KR101293870B1 - 광물질 용융을 위한 직류 아크로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부 흑연전극의 말단부에 홈을 내어 사각판상의 흑연전극을 설치하고, 하부 흑연전극의 표면에 원판상의 흑연전극을 설치하여, 상하부 흑연전극 사이에 흐르는 전류에 의해 아크를 발생시켜 광물을 용융하는 직류 아크로에 관한 것으로, 사각판상 흑연전극과 원판상 흑연전극을 접촉시켜 직류 전류를 흘림으로서 사각판상 흑연전극을 발열시켜, 주위 광물질의 초기 용융이 원활하게 이루어지게 하는 것이다.
이러한 본 발명은 상하부의 흑연전극에 전류를 흘리면 상대적으로 단면적이 가장 작은 사각판상 흑연전극에서 저항열이 집중 발생하고, 사각판상 흑연전극 주위의 광물이 일부 용융을 하게 되며, 일부 용융된 광물에서 부분적으로 아크가 발생하기 시작하여 용융된 범위가 점차 확장하게 되는 것으로, 상하부 흑연전극에 결합한 사각판상과 원판상의 흑연전극은 사용 후에 교체가 용이하다.

Description

광물질 용융을 위한 직류 아크로{DC arc furnace for melting mineral}

본 발명은 상부 흑연전극의 말단부에 홈을 내어 사각판상의 흑연전극을 설치하고, 하부 흑연전극의 표면에 원판상의 흑연전극을 설치하여, 상기 사각판상 흑연전극과 원판상 흑연전극을 접촉시킨 후, 직류 전류를 양 흑연전극에 흘림으로서 접촉하고 있는 사각판상 흑연전극을 발열시켜, 주위 광물질의 초기 용융이 원활하게 이루어지게 하는 직류 아크로에 관한 것으로, 상대적으로 단면적이 가장 작은 사각판상 흑연전극을 사용하여 저항 발열을 작은 공간에 집중하고, 상하부 흑연전극에 결합한 사각판상과 원판상의 흑연전극은 사용 후에 교체가 용이하다.

실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2)는 천연광물로서 지구상에 많은 량이 존재하고 있다. 자연 상의 이들 광물은 함유량이 높으므로 (최소 80% 이상) 일부 불순물이 포함되어 있더라도 천연광물을 그대로 다양한 산업용도에 사용한다. 자연 상에 존재하는 광물의 경우 결정의 크기가 매우 작아서 산업적 용도에서 원하는 물성을 갖지 못한다. 이를 해결하기 위해 천연광물을 고온에서 재용융하는 방법을 통해 결정의 크기를 크게 하여 물성을 개선한다. 천연광물을 용융하는 방법으로는 전기아크 에너지로 고온을 만들어 용융하는 것이 가장 일반적이다. 이들 광물은 일단 용융된 상태에서는 전기저항이 낮아져 아크열로 연속적인 용융이 가능하다.

현재 가장 많이 사용되는 방식인 교류 아크로의 경우, 상부의 3개의 흑연전극을 서로 근접시켜 흑연 전극 간에 전기아크를 발생시킨 후 이 아크열로 하부의 원료표면을 용융시킨다. 광물의 표면이 용융되면 용융물을 통해서 흑연전극 간에 전기아크가 발생하며, 용융층은 점차 표면에서 아래로 확장된다. 교류 아크로는 전기적 특성상 용융물의 표면을 도체로 하여 흑연전극 간에 전기아크가 발생하는 것으로 주된 발생열은 용융물의 표면에 집중된다. 즉, 용융에 사용되는 열효율이 낮다. 또한, 3개의 흑연전극을 사용하므로 흑연전극의 소모가 많다.

