KR101504972B1 - 유도 가열로 - Google Patents

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KR101504972B1
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Abstract

본 발명은 제1 용기와 제2 용기와 전원공급기와 단열재와 완충재를 포함하고, 상기 제1 용기의 내부에 상기 제2 용기가 형성되고, 상기 제1 용기와 상기 제2 용기의 사이에는 단열재와 완충재가 배치되어 각각 밀착되고, 상기 제1 용기에는 코일부가 구비되고, 상기코일부는 상기 전원공급기에 연결되어 유도 전기장을 생성하고, 상기 제2 용기에는 내장 내화물부와 발열 내화물부가 구비되고, 상기 발열 내화물부는 상기 유도 전기장에 의해 발열하고, 이에 상기 내장 내화물부가 신속하게 승온될 수 있는 유도 가열로를 형성하고, 상기 단열재와 상기 완충제는 상기 제2 용기의 고열이 상기 제1 용기로 전달되는 것을 억제하여 상기 내장 내화물의 승온 효율을 향상시키고, 상기 완충재는 상기 제2 용기의 열팽창을 억제하고, 상기 내열 내화물부의 내구성을 향상시키는 유도 가열로가 제시된다.

Description

유도 가열로{Induction heating furnace}
본 발명은 유도 가열로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부에 형성되는 내화물을 효과적으로 승온시킬 수 있는 유도 가열로에 관한 것이다.
철강 제조 공정에서 사용되는 유도 가열로는 정련이 완료된 용강을 전달받아 내부에 저장하고, 이를 목적하는 온도로 보온 또는 가열하는 설비이다. 유도 가열로는 용강을 보온 또는 가열하는 방식으로서 전자기 유도작용에 의한 용강 가열방식을 이용한다. 여기서 전자기 유도작용은 코일에 고주파 전류를 인가하여 고주파 자기장을 발생시키고, 고주파 자기장에 의해 전기장이 유도되는 작용이다. 즉, 유도 가열로는 유도 가열로에 권취되는 코일 및 코일에 연결되는 전원공급장치를 구비하고, 전원공급장치를 이용하여 코일에 고주파 전류를 인가한다. 고주파 전류가 인가되는 코일은 유도 전기장을 생성하고, 생성되는 유도 전기장은 유도 가열로 내부에 저장되는 용강에 열을 발생시킨다. 이에 유도 가열로는 용강을 목적하는 온도로 보온 또는 가열할 수 있다.
내부에 저장되는 고온(약 1500℃)의 용강으로부터 유도 가열로를 보호하기 위하여 유도 가열로의 내부에는 내화물이 구축되고, 용강에 노출되는 내화물의 열적 안정성을 위해 소정 온도(약 1000℃)로 예열된다. 일반적으로 내화물의 예열을 위하여 유도 가열로에는 별도의 예열수단으로서 화염버너가 구비된다. 화염버너는 중유 또는 부생가스 등의 연료를 연소시켜 내화물을 10시간 내지 3일 동안 예열하고, 예열과정에서 다량의 이산화탄소가스를 발생시킨다.
예열이 완료된 유도 가열로에는 용강이 수강된다. 용강이 수강된 유도 가열로는 용강을 보온 또는 가열하기 위해 코일에 고주파 전류를 인가하여 유도 전기장을 생성한다. 생성되는 유도 전기장에 의해 용강에 열이 발생하여 용강은 목적하는 온도로 보온 혹은 가열된다. 하지만 유도 가열로의 내측으로 노출되는 내화물은 시간이 지남에 따라 열이 손실된다. 유도 가열로의 조업 특성상 유도 가열로에는 용강이 추가하여 수강될 수 있다. 이때, 온도가 낮아진 내화물에는 추가하여 수강되는 고온의 용강과의 접촉에 의해 열 충격이 가해지고, 열 충격에 의해 내화물에는 크랙이 발생하고, 이에 내화물이 손상된다. 따라서, 용강을 수강중인 유도 가열로는 내화물의 손상을 방지하기 위해 유도 가열로의 내화물을 목적하는 온도로 보온 또는 승온시키는 것이 요구된다.
본 발명은 내화물을 신속하고 효과적으로 승온시킬 수 있는 유도 가열로를 제공한다.
본 발명은 내화물의 손상을 억제 혹은 방지하여 설비의 내구성을 향상시킬 수 있는 유도 가열로를 제공한다.
