KR20030096347A - 용접관 제조용 임피더 - Google Patents

Abstract

판두께 0.3㎜ 이하의 강판 표면에 절연피막을 형성하여 이루어지는 피막강판 (8) 의 적층체 (10) 를 절연케이스 (4) 내에 격납하여 이루어지는 용접관 제조용 임피더에 있어서, 상기 강판이 Cr: 1.5∼20%, Si: 2.5∼10%, C, N 의 2 종: 합계 100ppm 이하를 함유하고, 또는 추가로 Al, Mn, P 의 1 종 또는 2 종 이상을 Al 에 대해서는 5% 이하, Mn, P 에 대해서는 각각 1% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물이 되는 조성, 및 바람직하게는 비저항 60μΩㆍ㎝ 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 용접관 제조용 임피더.

Description

용접관 제조용 임피더 {IMPEDER FOR MANUFACTURING WELDED PIPE}

용접 조관공정, 예컨대 고주파 유도용접 조관공정에서는 도 7 의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 띠형상 내지 관형상으로 성형된 스켈프 (1) 가 워크코일 (2) 에 전류를 흐르게 함으로써 발생되는 유도전류에 의해 가열되고, 용접롤 (3) 에 의해 가압되어 대향하는 양 스켈프 에지로 형성시킨 V 수속점 (용접점) 의 지점에서 용접된다.

용접열효율을 향상시킬 목적으로 관내에 장입하여 사용되는 임피더는 절연재료의 케이스 (4) 및 자성재료의 코어 (5) 로 이루어지고, 맨드릴 (6) 에 연결되어 넣어져 있다. 코어 (5) 는 용접 중, 그 성능을 유지시키기 위해 맨드릴 (6) 로부터 공급되는 냉각수에 의해 냉각되고 있다. 임피더 사용 목적은 워크코일 (2) 에 흐르는 고주파 전류로 코어 (5) 를 여자하여 관내면측으로 유도전류가 흐르는 것을 억제함으로써 용접 전류를 스켈프 에지를 경유하여 용접점에 집중시켜 용접열효율을 향상시키는 것에 있다.

따라서, 임피더의 코어로는, 첫째 투자율이 높고 포화 자속밀도가 높은 것, 둘째 사용시 발열을 방지하기 위해 비저항이 크고 철손은 작고 또한 냉각되기 쉬운 형상으로 가공할 수 있는 것, 셋째 사용시 발열에 의해 온도가 상승해도 자기특성의 변화가 작아 퀴리온도가 높다는 성능을 구비한 것이 요구된다.

종래, 코어로는 도 7 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 페라이트분말 (50) 을 소결시킨 산화물 자성재료인 페라이트 코어 (5A) 가 많이 사용되고 있다. 또한, 도면부호 51 은 바인더이다.

그러나, 고주파 용접의 경우, 용접 전류가 높기 때문에 특히 조관 (造管) 치수가 소경이 되면 페라이트 코어의 단면적도 작아지고, 강한 자장에 대해 자속밀도가 포화에 도달하기 쉬워 용접열효율이 저하된다. 또한, 페라이트 코어는 사용 중 철손에 의해 발열되면, 포화 자속밀도의 저하가 크다는 결점을 갖고 있다. 또 단단하고 부서지기 쉬워 사용 중 갈라지기 쉽다는 결점도 있다.

이들 결점으로 인해 페라이트 코어를 사용한 임피더는 관용접에서의 용접열효율을 충분한 레벨로 높일 수 없고, 또한 수명이 짧다는 문제가 있다.

이들 결점을 보완하는 것으로서 포화 자속밀도가 높은 규소강 등의 금속 자성재료를, 도 8 의 (a) 에 나타내는 바와 같이 두께가 얇고 폭이 좁은 판 (71) 으로 가공하고, 절연접착제 (72) 로 층형상으로 부착하여 금속 자성재료 적층체 (7) 로 하여 이것을 복수개, 도 8 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 절연케이스 (4) 에 격납하여 코어를 형성한 임피더가 알려져 있다.

또한, 임피더의 발열을 억제하는 관점에서는 극세경 금속 자성 선재를 적층집속시키는 기술 (일본 특허공보 평7-14557호) 이나, 두께 0.1㎜ 이하의 극박 금속 자성재료를 절연재에 의해 단면적 50㎜²이하로 적층한 적층체를 코어로서 사용하는 기술 (일본 특허공보 소61-31959호) 이 공지이다.

상기 종래기술은 모두 어느 정도의 용접효율을 확보하면서 발열량을 감소시키는 것에 주안을 두는 것이다.

