KR101069038B1 - 열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법 - Google Patents

열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 송풍기, 상기 송풍기로부터 발생된 바람을 가열시키는 적어도 하나의 발열체, 상기 가열된 바람의 온도 측정을 위한 적어도 하나의 열전대쌍, 및 상기 발열체와 허니컴 형태의 세라믹 구조체 사이에 위치하며, 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 적어도 하나의 풍속 조절판을 포함하는 열처리로가 개시된다. 상기 열처리로에서 열처리를 수행하면, 소정 속도를 갖는 바람이 허니컴 형태의 세라믹 구조체를 통과하게 되어 발화 현상 없이 빠른 시간내에 각종 첨가제를 용이하게 제거할 수 있고 주원료간 결합을 강화시킬 수 있다.
열처리, 허니컴, 풍속 조절판, 송풍기

Description

열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법{Firing furnace and method for firing honeycomb type ceramic body}
도 1은 일반적인 허니컴 형태의 SCR 촉매에 대한 열처리 곡선의 형태를 나타낸 도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열처리로의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 4a는 본 발명에 사용되는 풍속 조절판의 일 예와 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 과정을 도시한 도이다.
도 4b는 주판과 보조판으로 형성된 풍속 조절판의 일 예와 연결 상태를 나타낸 도이다.
도 4c 및 도 4d는 주판과 보조판으로 형성된 풍속 조절판의 연결 상태도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 열처리로의 다른 예를 나타낸 개략도이다.
도 6은 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 복층으로 적층되어 열처리되는 상태를 나타낸 도이다.
도 7은 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 적층될 때 사용되는 지그의 일 예를 나타낸 개략도이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
300, 500, 600 열처리로
310, 510, 610 송풍기
340, 540, 640 풍속 조절판
350, 550, 650 허니컴 형태의 세라믹 구조체
본 발명은 열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체를 열처리하는 방법에 관한 것으로, 열처리로 내의 송풍기를 통해 생성된 바람을 풍속 조절판을 이용하여 소정 속도를 갖는 바람으로 만든 후 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널을 통과하도록 함으로써 허니컴 형태의 세라믹 구조체 내부의 균일한 온도 분포를 형성하여 효율적으로 유기 첨가제를 제거하고 세라믹 구조체를 소성할 수 있는, 열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 환경오염 물질을 줄이고자 하는 노력이 증대되면서, 환경오염 물질 중 하나인 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거하는 기술이 개발되어 왔다. 상기 기술에는 촉매와 환원제를 함께 사용하는 선택적 촉매 환원기술(SCR, Selective Catalytic Reduction), 촉매없이 환원제만을 사용하는 선택적 비촉매 환원기술(SNCR, Selective Non Catalytic Reduction), 가열로내의 연소상태를 제어하 는 로우 낙스 버너기술(Low-NOx Burner) 등이 있는데, 제거 효율 및 운전 안정성 측면을 고려해 볼 때 선택적 촉매 환원기술이 가장 효과적인 기술로 평가되고 있다.
일반적으로 상용화된 선택적 촉매 환원기술은 제거효율이 80% 이상이고 내구기간이 약 2~5년이다. 상기 선택적 촉매 환원기술에서는, 아나타제상의 타이타니아(TiO2)가 주 성분인 허니컴 형태의 세라믹 촉매, 펠렛(Pellet) 형태의 세라믹 촉매, 또는 허니컴 형태의 금속판에 타이타니아를 주성분으로 하는 세라믹이 코팅된 것이 사용되고 있다.
일반적인 허니컴 형태의 세라믹 SCR 촉매의 제조 공정은 다음과 같다.
주원료인 타이타니아, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 알루미나 및 몰리브데늄에, 허니컴 형태로의 압출 성형 및 건조를 원활하게 도와주는 바인더, 가소제, 윤활제 및 분산제 등을 적절합 배합비로 첨가하고 물과 함께 혼합한다. 상기 바인더, 가소제, 윤활제 및 분산제로는 셀룰로오스, 미네랄 오일, 폴리에틸렌 글리콜, 파라핀 왁스, 글리세린, 올레익산, 스테아릭산 등이 있다. 상기 혼합물은 토련기를 이용하여 치밀한 반죽 형태로 만들어진다. 상기 반죽물은 허니컴 형태를 지닌 금형(Die)이 장착된 성형기에 투입된다. 상기 반죽물은 성형기 내에 존재하는 피스톤 또는 일정한 형상의 스크류를 통과하면서 더욱 치밀해져서 성형기 출구에 장착된 금형을 통과하면서 허니컴 형태의 성형체로 형성된다. 한편, 상기 첨가제 외에도 강도 증진을 위하여 벤토나이트, 보헤마이트 또는 3 내지 12mm의 길이를 가진 글래스화이버 등의 무기바인더가 첨가될 수 있다. 또한, 기공 형태를 조절하기 위 하여 그라파이트 등과 같은 탄소 성분의 물질을 첨가하기도 한다.
