KR20100062487A - 에치아이피 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템 - Google Patents

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Abstract

노즐용 소재를 전처리하는 장치를 다시 사용할 수 있도록 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템을 제공한다. 그 시스템은 인코넬 분말의 내부에 포함된 불순물을 제거하는 탈가스 장치와, 탈가스된 인코넬 분말을 노즐용 소재를 전처리하는 장치에 공급하는 분말공급장치 및 노즐용 소재를 전처리하는 전처리 장치를 포함한다. 이때, 노즐용 소재를 전처리 장치는 인코넬 분말이 장입되도록 SKD 61 공구강에 설치된 복수개 노즐 캔에 설치된 진공용 튜브와, 노즐 캔의 내부를 진공처리하기 위한 진공펌프 및 진공펌프의 진공을 전달하기 위한 진공관과 진공용 튜브를 연결하여 고정시키는 클램프를 포함한다.
노즐, HIP, 인코넬, SKD 61, 클램프

Description

에치아이피 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템{System of manufacturing of material of nozzle for HIP}
본 발명은 HIP 공법을 위한 노즐용 소재, 특히 연료분사 노즐용 소재의 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박 엔진과 같은 대형 디젤엔진에 사용되는 연료분사 노즐을 HIP 공법을 이용하여 강도가 상이한 인코넬(INCONEL) 분말과 SKD 61 공구강을 소결하여 접합하기 위한 노즐용 소재의 제조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 엔진과 같은 대형 디젤엔진의 연료분사 노즐은 노즐 본체와 노즐 헤드를 포함한다. 노즐 헤드에는 복수개의 노즐 구멍이 있으며, 이들 구멍에 의해 연료가 연소 챔버 내로 분사된다. 분사공정을 시작하거나 종료시키기 위하여 연료분사 노즐에 노즐 구멍으로 통하는 통로를 개폐시키도록 밸브 시트와 함께 작동되는 이동할 수 있는 노즐 니들(needle)이 연료분사 노즐에 장착된다.
노즐은 실린더의 연소 챔버 내부로 돌출되어 연료분사 노즐이 작동하는 과정에서 고열, 기계적 및 화학적 부하를 지속적으로 받아 마모되기 쉽다. 기계적 부하는 1000바(bar) 이상으로 높은 분사 압력에 의한 것이고, 열 부하는 연소 챔버 내 의 고온 및 연소 온도와 새로 공급되는 소기(scavenging air) 온도 사이의 차이로 인하여 발생하는 것이고, 화학적 부하는 주로 고온, 부식 또는 열부식에 의한 것이다. 이에 따라, 노즐은 통상적으로 SKD 61 공구강에 인코넬 분말을 소결에 의해 접합하여 사용한다.
그런데, 노즐을 제조하기 위하여 HIP 공법을 적용하기 전에는 인코넬 분말 내부의 습기, 가스 등을 제거하는 전처리 과정을 거친다. 이러한 전처리 과정은 노즐 캔(can)에 공구강과 인코넬 분말을 넣고 전처리 장치 전체를 고온, 예컨대 500℃로 가열한다. 이렇게 되면, 전처리 과정을 거친 후에, 노즐 캔을 제외한 나머지 부분은 버리게 되어, 이를 다시 사용할 수 없게 된다. 이에 따라 전처리하는 장치를 재사용할 수 없기 때문에, 노즐을 제조하는 비용이 증가하게 된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 노즐용 소재를 전처리하는 장치를 다시 사용할 수 있도록 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 노즐용 소재의 제조 시스템에 의하면, 인코넬 분말의 내부에 포함된 불순물을 제거하는 탈가스 장치와, 상기 탈가스된 인코넬 분말을 노즐용 소재를 전처리하는 장치에 공급하는 분말공급장치 및 상기 노즐용 소재를 전처리하는 전처리 장치를 포함한다. 이때, 상기 노즐용 소재 를 전처리 장치는 상기 인코넬 분말이 장입되도록 SKD 61 공구강에 설치된 복수개 노즐 캔에 설치된 진공용 튜브와, 상기 노즐 캔의 내부를 진공처리하기 위한 진공펌프 및 상기 진공펌프의 진공을 전달하기 위한 진공관과 상기 진공용 튜브를 연결하여 고정시키는 클램프를 포함한다.
