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KR100947292B1 - 열변형 최소화를 위한 급속 냉각방법 - Google Patents

열변형 최소화를 위한 급속 냉각방법 Download PDF

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KR100947292B1 KR1020070111107A KR20070111107A KR100947292B1 KR 100947292 B1 KR100947292 B1 KR 100947292B1 KR 1020070111107 A KR1020070111107 A KR 1020070111107A KR 20070111107 A KR20070111107 A KR 20070111107A KR 100947292 B1 KR100947292 B1 KR 100947292B1
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Abstract

본 발명은 피가공물을 냉각액에 담가서 빠르게 냉각하는 급속 냉각방법에 관한 것으로, 적재형 지그(20) 및/또는 피가공물(P)이 관통되게 끼워지는 제1구멍(31)들과, 냉각액(CW)의 흐름을 유도하는 제2구멍(32)들로 이루어진 메쉬형태의 유속조절부재(30)를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물(P)들 사이에 배치해서, 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)에 의해서 안정적으로 균일화되도록 하므로, 피가공물(P)의 냉각이 고르게 이루어지면서, 증기막 생성이 억제되어, 냉각속도 차이로 인한 열변형이 최소화되고, 증기막으로 인한 냉각속도의 저하가 효과적으로 방지되는 잇점이 있다.

