KR20180133506A - 튜브 및 튜브 제조 방법 - Google Patents
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- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
Abstract
종방향 축선 (C) 을 따라 연장되는 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (FeCrAl; 1) 로서, 튜브는 고온 FeCrAl 합금의 연속 스트립 (3) 으로 형성되고 나선형 용접 시임 (2) 을 포함한다. 고온 FeCrAl 합금 튜브는, 튜브 성형 스테이션 (4) 을 향해 고온 FeCrAl 합금의 연속 스트립을 공급하고, 스트립의 긴 에지들 (6, 7) 이 서로 인접하고 종방향 축선에 평행한 방향으로 전진하는 회전 튜브 (1) 가 형성되도록 스트립을 나선형으로 권취하고, 튜브를 형성할 때 바로 용접 프로세스에서 상기 인접한 긴 에지들을 함께 연속적으로 접합하여서, 나선형 용접 시임을 포함하는 용접된 튜브를 수득함으로써 제조된다.
Description
본 개시는 청구항 1 의 전제부에 따른 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 및 독립 방법 청구항의 전제부에 따른 이러한 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 그러나 비배타적으로, 본 개시는 가열 용도들 및/또는 가열 기기들, 예로 방사 튜브, 머플 튜브, 열전대 보호 튜브, 레토르트 튜브, 퍼니스 튜브 등에서 사용하기 위한 상기 튜브에 관한 것이다.
가스 가열되거나 전기 가열된 퍼니스들과 같은 가열 용도들 및 가열 기기들에서, 높은 온도 저항성, 높은 내식성 및 양호한 열 충격 특성들을 가지는 재료로 된 튜브들을 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 튜브들은 예컨대 세라믹 튜브들, 탄화 규소 튜브들 및 니켈-크롬 (NiCr) 합금-기반 튜브들을 포함한다. 1100 ℃ 를 초과하는 작업 온도로 산화 환경에서, 철-크롬-알루미늄 (FeCrAl) 합금들로 만들어진 튜브들은, 크로미아 (chromia) 형성 합금들과 같은, 대부분의 다른 재료들의 것들을 훨씬 초과하는 산화 수명 및 최대 작업 온도를 포함해, 다른 튜브 재료들에 비해 여러 가지 장점들을 제공한다. 이것은 대부분 부식과 대기의 공격에 대해 FeCrAl 재료를 보호하는 조밀한 접착성 알루미나 필름을 형성할 수 있는 능력 때문이다. 이러한 FeCrAl 합금들의 예로는 상표들 Kanthal® APM 및 Kanthal® APMT 및 Kanthal® AF 로 시판되는 상업적으로 이용 가능한 합금들이다.
FeCrAl 합금 튜브들은 압출에 의해 시임이 없는 튜브들로서 제조될 수 있고, 이와 같이, 특히 침탄 조건들 하에, 대부분의 다른 금속성 고온 튜브 대안예들과 비교해 우수한 성능 및 사용 수명을 제공한다. 하지만, 이러한 시임이 없는 튜브들의 제조 프로세스는 비교적 많은 비용이 들고 복잡하며 결과적으로 얻은 시임이 없는 튜브들은 따라서 현장에서 사용되는 다른 튜브들에 비해 고가이다. 부가적으로, 얼마나 큰 (직경) 튜브가 제조될 수 있는지 그리고 또한 벽 두께가 얼마나 얇을 수 있는지에 관해서는 제조 프로세스에 한계들이 있다.
전술한 문제점들을 고려하여, 제조하는데 더 적은 비용이 들고 더 용이하고 또한 큰 직경 및/또는 얇은 벽 두께를 가질 수도 있지만, 내산화성 및 내식성 면에서 여전히 우수한 특성들을 가지고, 그리하여 긴 사용 수명을 달성할 고온 FeCrAl 합금 튜브를 제공하는 것이 바람직하다.
이것은, 튜브가 철-크롬-알루미늄 합금의 연속 스트립으로 형성되고 튜브가 나선형 용접 시임을 포함하는 것을 특징으로 하는, 처음에 규정된 고온 철-크롬-알루미늄 (FeCrAl) 합금 튜브에 의해 달성된다. 따라서, 수득된 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브는 유사한 재료로 제조된 대응하는 시임이 없는 튜브의 것들과 매우 유사한 내산화성 및 내식성을 가질 것이다. 더욱이, 제안된 튜브는 압출 대신에 고온 FeCrAl 재료의 연속 스트립으로부터 스파이럴 용접에 의해 제조될 수 있으므로, 튜브는 제조하는데 더 적은 비용이 들고 더 용이하고 또한 큰 직경 및/또는 더 얇은 벽 두께를 가질 수도 있다. 제안된 튜브에 의해, 경쟁력있는 가격으로 우수한 내산화성 및 내식성이 그리하여 달성될 수 있다. 본 개시에 따르면, 용어 "고온" 은 300 ℃ 초과, 예로 400 ℃ 초과, 예로 500 ℃ 초과 온도를 의미한다.
