KR101951805B1 - 용탕배출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 용융로, 플라즈마 아크용융로 및 유도가열 저온용융로 등의 용융로 내의 용탕을 용이하게 배출하기 위한 용탕배출 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 용탕배출장치에 저항체 발열히터를 적용하여, 용이하게 지속적인 용탕 배출이 가능하며, 불순물이 용탕의 배출구입구를 막는 현상도 줄일 수 있으며, 전원차단만으로도 용이하게 배출의 중단도 가능하여, 용융로의 배출을 용이하게 하여 용융로의 폐기물 처리 운전 시간을 크게 증가시킬 수 있어 경제적 효과도 우수하다.

Description

용탕배출 장치 {MELT DISCHARGING DEVICE}

본 발명은 세라믹 용융로, 플라즈마 아크용융로 및 유도가열 저온용융로 등의 용융로 내의 용탕을 용이하게 배출하기 위한 장치에 관한 것이다.

유해성폐기물, 특히 원자력 발전 등을 통해 나오는 방사성 폐기물을 보다 안정적으로 처리, 보관 및 관리하는 것은 매우 중요한 문제이다. 이러한 유해성 폐기물을 처리하는 방법으로서, 압축, 소각, 및 시멘트고화 등 다양한 기술들이 적용되고 있으나, 각 기술은 감용비가 적고, 침출수 등의 2차 피해도 발생할 가능성이 높은 문제가 있었다. 그러던 중 몇몇 국가를 중심으로 유해성 폐기물을 처리, 보관하는 방법 중에서 유도가열식 저온용융로 등을 이용하여 유해성폐기물을 연소시키고 중금속을 용융하여 유리와 함께 유리고화체로 만들어 유리 구조 속에 가두어 주변 환경으로 침출되지 않도록 하여 격리시키는 용융로 유리화 기술이 개발되어 왔다.

종래에 사용되고 있는 용융로는 대부분 상부배출을 기본으로 한다. 용탕 배출방법에는 용융로를 기울여 상부에서 배출하는 틸팅방식과 용융로를 고정한 채로 하부 또는 측면에서 배출하는 하부배출방식이 있다.

상부배출방식은 용융로 뚜껑을 열고 배출함으로 폐기물 용융로가 아닌 일반작업장에서는 가능하나 방사성폐기물처리, 유해성폐기물처리, 슬러지처리 등은 유해성가스에 의한 작업환경에서 용탕배출시 배기가스 처리공정을 준수해야하는 문제가 있는 등 작업조건이 까다로워 용융로 하부배출방식을 주로 이용하고 있다.

종래 용탕배출장치에 일부 적용되고 있는 유도가열 방식은 운전장치 설비가 복잡한 문제가 있었다. 또한, 고주파에 의한 전자파 안전관리에도 많은 주의가 필요하며, 유도가열시 냉각수 공급이 필수적이어서, 누수가 발생할 가능성도 있었다.

종래의 배출주기는 1회에 전량을 배출하는 전량 배출주기와 운전중 필요한 양을 일정하게 배출하는 정량배출방식이 있으나, 운전중 지속적으로 끝날 때까지 지속적으로 배출을 하는 방식은 개발되지 않았다.

또한, 종래의 유해성 폐기물의 용탕을 배출함에 있어서, 용융로 바닥부에 형성된 이물질이 배출구를 통해 용탕배출시 배출구 직경보다 클 경우 이물질이 배출구를 막는 것을 방지하기 위한 수단이 없었다.

한국 등록특허 제10-1680821호(2016.11.23. 공고) 한국 등록특허 제10-1457368호(2014.11.03. 공고) 한국 공개특허 제10-2005-0000922호(2005.01.06 공개)

본 발명의 목적은 용융로 용탕을 배출하기 위한 구조로서, 유해성 폐기물의 용탕 내의 용탕 배출구보다 큰 폐기물 입자가 배출구를 막는 것을 방지하도록 하며, 용탕을 지속적으로 배출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 용탕 배출 장치를 제공하고자 함에 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 해결수단으로서, 용융로의 용탕배출 장치로서, 금속 재질로 되어 있으며, 상단의 깔때기부와 상기 깔때기부 하부로부터 연장되어 형성된 관부를 포함하는 금속배출유닛, 상기 관부를 감싸도록 배치된 저항발열히터, 상기 저항발열히터에 전원을 공급하기 위한 파워단자, 상기 저항발열히터를 감싸도록 배치된 몰드를 포함하는 용탕배출 장치에 의해 달성된다.

