KR20200136267A - 세라믹 일체형 내마모성 복합관 및 이의 제조방법 - Google Patents

세라믹 일체형 내마모성 복합관 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹으로 형성되어 피이송물에 의한 손상을 최소화하기 위한 세라믹 일체형 내마모성 복합관 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관은 세라믹 재료에 의해 일체화된 관의 형상으로 성형되는 세라믹코어층, 상기 세라믹코어층이 용이하게 파손되는 것을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 외면을 둘러 싸며, 합성수지로 형성되는 수지보강층, 상기 세라믹코어층과 상기 수지보강층의 사이에 위치되어 상기 세라믹코어층에 상기 수지보강층을 접합하는 접합층, 및 상기 수지보강층을 화재와 자외선에서 보호하도록 자외선 차단과 난연성을 갖는 재료로 형성되는 UV차단난연층을 포함한다. 따라서, 제작이 용이하여 대량생산이 용이하며, 다양한 형상으로 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 무게가 가벼워 시공성이 좋고 운반이 용이한 이점이 있다.

Description

세라믹 일체형 내마모성 복합관 및 이의 제조방법{Ceramic integrated abrasion resistant composite pipe and manufacturing method thereof}
본 발명은 세라믹으로 형성되어 피이송물에 의한 손상을 최소화하기 위한 세라믹 일체형 내마모성 복합관 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 관은 유체를 이송하기 위해 설치되지만, 필요에 따라 석탄이나, 모래와 같은 피이송물을 이송하기 위해서도 설치된다.
일례로 화력발전소의 경우에는 석탄 또는 탈황공정을 거진 슬러지를 이송하기 위한 관을 설치하는 데, 석탄과 슬러지는 경도가 높고 온도가 높아 금속의 관을 설치한다 하더라도 석탄이 내부에서 부딪히며 관의 마모가 발생하거나, 슬러지의 화학적인 성분에 의해 관이 부식되는 문제점이 있었다.
이를 방지하기 위해 내마모성이 높은 세라믹을 이용하여 관을 제작하려는 시도가 많았지만, 세라믹은 특성상 고온 열처리를 수행하고 건조하는 과정에서 쉽게 변형이 발생하거나, 크랙이 발생되기 때문에 한국등록실용신안공보 제20-0404768호(2005.12.28.공고) 또는 한국등록특허공보 제10-1798927호(2017.11.17.공고)에서와 같이, 세라믹 타일을 외관의 내면에 부착하거나, 길이가 짧은 세라믹 단위관을 외관의 내부에 연결하여 설치하는 형태로 제작하였다.
하지만, 상기한 종래의 기술들은 세라믹이 분할된 형태로 제작되어 서로 연결되도록 배열된 형태이기 때문에 피이송물이 연결부분에 부딪혀 연결부분에서 마모가 발생할 뿐만 아니라, 피이송물이 연결부위에 끼는 등의 문제점이 발생하였다.
또한, 외관의 내부에 분할된 형태의 관을 연결하여 제작되고, 외부의 충격에 의해 쉽게 파손되는 세라믹을 보호하기 위해 외관을 금속으로 형성하기 때문에 다양한 형태로 가공이 어려울 뿐만 아니라, 제작이 쉽지 않으며 제작비용이 높은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 세라믹을 사용하여 연결부분이 최소화되도록 연속된 형태의 관을 제작하여 피이송물에 의한 손상을 최소화할 수 있으며, 세라믹으로 관의 형상뿐만 아니라, 피팅류의 형상까지도 용이하게 제작할 수 있으며, 무게가 가벼워 운반과 설치가 용이고, 제작비용을 대폭 감소시킬 수 있는 세라믹 일체형 내마모성 복합관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관은 세라믹 재료에 의해 일체화된 관의 형상으로 성형되는 세라믹코어층, 상기 세라믹코어층이 용이하게 파손되는 것을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 외면을 둘러 싸며, 합성수지로 형성되는 수지보강층, 상기 세라믹코어층과 상기 수지보강층의 사이에 위치되어 상기 세라믹코어층에 상기 수지보강층을 접합하는 접합층, 및 상기 수지보강층을 화재와 자외선에서 보호하도록 자외선 차단과 난연성을 갖는 재료로 형성되는 UV차단난연층을 포함한다.
상기 수지보강층은 상기 합성수지를 함침시켜 경도를 강화시키기 위한 섬유를 포함할 수 있다.
