KR20030045767A - 무산화 소둔열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제품 내부의 산화를 방지하면서 소둔열처리시키는 방법에 관한 것으로, 내부 공간부를 형성한 피가열체(1)를 소둔로(10) 내에서 소둔시킴에 있어서, 상기 피가열체(1) 상하부에 내부로 연결되는 노즐(2)을 형성시키는 (Ⅰ)단계와; 상기 피가열체(1)를 상기 소둔로(10) 내에 투입시키는 (Ⅱ)단계와; 상기 노즐(2)에 상기 소둔로(10) 외부로 연결되는 금속재 후렉시블 호스(11)를 연결시키는 (Ⅲ)단계와; 상기 소둔로(10) 외부에서 상기 호스(11)를 통해 질소가스를 하향으로 투입시켜 상기 피가열체(1) 내부의 산소농도를 2% 이하로 낮추는 (Ⅳ)단계와; 상기 질소가스의 퍼지방향을 바꾸어 지속적으로 상향 투입 및 유출시키는 (Ⅴ)단계;를 포함하여 구성됨을 기술적 요지로 하여, 피가열체의 내부에 공급되는 무산화성 가스를 노 내 가열온도와 동일한 온도로 가열시킴으로써 피가열체 내외부의 열팽창율 차이에 따른 파손을 방지하여 제품의 성능을 안정적으로 향상시키고, 무산화성 가스의 불필요한 소모를 방지하여 활용율을 최대화하며, 무산화성 가스가 소둔로 내부에서 별도의 가열장치없이 고온가열되어 무산화 열처리 장치의 구조가 간단해지고 열소모없이 효율적으로 열처리가 이루어지는 무산화 소둔열처리 방법에 관한 것이다.

Description

무산화 소둔열처리 방법{annealing process to purge a oxygen}

본 발명은 제품 내부의 산화를 방지하면서 소둔열처리시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부피와 무게가 비교적 크고 내부공간을 형성한 제품을 소둔로 내에서 소둔시킴에 있어서, 소둔열처리 동안 소둔로의 가열온도와 동일한 온도의 무산화성 가스를 제품내에 효율적으로 제공하여, 제품 내부의 산화를 방지시킴과 동시에 제품 내외부가 동일한 온도의 분위기에서 팽창 및 수축되도록하여 제품의 파손없이 소둔열처리시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용접부 주위에는 재료의 항복점에 가까운 내부응력이 부분적으로 잔류하게 되며, 실제 주조에서는 합금첨가원소들이 결정의 전단면에 균일하게 분포할 수 있는 시간적 여유가 충분하지 못해 결정편석이 생기게 되므로, 일반적으로 부속품들이 용접결합되고, 사용 시 극심한 압력이나 온도변화를 받거나 내용물에 의해 부식의 우려가 있는 제품들은 피로나 하중의 영향을 크게 받을 시에 이러한 응력잔재부분의 파손이 가장 우려되는 사항이다.

따라서 상기와 같은 조건에 때문에 제품이 쉽게 파손되는 현상을 방지하기 위해 응력제거 풀림 또는 재결정 생성 과정을 통해 제품의 재질을 안정시키는 소둔열처리가 행해지고 있으며, 상기 소둔은 제품을 고온상태에서 충분한 시간에 걸쳐서 천천히 냉각시킴으로써 상태도에 나타난 것만큼의 변화를 전부 완료시켜서 안정된 평형상태로 만드는 열처리이다.

가공 ·주조 ·조사(照射) 등에 의해 변형이 생기거나 격자결함(格子缺陷)이 생겨서 굳은 결정고체에서는 재결정(再結晶)온도 이상으로 적당한 시간 가열해서 원자의 확산에 의해 안정된 결정립을 재생성시키는 원리이며, 잔류 응력이 잔재된 용접부에서는 적당한 고온으로 가열하여 크리이프와 응력 이완에 따른 소형변형에 의해 응력을 제거시키는 원리가 적용된다.

일반적인 소둔열처리 과정에서는 고온 분위기 하에서 금속재 표면의 산화가 가속화되므로 소둔열처리 후에는 산화막을 제거하기 위한 별도의 처리가 필요하며,특히 내부공간부를 형성한 열교환기 등과 같은 제품은 내부표면에 생성된 산화막을 제거하는 데 어려움이 많으므로, 소둔로 내에서 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스를 제품에 공급하여 연속 퍼지시킴으로써 대기(산소)를 소둔로 외부로 방출시키는 방법이 사용되고 있다.

