KR102080898B1 - 팬 임펠러 및 그 용접방법, 용접 구조물 - Google Patents

팬 임펠러 및 그 용접방법, 용접 구조물 Download PDF

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Abstract

복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체; 상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 위치하는 제1용접부; 및 상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하며, 상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮은 팬 임펠러가 소개된다.

Description

팬 임펠러 및 그 용접방법, 용접 구조물{FAN IMPELLER AND WELING METHOD THEREOF, WELDED STRUCTURE}
용접을 통해 접합된 팬 임펠러 및 그 용접방법에 관한 것이다.
기존의 고속 회전용 임펠러를 갖는 송풍기는 대부분 고속으로 회전하게 되며, 이로 인해 고속 회전용 임펠러는 매우 큰 원심력을 받게 된다. 원심력을 받게 되는 임펠러는 마모가 발생하고, 마모가 심한 임펠러는 내마모성이 있는 재료로 부품 간의 연결 부분을 용접하여 사용하였다.
특히, 코크스 건식소화 설비(CDQ)의 가스 순환 팬 임펠러의 경우, 적열 코크스(950~1100℃)를 밀폐된 로에서 순환가스로 소화하는데 이때, 승온된 가스의 현열을 에너지로 회수하여 전력과 스팀을 생산하는 과정에서 팬 임펠러가 1300rpm이상의 고속으로 회전한다.
이러한 과정에서 팬 임펠러의 경판 및 블레이드가 산화철, 미세먼지 및 COG(Coke Oven Gas) 등과 접촉하여 마찰, 충격, 고열 등의 상호작용으로 마모, 부식되어 천공될 수 있다.
이는 고열의 COG를 토출, 순환시키지 못하여 다음 공정인 스팀에 의한 발전 열량으로 사용하지 못하게 되는 문제로 이어졌다.
다층의 용접부를 형성시키되, 하층의 제1용접부는 연성이 상대적으로 높고, 상층의 제2용접부는 경도가 상대적으로 높게 구성하여 내식성 및 내마모성이 극대화된 팬 임펠러를 제공하기로 한다.
본 발명에 따른 팬 임펠러는 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체; 상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 위치하는 제1용접부; 및 상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하며, 상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮다.
상기 제1용접부의 연성은 상기 제2용접부보다 높을 수 있다.
상기 제2용접부의 하방 및 상기 제1연결부 주변에 용접열영향부가 형성되며, 상기 용접열영향부의 마르텐사이트 조직의 면적 분율은 18% 이하일 수 있다.
상기 본체는 전체 중량 100%를 기준으로, 함량이 0.3% 이하인 탄소(C)를 포함하는 합금 재질로 이루어지고, 상기 제1용접부는 상기 합금보다 탄소(C)의 함량이 높은 제1용접재로 이루어지며, 상기 제2용접부는 상기 제1용접재보다 탄소(C)의 함량이 높은 제2용접재로 이루어질 수 있다.
상기 제1용접재 및 상기 제2용접재는 각각 크롬(Cr)을 포함하되, 상기 제2용접재의 크롬(Cr) 함량은 상기 제1용접재의 크롬(Cr) 함량보다 높을 수 있다.
상기 제1용접재는, 중량% 기준으로, 탄소(C): 0.08 내지 0.10%, 크롬(Cr): 14 내지 20%, 니켈(Ni): 6 내지 10%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6%, 망간(Mn): 4 내지 8%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 제2용접재는, 중량% 기준으로, 탄소(C): 0.3 내지 0.6%, 크롬(Cr): 22 내지 28%, 망간(Mn): 1 내지 4%, 몰리브덴(Mo): 0.5 내지 1.5%, 니오븀(Nb): 1.5 내지 3.0%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 제1용접부의 경도는 30 내지 33HRC이고, 상기 제2용접부의 경도는 55 내지 62HRC일 수 있다.
상기 본체에 형성된 관통홀을 통과하고, 상기 경판과 연결되어 제2연결부를 형성하는 보스; 상기 제2연결부 상에 위치하는 제3용접부; 및 상기 제3용접부 상에 위치하는 제4용접부;를 더 포함하며, 상기 제3용접부의 경도는 상기 제2연결부보다 높고, 상기 제4용접부보다 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 용접 구조물은 복수의 멤버로 이루어진 구조체; 상기 멤버 간에 형성된 이음부에 위치하는 제1용접부; 및 상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하고, 상기 제1용접부의 경도는 상기 이음부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮다.