직류 아크로는 상부의 단독 흑연전극과 용융도가니 하부에 설치된 고정 흑연전극으로 이루어진다. 상하부 흑연전극 사이에 흐르는 전류는 용융물을 통해서 흐르므로 발생열은 용융물 전체를 관통한다. 즉, 용융시의 열효율이 높다. 또한, 상부의 단독 흑연전극이 주로 소모되므로 흑연전극의 소모가 적다. 하지만, 직류 아크로의 단점은 초기의 용융이 교류 아크로에 비해 어렵다는 것이다. 이는 상부와 하부의 흑연전극 사이에 있는 광물이 초기의 아크 발생을 가로 막기 때문이다.

본 발명은 상부의 상하이동 흑연전극과 용융도가니 하부에 설치된 고정 흑연전극을 구성하여 상하부 흑연전극 사이에 흐르는 전류에 의해 아크를 발생시켜 광물을 용융하는 직류 아크로에 있어서, 운전 초기에 상기 흑연전극 주위의 광물을 아크열 발생이 없이도 일부 용융시켜 이후의 아크 발생이 용이하게 이루어지도록 하는 것이다.

본 발명은 상부의 상하이동 흑연전극의 끝 부분에 홈을 내고, 상기 홈에는 사각판상의 흑연전극을 결합시키며, 하부의 고정 흑연전극의 상부에는 원판상의 흑연전극을 결합시키고, 상기 상부의 상하이동 흑연전극을 아래로 하강시켜 상하이동 흑연전극 끝의 사각판상 흑연전극과 하부 고정 흑연전극의 원판상 흑연전극을 접촉시킴으로써 이루어지는 것으로, 상기 상하부의 흑연전극에 전류를 흘리면 상대적으로 단면적이 가장 작은 사각판상 흑연전극에서 저항열이 집중 발생하고, 상기 사각판상 흑연전극 주위의 광물이 일부 용융을 하게 되며, 일부 용융된 광물에서 부분적으로 아크가 발생하기 시작하여 용융된 범위가 점차 확장하게 된다.

본 발명은 상부 흑연전극에는 사각판상의 흑연전극이 결합하고 하부 흑연전극에는 원판상의 흑연전극이 결합한 직류 아크로에 있어서, 초기에는 상하부 흑연전극이 접촉한 상태에서 전류를 흘려서 접촉부분의 사각판상의 흑연전극에 저항열을 집중시켜 주위의 광물을 부분용융함으로써 아크 발생이 용이하게 이루어지는 효과가 있고, 상하부 흑연전극에 결합한 사각판상과 원판상의 흑연전극은 부품 형태로 제작되어 손쉽게 교체가 가능하다.

도 1은 본 발명 직류 아크로의 정단면도
도 2는 본 발명 직류 아크로의 측단면도
도 3은 본 발명 흑연 전극부의 분해사시도
도 4는 본 발명의 통전 용융상태도
도 5는 본 발명의 아크 용융상태도

본 발명은 상부의 상하이동 흑연전극(20)과 용융 도가니(11) 하부에 설치된 고정 흑연전극(30)을 구성하여 상하부 흑연전극 사이에 흐르는 전류에 의해 아크를 발생시켜 광물을 용융하는 직류 아크로(10)에 있어서, 상부의 상하이동 흑연전극(20) 끝 부분 홈에 결합한 사각판상 흑연전극(21)을 하부의 고정 흑연전극(30) 상부의 원판상 흑연전극(31)에 접촉시켜 전류를 흘림으로써 사각판상의 흑연전극(21)에서 발생한 저항열로 주위의 광물 시료(12)가 일부 용융되고 이후의 아크 발생이 용이하게 이루어질 수 있는 것이다.

본 발명의 용융 도가니(11) 하부에는 원형의 구멍이 뚫려 있어, 하부의 고정 흑연전극(30)을 결합하게 되어 있다. 고정 흑연전극(30)은 하부보다 상부의 직경이 작은 구조를 가지며, 용융 도가니(11) 구멍의 상부도 하부보다 직경이 작게 만들어져 있다. 이 때문에 용융 도가니(11)를 고정 흑연전극(30) 위에 장착하면 서로의 접촉면이 용융 도가니(11)의 하중으로 눌러져 고온 용융물(13)의 누설을 막게 된다.

