스크랩 분위기가스의 용도

[류 대오]

분위기가스의 용도   분위기 Gas의 용도   분위기 Gas는 원래 가열시켜 금속표면이 산화하는 것을 방지하기 위하여 발달한 것이    지만, 오늘날에는 단지 보호 분위기로서 뿐만 아니라 금속표면에 침탄, 탈탄, 침탄질화,    질화 환원 등의 여러 가지 성질을 부여하여 응용되고 있다.   분위기중에 열처리한 금속표면은 일반적으로 금 속의 소유색을 띤 광휘상태가 바람직    하지만 제품의 용도에 따라서는 광휘가 없거나  Scale이 없는 무산화 혹은 얼마간 착    색되어진 과위상태가 호용되는 경우가 있다.   일반적으로 가열되어진 금속 표면은 탄소, 산소, 유황을 포함하는 활성분위기에 침식되    지만 질소, 수소 등의 불활성분위기에 대해서는 광휘 상태가 유지된다.   또, 불활성 분위기중에서 광휘 가열시킨 것으로서도 수소 Gas와 같이 금속내에 물리적    으로 흡수되어 기계치성의 원인이 되는 것이 있다. (1) 분위기 Gas의 금속에 대한 영향 전술한 것과 같이 RX Gas는 다량의 CO, H2 Gas를 포함, 철에 대하여 강침탄성, 강환원 성을 가지기 때문에 강의 Gas 침탄, 침탄질화, 중.고 탄소강의 광휘소입 및 광휘 소둔용 분위기 Gas로서 사용된다. DX Gas는 CO, CO₂, H₂, H2O 및 N₂Gas의 혼합 Gas로서 DX Gas(Rich)는 CO,H₂를 비교적 다량으로, CO₂를 비교적 적게 포함하고 있고, DX Gas(Lean)은CO, H2가 적고 CO₂를 다량으로 포함한다. DX Gas(Rich)는 철에 대하여 약환원성이기 때문에 저탄소강의 광휘소둔, 광휘소려로 이용된다. DX Gas(Lean)은 산화성의 CO₂를 다량으로 포함하기 때문에 철에대해 산화성 이지만 그 특징으로서 CO H₂량이 소량이고, 따라서 폭발성이 없고 또한 공기 및 연소 Gas보다 산화성이 약하므로 강의 소려 등의 저온에 걸쳐 열처리 및 특수강의 소둔에 이용되어진다. 그외에 동, 알루미늄 등의 비철금 속의 소둔에 이용되어진다. NX Gas는 DX Gas(Lean)보다 CO₂ 및 H2O를 제거한 Gas조성을 가지기 때문에 DX Gas(Rich)보다 환원성이 강하고 강의 광휘소둔에 적당하다. Gas중의 CO + H₂량이 4% 이하의 경우는 폭발성을 가지지 않기 때문에 Bell형 소둔로 에서 있어서 박판 Coil의 소둔용 분위기로서 널리 채용되어 지고 있다. HNX Gas는 NX Gas중에 포함되는 CO를 제거하여 H2를 첨가한 Gas조성을 가지고 철에 대하여 강환원성이고, CO에 의한 Gas부식, 침탄 및 그을음의 부착의 우려도 없고 열처리 후의 표면상태가 좋기 때문에 강의 초광휘소둔, 특수강의 소둔용 분위기 Gas로서 쓰여 진다. AX Gas는 CO, CO2를 포함하지 않는 H2와 N2의 혼합Gas로 강환원성의 성질을 가지 고규소강판, Stainless강의 열처리에 사용된다. 용도에 따라 잔류암모니아, 수분을 흡착하고 또 가습하여 사용된다. (2) 강의 광휘 소둔, 소준 강의 박판 Coil, 선재, 봉강, Pipe재를 소둔, 소준의 광휘 열처리를 행하는 경우에는 저탄 소강에 대해서는 표면산화의 방지 중,고 탄소강에 대해서는 산화의 방지와 동시에 탈탄 의 억제가 필요하다. 이를 위해서 이러한 강재의 소둔로 및 소준로에 사용하는 분위기 Gas로서는 DX, NX, HNX, RX Gas를 단독 또는 혼합해서 사용한다. 여기에서는 로기 Gas의 강에 대한 산화 환원 및 탈탄의 문제에 대해 기술하고 산화, 환원 및 탈탄의 구체적 Mechanism은 다음장에서 기술한다. ① 분위기Gas에 의한 강의 산화, 환원, 강의 광휘소둔에 사용되는 DX, NX,       HNX Gas에는 CO, CO₂, H₂, H2O를 포함하기 때문에 강을 열처리 하는    경우 로내에 이러한 Gas와 강과의 사이에 산화환원 반응이 일어난다.    