상기 제1용접부의 연성은 상기 제2용접부보다 높을 수 있다.
본 발명에 따른 팬 임펠러 용접방법은 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체 중, 상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 제1용접재를 이용하여 제1용접부를 위치시키는 단계; 및 상기 제1용접부 상에 제2용접재를 이용하여 제2용접부를 위치시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮다.
상기 제1용접부를 위치시키는 단계 이전에는, 상기 제1연결부 표면을 가공 경화처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1용접부를 위치시키는 단계 이전에는, 상기 본체를 예열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 예열하는 단계에서는, 100 내지 200℃의 온도에서 0.5 내지 1시간 동안 예열시킬 수 있다.
상기 제2용접부를 위치시키는 단계 이후, 보스를 상기 본체에 형성된 관통홀 내에 배치시켜 상기 경판과 제2연결부를 형성하도록 위치시키는 단계; 상기 제2연결부 상에 상기 제1용접재를 이용하여 제3용접부를 위치시키는 단계; 및 상기 제3용접부 상에 상기 제2용접재를 이용하여 제4용접부를 위치시키는 단계;를 더 포함하며, 상기 제3용접부의 경도는 상기 제2연결부보다 높고, 상기 제4용접부보다 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 팬 임펠러에 의하면 다층의 용접부를 형성시키되, 하층의 제1용접부는 연성이 상대적으로 높고, 상층의 제2용접부는 경도가 상대적으로 높게 구성하여 팬 임펠러가 CDQ 가스 순환용으로, 고온의 분위기에서 1300rpm 이상의 고속회전으로 반복 사용되어도 경판 및 블레이드가 부식, 마모되는 것을 최대한 억제시킬 수 있고, 천공의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 내식성 및 내마모성을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 설비 결함을 방지함으로써 내구성이 높은 용접 구조물의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 팬 임펠러에서 경판 및 블레이드로 이루어진 본체를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 팬 임펠러에서 경판 및 블레이드에 의해 형성된 제1연결부에 제1용접부 및 제2용접부가 위치한 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 팬 임펠러에서 제1용접부 및 제2용접부에 의해 형성된 용접열영향부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 팬 임펠러에서 보스 및 경판에 의해 형성된 제2연결부에 제3용접부 및 제4용접부가 위치한 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 팬 임펠러를의 단면을 관찰한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 구현예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
팬 임펠러
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명에 따른 팬 임펠러는 복수의 경판(110) 및 블레이드(120)로 이루어진 본체(100), 경판(110) 및 블레이드(120) 간에 형성된 연결부 상에 위치하는 제1용접부(200) 및 제1용접부(200) 상에 위치하는 제2용접부(300)를 포함하며 제1용접부(200)의 경도는 연결부보다 높고, 제2용접부(300)보다 낮다.
본체(100)는 상하로 배치된 복수의 경판(110) 및 경판(110) 사이에 배치되는 복수의 블레이드(120)로 형성된다. 본체(100)를 이루는 경판(110) 및 블레이드(120)는 속 재질, 구체적으로는 합금 재질로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는 일반구조용 압연강재 또는 HT강재(HT 50, 60, 70 등)로 구성될 수 있다.
복수의 경판(110) 및 블레이드(120)가 서로 연결되어 형성되는 연결부 상에서 연결부의 표면을 감싸는 형태로 제1용접부(200)가 위치하게 된다. 또한, 제2용접부(300)는 제1용접부(200) 상에서 제1용접부(200)의 표면을 감싸는 형태로 위치하게 된다.
제1용접부(200) 및 제2용접부(300)는 다층 패스(pass)를 형성하며, 연결부 상에 위치하여 경판(110) 및 블레이드(120)를 용접에 의해 결합시킨다.
연결부와 맞닿는 제1용접부(200)의 경우, 내식성 및 내마모성이 우수한 재질로 이루어져 부식 방지층의 역할을 수행할 수 있으며, 연결부의 금속 조직을 안정화시키는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 본체(100)보다는 경도가 높고, 제2용접부(300)보다는 경도가 낮은 재질로 이루어지져 본체(100)의 연결부와 제2용접부(300) 간의 경도 편차를 완화시키는 기능을 하는 완충영역으로 작용할 수 있다.