본 발명은 조업의 안정성을 향상시킬 수 있는 유도 가열로를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 유도 가열로는 상부가 개방된 공간을 가지고, 내부에 코일부를 가지는 제1 용기; 상기 제1 용기의 외측에 위치하고, 상기 코일부에 연결되는 전원공급기; 상기 제1 용기의 내측으로 형성되며, 상부가 개방된 저장공간을 가지고, 상기 코일부에 의하여 유도되는 전기장에 의하여 발열하는 발열체를 함유하는 제2 용기; 및 상기 제1 용기와 상기 제2 용기의 사이에 배치되는 단열재를 포함할 수 있다.
상기 제1 용기는 상기 코일부가 삽입되는 내화물부 및 상기 내화물부의 외측에 형성되는 외피를 구비할 수 있다.
상기 제2 용기의 상부에 형성되고, 상기 외피의 내측에 위치하는 완충재를 포함할 수 있다.
상기 제2 용기는 상기 저장공간에 노출되는 내장 내화물부 및 상기 내장 내화물부의 외측에 형성되는 발열 내화물부를 구비하고, 상기 발열체는 상기 발열 내화물부에 함유될 수 있다.
상기 제2 용기는 복수의 내화물 블록으로 구성되거나 또는 단일 내화물로 구성될 수 있다.
상기 단열재는 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 함유하고, 1300℃를 하한으로 하는 내열범위를 가질 수 있다.
상기 내화물부의 입도는 5㎜ 이하일 수 있다.
상기 완충재의 기공율은 10％ 내지 30％ 범위를 가질 수 있다.
상기 발열 내화물부는 0％ 내지 6％ 범위의 기공율을 가지고, SK32 이상의 내화도를 가질 수 있다.
상기 발열 내화물부는 상기 발열 내화물부의 전체 중량에 대하여 10중량％ 내지 20중량％의 흑연을 포함할 수 있다.
상기 발열 내화물부는 상기 제2 용기의 전체 두께에 대하여 25％ 내지 40％의 두께를 가질 수 있다.
상기 코일부가 차지하는 면적은 상기 발열 내화물의 외부 면적에 대하여 60％ 내지 90％ 의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 내장 내화물부를 효과적으로 승온시킬 수 있는 발열 내화물부를 형성하고, 이를 이용하여 내장 내화물부를 신속하게 승온시킬 수 있다.
이로부터 각종 용융물의 수강 및 출강 과정에서 내장 내화물과 접촉하는 용융물의 고온에 의한 내장 내화물부의 손상을 억제 혹은 방지할 수 있고, 이에 조업 예컨대 용강의 보온 또는 가열조업에서 조업의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 발열 내화물부의 열이 외부로 방출되는 것을 억제 또는 방지할 수 있는 단열재를 형성하여 발열 내화물부의 승온 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 발열 내화물부와 내장 내화물부로 형성되는 용기의 열 팽창을 억제 또는 방지할 수 있는 완충재를 형성하여 설비의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 유도 가열로의 개략도.
도 2는 흑연 함량에 따른 발열 내화물의 발열 온도의 변화를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 발열 내화물과 내장 내화물의 시간에 따른 온도 변화를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 용기의 조업 후 미세구조를 촬영하여 종래와 비교한 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면은 실시 예를 설명하기 위해 그 크기가 과장될 수 있고, 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유도 가열로의 단면을 도시한 개략도 이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유도 가열로는 상부가 개방된 공간을 가지고, 내부에 코일부(130)를 가지는 제1 용기(100), 제1 용기(100)의 내측으로 형성되며, 상부가 개방된 저장공간을 가지고, 코일부(130)에 의하여 유도되는 전기장에 의하여 발열하는 발열체를 함유하는 제2 용기(200), 제1 용기(100)의 외측에 위치하고, 코일부(130)에 연결되는 전원공급기(300), 제1 용기(100)와 제2 용기(200)의 사이에 배치되는 단열재(400), 제2 용기(200)의 상부에 형성되고, 상기 제1 용기(100)의 내측에 위치하는 완충재(500) 및 제1 용기(100)의 상부면과 제2 용기(200)의 저장공간의 상부를 커버하는 커버(600)를 포함한다. 용융물 예컨대 용강 또는 슬래그는 제2 용기(200)의 내부에 장입되고, 전원공급기(300)로부터 고주파 전원을 인가받은 코일부(130)는 제2 용기(200) 및 이에 저장되는 용융물에 유도 전기장을 생성한다. 이때, 제2 용기(200)에 구비되는 발열 내화물부(220)는 유도 전기장에 의하여 발열하고, 발열 내화물부(220)의 발열에 의해 용융물과 접촉하는 제2 용기(200)의 내부면의 온도를 목적하는 온도로 제어할 수 있다.
