KR101513985B1 - 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소실 일측에 형성된 메인 도어, 연소실 타측에 형성된 플루 도어, 연소실 내부의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 덕트, 상기 배기 덕트의 입구측과 연결되고, 상기 플루 도어를 통하여 연소실 내부로 원재료가 장입되는 장입공간 및 배기 덕트의 출구측에 연결되어 배기 가스의 폐열을 회수하는 열교환기를 포함하며, 연소실 내부의 배기 가스의 폐열은 1차적으로 장입공간에 놓인 원재료를 예열 또는 용해한 후, 상기 열교환기로 유입되어 2차적으로 회수되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로를 제공한다.
본 발명에 따르면, 적절한 크기/용량의 용해로를 설계하면, 상기 장입공간에 투입된 원재료를 배기 가스의 폐열을 이용하여 용해시켜 후속의 보온로에서 필요한 용탕을 공급할 수 있음에 따라 메인 도어를 전혀 개방하지 않고, 메인 도어 보다 개방 범위가 훨씬 작은 플루도어만을 개방하여 원재료를 투입할 수 있음으로 원재료 장입시 열 손실을 최소화하여 에너지를 절감할 수 있다.

Description

폐열을 이용하는 알루미늄 용해로{ALUMIUM MELTING FURNACE USING FLUE GAS}

본 발명은 알루미늄 용해로에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 연소실 내부에 연소 버너로부터 배출되는 열에 의하여 원재료가 연소된 후, 배기 덕트를 통하여 배출되는 배기 가스가 가지고 있는 폐열을 이용하여 알루미늄을 용해시킬 수 있는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로에 관한 것이다.

알루미늄 용해로는 알루미늄(Al)을 일정한 크기로 성형한 인고트 또는 스크랩을 대략 850 ~ 1100℃ 정도의 고열로 용해시키는 설비이다. 통상 용해로에서 용융되는 알루미늄 용탕은 보온로 등에 담아두면서, 필요시 알루미늄 용탕을 형틀 등에 부어 다이케스팅이나 주물 작업으로 알루미늄 관련 제품을 생산하게 된다. 한편, 근래에 알루미늄을 이용한 알루미늄 합금은 주조성,가공성 및 비강도가 다른 금속보다 우수하여 각종 구조재료와 기계부품으로 널리 사용되고 있으며, 현재 그 사용량이 점차 증가되고 있는 실정인데, 특히 알루미늄 합금은 비용적인 면에서는 부담이 되지만 초경량의 구조재료나 부품을 생산할 수 있기 때문에, 그 사용이 증대되고 있는 것이다.

배기 가스(또는 플루 가스)가 가진 폐열을 이용하여 알루미늄 등의 금속을 용해하는 기술과 관련된 선행기술로 대한민국공개특허공보 제2003-0003299호의 "알루미늄 복합용해로"가 개시되어 있다. 상기 선행기술은 내화물로 내벽을 이루는 통상의 알루미늄 용해로에 있어서, 도어가 장착된 소재투입구와 소재를 용해시키는 버너와 연소가스가 배출되는 배출구에 배기구가 설치된 용해타워와, 상기 용해타워의 하단에 결합되어져 상기 소재를 받히고 용해된 용탕이 흘러내리도록 한 로스톨케이싱과, 상부가 개방되는 보온실의 일측 상단에 상기 로스토케이싱이 결합되어 용탕이 인입하고 타측부에는 용탕의 일정한 온도를 유지하는 발열체와 용탕을 인출할 수 있는 인출구가 구비된 본체로 이루어져 있는 알루미늄 복합 용해로가 개시되어 있다.

상기 선행기술의 알루미늄 복합 용해로는 용해로 상부에 위치한 소재 투입구를 통해 소재가 로스톨케이싱상에 위치한 후, 용해타워 내부 온도에 의하여 투입된 소재가 예열되어 적은 열량으로 소재를 용융함으로써 열효율을 증가시키고 급속용해가 가능하다. 그러나 상기 선행기술은 소재를 투입하는 경우, 상부에 위치한 소재 투입구를 개폐하여야 하므로 용해타워내에 있는 열이 외부로 방출되어 소재 투입구의 개폐에 따른 열손실이 발생한다는 문제점이 있다.

