KR100283002B1 - Clad tube manufacturing method by coextrusion method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동시압출법(Co-extrusion)에 의한 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조방법에 관한 것이며,The present invention relates to a method for manufacturing an aluminum clad tube for a vaporizer by co-extrusion,
튜브 모재를 성형하는 단계와,Molding the tube base material,
상기 튜브 모재에 크래드재를 일체적으로 성형시키는 단계와,Integrally molding the clad material in the tube base material;
상기 튜브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 동시 압출기에 넣는 단계와,A step of inserting the extrusion material in which the tube base material and the clad material are integrated into a co-extruder,
상기 압출용 재료를 소성 변형시키도록 예열시키는 단계와,Preheating the extrusion material to plastic deformation;
상기 동시 압출기의 피스톤 압력으로 압출시키는 단계Extruding the mixture into a piston pressure of the co-extruder
로 구성된다..
이것에 의해, LNG 기화기용 튜브의 내식성 및 내구성이 현저히 향상시키는 것이 가능하다.This makes it possible to remarkably improve the corrosion resistance and durability of the LNG vaporizer tube.
Description
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.The present invention relates to a method of manufacturing an aluminum clad tube for a vaporizer by co-extrusion, and more particularly, to a method of manufacturing an aluminum clad tube for vaporizing a liquefied natural gas, The present invention relates to a method for producing a clad tube by simultaneous extrusion in which the bonding force between the tube and the clad is improved.
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.Recently, the use of natural gas (NG), which has less pollution due to pollution such as acid rain and air pollution, is rapidly increasing when coal and petroleum, which are fossil raw materials, are used. The process of using such natural gas is as follows. Liquefied natural gas (LNG) is firstly liquefied by the gas mined in the gas well. The liquefied natural gas is transported to a natural gas station using an LNG carrier and stored in a storage tank. The stored LNG is vaporized using a vaporizer and natural gas is supplied to the consumer.
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.Here, the vaporizer 10 can be schematically represented as shown in FIG. That is, the LNG supplied from the lower LNG header tube 16 flows through the inside of the vaporizer tube 14 having the fin, and the fresh water or seawater supplied from the sea water pipe 3 flows to the outer surface of the LNG header tube 16, As shown in FIG. By this external heat, the LNG is vaporized as it moves to the upper part of the tube, and is discharged through the NG header tube 12 to be converted into natural gas (NG).
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.The material of the tube 14 of the vaporizer used up to now is an alloy such as AA3003 which is an aluminum alloy having excellent thermal conductivity and comparatively excellent corrosion resistance. However, when seawater is used as a heat source, corrosion phenomenon such as pitting occurs at a very high speed on the surface of aluminum alloy, and the life of the vaporizer becomes very short in several months. This short corrosion life not only reduces the operating rate of the vaporizer but also poses a serious threat to the safety of the vaporizer by the flammable gas.
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.To address this corrosive problem, current methods are to coat the sacrificial anode metal with a vapor spray tube to prevent corrosion. That is, an alloy such as A1-2% Zn is coated on the surface of an aluminum vaporizer by thermal spraying to a thickness of about 80 to 400 μm to protect the A3003 alloy, which is a base metal, from the corrosive atmosphere. However, it is common that the coating thus obtained contains many pores and cracks, and when the surface treatment of the aluminum tube is not proper, the interface adhesion between the coating and the substrate is weak, resulting in peeling of the coating layer. Particularly, the pores in the coating layer promote corrosion, and when the interface adhesion between the coating layer and the substrate is low, the sacrificial anodic coating layer is peeled off under the operating conditions in which heating and cooling are repeated, and the corrosion life of the vaporizer is shortened.
따라서 본 발명에서는 기공을 제거하고 계면 접착력을 균일하게 할 수 있는 동시 압출법(co-extrusion)을 이용하여 내식성이 높은 재료를 표면에 형성시키는 방법을 개발하였다.Accordingly, the present invention has developed a method of forming a material having high corrosion resistance on the surface by using a co-extrusion method which can remove pores and make the interfacial adhesion uniform.
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.It is an object of the present invention to provide an aluminum tube for a vaporizer having a skin layer (clad layer) which is superior in uniformity of coating compared with a tube coated by a conventional thermal spraying method and whose bonding strength between the coating layer and the matrix is remarkably improved, And to develop a method for manufacturing the same.
