KR102325009B1 - 유도 가열을 이용한 연속식 흑연화 장치 - Google Patents

Abstract

연속식 흑연화 장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치는 ⅰ)흑연화 재료를 장입한 도가니들을 설정된 이송 경로를 따라 이송하는 도가니 이송유닛과, ⅱ)도가니 이송유닛을 통해 이송된 도가니를 적어도 하나의 유도 가열 챔버에서 유도 가열하며, 흑연화 재료를 흑연화 하는 유도 가열유닛과, ⅲ)유도 가열유닛에서 배출된 도가니를 냉각 챔버에서 설정된 온도로 냉각하는 냉각유닛을 포함할 수 있다.

Description

유도 가열을 이용한 연속식 흑연화 장치 {CONTINUOUS GRAPHITIZATION APPARATUS USING INDUCTION HEATING FURNACE}

본 발명의 실시 예는 흑연화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스 분체 등과 같은 흑연화 재료를 가열하여 흑연화 하는 흑연화 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 리튬이온 배터리용 음극재료로 사용되는 흑연계 탄소 재료는 크게 자연에서 생성되어 채굴되는 천연흑연과, 석탄계 및 석유계 피치 등을 열처리 하여 제조되는 인조흑연이 있다.

천연흑연에 비해 수명, 급속충전에 장점을 가지는 인조흑연은, 용량을 천연흑연 수준으로 높이고 제조원가를 낮추기 위해, 흑연화 최적화가 필요하다.

인조흑연 흑연화는 주로 애치슨 로(acheson furnace)를 이용한다. 이 공정은 흑연 도가니에 코크스를 담고 패킹코크스를 덮은 후, 통전, 정전, 냉각, 출로, 도가니 배출 순으로 진행되며, 전력주입 및 유지시간에 따른 전력소모량이 크고 단전 및 냉각 시간을 포함하면, 상당한 기간이 소요되고 있는 실정이다.

이에 따라 종래에는 코크스와 같은 흑연화 재료를 연속으로 흑연화 함으로써, 보다 효율적으로 인조흑연을 제조하는 공정들이 시도되고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 도가니에 장입된 흑연화 재료를 연속 공정으로 유도 가열하여 흑연화 할 수 있도록 한 연속식 흑연화 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치는, ⅰ)흑연화 재료를 장입한 도가니들을 설정된 이송 경로를 따라 이송하는 도가니 이송유닛과, ⅱ)상기 도가니 이송유닛을 통해 이송된 상기 도가니를 적어도 하나의 유도 가열 챔버에서 유도 가열하며, 상기 흑연화 재료를 흑연화 하는 유도 가열유닛과, ⅲ)상기 유도 가열유닛에서 배출된 상기 도가니를 냉각 챔버에서 설정된 온도로 냉각하는 냉각유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 상기 도가니 이송유닛과 상기 냉각유닛 사이에 격벽을 통해 복수 개로서 상호 연결되게 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 상기 이송 경로 측에 형성되는 제1 개폐구와, 상기 격벽에 형성되는 제2 개폐구와, 상기 냉각 챔버 측에 형성되는 제3 개폐구를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 상기 제1,2,3 개폐구를 각각 개폐하기 위한 개폐부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 내측 공간으로 비활성 가스 및 반응성 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열유닛은 상기 유도 가열 챔버의 내부 바닥 면에 고정되게 설치되며, 상기 도가니를 지지하는 고정 단열 모듈과, 상기 고정 단열 모듈에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 가동 단열 모듈과, 상기 가동 단열 모듈에 연결되게 설치되며, 상기 고정 단열 모듈 상의 상기 도가니를 내측에 두고 감싸는 유도 가열 코일부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 내부 공간에 설치되며, 상기 고정 단열 모듈에 대해 상기 도가니를 로딩 및 언 로딩하는 그리퍼 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열유닛은 상기 도가니와 동일한 소재로서, 상기 가동 단열 모듈을 상하 방향으로 관통하여 설치되며, 상기 가동 단열 모듈의 하강 시 상기 도가니의 상단에 하단이 위치하는 온도 측정도구를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 온도 측정도구는 흑연 소재로 이루어지며, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형상으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 상단에 설치되며, 상기 온도 측정도구의 하단을 외부로 노출하는 석영 소재의 투명 창을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 유도 가열 챔버는 상기 온도 측정도구의 하단에서 방사되는 에너지를 상기 투명 창을 통해 감지하여 상기 도가니의 가열 온도를 측정하는 파이로미터를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 냉각 챔버는 상기 유도 가열유닛에서 배출된 상기 도가니를 내부 공간으로 투입하기 위한 투입구와, 상기 도가니를 외부로 배출하기 위한 배출구와, 상기 내부 공간으로 냉각매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 냉각 챔버는 상기 투입구와 배출구를 선택적으로 개폐시키는 개폐부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 냉각유닛은 상기 냉각 챔버의 내부 공간에서 상기 투입구와 배출구 사이에 배치되는 컨베이어를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 도가니는 흑연 소재로 이루어지며, 전류 침투 깊이의 0.1~4.0 배를 만족하는 두께로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치에 있어서, 상기 도가니의 내부에는 복수 개의 서브 도가니들이 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 흑연화 재료를 유도 가열하며 연속 공정으로 흑연화 할 수 있으므로, 설비 가동률 및 조업 생산성을 향상시킬 수 있으며, 흑연화 재료의 가열 설비를 축소함으로써 투자비를 절감할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치에 적용되는 온도 측정도구 부위를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치에 적용되는 도가니의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 연속식 흑연화 장치의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 ...유닛, ...수단, ...부, ...부재 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치(100)는 흑연화 재료로서 석탄계 및 석유계 피치 등을 열처리 하여 인조흑연을 제조하는 공정에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 흑연화 재료로는 코크스 분체를 포함할 수 있다. 이와 같은 흑연화 재료를 흑연화 하여 제조된 인조흑연은 리튬이온 전지의 음극재로 활용될 수 있다.

이하에서는 구성 요소들의 장착 위치를 기준으로 할 때, 상측을 향하는 부분을 상부, 상단, 상면 및 상단부로 정의하며, 하측을 향하는 부분을 하부, 하단, 하면 및 하단부로 정의하기로 한다.