제1용접부(200)와 맞닿는 제2용접부(300)의 경우, 외기에 노출되는 부분으로서 제1용접부(200)보다 내식성 및 내마모성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 본체(100) 및 제1용접부(200)보다 경도가 높은 재질로 형성될 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 팬 임펠러가 CDQ 가스 순환용으로, 고온의 분위기에서 1300rpm 이상의 고속회전으로 반복 사용되어도 경판(110) 및 블레이드(120)가 부식, 마모되는 것을 최대한 억제시킬 수 있고, 천공의 발생을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 본체(100)로부터 제1용접부(200), 제2용접부(300)로 갈수록 경도가 증가하는 구조로 팬 임펠러를 구성함에 따라 내식성 및 내마모성을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 설비 결함을 방지함으로써 내구성이 높은 용접 구조물의 제조가 가능하다.
본 발명에 따른 팬 임펠러에서 제1용접부(200)의 연성은 상기 제2용접부(300)보다 높을 수 있다.
또한, 제2용접부(300)의 하방 및 연결부 주변에 용접열영향부(400)가 형성되며, 용접열영향부(400)의 마르텐사이트 조직의 면적 분율은 18% 이하로 형성될 수 있다.
도 3과 같이, 연결부에 용접을 하게 되면 용접열에 의해 제1연결부 주변에 용접열영향부(400)(heat affected zone, HAZ)가 형성된다. 용접열영향부(400)는 용접과정에서 약 1300℃ 이상의 고열이 가해지므로 오스테나이트 조직의 결정립이 성장하게 된다.
냉각 후에는 오스테나이트 조직의 적어도 일부가 마르텐사이트 조직으로 변태될 수 있다. 이와 같은 마르텐사이트 조직은 취성이 높기 때문에 균열이 발생할 수 있고, 조각형태로 탈락되어 설비 결함이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 팬 임펠러에서와 같이 용접부가 다층의 패스로 형성될 경우, 제1용접부(200)를 제1연결부에 용접하는 과정에서 제1연결부 주변으로 제1열영향부(410)가 형성될 수 있다. 이후, 제1용접부(200) 위로 제2용접부(300)를 용접하는 과정에서 제2용접부(300)의 하방 및 제1연결부 주변에 제2열영향부(420)가 형성될 수 있다.
제1열영향부(410)와 제2열영향부(420)는 서로 중첩되는 범위를 가질 수 있으며, 용접열영향부(400)는 제1열영향부(410)와 제2열영향부(420)를 모두 포함하는 영역일 수 있다.
제1용접부(200) 위로 제2용접부(300)를 형성시키는 과정에서 제1용접부(200)는 재가열되어 취성이 높아질 수 있다.
따라서 용접과정에서 제1열영향부(410) 및 제2열영향부(420)를 포함하는 용접열영향부(400)의 미세조직이 마르텐사이트로 변태되는 것을 방지하기 위해 제2용접부(300)에 비해 상대적으로 경도가 낮으나 연성이 높은 재질로 형성될 수 있다.
이에 따라 제1용접부(200)는 본체(100)의 제1연결부와 제2용접부(300) 간의 경도 편차를 완화시키도록 완충영역으로 작용하는 것이 가능하다.
한편, 용접열영향부(400)의 마르텐사이트 조직의 면적 분율은 전체 부피 100%를 기준으로, 18% 이하로 형성될 수 있다. 마르텐사이트 조직 분율이 18%를 초과할 경우, 취성이 높아질 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 팬 임펠러에서 본체(100)는 전체 중량 100%를 기준으로, 함량이 0.3% 이하인 탄소(C)를 포함하는 합금 재질로 이루어지고, 제1용접부(200)는 합금보다 탄소(C)의 함량이 높은 제1용접재로 이루어지며, 제2용접부(300)는 제1용접재보다 탄소(C)의 함량이 높은 제2용접재로 이루어질 수 있다.
