KR102558921B1 - 열처리 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

열처리 장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열처리 장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 열처리 공간 내에 피가열체를 가열시키기 위한 열처리 장치로서, 열처리 공간을 형성하는 벽체; 열처리 공간 내에 배치되고, 피가열체가 놓이는 세라믹 플레이트; 열처리 공간을 가열시키도록 마련되고, 피가열체 및 세라믹 플레이트로부터 떨어져 배치된 히터; 및 히터가 목표 온도에 도달할 때까지 히터의 승온 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 열처리 장치가 제공된다.

Description

열처리 장치 및 이의 제어방법{Heat treatment apparatus and control method thereof}
본 발명은 열처리 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기로는 세라믹, 금속 등의 소결 및 열처리에 활용된다.
특히, 저항 발열체를 열원으로 하는 배치 타입(Batch type) 전기로의 경우, 단열 벽면 안쪽에 저항 발열체를 설치하고, 주로 복사열에 의해 피가열체(세라믹, 금속 등)를 가열한다.
소경 공정 중, 비규칙적인 샘플 수축이 빈번하게 발생하며, 이는 샘플의 비규적인 열분포 및 샘플이 높이는 세라믹 플레이트 구조물의 비규칙적인 열 분포에 기인할 가능성이 있다.
또한, 여러 장을 동시에 소결하는 경우, 층별 온도 차이에 의해 층별 물성이 다르게 나타나는 경우가 있다.
이러한 문제를 극복하기 위하여, 샘플의 균일성을 위해 층별 또는 세라믹 플레이트 내부 온도 차를 감소시키고, 온도 분포를 최대한 균일하게 만드는 것이 유리하다.
본 발명은 세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 열처리 장치 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 열처리 공간 내에 피가열체를 가열시키기 위한 열처리 장치로서, 열처리 공간을 형성하는 벽체; 열처리 공간 내에 배치되고, 피가열체가 놓이는 세라믹 플레이트; 열처리 공간을 가열시키도록 마련되고, 피가열체 및 세라믹 플레이트로부터 떨어져 배치된 히터; 및 히터가 목표 온도에 도달할 때까지 히터의 승온 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 열처리 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 열처리 장치의 제어방법으로서, 세라믹 플레이트 상에 피가열체를 배치시키는 단계; 및 히터가 목표 온도에 도달할 때까지, 히터의 승온 속도를 조절하는 단계를 포함하는 열처리 장치의 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 열처리 공간 내에 피가열체를 가열시키기 위한 열처리 장치로서, 열처리 공간을 형성하는 벽체; 열처리 공간 내에 배치되고, 피가열체가 각각 놓이며, 높이방향을 따라 적층 배치된 복수 개의 세라믹 플레이트; 인접하는 2개의 세라믹 플레이트 사이에 배치된 복수 개의 기둥부재; 열처리 공간을 가열시키도록 마련되고, 피가열체 및 세라믹 플레이트로부터 떨어져 배치된 히터; 및 히터가 목표 온도에 도달할 때까지 히터의 승온 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 열처리 장치가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 열처리 장치 및 이의 제어방법에 따르면, 세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 피가열체의 비규칙적인 수축 현상 또는 온도 편차에 의한 피가열체 내 물성 불균일성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치의 요부 구성도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 장치에서 세라믹 플레이트의 온도 편차를 나타내는 복사 열 해석 결과이다.
도 5 및 도 6은 히터의 승온 속도에 따른 층별 최대 온도 차이를 나타내는 해석 결과이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열처리 장치를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 각 층의 세라믹 플레이트의 온도 편차를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치 및 이의 제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치(100)를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치의 요부 구성도이다.
본 발명은 열처리 공간 내에 피가열체를 가열시키기 위한 열처리 장치(100)를 제공한다.
상기 열처리 장치(100)는 배치 타입(Batch type) 전기로로서, 벽체(110), 세라믹 플레이트(131 내지 134), 히터(120), 및 제어부(150)를 포함한다.
구체적으로, 상기 열처리 장치(100)는 열처리 공간을 형성하는 벽체(110), 열처리 공간 내에 배치되고, 피가열체가 놓이는 세라믹 플레이트(131 내지 134), 열처리 공간을 가열시키도록 마련되고, 피가열체 및 세라믹 플레이트로부터 떨어져 배치된 히터(120) 및 히터(120)가 목표 온도에 도달할 때까지 히터의 승온 속도를 제어하기 위한 제어부(150)를 포함한다.
상기 벽체(110)는 단열 벽체로서, 알루미나로 형성될 수 있다.
또한, 열처리 공간에는 복수 개의 세라믹 플레이트(131 내지 134)가 적층된 상태(예를 들어, 4층)로 배치될 수 있다. 이때, 각각의 세라믹 플레이트에는 피가열체가 놓이게 된다. 상기 세라믹 플레이트는 약 200(가로) * 200(세로) * 10(두께)의 크기를 가질 수 있다. 또한, 여러 장의 세라믹 플레이트가 적층되는 경우, 인접하는 2개의 세라믹 플레이트 사이에는 기둥 부재(140)가 복수 개 배치될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 플레이트의 가장자리 4군데에 4개의 기둥부재(140)가 각각 배치될 수 있다. 한편, 열처리 장치를 이용한 소결 공정에서, 최하단의 세라믹 플레이트(예를 들어, 131) 및 최상단(예를 들어, 134)의 세라믹 플레이트에는 피가열체가 놓이지 않을 수 있다.