고온에서 철의 산화 환원반응은 다음의 식에 의해 나타내진다.      Fe + CO₂= FeO + CO ------------ (4)      Fe + H2O = FeL + H₂ ------------ (5)    (4),(5)식의 철의 산화, 환원반응의 평형상수는 다음과 같다.      K11 = PCO/ PCO₂---------------- (6)      K12 = PH₂/ PH2O ---------------- (7)   로내 각 온도에서 (6)(7)식의 평형상수의 값은 로내 Gas중의 PH₂/PH2O, PCO/ PCO₂가 평형치보다 적은 경우에는 철은 산화하고 역으로 커지면 철의산화물은 산화된다. DX(Rich) NX, HNX Gas는 모두 철에 대해 환원성이 있다. 그러므로 강의 광휘소둔로용 분위기 Gas로서 사용된다. 그러나 DX Gas(Lean)은 철에 대해 산화성이 있지만 공기, 연소 Gas에 비교하면 그 산화성은 매우 약하다.   ② 강표면의 탈탄의 억제 강의 광휘소둔 또는 소준하는 경우에는 열처리때처럼 산화를 방지하는 것이 없고 강표면 층의 탈탄을 억제하는 것이 중,고탄소강의 열처리에 대해 특히 필요하다. DX Gas(Rich), NX Gas는 강의 광휘소둔에 사용되지만 이러한 Gas는 고온에서 침탄능이 낮고, 따라서 탄소량이 많은 강을 이러한 분위기 Gas중에서 장시간 소둔하면 표면 탈탄이 생긴다. 소둔시에서 탈탄을 방지하기 위해 DX Gas, NX Gas에 천연 Gas, 프로판 등의 연로Gas를 첨가시키면, 침탄능을 높이는 것이 가능하지만 소둔시에 로기Gas의 침탄능의 제어가 곤란하여 재료표면에 침탄, 검댕의 부착등이 생긴다. 중,고탄소강의 소둔용으로 최고의 분위기Gas는 RX Gas + DX(Lean)Gas, 또는 NXGas + RX Gas이고, 특히 연속소둔로에서는 각 Zone의 H2O 량, 또는 CO₂량을 제어하는 것에 의해 강의 표면탈탄을 효과적으로 제어할 수 밖에 없고, 소둔전에 탈탄층을 가지는 경우에도 로내의 분위기 Gas를 조정하는 것에 의해 복탄시키는 것도 가능하다. 기밀한 열처리로내에서 NX + RX 혼합 Gas의 각온도에서 침탄능을 구한 결과를 표시하지만 이 경우 NX Gas외 로내 로점은 -10℃ RX Gas의 로점을 -5℃로서 계산에 의해 구한 값이다. (3) 특수강의 광휘소둔 특수강의 종류는 매우 많지만 광휘소둔에 있어 문제가 있는 것은 특수원소로서 크롬, 규소등 그 산화물의 해리압이 낮은 원소를 포함한 강이고, 이러한 강을 열처리하는 경우에는 로내 분위기로서 미량의 산화성 Gas가 존재하여도 표면 산화의 원인이 된다. 여기에서는 주로 특수강 가운데 스텐레스강의 광휘소둔에 대해 설명한다. 스테인레스강의 광휘소둔용 분위기 Gas로서는 AX Gas가 쓰여진다. 그러나 소둔시에 약간의 표면산화가 허용되어지는 경우에는 DX(Lean), HNX Gas가 이용되는 경우도 있다. 다음에는 AX Gas에 의한 스테인레스의 광휘소둔에 대해 기술한다. AX Gas중에는 미량의 H2O를 포함하므로 스테인레스강주의 크롬과 반응하여 강표면에서 다음과 같은 산화, 환원반응이 일어난다.        Fe + 2Cr + 4H2O = FeCr2O₄+ 4H₂ (8)     2Cr + 3H2O = Cr2O₃+ 3H₂        (9) 스텐레스 강중에 크롬량이 적은 경우에는 주로 (8)식과 같은 반응이 일어나고, 크롬량이 증가하면 (9)식과 같은 반응이 진행된다. 스텐레스강의 소둔시에서 가열온도가 높아지면 표면산화 억제를 위한 허용수 분량이 크게된다. 즉 AX Gas의 로점이 높아져도 산화착색을 방지함을 알 수있다. 