제안된 용접된 고온 FeCrAl 합금 튜브는 가열 용도에 사용하기에, 예컨대 가열 와이어 형태의 가열 요소를 갖는 전기 가열 기기에서 방사 튜브로서, 머플 튜브, 열전대 보호 튜브, 레토르트 튜브, 퍼니스 튜브 등으로서 사용하기에 적합하다.
일 실시형태에 따르면, 고온 FeCrAl 합금 튜브는 종방향 축선을 따라 일정한 내부 직경 또는 거의 일정한 내부 직경 (d) 을 갖는다. 용어 "거의 일정한 직경" 은, 고온 FeCrAl 합금 튜브의 내부 직경이 고온 FeCrAl 튜브의 일 단부에서 타 단부까지 10% 미만 다른 것을 의미한다.
일 실시형태에 따르면, 튜브는 고온 FeCrAl 합금 튜브의 내부 직경의 0.5 ~ 7.5% 의 벽 두께를 갖는다. 따라서, 벽 두께는, 통상적으로 튜브의 내부 직경의 대략 5% 인 대응하는 압출된 고온 FeCrAl 합금 튜브의 벽 두께보다 얇거나 동일할 수도 있다. 고온 FeCrAl 합금 튜브는 그리하여 압출된 시임이 없는 튜브를 대체하기 위해서 사용되어 유사한 결과들을 달성할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 고온 FeCrAl 합금 튜브는 튜브의 내부 직경의 0.5 ~ 4.5% 의 벽 두께를 갖는다. 이 두께는 압출된 튜브의 벽 두께보다 더 얇다. 비교적 얇은 튜브 벽들은 더 두꺼운 튜브 벽들과 비교해 더 적은 열 에너지를 바인딩하여서 튜브의 더 빠른 가열과 더 적은 열 손실을 가능하게 할 것이다. 따라서, 이런 얇은 벽 두께는 가열 용도에 유리하다. 예로 전기 카트리지 가열 요소들과 같은 가열 용도에 사용되는 방사 튜브들에 대해 일반적인 치수인, 대략 100 ㎜ 의 내부 직경을 갖는 튜브에 대해, 예컨대 2 ㎜ 의 벽 두께가 달성될 수 있다. 일 실시형태에서, 튜브는 튜브의 내부 직경의 0.5 ~ 3.5% 의 벽 두께를 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 나선형 용접 시임은 튜브의 종방향 축선에 대해 1 ~ 89° 의 헬릭스 각도로 연장된다. 일반적으로, 헬릭스 각도 증가는, 튜브를 제조하는데 사용된 스트립의 동일한 폭에 대해 고온 FeCrAl 합금 튜브의 더 큰 직경이 달성될 수 있다는 점을 의미한다.
일 실시형태에 따르면, 나선형 용접 시임은 고온 FeCrAl 합금 튜브의 종방향 축선에 대해 25 ~ 75° 의 헬릭스 각도로 연장된다.
일 실시형태에 따르면, 나선형 용접 시임은 튜브의 종방향 축선에 대해 40 ~ 70° 의 헬릭스 각도로 연장된다. 이것은 160 ㎜ ~ 540 ㎜ 의 폭을 가지는 스트립으로 제조된 70 ㎜ ~ 500 ㎜ 의 직경들을 가지는 튜브들을 위한 전형적인 헬릭스 각도 간격이다. 200 ㎜ 의 폭을 가지는 스트립으로 제조된 튜브들에 대해, 나선형 용접 시임이 간격 47 ~ 54° 내 헬릭스 각도로 연장되는 튜브들은 예컨대 93 ~ 108 ㎜ 범위 내 외부 직경들을 가지고 제조될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
5 ~ 25 중량% Cr,
2.5 ~ 8 중량% Al,
0 ~ 5 중량% Mo 를 포함하고,
잔부는 Fe 와 통상적으로 발생하는 불순물, 및 선택적으로 다른 의도적으로 첨가된 합금 원소들이다.
일 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
9 ~ 25 중량% Cr,
2.5 ~ 8 중량% Al,
0 ~ 5 중량% Mo 를 포함하고,
잔부는 Fe 와 통상적으로 발생하는 불순물, 및 선택적으로 다른 의도적으로 첨가된 합금 원소들이다. 이 합금은 우수한 내산화성 및 내식성을 갖는다.
다른 의도적으로 첨가된 합금 원소들은 Y, Zr, Hf, Ta, Th, Ti, Si, Mn, B, Sc, Ce, La, W, Nb, V, C, N, O, P 및 S 에서 선택될 수도 있고, 이들 중 일부 원소들은 또한 통상적으로 발생하는 불순물의 형태로 존재할 수도 있다. 적합한 합금들의 예로는 상표들 Kanthal® APM 및 Kanthal® APMT 및 Kanthal® AF 로 시판되는 철-크롬-알루미늄 합금이다.
고온 FeCrAl 합금의 성분들은 하기에 상세히 설명될 것이다.