이러한 공정을 통해 제조된 허니컴 형태의 세라믹 SCR 촉매 성형체는 성형체에 포함된 수분을 제거하기 위하여 건조 공정을 거친다. 상기 건조 공정 후 주원료 입자간 결합력을 증진시키고 첨가제들을 제거하기 위한 열처리 공정이 실시된다. 그러나, 주원료 이외에 존재하는 각종 첨가제의 성분은 주로 탄소로 이루어진 물질이라서 다양한 온도 구간에서 휘발하거나 산소와 반응하여 연소가 이루어진다. 더욱이, SCR 촉매의 주원료는 세라믹 물질이기 때문에 열전도도가 매우 나쁠 뿐만 아니라 허니컴 형태의 구조 특성으로 인하여 더욱 열전도 특성이 나빠서 한 개의 구조체에서 조차 각 위치마다 상이한 온도 분포를 가지게 됨으로써 각종 첨가제의 휘발 및 연소반응을 균일하게 제어하는데 있어서 어려움이 매우 크다. 특히, 복사열에 의한 열처리 수행시에는 더욱 온도 편차가 커지게 된다.
더욱이, 일 구조체 전 부위에 대하여 균일하게 온도를 승온 또는 유지시키지 못하면 제품 내에 포함되어 있는 각종 바인더의 휘발 및 발열 반응에 대한 안정적인 통제가 어려워져 국부적으로 심각한 발열반응이 발생하게 된다. 심각한 발열반응이 발생된 구조체는 주위의 구조체에까지 높은 열량을 전달하게 되어 주위의 구조체까지 연쇄적으로 심각한 발열현상이 일어나 균열이 발생하게 된다. 특히, 연속로의 경우에는 발열현상이 발생한 해당 구조체보다 저온 영역에 위치하고 있는 구조체에 대하여 발화를 쉽게 야기시키게 된다. 저온 영역에 있는 구조체는 보다 많은 연소가능한 물질을 함유하고 있기 때문에 더욱 용이하게 발화를 일으키게 되는 것이다. 이러한 현상은 대량의 제품이 동시에 위치하고 있는 연속로에서 매우 치 명적이다.
이러한 문제들을 해결하기 위한 종래 기술 중 하나는, 충분한 시간을 두고 열처리 하는 것으로, 이는 구조체 자체의 열전도를 통하여 모든 부위의 온도가 균일하게 된 후 다음 온도 구간으로 승온시키는 열처리 방법을 의미한다. 그러나, 이 방법의 경우 각 첨가제의 제거에 적합한 다양한 온도 구간에서 각기 오랜 시간 동안 유지해야 하므로, 특히 대량생산을 위한 연속로의 경우 열처리 장비의 길이가 매우 길어지게 되어 초기 시설 투자비가 커지며, 긴 구간을 가열하기 위한 에너지 소비도 많아지게 되는 문제점을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 허니컴 형태의 SCR 촉매에 대한 열처리 곡선의 형태이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 첨가제의 종류에 따라 여러 온도 구간에서 충분한 시간을 유지시켜야 할 뿐만 아니라 승온 구간에서는 승온 속도를 매우 느리게 유지시켜야 한다. 일반적으로, 열처리 시간은 구조체의 길이 및 단위 면적당 채널(또는 셀) 밀도에 따라 다르지만 냉각 시간을 포함하여 대략 30 내지 80 시간이다.
도 2는 종래 기술에 따른 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법을 나타낸 도이다. 허니컴 형태의 세라믹 구조체(101)를 열처리하는 연속로(102)에서는 일반적으로 단위 체적당 휘발된 바인더의 증기 농도를 낮추어 강렬한 발화 특성을 감소시키고 최대한 빠른 시간 안에 세라믹 구조체(101) 전 부위의 온도가 균일하게 되도록, 적층 구조를 취하지 않고 단층으로 세라믹 구조체를 위치시켜 열처리한다.
