KR20220132244A - 연속 소둔 통합형 가스절단기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기는, 가스 점화에 의한 예열 불꽃과 고압산소를 분출하여 강재를 절단하는 절단용 토치와, 상기 강재의 절단방향을 따라 상기 절단용 토치보다 후방에 위치되어 상기 절단용 토치와 함께 이동하면서 상기 강재의 절단부분에 상기 강재의 절단 온도보다 낮은 온도의 화염을 분출하는 연속 소둔 노즐을 포함한다. 이와 같이 본 발명에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기를 이용하면, 절단 직후 바로 후열처리되어 천천히 냉각될 수 있는 장점이 있다.

Description

연속 소둔 통합형 가스절단기{Gas cutting machine with continuous annealing line}

본 발명은 가열불꽃과 고압산소를 분출하여 강재와의 반응열로 강재를 절단하는 가스절단기에 관한 것이다.

일반적으로 가스절단기는 토치를 통해 가스를 공급하여 예열 불꽃을 분출하고 또한 토치 중심에서 고속으로 고압산소를 분출한다. 그러면 예열 불꽃에 의해 강재가 A1변태점 이상의 온도로 예열되어 고속으로 분출되는 고압산소에 의해 절단된다. 가스절단기에 사용되는 가스로는 LPG(엘피지)와 산소를 혼합한 혼합가스가 많이 사용된다. 이 혼합가스가 공기 중 점화되면 붉은색 예열 불꽃이 되고, 이 예열 불꽃이 고압산소와 만나면 고압산소와의 혼합비율에 따라 강한 백색이 된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0042266호(공개일자;2003년5월28일)에는 ‘철강재 절단용 LNG용 토치노즐’이 개시되어 있다. 이 선행특허를 살펴보면, 토치 중앙에 위치한 절단용 고압산소통과노즐과, 고압산소통과노즐의 외부에 원형으로 구성된 연소용가스통과노즐과, 연소용가스통과노즐의 외부에 원형으로 구성된 예열산소통과노즐로 구성되어 절단금속을 산화반응에 적당한 온도까지 예열하여 절단하는 기술이 개시되어 있다.

그러나 도 1을 참조하면, 토치(100)의 팁(101,102,103) 직경이 매우 좁고(예컨대 3mm이하), 고압산소(예컨대 10Mpa)가 고속 분출되기 때문에 강재의 절단부분 주위(100a)에 순간적으로 진공 이젝터(ejector)현상에 의한 압력강하 현상이 발생한다. 진공 이젝터이란, 유체가 좁은 통로를 지날 때는 속도가 빨라지고 압력이 낮아지는 베르누이 정리를 응용한 진공펌프의 일종이다. 이처럼 강재의 절단 직후 주위에 압력강하현상이 발생하면, 강재의 절단부분 주위 공기온도가 순간적으로 떨어지며 또한 공기 중 수증기도 동시에 냉각된다. 이로 인해 강재의 절단부분은 절단 직후 바로 냉각된 수증기를 포함한 주위 공기에 열량을 빼앗기면서 Al변태점 이상의 고온 상태에서 순식간에 급랭하여, 그 결과 강재의 절단부분에 소둔(annealing)처리가 필요한 마르텐사이트 조직이 생성된다. 마르텐사이트란 강재가 A1변태점 이상의 고온에서 급랭될 때 매우 빠른 속도로 핵생성 및 핵성장하는 조직으로서, 탄소합금강에서 생성되는 여러 미세조직 중 가장 단단하고 강하며 연성이 거의 없는 조직으로서, 마르텐사이트 조직이 생성된 강재 그대로는 기계 절삭가공에 불리하여 필연적으로 후처리로서 소둔 작업이 추가적으로 필요하다.

그런데 강재를 이용하여 동일한 크기의 부품이나 정규화된 규격의 제품들을 대량 생산하는 경우에는, 절단 공정 후 작업장을 옮겨 전문설비인 소둔로(annealing furnce)에 의해 대량으로 엄격한 소둔 공정을 진행할 수 있다. 즉 절단 작업 후 소둔로에 절단된 강재를 투입하여 강재의 경화된 절단면을 다시 가열하고 충분한 시간을 들여 서냉한다. 그러나 대부분의 소둔로는 고가이고 대형이며, 숙련된 작업이 요구된다.