상기 저항발열히터는 2중 나선부를 포함하며, 상기 2중 나선부는 상기 저항발열히터의 상단에서는 이격되어 있으며 상기 저항발열히터의 하단에서는 연결되어 있을 수 있다.

상기 파워단자는 상기 저항발열히터의 상단과 결합되며, 상기 저항발열히터 상단과 상기 관부의 사이에 위치하는 절연체인 세라믹부싱을 더 포함할 수 있다.

상기 몰드는 내화 캐스터블 몰드이며, 상기 파워단자의 적어도 일부는 상기 몰드에 매립된 형상일 수 있다.

상기 금속배출유닛의 깔때기부에는 적어도 하나 이상의 홈이 형성되어 있을 수 있다.

상기 홈의 폭은 상기 관부의 직경보다 작을 수 있다.

상기 용융로는 내부에 용융공간이 형성되어 있으며, 상기 금속배출유닛은 상기 깔때기부의 적어도 일부가 상기 용융로 용융공간 바닥부로부터 돌출되도록 배치될 수 있다.

상기 금속배출유닛은 인코넬 690을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 저항발열히터는 탄화규소 발열체를 포함할 수 있다.

상기 저항발열히터는 상기 관부로부터 적어도 일부가 이격되어 배치될 수 있다.

상기 관부의 하단은 상기 저항발열히터 하단으로부터 적어도 10mm 이상 길게 형성될 수 있다.

본 발명에서 용탕배출장치에 저항체 발열히터를 적용하여, 용이하게 연속적으로 용탕 배출이 가능하며, 불순물이 용탕의 배출구입구를 막는 현상도 줄일 수 있으며, 전원차단만으로도 용이하게 배출의 중단도 가능하여, 용융로의 배출을 용이하게 조절하여 용융로의 운전시간을 크게 증가시킬 수 있어 경제적 효과도 우수하다. 또한 기존의 유도가열 방식에 비해 운전장치가 단순하고, 고주파에 의한 전자파 문제도 없으며, 냉각수 공급이 필요 없어 누수로 인한 위험도 없다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치를 포함하는 용융로의 수직단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 부분절개 사시도 및 부분적 수직단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저항발열히터 및 파워단자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 사시도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

유해성 폐기물, 특히 방사성 폐기물을 용융하여 유리화 또는 슬러지화하는 설비에는 플라즈마 세라믹용융로, 플라즈마 저온용융로, 플라즈마 아크용융로, 유도가열 저온용융로, 유도가열 고온용융로, 전극가열 세라믹용융로, 및 전기용해로 등이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치를 포함하는 용융로의 수직단면도를 나타낸 것이다. 본 발명의 용탕배출장치(10)는 용융로 용융공간의 바닥부 또는 하부에 위치한다. 일반적으로 유해성 폐기물을 용융시켜 유리화하거나 슬러지화하는 설비에서는 유해성 폐기물을 용융로 상부로 투입하며, 용융로 내에서 용융되어 용탕은 중력에 의해 용융로 내의 하부에 위치하게 된다. 따라서 하부배출방식을 이용하는 용탕배출장치는 대부분 용융로 하부에 위치하며 간혹 측면의 하부에 형성되기도 한다. 용융로의 바닥부는 도면에서와 같이 평면형상일 수 있으며, 용탕배출을 원활하게 하기 위해 부분적으로 경사진 형태를 이용하기도 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 분해사시도를 나타낸 것이다. 외부의 몰드는 이해를 돕고자 생략하였다. 도 2에서 도시된 것과 같이 본 발명의 용탕배출장치는 금속배출유닛(100), 저항발열히터(200), 파워단자(300) 및 몰드(400) 등 크게 네부분으로 이루어져 있다.

금속배출유닛(100)은 금속재질로 되어 있으며, 상단의 깔때기부(110)와 상기 깔때기부(110) 하부로부터 연장되어 형성된 관부(120)를 포함한다. 깔때기부(110)가 금속재질인 것은 고온의 용탕을 견디기 위함과 동시에 외부에 위치한 저항발열히터(200)로 부터 발생된 열을 잘 전달하기 위한 목적도 있다. 금속재질 중에서도 특히 1300℃이상의 온도에서 큰 변화가 없는 재질이어야 하며, 인코넬 690이 가장 바람직하다. 인코넬 690은 원전용 재료로도 사용되며, 기존 인코넬 600에 비해 크롬이 2배 이상 많이 포함되어 균열 등에 강한 것으로 알려진 초합금이다.