Description

열변형 최소화를 위한 급속 냉각방법{Quick cooling method for minimizing the thermal distortion}
본 발명은 피가공물을 냉각액에 담가서 빠르게 냉각하는 급속 냉각방법에 관한 것으로, 냉각속도 차이로 인한 열변형이 최소화되고, 증기막 생성이 억제되도록 하는 급속 냉각방법에 관한 것이다.
금속재질의 피가공물 열처리는 통상 도 1에 도시된 바와 같은 열처리장치를 이용하고 있는데, 이를 참조로 하여 열처리과정을 설명해 보면 다음과 같다.
우선, 베이스(10)에 피가공물(P)을 설치한 후, 공급장치(100)를 매개로 피가공물(P)이 적재 고정된 베이스(10)를 가열장치(200)로 공급한다.
상기 공급장치(100)에 의해 가열챔버(210) 내로 공급되어진 피가공물(P)은 베이스(10)에 얹혀진 상태로 이송기구(220)에 의해 이송되면서 히터(230)와 팬기구(240)에 의해 고르게 고온으로 가열된다.
상기 가열장치(200)의 가열챔버(210) 외부로 배출되어진 피가공물(P)은 냉각장치(300)의 냉각챔버(310) 내부의 이송기구(320)에 얹혀져 정위치되고, 이송기구(320)에 피가공물(P)이 정위치되면 승강기구(330)에 의해 이송기구(320)가 하강하게 되어 이에 얹혀져 정위치된 고온의 피가공물(P)과 베이스(10)가 냉각챔버(310)의 냉각액(CW)에 투입되어 잠긴다. 상기 냉각액(CW)는 냉각액 순환기구(340)에 의해 순환되어서 베이스(10)와 피가공물(P)의 하부로부터 상부로 유동되어서 고온의 피가공물(P)과 베이스(10)를 빠르게 냉각한다.
상기 피가공물(P)과 베이스(10)를 냉각시킨 냉각액(CW)는 열전도에 의해 차츰 온도가 상승되고, 냉각액(CW)의 온도가 상승되면 냉각효율이 저하되므로, 피가공물(P)을 적절하게 냉각하기 위해서는 열교환기(350)를 이용하여 냉각액(CW)의 온도를 항상 적정 온도 범위내로 유지시키는 것이 바람직하다.
상기 피가공물(P)의 냉각이 완료되면, 승강기구(330)에 의해서 이송기구(320)가 상승되어서 초기 위치로 복귀되어, 냉각액(CW)에 투입되어 잠겨진 피가공물(P)과 베이스(10)가 냉각액(CW)로부터 끄집어 내어진 후, 이송기구(320)에 의해 냉각챔버(310) 외부로 배출된다.
상기 냉각챔버(310) 외부로 배출되어진 피가공물(P)은 이후 배출장치(400)를 매개로 다음 공정으로 배출된다.
여기서, 상기 공급장치(100), 이송기구(220,320), 배출장치(400)로는 공지의 컨베이어장치를 이용하였고, 상기 가열장치(200)와 냉각장치(300)는 이미 널리 공지되어 공연 실시되고 있으므로, 이에 대한 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 피가공물의 열처리에 있어서, 피가공물의 가열은 상대적으로 긴 시간동 안 서서히 고르게 가열되지만, 피가공물의 냉각은 냉각액(CW)에 잠겨진 상태로 빠르게 냉각되므로, 피가공물의 냉각상태에 따라서 피가공물의 물적특성이 큰 영향을 받게 된다.
그러나, 이러한 종래 급속 냉각방법은 냉각액(CW)의 흐름을 안정화하고, 증기막으로 인한 냉각효율 저하를 억제할 수 있는 방안이 강구되지 못하여, 피가공물의 냉각효율이 좋지 못하고, 피가공물의 각 부위별로 냉각속도가 비교적 크게 차이나는 문제가 초래되었다.
이에 대해서 도 2a 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명해 보면 다음과 같다.
우선, 본 발명은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 냉각액(CW)가 유통되는 구멍(10a)들이 형성되어진 베이스(10)에, 적재형 지그(20)를 매개로, 피가공물(P)들을 설치해서, 이들 피가공물(P)이 수직방향으로 상호 등간격을 이루며 배치되도록 하는 방식을 그 대상으로 하고 있다. 여기서, 상기 베이스(10)와 적재형 지그(20)간의 결합, 적재형 지그(20)와 적재형 지그(20) 간의 결합은 요철(凹凸)방식으로 상호 착탈가능하게 맞물려 결합되도록 하였고, 피가공물(P)은 해당 적재형 지그(20)에 개별적으로 끼워져 얹혀져서 고정되도록 하였다.
상기 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 결합물(P,10,20)을 승강기구(330 ; 도 1 참조)를 매개로 냉각챔버(310)의 냉각액(CW)에 투입하면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 냉각액 순환기구(340)에 의해 순환되는 냉각액(CW)가 베이스(10)의 구 멍(10a)을 통해서 하부로부터 유입된 후에 상부로 유동되어서, 피가공물(P)과 베이스(10) 및 적재형 지그(20)가 냉각액(CW)에 의해 빠르게 냉각된다.
이때, 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액의 유속은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 냉각액 유동공간(A)에서의 유속이 가장 느리고, 냉각액 유동공간(C)에서의 유속이 가장 빠르며, 냉각액 유동공간(B)에서의 유속은 냉각액 유동공간(A)보다는 빠르고 냉각액 유동공간(C)보다는 느리므로, 유속 차이로 인한 냉각속도의 차이가 발생되어 피가공물(P)이 불균일하게 냉각된다.
