WO2010150935A1 - 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치 - Google Patents

중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치 Download PDF

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WO2010150935A1
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WO
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air
heat treatment
unit
heat
coupled
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PCT/KR2009/003731
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강우석
김창기
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(주) 평산
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Definitions

  • the present invention relates to a hollow tube-shaped heat-treatment rapid air cooling apparatus, and more particularly, a hollow tube-shaped heat-treatment rapid air cooling to normalize by injecting air to the inner and outer circumferential surface of the large forged product of the hollow tube shape to rapid cooling Relates to a device.
  • the heat treatment method When the heat treatment method is largely divided, it is possible to remove the segregation and residual stress after casting or forging, and to homogenize or soften the annealing and crystal grains for the purpose of softening to improve mechanical properties and machinability. It can be divided into normalizing, quenching for hardening, and tempering for toughening.
  • normalizing is a heat treatment method that refines grains to increase strength, makes uniform austenite state when reheating for quenching or annealing, and removes segregation present in castings or forgings.
  • a method of heating to an austenite range a temperature of 30 to 50 ° C. higher than the A3 or Acm point
  • gradually cooling in the air or blowing is used.
  • large ring products in the form of hollow tubes used as flanges for wind towers are produced by forging treatment.
  • slabs or ingots are cut and heated to the size of the product, and then pressed.
  • the first forging is carried out to produce rough shaping.
  • the heat is re-heated to perform secondary forging to determine dimensions and shapes, and to perform heat treatment such as normalizing, quenching, and tempering to homogenize the structure and secure mechanical properties.
  • 1 is a continuous cooling transformation graph showing a cooling state in the conventional normalizing heat treatment.
  • the present invention has been made to solve the above problems is an object of the present invention by uniformly spraying air to the inner and outer circumferential surface of the large forging of the hollow tube shape to enable uniform rapid cooling and excellent cooling efficiency heat treatment of the hollow tube shape To provide a water rapid air cooling system.
  • Another purpose is to control the air spraying amount and the spraying time according to the surface temperature of the normalizing heat treatment product so that transformation occurs to ferrite and pearlite at low temperature, so that the hollow tube-shaped heat treatment product rapid air can form fine crystal grains of the secondary structure. It is to provide a cooling device.
  • the present invention for achieving the above object is a cooling device for cooling the heat treatment of the heat-treated hollow tube shape, the air supply unit for supplying high-pressure air; An external injection unit installed outside the heat treatment material and spraying air supplied from the air supply unit to an outer circumferential surface of the heat treatment material; An internal blower installed at a lower side of the heat treatment material to blow air to the inner circumferential surface of the heat treatment material; Elevating means for elevating the outer spray unit from the upper side of the heat treated product so that the heat treated material is accommodated in the outer spray unit; And a control unit for controlling the injection amount and the injection time of the air injected and blown from the external injection unit and the internal blowing unit.
  • the external injection unit may include a horizontal injection pipe having a plurality of annular pipes in which air flows, a plurality of vertical injection pipes vertically coupled to the horizontal injection pipe, and the horizontal injection pipe and the vertical injection pipe. It is characterized by consisting of a nozzle for injecting air.
  • the outer injection portion is provided with a cylindrical frame body of which a plurality of polygonal or annular ring members are arranged up and down and the bar member is vertically coupled to the ring member, and are set up at regular intervals along the outer side of the frame body from the air supply unit.
  • the internal blower is a blower for blowing air, a duct coupled to the blower and installed below the heat treatment material and guides the air to the inner circumferential surface of the heat treatment material, and the blowing angle of the air provided in the upper end of the duct Characterized in that the blowing angle adjustment means for adjusting the.
  • the blowing angle adjusting means has a plurality of hinge members coupled to the upper end of the duct at regular intervals along the rim, a plurality of adjusting pieces are pivotally coupled to each of the hinge members, and the adjustment It is characterized by consisting of a drive cylinder coupled to any one of the pieces to drive to rotate.
  • the elevating means is a plurality of guides installed upright outside the external injection unit, a lifting support inserted into each of the guides and coupled to the outside of the external injection unit, a motor installed above the external injection unit, and one side A chain coupled to the upper portion of the external injection portion and the other side is wound around the motor, and a weight balancing coupled to the chain end extending from the motor, characterized in that the external injection portion is lifted by the driving of the motor.
  • the motor is controlled to rotate forward or reverse by the control unit
  • the external injection unit is characterized in that the oscillation (oscillation) along the guide.
  • the effect of the present invention by the above-described configuration is because the high-pressure air is evenly sprayed on the entire inner and outer circumferential surface of the large forging of the hollow tube shape, it is possible to rapidly cool the entire uniform, so the cooling efficiency is very excellent.
  • the cooling rate can be controlled according to the surface temperature of the heat-treated material, the crystal grains are finely formed since the transformation to ferrite and pearlite at low temperature can improve mechanical properties such as tensile strength and low temperature impact characteristics.
  • 1 is a continuous cooling transformation graph showing a cooling state in the conventional normalizing heat treatment.
  • Figure 2 is a front view showing a rapid heat treatment of the heat treatment material of the hollow tube shape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side view of the present invention shown in FIG.
  • Figure 4 is a perspective view showing an embodiment of the external injection unit of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing the structure of the blowing angle adjusting means of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing an external injection unit of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 8 is a continuous cooling transformation graph showing a cooling state during the heat treatment according to the present invention.
  • Figure 2 is a front view showing a rapid heat treatment of the heat treatment material of the hollow tube shape according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a side view of the present invention shown in FIG.
  • the air supply unit 10 As shown in the present invention, the air supply unit 10, the external injection unit 20, the internal blower unit 30, the lifting unit 40, and the control unit may be formed.