본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 진공용 튜브의 직경과 형태는 상기 인코넬 분말이 상기 진공펌프 방향으로 흘러들어 가지 않을 정도인 것이 바람직하며, 상기 진공용 튜브는 상기 인코넬 분말을 장입하는 데 어려움이 없을 정도로 굴곡지게 하거나, 상기 진공용 튜브의 길이 방향으로 직경을 달리할 수도 있거나, 상기 굴곡과 직경을 조합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 전처리 장치는 상기 노즐 캔을 밀봉하기 위한 장치를 더 포함하고, 상기 밀봉에 의해 상기 진공용 튜브가 분리될 수 있으며, 상기 분리된 진공용 튜브에서 상기 클램프에 연결된 부분이 제거될 수 있다.
본 발명의 노즐용 소재의 제조장치에 의하면, 대부분의 제조장치를 재사용할 수 있고 한번에 제조할 수 있는 노즐 캔의 수량을 수백 개까지 가능하므로 노즐을 제조하는 생산효율과 비용을 경감할 수 있고, 종래와는 달리 소재 장착부를 항상 재사용할 수 있으므로 노즐을 제조하는 시간도 경감할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발 명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 HIP 공법을 위한 노즐용 소재를 제조하는 장치를 나타낸 사시도이다. 여기서, HIP 공법을 이용하여 공구강에 인코넬을 소결하여 접합하기 전 단계의 전처리 과정을 진행하는 장치(이하, 전처리 장치이라 함)에 관한 것이다. 이때, 노즐용 소재는 인코넬 합금을 공구강에 소결하여 접합하기 전의 상태를 말한다.
도 1을 참조하면, 전처리 장치는 노즐용 소재가 장착되는 소재 장착부(150)와 소재 장착부(150)에 장입된 인코넬 분말(도 2a의 170)에 함유된 불순물을 제거하기 위한 진공펌프(100)를 포함하여 구성된다. 진공펌프(100)는 노즐 캔(158) 내부를 진공상태로 하기 위하여 10-3 ~ 10-6 torr의 진공도를 유지시킨다. 진공펌프(100)에서 발생하는 진공은 주진공관(152)에서 분기된 복수개의 부진공관(154)을 통하여 복수개의 노즐 캔(158)에 전달된다.
소재 장착부(150)는 SKD 61 공구강(162)에 접합된 노즐 캔(158)과, 노즐 캔(158)과 진공펌프(100)를 연결하는 부진공관(154)이 고정되는 클램프(156)를 포함한다. 소재 장착부(150)에 설치된 노즐 캔(158)은 설계에 따라 그 수를 정할 수 있다. 구체적으로, 진공펌프(100)에서 가해지는 진공도에 맞추어 한번에 처리될 수 있는 노즐 캔(158)의 수를 결정할 수 있다. 또한, 노즐 캔(158)의 크기와 진공펌 프(100)의 용량을 비교하여 적절하게 노즐 캔(158)의 수를 정할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 노즐 캔의 내부를 진공화하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a에 의하면, 연료 분사노즐의 외형대로 가공한 SKD 61 공구강(162)에 도시된 바와 같이 하측은 개방되게 형성하되, SKD 61 공구강(162)의 일부가 내재되어 조립될 수 있는 크기인 노즐 캔 몸체(160)가 SKD 61 공구강(162)에 위치한다. 몸체(160)의 상측은 몸체(160)의 내부를 밀봉하도록 용접하여 일체로 되어 있고, 중심부는 인코넬 분말(170)을 장입하기 위하여 개방되어 클램프(156) 방향으로 연장된 진공용 튜브(159a)를 가진 노즐 캔 덮게(159)가 있다.
본 발명의 인코넬 분말(170)을 노즐 캔(158)에 장입하기 전에, 사전에 분말공급장치(190)에서 탈가스 공정이 거칠 수 있다. 즉, 진공펌프(도시 안됨)를 가동하여 분말공급장치(190) 내부의 진공도가 약 5×10-3에서 약 870℃의 온도로 약 1시간 동안 번아웃(burn out)시킨다. 번아웃에 의하여 분말공급장치(190) 내부에 충진된 인코넬 분말(170)의 내부에 포함된 습기, 가스 등의 불순물이 제거된다. 이를 탈가스 공정이라고 한다. 불순물이 제거된 인코넬 분말(170)은 분말공급장치(190)에 의해 노즐 캔(158)의 내부로 투입된다.