그러나, 도 2에 도시된 종래의 기술에 따른 열처리 방법의 경우, 개별 구조체에 대하여 균일한 온도 분포 유지를 하기 위하여 열처리 시간이 매우 길어지기 때문에, 특히 연속로의 경우 노체 길이가 매우 길어지게 되며 따라서 굉장히 많은 가스 버너 또는 발열체가 필요하게 된다.
이러한 문제점을 해결하고자, 질소와 같은 비활성 기체를 강제 주입시켜 산소 농도를 일반 대기에서보다 낮게 함으로써 각종 첨가제(특히, 바인더)의 산화반응에 의한 발화성을 고의적으로 줄여 열처리 시간을 줄이는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 이 방법 역시 질소 가스와 같은 물질을 고의적으로 주입시키기 위한 별도의 질소 주입 시설 및 질소 가스 발생 시설 또는 대용량의 질소 보관용 탱크를 설치해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 열처리로내의 송풍기로부터 바람을 발생시킨 후 상기 발생된 바람에 발열체를 통해 소정 온도를 부여하고 풍속 조절판을 통해 소정 속도를 부여한 후 상기 바람을 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널을 통과하도록 함으로써 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 빠른 시간 안에 고른 온도 분포를 가지게 하여 바인더를 비롯한 첨가제의 제거가 용이해지고 주원료간의 결합을 강화시키는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 열처리 방법이 수행되는 열처리로를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 열처리로는, 적어도 하나의 송풍기, 송풍기로부터 발생된 바람을 가열시키는 적어도 하나의 발열체, 가열된 바람의 온도 측정을 위한 적어도 하나의 열전대쌍, 및 발열체와 허니컴 형태의 세라믹 구조체 사이에 위치하며 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 적어도 하나의 풍속 조절판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법은, 열처리로내의 송풍기로부터 바람을 발생시키는 단계, 상기 발생된 바람을 발열체를 사용하여 가열시키는 단계, 상기 가열된 바람을 풍속 조절판의 구멍 크기를 조절하여 소정 속도를 갖는 바람으로 만들어 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널을 통과하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 열처리로 및 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 열처리로의 일 예의 개략도이다. 열처리로(300)내의 상부에는 바람을 일으켜 보내는 장치인 송풍기(310)가 설치되어 있다. 상기 송풍기(310)로부터 발생된 바람은 굵은 화살표로 나타낸 길을 따라 흐른다. 상기 바람은 상기 열처리로(300)내의 일측 또는 양측에 위치되어 있는 발열체(320)에 의해 데워져서 설정 온도를 갖게 된다. 이 온도는 열처리로의 특정 위치에서의 온도이고, 운전자가 입력하는 온도로서 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 길이나 셀 수와 같은 기하학적 구조나 허니컴 형태의 세라믹 구조체에 포함된 바인더의 종류 및 양을 고려하여 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 열처리로의 특정 위치 및 특정 온도에서 발화하지 않도록 고안된 온도이다. 이 때, 열전대쌍(330)은 상기 바람의 온도 를 측정하여, 상기 바람의 온도가 설정 온도를 초과하면 발열체(320)가 제어된 발열을 하여 바람이 설정 온도를 유지할 수 있도록 한다.
발열체(320)와 열전대쌍(330)에 의해 설정 온도를 유지하는 바람은 복수 개의 구멍이 형성되어 있는 풍속 조절판(340)을 통과하게 된다. 이때, 풍속 조절판(340)을 통과한 바람의 속도는 적어도 2 m/sec 이고, 바람직하게는 적어도 5 m/s 이다. 바람의 속도는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 발화억제 및 발화시 화염소화 역할을 하며, 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 승온 속도에도 기여한다. 또한, 허니컴 형태의 세라믹 구조체에서 발생한 유증기의 효과적인 배출에도 기여하여 발화를 억제하는 역할을 하게 되는데, 이러한 역할은 적어도 2 m/s 의 속도, 바람직하게는 적어도 5 m/s 의 속도에서 그 효과가 분명하게 나타나게 된다. 여기서, 상기 바람의 속도는 풍속 조절판(340)을 통과한 후 풍속 조절판(340)으로부터 50 mm 지점에서 측정한 바람의 속도를 의미한다.
열처리 대상인 허니컴 형태의 세라믹 구조체(350)는 구조체(350)의 채널이 풍속 조절판을 향하도록 위치되어 있어 상기 바람은 상기 구조체(350)의 각 채널을 통과하게 된다. 상기 바람은 소정 속도를 가지고 상기 구조체(350)의 각 채널을 통과하기 때문에 상기 구조체(350)는 구조체(350) 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 갖게 되어 각종 첨가제의 휘발 및 연소반응을 균일하게 제어하는 것이 가능해진다. 그 결과, 각종 첨가제의 산화반응에 의한 발화현상없이 짧은 시간내에 열처리를 완성시킬 수 있다.
