KR100510858B1 - 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화물, 탄화물, 질화물 등 세라믹류의 강화재(단섬유, 입자 등)를 금속 용탕 중에 투입하고, 용탕을 교반하여 용탕 중에 강화재를 골고루 분산시킨 후, 소정의 금형에 주입하고 응고시켜 금속복합재료를 제조하기 위한 금속복합재료 또는 금속을 제조할 때 복합재료 내부의 세라믹 강화재의 균일 분산을 유도함으로써 기계적 특성을 향상시켜, 경량, 내마모성을 요구하는 산업용기계 부품이나, 자동차 부품의 성능을 향상시키도록 한 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치에 관한 것으로서, 비활성 가스를 이용하여 용탕을 교반함으로써 종래의 임펠러 회전동력 및 부식문제 특히, 교반이 제대로 이루어지지 않는 문제점을 개선 할 수 있다. 그리고 연소배가스를 활용함으로써 에너지 이용의 극대화를 이룰 수 있으며, 가스 공급시 예열되어 공급되기 때문에 용탕의 온도 하락을 방지 및 가스에 의한 용탕의 교반의 세기를 증대시킬 수 있게되는 것이다.

Description

축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치{Stirring apparatus for melting funace with regenrative combustion system}

본 발명은 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물, 탄화물, 질화물 등 세라믹류의 강화재(단섬유, 입자 등)를 금속 용탕 중에 투입하고, 용탕을 교반하여 용탕 중에 강화재를 골고루 분산시킨 후, 소정의 금형에 주입하고 응고시켜 금속복합재료를 제조하기 위한 금속복합재료 또는 금속을 제조할 때 복합재료 내부의 세라믹 강화재의 균일 분산을 유도함으로써 기계적 특성을 향상시켜, 경량, 내마모성을 요구하는 산업용기계 부품이나, 자동차 부품의 성능을 향상시키도록 한 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 합금을 고강도의 세라믹 강화재(단섬유, 입자 등)로 강화한 금속복합재료는 비강도를 비롯한 기계적 성질이 우수하기 때문에 각종기계나 구조재료에 적용되고 있다.

이러한 금속복합재료를 제조하는 방법에는 장섬유를 이용하는 방법과 단섬유나 입자 등을 이용하여 제조하는 방법이 있는데, 장섬유는 주로 고분자를 모재로 하여 고분자 복합재료를 제조하는데 이용되고 있으며, 금속복합재료는 주로 세라믹 단섬유나 입자 등을 이용하여 제조되고 있다.

세라믹 단섬유나 입자 등을 이용하여 금속복합재료를 제조하는데는 주로 분말야금법이나 주조법이 이용되고 있는데, 분말야금법은 주조법에 비하여 제조비가 비싼 단점이 있다.

종래의 주조법에 의한 금속복합재료 제조방법으로는 세라믹 단섬유나 입자 등을 이용하여 미리 예비성형체를 제조하고, 여기에 고압으로 금속을 주입하여 예비성형체 내부로 금속을 침투시켜 복합화시키는 방법과, 용해된 금속용탕 중에 세라믹 강화재를 투입하고 용탕을 강제적으로 교반시켜 복합화한 후에 소정의 금형내에 주입하여 복합재료를 제조하는 방법이 널리 사용되고 있다. 특히 지금까지 경제적으로 복합재료를 제조하는 방법 중에서는 상기 용탕교반법에 의한 금속복합재료의 제조가 많이 이용되고 있다.

그런데, 상기 용탕교반법을 사용할 경우, 용탕에 강화재를 투입하고 강제적으로 교반하는 과정에서, 용탕에 혼입된 공기에 의해 복합재료 제조 후의 미세조직에 많은 기공이 발생하게 되고, 결과적으로 기공 결함으로 인해 복합재료의 특성을 제대로 발휘하지 못하는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 도 1에 나타낸 바와 같이 용해로(100)에 담겨진 용탕을 교반시킬 수 있도록 상기 용해로(100)의 저면 중앙에 임펠러(101)를 설치하고 상기 용해로(100)의 상부 일측에 연소용 버너(110)를 설치하는 한편, 용해로(100)의 상부 타측에는 배기가스를 배출시키는 배기관(120)을 설치한 교반장치가 사용되고 있다.

이러한 종래의 장치는 연소용 버너(110)의 일측에 설치된 연료노즐(111)을 통하여 공급되는 연료와 연소공기 공급구(112)를 통하여 유입되는 연소공기가 혼합된 후 연소용 버너(110)의 내부에서 착화되면 이때 발생된 화염은 용해로(100) 내부의 온도를 상승시키게 되는 것이며, 상기 용해로(100)의 상부에 발생된 배가스는 배기관(120)을 통하여 외부로 배기되는 것이다.

