유도로{Core-type furnace}
본 발명의 주제는 유기물의 소각(燒却)과 유리화(vitrification), 방사성 그리고 비방사성 폐기물의 유리화, 유해 폐기물의 유리화와 내화물질(耐火物質)의 용융을 위한 유도로 도가니와 노저(爐底:hearth)이다.
상기 로(爐)의 구조는 본질적으로 냉각수 순환을 포함하는 내화성의 콘크리트(refractory concrete)로 된 노저를 포함하며, 상기 노저 상에는 그 안에서 물체를 용융(melt)시키기 위하여 생성되는 전력의 근원이 되며 100kHz보다 높은 주파수에서 전류가 순환하는 유도 코일에 의해 둘러싸여진 도가니(crucible)라고 불리는 측면 벽이 배치된다. 이러한 도가니들은 유기물의 소각과 유리화, 방사성 그리고 비방사성 폐기물의 유리화, 유해 폐기물의 유리질화와 내화물질(耐火物質)의 용융을 위해 주로 사용된다. 이에 의존할 가능성이 있는 산업은 핵과 유해 폐기물 처리와 유리 산업을 포함하는 폐기물 처리 산업이다.
도가니의 측면 벽은 일반적으로 자기장이 통할 수 있는 금속 재료이다. 그것은 첫째로, 상기 벽은 유리와 같은 내화성 재료를 용해하는 매우 고온의 온도에 견뎌낼 수 있으며, 둘째로, 구조체내의 주울 효과(joule effect)에 의해서 발산된 전력을 보상할 수 있도록 냉각 순환부를 포함한다. 상기 도자기는 "냉각 도가니(cold crucible)"이라고 불린다. 또한, 상기 도자기는 통상적으로 수직 구획부로 구획되며, 열 손실과 인덕터와 도가니내의 내용물 사이의 전자기 커플링(electromagnetic coupling)을 유발할 수 있게 벽면내 유도된 전류를 제한하기 위하여 전기 절연 물질을 삽입하여 횡단면에 의해서 결합된다. 수직 구획부는 통의 널(barrel stave)과 유사하게 배치된다. 냉각 순환부는 통상적으로 각각의 구획부내에 구멍이 뚫린 수직적 도관으로 구성된다.
도가니의 측면 벽 구획부는 모두 결합되어야 한다. 하나의 첫번째 수단은 도가니를 시멘트나 탄성 중합체나 에폭시 수지가 주입된 유리 섬유로 이루어진 원형의 밴딩(banding)으로 둘러싸는 것으로 구성된다. 다른 수단은, 더욱 강한 접찹을 제공하는 것으로서, 인덕터 위의 자기장의 강도가 낮은 원형 플랜지상에 구획부를 서로 용접하는 것으로 구성된다. 본 발명에 대하여 바람직스러운, 마지막의 조립 형태는 수직 구획부를 조립하고 인덕터 위의 원형 플랜지상에 나사를 이용하여 쇠테(ferrule)를 형성하는 것으로 구성된다. 조립을 용이하게 하기 위하여, 구획부에는 쇠테의 외측면에 장착되는 부분상에 조립 돌출부가 제공된다.
쇠테를 지지하는 노저는 금속 박스로 구성되며, 상기 금속 박스를 통하여 냉각 순환부가 통과하며,상기 박스는 내화성의 콘크리트안에 위치되거나, (원형, 정사각형,사각형 등의) 다양한 단면의 금속 배관으로 구성되어 평행으로 또는 갈매기 모양으로 장착되어 내화성의 콘크리트안에 위치된다. 박스 또는 관(tubing)은 내화성 콘크리트의 폭만큼 서로 이격되어 있다. 한 면은 도가니내에 용해되는 내용물과 완전히 반대하여 위치될 수 있도록 배치된다. 관과 유사하게, 박스는 직사각형, 삼각형 등의 다양한 형태로 이루어 질 수 있다.
공지의 도가니와 노저는 다음에 상술되는 결함을 갖는다. 용융 유리조(molten glass baths)상의 유기물의 연소 유리화나, 유도로내의 내화성 물체의 용해(fusion)에의 응용에는, 요구되는 주파수와 열은 다른 응용에 비하여 훨씬 높다. 전기적 단락(electric short circuit)의 위험이 냉각 도가니(구획부, 플랜지)를 형성하거나 도가니(냉각된 금속 박스)를 지지하는 노저를 형성하는 금속 원소 사이 도가니와 노저의 부품 사이에서 발생할 수 있다. 이러한 단락은 도가니 구획구와 노저 사이에 위치된 전기 절연체가 넓은 폭으로 되어있는 경우에서도 발생한다.
