피지엠 재료로 제조되고 원주 파형 벌지를 갖는 튜브형 구조 부품의 제조 방법{Process for the production of tubular structual parts fabricated from PGM materials and having circumferential undulating bulges}

본 발명은, PGM(Platinum Group Metals) 재료로 제조되고 스무스한 벽을 갖는(smooth-walled) 튜브 피스로 형성되어 원주 파형 벌지(circumferential undulating bulges)를 갖는 튜브형 구조 부품(tubular structural parts)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

통상 PGM 재료와 같은 귀금속 재료로 제조되는 구조 부품들은 유리 산업에서, 특히 특수 유리의 융해 및 고온 성형 용도의 플랜트에 사용된다.

PGM 금속 재료는 그 융점이 높기 때문에 높은 내열성과 높은 기계적 강도 및 내마모성을 특징으로 하며, 따라서 유리 용융체와 접촉되는 플랜트 또는 플랜트 유닛에서의 구조 부품을 제조하기에 특히 적합하다. 적절한 재료로는 백금 및, 백금과 기타 PGM 금속의 합금이 있으며, 이들은 또한 선택적으로 소량의 비귀금속(non-precious metals)을 추가적인 합금 성분 또는 산화물 첨가제로서 함유할 수 있다. 통상적인 재료는 정련된 백금, PtRh10(로듐을 10% 함유하는 platinum-rhodum 합금) 또는 백금이며, 이는 기계적 강도를 향상시키고 고온 크리프 저항을 높이기 위해 특히 이산화 지르코늄(소위 미세 입자 안정화 백금)과 같은 미세하게 분쇄된 내화 금속 산화물을 소량 함유한다.

이러한 용융 기술 플랜트 성분들은 용융 유리를 융해, 정련, 운송, 균질화 및 충진시키는 작용을 한다.

이러한 구조 부품들은 실질적으로 얇은 벽을 갖는 튜브 시스템으로서 제조되는 귀금속 시트형 구조이다. 용융 유리는 1000 내지 1700 ℃ 사이의 온도에서 상기와 같은 시스템을 통해 유동한다. 이들 튜브 시스템은 대체로 금속 박스와 같은 지지 금속 구조물에 의해 빈번히 유지되는 지지 세라믹 재료 뿐 아니라 절연 세라믹 재료에 의해 둘러싸인다.

상기 PGM 구조 부품은 실온에서 제조되고 대응하는 유닛에 설치된다. 그러나, 이들 유닛은 대략 1000 내지 1700 ℃ 의 온도에서 작동된다.

얇은 벽을 가진 판금 구조물은 특히 고온의 작동 온도에서 저차원의 강도만을 갖는다. 이러한 단점을 보상하기 위하여, 재료의 두께는 증대되어야 하며, 또는 구조물은 예를 들어, 만곡부, 에지, 주름 또는 절첩부의 형성과 같은 성형 수단을 강화하므로써 안정화되어야 한다.

또한, 대응하는 유닛을 설계하고 만들때는 PGM 구조 부품의 높은 열팽창과 관련된 다른 모든 재료(귀금속, 세라믹, 스틸 등)의 상이한 열팽창을 고려해야 한다. 1500 ℃ 온도에서의 백금의 평균 열팽창 계수는 11.2×10 ^-6 K ^-1 이다. 이는 실온에서 일미터 길이의 백금 구조 부품이 1500 ℃ 에서 16.6 밀리미터 팽창하는 것을 의미한다.

구조 부품상에 존재하는 다양한 재료 및 구조적 고정 지점들의 상이한 열팽창 계수로 인해 시스템의 자유로운 팽창은 불가능하다. 따라서 PGM 시트 구조물내의 취약 지점에서는 굽힘이나 심지어는 좌굴(buckling)이 일어날 수 있으며, 이는 다시 시스템의 바람직하지 않은 너무 이른 파손을 초래한다. 따라서, 용융 유리와 접촉하는 PGM 재료로 제조된 플랜트 또는 플랜트의 부품에서는, 구조적 부품들이 선형 팽창을 보상하도록 제공되어야 한다.

