KR20200114146A - 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법 - Google Patents

전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 아연, 알루미늄, 구리, 및 마그네슘을 포함하는 전기방식용 희생양극합금을 제조하는 방법, 및 희생양극을 이용하여 지중 또는 수중에 배설되는 철제 구조물의 전기적 부식을 방지하는 전기방식방법에 관한 것이다.
본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법을 제공함으로써, 지상, 지하, 담수, 해수 등의 고저항 분위기에서 사용하는 철제 구조물 또는 배관의 부식작용을 효과적으로 억제할 수 있으며, 기존의 마그네슘 양극, 알루미늄 양극에 비해 더 높은 전해질 비저항 조건에서도 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법 {Preparing method of sacrificial anode alloy for electrolytic protection and electrolytic protection method using sacrificial anode}
본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 아연(Zn), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 전기방식용 희생양극합금을 제조하는 방법 및 희생양극을 이용하여 지중 또는 수중에 매설되는 철제 구조물의 전기적 부식을 방지하는 전기방식방법에 관한 것이다.
철(Fe)은 그 강도가 세고 매장량이 타 금속에 비해 매우 풍부하기 때문에 각종 산업 시설에서 가장 널리 사용되고 있으나, 부식성이 커 사용에 어려움이 있다. 특히, 철은 관의 재료로 많이 사용되는데, 이러한 관은 지중 또는 수중에 매설되어 사용되는 경우가 많아 지중 또는 수중의 수분에 포함되어 있는 산소에 의해 관이 심하게 부식되는 문제가 발생하고 있다. 뿐만 아니라 철은 세균에서 일어나는 대사작용 특히, 탄수화물의 산화과정, 단백질의 분해과정, 유황대사 등의 반응과정에 의해 부식 작용이 수반된다.
따라서 철제 배관의 부식을 방지하기 위하여 지중 및 수중에 설치하는 철제 배관의 경우 별도의 전기방식조치를 해야한다. 전기방식은 금속에 일정한 전위를 주어 부식을 방지하는 것으로, 금속이 부식될 경우 일반적으로는 일종의 전지반응이 일어나 이온화 경향이 큰 부분이 용해되기 때문에 반대로 금속에 마치 부동상태가 되는 전위를 주어 부식을 방지하는 방법이다. 이러한 전기방식방법은 배관의 외면에 방식전류를 유입시켜 양극반응을 저지함으로써 배관의 전기적 부식을 방지하는 것으로, pH 농도 전역에서 철의 산화를 막는 -0.75 ~ -1.50V의 전위를 외부에서 제공하며, 희생양극법, 외부전원법, 배류법 등이 있다.
희생양극법은 지중 또는 수중에 양극금속을 설치하고 부식을 방지하고자 하는 배관과 전선으로 연결하여 양극금속과 음극으로 작용하는 매설배관 사이의 전지작용에 의해 전기적으로 부식을 방지하는 방법이다. 희생양극에 사용되는 양극금속은 철 보다 이온화 경향이 더 큰 종류를 사용하며, 철 대신 부식되고 희생하여 희생양극이라한다.
이에 따라, 대한민국 공개특허 '제10-2005-0086129호'는 희생양극을 임시로 사용하기 위해 연신이 가능한 알루미늄 또는 아연계 금속을 피방식체에 직접 감아 고정시킬 수 있는 선박 부식방지용 임시 희생양극 구조에 관한 내용을 개시하고 있으나, 희생양극의 구성성분 및 구성비가 명확하게 기재되어 있지 않으며, 희생양극에 의한 부식방지 효과에 대한 구체적인 실시예도 기재되어 있지 않다는 문제점이 있다.
(특허 문헌 1) KR 10-2005-0086129 A (특허 문헌 2) KR 10-1606417 B1
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 희생양극을 이용한 전기방식방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은
불활성가스 분위기 하에서 600 내지 800℃에서 용해된 알루미늄에 마그네슘을 장입하여 알루미늄-마그네슘 2원계 합금을 형성하는 제 1 단계;
상기 2원계 합금에 구리를 용융 혼합하여 알루미늄-구리-마그네슘 3원계 합금을 형성하는 제 2 단계;
500 내지 800℃에서 용해된 아연에 상기 3원계 합금을 투입하고 혼합하여 아연-알루미늄-구리-마그네슘 4원계 합금을 형성하는 제 3 단계; 및
상기 4원계 합금을 주조하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방식용 희생양극합금의 제조방법을 제공한다..