총망라하지 않더라도, 도가니 구획부와 노저 박스 사이의 이러한 전기적 단락 회로는 유기물질의 연소중에 내측 벽면에 축적된 탄소의 존재를 통하여, 또는 상이한 구획부와 구획부사이의 전기적 절연체와 접촉하게 되는 유리조 표면상의 황산염의 풀(pool)의 형성을 통하여, 또는 예컨대 내화성 산화물의 용융시의 많은 양의 물의 해방등을 통하여 가능하다. 이러한 단락 회로는 도가니를 형성하는 부품 사이에 위치된 전기 절연체에, 노저 냉각 박스 사이에 위치된 내화성 콘크리트에 회복할 수 없는 손상을 초래하거나, 또는 노저와 도가니의 금속 요소를 관통할 수도 있다. 이러한 전기적 단락 회로는 유도 에너지의 효과적인 사용에 해를 준다.
전술한 응용에서, 높은 온도에서 침식이 용이한 상황이 생산되어, 도가니와 노저를 구성하는 로의 금속 부품들에 손상을 주게되며, 상기 도가니와 노저 가 높은 전기적 저항성을 가지고, 전기적 손실을 상당히 증가시키게 하는 재료로 만들어질 것을 요구한다.
도가니 구획부 그리고 노저의 형상(평행한 파이프형이나 T자형, 삼각형 등)과는 무관하게, 이러한 근접하는 금속 재료의 날카로운 모서리는 실질적인 전기적 아크(electric arc: 전기적 스파이킹 효과(electric spiking effect))의 원인이다. 공정 계획(operating schedule)은 이 전기적 아크 발생을 향한 주 요인인바, 계획은 용융 유리조상의 유리 응용과 폐기물 처리에 100kHz보다 높은 주파수를 요구한다. 이러한 전기적 아크는 높은 에너지를 가지며 도가니와 노저 콘크리트의 전기 절연체의 저항성에 유해하다. 만일 도가니 구획부가 원형이거나 난형(卵形)이다면, 이는 스파이킹 효과를 제거할 수 있지만, 구획부사이의 전기적 절연체사이의 두께를 너무 감소시키며, 도가니 쇠테의 불침투성에 피해를 주게되며, 이는 절연 재료가 조금이라도 열화를 보이는 순간 물질과 가스 유출의 문제로 연결되어 된다는 것이 상술되어 있다.
이러한 결함을 극복하기 위하여, 유도로에 쓰이는 새로운 형식의 도가니와 노저가 본 발명으로서 제시된다.
전기적인 아크의 발생을 회피하기 위하여, 선택된 해결책은 도가니와 노저의 금속 박스를 형성하는 금속 구획부의 하나 또는 모든 면을 세라믹 전기 절연층으로 코팅하는 것이다. 적어도, 전기적 아크를 제거하기 위하여 서로 대향하는 구획부의 내측과 측면부의 표면에, 또는 화학적 전기적 공격(attack)에 따라서는, 헤드(head), 기부(基部:foot) 그리고 도가니의 외부를 향하는 면을 포함하는 모든 면을 코팅하는 것이다. 이러한 세라믹 코팅은 도가니의 구획부와 노저 박스 사이에 위치 된 전기적 절연체에 부가되어 제공되며, 도가니의 상이한 금속 요소 사이 그리고 용융되는 금속 요소와 코팅 사이에서도 완벽한 전기적 보호를 제공한다. 또한, 그렇게 코팅되면, 노저에 의해 지지되는 도가니속에 주입되는 유리, 가스 그리고 다른 상이한 폐기물에 의한 화학적 공격에 대하여 도가니의 구획부와 노저 박스가 보호된다. 완벽한 전기적 절연체인 내화성의 세라믹 코팅은 예컨대 아세틸린 토치(acetylene torch) 또는 플라즈마 토치로 만들어진다. 가장 자주 분사되는 재료는, 전기적 응력(electric stresses)에 대응하는 다양한 불순물이 포함된 알류미늄, 멀라이트, 근청석, 지르콘, 산화 지르코늄, 규소, 지르콘산염 그리고 탄화물을 포함한다.
일단 하나의 면 또는 모든 면에 코팅되면, 금속 박스는 내화성 콘크리트와 같은 전기적 절연체를 삽입한 노저내에 위치된다. 도가니 구획부에 대하여, 일단 하나의 면 또는 모든 면이 세라믹 전기 절연체로 코팅되면, 역시 전기적 절연체로 코팅된 냉각된 플랜지(cooled flange)상에 장착되어 나사 결합된다. 본 발명의 서술에서는, 기계적 조립 응력(국부 압축)과 열 응력(용접의 경우)을 제한하는 도가니의 나사 장착에 대하여 상세한 설명이 주어질 것이나, 본 발명은 선행 기술에서 상술된 다른 형태의 조립에도 전적으로 적용된다.