제1 용기(100)는 코일부(130)가 삽입되는 내화물부(120) 및 내화물부(120)의 외측에 형성되는 외피(110)를 구비한다. 제1 용기(100)는 제1 용기(100)의 내측으로 형성되는 후술하는 제2 용기(200) 및 제1 용기(100)의 내부에 배치되는 코일부(130)를 지지하는 역할을 한다. 또한, 제1 용기(100)는 제2 용기(200)의 열이 외부로 손실되는 것을 억제하고, 제2 용기(200)로부터 손실되는 열이 코일부(130)에 전달, 이에 코일부(130)가 열변형되는 것을 억제 혹은 방지하는 역할을 한다. 제1 용기(100)에는 냉각수단(미도시) 예컨대 수냉관이 구비될 수 있고, 냉각수단(미도시)에 의해 외피(110) 또는 코일부(130)의 열 변형을 효과적으로 억제 혹은 방지할 수 있다.
외피(110)는 유도 가열로의 외벽을 이루며 유도 가열로의 형상을 유지한다. 외피(110)는 내부에 용융물이 장입되도록 외피(110)의 상부가 상측으로 개방되고, 바닥면을 가지며, 바닥면의 가장자리를 따라 벽면이 형성된다. 형성되는 벽면의 상단에서 내측을 향하여 벽면에 교차하는 방향으로 소정 길이 연장되어 외피(110)의 상부면이 형성된다. 형성되는 상부면의 중심위치에는 관통구가 형성되고, 관통구에 의해 외피(110)는 상부가 개방된 공간을 형성할 수 있다. 외피(110)의 바닥면의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 원형, 다각형 및 부정형의 형상으로 제작될 수 있다.
내화물부(120)는 일반적으로 유도 가열로와 같은 고온의 용융물 예컨대 용강을 처리하는 용기를 구축하기 적합한 내화물이 사용될 수 있다. 본 실시 예에서는 내화물부(120)로서, 5㎜ 이하의 입도를 가지는 마그네시아질(Mg-O 계) 스탬프(Stamp)재 내화물을 예시한다.
코일부(130)는 후술하는 제2 용기(200)의 측면에서 외측으로 이격되도록 내화물부(120)의 내부에 위치하고, 제2 용기(200)의 측면 또는 제2 용기의 측면과 하면을 둘러싸도록 배치된다. 물론 이에 한정하지 않고, 코일부(130)는 제2 용기(200)의 외측면을 둘러싸는 다양한 위치에 배치될 수 있다. 본 실시 예에서는 코일부(130)가 차지하는 면적이 후술하는 발열 내화물부(220)의 외부 면적에 대하여 60％ 내지 90％의 범위를 가지도록 배치되는 코일부(130)을 예시한다. 코일부(130)는 일반적인 유도 가열로에서 사용되는 고주파 코일이 사용될 수 있다.
제2 용기(200)는 제2 용기(200)의 저장공간에 노출되는 내장 내화물부(210) 및 내장 내화물부(210)의 외측에 형성되어 제2 용기(200)의 외벽을 이루는 발열 내화물부(220)를 구비할 수 있고, 발열 내화물부(220)에는 발열체 예컨대 흑연(C)이 함유될 수 있다. 또한, 제 2 용기(200)는 복수의 내화물 블록으로 구성되거나 또는 단일 내화물로 구성될 수 있고, 발열 내화물부(220)는 제2 용기(200)의 전체 두께에 대하여 25％ 내지 40％의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
내장 내화물부(210)는 마그네시아(MgO), 스피넬(Spinel, MgAl2O4)을 주성분으로 포함하는 마그네시아질 내화물로 형성될 수 있다. 내장 내화물부(210)는 내화도가 높고(SK32 이상), 내침식성이 우수하도록 소성 내화벽돌로 제작되는 것이 좋다. 여기서 SK32란 내화물의 내화온도를 나타내는 내화물 품질 규격의 한 종류로서, 약1720℃ 이상의 고온에서 견디는 내화도를 의미한다.
