KR100481072B1 - 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법 - Google Patents

전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단열 처리되어 외형을 형성하는 용융로 본체, 용융로 본체의 상면 일측에 형성되어 용융시료를 투입하기 위한 용융시료 투입구, 용융로 본체의 상면 타측에 형성되어 용융시 발생되는 배기가스를 배출시키기 위한 배기가스 배출구, 용융에 필요한 저항 발열을 발생시키기 위한 주전극 및 하부전극, 용융로 본체의 일측면에 형성되어 용융 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 출탕구, 용융로 본체의 타측면에 형성되어 금속 용융물 배출시키기 위한 금속 출탕구를 포함하는 용융로를 포함하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 용융시료 투입구에 삽설된 엘보관을 통해 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하기 위한 진공펌프; 및 배기가스 배출구에 연결되어 있으며, 질소를 생성하여 생성된 질소를 배기가스 배출구에 경사지게 투입시키는 질소발생장치를 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면 진공펌프를 이용하여 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하고 질소 발생 장치에서 생성된 질소를 배기가스 출구 벽면에 선회를 이루도록 송출함으로써, 배기가스 출구 벽면에 미세 분진이 부착되는 것을 방지하고 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하여 탄소전극의 부하를 최소화시켜 탄소전극의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법{Melting apparatus using electric resistance and method thereof}
본 발명은 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주전극의 소모를 최소화하고 금속 용융물의 높이를 정확히 측정하여 안정적인 용융 조업을 가능하게 하고, 출탕구 주위에 독립적인 발열장치를 구현하여 출탕시 용융 슬래그의 굳음 현상을 미연에 방지하고, 원활한 개폐식 출탕이 가능한 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 관한 것이다.
용융기술은 크게 전기를 이용한 용융 방식과 연료를 이용한 용융 방식으로 구분할 수 있으며, 전자의 경우 플라즈마 토치와 매질 가스를 이용하여 고온의 화염을 발생시키는 플라즈마 방식, 탄소봉에 고전압을 걸어 고열의 아크(arc)를 발생시켜 용융시키는 아크 방식, 용융된 슬래그의 전도성을 이용하여 열을 발생시키는 전기저항을 이용한 방식들이 있고, 후자의 경우 코크스와 같은 보조연료를 슬러지와 함께 공급하여 용융시키는 코크스베드 방식과 건조 분쇄된 슬러지를 산화제와 함께 기류 수송하여 용융로 내에서 보조연료와 함께 소각 용융시키는 선회류 방식 등이 있다.
도 1a는 일반적인 전기저항 용융로(100)의 구성도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 일반적인 전기저항 용융로(100)는 단열 처리되어 외형을 형성하는 용융로 본체(110), 용융로 본체(110)의 상면 일측에 형성되어 용융시킬 소각재 및 비산재를 투입하기 위한 시료 투입구(120), 용융로 본체(110)의 상면 타측에 형성되어 용융시 발생되는 배기가스를 배출시키기 위한 가스 배출구(130), 용융로 본체(110)의 상면 중앙에 관통되게 삽설되어 용융에 필요한 전원을 공급하기 위한 주전극(140), 용융로 본체(110)의 하면에 형성되어 주전극(140)과 협력하여 저항 발열을 발생시키기 위한 하부전극(150), 용융로 본체(110)의 일측면에 형성되어 슬래그층(160)의 용융 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 출탕구(165), 용융로 본체(110)의 타측면에 형성되어 메탈층(170)의 금속 용융물을 배출시키기 위한 금속 출탕구(175)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 용융로 본체(110)의 내벽은 고온에 잘 견딜 수 있는 내화물로 형성되어 있다. 주전극(140) 및 하부전극(150)의 통전에 의해 용융 열원이 발생되면 투입된 시료가 용융되어 용융 슬래그와 금속 용융물로 구분되며, 용융 시료중 비중이 낮은 용융 슬래그들은 상부에 위치하고 비중이 높은 금속 용융물은 하부에 위치하여 슬래그층(160) 및 메탈층(170)이 형성된다.
