KR101189121B1 - 래들 예열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 래들 예열 장치에 관한 것으로, 래들 덮개의 하측에 구비되는 마그네트론과; 상기 마그네트론에 전기신호적으로 연결되어 마이크로파를 발생시키는 신호를 인가하는 파워소스와; 래들 덮개에 고정되어 래들내 하부측으로 연장되는 세라믹 발열체와; 래들 내부 온도를 측정하도록 래들 덮개에 설치되는 온도센서와; 상기 온도센서로부터 래들 내부 온도신호를 입력받고 래들 내부가 설정 온도로 조절되도록 파워소스를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 구성되는 새로운 래들 예열 장치를 제공한다.

Description

래들 예열 장치{LADLE PREHEATING SYSTEM}

본 발명은 래들 예열 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기신호에 의하여 마그네트론으로부터 발생되는 마이크로파를 이용하여 세라믹 발열체를 가열시킴으로서 래들을 예열하도록 하는 래들 예열 장치에 관한 것이다.

일반적으로 래들(ladle)은 제강공정의 노(爐)에서 정련?용해되어 출강되는 용탕(熔湯)을 담는 용기로 사용되는 것으로, 정상조업을 위하여는 노에서 용강이 출탕되기 전에 래들을 고온으로 미리 예열하여야 할 필요가 있다. 이는 래들을 예열하지 않은 채로 수강하게 되면 용강과 래들의 큰 온도차로 인하여 용강의 폭발로 이어지는 위험한 상황에 이를 수 있기 때문이다.

도 1은 종래의 래들 예열 장치의 개략도이다. 도시와 같이, 기존의 래들 예열 장치는 래들(1)의 내부를 가열하기 위해 버너(2)를 사용하고 있으며, 버너(2)에는 연료를 공급받기 위한 연료라인(3)이 연결되어 있다. 버너(2)는 연료라인(3)을 통해 공급되는 가스나 기름과 같은 연료를 연소시킴에 의하여 발화하여 래들(1)의 내부를 가열하게 된다.

이러한 기존의 래들 예열 장치는 연료라인(3)의 길이가 제한된 환경에서 가스나 기름과 같은 연료를 저장하는 연료탱크의 위치에 따라 예열을 할 수 있는 공간상의 제약을 받을 수 밖에 없다. 뿐만 아니라, 기존 버너(2)를 이용한 예열 장치는 래들의 예열 온도를 설정된 목표값으로 정확하게 맞추기에 한계가 따르는 것이었으며, 발화성 연료를 사용하는 관계로 폭발의 위험이 존재하는 문제 또한 상존하고 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 기존 래들 예열 장치와 달리 버너를 이용하지 않으며 연료라인의 제한으로 인한 설치공간상의 제약을 받지 않고 어디에서나 래들을 예열할 수 있고, 발화성 연료를 사용하지 않아 폭발의 위험 또한 없는 래들 예열 장치를 제공하고자 함에 있다.

아울러, 본 발명은 무선으로 시스템제어가 가능하여 복수개의 래들을 동시다발적으로 예열할 수 있고, 사용공간상의 제약을 받지 아니하여 래들을 용해로 근처로 이동하는 과정동안 출강 직전까지도 래들을 지속적으로 예열할 수 있으며, 온도센서의 측정값으로부터 마그네트론의 마이크로파 출력, 마그네트론의 구동패턴을 제어함으로서 래들의 내부 온도를 설정된 목표값으로 정확하게 예열 및 유지할 수 있도록 하는 래들 예열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 래들 예열 장치는 래들 덮개의 하측에 설치되는 마그네트론과; 상기 마그네트론에 전기신호적으로 연결되어 마이크로파를 발생시키는 신호를 인가하는 파워소스와; 래들 덮개에 고정되어 래들내 하부측으로 연장되는 세라믹 발열체와; 래들 내부 온도를 측정하도록 래들 덮개에 설치되는 온도센서와; 상기 온도센서로부터 래들 내부 온도신호를 입력받고 래들 내부가 설정 온도로 조절되도록 파워소스를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 구성된다.