더 나아가, 하기에서의 단(한쪽/일측 단 또는 다른 한쪽/일측 단)은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(한쪽/일측 단부 또는 다른 한쪽/일측 단부)으로 정의될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치(100)는 도가니(1)(당 업계에서는 트레이 라고도 한다)에 장입된 흑연화 재료를 연속 공정으로 유도 가열하여 흑연화 할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연속식 흑연화 장치(100)는 기본적으로, 도가니 이송유닛(10), 유도 가열유닛(20), 그리고 냉각유닛(70)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기한 바와 같은 구성 요소들은 베이스 프레임(3)에 구성되는 바, 베이스 프레임(3)은 공정 작업장의 바닥에 공정 방향을 따라 배치되며, 하나의 프레임 또는 서로 연결된 둘 이상의 프레임으로 구비될 수 있다.

더 나아가, 상기 베이스 프레임(3)은 구성 요소들을 장착하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 블록, 칼라 등과 같은 각종 부속 요소들을 포함할 수도 있다.

그러나, 상기한 부속 요소들은 이하에서 더욱 설명될 각각의 구성 요소들을 베이스 프레임(3)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 베이스 프레임(3)으로 통칭한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 도가니 이송유닛(10)은 흑연화 재료가 장입된 도가니(1)들을 설정된 이송 경로를 따라 공정 방향으로 이송시키기 위한 것이다.

여기서, 상기 도가니(1)는 흑연 소재로 이루어지며, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형태로 구비된다.

상기 도가니 이송유닛(10)은 베이스 프레임(3) 상에 설치된 제1 컨베이어(11)를 포함한다. 상기 제1 컨베이어(11)는 공지 기술의 컨베이어 장치로서, 도가니(1)들을 지지하며 무한 궤도 상으로 공정 방향을 따라 주행 가능하게 구비된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 유도 가열유닛(20)은 도가니 이송유닛(10)을 통해 이송된 적어도 하나의 도가니(1)를 유도 가열 챔버(21, 22)에서 설정된 온도로 유도 가열하며, 흑연화 재료를 흑연화 하기 위한 것이다.

여기서, 유도 가열(induction heating)이라 함은 시간적으로 변하는 자기장에 의해 폐 회로에 전류를 흐르게 하는 전자기 유도 원리를 이용한 것이다. 이러한 유도 가열은 도전체와 같은 가열 대상물 주위에 코일을 배치하여 교류 전류가 흐르도록 하면, 가열 대상물에 와전류 손실과 히스테리시스 손실 등에 의하여 열이 발생되어 가열되는 현상이다.

본 발명의 실시 예에서 상기 유도 가열은 흑연화 재료가 장입된 도가니(1)의 외부에 유도 가열 코일을 배치하고, 그 유도 가열 코일에 전류를 흘려 도가니(1) 내의 흑연화 재료를 유도 가열시키는 것이다.

상기 유도 가열 챔버(21, 22)는 베이스 프레임(3) 상에 설치된다. 상기 유도 가열 챔버(21, 22)는 내부에 유도 가열 공간(23)을 형성한다. 상기 유도 가열 챔버(21, 22)는 도가니 이송유닛(10)과 냉각유닛(70) 사이에 배치된다.

이러한 유도 가열 챔버(21, 22)는 본 발명의 실시 예에서 격벽(25)을 통해 복수 개로서 상호 연결되게 구비된다. 복수 개의 상기 유도 가열 챔버(21, 22)들은 공정 방향을 따라 상호 독립적으로 구획된 유도 가열 공간(23)을 형성한다.

상기 유도 가열 챔버(21, 22)들은 도면에서와 같이 2 개소로서 격벽(25)을 통해 2 영역의 유도 가열 공간(23)을 형성하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 인조흑연의 제조 용량에 따라 격벽(25)들을 통하여 다양한 개수로 구비될 수도 있다.

이하에서는 도가니 이송유닛(10) 측에 위치하는 유도 가열 챔버(21)를 편의 상 제1 유도 가열 챔버(21)라 하고, 냉각유닛(70) 측에 위치하는 유도 가열 챔버(22)를 제2 유도 가열 챔버(21)라고 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 유도 가열 챔버(21)는 도가니 이송유닛(10)의 제1 컨베이어(11) 측에 제1 개폐구(31)를 형성하고, 격벽(25)에는 제2 개폐구(32)를 형성하며, 제2 유도 가열 챔버(22)는 냉각유닛(70) 측에 제3 개폐구(33)를 형성하고 있다.

상기 제1 개폐구(31)는 도가니 이송유닛(10)의 이송 경로 측과 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)을 상호 연결한다. 상기 제2 개폐구(32)는 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)을 상호 연결한다. 그리고, 상기 제3 개폐구(33)는 냉각유닛(70) 측과 제2 유도 가열 챔버(22)의 유도 가열 공간(23)을 상호 연결한다. 이러한 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33)는 공정 방향을 따라 동일 선 상에 위치한다.

나아가, 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에는 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33)를 각각 개폐시키기 위한 제1 개폐부재(35)가 설치된다. 상기 제1 개폐부재(35)는 상하 방향으로 이동하며, 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33)를 각각 개폐할 수 있다. 이러한 제1 개폐부재(35)는 유압 실린더 등과 같은 공지 기술의 구동부에 의하여 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다.

더 나아가, 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)는 유도 가열을 도모하기 위한 비활성 가스 및 반응성 가스를 유도 가열 공간(23)으로 주입하는 가스 주입부(37)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 비활성(불황성) 가스는 질소 가스 및 아르곤 가스를 포함하며, 반응성 가스는 극 미량의 수소와 극 미량의 산소를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 대해 질소 가스 및 아르곤 가스 중 어느 하나의 가스가 가스 주입부(37)를 통해 각각 주입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 대해 질소 가스 및 아르곤 가스가 가스 주입부(37)를 통해 각각 주입될 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 유도 가열유닛(20)은 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)로 도입된 도가니(1) 주위에 코일을 배치하여 그 코일에 교류 전류가 흐르도록 함으로써, 와전류 손실과 히스테리시스 손실 등에 의한 열로서 가열 대상물의 도가니(1)를 가열할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 유도 가열유닛(20)은 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에 각각 구성되는 고정 단열 모듈(41), 가동 단열 모듈(43) 및 유도 가열 코일부(45)를 포함하고 있다.