용융 열원은 직류를 이용한 단일 전극을 사용하여 얻거나 3상 교류를 이용한 2개 이상의 전극을 사용하여 얻는다. 전기저항 방식은 기본적으로 용융 슬래그의 전도성 및 전기적 저항성을 이용한 줄(Joule)열 발생을 통해 용융 열원을 얻는 방식이다. 전기저항을 이용하기 때문에 같은 탄소전극을 사용하면서도 전극에서 직접 고열의 아크를 발생시키는 아크용융보다는 전력 사용량이 작고, 탄소전극의 소모량이 비교적 작으며, 금속들을 따로 분리해 배출할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 용융 슬래그의 전도성이 떨어지면 가동 중에 통전되지 않아 용융로 내부의 융체(용융 슬래그)가 굳어버리는 운전상의 문제가 있으며, 주전극으로 탄소를 사용하기 때문에 시료를 연속 투입시에 공기의 유입으로 탄소전극의 소모가 커질 수 밖에 없다. 뿐만 아니라, 미세입자를 포함한 시료를 용융할 때에는 분진이 배기가스 덕트에 스케일을 형성하여 배기가스의 원활한 흐름을 저해하는 문제점이 있다.
전기저항 방식의 장점 중 하나가 용융시료의 슬래그와 금속을 비중차이를 이용하여 분리 배출시킨다는 것이다. 그러나, 실제 용융로 내부에서 금속 용융층의 높이를 정확히 측정하기 어려워 정확한 금속 용융층의 분리배출 시기를 결정하는데 어려움을 갖고 있으며, 용융 슬래그의 비열이 작아 대기 중에 노출되면 쉽게 굳기 때문에 출탕구의 개폐 운전시에 슬래그가 굳어 출탕구 입구를 막아버리는 문제점이 있다.
또한, 다른 용융 방식과는 다르게 전기저항 방식은 용융로 내부에 고온의 융체를 상당시간 보유시키면서 조업하기 때문에, 융체가 담겨있는 용융로 하부는 침식에 의해 내화물이 오래 견디지 못하여 자주 내화물을 교체해 주어야 하는 단점을 가지고 있다.
도 1b는 일반적인 용융로의 벽체 구성을 나타내는 도면으로서, 일반적인 용융로의 벽체 내벽은 내화 캐스터블(CT-180), SK-40 또는 SK-38 등의 내화벽돌로 구성하고, 다음에 INCT-160(단열 캐스터블), LBK, B-5 등의 단열재를 구성하고, 마지막으로 세라믹 보드를 구성하는 것이 보편화 되어 있다. 그러나, 이러한 일반적인 용융로의 벽체는 벽면이 두꺼워지고, 열손실도 커지며, 융탕이 형성된 용융로 내부에서 출탕구 외부까지의 길이가 길어져 용융 슬래그 및 금속 용융물이 배출될 때까지의 배출시간도 함께 길어져 온도의 하강에 의해 출탕구 내에서 용융물들이 굳어 버리는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 진공펌프를 이용하여 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하고 질소 발생 장치에서 생성된 질소를 배기가스 출구 벽면에 선회를 이루도록 송출함으로써, 배기가스 출구 벽면에 미세 분진이 부착되는 것을 방지하고 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하여 탄소전극의 부하를 최소화시켜 탄소전극의 소모를 줄일 수 있는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은 용융로 하부 바닥을 일정한 각도(예컨대, 3∼10도)로 경사지게 구현하여 금속 용융물의 흐름을 한방향으로 유도하고, 금속 배출구 앞단에 금속 용융물(예컨대, 비철금속)들의 순도를 향상시켜 원하는 순수 금속 용융물들만 배출시키기 위한 풀(pool)을 형성하여 충분한 양의 금속 용융물을 확보한 후 배출시키는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제3 목적은 용융로 내부에 메탈층의 형성여부와 높이를 측정하기 위한 복수개의 탐침봉을 삽설하여 용융로 내부를 확인하지 않고도 금속 용융물의 배출시기를 인지함으로써, 원하는 시기에 금속 용융물을 배출시키는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제4 목적은 금속 용융물의 출탕구에 독립적인 발열장치를 설치하고 출탕시 용융 슬래그 및 금속 용융물의 굳음 현상을 방지하고, 출탕구 내벽을 내열주강으로 처리하여 발열장치의 손상을 방지하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제5 목적은 용융로 본체를 두꺼운 단열재 대신 방열판을 사용함으로써, 열효율을 높이고 출탕길이를 줄여 출탕시 용융물의 응고현상을 최소화할 수 있는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제6 목적은 폐기물인 소각재를 이용하여 용융 시료의 염기도를 조절함으로써, 에너지 및 운전비용을 절감하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기저항 방식을 이용한 용융장치에 있어서, 단열 처리되어 외형을 형성하는 용융로 본체, 용융로 본체의 상면 일측에 형성되어 용융시료를 투입하기 위한 용융시료 투입구, 용융로 본체의 상면 타측에 형성되어 용융시 발생되는 배기가스를 배출시키기 위한 배기가스 배출구, 용융에 필요한 저항 발열을 발생시키기 위한 주전극 및 하부전극, 