상기 컨트롤러에는 무선 컨트롤을 위한 무선 감지부가 구비되며, 무선 감지부는 작업자에 의하여 입력되어 전송되는 무선 신호를 수신하여 제어부로 출력하며, 상기 제어부는 무선 감지부로부터 무선 신호를 입력받아 파워소스의 마그네트론 구동회로로 제어신호를 출력하며, 상기 마그네트론 구동회로는 컨트롤러의 제어부로부터 출력되는 제어신호를 입력받아 파워소스의 배터리로부터 입력되는 전력을 증폭하여 마그네트론으로 전달함으로써 마그네트론을 구동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 파워소스는 내장된 배터리가 방전되거나 배터리가 탈착된 상태에서도 유선으로 연결하여 래들 예열이 가능하도록 외부의 전원공급수단과 연결되는 전선 커넥터가 일측에 구비되어진 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 발열체는 SiC 감지재로 구성되며, 상기 SiC 감지재는 마이크로파와 감응시 반응열이 800℃ 이상으로 높아지도록 표면에 세라믹 무기재료로 화학처리되는 것을 특징으로 한다.

상기 마그네트론의 마이크로파 출력은 0.5~3kW 범위로 조절되고, 상기 마이크로파 대역은 2~3GHz 범위 내의 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 래들을 예열함에 있어서 파워소스의 배터리에 저장된 전기에너지를 이용하여 마그네트론을 작동시켜 세라믹 발열체를 발열시키는 구조를 도입함으로써 기름이나 가스와 같은 연료의 저장을 위한 연료탱크와 연료라인의 제한적 요소가 없으므로 설치공간 및 사용공간의 제약을 받지 않고 자유롭게 래들을 예열할 수 있으며, 발화성 연료를 사용하지 않아 폭발의 위험이 없다.

아울러, 공간상의 제약을 받지 않아 용해로에서 수강 직전까지도 래들을 예열할 수 있어 예열 및 보온의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 무선에 의하여 래들 예열 가동이 가능하므로 복수개의 래들을 동시에 예열할 수 있다.

또한, 온도센서의 측정값으로부터 마그네트론의 마이크로파 출력, 마그네트론의 구동패턴을 제어함에 의하여 래들의 내부 온도를 설정된 목표값으로 정확하게 예열 및 유지할 수 있어 버너를 이용한 기존 래들 예열 장치에 비해 효율이 월등히 우수하다.

도 1은 종래의 래들 예열 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 래들 예열 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 래들 예열 장치를 구성하는 파워소스(41)와 컨트롤러(51)의 구성도를 도시한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 래들 예열 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 래들 예열 장치의 개략도이다.

도시와 같이, 본 발명에 따른 래들 예열 장치는 래들 덮개(6)의 하측에 부착되어 마이크로파를 발생시키는 마그네트론(4)과, 마그네트론(4)에 전기신호적으로 연결되는 파워소스(41)와, 래들 덮개(6)의 하측에 부착 고정되는 세라믹 발열체(7)와, 래들 내부의 온도를 측정하는 온도센서(5) 및 래들 내부를 설정된 온도로 조절하도록 파워소스(41)를 제어하는 컨트롤러(51)로 구성된다.

본 발명에 따른 래들 예열 장치는 마이크로파를 발생시키는 마그네트론(4), 세라믹 발열체(7), 온도센서(5)가 래들 덮개(6)의 아랫부분에 장착되어 일체로 구성되며, 마이크로파를 발생시키기 위한 파워소스(41), 온도를 조절하기 위해 마이크로파를 제어하는 컨트롤러(51)가 래들 덮개(6)의 윗부분에 장착된 구조이다. 마그네트론(4)과 파워소스(41)의 신호연결 및 온도센서(5)와 컨트롤러(51)의 신호연결을 위하여 래들 덮개(6)에는 관통공(미도시)이 형성되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 래들 예열 장치를 구성하는 파워소스(41)와 컨트롤러(51)의 구성도를 도시한다.

도시와 같이 파워소스(41)에는 충전식 배터리(42)가 내장되어 있으며 배터리(battery)에 저장된 전기에너지를 이용한 세라믹 발열체(7)의 발열에 의하여 래들을 예열시키므로 별도의 연료탱크 및 연료라인 없이도 래들 예열이 가능한 구조이다.

컨트롤러(51)에는 무선 컨트롤을 위한 무선 감지부(52)가 구비되며, 무선 감지부(52)는 작업자에 의하여 입력되어 전송되는 무선 신호를 수신하여 제어부(53)로 출력한다. 제어부(53)는 제1입력단(53a)을 통해 무선 감지부(52)로부터 무선 신호를 입력받으며, 출력단(53c)을 통해 파워소스(41)의 마그네트론 구동회로(43)로 제어신호를 출력한다. 제어부(53)의 제2입력단(53b)으로는 온도센서(5)에서 측정된 온도신호가 입력된다.

