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문제 정의
- 이러한 도체 내부에서의 발열 특징은 Gas 가열에서와 같이 표면으로부터의 열전달을 통해 내부로 열이 전도되었을 때의 재질 변화와 다른 기계적 성질변화를 보일 가능성이 대두되었다. 따라서 본 연구에서는 고주파 유도가열 열원을 사용하여 가열된 강재의 물리 특성 변화에 대한 실험 및 분석을 수행하였다. 실험은 선박용 강재(Mild A grade)에 대해 실시하였으며, 고주파 유도가열 열원의 출력과 속도등을 고정하여, 강재에 동일한 입열이 가해지는 조건에서 냉각 조건을 달리하여 가열 시험편을 제작하였다.
가설 설정
- 입열량이 선상가열보다 많은 삼각가열의 경우를 가정하여 유도가열 코일부의 회전을 통한 가열을 실시하였다. 강재의 가열영역에 골고루 가열이 되도록 유도가열 코일의 가열경로에 해당하는 특정 패턴을 생성하여 실험하였는데, 고주파 가열코일의 이동 경로는 Fig.
제안 방법
- 이러한 인성 증가의 원인은 여러 가지로 고려해 볼 수 있은데, 더욱 상세한 분석은 광학 현미경을 이용한 강재의 미세조직 분석에서 다루었다.
- 강재의 가열영역에 골고루 가열이 되도록 유도가열 코일의 가열경로에 해당하는 특정 패턴을 생성하여 실험하였는데, 고주파 가열코일의 이동 경로는 Fig. 2와 같이 가열영역을 50mm×50mm로 나누었을 때 각 모서리 부분이 고주파 코일의 회전 중심이 되도록 배치하였다.
- 고주파 유도가열에 의한 강재의 물리특성 변화에 대해 실험하고 분석하였다. 사용된 강재는 조선용 Mild Steel A grade 이며, 다양한 냉각 조건(공냉, 공냉 후 수냉, 수냉)과 강재두께(25, 30mm,t)에 대해 항복 및 인장강도, 충격, 경도시험을 실시하였고, 광학 현미경 조직 검사를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있 었다.
- 충격시험의 경우 압연 방향에 따라 다른 값이 요구되고 있어, 압연 방향을 고려한 종,횡 방향으로 시험편을 제작하여 실시하였다. 단, 강재 내부의 열영향부 크기가 표준 시험편에서 요구하는 규격을 충족시키지 못할 것으로 예상되어 Sub-size 규격으로 시험편을 제작하였다. 이것은 Fig.
- 우선 (a) 영역의 경우는 표면과 인접한 곳으로서, 유도가열에 의해 가장 입열이 많이 이루어진 지점이다. 따라서 유도가열 열원에 의해 1000℃ ~ 1100℃ 로가열이 이루어진 것으로 판단되는데, 회전 가열효과에 의해서 그 이상 높은 온도로 가열되지 않음을 실험 과정에서 적외선 온도 센서를 사용하여 관찰하였다. 이러한 관점에서 볼 때 (a)영역은 Normalizing 효과를 일으키는 온도영역까지 가열된 후 냉각과정을 거친 것으로 판단된다.
- 모재 및 가열부 시편에 대한 물리적 특성 평가를 실시했다. 가열 시편에서의 시험편 가공 위치와 형상은 Fig.
- 고주파 유도가열에 의한 강재의 물리특성 변화에 대해 실험하고 분석하였다. 사용된 강재는 조선용 Mild Steel A grade 이며, 다양한 냉각 조건(공냉, 공냉 후 수냉, 수냉)과 강재두께(25, 30mm,t)에 대해 항복 및 인장강도, 충격, 경도시험을 실시하였고, 광학 현미경 조직 검사를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있 었다.
- 따라서 본 연구에서는 고주파 유도가열 열원을 사용하여 가열된 강재의 물리 특성 변화에 대한 실험 및 분석을 수행하였다. 실험은 선박용 강재(Mild A grade)에 대해 실시하였으며, 고주파 유도가열 열원의 출력과 속도등을 고정하여, 강재에 동일한 입열이 가해지는 조건에서 냉각 조건을 달리하여 가열 시험편을 제작하였다. 제작된 시험 편은 인장시험, 충격시험, 경도시험, 광학 현미경 조직 검사를 통해 물리 특성 변화를 확인하였다.
- 냉각방법은 3가지 경우에 대해서 고려해 보았다. 우선, 곡가공 현장에서 주로 사용하는 가열과 동시에 수냉하는 방법과, 가열 후 수냉, 그리고 공냉으로 경우를 나누어 실험을 실시하였다.
- 유도가열 장치의 출력과 가열속도 등의 입열조건은 동일하게 설정하였으며, 강재의 두께 및 냉각조건만을 달리한 시험편을 제작하고, 물리 시험을 진행하였다. 이때 입열조건은 일정 온도 이상에서는 가열효율이 급격히 감소하는 고주파 유도가열의 특징을 고려하였으며2), 특히 선상가열 보다는 삼각가열시의 입열량에 초점을 맞추어 결정하였다.
- 유도가열 장치의 출력과 가열속도 등의 입열조건은 동일하게 설정하였으며, 강재의 두께 및 냉각조건만을 달리한 시험편을 제작하고, 물리 시험을 진행하였다. 이때 입열조건은 일정 온도 이상에서는 가열효율이 급격히 감소하는 고주파 유도가열의 특징을 고려하였으며2), 특히 선상가열 보다는 삼각가열시의 입열량에 초점을 맞추어 결정하였다.