한편, 상기 연소용 버너(110)에 의해서 화염이 발생될 때 임펠러(101)가 작동되어 용해로(100)에 담겨진 용탕을 교반시키는 것이다.

그러나 종래의 장치는 임펠러(101)가 용해로(100)의 축방향에 대한 회전유동을 일으키는 방식으로 용탕의 교반이 수평으로 주로 이루어져, 온도차가 큰 용탕 상/하부층으로의 교반이 제대로 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한 고온에 노출된 임펠러(101)의 부식으로 인한 화학적 문제로 인하여 작은 교체주기의 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 용해로의 상측에 발생되는 배가스를 이용하는 축열기 및 축열기에 의해서 고온으로 상승된 불활성가스를 용해로의 저부에 공급하여 용해로에 담겨진 용탕을 효과적으로 교반 할 수 있는 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치는 용해로의 상부 양측에 설치되며 하부에는 제 1 및 제 2 축열기가 각각 구비되고 측면에는 제 1 및 제 2 연료공급관이 각각 설치된 제 1 및 제 2 버너와, 상기 제 1 및 제 2 축열기와 연결되어 송풍기에서 송풍되는 연소공기가 이동되며 제 1 및 제 2 흡입밸브가 각각 구비된 제 1 및 제 2 흡입관과, 상기 제 1 및 제 2 축열기와 연결되어 흡입팬에서 발생되는 흡입력에 의해서 배기가스를 배출시키며 제 1 및 제 2 배기밸브가 각각 구비된 제 1 및 제 2 배기관과, 상기 용해로의 상단에 설치되어 용해로 내부의 배기가스 중 일부분의 배기가스를 배기시키도록 배기관에 연결된 보조 배기관과, 상기 보조 배기관을 통하여 배기되는 배기가스의 잠열을 축열하도록 보조 배기관 상에 설치된 열교환기와, 상기 열교환기에 축열된 잠열과 열교환을 통하여 가스 압축기에서 발생된 가스의 온도를 상승시키며 용해로의 저면에 연결된 가스 공급관과, 상기 용해로의 저면에 설치되어 가스 공급관을 통하여 공급된 가스를 용해로의 저부로 공급하는 가스 공급구를 포함하여서 된 것이다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 용탕 교반장치가 설치된 용해로를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 용탕 교반장치의 원리를 설명하기 위한 용해로의 단면도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 본 발명은 용해로(1)의 상부 양측에 제 1 버너(10) 및 제 2 버너(10a)가 각각 설치되어 있고, 그 제 1 버너(10) 및 제 2 버너(10a)의 하부에는 배기가스에 포함된 잠열을 축열하기 위한 제 1 축열기(12) 및 제 2 축열기(12a)가 각각 연결되어 있으며, 제 1 버너(10) 및 제 2 버너(10a)의 측면에는 연료를 공급하기 위한 제 1 연료공급관(11) 및 제 2 연료공급관(11a)이 각각 설치되어 있다.

한편 상기 제 1 축열기(12) 및 제 2 축열기(12a)에는 송풍기(20)에서 송풍되는 연소공기가 이동되는 제 1 흡입관(21) 및 제 2 흡입관(21a)이 각각 연결되어 있고, 그 제 1 흡입관(21) 및 제 2 흡입관(21a)에는 흡입되는 공기의 양을 조절하기 위한 제 1 흡입밸브(22) 및 제 2 흡입밸브(22a)가 각각 설치되어 있다.

그리고 상기 제 1 축열기(12) 및 제 2 축열기(12a)에는 흡입팬(23)에서 발생되는 흡입력에 의해서 배기가스를 배출시키기 위한 제 1 배기관(24) 및 제 2 배기관(24a)이 설치되어 있고, 그 제 1 배기관(24) 및 제 2 배기관(24a)에는 배기가스의 배기량을 조절하기 위한 제 1 배기밸브(25) 및 제 2 배기밸브(25a)가 각각 설치되어 있다.