더욱이, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각액 유동공간(A,B,C)에서는 상호간의 이격거리와, 냉각액의 흐름 방해여부 등에 따라서 와류발생이 불균일하게 발생되고{도 4에서 "a"는 층류, "b"는 와류}, 이와같이 유속과 와류발생이 불균일하게 되면 냉매 온도도 불균일하게 되어 피가공물(P)의 냉각은 더욱 불균일하게 된다.
이와 같이, 피가공물(P)의 냉각이 불균일하게 이루어지면, 각 부위별 온도차이로 인해서 비틀림 등과 같은 열변형이 발생되어 제품 불량이 초래되고, 제품 품질이 크게 저하되는 문제가 초래된다.
또한, 가열장치(200)에 의해 고온으로 가열된 피가공물(P)과 베이스(10) 및 적재형 지그(20)를 냉각액(CW)에 투입하게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 이들 결합물(P,10,20)에 접하는 냉각액(CW)가 고온에 의해 빠르게 기화되면서 이들 결합물(P,10,20) 표면에 증기막(c)이 형성된다. 이러한 증기막(c)은 피가공물{P ; 베이스(10) 및 적재형 지그(20)도 동일}과 냉각액(CW)간의 직접 접촉을 차단하게 되어, 피가공물(P)의 냉각속도를 떨어뜨리게 되는데, 종래에는 이러한 증기막(c) 형성을 억제할 수 있는 방안이 강구되지 못하여 냉각속도의 저하를 방지할 수 없다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로, 냉각속도 차이로 인한 열변형이 최소화되고, 증기막 생성이 억제되도록 하는 급속 냉각방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 피가공물이 적재형 지그를 매개로 냉각액이 유통되는 구멍들이 형성되어진 베이스에 수직방향으로 상호 등간격을 이루며 배치되어진 상태에서, 이들 결합물을 냉각챔버의 냉각액에 잠기도록 투입해서, 냉각액 순환기구에 의해 순환되어 베이스의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액에 의해서 이들 결합물이 빠르게 냉각되도록 하는 급속 냉각방법에 있어서, 상기 적재형 지그 및/또는 피가공물이 관통되게 끼워지는 제1구멍들과, 냉각액의 흐름을 유도하는 제2구멍들로 이루어진 메쉬형태의 유속조절부재를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물들 사이에 배치해서, 베이스의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액의 흐름이 유속조절부재에 의해서 안정적으로 균일화되도록 하는 것을 특징으로 하는 급속 냉각방법으로 되어 있다.
이상 상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 적재형 지그(20) 및/또는 피가공물(P)이 관통되게 끼워지는 제1구멍(31)들과, 냉각액(CW)의 흐름을 유도하는 제2구 멍(32)들로 이루어진 메쉬형태의 유속조절부재(30)를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물(P)들 사이에 배치해서, 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)에 의해서 안정적으로 균일화되도록 하므로, 피가공물(P)의 냉각이 고르게 이루어지면서, 증기막 생성이 억제되어, 냉각속도 차이로 인한 열변형이 최소화되고, 증기막으로 인한 냉각속도의 저하가 효과적으로 방지되는 잇점이 있다.
이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 급속 냉각방법은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 피가공물(P)이 적재형 지그(20)를 매개로 냉각액(CW)가 유통되는 구멍(10a)들이 형성되어진 베이스(10)에 수직방향으로 상호 등간격을 이루며 배치되어진 상태에서, 이들 결합물(P,10,20)을 냉각챔버(310)의 냉각액(CW)에 잠기도록 투입해서, 냉각액 순환기구(340)에 의해 순환되어 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)에 의해서 이들 결합물(P,10,20)이 빠르게 냉각되도록 하되, 상기 적재형 지그(20) 및/또는 피가공물(P)이 관통되게 끼워지는 제1구멍(31)들과, 냉각액(CW)의 흐름을 유도하는 제2구멍(32)들로 이루어진 메쉬형태의 유속조절부재(30)를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물(P)들 사이에 배치해서, 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)에 의해서 안정적으로 균일화되도록 하는 방식을 취하고 있다.
상기 유속조절부재(30)는 별도의 지지대(도시안됨)를 매개로 베이스(10)에 고정되거나, 보울트나 너트, 스크류, 혹은 걸이대 등과 같은 공지의 별도의 체결부재를 매개로 해당 적재형 지그(20)에 직접 고정될 수 있다.
상기 유속조절부재(30)를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물(P)들 사이에 배치하기 위해서는, 유속조절부재(30)의 제1구멍(31)은 적어도 적재형 지그(20)의 외경보다는 커야 한다.
또한, 상기 유속조절부재(30)의 제2구멍(32) 크기를 작게 할수록 냉각액(CW)의 흐름이 안정화·균일화되는데, 제2구멍(32)의 크기를 제1구멍(31)보다 크게 하는 경우에는 냉각액(CW) 흐름의 안정화·균일화는 사실상 기대하기 어려우므로, 바람직하기로는 제2구멍(32)의 크기는 적어도 제1구멍(31)보다는 작게 형성한다.
