KR100834338B1 - 금속 열처리기 냉각시의 폐열회수 및 재활용장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속에 대한 열처리공정을 수행하는 열처리기의 냉각 공정시 수반되었던 폐열의 막대한 손실을 최소화할 뿐 아니라 특히 이를 다시 회수한 후 다른 열처리기의 승온 에너지로 재활용하거나 다양한 용도인 전기에너지로 축전할 수 있는 금속 열처리기 냉각시의 폐열 회수 및 재활용장치에 관한 것이다.

즉, 금속 열처리장치(A)의 일단에 그 열처리장치(A)에서 이루어지는 냉각 공정시 소정의 냉각열을 일정량씩 회수할 수 있도록 그 내부와 연통된 열회수관(100)을 인출하는 것과; 상기 인출된 열회수관(100)의 타단에는 회수된 열이 인접된 다른 열처리장치(A')의 승온 공정시 그 승온 열에너지로 대체 투입될 수 있도록 하거나, 또는 회수된 열을 전기에너지로 변환시킨 후 축전하거나 즉시 다른 용도의 전기에너지로 재사용할 수 있도록 하는 통상의 열전시스템(200)에 연결한 것이다.

열처리장치, 열전시스템, 열회수관, 에너지, 폐열 재활용

Description

금속 열처리기 냉각시의 폐열회수 및 재활용장치{Metal heat treatment cooling right time waste heat frequency and re-application system.}

도 1의 (가)는 열처리기의 로내에서 냉각(로냉)이 이루어지는 기존의 일반적인 열처리기의 예시도이며, (나)는 일측의 별도 냉각장치에서 냉각이 이루어지는 냉각장치를 구비한 기존 열처리기의 예시도

도 2는 열처리기의 일측에 본 고안의 일 요부인 열회수관을 구비시킨 단면 예시도

도 3은 하나의 열처리기와 다른 열처리기 사이에 본 고안에서 제시한 열회수관을 상호 연결한 상태의 예시도
도 4는 본 고안의 또 다른 일 요부인 열전시스템을 추가로 설치한 실시 예시도

▣ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ▣

A:열처리장치 A':다른 열처리장치
10:열처리로 20:쳄버

100:열회수관 200:열전시스템

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본 발명은 금속에 대한 열처리공정을 수행하는 열처리기의 냉각 공정시 수반되었던 폐열의 막대한 손실을 최소화할 뿐 아니라 특히 이를 다시 회수한 후 다른 열처리기의 승온 에너지로 재활용하거나 다양한 용도인 전기에너지 등으로 변환/축전할 수 있는 금속 열처리기 냉각시의 폐열 회수 및 재활용장치에 관한 것이다.

통상 각종 산업분야에서 사용되는 열처리기는 금속의 다양한 미세조직에 대하여 열처리변수의 적절한 조합을 통해 원하는 새로운 조직과 성질을 얻고자 하는 것으로서, 첫째 - 어느 온도로 가열할 것인가?(승온공정)와, 둘째 - 이 온도에서 얼마 동안 유지할 것인가?(열처리공정)와, 셋째 - 냉각은 어떠한 환경에서 얼마의 시간으로 할 것인가?(냉각공정)으로 대부분 이루어지며, 이것이 금속 열처리기의 기본적이고 필수적인 3공정이라 할 수 있다.

한편, 상기한 통상의 열처리기에서 이루어지는 승온공정시 가열온도는 열처리대상물의 재질과 사용용도에 따라 많은 차등이 있으나 대개 약 500 ~ 1500℃정도이며, 이에 반해 후공정인 냉각 공정시에는 상기 열처리온도인 약 500 ~ 1500℃의 고온에서 승온 전의 상온(약 0~70℃)까지 반대로 냉각하게 되는데, 이 과정에서 종래에는 상당한 열에너지가 대기 중으로 소실/낭비되는 문제점이 있어 왔다.

즉, 상기한 종래 열처리기의 냉각 공정시에는 전술된 바와 같이 상당한 고온으로 승온된 피열처리물을 다시 열 회수가 전혀 불가능한 상태의 환경조건하에서 상당한 시간에 걸쳐 대기 중으로 냉각을 실시하는 것임에 따라 이 과정에서 막대한 열에너지의 낭비가 초래하였다.

이러한 문제점은 상기 피열처리물의 전체 제조과정 중 하나의 필수 공정인 열처리공정시 수반되는 막대한 열손실이 낭비라는 인식을 하지 못하는 이 분야의 통상 작업자의 인식정도에서부터 찾아볼 수 있다.

즉, 금속 열처리기 등에 종사하는 통상의 작업자들은 열처리기의 냉각시 발생하는 열손실은 피열처리물의 전체 제조과정 중 불가피한 생산공정 중 당연히 일어나는 현상으로서, 그 자체가 손실이라고 인식하지 않고 있을 뿐 아니라,

고온으로 승온된 피열처리물을 상온까지 온도를 떨어뜨리는 냉각공정의 수행을 위해서는 필연적(당연히)으로 뒤따를 수밖에 없는 인식 탓에 지금까지 개선이 전무한 실정이다.