따라서 소작업으로 현장에서 바로 강재를 특정 형태로 절단하고 기계 절삭가공을 해야 하는 경우에는 소형 화구를 사용하여 일일이 수작업으로 소둔 처리를 하고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0042266호(공개일자;2003년5월28일)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 절단 직후 급냉을 방지할 수 있도록 연속 가열하여 마르텐사이트 조직의 발생을 방지하거나 그 조직의 성장을 억제할 수 있는 연속 소둔 통합형 가스절단기를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기는, 가스 점화에 의한 예열 불꽃과 고압산소를 분출하여 강재를 절단하는 절단용 토치와; 상기 강재의 절단방향을 따라 상기 절단용 토치보다 후방에 위치되어 상기 절단용 토치와 함께 이동하면서 상기 강재의 절단부분에 상기 강재의 절단 온도보다 낮은 온도의 화염을 분출하는 연속 소둔 노즐;을 포함한다.

또한 상기 절단용 토치 및 상기 연속 소둔 노즐에 각각 연결되어 상기 절단용 토치와 상기 연속 소둔 노즐에 함께 가스와 고압산소를 공급하는 바디를 포함한다.

상기 연속 소둔 노즐은, 상기 바디 또는 상기 절단용 토치에 착탈 가능토록 결합되는 결합부와; 상기 화염이 분출되는 노즐부와; 상기 결합부에 의해 지지되어 상기 절단용 토치에 대하여 상기 화염의 분출 방향을 조정하는 위치조정부; 를 포함할 수 있다.

상기 노즐부는 상기 강재의 절단방향으로 상기 절단용 토치와 일렬 배치되고; 상기 위치조정부는 상기 절단방향으로 상기 절단용 토치와 상기 노즐부의 이격거리를 안내하는 제1방향가이드 및, 상하방향으로 상기 강재로부터 상기 노즐부의 이격거리를 안내하는 제2방향가이드를 포함할 수 있다.

상기 노즐부는 상기 절단방향을 따라 배열된 2개 이상의 노즐팁을 포함할 수 있다.

상기 노즐부는, 상하방향에 대하여 절단방향으로 화염분출기울기 조절이 가능토록 상기 위치조정부에 회전 가능토록 결합된 노즐바디와, 상기 노즐바디의 하측에 방사상으로 배열된 2개 이상의 노즐팁을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기는 절단 직후 급랭으로 인한 강화를 방지하기 위해 강재의 절단부분을 연속으로 일정의 소둔 온도로 가열하기 때문에 강재의 절단부분의 급냉이 차단되고 천천히 냉각(서냉)되어 마르텐사이트 조직 발생이 방지되거나 마르텐사이트 조직의 성장이 억제될 수 있는바, 이처럼 절단 직후 급냉 전에 바로 후열처리됨으로써 별도로 하던 소둔 공정이 생략될 수 있고, 소둔 온도에 신속하게 다다를 수 있어 시간, 공간, 인력 및 에너지를 절감할 수 있는 현저한 경제적인 효과를 거둘 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기는 주된 작동 메커니즘이 가열인 절단공정과 소둔공정을 통합하여 단일화함으로써 가스 및 고압산소를 공급하는 바디가 공용되고, 연속 소둔 노즐이 절단용 토치와 함께 결속하여 일체로 이동되는바, 종전 가스절단기 구성에 연속 소둔 노즐만 추가적 조립하면 되므로 중복 구성이 생략되어 소형화 및 경제적 측면에서 유리하고, 기존 가스절단기와 쉽게 호환될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 가스절단기의 절단시 진공이젝터현상을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연속 소둔 노즐의 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 연속 소둔 노즐의 측면도이다.
도 5는 SM45C의 경우, TTT곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6의 가스절단기에 의해 절단 및 소둔처리된 강재의 절단면 확대도이고, (b)는 비교예로써 급냉시 마르텐사이트 조직 확대도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기는, 바디(10)와, 절단용 토치(20)와, 연속 소둔 노즐(30)을 포함한다.