도 4a는 본 발명에 사용되는 풍속 조절판의 일 예와 허니컴 형태의 세라믹 구조체에 대한 열처리 과정을 도시한 도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 풍속 조절판(340)에는 복수 개의 구멍(342)이 형성되어 있다. 송풍기에서 발생된 바람은 발열체에 의해 설정 온도로 데워진 후 풍속 조절판(340)을 통과하게 된다. 보다 구체적으로는 풍속 조절판(340)의 복수 개의 구멍(342)을 통해서 통과하게 된다. 상기 구멍(342)을 통과하면서 바람은 속도를 얻게 된다. 즉, 구멍(342)의 크기가 작아질수록 통과된 바람의 속도는 높아진다. 풍속 조절판(340)을 통과하면서 소정 속도를 갖게 된 바람은 허니컴 형태의 세라믹 구조체(350)의 각 채널(352)속을 통과하게 된다. 이때, 바람은 소정 속도를 지닌 채 구조체(350)의 각 채널(352)을 통과하게 되므로, 상기 구조체(350)는 전체적으로 균일한 온도 분포를 갖게 되어 발화현상 없이 짧은 시간내에 각종 첨가제들을 제거할 수 있다.
열처리시, 바람의 속도는 풍속 조절판에 있는 구멍의 크기에 의해서 조절된다. 바람의 속도를 높이고자 할 경우에는 구멍의 크기가 작은 풍속 조절판을 사용하는 것이 바람직하다. 또 다르게, 바람의 속도는 풍속 조절판을 단일판이 아닌 주판과 보조판으로 이루어진 복수 판으로 형성함으로써 조절될 수 있다.
도 4b는 주판과 보조판으로 형성된 풍속 조절판의 일 예와 연결 상태를 나타낸 도이다.
도 4b에 따르면, 풍속 조절판(340)은 주판(340')과 보조판(340")으로 형성되어 있다. 주판(340')과 보조판(340") 각각에는 풍속 조절용 구멍들(342', 342")이 형성되어 있고, 상기 주판(340')과 보조판(340")을 연결하는 체결구멍(344', 344") 이 형성되어 있다. 상기 주판(340')과 보조판(340")은 볼트(10)와 너트(20) 등과 같은 채결 부재에 의해 서로 연결되기도 하고 서로 분리되기도 한다. 이때, 주판(340')과 보조판(340") 중 어는 한 판의 체결구멍은 다른 한 판의 체결 구멍과 비교하여 길게 늘어진 원의 형태를 취하고 있기 때문에 주판(340')과 보조판(340")의 연결시 각 판에 형성되어 있는 풍속 조절용 구멍들(342', 342")이 서로 일치되기도 하고 약간 어긋나기도 한다.
도 4c와 도 4d는 주판과 보조판으로 형성된 풍속 조절판의 연결 상태도를 나타낸 것이다. 도 4c에 따르면, 주판(340')과 보조판(340")에 형성되어 있는 풍속 조절용 구멍들(342', 342")을 서로 일치하도록 위치시킨 뒤 볼트(10)와 너트(20)로 고정시켜 주판(340')과 보조판(340")을 연결한 것이다. 도 4d에 따르면, 주판(340')과 보조판(340")에 형성되어 있는 풍속 조절용 구멍들(342', 342")을 서로에 대하여 약간 어갈린 상태로 만든 후 주판(340')과 보조판(340")을 연결한 것이다.
도 4c와 같은 연결 상태의 풍속 조절판을 통과하는 바람 보다 도 4d와 같은 연결 상태의 풍속 조절판을 통과하는 바람의 속도가 더욱 세다. 왜냐하면, 도 4d에 도시된 풍속 조절판(340)의 경우 주판(340')과 보조판(340")에 형성되어 있는 풍속 조절용 구멍들(342', 342")이 약간 어긋나 있는 상태로 연결되어 있어 최종 구멍의 크기가 작아졌기 때문이다.