즉, 동시 압출법으로 크래드 튜브를 제조함으로서 기화기 튜브의 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 이에 따른 기화기의 경제성 및 안전성을 제고시키기 위함이다.That is, by manufacturing a clad tube by a co-extrusion method, not only the life of the vaporizer tube is improved, but also the economical and safety of the vaporizer is improved.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 동시압출법에 의한 크래드 튜브 제조방법의 일예로서,As an example of a method for producing a clad tube by simultaneous extrusion to achieve the object of the present invention,
튜브 모재를 성형하는 단계와,Molding the tube base material,
상기 튜브 모재에 크래드재를 일체적으로 성형시키는 단계와,Integrally molding the clad material in the tube base material;
상기 튜브 모재와 크래드재가 일체로 된 압출용 재료를 동시 압출기에 넣는 단계와,A step of inserting the extrusion material in which the tube base material and the clad material are integrated into a co-extruder,
상기 압출용 재료를 소성 변형시키도록 예열시키는 단계와,Preheating the extrusion material to plastic deformation;
상기 동시 압출기의 피스톤 압력으로 압출시키는 단계Extruding the mixture into a piston pressure of the co-extruder
로 구성된다..
도 1은 종래의 LNG 기화기의 구성도1 is a schematic diagram of a conventional LNG vaporizer
도 2는 본 발명에 따른 튜브 모재가 성형된 상태의 단면도Fig. 2 is a cross-sectional view of a tube base material according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 튜브 모재와 크래드재가 주형에서 성형되는 과정을 도시한 단면도3 is a cross-sectional view illustrating a process of forming a tube base material and a clad material in a mold according to the present invention
도 4는 본 발명에 따른 튜브 모재와 크래드재가 주형에서 성형된 상태를 도시한 단면도4 is a cross-sectional view showing a state in which a tube base material and a clad material according to the present invention are molded in a mold;
도 5는 도 4의 A-A선 단면도5 is a sectional view taken along the line A-A in Fig. 4
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도6 is a cross-sectional view showing a process for producing an aluminum clad tube for a vaporizer in an extruder according to the first embodiment of the present invention
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도7 is a cross-sectional view showing a process for producing an aluminum clad tube for a vaporizer in an extruder according to a second embodiment of the present invention
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도8 is a cross-sectional view showing an aluminum clad tube manufacturing process for a vaporizer in an extruder according to a third embodiment of the present invention
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따라서 압출기에서 기화기용 알루미늄 크래드 튜브 제조공정을 도시한 단면도9 is a cross-sectional view showing an aluminum clad tube manufacturing process for a vaporizer in an extruder according to a fourth embodiment of the present invention
도 10은 본 발명에 따라서 압출기에서 배출된 기화기용 알루미늄 크래드 튜브의 정단면도10 is a front cross-sectional view of an aluminum clad tube for a vaporizer discharged from an extruder according to the present invention
도 11은 본 발명에 따라서 압출기에서 배출된 기화기용 알루미늄 크래드 튜브의 정단면도11 is a front cross-sectional view of an aluminum clad tube for a vaporizer discharged from an extruder according to the present invention
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉Description of the Related Art
3 : 해수관 10 : 기화기3: sea water pipe 10: vaporizer
12 : NG 헤더 튜브 14 : 튜브12: NG header tube 14: tube
16 : LNG 헤드 튜브 20 : 압출기16: LNG head tube 20: extruder
22, 44, 50 : 튜브 모재 24, 42, 52 : 크래드재22, 44, 50: tube base material 24, 42, 52:
28 : 프론트 몰드 30 : 콘테이너28: Front mold 30: Container
32 : 피스톤 34 : 멘드렐32: piston 34:
38 : 크래드 판재 45 : 플러그38: clad plate member 45: plug
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.The present invention relates to a process for producing an aluminum clad tube for a vaporizer by co-extrusion. A conventional aluminum tube for a vaporizer was manufactured by coating an A1-2% Zn alloy on a base tube by a thermal decomposition method. Such a coating layer not only contains a large amount of pores but also has a non-uniform thickness and incomplete bonding with the base layer, so that peeling easily occurs and there is a tendency to reduce the corrosion resistance of the tube. Therefore, in order to improve the corrosion resistance of the vaporizer tube, it is necessary to form a coating layer having a dense microstructure, and it is essential to increase the bonding force between the substrate and the coating layer.