  • the air supply unit 10 has a compressor 12 for compressing air at high pressure as shown, a hose 14 connecting the compressor 12 and an external injection unit 20 to be described later, and It may be configured as a valve 16 to open and close the air supplied through the hose 14 or to adjust the flow rate. That is, the air compressed by the compressor 12 is supplied to the external injection unit 20 to be described later through the hose 14, and the opening and closing is controlled by the controller 16, which is controlled by the valve 16. Controlled.
  • FIGS. 2, 3, and 4. 4 is a perspective view showing an embodiment of an external injection unit of the present invention.
  • the external injection unit 20 is to cool by spraying air to the outer peripheral surface of a large heat-treated forging (hereinafter 'heat treatment') of the hollow tube shape, the structure of the external injection unit 20 of the heat treatment (w)
  • the horizontal injection pipe 22 having a pipe-shaped annular shape to surround the outer circumferential surface and a plurality of stacked and arranged at a predetermined interval up and down, and the horizontal injection pipe 22 to be fixed at regular intervals up and down and the horizontal so as to communicate with each other It consists of a straight pipe-shaped vertical injection pipe 23 vertically coupled to the injection pipe 22, and a plurality of nozzles 24 formed at equal intervals on the horizontal injection pipe 22 and the vertical injection pipe 23. .
  • This shape is to obtain a uniform cooling rate by spraying the air evenly on the surface of the heat treatment material (w) of the hollow tube shape, the nozzles 24 are respectively directed toward the outer peripheral surface of the heat treatment material (w) And the inside of the vertical injection pipe (23).
  • the spray angle of the nozzle 24 can be adjusted, as well as to enable the detachable to facilitate the replacement.
  • holes are formed on the horizontal injection pipe 22 and the vertical injection pipe 22b, and each nozzle 24 is fixed to each hole by screwing. Will be common, but is not limited to such.
  • any one of the horizontal injection pipe 22 or the vertical injection pipe 23 is connected to the hose 14 is supplied with air from the air supply unit (10).
  • the hollow tube-shaped heat-treated material (w) is accommodated inside the external injection unit 20 and uniformly cooled by spraying air evenly on the outer circumferential surface. Can be performed.
  • FIGS. 2, 3, and 5. 5 is a plan view showing the structure of the blowing angle adjusting means of the present invention.
  • the inner blower 30 is configured to induce cooling by blowing air to the inner circumferential surface of the heat treatment material (w), it may be composed of a blower 32, duct 34 and the blowing angle adjusting means (36).
  • the blower 32 is a well-known machine for blowing air, such as a blower (blower), as shown in Figures 2 and 3, the blower 32 is coupled to the circular pipe-shaped duct 34 is the blower 32
  • the upper end of the duct 34 to prevent the diffusion of air discharged from the duct 34 and to accurately guide the air to the inner circumferential surface of the heat treatment material (w) and the blowing angle corresponding to the diameter of the heat treatment material (w) Blowing angle adjusting means 36 that can be blown by is coupled.
  • the blowing angle adjusting means 36 is coupled to the plurality of hinge members 36a at regular intervals along the upper edge of the duct 34, the plate-shaped adjusting piece (36b) to each of the hinge members (36a) Rotably coupled, the driving cylinder (36c) is connected to any one of the plurality of control pieces (36b) is a structure that can rotate the control piece (36b).
  • the adjusting piece 36b is arranged along the edge of the duct 34, such as a camera aperture, and overlaps with a portion overlapping with the adjacent adjusting piece 36b.
  • the lifting means 40 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the external injection part 20 is positioned above the heat treatment material w and is transported up and down.
  • the guide 42 installed upright on both sides of the external injection unit 20, and the lifting support which is fixed to the outside of the external injection unit 20 and can be vertically slid in the state inserted into the guide 42 ( 44, the motor 46 installed on the external injection unit 20, a chain 48 and a weight balancing 49 coupled to the external injection unit 20.
  • Lifting of the external injection unit 20 is made along the guide 42, the guide 42 induces the lifting by the rail method, using the motor 46 for lifting, the motor 46 ) Is a state in which forward and reverse rotation are possible by the control unit described later, and the chain 48 is wound.
  • One end of the chain 48 is coupled and fixed to the upper portion of the external injection unit 20, and the other end is coupled to the weight balancing 49 corresponding to the weight via the motor 46.
  • the entire external injection unit 20 can be moved up and down by the driving of the motor 46. At this time, when the weight balancing 49 acts as a weight, the external injection unit 20 rises. If it is going up, the external injection unit 20 will be lowered.
  • the motor 46 is controlled by the control unit to oscillate the external injection unit 20 (oscillation).
  • the external injection unit 20 may be repeatedly moved up and down at a predetermined interval. This is because the air injected from the nozzle 24 is radially spread, so the amount injected on the surface of the heat treatment material (w) is different for each point. Therefore, as described above, when oscillation is applied, air may be evenly sprayed on the surface of the heat treatment material w.
  • the controller controls the amount of air supplied through the hose 14 from the air supply unit 10 to control the amount of air injection and the injection time that are injected through the nozzle 24 to the optical temperature sensor (not shown). And a computer (not shown) in which the program is embedded.
  • the optical temperature sensor is a sensor for measuring the temperature of the surface of the object, the sensor is installed and measured without contacting the object and is a known configuration. It is installed at a certain distance from the heat treatment (w) to measure the temperature.
  • the computer is programmed therein to control the injection amount and the injection time of the air according to the temperature measurement value of the heat treatment product w measured by the optical temperature sensor.
  • control is performed to increase the air injection amount and injection time and to appropriately reduce the injection amount and injection time when slow cooling is required. It is also programmed to determine the injection amount and the injection time according to the shape, size and type of the heat treatment product w.
  • Such control is possible by opening or closing the valve 16 of the air supply unit 10 or adjusting the supply amount, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the air is injected into the heat treatment material (w) from the external injection unit (20) and the internal blower (30) above the external injection unit (20) to cool and inhale and discharge a large amount of hot air generated.
