산소 연료 절단(오리-퓨얼 커팅) 공정: 원리, 장점 및 단점

산소 연료 절단이란?

산소 연료 용접과 산소 연료 절단은 연료 가스(또는 가솔린, 휘발유 같은 액체 연료)와 산소를 사용하여 금속을 용접하거나 절단하는 공정입니다. 프랑스 엔지니어 에드몽 푸슈(Edmond Fouche)와 샤를 피카르(Charles Picard)가 1903년 산소-아세틸렌 용접을 최초로 개발했습니다.

공기 대신 순수 산소를 사용하여 실온 환경에서 공작물 재료(예: 강철)의 국부적 용융을 허용하도록 화염 온도를 높입니다.

일반적인 프로판/공기 화염은 약 2,250K(1,980°C, 3,590°F), 프로판/산소 화염은 약 2,526K(2,253°C, 4,087°F), 산소수소 화염은 3,073K(2,800°C, 5,072°F), 아세틸렌/산소 화염은 약 3,773K(3,500°C, 6,332°F)에서 연소합니다.

절단 전, 절단 토치는 시작점에서 강철을 발화 온도까지 예열해야 합니다. 이 온도(약 960°C, 합금 유형에 따라 다름)에서 강철은 산소에 대한 보호 특성을 잃지만 여전히 고체 상태입니다.

그런 다음 순수 산소가 노즐을 통해 가열된 부위로 분사됩니다. 이 미세하고 고압의 산소 흐름은 예열된 비보호 강철을 발열 반응에 의해 산화된 액체 강철(슬래그)로 변화시킵니다.

이 슬래그는 강철보다 융점이 낮으므로, 산소 흐름이 비산화된 고체 강철에 영향을 주지 않고 액체 슬래그를 공동 밖으로 불어낼 수 있습니다. 이 발열 반응은 지속적인 공정이며 토치가 이동함에 따라 절단을 생성합니다. 발열 반응을 유지하기 위해 절단 토치는 절단 중에도 강철을 가열합니다.

자신의 산화물이 모재 자체보다 낮은 융점을 가진 금속만 이 공정으로 절단할 수 있습니다. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트를 형성하여 산화를 중단시킵니다. 오직 연강과 일부 저합금만이 위 조건을 충족하여 산소 연료 공정으로 효과적으로 절단할 수 있습니다.

산소 연료 절단 공정은 어떻게 작동하는가?

산소 연료 절단은 순수 산소와 강철 사이의 화학 반응으로 산화철을 형성하는 것입니다. 이는 빠르고 제어된 녹(rusting)이라고 설명할 수 있습니다. 예열 화염은 강철 표면이나 가장자리를 약 1800°F(밝은 적색)까지 올립니다.

그런 다음 순수 산소가 미세하고 고압의 흐름으로 가열된 부위로 향합니다. 강철이 산화되어 공동을 형성하며 날아가면, 예열과 산소 흐름이 일정한 속도로 이동하여 연속적인 절단을 형성합니다.

자신의 산화물이 모재 자체보다 낮은 융점을 가진 금속만 이 공정으로 절단할 수 있습니다. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트를 형성하여 산화를 중단시킵니다. 오직 저탄소강과 일부 저합금만이 위 조건을 충족하여 산소 연료 공정으로 효과적으로 절단할 수 있습니다.

기본 작동 원리는 다음과 같습니다:

1단계: 예열(Preheat)

강철을 절단하기 전에 발화 온도(약 1800°F)까지 가열해야 합니다. 이 온도에서 강철은 산소와 쉽게 반응합니다. 열은 산소 연료 토치의 예열 화염에서 제공됩니다. 토치 내부에서 연료 가스가 산소와 혼합되어 고인화성 혼합물을 만듭니다.

노즐에는 원형 패턴으로 배열된 여러 구멍이 있어 가연성 가스 혼합물을 여러 개의 작은 제트로 집중시킵니다. 연료-산소 혼합물은 노즐 외부에서 점화되며, 예열 화염은 노즐 팁 바로 바깥쪽에 형성됩니다.

일반적으로 사용되는 연료 가스에는 아세틸렌, 프로판, 천연가스, 기타 혼합 가스가 있습니다. 연료-산소 비율을 조정하여 가능한 가장 작은 화염에서 가능한 가장 높은 온도를 생성하도록 화염을 조정합니다. 이는 열을 강철 판 표면의 작은 영역에 집중시킵니다.