용융로 본체의 일측면에 형성되어 용융 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 출탕구, 용융로 본체의 타측면에 형성되어 금속 용융물 배출시키기 위한 금속 출탕구를 포함하는 용융로와; 용융시료 투입구에 삽설된 엘보관을 통해 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하기 위한 진공펌프; 및 배기가스 배출구에 연결되어 있으며, 질소를 생성하여 생성된 질소를 배기가스 배출구에 경사지게 투입시키는 질소발생장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기저항 방식을 이용한 용융장치에 있어서, 상면이 개구되고 하면이 일정 각도로 경사지게 형성되고 단열 처리되어 일정 형태의 용융로를 형성하는 용융로 본체와; 개구된 용융로 본체의 상면에 개폐 가능하게 결합된 용융로 뚜껑과; 용융로 뚜껑의 일측에 삽설되어 융융시료를 투입하기 위한 용융시료 투입구와; 용융로 본체의 일측면에 경사지게 삽설되어 용융시 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 배출구와; 용융로 뚜껑에 삽설되고 전원공급수단의 일 단자에 연결되어 용융 열원의 생성에 필요한 전원을 공급하고, 제1 이동수단의 동작에 의해 상하 이동되도록 구현된 주전극과; 주전극과 대응되게 용융로 본체의 하면에 삽설되고 전원공급수단의 다른 단자에 연결된 하부전극과; 용융로 뚜껑의 타단에 삽설되고 전원공급수단의 각 단자에 각각 연결되어 메탈층의 형성여부, 높이 및 배출시기를 감지하기 위한 복수의 탐침봉과; 용융로 본체의 일측면 하단에 형성되어 금속 용융물을 배출하기 위한 금속 용융물 출탕구; 및 용융로 본체의 타측면에 형성되어 슬래그를 배출하기 위한 슬래그 출탕구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전기저항 방식을 이용한 용융 방법에 있어서, 질소발생장치에서 생성된 질소를 경사지게 투입시켜 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하는 단계와; 주전극과 하부전극을 접촉시켜 마찰면의 저항 차이를 이용하여 용융로 내부를 발열시키는 단계와; 용융시료를 투입시키고, 진공펌프를 가동시켜 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하는 단계; 발열에 의해 용융시료를 용융시키는 단계와; 용융시료가 용융되어 메탈층이 형성되면 복수의 탐침봉의 통전여부를 판별하고, 복수의 탐침봉이 통전되면 탐침봉을 소정 위치로 이동시키는 단계와; 탐침봉을 소정 위치로 이동시킨 상태에서 복수의 탐침봉의 통전여부를 재차 판별하고, 복수의 탐침봉에 통전되면 출탕구 발열장치를 가동시켜 출탕구 주변을 일정 온도로 가열시키는 단계; 및 개폐 실린더를 작동시켜 용융로 내부에 내재된 용융물을 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 2a는 본 발명에 따른 용융로(200)의 구성도로서, 용융시료가 용융되어 슬래그층(A) 및 메탈층(B)이 형성된 상태를 예시적으로 도시한 것이다. 본 용융로(200)는 상면이 개구되고 하면이 일정 각도(예컨대, 3∼10도)로 경사지게 형성되고 단열 처리되어 외부와의 열접촉을 차단하도록 용융로 본체(210)가 형성되어 있고, 개구된 용융로 본체(210)의 상면에 용융로 뚜껑(220)이 개폐 가능하게 결합되어 있다. 용융로 본체(210)의 하면을 일정 각도로 경사지게 형성하는 이유는 금속 용융물의 흐름을 한쪽 방향으로 유도하여 배출을 용이하게 하기 위함이다. 용융로 뚜껑(220)의 일측에는 용융시료를 투입하기 위한 용융시료 투입구(230)가 삽설되고, 용융로 본체(210)의 일측면에는 용융시 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 배출구(240)가 경사지게 삽설되어 있다.
탄소로 이루어져 있으며 전원공급수단(미도시)의 일 단자[예컨대, (+)단자]에 연결되어 용융 열원의 생성에 필요한 전원을 공급하기 위한 주전극들(250)이 용융로 뚜껑(220)에 삼각형태로 삽설되어 있다. 또한, 탄소로 이루어져 있으며 전원공급수단의 다른 단자[예컨대, (-)단자]에 연결되고 주전극들(250)에 각각 대응되게 하부전극들(260)이 용융로 본체(210)의 하면에 삽설되어 있다. 여기에서, 주전극들(250)은 이동수단(미도시)에 각각 연결되어 이동버튼에 의해 상하 이동되도록 구현되어 있으며, 주전극들(250)은 이동수단의 동작에 의해 각각의 하부전극들(260)에 접촉되거나 이격된다. 또한, 용융로 뚜껑(220)의 타단에는 전도체(예컨대, 탄소, 철, 텅스텐 등)로 이루어져 있으며 전원공급수단의 각 단자에 각각 연결된 복수의 탐침봉(270)이 삽설되어 있다. 탐침봉(270)은 메탈층(B)의 형성여부와 높이를 감지하여 배출시기를 감지하기 위한 것이며, 탐침봉(270) 중 임의의 하나는 이동수단(미도시)에 연결되어 이동버튼에 의해 상하 이동되도록 구현되어 있다.
