KR20070005711A - 분산 강화 합금의 연결 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 연결 전에 단조에 의한 연결부의 단면을 확대시켜, 1 이상이 다음의 조성 (중량%로, 일반적으로 발생하는 불순물뿐만 아니라, C 최대 0.08, Si 최대 0.7, Cr 10 ~ 25, Al 1 ~ 10, Mo 1.5 ~ 5, Mn 최대 0.4, 나머지는 일반적으로 발생하는 불순물 및 Fe) 으로 이루어진 2 또는 그 이상의 구성 요소 및/또는 설비용 부재의 연결 방법에 관한 것으로, 이 방법에 따라 제조된 제품은 900℃ 이상의 고온에서 사용될 수 있다.
분산 강화 합금, 분해로, 방사관
Description
본 발명은 1 이상이 분산 강화 합금으로 구성된 2 또는 그 이상의 구성 요소 및/또는 설비용 부재의 연결 방법에 관한 것이다.
예컨대 Kanthal APM 또는 APMT과 같은 분산 강화 재료로 된 설비용 부재는, 소위 고온 사용이라는, 예컨대 가스가 통과하는 약 1100℃ 정도의 고온까지 주위의 버너로 충분하게 가열된 방열관 (radiant tube) 과 같은 설비용 부재에 대한 요구를 가장 잘 충족시키는 것으로 밝혀져 왔다. 이 관은 외부로부터 화학 반응이 일어나는 온도까지 가열된다. 일반적으로, 관에서 가스 주입 단부의 온도는 900℃ 이며, 배출 단부의 온도는 1125℃ ~ 1200℃에 이른다.
스웨덴 특허 제467,414호에는, 그 재료가 최소 1050℃에서 열처리된 후에 소량의 이트륨 및 하프늄뿐만 아니라 코발트, 니켈, 실리콘, 망간, 지르코늄 및 티타늄과 합금되어 크리프 강도 (creep strength) 가 증가 된다고 기재되어 있는 분산 강화된 FeCrAl 재료가 개시되어 있다. 방열관은 이와 동일한 재료로 제조된다.
스웨덴 특허 제513,989호에는, 분산 강화된 FeCrAl 재료의 가스 분사법 (gas atomization) 에 의한 제조 방법이 개시되어 있다. 티타늄을 포함하는 분산 강 화 재료의 제조에 있어서, 이 특허에 따라 해결된 가스 분사법의 문제점은, 분사에 앞서 충전물 (charge) 에서 형성된 TiN 및 TiC의 작은 입자가, 분사에 사용되는 용융물 노즐 (melt nozzle) 에 달라붙어, 그 노즐을 막히게 하는 것이다. 그 해결책은 분사되는 충전물이 0.05 ~ 0.50 중량%의 탄탈륨 및 동시에 0.10 중량% 미만의 티타늄을 포함하도록 구성하는 것이다. 특허 제513,989호에는, 그 재료가 몰리브텐 (Mo) 을 포함할 수 있다고 기재하고 있다.
전술한 바와 같이, 특허 제467,414호에 따른 재료를 이용하여 크리프 강도가 증가되었다고 기재되어 있다. 그러나, 상기 관의 작동 수명에 대한 증가 요구뿐만 아니라 크리프 강도, 연성에 대한 추가적인 증가 요구가 추가되었다. 여기에서 공지된 관보다 더 긴 시간동안 고온에서 견딜 수 있는 더 긴 관을 제조할 수 있는 것이 또한 소망된다.
스웨덴 특허출원 제0301500-5호에는 분해로 (cracking furnace) 내의 방열관이 개시되어 있는데, 탄화수소가 유동하는 관내에서 탄화수소가 에틸렌으로 분해되며, 그 관은 외부로부터 탄화수소의 분해가 일어나는 온도까지 가열되며, 그 관은 Fe에 소량의 합금 원소뿐만 아니라 10 ~ 25 중량%의 Cr, 1 ~ 10 중량%의 Al 및 1.5 ~ 5 중량%의 Mo을 포함하는 FeCrAl 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다.