크롬 (Cr)
크롬은 소위 제 3 원소 효과를 통하여, 즉 과도 산화 스테이지 (transient oxidation stage) 에서 산화 크롬의 형성에 의하여 고온 FeCrAl 합금 튜브 상에 Al203 층의 형성을 촉진할 것이다. 크롬은 적어도 9 중량% 의 양으로 합금에 존재할 것이다. 하지만, 너무 많은 양의 Cr 은 튜브에 금속간 상들의 형성을 촉진하여, 따라서 Cr 의 최고 양은 25 중량% 이다. 일 실시형태에 따르면, Cr 의 양은 9 ~ 25 중량% 이다. 추가 실시형태들에 따르면, 용도에 따라, Cr 의 함량은 11 ~ 17 중량% 또는 5 ~ 15 중량% 또는 20.5 ~ 25 중량% 또는 20.5 ~ 24 중량% 이다.
알루미늄 (Al)
알루미늄은 고온에서 산소에 노출될 때, 밑에 있는 합금 표면을 추가 산화로부터 보호하는 조밀하고 얇은 산화물 Al203 을 형성하므로, 알루미늄은 고온 합금에서 중요한 원소이다. Al203 층이 형성되고 충분한 알루미늄이 존재하여 손상시 Al203 층을 회복시키도록 보장하기 위해서 알루미늄의 양은 적어도 2.5 중량% 이어야 한다. 하지만, 알루미늄은 합금의 성형성에 부정적인 영향을 미치고 알루미늄의 양은 상기 또는 하기에 규정된 대로 합금에서 8 중량% 를 초과해서는 안 된다. 따라서, 알루미늄의 함량은 2.5 ~ 8 중량%, 예로 3 ~ 7 중량%, 예로 3 ~ 5 중량%, 예로 4 ~ 6 중량%, 예로 5 ~ 7 중량% 이다.
철 (Fe) 및 불가피한 불순물은 잔부이다. 용어 "불가피한 불순물" 은 의도적으로 첨가되지 않고 합금의 특성들에 어떠한 영향도 미치지 않는 원소들을 의미한다.
고온 FeCrAl 합금은 또한 하기 원소들을 포함할 수도 있다:
몰리브덴 (Mo)
몰리브덴은 최대 4.0 중량%, 예로 1.0 ~ 4.0 중량% 의 양으로 고온 FeCrAl 합금의 고온 강도에 긍정적인 효과들을 갖는다.
규소 (Si)
규소는 불순물로서 존재할 수 있거나 그것은 고온 FeCrAl 합금에 첨가될 수도 있다. 규소가 불순물이라면, 그 양은 0.7 중량% 이하일 수도 있다. 의도적으로 첨가된다면, 그 양은 0.1 ~ 3 중량%, 예로 0.5 ~ 3 중량%, 예로 0 ~ 0.70 중량%, 예로 0.10 - 0.70 중량% 로 되어 있다.
망간 (Mn)
망간은 0 ~ 0.5 중량%, 예로 0 ~ 0.4 중량%, 예로 0.05 ~ 0.50 중량% 의 양으로 고온 FeCrAl 합금에서 존재할 수도 있다.
스칸듐 (Sc), 세륨 (Ce) 및 란타늄 (La)
스칸듐, 세륨 및 란타늄은 교환 가능한 원소들이고 개별적으로 또는 조합하여 최대 0.2 중량% 의 총량으로 첨가되어서 산화 특성들, Al203 층의 자기 회복 (self-healing) 또는 합금과 Al203 층 사이 접착력을 개선할 수도 있다.
산소 (O)
산소는 최대 0.02 중량% 의 양으로 제조 프로세스로부터 유발되는 불순물로서 고온 FeCrAl 합금에 존재할 수도 있다. 산소는 석출 경화 효과를 달성하기 위해서 의도적으로 첨가될 수도 있다. 그러면, 고온 FeCrAl 합금은 최대 0.1 중량% 의 산소를 포함한다.
탄소 (C)
탄소는 석출 경화에 의해 강도를 증가시키도록 고온 FeCrAl 합금에 포함될 수도 있다. 탄소는 또한 제조 프로세스로부터 유발되는 불가피한 불순물로서 존재할 수도 있다. 합금에서 충분한 강도를 달성하도록, 탄소는 적어도 0.01 중량% 의 양으로 존재해야 한다. 너무 높은 레벨에서, 탄소는 재료를 형성하는데 어려움과 내식성에 부정적인 영향을 유발할 수도 있고, 따라서, 탄소의 최대 양은 0.1 중량%, 예로 0.01 ~ 0.8 중량%, 예로 0.01 ~ 0.08 중량% 이다.
질소 (N)
질소는 석출 경화에 의해 강도를 증가시키도록 고온 FeCrAl 합금에 포함될 수도 있다. 질소는 또한 제조 프로세스로부터 유발되는 불가피한 불순물로서 존재할 수도 있다. 너무 높은 레벨에서, 질소는 재료를 형성하는데 어려움을 유발할 수도 있고 내식성에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 따라서, 질소의 최대 양은 상기 또는 하기에 규정된 대로 FeCrAl 합금에서 0.1 중량% 이다. 용융 야금에서 충분한 석출 경화를 달성하도록, 질소는 적어도 0.001 중량% 이어야 하고, 질소의 적합한 범위의 예로는 예를 들어 0.001 ~ 0.1 중량%, 예로 0.01 ~ 0.6 중량% 이다.