불활성가스는 육불화황(SF6), 아르곤(Ar) 및 질소(N2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 전기방식용 희생양극합금의 제조방법으로 제조되는 전기방식용 희생양극합금은 지중 또는 수중에 매설되는 철제 구조물의 부식작용을 방지하기 위하여 사용할 수 있다.
상기 다른 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은
매설하고자 하는 철제 구조물의 기대수명에 해당하는 크기로 희생양극을 형성하는 (A) 단계;
상기 철제 구조물을 지중 또는 수중에 매설하는 (B) 단계;
상기 매설된 철제 구조물의 지중 또는 수중 하단측에 기준전극(reference electrode)을 설치하는 (C) 단계;
상기 기준전극을 상기 매설된 철제 구조물 외면과 전선으로 연결하는 (D) 단계;
상기 희생양극을 상기 매설된 철제 구조물 일측에 매설하는 (E) 단계; 및
상기 전선과 상기 희생양극을 다른 전선으로 연결하는 (F) 단계를 포함하고,
상기 매설된 철제 구조물의 부식을 상기 기준전극과 상기 희생양극의 전지작용을 통해 방지하는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 전기방식방법을 제공한다.
희생양극은 0 내지 1000 ohm-cm의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있다.
본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법을 제공함으로써, 지상, 지하, 담수, 해수 등의 고저항 분위기에서 사용하는 철제 구조물 또는 배관의 부식작용을 효과적으로 억제할 수 있으며, 기존의 마그네슘 양극, 알루미늄 양극에 비해 더 높은 전해질 비저항 조건에서도 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 토중에 매설되는 철제 파이프와 아연 희생양극합금을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 서해에 돌핀 안벽의 간만의 차로 인해 갯벌이 형성될 때 적용될 수 있는 116 kg 철제 코어(평철)를 이용한 아연 희생양극을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강에 설치되는 강교 및 대형관에 적용될 수 있는 629 kg 철제 코어(파이프)를 이용한 아연 희생양극을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 펌프 내부 및 외부에 적용할 수 있는 21 kg 철제 코어(SUS)를 이용한 아연 희생양극을 나타낸 도면이다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 및 희생양극을 이용한 전기방식방법에 관한 것이다. 이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 희생양극합금의 제조방법에 있어서, 불활성가스 분위기 하에서 600 내지 800℃에서 용해된 알루미늄에 마그네슘을 장입하여 알루미늄-마그네슘 2원계 합금을 형성하는 제 1 단계; 상기 2원계 합금에 구리를 용융 혼합하여 알루미늄-구리-마그네슘 3원계 합금을 형성하는 제 2 단계; 500 내지 800℃에서 용해된 아연에 상기 3원계 합금을 투입하고 혼합하여 아연-알루미늄-구리-마그네슘 4원계 합금을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 4원계 합금을 주조하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방식용 희생양극합금의 제조방법을 제공한다.
불활성가스는 육불화황(SF6), 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 불활성가스는 산화성이 높은 마그네슘이 함유되는 용탕의 산화를 억제하는 용도로 사용될 수 있으며, 용탕의 산화정도에 따라 투입량을 달리할 수 있다.
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법 제 1단계에서 형성된 알루미늄-마그네슘 2원계 합금은 아연 기반의 희생양극합금 제조 시 마그네슘의 산화 로스(loss)를 줄이기 위하여 형성될 수 있다. 즉, 제 1 단계에서는 마그네슘의 높은 산화성에 의해 아연합금에 용융시킬 경우 과도한 산화가 발생될 수 있으므로, 아연에 용융 전 마그네슘과 비중이 비슷한 알루미늄에 용융하여 합금처리할 수 있다.
제 2 단계에서는 합금처리가 용이한 구리를 추가로 용융 혼합하여 알루미늄-구리-마그네슘 3원계의 모합금을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 모합금은 최종적으로 제 3 단계에서 아연에 추가로 투입하고 혼합하여 뛰어난 전기부식방지 효과를 나타내는 전기방식용 아연 기반의 아연-알루미늄-구리-마그네슘 4원계 합금을 형성할 수 있다.