한편 보통의 알루미늄 용해로에 있어서 연소실 내부에 장입된 알루미늄 잉곳을 용용하기 위한 버너가 좌측 또는 우측에 설치되면, 전면(메인 도어부가 위치함)을 제외한 다른 측면에 배기 가스 배출 덕트를 구성하는 것이 일반적이다. 예를 들어 연소실의 오른쪽에 버너를 장착하고 그 맞은 편인 왼쪽에 배기 가스 배출 덕트를 설치하면, 버너의 화염이 배기 가스 배출 덕트를 통하여 곧 바로 배출되면서 열 손실이 크고, 배기 가스 배출 덕트에 구성된 로내 압력 제어용 댐파가 배기 가스의 열에 직접적으로 노출되어 내구성이 약해져 교체 주기가 짧아질 수 있다. 또한 상기 배기 가스로부터 폐열을 회수하기 위하여 연소실 내부로부터 배출되는 배기 가스 배출 덕트와 연결되는 열복사형 열 교환기가 사용되고 있다.

그러나 상기 열복사형 열 교환기를 통하여 연소실에서 발생하는 배기 가스의 폐열을 이용하는 것이 한계가 있으며, 또한 원재료 장입시 개방 범위가 넓은 메인 도어를 개방하지 않고서도 보온로 등에 공급하는 양 만큼의 공급 용탕을 배기 가스를 이용하여 확보할 수 있는 알루미늄 용해로의 개발이 필요하다 할 것이다.

1. 대한민국 공개특허공보 제 2003-0003299호(2003.01.10. 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연소실에서 발생하는 배기 가스를 이용하여 알루미늄을 용해함과 동시에 원재료 장입시 열 손실을 최소화 할 수 있는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예인 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로는 연소실 일측에 형성된 메인 도어, 연소실 타측에 형성된 플루 도어, 연소실 내부의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 덕트, 상기 배기 덕트의 입구측과 연결되고, 상기 플루 도어를 통하여 연소실 내부로 원재료가 장입되는 장입공간, 배기 덕트의 출구측에 연결되어 배기 가스의 폐열을 회수하는 열교환기 및 장입장치를 통하여 알루미늄 건조칩이 장입되는 장입실, 장입실에 장입된 알루미늄 건조칩이 침지되어 용융된 용탕을 순환터널을 통하여 연소실 내부로 공급하는 용탕펌프를 포함하는 오픈 웰부를 포함하며, 연소실 내부의 배기 가스의 폐열은 1차적으로 장입공간에 놓인 원재료를 예열 또는 용해한 후, 상기 열교환기로 유입되어 2차적으로 회수되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 배기 덕트는 상기 배기 덕트는 연소 버너가 장착된 연소실 측면과 인접한 영역에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 장입공간에 놓인 원재료로부터 공급되는 용탕이 소정의 공급량에 도달하는 경우, 메인 도어를 개방하여 원재료를 장입할 필요없이 플루 도어만을 개방하여 원재료를 장입하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 오픈 웰부는 장입공간에 놓인 원재료로부터 공급되는 용탕이 소정의 공급량에 도달하지 않은 경우, 연소실 내부에 부족한 만큼의 용탕을 보충하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 연소실 내부의 배기 가스가 배출되는 배기 가스 배출 덕트 입구에 원재료(알루미늄 잉곳 또는 합금 잉곳)를 장입할 수 있는 장입공간을 형성하고, 상기 장입공간에 원재료를 연소실 측면에 형성된 플루 도어를 통하여 간편하게 장입할 수 있다.

또한 상기 장입공간에 투입된 원재료를 배기 가스의 폐열을 이용하여 예를 들어 시간당 3~5톤 정도 용해시켜 용해로 내부로 보온로에 출탕할 용탕을 공급할 수 있음에 따라 메인 도어를 전혀 개방하지 않고, 메인 도어 보다 개방 범위가 훨씬 작은 플루도어만을 개방하여 원재료를 투입할 수 있음으로 원재료 장입시 열 손실을 최소화하여 에너지를 절감할 수 있다.

또한 배기 가스가 장입공간에 놓인 원재료를 먼저 용해시킴에 따라 1차로 폐열을 회수한 후 열교환기로 배출되어 열교환기에서 2차로 폐열을 회수함으로써 에너지 절약율을 더욱 높일 수 있다.