바디(10)는 절단용 토치(20) 및 연속 소둔 노즐(30)에 (혼합)가스 및 고압산소를 공급할 수 있도록, 가스통과, 고압산소통과, 유량 및/또는 압력조절기, 밸브(12) 등이 구비된다. 바디(10)는 강재의 절단방향(화살표 D1)을 안내하는 가이드 레일 위에 이동 가능토록 설치될 수 있다. 바디(10)의 밸브(12)는 가스통과 고압산소통의 온/오프(on/off)을 조절하는 것으로, 가스통 및 고압산소통이 절단용 토치(20) 및 연속 소둔 노즐(30)에 공유될 수 있도록 절단용 토치(20)와 연속 소둔 노즐(30)과 호스(14) 등으로 연결될 수 있다.

한편 바디(10)에는 절단용 토치(20)를 구조적으로 지지할 수 있도록 바디(10)의 외측으로부터 절단용 토치(20)를 향해 돌출된 행거(16)가 구비될 수 있다. 행거(16)는 강재의 절단방향(화살표 D1)에 대하여 수직방향인 좌우방향(화살표 D2)으로 바디(10) 옆에 절단용 토치(20)가 나란히 위치되도록 좌우방향(화살표 D2)으로 길게 설치되는 봉 형태로 구비될 수 있다.

절단용 토치(20)는 행거(16) 일측에 고정될 수 있다. 절단용 토치(20)는 바디(10)로부터 가스 및 고압산소가 공급될 수 있도록 바디(10)의 밸브(12)와 호스(14) 등을 통해 연결된다. 따라서 절단용 토치(20)는 바디(10)로부터 가스를 공급받아서 가스 점화에 의한 예열 불꽃을 강재 상측에서 강재의 절단부분에 분출하여 강재의 절단부분을 예열하고, 바디(10)로부터 공급된 고압산소를 예열된 강재의 절단부분으로 분출하여 강재를 절단한다.

연속 소둔 노즐(30)은 강재의 절단부분이 절단 직후 천천히 냉각될 수 있도록 강재의 절단 직후 연속으로 강재의 절단부분에 강재의 절단 온도보다 낮은 소둔 온도의 화염을 분출한다. 연속 소둔 노즐(30)에서는 절단용 토치(20)와 마찬가지로 화염이 분출되되, 가스량 및 고압산소량, 그 혼합비율, 압력 등이 다르게 설정됨으로써 절단용 토치(20)보다는 낮은 온도의 화염이 분출될 수 있다.

연속 소둔 노즐(30)은 절단 직후 연속으로 소둔 공정이 진행될 수 있도록 강재의 절단방향(화살표 D1)을 따라 절단용 토치(20)보다 후방에 강재의 절단방향(화살표 D1)으로 일렬로 위치되는 것이 바람직하다. 연속 소둔 노즐(30)은 절단 공정과 소둔 공정이 일정하게 연속으로 이루어질 수 있도록 절단용 토치(20)와 함께 바디(10)에 결합되어 일체로 강재의 절단방향(화살표 D1)을 따라 이동하는 것이 바람직하다. 이러한 연속 소둔 노즐(30)은 결합부(40)와, 노즐부(50)와, 위치조정부(60,70)를 포함할 수 있다.

결합부(40)는 바디(10) 또는 절단용 토치(20)가 착탈 가능토록 결합될 수 있게 클램프 구조로 이루어질 수 있다. 예컨대 결합부(40)는 절단용 토치(20)와 함께 행거(16)에 착탈 가능토록 결합될 수 있다.

노즐부(50)는 강재를 향해 소둔 공정 진행을 위한 화염을 분출한다. 노즐부(50)는 노즐바디(52)와, 노즐팁(54,55)을 포함할 수 있다. 노즐바디(52)는 위치조정부(60,70)에 결합되어 노즐팁(54,55)을 지지한다. 노즐바디(52)에는 소둔 온도 등을 조절할 수 있도록 노즐팁(54,55)과 연결된 압력/유량조절기, 온도계 등이 구성될 수 있다. 한편 노즐바디(52)는 화염분출기울기 조절이 가능토록 위치조정부(60,70)에 회전 가능토록 결합될 수 있다. 즉 노즐바디(52)는 다이얼처럼 좌우방향을 축으로 회전될 수 있으며(화살표 D4), 이에 따라 노즐팁(54,55)이 상하방향(화살표 D3)으로 수직하게 배치되거나 상하방향(화살표 D3)에 대하여 절단방향(화살표 D1)에 대응되는 전후방향으로 일정 각도 경사지게 배치될 수 있다. 노즐팁(54,55)은 충분한 시간동안 소둔 공정이 진행될 수 있도록 노즐바디(52)의 하측에 방사상으로 2개 이상 배열될 수 있다. 이에 따라 2개 이상의 노즐팁(54,55)이 전후방향으로 일렬배열되어 강재의 절단공정영역보다 소둔공정영역이 전후방향으로 더 길게 확보될 수 있어 소둔공정시간이 충분히 확보될 수 있고, 다각도로 화염분출기울기 조절이 가능하다.