본 발명에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)에 의해 균일화되므로, 유속조절부재(30)의 제2구멍(32)을 통과하며 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 유속이 균일화되고, 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)의 제2구멍(32)을 통해서 상방향으로 고르게 유도되므로, 와류 발생이 억제되어 냉각액(CW)의 흐름이 안정화된다{유속조절부재(30)의 두께(도 6상에서 수직 높이)를 크게 할수록 냉각액(CW)의 흐름이 보다 안정적으로 상방향으로 유도된다}.
또한, 고온으로 가열된 피가공물(P)과 베이스(10) 및 적재형 지그(20)를 냉각액(CW)에 투입하게 되면, 투입시점부터 일정시간동안, 이들 결합물(P,10,20)의 표면에 냉각액(CW)가 접하며 기화되어, 이들 결합물(P,10,20)의 표면에 증기막(c) 이 형성되고, 이렇게 형성된 증기막(c)은 기포형태를 이루면서 상방향으로 떠오르게 되는데, 본 발명에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상방향으로 떠오르는 증기막(c)이 유속조절부재(30)에 부딪힌 후, 유속조절부재(30)의 제2구멍(32)을 통해서 분산된 상태로 떠오르게 되므로, 증기막(c) 현상이 크게 억제되어, 이로 인해서 발생되는 피가공물(P)의 냉각속도 저하가 효과적으로 방지된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 한도내에서 보다 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이다.
일예로, 본 발명에 사용되는 메쉬(Mesh)형태의 유속조절부재(30)는, 도 9 및 도 10이나, 도 11에 도시된 바와 같이, 다양하게 변형될 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 실시예의 경우, 상기 유속조절부재(30)가 적재형 지그(20)별로 낱개로 제작되어서 적재형 지그(20)에 유속조절부재(30)를 개별적으로 설치할 수 있도록 하였다.
도 11에 도시된 실시예의 경우, 상기 도 9 및 도 10에 도시된 타입의 유속조절부재(30)에 연장부(33)를 보강해서, 냉각액(CW)의 흐름이 연장부(33)에 의해 보다 안정적으로 상방향으로 유도되도록 하였다.
도 1은 열처리장치의 일예를 도시한 구성도,
도 2a는 피가공물들이 적재형 지그를 매개로 베이스에 설치된 상태를 도시한 정면도,
도 2b는 도 2a의 평면도,
도 3a 및 도 3b는 종래 냉각방법에서의 유속 차이를 설명하기 위한 도면,
도 4는 종래 냉각방법에서의 와류발생을 설명하기 위한 도면,
도 5는 종래 냉각방법에서의 기포발생을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 냉각방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 도 6에 도시된 유속조절부재를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 냉각방법에서의 기포발생을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 유속조절부재의 다른 일예를 설명하기 위한 도면,
도 10은 도 9에 도시된 유속조절부재의 평면도,
도 11은 본 발명에 따른 유속조절부재의 또다른 일예를 설명하기 위한 도면이다.
- 첨부도면의 주요 부분에 대한 용어 설명 -
10 ; 베이스, 10a ; 구멍,
20 ; 적재형 지그, 30 ; 유속조절부재,
31 ; 제1구멍, 32 ; 제2구멍,
33 ; 연장부, 100 ; 공급장치,
200 ; 가열장치, 210 ; 가열챔버,
220 ; 이송기구, 230 ; 히터,
240 ; 팬기구, 300 ; 냉각장치,
310 ; 냉각챔버, 320 ; 이송기구,
330 ; 승강기구, 340 ; 냉각액 순환기구,
350 ; 열교환기, 400 ; 배출장치,
P ; 피가공물.

Claims (1)

  1. 다수의 피가공물(P)이 적재형 지그(20)를 매개로 냉각액(CW)가 유통되는 구멍(10a)들이 형성되어진 베이스(10)에 수직방향으로 상호 등간격을 이루며 배치되어진 상태에서, 이들 결합물(P,10,20)을 냉각챔버(310)의 냉각액(CW)에 잠기도록 투입해서, 냉각액 순환기구(340)에 의해 순환되어 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)에 의해서 이들 결합물(P,10,20)이 빠르게 냉각되도록 하는 급속 냉각방법에 있어서,
    상기 적재형 지그(20) 또는 피가공물(P)이 관통되게 끼워지는 제1구멍(31)들과, 냉각액(CW)의 흐름을 유도하는 제2구멍(32)들로 이루어진 메쉬형태의 유속조절부재(30)를 수직방향으로 상호 등간격을 이루는 피가공물(P)들 사이에 배치해서, 베이스(10)의 하부로부터 상부로 유동되는 냉각액(CW)의 흐름이 유속조절부재(30)에 의해서 안정적으로 균일화되도록 하는 것을 특징으로 하는 열변형 최소화를 위한 급속 냉각방법.
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