  • Exhaust port 70 and exhaust blower 80 is preferably further provided to be recycled to other heat exchangers.
  • FIG. 6 is a plan view showing another preferred embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a plan view showing an external injection unit of the present invention shown in FIG.
  • Another embodiment of the external injection unit 20 may be composed of a frame body 26, a supply pipe 27, the air injection port 28, the frame body 26 is arranged horizontally in a polygon or annular shape A plurality of ring members (26a) are arranged at a predetermined interval up and down, and a bar-shaped bar member is vertically coupled to each of the ring members (26a) to fix each ring member (26a) up and down ( 26b). Accordingly, the frame 26 as a whole is cylindrical in shape having a lattice.
  • a plurality of supply pipes 27 are erected at regular intervals along the outer circumference of the frame 26.
  • the supply pipe 27 is in the form of a passage through which air passes and the air supply unit 10 for supplying air to the lower side is coupled to each.
  • a plurality of air injection holes 28 are coupled to the inside of the supply pipe 27 up and down, and the air injection holes 28 heat-process the air supplied through the supply pipe 27.
  • the outlet is open to spray on the outer circumferential surface of w).
  • the outlet of the air injection port 28 is coupled to the outer surface of the frame 26 to be fixed and has a shape in which the cross-sectional area is enlarged so as to uniformly reach the surface of the heat treatment product (w) by expanding the injected air.
  • the air supplied from the air supply unit 10 is dividedly supplied to the air injection holes 28 through the supply pipes 27, and subsequently is injected from the air injection holes 28 so that the outer circumferential surface of the heat treatment product w is provided. Cool down.
  • the continuous cooling transformation diagram is a graph showing the cooling state of the heat treated material with temperature as a time graph showing the time of transformation according to the cooling path.
  • the heat treatment material (w) is heated to 900 ° C or more to austenite the tissue, and then installed below the external injection portion (20). Then, the lifting means 40 is operated so that the external injection unit 20 is lowered so that the heat treatment material w is accommodated in the external injection unit 20.
  • the optical temperature sensor senses the temperature of the heat treatment material (w) and determines the air injection amount and the injection time as programmed in the computer and outputs the electrical signal by the operation of the valve 16, the air is the hose ( 14 is supplied to the external injection unit 20 at high pressure.
  • the air introduced into the external injection unit 20 is supplied to the horizontal injection pipe 22 and the vertical injection pipe 23 and injected through the nozzle 24 or through the supply pipe to the air injection hole 28. It is supplied and sprayed toward the heat treatment product w.
  • the blower 32 is operated to blow air through the duct 34, and the adjusting piece 36b is rotated by the driving cylinder 36c so as to match the diameter of the heat treatment product w. Adjust
  • the inclination of the control piece 36b is decreased to increase the diffusion degree of air blown through the duct 34, and when the diameter is small, the inclination of the control piece 36b is increased. Air can be accurately blown to the inner peripheral surface of the heat treatment (w).
  • the heat-treated material (w) should be sprayed lightly so that it is slow cooled. If a large amount of air is quenched and rapidly quenched, this prevents the transformation of martensite tissue. Should be.
  • the air is continuously sprayed lightly to about 1000 s to maintain a constant temperature. Because large forgings have a thick thickness, unlike the surface, the inside is not cooled quickly and is warmer than the surface. Therefore, if the air is not injected, the temperature of the surface may rise again, so that the computer is maintained at a temperature between 550 °C and 600 °C. Inject air as appropriate. As a result, transformation occurs not only on the surface but also inside.
  • transformation occurs at low temperature to obtain fine grain of steel, which is superior in tensile strength or toughness than steel obtained by transformation at high temperature while being slowly cooled in the air.
  • the low temperature impact test represents a test in which the 'V' notch test piece is cooled to -40 ° C. and subjected to an impact.
  • the hollow tube-shaped heat-treatment material when heat treating (normalizing) a large forging product having a hollow tube shape, can improve mechanical properties by spraying air on the inner and outer circumferential surfaces and controlling the cooling rate by a computer. It is to provide a rapid air cooling device and what is described with reference to the drawings is only one embodiment, the true technical protection scope of the present invention will be determined by the claims.
  • the present invention can be used in a hollow tube-shaped heat-treatment rapid air cooling device, more specifically, a hollow tube-shaped heat-treatment rapid air to normalize by injecting air to the inner and outer circumferential surface of a large forged product of the hollow tube shape to perform rapid cooling It is available for chillers.

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Abstract

본 발명은 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치에 관한 것으로서, 상세하게는 열처리된 중공관 형상의 열처리물을 냉각시키는 냉각장치에 있어서, 고압의 에어를 공급하는 에어공급부와; 열처리물의 외측에 설치되어 상기 에어공급부에서 공급된 에어를 열처리물의 외주면에 분사하는 외부분사부와; 열처리물의 하측에 설치되어 에어를 열처리물의 내주면으로 송풍하는 내부송풍부와; 상기 외부분사부의 내부에 열처리물이 수용되도록 상기 외부분사부를 열처리물 상측에서 승강시키는 승강수단과; 상기 외부분사부와 내부송풍부에서 분사되고 송풍되는 에어의 분사량, 분사시간을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이에 의하면 중공관 형상의 대형 단조품의 내외주면 전체에 골고루 고압의 에어가 분사되므로 전체적으로 균일하게 급속냉각이 가능하여 냉각효율이 매우 우수할 뿐 아니라 열처리물의 표면온도에 따라 냉각속도 제어가 가능하므로 저온에서 페라이트 및 펄라이트로의 변태를 유도하기 때문에 결정입자가 미세하게 형성되어 인장강도나 저온충격특성 등과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치
본 발명은 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중공관 형상의 대형 단조품 내외주면에 에어를 분사하여 급속냉각시킴으로써 노멀라이징을 실시하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치에 관한 것이다.
