KR20080028454A - 연속 열처리로, 이를 이용한 금속관 및 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

가열대(1a)를 갖는 가열실(1)에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구(2a)로부터 연속적으로 금속관을 축방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구(2b)로부터 반출하는 연속 열처리로로서, 가열실 입구측에 예열대(3)를 구비한 전실(4)을 가지고, 전실 입구측 및 출구측에 시일 커텐(5a, 5b)을 갖는 연속 열처리로 및 이를 이용하여 열처리된 금속관 및 이 열처리로를 이용하여 행하는 열처리 방법이다. 가열실 출구측에 후실(6)을 설치하고, 후실 입구측에 시일 커텐(7a)을 부착하는 것이 바람직하다. 이 열처리로 및 열처리 방법에 의하여, 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 열처리 전에 금속관 내 외표면의 부착물을 간단하고 쉽게 제거할 수 있다.

Description

연속 열처리로, 이를 이용한 금속관 및 열처리 방법{CONTINOUS HEAT TREATMENT FURNACE AND UTILIZING THE SAME, METAL PIPE AND METHOD OF HEAT TREATMENT}

본 발명은, 냉간(冷間) 가공된 금속관의 연속 열처리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄화수소계의 성분을 포함하는 압연유 또는 윤활제를 사용하여 냉간 가공되는, 예를 들면 스테인레스 강관 등의 금속관에 있어서, 관의 내면 부착물로부터의 발생 가스에 의한 오염을 발생시키지 않는 연속 열처리로 및 이를 이용하여 열처리된 금속관 및 열처리 방법에 관한 것이다.

냉간 가공된 금속관, 예를 들면, 냉간 마무리 강관에 냉간 가공을 실시하는 경우, 냉간 압연시에는 압연유를 도포하고, 냉간 드로잉 시에는 윤활제(금속 비누)를 피복하는 등, 강관의 내외 표면에 적절한 표면 처리를 실시하여, 소정 치수로 가공한다.

냉간 가공된 강관을 열처리하는 경우에는, 열처리 전에 압연유나 윤활제를 세정(탈지)하고, 강관의 내외 표면의 부착물을 제거할 필요가 있다. 강관 표면에 부착물을 잔류시킨 채로 열처리를 실시하면, 압연유나 윤활제는 탄화수소계 성분을 포함하고, 또한 염소 등을 함유하는 것도 있으므로, 열처리 중에 이들 성분이 증발 하여 염소 그 외의 오염 가스가 발생하고, 이들 가스가 특히 체류하기 쉬운 강관 내면에 오염이 발생하는 경우가 있다.

또한, 상기 증발 가스 중에 염소 그 외의 오염 가스가 포함되지 않은 경우라도, 탄소(카본)원을 포함한 고온 기체에 강관의 내외 표면이 노출되게 되므로, 온도 조건에 의하여 침탄(carburizing)이 발생하는 경우가 있다. 표면에 침탄이 발생한 강관은, 고온 고압으로 사용을 반복하면, 침탄부가 기점이 되어 SCC(응력 부식 갈라짐)를 발생시킬 우려가 있다. 이 때문에, 냉간 가공된 강관을 열처리하는 경우에는, 강관의 내외 표면에 침탄을 발생시키지 않는 것이 필요하다.

열처리에 의해 강관 표면에 오염이나 침탄을 발생시키지 않도록, 열처리 전에 강관의 내외 표면에 잔류한 부착물을 제거하고자 하면, 냉간 가공 후의 알칼리 탈지, 세정만으로는 제거할 수 없고, 그에 추가하여, 샌드블러스트 등의 내면 청정화 공정이 필요하게 된다. 또한, 산 세정을 적용하면, 이를 위한 공정수가 증대하고, 어쨌든, 냉간 가공에 의한 강관 제조비가 증대하게 된다.

강관 내면의 오염이나 침탄을 방지하기 위해서는, 관 내의 가스를 분위기 가스로 치환하는 방법이 유효하고, 종래부터, 이를 위한 다양한 대책이 제안되어 있다.

일본국 특허공개 평 5-320745호 공보에서는, 탄성 패드가 대향부에 설치된 한쌍의 개폐 도어를 퍼지실의 입구부 상하로 각각 상하 운동하도록 설치하고, 반입되는 직관을 입구부에서 일시 정지시켜, 상하로부터 개폐 도어에 의해 끼우고 퍼지실의 분위기 가스의 압력을 높임으로써, 직관 내를 분위기 가스로 치환하도록 한 관내 가스 퍼지 장치가 제안되어 있다.

그러나, 일본국 특허공개 평 5-320745호 공보에서 제안된 장치에서는, 퍼지실의 입구부에서 그때마다 직관의 삽입을 정지시킬 필요가 있으므로, 열처리 능률이 현저하게 저하한다. 그와 동시에, 가열 분위기에서의 탄성 패드의 품질 열화가 심하여, 요구 성능을 얻을 수 없는 경우나, 빈번하게 교환을 필요로 한다는 문제가 있다.