열처리 과정에서 바람의 속도 조절은 단일판의 풍속 조절판을 속도 조절시 마다 구멍의 크기가 다른 판으로 교체하여 사용하는 방법이 있다. 또 다르게, 주판과 보조판 각각에 형성되어 있는 구멍들을 서로에 대하여 일치되게 하거나 약간 어긋나게 함으로써 최종 구멍의 크기를 조절하여 바람의 속도를 조절할 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 열처리로의 다른 예를 나타낸 개략도이다.
열처리로(500)내의 상부에는 바람을 일으켜 보내는 장치인 송풍기(510)가 설치되어 있다. 상기 송풍기(510)로부터 발생된 바람은 굵은 화살표로 나타낸 길을 따라 흐른다. 상기 바람은 상기 열처리로(500)내의 일측 또는 양측에 위치되어 있는 발열체(520)에 의해 데워져서 설정 온도를 갖게 된다. 이 때, 열전대쌍(530)은 상기 바람의 온도를 측정하고, 상기 바람의 온도가 설정 온도를 초과하면 발열체(520)가 제어된 발열을 하여 바람이 설정 온도를 유지할 수 있도록 한다.
상기 발열체(520)와 열전대쌍(530)에 의해 설정 온도를 유지하는 바람은 복수 개의 구멍이 형성되어 있는 풍속 조절판(540)을 통과하게 된다. 이때, 풍속 조절판(540)을 통과한 바람의 속도는 적어도 2 m/sec 이고, 바람직하게는 적어도 5 m/s 이다. 바람의 속도는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 발화억제 및 발화시 화염소화 역할을 하며, 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 승온 속도에도 기여한다. 또한, 허니컴 형태의 세라믹 구조체에서 발생한 유증기의 효과적인 배출에도 기여하여 발화를 억제하는 역할을 하게 되는데, 이러한 역할은 적어도 2 m/s 의 속도, 바람직하게는 적어도 5 m/s 의 속도에서 그 효과가 분명하게 나타나게 된다.
상기 바람은 열처리 대상인 허니컴 형태의 세라믹 구조체(550)의 각 채널을 통과한다. 상기 바람은 상기에서 언급된 속도를 가지고 상기 구조체(550)의 각 채널을 통과하기 때문에 상기 구조체는 구조체 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 갖게 되어 각종 첨가제의 휘발 및 산화 반응을 균일하게 제어하는 것이 가능해진다. 이 때, 휘발된 증기 상태의 첨가제들은 배기구(560)를 통해 배기되고 배기구에서 배기된 양만큼의 기체가 흡입구(570)을 통해 흡입된다. 배기구(560)는 휘발된 증기 상태의 첨가제들을 배기구(560)가 상기 흡입구(570)보다 먼저 만나게 되는 위치에 마련되는 것이 바람직하다. 이는, 휘발된 증기 상태의 첨가제들을 원활히 제거하도록 하기 위함이다. 또한, 흡입구(570)는 허니컴 형태의 세라믹 구조체(550)의 각 채널 내부에서 휘발된 각종 첨가제의 농도를 최소한으로 유지하도록 한다. 이때 흡입구(570)에서 각종 첨가제의 농도가 최소로 유지되도록 한다는 의미는 배기구(560)와 흡입구(570) 사이에서, 유출된 자연발화 위험성을 가지고 있는 첨가제 또는 유증기가 효과적으로 배출되고 배출된 양만큼의 기체가 유입되어 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 자연발화가 최소화 되도록 열처리로를 설계하여야 한다는 것이다. 이는 열처리로의 효율 증가 및 생산원가 절감과 밀접한 관련이 있다.
도 6은 열처리 대상인 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 복층으로 적층된 상태에서 열처리되는 상태를 나타낸 도이다.
열처리로(600)내의 상부에는 위치된 송풍기(610)로부터 발생된 바람이 굵은 화살표로 나타낸 길을 따라 흐른다. 상기 바람은 상기 열처리로(600)내의 일측에 위치되어 있는 발열체(620)에 의해 데워져서 설정 온도를 갖게 된다. 이 때, 열전대쌍(630)은 상기 바람의 온도를 측정하고, 상기 바람의 온도가 설정 온도를 초과하면 발열체(620)가 제어된 발열을 하여 바람이 설정 온도를 유지할 수 있도록 한다.
상기 발열체(620)와 열전대쌍(630)에 의해 설정 온도를 유지하는 바람은 복 수 개의 구멍이 형성되어 있는 풍속 조절판(640)을 통과하게 된다. 복층으로 적층된 허니컴 형태의 세라믹 구조체(650)의 적층수에 대응하도록 풍속 조절판(640) 역시 복층으로 설치되어 있다. 또 다르게, 세라믹 구조체의 적층 높이에 상응하는 높이를 갖는 한 개의 풍속 조절판이 설치될 수 도 있다.