열처리 방법을 크게 구분하면 주조나 단조 후의 편석 및 잔류응력 등을 제거하여 균질화시키거나 또는 연화(軟化)를 목적으로 하는 어닐링(annealing), 결정립을 미세화하여 기계적 성질이나 피삭성을 향상시키기 위한 노멀라이징(normalizing), 경화(硬化)를 위하여 행하는 켄칭(quenching), 그리고 강인화를 위한 템퍼링(tempering) 처리 등으로 나눌 수 있다.
이 가운데 노멀라이징은 결정립을 미세화시켜서 강도증가를 꾀하고, 켄칭이나 어닐링을 위한 재가열시에 균일한 오스테나이트 상태로 만들어 주며, 주조품이나 단조품에 존재하는 편석을 제거하여 균일한 조직을 만들어 주는 열처리 방법으로서 보통 오스테이나이트 범위(A3 또는 Acm점보다 30∼50℃ 정도 높은 온도)로 가열하고 서서히 대기 중에서 냉각하거나 송풍하여 냉각하는 방법을 사용한다.
특히, 풍력타워용 플랜지 등으로 쓰이는 중공관 형상의 대형 링(ring) 제품은 단조처리하여 생산하게 되는데, 일반적으로 슬라브(slab) 또는 잉곳(ingot)을 제품의 크기에 맞추어 절단하고 가열한 후 프레스에서 1차 단조를 실시하여 황지(rough shaping)를 만든다. 다음으로 황지를 재가열하여 2차 단조를 실시하여 치수와 형상을 결정하고 노멀라이징, 켄칭, 템퍼링 등의 열처리를 실시함으로써 조직을 균질화하고 기계적 특성을 확보한다.
이때 상기와 같은 대형 링 단조품을 노멀라이징에 의해 열처리하고 냉각시킬 때 통상적으로 대기 중에서 공랭시키기 때문에 몇 가지 문제점이 있다.
도 1은 종래 노멀라이징 열처리시 냉각상태를 나타내는 연속냉각변태 그래프이다.
도시된 바와 같이 시간에 대해 비례적으로 서서히 온도가 감소하므로 오스테나이트(austenite)로부터 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(pearlite)와 같은 2차 조직으로의 변태는 매우 높은 온도(800℃ 이상)에서 일어나므로 조직의 결정입자가 커지게 된다. 이로 인해 노멀라이징이 완료된 제품의 인장강도나 저온충격특성 등의 기계적 성질이 다소 저하된다.
상기와 같은 문제해결을 위해 송풍장치를 이용하여 어느 정도 급속냉각시킨 후 낮은 온도에서 페라이트 및 펄라이트 변태를 유도할 수는 있으나, 상기의 방법은 부품, 강판, 공구 등과 같은 소형 단조품에는 적합하나 대형의 링 단조품은 보통 직경이 5 ~ 6m 이상이고 두께가 두꺼워 단위질량당 표면적이 판재에 비해 상대적으로 작기 때문에 송풍장치로는 급속냉각이 어렵다. 왜냐하면 표면은 급속냉각되지만 중심부는 서냉되므로 표면과 내부를 동시에 저온으로 냉각시켜 저온에서 변태가 일어나도록 하기는 어렵다.
이러한 문제 때문에 종래의 냉각장치 가운데 표면에 물을 분사하여 급속냉각시키는 장치가 있지만 이러한 장치를 사용하면 오히려 표면만 급랭되어 표면에 마르텐사이트(martensite) 조직이 생성되기 때문에 원하는 기계적 특성을 도리어 해칠 가능성이 있고 정밀한 물 분사량, 분사시간 및 냉각속도의 제어가 어렵다.
뿐만 아니라 중공관 형상의 제품의 경우 내주면에는 물이 분사되지 않아 냉각효율이 낮은 단점이 있다.
또 내주면까지 물을 분사하여 냉각하더라도 열처리물의 내부와 외부의 냉각온도나 속도의 차이로 인해 냉각 후 잔류응력이 생기는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 중공관 형상의 대형 단조품의 내외주면에 에어를 균일하게 분사하여 균일한 급속냉각이 가능하고 냉각효율이 우수한 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 노멀라이징 열처리물의 표면온도에 따라 에어 분사량 및 분사시간을 제어하여 저온에서 페라이트 및 펄라이트로 변태가 일어나게 함으로써 2차 조직의 결정입자를 미세하게 형성할 수 있는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열처리된 중공관 형상의 열처리물을 냉각시키는 냉각장치에 있어서, 고압의 에어를 공급하는 에어공급부와; 열처리물의 외측에 설치되어 상기 에어공급부에서 공급된 에어를 열처리물의 외주면에 분사하는 외부분사부와; 열처리물의 하측에 설치되어 에어를 열처리물의 내주면으로 송풍하는 내부송풍부와; 상기 외부분사부의 내부에 열처리물이 수용되도록 상기 외부분사부를 열처리물 상측에서 승강시키는 승강수단과; 상기 외부분사부와 내부송풍부에서 분사되고 송풍되는 에어의 분사량, 분사시간을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 외부분사부는 에어가 유동되는 환형의 관이 상하로 복수개 배열된 수평분사관과, 상기 수평분사관에 각각 수직으로 결합되는 복수개의 수직분사관과, 상기 수평분사관과 수직분사관에 구비되어 에어를 분사하는 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또 상기 외부분사부는 다각형 또는 환형의 링부재가 상하로 복수개 배열되고 상기 링부재에 바부재가 수직으로 결합된 원통형의 프레임체와, 상기 프레임체의 외측을 따라 일정 간격으로 세워져 설치되고 상기 에어공급부로부터 에어가 공급되는 복수개의 공급관과, 일측이 상기 공급관을 따라 상하로 결합되고 타측이 상기 프레임체의 외면에 결합되어 상기 공급관에서 공급되는 에어를 열처리물의 외주면에 분사하는 에어분사구로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 내부송풍부는 에어를 송풍하는 송풍기와, 상기 송풍기에 결합되고 상기 열처리물 하측에 설치되며 에어를 유도하여 열처리물의 내주면으로 송풍하는 덕트와, 상기 덕트 상단에 구비되어 송풍되는 에어의 송풍각을 조절하는 송풍각조절수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 송풍각조절수단은 상기 덕트 상단에 테두리를 따라 일정간격으로 결합되는 복수개의 힌지부재와, 평판형상을 가지고 상기 각 힌지부재에 회동가능하게 