티타늄 합금 관은 티타늄 합금으로 정밀 제작한 특수 배관으로, 경량, 고강도, 내고온성, 내식성 등 우수한 특성 덕분에 수많은 산업 분야에서 폭넓은 호평을 받고 활용되고 있습니다. 뛰어난 기계적 성능과 프레스 가공성은 물론 용접 등 가공이 가능하며, 용접부 강도는 모재와 거의 동일하고 가공성도 우수합니다. 이로 인해 티타늄 합금 관은 화학 설비, 석유, 발전, 해수 담수화, 건축, 생활 소품 등 다양한 분야에서 대체 불가능한 역할을 수행합니다.
티타늄 합금 관 제조 공정에서 가공 기술의 정밀도는 최종 제품의 성능과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 제련부터 최종 단조까지 모든 공정은 엄격하게 관리되고 최적화됩니다.
제련 단계에서는 첨단 플라즈마 건 또는 전자빔 건 기술을 사용하여 스펀지 티타늄과 중간 합금 혼합 원료를 직접 용해해 고순도 중공 관형 잉곳을 생산합니다. 이 과정에서 원료 배합 비율, 용해 온도, 용해 시간 등 파라미터를 정밀 제어하여 잉곳의 화학 조성과 미세 조직을 최적 수준으로 유지합니다. 기존 기둥형 티타늄 합금 잉곳은 천공 가공을 거쳐 관 소재를 제작하며, 티타늄 스크랩을 회수·재용해하여 재료 이용률을 높이고 비용을 절감합니다.
다음은 단조 공정으로, 티타늄 합금 관 성형의 핵심 단계입니다. 주조 관 소재를 지정 온도까지 가열한 후 3회 방사 방향 단조 작업을 진행합니다. 각 단조 시 심봉을 교체하며 관 소재의 변형량과 이동 속도를 엄격히 통제합니다. 일련의 단조 공정을 거치며 관 소재 단면은 초기 외각내원 형태에서 외팔각내원 형태로 변하고 최종적으로 원형으로 성형됩니다. 이 과정에서 온도와 속도 제어는 매우 중요하며 관의 기계적 성능, 미세 조직, 표면 품질에 직접적인 영향을 줍니다. 또한 단조 과정에 첨단 검사 기술과 품질 관리 방식을 적용하여 제품 모든 사양이 기준을 충족하도록 하여 다양한 고객 요구와 사용 환경에 대응합니다.
이음매 없는 티타늄 합금 관 소재의 사경 압연 천공 방식은 2롤 사경 압연 천공과 3롤 사경 압연 천공 두 가지로 나뉩니다. 3롤 사경 압연 천공이 티타늄 합금 분야에 적용된 이유는 티타늄 합금 자체의 성능 개선으로 가공성이 향상된 점과 해당 공정 자체가 개선·정교화된 점입니다.
2롤 사경 압연 천공으로 생산한 티타늄 관 소재는 내외부 표면에 박리, 주름, 선단 균열 등 결함이 발생하기 쉽고 치수 정밀도도 낮아 고품질 관 소재 생산에 부적합합니다. 2롤 방식을 기반으로 개발된 3롤 사경 압연 천공 방식은 높은 치수 정밀도와 양호한 내외부 표면 품질의 관 소재를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 외경 대 두께 비율이 10 이상인 박육 관 소재도 제작 가능하여 생산 효율을 크게 높였습니다. 이처럼 3롤 방식은 2롤 방식에 비해 뚜렷한 우위를 갖습니다. 일부 기업의 기술 업그레이드 과정에서는 3롤 방식의 성숙한 설계 공정을 2롤 사경 압연 천공에 적용하기도 합니다. 또한 3롤 사경 압연기의 고유한 기술 특성으로 인해 해당 방식은 티타늄 합금 천공 공정에서 널리 사용되고 있습니다.
티타늄 관을 2차 천공할 경우 1차 천공 시 압하량이 적어 변형이 미미합니다. 따라서 심봉 강도를 확보한 상태에서 1회 천공보다 작업이 수월합니다. 압하량이 적어 내부 주름 발생이 줄어 내부 표면 결함이 감소합니다. 2차 천공 시 축 방향 저항이 낮고 적절한 압하량 배분을 통해 내부 표면 결함을 크게 개선할 수 있습니다.
1회 천공은 가열 사이클이 단 한 번만 필요합니다. 티타늄 합금은 스테인리스강보다 열전도율이 낮기 때문에 2차 천공 역시 기본적으로 1회 가열 사이클로 진행합니다. 다만 가공 대상 티타늄 관의 규격에 따라 최적 가열 횟수는 추후 연구를 통해 확정해야 합니다.
1패스 천공 방식은 요구 압하량이 크기 때문에 동일 규격 티타늄 관 가공 시 회전 속도를 비교적 높게 설정해야 합니다. 2회 분할 천공 시 1차 천공 설비의 회전 속도를 낮출 수 있어 관 소재의 표면 품질이 더욱 양호해집니다.