또한 상기 용해로(1)의 상단에는 용해로(1) 내부의 배기가스 중 일부분의 배기가스를 배기시키도록 배기관(26)에 연결된 보조 배기관(27)이 설치되어 있되, 상기 보조 배기관(27)의 내부에는 보조 배기관(27)을 통하여 배기되는 배기 가스의 양을 조절하도록 댐퍼(28)를 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 보조 배기관(27)에는 배기되는 배기가스의 잠열을 축열하도록 열교환기(30)가 설치되어 있고, 상기 열교환기(30)에는 축열된 잠열과 열교환을 통하여 가스 압축기(40)에서 발생된 가스의 온도를 상승시키기 위하여 가스 공급관(41)이 설치되어 있으며, 상기 가스 공급관(41)의 단부는 용해로(1)의 저면에 연결되어 있다.

그리고 상기 용해로(1)의 저면에는 가스 공급관(41)을 통하여 공급된 가스를 용해로(1)의 저부로 공급하기 위한 가스 공급구(1)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 1 버너(10)가 연소모드이고 제 2 버너(10a)가 배기모드일 경우에는 제 1 흡입밸브(22) 및 제 2 배기밸브(25a)는 열려지고 제 2 흡입밸브(22a) 및 제 1 배기밸브(25)는 닫혀지게 되며, 제 1 연료공급관(11)으로는 연료가 공급되고 제 2 연료공급관(11a)으로는 연료가 공급되지 않게된다.

따라서, 송풍기(20)를 통하여 송풍되는 연소공기는 제 1 축열기(12)를 통과하면서 고온(950℃ 이상)으로 예열된 후 제 1 버너(10)의 내부에서 제 1 연료공급관(11)을 통하여 공급되는 연료와 혼합되어 점화되므로 용해로(1)의 상측에는 화염이 발생되게 된다.

한편, 상기 용해로(1)의 상측에 발생되는 고온의 배기가스는 제 2 버너(10a) 및 제 2 축열기(12a)를 통하여 배기되므로 배기가스에 포함된 잠열은 제 2 축열기(12a)에 축열되고 저온(250℃ 이하)으로 낮아진 배기가스는 제 2 배기관(24a) 및 송풍기(20)를 통하여 이동된 후 연돌(29)을 통하여 외부로 배기된다.

한편, 상기 배기가스중 일부(약 20%)는 용해로(1)의 상측에 설치된 보조 배기관(27)을 통하여 배기되어 열교환기(30)에서 열교환 된 후 연돌(29)을 통하여 배기된다.

또한 가스 압축기(40)에서 가스 공급관(41)을 통하여 공급되는 불활성 가스는 열교환기(30)를 통과하면서 고온으로 예열 된 후 용해로(1)의 하부에 설치된 가스 공급구(2)를 통하여 용해로(1)의 저부로 공급되게 된다.

상기 불활성 가스의 공급압력은 최소한 로내압(Pr) 및 용탕높이 h에 대한 정수압(gh)을 합한 것과 같거나 크게 공급해야 한다.

이때 공급된 가스는 용탕과의 비중차에 의한 부력에 의해 수직상승하면서 용탕과 홉합된 가스기둥을 형성하게 되는 것이며, 이 과정에서 상대적으로 압력이 매우 높은 용탕이 압력이 낮은 용해로 1 의 하부의 가스공급구 영역으로 급속하고 거대한 와류를 형성하게 되므로 용탕은 상/하부 방향으로 대류유동이 발생하게 되어 용탕이 교반된다.

그리고 일정시간 경과 후 제 1 버너(10)를 배기모드로 절환하고 제 2 버너(10a)를 연소모드로 절환하여 작동시키는 것이며, 이러한 과정을 주기적으로 반복하는 것이다.

본 발명의 작동원리를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 나타낸 바와 같이 가스 압축기(40)에서 발생되는 고압의 불활성가스는 압력조절변(42)에 의해 저압으로 조절된다. 이때의 가스 공급구(2)에서 공급압력(P)은 용해로(1)내 연소가스 압력(Pr) 및 용탕의 정수압(gh)을 더한 것 보다 같거나 커야 하는 것이며, 수학식 1의 관계가 성립해야 한다.

[수학식 1]

P ≥Pr + ρgh

여기서, ρ: 용탕의 밀도,

g : 중력가속도,

h : 용탕의 높이 이다.

예를들어 0.5t/hr용량의 알루미늄 용해로의 경우(용탕밀도: 2780kg/m3, 용탕높이 h: 0.5m), 연소가스 압력(Pr)이 대기압의 경우 필요한 가스공급압력은 수학식 1로부터 계산하면 1.14기압이상으로 공급하면 되는 것이다.

이 같은 압력으로 조절되어 공급되는 가스는 예열기를 거치면서 고온으로 예열되어 밀도가 용탕에 비해 매우 낮은 상태로 용해로 하부로 공급된다.