결합되는 복수개의 조절편과, 상기 조절편 중 어느 하나에 결합되어 회동하도록 구동하는 구동실린더로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 승강수단은 상기 외부분사부 외측으로 직립 설치된 복수개의 가이드와, 상기 각 가이드에 삽입되고 상기 외부분사부 외측에 결합되는 승강지지구와, 상기 외부분사부 상측에 설치되는 모터와, 일측이 상기 외부분사부의 상부에 결합되고 타측이 상기 모터에 감겨지는 체인과, 상기 모터에서 연장되는 체인 단부에 결합되는 웨이트밸런싱으로 이루어져, 상기 모터의 구동에 의해 상기 외부분사부가 승강하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모터는 상기 제어부에 의해 정회전 또는 역회전하도록 제어되어, 상기 외부분사부가 상기 가이드를 따라 오실레이션(oscillation)될 수 있는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성에 의한 본 발명의 효과는 중공관 형상의 대형 단조품의 내외주면 전체에 골고루 고압의 에어를 분사하기 때문에 전체적으로 균일하게 급속냉각이 가능하므로 냉각효율이 매우 우수하다.
또 열처리물의 표면온도에 따라 냉각속도 제어가 가능하므로 저온에서 페라이트 및 펄라이트로의 변태를 유도하기 때문에 결정입자가 미세하게 형성되어 인장강도나 저온충격특성 등과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 노멀라이징 열처리시 냉각상태를 나타내는 연속냉각변태 그래프.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치를 나타내는 정면도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 측면도.
도 4는 본 발명의 외부분사부의 일 실시예를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 송풍각조절수단의 구조를 나타내는 평면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예를 나타내는 평면도.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 외부분사부를 나타내는 평면도.
도 8은 본 발명에 의한 열처리시 냉각상태를 나타내는 연속냉각변태 그래프.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 대하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치를 나타내는 정면도, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 측면도이다.
본 발명은 도시된 바와 같이 크게 에어공급부(10), 외부분사부(20), 내부송풍부(30), 승강수단(40), 제어부로 이루어질 수 있다.
상기 에어공급부(10)는 도시된 바와 같이 에어(air)를 고압으로 압축하는 컴프레서(12)와, 상기 컴프레서(12)와 후술하는 외부분사부(20)를 연결하는 호스(14)와, 상기 호스(14)를 통해 공급되는 에어를 개폐하거나 유량을 조절할 수 있는 밸브(16)로 구성될 수 있다. 즉 상기 컴프레서(12)에 의해 압축된 에어가 상기 호스(14)를 통해 후술하는 외부분사부(20)로 공급되며 개폐 및 공급량 조절은 상기 밸브(16)에 의해 이루어지되 후술하는 제어부에 의해 정밀 제어된다.
다음은 도 2와 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 외부분사부(20)에 대해 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 외부분사부의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
상기 외부분사부(20)는 열처리된 중공관 형상의 대형 단조품(이하 '열처리물')의 외주면에 에어를 분사하여 냉각시키는 것으로서, 상기 외부분사부(20)의 구조는 열처리물(w)의 외주면을 둘러싸도록 파이프가 환형을 이루는 형상을 가지면서 상하 일정간격으로 다수개가 적층 배열된 수평분사관(22)과, 상기 수평분사관(22)들을 상하 일정간격으로 고정하는 동시에 상호 연통되도록 상기 수평분사관(22)에 수직 결합되는 직관 형상의 수직분사관(23)과, 상기 수평분사관(22)과 수직분사관(23) 상에 등 간격으로 형성되는 다수개의 노즐(24)로 구성된다.
이러한 형상은 중공관 형상의 열처리물(w) 표면에 골고루 에어를 분사하여 균일한 냉각속도를 얻기 위한 것으로서 상기 노즐(24)은 각각 열처리물(w)의 외주면을 향하도록 상기 수평분사관(22) 및 수직분사관(23)의 내측으로 설치된다.
바람직한 것은 상기 노즐(24)의 분사각이 조절될 수 있을 뿐 아니라 탈장착이 가능하게 하여 교체를 용이하게 하는 것이 좋다.
그래서 상기 노즐(24)을 용이하게 교체하기 위해 상기 수평분사관(22), 수직분사관(22b) 상에 홀이 형성되도록 하고 각 홀에 각각의 상기 노즐(24)을 나사결합 방식으로 고정하는 것이 일반적일 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 수평분사관(22) 또는 수직분사관(23) 중 어느 하나에는 상기 호스(14)와 연결되어 상기 에어공급부(10)로부터 에어가 공급된다.
이와 같이 상기 외부분사부(20)가 상술한 바와 같은 구조를 가지므로 중공관 형상의 열처리물(w)이 상기 외부분사부(20)의 내부로 수용되면서 외주면에 에어가 골고루 분사됨으로써 균일한 냉각을 수행할 수 있다.
다음으로 도 2, 3 및 5를 참조하여 내부송풍부(30)에 대해 설명한다. 도 5는 본 발명의 송풍각조절수단의 구조를 나타내는 평면도이다.
상기 내부송풍부(30)는 열처리물(w)의 내주면에 에어를 송풍하여 냉각을 유도하는 구성으로서, 송풍기(32), 덕트(34) 및 송풍각조절수단(36)으로 이루어질 수 있다.