또한, 일본국 특개평 6-128645호 공보에 개시된 열처리 장치는, 직상(直狀) 관을 분위기 가스 중에서 열처리하기 위한 열처리로의 측방에는, 직상 관의 입구를 향하여 직상 관을 보내기 위한 삽입 테이블을 설치하고, 이 삽입 테이블에는, 직상 관의 선단이 상기 열처리로 내에 들어간 상태에 있어서, 그 직상 관의 후단이 위치하는 장소를 부압으로 하기 위한 부압 수단을 설치한다. 이에 따라, 직상 관 내의 퍼지 작업을 매우 간단하고 쉽게 행할 수 있도록 한다.

그러나, 일본국 특허공개 평 6-128645호 공보가 개시한 장치는, 대용량의 부압 수단을 필요로 하기 때문에, 대규모 설비 투자를 필요로 하여, 강관 제조비가 고비용이 된다는 문제가 있다.

또한, 일본국 특허공개 2004-239505호 공보에는, 「노 입구에 그 전면을 덮도록 매달린 내열성 커텐을 설치하고, 이 내열성 커텐을 통해 상기 강관을 삽입하는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로」가 개시되어 있다. 이 열처리로에서는, 강관 내면의 부착물이 발생하는 분해 가스(오염 가스)는 강관 내부에 체류하기 쉬우므로, 분위기 가스를 강관의 선단으로부터 내부에 침입시켜, 강관 내부에 있어서의 가스 흐름을 현저하게 한 것이다.

구체적으로는, 피열처리재인 강관을 노 내에 삽입할 때, 먼저 삽입된 강관의 선단측이 온도 상승되고, 표면 온도가 200~600℃로 되면, 잔류 부착물이 분해하여 탄화수소계 가스 등을 발생한다. 연속 열처리로의 노 입구를 덮어 시일하고, 바람직하게는 노 입구 및 노 출구부의 양단을 덮음으로써, 노 내의 분위기 가스를 노 외에 비해 양압으로 함으로써, 강관의 선단으로부터 후단을 향하는 가스 흐름을 형성할 수 있다.

이에 의하면, 강관을 열처리로 내에 삽입할 때에, 내표면에 잔류한 부착물을 분해, 제거하는 동시에, 강관 내부에는 선단으로부터 후단을 향하는 분위기 가스의 흐름이 생기므로, 관 내부를 분위기 가스로 용이하게 치환할 수 있어, 열처리 능률을 저하시키지 않고, 부착물의 분해 가스에 기인하는 오염이나 침탄을 방지할 수 있다.

그러나, 일본국 특허공개 2004-239505호 공보가 개시하는 열처리로에서는, 피열처리재인 강관의 후단이 노 내(정확하게는, 상기 내열성 커텐보다 안쪽)에 들어가 버리면, 강관의 전단과 후단의 압력차가 없어져, 강관 내의 가스 흐름이 없어지므로, 후단 부근에 탄화수소계 가스나 오염 가스가 체류하기 쉬워진다. 이 때문에, 강관의 후단이 내열성 커텐보다 안쪽으로 들어가기 전에 강관 내면의 부착물을 분해할 수 있는 온도가 되도록, 노 입구의 온도를 항상 관리하는 것이 필요해진다. 이 때문에, 간편한 방법으로, 보다 확실하게 탄화수소계 가스나 오염 가스를 제거 가능한 열처리로가 요망된다.

본 발명은, 이러한 냉간 가공된 강관, 그 외의 금속관의 내외 표면에 잔류한 부착물의 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 열처리 전에, 잔류한 부착물을 간단하고 쉽게 제거할 수 있고, 또한 열처리 능률을 저하시키지 않는 연속 열처리로, 및 이를 이용하여 열처리 된 금속관 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자 등은, 상기의 과제를 해결하기 위하여, 냉간 가공된 강관을 세정한 후에 표면에 잔류한 부착물을 제거하기 위한 열처리 방법에 대하여 다양한 검토를 했다. 그 결과, 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 강관을 열처리로에 삽입할 때, 내외 표면에 잔류한 부착물을 간단하고 쉽게 분해, 기화시켜, 제거할 수 있는 것을 알았다.

알칼리 탈지, 세정 후에 강관 표면에 잔류한 부착물(냉간 가공 시의 압연유, 드로잉용 윤활제(금속 비누) 등)의 대부분은, 열처리 시에 200~600℃로 가열되면, 분해하여 탄화수소계 가스(나아가, 염소 그 외의 오염 가스)를 발생시킨다. 특히, 400℃에서 탄화수소계 가스 등의 발생이 가장 현저하게 된다. 이 때문에, 잔류한 부착물을 효과적으로 분해하기 위해서는, 강관 표면을 400℃ 이상으로 가열하는 것이 바람직하다.

통상, 열처리로 내에 삽입된 강관에서, 외면 부착물의 분해 가스는 노 내의 가스 흐름에 의하여 용이하게 확산되지만, 내면 부착물의 분해 가스는 강관 내부에 체류하기 쉬워진다. 부착물의 분해 가스는 염소 그 외의 오염 물질을 포함하는 경우가 있고, 또한, 탄화수소계에서 침탄성을 가지므로, 강관이 800℃이상으로 가열되면, 강관 표면에 오염이나 침탄이 발생하는 경우가 있다.