상기 고정 단열 모듈(41)의 각 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에서 내부 바닥 면에 고정되게 설치된다. 상기 고정 단열 모듈(41)은 단열 소재(예를 들면, 세라믹 또는 다공성 흑연 등)로 이루어진 블록 형태로 구비되며, 상면을 통하여 도가니(1)를 지지하게 된다.

상기 가동 단열 모듈(43)은 유도 가열 공간(23)에서 고정 단열 모듈(41)에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 상기 가동 단열 모듈(43)은 단열 소재(예를 들면, 세라믹 또는 다공성 흑연 등)로 이루어진 블록 형태로 구비된다.

여기서, 상기 가동 단열 모듈(43)은 유도 가열 공간(23)에 구비된 구동부(47)에 의하여 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다. 예를 들면, 상기 구동부(47)는 공지 기술의 유압 실린더를 포함할 수 있고, 서보 모터의 구동으로서 이동체를 가이드 기구를 통해 상하 방향으로 왕복 이동시키는 공지 기술의 이동장치를 포함할 수도 있다.

그리고, 상기 유도 가열 코일부(45)는 가동 단열 모듈(43)의 하강 시, 고정 단열 모듈(41) 상의 도가니(1)를 내측에 두고 감쌀 수 있는 것으로, 그 가동 단열 모듈(43)의 하단에 연결되게 설치된다.

상기 유도 가열 코일부(45)에 설정된 주파수의 교류 전류가 공급되면, 본 발명의 실시 예에서는 유도 가열 코일부(45)의 주위에 자기장이 형성되고, 전자기 유도에 의해 도가니(1) 및/또는 도가니(1) 내의 흑연화 재료에 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의한 열이 발생하게 되며, 이러한 유도 가열에 의해 흑연화 재료의 열처리가 이루어질 수 있다.

상기한 유도 가열 코일부(45)는 예를 들어, 다 권형의 코일로서 원형, 타원형 또는 사각형의 권선 형태를 가질 수 있으며, 상기한 바와 같은 도가니(1)는 고정 단열 모듈(41) 상에서 가동 단열 모듈(43)의 하강에 의해 유도 가열 코일부(45)의 내측에 위치할 수 있다.

이 경우, 상기 유도 가열 코일부(45)에 교류 전류가 흐름에 따라, 전자기 유도에 의해 도가니(1)에 전류의 흐름이 발생하게 되고, 또한 도가니(1) 내측의 흑연화 재료에도 전류의 흐름이 발생할 수 있다.

상기 유도 가열 코일부(45)로 흐르는 교류 전류의 주파수는 유도 가열 조건 등에 따라 다양하게 설정될 수 있으므로, 본 발명의 실시 예에서는 어느 특정한 수치 범위로 한정하지 않는다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 도가니(1)의 두께는 하기의 수식으로 정의되는 전류 침투 깊이(δ)의 0.1~4.0 배를 만족할 수 있다.

상기 수식에서 ρ는 도가니의 비저항(resistivity, Ωㅇm)이고, f는 유도 가열 전류의 주파수(Hz)이고,

은 도가니의 비투자율,

는 진공 투자율(4π x 10^-7H/m)이다.

상기 도가니(1)의 두께가 상기한 조건을 만족하지 않고, 그 조건보다 두꺼운 경우에는 유도 가열 코일부(45)에 의한 도가니(1)와 흑연화 재료의 전류 흐름이 원활하지 않고, 상기 조건보다 얇은 경우에는 유도 가열 코일부(45)에 의한 자속에 영향을 미쳐 도가니(1) 및/또는 흑연화 재료에 대한 유도 가열이 효율적으로 이루어지지 않을 수 있다.

더 나아가, 도가니의 설정된 사이즈를 기준으로, 유도 가열 주파수가 가변 될 때, 그 유도 가열 주파수가 너무 높으면 전류 침투 깊이가 작아지기 때문에, 흑연화 재료의 외부 표면 부분만 가열되어 외부로의 열 방출이 커져 효율이 낮아지게 되며, 이와 반대로 전류 침투 깊이가 깊으면 즉, 유도 가열 주파수가 너무 낮으면 흑연화 재료의 중앙까지 에너지가 침투되면서 자속이 서로 상쇄되어 이 또한 효율이 낮아지게 될 수 있다. 이에 따라 적절한 유도 가열 주파수의 선택은 흑연화 재료로부터 열이 외부로 방출되는 양상과 중앙 부위에서의 자력선 상쇄의 인자를 고려해서 선택하여야 한다.

또한, 유도 가열 주파수가 이미 설정되어 있는 경우, 도가니의 사이즈가 너무 작으면, 자속이 상쇄되고, 반대로 도가니의 사이즈가 너무 크면 외부 표면 부분만 가열되게 된다.

그리고, 도가니의 두께가 너무 얇은 경우, 유도 가열 방식에서 코일에 의한 유도 전류에 의해 도가니 측면에 저항 발열이 일어나기 때문에, 도가니의 가장 외곽으로부터 발열되어 소모됨에 따라, 가열시간이 길어지게 되면, 도가니가 버틸 수 있는 시간이 짧아지는 한계가 있다.

따라서, 자속의 상쇄, 도가니의 표면만 가열되지 않도록 적절한 온도 구배, 도가니의 한계 사용 시간을 종합적으로 고려하여 도가니의 두께를 설정할 수 있다.

이와 같은 도가니(1)의 두께는 도가니(1)의 크기, 흑연화 재료의 종류 및 양, 교류 전류의 주파수 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 실시 예에서 어느 특정한 수치로 한정하지 않는다.

한편, 상기한 바와 같은 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)는 유도 가열 공간(23)에 설치되는 그리퍼 모듈(39)이 설치된다. 상기 그리퍼 모듈(39)은 도가니(1)를 그리핑 하며, 고정 단열 모듈(41)에 대해 그 도가니(1)를 로딩 및 언 로딩하기 위한 것이다.