발열 내화물부(220)는 마그네시아(MgO), 흑연(Graphite, C)를 주성분으로 포함하는 마그네시아 흑연질 내화물로 형성되고, 발열 내화물부(220)부에 인가되는 유도 전기장에 흑연이 반응하여 열이 발생한다. 이에 발열 내화물부(220)는 내장 내화물부(210)에 열을 공급하는 역할을 할 수 있다. 발열 내화물부(220)의 전체 중량에 대한 발열 내화물부(310)에 포함되는 흑연의 중량비에 의하여 발열 내화물부(220)의 발열특성이 결정된다. 예컨대 본 실시 예에서는 흑연의 중량비가 전체에 비하여 10중량％ 미만일 경우, 발열 내화물부(220)의 최대 발열온도는 목적하는 온도인 1000℃ 미만에서 형성되고, 이에 내장 내화물부(210)의 열 충격을 억제하는 것에 한계가 있다. 또한, 흑연의 중량비가 전체에 비하여 20중량％ 초과일 경우, 발열 내화물부(220)의 최대 발열온도는 목적하는 온도를 넘어 2000℃ 이상에서 형성된다. 이에 내장 내화물부(210)는 발열 내화물부(220)에서 방출되는 고온에 의해 치명적인 손상을 입을 수 있다. 예컨대 발열 내화물부(220)에 함유된 흑연은 1800℃ 이상의 분위기 온도에서 높은 탈탄속도를 가진다. 이에 발열 내화물부(220)는 자가발열 효율이 감속 혹은 소멸하고, 발열 내화물부(220) 내부의 환원반응으로 인하여 발열 내화물부(220)의 강도가 급격히 감소, 발열 내화물부(220)는 붕괴될 수 있다. 마그네시아 흑연질 내화물의 고온(1750℃)에서의 반응은 다음과 같다.
MgO(S)+C(S) －＞ Mg(g)+CO(g), T=1750℃
이에 본 실시 예에서는 발열 내화물부(220)의 전체 중량에 대하여 10중량％ 내지 22중량％의 흑연을 함유하는 발열 내화물부(220)를 예시한다. 이에 발열 내화물부(220)는 50℃/min 이상의 승온속도를 가질 수 있고, 600℃ 내지 100℃의 범위로 발열할 수 있다. 또한, 발열 내화물부(220)에는 발열 내화물부(220)이 목적하는 사용수명을 가지도록 발열 내화물부(220)의 산화를 방지 혹은 억제하는 산화방지물질이 첨가될 수 있다. 본 실시 예에서는 산화방지물질로서 알루미나(Alumina, Al2O3) 및 보로라이트(Borolite, ZrB2)를 예시하고, 산화방지물질은 발열 내화물부(220)의 중량 1에 대하여 0.04배의 중량을 가지도록 발열 내화물부(220)에 첨가된다. 유도 전기장에 의해 유도 가열되는 발열 내화물부(220)의 유도가열 효율은 발열 내화물부(220)의 전기전도성과 정비례하고, 발열 내화물부(220)의 유전율과 반비례 한다. 여기서, 발열 내화물부(220)의 유전율은 발열 내화물부(220)의 기공율에 비례한다. 따라서, 발열 내화물부(220)는 기공율이 0％ 내지 6％ 범위를 가지는 치밀질, 고비중의 부정형 내화물 또는 내화벽돌로 제작되는 것이 좋다. 발열 내화물부(220)는 제1 용기의 내부에 초기 형성된 후 약 600℃에서 약 1시간동안 가열되어 발열 내화물부(220)의 내부에 포함되는 유기 바인더를 연소시키고, 이에 그 구조가 안정화될 수 있다. 이후 상온으로 냉각되고, 발열 내화물부(220)의 내부에 내장 내화물부(210)가 형성될 수 있다.
제2 용기가 발열 내화물부(220)만으로 형성되는 경우에도 유도 가열로는 조업상의 목적하는 열전도특성, 내열강도, 내침식특성을 확보할 수 있다. 하지만, 제2 용기에 0.5중량% 이하의 카본 농도를 가지는 용융물이 수용되는 경우에는 발열 내화물부(220)에서 카본이 용출(pick-up)되어 용융물에 침투, 이에 생산물의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 발열 내화물부(220)의 내측으로 내장 내화물부(210)가 형성되는 것이 좋다.
전원공급기(300)는 코일부(130)에 고주파 전원을 공급하는 역할을 한다. 본 실시 예에서는 전원공급기(300)는 전원공급기(300)의 전체 전력에 대하여 30％ 내지 40％의 전력을 코일부(130)에 공급할 수 있는 전원공급기(300)를 예시하고, 전원공급기(300)는 고주파 교류를 사용하는 RF 전원공급기일 수 있다. 전원공급기(300)에는 예컨대 콘덴서(Condenser) 및 버스 바(Bus bar)를 포함하는 전원공급기(300)로부터 인가되는 고주파 전원의 전력용량 및 주파수 특성을 제어 가능한 전원제어수단(미도시)가 구비될 수 있다. 전원제어수단(미도시)를 통하여 코일부(130)에 고주파 전원이 인가된다.