상기 합성수지는 상기 수지보강층의 경도를 보강하기 위해 상기 합성수지에 혼합되는 보강첨가제를 포함하고, 상기 보강첨가제는 상기 합성수지의 경화에 따른 수축을 방지하는 수축방지제를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 재료은 알루미나 파우더와 고령토를 포함한 혼합물일 수 있다.
상기 세라믹코어층은 상기 접합층에 의해 상기 수지보강층의 접합성을 향상시키도록 외면을 요철형상으로 면처리할 수 있다.
상기 세라믹코어층은 상기 세라믹 재료를 관의 형상으로 성형한 상태에서 자연 건조시킬 때, 상기 세라믹코어층의 상단과 하단의 수축률의 차이에 따라 성형불량을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 상단 내주를 지지하는 과수축방지부재를 안착시킨 상태에서 자연 건조시킬 수 있다.
상기 과수축방지부재는 상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하며 상기 세라믹코어층의 내주를 지지하도록 상부에서 하부로 갈수록 작아지는 면적을 갖는 형상을 포함할 수 있다.
상기 과수축방지부재는 상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하도록 상기 세라믹코어층과 상기 과수축방지부재의 사이에 설치되는 마찰감소부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법에 있어서, 상기 세라믹 재료를 관의 형상으로 성형하여 세라믹코어층을 성형하는 단계, 상기 세라믹코어층의 외면에 접착층을 형성하는 단계, 상기 접착층의 외면에 상기 합성수지에 의해 수지보강층을 형성하는 단계, 및 상기 수지보강층의 외면에 자외선 차단과 난연성을 갖는 재료를 도포하여 UV차단난연층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 세라믹코어층을 성형하는 단계는 상기 관의 형상으로 성형된 세라믹코어층을 자연 건조시키는 단계, 상기 자연 건조시키는 단계에서 자연 건조된 세라믹코어층을 미리 설정된 온도에서 열처리하는 단계, 및 상기 열처리하는 단계에서 열처리된 세라믹코어층의 외면에 요철면을 가지도록 면처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 세라믹코어층을 자연 건조시키는 단계는 상기 세라믹코어층의 상단과 하단의 수축률의 차이에 따라 성형불량을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 상단 내주를 지지하는 과수축방지부재를 안착시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 과수축방지부재는 상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하며 상기 세라믹코어층의 내주를 지지하도록 상부에서 하부로 갈수록 작아지는 면적을 갖는 형상을 포함할 수 있다.
상기 과수축방지부재는 상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하도록 상기 세라믹코어층과 상기 과수축방지부재의 사이에 설치되는 마찰감소부재를 포함할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 미리 설정된 온도에서 1차 열처리하는 단계, 및 상기 1차 열처리하는 단계 이후, 상기 1차 열처리하는 단계의 미리 설정된 온도보다 높은 온도에서 2차 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 상기 열처리를 수행할 때 상기 세라믹코어층의 불균일한 수축에 의해 성형불량을 방지하기 위해 상기 세라믹코어층의 양단에 끼워져 지지하는 변형방지부재를 설치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수지보강층을 형성하는 단계는 상기 합성수지에 보강첨가제를 혼합하는 단계, 상기 보강첨가제가 혼합된 합성수지를 상기 접착층에 도포하는 단계, 상기 접착층에 도포된 합성수지에 섬유를 부착하는 단계, 및 상기 섬유가 외부에서 보이지 않고 가려지도록 상기 합성수지를 재 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹코어층을 일체화된 관의 형상으로 형성하여 이음매 부분의 발생을 최소화함으로써, 이음매 부분에서의 피이송물의 끼임과 마모의 발생을 최소화시켜 내마모도를 향상시킬 수 있다.
또한, 세라믹코어층을 성형하기 때문에 다양한 형상의 관과 피팅류를 용이하게 제작할 수 있으며, 대량생산이 용이한 이점이 있다.
또한, 합성수지에 의해 형성되는 수지보강층에 의해 세라믹코어층을 보호함으로써, 무게가 가벼워 운반이 용이하고, 시공이 용이한 이점이 있으며, 제작비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
또한, UV차단난연층이 수지보강층의 외면에 형성되어 자외선으로부터 수지보강층의 손상을 최소화하여 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 난연성을 가져 화재에 의한 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 세라믹코어층을 자연 건조 시 과수축방지부재를 안착시켜 성형하기 때문에 성형불량이 발생하는 것을 최소화할 수 있으며, 열처리 시 변형방지부재를 설치하여 열에 의한 변형을 최소화하여 열처리불량이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 다양한 제작형태를 도시한 도면으로서 (a)는 직선 관의 형태, (b)는 곡선 관의 형태 (c)는 T형 관의 형태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법에서 세라믹코어층의 형성 단계를 세부적으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법에서 자연 건조 시, 과수축방지부재를 설치한 상태를 도시한 측단면도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법에서 열처리 시, 변형방지부재를 설치한 상태를 도시한 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)은 세라믹코어층(110)을 포함할 수 있다.
