표면처리/ 철강 도장(PAINT)에 있어서 쇼트 브라스트
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철강 도장(PAINT)에 있어서 쇼트 브라스트
근년 공업제품의 고도화와 중공업의 발전에 따라 철강구조물 즉 PLANT 수출, 조선, 차량, 콘테이너, 강관, 하역설비 등의 수출에 있어서 예기치않은 도장(PAINT)CLAIM이 유발된 사례가 증가일로에 있는바 종래의도장 하지 처리방법을 지향하고 도장에 대한 깊은 연구와 배려로서 원감절감과 더불어 품질의 고급화로 높은 국제경제력을 갖지 않으면 안되게 되었습니다.

따라서 이에 대처하기 위하여 각종고급도료를 연구개발하여 도료 자체의 수명은10년 또는 그 이상으로 연장되었으나 근본적으로 해결해야 할 하지처리에 대한 연구는 심한 경우에는 제품이 수출 목적지에 도착되기도 전에 도료가 박리 되어버리는 예가 허다하여 하지처리의 중요성을 재삼 강조하여도 지나치지 않습니다.

이 도료는 이와 같은 문제의 해결에 도움을 주고저 일정한 수준의 쇼트 브라스트 기계가 있다고 가장하고 이때의 쇼트의 선정방법에서 부터 능률향상, 원감절감, 원가계획에 이르는 제반 자료를 수록하여 사용자의 사각적 역할을 작성한 것입니다.

1. 도장의 박리현상
강제의 표면에 붙어있는 밀 스케일 또는 녹을 완전 제거치 않고 도포한 경우 도막의 박리현상은 다음 3가지로 나누어 설명된다.

(1)밀 스케일(산화철)의 체적변화로 도막을 들고 일어나는 현상
밀 스케일은 압연조건에 따라 0.05-0.5mm 두께로 붙어있으며 대부분의 F e3O4 와 FeO 로 되어 있다.

밀 스케일의 제일 윗층(표면)은 Fe2O3 로서 비교적 화학적으로 안정하며, 중간층은 Fe3O4는 이고,강판면과 붙은 부분은 FeO 로서 Fe결정과 혼합상태인데 FeO는 불안정 산화되어 Fe2O3가 될려고 하는데 이때 본체의 변화가 생겨 밀 스케일을 들고 일어나게 되어 결국도막을 들고 일어나게 된다.

(2)발생전위차로 인한 부식으로 체적변화가 생겨 도막을 들고 일어나는 현상
밀 스케일은 Fe보다 높은(종래의 일반전기공학으로는 낮은) 전위를 가지므로 철에 대하여 음극이 되는(산소가 적은 쪽이양극)전위차가 발생하여 전류가 밀 스케일과 철 사이에 흐른다.
이 전기화학적 작용은 철을 부식시키고 부식은 체적의 변화를 자초하여 밀 스케일과의 밀착력을 강하게 하여 밀 스케일을 들고 일어나게 되어 결국 도막을 들고 일어나게 된다.

(3)표면 거치기의 부족으로 일어나는 현상
paint 가강판면에 어떠한 힘으로 접착되어 있어야하며 이때의 접착력은 각종 방법으로 시험 할 수 있다. 그 접착력은 강판면에 paint가접착될수 있는 PAINT ANCHORING PATTERN에 따라서 강도가 달라진다고 볼 수있다. 일반적으로 표면거칠기가 너무 고와도,너무 거칠어도 접착력이 작아진다. paint의 종류,도장의 두께, 제품의 놓여있는 환경에 따라서 조건은 다르지만 표면거칠기는 100um이하이어야만 하며, 75um을 이상적이라고 보고하고 있다.

그러므로 그 목표는 50-100um으로 세울수 있으며 sand blast의 경우, 모래의 종류, 입자의 크기에 따라서다르지만 국내 모래로는 35-40um의 표면거칠기 밖에 얻을수 없으므로 sand blast후, 도장하면 접착력이 부족으로 paint는 박리되기쉽고 쇼트나 그리트를 사용하더라도 입자의 크기가 굵어서 100um 이상의 표면거칠기인 때에도 paint도장박리가 쉽게 일어날 수 있다.