반경방향 강성을 부여하고 선형 팽창을 어느 정도 보상하기 위해, 튜브형 플랜트 부분에는, 예를 들어 주름진 튜브나 벨로우즈와 같은 원주 파형 벌지를 갖는튜브형 섹션이 구조적 부재로서 사용될 수 있다.

주름진 튜브내에 대응하는 스무스한 벽을 갖는 튜브 피스를 형성하는 것은 소위 롤 크림핑(roll crimping)이나 롤 성형(roll forming)이라는 종래 기술에 의해 이루어진다. 여기에서, 스무스한 벽을 갖는 튜브 피스의 벽은 내부로부터 작용하는 컬링(curling) 공구에 의해 성형 다이의 반경방향 주름 리세스내로 강제 결합된다. 롤 크림핑에서 각각의 주름은 단계적으로 연속하여 롤링된다.

이런식으로 형성되어 반경방향으로 보강된 튜브는 축방향으로 보다 탄성적이 되며 따라서 길이 보상을 위해서도 사용될 수 있다.

그러나, 롤 크림핑은 유리 산업에서의 용융(melt) 기술 플랜트에 사용하기 위한 PGM 재료로부터 주름진 구조 부품을 제조하는 것과 관련하여 잠재적 사용에 관한 다수의 결점과 제한을 갖는다.

따라서, 예를 들어 사인파 형상의 영역에서는 롤 크림핑에 의해 비교적 작은 형상 변경이 이루어질 수 있다. 실제로는 보다 높은 주름 피크, 보다 날카로운 절첩 또는 임의적인 외형 형상이 제조될 수 없다. 이러한 이유로 롤 크림핑에 의해 제조되는 주름진 튜브는 대응하는 주름 형상이 단지 적절한 선형 팽창을 보상할 수 있으므로 열적 선형 팽창을 보상하기 위해 단지 제한된 안정성을 갖는다.

또한, 롤 크림핑은 작은 튜브 직경에서는 가능하지 않다.

롤 크림핑에서의 재료의 연신으로 인해 주름 영역에는 필연적으로 박형화(벽두께의 감소)가 있게된다. 따라서 구조적 부분이 현저히 약해지며, 이는 유리 용융체와의 접촉에 의해 생성되는 열적 스트레스 및 연마 스트레스하에 너무 이른 파손을 초래할 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 유리 용융체와 접촉하는 유닛 또는 유닛 부분에 있어서 선형 팽창 보상기로서 사용하기 위한 PGM 재료의 구조적 부분을 제공하고 또한 그러한 구조적 부분에 대해 상기 결점이 회피되는 제조 방법을 제공하는 것이다.

이제, 상기 목적들은 유압식 내부 압력에 의한 압출에 의해 성형이 이루어지는 제조 방법에 의해 달성될 수 있음이 밝혀졌다.

따라서, 본 발명은 PGM 재료로 제조되고, 스무스한 벽을 갖는 튜브 피스로 형성되므로써 원주 파형 벌지를 갖는 튜브형 구조 부품을 제조하는 방법으로서, 스무스한 벽을 갖는 튜브 피스가 튜브 피스의 외경에 대응하고 반경방향 파형 리세스를 갖는 원통형 성형 다이내로 삽입되며, 상기 다이의 축방향 양 단부에는 튜브 단부를 타이트하게 밀봉하는 프레스 공구가 제공되고, 이렇게 형성되는 공간은 유압식 유체로 완전히 충진되며, 이후 튜브 피스의 동시 단축(simultaneous shortening)하에 상기 성형 다이의 리세스에 대응하는 튜브 피스의 벽에 벌지가 형성되도록 프레스 공구를 통해 축방향 압축을 실시하므로써 유압식 내부 압력이 생성된다.