한편, 도 3에는 컨트롤러(51)에 무선 감지부(52)가 구비되어 있는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다른 형태로 구체화될 수도 있음은 물론이다. 즉, 컨트롤러(51)에 입력버튼과 같은 수단을 구비한 제어패널이 구비되어 있어 작업자가 컨트롤러(51)에 구비된 제어패널의 입력버튼을 조작하여 제어명령을 입력하는 형태로 구체화될 수도 있으며, 이러한 경우 무선 감지부의 구성은 생략될 수 있다.

파워소스(41)에 내장된 마그네트론 구동회로(43)는 컨트롤러(51)에서 출력되는 제어신호를 입력단(45)을 통해 입력받으며, 입력된 제어신호에 따라 배터리(42)에 충전된 전기에너지(전력)를 입력받고 이를 증폭시켜 출력단(46)을 통하여 마그네트론(4)으로 공급한다. 마그네트론 구동회로(43)는 컨트롤러(51)의 제어부(53)로부터 전송된 제어신호에 따라 마그네트론(4)을 구동시키거나 중단시킨다.

제어부(53)는 온도센서(5)로부터 측정되어 전송된 온도신호로부터 래들 내 온도를 목표값으로 조정하기 위한 마그네트론(4)의 출력, 구동 주기 등과 같은 구동 패턴을 설정하고, 이를 제어신호를 통해 전송함으로써 마그네트론 구동회로(43)를 제어하도록 이루어질 수 있다.

한편, 래들 주변에 별도의 전원공급수단이 구비되어 있다면 전선으로 전선커넥터(44)와 전원공급수단을 연결시켜 유선으로 마그네트론(4)을 작동시키는 것도 가능하다. 따라서 배터리(42)가 방전되거나 배터리(42)를 충전하기 위하여 배터리(42)를 탈착한 상태에서도 래들을 예열시킬 수 있다.

도 3에는 파워소스(41)에 배터리(42)가 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 배터리(42)를 탈착시킨 구조로서 전선커넥터(44)를 통해 외부의 전원공급수단과 연결시킴으로서 마그네트론(4)을 작동시키는 것도 가능하다.

상기의 마그네트론(magnetron)은 전기적신호를 입력받아 마이크로파(microwave)를 발생시키도록 구성된 전자관으로, 그 구조 및 원리에 대하여는 통상의 기술자에게 알려져 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

세라믹 발열체(7)는 마그네트론(4)에서 발생된 마이크로파에 감응하여 자체 발열하게 된다. 세라믹 발열체(7)로는 SiC 감지재가 바람직하게 적용될 수 있다. SiC 감지재는 마이크로파와 감응시 자체 반응열에 의하여 800℃까지 그 온도가 상승하게 된다.

마이크로파와 감응시 세라믹 발열체(7)의 반응열을 800℃ 이상으로 높이기 위해서는 SiC 감지재의 표면에 세라믹 무기재료를 화학처리하는 것이 특히 바람직하다. 세라믹 무기재료로는 Si₃N₄, AlN, BN, TiC를 들 수 있으며, 이들중 어느 하나를 단독으로 SiC 감지재의 표면에 화학처리하는 것은 물론, 이들중에서 선택되는 적어도 두 가지의 무기재료를 혼합하여 화학처리하거나, 혹은 SiC 감지재의 표면에 여러 층으로 형성되도록 세라믹 무기재료를 화학처리하는 것도 가능하다. 세라믹 무기재료는 고온에서 반응하므로, 약 800℃ 이상의 온도에서 SiC 감지재의 표면에 도포하여 화학처리하는 것이 좋다.

상기한 파워소스(41)와 컨트롤러(51)는 별도의 구성인 것으로 도시되어 있으나, 파워소스(41)와 컨트롤러(51)를 하나의 기능블록으로 일체형으로 구성하는 것도 본 발명에서 벗어나지 아니하는 것임은 자명하다.

이하, 본 발명에 따른 래들 예열 장치에 의하여 수행되는 래들 예열 과정에 대하여 설명한다.