상기와 같은 종래기술로서 특허등록번호 제193160호의 무산화가열방법 및 장치에 대해 간단히 설명하기로 한다.

상기 무산화가열방법 및 장치는 무산화성 가스를 버너대신 복수대의 축열식 예열기를 사용하여 소정온도로 가열하여 노 내에 연속적으로 공급함으로써 노 내를 고온으로 가열시킴과 동시에, 상기 무산화성 가스를 노 내에 위치한 해당 피가열체의 근방에 불어넣거나, 지속적으로 불어넣음에 따라 노 내의 산화성 가스와 치환되도록하여 노 내를 무산화 분위기로 만들어 열처리 과정 중 산화를 방지시키는 구성을 가지고 있다.

상기의 무산화가열방법 및 장치는 피가열체를 포위하도록 고온의 무산화성 가스를 분사하거나 노 내 전체를 고온의 무산화성 가스로 치환하여 피가열체의 산화를 방지하고자 하였으나, 무산화성 가스에 의해 노 내 전체를 가열시키고 고온을 유지하도록 구성되어 무산화성 가스의 불필요한 소모가 많고, 피가열체를 외피에서부터 가열시키게 되므로 외피부와 내부 구성부품과의 온도차에 따른 상이한 열팽창율로 인해 부품간의 접합부가 쉽게 파손되어 제품의 성능을 효율적으로 향상시키지 못한다는 문제점이 있었다.

또한 고온의 무산화성 가스의 일부를 노내 가열에 재사용하거나 축열식 예열기의 예열에 노 내 연소가스의 폐열을 이용함으로써 상기와 같은 구조의 열낭비를 줄이고자 하였으나, 무산화성 가스를 특정 온도로 가열하기 위한 예열장치 외에도 상기와 같은 역할을 수행하기 위한 장치가 별도로 구비되어야 하므로 복잡한 구성을 가지며 장치의 비용이 높아진다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 무산화성 가스의 불필요한 소모를 방지하여 활용율을 최대화하며, 피가열체의 내부를 외피와 동일한 온도로 가열시켜 내외부의 열팽창율의 차이에 따른 파손을 방지시키는 무산화 소둔열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 무산화성 가스가 피가열체 내부로 주입될 시 무산화성 가스를 가열시키기 위한 별도의 장치없이 고온가열되어, 열처리 장치의 구조가 간단해지고 열소모없이 효율적으로 처리시키는 무산화 소둔열처리 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

도 1 - 본 발명에 의한 무산화 소둔열처리 방법의 플로우차트.

도 2 - 본 발명의 일실시예를 도시한 투시도.

도 3 - 도 2의 요부종단면도.

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

1 : 피가열체 2 : 노즐

3 : 열교환기 튜브 10 : 소둔로

11 : 호스 12 : 밸브

13 : 버너 14 : 불막이벽

15 : 액화 질소 16 : 기화기

상기와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 내부 공간부를 형성한 피가열체(1)를 소둔로(10) 내에서 소둔시킴에 있어서, 상기 피가열체(1) 상하부에 내부로 연결되는 노즐(2)을 형성시키는 (Ⅰ)단계와; 상기 피가열체(1)를 상기 소둔로(10) 내에 투입시키는 (Ⅱ)단계와; 상기 노즐(2)에 상기 소둔로(10) 외부로 연결되는 금속재 후렉시블 호스(11)를 연결시키는 (Ⅲ)단계와; 상기 소둔로(10) 외부에서 상기 호스(11)를 통해 질소가스를 하향으로 투입시켜 상기 피가열체(1) 내부의산소농도를 2% 이하로 낮추는 (Ⅳ)단계와; 상기 질소가스의 퍼지방향을 바꾸어 지속적으로 상향 투입 및 유출시키는 (Ⅴ)단계;를 포함하여 구성되는 무산화 소둔열처리 방법을 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 피가열체(1) 상하부에 내외부를 연결시키는 노즐(2)이 구비되면 상기 (Ⅰ)단계가 생략됨이 바람직하다.

또한, 상기 질소가스 대신 아르곤가스를 투입시키면, 상기 (Ⅳ)단계 및 (Ⅴ)단계에서 투입 및 유출방향이 반대로 바뀜이 바람직하다.