또한 장입공간 및 오픈 웰부를 통하여 연소실 내부로 주조로(또는 보온로)로 이탕시 필요한 소정의 양만큼의 용탕을 공급할 수 있음으로 배기 가스의 폐열을 이용하여 에너지를 절감할 수 있음과 동시에 단조 공정시 발생하는 알루미늄 칩 또는 스크랩(재활용 원자재) 등을 재처리 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 메인 도어측에서 바라본 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 플루 도어측에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 웰부에 건조칩이 장입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.

따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 메인 도어측에서 바라본 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 플루 도어측에서 바라본 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 용해로의 평면도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 용해로(1000)는 플루 도어(220)를 통하여 원재료를 장입할 수 있는 장입공간(210)이 연소실(100) 내부의 일측에 연장되어 형성될 수 있다. 장입공간(210)은 연소실(100) 내부 공간과 연결되며, 장입공간(210)의 상부는 연소실(100) 내부에서 발생되는 배기 가스(20)를 배출하기 위한 배기 덕트(310)와 연결될 수 있다. 장입공간(210)이 설치되는 영역은 연소실 내부 공간과 연결되도록 연소실의 어느 한 측면에 형성될 수 있으며, 배기 덕트(310)가 설치되는 위치에 따라 결정될 수 있다.

연소실(100) 내부에 있는 배기 가스(20)를 배출하기 위한 배기 덕트(310)는 메인 도어 위치, 연소 버너 위치 및 연소실 내부 구조 등에 따라 연소실(100) 일측에 연결될 수 있다. 도 3을 참조하면, 연소 버너(110)로부터 토출되는 화염이 직접적으로 배기 덕트(310)의 입구로 토출되는 경우 열이 곧 바로 배기 덕트를 통하여 빠져나가 열손실이 크다. 따라서 배기 덕트(310)는 연소 버너(110)가 설치된 연소실 측면과 인접한 영역에 설치될 수 있다. 연소 버너(110)가 연소실(100)의 일측면(여기서는 메인도어가 설치된 측면과 반대 측면)에 설치되는 경우, 배기 덕트(310)의 입구(311) 방향으로 화염이 직접적으로 유입되지 않도록 연소 버너(110)가 설치된 측면과 인접한 연소실(100)의 일측 영역(화염 토출 범위에서 벗어난 영역)에 설치될 수 있다.

따라서 연소 버너(110)로부터 토출되는 화염에 의하여 원재료를 용융 후 발생하는 배기 가스(20)는 연소실(100) 내부를 한 바퀴 휘돌아 순환하면서 연소 버너(110)가 설치된 연소실(100) 측면과 인접한 영역에 설치된 배기 덕트(310)를 통하여 배출됨으로써 에너지 효율을 증대시킬 수 있다. 또한 연소 버너(110)와 배기 덕트(310)가 인접 영역에 설치되므로 배기 덕트 내에 있는 로내 압력 제어용 댐퍼 브레이도 직접 연소 버너의 화염에 의한 열을 받지 않아 내구성이 높아져 교체 주기가 길어지므로 유지 비용이 감소될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 배기 가스(20)는 연소실 내부에서 850 ~ 1100℃로 장입공간(210)에 장입된 원재료(230)를 용융시킬 수 있다. 배기 가스(20)는 연소실(100) 내부를 순환한 후 장입공간(210) 및 배기 덕트(310)를 통하여 열교환기(도 2의 400참조)로 유입된다. 장입공간(210)을 갖는 알루미늄 용해로(1000)는 1차적으로 배기 덕트(310)를 통하여 배출되는 배기 가스(20)의 폐열을 이용하여 장입공간(210)에 장입된 원재료(230)를 용융시킴으로써 생성된 용탕(231)은 연소실 내부로 흘러 들어가 합탕될 수 있다. 즉 알루미늄 용해로(1000)는 보온로 등으로 이탕에 필요한 소정의 공급량 만큼의 용탕을 생산하기 위하여 연소 버너의 가동에 의할 뿐 아니라, 추가적으로 배기 가스의 폐열을 이용하여 장입공간에 있는 원재료를 용융시킬 수 있음으로 배기 가스에 의하여 공급되는 용탕량 만큼의 에너지를 절감할 수 있다.