상기 송풍기(32)는 도 2, 3에서와 같이 블로어(blower)와 같이 에어를 송풍하는 공지의 기계이며, 상기 송풍기(32)에는 원형관 형상의 덕트(34)가 결합되어 상기 송풍기(32)에서 공급되는 에어를 안내하여 열처리물(w)의 하측에서 내주면으로 유도한다.
또한, 상기 덕트(34)의 상단에는 상기 덕트(34)에서 배출되는 에어의 확산을 방지하고 열처리물(w)의 내주면으로의 정확하게 에어가 유도되게 하며 열처리물(w)의 직경에 맞는 송풍각으로 송풍할 수 있는 송풍각조절수단(36)이 결합된다.
상기 송풍각조절수단(36)은 상기 덕트(34)의 상단 테두리를 따라 일정간격으로 복수개의 힌지부재(36a)가 결합되고, 상기 힌지부재(36a) 각각에 평판형상의 조절편(36b)이 회동가능하게 결합되며, 상기 복수개의 조절편(36b) 중 어느 하나에 구동실린더(36c)가 연결되어 상기 조절편(36b)을 회동시킬 수 있는 구조이다.
도 6에 도시된 것처럼 상기 조절편(36b)은 카메라 조리개와 같이 복수개가 상기 덕트(34) 테두리를 따라 배열되되, 인접하는 조절편(36b)과 일부 중첩되어 포개어지도록 배열된다. 다시 말해, 첫번째 조절편(36b)의 일측 상부에 인접하는 두번째 조절편(36b)이 포개어지고 두번째 조절편(36b)의 일측 상부에 세번째 조절편(36b)이 포개어지는 방식으로 복수개가 배열된 상태에서 상기 구동실린더(36c) 한 쌍이 서로 마주보게 설치되어 각각 하나의 조절편(36b)을 전후진 구동하게 되면 각 조절편(36b)은 회동력이 전달되어 전부 회동할 수 있게 된다. 이러한 방식으로 도 2, 3에 도시된 바와 같이 상기 덕트에서 나오는 에어의 송풍각을 조절할 수 있게 된다.
다음으로 도 2와 3을 참조하여 승강수단(40)에 대해 설명하자면, 상기 승강수단(40)은 상기 외부분사부(20)를 열처리물(w) 상측에 위치하게 하고 상하로 이송되게 하는 것으로서 도시된 바와 같이 상기 외부분사부(20) 양측으로 직립 설치된 가이드(42)와, 상기 외부분사부(20) 외측에 고정되고 상기 가이드(42)에 삽입된 상태로 상하 슬라이딩이 가능한 승강지지구(44), 상기 외부분사부(20) 상부에 설치된 모터(46), 상기 외부분사부(20) 상부에 결합되는 체인(48) 및 웨이트밸런싱(49)으로 이루어질 수 있다.
상기 외부분사부(20)의 승강은 상기 가이드(42)를 따라 이루어지는데, 상기 가이드(42)는 레일방식에 의해 승강을 유도하며, 승강을 위해서 모터(46)를 사용하는데, 상기 모터(46)는 후술하는 제어부에 의해 정, 역회전이 가능하고 체인(48)이 감겨진 상태이다. 그리고 상기 체인(48)의 일단은 상기 외부분사부(20) 상부에 결합, 고정되고, 타단은 상기 모터(46)를 경유하여 무게추에 해당하는 웨이트밸런싱(49)에 결합된다.
따라서, 상기 모터(46)의 구동에 의해 상기 외부분사부(20) 전체가 상하로 이동가능하며 이때, 상기 웨이트밸런싱(49)은 무게추로 작용하여 내려가면 상기 외부분사부(20)가 상승하게 되고 올라가면 상기 외부분사부(20)가 하강하게 될 것이다.
한편, 상기 모터(46)는 제어부에 의해 회전이 제어되어 상기 외부분사부(20)를 오실레이션(oscillation) 시킬 수 있다. 다시 말해, 상기 외부분사부(20)를 일정 간격을 두고 반복적으로 상하 왕복하게 할 수 있다. 이것은 노즐(24)에서 분사되는 에어는 방사형으로 퍼지기 때문에 열처리물(w)의 표면에 분사되는 양이 각 지점 마다 차이가 난다. 따라서, 상술한 바와 같이 오실레이션을 주면 열처리물(w) 표면에 골고루 에어가 분사되는 효과를 거둘 수 있다.
다음으로 제어부에 대해 설명한다.
상기 제어부는 상기 에어공급부(10)에서 상기 호스(14)를 통해 공급되는 에어의 공급량을 제어하여 상기 노즐(24)을 통해 분사되는 에어 분사량 및 분사시간을 제어하는 것으로 광학온도센서(미도시)와 프로그램이 내재된 컴퓨터(미도시)로 구성된다.
상기 광학온도센서는 물체의 표면의 온도를 측정하는 센서로서, 물체에 접촉하지 않고 설치하여 측정하는 센서이며 공지된 구성이다. 상기 열처리물(w)에서 일정거리 이격된 곳에 설치되어 온도를 측정한다.
그리고 상기 컴퓨터는 상기 광학온도센서로부터 측정된 열처리물(w)의 온도 측정값에 따라 에어의 분사량과 분사시간을 제어하도록 내부에 프로그램이 되어 있다.
보충 설명하자면, 시간에 따라 냉각속도를 제어하기 위해 급냉이 필요한 시점에는 에어 분사량 및 분사시간을 늘이고 서냉이 요구될 경우 분사량과 분사시간을 적절하게 줄이는 식의 제어를 실시한다. 또한 열처리물(w)의 형상, 크기, 종류에 따라 분사량과 분사시간을 결정하도록 프로그램화되어 있다.
