KR101513746B1 - 플라즈마 절단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강판으로 대표되는 피절단재를 플라즈마 절단하는 경우에, 흄의 발생을 경감시키는 플라즈마 절단방법에 관한 것이며, 본 발명은 플라즈마 토치의 노즐로부터 피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 플라즈마 절단방법에 있어서, 플라즈마 가스로서 주기율표 제2주기까지의 할로겐가스 및 희가스 및 수소가스 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스와, 산소 또는 아르곤 또는 질소를 포함하는 가스와의 혼합가스를 전극 주위에 공급하고, 전극과 노즐, 또는 전극과 피절단재와의 사이에 통전하여 형성한 플라즈마 아크를 피절단재를 향해 분사하여 해당 피절단재를 절단하거나, 또는 주기율표 제2주기의 할로겐가스 및 희가스 및 수소가스 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스를 산소 또는 아르곤 또는 질소가스를 주성분으로 하는 플라즈마 아크에 더하여 피절단재를 향해 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 방법이다.

플라즈마, 절단, 가스

Description

플라즈마 절단방법{PLASMA CUTTING METHOD}

본 발명은 플라즈마 토치의 노즐로부터 피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 플라즈마 절단방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 절단에 수반하여 발생하는 흄(fumes)을 경감할 수 있는 플라즈마 절단방법에 관한 것이다.

강판으로 대표되는 피절단재를 절단하는 경우, 가스 절단법과 비교하여 절단 속도가 큰 플라즈마 절단법을 채용하는 것이 일반적이다. 플라즈마 절단 토치에는 비이행식 플라즈마 토치와 이행식 플라즈마 토치가 있으나, 비교적 두꺼운 피절단재를 절단하는 경우에는 이행식 플라즈마 토치를 이용하는 것이 일반적이다.

이행식 플라즈마 토치는 전극과 노즐에 의해 구성되는 공간에 산소가스 또는 공기로 이루어지는 플라즈마 가스를 공급하고, 전극과 노즐과의 사이에서 방전시켜 플라즈마 가스를 플라즈마화한 파일럿 아크를 형성하여 노즐로부터 분사하고, 파일럿 아크가 피절단재에 접촉한 후, 전극과 피절단재와의 사이에서 방전시킴과 동시에 전극과 노즐과의 방전을 정지시킴으로써 메인 아크(플라즈마 아크)를 형성하고, 이 플라즈마 아크에 의해 피절단재의 일부를 용융함과 동시에 용융물을 모재로부터 배제하면서 이동시켜 절단하는 것이다.

플라즈마 절단에서는 플라즈마 아크가 갖는 열에너지에 의해 일부의 모재가 용융하여 용융물이 생성되고 더욱이 플라즈마 가스에 포함된 산소의 작용에 의해 모재의 일부가 급격히 산화하여 산화용융물이나 산화물의 미립자가 생성된다. 이렇게 생성된 용융물이나 미립자는 플라즈마 아크가 갖는 기계적 에너지에 의해, 모재로부터 배제된다.

모재의 용융물이나 산화용융물은 피절단재 아래로 낙하하여 슬래그 수납용 조(槽)에 수용된다. 또한, 비교적 큰 입자는 피절단재 아래로 낙하하거나 절단 부위의 근방에서 비산한 후, 피절단재의 상면에 낙하한다. 그러나, 산화물의 미립자는 피절단재의 주변에 비산하여 공장의 작업 환경에 악영향을 줄 우려가 있다는 문제점이 발생한다.

이 때문에, 플라즈마 절단장치에서는 배연장치나 집진장치를 구비하는 것이 일반적이다(예를 들면, 특허 문헌1 참조). 이 기술은 플라즈마 절단기 본체의 하방공간에 레일과 직교하는 방향으로 칸막이 판을 병설하여 횡방향의 연도(煙道)를 형성하고, 이 연도에 대응한 위치에 흡인 후드와 분출 후드를 배설하고, 이들 후드를 덕트를 통해 연결함과 동시에 해당 덕트에 집진기를 설치한 것이다. 따라서, 피절단재를 절단하는 경우에 비산하는 미립자(흄)를 흡인 후드, 덕트를 통해 집진기에 집진할 수 있고, 공장의 작업환경의 향상을 도모할 수 있다.

특허 문헌l: 특허 제1315469호 공보

발명이 해결하고자하는 과제

전술한 특허 문헌1의 기술에서는 플라즈마 절단에 수반하여 발생한 미립자(흄:fumes)를 집진기에 의해 집진함으로써, 해당 미립자의 비산을 감소시켜 공장의 작업 환경을 향상시킬 수 있지만, 플라즈마 절단에 수반하여 발생하는 미립자의 양을 경감시키는 것은 아니며, 근본적인 해결책이라고는 할 수 없다. 이 때문에, 흄의 양을 줄여 작업 환경을 향상시킬 수 있는 플라즈마 절단법의 개발이 요구되고 있는 것이 실상이다.