이는 각종 열처리 방법 중 아주 높은 고온(통상 600℃ ~ 850℃ 내,외)으로 승온함과 동시에 그 승온된 고온에서 일정시간 열처리한 후 장시간 동안 로냉(爐冷) 및 공냉(空冷)을 통해 서서히 식히는 풀림(annealing, 일명 "소둔"이라 칭하기도 함) 열처리방법에서의 냉각공정(1차 로냉과 2차 공냉)의 경우,

상당한 냉각시간(2시간이상)이 소요될 뿐 아니라 특히, 작업장의 바닥 등에 그대로 노출한 상태로 자연냉각하는 2차 공냉시에는 작업장 전체 온도가 상당한 온도로 상승하여 작업환경이 극도로 떨어지는 문제까지 야기 시킬 만큼 대단한 열기가 방출되는바, 이의 열손실은 가히 상당하다 할 수 있음은 물론이고 그 열악한 작업환경으로 인한 인력기피현상까지 발생하기도 하는 문제까지 있어 이에 대한 해결이 더욱 시급하다 할 수 있다.

이러한 열손실은 열처리공정의 원가손실에만 그치는 것이 아니라 수없이 많은 열처리업체가 현재까지 성업 중임을 감안할 때 범국가적 차원에서의 막대한 손실로 이어지는 것인 바, 결코 무시될 수 없는 것이라 할 수 있다.

더군다나 현재 각종 금속 열처리장치의 승온시(가열시) 투입/소비되는 열원(전기, 기름 등)은 열처리대상체의 전체 생산원가에서 상당 부분 차지함에 따라 이의 적절한 절감방안 또한 현재 다각도로 연구하는 중에 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기한 기존 문제점을 일소하기 위해 창안한 것으로서, 먼저 열처리 공정 중의 냉각시 수반되었던 막대한 폐열을 열처리공정에 지장을 초래하지 않은 가운데 아주 효율적이고 적절한 장치/방법으로 그 폐열을 다시 회수할 수 있는 폐열회수방안을 확립함과 동시에 회수된 폐열을 그 열처리기의 승온시에 필요한 열에너지로 다시 재활용하여 열처리시에 소모되는 원가의 대폭적 절감효과를 기대하거나 또는 그 회수된 폐열을 전기에너지로 변환/축적하여 기타 다른 용도의 열원으로 재사용할 수 있는 등의 바람직한 폐열재활용방안을 확립한 것에 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.

위 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는 첨부된 각 도면에 의거 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.

도 2와 도 3에서 도시된 바와 같이 본 발명은 금속 열처리장치(A)의 열처리로 일단에 그 열처리로(10)의 내부 쳄버(20)에서 이루어지는 냉각공정시 방출되는 소정의 냉각열을 일정량씩 회수할 수 있도록 그 쳄버와 연통된 열회수관(100)을 인출하는 것과;

상기 인출된 열회수관(100)의 타단은 회수된 열이 인접된 다른 열처리장치(A')의 승온공정시 그 승온 열에너지로 대체 투입될 수 있도록 다른 열처리장치(A')에 상호 연결구성한 것과;

상기 연결된 회수관의 다른 일측에는 회수된 열을 전기에너지로 변환시킨 후 축전하거나 다른 용도의 전기에너지로 재사용할 수 있도록 하는 통상의 열전시스템(200)을 추가 구성한 것을 그 핵심구성요지로 하였다.

그리고 상기한 금속비금속 열처리장치(A)는 로냉만을 실시하거나 혹은 로냉 및 자연냉각을 병행하여 실시하거나 전적으로 별도의 냉각장치를 통하여 냉각을 실시하거나 또는 로냉과 별도의 냉각장치에 의한 냉각을 실시하는 모든 열처리기를 포함하는 것이어서,

열처리로(10)만 존재하는 도 2의 (가) 열처리기(A)는 물론 열처리로(10)의 일측에 별도의 냉각장치가 함께 구성되는 도 2의 (나) 열처리기(A)를 모두 포함하는 것임에 따라,

상기 제시된 열회수관(100)은 그 구성요소 중 열처리로(10)와 함께 상기 별도의 냉각장치에도 설치할 수 있을 뿐 아니라 때로는 열처리로(10)와 별도 냉각장치에 각각 연결 설치할 수 있음은 물론이다.

또, 상기 구성 중 열전시스템(200)은 주어지는 열에너지를 전기에너지로 변화하는 발전장치로서 열전반도체의 전극양단에 일정 온도차를 유지하면, 열에너지를 포함한 전자의 이동으로 인하여 접점 간에 전위차가 생겨 소정의 전기가 발생되는 장치로서,

그 열전반도체의 일면에 상기 열처리기(A)에서 인출된 열회수관(100)을 연결하여 열이 개입되지 않은 상기 열전반도체의 타측면간 온도차에 의해 일정한 기전력이 발휘되고,

발생된 DC전류의 기전력은 인버터를 거처 가정 등에서 사용이 가능한 AC전류로 생산가능하게 되는 것이며,

생산된 소정의 AC전기는 필요에 따라 다양하게 사용할 수 있도록 축전지에 의해 축적할 수 있게 함이 바람직하다.