분산 강화 합금은 온도가 1200℃까지 올라가는 곳에 주로 사용된다. 이는, 길게 늘어진 관을 요구하는 설비 원칙과 조합되어, 각각 관의 용접 및 연결에 대한 특별한 요구를 하게 한다. 설비는 벽 두께의 관점에서 최적화된다. 결정적 인자는 더 얇은 관 및 더 높은 강도에 의해 촉진되는 사용 수명 및 관의 외 부로부터의 최대 열 전달이다. 관의 강도는 적어도 사하중 (dead load) 을 지탱하도록 선택되어야 한다. 설비용 부재는 길이가 일반적으로 10 ~ 17m 가 될 수 있으며, 예컨대 관, 용접된 관과 같은 2 또는 그 이상의 부재로 구성될 수 있다.
1 이상의 부재가 분산 강화 합금인 1 또는 그 이상의 구성 요소 또는 설비용 부재를 연결하는데 있어서, 예컨대 질소 및/또는 더 큰 산화물 클러스터의 석출부를 포함하는 넓은 영역이 생성되어, 상기 용접부 및 연결부 각각에서 설비가 상당히 약화되는 결과를 초래한다. 이러한 약화는 온도 및 하중의 특정 조합에서 분산 강화 재료의 연결부가 설비에 필요한 강도 기준을 충족하지 못한다는 것을 의미한다. 분산 강화 합금이 사용되는 많은 설비에서, 사하중은 연결부에 걸리는 최대 하중이다. 따라서, 이러한 하중이 증가하기 때문에 연결시 설계 기준을 충족시키기 위해 관 전체의 두께를 증가시키는 것은 불가능한 일이다. 또한, 비용 및 열전달의 관점에서, 관 설비의 종래 설계보다 더 두꺼운 벽을 사용하는 것은 바람직하지 못하다. 1 또는 2개의 부재 모두가 분산 강화 합금으로 구성된 설비용 부재를 연결할 목적으로, 필요한 가열함에 따라 연결부의 강도는 기재와 비교할 때 절반으로 떨어진다. 이는 용접부, 연결부 또는 이와 유사한 부분이 파단의 잠재적인 징후가 됨을 의미한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 단점이 제거될 수 있고 설비가 최적화되는, 1 이상이 분산 강화 합금으로 구성된 구성요소의 연결 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 1 또는 2개의 부재 모두가 분산 강화 합금으로 이루어진 부재들을 관에 의해 하중이 지탱될 정도로 연결부 및 용접부의 강도를 각각 증가시킬 목적으로 연결부의 단면을 확대시킨 공지의 연결 방법과 결합시킨 설비용 부재의 연결 방법을 제공한다.
본 발명은 1 또는 2개의 부재 모두가 분산 강화 합금으로 이루어진 부재들을 관에 의해 하중이 지탱될 정도로 연결부 및 용접부 각각의 강도를 증가시키고, 설비용 부재를 고온 용도에 사용할 목적으로, 연결 전에 연결부의 단면을 확대시키는 설비용 부재의 연결 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법에 사용되는 분산 강화 합금은 다음과 같은 조성 (중량%로) 을 갖는다.
C 최대 0.08
Si 최대 0.7
Cr 10 ~ 25
Al 1 ~ 10
Mo 1.5 ~ 5
Mn 최대 0.4
나머지는 일반적으로 발생하는 불순물 및 Fe.
상기 재료는 하프늄, 지르코늄, 이트리움, 질소, 탄소 및 산소와 같은 1 또 는 그 이상의 합금 원소를 소량 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 무엇보다도 재료의 저 함량 합금 원소에 따라 재료의 조성의 관점에서 다양해질 수 있다.
분산 강화 합금을 사용할 수 있기 위해, 설비용 부재의 벽 두께는 연결부에서만 증가되어야 한다. 종래의 구성과 비교하여 사하중의 현저한 증가가 없어야하며, 열전달이 변경되지 않아야 한다.
식 (1) 에 따라 연결부에 걸리는 하중이 계산된다.
식 (1) σ = F / A
σ = 인장 응력 [MPa]
F = 힘 [N]
A = 단면적 [㎟]
힘 (F) 이 연결부에 대한 크리프 파단 기준 응력 (creep rupture criterion)(σb) 을 일으키면, 예컨대 1100℃ / 100 000 h 에서 σb = 4 MPa 이고 분산 강화 연결부의 강도가 σ = 2 MPa 라면, 그 재료는 연결부의 종래 설계에 사용될 수 없다.