본 발명의 목적은 피절단재를 절단 하는 경우에, 흄의 발생을 경감시킬 수 있는 플라즈마 절단방법을 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자 등은 상기 과제를 해결하기 위해 여러 가지 개발을 행해 왔다. 그 결과, 플라즈마 아크를 형성하는 가스(플라즈마 가스)를 특수한 성분으로 하거나, 또는 종래의 산소 또는 공기로 이루어지는 플라즈마 가스에 의해 형성한 플라즈마 아크에 특수한 성분의 가스를 더하여, 흄의 발생을 경감시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 주기율표 제 2주기까지의 할로겐 가스, 희가스(rare gas), 및 수소가스 중에서 선택된 1종 또는 복수 종의 가스 및 산소, 아르곤 또는 질소를 포함한 가스와의 혼합 가스를 플라즈마 가스로서 이용하여 피절단재를 절단하고, 절단부 위로부터 비산한 입자의 입도분포를 비교한 바, 입도가 큰 입자의 비율이 커지고, 비산하기 쉬운 미립자의 비율이 작아지는 것이 판명되었다. 이 결과, 비산하는 미립자의 양이 적게 되어, 흄의 발생을 경감할 수 있다는 것이 판명되었다.

또한 종래와 같은 산소, 아르곤 또는 질소, 나아가 이러한 혼합 가스에 의해 플라즈마 아크를 형성하고, 이 플라즈마 아크를 따라, 주기율표 제2 주기까지의 할로겐가스, 희가스, 및 수소가스 중에서 선택된 1종 또는 복수 종의 가스를 분사하여 피절단재를 절단하고, 절단부위로부터 비산한 입자의 입도분포를 비교한 바, 입도가 큰 입자의 비율이 커지고, 비산하기 쉬운 미립자의 비율이 작아지는 것이 판명되었다. 이 결과, 비산하는 미립자의 양이 적어져, 흄의 발생을 경감할 수 있는 것이 판명되었다.

이 때문에, 본 발명에 관련되는 플라즈마 절단방법은 플라즈마 토치의 노즐로부터 피절단재를 향해 플라즈마를 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 플라즈마 절단방법이며, 플라즈마 가스로서 주기율표 제2주기까지의 할로겐 가스·희가스·수소가스 중에서 선택된 1종 또는 복수 종의 가스와, 산소를 포함한 가스와의 혼합 가스를 전극의 주위에 공급하고 전극과 노즐, 또는 전극과 피절단재와의 사이에 통전하여 형성한 플라즈마 아크를 피절단재를 향해 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 것을 특징으로 하는 것이다.

발명의 효과

본 발명의 플라즈마 절단방법은 주기율표 제2주기까지의 할로겐 가스 및 희가스 및 수소 가스 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스와, 산소, 아르곤 또는 질소를 포함한 가스와의 혼합 가스를 전극의 주위에 공급하여 플라즈마 아크를 형성하고, 이 플라즈마 아크에 의해 피절단재를 절단함으로써, 흄의 발생을 경감시킬 수 있다.

또한 산소, 아르곤 또는 질소를 주성분으로 한 플라즈마 가스에 의한 플라즈마 아크를 형성하고, 이 플라즈마 아크에 더하여 주기율표 제2주기까지의 할로겐 가스 및 희가스 및 수소 가스 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스를 분사하여 피절단재를 절단함으로써, 흄의 발생을 경감시킬 수 있다.

본 발명에 관련되는 플라즈마 절단방법에 따라 피절단재를 절단하는 경우, 절단에 수반하는 생성물의 총량은 변화하지 않는다. 그러나, 생성된 입자는 총체적으로 입도가 커지고, 이 결과, 공중에 비산하기 쉬운 미립자의 양이 감소하여 흄의 발생을 경감시킬 수 있다.

도 1은 흄을 구성하는 미립자 상태를 나타내는 것이며, 미립자를 300배로 확대한 사진이다.

도 2는 미립자를 1000배로 확대한 사진이다.

도 3은 도 2의 미립자를 더욱 20000배로 확대한 사진이며, 미립자의 주위의 운사상(雲絲狀, cloud-yarn shaped)부(초미립자)를 나타내는 것이다.

도 4는 흄을 구성하는 미립자 상태를 나타내는 것이며, 미립자를 300배로 확대한 사진이다.

도 5는 미립자를 1000배로 확대한 사진이다.