반응성 원소들 (RE)
정의에 의하면, 반응성 원소들은 탄소, 질소 및 산소와 고 반응성이다. 티타늄 (Ti), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 바나듐 (V), 하프늄 (Hf), 탄탈륨 (Ta), 이트륨 (Y) 및 토륨 (Th) 은, 탄소에 대한 높은 친화력을 가져서, 강한 탄화물 형성자들이라는 의미에서 반응성 원소들이다. 이 원소들은, 산화물 성장 프로세스의 반응 속도 (kinetics) 를 지배할, 산소 및 금속 이온들의 확산의 균형을 맞춤으로써 고온 FeCrAl 합금의 산화 특성들을 개선하도록 첨가될 수도 있다. 각각의 반응성 원소의 최대 양들은 불리한 금속간 상들을 형성하려는 원소의 경향에 주로 의존할 것이다. 그러므로, 티타늄의 최대 양은 상기 또는 하기에 규정된 대로 합금에서 1.7 중량%, 예로 0.02 ~ 1.7 중량%, 예로 0 ~ 0.10 중량% 이다.
지르코늄 및 니오븀의 최대 양은 0.8 중량% 이다. 지르코늄의 양의 예로는 0 ~ 0.4 중량%, 예로 0.1 ~ 0.3 중량% 이다. 니오븀의 양의 예로는 0 ~ 0.4 중량%, 예로 0.1 ~ 0.3 중량% 일 수 있다.
이트륨은 Al203 층의 부착을 개선하도록 최대 2.2 중량%, 예로 0.01 ~ 0.60 중량%, 예로 0.05 ~ 0.60 중량% 의 양으로 첨가될 수도 있다. 하지만, 이트륨의 첨가는 고온 FeCrAl 합금에 존재하는 다른 탄화물 형성자 원소들의 양과 균형을 맞추어야 한다.
바나듐의 최대 양은 0.1 중량% 이다.
하프늄, 탄탈륨 및 토륨은 교환 가능한 원소들이고 최대 1 중량% 로 첨가될 수도 있다.
그러므로, 일 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
0.1 ~ 0.08 중량% C;
0 ~ 0.7 중량% Si;
0 ~ 0.4 중량% Mn 에서 선택된 하나 이상의 원소들을 부가적으로 포함한다.
또한 일 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
0.05 ~ 0.60 중량% Y;
0.01 ~ 0.40 중량% Zr;
0.05 ~ 0.50 중량% Hf;
0.05 ~ 0.50 중량% Ta;
0 ~ 0.10 중량% Ti;
0.01 ~ 0.05 중량% C;
0.01 ~ 0.06 중량% N;
0.02 ~ 0.10 중량% O;
0.05 ~ 0.50 중량% Mn;
0 ~ 0.8 중량% P;
0 ~ 0.005 중량% S 에서 선택된 하나 이상의 원소들을 부가적으로 포함한다.
다른 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
0.01 ~ 0.1 중량% C;
0.001 ~ 0.1 중량% N;
0.02 ~ 0.10 중량% O;
0 ~ 0.01 중량% B;
0 ~ 0.5 중량% Mn;
0 ~ 2.2 중량% Y;
0 ~ 0.2 중량% Sc+Ce+La;
0 ~ 1.7 중량% Ti;
0 ~ 0.40 중량% Zr;
0 ~ 0.4 중량% Nb;
0 ~ 0.1 중량% V;
0 ~ 0.3 중량% Hf+Ta+Th 에서 선택된 하나 이상의 원소들을 부가적으로 포함한다.
본원에 언급된 고온 FeCrAl 합금들의 예들은 예컨대 WO2001/049441 에 개시된다. 이 실시형태에 따른 튜브들은 고온에서 양호한 형태 안정성을 가질 것이고 합금들은 산화, 유황 (sulphurous) 및 침탄 환경들을 포함한 대부분의 고온 환경들에서 양호한 보호를 제공하는 비스케일링 표면 산화물을 형성할 것이다. 표면 산화물은 또한 탄소, 애쉬 등의 퇴적물들에 대한 우수한 보호를 제공할 것이다. 이 실시형태에 따른 튜브들은 또한 다른 공지된 FeCrAl 합금들과 비교하여 우수한 열 강도 및 크리프 파괴 강도로 인해 예컨대 열 충격, 처짐 및 왜곡에 대한 우수한 내성을 보일 것이다. 특히, 이것은 분말 야금에 의해 제조된 이 실시형태에 따른 FeCrAl 합금들에 해당한다.