래들(1)에 본 발명의 예열 장치를 구성한 후 래들을 예열하고자 하는 경우, 작업자는 마그네트론(4)으로부터 마이크로파가 발생되도록 제어패널의 입력버튼을 이용하여 무선 신호를 발생시키게 되며, 컨트롤러(51)의 무선 감지부(52)는 무선 신호를 감지하여 제어부(53)로 출력한다. 컨트롤러(51)의 제어부(53)는 마그네트론 구동회로(43)로 제어신호를 출력하며, 그에 따라 마그네트론 구동회로(43)는 배터리(42)의 전력을 증폭하여 마그네트론(4)으로 공급함으로써 마그네트론(4)에서 마이크로파가 발생되게 된다.

한편, 래들 예열을 중단하여야 할 필요가 있는 경우, 작업자는 제어패널의 입력버튼을 이용하여 래들 예열을 중단시키기 위한 무선 신호를 발생시킬 수 있으며, 이러한 경우 무선 감지부(52)에서 무선 신호를 감지하여 제어부(53)로 출력하고 제어부(53)에서 마그네트론 구동회로(43)를 제어하여 마그네트론(4)의 구동을 중단시킴으로써 마이크로파의 발생이 중단되도록 할 수 있다.

본 발명의 래들 예열 장치는 전기적신호에 의하여 마그네트론(4)을 구동하여 세라믹 발열체(7)를 발열시키는 방식으로 래들(1)을 가열하므로, 기름이나 가스를 저장하기 위한 별도의 연료탱크의 설치를 필요로 하지 아니하며, 따라서 연료탱크의 설치에 따른 공간상의 제약 및 전선 연결과 같은 설치상의 제약을 받지 않는 잇점이 있는 것이다.

마그네트론(4)에서 발생된 마이크로파는 래들 내부벽면과 바닥면에 반사되어 세라믹 발열체(7)와 반응을 하여 세라믹 발열체(7)의 온도를 상승시킨다. 세라믹 발열체(7)로 SiC 감지재가 사용될 경우, SiC 감지재는 마이크로파와 감응시 자체 반응열에 의하여 800℃까지 온도가 상승된다.

온도센서(5)인 열전대(thermocouple)는 래들(1) 내부 분위기 온도를 측정하여 컨트롤러(51)의 제어부(53)로 측정된 온도신호를 출력한다.

한편, 작업자는 원하는 래들 예열 온도를 제어패널의 입력버튼을 이용하여 설정하는 것이 가능하며, 작업자에 의하여 입력된 래들 예열 온도는 컨트롤러(51)의 제어부(53)로 무선 혹은 유선으로 입력되게 된다. 제어부(53)에서는 설정된 래들 예열 온도와 열전대에서 측정된 온도신호로부터 래들 내부의 온도가 목표값으로 조절되도록 하기 위한 마그네트론의 구동 패턴(구동주기)이나 마그네트론 출력을 산출하고 이로부터 마그네트론 구동회로(43)를 제어한다.

작업환경에 따라 작업자에 의해 선택되는 조건에 따라 컨트롤러(51)는 P(Proportional), PI(Proportional Integral), PD(Proportional Derivative), PID(Proportional Integral Derivative) 제어에 의하여 파워소스(41)의 마그네트론 구동회로(43)의 구동을 제어하여 래들 내부 온도를 조절할 수 있다.

마그네트론(4)의 마이크로파 출력은 0.5~3kW의 범위 내로 설정되는 것이 바람직한데, 이는 마그네트론(4)의 출력이 0.5kW 미만일 경우 세라믹 발열체인 SiC 감지재의 승온이 지연되어 래들 예열에 장시간이 소모되기 때문이다. 마그네트론(4)의 출력이 3kW를 초과하더라도 SiC 감지재의 발열에 기여하는 효과는 포화되고 오히려 에너지 효율이 낮아져 비용상승을 초래하므로 마그네트론(4)의 출력은 3kW이하로 설정됨이 바람직하다.

상온에서 마이크로파는 Fe성분과 접촉시 반사되는 특성을 가지지만, 800℃ 이상이 되면 Fe성분과 직접적으로 반응하여 래들 내에 잔류되어 있던 Fe성분이 자체 발열하게 되므로 래들(1) 내부 분위기 온도를 1,400℃ 이상까지 가열하는 것도 가능하다.