스텐레스강의 광휘소둔에서 특히 문제가 되는 것은 가열후의 냉각속도이고 냉각이 늦어 지면 냉각시에 표면산화가 일어난다. 18크롬, 13크롬계 스텐레스 강중에 어떤 종류에 것은 AX Gas중에서 장시간 소둔하면 질화에 의한 표면이 경화되는 것이 있고, 이와같은 강종의 광휘소둔에는 AX Gas중의 잔류 암모니아를 제거하든가, 또는 N₂를 포함하지 않는 분위기를 쓰지 않으면 안된다. 0, 탄조품의 열처리 가단주철과 Ductile주철의 소둔에서는 소입을 행하는 경우, 로내 및 장입 추출실에 분위기 Gas를 송입해서 로내의 CO/CO₂비를 처리 목적에 따라 일정하게 유지해서 제어하고 있다. 종래에는 분위기 Gas의 특징으로 산화방지를 목적으로 한 것이 사용되었다. 그러나, 최 근에는 특히 퍼얼라이트 Malleable의 분위기로서 탈탄이 적은 것이요구된다. Rich DX Gas는 산화방지로서 사용되지만 H₂, CO₂량이 많은 제2단 흑연화에 악영향이 있고, 재료의 탈탄이 있기 때문에 상황에 따라 Lean DX Gas를 장입추출실에만 송입하여 Air Purge용으로 사용된다. AX Gas는 높은 품질의 것이 요구되는 경우에 사용되고, 퍼얼라이트 가단주철의 경우 로내의 분위기는 CO/CO₂= 20 으로 유지가 좋다고 알려져 있기 때문에 소요의 분위기 에 맞게 NX Gas의 성분을 조절하여 공급한다. 또 안전을 생각한 경우에도  NX Gas가 쓰여진다. (4) 불활성 Gas의 용도 불활성 Gas는 연소, 폭발에 대하여 보호, 산화, 환원을 억제하기 위한 열처리 공정 등에 사용된다. N₂Gas가 간단히 공급되지 않는 경우나 Cost 적으로 불리하 경우, 주로 DX Gas의 원료 와 공기의 혼합비가 완전 연소에 가까운 범위에서 연소하여 사용한다. 원료로는 일반적인 연료 Gas외에 Oil등도 사용된다.    용도 일례를 열거하면   ① 방폭, 연소방지용 치환 Gas, Seal Gas로서 다시말하면       * 석유 증류장치의 내부환기       * 증발성용제를 쓰는 석유공장, 화학공장의 제조공정       * 인화성, 폭발성 물질의 수송공정       * LNG Tank, LPG Tank, Oil Tank 의 치환 및 Sealing   ② 공기중의 산소에 의한 산화를 막기 위하여  예를 들면,       * 약품, 식품, 통조림 제조공장의 포장공장       * 도료, 바니쉬, 합성수지의 제조공장       * 식품, 과실의 신선함을 유지하기 위한 창고에 있어 보호 분위기       * 제유 공장의 무늬 공정       * 전자 Beam에 의한 도장피막의 경화 공정       불화성 Gas의 성분은 용도에 따라  CO, H₂, H2O 등을 결정한다.       또한 DX Gas외에  NX Gas, HNX Gas, SAX Gas 등도 사용된다. (5) 로기의 Gas 분석    각종 로기는 Orsat 장치로 CO₂,O₂, CO Gas이 분석을 행하여 로기 성분을 조절하는 것이 보통이다. 또, H₂, CH₄Gas는 폭발연소시켜 Orsat로 분석하나, 소량성분의 H₂Gas 는 측정이 어렵기 때문에 적열 백금선과 접촉연소 (Barrel형)시켜 분석한다. 미량 O₂Gas의 분석은 염산용액에 로기를 통해서 중화하는데까지의 AX Gas 유량으로 측정할수 있다. H2S Gas의 분석은 Pirt Wira법이 있지만 초산연용액으로 습윤한 백지가 로기에 의해 변색하는 정도로 간단히 판별할수 있다. 소둔후의 부품의 표면상태르 비교 검토하기 위한 표준은 없지만, 광휘도에 대해 조도측 정, Pickle Leak측정과 같은 방법이 있고, 착색도에는 색채표준을 이용하는 예가 있다. 또 동표면의 착색이 유화가 산화에 의한 것이 판별되지 않는 경우는 KCN의 희석 용액 으로 산화물은 없애고 H2SO₄희석용액에 의해 산화물을 용해시킨다.