세라믹코어층(110)은 내부에 피이송물을 이송할 수 있도록 관의 형상으로 성형될 수 있다.
세라믹코어층(110)은 피이송물의 이송 시 세라믹코어층(110)의 내부가 손상되는 것을 방지하도록 세라믹 재료로 형성될 수 있다.
세라믹 재료는 알루미나 파우더와 고령토 분말을 미리 설정된 비율에 따라 혼합하여 성형할 수 있으며, 세라믹 재료는 성형할 관의 형상과 대응되는 형상을 갖는 몰드에서 성형되거나, 인발 또는 사출장치에 의해 관의 형상으로 성형될 수 있다.
인발 또는 사출에 의해 세라믹코어층(110)을 관의 형상으로 형성할 경우, 필요한 길이로 연속적으로 성형이 가능하고, 미리 설정된 길이로 절단하는 형태로 연속적으로 성형될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 명세서에서 관의 형상은 직선 관 또는 곡선 관의 형상뿐만 아니라, 관을 연결하는 다양한 형상의 피팅부재의 형상을 포함하는 의미이다.
세라믹코어층(110)은 세라믹 재료로 성형할 때, 건조에 따른 수축비를 13% 내지 14%로 적용하여 성형할 수 있다.
한편, 세라믹코어층(110)을 성형할 때에는 성형 후 상온에서 자연 건조를 수행하는데, 자연건조를 수행할 때 보관부피를 최소화하고, 직경방향으로 변형이 발생하는 것을 방지하기 위해 세워 건조한다.
이때, 세라믹코어층(110)은 바닥에 접촉되어 있기 때문에 바닥과의 마찰력에 의해 하단보다 저항성이 없는 상단이 더 수축되면서 양단의 직경이 달라지는 성형불량이 발생한다.
이를 방지하기 위해 세라믹코어층(110)을 자연건조할 때, 세라믹코어층(110)의 상단에 과수축방지부재(200)를 안착시킨 상태에서 자연 건조할 수 있다.
과수축방지부재(200)는 세라믹코어층(110)의 상단 부분이 수축할 때, 세라믹코어층(110)의 상단 내측에 저항성을 발생시켜 세라믹코어층(110)이 상단부분이 하단부분에 비해 과도하게 수축되는 것을 방지할 수 있다(도 5 참조).
과수축방지부재(200)는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 점점 작아지는 형상을 포함하는 형상 예컨대, 원추 형상 또는 반구 형상 또는 구 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 과수축방지부재(200)가 구 형상으로 형성될 경우, 구 형상의 하부가 과수축방지부재(200)의 기능을 수행할 수 있다.
그리고, 과수축방지부재(200)에는 세라믹코어층(110)에 안착된 상태에서 세라믹코어층(110)의 내부로 공기가 유동할 수 있도록 관통하여 형성되는 공기유통공(210)이 형성될 수 있다.
과수축방지부재(200)는 직경이 가장 작은 부분이 세라믹코어층(110)의 상단 내부에 일부 삽입되는 형태로 안착되어 상부는 세라믹코어층(110)의 내주에 걸쳐져 안착되도록 세라믹코어층(110)의 내주보다는 큰 둘레를 가지도록 형성될 수 있다.
예컨대, 과수축방지부재(200)는 세라믹코어층(110)의 상부가 건조됨에 따라 수축되면, 세라믹코어층(110)의 내주 둘레가 과수축방지부재(200)에 밀착되면서 마찰력이 발생하여 상단부분에 저항성을 부여하기 때문에 상단부분의 과수축 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 과수축방지부재(200)는 세라믹코어층(110)에 수축이 발생함에 따라 과수축방지부재(200)가 세라믹코어층(110)의 내주에 끼어 수축을 제한하는 것이 아니라, 수축되는 둘레에 의해 하부로 갈수록 좁아지는 형상에 의해 과수축방지부재(200)가 상부로 슬라이딩 이동되면서 수축을 허용할 수 있다.
또한, 과수축방지부재(200)는 마찰감소부재(230)를 포함할 수 있다.