제 4단계는 부식을 방지하고자 하는 목적 구조물에 대해 적절한 형상의 희생양극을 주조하는 단계로서 목적 구조물의 크기, 설치되는 장소, 분위기에 따라 다양한 형태로 주조될 수 있다. 주조시 50 내지 300℃로 예열된 금형에 500내지 800℃의 4원계 아연합금을 주조하며 주조시에는 철계 래이들을 사용할 수 있다.
이러한 제조방법에 의해 제조되는 본 발명의 전기방식용 희생양극합금은 바람직하게 아연(Zn)계 희생양극합금일 수 있다.
종래의 마그네슘(Mg)계 합금은 다른 희생양극 소재에 비해 산화반응 즉, 이온화가 빨리 진행되기 때문에 다량을 사용해야하고, 부식속도가 빠르며, 500 ohm-cm 이하의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 없고, 희생양극과 외부전원법을 통해 발생하는 염소와 수소로 인한 폭발을 일으킬 위험이 있어 사용이 제한될 수 있다. 알루미늄(Al)계 희생양극은 100 ohm-cm 이하의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있고, 액체의 인화점이 60 ℃ 이하인 액체들을 보관하는 저장탱크에 제한적으로 사용되지만, 275 J 이상의 위치에너지를 가지는 높이에 설치될 경우 분리되어 추락에 의한 충격으로 인한 스파크 발생으로 화재 및 폭발이 일어날 가능성이 존재하기 때문에 사용이 제한되고 있다. 이와 같이 마그네슘 및 알루미늄계 희생양극의 단점 및 위험성을 고려하여, 상대적으로 안전한 아연(Zn)계 희생양극을 선호되어지고 있다.
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법으로 제조되는 전기방식용 희생양극합금은 지중 또는 수중에 매설되는 철제 구조물의 부식작용을 방지하기 위하여 사용할 수 있다.
철계 합금으로 제조된 매설 구조물의 부식은 구조물의 수명 단축에 따른 구조물의 파괴 및 토양 오염으로 이어지며, 이에 대한 대응방안으로 매설 환경에 설치되는 모든 내·외부 구조물에 다양한 부식방지 기술이 적용되고 있다. 토양 또는 담수나 해수의 물리적, 화학적 그리고 미생물학적 인자들의 복합적인 부식 환경에 노출되는 구조물의 경우에는 알루미늄계 희생 양극 또는 아연계 희생양극을 주로 사용할 수 있다.
아연(Zn)계 희생양극은 장시간 경과하여도 양분극이 극히 적어 방식기간을 통해 높은 양극전위를 유지하므로 안정된 방생전류와 높은 전류효율을 얻을 수 있으며, 자기조정능력이 있으므로 방식 되는 정도에 따라서 발생전류도 조절되어 불필요한 소모가 없다. 또한, 아연계 희생양극은 높은 곳에서 떨어져 철과 접촉하여도 스파크가 발생하지 않는 금속으로 위험물 취급설비의 방식자재로서 가장 적당한 양극이며, 철에 대한 전위차가 적으므로 수소 발생량도 적다는 장점이 있다. 이러한 아연(Zn)계 희생양극은 방식전류를 유출하며, 분극 되는 과정에서 생기는 지중 또는 수중 생성물은 주위 철 표면에 부착되어 부식 억제재 역할을 할 수 있다.
그러나 순수 아연만을 사용하여 희생양극을 형성하는 경우, 하기 반응식 1과같은 반응에 의한 생성물인 수산화아연이 아연 주위에 피막을 형성하여 산화반응이 급격히 지연될 수 있으므로, 이를 방지할 수 있는 다른 금속 요소들을 첨가, 포함 또는 혼합하여 아연을 기반으로 하는 희생양극합금을 제조하는 것이 바람직하다.