본 발명에 따른 방법에서는, 원형 또는 다각형 단면 및 임의의 반경의 산업상 PGM 재료의 시임리스(seamless) 또는 용접된 스무스한 벽을 갖는 튜브 피스가 초기 피가공물로서 사용될 수 있다. PGM 재료로는 통상 정련된 백금, PtRh10 또는FKS 백금이 사용된다. 튜브 피스의 성형은 튜브 단부상에 축방향 압축을 가함과 동시에 유압 내부 압력하에 압출에 의해 성형 유닛에서 이루어진다. 이를 위해서, 성형될 스무스한 벽으로된 튜브 피스는 원통형 성형 다이내로 삽입되며, 이 다이는 튜브 피스의 외경과 대응되는 내경을 가지며 반경방향 파형 리세스를 갖는다. 양 축방향 튜브 단부에는 상기 튜브 단부를 타이트하게 밀봉하는 프레스 공구가 장착된다. 이렇게 형성된 공간은 이후 유압 유체(hydraulic fluids)로 완전히 충진된다. 기존에 사용된 물 또는 종래의 유압식 오일이 통상 유압 유체로서 사용된다. 정확한 성형 과정을 위해서 이후 프레스 공구를 통하여 튜브 단부에 대해 축방향 압축이 이루어지며, 이들 단부는 서로를 향해 이동한다. 이런식으로, 튜브 벽에 작용하는 유압식 내부 압력이 유체에 의해 내부에 생성되며, 이로 인해 벽이 성형 공구의 리세스내로 끼워지고 튜브 피스의 단축 정도에 대응하는 벌지가 상기 튜브 피스내에 형성된다.

도 1 은 본 발명에 따른 방법의 양호한 실시예의 개략 도시도로서, 오른쪽 절반부(A)는 성형 공정의 초기 상태를 도시하고, 왼쪽 절반부(B)는 성형 공정의 종료 상태를 도시하는 도면.

도 2 는 통상적인 주름 외형을 예시적으로 도시하는 도면.

도 3 은 감압 정련 챔버(17)용 PGM 재질 튜브의 구조를 예시적으로 도시하는 개략도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 튜브 피스2 : 성형 다이

3 : 리세스4, 5 : 프레스 공구

7 : 벌지8 : 연결봉

본 발명에 따른 방법이 도 1 에 도시되어 있으며, 이 도면은 본 발명에 따른 방법의 양호한 실시예의 개략 도시도로서, 오른쪽 절반부(A)는 성형 공정의 초기 상태를 도시하고, 왼쪽 절반부(B)는 성형 공정의 종료 상태를 도시한다.

스무스한 벽을 갖는 초기 튜브 피스(1)는 튜브 피스의 외경에 대응하는 내경을 갖는 원통형 성형 다이(2)에 안착된다. 상기 성형 다이(2)는 반경방향 파형 리세스(3, 3')를 구비한다. 튜브 단부상에 프레스 공구(4, 5)가 장착되어, 생성된 내부 공간을 타이트하게 밀봉한다. 프레스 공구(4, 5)와 튜브에 의해 형성된 공간은 유압식 유체(6)로 완전히 충진된다. 축방향 압축은 예를 들어 유압식 프레스의 조오(jaws)(비도시)와 같은 프레스 공구(4, 5)를 통해 이루어진다. 이런 식으로, 프레스 공구(4, 5)는 서로를 향해 이동하고 따라서 튜브 단부도 서로를 향해 이동하며, 그로 인해 튜브 피스의 동시 단축에 의해 성형 다이(2)의 리세스(3)에 대응하는 벌지(7)가 튜브 피스의 벽에 생성된다.

특정한 실시예에서 축방향 압축은 프레스 공구(4, 5)내에서 중앙 보어(9, 10)를 통해 안내되는 연결봉(drawbar)(8)에 의해 이루어지며, 이는 가동 배치되는 프레스 공구(4)를 고정 프레스 공구(5)쪽으로 강제이동시킨다.