용융로 본체(110)의 일측면 하단에는 금속 용융물을 배출하기 위한 금속 용융물 출탕구(280)가 형성되어 있고, 용융로 본체(110)의 타측면에는 슬래그를 배출하기 위한 슬래그 출탕구(290)가 형성되어 있다. 여기에서, 슬래그 출탕구(290)는 금속 용융물 출탕구(280)보다 상단에 형성하는 것이 바람직하다. 비중이 낮은 슬래그층(A)이 비중이 높은 메탈층(B)보다 상단에 형성되기 때문이다. 각 출탕구(280, 290)의 벽면은 카본블랙 또는 유도코일이 포함되도록 형성하고 독립적인 발열장치에 연결시켜 일정 온도(예컨대, 1200∼1400℃)을 유지시킴으로써, 출탕시 용융물의 굳음 현상을 방지한다. 또한, 용융물에 의해 카본블랙 또는 유도코일이 손상되는 것을 방지하기 위해 각 출탕구(280, 290)의 안쪽 벽면은 내열주강으로 처리하는 것이 바람직하다. 각 출탕구(280, 290)는 후술하는 개폐 실린더에 의해 출탕 여부가 결정된다.
금속 용융물 출탕구(280) 앞단에는 특정 용융물(예컨대, 비철금속)의 순도를 높이고 충분한 양을 확보하기 위한 풀(pool)(295)이 용융로 본체의 하면에 일체로 형성되어 있다.
도 2b는 본 발명에 따른 주전극들(250)의 연결형태를 나타내는 도면으로서, 주전극들(250)은 삼각형태로 용융로 뚜껑(220)에 삽설되고, 각각의 주전극들(250)은 3상 교류(즉, R-S-T)에 연결되고, 하부전극들(260)은 N에 연결된다. 주전극들(250)을 삼각형태로 형성하여 용융로 중앙에 열밀도를 증가시키고, 용융시료는 열밀도가 높은 곳에 투입시킨다. 특히, 비열이 작아 쉽게 굳기 쉬운 금속 용융물의 흐름을 원활하게 유지하고 금속 용융물의 응고를 방지하기 위해 각 출탕구(280, 290) 근처에 전극들(250, 260)을 위치시키는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 용융로와 외부 기기와의 연결관계를 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 용융시료 투입구(230)에는 제1 및 제2 연결관(231, 232)이 결합되어 있고, 제2 연결관(232)에는 용융시료를 보관하기 위한 용융시료 보관조(233)가 결합되어 있다. 여기에서, 용융시료 보관조(233)에 보관된 용융시료는 로터리 밸브(234)에 의해 투입여부가 결정된다. 또한, 제2 연결관(232)에는 엘보관(235)이 삽설되어 있으며, 엘보관(235)은 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하기 위한 진공펌프(236)에 연결되어 있다. 엘보관(235)은 용융시료의 투입방향과 같은 하향방향으로 설치하여 용용시료가 엘보관(235)으로 유입되는 것을 방지하도록 구현하는 것이 바람직하다. 따라서, 용융시료는 용융시료 투입구(230)을 통해 용융로 내부로 투입되고, 진공펌프를 가동시킴으로써 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기는 엘보관(235)을 통해 흡입된다.
배기가스 배출구(240)에는 제3 연결관(241)이 결합되어 있고, 제3 연결관(241)에는 질소발생장치(242)가 경사지게 결합되어 있다. 용융시 발생되는 배기가스는 배기가스 배출구(240) 및 제3 연결관(241)을 통해 외부로 배출되고, 질소발생장치(242)에서 생성된 질소를 경사지게 투입시킨다. 경사지게 투입된 질소는 제3 연결관 및 배기가스 배출구(240)의 내벽을 따라 선회를 이루며 용융로 내부로 투입되고, 내벽을 따라 선회를 이루며 투입되는 질소는 내벽에 부착되는 미세 분진의 스케일 형성을 미연에 방지해주고, 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하여 전극들(250, 260)의 부하를 최소화시킴으로써 산화에 의한 전극들(250, 260)의 수명단축을 최소화시킬 수 있다.