마이크로파의 대역은 2~3GHz로 설정됨이 바람직한데, 이는 이 범위에서 세라믹 발열체(7)인 SiC 감지재와 Fe성분의 발열 효율이 가장 극대화됨을 실험적으로 확인할 수 있었기 때문이다. 그 이유로는 마이크로파의 대역이 2~3GHz일 때, SiC 감지재는 물론 Fe성분의 고유진동수와 가장 부합될 수 있는 조건이기 때문으로 생각할 수 있다.

본 발명에 따른 래들 예열 장치는 전기적신호에 의하여 마그네트론(4)의 마이크로파 발생을 제어하므로 기존 버너를 이용한 래들 예열시보다 래들의 온도를 정확하게 설정 온도로 유지할 수 있는 잇점이 있다.

한편, 파워소스(41)의 배터리(42)가 방전되는 경우, 작업자는 전선커넥터(44)에 별도의 전원공급수단을 연결시켜 유선으로 전기적 신호가 마그네트론 구동회로(43)로 입력되도록 하여 마그네트론(4)을 구동시킴으로써 래들을 예열시키는 것도 가능하다. 따라서 파워소스(41)의 배터리(42)가 방전되거나 충전을 위해 배터리(42)를 탈착시킨 상태에서도 정상적인 래들 예열이 가능하며, 배터리(42) 충전이 완료되면 다시 전선커넥터(44)에서 전선 연결을 해제하고 무선으로 마그네트론(4)의 작동을 제어할 수 있는 것이다.

1: 래들 4: 마그네트론 41: 파워소스
42: 배터리 43: 마그네트론 구동회로 44: 전선 커넥터
5: 온도센서 51: 컨트롤러 52: 무선 감지부
53: 제어부 6: 래들 덮개 7: 세라믹 발열체

Claims (6)

1. 삭제
2. 래들 덮개의 하측에 설치되는 마그네트론과;
   상기 마그네트론에 전기신호적으로 연결되어 마이크로파를 발생시키는 신호를 인가하는 파워소스와;
   래들 덮개에 고정되어 래들내 하부측으로 연장되는 세라믹 발열체와;
   래들 내부 온도를 측정하도록 래들 덮개에 설치되는 온도센서와;
   상기 온도센서로부터 래들 내부 온도신호를 입력받고 래들 내부가 설정 온도로 조절되도록 파워소스를 제어하는 컨트롤러를 포함하며,
   상기 컨트롤러에는 무선 컨트롤을 위한 무선 감지부가 구비되며, 무선 감지부는 작업자에 의하여 입력되어 전송되는 무선 신호를 수신하여 제어부로 출력하며, 상기 제어부는 무선 감지부로부터 무선 신호를 입력받아 파워소스의 마그네트론 구동회로로 제어신호를 출력하며, 상기 마그네트론 구동회로는 컨트롤러의 제어부로부터 출력되는 제어신호를 입력받아 파워소스의 배터리로부터 입력되는 전력을 증폭하여 마그네트론으로 전달함으로써 마그네트론을 구동시키는 것을 특징으로 하는 래들 예열 장치.
3. 래들 덮개의 하측에 설치되는 마그네트론과;
   상기 마그네트론에 전기신호적으로 연결되어 마이크로파를 발생시키는 신호를 인가하는 파워소스와;
   래들 덮개에 고정되어 래들내 하부측으로 연장되는 세라믹 발열체와;
   래들 내부 온도를 측정하도록 래들 덮개에 설치되는 온도센서와;
   상기 온도센서로부터 래들 내부 온도신호를 입력받고 래들 내부가 설정 온도로 조절되도록 파워소스를 제어하는 컨트롤러를 포함하며,
   상기 파워소스는 내장된 배터리가 방전되거나 배터리가 탈착된 상태에서도 유선으로 연결하여 래들 예열이 가능하도록 외부의 전원공급수단과 연결되는 전선 커넥터가 일측에 구비되어진 것을 특징으로 하는 래들 예열 장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 세라믹 발열체는 SiC 감지재로 구성됨을 특징으로 하는 래들 예열 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 SiC 감지재는 마이크로파와 감응시 반응열이 800℃ 이상으로 높아지도록 표면에 세라믹 무기재료로 화학처리되는 것을 특징으로 하는 래들 예열 장치.
6. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 마그네트론의 마이크로파 출력은 0.5~3kW 범위로 조절되고, 상기 마이크로파 대역은 2~3GHz 범위 내의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 래들 예열 장치.

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