단열재(400)는 제2 용기(200)의 측면 또는 제2 용기(200)의 측면 및 하면을 둘러싸도록 제2 용기(200)와 내화물부(120)의 사이에 형성되고, 이에 제2 용기(200)에서 내화물부(120)로의 열 전달을 억제하는 역할을 한다. 이를 위해, 단열재(400)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2)를 그 성분으로 포함하고, 약 1300℃ 를 하한으로 하는 내화온도를 가지는 절연 세라믹 섬유(insulation ceramic fiber)로 제작될 수 있다. 즉, 제2 용기(200)의 외측면을 둘러싸는 단열재(400)는 1300℃ 이상의 고온 분위기에서 제2 용기(200)로부터 제1 용기(100)로의 열 전달을 억제 할 수 있다.
완충재(500)는 제2 용기(200)의 상부에 형성되고, 외피(110)의 내측에 위치할 수 있다. 형성되는 완충재(140)는 고온의 열에 의해 제2 용기(300)에 발생하는 열팽창력을 흡수 혹은 분산시키고, 열팽창 및 수축에 의한 제2 용기의 구조적인 이격발생을 방지 혹은 억제할 수 있다. 또한, 제2 용기(200)의 상부면으로부터 외피(110)로 고열이 전달되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이러한 완충재(500)는 마그네시아질 캐스터블 내화물로 제작될 수 있다. 완충재(500)의 기공율이 10% 이하로 치밀하게 형성되는 경우 제2 용기(200)로부터 전달되는 열팽창 응력을 효과적으로 흡수 또는 분산시키는데 어려움이 있다. 완충재(500)의 기공율이 30% 이상으로 형성되는 경우 제2 용기(200)에 발생할 수 있는 구조상의 이격을 효과적으로 억제 혹은 방지할 수 없다. 이에 완충재(500)의 기공율을 10％ 내지 30％의 범위를 가지도록 제작될 수 있고, 제2 용기(200)의 상부면에서 상측으로 전달되는 열팽창 응력을 효과적으로 흡수 혹은 분산시킬 수 있다. 따라서 완충재(500)는 제2 용기의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
커버(600)는 제1 용기(100) 및 제1 용기(200)의 상부면을 커버할 수 있는 크기 및 형상으로 제작될 수 있다. 커버(600)의 하부면에는 제2 용기(200)의 저장공간에 장입되는 용융물 예컨대 용강의 복사열을 차단할 수 있는 단열재 혹은 내화물 중 적어도 하나가 구비된다. 또한, 커버(600)에는 제2 용기(200)의 저장공간 내부로 진입하여 저장공간에 저장된 용융물에 접촉, 이에 용융물의 온도를 측정하는 온도센서(미도시)가 구비될 수 있고, 온도센서(미도시)를 저장공간의 내부로 진입시킬 수 있는 온도센서 진입수단(미도시)이 더 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이 형성되는 유도 가열로는 고온의 용융물에 노출되는 내장 내화물부(210)를 목적하는 온도로 승온시킬 수 있는 발열 내화물부(220)에 유도 전기장을 생성하여 내장 내화물부(210)를 소정 온도(약 1000℃)로 예열시킨다. 이때, 본 실시 예에서는 예열을 위해 소정 시간(1시간 내지 2시간)동안 코일부(130)에 고주파 전원을 인가한다. 예열이 완료된 유도 가열로의 저장공간에 고온의 용융물이 수용되고, 유도 가열로는 코일부(130)을 통하여 용융물을 목적하는 온도로 보온 및 가열할 수 있다. 또한, 유도 가열로는 발열 내화물부(220)에 의해 고온의 용융물에 노출되는 내장 내화물부(210)의 온도를 목적하는 온도로 보온 및 가열할 수 있다.
전술하는 발열 내화물부(220)의 발열특성은 발열 내화물부(220)에 포함되는 흑연의 중량％에 따라 달라진다.
하기에서는 마그네시아 및 흑연을 함유하는 복수의 발열 내화물(발열 내화물a, 발열 내화물b, 발열 내화물c, 발열 내화물d를 형성하고, 이에 유도 전기장을 인가하여 각각의 발열특성을 비교하였다.
내부에 상하방향의 공간을 가지는 고주파 코일 및 고주파 코일에 연결되는 전원공급기를 구비하고, 고주파 코일 내부에 발열 내화물을 배치한다. 전원공급기를 통하여 고주파 코일에 고주파 전원을 인가하고, 고주파 코일에 고주파 전원이 인가되어 생성되는 유도 전기장에 의해 발열 내화물을 발열시킨다. 발열하는 발열 내화물의 온도를 측정하여 [표 1]에 나타내었다. 이때, 발열 내화물로서 흑연을 2중량％ 포함하는 발열 내화물a, 4중량％ 포함하는 발열 내화물b, 15중량％ 포함하는 발열 내화물c 및 22중량％ 포함하는 발열 내화물d를 예시한다. 또한, 고주파 코일에 공급되는 고주파 전원은 51㎑의 주파수를 가지는 고주파 전원을 예시하고, 고주파 코일에 고주파 전원을 공급하는 시간은 2시간을 예시한다.