[반응식 1]
Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + H2↑
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법에서 마그네슘은 상기 반응식 1과 같은 과정을 통한 아연의 지속적인 산화반응을 지연시키는 수산화아연 피막의 형성을 방해 또는 억제하여 아연의 지속적인 산화반응이 일어나게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법에서 구리는 세균에 대한 살균작용 효과를 나타낼 수 있다. 오염된 토양이나 물에서 철을 부식하는 원인 세균이 서식하게 되는데, 구리는 이러한 원인 세균에 대한 살균작용을 하여 철의 부식을 방지할 수 있다. 구체적으로는 구리는 하기 반응식 2와 같은 반응에 의해 황산구리로 변하며, 생성된 황산구리가 세균에 대한 살균작용을 할 수 있다.
[반응식 2]
2Cu + 2H2SO4 → 2CuSO4 + 2H2O
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법에서 알루미늄은 아연과 함께 주로 사용되는 희생양극의 금속으로, 아연의 지속적인 산화반응을 돕는 마그네슘이 과도하게 산화를 발생시켜 합금의 형성을 어렵게하는 것을 방지할 수 있으며, 희생양극의 표준전위를 높일 수 있다. 알루미늄의 표준전위는 -1.662V이며, 알루미늄은 표준전위가 -0.763V인 아연에 대한 보상작용을 하여 아연을 기반으로 하는 희생양극합금의 전위를 철의 산화 부식을 막을 수 있는 범위인 -0.95V 이하로 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 본 발명의 전기방식용 희생양극합금은 희생양극으로서 적합한 아연계 희생양극합금의 효과적인 철의 전기방식을 위하여 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법에서 아연 100 중량부를 기준으로 할 때, 알루미늄은 아연의 지속적인 산화반응을 돕는 마그네슘이 과도하게 산화를 발생시켜 합금의 형성을 어렵게하는 것을 방지하고 희생양극의 표준전위를 높이기 위하여 3.0 내지 11.0 중량부, 구리는 철의 부식을 유발하는 세균에 대한 효과적인 살균작용을 위해 0.1 내지 5.0 중량부, 및 마그네슘은 아연의 지속적인 산화반응을 위해 0.01 내지 5.0 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 전기방식용 희생양극합금의 제조방법에서 희생양극합금은 0.1 - 9.5 중량%의 알루미늄, 0.1 - 5.0 중량%의 구리, 0.01 - 5.00 중량%의 마그네슘, 및 잔부로 아연을 포함하는 희생양극합금일 수 있다.
본 발명의 희생양극을 이용한 전기방식방법에서 희생양극은 마그네슘이 0.01 중량% 미만으로 포함될 경우, 전류용량이 떨어잘 수 있으며, 5.00 중량%를 초과하여 포함될 경우, 과도한 산화가 발생될 수 있다.
또한, 구리는 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우, 살균작용의 효과가 미미하여 유효한 철의 부식방지 효과를 낼 수 없으며, 5.0 중량%를 초과하여 포함될 경우, 방식 성능이 저하될 수 있다.
또한, 알루미늄은 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우, 방식 성능이 저하될 수 있으며, 9.5 중량%를 초과하여 포함될 경우, 주조 결함이 증대될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 매설하고자 하는 철제 구조물의 기대수명에 해당하는 크기로 희생양극을 형성하는 (A) 단계; 상기 철제 구조물을 지중 또는 수중에 매설하는 (B) 단계; 상기 매설된 철제 구조물의 지중 또는 수중 하단측에 기준전극(reference electrode)을 설치하는 (C) 단계; 상기 기준전극을 상기 매설된 철제 구조물 외면과 전선으로 연결하는 (D) 단계; 상기 희생양극을 상기 매설된 철제 구조물 일측에 매설하는 (E) 단계; 및 상기 전선과 상기 희생양극을 다른 전선으로 연결하는 (F) 단계를 포함하고, 상기 매설된 철제 구조물의 부식을 상기 기준전극과 상기 희생양극의 전지작용을 통해 방지하는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 전기방식방법을 제공한다.
본 발명에서 철제 구조물은 쇠, 즉 철로 만든 구조물을 모두 포함할 수 있으며, 여기서 구조물은 일정한 설계에 따라 여러 가지 재료를 얽어서 만든 물건을 의미할 수 있으므로, 철제 구조물은 철을 포함하여 일정한 설계에 따라 제조하며 다른 재료를 포함할 수 있는 물건을 의미할 수 있다.