따라서 피가열체의 내부에 공급되는 무산화성 가스를 노 내 가열온도와 동일한 온도로 가열시킴으로써 피가열체 내외부의 열팽창율 차이에 따른 파손을 방지하여 제품의 성능을 안정적으로 향상시킨다는 이점이 있다.

또한 무산화성 가스의 불필요한 소모를 방지하여 활용율을 최대화하며, 무산화성 가스가 소둔로 내부에서 별도의 가열장치없이 고온가열되어 무산화 열처리 장치의 구조가 간단해지고 열소모없이 효율적으로 열처리가 이루어진다는 다른 이점이 있다.

또한 산소와 대비되는 무산화성 가스의 원소성질에 따라 피가열체로의 주입 및 방출방향을 조절시킴으로써 제품의 산화를 효과적으로 방지시키는 다른 이점이 있다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 의한 무산화 소둔열처리 방법의 플로우차트를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예를 도시한 투시도이며, 도 3은 도 2의 요부종단면도를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 무산화 소둔열처리 방법은, 부피와 무게가 크고 내부공간부를 형성한 제품을 열처리하기에 적합한 방법으로, 열처리 시 제품 외표면에 발생되는 산화막은 다양한 기계적, 화학적인 방법에 의해 쉽게 제거되나, 제품 내부에 산화막이 발생될 경우 이를 처리하기에 어려움이 많은 것을 고려하여, 열처리 과정 동안 제품 내부의 산화만을 방지시킴으로써 연료 및 전력과 무산화성 가스의 불필요한 소모를 방지하여 에너지 활용율을 높이고, 산화막방지와 관련된 전반적인 열처리 작업의 효율성을 높이며, 열처리 과정에서 무산화가스의 성질을 이용하여 제품 내부의 산소를 효과적으로 제거시키도록 고안한 것이다.

여기서는 부피와 무게가 비교적 크고 내부 공간부를 형성한 상기 제품을 열처리 과정상에서 피가열체(1)로 기술하기로 하며, 본 발명은 소둔로(10) 내에서 상기 피가열체(1)를 소둔시키는 동안, 상기 소둔로(10) 내부로 주입된 금속제 후렉시블 호스(1)를 상기 피가열체(1) 내부로 연결시키고 상기 호스(1)를 통해 외부에서 비활성 가스를 공급하면,상기 소둔로(10) 내에 위치한 상기 호스(1)의 내부까지 상기 소둔로(10)의 온도가 열전달되는 현상을 이용하여 산업적으로 적용시키고자 한 것이다.

먼저 비활성 가스의 유입 및 유출이 이루어지도록 상기 피가열체(1) 상부 및 하부에 내부로 연결되는 노즐(2)을 각각 형성시키며, 상기 노즐(2)은 비활성 가스가 상기 피가열체(1) 내부에 효과적으로 퍼질 수 있도록 상기 피가열체(1)의 구조에 따라 다양한 위치와 갯수를 가진다.

도 2, 3에 도시된 본 발명의 일실시예는 상기 소둔로(10) 내에서 열교환기를 소둔시키는 과정을 도시한 것으로, 상기 열교환기 내부는 좌측과 우측으로 나뉘고, 다시 우측은 상측과 하측으로 나뉘며, 상기 우측 공간부의 상측과 하측은 상기 좌측 공간부에 형성된 열교환기 튜브(3)를 통해 연결되도록 구성되어 있어, 상기 좌측 공간부 상부와 하부, 상기 우측 공간부 상측과 하측에 각각 상기 노즐(2)을 형성하면, 상기 좌측 공간부와 우측 공간부를 포함하여 상기 열교환기 튜브(3) 내부 까지 비활성 가스로 채운 상태에서 열처리할 수 있다.

일반적인 열교환기는 전열매체의 출입을 위해 상기와 같은 위치에 노즐(2)이 형성되어 있으므로, 본 발명에 의한 무산화 소둔열처리 방법으로 열교환기를 소둔시키는 과정에서는 상기와 같은 노즐(2)을 형성시키기 위한 작업이 별도로 필요하지 않다.