문헌에서, 세라믹 코팅의 약화와 박리(flaking)를 방지하기 위하여 날카로운 모서리를 모따기(chamfer)하는 것이 바람직스럽다는 것이 밝혀졌다. 구획부의 날카로운 모서리의 모따기가 구획부 면상의 세라믹 전기 절연체의 만족스러운 피복에 도움이 될 수는 있지만, 이는 노저 박스와 예컨대 용융 유리조상의 유기물체의 연 소로부터 파생된 탄소 먼지의 반대에 또는 유리화될 요소의 반대에 위치한 도가니의 내측 부분을 형성하는 구획부의 면들 사이에서 100kHz 이상의 주파수에서의 전기적 아크의 발생을 억제하는데 있어서는 충분하지 못한다.
로의 내측 표면쪽으로 향해진 날카로운 모서리는 일정한 곡률반경으로 라운딩된다. 곡률반경 가공을 통한 모든 날카로운 모서리의 제거는 유도로의 내측을 향하는 날카로운 모서리에 관계한다. 도가니 다른 외부의 모따기의 존재는 필수적이지 않은 것으로 충분하다. 이러한 곡률반경의 크기는 다음의 작동 기능을 수여한다.
유리조의 높이가 달라질 경우 구획부사이의 개방된 공기 간극에 어떤 물체라도 끼이는 것을 방지하기 위하여 곡률반경은 (예컨대 1mm 보다) 작지 않아야한다.
선행 기술에서 기술된 몇몇 구성에서와 같이, 운모(mica)와 같은 전기적 절연체가 구획부 사이의 공간안에 유지될 수 있으며(운모의 두께는 0.1 또는 4mm의 사이), 세라믹 피복물외에 부가적인 전기적 절연체가 없이 연결 요소가 장착될 수 있다. 용융된 유리가 공간에 위치된 전기적 절연체와 접촉되는 것을 방지하기 위하여 냉각된 금속 구획부가 충분히 근접하도록 확보하도록 곡률반경은 낮아야 (5mm이하) 하는바, 이러한 접촉은 절연을 저하시키고 도가니로부터 물질이 누설되게 할 수 있다.
본 발명은 유기 물질의 소각과 유리화, 폐기물의 유리화 그리고 내화성 물체의 용융에 관한 특정한 경우에, 유리화될 물체와 도가니 벽사이의 낮은 열 유동 교환률(heat flow exchange rate)을 통하여 구별된다. 예로서, 고체이며 내화성인 유리 파편의 이러한 유동률(flow rate)은 도가니의 벽에 대하여 자기 발전을 통한 금속 용융용의 냉각 도가니안에서보다 크기에 있어 한 치수 낮다.이러한 조건하에서, 전기적 보호(electric protection)을 위한 세라믹 재료는 열화, 박리와 무엇보다도 유리화된 물질의 오염을 방지하도록 완전하게 냉각된다.
본 발명은 이제 더욱 상세하게 도면을 참조하여 모든 관점에서 기술된다.
도 1은 종래 기술에 따른 용접된 도가니를 보여준다.
도 2와 3은 본 발명의 도가니의 구현예를 도시한다.
도 4와 5는 도가니의 조립 모드를 도시한다.
도 6과 7은 본 발명의 노저를 도시한다.
도 1을 참조하면, 도가니는 참조 번호 1을 갖는 내화성 콘크리트의 노저, 참조 번호 2를 갖는 측면 벽, 참조 번호 3을 갖는 스텐레스 강의 구획부, 참조 번호 4를 참조하는 전기적 절연체의 중간 층 그리고 참조번호 5의 인턱터 코일을 포함한다. 이러한 부분의 구조와 배치의 상세한 설명은 전술한 서술과 일치한다. 측면 부분(2)은 단지 부분적으로만 도시되었으나, 본 발명의 것을 포함하는 다른 모든 도가니의 경우와 마찬가지로 원 또는 완전한 회전상에서 연장된다. 냉각 순환부(6)는 각각의 구획부(3)에서 공동화되어 있으며, 그 전 높이상에서 연장되며 구획부(3) 하부에서 만나는 한쌍의 평행한 덕트로(단면에서는 이러한 덕트의 하나만이 보인다.) 구성된다. 냉각수용의 관통된 입구와 출구(7,8)에 의해서, 덕트는 구획부 (3)의 외측과 소통되며 같은 플랜지(11)에 속하는 중첩된 집적기(9,10)에 이어지는데, 상기 플랜지에 대하여 구획부(3)가 그들의 상부 외측 모서리상에서 원형의 비드(12)에 의해 용접된다. 이러한 용접에의 경우라도, 측면 벽(2)의 접착을 향상하고 가스 밀봉을 확보하기 위하여 외측 밴딩(12)을 플랜지(11)의 하부에서 구조체(structure)에 부가하는 것이 가능하다. 측면 벽(2)의 두가지 조립 모드에 관한 위에서 언급된 결함은 이러한 모드가 결합되더라도 제거되지 않는다. 노저(1)은 이 도면에는 도시되지 않은 금속 박스안의 물의 순환에 의하여 냉각된다.