한편, 탈가스 공정과 분말을 장입하는 과정은 연속적으로 진행될 수도 있고, 경우에 따라 불연속적으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 탈가스 공정을 마치면 분말공급장치(190)에 의해 탈가스된 인코넬 분말(170)을 자동적으로 노즐 캔(158)에 공급할 수도 있고, 탈가스 공정을 마친 분말을 소정기간 보관하였다가 분말공급장치(190)를 통하여 노즐 캔(158)에 투입할 수 있다. 여기서, 불연속적이라는 의미는 인코넬 분말(170)을 제조하는 업체에서 탈가스를 하고, 이를 노즐용 소재를 제조하는 업체에서 구매하여 상기 분말을 노즐 캔(158)에 공급하는 것도 포함된다.
노즐 캔(158)의 진공용 튜브(159a)와 부진공관(154)은 클램프(156)에 의해 고정된다. 구체적으로, 탈가스된 인코넬 분말(170)을 분말공급장치(190)에 의해 노즐 캔(158) 내부로 장입한 후에, 부진공관(154)의 단부와 진공용 튜브(159a)의 단부를 일치시킨 다음, 클램프(156)에 의해 조여지면 부진공관(154)과 튜브(159a)는 고정된다. 이에 따라, 노즐 캔(158)의 내부는 진공펌프(100)에 노출된다.
노즐 캔(158)이 진공관(152, 154)을 통하여 진공펌프(100)와 연결되면, 인코넬 분말(170)에 함유된 노즐 캔(158)을 진공처리한다. 이때, 인코넬 분말(170)이 진공펌프(100) 쪽으로 빠져 나오지 않도록 필터(180)를 삽입할 수 있다. 필터(180)는 망 형태 예를 들어, 150~180 메쉬(mesh)를 말아서 형성할 수 있으며, 이를 튜브(159a) 내에 도면과 같이 끼워 넣음으로써 장착된다.
구체적으로, 진공펌프(100)를 가동하여 주진공관(152), 부진공관(154) 그리고 노즐 캔(158)의 내부를 진공화시킨다. 노즐 캔(158) 내부의 진공도가 10-3 ~ 10-6 torr에 도달하게 되면, 인코넬 분말(170)을 포함한 노즐 캔(158) 내부에 진공상태에 놓여진다. 이와 같은 과정은 노즐 캔(158) 진공공정이라고 하고, 이는 HIP 공정을 수행하기 위하여 사전에 노즐 캔(158)의 내부를 진공처리하기 위함이다.
상기 공정은 별도의 탈가스 공정이 요구되지 않으므로 상온의 크린 룸 또는 약 100℃~150℃의 오븐(oven)에서 질소를 퍼징하면서 진행할 수도 있다. 질소를 퍼징하는 이유는 진공공정 중에 노즐 캔(158)에 다른 불순물이 유입되는 것을 미연에 방지하기 위함이다. 경우에 따라, 불순물이 유입될 수 있는 가능성이 적다면 질소를 퍼징하지 않고 진행할 수도 있다.
이때, 진공용 튜브(159a)의 직경과 형태는 상기 진공도에 의해 인코넬 분말(170)이 진공펌프(100) 방향으로 흘러들어 가지 않을 정도이면 충분하다. 이를 위해, 진공용 튜브(159a)의 직경을 인코넬 분말(170)이 빠져나가지 않을 정도로 하거나, 진공용 튜브(159a)의 형태를 도면에 표현하지는 않았으나 인코넬 분말(170)을 장입하는 데 어려움이 없을 정도로 굴곡지게 하거나 진공용 튜브(159a)의 길이 방향으로 직경을 달리할 수도 있고, 굴곡과 서로 다른 직경을 조합하여 사용할 수도 있다. 여기서 진공용 튜브(159a)의 직경은 진공이 유지되는 튜브(159a)의 내부의 직경을 말한다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 노즐 캔의 밀봉공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 진공용 튜브(159a)를 통상적인 유압압착기 등을 이용하여 압착하고, 압착된 튜브(159a)를 TIG 용접기(도시 안됨)를 이용하여 절단함과 동시에 완전하게 밀봉한다. 이를 밀봉공정이라고 한다. 이에 따라 진공용 튜브(159a)는 노즐 캔(158)에 접합된 제1 부분(159b)과 클램프(156)에 고정된 제2 부분(159c)으로 분리된다. 이때, 제1 부분(159b)에 의해 밀봉된 노즐 캔(158) 및 SKD 61 공구강(162)은 이후에 HIP 공정에 투입된다. 클램프(156)에 고정된 제2 부분(159c)은 제거된다.