제어부(150)는 히터(120)의 승온 속도를 0.5℃/min 내지 1.5℃/min로 유지시킨다. 구체적으로, 제어부(150)는 히터가 목표 온도에 도달할 때까지, 히터(120)의 승온 속도를 0.5℃/min 내지 1.5℃/min로 유지시킬 수 있다.
한편, 히터(120)는 복수 개의 저항 발열체(121)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 저항 발열체(121)는 벽체(110)에 부착될 수 있다. 각각의 저항 발열체(121)는 세라믹 플레이트로부터 이격되며, 복사 열을 전달하여 세라믹 플레이트 및 피가열체를 가열시킬 수 있다. 또한, 열처리 공간 내의 저항 발열체(121)의 개수는 다양하게 선택될 수 있고, 예를 들어, 열처리 공간에는 6개의 저항 발열체(121)가 마련될 수 있다. 또한, 상기 저항 발열체(121)는 지르코니아 히터일 수 있다. 또한, 제어부(150)는 저항 발열체(121)로 공급되는 전류 값을 조절하도록 마련될 수 있고, 전류 값이 조절됨에 따라 저항 발열체의 발열량이 조절될 수 있다.
특히, 제어부(150)는 히터의 승온 속도를 1℃/min로 유지시키는 것이 바람직하다. 또한, 제어부(150)는 히터가 목표 온도에 도달 시, 세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차가 20℃ 내지 30℃가 되도록 히터의 승온속도를 조절할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 히터(120)가 목표 온도에 도달할 때까지 승온속도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 히터(120)가 목표 온도(예를 들어, 1200℃)에 도달할 때까지 승온속도를 1℃/min으로 일정하게 유지시킬 수 있다.
이와는 다르게, 제어부(150)는 히터(120)가 목표 온도에 도달할 때까지 적어도 일부에서 승온속도를 다르게 조절시킬 수 있다. 예를 들어, 히터(120)가 목표 온도에 도달할 때까지, 승온 구간을 나누는 방법으로서, 초반 30분간 1℃/min으로 승온시키고, 30분간 유지 후, 30분간 2℃/min으로 승온시킬 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 열처리 장치의 제어방법으로서, 세라믹 플레이트(131 내지 134) 상에 피가열체를 배치시키는 단계 및 히터가 목표 온도에 도달할 때까지, 히터의 승온 속도를 조절하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같이, 히터의 승온 속도를 0.5℃/min 내지 1.5℃/min로 유지시킬 수 있고, 바람직하게, 히터의 승온 속도를 1℃/min로 유지시킬 수 있다.
또한, 세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차가 20℃ 내지 30℃가 되도록 히터의 승온속도를 조절할 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 장치에서 세라믹 플레이트의 온도 편차를 나타내는 복사 열 해석 결과이다. 도 5 및 도 6은 히터의 승온 속도에 따른 층별 최대 온도 차이를 나타내는 해석 결과이다.
해석을 위하여, 열처리 공간은 400*400*400(mm)의 체적을 갖고, 벽체는 단열 벽체로서, 재질은 알루미나이다. 벽체의 열전달 특성으로, 열전도율(thermal conductivity)가 800℃에서 0.14 W/mK이고, 1000℃에서 0.18 W/mK이며, 1200℃에서 0.23 W/mK, 1400℃에서 0.29 W/mK이다.
히터로는 6개의 저항 발열체를 사용하였고, 저항 발열체는 지르코니아 히터(최고 온도 1750℃)이다. 세라믹 플레이트는 200(가로) * 200(세로) * 10(두께)의 크기이고, 총 4개의 층(도 1의 131 내지 134)으로 구성하였다. 적층 방향을 따라 2개의 세라믹 플레이트 사이에 배치된 기둥부재는 총 4개씩이고, 상기 기둥부재는 재질이 알루미나이며, 열전도율(Thermal conductivity)이 200℃에서 21W/mK이고, 400℃에서 12.6W/mK이며, 600℃에서 10.5W/mK이고, 1000℃에서 8.4 W/mK이다.
또한, 히터의 목표 온도는 1200℃이고, 도 2는 2℃/min의 승온 속도로 1200℃까지 저항 발열체 온도를 승온시킨 경우에 히터의 온도가 186.7℃에 도달하였을 때 세라믹 플레이트의 온도 분포 결과 값이고, 도 3은 1℃/min의 승온 속도로 1200℃까지 저항 발열체 온도를 승온시킨 경우에 히터의 온도가 186.7℃에 도달하였을 때 세라믹 플레이트의 온도 분포 결과 값이다. 도 3 및 도 4는 총 4개층 중 하단부터 상단방향으로 2층에 위치한 세라믹 플레이트(도 1의 132)의 온도 분포 결과이다. 해석은 복사 열 해석(DO Model)으로 Ansys Fluent 17 프로그램을 사용하였다.
도 3을 참조하면, 세라믹 플레이트의 중앙부와 가장자리의 온도 편차가 약 51℃임을 확인할 수 있고, 도 4를 참조하면, 세라믹 플레이트의 중앙부와 가장자리의 온도 편차가 약 24℃임을 확인할 수 있다.
또한, 1층과 4층 세라믹 플레이트 간의 최대 온도 차이(세라믹 플레이트의 중심부 기준)는, 2℃/min의 승온 속도인 경우, 약 52℃이고(도 5 참조), 1℃/min의 승온 속도인 경우, 약 30℃이다(도 6 참조).
즉, 승온 속도를 조절함으로써, 세라믹 플레이트의 중앙부와 가장자리 영역의 온도 편차를 줄일 수 있고, 층별 세라믹 플레이트의 최대 온도 차이를 줄일 수 있음을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열처리 장치를 나타내는 사시도이다. 본 실시예는 도 1에서 설명한 실시예에 비하여, 세라믹 플레이트의 적층 개수가 증가한 차이를 갖는다. 도 7에 도시된 열처리 장치(100)는 총 8개 층의 세라믹 플레이트(131 내지 138)를 포함한다.
도 8은 도 7에 도시된 각 층의 세라믹 플레이트의 온도 편차를 나타내는 그래프이다. 복수 개의 세라믹 플레이트로 층을 구성할 경우, 하부층일수록 복사 열을 방해하는 구조물이 많아 저온이고, 상부층일수록 복사열의 영향을 받아 고온임을 확인할 수 있다. 이때, 최상단 및 최하단 층을 더미(dummy)로 쌓고(경우에 따라 2개 층씩), 가운데 층들을 사용하는 경우, 층별 온도 분포가 균일해지는 것을 확인할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 열처리 장치
110: 벽체
120: 히터
121: 저항 발열체
131 내지 138: 세라믹 플레이트