기준전극을 설치하는 (C) 단계에서 기준전극은 매설된 철제 구조물의 외부 하단측에 위치할 수 있다. 즉, (C) 단계에서 하단측은 지중 또는 수중에 매설된 철제 구조물의 지중 또는 수중 내 하단측으로, 기준전극이 설치 될 수 있는 위치를 의미할 수 있다.
본 발명의 희생양극을 이용한 전기방식방법에서 희생양극은 아연계 희생양극으로 아연 100 중량부를 기준으로 할 때, 알루미늄은 아연의 지속적인 산화반응을 돕는 마그네슘이 과도하게 산화를 발생시켜 합금의 형성을 어렵게하는 것을 방지하고 희생양극의 표준전위를 높이기 위하여 3.0 내지 11.0 중량부, 구리는 철의 부식을 유발하는 세균에 대한 효과적인 살균작용을 위해 0.1 내지 5.0 중량부, 및 마그네슘은 아연의 지속적인 산화반응을 위해 0.01 내지 5.0 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 희생양극을 이용한 전기방식방법에서 희생양극은 0.1 - 9.5 중량%의 알루미늄, 0.1 - 5.0 중량%의 구리, 0.01 - 5.00 중량%의 마그네슘, 및 잔부로 아연을 포함할 수 있다.
본 발명의 희생양극을 이용한 전기방식방법에서 희생양극은 마그네슘이 0.01 중량% 미만으로 포함될 경우, 전류용량이 떨어잘 수 있으며, 5.00 중량%를 초과하여 포함될 경우, 과도한 산화가 발생될 수 있다.
또한, 구리는 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우, 살균작용의 효과가 미미하여 유효한 철의 부식방지 효과를 낼 수 없으며, 5.0 중량%를 초과하여 포함될 경우, 방식 성능이 저하될 수 있다.
또한, 알루미늄은 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우, 방식 성능이 저하될 수 있으며, 9.5 중량%를 초과하여 포함될 경우, 주조 결함이 증대될 수 있다.
전기방식법에 속하는 희생양극법은 철 보다 저전위를 가지는 금속을 전기적으로 연결하여, 지속적으로 전자를 철에 공급하여 저전위 금속(희생양극)이 우선적으로 부식되게 하는 방법으로 별도의 전원 공급 장치가 불필요하며, 설치가 간단하고, 인위적인 유지관리를 요구하지 않아 방식비용이 매우 경제적이라는 것이 장점이 있다. 또한, 기존 시설물에도 시공이 가능하며 별도의 설치 장소가 필요 없어 인접한 타시설물에 간섭 현상이 없고, 전류 분포가 균일하여 과다 방식에 대한 문제가 없어 매설 구조물의 방식에 널리 사용되고 있다. 이러한 희생양극은 사용기간 중에 피방식체에 대한 유효한 전위차를 가지며, 단위 중량 당발생 전기량이 크고, 용해가 균일한 것이 바람직하다.
아연(Zn)계 희생양극은 장시간 경과하여도 양분극이 극히 적어 방식기간 동안 높은 양극전위를 유지하므로 안정된 방식전류와 높은 전류효율을 얻을 수 있으며, 자기조정능력이 있으므로 방식 되는 정도에 따라서 발생전류도 조절되어 불필요한 소모가 없다. 또한, 아연계 희생양극은 높은 곳에서 떨어져 철과 접촉하여도 스파크가 발생하지 않는 금속으로 위험물 취급설비의 방식자재로서 가장 적당한 양극이며, 철에 대한 전위차가 적으므로 수소 발생량도 적다는 장점이 있다. 이러한 아연(Zn)계 희생양극은 방식전류를 유출하며, 분극 되는 과정에서 생기는 지중 또는 수중 생성물은 주위 철 표면에 부착되어 부식 억제재 역할을 할 수 있다.
