(205);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
지보재(201)는 상술한 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법에 의해 제조되는 것으로, 지보재(201)의 외주면에는 기설정된 길이 구간으로 나사골(401)이 형성된다.
플레이트(203)는 지보재(201)와 결합되는데, 플레이트(203)는 경사면에 밀착되게 된다.
더불어, 천공의 입구와 플레이트(203) 사이에는 밀폐부재(207)가 구비되는데, 밀폐부재(207)는 플레이트(203)로부터 멀어지는 방향으로 점차 외경이 축소되는 형상(즉, 원뿔대 형상)으로 제공되어서, 천공 입구를 견고히 밀폐시키도록 되어 있다.
한편, 천공 내에 삽입된 지보재(201)를 지지하기 위해, 밀폐부재(207) 내측으로 고정구(209)가 끼워져 구비될 수 있는데, 고정구(209)에는 벽면 일부가 절개되어 외측방향으로 절곡돌출된 외측날개부(301) 및 벽면 일부가 절개되어 내측방향으로 절곡돌출된 내측날개부(303)가 형성될 수 있는다.
이러한 고정구(209)는 천공 내에서 지보재(201)가 위치고정되며 지지될 수 있도록 하는데, 외측날개부(301)는 천공의 벽면을 지지하게 되고, 내측날개부(303)는 지보재(201)의 외주면을 지지하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 암반, 경사면 등의 붕괴 방지를 위해 설치되는 지보재가 보론이 첨가된 강판으로 강관 성형되어 제조됨으로써, 큰 하중에도 견딜 수 있고 파손 가능성을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101 : 강관 제조단계
103 : 열처리 단계
105 : 성형 단계
107 : 경화 열처리 단계
109 : 방청 단계
201 : 지보재
203 : 플레이트
205 : 체결부재
207 : 밀폐부재
209 : 고정구
301 : 외측날개부
303 : 내측날개부

Claims (7)

  1. 보론이 첨가된 강판을 말아 제조된 강관을 기설정된 길이로 컷팅하는 강관 제조단계;
    상기 강관 제조단계 이후, 상기 강관 내에 발생된 응력을 제거하기 위해 500 ~ 700 ℃ 범위 내에서 열처리하고 로냉 또는 공랭 처리하는 열처리 단계;
    상기 열처리 단계 이후, 상기 강관 외주면에 깊이가 0.1 ~ 4 mm이고, 길이가 10 ~ 600 cm인 나사골을 일정 간격을 두고 다수로 성형하는 성형 단계;
    상기 성형 단계 이후, 상기 강관을 700 ~ 1000 ℃에서 고주파 열처리하고 급랭시켜 경화하는 경화 열처리 단계; 및
    상기 경화 열처리 단계 이후, 상기 강관 외주면에 방청제를 도포하는 방청 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보론이 첨가된 강판은,
    중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.39%, 실리콘(Si) : 0.10~0.40%, 망간(Mn) : 0.70~1.50%, 인(P) : 0.035% 이하, 황(S) : 0.035% 이하, 티타늄(Ti) : 0.06% 이하, 보론(B) : 0.001~0.005%, 크롬(Cr) : 0.6% 이하, 알루미늄(Al) : 0.2% 이하 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 열처리가 실시되어 급랭된 상기 강관이 150~400℃에서 템퍼링되는 것을 특징으로 하는 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법.
  7. 몰탈이 채워지는 천공이 형성된 경사면에 삽입되어, 경사면이 붕괴되는 것을 방지하는 제 1 항, 제 2 항 및 제 6 항 중 어느 한 항의 보론강을 이용한 초고강도 강관 지보재 제조방법에 의해 제조된 지보재;
    상기 지보재와 결합되며, 상기 경사면에 밀착되는 플레이트; 및
    상기 지보재와 결합되며, 상기 플레이트가 상기 경사면에 밀착되도록 고정시키는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지보재 어셈블리.
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