따라서, 오염이나 침탄의 발생을 효과적으로 방지하기 위해서는, 강관 표면의 온도를 800℃ 미만으로 관리할 필요가 있다. 실제의 노 조작에 있어서는, 연속 열처리로 내의 관리 정밀도를 고려하여, 750℃ 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

강관 내면의 부착물이 발생하는 분해 가스(오염 가스)는 강관 내부에 체류하기 쉬우므로, 본 발명자 등은, 강관 내부에 있어서의 가스 흐름을 보다 현저하게 하는 방법에 대하여 검토를 거듭했다. 그 결과, 연속 열처리로의 가열실 입구측에 예열대(帶)를 구비한 전실(前室)을 설치하는 동시에, 전실 출구측(즉, 가열실의 입구측)에 시일 커텐을 부착하고, 전실에서의 내압을 「노 외압 이상에서 가열실의 압력 이하」로 하는 것, 즉, 열처리로 내에 계단상의 압력차를 형성함으로써, 노 입구의 온도를 상시 관리할 필요가 없어, 관 내면 부착물의 분해, 제거를 용이하게, 또한 확실하게 행할 수 있는 것을 확인했다.

본 발명은, 상술의 지견에 의거해 이루어진 것으로서, 하기 (1)의 연속 열처리로, (2)의 금속관 및 (3)의 열처리 방법을 요지로 한다.

(1) 가열대를 가지는 가열실에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구로부터 연속적으로 금속관을 축 방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구로부터 반출하는 연속 열처리로로서, 가열실 입구측에 예열대를 구비한 전실을 가지고, 전실 입구측 및 출구측에 시일 커텐을 가지는 연속 열처리로.

상기 열처리로에 있어서는, 가열실의 출구측에 후실(後室)을 가지고, 후실 입구측에 시일 커텐을 가지는 것이 바람직하다.

(2) 상기 (1)에 기재의 연속 열처리로에서 제조한 금속관.

(3) 가열대를 가지는 가열실에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구로부터 연속적으로 금속관을 축 방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구로부터 반출하는 열처리 방법으로서, 가열실 입구측에 예열대를 구비한 전실 내압이, 노 외압 이상에서 가열실 압력 이하가 되도록 설정하고, 전실에서 금속관의 내외 표면에 잔류한 부착물을 기화할 수 있는 온도까지 금속관을 가열하여, 열처리하는 열처리 방법.

여기에서, 「부착물의 기화」란, 부착물을 분해하여 탄화수소계 가스 등을 발생시키는 것을 말한다.

도 1은 시일 성능 테스트 장치의 주요부 개략 구성을 나타낸 도면이다.

도 2는 성능 평가에 이용한 시일 커텐의 구조를 나타낸 도면으로, (a)는 시일 커텐이 8매(4매×2세트)인 경우, (b)는 16매(4매×4세트)인 경우이다.

도 3은 에어 공급량과 덕트 내 압력(시일 성능)의 관계를 시일 커텐의 매수를 파라미터로서 도시한 도면이다.

도 4는 시일 커텐이 8매(4매×2세트)인 경우의 시일 커텐의 길이 방향의 덕트 내 압력 분포를 도시한 도면이다.

도 5는 시일 커텐이 16매(4매×4세트)인 경우의 시일 커텐의 길이 방향의 덕트 내 압력 분포를 도시한 도면이다.

도 6은 덕트 내 압력의 균일성 평가 시험에 있어서의 덕트 단면에서의 측정 위치를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 연속 열처리로의 단면 구성예(도 7(a)), 재료 온도 패턴(동(b)), 노 내 압력 분포(동(c)) 및 잔류 오염 가스의 방출 효과(동(d))를 모식적으로 도시한 도면이다.

상술과 같이, 본 발명에서는, 가열실 입구측에 예열대를 구비한 전실을 설치하는 동시에, 이에 시일 커텐을 부착하는 것인데, 이러한 방법으로 열처리로 내에 계단상의 압력을 부여하는 것에 문제가 있는지 여부를 조사했다.

이 조사에는, 도 1에 도시한 시일 성능 테스트 장치를 이용했다. 이 장치는, 중앙부에 시일 커텐 장착부(9)를 구비한 덕트(10)(단면 형상；높이 160㎜×폭 800㎜)를 가지고 있고, 이에 시일 커텐(11)을 부착, 덕트(10) 내에, 공급량을 30~90N㎥／h로 하여 가스(공기(에어)를 사용)를 공급하고, 덕트(10)내 압력을 측정했다(이하, 압력은 「게이지압」으로 표기한다).

(a) 시일 커텐의 구조(매수)와 시일 성능

시일 성능 테스트 장치에 시일 커텐(11)을 부착하고, 시일 커텐 전부의 단면(A)(도면 내에 파선을 표시한 부분)에 있어서의 덕트 내 압력을 측정했다. 시일 커텐의 부착은 도 2(a)에 도시한 커텐이 8매(4매×2세트), 및 도 2(b)에 도시한 16매(4매×4세트)로 했다. 또한, 시일 커텐 전부(단면(A))에서의 측정으로 시일 성능의 평가가 가능한 것은 후술하는 시험(c)으로 확인했다.