탄소(C)는 일반적으로 합금에 첨가되어 합금의 강도 및 경도를 증가시키는 역할을 수행한다. 본체(100)를 형성하는 합금의 경우, 탄소(C)의 함량이 0.3% 이하로 함유된 페라이트계 탄소강일 수 있다.
구체적으로, 합금은 탄소(C): 0.1 내지 0.3%, 실리콘(Si): 0.35% 이하, 망간(Mn): 0.8% 이하, 인(P): 0.04% 이하, 황(S): 0.04% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 티타늄(Ti): 0.004 내지 0.035%를 더 포함하여 강도 및 인성, 용접열영향부(HAZ)의 취화영역이 개선된 페라이트계 탄소강일 수 있다.
제1용접부(200)를 형성하는 제1용접재의 탄소(C) 함량은 본체(100)를 형성하는 합금의 탄소(C) 함량보다 높으며, 제2용접부(300)를 형성하는 제2용접재의 탄소(C) 함량은 제1용접재의 탄소(C) 함량보다 높아 본체(100)로부터 제1용접부(200), 제2용접부(300)로 갈수록 경도가 증가할 수 있다.
한편, 제1용접재 및 제2용접재는 각각 크롬(Cr)을 포함하되, 제2용접재의 크롬(Cr) 함량은 제1용접재의 크롬(Cr) 함량보다 높을 수 있다.
크롬(Cr)은 제1용접재 및 제2용접재에 합금 원소로 첨가되어 고온산화특성을 향상시켜 내식성 강화에 기여한다. 다만, 과다하게 함유될 경우, 연신율이 저하되고, 열간가공성이 손상될 수 있다.
그러므로 제2용접재의 크롬(Cr) 함량은 제1용접재의 크롬(Cr) 함량보다 높음으로써 제2용접부(300)의 경도가 제1용접부(200)보다 높을 수 있다. 반면, 제1용접부(200)의 연성이 제2용접부(300)보다 높을 수 있다.
구체적으로, 제1용접재는 중량% 기준으로, 탄소(C): 0.08 내지 0.10%, 크롬(Cr): 14 내지 20%, 니켈(Ni): 6 내지 10%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6%, 망간(Mn): 4 내지 8%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
제1용접재는 오스테나이트계 소재이며, 용접과정에서는 경도가 낮으나 시간이 경과함에 따라 석출물이 고르게 분포되어 경도가 높아지는 시효경화성 소재일 수 있다.
제1용접부(200)는 경도가 30 내지 33HRC일 수 있고, 연신율이 40 내지 43일 수 있으며, 두께가 7 내지 12mm일 수 있다.
탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로서, 탄소(C)의 함량이 0.08% 미만일 경우, 성형성이 저하되고, 강도 및 경도가 저하되며, 0.10%를 초과할 경우, 강도 및 경도가 상승되어 경도 완충영역으로서 역할을 수행하기 어려울 수 있다.
크롬(Cr)은 내식성 강화에 중요한 원소로서, 고온산화특성을 향상시킨다. 과다하게 첨가되면 고온강도가 저하되고, 고온에서 열간가공성이 손상되며, 연신율이 저하될 수 있다. 크롬(Cr)의 함량이 14% 미만일 경우, 고온산화특성의 효과가 미미하고, 20%를 초과할 경우, 고온강도와 연신율이 저하되고 열간가공성이 손상될 수 있다.
니켈(Ni)의 함량이 6% 미만일 경우, 인성이 감소할 수 있고, 8%를 초과할 경우, 탄소(C)나 질소(N)의 확산을 느리게 할 수 있다.
실리콘(Si)은 고온산화특성의 개선에 있어서 매우 유효한 원소이다. 실리콘(Si)의 함량이 0.3% 미만일 경우, 새그 저항성, 상안정성, 고온산화특성 및 연신율의 향상 효과가 미미하며, 0.6%를 초과할 경우, 연신율이 급격하게 감소될 수 있다.
망간(Mn)은 새그 저항성, 고온내산화성 및 상안정성 측면에서 유리하지만 과다하게 첨가되면 연신율의 감소로 인해 성형성이 저하될 수 있다. 망간(Mn)의 함량이 4% 미만일 경우, 새그 저항성, 상안정성, 고온산화특성 및 연신율의 향상 효과가 미미하며, 8%를 초과할 경우, 연신율이 급격하게 감소될 수 있다.