마찰감소부재(230)는 세라믹코어층(110)와 과수축방지부재(200)의 마찰력을 감소시켜 세라믹코어층(110)의 상단 내주가 수축될 때, 과수축방지부재(200)가 상부로 슬라이딩 이동하지 못하고 과수축방지부재(200)가 세라믹코어층(110)의 상단에 끼어 수축을 제한하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 마찰감소부재(230)는 과수축방지부재(200)와 세라믹코어층(110)의 사이에 마찰력을 감소시켜 세라믹코어층(110)의 수축에 따라 과수축방지부재(200)를 용이하게 슬라이딩 이동하도록 과수축방지부재(200)와 세라믹코어층(110)의 사이에 위치될 수 있다.
여기서, 마찰감소부재(230)는 합성수지 시트 예컨대, 폴리비닐알코올계 합성섬유(135,PVA) 시트로 구현될 수 있으며, 마찰감소부재(230)는 과수축방지부재(200)에 미리 부착되어 설치되거나, 세라믹코어층(110)의 상면에 마찰감소부재(230)를 안착시킨 상태에서 마찰감소부재(230)의 상면에 과수축방지부재(200)를 안착시키는 형태로 설치할 수 있다.
그리고, 마찰감소부재(230)에도 공기가 유동될 수 있도록 미세한 공기공이 관통하여 형성될 수 있다.
자연 건조된 세라믹코어층(110)은 조직이 치밀해지도록 고온에서 열처리를 수행하는 형태로 제작될 수 있다.
열처리시에는 세라믹코어층(110)의 양단이 서로 다르게 수축되어 변형이 발생하는 것을 방지하기 위해 세라믹코어층(110)과 동일한 함수율을 갖는 세라믹 재료로 형성된 변형방지부재(300)를 양단에 설치한 후 열처리를 수행할 수 있다(도 6 참조).
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)은 수지보강층(130)을 포함할 수 있다.
수지보강층(130)은 세라믹코어층(110)의 외면을 감싸도록 세라믹코어층(110)에 형성되어 세라믹코어층(110)이 쉽게 파손되는 것을 방지하도록 경도를 보강할 수 있다.
여기서, 세라믹코어층(110)은 내마모성은 우수하지만, 외부 충격에 의해 쉽게 파손될 수 있기 때문에 세라믹코어층(110)이 파손되는 것을 방지하기 위해 수지보강층(130)을 형성할 수 있다.
수지보강층(130)은 합성수지로 형성될 수 있으며, 합성수지는 폴리에스터, 에폭시 수지와 같은 레진일 수 있다.
그리고, 합성수지는 섬유(135)를 포함하는 섬유(135)강화플라스틱일 수 있으며, 섬유(135)는 탄소섬유(135), 유리섬유(135), 케블라 등의 방향족 나일론섬유(135)일 수 있으며, 섬유(135)는 직조된 형태일 수 있다.
여기서, 섬유(135)는 제작비용이 비교적 저렴한 유리섬유(135)를 적용하는 것이 바람직하지만, 요구되는 강도에 따라서 다양한 재료로 형성된 섬유(135)로 구현될 수 있다.
한편, 수지보강층(130)을 형성하는 합성수지는 세라믹코어층(110)에 레진을 도포하고 레진이 경화되기 이전에 레진이 함침되어 강성을 부여하기 위한 섬유(135)를 부착한 후, 다시 섬유(135)의 외면에 섬유(135)가 외부에서 시각적으로 보이지 않도록 도포하는 형태로 수지보강층(130)을 형성할 수 있다.
수지보강층(130)을 형성하기 위한 합성수지는 수지보강층(130)의 물성을 강화하도록 보강첨가제가 혼합될 수 있다.
보강첨가제는 내마모성을 강화시키기 위한 내구성보강제, 강도를 증가시키기 위한 강도보강제, 합성수지의 경화 시 수축률을 감소시키기 위한 수축방지제 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 합성수지에 혼합될 수 있다.
내구성보강제는 예컨대, 실리콘 카바이트 분말, 또는 알루미나 분말일 수 있으며, 강도보강제는 글라스 비드 분말일 수 있으며, 수축방지제는 PMMA(ploy methyl meth acrylate) 분말일 수 있다.
여기서, 보강첨가제 중 수축방지제는 합성수지가 경화되면서 수축될 경우, 세라믹코어층(110)이 억압되며 파손될 수 있기 때문에 필수적으로 혼합되는 것이 바람직하다.