- 따라서 강재의 온도가 큐리 온도 이상으로 가열되었을 경우에는 고주파 유도가열의 효율이 급격히 감소하게 되어, 발열이 미미하게 발생된다. 이러한 고주파 유도가열의 단점을 극복하기 위해 회전가열을 실시하여 가열 코일이 큐리 온도 이상인 지점에서 오래 머물지 않도록 하였다.
- 실험은 선박용 강재(Mild A grade)에 대해 실시하였으며, 고주파 유도가열 열원의 출력과 속도등을 고정하여, 강재에 동일한 입열이 가해지는 조건에서 냉각 조건을 달리하여 가열 시험편을 제작하였다. 제작된 시험 편은 인장시험, 충격시험, 경도시험, 광학 현미경 조직 검사를 통해 물리 특성 변화를 확인하였다.
- 충격시험은 Charpy V-notch impact Test를 상온에서 실시하였다. 충격시험의 경우 압연 방향에 따라 다른 값이 요구되고 있어, 압연 방향을 고려한 종,횡 방향으로 시험편을 제작하여 실시하였다.
- 충격시험은 Charpy V-notch impact Test를 상온에서 실시하였다. 충격시험의 경우 압연 방향에 따라 다른 값이 요구되고 있어, 압연 방향을 고려한 종,횡 방향으로 시험편을 제작하여 실시하였다. 단, 강재 내부의 열영향부 크기가 표준 시험편에서 요구하는 규격을 충족시키지 못할 것으로 예상되어 Sub-size 규격으로 시험편을 제작하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 강재는 선체 외판 제작시 사용 비율이 높은 Mild steel A grade을 사용하였다. 강재의 인장, 항복강도 및 화학조성은 Table 1, 2와 같다.
이론/모형
- 3과 같다. 물리시험 결과는 선급 Rule6)에 기초하여 분석하고 평가하였다.
성능/효과
- 1) 항복 강도 및 인장 강도에 있어 고주파 유도가열한 시편은 모두 선급 Rule을 만족할 뿐만 아니라 더높은 값을 나타내었다.
- 2) 충격시험 및 경도시험의 결과도 모두 Rule을 만족하였다.
- Table. 2와 같이 충격시험 결과는 모든 조건에서 모재에 비해 충격치가 향상되었음을 보여주고 있다. 충격치의 향상은 가열에 의한 열영향부에서 인성저하가 발생하지 않았음을 의미한다.
- 4) 다양한 냉각조건에서의 시행된 가열시편의 금속 조직은 급속 냉각시 발생이 예상되는 취성 조직은 발견 되지 않았으며, 물리 시험 결과는 이를 잘 뒷받침해 준다.
- 연신율의 경우 모재에 비하여 다소 감소하는 경향을 보이고 있으나, 우려할 만한 수준의 급격한 연신율 저하는 발생하지 않고 있다. 따라서 시험결과는 선급 Rule인 항복강도 235이상, 인장강도 400~520, 연신율 22% 이상을 모두 만족하고 있다.
- 즉, 표면에는 Normalizing 효과에 의한 조직 미세화의 영향으로 경도값이 증가하였고, 충격시험결과는 모재에 비하여 평균 10% 가량 높은 값을 보이고 있는 것이다. 또한, 강재의 내부로 들어갈수록 Normalizing 효과 보다는 Tempering 효과가 주를 이루게 되어, 경도값이 표면보다 감소하는 효과를 유발시킨 것이라 판단할 수 있다. 항복강도는 25mm두께의 경우에 다소 증가된 경향을 보이고 30mm두께에서는 다소 감소된 경향을 보이는데, Tempering된 영역이 상대적으로 많은 30mm 두께의 시험편은 25mm 시험편에 비해 항복강도는 감소하더라도, 연신율의 감소는 상대적으로 거의 발생하지 않음을 Fig.
- 또한 수냉 등의 냉각조건에서 생성된 조직도 미세화된 펄라이트+페라이트 결정립을 보이고 있고, 급속 냉각시 발생할 수 있는 조직 상태가 발견되지 않는다. 이는 본 실험에서 고주파 유도가열의 회전가열을 실시하여 최고 도달온도는 공냉, 공냉 후 수냉, 수냉의 경우 대부분 유사하게 발생되었으며, 수냉의 경우도 최고 도달온도이후의 일정 온도에 이르렀을 때 수냉에 의한 효과가 발생되었을 가능성이 높다..
- 이런 금속 조직 분석결과는 앞서 수행된 인장, 항복, 경도, 충격시험 결과를 잘 설명해 주고 있다. 즉, 표면에는 Normalizing 효과에 의한 조직 미세화의 영향으로 경도값이 증가하였고, 충격시험결과는 모재에 비하여 평균 10% 가량 높은 값을 보이고 있는 것이다. 또한, 강재의 내부로 들어갈수록 Normalizing 효과 보다는 Tempering 효과가 주를 이루게 되어, 경도값이 표면보다 감소하는 효과를 유발시킨 것이라 판단할 수 있다.
- 또한, 강재의 내부로 들어갈수록 Normalizing 효과 보다는 Tempering 효과가 주를 이루게 되어, 경도값이 표면보다 감소하는 효과를 유발시킨 것이라 판단할 수 있다. 항복강도는 25mm두께의 경우에 다소 증가된 경향을 보이고 30mm두께에서는 다소 감소된 경향을 보이는데, Tempering된 영역이 상대적으로 많은 30mm 두께의 시험편은 25mm 시험편에 비해 항복강도는 감소하더라도, 연신율의 감소는 상대적으로 거의 발생하지 않음을 Fig.4의 실험 데이터에서 확인할 수 있었다.
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