KR20020079898A - 냉각부재 및 냉각부재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

특히 노를 위해 구성된 냉각부재로서, 상기 부재는 주로 구리로 구성되는 하우징 (1) 과, 상기 하우징에 냉각매체의 순환을 위해 채널 시스템 (6) 을 구비한다. 상기 부재 하우징 (1) 의 표면의 적어도 일부에는 확산 결합에 의해 내부식성 표면층 (2) 이 배치된다. 본 발명은 또한 냉각부재에서 상기 표면층을 배치하는 방법에 관한 것이다.

Description

냉각부재 및 냉각부재의 제조방법{COOLING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING COOLING ELEMENTS}

자용로, 용광로, 및 전기로와 같은 산업용 노와 관련되어 통상적으로 구리로 제작된 대량의 냉각부재가 사용된다. 이 부재들은 구리가 노 분위기 및 심지어 용해된 재료와의 접촉에 의해 야기된 가혹한 부식 스트레인을 받는 극한적인 작업 환경에서 사용된다. 예를 들어, SO₂분위기에서는 무엇보다도 산화와 황화 작용에 의해 구리의 부식이 발생하며, 최악의 경우 부식된 표면에서 수십 밀리미터의 재료의 손실이 발생할 수도 있다.

본 발명은 특허청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 냉각부재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 냉각부재의 제조방법에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 냉각부재의 단면을 도시한다.

도 2 는 본 발명에 따른 결합부의 가열전의 단순화된 단면을 도시한다.

도 3 은 본 발명에 따른 제 2 결합부의 가열전의 단순화된 단면을 도시한다.

도 4 은 본 발명에 따른 제 3 결합부의 가열전의 단순화된 단면을 도시한다.

본 발명의 목적은 종래 기술에서의 알려진 문제점을 방지할 수 있는 냉각부재를 실현하는 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술에서의 냉각부재보다 더 긴 수명을 가지는 냉각부재를 실현하는 것이기도 하다. 본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술에서 알려진 냉각부재보다 더욱 저항성이 강한 냉각부재의 제조 방법을 실현하는 것이다. 본 발명은 더 우수한 내부식성을 가지는 강의 표면이, 주로 구리로 구성되는 냉각부재의 표면에, 확산 결합 (diffusion joint) 에 의해 장착된다는 기술적 사상에 기초하는 것이다.

본 발명은 첨부된 청구범위에 기재된 사항에 의해 특징된다.

본 발명은 여러가지 두드러진 장점을 가진다. 확산 결합에 의하여 표면층을 가하는 방법에 의해 결합부에 대해 아주 우수한 열전달이 가능하게 된다. 제시된 결합 방법은 구리의 용융점보다 낮은 수백도의 온도에서도 표면층이 냉각부재의 하우징에 결합하는 것을 가능케 한다. 본 발명에 따른 냉각부재는 종래 기술의 냉각부재보다 현저한 내부식성을 가진다. 따라서 이러한 냉각부재의 교체전의 수명이 종래 기술에 비해 현저하게 길어진다.

본 출원에서, 구리라는 용어는, 구리로 제작된 대상물로부터 분리되어 있으며, 또한, 본질적으로 적어도 50%의 구리 함량을 포함하는 합금재질을 말한다. 본 출원에서 스테인레스 강은 주로 내산 스테인레스강과 같은, 오스테나이트 합금강을 주로 말한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상술하기로 한다.

도 1 은 특히 노에서 사용되는 냉각부재의 단면을 도시한다. 냉각부재는 구리나 구리합금으로 제조된 하우징 (1) 을 구비하며, 냉각매체순환을 위한 냉각채널시스템 (6) 이 제공된다. 본 발명에 따르면, 내부식성 표면층 (2) 이 냉각부재 하우징 (1) 표면의 적어도 일부분에 확산 결합에 의해 배치된다. 상기 표면층 (2) 은 강, 특히 제련된 강으로 제작된다. 통상적으로 강은 예를 들어 내산성강이다. 표면층 (2) 은 냉각부재 하우징 (1) 표면의 일부분에만 가해진다. 도 1 에 도시된 냉각부재는 자용로의 냉각부재이다. 당연히 냉각부재는 다른 타입의 노, 특히 금속을 제조하거나 제련하는데 사용되는 노에 속하는 것이다. 냉각부재의 형상과 크기는 각 경우에 있어 특별한 사용용도에 따라 다르다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서 냉각부재는 특히, 용융하는데 사용되는 소위 츄트 (chute) 부재라고 불리는 냉각된 부재이다. 이 경우 표면층은 예를 들어, 용융물과 접촉할때 노의 표면의 일부에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 표면층 (2) 은 확산 결합에 의해 부재 하우징 (1) 에 장착된다. 표면층 (2) 의 결합 표면과 하우징 (1) 의 사이의 결합면에는 하나이상의 중간층 (3,4,5) 이 결합전에 제공된다. 사용된 표면층 (2) 은 강, 특히 제련강이다.