이제 본 발명의 구현예가 도 2와 도 3을 참조하여 상술된다.
측면 벽의 구획부는 참조 번호 20을 가진다. 그들은 동일한 외측 형상을 가지며, 냉각 순환부(21)로서 그들을 통과하며 그 단부는 관(도 3의 23a, 23b)를 통하여 외부로 연결되는 한쌍의 덕트를 유사하게 가지고 있다. 그러나 종래 기술과는 반대로, 본 발명의 구획부(20)는 어떤 처리도 되지 않은 것이 아니라, 도가니가 겪어야 할 열적, 화학적 그리고 전기적 응력(stresses)에 관련하여 다른 첨가제가 선택적으로 부가되어, 산화 알류미늄, 멀라이트(mullite), 근청석(cordierite), 지르콘, 산화 지르코늄 또는 지르콘산염등을 포함하는 조성물 중에서 채택될 수 있는 세라믹 코팅(22)으로 코팅되어 있다. 도 2에서는 코팅(22)된 하나의 구획부(20)만이 도시되어 있으나, 모든 구획부가 코팅된다. 유사하게 코팅(22)은 도 3에서 구획부(20)상에 존재하지만, 명확성을 이유로 도시되지 않았다. 침식과 전기적 아크의 발생을 받기쉬운 면인 적어도 구획부(20)의 내부 면(24)과 측면(25,26)을 코팅하는 것이 바람직하다. 그러나, 여기서 나타난 것과 같이, 외부 면(27) 또는 상부와 저면의 면까지도 코팅하는 것도 역시 유리하다. 코팅(22)의 사용을 정당화할 수 있는 화학적 부식 또는 전기적 단락 회로는 용융된 물질 그 자체보다 용융된 물질의 상부에 남아있는 가스 그리고 이러한 가스에 의해 전달되는 입자나 방출물로부터 유래될 수 있기 때문에, 이러한 냉각 도가니의 기능의 하나는 측면 벽의 도가니 내용물의 견고한 두께를 유지하는 것이며, 코팅(22)은 구획부(20)의 상부(top)에까지 연장된다. 그 두께는 응용에 따라서 50㎛와 500㎛이에 위치된다. 코팅(22)의 보다 나은 접착을 가능하게 하면서 전기적 아크의 가능성을 감소시킬 수 있는 부가적인 배치는, 구획부(20)의 면들(24,27) 사이의 날카로운 모서리를 제거하는 것이다. 여기서 도가니 내부의 (내부 면(24)과 측면의 면(25,26)사이의) 날카로운 모서리(28,29)는 될 수 있는 한 1 내지 5 밀리미터의의 곡률반경으로 라운딩되어 있으며,(외측면(27)과 다른 측면의 면(25,26) 사이의) 다른 나머지의 날카로운 모서리(30,31)는 단순히 모따기되어 있다. 이 후자의 배치는 코팅(22)의 두 코팅된 면과의 결합에의 부착을 용이하게 하기 위하여 필요할 뿐이다. 만일 인접하는 요소와 전기적 아크의 위험이 있다면, 구획부(20)의 수평면의 날카로운 모서리는, 상부와 하부에서, 라운딩 또는 모따기될 수 있다.