종래의 마그네슘계 희생양극은 500 ohm-cm 이하의 전해질 비저항 조건에서는 사용할 수 없으며, 알루미늄 희생양극은 100 ohm-cm 이하의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있다고 알려져 있다. 즉, 마그네슘계 희생양극은 0.002 보다 낮은 전도율의 조건에서 사용할 수 있으며, 알루미늄 희생양극은 0.01 보다 높은 전도율의 조건에서 사용할 수 있으므로 이용에 제한적일 수 있다. 그러나 본 발명의 희생양극은 아연계 희생양극으로 0 내지 2000 ohm-cm의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있다. 즉, 0 내지 2의 전도율에서 사용할 수 있다.
전도율은 전류가 흐르기 쉬운 정도를 나타내는 물질 고유의 값으로, 전도체 속을 흐르는 전류의 크기를 나타낸다. 비저항은 물질 고유의 단위 면적당 단위 길이당 저항으로 전도율과 역수관계의 값을 나타내며, 전해질 비저항의 값은 전기를 통하게 하는 매개체이자 이온 결합 물질의 용액인 전해질의 전기 전도도, 전도율의 역수값으로 볼 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 아연계 희생양극은 종래의 마그네슘계 및 알루미늄계 희생양극에 비해 더 넓은 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있으며, 그에 따른 전도율도 더 높을 수 있다.
이하 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 가에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1 - 아연계 희생양극합금 시편제조(a)
불활성가스 분위기 하에서 순수 알루미늄 7.5kg을 700℃의 온도에서 완전히 용해시킨 후 순수 마그네슘 200g을 장입하여 알루미늄-마그네슘 합금을 형성하였다. 이어서 용융된 알루미늄-마그네슘 합금에 순수 구리 350g을 투입하여 알루미늄-구리-마그네슘 합금을 얻은 후, 전기로에서 600℃의 온도에서 순수 아연 92kg을 용융시킨다. 여기에 알루미늄-구리-마그네슘 합금 8kg을 넣고 잘 혼합하여 아연-알루미늄-구리-마그네슘 합금을 얻었다. 이후 이 4원계 아연합금 용탕온도를 550℃에서 유지하고 철계 래이들을 이용해 주조하여 아연계 희생양극합금의 시편(a)을 제조하였다.
실시예 2 - 아연계 희생양극합금 시편제조(b)
불활성가스 분위기 하에서 순수 알루미늄 8kg을 700℃의 온도에서 완전히 용해시킨 후 순수 마그네슘 200g을 장입하여 알루미늄-마그네슘 합금을 형성하였다. 이어서 용융된 알루미늄-마그네슘 합금에 순수 구리 350g을 투입하여 알루미늄-구리-마그네슘 합금을 얻은 후, 전기로에서 600℃의 온도에서 순수 아연 92kg을 용융시킨다. 여기에 알루미늄-구리-마그네슘 합금 8kg을 넣고 잘 혼합하여 아연-알루미늄-구리-마그네슘 합금을 얻었다. 이후 이 4원계 아연합금 용탕온도를 550℃에서 유지하고 철계 래이들을 이용해 주조하여 아연계 희생양극합금의 시편(b)을 제조하였다.
실시예 3 - 아연계 희생양극 제조
도 2 내지 도 4에 도시된 형태의 중력 주조 금형을 제작하고 아연 희생양극에 삽입되는 철제 코어(평철, 파이프, SUS)를 각각의 도면 사이즈로 준비하였다. 이후 상기 실시예와 같이 아연-알루미늄-구리-마그네슘 4원계 합금 용탕을 준비하여 600℃로 유지하고, 제작된 금형을 150℃ 이상 예열하여 준비된 코어를 금형에 설치한 후 금형상 하형과 결합하였다. 이후 준비된 용탕을 금형에 붓고 주조하여 냉각한 후 실제 사용가능한 아연계 희생양극 제품을 제조하였다.
<실험예>
실험예 1 - 희생양극합금의 전류 효율 측정
양극 전류 효율은 이론 발생 전기량 대비 실제 발생한 전기량을 비율 %로 표시되는 값으로, 온도 23℃의 동일한 조건에서 전류를 첫 날 1.5 mA/cm² 전류밀도로, 둘째 날은 0.4 mA/cm², 셋째 날은 4.0 mA/cm², 그리고 마지막 날은 1.5 mA/cm² 전류밀도로 전류를 흘러준 조건에서 시험 시작 전 시편의 무게와 시험 완료 후 시편의 무게를 측정하고 두 무게의 차이를 이용하여 발생전기량을 계산하였다. 이론 전기량은 각 원소의 이론 전기량과 무게분율의 곱의 합으로 계산하였다.