시험 결과를 도 3에 도시한다. 이 결과로부터 명백한 바와같이, 에어 공급량이 증가하는 동시에 덕트 내 압력이 향상(즉, 시일 성능이 향상)되고, 시일 커텐이 16매인 경우, 시일 커텐 8매에 비해 약 2배의 성능을 나타낸다.

(b) 시일 커텐의 길이 방향의 압력 분포

시일 성능 테스트 장치에 있어서, 시일 커텐의 부착을, 도 2(a)에 도시한 커텐이 8매, 및 도 2(b)에 도시한 16매로 한 경우의 각각에 대하여, 시일 커텐 전부, 후부, 및 시일 커텐의 각 세트간에 있어서의 덕트 내 압력을 측정했다.

측정 결과를 도 4 및 도 5에 도시한다. 이들 도면에 있어서는, 시일 커텐의 장착 위치도 아울러 도시하고, 그에 대응시켜 측정 결과를 나타냈다. 이들 결과로부터, 시일 커텐이 8매, 16매인 어떠한 경우나, 덕트 내 압력은 시일 커텐 후부에서 전부에 걸쳐 직선적으로 상승하고, 에어 공급량 60N㎥／h일 때, 시일 커텐 1세트로, 약 3Pa의 시일 성능을 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

(c) 덕트 내 압력의 균일성

덕트 내의 폭방향：100mm 피치, 높이 방향：50mm 피치(도 6 참조), 길이 방향：250mm 피치이고, 에어 공급량：60N㎥／h, 시일 커텐이 16매(4매×4세트) 일 때의 압력 측정을 실시했다.

표 1에 시일 커텐 전부(단면 A)에서의 측정 결과를, 표 2에 시일 커텐 후부(단면 B)에서의 측정 결과를 나타낸다.

<표 1>

<표 2>

표 1 및 표 2의 결과로부터, 시일 커텐의 전부 및 후부 모두, 덕트 단면에서 균일한 압력 분포로 되어 있고, 표시하지 않았지만, 길이 방향에서 ±0.1Pa 이내로서, 균일한 것이 판명되었다. 또한, 시일 커텐 후부의 압력이 거의 OPa인 것으로부터, 시일 성능의 평가는, 시일 커텐 전부(예를 들면, 단면 A)에 있어서의 압력을 측정함으로써 행할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

상기 시일 성능 테스트 장치에 의한 시험의 결과, 복수의 시일 커텐을 겹쳐 세트로 하고, 또한 복수 세트를 설치했다고 해도, 노 내의 임의 단면에서의 압력의 균일성은 유지되고, 시일 커텐의 매수에 비례하여 압력은 저하하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 열처리로의 내압을 용이하게 2단계로 설정할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

여기에서, 2단계 내압으로 하기 위한 수단으로서, 시일 커텐을 채용했다.

도 7은 본 발명의 연속 열처리로의 단면 구성예(도 7(a)), 재료 온도 패턴(동(b)), 노 내 압력 분포(동(c)) 및 잔류 오염 가스의 방출 효과(동(d))를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 7에 있어서, (b)~(d)에 있어서의 횡 방향의 길이는 모두 (a)의 길이에 대응한다.

도 7(a)에 도시한 열처리로에서는, 가열대(1a)를 가지는 가열실(1)에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구(2a)로부터 연속적으로 강관을 축 방향을 따라 삽입하고, 소정의 열처리를 실시한 후, 노 출구(2b)로부터 반출하는 구조로 되어 있다. 또한, 노 입구(2a)로부터 노 출구(2b)에 걸쳐 송관용 롤러(도시하지 않음)가 노 바닥에 배치되어 있다.

도시한 바와 같이, 가열실(1)의 입구측에 예열대(3)를 가지는 전실(4)이 설치되고, 전실(4)의 입구측과, 출구측(즉, 가열실(1)의 입구측)에 각각 본 발명에서 규정하는 시일 커텐(5a) 및 (5b)이 부착되어 있다. 이에 따라, 송관용 롤러 상을 흐르는 강관이 일정한 거리 이상 진행하면, 예열대(3)를 설치한 위치에 있어서, 강관 내면의 부착물이 기화하는 한편, 시일 커텐(5a)을 사이에 두고 전실(4)과 연속 열처리로 외에서 압력차가 생기므로, 강관의 선단으로부터 후단으로 향하는 분위기 가스의 흐름이 형성되고, 기화에 의해 발생한 오염 가스가 분위기 가스와 함께 강관의 후단을 통해 연속 열처리로 외로 배출된다. 또한, 강관의 선단이 가열실(1)에 들어간 경우에는, 시일 커텐(5b)을 사이에 두고 가열실(1)과 전실(4)에서 압력 차(또는, 가열실(1)과 연속 열처리로 외에서 압력차)가 생기므로, 마찬가지로 오염 가스가 강관의 후단을 통해 전실(4)(또는, 연속 열처리로 외)로 배출된다.