Claims (12)

  1. 열처리 공간 내에 피가열체를 가열시키기 위한 열처리 장치로서,
    열처리 공간을 형성하는 벽체;
    열처리 공간 내에 배치되고, 피가열체가 놓이는 세라믹 플레이트;
    열처리 공간을 가열시키도록 마련되고, 피가열체 및 세라믹 플레이트로부터 떨어져 배치된 히터; 및
    히터가 목표 온도에 도달할 때까지 히터의 승온 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하며,
    열처리 공간에는 복수 개의 세라믹 플레이트가 적층된 상태로 배치되고, 각각의 세라믹 플레이트에는 피가열체가 놓이게 되며, 인접하는 2개의 세라믹 플레이트 사이에는 기둥 부재가 복수 개 배치되며,
    제어부는 세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차가 20℃ 내지 30℃가 되도록 히터의 승온속도를 조절하되, 히터의 승온 속도를 0.5℃/min 내지 1.5℃/min로 유지시키는 열처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 히터의 승온 속도를 1℃/min로 유지시키는 열처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 히터가 목표 온도에 도달할 때까지 승온속도를 일정하게 유지시키는 열처리 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    히터는 복수 개의 저항 발열체를 포함하는 열처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 저항 발열체로 공급되는 전류 값을 조절하도록 마련된 열처리 장치.
  9. 제 1 항에 따른 열처리 장치의 제어방법으로서,
    세라믹 플레이트 상에 피가열체를 배치시키는 단계; 및
    히터가 목표 온도에 도달할 때까지, 히터의 승온 속도를 조절하는 단계를 포함하며,
    세라믹 플레이트의 중심부와 가장자리의 온도 편차가 20℃ 내지 30℃가 되도록 히터의 승온속도를 조절하되, 히터의 승온 속도를 0.5℃/min 내지 1.5℃/min로 유지시키는 열처리 장치의 제어방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    히터의 승온 속도를 1℃/min로 유지시키는 열처리 장치의 제어방법.
  12. 삭제
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