구체적으로, 제2용접재는 중량% 기준으로, 탄소(C): 0.3 내지 0.6%, 크롬(Cr): 22 내지 28%, 망간(Mn): 1 내지 4%, 몰리브덴(Mo): 0.5 내지 1.5%, 니오븀(Nb): 1.5 내지 3.0%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
제2용접재도 제1용접재와 마찬가지로 오스테나이트계 소재이며, 용접과정에서는 경도가 낮으나 시간이 경과함에 따라 석출물이 고르게 분포되어 경도가 높아지는 시효경화성 소재일 수 있다. 또한, 표면경화용 소재일 수 있다.
제2용접부(300)는 경도가 55 내지 62 HRC 일 수 있고, 연신율이 18 내지 23일 수 있으며, 두께가 7 내지 12mm일 수 있다.
탄소(C)의 함량이 0.3% 미만일 경우, 제1용접부(200)보다 경도가 낮을 수 있으며, 0.6%를 초과할 경우, 강도 및 경도가 과도하게 상승될 수 있다.
크롬(Cr)의 함량이 22% 미만일 경우, 제1용접부(200)보다 경도가 낮을 수 있으며, 28%를 초과할 경우, 제조 비용이 증가하고, 고온강도와 연신율이 급격하게 저하될 수 있다.
망간(Mn)의 함량이 1% 미만일 경우, 새그 저항성, 상안정성, 고온산화특성 및 연신율의 향상 효과가 미미하며, 4%를 초과할 경우, 연신율이 급격하게 감소될 수 있다.
몰리브덴(Mo)의 함량이 0.5% 미만일 경우, 소입성과 내열성이 저하할 수 있고, 1.5%를 초과할 경우, 경화능이 지나치게 높을 수 있다.
니오븀(Nb)의 함량이 1.5% 미만일 경우, 탄소(C)와의 결합이 제한될 수 있고, 3.0%를 초과할 경우, 경도가 저하될 수 있다.
도 4 및 도 5에서과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 팬 임펠러는 본체(100)에 형성된 관통홀을 통과하고, 경판(110)과 연결되어 제2연결부를 형성하는 보스(500), 제2연결부 상에 위치하는 제3용접부(600) 및 제3용접부(600) 상에 위치하는 제4용접부(700)를 더 포함하며, 제3용접부(600)의 경도는 제2연결부보다 높고, 제4용접부(700)보다 낮을 수 있다.
보스(500)는 본체(100)에 형성된 관통홀을 통과하고, 경판(110)과 연결된다. 구체적으로, 본체(100)를 이루는 복수의 경판(110)은 일측경판(111), 중앙경판(112) 및 타측경판(113)으로 구분된다. 각각의 경판(110)에는 관통홀이 형성되며, 경판(110) 사이에 배치되는 복수의 블레이드(120)를 통해 서로 연결되어 본체(100)를 이룬다. 보스(500)는 일측경판(111), 중앙경판(112) 및 타측경판(113)에 형성된 관통홀 내에 배치되고, 중앙경판(112)과 제2연결부를 형성한다.
팬 임펠러가 CDQ 가스 순환용으로, 고온의 분위기에서 1300rpm 이상의 고속회전으로 반복 사용될 경우, 경판(110)과 블레이드(120)의 연결부분인 제1연결부 뿐만 아니라 보스(500)와 경판(110)의 연결부분인 제2연결부도 마모가 발생하여 부식에 취약한 부분이다. 따라서 제2연결부 상에 완충영역으로 작용할 수 있는 제3용접부(600)를 형성시키고, 제3용접부(600) 상에 제3용접부(600)보다 경도가 높은 제4용접부(700)를 형성시켜 내식성 및 내마모성을 향상시키는 것이 가능하다.
제3용접부(600) 및 제4용접부(700)에 대한 설명은 제1용접부(200) 및 제2용접부(300)와 그 재질이 동일하므로 제1용접부(200) 및 제2용접부(300)에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
용접 구조물
본 발명에 따른 용접 구조물은 복수의 멤버로 이루어진 구조체, 멤버 간에 형성된 이음부에 위치하는 제1용접부 및 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부을 포함하고, 제1용접부의 경도는 이음부보다 높고, 제2용접부보다 낮다.