한편, 수지보강층(130)을 합성수지로 형성할 경우, 제작이 용이할 뿐만 아니라, 금속에 비해 상대적으로 무게가 가벼워 운반과 시공이 용이한 이점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)은 접합층(120)을 포함할 수 있다.
이 접합층(120)은 세라믹코어층(110)과 수지보강층(130)의 사이에 위치되어 세라믹코어층(110)을 수지보강층(130)에 접합할 수 있다.
접합층(120)은 금속 또는 세라믹을 접합할 수 있는 접합제로 구현될 수 있다.
접합층(120)은 세라믹코어층(110)의 외면에 접합제를 도포하고, 접합제가 경화되기 이전에 접합제의 외면에 수지보강층(130)을 형성하는 형태로 형성하여 세라믹코어층(110)과 수지보강층(130)을 접합할 수 있다.
이때, 세라믹코어층(110)의 외면은 요철면을 가지도록 면처리되어 접합층(120)의 접착면적을 넓혀 접합성이 향상시킬 수 있다.
세라믹코어층(110)은 세라믹 재료의 특성상 열처리 후에 공극이 최소화되어 매끈하 면을 가질 수 있기 때문에 면처리하지 않고 접합층(120)에 의해 수지보강층(130)을 형성할 경우, 쉽게 분리될 우려가 있다.
이를 방지하기 위해 접합층(120)이 위치되는 세라믹코어층(110)의 외면은 요철면을 가지도록 면처리할 수 있으며, 면처리는 연마기에 의해 세라믹코어층(110)의 외면을 연마하는 형태로 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)은 UV차단난연층(150)을 포함할 수 있다.
UV차단난연층(150)은 합성수지로 형성되는 수지보강층(130)을 자외선과 화재에서 보호할 수 있다.
UV차단난연층(150)은 난연성과 UV 차단성을 함께 갖는 재료를 포함하는 공지된 도료를 수지보강층(130)의 외면에 도포하는 형태로 형성할 수 있다.
여기서, 수지보강층(130)은 합성수지로 형성되기 때문에 특성상 자외선에 장시간 노출될 경우, 부식이 발생하며, 화재에 취약한 문제점이 있다.
이에 따라 수지보강층(130)의 외면에 UV차단난연층(150)을 형성하여 수지보강층(130)을 자외선으로부터 보호하고, 난연성을 가져 화재로부터 보호할 수 있다.
이상에서 설명한 각 구성 간의 작용과 효과를 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)의 제조방법과 함께 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)의 제조방법은 먼저, 세라믹코어층(110)을 형성한다(S10).
세라믹코어층(110)은 세라믹 재료 예컨대, 알루미나 파우더와 고령토를 물과 함께 교반하여 반죽하고, 반죽된 세라믹 재료를 관의 형상으로 성형한다(S11).
세라믹코어층(110)을 관의 형상으로 형성할 때에는 관의 형상과 대응되는 성형홈이 형성된 몰드에서 성형하거나, 사출 또는 인발하는 형태로 연속적으로 형성할 수 있다.
이때, 세라믹코어층(110)은 서로 조립하는 형태가 아닌 일체의 관의 형상(길이방향은 제외)으로 형성될 수 있으며, 세라믹코어층(110)을 성형할 때에는 수축비가 13~14%를 적용할 수 있도록 세라믹 재료와 물의 혼합비를 결정할 수 있다.
수축비가 13% 미만일 경우에는 물성이 단단하여 성형이 어려울 뿐만 아니라, 열처리 후에 균열이 발생할 확률이 높으며, 수축비가 14%를 초과할 경우에는 물성이 물러 성형 후 자중에 의해서도 쉽게 변형이 발생할 수 있고, 건조에 필요한 시간이 오래 소요될 수 있다.
한편, 세라믹코어층(110)의 성형이 완료되면, 세라믹 재료를 고화시키기 위해 상온에서 자연 건조시키며, 자연 건조는 대략 3~4일을 상온에서 방치하는 형태로 수행될 수 있다(S13).
여기서, 세라믹코어층(110)을 자연 건조시킬 때에는 길이방향으로 눕혀 건조시키면 상대적으로 강도가 약한 직경방향으로 변형이 발생하기 때문에 세워서 건조시키는데, 세워 건조시킬 경우, 바닥과 접촉하는 하단부분과 상단부분의 공기의 유동 차이 및 바닥의 마찰력에 의해 하단보다는 상단의 수축이 더 크게 발생한다.