위치조정부(60,70)는 결합부(40)에 의해 지지되어 절단용 토치(20)에 대하여 화염의 분출 방향을 조정한다. 즉 위치조정부(60,70)는 제1방향가이드(60) 및 제2방향가이드(70)를 포함할 수 있다.

제1방향가이드(60)는 절단방향(화살표 D1)에 대응되는 전후방향으로 절단용 토치(20)와 노즐부(50)의 이격거리를 조정한다. 구체적으로 제1방향가이드(60)는 결합부(40)에 연결되며 결합부(40)로부터 후방으로 길게 설치되는 가이드 봉(62)과, 가이드 봉(62)의 하측부에 일체로 구성되며 제2방향가이드(70)가 전후방향으로 이동 가능토록 치합될 수 있게 전후방향으로 배열된 랙기어(64)를 포함할 수 있다. 또한 가이드 봉(62)의 좌,우측면 중 적어도 어느 한쪽에는 제2방향가이드(70)가 전후방향으로 이동 가능토록 끼움 결합되는 가이드홈(62a)이 형성될 수 있다.

제2방향가이드(70)는 상하방향(화살표 D3)으로 강재로부터 노즐부(50)의 이격거리를 조정한다. 제2방향가이드(70)는 제1방향가이드(60)와 전후방향으로 이동 가능토록 결합되는 클램프(72)와, 노즐부(50)의 상하 이동을 안내하는 가이드 레일(74)과, 노즐부(50)와 연결되며 가이드 레일(74)에 상하 이동 가능토록 결합되는 슬리브(76)를 포함할 수 있다. 클램프(72)는 가이드 봉(62)에 전후방향으로 끼워지며 볼트에 의해 가이드 봉(62)에 고정되도록 조여지거나 가이드 봉(62)에 대하여 전후 이동 가능토록 헐겁게 걸쳐질 수 있다. 클램프(72)에는 클램프(72) 내측에 랙기어(64)와 치합되어 회전될 수 있는 피니언기어(미도시)가 구비될 수 있다. 클램프(72)의 외측에는 피니언기어의 회전축과 결합되어 피니언기어를 회전시키는 다이얼(73)이 구성될 수 있다. 가이드 레일(74)은 클램프(72) 하측에 일렬로 배열되며, 상하방향(화살표 D3)으로 긴 봉 형태로 클램프(72)와 일체로 형성될 수 있다. 가이드 레일(74)에는 슬리브(76)를 중심으로 더블너트(78,79)가 상하 이격되어 체결될 수 있도록 나사산이 형성될 수 있다. 슬리브(76)는 가이드 레일(74)의 외측에 상하 이동 가능토록 끼워지는 관 구조로 이루어질 수 있다. 슬리브(76)의 일측에는 노즐바디(52)가 좌우방향(화살표 D2)을 축으로 회전 가능토록 결합될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 소둔 통합형 가스절단기에 대한 작용효과를 상세히 설명하면, 다음과 같다.

절단용 토치(20)에 의해 강재가 절단되면, 그 강재의 절단부분은 바로 직후 절단용 토치(20)의 후방에 일렬 배치된 연속 소둔 노즐(30)에 의해 연속으로 후열처리된다. 이때 연속 소둔 노즐(30)에 의한 소둔공정은 연속 소둔 노즐(30)에서 분출되는 화염의 세기, 화염분출각도, 화염분출범위, 절단용 토치(20)와의 이격거리 등이 조절될 수 있어 능동적으로 제어될 수 있다.