이러한 제어는 상기 에어공급부(10)의 밸브(16)를 개폐하거나 공급량을 조절함으로써 가능한데 공지된 방법이므로 자세한 설명은 생략한다.
참고로 상기 외부분사부(20) 상측에는 상기 외부분사부(20) 및 내부송풍부(30)로부터 열처리물(w)에 에어가 분사되어 냉각시킨 후 다량 발생되는 고온의 에어를 흡입하여 배출하거나 다른 열교환기에 재활용할 수 있도록 배기구(70) 및 배기블로어(80)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 도 6과 7을 참조하여 상기 외부분사부(20)의 다른 실시예를 살펴본다. 도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예를 나타내는 평면도, 도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 외부분사부를 나타내는 평면도이다.
외부분사부(20)를 제외한 다른 구성은 상술한 바와 대동소이하므로 상세한 설명은 생략하고 외부분사부(20)의 다른 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
상기 외부분사부(20)의 다른 실시 예는 프레임체(26), 공급관(27), 에어분사구(28)로 구성될 수 있는데, 상기 프레임체(26)는 다각형 또는 환형을 이루고 수평으로 배치되며 복수개가 상하로 일정간격을 두고 배열되는 링부재(26a)와, 상기 각 링부재(26a)를 상하로 고정하도록 상기 링부재(26a) 각각에 수직으로 결합되는 바(bar) 형상의 바부재(26b)로 이루어진다. 따라서, 전체적으로 상기 프레임체(26)는 격자를 가지는 원통 형상이다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이 상기 프레임체(26) 외측 주위를 따라 일정 간격으로 복수개의 공급관(27)이 세워져 배치된다. 상기 공급관(27)은 에어가 통과하는 통로 형태이며 하부측에 에어를 공급하는 에어공급부(10)가 각각 결합된다.
또 도 6에 도시된 바와 같이 상기 공급관(27)의 내측에는 상하로 복수개의 에어분사구(28)가 결합되는데, 상기 에어분사구(28)는 상기 공급관(27)을 통해 공급된 에어를 열처리물(w)의 외주면에 분사할 수 있도록 출구가 개방된 형태이다. 상기 에어분사구(28)의 출구는 상기 프레임체(26)의 외면에 결합되어 고정되며 분사되는 에어가 확장되게 하여 열처리물(w) 표면에 균일하게 도달하도록 단면적이 확대되는 형상을 가진다.
따라서, 상기 에어공급부(10)에서 공급된 에어가 상기 공급관(27)을 통해 상기 에어분사구(28)에 각각 나누어져 공급되며, 연이어 상기 에어분사구(28)로부터 분사되어 열처리물(w)의 외주면을 냉각시킨다.
이하에서는 도 8을 함께 참조하여 본 발명에 의한 열처리물을 냉각하는 방법 및 열처리물의 기계적 특성 시험결과에 대해 언급하고자 한다.
도 7은 본 발명에 의한 열처리시 냉각상태를 나타내는 연속냉각변태 그래프이다. 여기서 연속냉각변태 그래프(continous cooling transformation diagram)는 시간에 따라 열처리물의 냉각상태를 온도로 나타낸 곡선으로 냉각경로에 따라 변태시점을 알 수 있는 그래프이다.
먼저, 열처리물(w)을 900℃ 이상으로 가열하여 조직을 오스테나이트화한 후 상기 외부분사부(20) 하측에 설치한다. 그리고 상기 승강수단(40)을 작동하여 상기 외부분사부(20)가 하강하여 열처리물(w)이 상기 외부분사부(20) 내에 수용되도록 한다.
이때 상기 광학온도센서에서 열처리물(w)의 온도를 감지하고 상기 컴퓨터에 프로그램화된 대로 에어 분사량과 분사시간을 결정하여 전기적 신호로 출력하면 상기 밸브(16)의 작동에 의해 에어가 상기 호스(14)를 통해 고압으로 상기 외부분사부(20)에 공급된다.
상기 외부분사부(20)에 유입된 에어는 상기 수평분사관(22) 및 수직분사관(23)으로 공급되어 상기 노즐(24)을 통해 분사되거나 또는 상기 공급관을 통해 상기 에어분사구(28)로 공급되어 열처리물(w)을 향해 분사된다.
또한 동시에 상기 송풍기(32)를 작동시켜 덕트(34)를 통해 에어를 송풍하고 열처리물(w)의 직경에 맞도록 상기 조절편(36b)을 상기 구동실린더(36c)에 의해 회동시켜 송풍각을 조절한다.
예를 들어, 직경이 큰 경우 상기 조절편(36b)의 경사를 작게 하여 상기 덕트(34)를 통해 송풍되는 에어의 확산정도를 크게 하고 직경이 작은 경우 상기 조절편(36b)의 경사를 크게 하여 열처리물(w)의 내주면으로 에어가 정확하게 송풍될 수 있도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이 초기시간(약 10s) 동안 열처리물(w)은 서냉되도록 에어를 약하게 분사하여야 하는데, 만일 다량의 에어를 분사하여 급랭되면 바로 마르텐사이트 조직으로 변태가 발생하기 때문에 이것을 방지해야 한다.
그리고 10s 정도부터 에어를 다량으로 강하게 분사하여 열처리물(w)의 온도가 550℃ ~ 600℃ 가 될 때까지 급랭시킨다. 이러한 급속냉각으로 인해 그래프에 도시된 바와 같이 냉각곡선은 낮은 온도에서 페라이트(723℃ 이하) 및 펄라이트(600℃ 이하)로의 변태가 진행된다. 낮은 온도에서 변태가 발생하도록 함으로써 2차 조직의 결정입자의 성장이 지연되고 변태 핵생성 사이트가 증가하여 입도가 미세하게 형성된다. 따라서 미세한 조직으로 인해 기계적 강도와 인성이 크게 증가한다.