양극 전류 효율을 구하기 위한 각각의 값은 하기에 나타낸 식을 이용하여 계산하였다.
효율(%) =
Figure pat00001
이론전기량(A·h/kg) =
Figure pat00002
합금의 이론전기량 =
Figure pat00003
A, B, C ... : 합금 성분의 무게 백분율 (%)
x, y, z, ... : 합금 성분의 이론 전기량(A·h/g)
발생전기량(A·h/kg) =
Figure pat00004
시험 시작 전 시편의 무게를 0.1 mg 까지 측정할 수 있는 전자저울을 이용하여 무게를 기록하고, 시험 완료 후 0.1 mg 까지 측정할 수 있는 전자저울을 이용하여 무게를 측정하였다. 무게의 변화를 이용하여 발생 전기량을 구하였다. 이론 전기량 값을 원자의 이론적 전기화학당량을 이용하여 계산하였다
실험예 2 - 희생양극합금의 방식 전위 측정
양극의 방식 전위는 전압계 혹은 전압 미터기를 이용하여 아노드 표면의 전압의 측정하였다. 전압계의 (+)극 단자는 Anode 시편과 연결하고, (-)극 단자는 Ag/AgCl 기준전극을 연결하였다. 기준전극은 전압 강하를 방지하기 위하여 기준 전극의 (Ag/AgCl) 끝 부분은 시험 양극의 표면과 약 1 mm의 간격을 두고 측정하여야 한다. 시험 중간에는 전류가 흐르고 있는 상태, 즉 방식 전위이므로 방식 전위를 측정하기 위해서 전류가 흐르고 있는 상태에서 순간적으로 전류를 차단하거나 스위치를 열어 전위를 측정하였다.
실험예 3 - 희생양극합금의 발생 전기량 측정
상기 실시예 1 및 2의 희생양극합금의 발생전기량을 측정하기 위하여 시험 양극의 부식 생성물을 브러쉬 등으로 제거시킨 후, 양극의 무게를 측정하였다. 부식 생성물이 견고하게 부착되어 있는 경우, 질산 용액으로 후처리를 하고 물세척을 한 후 100℃의 조건에서 10분 내지 15분간 완전히 식혀서 무게를 측정하였으며, 0.1 mg 단위까지 측정하였다. 측정된 무게를 이용하여 하기 양극 감량 및 전기량 계산식을 이용하여 각각의 값을 구한 후 희생양극합금의 발생전기량 값을 하기 식을 이용하여 계산하였다.
발생전기량(A·h/kg) =
Figure pat00005
양극 감량(g) = 시험전 시험 양극 무게 - 시험 후 시험 양극 무게
전기량 (A·h) =
Figure pat00006
<평가 및 결과>
결과 1 - 희생양극합금의 전류 효율
상기 실시예 및 실험예 1에 따라 측정한 희생양극합금의 전류 효율을 하기 표 1에 나타내었다.

구분
양극 전류 효율 (%)

(a)
85.5

(b)
87.0
양극 전류 효율은 이론적인 전기량 대비 시험적인 전기량의 비를 나타낸 것으로, 85.5% 라는 것은 이론적으로 발생해야 할 전기량이 100인데 실제로는 85.5 정도의 전기량만 발생한 값이다. 또한 무게로 이야기 하면, 이론적으로 시험 전후 무게 차이가 100g이 차이가 나야하는데, 시험적으로 85.5 g 정도의 무게 차이가 난 결과이다. 즉 비율이 높을수록 성능이 좋다.
전류 효율은 아노드 성능의 정도를 나타내는 값으로 특정한 기준값이 없으므로, 위의 결과 보아 시편 (b) 가 시편 (a) 보다 더 많은 양의 전기량 또는 무게를 감소한 것을 볼 수 있다.
결과 2 - 희생양극합금의 방식 전위
상기 실시예 및 실험예 2에 따라 측정한 희생양극합금의 방식 전위를 하기 표 2에 나타내었다.