이를 방지하기 위해 자연 건조시킬 때, 세라믹코어층(110)을 세운 상태에서 과수축방지부재(200)를 세라믹코어층(110)에 안착시킨 상태에서 자연 건조를 수행한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 과수축방지부재(200)는 면적이 좁은 부분이 세라믹코어층(110)의 내부에 삽입되도록 세라믹코어층(110)에 안착되며, 과수축방지부재(200)와 세라믹코어층(110)의 사이에는 마찰력감소부가 위치되어 세라믹코어층(110)과 과수축방지부재(200)의 사이에 마찰력을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 세라믹코어층(110)에 과수축방지부재(200)를 안착시킨 상태에서 자연 건조를 수행하면, 세라믹코어층(110)의 상단 부분이 수축될 때, 과수축방지부재(200)를 상부로 밀어 올리면서 수축에 따른 저항을 발생시켜 세라믹코어층(110)의 하단 부분보다 상단 부분이 더 과한 수축의 발생에 따른 성형불량의 발생을 방지할 수 있다.
세라믹코어층(110)에 자연 건조가 완료되면, 세라믹 재료의 조직이 치밀하도록 열처리를 수행한다(S15,S17).
열처리를 수행할 때에는 미리 설정된 온도에서 1차 열처리(S15)를 수행하고, 1차 열처리에 수행된 온도보다는 높은 온도에서 2차 열처리(S17)를 수행한다.
1차 열처리를 수행할 때의 온도는 대략 400℃에서 수행하고, 2차로 열처리를 수행할 때의 온도는 대략 1200℃ 이상의 온도에서 수행하며, 1차 열처리 및 2차 열처리는 가마에 건조된 세라믹코어층(110)을 반입하여 수행할 수 있다.
1차 열처리 및 2차 열처리하는 시간은 성형된 세라믹코어층(110)의 함수량과 가마의 크기, 그리고, 반입량에 따라 달라질 수 있으나, 1차 열처리는 대략 10시간 이상 소요되며, 2차 열처리는 24시간 이상 소요될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 열처리를 수행할 때에는 세라믹코어층(110)을 제작할 때와 동일한 함수율을 갖는 세라믹 재료로 동일한 자연 건조에서 자연 건조한 뒤, 세라믹코어층(110)의 상단과 하단에 변형방지부재(300)를 설치한 상태에서 열처리를 위한 가마에 반입되어 열처리할 수 있다.
변형방지부재(300)는 세라믹코어층(110)의 상단과 하단을 각각 덮어 밀폐하며, 변형방지부재(300)에는 세라믹코어층(110)의 양단부가 삽입되어 끼워지는 끼움홈(310)이 형성되어 열처리 시 양단부가 끼움홈(310)에 걸쳐져 양단부의 변형이 발생하는 것을 최소화하고 서로 다른 크기로 수축되어 열처리불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 변형방지부재(300)는 열처리할 세라믹코어층(110)과 동일한 함수율을 갖는 세라믹 재료로 형성되고, 동일 조건에서 자연 건조한 뒤 가마에 같이 반입하기 때문에 동일한 수축률을 가지기 때문에, 열처리 시 세라믹코어층(110)과 함께 수축하며 세라믹코어층(110)의 열처리불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 변형방지부재(300)에는 세라믹코어층(110)의 양단을 덮은 상태에서 내부의 열기와 공기가 유통되며 열처리할 수 있도록 복수 개의 열유통공(330)이 관통하여 형성될 수 있다.
이와 같이 세라믹코어층(110)의 1차 열처리와 2차 열처리가 완료되면 내마모서 시험을 수행한다(S19).
내마모성 시험방법으로는 ASTM D4060의 시험 방법에 내마모성 시험을 거친 후, 시험을 통과한 세라믹코어층(110)만 다음 공정을 수행한다.
세라믹코어층(110)의 시험이 종료되면, 세라믹코어층(110)의 외면에 미세한 요철이 발생하도록 세라믹코어층(110)의 외면을 면처리한다.
세라믹코어층(110)은 열처리를 수행하면 특성상 표면이 균질해지기 때문에 이 상태에서 수지보강층(130)을 형성할 경우에는 세라믹코어층(110)에서 수지보강층(130)이 쉽게 분리될 우려가 있다.
이를 방지하기 위해 세라믹코어층(110)의 외면이 요철면을 가지도록 면처리를 수행하고 면처리를 수행할 때에는 연마기를 통해 외면을 연마하는 형태로 요철면을 형성할 수 있다.