또한, 이 예에서는, 가열실(1)의 출구측에, 냉각대를 사이에 두고, 본 발명에서 바람직하다고 여겨지는 후실(6)이 설치되고, 그 입구측에 시일 커텐(7a)이 부착되어 있다. 이렇게 함으로써, 전실(4)에 분위기 가스가 흐르는 양이 많아져, 오염을 일으키지 않고서 송관 속도를 빠르게 할 수 있다.

또한, 이 예에서는, 후실(6)의 출구측에도 시일 커텐(7b)이 부착되어 있다. 이 시일 커텐(7b)은 종래도 부착되어 있고, 분위기 가스가 후실(6)의 출구측(노 출구(2b))으로부터 일방적으로 유출하지 않도록 하기 위한 것이다. 즉, 종래는, 분위기 가스의 유출을 방지하기 위한 시일 커텐(7b)을 부착하고는 있었지만, 본 발명의 연속 열처리로에서 실현되는 것 같은 분위기 가스의 급격한 내압 구배(환언하면, 노 내압을 높이고, 또한 2단계로 설정하는 것)를 고려한 것은 아니었다.

이하에, 도 7(b)~(d)를 이용하여 상세히 기술한다.

도 7(b)은, 재료 온도 패턴으로, 실선(도면 내에는, 「현상」이라고 표기)은 예열대(3)를 형성하지 않는 경우, 파선은, 본 발명의 열처리로의 구성 요건인 예열대(3)를 구비한 전실(4)을 가열실(1)의 입구측에 설치한 경우이다. 예열대(3)를 설치함으로써, 강관의 온도를, 앞에 기술한, 관 내의 잔류 부착물을 기화하여 탄화수소계 가스나 염소 그 외의 오염 가스(여기서는, 특히 오염에 주목하여, 「오염 가스」라고 한다)를 발생시키는데 있어 바람직한 온도 범위 내인 450℃까지, 급속하게 높일 수 있다.

도 7(c)는, 노 내의 압력 분포(일부 실측치를 포함하는 추정 압력 분포)로, 실선(도면 내에는, 「현상(추정)」으로 표기)은, 전실(4)에 본 발명에서 규정하는 시일 커텐(5a) 및 (5b) 중 시일 커텐(5b)을 부착하고 있지 않고, 또한, 후실(6)에 본 발명에서 바람직하다고 여겨지는 시일 커텐(7a)을 설치하지 않은 경우이다. 파선은 본 발명예에서, 전실(4)의 출구측(즉, 가열실(1)의 입구측)에 시일 커텐(5b)과, 후실(6) 입구측에 시일 커텐(7a)을 설치한 경우이다. 이에 따라, 시일 커텐(5b)과 시일 커텐(7a) 사이에서 노 내 압력이 높아지고, 노 내압을 전실(4)의 부분과 가열실(1) 부분으로 2단계로 설정하고, 전실의 내압을 노 외압 이상에서 가열실의 압력 이하로 할 수 있다.

도 7(d)는, 강관 내에 잔류하는 오염 가스의 방출 효과를 설명하기 위한 도면이다. 이 도면(d)에 있어서의 「현상」은, 강관(8)의 후단(8b)이 전실(4)의 입구측 부분에 있고, 강관(8) 선단(8a)이 가열실(1)의 중앙 부근에 있는 경우로, 미가열 길이가 13m으로 되어 있다. 여기에서 말하는 「미가열 길이」란, 재료 온도가 잔류 부착물의 분해에 바람직한 온도(이 예에서는, 450℃)까지 도달하지 않으므로, 부착물이 잔류(또는, 일부만이 기화)하는 부분의 길이를 말한다. 도 7(c)의 노 내 압력 분포와 대비하면, 이 시점에서는, 선단(8a)에 있어서의 압력이 후단(8b)에 있어서의 압력보다 높으므로, 관 내 가스 흐름이 있지만, 강관(8)이 반송되어 후단(8b)이 도 7(c)의 A점에 이르면, 관의 선단(8a), 후단(8b)에서 압력차가 없어지므로 관 내 가스 흐름은 정지하고, 오염 가스가 관 내에 체류한다.

도 7(d)의 「예열대 설치시」에는, 도 7(b)의 재료 온도 패턴과의 대비로부 터 명백한 바와같이, 재료 온도가 450℃에 이르는 노 입구(2a)로부터의 거리가 짧기 때문에, 미가열 길이는 5m로 감소한다. 그러나, 상기와 마찬가지로, 후단(8b)이 도 7(c)의 A점에 이르면, 관 내 가스 흐름은 정지하고, 후단(8b) 근방의 관 내에 오염 가스가 체류한다.

