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열교환기는 증발기와 응축기로 분류되며 담수용과 해수용으로 나누어집니다.

담수용으로 보통 동이나 스텐레스를 사용하고 있으나 해수에선 부식성으로 인해 내부식성 소재를 사용해야 됩니다. 내부식성소재로는 금, 은, 지로코늄, 티타늄 등이 있으나 모두 고가이며 이중 티타늄이 가장 많이 사용되고 있습니다. 티타늄은 매우 가벼우면서 단단하여 항공우주용으로 개발되어 가공이 매우 어렵고 고가라 특수용도로 사용됩니다.

대일냉각기에서는 티타늄을 이용한 여러 열교환기를 자체 설계 제작하고 있는 전문회사입니다.





코일식 셀타입 이중관식 티타늄 열교환기




[개요]
티타늄은 경금속, 고강도 및 뛰어난 내식성을 지니고 있으며, 내식성이 뛰어나기 때문에 화학산업 등에서 반응기, 열교환기, 배관작업 등에 이용되기도 한다.

[역사]
1789년 England Cornwall 주 manaccan의 광물학자였던 William gregor가 검은색 모래에서 새로운 산화물을 추출하였다. 그 후 1995년 독일의 martin kraproth는 헝가리산 금홍색(金紅石)에서 새로운 원소를 발견하고 그리스 신화에 등장하는 "신이면서 지구를 떠 받들고 있는 거인"이라는 뜻을 가진 "titan"이라고 명명하였다.
이후로 영국에서는 titanium으로, 독일에서는 titan으로 지금까지 명명되어 사용되고 있다.

[성질]
은백색 금속으로, 순수한 것은 전성(展性)이 있고, 가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내부식성(耐腐蝕性)이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다. 결정은 α형은 상온에서 안정하다. α형은 육방정계(六方晶系)에 속하며, 882℃ 이상에서는 등(等軸晶系)인 β형이 된다. 굳기 4.0으로 차가울 때는 극히 취약하여 가루로 만들 수도 있으며 적열(赤熱)상태에서는 선으로 만들 수 있다. 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중(自重)에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열전도율, 열팽창률이 작고,400℃ 이하에서는 강도의 변화가 작다. 공기 중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금에 이어서 내식성( 耐蝕性)이 강하다. 많은 금속과 합금을 만든다.

[제조]
공업적으로는 크롤법으로 제조한다. 원료는 보통 산화티탄 TiO2이 94% 정도 함유되어 있는 루틸, 또는 60% 정도 함유되어 있는 티탄철석 등이다. 이것들을 일단 제련하여 티탄슬래그 분말로 하고, 목탄 또는 코크스를 가하여 소결(燒結)한 후 염소화로(鹽素化爐) 속에서 900℃ 정도로 사염화티탄을 만든다. TiO2+2C+2CI2 → TiCI4+2CO 생성된 사염화티탄에는 철, 규소, 바나듐 등의 염화물이 불순물로 함유되어 있으므로, 이것들을 증류에 의해서 정제한다. 정제된 사염화티탄은 1기압의 아르곤가스 속에서 융해한 마그네슘에 적하(適下)함으로써 금속티탄으로 분리시킨다. TiCI4+2Mg → Ti + 2MgCI2 다시 반응물을 가열하여 불순물을 증발시켜 티탄스펀지로 만드는데, 보통 1공정에서 1t 정도의 티탄을 만든다. 순도는 99.6~99.85%이다. 이것을 다시 정제하는 데는 요오드법이 사용된다. 조(粗) 티탄금속을 요오드와 250~300℃에서 반응시켜 요오드화티탄을 만들고, 그 증기를 1,100~1,500℃에서 열분해시켜 고순도의 티탄과 요오드로 분리한다. 열분해는 보통 전류를 통한 텅스턴선상에서 시행한다. 이 방법으로 얻은 티탄은 순도가 높아 99.96%이므로, 요오드법 티탄이라 하여 구별한다. 이 밖에 융해염 전해법 등을 사용하는 일도 있다.

[물리적 성질]
- 경금속으로서 철의 약 60%에 해당
- 융해점이 매우 높다.
- 열팽창계수가 철의 약 70%정도로 낮다. - 열전도율이 낮다.
- 전기저항이 매우 크다.
- 영율(Young's modulus)이 철의 1/2이다.

ASTM 규격에 따른 티타늄의 화학적 성분
정보공개대상에 따른 공개방법 및 수수료 안내
N% C% H% Fe% O% AI% V% Pd% Mo% Ni% Ti%
1 .03 .08 .015 .30 .25 - - - - - Bal
2 .03 .08 .015 .30 .35 - - - - - Bal
3 .05 .08 .015 .30 .35 - - - - - Bal
4 .05 .08 .015 .50 .40 - - - - - Bal
5 .05 .08 .015 .40 .20 5.5~6.75 3~4.5 - - - Bal
7 .05 .08 .015 .30 .25 - - .12~.25 - - Bal
9 .05 .08 .015 .25 .15 2.5~3.5 2.0~3.0 - - - Bal
11 .05 .08 .015 .20 .18 - - .12~.25 - - Bal
12 .05 .08 .015 .30 .25 - - - .2~.4 .6~.9 Bal
23 .05 .08 .0125 .20 .13 5.5~6.5 3.5~4.5 - - - Bal