도 6은 도 5의 미립자를 20000배로 확대한 사진이며, 미립자의 주위의 운사상(雲絲狀)부(초미립자)를 나타내는 것이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

이하, 본 발명에 관련되는 플라즈마 절단방법에 대해 설명한다. 본 발명의 플라즈마 절단방법은 주기율표 제2주기까지의 할로겐 가스 및 희가스 및 수소 가스 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스(이하 총칭하여 「첨가가스)라고 한다)와, 산소, 아르곤, 질소, 또는 이들을 혼합시킨 혼합 가스(이하 대표로「산소 가스)라고 한다)를 플라즈마 가스로서 이용하여 플라즈마 아크를 형성함으로써, 또는 상기 산소 가스에 의해 형성한 플라즈마 아크에 첨가 가스를 첨가하여 분사함으로써, 강판으로 대표되는 피절단재를 절단하는 경우, 절단의 진행에 수반하여 발생하는 모재의 입자나 산화물의 입자의 입도를 크게 하고, 이에 의해, 절단부위로부터 비산하는 미립자의 비율을 작게 하여 흄을 경감하는 것이다.

플라즈마 가스로서 또는 플라즈마 아크에 첨가되는 가스로서의 첨가 가스는 주기율표 제2주기까지의 할로겐 가스 및 희가스 및 수소 가스(H₂) 중에서 선택된 1종의 가스 또는 복수 종의 가스이다. 상기 범위의 할로겐 가스로서는 불소(F)가 있고, 희가스로서는 헬륨(He) 및 네온(Ne)이 있다. 따라서, 첨가가스로서는 수소 가스, 불소, 헬륨, 네온을 단독으로, 또는 2종류 이상의 가스를 혼합시킨 가스로 하여 이용하고 있다.

첨가 가스와 산소 가스와의 혼합 가스에 의해 플라즈마 가스를 구성하는 경우, 첨가 가스와 산소 가스와의 혼합비는 특별히 한정되는 것은 아니며, 산소 가스에 약간 첨가 가스를 혼합시키는 것으로 흄을 경감시키는 것이 가능하다. 또한 산소 가스에 대해 대량의 첨가 가스를 혼합시킨 경우에도 충분히 흄을 경감시키는 것이 가능하다.

그러나, 산소 가스에 대한 첨가 가스의 혼합비가 작으면, 흄을 경감시키는 것이 가능하기는 하지만, 작업 환경을 개선시키는데 충분한 경감을 실현하는 것은 곤란해진다. 또한 산소 가스에 대한 첨가 가스의 혼합비를 크게 하면, 충분히 흄을 경감시키는 것이 가능해지지만, 절단 속도의 저하를 초래한다는 문제가 발생한다.

따라서, 첨가 가스와 산소 가스와의 혼합 가스에 의해 플라즈마 가스를 구성하는 경우, 첨가 가스와 산소 가스와의 혼합비는 작업 환경의 개선 정도와 비교적 고가의 첨가 가스의 비용 및 절단 속도의 저하에 수반하는 작업 비용의 증가를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.

본건 발명자 등의 실험에서는 산소 가스에 대해 첨가 가스를 1 부피% 내지 50부피%의 범위에서 혼합시킨 플라즈마 가스를 이용한 경우, 절단면의 품질을 유지 할 수 있는 실질적으로 동등한 절단 속도를 얻을 수 있다. 또한 흄의 경감 정도는 첨가 가스의 비율이 높아지는 만큼 향상하지만, 산소 가스에 대해 50 부피%이상 혼합시킨 플라즈마 가스를 이용한 경우, 절단면의 품질을 유지하려면 절단 속도를 저하시키지 않을 수 없었다.

그리고, 흄의 경감에 의한 작업 환경의 개선과 절단 속도의 유지를 고려하는 경우, 산소 가스에 대해 혼합시키는 첨가 가스의 비율은 5 부피% 내지 40부피%의 범위가 바람직하고, 특히, 15 부피% 내지 25 부피%의 범위가 바람직하다는 결과를 얻고 있다.

실시예 1

첨가 가스로서 헬륨을 선택하고, 헬륨 20 부피%와, 순도가 높은 산소 가스 80 부피%를 혼합한 혼합 가스에 의해 플라즈마 가스를 구성하였다. 피절단재로서 두께 20mm의 연강판을 이용하였다. 상기 플라즈마 가스를 플라즈마 토치의 전극의 주위에 공급하고, 파일럿 아크를 형성한 후, 피절단재와의 사이에 전류 400A를 인가하여 플라즈마 아크를 형성하고, 절단 속도를 매분 1200mm로 하는 조건으로 절단을 실시하였다. 이 절단 과정에서, 흄의 발생 상황을 보고 판단함과 동시에, 흄을 채집하여 미립자의 상태를 관찰하였다.