플루 도어(220)는 상기 장입공간(210)에 지게차 등을 이용하여 원재료(230)를 용이하게 투입하기 위한 도어로 장입공간(210)에 원재료 투입시 연소실(100) 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 최소화하기 위하여 메인 도어(도 3의 120 참조)의 개방 범위보다는 작은 즉 지게차에 위한 투입시 작업이 가능한 최소한의 개방 범위를 갖도록 형성될 수 있다.

한편 알루미늄 용해로(1000)는 배기 가스의 폐열을 이용하여 장입 공간(210)에 추가적으로 장입된 원재료(210)를 용융시켜 예를 들어 시간당 3톤 ~ 5톤 정도의 용탕을 공급할 정도로 도달하는 경우(용해로 설계에 따라 공급용량은 달라질 수 있음), 메인 도어(도 3의 120 참조)를 통하여 원재료를 공급할 필요없이 플루 도어(220)만을 통하여 장입공간(210)에 원재료를 장입하는 공정만으로 용해로에서 보온로 등으로 이탕되는 소정의 양 만큼의 용탕이 보충될 수 있다. 이는 장입공간(210)에 플루 도어(220)만을 개방하여 원재료를 장입하여 필요한 소정의 양 만큼의 용탕을 생산할 수 있음으로 플루 도어(2220)보다 개방 범위가 큰 메인 도어(도 3의 120 참조)를 개방할 필요가 없다. 따라서 메인 도어의 개방에 따라 연소실 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 원천적으로 방지함으로서 에너지를 획기적으로 절감할 수 있다.

여기서 장입공간을 갖는 본 발명의 알루미늄 용해로(1000)는 타워를 갖는 급속용해로의 배기가스의 폐열을 이용하여 원재료를 용해하는 것을 대비하면, 급속 용해로는 타워로 장입되는 합금괴를 용해하기 위하여 타워 존으로 배출되는 배기 가스의 폐열에 소형 버너를 별도로 장착하여 원재료를 용해하나, 본 발명의 알루미늄 용해로(1000)는 연소실에서 연소 후 배출되는 순수한 배기 가스를 이용하고 있다.

도 2를 참고하면, 알루미늄 용해로(1000)는 배기 덕트 출구(312)에 연결되어 배기 가스로부터 열을 회수하여 다시 연소실 내부로 공급할 수 있는 열교환기(400)를 포함할 수 있다. 따라서 장입공간(210)이 형성되어 있는 알루미늄 용해로(100)는 배출되는 배기 가스의 폐열을 이용하여 1차적으로 상기 장입공간(210)에 놓인 원재료(210)를 예열 또는 융융시키고 2차적으로 배기 덕트 출구와 연결되는 열교환기(400)를 통하여 배기 가스의 폐열을 한번 더 회수하여 에너지를 절감할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 알루미늄 용해로(1000)는 장입된 알루미늄 건조칩을 용융하여 생성되는 용탕을 연소실(100) 내부로 공급할 수 있는 오픈 웰부(500)를 포함할 수 있다.

오픈 웰부(500)는 알루미늄 건조칩이 장입되는 장입실(520), 장입실(520)에 장입된 알루미늄 건조칩이 침지되어 용융된 용탕을 순환터널(도 1의 120참조)을 통하여 연소실 내부로 공급하는 용탕펌프(520)를 포함한다. 여기서 순환터널은 장입실과 연소실 내부, 연소실 내부와 용탕펌프 및 용탕펌프와 장입실간에 다수의 터널이 형성될 수 있다. 따라서 용탕펌프에 의하여 용탕은 장입실, 연소실 내부, 용탕펌프 및 장입실로 순환함으로써 장입실에 투입된 건조칩은 침지된 상태로 순환되는 용탕의 흐름에 따라 용해될 수 있다.

