KR100283002B1 - 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동시압출법(Co-extrusion)에 의한 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조방법에 관한 것이며,

튜브 모재를 성형하는 단계와,

상기 튜브 모재에 크래드재를 일체적으로 성형시키는 단계와,

상기 튜브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 동시 압출기에 넣는 단계와,

상기 압출용 재료를 소성 변형시키도록 예열시키는 단계와,

상기 동시 압출기의 피스톤 압력으로 압출시키는 단계

로 구성된다.

이것에 의해, LNG 기화기용 튜브의 내식성 및 내구성이 현저히 향상시키는 것이 가능하다.

Description

동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법 (PROCESS FOR MANUFACTURING CLAD TUBE BY CO-EXTRUSION)

본 발명은 동시압출법(Co-extrusion)에 의한 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 액화천연가스를 기화시키는 기화기에서 액화천연가스가 유동하는 튜브를 코팅하는 크래드를 고착시키데 있어서, 튜브와 크래드간의 결합력을 향상시킨 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법에 관한 것이다.

최근 화석 원료인 석탄 및 석유를 사용할 때, 산성비 및 대기 오염 등의 공해를 유발함에 따라서 공해의 발생이 적은 천연가스(Natural Gas,NG)의 사용이 급속히 증가하고 있다. 이러한 천연가스가 사용되는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 가스정에서 채광된 가스를 액화시키어 액화천연가스(Liqufied Natural Gas; LNG)화시키게 된다. 이와 같이 액화된 천연가스는 LNG 운반선을 이용하여 천연가스기지까지 운반되어 저장 탱크에 저장된다. 저장된 LNG는 기화기를 이용하여 기화시켜 다시 천연가스화되어 수요자로 공급하게 된다.

여기서 기화기(10)는 도 1과 같이 모식적으로 나타낼 수 있다. 즉 하부의 LNG 헤더 튜브(16)로부터 공급되는 LNG가 내부에 핀이 달려있는 기화기 튜브(14) 내부를 통하여 흐르고 외면에는 해수관(3)으로부터 공급되는 담수 또는 해수를 흘려서 튜브(14) 내로 기화에 필요한 열을 공급하게 된다. 이렇게 외부 열에 의하여 LNG는 튜브 상부로 이동함에 따라서 기화되어 NG 헤더 튜브(12)를 통하여 배출되면서 천연가스(Natural Gas; NG)화된다.

현재까지 사용되는 기화기의 튜브(14) 재료는 열전도도가 우수하고 내부식성이 비교적 우수한 알루미늄 합금인 AA3003등과 같은 합금이 사용되고 있다. 그러나 해수를 열원으로 사용하는 경우에는 알루미늄 합금의 표면에 공식(pitting) 등의 부식 현상이 매우 빠른 속도로 발생하여 기화기의 수명이 수개월 정도로 매우 짧게된다. 이러한 짧은 부식 수명은 기화기의 가동률을 감소시키는 것은 물론 가연성 가스에 의한 기화기의 안전성에 심각한 위협이 된다.

이와 같은 부식성의 문제를 해결하기 위하여 현재 이용되는 방법은 희생양극 금속을 기화기 튜브에 열분사(thermal spray)법으로 코팅하여 부식을 방지하는 것이다. 즉 A1-2%Zn과 같은 합금을 알루미늄 기화기의 표면에 열분사법으로 80~400㎛정도의 두께로 코팅하여 기지 금속인 A3003 합금을 부식 분위기로부터 보호하는 방법이다. 그러나 이렇게 하여 얻어진 코팅은 많은 기공과 균열을 포함하는 것이 일반적이고 기지인 알루미늄 튜브의 표면 처리가 적절하지 않을 경우에 코팅과 기지와의 계면 접착력이 약하여 코팅층의 박리가 발생하게 된다. 특히 코팅층내의 기공은 부식을 촉진시키는 역할을 하고 코팅층과 기지와의 계면 접착력이 낮은 경우에는 가열과 냉각이 반복되는 조업 조건에서 희생 양극 코팅층이 박리되어 기화기의 부식 수명이 단축되게 된다.

따라서 본 발명에서는 기공을 제거하고 계면 접착력을 균일하게 할 수 있는 동시 압출법(co-extrusion)을 이용하여 내식성이 높은 재료를 표면에 형성시키는 방법을 개발하였다.

본 발명의 목적은 기존의 열분사법으로 코팅된 튜브에 비하여 코팅의 균일성이 우수하고 코팅 층과 기지와의 결합력이 획기적으로 개선된 표피층(크래드층)을 가진 기화기용 알루미늄 튜브를 동시 압출법으로 제조하는 공법을 개발하는데 있다.