도 1은 흄을 구성하는 미립자 상태를 나타내는 것이며, 미립자를 300배로 확대한 사진이다. 도 2는 미립자를 1000배로 더욱 확대한 사진이다. 도 3은 도 2의 미립자를 20000배로 더욱 확대한 사진이며, 미립자의 주위의 운사상부(초미립자)를 나타내는 것이다.

또한 비교예로서 플라즈마 가스로서 순도가 높은 산소 가스를 채용하고, 다른 조건은 상기 조건으로 하여 절단하고, 이 과정에서 흄의 발생 상황을 보고 판단함과 동시에, 흄을 채집하여 미립자의 상태를 관찰하였다. 그리고 채집한 흄의 상 태를 실시예와 비교하였다.

도 4는 흄을 구성하는 미립자의 상태를 나타내는 것이며, 미립자를 300배로 확대한 사진이다. 도 5는 미립자를 1000배로 더욱 확대한 사진이다. 도 6은 도 5의 미립자를 20000배로 더욱 확대한 사진이며, 미립자의 주위의 운사상부(초미립자)를 나타내는 것이다.

따라서, 도 1과 도 4, 도 2와 도 5, 도 3과 도 6은 본 실시예에 의해 생성한 미립자와 비교예에 의해 생성한 미립자를 대비하여 비교할 수 있게 한다.

본 실시예에서는 도 1에 나타내듯이 미립자는 약 0.04mm 내지 약 0.06mm의 범위의 지름을 갖는 것이 많이 존재하고, 0.01mm 정도의 지름을 갖는 것도 존재하지만 적었다. 또한, 도 3에 나타내듯이 미립자의 주변에 형성되어 있는 운사상부(초미립자)의 밀도는 비교적 작았다.

또한 비교예에서는 도 4에 나타내듯이 미립자는 약 0.01mm 내지 약 0.03mm의 범위의 지름을 갖는 것이 대부분이였다. 또한, 도 6에 나타내듯이 미립자의 주위에 형성되어 있는 운사상부(초미립자)의 밀도는 비교적 컸다.

도 1과 도 4 및 도 2와 도 5를 비교하여 알 수 있듯이, 본 실시예에 관련되는 절단에서는 생성한 입자의 입도가 비교예에 관련되는 절단으로 생성한 입자의 입도보다 컸다. 이 때문에, 대기에 비산하여 흄이 되는 미립자의 비율이 작아지고, 흄을 경감하는 것이 가능하다.

본 발명의 플라즈마 절단방법은 절단에 수반하여 생성되는 흄을 경감하는 것이 가능하고, 작업환경을 향상시키기 위해 유리하다.

Claims (7)

1. 플라즈마 토치의 노즐로부터 탄소강 강판을 향해 플라즈마 아크를 분사하여 해당 탄소강 강판을 절단하는 플라즈마 절단방법으로서, 절단에 수반하여 발생하는 흄(fume)을 줄이는 플라즈마 절단방법에 있어서,

   플라즈마 가스로서, 헬륨 및 수소 가스 중 적어도 한 종류의 가스를 산소에 대해 5 부피% 내지 40 부피%의 범위에서 혼합시킨 혼합 가스를 전극 주위에 공급하고, 전극과 노즐, 또는 전극과 탄소강 강판과의 사이에 통전하여 형성한 플라즈마 아크를 탄소강 강판을 향해 분사하여 해당 탄소강 강판을 절단함으로써,

   절단에 수반하여 발생하는 흄을, 산소로 구성된 플라즈마 아크에 의한 플라즈마 절단시 발생하는 흄 또는 산소로 구성된 플라즈마 아크에 부합하는 산소를 분사하는 플라즈마 절단시 발생하는 흄보다 경감시키는 것을 특징으로 하는, 탄소강 강판의 플라즈마 절단방법.
2. 플라즈마 토치의 노즐로부터 탄소강 강판을 향해 플라즈마 아크를 분사하여 해당 탄소강 강판을 절단하는 플라즈마 절단방법으로서, 절단에 수반하여 발생하는 흄(fume)을 줄이는 플라즈마 절단방법에 있어서,

   플라즈마 가스로서 산소를 전극 주위에 공급하고, 전극과 노즐, 또는 전극과 탄소강 강판과의 사이에 통전하여 형성한 플라즈마 아크를 탄소강 강판을 향해 분사함과 동시에, 상기 플라즈마 아크를 따라 헬륨을 분사하여 해당 탄소강 강판을 절단함으로써,

   절단에 수반하여 발생하는 흄을, 산소로 구성된 플라즈마 아크에 의한 플라즈마 절단시 발생하는 흄 또는 산소로 구성된 플라즈마 아크에 부합하는 산소를 분사하는 플라즈마 절단시 발생하는 흄보다 경감시키는 것을 특징으로 하는, 탄소강 강판의 플라즈마 절단방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images