KR20010029766A - 원통형 쉘 제조 방법 - Google Patents

Abstract

원형의 횡단면을 가진 빌릿이 각기 강철 및 라이너 인서트 재료로 형성된 제 1 및 제 2 섹션을 구비하는 원통형 쉘을 제조하는 방법이 개시된다. 제 1 섹션은 단부 부분과, 단부 부분내에 규정된 리세스를 구비한다. 제 2 섹션은 제 1 섹션의 단부 부분의 리세스와 포개지는 형상이다. 제 1 섹션이 외부 원통형 폼을 형성하고 제 2 섹션이 원통형 폼용의 라이너 인서트를 형성하도록 빌릿 천공 조작에 의해 빌릿은 원통형 쉘로 압출된다. 리세스 및 그에 따른 제 2 섹션(라이너 인서트를 형성함)은 원뿔체의 절두체일 수 있다. 라이너 인서트용 재료는 내부식성 니켈 또는 니켈 합금이나, Hastally C-22, 탄탈, 티탄늄, 금 또는 백금일 수 있다.

Description

원통형 쉘 제조 방법{CYLINDRICAL SHELL FOR USE IN GAS CYLINDER FABRICATION}

본 발명은 가스를 포함하는 가스 실린더를 제조하는데 이용된 원통형 쉘을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 빌릿 천공에 의해 원통형 쉘을 형성하도록 원형의 횡단면의 빌릿이 이용되는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 빌릿이 강철의 제 1 섹션과 라이너 재료의 제 2 섹션으로 형성되어 원통형 쉘이 강철로 제조된 외부 원통형 폼 및 라이너 인서트 재료로 형성된 내부 라이너 인서트를 구비하게 하는 방법에 관한 것이다.

가스 실린더는 가스를 저장하기 위해 각종 산업에 광범위하게 이용되고 있다. 반도체 산업에서 이용되는 초고순도 가스를 저장하는 것은 그 부식 특성으로 인해서 특히 문제가 된다. 이러한 부식은 미립자 오염을 발생시킬 수 있으며, 이러한 미립자 오염은 수용할 수 없는 제조 결함을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 염화 수소와 같은 부식 에칭 가스는 강철 실린더를 부식시켜 미립자 오염물질을 생성한다. 결과적인 미립자 물질이 반도체 제조 공정의 단계내로 유입되면, 이러한 단계의 제품은 못쓰게 될 수 있다.

따라서, 가스 실린더는 니켈로 제조하여 가스의 순도를 유지하기 위해 특별히 고안되었다. 이해할 수 있는 바와 같이, 니켈 가스 실린더는 굉장히 비싸다. 따라서, 순수 니켈 실린더는 의도하는 서비스 압력이 35.15㎏/㎠를 초과하는 경우에는 사용할 수 없다. 그 결과, 고순도 가스 저장에 적용하기 위한 가스 실린더는 구조적 일체성을 위한 외부 층과, 내부식성을 위한 내부 니켈 도금을 갖도록 형성된다.

본 출원인에 양도된 미국 특허 제 5,330,091 호에 개시된 바와 같이, 강철의 원통형 쉘을 니켈로 전기도금하는 것은 고순도 적용을 위한 것인 가스 실린더를 제조하기에 유용한 기술이 아닌데, 그 이유는 도금이 강철의 부식 제품이 갇히게 할 수 있는 보이드 또는 크랙을 포함할 수 있기 때문이다. 따라서, 종래의 미국 특허 제 5,330,091 호에 있어서, 원형 니켈 및 강철 층은 롤 접착 또는 폭발 피복에 의해 함께 접착된다. 그 다음에, 결과적인 2개 층의 원형 폼은 가스 실린더를 형성하는데 이용된 원통형 쉘을 제조하기 위한 냉간 인발 공정을 위한 블랭크로서 이용된다. 냉간 인발 공정에 있어서, 블랭크는 맨드렐로 컵형 폼으로 형성되며, 컵형 폼은 일련의 다이를 통해서 실온에서 맨드렐에 의해 압출된다.

미국 특허 제 5,330,091 호에 개시된 공정의 단점은 대형 가스 실린더의 제조에 쉽게 적용할 수 없는 것으로 발견되었다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 냉간 인발 제조 기술에 의해 제조될 수 있는 것보다 큰 가스 실린더 사이즈로 제조할 수 있도록 이용될 수 있는 내부식성 라이닝을 구비하는 시임이 없는 강철 원통형 쉘을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 원통형 쉘을 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법에 따르면, 원형의 횡단면의 빌릿이 제공된다. 빌릿은 제 1 및 제 2 섹션을 구비한다. 제 1 섹션은 강철로 형성되며, 단부 부분과, 이 단부 부분내에 규정된 리세스를 구비한다. 제 2 섹션은 제 1 섹션의 단부 부분의 리세스내에 포개지도록 형성된 라이너 인서트 재료로 형성된다. 빌릿은 제 1 섹션이 외부 원통형 폼을 형성하고 그리고 제 2 섹션이 원통형 폼용의 라이너 인서트를 형성하도록 원통형 쉘을 형성하기 위해 빌릿 천공된다.