상기 풍속 조절판(640)을 통과한 바람의 속도는 적어도 2 m/sec 이고, 바람직하게는 적어도 5 m/s 이다. 바람의 속도는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 발화억제 및 발화시 화염소화 역할을 하며, 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 승온 속도에도 기여한다. 또한, 허니컴 형태의 세라믹 구조체에서 발생한 유증기의 효과적인 배출에도 기여하여 발화를 억제하는 역할을 하게 되는데, 이러한 역할은 적어도 2 m/s 의 속도, 바람직하게는 적어도 5 m/s 의 속도에서 그 효과가 분명하게 나타나게 된다.
상기 바람은 열처리 대상인 허니컴 형태의 세라믹 구조체(650)의 각 채널을 통과한다. 상기 바람은 상기에서 언급된 속도를 가지고 상기 구조체(650)의 각 채널을 통과하기 때문에 상기 구조체(650)는 구조체(650) 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 갖게 되어 각종 첨가제의 휘발 및 산화 반응을 균일하게 제어하는 것이 가능해진다. 그 결과, 각종 첨가제의 산화반응에 의한 발화현상 없이 짧은 시간내에 열처리를 완성시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 소정 속도를 갖는 바람이 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널을 통과하게 되므로 종래 기술과 달리 상기 세라믹 구조체를 복층으로 적층시켜 열처리 하는 것이 가능해진다.
허니컴 형태의 세라믹 구조체는 구조체와 구조체 표면이 맞닿은 상태로 적층 되어 열처리될 수 있고, 풍속 조절판을 통과한 바람이 보다 균일한 풍속과 온도를 가질 수 있도록 적층용 지그를 이용하여 적층될 수도 있다. 세라믹 구조체가 수직으로 놓여질 수 도 있다.
도 7은 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 적층될 때 사용되는 지그의 일 예를 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바에 따르면, 상기 적층용 지그(700)는 복수 개의 층을 구비하고 허니컴 형태의 세라믹 구조체(350)의 채널이 보이는 양면(710, 720)으로 개방되어 있으며, 나머지 면(730)은 폐쇄되어 있다. 상기 나머지 면(730)이 폐쇄 형태를 취하는 이유는 풍속을 보다 빠르게 하기 위함이다. 즉, 상기 구조체(350)의 각 채널이 보이는 양면(710, 720)에만 바람이 흘러갈 수 있도록 개방되어 있고, 그 외의 면(730)은 막혀 있도록 하여 풍속 조절판을 통하여 흘러나온 바람이 구조체(350)의 각 채널로만 집중적으로 흘러갈 수 있도록 한 것이다.
상기 적층용 지그는 금속의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 대량생산을 위한 연속로의 경우, 복층으로 적층된 세라믹 구조체를 긴 터널 형태로 연결하여 열처리하게 되는데, 상기 구조체의 이송을 위하여 메쉬벨트(Meshbelt), 허스 롤러(Roller) 또는 체인(Chain)이 이용될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있으며 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과할 뿐 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
허니컴 형태의 세라믹 구조체의 제조예
허니컴 형태의 세라믹 성형체의 제조 원료로서 아나타제(Anatase)상의 타이타니아(TiO2) 60중량%, 텅스텐산화물(WO3), 5중량%, 메틸셀룰로오스 3중량%, 실리카졸 10중량%, 데카놀 3중량% 및 물 19중량%를 사용하였다. 상기와 같은 조성의 원료를 30분 동안 임펠러가 달려있는 혼합기에서 100 rpm으로 혼합한 후에 토련기(Kneader)를 사용하여 반죽물을 만들었다. 이렇게 만들어진 반죽물을 기밀용기 내에 위치시킨 후 15℃에서 20시간 동안 숙성시킨 후, 압출성형기(Extruder)의 반죽물 투입구에 투입하여 허니컴 형태의 금형 모양에 따라 압출 성형체를 완성하였다. 건조실내의 상대습도를 1.0 %/h 의 속도로 95%에서 5%로 감소시키면서 상기 성형체를 건조시켜 허니컴 형태의 세라믹 구조체를 제조하였다.
실시예 1
길이 1,000 mm, 높이 150 mm, 넓이 150 mm 이고 25 셀(채널)을 구비한 세라믹 구조체 12개를 5 m/s 의 열풍을 순환시키면서 표 1에서와 같은 조건으로 열처리하였다. 이 때, 상기 구조체는 적층용 지그를 이용하여 3개씩 4층으로 적층하였다.
