KR20110012906A - 티타늄 경판의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 티타늄 경판의 제작 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예는 티타늄판의 모서리가 성형유도판의 모서리와 이격되며 내측에 적층되도록 티타늄판의 양측면에 성형유도판을 밀착시켜 적층판을 형성하는 적층판 형성 단계와; 적층판이 분리되지 않도록 티타늄판의 양측면에 밀착된 성형유도판의 모서리를 용접으로 결합시키는 적층판 결합 단계와; 용접으로 결합된 적층판을 금형에 올려 놓고 적층판과 금형을 일정 온도까지 가열하는 적층판 가열 단계와; 적층판 가열 단계에 의해서 일정 온도로 가열된 적층판을 프레스로 성형하는 프레스 성형 단계; 및 프레스 성형 단계에서 성형된 적층판의 모서리 용접부를 제거하고 성형유도판과 티타늄판을 분리하는 적층판 분리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면 석유공장, 화학공장, 발전소와 같은 산업 설비의 압력 용기에 사용되는 티타늄 경판의 제작 방법에 있어서, 티타늄의 가소성을 높여 경판을 제작함으로써 고가의 티타늄 자재의 손실율 감소와 제작 공정을 줄이고, 티타늄 경판의 제작 비용 감소와 생산성 향상을 이루게 되는 효과가 있다.

압력 용기, 경판, 티타늄 경판,

Description

티타늄 경판의 제작 방법{Manufacturing Method of Titanium End Plate}

본 발명의 일실시예는 티타늄 경판의 제작 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 석유공장, 화학공장, 발전소와 같은 산업 설비의 압력 용기에 사용되는 티타늄 경판의 제작 방법에 있어서, 티타늄의 가소성을 높여 경판을 제작함으로써 고가의 티타늄 자재의 손실율 감소와 제작 공정을 줄이고, 티타늄 경판의 제작 비용 감소와 생산성 향상을 이루게 되는 티타늄 경판의 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 압력 용기(Pressure Vessel)란 압력을 가진 유체(액체 또는 기체)를 수용하는 모든 용기로서, 보일러도 일종의 압력 용기에 포함이 되며, 석유화학공업에서 액체 또는 기체의 저장, 반응, 분리 등의 목적으로 만들어져 압력에 견딜 수 있도록 제작된 용기를 말한다.

이와 같은 압력 용기는 그 형상에 따라 실린더형 홀더(Cylindrical Holder), 드럼(Drum), 칼럼(Column), 타워(Tower), 및 구형 탱크(Spherical Tank) 등으로 구분된다.

또한, 압력 용기를 제작할 때는 운전 중에 발생할 수 있는 가장 엄한 조건에서의 온도 압력을 기준으로 제작해야만 한다. 보통, 연속하여 장기간 운전하는 용 기에는 정상 운전할 때의 압력과 온도가 기준으로 되나, 그 압력 및 온도에서 다소의 변동이 있는 것을 제작시 반영할 필요는 없다.

이 때문에 압력 용기의 제작시 기준이 되는 압력 및 온도는 프로세스에서 요구되는 최고의 운전압력 및 온도의 변동을 고려하여 약간의 여유를 두고 결정해야만 하며, 압력 용기의 양단부에 결합되는 경판은 이러한 압력 등을 견딜 수 있게 제작되어야 한다.

한편, 압력 용기의 제작시 사용되는 모재는 압력 용기의 강도 계산의 기준이 되는 인장 강도, 비중, 비열, 연전도율 및 선팽창계수 등을 고려해야 하며, 굽힘 가공, 경판 가공, 용접성 및 열처리 성능 등을 고려해서 선택해야 한다.

즉, 석유공장, 화학공장, 발전소 등에 사용되는 압력 용기용 모재는 각국의 재료규격의 요구조건에 따라서 화학 성분과 기계적 성질을 만족시키도록 제조되고 있다. 그러나 최근 들어 압력 용기의 제조에 있어서 효율 증대를 위해 조업조건의 고온, 고압화, 플랜트의 대형화 경향이 있으며, 이러한 추세에 따라 사용되는 모재의 후육화와 더불어 더욱 높은 인성과 용접성을 요구하고 있다.