상기 그리퍼 모듈(39)은 유압에 의해 작동하는 유압 실린더로서 핑거 작동하며, 도가니(1)를 그리핑 하는 공지 기술의 핑거 수단(도면에 도시되지 않음)과, 그 핑거 수단을 다축 방향으로 이동시키기 위한 공지 기술의 다축 이동수단(도면에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다축 이동수단은 작동 실린더 및 서보 모터의 구동에 의해 이동체를 다축 방향으로 왕복 이동시킬 수 있다.

여기서, 상기 그리퍼 모듈(39)은, 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)에서 제1 개폐부재(35)를 통해 제1 개폐구(31)를 개방한 상태로, 도가니 이송유닛(10)에 의해 이송된 도가니(1)를 그리핑 하고, 그 도가니(1)를 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)으로 이동시키며, 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩할 수 있다.

그리고, 상기 그리퍼 모듈(39)은, 제2 유도 가열 챔버(22)의 유도 가열 공간(23)에서 제1 개폐부재(35)를 통해 제2 개폐구(32)를 개방한 상태로, 제1 유도 가열 챔버(21) 내의 고정 단열 모듈(41) 상에 위치하고 있는 도가니(1)를 그리핑 하고, 그 도가니(1)를 제2 유도 가열 챔버(22)의 유도 가열 공간(23)으로 이동시키며, 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩할 수 있다.

또한, 상기 그리퍼 모듈(39)은, 제2 유도 가열 챔버(22)의 유도 가열 공간(23)에서 제1 개폐부재(35)를 통해 제3 개폐구(33)를 개방한 상태로, 제2 유도 가열 챔버(22) 내의 고정 단열 모듈(41) 상에 위치하고 있는 도가니(1)를 그리핑 하고, 그 도가니(1)를 냉각유닛(70) 측으로 이동시킬 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 유도 가열유닛(20)은 도가니(1) 및/또는 흑연화 재료의 가열 온도를 안정적이고 신뢰성 있게 측정하기 위한 온도 측정도구(51)와 파이로미터(61)를 더 포함하고 있다.

상기 온도 측정도구(51)는 도가니(1)와 동일한 소재(흑연 소재)로서, 가동 단열 모듈(43)을 상하 방향으로 관통하여 설치된다. 상기 온도 측정도구(51)는 가동 단열 모듈(43)의 하강 시, 고정 단열 모듈(41) 상에 지지된 도가니(1)의 상단에 하단이 위치하게 된다.

이러한 온도 측정도구(51)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형상으로 구비된다. 상기 온도 측정도구(51)의 상단부에는 그 상단에서 가장자리 외측으로 연장된 플랜지를 형성하며, 그 플랜지를 통해 가동 단열 모듈(43)의 상면을 지지할 수 있다.

여기서, 상기 온도 측정도구(51)의 하단은 가동 단열 모듈(43)의 하단으로 돌출되는데, 그 가동 단열 모듈(43)의 하단에 부착된 마감 판(53)을 관통하며 그 마감 판(53)에 고정된다. 상기한 마감 판(53)은 가동 단열 모듈(43)의 하강 시, 고정 단열 모듈(41) 상에 지지된 도가니(1)의 상단을 폐쇄하는 기능 및 가동 단열 모듈(43)의 하단부를 보호하는 기능을 하게 된다.

이와 같은 온도 측정도구(51)에 대응하여 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 상단에는 온도 측정도구(51)의 상단(개방 단)을 통해 하단을 외부로 노출하기 위한 석영 소재의 투명 창(55)이 설치된다.

그리고, 상기 파이로미터(61)는 투명 창(55)에 대응하여 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 외부 상단에 고정되게 설치된다.

상기 파이로미터(61)는 온도 측정도구(51)의 하단에서 방사되는 에너지를 투명 창(55)을 통해 감지하여 전기 신호로 변환하며, 그 전기 신호를 처리하여 도가니(1) 및/또는 흑연화 재료의 가열 온도를 측정하는 고온계로 구비된다.

상기 파이로미터(61)는 가열 대상체의 온도에 따라 표면으로부터 방출되는 방사 에너지의 세기에 의해 가열 대상체의 표면온도를 측정하는 비 접촉식 고온 계기이다.

구체적으로, 파이로미터(61)는 가열 대상체로부터 방사 에너지가 생기게 되면, 광학계(optical system)를 통해 방사되는 에너지를 수집한다. 이에 검출기(detector)에서는 수집된 방사 에너지를 전기 신호로 변환하게 되고, 내부 회로에서는 주위 온도 보상 회로 및 방사율 조정 과정을 거치게 되는데, 방사율 조정은 가열 대상체의 방사 특성과 온도계 눈금을 일치시키기 위해서 방사율을 조정하는 것이다.

여기서, 흑연화 재료가 흑연화 과정을 거치며 물성이 바뀌게 되면, 방사율이 바뀔 수 있고, 광학계에서 방사되는 에너지를 수집하기 때문에 가열 대상체의 평탄도가 중요하다. 이에 방사율이 설정되어 있는 상태에서 하단이 평탄한 온도 측정도구(51)를 삽입함에 따라, 방사율의 항상성과, 온도 측정 포인트의 평탄도를 확보하여 온도 측정의 신뢰성을 높일 수 있다.

이러한 파이로미터(61)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 파이로 복사 고온계 또는 광 온도계의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

마지막으로, 본 발명의 실시 예에서, 상기 냉각유닛(70)은 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 배출된 도가니(1)를 냉각 챔버(71)에서 설정된 온도로 냉각하기 위한 것이다.

상기에서 냉각 챔버(71)는 베이스 프레임(3) 상에 설치된다. 상기 냉각 챔버(71)는 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 배출된 도가니(1)를 내부 공간으로 투입하기 위한 투입구(73)와, 그 도가니(1)를 외부로 배출하기 위한 배출구(75)와, 내부 공간으로 냉각매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입부(77)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 냉각 챔버(71)에는 투입구(73)와 배출구(75)를 각각 개폐시키기 위한 제2 개폐부재(79)가 설치된다. 상기 제2 개폐부재(79)는 상하 방향으로 이동하며, 투입구(73)와 배출구(75)를 각각 개폐할 수 있다. 이러한 제2 개폐부재(79)는 유압 실린더 등과 같은 공지 기술의 구동부에 의하여 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다.