구분
양극 방식 전위
(mV : Ag/AgCl 기준)

(a)
-849

(b)
-851
양극 방식 전위는 실험 종료 직전에 흐르던 전류를 순간적으로 차단했을 때, 전압계를 이용하여 Ag/AgCl 기준전극을 이용하여 시편 표면 약 1 mm의 간격에서 측정한 전위 값으로 -800 mV 값 이하의 값이 나와야 한다. 상기 표 2에서 (a) 시편과 (b) 시편의 전위를 측정한 결과가 각각 -849 mA, -851 mA의 값을 나타내어 희생양극으로서 사용가능함을 확인할 수 있었다.
결과 3 - 희생양극합금의 발생전기량

구분
발생 전기량
(AxH/Kg)

(a)
837.15

(b)
851.419
희생양극합금으로 사용되기 위해서는 총 발생 전기량에서 kg당 전기량을 계산한 값인 발생전기량이 780 (Ah/Kg) 이상 측정되어야 한다.
상기 실시예 1 내지 2 및 실험예 3을 통해 (a) 시편과 (b)시편의 발생전기량을 측정한 결과 각각 837.15, 851.419의 값을 나타내어 희생양극으로서 사용가능함을 확인할 수 있었다.
결과 1 내지 3을 통해 고 저항에 사용할 수 있는 희생양극은 성분 비율의 따라 그 성능과 효율이 다를 수 있음을 확인할 수 있었다.
결과 4 - 아연계 희생양극 제조
상기 실시예를 통해 실제 지중 또는 수중에서 사용할 수 있는 아연계 희색양극을 제조하였으며, 그 도면을 도 2 내지 도 4에 도시하였다.
이에 따라 제조된 아연 희생양극은 도 1과 같은 방식으로 지중 또는 수중에 설치될 수 있으며, 상기 결과 1 내지 결과 3과 같은 뛰어난 전기방식효과를 나타낼 수 있다.
① 지표면
② 방식대상(배관등)
③ 아연 희생양극
④ 기준 전극
⑤ 전선
⑥ TEST BOX
⑦ 아연 합금
⑧ 코어(평철)
⑨ 코어(파이프)
⑩ 코어(SUS)

Claims (5)

  1. 불활성가스 분위기 하에서 600 내지 800℃에서 용해된 알루미늄에 마그네슘을 장입하여 알루미늄-마그네슘 2원계 합금을 형성하는 제 1 단계;
    상기 2원계 합금에 구리를 용융 혼합하여 알루미늄-구리-마그네슘 3원계 합금을 형성하는 제 2 단계;
    500 내지 800℃에서 용해된 아연에 상기 3원계 합금을 투입하고 혼합하여 아연-알루미늄-구리-마그네슘 4원계 합금을 형성하는 제 3 단계; 및
    상기 4원계 합금을 주조하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기방식용 희생양극합금의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 불활성가스는 육불화황(SF6), 아르곤(Ar) 및 질소(N2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전기방식용 희생양극합금의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기방식용 희생양극합금의 제조방법으로 제조되는 전기방식용 희생양극합금은 지중 또는 수중에 매설되는 철제 구조물의 부식작용을 방지하기 위하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기방식용 희생양극합금의 제조방법.
  4. 매설하고자 하는 철제 구조물의 기대수명에 해당하는 크기로 희생양극을 형성하는 (A) 단계;
    상기 철제 구조물을 지중 또는 수중에 매설하는 (B) 단계;
    상기 매설된 철제 구조물의 지중 또는 수중 하단측에 기준전극(reference electrode)을 설치하는 (C) 단계;
    상기 기준전극을 상기 매설된 철제 구조물 외면과 전선으로 연결하는 (D) 단계;
    상기 희생양극을 상기 매설된 철제 구조물 일측에 매설하는 (E) 단계; 및
    상기 전선과 상기 희생양극을 다른 전선으로 연결하는 (F) 단계를 포함하고,
    상기 매설된 철제 구조물의 부식을 상기 기준전극과 상기 희생양극의 전지작용을 통해 방지하는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 전기방식방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 희생양극은 0 내지 2000 ohm-cm의 전해질 비저항 조건에서 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 전기방식방법.
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