본 발명의 고정 흑연전극(30)의 상부에는 중심부에 안쪽으로 원형 홈이 패어져 있다. 이 원형 홈에 맞는 원형 돌기가 있는 원판상 흑연전극(31)을 고정 흑연전극(30)과 결합한다. 원판상 흑연전극(31)은 산화나 용융물에 의한 침식 등으로 전극 표면의 손상이 심한 경우에 손쉽게 교체가 가능하다. 고정 흑연전극(30)의 하부에는 고온 용융물(13)과 용융 도가니(11)에 의해 전도되는 열량을 제거하기 위해 하부 수랭재킷(32)을 결합한다. 하부 수랭재킷(32)의 하부에는 직류전원을 연결하기 위한 하부 전극단자(33)가 결합한다.

본 발명의 상하이동 흑연전극(20)의 아래쪽 끝에는 좁은 홈이 패어져 있다. 이 홈의 폭과 같은 두께가 있는 사각판상 흑연전극(21)을 상하이동 흑연전극(20)과 결합한다. 사각판상 흑연전극(21)은 소모성 전극으로 용융작업이 진행되면서 자연적으로 산화되어 소모된다. 상하이동 흑연전극(20)의 상부에는 고온 용융물(13)에 의해 전도되는 열량을 제거하기 위해 상부 수랭재킷(22)을 결합한다. 상부 수랭재킷(22)의 상부에는 직류전원을 연결하기 위한 상부 전극단자(23)가 결합한다.

상기의 상하이동 흑연전극(20)은 본체의 상하이송 장치(40)에 결합한다. 상하이송 장치(40)의 상하이송 연결대(41)는 상부 수랭재킷(22)과 결합하여 용융 도가니(11)의 고온열이 제거된다. 상하이송 연결대(41)는 상하이송 장치(40)의 상하이송 레일(42)에 결합하여 상하의 이동이 가능하게 된다. 상하이송 레일(42)의 내부에는 회전 스크루(44)가 설치되어 있고, 상부의 상하이송 모터(43)가 회전 스크루(44)에 연결되어 있다. 상하이송 모터(43)는 회전 스크루(44)의 회전 방향을 바꾸며 상하이송 레일(42)을 따라 상하이송 연결대(41)는 상하로 움직이게 된다.

이러한 구성의 본 발명에서 상하이송 장치(40)를 가동하여 상하이동 흑연전극(20)을 아래로 천천히 하강시켜서, 상하이동 흑연전극(20) 아래에 결합하여 있는 사각판상 흑연전극(21)이 고정 흑연전극(30) 위에 결합하여 있는 원판상 흑연전극(31)과 접촉하게 되면 상하이송 장치(40)의 하강을 멈춘다.

용융하고자 하는 광물시료(12)를 사각판상 흑연전극(21)의 높이까지 채워 넣고, 상부 전극단자(23)에는 직류 마이너스 전원을, 하부 전극단자(33)에는 직류 플러스 전원을 인가한다.

접촉하고 있는 양 흑연전극에 직류 전류가 흐르면 상대적으로 단면적이 가장 작은 사각판상 흑연전극(21)의 저항이 가장 크기 때문에 저항 발열이 사각판상 흑연전극(21)에 집중되며, 전원장치의 볼륨을 조정하여 인가되는 직류 전류를 증가시키면 사각판상 흑연전극(21)의 표면은 2,000에 도달한다.

사각판상 흑연전극(21)에 접촉하고 있는 광물 시료(12)는 고온에 의해 일부 용융을 하게 되며, 일부 용융된 용융물에서 부분적으로 아크가 발생하기 시작하면서 점차 용융된 범위가 확장하게 된다.