상기에서 냉각매체 주입부(77)는 냉각매체로서 질소 가스 또는 아르곤 가스를 냉각 챔버(71)의 내부 공간으로 주입할 수 있다.

더 나아가, 상기 냉각유닛(70)은 냉각 챔버(71)의 내부 바닥 측에 설치되는 제2 컨베이어(81)를 더 포함하고 있다. 상기 제2 컨베이어(81)는 냉각 챔버(71)의 내부 공간에서 투입구(73)와 배출구(75) 사이에 배치된다.

상기 제2 컨베이어(81)는 공지 기술의 컨베이어 장치로서, 냉각 챔버(71)의 내부 공간에서 도가니(1)들을 지지하며 무한 궤도 상으로 공정 방향을 따라 주행 가능하게 구비된다. 이러한 제2 컨베이어(81)는 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 배출된 도가니(1)를 투입구(73) 측에서 배출구(75) 측으로 공정 방향을 따라 이송할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치(100)의 작용 및 효과를 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 코크스 분체 등과 같은 흑연화 재료를 장입한 도가니(1)들을 도가니 이송유닛(10)의 제1 컨베이어(11)를 통해 설정된 이송 경로를 따라 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22) 측으로 이송시킨다.

여기서, 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33)는 제1 개폐부재(35)에 의해 개방된 상태에 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 유도 가열유닛(20)의 가동 단열 모듈(43)은 고정 단열 모듈(41)을 하측에 두고 구동부(47)의 구동에 의해 상측 방향으로 이동된 상태에 있다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 도가니 이송유닛(10)에 의해 이송된 도가니(1)를 그리퍼 모듈(39)을 통해 그리핑 하며, 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)에서 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)에서 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩되어 있는 도가니(1)를 그리퍼 모듈(39)을 통해 그리핑 하며, 제2 유도 가열 챔버(22)의 유도 가열 공간(23)에서 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩한다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 상기 도가니 이송유닛(10)에 의해 이송된 다른 도가니(1)를 그리퍼 모듈(39)을 통해 그리핑 하며, 제1 유도 가열 챔버(21)의 유도 가열 공간(23)에서 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 개폐부재(35)를 통해 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33) 모두를 폐쇄한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 구동부(47)의 구동에 의해 가동 단열 모듈(43)을 하측 방향으로 이동시킨다. 이에 따라 상기 유도 가열유닛(20)의 유도 가열 코일부(45)는 고정 단열 모듈(41) 상의 도가니(1)를 내측에 두고 그 도가니(1)의 외 표면 측을 감싸게 된다.

이 경우, 온도 측정도구(51)의 하단은 가동 단열 모듈(43)을 통해 도가니(1)의 상단에 위치하게 되고, 그 가동 단열 모듈(43) 하단의 마감 판(53)은 온도 측정도구(51)의 하단을 지지하면서 도가니(1)의 상단을 폐쇄한다.

이 후, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 대해 비활성 가스로서의 질소 가스 및 아르곤 가스를 가스 주입부(37)를 통해 유도 가열 공간(23)으로 각각 주입한다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22) 중 어느 하나의 유도 가열 공간(23)에 질소 가스를, 다른 하나의 유도 가열 공간(23)에 아르곤 가스를 가스 주입부(37)를 통해 주입할 수 있다.

부연 설명하면, 분위기 가스에 따라서 같은 온도에서라도 흑연화 재료의 흑연화도에 다른 영향을 줄 수 있고, 흑연화 재료의 종류에 따라서도 분위기 가스에 따른 흑연화도에 영향을 줄 수 있기 때문에, 다른 종류의 흑연화 재료를 투입하거나 서로 다른 흑연화도 제어를 위해 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에 서로 다른 비활성 가스를 독립적으로 구분하여 주입할 수 있다.

이와 같이 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에 각각 주입되는 서로 다른 종류의 비활성 가스는 도가니(1)의 크기, 도가니(1)에 장입된 흑연화 재료의 종류 및 양, 유도 가열 공간(23)의 압력 조건, 유도 가열의 주파수 조건 등에 의한 흑연화 재료의 흑연화도 경험 치에 따라서 선택될 수 있다.

상기한 가스 주입 과정의 다른 예로서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 개폐구(32)를 제1 개폐부재(35)를 통해 개방한 상태에서, 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 대해 질소 가스 및 아르곤 가스 중 어느 하나의 가스를 가스 주입부(37)를 통해 유도 가열 공간(23)으로 주입한다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)을 제2 개폐구(32)를 통해 상호 연결하고 있기 때문에, 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 동일한 비활성 가스(질소 가스 및 아르곤 가스 중 어느 하나)를 주입할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)에 비활성 가스를 주입하며, 그 유도 가열 공간(23)의 내부를 비활성 가스를 통해 퍼징하게 된다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 가스 주입부(37)를 통해 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)으로 비활성 가스를 주입하는 과정에, 그 가스 주입부(37)를 통해 유도 가열 공간(23)에 반응 가스로서 극 미량의 수소와 극 미량의 산소를 주입할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 전류 발생기를 통하여 교류 전류를 유도 가열 코일부(45)에 인가한다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 유도 가열 코일부(45)의 주위에 자기장이 형성되고, 전자기 유도에 의해 도가니(1)에 전류의 흐름이 발생하게 되며, 또한 도가니(1) 내측의 흑연화 재료에도 전류의 흐름이 발생하게 된다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 도가니(1) 및/또는 도가니(1) 내의 흑연화 재료에 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의한 열이 발생하게 된다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 유도 가열에 의해 상기 도가니(1)만이 가열될 수도 있고, 그 도가니(1)와 흑연화 재료가 동시에 또는 순차적으로 가열될 수도 있다.

여기서, 상기 동시 가열이라 함은 도가니(1)와 흑연화 재료가 동시에 유도 가열되는 것을 의미한다.

그리고, 상기 순차적 가열이라 함은 도가니(1)가 유도 가열됨에 따라 그 도가니(1)의 상승된 온도에 의해 흑연화 재료가 가열되고, 순차적으로 가열된 흑연화 재료가 유도 가열되는 것을 의미한다. 즉, 상기 도가니(1)가 유도 가열에 의해 온도가 상승하여 열을 발생시키고, 그 도가니(1)의 열에 의해 흑연화 재료가 가열(간접 가열)되는 것을 의미한다.