하지만, 본원에 언급된 고온 FeCrAl 합금들의 일부는 통상적으로, 즉 분말 야금을 사용하지 않고 제조될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
특히, 그러나 비배타적으로, 본 개시는 가열 용도 및/또는 가열 기기들, 예로 방사 튜브, 머플 튜브, 열전대 보호 튜브, 레토르트 튜브, 퍼니스 튜브 등에 사용하기 위한 상기 고온 FeCrAl 튜브에 관한 것이다.
특히, 그러나 비배타적으로, 본 개시는 수직으로 설치될 직선 튜브에 관한 것이다.
다른 양태에 따르면, 본 개시는 처음에 규정된 바와 같은 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
- 튜브 성형 스테이션을 향해 철-크롬-알루미늄 합금의 연속 스트립을 공급하는 단계,
- 상기 스트립의 긴 에지들이 서로 인접하고 종방향 축선에 평행한 방향으로 전진하는 회전 튜브가 형성되도록 상기 튜브 성형 스테이션에서 상기 스트립을 나선형으로 권취하는 단계,
- 튜브를 형성할 때 바로 용접 프로세스에서 상기 인접한 긴 에지들을 함께 연속적으로 접합하여서, 나선형 용접 시임을 포함하는 용접된 튜브를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
놀랍게도, 본 방법에 따라 제조된 고온 FeCrAl 합금 튜브들은 용접 후 형태 및 길이를 유지한다는 것을 발견하였다. 부가적으로, 고온 FeCrAl 합금 튜브들을 제조한 후, 냉각 중 균열은 보이지 않았다.
본 방법의 일 실시형태에 따르면, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브의 내부 직경 (d) 은 종방향 축선을 따라 일정하거나 거의 일정하다.
고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 둘레에서 헬릭스 각도로 그것의 전체 길이를 따라 연장되는, 맞대기 조인트 용접의 형태인 용접 시임이 형성된다. 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브를 형성 및 용접한 후, 응력들을 제거하는 어닐링이 선택적으로 실시되고 튜브는 그 후 최종 길이로 절단된다. 제조 방법은 비용 효율적이고 특히 튜브가 수직으로 설치될, 즉 그것의 종방향 축선이 수직 방향으로 연장된 용도들을 위한 내식성 및 내산화성과 하중 지지에 대해, 적어도 일부 측면에서 대응하는 압출된 시임이 없는 튜브의 것들과 비슷한 특성들을 갖는 고온 FeCrAl 합금을 제조한다. 고온 FeCrAl 합금 튜브를 제조하기 위한 시재료로서 연속 스트립을 사용하면 매우 다양한 최종 치수의 제조를 가능하게 한다.
전술한 실시형태들 중 어느 하나에 따른 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브는 제안된 제조 방법을 이용해 제조될 수 있다. 상기 방법은 유사한 직경을 갖는 압출된 튜브들과 비교해 더 얇은 벽들을 갖는 튜브들의 형성을 가능하게 한다. 더욱이, 제안된 방법은 또한 압출된 튜브들과 비교해 더 큰 직경을 갖는 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브를 제조할 수 있게 한다.
일 실시형태에 따르면, 용접 프로세스는 융착 용접 프로세스 또는 고상 접합 프로세스에서 선택된다.
융착 용접 프로세스들 및 고상 접합 프로세스들 모두 강하고 신뢰성 있는 용접 시임을 만드는데 적합하다.
용접 프로세스는 형성된 튜브의 반경방향으로 외측에 위치결정된 용접 전극을 사용해 실시될 수도 있다. 용접은 또한 형성된 튜브의 내측에서, 또는 외측과 내측 양자에서 실시될 수도 있다. 형성된 튜브의 외측에서 용접을 실시하는 것은 얇은 벽을 갖는 스트립들에, 즉 대략 5 ㎜ 미만의 벽 두께들에 충분한 깊이의 용접된 조인트를 얻는 용이하고 효율적인 방식이다. 더 두꺼운 벽 두께들에 대해, 튜브의 내측 및 외측 양자로부터 용접은 충분히 강한 용접된 조인트를 얻기 위해서 필요할 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 용접 프로세스는 텅스텐 불활성 가스 용접 프로세스, 금속 불활성 가스 용접 프로세스 (MIG), 레이저 용접 프로세스, 및 플라즈마 아크 용접 프로세스 중 하나로부터 선택된다. 특히, 텅스텐 불활성 가스 용접 (TIG 또는 GTAW) 은 강한, 고 품질의 용접 시임의 형성을 가능하게 한다.
일 실시형태에 따르면, 차폐 가스는 용접 프로세스 중 사용되고, 차폐 가스는 불활성 가스이다. 불활성 가스는 용접 시임을 따라 재료가 알루미늄 질화물들 그리고 또한 산화물들을 형성하는 것을 막는다. 용접 중 형성된 질화물들과 산화물들은 그렇지 않으면 튜브의 내산화성 및 그리하여 또한 고온 용도에 바람직한 특성들을 손상시킬 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 차폐 가스는 Ar (아르곤), He (헬륨), 또는 이들의 혼합물로 구성된다.
일 실시형태에 따르면, 용접 프로세스에서 충전 재료는 사용되지 않는다.