입력전원
(％, 2㎾기준)		 최대 승온속도
(℃/min)		 최대 발열온도
(℃)
발열 내화물a 20 0.88 30
발열 내화물b 20 3.12 140
30 4.05 206
발열 내화물c 20 16.71 673
40 32.55 1089
60 40.92 1350
발열 내화물d 20 60.5 1490
40 104.5 1810,*OT
60 195.4 *OT
여기서 [표 1]의 *OT는 발열 내화물의 온도가 센서의 측정 한계(약 1800℃)를 넘어서는 것을 의미한다.
도 2는 흑연 함량에 따른 발열 내화물의 발열 온도의 변화를 도시한 그래프 이다.
여기서 MC2는 발열 내화물a 이고, MC4는 발열 내화물b 이며, MC15는 발열 내화물c 이다. 또한, P는 입력전원을 나타낸다. 예컨대 MC2-20%P선은 고주파 코일에 20%의 입력전원이 인가되어 발열 내화물a에 따른 발열 내화물을 발열시키고, 발열 내화물의 발열온도를 측정하여 측정값을 그래프로 도시한 것이다.
도2 및 [표 1]을 참조하면, 발열 내화물에 포함되는 흑연의 중량％가 증가할수록 발열 내화물의 최대 발열온도와 최대 승온속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 작업자는 발열 내화물이 목적하는 발열특성 예컨대 최대 발열온도를 가지도록 발열 내화물에 포함되는 흑연의 중량%를 선택하여 발열 내화물을 용이하게 형성할 수 있다. 예컨대 600℃ 내지 1100℃ 범위의 발열온도를 가지는 발열 내화물부가 예시되는 경우에는 발열 내화물에는 약 15중량%의 흑연이 포함될 수 있다. 본 실시 예에서는 발열 내화물부(220)가 목적하는 발열온도를 가지도록 발열 내화물부(220)의 전체 중량에 대하여 10중량% 내지 20중량% 범위의 흑연을 함유하는 발열 내화물부(220)를 예시한다.
전술하는 제2 용기(200)는 내장 내화물부(210)와 발열 내화물부(220)의 두께비에 따라 발열 내화물부(220)의 열 손실율값이 변화한다.
하기에서는 내장 내화물과 발열 내화물의 두께비에 따른 발열 내화물의 열 손실율을 측정하였다.
마그네시아와 스피넬(MgAl2O4)을 주성분으로 하는 내장 내화물을 형성한다. 내장 내화물의 측면을 둘러싸도록 내장 내화물의 외부에 마그네시아와 흑연을 주성분으로 하는 발열 내화물을 형성하여 블록 내화물(블록 내화물a, 블록 내화물b, 블록 내화물c)을 제작한다. 블록 내화물의 외측에서 블록 내화물을 둘러싸는 고주파 코일을 배치한다. 블록 내화물의 발열 내화물과 내장 내화물의 두께비를 변화시키며 최대발열온도와 열 손실율을 측정한 측정값은 [표 2]와 같다. 이때, 블록 내화물로서 내장 내화물과 발열 내화물의 두께비가 1:0.5로 형성되는 블록 내화물a, 내장 내화물과 발열 내화물의 두께비가 1:1로 형성되는 블록 내화물b 및 내장 내화물과 발열 내화물의 두께비가 1:2로 형성되는 블록 내화물c를 예시한다. 고주파 코일에는 약 2.38㎾, 51㎑의 전원을 공급 가능한 전원공급기가 연결되고, 블록 내화물의 전체 용적은 목적하는 용적 값으로 고정된다.
블록 내화물a 블록 내화물b 블록 내화물c
최대 발열온도(℃) 1015 1084 1182
열 손실율(％) 19.4 29.5 45.2
[표 2]를 참조하면, 내장 내화물의 두께에 대하여 발열 내화물의 두께가 증가할수록 발열 내화물의 최대 발열온도 및 열 손실율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 발열 내화물은 내장 내화물의 두께보다 얇은 두께를 가지도록 제작될 수 있고, 이에 공급전원에 대한 열 손실율을 감소시키고, 발열 효율을 증가시킬 수 있다. 하지만, 발열 내화물이 두께가 얇아지면 발열 내화물 내의 탈탄현상에 의한 흑연 함량의 감소 및 흑연 함량 감소에 의한 내화물 수명 저하에 대응하는 것에 어려움이 있다. 따라서 목적하는 발열 내화물 내의 흑연 함유량을 만족시키기 위해 본 실시 예에서는 제2 용기의 전체 두께에 대하여 25％ 내지 40％의 두께비를 가지는 발열 내화물부(220)를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 발열 내화물과 내장 내화물의 시간에 따른 온도 변화를 도시한 그래프 이다.