본 발명의 실시 예에서는 일 예로서, 유도 가열에 의해 상기 도가니(1)와 흑연화 재료가 동시에 가열될 수 있다. 또한, 상기 흑연화 재료에 대해, 저온에서는 도가니(1)의 가열에 의한 간접 가열을 하고, 고온에서는 그 간접 가열과 유도 가열(직접 가열)을 동시에 수행할 수도 있다.

이때, 상기한 가열 시에 산소 등으로 인해 도가니(1), 고정 단열 모듈(41) 및 가동 단열 모듈(43) 등이 산화(에칭)될 수 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 비활성 가스에 의해 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)의 유도 가열 공간(23)을 퍼징하거나 비산화성 분위기로 만들어 도가니(1), 고정 단열 모듈(41) 및 가동 단열 모듈(43) 등을 보호하고 외부 오염을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 도가니(1)의 열에 의해 그 도가니(1) 내부의 흑연화 재료를 가열하며 흑연화시키는데, 그 흑연화 재료가 가열(간접 가열)되어 일부가 탄화되거나 흑연화 되며, 이후 그 일부가 탄화되거나 흑연화 된 흑연화 재료가 유도 가열(직접 가열)되면서 흑연화 재료에 대한 가열 효율을 높일 수 있다.

상술한 바와 같은 일련의 과정은 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 각각의 도가니(1)를 동시에 유도 가열하는 것으로 설명되었으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 그리퍼 모듈(39)을 통해 도가니(1)를 이동시키며, 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서의 유도 가열유닛(20)에 의하여 도가니(1)를 순차적으로 가열할 수도 있다.

한편, 상기에서와 같이 유도 가열유닛(20)을 통하여 도가니(1)를 유도 가열하는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 도가니(1) 및 흑연화 재료에서 발생하는 열이 그 도가니(1)와 동일 소재인 온도 측정도구(51)로 전달된다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에서 파이로미터(61)는 온도 측정도구(51)의 하단에서 방사되는 에너지를 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22) 상단의 투명 창(55)을 통해 감지하여 전기 신호로 변환하고, 그 전기 신호를 처리하여 도가니(1) 및/또는 흑연화 재료의 가열 온도를 측정한다.

다른 한편, 상술한 바와 같은 일련의 과정을 거치며, 제1 및 제2 유도 가열 챔버(21, 22)에서 유도 가열유닛(20)을 통해 도가니(1) 내부의 흑연화 재료를 흑연화 한 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 구동부(47)의 구동에 의해 가동 단열 모듈(43)을 유도 가열 코일부(45)와 함께 상측 방향으로 이동시킨다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 제1 개폐부재(35)를 통해 제1,2,3 개폐구(31, 32, 33) 전부 또는 제3 개폐구(33)를 개방하고, 고정 단열 모듈(41) 상에 로딩되어 있는 도가니(1)를 그리퍼 모듈(39)을 통해 그리핑 하며, 제2 유도 가열 챔버(22)의 제3 개폐구(33)를 통해 도가니(1)를 취출한다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 냉각 챔버(71)의 투입구(73)를 제2 개폐부재(79)를 통해 개방한 상태에서, 그리퍼 모듈(39)을 통해 도가니(1)를 냉각 챔버(71) 내부의 제2 컨베이어(81) 상에 로딩한다.

그러면, 상기 도가니(1)는 제2 컨베이어(81)에 의해 공정 방향을 따라 배출구(75) 측으로 이송되는데, 그 배출구(75)는 제2 개폐부재(79)에 의해 폐쇄된 상태에 있다. 이에 따라 상기 도가니(1)들은 냉각 챔버(71)의 내부에 수용되는데, 제2 컨베이어(81)의 가동을 멈춘 상태에서 제2 개폐부재(79)를 통해 투입구(73)를 폐쇄한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 냉각매체 주입부(77)를 통해 냉각매체로서의 질소 가스 또는 아르곤 가스를 냉각 챔버(71)의 내부로 주입하며, 그 냉각매체를 통해 도가니(1)들을 냉각한다.

이후, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 냉각된 도가니(1)들을 냉각 챔버(71)의 배출구(75)를 통해 외부로 취출한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 일련의 연속 공정을 통해 코크스 분체 등과 같은 흑연화 재료를 유도 가열하여 흑연화 한 인조흑연을 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치에 적용되는 도가니의 다른 예를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 도가니(1)(이하에서는 편의 상 메인 도가니 라고 한다)에 흑연화 재료를 장입하지 않고, 흑연화 재료가 장입된 복수 개의 서브 도가니(99)들을 메인 도가니(1)의 내부에 배치할 수도 있다.

상기 메인 도가니(1)는 서브 도가니(99)들을 수용할 수 있는 크기로 구비된다. 그리고, 상기 서브 도가니(99)들은 메인 도가니(1)의 내부에서 한 쌍씩 상하 방향으로 적층된다. 더 나아가, 상기 서브 도가니(99)들에는 서로 다른 재질의 흑연화 재료가 장입될 수 있으며, 그 서로 다른 재질의 흑연화 재료가 섞이지 않도록 상기 서브 도가니(99)들의 상단에는 그 상단을 폐쇄하기 위한 커버(99a)가 설치될 수 있다.

예를 들면, 상기 서브 도가니(99)들은 메인 도가니(1)의 내부 중심으로부터 균등하게 구획된 4 영역에서 한 쌍씩 상하 방향으로 각각 적층된 8개로 구비될 수 있다.

여기서, 상기와 같이 상하 방향으로 적층된 각 한 쌍씩의 서브 도가니(99)들은 메인 도가니(1)의 내부 중심을 기준으로 메인 도가니(1)의 내측 벽에 접촉되게 배치된다. 이는 메인 도가니(1)에서 발생된 열을 서브 도가니(99)들로 용이하게 전달하기 위함이다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 복수 개의 서브 도가니(99)들이 수용된 메인 도가니(1)를 상술한 바와 같은 일련의 연속 공정으로 유도 가열하며, 그 서브 도가니(99)들에 장입된 흑연화 재료를 흑연화 할 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치(100)의 작용 효과를 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 연속식 흑연화 장치의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이다.