비교예 1 내지 5
길이 1,000 mm, 높이 150 mm, 넓이 150 mm 이고 25 셀(채널)을 구비한 세라믹 구조체를 열풍의 순환없이 표 1에서와 같은 조건으로 각기 12개씩 열처리하였다. 이 때, 상기 구조체는 적층용 지그를 이용하여 3개씩 4층으로 적층하였다.
실시예1 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
승온 속도
(℃/분)		 1 0.1 0.3 0.5 0.5 1
풍속 5m/sec 없음 없음 없음 없음 없음
Step 1 20→100℃ 20→550℃ 20 →550℃ 20 →550℃ 20 →100℃ 20 →100℃
Step 2 100℃,2h 550℃,7h 550℃,7h 550℃,7h 100℃,2h 100℃,2h
Step 3 100→150℃ 100→150℃ 100→150℃
Step 4 150℃,2h 150℃,2h 150℃,2h
Step 5 150→250℃ 150→250℃ 150→250℃
Step 6 250℃,2h 250℃,2h 250℃,2h
Step 7 250→330℃ 250→330℃ 250→330℃
Step 8 330℃,2h 330℃,2h 330℃,2h
Step 9 330→550℃ 330→550℃ 330→550℃
Step 10 550℃,7h 550℃,7h 550℃,7h
총
소요시간		 23.3h 95.3h 36.5h 24.7h 103.3h 44.5h
수율 100% 100% 0% 0% 0% 0%

수율 = (열처리 공정 투입 반제품의 양 - 파손 또는 손실되는 반제품의 양)/열처리 공정 투입 반제품의 양
여기서, 파손 또는 손실의 의미는 진동이나 충돌 또는 기타 다른 요인에 의해 최종제품으로 사용할 수 없을 정도로 된 상태를 말한다. 또한, 열처리로에서 유증기의 발화에 의한 버닝(burning)으로 제품이 망실되거나 내부 포어(Pore) 구조의 변화로 촉매로서의 성능이 저하되어 제품으로 사용할 수 없는 상태를 의미한다.
비교예 1에서와 같이 승온 속도를 0.1℃/분으로 하여 매우 느리게 열처리한 경우 발화현상 없었다. 그러나, 비교예 1의 열처리 방법은 상온에서 최종 온도인 550℃에 도달한 후 이 온도에서 7시간 동안 열처리하는데 소요된 총 시간이 95.3 시간이었다. 이에 반해, 5 m/s의 속도의 열풍하에서 열처리한 실시예 1의 방법은 열처리에 소요된 총 시간이 23.3 시간이었고, 발화 현상이 없었다. 즉, 발화현상 없이 열처리하는 데 있어서, 본 발명에 따른 열처리로에서 열처리 방법은 총 소요 시간이 비교예 1의 방법에 비해 25% 수준으로 매우 적게 나타났다.
비교예 5는 승온 속도를 실시예 1과 동일하게 하면서 열처리를 수행하였다. 그러나, 열풍은 제공되지 않았다. 비교예 5와 실시예 1의 총 소요시간을 비교해 보면, 비교예 5가 실시예 1에 비해 약 2 배 정도의 시간이 소요되었고, 발화 현성이 발생하였다.
실시예 2
길이 1,000 mm, 높이 150 mm, 넓이 150 mm 이고 25 셀(채널)을 구비한 세라믹 구조체 12개를 2 m/s 의 열풍을 순환시키면서 표 2에서와 같은 조건하에서 열처리를 실시하였다. 이 때, 상기 구조체는 적층용 지그를 이용하여 3개씩 4층으로 적층하였다.
비교예 6 및 7
길이 1,000 mm, 높이 150 mm, 넓이 150 mm 이고 25 셀(채널)을 구비한 세라믹 구조체를 열풍의 속도를 각각 1 m/s와 1.5 m/s 로 하면서 각각 12개씩을 열처리 하였다. 이 때, 상기 구조체는 적층용 지그를 이용하여 3개씩 4층으로 적층하였다.