저항발열히터(200)는 금속배출유닛(100)의 관부(120)를 감싸도록 배치되며, 몰드(400)는 저항발열히터(200)를 감싸도록 배치된다. 몰드는 캐스팅이 가능한 캐스터블 몰드가 바람직하다. 파워단자(300)는 외부의 전원부(미도시)와 연결되어 저항발열히터(200)에 전원을 공급하는 역할을 하며, 저항발열히터(200)의 상단부를 제외한 다른 부분에 접촉하지 않도록 몰드를 캐스팅할 때 몰드 내부에 적어도 일부가 매립되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3의 (a)는 본 발명의 용탕배출 장치를 부분적으로 절개한 상태를 나타낸 사시도이며, (b)는 부분적으로 절개한 상태를 나타낸 수직단면도이다. 몰드(400)는 저항발열히터(200) 보다 길게 형성하는 것이 좋으며, 깔때기부(110)의 적어도 일부는 몰드로부터 돌출된 형태로 몰드를 형성한다. 도시된 바와 같이 깔때기부(110)에는 부분적으로 패인 형태의 홈(111)을 포함한다. 도 1에서와 같이 깔때기부(110) 측부의 일부는 용융로 바닥부에서 돌출되는 형태로 설치되며, 이를 통해 바닥에 가라앉은 불순물 등이 금속배출유닛(100)의 용탕배출구로 배출되지 않도록 막아주는 역할을 한다. 그러나 홈(111)이 없으면 바닥부의 용탕은 배출을 할 수 없는 문제가 있다. 따라서 도면에서와 같이 바닥면과 유사한 높이를 갖도록 깔때기부의 측부로부터 깔때기부 중앙의 배출구로 홈(111)을 내면 바닥부의 용탕도 배출이 가능해진다. 이 때 홈(111)의 폭은 금속배출구의 직경보다 작게 형성한다. 이를 통해 바닥면의 불순물 찌꺼기에 의해 용탕배출구가 막히는 문제를 미리 예방할 수 있다. 깔때기부(110)에 형성된 홈(111)의 개수는 특별히 한정되는 것은 아니나 4~8개가 깔때기로서의 역할과 홈의 기능을 모두 충족하면서도 고온에서의 강도유지가 가능한 것으로 파악되었다.

도 3의 (b)에서 도시한 바와 같이, 상기 관부(120)의 하단은 상기 저항발열히터(200) 하단으로부터 적어도 10mm 이상 길게 형성되는 것이 바람직하다. 관부(120)가 저항발열히터(200) 보다 짧을 경우 배출금속 용탕이 발열히터와 접촉하여 아크가 발생할 가능성이 있으며, 이로 인해 전원이 차단될 수 있다.

도 4의 (a)는 본 발명에서의 파워단자(300)와 저항발열히터(200)가 체결된 형태의 일실시예를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 저항발열히터(200)의 상단과 파워단자(300)의 상단부가 결합되어 있는 형태이다. 저항발열히터(200)의 상단의 단면은 반원의 외호에 가까운 형상을 가진 2개의 저항발열히터 단부를 포함하며, 각각의 단부에는 파워단자(300)가 하나씩 연결되어 있다. 파워단자(300)의 상단부는 저항발열히터와의 결합을 용이하게 하기 위해 저항발열히터의 외측단부 형상에 맞게 반원형 외호의 접촉면을 포함하도록 형성된다. 전기적 결합을 용이하게 하기 위해 각각의 파워단자 상측의 접촉부는 사이에 저항발열히터에 접촉된 채로 조인트 볼트에 의해 결합된다. 그러나 조인트 볼트의 적어도 일부는 절연되어 각가의 파워단자(300)는 전기적으로 직접 연결되지 않으며, 저항발열히터(200)를 통해 전기적으로 연결되도록 하여 저항발열히터(200)에 전원이 공급되어 발열할 수 있도록 한다. 상기 조인트 볼트의 결합시 저항발열히터의 상단부에 힘이 가해지면 깨질 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해 절연체인 세라믹부싱(500)을 더 포함할 수 있다.