일 실시형태에 따르면, 철-크롬-알루미늄 합금을 포함하는 충전 재료가 용접 프로세스에서 사용된다.
일 실시형태에 따르면, 방법은 튜브를 형성하기 전 연속 스트립을 예열하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 예컨대 100 ℃ 이하까지 예열은 스트립을 튜브로 변형시키는 것을 더 용이하게 하고 특히 더 작은 치수들, 예로 100 ㎜ 미만의 내부 직경들을 갖는 튜브에 적합하다. 예열은 예컨대 퍼니스, 유도 가열 수단, 열선 총 (heat gun), 또는 유사물을 이용해 달성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 방법은 용접 프로세스 후에 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브를 어닐링하는 단계를 추가로 포함한다. 어닐링은 용접된 튜브에서 응력을 제거시켜서 균열 방지에 기여할 수도 있다. 일 실시형태에서, 어닐링은, 튜브가 또한 권취되어 용접되는 튜브 형성 장치에서 인라인으로 수행되는 응력 제거 어닐링이다. 튜브는 850 ~ 875 ℃ 의 온도로 가열된 후 최종 길이로 절단되기 전 냉각되도록 허용된다.
제안된 튜브 및 제조 방법의 다른 유리한 특징들 뿐만 아니라 장점들은 하기 설명에서 나타날 것이다.
제안된 고온 FeCrAl 합금 튜브 및 제조 방법의 실시형태들은 첨부 도면들을 참조하여 하기에 설명될 것이다.
도 1 은 실시형태에 따른 튜브의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 도 1 의 튜브의 측면도를 도시한다.
도 3 은 도 1 의 튜브의 말단도를 도시한다.
도 4 는 도 1 의 튜브를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 실시형태에 따른 튜브 제조 방법의 단계들을 보여주는 흐름도이다.
도 2 는 도 1 의 튜브의 측면도를 도시한다.
도 3 은 도 1 의 튜브의 말단도를 도시한다.
도 4 는 도 1 의 튜브를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 5 는 실시형태에 따른 튜브 제조 방법의 단계들을 보여주는 흐름도이다.
본 개시의 실시형태에 따른 고온 철-크롬-알루미늄 (FeCrAl) 합금 튜브 (1) 가 도 1 내지 도 3 에 개략적으로 도시되어 있다. 튜브 (1) 는 종방향 축선 (C) 을 따라 연장되는 원형 실린더의 형태로 되어 있다. 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 헬릭스 각도 (α) 로 튜브를 따라 그 둘레에 연장되는 나선형 용접 시임 (2) 을 가지고 형성된다. 도시된 실시형태에서, 헬릭스 각도 (α) 는 54° 이다. 도시된 튜브 (1) 는 108 ㎜ 의 외부 직경 (D), 길이 (L) 및 2 ㎜ 의 벽 두께 (t) 를 가져서, 104 ㎜ 의 내부 직경 (d) 을 갖는다. 내부 직경 (d) 은 종방향 축선 (C) 을 따라 일정하다.
도 4 및 도 5 의 흐름도에서 개략적으로 보여주는 바와 같이, 튜브 (1) 는 스파이럴 용접을 이용해 고온 FeCrAl 합금의 연속 스트립 (3) 으로 형성된다. 제 1 단계 (S1) 에서, 폭 (w) 을 갖는 고온 FeCrAl 합금의 연속 스트립 (3) 은 여기에서 3 개의 성형 롤들 (5) 의 형태로 된 튜브 성형 스테이션 (4) 을 향하여 공급 방향 (X) 으로 공급된다. 성형 롤들 (5) 은 스트립 (3) 의 공급 방향 (X) 에 대해 각도를 이루며 회전 축선들을 가지고 배열된다.
스트립 (3) 이 성형 롤들 (5) 사이로 진입했을 때, 그것은 제 2 단계 (S2) 에서 튜브 (1) 로 나선형으로 권취되고, 스트립 (3) 의 긴 에지들 (6, 7) 은 서로 인접해 있다. 회전 튜브는, 그것의 종방향 축선 (C) 에 평행한 방향으로 전진하여 형성된다.
제 3 단계 (S3) 에서, 튜브를 형성할 때 바로 용접 프로세스에서 인접한 긴 에지들 (6, 7) 을 함께 연속적으로 접합하여서, 나선형 용접 시임 (2) 을 포함하는 용접된 튜브 (1) 를 수득한다. 용접 프로세스는 도시된 실시형태에서 형성된 튜브 (1) 의 반경방향으로 외측에 위치결정된 용접 전극 (8) 을 사용해 실시된다. 따라서, 용접 시임 (2) 은 형성된 튜브 (1) 의 내측에 용접 루트를 가지고 생성된다. 용접은 예컨대 텅스텐 불활성 가스 (TIG) 용접, 금속 불활성 가스 용접, 레이저 용접, 또는 플라즈마 아크 용접을 사용해 실시될 수도 있다. 용접 프로세스 동안 차폐 가스로서, Ar 및/또는 He 와 같은 불활성 가스가 사용된다. 또한 Ar 및/또는 He 로 구성된 루트 가스가 용접 중 루트를 보호하는데 사용될 수도 있다.