종래에는 인코넬 분말(170)을 노즐 캔(158)에 장입하고, 고온, 약 500℃의 온도에서 탈가스 공정을 진행하였다. 즉, 본 발명에서와 달리 고온에서 탈가스와 밀봉 공정을 진행함으로써, 탈가스 공정과 밀봉 공정이 끝나면 진공펌프(100)와 노즐 캔(158) 사이에 설치된 것 중에서 제1 부분(159b)을 제외하고 제거된다. 이에 따라, 제거되는 부분에 의해 노즐을 제조하는 비용이 증가하고 1회에 처리할 수 있는 한계량이 정해진다. 따라서 새롭게 탈가스 공정과 밀봉 공정을 수행하려면, 위의 장치를 새로 만들어야 하므로 노즐을 제조하는 시간이 많이 소요되었다.
또한, 종래의 방법은 고온에서 행해지므로 한번에 처리할 수 있는 분말의 양에 한계가 정해져 있고, 1회에 처리하는 시간이 최소한 8시간이므로 전체적으로 처리되는 분말의 양을 비교하면 본 발명의 전처리 장치를 거치면 제조시간을 경감할 수 있다.
이와 달리, 본 발명의 실시예에 의한 전처리 장치는 탈가스 공정과 밀봉 공정이 완료되면, 주진공관(152), 부진공관(154) 및 클램프(156)는 손상되지 않으므로 이를 다시 사용할 수 있다. 이에 따라, 제2 부분(159c)을 제외하고 재사용할 수 있으므로, 노즐을 제조하는 비용을 경감할 수 있고, 종래와는 달리 소재 장착부(150)를 항상 재사용할 수 있으므로 노즐을 제조하는 시간도 경감할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 노즐을 제조하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 이때, 구체적인 제조 시스템의 동작은 도 1 내지 도 2c를 참조하기로 한 다.
도 3을 참조하면, 항온항습된 분말공급장치(190)에 인코넬 분말(170)을 장입하고 진공펌프를 이용하여 인코넬 분말(170)에 포함된 습기, 가스 등의 불순물을 제거한다(S10). 그후, 분말공급장치(190)에 의해 탈가스된 인코넬 분말(170)을 노즐 캔(158)에 연속적 또는 불연속적으로 장입한다(S20). 노즐 캔(158)의 내부를 진공펌프(100)를 이용하여 진공처리하고(S30), 압착에 의해 노즐 캔(158)을 밀봉한다(S40). 밀봉된 노즐 캔(158)을 HIP 공정에 투입하여 인코넬 분말(170)을 SKD 61 공구강(162)에 소결하여 결합시킨다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 HIP 공법을 위한 노즐용 소재를 제조하는 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 의한 노즐 캔의 내부를 진공화하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2b는 본 발명에 의한 노즐 캔의 밀봉공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 노즐을 제조하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100; 진공펌프 150; 소재 장착부
152; 주진공관 154; 부진공관
156; 클램프 158; 노즐 캔
159a; 진공용 튜브 170; 인코넬 분말
180; 필터 190; 분말공급장치

Claims (5)

  1. 인코넬 분말의 내부에 포함된 불순물을 제거하는 탈가스 장치;
    상기 탈가스된 인코넬 분말을 노즐용 소재를 전처리하는 장치에 공급하는 분말공급장치; 및
    상기 노즐용 소재를 전처리하는 전처리 장치를 포함하고,
    상기 노즐용 소재를 전처리 장치는,
    상기 인코넬 분말이 장입되도록 SKD 61 공구강에 설치된 복수개 노즐 캔에 설치된 진공용 튜브;
    상기 노즐 캔의 내부를 진공처리하기 위한 진공펌프; 및
    상기 진공펌프의 진공을 전달하기 위한 진공관과 상기 진공용 튜브를 연결하여 고정시키는 클램프를 포함하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진공용 튜브 내부에는 상기 인코넬 분말이 상기 진공펌프 방향으로 흘러들어 가지 않도록 망 형태의 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 진공용 튜브는 상기 인코넬 분말을 장입하는 데 어려움이 없을 정도로 굴곡지게 하거나, 상기 진공용 튜브의 길이 방향으로 직경을 달리할 수도 있거나, 상기 굴곡과 직경을 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전처리 장치는 상기 노즐 캔을 밀봉하기 위한 장치를 더 포함하고, 상기 밀봉에 의해 상기 진공용 튜브가 분리되는 것을 특징으로 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분리된 진공용 튜브에서 상기 클램프에 연결된 부분이 제거되는 것을 특징으로 하는 HIP 공법을 위한 노즐용 소재의 제조 시스템.
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