그러나, 연결부에서 벽 두께를 증가시키는 경우, 즉 A가 예컨대 2배로 증가되면, 힘 (F) 이 변하지 않는 상황에서, 크리프 파단 기준 응력이 절반으로 감소하게 된다. 이 경우에, 크리프 파단 기준 응력은 σb = 4 MPa 에서 σb = 2 MPa 로 감소되고, 1 또는 2개의 부재 모두가 분산 강화 합금으로 이루어진 연결부의 강 도는 설계 기준을 충족하게 된다.
종래 설계의 경우, 식 (1) 로부터 다음 (σb) 이 산출된다.
F = F1 [N]
A = A1 [㎟]
식 (1)→ σb = F1 / A1
종래 설계와 관련하여 A가 2배로 증가되어 벽 두께가 증가되는 경우, 식 (1) 로부터 다음이 산출된다.
F = F1 [N]
A = 2A1 [㎟]
식 (1)→ σb = F1 / 2A1
연결될 상기 설비 부재의 벽 두께의 소망하는 증가는 예컨대 단조, HIP 처리 및 선삭과 같은 복수의 제조 방법에 의해 달성될 수 있다. 전술한 재료로 된 설비용 부재를 고온에서 사용하는 경우에, 관의 길이가 6m를 초과하는 경우가 빈번하다. 이로써, 소망하는 설비 및/또는 길이를 위해 관을 연결하거나 용접하는데 단조가 비용적인 측면에서 가장 효과적인 방법이 된다.
따라서, 벽 두께가 두꺼워진 연결부에서의 관의 형상은 절차상에서 관의 외부 또는 내부의 유동 특성에 상당한 영향을 미치지 않는다. 실용적 이유에서, 벽의 후육화 (thickening) 는 설비용 부재 및 관 각각의 길이방향 축의 확장으로서 30mm 이상이어야 한다. 단면의 확대는 상기 식에 따라 하중에 반비례하므로, 단면은 최소한 목표로 하는 하중의 감소에 상응하는 양까지 확대되어야한다.
본 발명에 따른 방법은, 분산 강화 합금 및/또는 기타 재료, 예컨대 스테인리스 강과 같은 재료로 이루어진 1 또는 그 이상의 설비용 부재가 연결될 수 있다는 장점을 또한 가진다.
본 발명에 따른 방법은, 예컨대 설비 및 조립의 관점에서 의미있는 인자인 단조 설비용 부재의 연결을 위한 종래의 TIG 용접과 같은, 종래의 방법을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 연결된 관이 사용될 수 있는 분야는 소위 분해로 내의 방사관이다.
분해로 또는 에틸렌로에서, 탄화수소는 플라스틱 공업용 원재료를 구성하는 에틸렌 (H2C = H2C) 으로 분해된다.
분해로의 방사관 내에서 탄화수소는 에틸렌으로 분해되어 그 관을 통해 유동한다. 관에서 에틸렌을 형성되도록 하기 위해, 탄화수소가 주위의 버너에 의해 분해가 일어나는 충분히 높은 온도, 예컨대 1100℃ 까지 가열된 방사관을 통과하게 한다. 전형적으로, 관의 온도는 가스 주입 단부에서 900℃ 이며, 배출 단부에서 약 1125℃ ~ 1200℃ 에 이른다.
Claims (5)
1 또는 그 이상의 부재가 분산 강화 합금으로 구성된 1 또는 그 이상의 설비용 부재의 연결 방법에 있어서, 연결하기 전에 단조에 의해 연결부의 단면이 확대되는 것을 특징으로 하는 1 또는 그 이상의 설비용 부재의 연결 방법.
제 1 항에 있어서,
1 이상의 부재가 다음에 따른 조성을 갖는 (중량%로) 분산 강화 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 1 또는 그 이상의 설비용 부재의 연결 방법.
C 최대 0.08
Si 최대 0.7
Cr 10 ~ 25
Al 1 ~ 10
Mo 1.5 ~ 5
Mn 최대 0.4
나머지는 일반적으로 발생하는 불순물 및 Fe.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에 의해 제조된 설비용 부재로서, 900℃ 이상의 높은 온도에서 사용되는 설비용 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에 의해 제조된 설비용 부재로서 분해로에 사용되는 설비용 부재.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법에 의해 제조된 설비용 부재로서 연결부의 크리프 파단 기준 응력 (σb = F1 / A1) 은 단면 확대에 의해 증가 되는 설비용 부재.
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