초기에 투입된 광물 시료(12)가 절반 정도 용융하게 되면 상하이송 장치(40)를 가동하여 상하이동 흑연전극(20)을 위로 천천히 상승시켜서 서로 접촉하고 있던 흑연전극 사이의 간격을 벌리게 되며, 이때 상하이동 흑연전극(20)의 끝이 고온 용융물(13)의 표면과 접촉하고 있는 상태를 유지하여야 한다.

고온 용융물(13)은 고온 용융 조건에서 일정한 저항을 갖고 있으므로, 상하부의 흑연전극과 접촉된 상태에서 흐르는 전류는 고온 용융물(13)의 저항에 의해 용융에 충분한 저항열을 발생시켜, 이후에 초기에 투입된 광물 시료(12)의 전부가 용융하게 된다.

초기 투입한 광물 시료(12)가 모두 용융하고 용융 도가니(11)도 충분히 가열된 이후의 광물질 용융에는 두 가지 운전 방법이 있다.

첫 번째로, 상하이동 흑연전극(20)의 끝을 고온 용융물(13)의 표면과 접촉한 상태를 유지하면서 광물 시료(12)를 용융 도가니(11)에 투입하는 저항용융 운전방법으로, 광물 시료(12)를 투입함에 따라 고온 용융물(13)의 표면 높이가 증가하므로 이에 비례하여 상하이동 흑연전극(20)의 높이도 증가시켜야 한다.

저항용융 운전방법은 광물 시료(11)의 용융온도가 2,000 이하의 광물질을 용융하거나 혹은 아크 발생열로 광물질이 비등하여 기화하는 것이 바람직하지 않은 경우에 사용된다.

두 번째로, 상하이동 흑연전극(20)의 끝을 고온 용융물(13)의 표면 위 일정 높이까지 올리면 아크방전이 발생하며, 이 상태를 유지하면서 광물 시료(12)를 용융 도가니(11)에 투입하는 아크용융 운전방법으로, 광물 시료(12)를 투입함에 따라 고온 용융물(13)의 표면 높이가 증가하므로 이에 비례하여 상하이동 흑연전극(20)의 높이도 증가시켜야 한다.

아크용융 운전방법은 광물 시료(11)의 용융온도가 2,000 이상의 광물질을 용융하거나 혹은 아크 발생열로 광물질을 급속히 용융시키고자 하는 경우에 사용된다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10 : 직류 아크로 11 : 용융 도가니
12 : 광물 시료 13 : 고온 용융물
20 : 상하이송 흑연전극 21 : 사각판상 흑연전극
22 : 상부 수랭재킷 23 : 상부 전극단자
30 : 고정 흑연전극 31 : 원판상 흑연전극
32 : 하부 수랭재킷 33 : 하부 전극단자
40 : 상하이송 장치 41 : 상하이송 연결대
42 : 상하이송 레일 43 : 상하이송 모터
44 : 회전 스크루

Claims (3)

1. 상부의 상하이동 흑연전극(20)과 용융 도가니(11) 하부에 설치된 고정 흑연전극(30)을 구성하고, 상하부 흑연전극 사이에 흐르는 전류에 의해 아크를 발생시켜 광물을 용융하는 직류 아크로(10)에 있어서,
   상부의 상하이동 흑연전극(20) 끝 부분 홈에는 사각판상 흑연전극(21)을 결합시키고, 하부의 고정 흑연전극(30) 상부에는 원판상 흑연전극(31)을 결합시키며, 이들 흑연전극을 접촉시켜 전류를 흘림으로써 사각판상의 흑연전극(21)에서 저항열을 발생시키고, 주위의 광물 시료(12)가 일부 용융되어 이후의 아크 발생이 용이하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 아크로.
2. 제1항에 있어서, 원판상 흑연전극(31)은 산화나 용융물에 의한 침식 등으로 전극 표면의 손상이 심한 경우에 손쉽게 교체할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 직류 아크로.
3. 제1항에 있어서, 사각판상 흑연전극(21)은 소모성 전극으로 용융작업이 진행되면서 자연적으로 산화되어 소모되는 것을 특징으로 하는 직류 아크로.

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