2단계: 피어싱(Piercing)

판 표면이나 가장자리가 발화 온도에 도달하면, 순수 산소 제트를 켜서 판을 관통하기 시작합니다. 이것을 "절단 산소"라고 하며, 제트는 노즐 중앙의 단일 보어에 의해 형성됩니다.

절단 산소 흐름이 예열된 강철에 닿으면 급속 산화 공정이 시작됩니다. 이곳에서 진짜 일이 시작됩니다. 산화 공정은 시작하는 데 필요한 열보다 더 많은 열을 방출하는 발열 반응입니다.

산화된 강철은 용융 슬래그 형태를 취하며, 용융 슬래그는 산소 흐름이 판을 완전히 "관통"할 수 있도록 비켜야 합니다. 판 두께에 따라 이 과정은 몇 분의 1초에서 몇 초까지 걸릴 수 있습니다.

이 동안 절단 산소 흐름은 판 깊숙이 밀고 들어가고, 용융 슬래그는 관통 구멍 밖으로 불려 나갑니다. 이는 거대한 용융 강철 분출을 초래할 수 있으며, 제대로 수행되면 판 위에 작은 슬래그 웅덩이가 생깁니다.

3단계: 절단(Cutting)

절단 산소 흐름이 판을 완전히 관통하면, 토치는 일정한 속도로 이동하여 연속적인 절단을 형성할 수 있습니다. 이 단계에서 형성된 용융 슬래그는 판 바닥으로 불려 나갑니다.

산소와 강철의 화학 반응으로 방출된 열은 절단 바로 앞의 판을 예열하지만, 예열 화염 없이 안정적으로 절단하기에는 충분하지 않습니다. 따라서 예열 화염은 절단 내내 켜진 상태로 유지되며 토치가 이동함에 따라 판에 열을 가합니다.

이것이 기본입니다. 하지만 절단 모서리 품질에 영향을 미치는 다른 많은 요소가 있습니다. 속도, 절단 산소 압력, 예열 화염 조정, 절단 높이, 판 온도 등입니다.

플라즈마 절단과 비교한 산소 연료 절단의 특성

• 재료. 산소 연료 절단은 연강 절단에 사용됩니다. 자신의 산화물이 모재 자체보다 낮은 융점을 가진 금속만 이 공정으로 절단할 수 있습니다. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트를 형성하여 산화를 중단시킵니다. 오직 연강과 일부 저합금만이 위 조건을 충족합니다.
• 벽 두께. 산소 연료는 플라즈마보다 더 두꺼운 벽의 재료를 절단할 수 있습니다. 플라즈마는 유사한 두께에 도달하는 데 필요한 엄청난 양의 에너지 때문에 더 두꺼운 벽을 절단할 수 없습니다.
• 절단 각도. 산소 연료는 산소 빔의 집중성 덕분에 최대 70°의 가파른 각도 절단이 가능합니다(플라즈마는 45°).
• 직선 절단. 플라즈마 빔은 각도가 너무 가파르면 휘어지는 경향이 있습니다. 그러나 이 휘어짐은 자동화로 보상할 수 있습니다.
• 비용. 산소 연료는 플라즈마 절단보다 더 경제적인 솔루션입니다. 초기 투자 비용, 소모품, 운영 비용이 모두 플라즈마 절단보다 낮습니다. 다만, 처리 속도는 일반적으로 20mm 벽 두께 범위 이하에서 더 느립니다(중후판 산업의 3D 프로파일링 고려 시).

산소 연료 절단의 장단점

산소 연료 절단 애플리케이션에서는 연료 가스와 산소를 사용하여 절단 화염을 생성합니다. 메서 커팅 시스템즈(Messer Cutting Systems)는 아세틸렌, MAPP, 프로판, 천연가스 등의 가스를 공급하며 귀하의 요구사항에 맞는 정보를 제공합니다.

장점:

• 직선 모서리 품질과 높은 정밀도.
• 베벨 스트립 절단 가능.
• 최대 4인치(101mm)~5인치(127mm) 두께의 연강 피어싱 가능.
• 최대 10인치(254mm)~12인치(304mm) 두께의 강판 에지 스타트 및 절단 가능.
• 다중 토치로 다중 부품 동시 생산하여 시간과 인력 절감.

단점:

• 일반적인 상황에서 스테인리스 강을 절단할 수 없습니다.
• 플라즈마 절단에 비해 절단 속도가 느립니다.
• 얇은 재료 절단 시 변형(휘어짐)이 발생할 수 있습니다.
• 강철 두께의 2배보다 작은 구멍을 내기 어렵습니다.