※ N, C, H, Fe, O의 표시함량은 최대허용함량임.
정보공개대상에 따른 공개방법 및 수수료 안내
  순수티타늄 티타늄합금 순수지르코늄 SUS316
원자번호 22 - 40 -
원자량 47.90 - 91.22 -
비중 4.54 4.46 6.57 7.9
융해점(℃) 1688 1538~1649 1845 1400~1427
영율(㎏/㎟) 10.8x103 11.6x133 9.1x133 20.3x103
전기저항(μΩ㎝) 55~60 157 40~54 72
전기전도도(%) 2.9~3.1 1.1 3.5~4.3 2.4
열전도도(㎈/㎠/sec℃/㎝) 0.041 0.020 0.040 0.031
열팽창계수 8.6x10-6 9.4x10-6 5.8x10-6 16.5x10-6
비열(㎈/g/℃) 0.13 0.13 0.07 0.12


[기계적 성질]

티타늄은 다른 금속들이 지니지 못한 여러가지 기계적 특성들을 지니고 있다.

1.상대강도가 높다.
티타늄의 비중은 강철이나 스테일레스철의 약 60%밖에 되지 않기 때문에, 구조물로 이용될 때 요구되는 무게가 여타 금속을 이용했을 경우의 절반밖에 되지 않는다. 또한, 순수티타늄의 강도는 스텔레스철의 강도와 비슷하며, 티타늄합금의 경우는 특수강의 강도보다 더 높다. 따라서 티타늄은 상대강도(인장강도/밀도)가 높으며, 티타늄합금의 경우 500℃ 전후의 고온에서도 그 성질이 거의 변화되지 않는다.

2.'항복강도/인장강도'의 비율이 높다.
티타늄은 인장강도에 대한 내응력이 매우 높으며, 특히 티타늄합금은 90%이상의 높은 값을 가지고 있다.

3. 내응력이 매우 뛰어나다
인장강도에 대한 내응력이 매우 높으며, 응율(내응력/인장강도)가 0.5~0.6이다. (철의 내응력은 0.2~0.3)

4. 충격에 대한 반응이 뛰어나다.
순수티타늄은 상온에서보다 저온에서의 강도가 더욱 뛰어나다. 또한 여타금속은 저온에서 갑자기 깨지는 현상이 나타나지만, 티타늄합금의 경우에는 그러한 현상이 나타나지 않는다.


[내식성]
티타늄은 여러 부식물에 아주 강한 내식성을 지니고 있다.

○ 일반적 내식성
유기산
티타늄은 질산, 크롬산 및 왕수 등의 산화산에 대해서는 고온, 고농도의 조건하에서도 아주 강한 내식성을 나타낸다. 고온에서는 염산이나 황산등의 비산화산에 대해서는 부식이 발생하지만, 이 경우에도 약간의 산화제아 함께 사용될 경우 이러한 비산화산에 대한 내식성도 매우 향상된다. 하지만, 불소의 경우에는 통상의 실내온도에서도 부식에 매우 약하기 때문에 각별한 주의가 필요한다.

알칼리
타타늄은 비등상태의 알칼리용약 등에도 뛰어난 내식성을 나타내며, 스테인레스에서 발생되는 Pitting corrosion 등이 전혀 나타나지 않는다. 하지만, 가성소다의 경우, 고농도, 비등상태에서는 약간의 부식이 발생될 수도 있다.

염화화합물
고농도, 고온상태의 염화화합물에 대해서는 티타늄 만큼 내식성을 나타내는 금속은 없다. 단지 예외적으로 알루미늄 염화물이나 아연염화물에 대해서는 때때로 부식이 발생되기도 한다. 여러가지 가스
타타늄은 유화수소가스나 습식염화가스에 대해서 뛰어난 내식성을 나타낸다. 하지만, 건식염화가스에 노출되었을 때는 습기를 보충해주어야만 한다.

해수
티타늄은 해수에 대해서는 완전한 내식성을 나타낸다.

유기화합물
티타늄은 초산과 주석산과 같은 대부분의 유기산에 대해서는 매우 뛰어난 내식성을 나타낸다. 포름산과 수산의 경우에는 고온에서 약간의 부식이 발생할 수도 있다. 지르코늄의 경우에도 티타늄과 마찬가지로 각종 유기화합물에 대해 뛰어난 내식성을 가지고 있으며, 황산에 대해서는 티타늄보다 우수한 내식성을 지니고 있다. 내식성이 더욱 향상된 15PAT, 20PAT 등과 같은 티타늄 합금이 있다. 이러한 티타늄 합금은 순수티타늄의 경우에는 부식이 발생될 수 있는 유황산이나 염산(hydeochioride acid) 등의 각종 비산화산에 대해 매우 뛰어난 내식성을 지니고 있다. 20PAT에 함유되어 있는 파라듐 성분은 0.20%를 넘고 있으며, 따라서 15PAT보다 뛰어난 내식성을 요구하는 제품에 사용되고 있다.

○ 사용분야
- 우주항공 : 기계구조체, 엔진부품
- 해양관련 : 해수담수화장치, LNG해수쿨러용튜브
- 선박 : 선회기부품, 샤프트
- 화학공업 : 전해용전극, 각종 제조장치
- 발전소 : 화력, 원자력발전의 복수기기, 관, 판
- 자동차 : 콘로드, 밸브, 스프링, 볼트
- 정밀기계 : 시계, 카메라, 안경, 컴퓨터
- 의료치과 : 인공뼈, 수술용구, 핀세트
- 원자력 폐기물 처리 : 수송용기
- 악세사리 : 안경프레임, 넥타이핀, 목걸이 등
- 스포츠용품 : 골프채, 테니스라켓, 자전거

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