제1용접부의 연성은 제2용접부보다 높을 수 있다.
고온의 환경에서 사용되어 우수한 내식성 및 내마모성이 요구되며, 용접을 이용해 연결된 구조물은 비단 CDQ 가스 순환용 팬 임펠러에 한정되지 않는다.
따라서 복수의 멤버로 이루어진 용접 구조물이며, 멤버가 용접을 통해 연결된 경우라면 멤버보다 높은 경도의 제1용접부 및 제1용접부보다 높은 경도의 제2용접부(300)를 적용시켜 내식성 및 내마모성이 우수한 용접 구조물을 기대할 수 있다.
제1용접부 및 제2용접부와 관련된 설명은 상기의 팬 임펠러에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
팬 임펠러 용접방법
본 발명에 따른 팬 임펠러 용접방법은 복수의 경판(110) 및 블레이드(120)로 이루어진 본체(100) 중, 경판(110) 및 블레이드(120) 간에 형성된 제1연결부 상에 제1용접재를 이용하여 제1용접부(200)를 위치시키는 단계 및 제1용접부(200) 상에 제2용접재를 이용하여 제2용접부(300)를 위치시키는 단계를 포함하며, 제1용접부(200)의 경도는 제1연결부보다 높고, 제2용접부(300)보다 낮다.
먼저, 경판(110)과 블레이드(120)가 형성하는 제1연결부 상에 제1용접재를 용접하여 제1용접부(200)를 형성시킨다.
제1용접부(200)를 형성시킨 다음, 제1용접부(200) 상에 제2용접재를 용접하여 제2용접부(300)를 형성시킨다.
이에 따라 다층의 패스를 이루는 용접부를 통해 경판(110) 및 블레이드(120)가 연결된다. 제1용접부(200) 및 제2용접부(300)에 대한 설명은 상기의 팬 임펠러에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
본 발명에 따른 팬 임펠러 용접방법은 팬 임펠러의 제조과정에서 적용될 수 있고, 이미 사용 중인 팬 임펠러의 보수과정에서 적용될 수 있다.
사용 중이던 팬 임펠러의 보수과정에서 적용될 경우, 경판(110)과 블레이드(120)는 기존의 용접재를 통해 연결되어 있는 상태일 수 있다. 따라서 제1용접부(200)는 기존의 용접부 상에 형성될 수 있다.
제1용접부(200)를 위치시키는 단계 이전에는 제1연결부 표면을 가공 경화처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 쇼트 피닝 등의 방법으로 제1연결부 표면이 가공되어 경도가 향상될 수 있다.
제1용접부(200)를 위치시키는 단계 이전에는, 본체(100)를 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 열처리하는 단계에서는 100 내지 300℃ 온도에서 0.5 내지 1시간 동안 예열시킬 수 있다.
예열의 목적은 본체(100)의 내부 응력을 제거하여 인성 및 연성을 확보하기 위함일 수 있다. 따라서 용접 전, 본체(100)를 100 내지 300℃ 온도에서 예열시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 팬 임펠러 용접방법은 제2용접부(300)를 위치시키는 단계 이후, 보스(500)를 본체(100)에 형성된 관통홀 내에 배치시켜 경판(110)과 제2연결부를 형성하도록 위치시키는 단계 제2연결부 상에 제1용접재를 이용하여 제3용접부(600)를 위치시키는 단계 및 제3용접부(600) 상에 제2용접재를 이용하여 제4용접부(700)를 위치시키는 단계를 더 포함하며, 제3용접부의 경도는 제2연결부보다 높고, 제4용접부(700)보다 낮을 수 있다.
보스(500), 제3용접부(600) 및 제4용접부(700)에 대한 설명은 상기의 팬 임펠러에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
[시험용 시편 제조]
하기의 표 1을 만족하는 용접재들을 용접하여 시편 1 내지 5를 제조하였다.
시편 1의 경우, 본 발명에 따른 팬 임펠러에서 제1용접재의 조성을 만족하는 합금이고, 시편 2의 경우, 제2용접재의 조성을 만족하는 합금으로 제조된 시편이다.