즉, 동시 압출법으로 크래드 튜브를 제조함으로서 기화기 튜브의 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 이에 따른 기화기의 경제성 및 안전성을 제고시키기 위함이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법의 일예로서,

튜브 모재를 성형하는 단계와,

상기 튜브 모재에 크래드재를 일체적으로 성형시키는 단계와,

상기 튜브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 동시 압출기에 넣는 단계와,

상기 압출용 재료를 소성 변형시키도록 예열시키는 단계와,

상기 동시 압출기의 피스톤 압력으로 압출시키는 단계

로 구성된다.

도 1은 종래의 LNG 기화기의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 튜브 모재가 성형된 상태의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 튜브 모재와 크래드재가 주형에서 성형되는 과정을 도시한 단면도

도 4는 본 발명에 따른 튜브 모재와 크래드재가 주형에서 성형된 상태를 도시한 단면도

도 5는 도 4의 A-A선 단면도

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도

도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도

도 10은 본 발명에 따라서 압출기에서 배출된 기화기용 알루미늄 크래드 튜브의 정단면도

도 11은 본 발명에 따라서 압출기에서 배출된 기화기용 알루미늄 크래드 튜브의 정단면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

3 : 해수관 10 : 기화기

12 : NG 헤더 튜브 14 : 튜브

16 : LNG 헤드 튜브 20 : 압출기

22, 44, 50 : 튜브 모재 24, 42, 52 : 크래드재

28 : 프론트 몰드 30 : 콘테이너

32 : 피스톤 34 : 멘드렐

38 : 크래드 판재 45 : 플러그

본 발명은 기화기용 알루미늄 크래드 튜브를 동시 압출법으로 제조하는 공정에 관한 것이다. 종래의 기화기용 알루미늄 튜브는 열분사법에 의하여 A1-2%Zn합금을 기지 튜브에 코팅하여 제조되었다. 이러한 코팅층은 기공을 많이 함유하고 있을 뿐만이 아니라 두께가 불균일하고 기지층과의 결합이 불완전하여 박리가 쉽게 발생하여 튜브의 내식성을 감소시키는 경향이 많다. 따라서 기화기 튜브에 내식성을 향상시키기 위해서는 치밀한 미세구조를 가진 코팅층을 형성시키는 것이 필요하고, 기지와 코팅층과의 결합력을 증가시키는 것이 필수적이다.

이와 같은 특성을 가진 튜브를 제조하는데 화학 또는 물리 증착법, 크래딩법등이 사용될 수 있으나 본 발명에서는 경제성이 우수한 크래딩(cladding)법을 이용하였다. 크래딩법에는 또한 압연법, 폭발 용접법, 아크 용접법, 동시 압출공법등이 있으나, 본 발명에서는 복잡한 형상의 제품의 제조가 용이하고 기지 금속의 기계적, 물리적 특성에 미치는 영향이 적은 동시압출법을 이용하였다. 즉 기화기 튜브 형상으로 알루미늄 합금을 압출시 희생 양극 합금을 동시에 압출하여 압출된 튜브의 표면에 크래딩된 코팅층이 형성되도록 하는 동시 압출법(co-extrusion process)을 이용하였다. 이와 같은 동시 압출 공정에서 가장 중요한 요소는 압출된 튜브의 전 길이에 대하여 표면 크래드층의 두께가 균일하게 얻어지는 것이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 용해로를 이용하여 압출용 튜브 모재를 용융시켜 액체 상태의 알루미늄 압출용 튜브 모재를 직경 120mm, 높이 255mm 정도의 크기의 주형(도시 않음)에 주입하여 원통형 알루미늄 빌렛(billet)이 제작된다. 이러한 튜브 모재(22)에는 속이 빈 내경부(23)가 형성된다.

도 3을 참조하면, 직경 140mm 정도의 주형(25)내에 상기 튜브 모재(22)를 중앙에 놓고, 튜브 모재(22)와 주형(25) 사이의 10mm 공간에 크래드시키고자하는 크래드재(24)를 액상 상태로 용해시킨 후 주입한다.

그러면, 도 4 및 도 5와 같이, 튜브 모재(22)와 크래드재(24)가 일체로 된 원기둥 형태의 압출용 재료가 된다. 이렇게 성형된 압출용 재료를 동시 압출법에 의해서 성형시킨다.

도 6을 참조하면, 압출기(20)는 압출용 재료를 원하는 형상으로 압출하기 위한 프론트 몰드(28)와, 압출용 재료가 수용되는 콘테이너(30)와, 압출용 재료를 가압하기 위한 피스톤(32)과, 튜브 모재(22)의 내경부(23)에 삽입되어 압출시 내경부가 일정한 형상으로 이루어지게 하는 멘드렐(34)로 구성된다.