도 2 는 열처리전의 본 발명에 따른 결합방법의 실시예의 단면을 도시한다. 하우징 (1) 은 본질적으로 주로 구리로 구성되며, 표면층 (2) 은 제련강 예를 들어 오스테나이트 스테인레스강으로 구성되며, 양자는 결합된다. 이 두 물체사이의결합부에는 중간층 (3,4) 이 배치되어 있다. 제 1 중간층 (3) 은 표면층 (2) 에 대해 위치하고 있으며, 주로 강에서 니켈의 손실을 방지하기 위해 구성되며 니켈 (Ni) 을 주로 포함한다. 더우기, 결합부를 형성할 때에는 본 실시예에서 바람직하게는 주석 (Sn) 으로 구성되는 소위 작용제 층이라고 불리는 제 2 중간층 (4) 이 사용된다. 주석은 작용제로서 기능하여 결합 생성에 요구되는 온도 하강을 일으킨다.

제 1 중간층 (3) 은 별개의 처리에 의해 표면층의 표면에 형성될 수 있다. 제 1 중간층으로서 니켈이 사용될 때, 상기 층은 예를 들어 전기분해에 의해 표면층의 표면에 생성될 수 있다. 스테인레스강과 니켈사이의 결합부 표면에서 물질전달의 장애물이 스테인레스강의 표면에 제공된 소멸층에 존재하지 않도록, 니켈도금이 통상적으로 수행된다. 제 1 중간층 (3) 은 또한 박편 (foil) 의 형태로 존재할 수도 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 중간층 (3,4) 을 포함하는 결합면이 함께 가압되고 또한 상기 방법에서 적어도 결합 영역이 가열되도록, 서로 결합되는 표면층 (2) 과 냉각부재 하우징 (1) 의 결합면사이에서 표면층 (2) 의 결합표면상에 또는 상기 결합면에 대해 제 1 중간층 (3) 이 제공되고, 또한, 상기 하우징 (1) 의 결합표면상에 또는 상기 결합면에 대해 제 2 중간층 (4) 이 제공된다. 제 1 중간층 (3) 은 니켈 (Ni), 크롬 (Cr), 또는 이들의 합금이나 혼합물을 주로 포함할 수 있다. 제 2 중간층 (4) 은 함께 결합되어야 할 대상물의 용융온도보다 낮은 용융온도를 가지는 작용제로서 구성된다. 제 2 중간층 (4) 은 주로 은 (Ag) 및/또는주석 (Sn) 이나, 은과 구리 (Ag+Cu), 알루미늄과 구리 (Al+Cu), 및 주석과 구리 (Sn+Cu) 의 합금이나 혼합물을 주로 포함한다.

결합영역을 가열하면 함께 결합될 대상물의 표면에서 확산 결합이 생성된다; 이는 한편으로는 구리의 확산의 결과이며, 다른 한편으로는 니켈의 확산의 결과로서 발생하는 것이다. 확산 결합의 생성 및 그 내부에서의 구성은 제조조건 및 바람직한 결합을 위해 요구되는 아주 얇은 중간층 (4) 즉, 솔더링 작용제 층에 의해 형성되거나, 니켈 도금 표면층 (2) 과 하우징 (1) 사이의 결합면에 위치한 몇몇 중간층 (4,5) 의 혼합물에 의해 형성된다.