그러나, 최근 강관의 수요증가에 따라 강관의 생산성을 더욱 높이는 것이 급선무가 되어, 그로 인해 조관 속도를 향상시킬 필요가 있다. 상기 종래의 임피더에서는 조관 속도를 향상시킨 경우, 용접점에 전류를 충분히 집중시킬 수 없다. 고속 조관을 가능하게 하기 위해서는 고주파 전원용량을 크게 하는 방법도 있지만, 이 방법은 제조비용이 높아질 뿐만 아니라 에너지를 낭비하게 된다.

또, 용접관의 제관 사이즈는 종류가 다양하여 제관 사이즈마다 임피더의 적합 사이즈가 다르므로, 제조라인에서 제관 사이즈 변경에 따라 그에 적합한 사이즈의 임피더로 교환하고, 교환된 것은 다음 사용기회까지 보관한다. 이 보관시에 절연케이스내에 남은 냉각수에 의해 코어를 이루는 자성 금속이 부식되어 임피더가 재사용될 수 없게 되는 경우가 많다.

본 발명은 용접관 제조용 임피더에 관한 것으로, 상세하게는 띠형상의 스켈프를 용접부가 되는 스켈프 에지가 직선형상 또는 나선형상을 이루도록 연속해서 관형상으로 성형하고, 성형 후의 스켈프 에지를 고주파 유도용접법 또는 고주파 저항용접법에 의해 가열ㆍ용접할 때, 용접열효율을 향상시키기 위해 관내에 장입 (裝入) 하여 사용되는 용접관 제조용 임피더에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 임피더의 구조예를 나타내는 단면도이다.

도 2 는 임피더의 반복사용 가능한 횟수와 임피더의 코어에 사용되고 있는 강판의 Cr 량과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3 은 임피더 사용하에서의 조관 속도와 임피더의 코어에 사용되고 있는 강판의 Si 량과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4 는 임피더의 수명과 임피더의 코어에 사용되고 있는 강판의 비저항과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 본 발명에 관련되는 적층체의 형상을 고정시키는 바람직한 방법을나타내는 설명도이다.

도 6 은 본 발명에 관련되는 적층체와 관내면과의 거리의 바람직한 관계에 대한 골자 설명도이다.

도 7 의 (a) 는 임피더를 사용하는 고주파 유도용접 조관공정라인을 나타내는 모식도, 도 7 의 (b) 는 종래의 페라이트 코어를 나타내는 도 7 의 (a) 의 AA 단면도이다.

도 8 의 (a) 는 종래의 금속 자성재료 적층체를 나타내는 모식도, 도 8 의 (b) 는 종래의 금속재료 적층체 코어를 나타내는 도 7 의 (a) 의 AA 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 스켈프 (용접관 재료)

2: 워크코일

3: 용접롤

4: 케이스 (절연케이스)

5: 코어

5A: 페라이트 코어

6: 맨드릴

7: 금속 자성재료 적층체

8: 피막강판

9: 로드

10: 적층체

11: 결속자 (실, 테이프 등)

20: 관

21: 관내 적층체의 관 중심선에 가장 근접한 부분을 포함하는 가상상의 원

71: 판

72: 절연접착제

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

도 1 은 본 발명의 임피더의 구조예를 나타내는 단면도이다. 도 1 에서, 도면부호 10 은 피막강판 (8) 을 적층하여 이루어지는 적층체이며, 이 적층체 (10) 가 절연케이스 (4) 내에 복수개 격납되어 코어를 형성한다. 적층체 (10) 는 도시하는 바와 같이 로드 (9) 둘레에 거의 균등하게 균형있게 배치되는 것이 바람직하다. 배치형태의 예로서 방사상 (도 1 의 (a)), 평행상 (도 1 의 (b)) 을 나타낸다.

본 발명에서는 강판 (피막강판의 피막을 제외한 부분) 의 조성을 상기와 같이 한정하는데, 그 이유를 이하에 서술한다. 또한 조성에 관계되는 % 는 질량%, ppm 은 질량ppm 이다.

Cr: 1.5∼20%

Cr 은 내식성 및 인성을 향상시키는 원소로, 그 효과는 Cr 량 1.5% 이상에서 나타나는 점, 또 Cr 량을 20% 초과하여 증량시켜도 그 효과는 포화되는 점에서 1.5∼20% 로 하였다.

Si: 2.5∼10%

Si 는 전자특성을 향상시키는 원소로, 본 발명에서는 Si 량 2.5% 이상에서 용접효율이 현저하게 향상된다 (도 3). 한편, Si 량이 10% 를 초과하면 지나치게 단단하여 압연이 곤란해져 강판제조비용이 높아진다.