본 발명에 의하면 상기와 같이 노즐(2)이 형성되어있지 않은 일반적인 제품은 본 발명에 의한 소둔열처리 후 제품 상하부에 형성시킨 노즐(2)을 제거하는 작업이 별도로 추가될 수 있으므로, 본 발명은 상기 열교환기와 같은 구조를 가진 제품의 열처리에 적용될 시 더욱 간단한 과정을 거칠 수 있다.

상기와 같이 노즐(2)이 형성된 피가열체(1)는 상기 소둔로(10) 내에 투입된 후, 상기 피가열체의 노즐(2) 각각에 상기 소둔로(10) 외부로부터 상기 피가열체(1) 내부로 무산화 가스가 투입되고 유출되는 경로가 되는 금속재 호스(11)가 연결된다.

상기 소둔로(10)는 일반적인 소둔로에 적용되는 통칭이며, 상기 호스(11)는후렉시블하게 절곡되는 금속재질을 사용하여 상기 소둔로(10) 외부에서 상기 소둔로 내부를 거쳐 상기 피가열체(1) 내부까지 무산화가스 및 산소의 안정된 이동경로를 형성시킴과 동시에 상기 소둔로(10) 내부의 고온분위기가 열전달되기 용이하도록 한다.

상기 소둔로(10)가 고온가열된 상태에서 무산화 가스가 상기 호스(11)를 통해 상기 피가열체에 형성된 노즐(2)로 주입되게 되면, 상기 무산화 가스가 상기 소둔로(10) 내부를 거치는 동안 상기 소둔로(10) 내부의 온도와 동일한 온도로 가열되어 상기 피가열체(1) 내부로 주입되게 된다.

상기와 같은 과정을 거치면 무산화 가스를 가열시키기 위한 별도의 장치 없이도 상기 피가열체(1)의 내부에 공급되는 무산화 가스가 자연적으로 소둔로(10)와 동일한 온도를 가지게 되므로, 일반적인 소둔열처리 과정에서 피가열체 내외부의 열팽창율 차이에 의해 발생되는 파손을 간단한 조작에 의해 방지하여 제품의 성능을 안정적으로 향상시키게 된다.

상기 소둔로(10) 내부로 열을 발산하는 버너(13) 내측에는 상기 버너의 화염이 상기 피가열체(1)에 직접 닿지 않도록 불막이벽(14)이 쌓아 상기 피가열체(1) 외표면 전면에 열이 고르게 전달되도록 하며, 상기 호스(11)의 일부를 상기 버너(13)의 열방출구에 근접하게 배치시키고 상기 소둔로(10) 내에서도 상기 피가열체의 노즐(2)에 이르기까지 곡선경로를 형성시켜 상기 소둔로(10)로부터 열을 충분히 전달받을 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 무산화 가스는 주기율표 0족에 속하는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈의 6원소와, 이 밖에 다른 물질과 비교적 반응하기 어려운 질소 등을 포함한 비활성 기체를 의미하며, 무산화 열처리 과정에서 주로 사용되는 무산화 가스는 질소, 아르곤 등으로 화학적인 반응이 거의 발생하지 않는 성질을 이용하여 산화를 방지시키는 목적으로 사용되고 있다.

상기 소둔로(10) 외부에는 액화된 무산화 가스와, 상기 액화된 무산화 가스를 기화시키는 기화기(16)가 구비되고, 상기 기화기(16)에는 상기 무산화 가스를 일정량 투입시키고 투입량을 조절시킬 수 있는 조정기가 구비되어, 기화된 무산화 가스를 상기 호스(11)를 통해 공급시키게 된다.

본 발명에서는 상기 소둔로(10)를 가열시키기 이전에 상기 무산화 가스를 상하 중 일방향으로 주입하여 상기 피가열체(1) 내부의 산소를 제거시킨 후, 가열, 고온유지, 냉각되는 동안에는 주입 방향을 반대로 바꿔 무산화 가스의 기류 방향을 를 바뀌도록 하고 있으며, 상기 무산화 가스로 질소 가스를 사용하였을 시에는 가열 전에 하향 기류를 형성시켜 산소를 제거하고, 가열 시에는 상향 기류를 형성시키며, 상기 무산화 가스로 아르곤 가스를 사용하였을 시에는 가열 전에 상향 기류를 형성시켜 산소를 제거하고, 가열 시에 하향 기류를 형성시키도록 하고 있다.

