SAW 자동용접장치를 위한 플럭스 입자의 기력수송

권혁준, 김양규, 김규종, *배학로, *김기원

현대중공업 산업기술연구소. *기보산업

Pneumatic conveying of flux particles for auto-SAW machine

Hyeog-Jun Kwon, Yang-Gyu Kim, Gyu-Jong Kim, *Hak-Ro Bae, *Gi-Won Kim

Hyundai Industrial Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd.

*Keebo Industrial Co., Ltd.

서론

기력수송(pneumatic conveying)은 다양한 분체를 먼지발생 없이 용이하게 수송 가능하고, 기계적 수송과 비교하여 수평 혹은 수직으로 이송이 용이하며, 장소에 대한 유연성(flexibility)이 좋다.  또한 한 장소에서 다른 여러 장소로의 분체이송이 용이한 분지성(distribution)이 좋은 장점을 가지고 있어서 다양한 고체의 수송에 널리 이용되고 있다.1)∼3)  당사(현대중공업)에 적용되는 한 예로서는 SAW(submerged arc welding machine) 자동용접장치에서 용접 플럭스(flux) 입자의 공급 및 회수장치를 들 수 있다.

자동용접장치에 이용되는 플럭스 입자의 공급시스템은 용접장치 상단에 호퍼(flux hopper)를 설치하여 자중에 의한 공급방식이 적용되고 있으나, 강관내면 용접이음부(steel pipe inside welding joint)의 경우와 같이 자동용접장치의 플럭스 호퍼를 장착할 수 없는 공간적 제약(협소)을 받거나, 용접대상물이 두껍고, 커서 장시간 용접작업이 요구되는 곳에는 적용의 한계성과 용접중 플럭스입자 공급의 자동, 연속성 결여에 따른 용접효율의 저감 및 인건비가 과다한 단점이 있으므로 기력수송에 의한 플럭스 입자의 공급 및 회수 시스템이 요구된다.

한편 용접에 사용되는 플럭스의 공급속도 및 공급량은 용접속도에 맞추어 일정하게 공급되어야 하므로 가압방식에 의한 조밀상(dense phase) 기력수송방식이 적용되며, 용접에 사용되고 남은 고가의 플럭스 입자는 회수하여 다시 사용되어야 하는데, 이때 진공흡입에 의한 희박수송(dilute phase)방식이 적용된다.

본 연구는 자동용접장치의 플럭스 공급 및 회수 장치의 개발을 위하여 수행되었으며, 공급매체인 플럭스 입자의 형상, 입경분포 및 물성치의 변화에 따라서 기력수송장비의 운전 조건의 설정 등의 설계인자를 알아보고자 하였으며, 무인상태에서 연속자동 용접작업이 가능한 국산화 장치를 개발하고자 하였다.

플럭스 입자 공급 및 회수 장치

Fig. 1은 자동용접장치의 플럭스 입자 공급 및 회수장치를 나타낸다.  장치는 크게 압축공기공급설비, 플럭스입자 저장설비, 플럭스입자 공급설비 그리고 플럭스입자 회수설비로 구성된다.  플럭스공급에 필요한 압축공기는 용량 830L/min의 압축기로 300kg 용량의 저장탱크로 공급되며 저장탱크에 저장되어 있는 플럭스입자는 하부배출관을 통하여 배출된다.  배출관은 내경 0.025m, 총길이는 10m이며 일정간격으로 pulse용 공기를 공급할 수 있도록 부스터(booster)를 설치하였다.  배출관 끝단에는 플럭스입자를 자동용접기로 플럭스입자를 정량공급을 가능하도록 하는 흡수호퍼(absorption hopper)가 설치되어 있다.  용접에 사용되고 남은 플럭스 입자는 10마력의 turbo blower로 회수관(ID : 0.065m)을 통하여 회수되어 저장탱크로 저장되고, 저장탱크 상부로 비산된 미세입자는 백필터에 의해 포집된다.

성능실험은 실제 자동용접 조업조건을 충족시키기 위하여 초기에 공급탱크에 플럭스 입자를 300kg 체우고, 가압공기를 공기압축기로부터 공급탱그로 공급시켰다.  공급탱크내의 압력은 압력조절밸브에 의하여 1kgf/cm2로 일정하게 유시시켰다.

Fig. 1 Schematic Diagram of Flux Supply and Recovery System for Inside Welding

10분 간격으로 출구에서 플럭스 입자의 배출량을 측정하였으며, 플럭스의 시료를 체취하였다.  탱크내의 플럭스 입자의 저장량이 낮아져 하부에 설치된 level gage까지 플럭스 입자가 소모되면 압축공기의 공급을 중단하였으며, 탱크 상부의 공급관으로 회수된 플럭스를 재충전하였다.  시간이 지남에 따라 플럭스 입자의 마모가 발생되었으며, 미분화 된 플럭스와 소모된 플럭스의 양 만큼 새로운 플럭스입자를 공급탱크로 보충하였으며, 공급탱크로 플럭스를 충전하여 플럭스 입자가 다 배출되는 것을 1 Cycle로 하였다.  Table 1은 기존의 중력방식의 자동용접장치와 본 실험에 사용된 자동용접장치의 특성을 비교하여 나타내며, Table 2는 본 실험에 사용된 플럭스 입자(H금속, Flux S-000)의 특성을 나타낸다.