도 7(d)의 「예열대＋시일 커텐 설치 시」의 (1)은, 강관(8)의 후단(8b)이 도 7(c)의 A점에 이르고, 선단(8a)이 가열실(1)의 중앙 부근에 있는 경우로, 미가열 길이는 상기의 「예열대 설치시」에 비해 더욱 짧아진다. 전실(4)의 출구측(즉, 가열실(1)의 입구측)에 시일 커텐(5b)을 설치하고 있으므로, 도 7(c)에 도시한 바와같이, 열처리로의 내압이 2단계로 설정되고, 그 결과, 관 후단(8b)이 도 7(c)의 A점에 도달해도, 관의 선단(8a)과 후단(8b)에서 압력차가 있어, 관내 가스 흐름이 생기므로, 기화한 오염 가스가 관 내에 체류하지 않는다. 강관(8)이 반송되어 (2)의 상태로 되면, 관 후단(8b)도 450℃에 이르러, 미가열 길이는 Om가 되고, 관 내의 잔류 부착물은 모두 분해, 기화한다. 또한, 도 7(c)의 노 내 압력 분포와의 대비로부터 명백한 바와같이, 기화한 오염 가스는 관 내 가스 흐름에 의하여 관 후단으로부터 배출된다.

시일 커텐의 재질, 형상 등에 대하여 특별히 한정은 없다. 종래 사용되는 내열성의 커텐을 사용할 수 있고, 먼저 실험 결과에서 나타낸 바와같이, 복수매를 겹치고, 또한 이를 복수 세트로 사용하면, 시일 커텐의 전후에 있어서의 압력차의 유지에 효과적이다.

이와 같이, 본 발명의 연속 열처리로에 의하면, 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 열처리 전에 강관 내외 표면의 부착물을 용이하게 제거할 수 있고, 또한 필요로 하는 설비 투자도 비교적 저렴하게 된다.

상기 (2)에 기재된 금속관은, 상기 기술의 본 발명의 열처리로에서 제조한 금속관이다. 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 열처리로 고온(상기 도 7에 나타낸 예에서는, 1100℃)으로 가열되기 전에, 예열대에서 관의 내외 표면의 잔류 부착물이 제거되므로, 금속관 표면(특히, 내면)이 오염되지 않는다.

상기 (3)에 기재된 열처리 방법은, 「가열대를 가지는 가열실에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구로부터 연속적으로 금속관을 축 방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구로부터 반출하는 열처리 방법으로서, 가열실의 입구측에 예열대를 구비한 전실의 내압이, 노 외압 이상에서 가열실의 압력 이하가 되도록 설정하고, 전실에서 금속관의 내외 표면에 잔류한 부착물을 기화할 수 있는 온도까지 금속관을 가열하여, 열처리하는 방법」이다.

상기 「분위기 가스」는, 관의 표면 산화를 억제하는 경우에는, 비산화성 가스인 수소, 질소나, He, Ar 등의 불활성 가스를 단독 또는 혼합하여 사용한다. 관 표면에 내식성을 확보하기 위한 치밀하고 밀착성이 높은 산화 피막을 형성하는 경우는, 수증기나 CO₂, 0₂ 등의 산화성 가스 또는 이들과 비산화성 가스의 혼합 가스를 사용한다. 또한, 상기 가스에 한정되지 않고, 대기와 연료인 LNG의 연소 배기 가스를 사용하면, 열처리 비용을 저하시킬 수 있다.

「부착물을 기화할 수 있는 온도까지 금속관을 가열」할 때의 온도는, 관의 내표면 온도가 400℃ 이상으로, 또한 750℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 잔류한 부착물을 효과적으로 분해, 기화하기 위해서는, 표면 온도를 400℃ 이상으로 가열하는 것이 적합하고, 오염 가스의 작용을 완화하고, 또한 침탄의 발생을 방지하기 위해서는, 관리 정밀도를 고려하여 750℃ 이하로 하는 것이 유효한 것에 의한다.

「전실 내압이, 노 외압 이상에서 가열실의 압력 이하가 되도록 설정」하기 위해서는, 분위기 가스를 적절한 공급량으로 가열실 내에 도입하는 것만으로 좋다. 전실 출구측에 설치한 시일 커텐(5b), 입구측에 설치한 시일 커텐(5a)이 유효하게 작용하고, 전실 내압이, 노 외압 이상에서 가열실 압력 이하로 된다.

이 열처리 방법은, 전술한 본 발명의 열처리로를 이용하여 실시할 수 있다. 즉, 노 내압을 전실 부분과 가열실 부분의 2단계로 설정할 수 있으므로, 전실의 내압을, 노 외압 이상에서 가열실 압력 이하로 하는 것이 가능해지고, 이에 따라, 관 내부에 선단으로부터 후단으로 향하는 분위기 가스의 흐름을 무리없이 생기게 할 수 있으므로, 관 내부의 잔류 부착물을 기화하고, 분위기 가스에 의해 치환, 제거할 수 있다. 그 후, 연속하여 소정의 온도로 열처리가 실시되므로, 열처리 능률을 저하시키지도 않는다.

[실시예]

양단에 ΔP_P［Pa］의 차압이 생기는 관 내의 가스 흐름을 나타낸 「등온 흐름 모델식」을 사용하여, 예열대 및 시일 커텐의 설치 조건 등을 바꾸어, 내직경 6 ㎜, 길이 20m의 강관을 송관했을 때의 관내 가스 배출의 여부를 검토하고, 또한, 실제 노에서 염소를 포함하는 부착물에 의한 관 내면의 오염 유무를 조사했다. 또한, 상기 관내 가스의 배출 여부의 검토에 있어서 필요한 노 내압 분포는 후술하는 노내 압력 분포 추정식으로 추정했다.