각 출탕구(280, 290)에는 개폐 실린더(281, 291)가 각각 연결되어 있으며, 각 개폐 실린더(281, 291)는 이동버튼에 의해 전진 또는 후진하도록 구현되어 있다. 부가적으로, 개폐 실린더(281, 291)는 출탕경로를 확보하기 위해 상하 및 좌우로 이동되도록 구현될 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 용융로 본체(210)의 내부 구성을 나타내는 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 용융로 본체(210)는 GIBRAM 캐스터블 또는 전주기와⇒B-5⇒방열판⇒세라믹 보드(단열재)순으로 구성되어 있다. 내벽을 GIBRAM 캐스터블 또는 전주기와로 구성함으로써 용융로 내부의 침식을 방지하고 용융로의 전체 수명을 늘일 수 있고, 방열판을 B-5와 세라믹 보드 사이에 위치시킴으로써 부피를 줄이고 단열 효과를 극대화시킬 수 있다. 이러한 용융로 본체(210)의 구성은 기존 용융로 본체보다 두께가 얇아 출탕시 용융물들의 굳는 시간을 최소화시키고 단열 효과가 뛰어나고 건축비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 금속 용융물 출탕구(280)의 상세 구성도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 슬래그 출탕구(290)의 상세 구성도이다. 금속 용융물 출탕구(280)와 슬래그 출탕구(290)는 방향만 다르고 그 구성이 동일하다. 용융물들의 출탕시 용융로 내부와 출탕구 외부까지의 길이가 길어지면 배출 도중 용융물이 굳어버리는 현상이 발생하여 출탕에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 각 출탕구 내벽을 카본블랙 또는 유도코일(C)로 형성하고 독립적인 발열장치에 연결시켜 출탕 전에 출탕구 내벽을 일정 온도(예컨대, 1200∼1400℃)로 유지시킴으로써, 출탕시 용융물들이 응고되지 않고 용이하게 출탕되도록 유도한다. 또한, 용융물들에 의해 카본블랙이나 유도코일(C)이 손상되는 것을 방지하기 위해 출탕구 맨 안쪽벽면을 내열주강(D)으로 처리하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 대한 동작 관계를 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 용융장치의 전체적인 동작을 설명하는 흐름도이다. 용융장치의 전체적인 동작을 설명하기에 앞서, 이동수단에 연결된 임의의 탐침봉을 금속 용융물의 형성여부를 감지할 수 있는 높이에 위치시키고, 전원을 인가한다. 초기에는 금속 용융물이 형성되지 않았기 때문에 전원을 인가하더라도 탐침봉이 통전되지 않는다. 또한, 개폐 실린더를 동작시켜 개폐 실린더가 각 출탕구를 폐쇄시키고, 용융시킬 용융시료를 용융시료 보관조에 보관시킨다.
용융장치의 동작에 필요한 준비과정이 모두 완료되면, 용융장치 운전자(이하에서는, '운전자'라 약칭함)는 질소발생장치를 통해 질소를 생성하고, 생성된 질소를 배기가스 배출구에 경사지게 투입시켜 용융로 내부를 질소 분위기로 조성한다(S610). 용융로 내부를 질소 분위기로 조성함으로써, 용융로 내부의 주전극들, 하부전극들 및 탐침봉의 산화를 방지하여 소모를 줄일 수 있다. 또한, 생성된 질소를 배기가스 배출구에 경사지게 투입시키면 해당 질소는 배기가스 배출구의 내벽을 따라 선회한다. 따라서, 배기가스 배출구의 내벽에 부착된 미세 분진을 제거하거나 미세 분진의 스케일 형성을 미연에 방지할 수 있다.
다음에, 운전자는 각각의 주전극들에 연결된 이동수단을 작동시켜 주전극들을 각각의 하부전극에 접촉시킨 후, 주전극들 및 하부전극들에 전원을 인가하여 발열시킨다(S620). 즉, 초기 상태에서 주전극들과 하부전극들을 서로 접촉시킨 후 저전압 고전류를 인가하면, 전극간의 마찰면 저항 차이에 의해 발열된다. 소정 시간이 지나 용융로 내부가 일정 온도에 이르면, 운전자는 로터리 밸브를 개방하여 용융시료 보관조에 보관된 용융시료를 용융로 내부로 투입시킨다(S630). 이때, 초기에 투입되는 용융시료는 녹는점이 낮은 물질을 먼저 투입하여 초기 융탕을 확보하여 탄소전극[예컨대, 주전극들 및 하부전극들]의 소모를 줄이고, 용융로 바닥 전체가 고루 열을 받을 수 있도록 유도하며, 용융 시료가 이미 형성되어 있는 융탕에서 용융될 수 있도록 한다. 용융시료를 투입함과 동시에 운전자는 진공펌프를 가동시켜 용용시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 엘보관을 통해 흡입시켜 외부로 배출시킨다(S640).