이러한 열전시스템(200)은 태양열발전장치 등과 같은 기타 분야에서 공공연히 이용되어온 기술임에 따라 보다 구체적인 세부 설명들에 대해서는 생략하기로 한다.

이하, 열처리기의 폐열 회수 및 재활용방법에 대해 보다 상세히 설명하면,

각종 금속 열처리공정 중 그 열처리로에서 열처리된 고온의 피열처리물에 대한 냉각공정 시 그 피열처리물에서부터 방출되는 고온의 냉각열을 별도 추가 구성된 열회수관을 통해 열처리로의 외부로 인출하여 회수하는 냉각시의 폐열회수단계와;

상기 열회수관에 의해 회수된 폐열을 타 열처리장치의 승온 공정시 그 승온에 필요한 승온 열에너지로 재사용이 가능하도록 타 열처리장치의 열처리로에 장입시키는 회수열 1차 재활용단계와;

상기 열회수관에 의해 회수된 또 다른 폐열은 통상의 열전시스템(열에너지를 전기에너지로 변화하는 발정장치)을 이용해 전기에너지로 변환한 후 축전하는 회수열 2차 재활용단계; 를 포함한 것을 그 처리방법의 특징적 기술요지로 하였다.

이와 같은 본 발명의 구성요소와 그 방법은 먼저, 열처리공정 중 냉각 공정시 지금까지 전량 소실되었던 냉각시의 폐열에 대하여 타 열처리의 승온시에 다시 재사용이 가능해짐은 물론,

필요에 따라서 다양한 용도(조명, 냉난방, 전열기구, 전자기기 등)의 에너지원으로 사용이 가능한 전기에너지로 변화할 수 있는 등,

기존 열처리기의 냉각 공정시 전량 소실되어왔던 폐열을 다양한 용도로의 에너지원으로 재사용할 수 있음에 따라 막대한 에너지절감효과는 물론 열처리의 생산공정 중 막대한 에너지자원까지 더불어 얻어지는 일거양득의 효과까지 제공된다.

아울러 본 발명의 금속 열처리기 냉각시의 폐열 재활용장치는 그 설치에 있어서도 매우 저렴한 비용으로 간단히 설치할 수 있기 때문에 모든 열처리 사업장에서 큰 부담 없이 설치적용이 가능하다.

그리고 본 발명의 폐열 재활용장치는 장시간 동안에 걸쳐 냉각이 이루어지는 풀림열처리시(소둔장치라 하기도 함)의 냉각공정에 적용한다면 냉각시에 방출되는 폐열에 대한 에너지 회수효율을 보다 극대화할 수 있다.

즉, 풀림열처리(일명 "소둔")시의 냉각공정은 특히 강재의 조직을 개선하고, 냉간가공이나 담금 경화현상을 제거/연화시킬 목적으로 하는 열처리기법임에 따라 상당한 온도(피열처리물의 연화온도, 약 700~800℃)로 승온 하였다가 노중(산화방지용 질소가스 분위기의 열처리로 내부)에서 약 400~800℃(공기와의 접촉시에도 산화현상이 일어나지 않는 온도)까지 1차 서냉(약 2~4시간)을 실시할 뿐 아니라,

상기 1차 냉각 후에는 이를 밖으로 꺼내어 대기 중에서 다시 상온 (0~70℃)에 이르는 낮은 온도까지 2차 서냉을 실시하는 등,

도합 2단계에 걸쳐 상당한 시간 동안 냉각을 실시하는 특징이 있어서, 풀림열처리기의 경우 그 냉각시의 폐열 열회수율이 더욱 더 높고 효과적인 것을 확인 할 수 있었다.

이상에서 상세히 살펴본 본 발명의 금속 열처리기 냉각시의 폐열회수 및 재활용장치는 열처리 과정 중 냉각 공정시 발생된 상당량의 냉각열을 다양한 용도의 열 혹은 전기 등의 에너지로 다시 재사용할 수 있는 발판이 마련됨에 따라서 열처리시에 수반되는 막대한 원가를 절감할 수 있는 것이고, 나아가 국내의 새로운 에너지수급효율까지 향상시키는 등 그 기대되는 바가 실로 다대한 발명이다.

Claims (2)

1. 금속 열처리장치(A)의 일단에 그 열처리장치(A)에서 이루어지는 냉각 공정시 방출되는 고온의 냉각열을 외부로 인출할 수 있는 열회수관(100)을 구성시킨 것과;

   상기 열회수관(100)의 타단에는 회수된 열이 인접된 다른 열처리장치(A')의 승온공정시 그 승온 열에너지로 대체 투입될 수 있도록 다른 열처리장치(A')에 연결구성한 것과;

   상기 연결된 회수관(100)의 다른 일측에는 회수된 열을 전기에너지로 변환시킨 후 축전하거나 다른 용도의 전기에너지로 재사용할 수 있도록 하는 통상의 열전시스템(200)을 추가로 더 구성한 것을 특징으로 한 금속 열처리기 냉각시의 폐열회수 및 재활용장치.
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