시편 3 내지 5는 모두 오스테나이트계 소재이나, 제1용접재 또는 제2용접재의 조성 범위를 만족시키지 않는 합금으로 제조된 시편이다.
구분 C
(중량%)		 Cr
(중량%)		 Ni
(중량%)		 Si
(중량%)		 Mn
(중량%)		 Mo
(중량%)		 Nb
(중량%)
시편 1 0.10 18.5 8.6 0.41 6.7 - -
시편 2 0.4 25 - - 2.0 0.7 1.5
시편 3 0.07 21 7.5 0.2 3.0 - -
시편 4 0.08 23 6.5 0.3 2.0 - -
시편 5 0.15 13 6.0 0.2 1.5 - -
상기 표 1의 조성을 만족하는 시편 1 내지 5를 제조 후, 내마모성, 경도 및 연신율을 각각 시험하여 평가하였다.
내마모성(KS M ISO5407), 경도(ASTM E18) 및 연신율(ASTM A370)은 각각의 표준규격 규정에 의한 시험방법을 이용하여 측정하였다.
그 측정 결과는 하기 표 2와 같다.
내마모성(wear rate)
1x10-13m3/m		 경도(HRC) 연신율(%)
시편 1 640 32 41
시편 2 80 60 20
시편 3 790 29 34
시편 4 790 29 33
시편 5 490 34 30
한편, 본 발명에 따른 팬 임펠러와 같이 용접부가 다층의 패스로 구성되며, 상층으로 갈수록 경도가 높고, 연성이 낮을 경우, 그 효과를 비교하기 위해 실시예 및 비교예들을 하기의 조건으로 마련하였다.
실시예는 HT 50 강판 상에 시편 1의 조성과 동일한 용접재를 용접한 후, 시편 2의 조성과 동일한 용접재를 용접하였다.
비교예 1은 HT 50 강판 상에 시편 2의 조성과 동일한 용접재를 용접한 후, 시편 1의 조성과 동일한 용접재를 용접하였다.
비교예 2는 HT 50 강판 상에 시편 3의 조성과 동일한 용접재를 용접하였다.
비교예 3은 HT 50 강판 상에 시편 4의 조성과 동일한 용접재를 용접하였다.
비교예 4는 HT 50 강판 상에 시편 5의 조성과 동일한 용접재를 용접하였다.
용접부 구성 용접부 두께 용접열영향부 조직
마르텐사이트 면적 분율(%)
실시예 시편 1(제1층)/
시편 2(제2층)		 15mm A+F+M 혼합조직
A:austenite, F:ferrite, M:martensite
마르텐사이트 면적 분율: 18%
비교예 1 시편 3(단층) 15mm A+F+M 혼합조직
A:austenite, F:ferrite, M:martensite
마르텐사이트 면적 분율: 20%
비교예 2 시편 4(단층) 15mm A+F+M 혼합조직
A:austenite, F:ferrite, M:martensite
마르텐사이트 면적 분율: 20%
비교예 3 시편 5(단층) 15mm A+F+M 혼합조직
A:austenite, F:ferrite, M:martensite
마르텐사이트 면적 분율: 23%
마르텐사이트의 면적 분율은 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)을 이용하여 시편을 분석한 결과이다.
상기의 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 2층으로 구성된 실시예의 경우, 마르텐사이트 면적 분율이 18%였으나, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우, 모두 18%을 초과하였다. 실시예의 경우, 시편 2가 최외층에 형성되어 있으므로 내마모성이 가장 우수하여 내구성이 비교예 1 내지 비교예 3보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 본체 110: 경판
111: 일측경판 112: 중앙경판
113: 타측경판 120: 블레이드
200: 제1용접부 300: 제2용접부
400: 용접열영향부 410: 제1열영향부
420: 제2열영향부 500: 보스
600: 제3용접부 700: 제4용접부

Claims (16)

  1. 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체;
    상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 위치하는 제1용접부; 및
    상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하며,
    상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮으며,
    상기 제1용접부의 경도는 30 내지 33HRC이고, 상기 제2용접부의 경도는 55 내지 62HRC인 팬 임펠러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1용접부의 연성은 상기 제2용접부보다 높은 팬 임펠러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2용접부의 하방 및 상기 제1연결부 주변에 용접열영향부가 형성되며,
    상기 용접열영향부의 마르텐사이트 조직의 면적 분율은 18% 이하인 팬 임펠러.