C, N 의 2 종: 합계 100ppm 이하

C, N 은 Cr, Si 와 결합되어 탄화물, 질화물을 형성하고, Cr 의 내식성 향상효과나 Si 의 전자특성 향상효과를 저감시킨다. 이 마이너스 작용은 (C＋N) 량 100ppm 초과에서 현저해진다. 또한, 하한은 특별히 한정되지 않지만, 현재의 제조기술에서는 약 1ppm 이다.

Al, Mn, P 의 1 종 또는 2 종 이상: Al 에 대해서는 5% 이하, Mn, P 에 대해서는 각각 1% 이하

Al 은 전자특성을 향상시키는 원소로, 0.005% 이상의 함유가 바람직하다. 그러나, Al 량이 5% 를 초과하면 강의 인성이 불량해지므로 Al 량 5% 이하로 한다.

Mn, P 는 전자특성의 향상에 기여하는 원소로, 필요에 따라 함유시키는데 각 함유량이 1% 를 초과하면 비용이 상승하기 때문에 1% 를 상한으로 한다.

상기 이외의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 또한, 불가피한 불순물 중, O 는 인성 확보의 관점에서 50ppm 이하, S 도 인성 확보의 관점에서 20ppm 이하로 저감시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기한 강판의 조성 요건에 추가로, 강판의 비저항 60μΩㆍ㎝ 이상을 요건으로 한다. 비저항이 60μΩㆍ㎝ 미만이면 사용시 줄열발생량이 커서 수명이 짧지만, 비저항이 60μΩㆍ㎝ 에서 80μΩㆍ㎝ 로 증가함에 따라 수명이 급격하게 연장되고, 비저항이 80μΩㆍ㎝ 초과하면 수명이 높은 위치에서 안정된다 (도 4). 따라서, 비저항은 수명 연장이 현저해지는 60μΩㆍ㎝ 이상의 범위로 한다. 보다 바람직하게는 수명이 높은 위치에서 안정되는 비저항 80μΩㆍ㎝ 이상의 범위이다. 또, 비저항에 상한을 둘 필요는 특별히 없다.

또, 강판의 두께가 0.3㎜ 를 초과하면 용접효율 향상효과가 저감되기 때문에 강판의 두께는 0.3㎜ 이하로 제한된다.

또, 적층체내의 강판간에 충분한 절연성을 갖게 하기 위해 적층되는 강판의 표면에, 바람직하게는 800℃ 이상에서의 내열성을 갖는 절연재료를 코팅하여, 절연피막을 형성하여 이루어지는 피막강판을 적층한다. 절연피막의 두께가 지나치게 얇으면 적층체내의 강판간 절연이 불충분해져 코어가 단명화된다.

절연재료로는 무기계의 것 (인산마그네슘, 알루미나, 칼슘 등) 을 바람직하게 사용할 수 있다. 유기계의 것 (에폭시 수지, 아크릴 수지, 메타크릴 수지 등) 은 내식성을 열화시키거나 발열을 조장하는 것이 있으므로 그 사용에는 주의를 필요로 한다.

또, 판을 적층할 때, 통상은 판 사이에 에폭시계 수지 등으로 이루어지는 접착제를 적용하여 적층체의 형상을 고정시키는 것이 실시되지만, 상기한 바와 같이 이 고정방법은 바람직하지 않다. 그래서, 본 발명에서는 상기 피막강판을 판 사이에 접착제를 적용하지 않고 직접 중첩하여 적층하는 것이 바람직하다. 그 경우, 적층체의 형상 고정방법은, 예컨대 도 5 에 나타내는 바와 같이 피막강판 (8) 을 직접 중첩하여 형성한 적층체 (10) 의 끝단부를 실, 테이프 등의 결속자(11) 로 결속하는 방법이 바람직하다. 결속자의 재질은 절연성, 내열성이 우수한 것 (예컨대, 세라믹, 내열성 수지 등) 이 바람직하다.

또, 적층체를 절연케이스내에 격납할 때의 충전율 (정의: 절연케이스내 스페이스 단면적에 대한 코어 단면적의 비율) 은 3% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 충전율이 3% 미만이면 용접효율의 향상을 기대할 수 없다. 또한, 충전율이 높을 수록 용접효율은 향상되는데, 보다 바람직하게는 충전율 70% 이상이다.

또한, 본 발명 임피더를 사용하여 용접관을 제조할 때는, 예컨대 도 6 에 나타내는 바와 같이 제조되는 관 (20) 의 단면 치수에 따라 임피더내의 적층체 (10) 전부가, 관내면과의 최단거리 300㎜ 이하의 점 전체로 이루어지는 관내 영역내에 수용되는 구조를 갖는 임피더를 사용하는 것이 바람직하다. 이로써, 추가적인 용접효율의 향상을 기대할 수 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제를 감안하여 본 발명은 용접효율을 비약적으로향상시킬 수 있고, 또한 수명이 길고 내식성도 우수한 용접관 제조용 임피더 및 용접관 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 강판적층체의 집합체를 코어로 하는 임피더의 내식성, 용접효율 및 수명을 향상시키는 수단에 대해 예의 실험ㆍ연구하였다. 그 결과, 적층체에 사용되는 강판의 Cr 량 (함유량의 의미, 이하 동일) 을 1.5% 이상으로 하면, 예컨대 도 2 에 나타내는 바와 같이 코어의 내식성이 현저하게 향상되어 반복사용이 가능해짐을 발견하였다.