「등온 흐름 모델식」의 도출：

관 양단에 생기는 차압 ΔP_P［Pa］과 관내에 발생하는 가스 유속 υ_P［m／s］은 하기 (1)식의 관계를 가진다.

<수식 1>

층류의 경우,

<수식 2>

이므로, ΔP_P［Pa］는

<수식 3>

이 된다.

한편, 전실의 입구를 L=0, 전실 입구측에 설치한 시일 커텐의 후단 위치를 L1, 전실 출구측에 설치한 시일 커텐의 전단 및 후단 위치를 각각 L₂, L₃(L₃=L₂＋「시일 커텐(5b)의 두께」)로 하고(도 7(a) 참조), 시일 커텐 전후에서 정압이 직선적으로 증가하고, 시일 커텐 간에서는 등압과 근사하면, 노내 압력 분포는 하기 (4)식으로 표시된다.

<수식 4>

여기에서, 강관이 450℃로 되었을 때, 오염 가스가 발생한다고(관 내면에 부착되어 있는 오염 물질이 기화한다) 가정하고, 강관이 450℃에 이르는 노 내 위치를 L₄₅₀, 강관의 선단(송관 방향 단부)이 L₄₅₀에 도달하는 시각을 t₄₅₀, 강관의 양단의 차압이 없어지는 위치 L₄(L₄=L₃＋L_P, L_P는 관의 전체 길이)에 도달하는 시각을 t₄로 하면, 시간(t₄－t₄₅₀)의 사이에 강관의 선단 위치에 있는 분위기 가스가 관 내를 이동하는 거리 L_drain(0)는 하기 (5)식으로 표시된다.

<수식 5>

송관 속도를 υ_t로 하면, L=t·υ_t로부터,

<수식 6>

로 되고, 강관의 선단으로부터의 관내 위치 x［m］에 있는 가스가 450℃에 이르고 나서 강관 양단의 차압이 없어지는 위치 L₄까지 송관되는 사이에 강관 내를 이동하는 거리 L_drain(x)는,

<수식 7>

로 표시된다. 따라서, 미가열 길이 L_res는,

<수식 8>

로 표시되고, L_res≤0이면, 「미가열 길이 무」, 즉 분위기 가스의 관 내로부 터의 배출이 가능하고, 그에 수반되어 오염 가스도 관 내로부터 배출된다.

노 내 압력 분포 추정식；

j매째의 시일 커텐으로부터 유출하는 가스 질량 유량 G［kg／s］및 정압 변화 ΔP_j［Pa］는 각각 하기 (9) 식 및 (10)식으로 표시된다.

<수식 9>

가스가 시일 커텐 n매를 통과할 때에 생기는 차압 ΔP_total［Pa］는, 하기 (11) 식이 된다.

<수식 10>

전실 입구측, 전실 출구측, 및 후실 내에 설치된 시일 커텐 세트수(1세트=4매)를 각각 N_{en -in}, N_{en -out}, N_ex［세트］, 전실측 및 후실측으로부터 유출되는 수소 가스량을 각각 G_en, G_ex［kg／s］로 하면, 가열대 정압 ΔP_{H_Zone}=냉각대 정압으로부터, (12)식이 얻어진다.

<수식 11>

여기서, G_total=G_en＋G_ex로 두면, (13)식 및 (14)식이 얻어진다.

<수식 12>

상기 (12)~(14)식에서, 시일 커텐 세트수와 총 수소 공급량 G_total을 부여하면, 가열대 정압(즉, 가열실 압력)ΔP_{H_Zone}가 구해진다. 또한, 전실의 압력 ΔP_전실도,

<수식 13>

에 의해 구할 수 있다.

시뮬레이션의 결과(관 내 가스의 배출 여부의 검토 결과)：

상기 기술한 「등온 흐름 모델식」을 이용해, 내직경 6㎜, 길이 20m의 강관을 열처리하는 것을 가정하여, 미가열 길이 L_res를 계산했다. 상기 기술한 것처럼, 미가열 길이 L_res≤0이면, 관 내의 오염 가스는 관의 후단으로부터 배출된다. 여기에서, 관 내 온도는, 열처리로 내의 온도 450~1100℃의 평균 온도 775℃를 채용했 다.

시뮬레이션에서는, 전실에 예열대 및 출구측 시일 커텐이 없고, 후실에 입구측 시일 커텐이 없는 경우(시뮬레이션 1), 전실에 예열대만 가지는 경우(시뮬레이션 2), 전실에 출구측 시일 커텐만 가지는 경우(시뮬레이션 3) , 전실에 예열대 및 출구측 시일 커텐을 가지는 경우(시뮬레이션 4), 및 전실에 예열대 및 출구측 시일 커텐을 가지고, 또한 후실에 입구측 시일 커텐을 가지는 경우(시뮬레이션 5)의 합계 5케이스에 대하여, 각각 송관 속도를 1450㎜／min 또는 950mm／min로 하여 계산을 행했다.