투입된 용융시료는 발열에 의해 용융되고(S650), 용융시료의 투입에 따라 용융시료의 비중 차이에 의해 슬래그층과 메탈층이 형성된다. 즉, 비중이 낮은 슬래그들은 상단에 위치하고 비중이 높은 금속 용융물들은 하단에 위치한다. 일정 높이의 메탈층이 형성되면 운전자는 주전극들을 이동시켜 하부전극들로부터 이격시키고, 주전극들을 메탈층 상부에 위치하도록 조절한다. 메탈층은 슬래그층보다 전기적 흐름이 좋아 아크가 발생되지 않으며, 안정된 전류 흐름을 유지할 수 있다. 또한, 메탈층에 저항대가 형성되어 저항 발열을 통해 용융로 전체로 열원이 분배되어 용융 속도를 증가시킬 수 있다. 용융로 바닥에서 융체가 형성될 수 있는 높이까지는 용융로 내부의 내화물이 가장 많이 침식되는 부분으로 일반 내화물을 사용하면 쉽게 침식되어 용융로 수명을 단축시키는 결과를 초래한다. 따라서, 본 발명에서는 전술한 부분을 GIBRAM 캐스터블 또는 전주기와로 구현함으로써 침식을 방지하고, 그에 따른 용융로의 수명을 늘일 수 있고 수리의 횟수도 줄일 수 있다.
다음에, 운전자는 탐침봉이 통전되었는가를 판단한다(S660). 메탈층이 일정한 높이에 형성되면 두 개의 탐침봉에 전류가 인가되어 통전된다. 즉, 초기에는 두 개의 탐침봉이 통전되지 않지만 메탈층이 형성되어 탐침봉이 메탈층에 접촉되면 메탈층의 전도성에 의해 전류가 두 개의 탐침봉 사이에 흐르게 된다. 따라서, 운전자는 용융로 내부를 확인하지 않더라도 탐침봉의 통전 여부에 따라 메탈층의 형성여부와 높이를 인지할 수 있다. 상기 단계(S660)에서 탐침봉이 통전되지 않았으면 아직 원하는 높이까지 메탈층이 형성되지 않은 것이므로 상기 단계(S650)로 복귀하여 용융시료를 계속 용융시키고, 탐침봉이 통전되었으면 원하는 높이까지 메탈층이 형성된 것이므로 이동수단에 연결된 임의의 탐침봉을 소정 위치(즉, 금속 용융물을 배출할 높이)로 이동시킨다(S670).
운전자는 탐침봉이 통전되었는가를 재차 판단한다(S680). 판단 결과, 탐침봉이 통전되지 않았으면 아직 금속 용융물의 배출 높이까지 메탈층이 형성되지 않은 것이므로 용융시료를 투입한 후 계속 용융시키고(S685), 탐침봉이 통전되었으면 금속 용융물의 배출 높이까지 메탈층이 형성된 것이므로 출탕구 발열장치를 가동시켜 출탕구 주위를 일정 온도(예컨대, 1200∼1400℃)로 가열시킨다(S690). 이는 출탕시 외부 온도와의 차이에 의해 용융물이 응고되는 것을 방지하기 위함이다. 여기에서, 메탈층은 슬래그층보다 비중이 무거울 뿐만 아니라, 점도도 낮아 유동성이 상대적으로 높다. 따라서, 메탈층이 고가 비철금속(예컨대, 금, 은, 구리, 알루미늄 등)으로 이루어진 경우에는 순도를 높이고 원하는 비철금속만을 배출하기 위해 금속 용융물 출탕구 앞단에 풀이 형성되어 있다. 또한, 용융로 하면은 금속 용융물 출탕구 방향으로 일정 각도(예컨대, 3∼10도) 경사지게 구현하여 금속 용융물들의 흐름을 한방향으로 유도한다. 따라서, 순도가 높은 원하는 용융물만을 배출할 수 있다. 금속 용융물 출탕구 앞단에는 일정 용량의 용융물을 확보하기 위한 풀이 형성되어 있으므로 원하는 용융물을 확보한 후 배출시킬 수 있다.