2. 청전도(CLEANINESS)
도장면의 밀 스케일과 RUST 를 제거하여야할 필요성은 구구한 설명을 필요로 한다. 다만 용도에 따라 어떠한 기준이 설정되고, 비용이나 시간을 허비하며 기준이상이나 필요이상으로논쟁할 필요도 없다.

이러한 기준은 말과 글로서는 정확하게 표현될수 없으므로 가끔 발주자와 시공자, 또는 작업자와 검사시간에 분쟁이 있을수 있으므로 스웨덴 공업규격에서는 각급의 청전도를 천여색사진으로 규정 하고 있으며 이 사진은 미국,영국, 일본 등을 위시한 전세계가 공통으로 채택하고 있다.

이 규격에서는 우선 blast전의 표면상태를 A,B,C,D 4등급으로 구분하여 A는mill scale만 붙어있고 녹이나지 않는 상태 즉 압연공장에서 갓 출하된 상태B태는 A상태에서 다소 녹이난 상태, C는 부식된 상태, D는 부식되어 pit 가 생긴 상태이규격에서는 blast cleaning 급수 외에도 hand tool cleaning (st2) power tool cieaning (st3) 등도 규정하고 있다.
BLAT CLEANING은
BLAT CLEANING LIGHT(SA1)
BLAT CLEANING THOROUGH(SA2)
BLAT CLEANING WHITE(SA2 1/2)
BLAT CLEANING VERY THOROUGH(SA3) 등의 4등급으로 분류하여 하표에서 보는바와 같이 A,B,C,D 상태에 각각 적용할 사진을 게시 하고 있다. 하표에서 ( )내는 미국의 STEEL STRUCTURE PAINTING COUNCIL SPECIFICATION 에서의 호칭이다.



이표에서 ASa2 1/2 이라고 함은 A 상태의 소재를 NEAR WHITE 상태 이상의 청정도로 ASa3은 WHITE METAL 의청전도 이상으로 BLAST CLEANING 하여야함을 뜻한다.
일반적으로 보통의 PAINT 하지로서는 Sa2 1/2 을 기준하고 있으며 Sa3는 금속 SPRAY, METALIZING 등에 적용한다.
SSPC규격에서는 PAINT도장의 표면거칠기를 위하여 CUT WIRE SHOT의 경우는 0.8mm이하는 입자를 GRIT 의 경우는 1.0mm 이하의 것을 사용도록 규정하고 있다.



3. 표면거칠기와 쇼트 입자의 크기
제1항의 도장박리 현상에서 설명한바와 같이 도막의 접착력 증대를 위하여는 일반적으로 75um내외의 표면거칠기를 요구한다.
이러한 표면거칠기를 얻기위하여는 어떠한 입자의 쇼트를 사용하여야 하는가를 결정 하여야 한다.

수강쇼트는 그 품질의 격차가 극심하므로 기준연소재로 설정할수 없으므로 비교적 균일한 품질이라고 할수 있는 규격품 CUT WIRE SHOT를 DESCALING MACHINE에 사용하여 철판표면에 생기는 표면거칠기를 보면 다음 표3-1과 같다.
CUT WIRE SHOT 는 사용초기에는 모서리가 있어 표면거칠기는 크고 사용중에는 모서리가 없어지고 구상이 되므로 표면거칠기는 적어진다.

쇼트를 장시간 사용하면 입도분포가 달라지므로 운전중인 기계내에서 SHOT SAMPLE을 체취하여 그 입도분포를 조사하고 표면거칠기를 검사하여 항상 유사한 입도분포가 되도록 노력하여야 한다.
이것을 OPERATING MIX CONTRON 이라 부르며 항상 동일한 분포를 위하여 SHOT 보충시 어떤 입도의 SHOT를 몇%정도 추가하여야 할 것인가를 기계별로 결정하여야 한다.
AIR BLAST시와 GRIT사용시의 표면 거칠기에 대하여는 별도 자료에 수록되어 있습니다.