질소 가스는 산소 가스 보다 가벼워 상측에서 주입시키게 되면 하측에 산소 가스가 몰리게 되어, 상기 피가열체(1) 내부에 산소가 잔재하지 않고 하측으로 자연배출되므로, 상기 산소 가스가 배출되는 호스(11)의 단부에 산소농도 측정기를 구비하여 산소가 2~0%로 제거되었을 시에 배출구측의 호스(11)를 밸브(12)를 사용하여 잠그면 상기 피가열체(1) 내부에 산소가 제거된 상태가 된다.

이후 질소 가스가 주입되던 상부 호스 대신 산소가 배출되던 하부측 호스를 상기 기화기(16)에 연결시키면 질소 가스가 상기 하부측 호스로 투입됨과 동시에 상부측 호스를 통해 상측으로 배출되어, 이 후 상기 소둔로(10)가 가열 및 냉각되는 동안 상기 질소 가스가 상기 피가열체(1) 내부를 채운 상태에서 원활하게 상향이동된다.

상기 무산화 가스로 아르곤 가스를 투입시킬 시에는, 상기 아르곤 가스가 산소 가스보다 무거우므로, 상기 질소 가스와는 달리 상기 소둔로(10) 가열 전에는 상향 투입시키고, 가열시에는 하향으로 투입 및 유출시켜 상기 피가열체 내부를 채우도록 함으로써, 산소와 대비되는 무산화성 가스의 원소성질에 따라 피가열체로의 주입 및 방출방향을 조절시킨다.

상기 소둔로(10)가 가열, 고온유지, 냉각 과정을 거쳐 상기 피가열체(1)를 열처리시키는 동안, 상기 무산화 가스가 상기 소둔로(10) 내부를 통과하는 상기 호스(11)를 통해 상기 피가열체(1)에 지속적으로 주입됨에 따라, 상기 피가열체(1)는 버너(13)에 의해 가열된 상기 소둔로(10)와 상기 무산화 가스에 의해 각각 외내부가 동일한 온도를 전달받게되어 상기 피가열체(1) 전반이 고른 온도상태에서 열처리가 이루어지게 된다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명은 피가열체의 내부에 공급되는 무산화성 가스를 노 내 가열온도와 동일한 온도로 가열시킴으로써 피가열체 내외부의 열팽창율 차이에 따른 파손을 방지하여 제품의 성능을 안정적으로 향상시킨다는 효과가있다.

또한 무산화성 가스의 불필요한 소모를 방지하여 활용율을 최대화하며, 무산화성 가스가 소둔로 내부에서 별도의 가열장치없이 고온가열되어 무산화 열처리 장치의 구조가 간단해지고 열소모없이 효율적으로 열처리가 이루어진다는 다른 효과가 있다.

또한 산소와 대비되는 무산화성 가스의 원소성질에 따라 피가열체로의 주입 및 방출방향을 조절시킴으로써 제품의 산화를 효과적으로 방지시키는 다른 효과가 있다.

Claims (3)

1. 내부 공간부를 형성한 피가열체(1)를 소둔로(10) 내에서 소둔시킴에 있어서,

   상기 피가열체(1) 상하부에 내부로 연결되는 노즐(2)을 형성시키는 (Ⅰ)단계와;

   상기 피가열체(1)를 상기 소둔로(10) 내에 투입시키는 (Ⅱ)단계와;

   상기 노즐(2)에 상기 소둔로(10) 외부로 연결되는 금속재 후렉시블 호스(11)를 연결시키는 (Ⅲ)단계와;

   상기 소둔로(10) 외부에서 상기 호스(11)를 통해 질소가스를 하향으로 투입시켜 상기 피가열체(1) 내부의 산소농도를 2% 이하로 낮추는 (Ⅳ)단계와;

   상기 질소가스의 퍼지방향을 바꾸어 지속적으로 상향 투입 및 유출시키는 (Ⅴ)단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무산화 소둔열처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피가열체(1) 상하부에 내외부를 연결시키는 노즐(2)이 구비되면 상기 (Ⅰ)단계가 생략됨을 특징으로 하는 무산화 소둔열처리 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 질소가스 대신 아르곤가스를 투입시키면,

   상기 (Ⅳ)단계 및 (Ⅴ)단계에서 투입 및 유출방향이 반대로 바뀜을 특징으로 하는 무산화 소둔열처리 방법.