공급된 가스는 용탕에 비해 밀도가 매우 낮아 부력에 의해 수직상승유동을 한다. 이때 용탕내부의 가스가 공급되는 c지점에서의 정수압은 gh(1-α)이고, 연소가스층과 접하는 용탕면에서의 길이(h)가 c지점과 동일한 용탕지점(예, a, b지점)에서의 정수압은 ρgh이다.

따라서 주위의 용탕(예, a, b지점)과 c지점과의 압력차인 ρghα에 의해 용탕 하부 유동이 주위의 용탕(예, a, b지점)에서 c지점으로 발생하게 된다.

이로 인하여 로체 부근의 상부용탕이 하강하며, 하부 가스공급구인 c지점으로 유입된 용탕은 질량보존에 의해 가스기포와 혼합되어 상부로 올라가게 되어,거대한 용탕의 와류유동을 형성하게 된다.

이와 같은 과정을 통하여 용탕의 상하 교반을 이루게 된다. 여기서 α는 가스공급에 의하여 용탕과 가스기포가 형성하는 가스기둥(기포류)의 기공율을 의미한다.

이와 같이 본 발명은 비활성 가스를 이용하여 용탕을 교반함으로써 종래의 임펠러 회전동력 및 부식문제 특히, 교반이 제대로 이루어지지 않는 문제점을 개선 할 수 있다. 그리고 연소배가스를 활용함으로써 에너지 이용의 극대화를 이룰 수 있으며, 가스 공급시 예열되어 공급되기 때문에 용탕의 온도 하락을 방지 및 가스에 의한 용탕의 교반의 세기를 증대시킬 수 있게되는 특유의 효과가 있다.

도 1은 종래의 용탕 교반장치가 설치된 용해로를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 용탕 교반장치가 설치된 용해로를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 용탕 교반장치의 원리를 설명하기 위한 용해로의 단면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1 : 용해로 2 : 가스 공급구

10 : 제 1 버너 10a : 제 2 버너

11 : 제 1 연료공급관 11a : 제 2 연료공급관

12 : 제 1 축열기 12a : 제 2 축열기

20 : 송풍기 21 : 제 1 흡입관

21a : 제 2 흡입관 22 : 제 1 흡입밸브

22a : 제 2 흡입밸브 23 : 흡입팬

24 : 제 1 배기관 24a : 제 2 배기관

25 : 제 1 배기밸브 25a : 제 2 배기밸브

26 : 배기관 27 : 보조 배기관

28 : 댐퍼 30 : 열교환기

40 : 가스 압축기 41 : 가스 공급관

Claims (2)

1. 용해로(1)의 상부 양측에 설치되며 하부에는 제 1 및 제 2 축열기(12,12a)가 각각 구비되고 측면에는 제 1 및 제 2 연료공급관(11,11a)이 각각 설치된 제 1 및 제 2 버너(10,10a)와, 상기 제 1 및 제 2 축열기(12,12a)와 연결되어 송풍기(20)에서 송풍되는 연소공기가 이동되며 제 1 및 제 2 흡입밸브(22,22a)가 각각 구비된 제 1 및 제 2 흡입관(21,21a)과, 상기 제 1 및 제 2 축열기(12,12a)와 연결되어 흡입팬(23)에서 발생되는 흡입력에 의해서 배기가스를 배출시키며 제 1 및 제 2 배기밸브(25,25a)가 각각 구비된 제 1 및 제 2 배기관(24,24a)과, 상기 용해로(1)의 상단에 설치되어 용해로(1) 내부의 배기가스 중 일부분의 배기가스를 배기시키도록 배기관(26)에 연결된 보조 배기관(27)과, 상기 보조 배기관(27)을 통하여 배기되는 배기가스의 잠열을 축열하도록 보조 배기관(27) 상에 설치된 열교환기(30)와, 상기 열교환기(30)에 축열된 잠열과 열교환을 통하여 가스 압축기(40)에서 발생된 가스의 온도를 상승시키며 용해로(1)의 저면에 연결된 가스 공급관(41)과, 상기 용해로(1)의 저면에 설치되어 가스 공급관(41)을 통하여 공급된 가스를 용해로(1)의 저부로 공급하는 가스 공급구(2)를 포함함을 특징으로 하는 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 배기관(27)을 통하여 배기되는 배기 가스의 양을 조절하도록 보조 배기관(27)의 내부에 설치된 댐퍼(28)를 포함함을 특징으로 하는 축열식 연소설비를 이용한 용해로의 용탕 교반장치.