이곳에서 소성 변형이 일어나도록 콘테이너(30)를 470℃ 정도로 3시간 정도 예열시킨 다음, 압출용 재료를 콘테이너(30)에 넣고, 400-450℃에서 가열된 압출용 재료를 125Kg/㎠ 의 피스톤(32) 압력으로 압출시킨다. 이때 가해지는 속도는 1.2-2.0 m/min로 압출된다.

이 방법으로 제조된 기화기 튜브는 크래드층의 두께가 비교적 불균일하게 얻어지는 것이 관찰되었다.

따라서 균일한 크래드 두께를 얻기 위해서 본 발명에서는 압출시 도 7과 같은 별도의 크래드 판재(38)를 압출용 재료 앞에 삽입하여 압출을 실시하였다. 이와 같은 방법을 사용한 결과 길이 방향으로 균일한 크래드 두께를 가진 도 10과 같은 형상의 크래드된 튜브를 제조하는 것이 가능하다.

다음으로, 크래드재가 튜브 모재의 외주면에 적층되도록 동시 압출하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.

도 8과 같이, 크래드재(42)의 내경부(43)의 직경이 상당히 큰 경우로서, 크래드재(42)는 튜브 모재(44)의 전면에 위치하게 된다. 상기 튜브 모재(44)는 직경이 작은 내경부(47)를 가지고 있다. 압출 조건은 전과 거의 동일하다.

피스톤(32)의 압출력에 의하여 튜브 모재(44)가 크래드재(42)의 내경부(43)쪽으로 밀려들어가게 되고, 이 과정에서 튜브 모재(44)는 마찰력에 의하여 소성변형된다.

도 8의 구성은 튜브 모재(44)가 크래드재(42)의 내경부(43)쪽으로 밀려들어 갈 때, 튜브 모재(44)가 먼저 두껍게 될 수 있다. 이것을 방지하기 위하여 도 9와 같이 튜브 모재(50)를 플러그(45) 형태로 가공하면 균일한 두께를 가진 크래드 튜브를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명은 도 11과 같은 일반 크래드관을 포함하여 도 10과 같은 방열핀이 부착된 기화기용 튜브를 제조하는 것이 가능하다. 이때 크래드재는 알루미늄 AA7072,cupronickel등 해수 및 담수 내식성이 우수한 것이 사용되고 튜브 모재의 재질은 AA5052, AA3003, AA6061 등이 사용될 수 있다. 이때 크래드 튜브의 크래드의 두께는 수십 미크론에서 수미리끼지 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 의하여 LNG 기화기용 튜브의 내식성 및 내구성이 현저히 향상시키는 것이 가능하다. 즉 크래드층의 미세 조직이 치밀하며 튜브 모재와 크래드재와의 계면 접합 강도가 이들 금속간의 확산 접합이 발생하여 우수하기 때문에 기존의 열 분사 코팅법에 의하여 제조된 기화기용 튜브에 비하여 수명의 연장이 가능하다. 또한 본 제조방법은 알루미늄 합금의 일반적인 제조방법인 압출법을 사용하기 때문에 별도의 장치 투자가 필요 없고 생산성이 우수하기 때문에 기존의 열 분사 코팅 법에 비하여 제조 원가를 크게 감소하게 될 것이다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (3)

1. 용해로를 이용하여 용융시킨 압출용 금속을 주형에 주입하여 속이 빈 내경부가 형성된 원통형 빌렛 형상으로 튜브 모재를 성형하는 단계와, 상기 튜브 모재를 주형 내의 중앙에 놓고, 상기 튜브 모재와 주형 사이의 공간에 액상 크래드재를 주입하여 튜브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 성형시키는 단계와, 상기 압출용 재료의 튜브 모재에 형성된 내경부에 동시 압출기의 멘드렐이 삽입되도록 하여 상기 압출용 재료를 동시 압출기의 콘테이너에 넣는 단계와, 상기 압출용 재료를 소성 변형시키도록 예열시키는 단계, 및 상기 동시 압출기의 피스톤 압력으로 상기 압출용 재료를 압출시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 투브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 동시 압출기의 콘테이너에 넣는 단계에서, 상기 동시 압출기의 멘드렐이 삽입되는 압출용 재료의 앞쪽에 크래드 판재를 먼저 삽입한 후, 상기 압출용 재료를 압출하는 것을 특징으로 하는 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 동시 압출기의 콘테이너에는 내경부가 형성된 크래드재가 튜브 모재의 전면에 위치하여 압출 시에 상기 크래드재가 튜브 모재의 외주면에 적층되도록 하고, 상기 튜브 모재에는 상기 크래드재의 내경부에 삽입되는 플러그가 형성되는 것을 특징으로 하는 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법.