  4. 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체;
    상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 위치하는 제1용접부; 및
    상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하며,
    상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮으며,
    상기 본체는 전체 중량 100%를 기준으로, 함량이 0.3% 이하인 탄소(C)를 포함하는 합금 재질로 이루어지고,
    상기 제1용접부는 상기 합금보다 탄소(C)의 함량이 높은 제1용접재로 이루어지며,
    상기 제2용접부는 상기 제1용접재보다 탄소(C)의 함량이 높은 제2용접재로 이루어지는 팬 임펠러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1용접재 및 상기 제2용접재는 각각 크롬(Cr)을 포함하되,
    상기 제2용접재의 크롬(Cr) 함량은 상기 제1용접재의 크롬(Cr) 함량보다 높은 팬 임펠러.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1용접재는,
    중량% 기준으로, 탄소(C): 0.08 내지 0.10%, 크롬(Cr): 14 내지 20%, 니켈(Ni): 6 내지 10%, 실리콘(Si): 0.3 내지 0.6%, 망간(Mn): 4 내지 8%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 팬 임펠러.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2용접재는,
    중량% 기준으로, 탄소(C): 0.3 내지 0.6%, 크롬(Cr): 22 내지 28%, 망간(Mn): 1 내지 4%, 몰리브덴(Mo): 0.5 내지 1.5%, 니오븀(Nb): 1.5 내지 3.0%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 팬 임펠러.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체에 형성된 관통홀을 통과하고, 상기 경판과 연결되어 제2연결부를 형성하는 보스;
    상기 제2연결부 상에 위치하는 제3용접부; 및
    상기 제3용접부 상에 위치하는 제4용접부;를 더 포함하며,
    상기 제3용접부의 경도는 상기 제2연결부보다 높고, 상기 제4용접부보다 낮은 팬 임펠러.
  10. 복수의 멤버로 이루어진 구조체;
    상기 멤버 간에 형성된 이음부에 위치하는 제1용접부; 및
    상기 제1용접부 상에 위치하는 제2용접부;를 포함하고,
    상기 제1용접부의 경도는 상기 이음부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮으며,
    상기 제1용접부의 경도는 30 내지 33HRC이고, 상기 제2용접부의 경도는 55 내지 62HRC인 용접 구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1용접부의 연성은 상기 제2용접부보다 높은 용접 구조물.
  12. 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체 중, 상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 제1용접재를 이용하여 제1용접부를 위치시키는 단계; 및
    상기 제1용접부 상에 제2용접재를 이용하여 제2용접부를 위치시키는 단계;를 포함하며,
    상기 제1용접부를 위치시키는 단계 이전에는, 상기 제1연결부 표면을 가공 경화처리하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮은 팬 임펠러 용접방법.
  13. 삭제
  14. 복수의 경판 및 블레이드로 이루어진 본체 중, 상기 경판 및 블레이드 간에 형성된 제1연결부 상에 제1용접재를 이용하여 제1용접부를 위치시키는 단계; 및
    상기 제1용접부 상에 제2용접재를 이용하여 제2용접부를 위치시키는 단계;를 포함하며,
    상기 제1용접부를 위치시키는 단계 이전에는, 상기 본체를 예열하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1용접부의 경도는 상기 제1연결부보다 높고, 상기 제2용접부보다 낮은 팬 임펠러 용접방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 예열하는 단계에서는,
    100 내지 200℃의 온도에서 0.5 내지 1시간 동안 예열시키는 팬 임펠러 용접방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2용접부를 위치시키는 단계 이후,
    보스를 상기 본체에 형성된 관통홀 내에 배치시켜 상기 경판과 제2연결부를 형성하도록 위치시키는 단계;
    상기 제2연결부 상에 상기 제1용접재를 이용하여 제3용접부를 위치시키는 단계; 및
    상기 제3용접부 상에 상기 제2용접재를 이용하여 제4용접부를 위치시키는 단계;를 더 포함하며,
    상기 제3용접부의 경도는 상기 제2연결부보다 높고, 상기 제4용접부보다 낮은 팬 임펠러 용접방법.
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