그리고, 세라믹코어층(110)의 면처리가 종료되면, 세라믹코어의 면처리된 외면에 접합제를 도포하여 접합층(120)을 형성한다(S20).
접합층(120)을 형성하는 접합제는 세라믹 또는 금속 접착제로 구현될 수 있으며, 접합강도의 기준은 ASTM D-1002에 만족하는 접합제를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 세라믹코어층(110)에 접합층(120)이 형성되면, 접합층(120)이 경화되기 이전, 접합층(120)의 외면에 수지보강층(130)을 형성할 수 있다(S30).
수지보강층(130)은 합성수지에 강도보강제, 수축방지제, 내구성보강제 등과 같은 보강첨가제를 미리 설정된 비율로 혼합하고, 보강첨가제가 혼합된 합성수지를 접합층(120)의 외면에 미리 설정된 두께로 도포한다.
그리고, 도포된 합성수지에 합성수지를 구성하는 섬유(135)를 감아 적층하는데, 섬유(135)는 필라멘트 와인딩 공법에 의해 적층될 수 있다.
합성수지에 섬유(135)가 적층되면, 외부에서 섬유(135)가 시각적으로 보이지 않도록 다시 합성수지를 미리 설정된 두께로 도포하여 합성수지를 경화하는 형태로 수지보강층(130)을 형성한다.
한편, 수지보강층(130)이 형성되면, 접합층(120)에 의해 세라믹코어층(110)과 수지보강층(130)이 더 견고하게 접합됨과 동시에 조직이 치밀해지도록 접합열처리를 다시 한번 수행한다.
접합열처리는 미리 설정된 온도로 가열할 수 있으며, 미리 설정되 온도는 접합층(120)이 열에 의해 용융될 수 있는 온도 실시예에서는 80℃ 이상의 온도로 대략 2시간 이상 열처리를 수행한다.
그리고, 접합열처리가 종료되면, 불균일한 외면이 고르도록 표면처리를 수행하고, 원하는 크기로 가공절단한다.
한편, 가공과 절단이 완료되면 수지보강층(130)의 외관검수 예컨대, 수지보강층(130)의 두께, 균일도, 등 전체적으로 검사를 수행한다.
전체적인 외관검사가 종료되면, 수지보강층(130)의 외면에 UV차단성과 난연성을 갖는 도료를 도포하여 경화시키는 형태로 UV차단난연층(150)을 형성한다(S40).
여기서, UV차단난연층(150)은 합성수지로 형성되는 수지보강층(130)이 자외선에 의한 손상을 방지하는 동시에 난연성을 가져 화재에 의해 수지보강층(130)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 UV차단난연층(150)이 형성되면, 원하는 형태로 포장하여 출하할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 일체형 내마모성 복합관(100)과 이의 제조방법은 세라믹코어층(110)을 세라믹 재료로 형성하여 내식성 및 내마모성이 우수하기 때문에 다양한 형태 예컨대, 석탄, 화학물질, 모래, 철가루, 해수 등과 같은 피이송물에 따른 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 세라믹코어층(110)을 일체화된 관의 형상으로 성형하기 때문에 원하는 형태의 관의 형상뿐만 아니라, 피팅류의 형상도 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 대량생산이 용이하고, 이음매부분의 발생을 최소화하여 이음매부분에서의 마모 및 피이송물의 끼임의 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 수지보강층(130)이 합성수지로 형성되기 때문에 무게가 가벼워 시공, 운반 및 시공이 용이할 뿐만 아니라, 제작비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
또한, 수지보강층(130)의 외면에 UV차단난연층(150)이 형성되기 때문에 난연성을 가져 화재에 따른 손상을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 자외선에 의해 수지보강층(130)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 세라믹코어층(110)을 자연 건조할 때, 과수축방지부재(200)를 안착시킨 상태에서 건조하기 때문에 세라믹코어층(110)의 상단과 하단이 불균일한 수축률로 수축되어 성형불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 세라믹코어층(110)을 열처리할 때, 세라믹코어층(110)과 동일한 함수율을 갖는 세라믹 재료에 의해 변형방지부재(300)를 형성하고, 변형방지부재(300)를 세라믹코어층(110)의 양단에 끼워 설치하는 형태로 열처리함으로써, 세라믹코어층(110)의 양단이 서로 다른 수축률로 수축되어 열처리 불량이 발생하는 것을 최소화 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 세라믹 일체형 내마모성 복합관 110: 세라믹코어층
120: 접합층 130: 수지보강층
135: 섬유 150: UV차단난연층
200: 과수축방지부재 210: 공기유통공
230: 마찰감소부재 300: 변형방지부재
310: 끼움홈 330: 열유통공

Claims (15)

  1. 세라믹 재료에 의해 일체화된 관의 형상으로 성형되는 세라믹코어층,
    상기 세라믹코어층이 용이하게 파손되는 것을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 외면을 둘러 싸며, 합성수지로 형성되는 수지보강층,
    상기 세라믹코어층과 상기 수지보강층의 사이에 위치되어 상기 세라믹코어층에 상기 수지보강층을 접합하는 접합층, 및