중간층 (4, 5) 의 솔더링 작용제 및 확산 작용제로서 은-구리 합금과 순수한 형태이거나 특정한 샌드위치 구조의 주석이 사용될 수 있다. 600-850℃ 의 온도영역에서 기계적으로 강한 결합을 얻을 수 있다. 열처리기간의 선정은 최종 결합에서 취성을 갖는 중간금속 상 (intermetallic phase) 의 생성을 피할 수 있도록 수행될 수 있다. 중간층의 열처리 온도 및 기간뿐만 아니라 솔더링 작용제의 두께도, 그 표면에 제공된 높은 니켈 함량을 가지는 합금으로 인해 강으로부터의 니켈의 손실이 발생하지 않도록 선정된다. 낮은 결합온도의 장점은 결합부 영역에서 발생하는 열응력이 최소로 된다는 점이다.

도 3 은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 도시한다. 하나 이상의 제 2 중간층 (4) 과 하나 이상의 제 3 중간층 (5) 이 제공되며, 제 2 중간층 (4) 의 용융온도는 제 3 중간층 (5) 의 용융온도보다 낮다. 제 3 중간층 (5) 은 주로 은 (Ag) 또는 은 (Ag) 과 구리 (Cu) 의 합금 또는 혼합물로서 주로 구성된다.바람직한 실시예에서, 제 3 중간층은 은과 구리 (Ag+Cu) 솔더링 작용제로 구성되고, 바람직하게는 박편의 형태이다. 바람직한 실시예에서, 제 2 중간층은 중량퍼센트로 Ag 71% 및 Cu 29% 를 포함한다. 바람직하게는 솔더링 작용제는 주어진 합금조성에서 구리를 포함하는 공정 (eutectic) 조성을 가진다. 결합영역은 일 단계로 가열된다. 본 발명의 방법에 따른 바람직한 실시예에서, 제 2 중간층 (4) 은 제 3 중간층 (5) 의 표면상에 배치된다. 반드시 그래야 하는 것은 아니지만 통상적으로. 중간층 (3,4,5) 중 어느 하나 이상이 박편의 형태로 결합영역에 배치된다. 중간층 (4, 5) 의 솔더링 작용제와 확산 작용제로서 은-구리 합금과 순수한 형태이거나 특정한 샌드위치 구조의 주석이 사용될 수 있다. 600-850℃ 의 온도영역에서 기계적으로 강한 결합을 얻을 수 있다. 열처리기간의 선정은 최종 결합부에서 취성을 갖는 중간금속 상 (intermetallic phase) 의 생성을 피할 수 있도록 수행되어야 한다. 중간층의 열처리 온도 및 기간뿐만 아니라 솔더링 작용제의 두께도, 그 표면에 제공된 높은 니켈 함량을 가지는 합금으로 인해 강으로부터 니켈의 손실이 발생하지 않도록 선정된다. 낮은 결합온도의 장점은 결합영역에서 발생하는 열응력이 최소로 된다는 점이다.

도 4 는 표면층과 하우징 결합부를 가열하기 전의 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 도시한다. 제 3 중간층 (5) 의 양 표면상에 또는 상기 면에 대해 제 2 중간층 (4) 이 제공된다. 이 실시예에서 통상적으로 샌드위치 박편이 사용될 수 있으며, 그 박편의 한 면이나 양면은 예를 들어 주석으로 도금되어 있다.

본 방법에서 사용된 중간층의 두께는 다양하다. 제 1 중간층 (3) 으로서사용된 Ni 층의 두께는 통상적으로 2 - 50 ㎛ 이다. 전기분해후에 그 두께는 통상적으로 2 - 10 ㎛ 이며, 박편은 20 - 25 ㎛ 의 오더를 가진다. 제 3 중간층 (5) 으로서 사용된 은 (Ag) 또는 은과 구리 (Ag+Cu) 박편의 두께는 통상적으로 10 - 500 ㎛ 이며, 바람직하게는 20 - 100 ㎛ 이다. 제 2 중간층 (4) 의 두께는 통상적으로 제 3 중간층 (5) 의 두께에 의존하며, 예를 들어 제 3 중간층 두께의 10 - 50 % 이다. 월등하게 우수한 고품질의 결합이, 예를 들어, 50 ㎛ 의 두께를 갖는 은과 구리 (Ag+Cu) 솔더링 작용제 박편의 표면에 5 - 10 ㎛ 의 주석층을 가함으로써 달성된다. 이 주석층은 예를 들어 박편형태의 솔더링 작용제를 용융된 주석에 담그고, 필요한 경우 그런 다음 이 박편을 압연하여 매끄럽게 함으로써 생성될 수 있다.

표면층의 재료로서 가장 적합한 타입의 강이 선택될 수 있다.