이에 따라 종래의 압력 용기의 제작시 사용되는 모재는 점점 두께가 두꺼워지게 되고 이에 따라 무게가 더욱 무거워져서 제작과 이송, 설치 등의 작업에 어려움이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 압력 용기의 경판 모재로 티타늄을 고려하게 되었는데, 티타늄은 강도와 내식성이 크고 가벼우므로 항공기ㆍ선박을 비롯하여 많은 구조용 재료로 사용되고 있으며, 화학공업에서 내식성 용기 재료로도 사용된다.

특히, 티타늄의 비중은 강철이나 스테인리스강의 약 60%밖에 되지 않기 때문에, 구조물로 이용될 때 요구되는 무게가 여타 금속을 이용했을 경우의 절반밖에 되지 않는다. 또한, 순수티타늄의 강도는 스테인리스강의 강도와 비슷하며, 티타늄합금의 경우는 특수강의 강도보다 더 높아서 강도와, 무게, 내식성 측면에서 압력 용기 제작에 좋은 모재가 된다.

그러나, 이와 같은 티타늄은 탄성 한계가 높고 가소성이 낮아서 압력 용기 특히, 깊게 드로잉되는 경판을 제작하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 티타늄으로 경판을 제작하는 경우 제작상의 어려움으로 불량률이 높아지고, 상당히 고가인 티타늄 자재의 손실율이 높아져서 제작 원가가 높아지며, 작업 공정이 늦어지는 문제점이 많았다.

이에 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 석유공장, 화학공장, 발전소와 같은 산업 설비의 압력 용기에 사용되는 티타늄 경판의 제작 방법에 있어서, 티타늄의 가소성을 높여 경판을 제작함으로써 고가의 티타늄 자재의 손실율 감소와 제작 공정을 줄이고, 티타늄 경판의 제작 비용 감소와 생산성 향상을 이루게 되는 티타늄 경판의 제작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는, 티타늄판의 모서리가 성형유도판의 모서리와 이격되며 내측에 적층되도록 상기 티타늄판의 양측면에 성형유도판을 밀착시켜 적층판을 형성하는 적층판 형성 단계와; 상기 적층판이 분리되지 않도록 상기 티타늄판의 양측면에 밀착된 성형유도판의 모서리를 용접으로 결합시키는 적층판 결합 단계와; 용접으로 결합된 상기 적층판을 금형에 올려 놓고 상기 적층판과 금형을 일정 온도까지 가열하는 적층판 가열 단계와; 상기 적층판 가열 단계에 의해서 일정 온도로 가열된 적층판을 프레스로 성형하는 프레스 성형 단계; 및 상기 프레스 성형 단계에서 성형된 적층판의 모서리 용접부를 제거하고 성형유도판과 티타늄판을 분리하는 적층판 분리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면 석유공장, 화학공장, 발전소와 같은 산업 설비의 압력 용기에 사용되는 티타늄 경판의 제작 방법에 있어서, 티타늄의 가소성을 높여 경판을 제작함으로써 고가의 티타늄 자재의 손실율 감소와 제작 공정을 줄이고, 티타늄 경판의 제작 비용 감소와 생산성 향상을 이 루게 되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제작 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제작 방법의 적층판 결합 단계와, 프레스 성형 단계, 적층판 분리 단계, 및 기계 가공 단계를 나타내는 개략도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제 작 방법은, 티타늄판(220)의 모서리가 성형유도판(210)의 모서리와 이격되며 내측에 적층되도록 상기 티타늄판(220)의 양측면에 성형유도판(210)을 밀착시켜 적층판(200)을 형성하는 적층판 형성 단계(S110)와; 상기 적층판(200)이 분리되지 않도록 상기 티타늄판(220)의 양측면에 밀착된 성형유도판(210)의 모서리를 용접으로 결합시키는 적층판 결합 단계(S120)와; 용접으로 결합된 상기 적층판(200)을 금형(250)에 올려 놓고 상기 적층판(200)과 금형(250)을 일정 온도까지 가열하는 적층판 가열 단계(S130)와; 상기 적층판 가열 단계(S130)에 의해서 일정 온도로 가열된 적층판(200)을 프레스(240)로 성형하는 프레스 성형 단계(S140); 및 상기 프레스 성형 단계(S140)에서 성형된 적층판(200)의 모서리 용접부(230)를 제거하고 성형유도판(210)과 티타늄판(220)을 분리하는 적층판 분리 단계(S150);를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 적층판 분리 단계(S150)는, 상기 성형유도판(210)과 분리된 티타늄판(220)을 다시 일정 온도로 가열하는 티타늄판 가열 단계; 및 상기 티타늄판 가열 단계에서 일정 온도로 가열된 티타늄판(220)의 너클 부위(270)를 정밀한 형상으로 마무리 형성하는 기계 가공 단계;를 포함할 수 있다.

