산소-연료 절단 설명: 공정, 이점 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 처음 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), 산소-수소 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 종류에 따라 다름)에서 강철은 산소에 대한 보호 특성을 잃지만 여전히 고체 상태입니다.

순수 산소가 노즐을 통해 가열된 영역으로 향합니다. 이 미세하고 고압의 산소 스트림은 예열되고 보호되지 않은 강철을 발열 반응에 의해 산화된 액체 강철로 변화시킵니다.

이 슬래그는 강철보다 낮은 융점을 가지므로 산소 스트림은 비산화된 고체 강철에 영향을 주지 않고 액체 슬래그를 공동 밖으로 불어낼 수 있습니다. 이 발열 반응은 연속적이며 토치가 이동함에 따라 절단을 생성합니다. 발열 반응을 유지하기 위해 절단 토치는 절단 중 강철을 계속 가열합니다.

자체 산화물의 융점이 모재 자체보다 낮은 금속만 이 공정으로 절단할 수 있습니다. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트를 형성하여 산화를 중단시킵니다. 오직 저탄소강과 일부 저합금만 위 조건을 충족하여 산소-연료 공정으로 효과적으로 절단할 수 있습니다.

산소-연료 절단 공정 작동 원리

산소-연료 절단은 순수 산소와 강철 사이의 화학 반응으로 산화철을 형성합니다. 빠르고 제어된 녹슬기라고 설명할 수 있습니다. 예열 화염은 강철 표면 또는 가장자리를 약 1800°F(밝은 붉은색)까지 올립니다.

순수 산소는 미세한 고압 스트림으로 가열된 영역을 향해 분사됩니다. 강철이 산화되어 공동을 형성하며 날아가면, 예열과 산소 스트림은 일정한 속도로 이동하여 연속적인 절단을 형성합니다.

자체 산화물의 융점이 모재 자체보다 낮은 금속만 이 공정으로 절단할 수 있습니다. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트를 형성하여 산화를 중단시킵니다. 오직 저탄소강과 일부 저합금만 위 조건을 충족하여 산소-연료 공정으로 효과적으로 절단할 수 있습니다.

작동 기본 원리는 다음과 같습니다:

1단계: 예열

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

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 외부에서 형성됩니다.

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

2단계: 피어싱(Piercing)

판 표면 또는 가장자리가 발화 온도에 도달하면 순수 산소 제트를 켜서 판 관통을 시작합니다. 이는 '절단 산소(Cutting oxygen)'라고 하며, 노즐 중앙의 단일 보어에 의해 제트가 형성됩니다.

절단 산소 스트림이 예열된 강철에 닿으면 급속 산화 공정이 시작됩니다. 이때가 진짜 시작입니다. 산화 공정은 발열 반응으로, 시작하는 데 필요한 열보다 더 많은 열을 방출합니다.

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

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

3단계: 절단

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

산소와 강철 간 화학 반응으로 방출된 열은 절단 바로 앞의 판을 예열하지만, 예열 화염 없이 안정적으로 절단하기에는 충분하지 않습니다. 따라서 예열 화염은 절단 내내 켜져 있어 토치가 이동함에 따라 판에 열을 가합니다.

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

플라즈마 절단 대비 산소-연료 절단 특성

• 재료. 산소-연료 절단은 연강 절단에 사용됩니다. 자체 산화물의 융점이 모재보다 낮은 금속만 절단 가능. 그렇지 않으면 금속이 산화되자마자 보호 크러스트 형성으로 산화 중단. 오직 연강과 일부 저합금만 조건 충족.
• 벽 두께. 산소-연료는 플라즈마보다 더 두꺼운 벽 재료 절단 가능. 플라즈마는 유사한 두께 도달에 막대한 에너지 필요로 두꺼운 벽 절단 불가.
• 절단 각도. 산소-연료는 산소 빔 집중으로 최대 70° 가파른 각도 절단 가능(플라즈마는 45°).
• 직선 절단. 플라즈마 빔은 각도가 너무 가파르면 편향 경향. 그러나 자동화로 보정 가능.
• 비용. 산소-연료는 플라즈마 절단보다 경제적. 초기 투자, 소모품, 운영 비용 모두 플라즈마보다 낮음. 그러나 처리 속도는 일반적으로 20mm 벽 두께 이하 범위에서 느림(중강철 산업 3D 프로파일링 고려 시).

산소-연료 절단 장단점

산소-연료 절단 애플리케이션에서는 연료 가스와 산소를 사용하여 절단 화염을 생성합니다. 메서 커팅 시스템즈(Messer Cutting Systems)는 아세틸렌, MAPP, 프로판, 천연가스 등 가스와 귀하 요구 사항 관련 정보를 공급합니다.

장점:

• 직선 모서리 품질과 높은 정확도.
• 베벨 스트립 절단 가능.
• 최대 4인치(101mm) ~ 5인치(127mm) 두께 연강 피어싱.
• 최대 10인치(254mm) ~ 12인치(304mm) 두께 강철 에지 스타트 및 절단.
• 다중 토치로 다중 부품 동시 생산, 시간과 노동력 절감.

단점:

• 일반적인 상황에서 스테인리스강 절단 불가.
• 플라즈마 절단 대비 느린 절단 속도.
• 얇은 소재 절단 시 휨 발생 가능.
• 강철 두께의 2배보다 작은 구멍 제작 어려움.