실시예 1

내산성강 (AlSl 316) 및 구리 (Cu) 가 함께 결합된다. 강 결합부 표면에는 제 1 중간층으로서 두께 7 ㎛ 를 갖는 니켈 (Ni) 층이 제공된다. 확산 작용제 및 솔더링 작용제로서, 공정 조성을 가지며, 중량퍼센트로 은 71% 및 구리 29 % 를 포함하는 은과 구리 (Ag+Cu) 의 솔더링 작용제가 사용된다. 솔더링 작용제는 50 ㎛ 의 두께를 갖는 박편의 형태이며, 박편의 표면에는 5 - 10 ㎛ 오더의 두께를 가지는 주석 (Sn) 층이 형성되어 있다. 결합면들사이에 박편이 남아있도록 서로 결합되는 대상물들은 서로를 향해 위치하고 있다. 대상물들은 함께 가압되고, 결합영역은 솔더링 작용제의 용융온도이상으로 약 800℃ 의 온도까지 가열된다. 유지시간은 약 10 분이다. 본 실시예에 의해 결합부가 성공적으로 완성되었다. 그 결과 야금학적으로 콤팩트한 결합이 획득되었다.

Claims (17)

1. 주로 구리로 구성된 하우징 (2) 과, 상기 하우징에서 냉각매체의 순환을 위해 제공된 채널 시스템 (6) 을 구비하는, 특히 노를 위해 구성된 냉각부재에 있어서,

   상기 부재 하우징 (1) 의 표면의 적어도 일부에는, 확산 결합에 의해 내부식성 표면층 (2) 이 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 표면층 (2) 은 강, 특히 제련강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 표면층 (2) 은 상기 부재 하우징 (1) 표면의 일부에만 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각부재.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각부재는 자용로 냉각부재인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
5. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 상기 냉각부재는 특히 용융물을 안내하는데 사용되는 냉각된 소위 츄트 (chute) 부재인 것을 특징으로 하는 냉각부재.
6. 주로 구리로 구성되는 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법에 있어서,

   표면층 (2) 이 확산 결합에 의해 부재 하우징 (1) 에 장착되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 표면층 (2) 과 상기 하우징 (1) 결합면사이에서 하나 이상의 중간층 (3,4,5) 이 결합 생성전에 배치되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 표면층 (2) 으로 강, 특히 제련된 강이 사용되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
9. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 함께 결합되는 상기 표면층 (2) 과 상기 부재 하우징 (1) 의 결합면사이에서, 상기 표면층 (2) 의 결합표면상에 또는 상기 결합면에 대해 제 1 중간층 (3) 이 제공되고, 또한, 상기 하우징 (1) 의 결합표면상에 또는 상기 결합면에 대해 제 2 중간층 (4) 이 제공됨으로써, 상기 중간층들을 포함하는 결합부 표면들이 함께 가압되고, 또한 상기 방법에서 적어도 결합 영역이 가열되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
10. 제 6 항 내지 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 중간층 (3) 은 주로 니켈 (Ni) 이나 크롬 (Cr) 또는 이들의 합금이나 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
11. 제 6 항 내지 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 중간층 (4) 은 함께 결합될 대상물의 용융온도보다 낮은 용융온도를 갖는 작용제로 구성되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
12. 제 6 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 중간층 (4) 이 주로 은 (Ag) 이나 구리 (Cu) 의 어느 일방이나 양방, 또는 은과 구리 (Ag+Cu), 알루미늄과 구리 (Al+Cu) 및 주석과 구리 (Sn+Cu) 의 합금이나 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
13. 제 6 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제 2 중간층 (4) 과 하나 이상의 제 3 중간층 (5) 을 포함하며, 상기 제 2 중간층 (4) 의 용융온도가 상기 제 2 중간층 (5) 의 용융온도보다 낮은 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
14. 제 6 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 중간층 (5) 이 주로 은 (Ag) 이나 은과 구리 (Ag+Cu) 의 합금이나 혼합물로 구성되는 것을 특징으로하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
15. 제 6 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합 영역은 일 단계로 가열되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
16. 제 6 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 중간층 (4) 이 상기 제 3 중간층 (5) 의 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.
17. 제 6 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층 (3,4,5) 들중 하나 이상이 박편의 형태로 결합영역에서 배치되는 것을 특징으로 하는, 냉각부재에서 내부식성 표면층을 배치하는 방법.