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.A chemical or physical vapor deposition method or a cladding method can be used to manufacture the tube having such characteristics, but the present invention uses a cladding method having excellent economical efficiency. The crading method also includes a rolling method, an explosion welding method, an arc welding method, and a coextrusion method. However, the present invention uses a coextrusion method in which the production of a complicated shaped article is easy and the influence on the mechanical and physical properties of the base metal is small . That is, a co-extrusion process was used in which a sacrificial anode alloy was extruded at the same time as the aluminum alloy was extruded in the form of a vaporizer tube to form a coated layer on the surface of the extruded tube. The most important factor in this simultaneous extrusion process is that the thickness of the surface clad layer is uniformly obtained over the entire length of the extruded tube.
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.2, the tube base material for extrusion is melted using a melting furnace, and a liquid aluminum extrusion base material is injected into a mold (not shown) having a size of about 120 mm in diameter and 255 mm in height to form a cylindrical aluminum billet ). In this tube base material 22, a hollow inner diameter portion 23 is formed.
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.3, the tube base material 22 is placed in the center of a mold 25 having a diameter of about 140 mm and a clad material (not shown) is to be placed in a space of 10 mm between the tube base material 22 and the mold 25 24) are dissolved in a liquid state and then injected.
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.Then, as shown in Figs. 4 and 5, the cylindrical base material 22 and the clad material 24 become a cylindrical extrusion material. The molded material thus extruded is molded by a co-extrusion method.
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.6, the extruder 20 includes a front mold 28 for extruding the extrusion material to a desired shape, a container 30 for accommodating the extrusion material, a piston 32 for pressurizing the extrusion material And a mandrel 34 which is inserted into the inner diameter portion 23 of the tube base material 22 so that the inner diameter portion of the inner diameter portion is formed in a constant shape when extruded.
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.The container 30 is preheated at about 470 DEG C for about 3 hours so as to cause plastic deformation, and then the extrusion material is put into the container 30 and the extrusion material heated at 400-450 DEG C is fed to the piston 32). At this time, the applied speed is 1.2-2.0 m / min.
이 방법으로 제조된 기화기 튜브는 크래드층의 두께가 비교적 불균일하게 얻어지는 것이 관찰되었다.It was observed that the thickness of the clad layer of the vaporizer tube manufactured by this method was relatively nonuniform.
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.Therefore, in order to obtain a uniform thickness of the cladding, in the present invention, a separate clad plate 38 as shown in FIG. 7 is inserted in front of the extrusion material and extruded. As a result of using such a method, it is possible to manufacture a clad tube of the shape shown in Fig. 10 having a uniform clad thickness in the longitudinal direction.
다음으로, 크래드재가 튜브 모재의 외주면에 적층되도록 동시 압출하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.Next, a method of simultaneously extruding the clad material so that the clad material is laminated on the outer peripheral surface of the tube base material will be described.
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.As shown in Fig. 8, when the diameter of the inner diameter portion 43 of the clad material 42 is considerably large, the clad material 42 is positioned on the front surface of the tube base material 44. Fig. The tube base material (44) has an inner diameter portion (47) having a small diameter. The extrusion conditions are almost the same as before.
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.The tube base material 44 is pushed toward the inner diameter portion 43 of the clad material 42 by the pressure output of the piston 32 and the tube base material 44 is plastically deformed by the frictional force.
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.The configuration of FIG. 8 can be made such that the tube base material 44 is first thickened when the tube base material 44 is pushed toward the inner diameter portion 43 of the clad material 42. In order to prevent this, it is possible to manufacture a clad tube having a uniform thickness by processing the tube base material 50 into the shape of the plug 45 as shown in Fig.
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.The present invention can manufacture a vaporizer tube having a radiating fin as shown in FIG. 10, including a common clamp tube as shown in FIG. In this case, aluminum, AA7072, cupronickel, etc., excellent in seawater and fresh water corrosion resistance are used, and the material of the tube base material may be AA5052, AA3003, AA6061. At this time, the thickness of the clad of the clad tube can be made several tens of microns in advance.
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.According to the present invention, corrosion resistance and durability of the LNG vaporizer tube can be remarkably improved. That is, since the microstructure of the clad layer is dense and the interface bonding strength between the tube base material and the clad material is excellent due to the diffusion bonding between these metals, the life time of the vaporized tube Extension is possible. In addition, since the present manufacturing method uses an extrusion method which is a general manufacturing method of an aluminum alloy, manufacturing cost is greatly reduced as compared with the conventional thermal spray coating method because there is no need to invest a device and productivity is excellent.
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.It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
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