4. 쇼트의 종류와 특징
IMPELLER 식 DESCAING MACHINE에 있어서는 일반적으로 CUT WIRE SHOT와 CAST STEEL SHOT (STEEL SHOT)를 사용할 수 있다.

(1)CUT WIRE SHOT
종래의 주조 쇼트는 그 제조방법상 파쇠율이 높고 청소속도가 늦은 것이 큰 단점이나 대량생산이 가능 하였으므로 단가가 다소 저렴 하여 널리 사용되고 있으나 근년 쇼트 블라스트 비용의 절감과 보다나은 표면을 얻기위하여 쇼트의 단가가 문제가 아니라 다소 고가이더라도 쇼트의품질이 우수한 편이 쇼트 블라스트 기계 자체에도 좋고 쇼트 블라스트 비용도 훨씬 절감된다는 것이 증명된 후 부터는 고급쇼트를 사용하게 되었다.

후자의 쇼트는 청소기구에서 알수 있듯이 쇼트입자는 완전 강체에 가까운 것이 가장 바람직하나 현재까지 알려진 바로는 CUT WIRE SHOT 가 이에 가장 근사하여 쇼트의 왕자의 지위를 누리고 있으며 수요는 산증하고 있다.

가)재 질: 원재료는 고도의 기계적 성질과 피로특성을 요구함으로 피아노 선재와 마찬가지로 소재지로서는 순도높은 저인저동 철, 스크래프 사철 등으로부터 정련된 제강원료 사용하여 P,S,Cu의 함량, 흠, 탈탄 등에 대하여 엄격히 규제된 INGOT WIRE ROD 를 만들어 ANNEALING, 신선, PATENTING 처리 신선 등을 거듭하여 규격별 소요 인장강도, 경도, 직경공차의 소선을 만든다.

나)화학성분: (표2 참조)

다) 규 격: 소선의 직경과 동일한 길이로 정밀절단 하되 10개당 길이공차, 50개당 무개공차 등은 하표이내에 들어야함은 물론 전단면이 엄격히 90`로서 전단흠, 전단자국, 꼬리가 달리는 상태등이 있어서는 아니된다.
이와같은 물리적공차가 규격내에 들지않을 때 에는 청소속도의 저하 수명의 저하를 초래하게 한다.(표 3참조)



라) 비 규격품: 상기한 제반 규격을 만족할수 있는 우수한 쇼트는 후술하는 검사방법으로 판정할 수 있으나 일반적으로 쇼트의외관만을 검사하는 한국적 실정을 악용하여 규격외 재료를 사용하거나 현 WIRE ROPE 를 풀어서 CUT WIRE SHOT 를 제조하는 경우는 CLEANING SPEED가 수분의 1로 저하됨을 명심하여야 한다.

CLEANING SPEED가 저하되면 결과적으로 SHOT BLAST비용이 높아지므로 저질의 CUT WIRE SHOT를 사용하면 오히려 원가의 상승을 초래하게 된다.

4.2 주조 쇼트 (CAST STEEL SHOT)
큐포라 또는 전기로에서 얻은 용량을 비산시켜 미립화 하면 표면장력에 의하여 소구가 되는 것을 수중 급냉하여 얻는다.
냉각은 표면에서부터 이루어지기 때문에 중심부에는 반드시수축공이 생겨 유효구 가 되므로 규격에서는 비중을 7이상으로 규제하고 있으나 금속조직이 주조상태뿐만 아니라 중심부의 수축공 때문에는 매우 취약하다.
@ 특성
(1) 입자의 크기가 균일치 못하다.
(2) 주조품이므로 입자마다의 화학성분, 물리적 성질이 못하다.
(3) 유공구 이므로 충격에 약하다.
(4) 파쇠율이 일정치 않아 블라스트 작업 품질관리상 가장 중요한 OPERATING MIX CONTROL 이 전혀 불가능하다.
(5) 청소속도가 CUT WIRE SHOT의 50%이므로 가공시간이 2배 소요된다.
(6) REBOUND 성이 약하므로 복잡한 형상 또는 내면처리가 불가능하다.
(7) 블라스트 기계의 내 마모 부품을 빨리 마모시킨다.
(8) 초 다량생산이 가능하므로 저렴하나 처리 제품 당 쇼트비용은 오히려 높다.