짧은 시간 내에 급속냉각시킨 후 약 1000s까지 지속적으로 에어를 약하게 분사하여 항온을 유지한다. 왜냐하면 대형 단조품의 경우 두께가 두꺼워 표면과 달리 내부는 빨리 냉각되지 않아 표면보다 온가 높으므로 에어를 분사하지 않으면 표면의 온도가 다시 올라갈 수 있으므로 550℃ ~ 600℃ 구간에서 항온을 유지하기 위해 상기 컴퓨터에 프로그램된 대로 적절하게 에어를 분사한다. 결국 이 항온구간에서 표면뿐 아니라 내부까지 변태가 이루어진다.
상기와 같은 항온구간이 지나면 다시 에어를 좀 더 분사하여 냉각을 마무리한다.
이러한 냉각경로를 거치면 저온에서 변태가 발생하여 미세한 입자의 강(steel)이 얻어지며 이로 인해 종전에 대기 중에서 서냉되면서 고온에서 변태가 이루어져 얻어진 강보다 인장강도나 인성에 있어서 더 우수하다.
이러한 결과는 인장강도 실험 및 저온충격실험을 통해 비교해 볼 수 있는데 그 결과는 다음과 같다.
표 1
종래 냉각방법 본 발명에 의한 냉각방법
인장특성 항복강도 295 ~ 325 MPa 335 ~ 360 MPa
극한강도 450 ~ 515 MPa 490 ~ 550 MPa
저온충격 평균 97 J 140 J
범위 25 ~ 135 J 135 ~ 175 J
여기서, 저온충격시험은 'V' 노치 시험편을 -40℃로 냉각시켜 충격을 가하는 시험을 나타내는데 기존에 비해 인장특성이 현저하게 상승됨을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 중공관 형상의 대형 단조제품을 열처리(노멀라이징)할 때 내외주면에 에어를 분사하여 냉각하고 컴퓨터에 의해 냉각속도를 제어함으로써 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치를 제공하는 것이며 도면을 참조하여 설명한 것은 단지 일 실시 예에 지나지 않으므로 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
본 발명은 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치에 이용가능하며, 보다 상세하게는 중공관 형상의 대형 단조품 내외주면에 에어를 분사하여 급속냉각시킴으로써 노멀라이징을 실시하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치에 이용 가능한 것이다.

Claims (7)

  1. 열처리된 중공관 형상의 열처리물(w)을 냉각시키는 냉각장치에 있어서,
    고압의 에어를 공급하는 에어공급부(10)와;
    열처리물(w)의 외측에 설치되어 상기 에어공급부(10)에서 공급된 에어를 열처리물(w)의 외주면에 분사하는 외부분사부(20)와;
    열처리물(w)의 하측에 설치되어 에어를 열처리물(w)의 내주면으로 송풍하는 내부송풍부(30)와;
    상기 외부분사부(20)의 내부에 열처리물(w)이 수용되도록 상기 외부분사부(20)를 열처리물(w) 상측에서 승강시키는 승강수단(40)과;
    상기 외부분사부(20)와 내부송풍부(30)에서 분사되고 송풍되는 에어의 분사량, 분사시간을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부분사부(20)는,
    에어가 유동되는 환형의 관이 상하로 복수개 배열된 수평분사관(22)과, 상기 수평분사관(22)에 각각 수직으로 결합되는 복수개의 수직분사관(23)과, 상기 수평분사관(22)과 수직분사관(23)에 구비되어 에어를 분사하는 노즐(24)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부분사부(20)는,
    다각형 또는 환형의 링부재(26a)가 상하로 복수개 배열되고 상기 링부재(26a)에 바부재(26b)가 수직으로 결합된 원통형의 프레임체(26)와, 상기 프레임체(26)의 외측을 따라 일정 간격으로 세워져 설치되고 상기 에어공급부(10)로부터 에어가 공급되는 복수개의 공급관(27)과, 일측이 상기 공급관(27)을 따라 상하로 결합되고 타측이 상기 프레임체(26)의 외면에 결합되어 상기 공급관(27)에서 공급되는 에어를 열처리물의 외주면에 분사하는 에어분사구(28)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부송풍부(30)는,
    에어를 송풍하는 송풍기(32)와, 상기 송풍기(32)에 결합되고 상기 열처리물(w) 하측에 설치되며 에어를 유도하여 열처리물(w)의 내주면으로 송풍하는 덕트(34)와, 상기 덕트(34) 상단에 구비되어 송풍되는 에어의 송풍각을 조절하는 송풍각조절수단(36)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송풍각조절수단(36)은,
    상기 덕트(34) 상단에 테두리를 따라 일정간격으로 결합되는 복수개의 힌지부재(36a)와, 평판형상을 가지고 상기 각 힌지부재(36a)에 회동가능하게 결합되는 복수개의 조절편(36b)과, 상기 조절편(36b) 중 어느 하나에 결합되어 회동하도록 구동하는 구동실린더(36c)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 승강수단(40)은,
    상기 외부분사부(20) 외측으로 직립 설치된 복수개의 가이드(42)와, 상기 각 가이드(42)에 삽입되고 상기 외부분사부(20) 외측에 결합되는 승강지지구(44)와, 상기 외부분사부(20) 상측에 설치되는 모터(46)와, 일측이 상기 외부분사부(20)의 상부에 결합되고 타측이 상기 모터(46)에 감겨지는 체인(48)과, 상기 모터(46)에서 연장되는 체인(48) 단부에 결합되는 웨이트밸런싱(49)으로 이루어져,
    상기 모터(46)의 구동에 의해 상기 외부분사부(20)가 승강하는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모터(46)는 상기 제어부에 의해 정회전 또는 역회전하도록 제어되어, 상기 외부분사부(20)가 상기 가이드(42)를 따라 오실레이션(oscillation)될 수 있는 것을 특징으로 하는 중공관 형상의 열처리물 급속 에어냉각장치.
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