특히 양호한 실시예에서, 원통형 성형 다이(2)는 축방향으로 이동가능하게 장착되는 성형기(11)로 구성되며, 이들 성형기는 초기 상태에서는 서로 이격 배치되어 있으며 축방향 압축 과정 중에는 함께 가압된다(11'). 이러한 성형 공구의 설계에 의하면, 파형 리세스(12, 12')의 최대 높이가 성형기(11)의 축방향 접촉면(13, 13') 영역에 배치되면 특히 유리하다. 따라서 압출 공정이 촉진되며 성형은 재료를 보호하는 방식으로 스무스하게 이루어진다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 초기 튜브 피스의 직경 및 튜브 기하학적 형상에 무관하게 특히 PGM 재료를 사용하여 실제적으로 임의의 원하는 형상의 주름이 단일 작업 스테이지에서 생성될 수 있다.

도 2 에는 통상적인 주름 형상이 예시적으로 도시되어 있다. 약간 평평한(flattish) 주름(14)은 그 리세스가 반경방향 섹션에서 사인 형상을 갖는 성형 다이에 의해서 형성될 수 있다. 높은 피크(15, 16)를 갖는 주름은 그 리세스가반경방향 섹션에서 뚜렷한 파형 윤곽 또는 수금(lyre) 형상 윤곽을 갖는 성형 다이에 의해 형성될 수 있다.

롤 크림핑에 대한 본 발명에 따른 방법의 특별한 장점은 한편으로는 보다 높은 정도의 성형이 달성될 수 있고 다른 한편으로는 주름 프로파일의 내부와 외부의 벽두께 차이가 거의 또는 전혀 없다는 것이다. 따라서, 예를 들어 본 발명에 따른 방법에 의해 PGM 재료로 제조된 통상적인 수금 형상의 벨로우즈는 벽두께의 차이가 최대 10% 이다. 적절하게 뚜렷한 (대략 사인형상의) 주름진 튜브의 경우에 벽두께의 변화는 최대 1% 이다. 따라서 적절하게 형성된 구조적 부품은 실질적으로 보다 안정적이고 기계적, 열적 스트레스 및 마모 스트레스에 대해 보다 잘 견뎌낸다.

본 발명에 따른 방법에 의해 PGM 재료로 제조되고 원주 파형 벌지를 갖는 튜브형 구조 부품은 따라서 유리 용융체와 접촉하는 유닛 또는 이들 유닛의 부품에서의 선형 팽창 보상기로서 특히 적절하다. 이와 관련하여, 선형 팽창을 위해 높은 반경방향 치수 안정성 및 단지 적절한 열적 보상이 일차적으로 중요한 경우에는 편평한 주름 형상(14; 도 2 참조)이 우선적으로 사용된다. 보다 명백한 주름 형상이나 수금 형상 주름 외형은 축방향으로 매우 탄성적이며 따라서 주름진 튜브 피스의 짧은 길이에 걸쳐서 상대적으로 큰 선형 팽창을 보상하도록 사용될 수 있다.

대응하는 구조 부품들은, 이송 튜브 및 정련 챔버와 같은 유리 용융체를 제어하는 플랜트 부분에서 또는 교반기, 플런저 및 교반 유닛과 같은 유리 용융체를 이송, 균질화 또는 측정하는 것과 관련된 플랜트 부분에서 선형 팽창 보상기로서매우 유리하게 사용될 수 있다.

도 3 은 감압 정련 챔버(17)용의 PGM 재질 튜브의 구조를 예시적으로 개략 도시하고 있다. 상기 정련 섹션의 튜브는 본 발명에 따른 방법에 의해 생성되는 주름 프로파일(18)의 세그먼트를 가지며, 이는 고정 포인트(19) 사이에서 발생되는 열적 선형 팽창을 보상한다. 유리 유동을 위한 이송 라인 및 배출 라인(20, 21)은 크기가 상이한 주름진 영역(22)을 구비한다.