제 4 단계 (S4) 에서, 튜브 (1) 는 그것의 최종 길이 (L) 로 절단된다.
스트립 (3) 은 튜브 (1) 로 권취되기 전 100 ℃ 이하의 온도까지 예열될 수도 있다. 형성된 튜브 (1) 는 또한 용접 후, 튜브 (1) 를 그것의 최종 길이 (L) 로 절단하기 전 또는 후에 어닐링될 수도 있다. 어닐링 프로세스 동안, 튜브 (1) 는 850 ~ 875 ℃ 의 온도로 가열된 후 냉각되도록 허용된다.
본 개시는 하기 비제한적인 실시예에 의해 추가로 설명된다:
실시예
시험편들의 제조를 위해, 상기 도 1 내지 도 3 을 참조하여 설명한 바와 같은 튜브 (1) 는 200 ㎜ 의 폭 (w) 및 2 ㎜ 의 두께 (t) 를 갖는 스트립으로부터 제조되었다. 스트립의 화학 조성은 표 1 에 나타나 있다.
수행된 용접 프로세스는, 루트 가스 및 차폐 가스 양자로 사용된 70% Ar 및 30% He 의 가스 혼합물을 가지고 충전 재료를 가지지 않는 TIG 프로세스이었다. 용접은 형성된 튜브 (1) 의 외측에서 실시되었다. 용접 중 튜브 (1) 의 내측에서 지지부는 사용되지 않았다. 용접된 고온 FeCrAl 합금 튜브 (1) 는, 절단 전 어닐링하지 않고, 앵글 그라인더를 사용해 3 m 의 최종 길이 (L) 로 절단되었다. 최종 길이의 시험편들 (튜브들) 로 절단하고 용접 시임 (2) 을 냉각한 후, 시험편들 (1) 중 하나는 875 ℃ 로 1 시간 동안 어닐링되었다.
용접 시임 (2) 은, 튜브 (1) 의 내측 뿐만 아니라 외측에서, 용접 후 바로 양호한 외관을 가졌다. 용접 시임 (2) 은 외측에서 오목하였고 내측에서 볼록하였다. 에칭과 연마 후 라이트 광학 현미경을 사용하여 용접 시임 (2) 의 단면들을 육안으로 검사했다. 검사 중 결함은 발견되지 않았다.
경도 HV10 은 용접 시임 (2) 을 가로질러 조사되었고 용접 시임을 가로질러 220 내지 265 HV 사이에 있는 것으로 발견되었고, 용접 시임 옆의 베이스 재료에서 최고 값을 가졌다.
2 개의 다른 시험편들은 1050 ℃ 에서 8 시간 동안 사전 산화되었고 그 후 80 ㎜ 직경의 카트리지 가열 요소들 (200 V 전압에서 26 ㎾) 튜브들 내부에 장착된 상태에서 수직으로 장착된 퍼니스에서 테스트되었다.
시험편들은 하기 스킴 (scheme) 에 따라 일주일 동안 연속 사이클링을 부여받았다:
- 실온에서 950 ℃ 까지 가열;
- 950 ℃ 에서 20 분 유지 시간;
- 600 ℃ 로 냉각;
- 950 ℃ 까지 가열;
- 20 분 유지 시간; 등.
일주일 후, 시험편들은 육안 검사에서 매우 좋아 보였고 테스팅은 더 엄격한 테스팅 사이클로 다른 18 일 동안 계속되었다. 이 테스팅 사이클은 하기 스킴에 따라 실시되었다:
- 실온에서 950 ℃ 까지 가열;
- 950 ℃ 에서 20 분 유지 시간;
- 100 ℃ 로 냉각;
- 950 ℃ 까지 가열; 등.
육안 검사 결과, 시험편들은 매우 좋아 보였다.
게다가, 노출 중, 즉 단순화된 처짐 테스트 중 시험편의 중량이 어떠한 변형을 유발할 수 있는지 연구하기 위해서 다른 시험편을 퍼니스의 바닥에 놓았다. 이 시험편은 18 일 노출 중 왜곡되는 경향을 보이지 않았다.