일정 시간 출탕구 발열장치를 가동시켜 출탕구 주변이 일정 온도에 이르면, 운전자는 개폐 실린더를 작동시켜 출탕구를 개방시킴과 동시에 용융로 내부의 용융물을 외부로 배출시킨다(S695). 출탕구 주변은 일정 온도를 유지한 상태이므로 출탕시 용융물의 응고를 방지할 수 있다.
또한, 폐기물을 최소한의 에너지로 용융시키기 위해 염기도(즉, CaO/SiO2 비)를 조정해 주어야 한다. 일반적으로, 염기도를 조절하기 위해서는 SiO2, CaO 또는 CaCO3 등을 사용하여 용융시료의 성분 비율을 조절한다. 하지만, 본 발명은 폐기물인 소각재를 이용하여 염기도를 조절하여 운영 비용을 절감시킬 수 있다. 즉, 용용시료가 염기성일 경우에는 SiO2가 많이 함유(약 35∼70%)되어 있는 바닥재를 용융시료와 함께 용융로에 투입시키고, 용융시료가 산성일 경우에는 CaO가 많이 함유(약 20∼35%)되어 있는 비산재를 용융시료와 함께 용융로에 투입시킨다. 따라서, 폐기물을 재활용함으로써 환경 오염은 물론 운영 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명은 하나의 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 첨부한 특허청구범위 내에서 다양하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전기저항 방식을 이용한 용융장치 및 방법에 의하면, 진공펌프를 이용하여 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하고 질소 발생 장치에서 생성된 질소를 배기가스 출구 벽면에 선회를 이루도록 송출함으로써, 배기가스 출구 벽면에 미세 분진이 부착되는 것을 방지하고 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하여 탄소전극의 부하를 최소화시켜 탄소전극의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 용융로 하부 바닥을 일정한 각도(예컨대, 3∼10도)로 경사지게 구현하여 금속 용융물의 흐름을 한방향으로 유도하고, 금속 배출구 앞단에 금속 용융물(예컨대, 비철금속)들의 순도를 향상시켜 원하는 순수 금속 용융물들만 배출시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 용융로 내부에 메탈층의 형성여부와 높이를 측정하기 위한 복수개의 탐침봉을 삽설하여 용융로 내부를 확인하지 않고도 금속 용융물의 배출시기를 인지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속 용융물의 출탕구에 독립적인 발열장치를 설치하여 출탕시 용융 슬래그 및 금속 용융물의 굳음 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 용융로 본체를 뚜꺼운 단열재 대신 방열판을 사용함으로써, 열효율을 높이고 출탕길이를 줄여 출탕시 용융물의 응고현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 폐기물인 소각재를 이용하여 용융 시료의 염기도를 조절하여 환경오염을 줄이고 운영 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 일반적인 전기저항 용융로의 구성도이고,
도 1b는 일반적인 용융로의 벽체 구성을 나타내는 도면이고,
도 2a는 본 발명에 따른 용융로의 구성도이고,
도 2b는 본 발명에 따른 주전극들의 연결형태를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 용융로와 외부 기기와의 연결관계를 나타내는 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 용융로 본체의 내부 구성을 나타내는 단면도이고,
도 5a는 본 발명에 따른 금속 용융물 출탕구의 상세 구성도이고,
도 5b는 본 발명에 따른 슬래그 출탕구의 상세 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 용융 장치의 전체적인 동작을 설명하는 흐름도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
210: 용융로 본체 220: 용융로 뚜껑
230: 용융시료 투입구 240: 배기가스 배출구
250: 주전극 260: 하부전극
270: 탐침봉 280: 금속 용융물 출탕구
290: 슬래그 출탕구 295: 풀

Claims (13)

  1. 단열 처리되어 외형을 형성하는 용융로 본체, 상기 용융로 본체의 상면 일측에 형성되어 용융시료를 투입하기 위한 용융시료 투입구, 상기 용융로 본체의 상면 타측에 형성되어 용융시 발생되는 배기가스를 배출시키기 위한 배기가스 배출구, 용융에 필요한 저항 발열을 발생시키기 위한 주전극 및 하부전극, 상기 용융로 본체의 일측면에 형성되어 용융 슬래그를 배출시키기 위한 슬래그 출탕구, 상기 용융로 본체의 타측면에 형성되어 금속 용융물 배출시키기 위한 금속 출탕구를 포함하는 용융로를 포함하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치에 있어서,
    상기 용융시료 투입구에 삽설된 엘보관을 통해 상기 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하기 위한 진공펌프; 및