즉 도 5에 도시된 강재 중 하나인 SM45C의 TTT곡선을 살펴보면, 1번 적색선의 경우 0.1초 만에 150℃로 급랭된 경우이고, 2번 녹색선의 경우 0.25초 만에 250℃로 급랭된 경우, 3번 청색선의 경우 0.5초 만에 300℃로 급랭한 경우로서, 위 3가지 급랭 곡선이 보여주는 바와 같이 모두가 마르텐사이트조직이 생성되는 반면, 4번 황색선은 600℃에서 1분~30분 가량 서냉하여 가공성이 좋은 퍼얼라이트조직으로 변화하는 경로를 보여주고 있다.

본 발명의 경우, 상기와 같은 TTT곡선을 참조하여 강재의 절단부분이 급냉하지 않고 서냉될 수 있도록 연속 소둔 노즐(30)에 의한 소둔공정환경을 최적 상태로 제어할 수 있다.

따라서 종래의 경우, 강재의 절단부분은 진공이젝터현상에 의해 주위 공기온도가 순간적으로 떨어지고 또한 공기 중 수증기도 동시에 냉각됨에 따라 매우짧은 시간에 상온으로 급냉되었다. 그러나 본 발명의 경우, 강재의 절단부분에는 절단 직후 바로 근접 유효한 거리에서 연속 소둔 노즐(30)로부터 화염이 분출되기 때문에 절단용 토치(20)에 의한 진공이젝터현상에 의한 급랭이 차단되고 종래보다 오랜시간동안 높은 온도로 보온되어 천천히 냉각될 수 있다.

이에 따라 강재의 절단면에는 마르텐사이트조직의 발생이 방지되거나 최소화될 수 있고, 발생된 마르텐사이트조직의 성장이 억제될 수 있다. 도 6을 참조하면, 강재 중 하나인 SM45C 판재의 절단면을 400배로 확대한 것으로, 도 6의 (a)에 나타난 바와 같이 본 발명의 가스절단기에 의해 서냉된 경우 페라이트와 펄라이트조직이 발생될 수 있지만, 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이 종전과 같이 급냉된 경우에는 확연하게 마르텐사이트조직이 생성된 것을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10; 바디 20; 절단용 토치
30; 연속 소둔 노즐 40; 결합부
50; 노즐부 52; 노즐바디
54,55; 노즐팁 60; 제1방향가이드
70; 제2방향가이드

Claims (5)

1. 가스 점화에 의한 예열 불꽃과 고압산소를 분출하여 강재를 절단하는 절단용 토치와;
   상기 강재의 절단방향을 따라 상기 절단용 토치보다 후방에 위치되어 상기 절단용 토치와 함께 이동하면서 상기 강재의 절단부분에 상기 강재의 절단 온도보다 낮은 온도의 화염을 분출하는 연속 소둔 노즐;
   을 포함하는 연속 소둔 통합형 가스절단기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 절단용 토치 및 상기 연속 소둔 노즐에 각각 연결되어 상기 절단용 토치와 상기 연속 소둔 노즐에 함께 가스와 고압산소를 공급하는 바디를 포함하는 연속 소둔 통합형 가스절단기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 연속 소둔 노즐은,
   상기 바디 또는 상기 절단용 토치에 착탈 가능토록 결합되는 결합부와;
   상기 화염이 분출되는 노즐부와;
   상기 결합부에 의해 지지되어 상기 절단용 토치에 대하여 상기 화염의 분출 방향을 조정하는 위치조정부;
   를 포함하는 연속 소둔 통합형 가스절단기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐부는 상기 강재의 절단방향으로 상기 절단용 토치와 일렬 배치되고;
   상기 위치조정부는 상기 절단방향으로 상기 절단용 토치와 상기 노즐부의 이격거리를 안내하는 제1방향가이드 및, 상하방향으로 상기 강재로부터 상기 노즐부의 이격거리를 안내하는 제2방향가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 소둔 통합형 가스절단기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 노즐부는,
   상하방향에 대하여 절단방향으로 화염분출기울기 조절이 가능토록 상기 위치조정부에 회전 가능토록 결합된 노즐바디와;
   상기 노즐바디의 하측에 방사상으로 배열된 2개 이상의 노즐팁을 포함하는 연속 소둔 통합형 가스절단기.

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