또한, 강판의 Cr 량을 1.5% 이상, Si 량을 2.5% 이상, (C＋N) 량을 100ppm 이하로 하면, 예컨대 도 3 에서는 용접의 효율 (조관 속도로 평가) 이 비약적으로 향상된다는 지견을 얻었다.

또한, 강판의 비저항을 60μΩㆍ㎝ 이상으로 하면, 코어의 유도전류가 효과적으로 저감하고, 줄열발생량이 감소하여 열에 의한 코어의 열화의 진행이 늦어지는 결과, 예컨대 도 4 에 나타내는 바와 같이 장시간의 수명을 나타내게 됨이 밝혀졌다.

또, 종래, 강판을 적층할 때 에폭시계 수지 등으로 이루어지는 접착제가 사용되고 있는데, 이들 접착제는 코어의 내식성을 열화시킬 뿐만 아니라 강판의 발열을 조장하여 수명을 저하시킨다는 지견을 얻었다.

본 발명은 이들 지견에 기초하여 추가로 검토를 거듭하여 완성된 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 판두께 0.3㎜ 이하의 강판 표면에 절연피막을 형성하여 이루어지는 피막강판의 적층체를 절연케이스내에 격납하여 이루어지는 용접관 제조용 임피더에서, 상기 강판이 Cr: 1.5∼20%, Si: 2.5∼10%, C, N 의 2 종: 합계 100ppm 이하를 함유하고, 또는 추가로 Al, Mn, P 의 1 종 또는 2 종 이상을 Al 에 대해서는 5% 이하, Mn, P 에 대해서는 각각 1% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물이 되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용접관 제조용 임피더.

(2) 상기 강판이 비저항 60μΩㆍ㎝ 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 임피더.

(3) 상기 적층체가 상기 피막강판을 직접 중첩하여 적층되어 이루어지는 (1) 또는 (2) 에 기재된 임피더.

(4) 상기 적층체가 절연케이스내에 충전율 3% 이상으로 격납된 것을 특징으로 하는 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 임피더.

0.07%C-0.1%Si-0.6%Mn 강으로 이루어지는 두께 5.0㎜ 의 용접관 재료, 스켈프를 고주파 유도용접법 (주파수 70kHz, 출력 700kW) 에 의해 전봉 (電縫) 용접하여 표 1 에 나타내는 관내직경의 용접관을 제조할 때, 표 1 에 나타내는 사양이 되는 임피더를 관내에 장입하여 절연케이스내에 냉각수를 유통시키면서 전봉용접을 실시하여 조관 속도 (용접효율에 비례), 및 임피더의 반복사용 횟수와 수명을 조사하였다.

표 1 에서, 본 발명의 실시예에서는 조관 속도, 반복내용 횟수, 수명의 3 항목 모두 양호하다. 한편, 비교예에서는 이들 3 항목 중 하나 이상, 특히 반복내용 횟수와 수명의 점에서 실시예보다 열화되어 있다.

본 발명에 의하면, 용접관의 제조에서 임피더가 현저하게 장수명화되고, 반복사용 가능횟수가 비약적으로 증대되어 용접효율이 향상된다는 우수한 효과를 나타낸다.

Claims (5)

1. 판두께 0.3㎜ 이하의 강판 표면에 절연피막을 형성하여 이루어지는 피막강판의 적층체를 절연케이스내에 격납하여 이루어지는 용접관 제조용 임피더에 있어서, 상기 강판이 Cr: 1.5∼20%, Si: 2.5∼10%, C, N 의 2 종: 합계 100ppm 이하를 함유하고, 또는 추가로 Al, Mn, P 의 1 종 또는 2 종 이상을 Al 에 대해서는 5% 이하, Mn, P 에 대해서는 각각 1% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물이 되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 용접관 제조용 임피더.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강판이 비저항 60μΩㆍ㎝ 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 임피더.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적층체가 상기 피막강판을 직접 중첩하여 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 임피더.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적층체가 절연케이스내에 충전율 3% 이상으로 격납된 것을 특징으로 하는 임피더.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 적층체가 절연케이스내에 충전율 3% 이상으로 격납된 것을 특징으로 하는 임피더.