결과 및 고찰

플럭스 입자의 공급은 공급관에 일정간격(1.5m)으로 설치된 부스터에 pulse용 공기를 주입하지 않았을 경우에는 플럭스 입자의 배출이 원할하지 않았으며, 장치의 운전중단을 야기시켰으므로 부스터를 통하여 일정양의 pulse용 공기를 주입하여 연속운전이 가능하도록 하였다.  Fig. 2는 각 사이클 별 채취된 플럭스입자의 누적분율을 나타낸다.  초기 플럭스입자의 평균입경은 690□이었으며 150□이하의 미분이 거의 없었으나 공급 및 회수 횟수의 증가에 따라 150□이하의 미분이 발생되었으며 평균입경도 570□로 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig 3은 배출속도와 bulk density의 관계를 나타낸다.  플럭스입자의 배출속도는 7 ∼ 20 kg/min의 범위를 나타내었다.  Cycle 횟수가 증가함에따라 플럭스 입자의 bulk density가 증가였으며 bulk density가 증가함에 따라  배출속도는 감소하는 경향을 나타내었다.  배출관 끝단으로 배출되는 공기의 양이 극히 작고, 고체/기체 비율이 매우 크므로(2000이상), 본 실험에서의 흐름영역(flow regime)은 기체속도가 매우 작은(0.2m/s이하) dense phase pneumatic transport에 해당되며, 이때 공급관 내부의 흐름형태는 보고되어 있는 바와같이1)

Table 1. Comparison between conventional welding machine and advanced submerged arc welding machine

비교 항목		기존 자동용접장치	개발 자동용접장치
1. 공급방식		·자중에 의한 공급 ·수동 공급	·에어송급(수직)+에어가압(수평) ·자동 공급
2. 연속공급시간 (1회 주입량)		ARC Time : 약 5분주기, 반복수동 주입	ARC Time : 약500분(무한) 연속, 자동공급
3. Capacity	Volume	15 ∼ 20 kg	300 kg
	Feeding	3 ∼ 20 kg/min	4 ∼ 8 kg/min
	Suction	5 ∼ 10 kg/min	20 kg/min
4. 시스템 특징		·자동공급을 위한 Air Feeding+Air Pressing 공급 신기술 ·약 8시간(표준부재 40개(5개/시간 작업가능량) 연속공급과 연속회수를 위한 2중 시스템의 연동 기능 · 미세 플럭스 입자 재사용

Table 2. Size distribution of flux particle

Mesh Range [mm]	-1.68 +1.4	-1.4 +1.18	-1.18 +1.0	-1.0 +0.85	-0.85 +0.71	-0.71 +0.50	-0.50 +0.30	-0.30 +0.212	-0.212 +0.15	-0.15 +0.053
Average Size[mm]	1.54	1.29	1.09	0.925	0.78	0.605	0.4	0.256	0.362	0.102
Fraction	0.019	0.132	0.127	0.093	0.139	0.123	0.239	0.0987	0.017	0.012
* Apparent density : 1780kg/m3 * Bulk density : 1125kg/m3 * Specific surface mean diameter : 0.69□

3가지 흐름형태가 존재하는 것으로 판단된다(Fig. 4).  한편, 자동용접장치의 성공적인 운전을 위해서는 균일한 플럭스 입자의 공급은 필수적이다.  Fig. 4에서 보는 바와 같이 흐름 (a)의 형태는 관바닥에 정체층이 형성되어 플럭스 입자가 공급되지 않는 상태가 발생되며, 흐름 (c)는 Slug흐름이 발생되어 자동용접장치로 순간적으로 많은 플럭스입자와 공기가 공급되므로 용접불량이 발생하게 된다.  흐름 (a)의 상태로 플럭스 입자의 공급이 중단되면 장치의 운전중단을 초래함으로 연속운전을 위한 조업조건은 최소한 흐름 (b)와 (c)로 유지되어야 한다.  흐름 (b)의 조건이 최적이라고 볼 수 있는데, 사용된 플럭스입자를 회수하여 재사용 해야하는 시스템의 특성상 이러한 흐름조건을 지속적으로 유지하는 것은 불가능하였다.  따라서 슬러그 흐름이 발생되어도 프럭스입자의 배출속도를 조절하기 위하여 공급관 출구에 흡수호퍼를 장착하여 슬러그 흐름의 충격을 완화시킬 수 있도록 하였다.  Fig. 5는 관 출구에 장착된 흡수호퍼를 나타낸다.  흡수호퍼를 장착한 결과, 플럭스입자의 배출속도를 8kg/min의 속도로 일정하게 유지할 수 있었다.

Fig.  Size distribution of flux particles

Fig.  Discharging rate vs. Bulk density

Fig. 4 Flow regimes and flow patterns:

(a) dunes flow Ⅰ, (b)dunes flow Ⅱ,

(c) slug flow

Fig. 5 an absorption hopper

결론

- 플럭스 입자는 재순환함에 따라 마모에 의하여 입경이 감소하였으며, Bulk density도 증가하였다.

- 공급관 내에 부스터를 설치하여 플럭스입자의 연속, 정량공급이 가능하도록 하였다.

- 플럭스입자의 정량공급이 가능한 흡수호퍼를 개발하였다.

참고문헌

[1] S. Chabi and Y. Molodisof, "Flow regime characteristics of low and very low velocity pneumatic conveying", Eur. Congr. Fluidization, Las Palmas, Spain, 1994, Vol Ⅱ, pp. 143-152

[2] K. Konrad, Dense phase pneumatic conveying of particles, Ph. D. Thesis, University of Cambridge, UK, 1981.

[3] S. Laouar and Y. Molodtsof, "Experimental characterization of the pressure drop in dense phase pneumatic transport at very low velocity", Powder Technology, 95(1998), pp. 165-173.