표 3에, 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 또한, 표 3에는, 미가열 길이 L_res에 추가하여, 예열대나 시일 커텐의 유무 등, 연속 열처리로에 있어서의 설비 상의 설정 조건 및 전실 및 가열실의 압력도 함께 나타냈다. 열처리로의 「전실」 및 「후실」란의 ○표시는 예열대나 시일 커텐을 구비하고 있는 것을, 또한, 「미가열 길이 L_res」란의 ○표시는 관 내면에 있어서의 오염을 계산상 방지할 수 있는 것을, ×표시는 방지할 수 없는 것을 나타낸다.

<표 3>

표 3에 표시한 결과로부터 명백한 바와같이, 전실에 예열대 및 출구측 시일 커텐을 가지는 시뮬레이션(4)에서는, 송관 속도가 느린(950㎜／min) 경우, 미가열 길이가 0이하(L_res≤0)로 되었다. 즉, 오염 가스를 관 내로부터 배출할 수 있다고 예상된다. 또한, 전실에 예열대 및 출구측 시일 커텐을 가지고, 또한, 후실에 입 구측 시일 커텐을 가지는 시뮬레이션 5에서는, 송관 속도가 빨라도(1450mm／min), 미가열 길이가 0이하로 되어, 보다 효율적인 열처리를 행할 수 있는 것으로 예상된다.

실제 노에서의 관 내면 오염의 유무 조사：

상기 시뮬레이션에 이어, 실제 노에서, 내외 표면에 염소를 함유하는 윤활제가 부착된 강관(내직경 6mm, 길이 20m)의 열처리를 행하고, 염소에 의한 오염의 유무를 조사했다. 열처리로 내의 분위기 가스에는 수소 가스를 사용하고, 공급량을 95.00N㎥／h로 하고, 가열실에 보내 통과시켰다. 송관 속도는 950m／min 또는 1450m／min로 했다.

표 4에 조사 결과를 나타낸다. 표 4에 있어서, 전실 입구측의 시일 커텐은, 통상 사용되는 커텐을 이용하고, 비교예 및 실시예 모두 설치되어 있으므로, 표시하지 않는다. 또한, 「오염의 유무」에 대하여는, 열처리 후의 강관으로부터 특히 염소가 잔류하기 쉬운 후단부(강관의 진행 방향에 대하여 후단이 되는 부분)를 잘라내고, 그 내면에 부착되어 있는 염소를 순수한 물로 추출하고, 이 추출수에 대하여 이온 크로마토그래프 분석을 행하여, 관 내면에 있어서의 잔류 염소량을 조사했다.

<표 4>

표 4에 표시한 결과로부터 명백한 바와같이, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어나는 비교예 1~3에서는, 모두 「오염 유」라고 판정되었는데, 실시예 1, 3에서는 「오염 무」, 또는 「근소」(실시예 2)였다.

실시예 2에서 약간의 오염이 인정된 것은 동일한 조건의 실시예 1에 비해 송관 속도가 빠르고, 관내 오염 가스의 분위기 가스에 의한 치환에 지연이 생기고, 오염 가스가 관의 후단 부근에 잔류한 것에 의한 것으로 생각된다. 실시예 3에서 송관 속도가 빠름에도 불구하고, 오염이 인정되지 않은 것은 후실 입구측에도 시일 커텐을 설치한 결과, 가열실 내의 압력이 8.73Pa로 부터 11.93Pa로 높아지고, 전실에 흐르는 분위기 가스량이 많아져 관 내의 가스 치환이 촉진되어, 오염 가스가 제거된 것에 의하는 것이다.

본 발명의 연속 열처리로 및 열처리 방법에 의하면, 냉간 가공 후의 세정 공정을 알칼리 탈지, 세정만으로 한 경우라도, 열처리 전에 금속 관내 외표면의 부착물을 간단하고 쉽게 제거할 수 있다. 따라서, 탄화수소계의 성분을 포함하는 압연유 또는 윤활제가 사용되어 냉간 가공되는 스테인레스 강관이나 니켈크롬철 합금관을 비롯한 금속관의 제조에 매우 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (4)

1. 가열대를 갖는 가열실에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구로부터 연속적으로 금속관을 축방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구로부터 반출하는 연속 열처리로로서, 가열실 입구측에 예열대를 구비한 전실을 가지고, 전실 입구측 및 출구측에 시일 커텐을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로.
2. 청구항 1에 있어서,

   가열실 출구측에 후실을 가지고, 후실 입구측에 시일 커텐을 갖는 것을 특징으로 하는 연속 열처리로.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 연속 열처리로에서 제조한 금속관.
4. 가열대를 갖는 가열실에 분위기 가스를 도입하고, 노 입구로부터 연속적으로 금속관을 축방향을 따라 삽입하여 열처리를 실시한 금속관을 노 출구로부터 반출하는 열처리 방법으로서, 가열실 입구측에 예열대를 구비한 전실의 내압이, 노 외압 이상에서 가열실의 압력 이하가 되도록 설정하고, 전실에서 금속관의 내외 표면에 잔류한 부착물을 기화할 수 있는 온도까지 금속관을 가열하여, 열처리하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.

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