티타늄은 탄소강이나 스테인리스강, 고장력강 등에 비해 비중이 60% 정도이면서도 고강도와, 고융해점, 내식성 등을 구비하고 있어서 산업 설비에 많이 이용되고 있으나, 압력용기, 반응기, 열교환기 등에 이용되는 보울(Bowl) 형상의 경판을 제작하기에는 탄성이 높고 가소성이 낮아서 어려움이 많았다.

본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제작 방법은, 일반적인 경판 제작 방법과 달리 티타늄판(220)을 직접 프레스(240)로 성형하여 경판을 제작하지 않고 티타늄판(220)의 양측면에 스테인리스강을 성형유도판(210)으로 적층하여 이 적층판(200)을 일정 온도로 가열하여 일체로 프레싱 성형하는 제작 방법의 특징이 있다.

먼저, 경판으로 제작할 티타늄판(220)의 가소성을 높여 성형성을 높이는 성형유도판(210)의 크기보다 작게 절단하고, 티타늄판(220)의 모서리가 성형유도판(210)의 모서리와 이격되며 내측에 적층되도록, 티타늄판(220)의 양측면에 성형유도판(210)을 밀착시켜 3겹의 적층판(200)을 형성하는 적층판 형성 단계(S110)를 거친다.

성형유도판(210)은 티타늄판(220)에 비해 가소성이 높은 재질로 되어 있는데, 후술할 가열 과정이나 기체, 수분 등의 작업 환경에 의해 변식되는 것을 방지하고, 대략 15 ~ 20 mm 두께의 티타늄판(220)과 함께 적층된 상태에서 성형 작업의 용이성과, 가격 및 재활용 등의 차원에서 가장 좋은 5 ~ 7 mm 두께의 스테인리스강으로 형성한다.

한편, 티타늄판(220)과 성형유도판(210)이 서로 맞닿는 면 즉, 티타늄판(220)의 양측면과 성형유도판(210)의 내측면은 불순물을 제거하고 버프(Buff) 연마작업을 수행한다.

적층판 결합 단계(S120)는, 프레스(240)로 프레싱 성형시 적층판(200)이 분리되지 않고 원하는 성형이 이루어지도록 티타늄판(220)의 양측면에 밀착된 성형유도판(210)의 모서리를 용접으로 결합하는 단계이다.

성형유도판(210)을 용접으로 결합한 후에는 적층판 가열 단계(S130)를 거치게 되는데, 용접으로 결합된 적층판(200)을 보울 형상의 틀이 형성된 금형(250)에 올려 놓고 적층판(200)과 금형(250)을 일정 온도까지 가열하게 된다.

티타늄판(220)은 경판으로 성형 후에 반응기나 압력 용기 등과 같은 가혹한 조건에서 사용되어야 하므로 항복강도나 열팽창계수, 내식성과 같은 물성 변화가 없으면서 연성과 가소성을 높일 수 있도록 적층판(200)과 금형(250)을 275 ~ 325 ℃ 로 가열하여 유지하게 한다.

적층판(200)과 금형(250)의 가열은 전기로(電氣爐)와 같은 곳에서 행해지며, 현장에서 토치 등을 이용해서 가열할 수도 있으나 이 경우 적층판(200) 특히, 티타늄판(220)과 토치와의 거리를 400 ~ 500 mm 정도 띄운 상태에서 가열하는 것이 좋다.