우선, 본 발명의 실시 예(도면에서의 실시 예 1)는 유도 가열유닛(20)의 가동 단열 모듈(43)에 온도 측정도구(51)를 삽입한 구조를 갖는다. 그리고 다른 실시 예들(도면에서의 실시 예 2)은 전기 실시 예(도면에서의 실시 예1)의 구조를 기본으로 하면서, 메인 도가니(1)의 내부에 소형 도가니(도면 기재)로서 복수 개(8개)의 서브 도가니(99)들을 배치한 구성을 갖는다.

이와 같은 본 발명의 실시 예들에 대비되는 비교 예들로서는, 에치슨로를 적용한 흑연화로 구조(도면에서의 비교 예 1), 저항 가열로를 적용한 흑연화로 구조(도면에서의 비교 예 2), 및 가동 단열 모듈(43)에 온도 측정도구(51)를 적용하지 않은 유도 가열 구조(도면에서의 비교 예 3)를 제시하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예들과 상기한 비교 예들에 대해 XRD를 통한 흑연화 결정성을 비교해 볼 때, 실시 예 1 및 실시 예 2에서의 흑연화도(흑연화 결정성)가 비교 예들에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다.

여기서, d₀₀₂ 는 결정체 내의 면간 거리로서 흑연화도가 높아질수록 값이 작아지게 되고, Lc(002)는 C축 방향으로의 결정체 크기로서 흑연화도가 높아질수록 값이 증가하며, La(110)는 a축 방향으로의 결정체 크기로서 흑연화도가 높아질수록 값이 증가한다.

따라서, 상기한 d₀₀₂와 흑연화도 뿐만 아니라, 뒤에서 더욱 설명될 전극밀도, 초기용량, 3^rd 용량, 초기효율 및 장비출력의 안정성을 종합적으로 고려할 때, 실시 예 1이 우수하다는 알 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예들과 상기한 비교 예들을 통해 흑연화 재료를 흑연화 한 인조 흑연을 배터리의 음극재에 적용한 경우, 그 음극재에 대한 전기 화학적 특성을 비교해 볼 때, 실시 예 1 및 실시 예 2에서의 전극밀도, 초기용량(충/방전 용량) 및 세 번째 용량(3rd용량)이 비교 예들에 비해 증가함을 알 수 있고, 이로 인해 실시 예 1 및 실시 예 2에서의 초기 효율이 향상됨을 알 수 있다.

부연 설명하면, 전극밀도가 높을수록 같은 부피 내에 많은 활물질을 충진할 수 있기 때문에 더 많은 용량을 낼 수 있다. 일반적으로, 1번째 충방전 시 SEI층이 형성되면서 용량손실이 가장 크게 되며, 초기 효율이 높을수록 이후 충방전 용량에 영향을 미치는 손실 값이 적기 때문에 초기 효율 값이 클수록 좋다.

여기서, 3^rd 용량이 높다는 것은 안정적으로 충방전을 반복할 때 용량이 이 정도 나온다는 지표이므로 이 값 또한 높을수록 좋다. 결과적으로는 실시 예 1 및 실시 예 2를 보면, 전극밀도, 3rd용량, 초기효율이 비교 예들에 비하여 높으므로, 유도 가열 방식 및 온도 측정도구(51)의 적용에 따른 장점이 있음을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예 1과 비교 예 1을 통해 흑연화 재료를 흑연화 한 인조 흑연을 배터리의 음극재에 적용한 경우, 그 음극재에 대해 라만 분광법을 통한 영역별 흑연화도를 비교해 볼 때, 실시 예 1에서의 흑연화도가 비교 예 1에 비해 균일하다는 것을 알 수 있다.

구체적으로, 라만 분광법의 D peak 강도(Id)는 흑연화도가 떨어지는 결함이 많을 경우 검출되는 peak이며, G peak(Ig)는 흑연화도가 높을 경우 검출되는 peak이다. 따라서 흑연화도가 떨어지면 Id/Ig의 값이 커지고, Ig/Id 값이 작아지게 된다.

이로써, Id/Ig의 경우 빨간색 영역이 많을수록 흑연화도가 떨어지는 것이며, Ig/Id의 경우 초록색 영역이 많을수록 흑연화도가 높아지는 것이다. 결과적으로, Id/Ig + Ig/Id에서 초록영역이 많고 빨간 영역이 적을수록 흑연화도가 높은 것이며, 실시 예 1의 경우, 비교 예 1보다 초록 영역이 더 많으므로 흑연화도가 높은 것임을 확인할 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예 1과 비교 예 3을 통해 흑연화 재료를 흑연화 하는 경우, 설비의 전기적인 출력특성 변화를 비교해 볼 때, 실시 예 1에서는 비교 예 3과 달리 가동 단열 모듈(43)에 도가니와 동일 소재의 온도 측정도구(51)를 적용하고 있기 때문에, 온도 측정도구(51)의 하단에서 방사되는 에너지를 통해 안정적인 온도 측정이 가능하다.

따라서, 본 발명의 실시 예 1에서는 온도 측정도구(51)를 통한 안정적이고 신뢰성 있는 온도 측정이 가능하므로, 교류 전류를 인가하여 도가니/흑연화 재료를 유도 가열하는데 따른 전기적인 출력 변화가 비교 예 3에 비해 안정적이라는 것을 알 수 있다. 이로 인해 본 발명의 실시 예 1에서는 도가니/흑연화 재료를 설정된 온도로 도달시키는데 따른 전력 소모량을 줄일 수 있다.

즉, 온도 측정도구(51)를 사용하지 않는 비교 예 3의 경우는 측정면의 평탄도, 방사율의 항상성 확보가 어렵기 때문, 유도 가열의 출력(MFG Power) 편차가 크고 에너지를 많이 투입해야 되는 한계가 있음을 알 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 실시 예 1과 비교 예 3을 통해 흑연화 재료를 흑연화 하는 경우, 비교 예 3에서는 유도 가열을 통한 흑연화 재료의 흑연화 도중, 가동 단열 모듈(43)의 단열재 분해로 인해 도가니/흑연화 재료의 정상적인 온도 측정이 불가능 하다.