특히 도3을 참조하면, 플랜지(11)는 없고, 냉각 순환부(21)는 도가니와 인접한 수집기(9와 10과 같은)와 체결되지 않았고 완전히 분리되었으며, 관(23a,23b)은 외부에 연장되어 있는 것을 볼 수 있다. 구획부(20)는 외부 면(27)위에 걸쳐있는 원형 부분안에서 상부 돌출부(32)를 포함한다. 이는 외부로 개방되는 절제부(33)를 포함한다. 원형의 평면 플랜지(34)는 모든 돌출부(32)상에 배치되며, 태핑된 구멍(35)을 포함한다. 나사(36)는 절제부(33)를 통하여 태핑된 구멍(35)안에서 체결되며, 평면 플랜지(34)에 대하여 지지(hold)하는 돌출부(32)의 하부에 기댄다. 따라서, 구획부(20)는 제 위치에 고정되며 단일한 조립을 형성한다. 도가니에 기밀을 확보하기 위하여 그리고 조립체를 더욱 견고하게 하기 위하여 외측 밴딩(outer banding:37)이 부가될 수 있으나, 필수불가결한 것은 아니다. 그것은 탄성 중합체(elastomer) 또는 에폭시 수지가 함유된 고체 유리 섬유(solid glass fabric)로 될 수 있다. 최종적으로, 예컨대 운모와 같은 전기 절연층(38)이 인접하는 구획부(20)의 측면(25,26) 사이에 삽입될 수 있다.
세라믹 코팅(57)은 평면 플랜지(34)에, 그리고 특히 구획부(20)의 돌출부(32)를 접촉하는 하부면(58)에 역시 피복될 수 있다. 여기서 다시, 세라믹으로 코팅된 두 개의 면이 접하는 날카로운 모서리를 따는 것이 편리하다.
평면 플랜지(34)를 통하여 가능해지는 다른 배치는, 덮개(39)를 더하고 도가니의 내용물을 한정하고 완벽한 밀봉을 확보하기 위하여 나사(41)가 평면 플랜지(34)의 태핑된 구멍안에서 체결되는 두 개의 클램프(40)에 의해 고정되는 것을 포함한다.
나사와 평면 플랜지(34)를 사용한 조립을 통하여 가능케되는 구획부(20)의 정밀하고 고정된 조절로서, 구획부(20)는 세라믹에 대한 위험 없이 세라믹으로 코팅될 수 있다는 것은 이미 언급되었다. 이제, 이런 구성으로도 세라믹을 파손에 노출시키지 않고 측면 벽을 조립하는 방법이 기술될 것이다. 이 기술은 도 4와 도 5을 참조하여 주어질 것이다. 구획부(20)는, 필요한 지점에서(특히 콘크리트 노저상에 놓여지는 하부 면에, 돌출부(32)의 상부 면에 그리고 측면의 면(25,26)에) 충분히 정밀 가공되고, 플라즈마 피복과 연마제 폴리싱(abrasive polishing)에 의해 세라믹으로 코팅된 후에, 회전된 후 평면 플랜지상에 개략적으로 위치되며, 원추형 센터링 쐐기(42)가 그 상부에 놓여지며 클램프 칼라(clamp collars:43)가 그 둘레에 삽입되고 쐐기(42)의 원추형 전 측면에 그들을 접촉시키기 위하여 죄여된다. 전기적 절연체 층(38)은 이미 삽입되어 있다. 쐐기(42)의 높이와 칼라(43)의 고정에 따라서 측면 벽의 직경과 그 예비부하가 조절될 수 있다. 그후, 돌출부(32)를 밑에 있는 평면 플랜지(34)와 접촉시키기 위하여 나사(36)가 조여진다. 그러면 조립은 완성된다. 밴딩(37)은 우선 클램프 칼라(43)사이에 위치되는 포장(371)에 의해, 그후 클램프 칼라(43)가 제거된 후 부가적인 포장에 의해 형성된다. 이러한 두 단계의 밴딩의 설치는 칼라(43)의 사전적 해체를 통한 측면 벽의 예비부하를 면제하지 않는 것을 가능하게 한다.
도 6 과 도 7은 본 발명 구현예의 노저(46)를 도시한다. 이는 냉각 박스(48)에 의해 차지된 중심 함몰부가 제공된 주 플레이트(main plate:47)를 포함한다. 각각의 박스(48)는 물의 입구 덕트(49)와 출구 덕트(50)를 포함한다.
도가니의 구획부(20)와 유사하게, 박스(48)를 화학적 그리고 열적인 공격으로부터 보호하고 그들 사이에 발생하는 반대되는 전기적 아크를 방지하는 것이 요구된다. 그들도 역시 적어도 (용융조를 향하는) 상부 면에서 세라믹으로 코팅된다. 상기 코팅은 참조 번호(52)를 가진다. 그리고 이 상부 면(51)의 범위를 정하는 날카로운 모서리(53)도 역시 1 내지 5 밀리미터의 곡률반경으로 라운딩된다. 특히 측 면의 면(54)과 그들이 범위를 정하는 하부 면(55)이 역시 세라믹으로 코팅되었을 경우, (수직하며 하부 면(55)의 범위를 정하는) 다른 날카로운 모서리(56)도 역시 라운딩되거나 적어도 모따기된다.