도 4의 (b)는 저항발열히터(200)를 나타낸 사시도이다. 도시된 바와 같이 상측 단부의 각각의 반원부로 부터 나선형상을 이루어 하단부로 내려가며 하단부에서 연결된다. 이에 따라 저항발열히터(200)의 중간부분은 이중 나선 형상의 2중 나선부를 포함하게 된다. 이러한 형상을 통해 파워단자(300) 중 일측에서 공급된 전원이 연결된 일측의 나선을 통해 하단부로 연결되고 다시 하단부에서 다른 나선부를 통해 올라와 다른 측의 파워단자를 통해 나가는 전기연결 구조이다.

저항발열히터(200)를 코일형으로 하는 것은, 니크롬 열선히터와 같이 짧은 공간에 열선을 많이 감을 수 있어 온도를 높게 할 수 있고, 이로 인해 용탕을 짧은 시간 내에 신속하게 배출할 수 있게 된다.

본 발명에서의 저항발열히터는 탄화규소(SiC) 히터를 사용하였다. 탄화규소 발열체는 저항발열체 중 비교적 고온 발열이 가능한 물질이며 강도도 크며 열적 안정성 및 발열성능도 우수한 물질이다. 탄화규소(SiC) 히터를 저항발열체로 사용하게 되면 배출관 히팅 구조가 단순해지면서도 균일한 고온의 가열이 가능해지는 장점이 있다.

저항발열히터는 관부(120) 및 몰드(400)와 직접적으로 접촉되지 않으며 이격되어 설치되는 것이 바람직하다. 관부(120)는 금속재질이므로 접촉이 되면 전기가 통전되어 쇼트가 발생하거나 국부가열이 되어 금속배출유닛(100)이 오작동하거나 고장날 수 있고 내화재인 몰드에 접촉하게 되면 내화재 성능이 급격하게 떨어질 수 있어 이격되는 것이 바람직하다. 상기에서 설명한 세라믹부싱(111)을 통해 저항발열히터가 관부(120)와 이격될 수 있도록 해준다.

상기와 같은 용탕배출장치에 의해 유해성 폐기물의 용탕을 용이하게 배출할 수 있으며, 지속적인 배출이 가능해져 용융로의 폐기물 처리시간을 크게 늘릴 수 있어 매우 효율적이며, 경제적이다.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 용융로의 용탕배출 장치로서,
   금속 재질로 되어 있으며, 상단의 깔때기부와 상기 깔때기부 하부로부터 연장되어 형성된 관부를 포함하는 금속배출유닛;
   상기 관부를 감싸도록 배치된 저항발열히터;
   상기 저항발열히터에 전원을 공급하기 위한 파워단자;
   상기 저항발열히터를 감싸도록 배치된 몰드; 를 포함하며,
   상기 저항발열히터는 2중 나선부를 포함하며, 상기 2중 나선부는 상기 저항발열히터의 상단에서는 이격되어 있고, 상하단에서는 연결되어 있으며,
   상기 파워단자는 상기 저항발열히터의 상단과 결합되며, 상기 저항발열히터 상단과 상기 관부의 사이에 위치하는 절연체인 세라믹부싱을 더 포함하며,
   상기 용융로는 내부에 용융공간이 형성되어 있으며, 상기 금속배출유닛은 상기 깔때기부의 적어도 일부가 상기 용융로 용융공간의 바닥부로부터 돌출되도록 배치되며,
   상기 금속배출유닛의 깔때기부에는 4 내지 8개의 홈이 형성되어 있으며, 상기 홈은 상기 깔때기부의 측면으로부터 중앙의 관부까지 연장되어 형성되어, 상기 용융로 용융공간 바닥부에서 상기 깔때기부 측면의 용탕이 관부로 흐를 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 용탕배출장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 몰드는 내화 캐스터블 몰드이며,
   상기 파워단자의 적어도 일부는 상기 몰드에 매립된 형상인 것을 특징으로 하는 용탕 연속배출 장치.
5. 삭제
6. 제1항에서,
   상기 홈의 폭은 상기 관부의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 용탕배출 장치.
7. 삭제
8. 제1항에서,
   상기 금속배출유닛은 인코넬 690을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용탕배출 장치.
9. 제1항에서,
   상기 저항발열히터는 탄화규소 발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 용탕 배출 장치.
10. 제1항에서,
    상기 저항발열히터는 상기 관부로부터 적어도 일부가 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 용탕배출 장치.
11. 삭제

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