리세스는 원뿔형 측벽을 구비할 수 있으며, 그에 따라 제 2 섹션은 원뿔체의 절두체일 수 있다. 본 발명에 따른 모든 방법에 있어서, 라이너 인서트 재료는 니켈일 수 있다. 또한, 라이너 인서트는 Hasally C-22, 탄탈, 금 또는 백금일 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에서 사용한 빌릿 천공(billet piercing)이란 용어는 압출된 원통형 쉘에서 사용되는 공지된 방법을 가리킨다. 빌릿 천공에 있어서, 본 발명에 따른 빌릿과 같은 빌릿은 약 1093℃와 약 1204℃ 사이의 온도로 가열된다. 다음에, 가열된 빌릿은 컵을 형성하도록 맨드렐로 천공된다. 더 가열되는 동안에, 컵은 맨드렐의 압력에 의해 일련의 다이를 통해 더 압출된다. 여러번 압출한 최종 결과 원통형 쉘이 형성된다. 원통형 쉘은 최종가공되어, 쉘의 단부를 숄더 및 목 영역내로 회전시킴으로써 가스 실린더를 형성한다. 다음에, 실린더는 열 처리되고, 그런 다음에 담금질 및 뜨임 처리된다.

빌릿 천공 조작은 강철 및 니켈의 층을 포함하는 디스크형 플레이트가 실온에서 다이를 통해 인발되는 종래 기술의 냉간 인발 방법과 대조적이다. 다시, 인발과 관련된 문제점은 최종 가스 실린더 사이즈가 약 21리터로 제한된다는 것이다. 보다 큰 43리터 가스 실린더는 경제적으로 냉간 인발될 수 없다.

냉간 디프 도로잉 공정에서 이용되는 원형 블랭크와 유사하게 강철 및 니켈의 2개 섹션의 빌릿을 간단히 형성하는 것은 가스 실린더내로 회전되는 원통형 쉘에서 이뤄질 수 있다고 상상하였다. 본 출원인은 이러한 방법으로 원통형 쉘을 형성하는 경우 실린더 벽내의 니켈의 두께가 원통형 쉘의 상부쪽으로 극적으로 증가하는 반면에 강철의 두께는 감소되는 문제가 있다는 것을 발견하였다. 이러한 이유는 천공 작동 동안에 니켈 또는 다른 인서트 재료가 강철보다 급속히 유동하기 때문이다. 그러나, 최종 가스 실린더에 충분한 구조적 일체성을 제공하여 가압할 수 있게 하는 것은 강철이다. 강철 빌릿내에 니켈을 포개는 것은 강철 및 니켈 두께에 보다 일정한 균일성을 제공하여서 원통형 쉘이 그 의도하는 목적을 위해 사용될 수 있게 하는 것을 발견하였다.

본 명세서는 본 발명에 대해서 출원하는 주 요지를 지적하고 있지만, 본 발명은 첨부 도면과 관련하여 취한 하기의 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하는데 이용된 빌릿의 단면도,

도 2는 컵형상화 조작을 완료한 후의 도 1에 도시된 빌릿의 단면도,

도 3은 도 1에 도시된 빌릿으로부터 압출된 원통형 쉘의 단면도,

도 4는 도 3에 도시된 원통형 쉘의 니켈 및 강철 두께 대 원통형 쉘 길이의 그래프.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 빌릿 2 : 맨드렐

3 : 컵형 폼 4 : 원통형 쉘

4 : 원통형 쉘 10 : 제 1 섹션

12 : 제 2 섹션 14 : 단부 부분

16 : 리세스 20 : 외부 부분

22 : 원통형 폼 24 : 라이너 인서트

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 빌릿이 도시되어 있다. 빌릿(1)은 원형의 횡단면을 갖고 있으며, 제 1 및 제 2 섹션(10, 12)으로 형성된다. 섹션(10)은 4130 강철로 제조되며, 단부 부분(14)내에 규정된 리세스(16)를 구비하는 단부 부분(14)을 갖고 있다. 제 2 섹션(12)은 단부 부분(14)의 리세스(16)내에 포개지도록 형성된 라이너 인서트 재료로 형성된다. 특수 가스를 보유하는데 이용되는 가스 실린더에 있어서, 라이너 인서트 재료는 내부식성 니켈 또는 니켈 합금이다. Hastally C-22, 탄탈, 티탄늄, 금 또는 백금이 라이너 인서트 재료로서 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 리세스(16)는 원뿔형 측벽을 구비하며, 그에 따라 제 2 섹션(12)은 리세스(16)내에 포개지도록 원뿔체의 절두체이다. 반구형 형상과 같은 다른 형상도 가능하다.