오픈 웰부(500)는 장입공간(210)에 장입된 원재료가 연소실(100)로부터 배출되는 배기 가스에 의하여 용융되어 생성되는 용탕의 공급량이 보온로 등으로 이탕되는 소정의 양만큼에 도달하지 않은 경우, 연소실 내부에 부족한 만큼의 용탕을 보충할 수 있다. 따라서 배기 가스의 폐열을 이용하여 장입공간으로부터 충분한 용탕을 공급하지 못하는 경우, 오픈 웰부(500)는 외부로부터 장입실로 투입되는 알루미늄 건조칩을 용융시켜 생성된 용탕을 연소실 내부로 공급함으로써 더욱 더 메인 도어를 개방할 필요가 없음에 따라 열손실을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 웰부에 건조칩이 장입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 오픈 웰부(500)의 장입실로 재활용할 수 있는 건조칩을 장입하기 위한 장입장치(600)는 단조 공정에 의하여 엔진, 자동차 휠 등의 제조시 발생하는 알루미늄 칩 등을 재활용하기 위하여 처리된 알루미늄 건조칩을 운송하는 컨베이어(620), 컨베이어로부터 이송되는 건조칩을 저장하는 호퍼(610) 및 상기 호퍼(610)의 하부에 위치하고, 호퍼로부터 공급된 건조칩을 장입실로 가이드하는 피더(600)를 포함한다. 오픈 웰부(500)를 포함하는 알루미늄 용해로(1000)는 단조 공정에 의하여 발생하는 알루미늄 칩을 재활용하기 위하여 현장에서 발생한 알루미늄 칩을 수거하여 건조칩으로 제조한 후 상기 장입장치(600)를 통하여 건조칩을 오픈 웰부(500)에 투입할 수 있다.

온실가스 규제에 따른 알루미늄의 수요 증가에 따라 단조 공정시 발생하는 알루미늄 칩, 또는 음료수 캔, 폐자동차 피스톤, 휠 등의 알루미늄 스크랩을 수거한 후, 간편하게 오픈웰 부에 장입하여 필요한 용탕을 연소실 내부로 공급할 수 있음으로 필요한 만큼의 용탕을 공급할 수 있다.

따라서 본 발명의 알루미늄 용해로(1000)는 장입공간(220) 및 오픈 웰부(500)를 통하여 연소실 내부로 이탕시 필요한 소정의 양만큼의 용탕을 공급할 수 있는 복합형 용해로로써 배기 가스의 폐열을 이용하여 에너지를 절감할 수 있음과 동시에 단조 공정시 발생하는 알루미늄 칩 또는 스크랩(재활용 원자재) 등을 재처리 할 수 있다.

이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10:용탕 20:배기 가스
100:연소실 110:연소버너
120:순환터널 130:메인도어
210:장입공간
220:플루 도어 230:원재료
310:배기 덕트 311:배기 덕트 입구
312:배기 덕트 출구 400:열교환기
500:오픈 웰부 510:용탕펌프
520:장입실 600:장입장치
610:호퍼 620:호퍼
630:컨베이어
1000:알루미늄 용해로

Claims (5)

1. 연소실 일측에 형성된 메인 도어,
   연소실 타측에 형성된 플루 도어,
   연소실 내부의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 덕트,
   상기 배기 덕트의 입구측과 연결되고, 상기 플루 도어를 통하여 연소실 내부로 원재료가 장입되는 장입공간,
   배기 덕트의 출구측에 연결되어 배기 가스의 폐열을 회수하는 열교환기 및
   장입장치를 통하여 알루미늄 건조칩이 장입되는 장입실, 장입실에 장입된 알루미늄 건조칩이 침지되어 용융된 용탕을 순환터널을 통하여 연소실 내부로 공급하는 용탕펌프를 포함하는 오픈 웰부를 포함하며,
   연소실 내부의 배기 가스의 폐열은 1차적으로 장입공간에 놓인 원재료를 예열 또는 용해한 후, 상기 열교환기로 유입되어 2차적으로 회수되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배기 덕트는 연소 버너가 장착된 연소실 측면과 인접한 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 장입공간에 놓인 원재료로부터 공급되는 용탕이 소정의 공급량에 도달하는 경우, 메인 도어를 개방하여 원재료를 장입할 필요없이 플루 도어만을 개방하여 원재료를 장입하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 오픈 웰부는 장입공간에 놓인 원재료로부터 공급되는 용탕이 소정의 공급량에 도달하지 않은 경우, 연소실 내부에 부족한 만큼의 용탕을 보충하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 알루미늄 용해로.

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