4.3 CUT WIRE SHOT와 CAST STEEL SHOT 비교
가) 청소 속도의 비교
상기 CAST STEEL SHOT의 CLEANING SPEED를 1이라고 할 때 CUT WIRE SHOT의 CLEANING SPEED는 2가 된다. 반면에 보통 강선으로 만든 CUT WIRE SHOT 는 0.7,주철 쇼트(수명이 짧아 사용치 않는다) 는 6이 된다.
나) 쇼트의 수명비교
서독의 SHOT 연구가 ZIELER와 SCHMITHALS 가 공동으로 각종쇼트의 청소속도, 수명 등에 대하여 연방정부에 제출한 연구보고서 중 쇼트의 파쇄율을 백분율로 표시하였다.
횡축은 쇼트 각 입자의 총 투사회수 즉 쇼트가 제1500회 투사까지는 파쇄되지 않고 2500회의 투사를 받아야 입자수가 2배 증가한다.

또 입자가 파쇠 되어 그 수가 600%가 될 때까지는 STEEL SHOT가 500회 투사인데 반해 CUT WIRE SHOT 는 5,000회 투사를 초과 하여야됨을 볼 때 그 수명은 비교가 된다. 일반적으로 실제 사용에 있어서는 STEEL SHOT에 비하여 CUT WIRE SHOT의 소모율은1/2-1/3 이다.
다) 경제성의 비교
별항의 원가계산서에서 상술하지만 STEEL SHOT에 비하여 CUT WIRE SHOT는 청소속도에서 2배, 수명에서 2-3배이므로 4-6배의 경제성이 있다.

표 5

표 6
5. 쇼트의 연소기구
5.1 투사장치와 쇼트의 운동 에너지
임펠러 블라스트와 에어 블라스트 공히 쇼트는 대략 60-100m/sec의 속도로 투사된다.이때 쇼트가 갖는 운동에너지가 피 가공물에 충격하여 이 운동에너지를 피 가공물 표면에 전달하여 연소작용 또는 PEENING작용을 하게된다.

*쇼트 입자가 갖는 운동에너지
E = 1/2 mV2 m : 쇼트입자의 질량
V : 쇼트의 투사 속도
또는 E = aD3V3 D : 쇼트의 직경

5.2 피 가공물에 대한 충격력 전달 효율
이 운동 에너지가 피 가공물 표면에 전달하는 에너지의 효율에 따라 연소가 빨리 또는 잘 이루어진다. 쇼트의 경도가 너무 높거나 주조쇼트와 같이 충격에 약한 쇼트는 자기가 파쇠 되는데 대부분의 에너지를 소진하고 피 가공물에 전달하는 에너지는 극히 적다. 그러므로 청소속도는 느리다.

또 경도가 낮은 쇼트 입자는 자기가 변형하는데 이 운동에너지의 대부분을 소진하고 피 가공물에는 큰 충격을 가하지 못하여 청소는 이루어지지 않거나 아주 느리게 된다.

그러므로 이상적인 쇼트는 파쇠도 변형도 되지않는 강체라고 하면 상기 에너지는 100%의 효율로 타격력이 전달되어 청소는 빨리 이루어 질 것이다.

이러한 쇼트의 가장 가까운 것이 고급 강재로 만든 CUT WIRE SHOT 이다. 그러므로 외관이 꼭 같은 CUT WIRE SHOT 일지라도 경도, 인장 강도, 화학성분 등의 차로 운동에너지 전달 효율이 나쁘면 즉 연강선 CUT WIRE SHOT인 경우는 청소는 빨리 이루어지지 않는다.