그러나, 본 발명의 실시 예 1에서는 가동 단열 모듈(43)에 도가니와 동일 소재의 온도 측정도구(51)를 적용하고 있기 때문에, 가동 단열 모듈(43)의 단열재 분해가 일어나더라도 온도 측정도구(51)의 하단에서 방사되는 에너지를 통해 도가니/흑연화 재료의 안정적인 온도 측정이 가능하다.

따라서, 본 실시 예 1에서는 도가니/흑연화 재료의 열이 온도 측정도구(51)의 하단을 통해 방사되는 에너지를 감지하여 도가니/흑연화 재료의 가열 온도를 측정할 수 있으므로, 온도 측정 부위의 항상성 및 평탄도 확보, 열 방사율의 향상, 그리고 단열재 분해로 인한 온도 측정 장애의 제거로, 도가니/흑연화 재료의 안정적이고 신뢰성 있는 온도 측정이 가능하다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연속식 흑연화 장치(100)에 의하면, 흑연화 재료 도가니 장입, 도가니의 유도 가열 공정 및 냉각 공정을 포함하는 연속 공정으로서 도가니를 유도 가열하며, 흑연화 재료를 흑연화 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 흑연화 재료를 유도 가열하며 연속 공정으로 흑연화 할 수 있으므로, 설비 가동률 및 조업 생산성을 향상시킬 수 있으며, 흑연화 재료의 가열 설비를 축소함으로써 투자비를 절감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 흑연화 재료를 유도 가열하며 흑연화 할 수 있으므로, 유도 가열의 원리로 인해 흑연화 재료의 가열 효율을 증대시킬 수 있고, 이로 인해 흑연화 된 인조흑연의 고 품위 품질을 확보할 수 있으며, 흑연화 재료를 가열하는데 따른 비용을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당 업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 도가니 3: 베이스 프레임
10: 도가니 이송유닛 11: 제1 컨베이어
20: 유도 가열유닛 21: 제1 유도 가열 챔버
22: 제2 유도 가열 챔버 23: 유도 가열 공간
25: 격벽 31: 제1 개폐구
32: 제2 개폐구 33: 제3 개폐구
35: 제1 개폐부재 37: 가스 주입부
39: 그리퍼 모듈 41: 고정 단열 모듈
43: 가동 단열 모듈 45: 유도 가열 코일부
47: 구동부 51: 온도 측정도구
53: 마감 판 55: 투명 창
61: 파이로미터 70: 냉각유닛
71: 냉각 챔버 73: 투입구
75: 배출구 77: 냉각매체 주입부
79: 제2 개폐부재 81: 제2 컨베이어
99: 서브 도가니 99a: 커버
100: 연속화 흑연화 장치

Claims (15)

1. 흑연화 재료를 장입한 도가니들을 설정된 이송 경로를 따라 이송하는 도가니 이송유닛;
   상기 도가니 이송유닛을 통해 이송된 상기 도가니를 적어도 하나의 유도 가열 챔버에서 유도 가열하며, 상기 흑연화 재료를 흑연화 하는 유도 가열유닛; 및
   상기 유도 가열유닛에서 배출된 상기 도가니를 냉각 챔버에서 설정된 온도로 냉각하는 냉각유닛;을 포함하고,
   상기 유도 가열유닛은, 상기 유도 가열 챔버의 내부 바닥 면에 고정되게 설치되며, 상기 도가니를 지지하는 고정 단열 모듈과, 상기 고정 단열 모듈에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 가동 단열 모듈과, 상기 가동 단열 모듈에 연결되게 설치되며, 상기 고정 단열 모듈 상의 상기 도가니를 내측에 두고 감싸는 유도 가열 코일부와, 상기 도가니와 동일한 흑연 소재로서 상기 가동 단열 모듈을 상하 방향으로 관통하여 설치되며, 상기 가동 단열 모듈의 하강 시 상기 도가니의 상단에 하단이 위치하는 온도 측정도구를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 유도 가열 챔버는,
   상기 도가니 이송유닛과 상기 냉각유닛 사이에 격벽을 통해 복수 개로서 상호 연결되게 구비되되,
   상기 이송 경로 측에 형성되는 제1 개폐구와, 상기 격벽에 형성되는 제2 개폐구와, 상기 냉각 챔버 측에 형성되는 제3 개폐구를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 유도 가열 챔버는,
   상기 제1,2,3 개폐구를 각각 개폐하기 위한 개폐부재를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 유도 가열 챔버는,
   내측 공간으로 비활성 가스 및 반응성 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 유도 가열 챔버는,
   내부 공간에 설치되며, 상기 고정 단열 모듈에 대해 상기 도가니를 로딩 및 언 로딩하는 그리퍼 모듈을 포함하는 연속식 흑연화 장치.
7. 삭제
8. 제1 항에 있어서,
   상기 온도 측정도구는,
   상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형상으로 구비되는 연속식 흑연화 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 유도 가열 챔버는,
   상단에 설치되며, 상기 온도 측정도구의 하단을 외부로 노출하는 석영 소재의 투명 창을 더 포함하는 연속식 흑연화 장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 유도 가열 챔버는,
    상기 온도 측정도구의 하단에서 방사되는 에너지를 상기 투명 창을 통해 감지하여 상기 도가니의 가열 온도를 측정하는 파이로미터
    를 더 포함하는 연속식 흑연화 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 챔버는,
    상기 유도 가열유닛에서 배출된 상기 도가니를 내부 공간으로 투입하기 위한 투입구와,
    상기 도가니를 외부로 배출하기 위한 배출구와,
    상기 내부 공간으로 냉각매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입부
    를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 냉각 챔버는,
    상기 투입구와 배출구를 선택적으로 개폐시키는 개폐부재를 더 포함하는 연속식 흑연화 장치.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 냉각유닛은,
    상기 냉각 챔버의 내부 공간에서 상기 투입구와 배출구 사이에 배치되는 컨베이어를 포함하는 연속식 흑연화 장치.
14. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니는,
    흑연 소재로 이루어지며, 전류 침투 깊이의 0.1~4.0 배를 만족하는 두께로 구비되는 연속식 흑연화 장치.
15. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니의 내부에는 복수 개의 서브 도가니들이 배치되는 연속식 흑연화 장치.

Images