상술하는 [표 1] 및 [표 2]를 참조하여 발열 내화물과 내장 내화물로 형성되는 저장용기를 제작하고, 이에 유도 전기장을 인가하여 본 실시 예에서 목적하는 조업 분위기를 조성한다. 내장 내화물 하부의 내측면과 외측면 및 발열 내화물의 하부에 온도센서를 배치, 온도를 측정하여 도 3에 도시하였다. 여기서 TC1은 내장 내화물 하부의 외측면의 온도를 나타내고, TC2는 내장 내화물 하부의 내측면의 온도를 나타내며, TC3는 발열 내화물 하부의 온도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 발열 내화물의 온도는 내장 내화물에 신속하게 전달되어 발열 내화물의 온도변화를 따라 내장 내화물의 온도가 변화하는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 형성되는 제2 용기(200)의 내장 내화물부(210)는 종래에 비하여 용융물 예컨대 용강에 대한 열간 강도가 향상될 수 있다.
하기에서는 발열 내화물로 형성되는 단일 내화물 용기(실시 예1)와 내장 내화물과 발열 내화물의 이중구조로 형성되는 용기(실시 예2)와 내장 내화물로 형성되는 용기(비교 예)를 각각 예시한다. 각각의 용기에 고온의 용융물을 장입하고, 고온의 용융물에 의한 각각의 용기의 압축 강도 변화율을 비교한다.
마그네시아와 흑연을 포함하는 발열 내화물로 형성되는 용기a(실시 예1)를 제작한다. 마그네시아와 스피넬을 포함하는 내장 내화물로 내부가 형성되고, 발열 내화물로 벽체가 형성되어 이중구조를 가지는 용기b(실시 예2)를 제작한다. 내장 내화물로 형성되는 용기c(비교 예)를 제작한다. 각각의 용기(용기a, 용기b, 용기c)의 외측을 둘러싸도록 고주파 코일을 각각 배치하고, 고주파 코일에 고주파 전원을 공급할 수 있는 전원공급기를 각각 연결한다. 발열 내화물로 형성되는 용기a(실시 예1)와 이중구조를 가지는 용기b(실시 예2)에 배치되는 고주파 코일에 전원공급기를 통해 고주파 전원을 인가하고, 이에 발열 내화물로 형성되는 용기a(실시 예1)와 이중구조를 가지는 용기b(실시 예2)를 예열시킨다. 이후 용융물을 장입하고, 용융물과의 접촉에 의한 각 용기의 압축 강도 변화율을 측정한다. 내장 내화물로 형성되는 용기c(비교 예)를 예열시킬 수 있는 별도의 예열수단 예컨대 화염 버너를 통하여 내장 내화물로 형성되는 용기c(비교 예)를 예열시킨다. 이후 용융물을 장입하고, 용융물과의 접촉에 의한 내장 내화물로 형성되는 용기c(비교 예)의 압축 강도 변화율을 측정한다. 각각의 용기의 압축 강도 변화율은 [표 3]과 같다. 이때, 용융물로서 0.5％의 흑연(C)이 함유된 1450℃의 페로망간(FeMn)을 예시하고, 각 용기는 초기 예열을 위해 1000℃로 가열된다. 또한, 각 용기에 장입된 페로망간(FeMn)은 각 용기의 내부에서 가열과 냉각을 반복한다. 여기서 각 내화물로서 72중량%MgO, 18중량%C를 포함하는 발열 내화물 및 65중량%MgO, 35중량%MgAl2O4를 포함하는 내장 내화물을 예시한다. 이때 발열 내화물에는 발열 내화물의 중량의 0.03배의 중량을 가지는 보로라이트(ZrB2)가 첨가된다.
실시 예1 실시 예2 비교 예
승온속도(℃/min) 68.5 66.5 24.9
FeMn 내침식지수 155 100 100
열간선팽창율(%) 1.78 1.98 1.96
C pick-up (1450℃/8hr) 0.28 0 0
압축강도변화율(%) 5 15 68
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 용기의 조업 후 미세구조를 촬영하여 종래와 비교한 사진 이다. 여기서 도 4(a)는 비교 예에 따른 내장 내화물의 조업 후 미세구조를 촬영한 사진이고, 도 4(b)는 실시 예2 에 따른 내장 내화물의 조업 후 미세구조를 촬영한 사진이다. 각 사진은 전자 현미경을 이용하여 촬영되었다.