5.3 REBOUND CLEANING
복잡한 형태 또는 중자를 사용한 주물 등에는 탄성이 높은 쇼트를 사용하면 쇼트입자는 여러번의 REBOUND 를 촉진시킨다. 아래 그림에서 보는바와 같이 탄성이 없거나(저강도) 파쇠율이 높은 쇼트에서는 REBOUND성을 기대 할 수 없으므로 청소 시간이 길어지거나 청소되지 않는 부분이 생긴다.



REBOUND성이 가장 좋은 쇼트는 조직이 치밀하고 경도가 높고 비중이 큰 쇼트이다.
CUT WIRE SHOT는 스프링을 만드는 재질로부터 만든 쇼트이므로 탄성이 극대화된 쇼트로서 REBOUND CLEANING 효과가 가장 큰 쇼트이다.
CUT WIRE SHOT는 부품일 때에 비하여 모서리가 없어지고 구상이 되었을 때가 REBOUND성이 가장 높으므로 일반적으로 신품일 때 보다 사용 중 구상이 된 후에 청정속도가 배 된다.

6. 쇼트 입자의 크기와 청소속도
쇼트가 투사되어 비산 할 때 갖는 운동에너지는 쇼트의 투사속도의 제곱에 비례하고 쇼트 입자 직경의 세제곱에 비례한다.
강판표면의 MILL SCALE을 제거하고 깨끗하게 청소하는데는 필요이상의 큰 충격력을 요구하지 않는다.

다만 MILL SCALE 의 두께 접착상태 등에 따라 표폄을 강하게 HAMMERRING하여줄 필요가 있을 때는 굵은 입자를 다소 섞을 필요가 있지만 실제로 연소작용을 하는 것은 작은 입자이다.
강판표면을 연소하기 위해서는 단위 면적당 투사되어야할 쇼트의 입자수 가 실험적으로 정하여 진다.
입자의 크기가 결정되면 단위 면적당 투사 되어야할 쇼트의 중량이 결정된다. 이에 앞서 쇼트 1Kg 당 입자 수를 보면 다음 표와 같다.

네델란드 왕립 연구소가 강판의 DESCALING에 가장 적당한 작업방법에 대하여 다년간의 테마로 실험, 연구한 결과를 보고한 바에 의하면 입자가 작을수록 단위 면적당 쇼트의 투사량이 적고 시간당 처리 면적은 크다는 결론을 얻었다.

(표 8) 에서 보는 바와 같이 이 실험 쇼트브라스트 장치에 있어서의 쇼트 규격별 시간당 처리 면적을 보면
쇼트 1.2mm일때 4m2/hr
쇼트 0.9mm일때 6m2/hr
쇼트 0.6mm일때 11m2/hr
쇼트 0.4mm일때 16m2/hr
쇼트 0.3mm일때 19m2/hr
여기에서 보는 바와 같이 동일한 장치에서 1.2mm쇼트를 사용할 때 비하여 0.4mm 쇼트를 사용하면 4배의 능률을 올리 수 있음을 알 수 있다.
이는 표 7에서 보는바와 같이 동일 중량에 대한 입자수의 비가 1.2mm쇼트에 비하여 0.4mm는25배나 되는 것을 감안하면 동일 중량의 쇼트로서는 25배밀도로 투사 당함을 생각할 때 이해가 될 것이다.

이 GRAPH에는 입자가 작을수록 단위 면적 당 쇼트의 투사 량이 적어도 됨을 알 수 있다.
쇼트 1.2mm일 때 200kg/m2
쇼트 0.9mm일 때 145kg/m2
쇼트 0.6mm일 때 90 kg/m2
쇼트 0.4mm일 때 55kg/m2
쇼트 0.3mm일 때 50kg/m2

(1) 동일 시설로 처리 면적 증가.
(2) 동일 면적 당 투사 쇼트 량의 감소는 완전히 동일한 내용을 2가지 측면에서 관찰하여 일치함을 알수 있다.
여기서 쇼트 블라스트 연구가 DODD시는 DODD`S DEFINTION에서 일신 입자가 작아질수록 청소속도 가 빠르다고 정의했다.