    상기 배기가스 배출구에 연결되어 있으며, 질소를 생성하여 생성된 상기 질소를 상기 배기가스 배출구에 경사지게 투입시키는 질소발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  2. 용융시료가 투입되는 용융시료 투입구가 일측에 결합된 용융로 뚜껑이 용융로 본체의 상면 개구에 결합되고, 용융로 본체의 일측면 하단에 형성되어 금속 용융물을 배출하는 금속 용융물 출탕구와 용융로 본체의 타측면에 형성되어 슬래그를 배출하는 슬래그 출탕구을 포함하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치에 있어서,
    상기 용융로 상본체의 하면에 일정 각도록 경사지게 형성되어 비중이 높은 금속 용융물이 금속 용융물 출탕구측으로 안내하는 경사부와;
    상기 용융로 본체의 일측면에 경사지게 삽설되어 용융시 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배기가스 배출구와;
    상기 용융로 뚜껑에 삽설되고 전원공급수단의 일 단자에 연결되어 용융 열원의 생성에 필요한 전원을 공급하고, 제1 이동수단의 동작에 의해 상하 이동되며, 삼각형태로 결합되되 적어도 하나 이상이 금속 용융물 출탕구와 슬래그 출탕구 중 어느 하나에 근접설치되는 주전극과 이 주전극과 대응되게 용융로 본체의 하면에 삽설되고 상기 전원공급수단의 다른 단자에 연결된 하부전극과;
    상기 용융로 뚜껑의 타단에 삽설되고 상기 전원공급수단의 각 단자에 각각 연결되어 메탈층의 수위상승과 접촉에 따른 통전에 의해 메탈층의 형성여부, 높이 및 배출시기를 감지하는 전도체로 된 복수의 탐침봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용융시료 투입구에 삽설된 엘보관을 통해 상기 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하기 위한 진공펌프; 및
    상기 배기가스 배출구에 연결되어 있으며, 질소를 생성하여 생성된 상기 질소를 상기 배기가스 배출구에 경사지게 투입시키는 질소발생장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속 용융물 출탕구 앞단에 상기 용융로 본체의 하면과 일체로 형성되어 상기 금속 용융물을 수집하는 풀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탐침봉 중 어느 하나는 제2 이동수단의 동작에 의해 상하 이동되도록 구현된 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 용융로 본체의 각 측면에 형성되고 이동버튼에 의해 이동되어 상기 금속 용융물 출탕구 및 슬래그 출탕구를 개폐시키기 위한 각각의 개폐 실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 금속 용융물 출탕구 및 슬래그 출탕구는 발열장치에 연결된 카본블랙 또는 유도코일 중 어느 하나를 포함하여 구성하고, 상기 금속 용융물 출탕구 및 슬래그 출탕구의 내벽은 내열주강으로 처리하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 용융로 본체는 GIBRAM 캐스터블 또는 전주기와, B-5, 방열판, 세라믹 보드(단열재)순으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융장치.
  10. 전기저항 방식을 이용한 용융 방법에 있어서,
    질소발생장치에서 생성된 질소를 경사지게 투입시켜 상기 용융로 내부를 질소 분위기로 조성하는 단계;
    주전극과 하부전극을 접촉시켜 마찰면의 저항 차이를 이용하여 용융로 내부를 발열시키는 단계;
    용융시료를 투입시키고, 진공펌프를 가동시켜 용융시료 투입시 외부로부터 유입되는 공기를 흡입하는 단계;
    상기 발열에 의해 상기 용융시료를 용융시키는 단계;
    상기 용융시료가 용융되어 메탈층이 형성되면 복수의 탐침봉의 통전여부를 판별하고, 상기 복수의 탐침봉이 통전되면 상기 탐침봉을 소정 위치로 이동시키는 단계;
    상기 탐침봉을 소정 위치로 이동시킨 상태에서 상기 복수의 탐침봉의 통전여부를 재차 판별하고, 상기 복수의 탐침봉에 통전되면 출탕구 발열장치를 가동시켜 출탕구 주변을 일정 온도로 가열시키는 단계; 및
    개폐 실린더를 작동시켜 상기 용융로 내부에 내재된 용융물을 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 용융로의 하면은 경사지게 구현하고, 상기 용융물 배출시 상기 출탕구 앞단에 풀을 구비하여 상기 용융물을 수집한 후 배출시키는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 용융물의 배출시 발열장치를 이용하여 상기 출탕구 주변을 일정 온도 유지한 후 배출시키는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 용용시료가 염기성일 경우에는 SiO2성분이 함유(35∼70%)되어 있는 바닥재를 용융시료와 함께 용융로에 투입시키고, 용융시료가 산성일 경우에는 CaO성분이 함유(20∼35%)되어 있는 비산재를 용융시료와 함께 용융로에 투입시키는 것을 특징으로 하는 전기저항 방식을 이용한 용융 방법.
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