도 4 및 [표 3]을 참조하면, 실시 예1 에 따른 용기a는 비교 예에 따른 용기c에 비하여 승온속도가 약 2.7배 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 실시 예1 에 따른 용기a는 비교 예에 따른 용기c에 비하여 압축강도변화율이 큰 폭으로 감소한 것을 알 수 있다. 하지만 실시 예1 에 따른 용기a 는 비교 예에 따른 용기c에 비하여 페로망간 용융물의 내침식 지수와 페로망간 용융물로의 탄소(C) 픽업(pick-up)율이 증가하였다. 이에 실시 예1 에 따른 용기a의 내측으로 내장 내화물을 형성하여 실시 예2 에 따른 용기b를 제작하였다. 실시 예2 에 따른 용기b는 실시 예1에 따른 용기a의 승온속도 및 압축강도변화율을 목적하는 범위내로 유지하면서, 실시 예1에 따른 용기a에 비하여 페로망간 용융물의 내침식지수와 페로망간 용융물로의 탄소 픽업 수치를 효과적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
또한, 비교 예에 따른 용기c의 내장 내화물과 페로망간 용융물과의 접촉면의 내화물 골재에는 균열이 발생한 것을 알 수 있다. (도 4(a) 참조) 반면에 실시 예2에 따른 용기b의 내장 내화물과 페로망간 용융물과의 접촉면의 내화물 골재는 그 구조가 변형이 없이 유지되는 것을 알 수 있다. (도 4(b) 참조) 이에, 실시 예들에 따른 용기와 비교 예에 따른 용기의 조업 후 평균압축강도 변화율을 비교하여 보면 본 실시 예에 따른 용기가 비교 예에 따른 용기에 비하여 4배의 강도를 가지는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 유도 가열로의 경우가 예시되었으나, 이외의 다양한 용융물 처리 설비에도 적용될 수 있다. 한편, 본 발명의 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 또한, 본 발명이 해당하는 기술분야에서의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 제1 용기 120: 내화물부
130: 코일부 200: 제2 용기
210: 내장 내화물부 220: 발열 내화물부
400: 단열재 500: 완충재

Claims (12)

  1. 상부가 개방된 공간을 가지고, 내화물부, 상기 내화물부의 외측에 형성되는 외피 및 상기 내화물부 내부의 코일부를 가지는 제1 용기;
    상기 제1 용기의 외측에 위치하고, 상기 코일부에 연결되는 전원공급기;
    상기 제1 용기의 내측으로 형성되며, 상부가 개방된 저장공간을 가지고, 상기 코일부에 의하여 유도되는 전기장에 의하여 발열하는 발열체를 함유하는 제2 용기;
    상기 제2 용기의 상부에 형성되고, 상기 외피의 내측에 위치하며, 10% 내지 30%의 기공율을 가지는 마그네시아질 내화물을 함유하는 완충재; 및
    상기 제1 용기와 상기 제2 용기의 사이에 배치되는 단열재;를 포함하고,
    상기 제2 용기는 상기 저장공간에 노출되는 내장 내화물부 및 상기 내장 내화물부의 외측에 형성되는 발열 내화물부를 구비하며,
    상기 발열 내화물부는 상기 발열 내화물부의 전체 중량에 대하여 10중량％ 내지 20중량％의 상기 발열체를 함유하고, 상기 발열 내화물부의 중량 1에 대하여 0.04배의 중량의 산화방지물질이 첨가되며, 0％ 내지 6％ 범위의 기공율 및 상기 제2 용기의 전체 두께에 대하여 25％ 내지 40％의 두께를 가지도록 형성되고,
    상기 단열재는 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 함유하고, 1300℃를 하한으로 하는 내열범위를 가지는 절연 세라믹 섬유를 포함하며,
    상기 발열체는 흑연을 포함하고,
    상기 산화방지물질은 알루미나 및 보로라이트(ZrB2)를 포함하는 유도 가열로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 용기는 복수의 내화물 블록으로 구성되거나 또는 단일 내화물로 구성되는 유도 가열로.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 내화물부의 입도는 5㎜ 이하인 유도 가열로.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 내화물부는 SK32 이상의 내화도를 가지는 유도 가열로.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일부가 차지하는 면적은 상기 발열 내화물부의 외부 면적에 대하여 60％ 내지 90％ 의 범위를 가지는 유도 가열로.
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