비교예 6 비교예 7 실시예 2
승온속도
(℃/분)		 1 1 1
풍속 1 m/sec 1.5 m/sec 2 m/s
Step 1 20→100℃ 20→100℃ 20→100℃
Step 2 100℃,2h 100℃,2h 100℃,2h
Step 3 100→150℃ 100→150℃ 100→150℃
Step 4 150℃,2h 150℃,2h 150℃,2h
Step 5 150→250℃ 150→250℃ 150→250℃
Step 6 250℃,2h 250℃,2h 250℃,2h
Step 7 250→330℃ 250→330℃ 250→330℃
Step 8 330℃,2h 330℃,2h 330℃,2h
Step 9 330→550℃ 330→550℃ 330→550℃
Step 10 550℃,7h 550℃,7h 550℃,7h
총소요시간 23.3h 23.3h 23.3h
수율 0% 0% 100%

표 2에서의 수율 항목에 나타난 바와 같이, 2 m/sec 미만의 풍속에서는 발화현상이 발생하였다.
이상 살펴본 본 발명에 따른 열처리로 및 상기 열처리로에서의 열처리 방법은 세라믹 SCR 촉매 생산을 위한 열처리 공정뿐만 아니라 허니컴 형태를 지닌 세라믹 구조체를 열처리하는데도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 세라믹 성형체의 수분을 제거하기 위한 건조 공정에도 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 바람을 소정 속도 이상의 속도로 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널를 통과하게 함으로써, 빠른 속도로 구조체의 온도 분포를 균일하게 하여 각종 첨가제를 용이하게 제거하고 주원료의 결합을 강화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열처리로를 이용하면 세라믹 구조체를 복층으로 적층시켜 열처리하는 것이 가능해지므로 연속로의 경우 길이가 짧아지게 되어 시설 투자 비를 절감할 수 있고, 열전달을 넓은 면적에 대하여 빠르고 균일하게 하므로 연료비를 절감시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형은 청구 범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 송풍기;
    상기 송풍기로부터 발생된 바람을 가열시키는 적어도 하나의 발열체;
    상기 가열된 바람의 온도 측정을 위한 적어도 하나의 열전대쌍; 및
    상기 발열체와 허니컴 형태의 세라믹 구조체 사이에 위치하며, 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 적어도 하나의 풍속 조절판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리로.
  2. 제 1항에 있어서, 열처리 과정에서 휘발된 증기 상태의 첨가제들을 배출하는 배기구 및 상기 배기구를 통해 배출된 양만큼의 기체를 흡입하는 흡입구를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리로.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 풍속 조절판은 단일판으로서 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 풍속 조절판은 주판 및 보조판을 포함하고, 상기 주판 및 상기 보조판 각각에는 적어도 하나의 체결용 구멍과 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리로.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 복층으로 적층되어 있을 때 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체와 상기 풍속 조절판이 각 층별로 대응되도록 상기 풍속 조절판이 복층으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리로.
  6. 송풍기로부터 바람을 발생시키는 단계;
    상기 발생된 바람을 발열체를 사용하여 가열시키는 단계;
    풍속 조절판의 구멍 크기를 조절함으로써 상기 가열된 바람에 소정 속도를 부여하여 상기 바람을 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 각 채널속으로 통과하도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 풍속 조절판은 단일판으로서 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 풍속 조절판은 주판 및 보조판을 포함하고, 상기 주판 및 상기 보조판 각각에는 적어도 하나의 체결용 구멍과 복수 개의 풍속 조절용 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 풍속 조절판의 구멍 크기의 조절은 상기 풍속 조절판이 단일판일 때에는 구멍 크기가 다른 풍속 조절판을 대체하여 사용함으로써 이루어 지는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 풍속 조절판의 구멍 크기의 조절은 상기 풍속 조절판이 주판 및 보조판을 포함하는 때에는 상기 주판과 상기 보조판 각각에 형성되어 있는 풍속 조절용 구멍을 서로에 대하여 일치시키거나 어긋나게 함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 바람의 속도는 적어도 2 m/sec 인 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 바람의 속도는 적어도 5 m/sec 인 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  13. 제 6항에 있어서, 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체는 구조체와 구조체 표면이 맞닿은 상태로 적층되어 열처리되는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  14. 제 6항에 있어서, 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체는 적층용 지그상에 놓 임으로써 적층되고, 상기 지그는 복수 개의 층을 구비하고, 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 채널이 보이는 양면으로 개방되어 있으며, 나머지 면은 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
  15. 제 6항에 있어서, 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체가 복층으로 적층되어 있을 때 상기 허니컴 형태의 세라믹 구조체와 상기 풍속 조절판이 각 층별로 대응되도록 상기 풍속 조절판을 복층으로 설치하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 허니컴 형태의 세라믹 구조체의 열처리 방법.
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