가)도막두께의 측정
미국의 STEEL STRUCTURE PAINTING COUNCIL SPECEJCATION SSPC-PA273T METHOD FOR MEASUREMENT OF DRY PAINT THINKNESS WITH MAGNETIC GAGE에서는 다음과 같이 규정하고 있다.
(1) 도막 두께는 평면상의 두께로 한다.
(2) 표면 거칠기 최대 돌출부(PEAK)에서의 도막두께를 표시도막 두께라고 부른다.
(3) 완전 평면이 아니고 표면 거칠기가 있으므로 MAGNETIC GAGE로 측정하는 경우는 가상평면에서부터의 도막표면이 측정된다.
(4) 이때의 가상평면으로부터 표면 거칠기 산까지의 거리가 용까지의 거리보다 짧다. 즉 가상평면은 기하학적 평면 보다 상부에 있다.
(5) 실제로 표면 거칠기가 71u(2.8mil)일 때 도막 두께를 측정하면 102u(4mil) 을 지시하여 31u의 도막이라고 언 듯 생각할 수 있으나 실제로는 12.7u(0.5mil) 밖에 되지 않으므로 수치를 보정 하여야 한다.(그러므로 이러한 때에는 지시계가 115u이 되어야 25u=1 mil 정도의 실제도막 두께이다.)

나) ONE COAT SHOP PAINT SYSTEM FOR STRUCTUAL STEEL
조선, CONTAINER, 철 구조물 제조공장에 있어서는 통상 ONE COAT SHOP PAINTING을 하여야 한다.
이때에는 통상 SSPC PAINT 13-64 RED OR BROWN ONE COAT SHOP PAINT를 도장하며 이 규격에서는 최초 즉 1 mil (25u)이상의 DRY FILM 이 되도록 규정하고 있다. 실제에 있어서는 희석하지 않은 상기 PAINT(비휘발성 60%)로 500-600ft2/gal 또는 12.3-14.7m2/1를 도장하여야 한다.

(1) 이를 풀이하면 WET FILM으로는 68-81u 두께DRY FILM으로 환산(60%) 하면 40-48u(평균 45u로 간주)이 된다.
(2) 여기서 표면 거칠기가 70u 일 때와 100u 일 때 PAINT 소비량을 비교하면 아래와 같다.
결론적으로 쇼트입자 0.6mm 내외를 사용하여 초대 표면 거칠기가 70u 정도 일 때에 비하여 쇼트 입자 1.0mm를 사용하여 최대 표면 거칠기가 100u 정도일 때 청소 속도의 저하는 차식 하고 동일한 도막두께 25u으로 ONE COAT SHOP PAINTING 할 때 도료소비량이 1.45배 또는 그 이상이 됨을 알 수 있다.

8. 결 론
가) 쇼트의 종류 면에서 주강 쇼트대신 CUT WIRE SHOT를 사용하면 단위 면적당 쇼트 블라스트 가공비를 반감할 수 있다.

나) 표면 거칠기 면에서 현재 CUT WIRE SHOT 1MM는 부적당하고 0.4MM또는 0.6MM를 사용하여야 한다. 최적 표면 거칠기는 75u 내외이다.

다) DESCALING 속도면 에서 주강 쇼트에 비하여 CUT WIRE SHOT 가 2배 빠르고 입자가 작을수록 청소 속도는 증가한다.

라) ONE COAT PAINTING 비용 면에서 동일한 도막 두께로 도장함에 불구하고 입자가 작을수록 도장비용은 감소한다.

마) 종합적으로 보면 능률면,PAINT 접착방면, 표면 거칠기 면, DESCALING 원가 절감면, 도료 소비량 절감 면 등 모든 면에서 CUT WIRE SHOT 0.4mm 또는 0.6mm를 사용하는 것이 가장 유리하다. <
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