일련의 빌릿 치수는 유한요소법을 이용하여 성형된다. 도 2 내지 도 4는 약 22.86㎝의 높이와 약 20.32㎝의 직경을 가진 빌릿(1)을 성형하는 것을 도시한 것이다. 제 2 섹션(12)은 약 5.08㎝의 두께와, 약 17.78㎝의 상부 표면 직경과, 약 15.24㎝의 바닥 표면 직경을 가진 니켈로서 성형된다.

도 2를 참조하면, 빌릿(1)은 컵형 폼(3)을 제조하도록 맨드렐(2)에 의해 천공되었다. 컵형 폼(3)은 라이너 인서트 재료의 제 2 섹션(12)으로 제조된 니켈(18)의 내부 층과, 강철의 제 1 섹션(10)으로 제조된 외부 부분(20)을 구비한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 원통형 쉘(4)은 컵형 폼(3)의 외부 부분(20)으로 제조된 외부 원통형 폼(22)과, 니켈(18)의 내부 층으로 제조된 라이너 인서트(24)를 구비하는 컵형 폼(3)으로부터 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 니켈 두께가 원통형 쉘(4)의 상부쪽으로 증가할지라도 강철은 미국의 수송부 법규(Department of Transportation regulations)에 적용하에서 141.7㎏/㎠ 실린더에 대해서 최소 허용가능한 벽 두께보다 큰 최소 횡단 두께를 유지한다. 도 4에서, 허용가능한 최소 횡단 벽 두께는 점선으로 도시되어 있고, 원통형 쉘(4)의 길이는 도 4에 도시된 바와 같이 폐쇄된 단부로부터 개방 단부까지 또는 바닥으로부터 상부까지 측정된 것이다.

다양한 빌릿 형상이 모델화된다. 예를 들면 약 17.78㎝ 직경의 상부 표면과 약 10.16㎝ 직경의 바닥 표면을 구비하는 빌릿과, 약 15.24㎝ 직경의 상부 표면과 약 10.16㎝ 직경의 바닥 표면을 구비하는 빌릿이 가능하다. 모든 경우에, 강철의 직경은 약 20.32㎝로 유지된다. 모델링은 상부 표면 직경을 변화시킴이 없이 예를 들면 약 15.24㎝에서 약 10.16㎝로 바닥 표면의 직경을 감소시키는 것이 층 균일성에 있어서 단지 적당한 효과를 갖고 있는 것을 나타낸다. 바닥 표면의 직경을 감소시키면 약간 보다 균일한 니켈 및 강철 층이 제조된다. 니켈의 상부 표면의 직경을 약 17.78㎝에서 약 15.24㎝로 감소시키면 층 균일성에 있어서 상당히 큰 효과를 갖게 할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업자에 의해 이뤄질 수 있는 바와 같이 본 발명의 정신 및 영역을 벗어남이 없이 다양한 수정, 추가 및 생략이 이뤄질 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉간 인발 제조 기술에 비해 큰 사이즈의 가스 실린더를 제조할 수 있는 내부식성 라이닝을 구비하는 시임이 없는 강철 원통형 쉘을 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 원통형 쉘을 제조하는 방법에 있어서,

   원형의 횡단면의 빌릿을 형성하는 단계로서, 상기 빌릿은 제 1 및 제 2 섹션으로 형성되며, 상기 제 1 섹션은 강철로 형성되고 단부 부분과, 상기 단부 부분내에 규정된 리세스를 구비하며, 상기 제 2 섹션은 상기 제 1 섹션의 상기 단부 부분의 상기 리세스내에 포개지도록 형성된 라이너 인서트 재료로 형성되는, 상기 빌릿 형성 단계와,

   상기 제 1 섹션이 외부 원통형 폼을 형성하고 그리고 상기 제 2 섹션이 상기 원통형 폼용의 라이너 인서트를 형성하도록 상기 빌릿을 상기 원통형 쉘내로 빌릿 천공시키는 단계를 포함하는

   원통형 쉘 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 리세스는 원뿔형 측벽을 구비하며, 상기 제 2 섹션은 원뿔체의 절두체인

   원통형 쉘 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 라이너 인서트 재료가 니켈 또는 니켈 합금인

   원통형 쉘 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 라이너 인서트 재료가 Hastally C-22, 탄탈, 티탄늄, 금 또는 백금인

   원통형 쉘 제조 방법.