이렇게 적층판 가열 단계(S130)에 의해서 275 ~ 325 ℃의 일정 온도로 가열된 적층판(200)은 프레스(240)로 프레싱하여 보울 형상의 경판으로 성형되는 프레스 성형 단계(S140)를 거치는데, 이때 금형(250)의 틀과 맞닿는 방향의 성형유도판(210)은 인장력을 받게 되고 반대 방향 즉, 프레스(240)와 맞닿는 방향의 성형유도판(210)은 압축력을 받게 된다.

따라서, 프레스(240)가 적층판(200)을 완전히 금형(250)의 틀에 프레싱하게 되면 적층판(200)의 모서리 용접부(230)가 일부 파손되면서 성형유도판(210)도 일부 분리되게 된다.

이후 적층판 분리 단계(S150)에서는 프레스 성형 단계(S140)에서 성형된 적 층판(200)의 모서리 용접부(230)를 그라인더와 같은 기계로 완전히 제거하고 성형유도판(210)과 티타늄판(220)을 분리하여 원하는 티타늄 경판을 얻을 수 있게 된다.

또한, 다양한 티타늄 경판의 설계 형상에 따라서 특히, 곡률 변화가 심한 너클(Knuckle) 부위와 같은 부위는 한번의 프레싱으로는 원하는 성형 형상을 얻기 어려운 바, 적층판 분리 단계(S150)는 상기 성형유도판(210)과 분리된 티타늄판(220)을 다시 일정 온도로 가열하는 티타늄판 가열 단계; 및 상기 티타늄판 가열 단계에서 일정 온도로 가열된 티타늄판(220)의 너클 부위(270)에 공구(260)를 이용하여 정밀한 형상으로 마무리 형성하는 기계 가공 단계;를 포함할 수 있다.

여기서 티타늄판 가열 단계는 적층판 가열 단계(S130)와 같이 티타늄판(220)을 275 ~ 325 ℃로 가열하여 유지하게 되고, 티타늄판(220)의 너클 부위(270)를 기계로 가공하여 원하는 형상을 얻게 된다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면 석유공장, 화학공장, 발전소와 같은 산업 설비의 압력 용기에 사용되는 티타늄 경판의 제작 방법에 있어서, 티타늄의 가소성을 높여 경판을 제작함으로써 고가의 티타늄 자재의 손실율 감소와 제작 공정을 줄이고, 티타늄 경판의 제작 비용 감소와 생산성 향상을 이루게 되는 효과가 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제작 방법을 나타내는 순서도,

도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 일실시예에 의한 티타늄 경판의 제작 방법의 적층판 결합 단계와, 프레스 성형 단계, 적층판 분리 단계, 및 기계 가공 단계를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200: 적층판 210: 성형유도판

220: 티타늄판 230: 용접부

240: 프레스 250: 금형

260: 공구 270: 너클 부위

Claims (5)

1. 티타늄판의 모서리가 성형유도판의 모서리와 이격되며 내측에 적층되도록 상기 티타늄판의 양측면에 성형유도판을 밀착시켜 적층판을 형성하는 적층판 형성 단계;

   상기 적층판이 분리되지 않도록 상기 티타늄판의 양측면에 밀착된 성형유도판의 모서리를 용접으로 결합시키는 적층판 결합 단계;

   용접으로 결합된 상기 적층판을 금형에 올려 놓고 상기 적층판과 금형을 일정 온도까지 가열하는 적층판 가열 단계;

   상기 적층판 가열 단계에 의해서 일정 온도로 가열된 적층판을 프레스로 성형하는 프레스 성형 단계; 및

   상기 프레스 성형 단계에서 성형된 적층판의 모서리 용접부를 제거하고 성형유도판과 티타늄판을 분리하는 적층판 분리 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 적층판 분리 단계는,

   상기 성형유도판과 분리된 티타늄판을 다시 일정 온도로 가열하는 티타늄판 가열 단계; 및

   상기 티타늄판 가열 단계에서 일정 온도로 가열된 티타늄판의 너클 부위를 정밀한 형상으로 마무리 형성하는 기계 가공 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 적층판 가열 단계는 상기 적층판과 금형을 275 ~ 325 ℃ 로 가열하여 유지하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 티타늄판 가열 단계는 상기 티타늄판을 275 ~ 325 ℃ 로 가열하여 유지하는 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 성형유도판은 두께가 5 ~ 7 mm 인 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 티타늄 경판의 제작 방법.

Images