Claims (26)
- 종방향 축선 (C) 을 따라 연장되는 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 로서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 철-크롬-알루미늄 합금의 연속 스트립 (3) 으로 형성되고 상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 나선형 용접 시임 (2) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 종방향 축선 (C) 을 따라 거의 일정한 내부 직경 (d) 또는 일정한 내부 직경 (d) 을 가지는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 의 내부 직경 (d) 의 0.5 ~ 7.5% 의 벽 두께 (t) 를 가지는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 3 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 는 상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 의 내부 직경 (d) 의 0.5 ~ 4.5% 의 벽 두께 (t) 를 가지는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나선형 용접 시임 (2) 은 상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 의 종방향 축선 (C) 에 대해 1 ~ 89° 의 헬릭스 각도 (α) 로 연장되는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 5 항에 있어서,
상기 나선형 용접 시임 (2) 은 상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 의 종방향 축선 (C) 에 대해 40 ~ 70° 의 헬릭스 각도 (α) 로 연장되는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
5 ~ 25 중량% Cr;
2.5 ~ 8 중량% Al;
0 ~ 5 중량% Mo 를 포함하고,
잔부는 Fe 와 통상적으로 발생하는 불순물, 및 선택적으로 다른 의도적으로 첨가된 합금 원소들인, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
9 ~ 25 중량% Cr;
2.5 ~ 8 중량% Al;
0 ~ 5 중량% Mo 를 포함하고;
잔부는 Fe 와 통상적으로 발생하는 불순물, 및 선택적으로 다른 의도적으로 첨가된 합금 원소들인, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Cr 의 함량은 11 ~ 17 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철-크롬-알루미늄 합금 중 Cr 의 함량은 5 ~ 15 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철-크롬-알루미늄 합금 중 Cr 의 함량은 20.5 ~ 25 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Al 의 함량은 3 초과~ 7 중량% 인, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 12 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Al 의 함량은 4 ~ 6 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 12 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Al 의 함량은 5 ~ 7 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Mo 의 함량은 1 ~ 4 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 10 항, 제 12 항 및 제 13 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금 중 Si 의 함량은 0.1 ~ 3 중량%, 예로 0.5 ~ 3 중량%, 예로 0.10 ~ 0.70 중량% 로 되어 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 철-크롬-알루미늄 합금은:
0.05 ~ 0.60 중량% Y;
0.01 ~ 0.40 중량% Zr;
0.05 ~ 0.50 중량% Hf;
0.05 ~ 0.50 중량% Ta;
0 ~ 0.10 중량% Ti;
0.01 ~ 0.05 중량% C;
0.01 ~ 0.06 중량% N;
0.02 ~ 0.10 중량% O;
0.05 ~ 0.50 중량% Mn;
0 ~ 0.08 중량% P;
0 ~ 0.005 중량% S 에서 선택된 하나 이상의 원소들을 포함하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 철-크롬-알루미늄 합금은:
0.01 ~ 0.1 중량% C;
0.001 ~ 0.1 중량% N;
0.02 ~ 0.10 중량% O;
0 ~ 0.01 중량% B;
0 ~ 0.5 중량% Mn;
0 ~ 2.2 중량% Y;
0 ~ 0.2 중량% Sc+Ce+La;
0 ~ 1.7 중량% Ti;
0 ~ 0.4 중량% Zr:
0 ~ 0.4 중량% Nb:
0 ~ 0.1 중량% V:
0 ~ 0.3 중량% Hf+Ta+Th 에서 선택된 하나 이상의 원소들을 포함하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브. - 종방향 축선 (C) 을 따라 연장되는 거의 일정한 또는 거의 일정한 내부 직경을 가지는 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법으로서,
상기 방법은:
- 튜브 성형 스테이션 (4) 을 향해 고온 철-크롬-알루미늄 합금의 연속 스트립 (3) 을 공급하는 단계,
- 상기 스트립 (3) 의 긴 에지들 (6, 7) 이 서로 인접하고 종방향 축선 (C) 에 평행한 방향으로 전진하는 회전 튜브 (1) 가 형성되도록 상기 튜브 성형 스테이션 (4) 에서 상기 스트립 (3) 을 나선형으로 권취하는 단계,
- 고온 FeCrAl 합금 튜브 (1) 를 형성할 때 바로 용접 프로세스에서 인접한 상기 긴 에지들 (6, 7) 을 함께 연속적으로 접합하여서, 나선형 용접 시임 (2) 을 포함하는 용접된 고온 FeCrAl 합금 튜브 (1) 를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 용접 프로세스는 융착 용접 프로세스 또는 고상 접합 프로세스에서 선택되는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 용접 프로세스는 텅스텐 불활성 가스 용접 프로세스, 금속 불활성 가스 용접 프로세스, 레이저 용접 프로세스, 및 플라즈마 아크 용접 프로세스 중 하나로 선택되는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 프로세스 중 차폐 가스가 사용되고, 상기 차폐 가스는 불활성 가스인, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 차폐 가스는 아르곤, 헬륨, 또는 이들의 혼합물로 구성되는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 FeCrAl 합금 튜브 (1) 를 형성하기 전 상기 스트립 (3) 을 예열하는 단계를 더 포함하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 프로세스 후에 상기 고온 FeCrAl 합금 튜브 (1) 를 어닐링하는 단계를 더 포함하는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브 (1) 를 제조하는 방법. - 가열 와이어 형태의 가열 요소를 가지는 전기 가열 기기에서 방사 튜브로서, 머플 튜브, 열전대 보호 튜브, 레토르트 튜브, 퍼니스 튜브 등으로서, 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브의 용도로서,
특히, 상기 튜브는 이러한 적용예들에서 수직 설치에 적합하고, 수평 설치들에 또한 사용될 수도 있는, 고온 철-크롬-알루미늄 합금 튜브의 용도.
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