    상기 수지보강층을 화재와 자외선에서 보호하도록 자외선 차단과 난연성을 갖는 재료로 형성되는 UV차단난연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지보강층은
    상기 합성수지를 함침시켜 경도를 강화시키기 위한 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 합성수지는
    상기 수지보강층의 경도를 보강하기 위해 상기 합성수지에 혼합되는 보강첨가제를 포함하고,
    상기 보강첨가제는 상기 합성수지의 경화에 따른 수축을 방지하는 수축방지제를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는
    알루미나 파우더와 고령토를 포함한 혼합물인 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹코어층은
    상기 접합층에 의해 상기 수지보강층의 접합성을 향상시키도록 외면을 요철형상으로 면처리하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹코어층은
    상기 세라믹 재료를 관의 형상으로 성형한 상태에서 자연 건조시킬 때, 상기 세라믹코어층의 상단과 하단의 수축률의 차이에 따라 성형불량을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 상단 내주를 지지하는 과수축방지부재를 안착시킨 상태에서 자연 건조시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과수축방지부재는
    상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하며 상기 세라믹코어층의 내주를 지지하도록 상부에서 하부로 갈수록 작아지는 면적을 갖는 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 과수축방지부재는
    상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하도록 상기 세라믹코어층과 상기 과수축방지부재의 사이에 설치되는 마찰감소부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  9. 제1항에 기재된 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법에 있어서,
    상기 세라믹 재료를 관의 형상으로 성형하여 세라믹코어층을 성형하는 단계,
    상기 세라믹코어층의 외면에 접착층을 형성하는 단계,
    상기 접착층의 외면에 상기 합성수지에 의해 수지보강층을 형성하는 단계, 및
    상기 수지보강층의 외면에 자외선 차단과 난연성을 갖는 재료를 도포하여 UV차단난연층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 세라믹코어층을 성형하는 단계는
    상기 관의 형상으로 성형된 세라믹코어층을 자연 건조시키는 단계,
    상기 자연 건조시키는 단계에서 자연 건조된 세라믹코어층을 미리 설정된 온도에서 열처리하는 단계, 및
    상기 열처리하는 단계에서 열처리된 세라믹코어층의 외면에 요철면을 가지도록 면처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 세라믹코어층을 자연 건조시키는 단계는
    상기 세라믹코어층의 상단과 하단의 수축률의 차이에 따라 성형불량을 방지하도록 상기 세라믹코어층의 상단 내주를 지지하는 과수축방지부재를 안착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 과수축방지부재는
    상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하며 상기 세라믹코어층의 내주를 지지하도록 상부에서 하부로 갈수록 작아지는 면적을 갖는 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 과수축방지부재는
    상기 세라믹코어층의 상단이 수축됨에 따라 가압되면서 상부로 슬라이딩 이동하도록 상기 세라믹코어층과 상기 과수축방지부재의 사이에 설치되는 마찰감소부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는
    미리 설정된 온도에서 1차 열처리하는 단계, 및
    상기 1차 열처리하는 단계 이후, 상기 1차 열처리하는 단계의 미리 설정된 온도보다 높은 온도에서 2차 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는
    상기 열처리를 수행할 때 상기 세라믹코어층의 불균일한 수축에 의해 성형불량을 방지하기 위해 상기 세라믹코어층의 양단에 끼워져 지지하는 변형방지부재를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 수지보강층을 형성하는 단계는
    상기 합성수지에 보강첨가제를 혼합하는 단계,
    상기 보강첨가제가 혼합된 합성수지를 상기 접착층에 도포하는 단계,
    상기 접착층에 도포된 합성수지에 섬유를 부착하는 단계, 및
    상기 섬유가 외부에서 보이지 않고 가려지도록 상기 합성수지를 재 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 일체형 내마모성 복합관의 제조방법.
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