KR20010094374A - Apparatus for heating ceramic materials through preheating and heat generation by means of the electric resistance of materials and thereof method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 목적은 세라믹 재료의 가열장치에 있어서 전기로를 이용하여 세라믹 재료를 예열한 후 세라믹 재료에 전기를 흘려서 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 세라믹 재료를 가열하는 장치를 제공하고 동시에 그 가열방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a device for heating a ceramic material using self-heating caused by electrical resistance by preheating the ceramic material by using an electric furnace in the heating device of the ceramic material and then flowing electricity to the ceramic material. To provide.
세라믹 재료는 금속재료에 비하여 용융점이 매우 높고 고온에서 산화에 안정하기 때문에 고온 재료로서 널리 이용되고 있다. 세라믹 재료의 가열장치로서 전기로가 널리 사용되고 있는데, 이 방법은 전기로의 발열체를 발열시켜 전기로 내부에 있는 재료를 균일하게 가열하는 것을 특징으로 하고 있다. 전기로는 약 2000℃이하에서는 재료의 열처리 및 소결 등에 광범위하게 이용되고 있다. 그러나 더 높은 온도를 필요로 하는 용도에는 사용하기가 곤란하다.Ceramic materials are widely used as high-temperature materials because they have a very high melting point and stable to oxidation at high temperatures compared to metal materials. An electric furnace is widely used as a heating device for ceramic materials, and this method is characterized in that the heating element of the electric furnace generates heat to uniformly heat the material inside the electric furnace. Electric furnaces are widely used for heat treatment and sintering of materials below about 2000 ° C. However, it is difficult to use for applications requiring higher temperatures.
예를 들어, 세라믹 재료를 가열하여 용융하고자 할 경우, 재료를 용기에 담아서 용융점 이상으로 가열해야만 한다. 전기로를 사용하여 세라믹 재료를 가열하는 방식으로는 2000℃ 이상의 고온에 도달하기 매우 어렵고, 또한 세라믹 재료의 용융이 발생하더라도 세라믹 재료를 담는 용기와 용융물이 서로 반응하여 용융물이 불순해지는 단점이 있다. 따라서 재료의 용융점을 측정할 때 온도 측정이 부정확해진다. 또한 세라믹 재료를 담는 용기는 고융점 재료, 예를 들어, 텅스텐,를 사용해야만 한다. 따라서 세라믹 재료를 초고온으로 가열하는 종래기술은 전력소모가 크고 사용되는 용기의 가격이 비싼 단점이 있다.For example, if a ceramic material is to be heated and melted, the material must be contained in a container and heated above the melting point. In the method of heating the ceramic material using an electric furnace, it is very difficult to reach a high temperature of 2000 ° C. or higher, and there is a disadvantage in that the melt containing the ceramic material and the melt react with each other even if the melting of the ceramic material occurs. Therefore, the temperature measurement becomes inaccurate when measuring the melting point of the material. The container containing the ceramic material must also use a high melting point material, for example tungsten. Therefore, the prior art of heating the ceramic material to an extremely high temperature has the disadvantage that the power consumption is large and the price of the container used is expensive.
세라믹 재료 중에는 재료의 중심부 온도가 외부 온도보다 매우 높은 조건에서 특수하게 사용되는 것들이 있다. 이러한 조건에서 재료의 성능을 시험하기 위해서는 이것과 동일한 온도조건을 조성해야 하는데, 외부에서 열을 공급하는 종래의 가열장치는 세라믹 재료의 내부를 외부보다 훨씬 더 높은 온도로 가열할 수 없다는 단점이 있다.Some ceramic materials are specially used under conditions where the core temperature of the material is much higher than the outside temperature. In order to test the performance of the material under these conditions, the same temperature conditions must be established. The conventional heating apparatus that supplies heat from the outside has a disadvantage in that the interior of the ceramic material cannot be heated to a much higher temperature than the outside. .
예를 들어, 원자력 발전소에 사용되는 세라믹 이산화 우라늄(UO2) 핵연료는 봉 형상으로 가공되어 원자로에서 사용되며, 우라늄 핵분열에 의해서 재료 내부에서 열이 발생하고 그 열은 봉 주위를 흐르는 냉각수에 의해서 제거되어 증기발생기로 전달된다. 따라서 핵연료 재료의 중심부는 고온 상태이고 외부는 저온 상태로서, 그 온도 구배는 약 200℃/mm 정도이다.For example, ceramic uranium dioxide (UO 2 ) fuel used in nuclear power plants is processed into rods and used in nuclear reactors, and heat is generated inside the material by uranium nuclear fission and the heat is removed by cooling water flowing around the rod. And is delivered to the steam generator. Thus, the core of the fuel material is hot and the outside is cold, with a temperature gradient of about 200 ° C./mm.
원자로에 사고가 발생하는 경우에는 핵연료 재료의 온도가 과도하게 상승해서 중심부가 용융에 도달할 수 있고, 또한 핵연료 재료는 내부와 외부의 온도차이가 더욱 커지므로 변형되거나 재료 성능이 열화된다. 이러한 재료거동은 원자로를 안전하게 설계하기 위해서 필요한 data 이므로 소규모 시험 원자로에서 핵연료로부터 직접 상기 data를 얻어낸다. 그러나 이러한 시험은 엄청난 비용이 소모될 뿐만 아니라 계측장치를 장착할 수 없어서 얻을 수 있는 data도 매우 제한적이다.In the event of an accident in a nuclear reactor, the temperature of the fuel material may rise excessively and the core may reach melting, and the fuel material may deform or degrade material performance due to a larger temperature difference between the inside and the outside. Since this material behavior is necessary for the safe design of the reactor, the data can be obtained directly from nuclear fuel in small test reactors. However, these tests are not only costly, but also limit the data that can be obtained by not being able to mount the instrument.
원자로 핵연료 재료의 사용온도 조건과 유사한 온도조건을 원자로 밖에서 실현한다면 시험비용을 절약할 수 있고 또한 다양한 시험자료를 얻을 수 있지만, 지금까지 적합한 시험장치가 알려지지 않았다.Realization of temperature conditions similar to those of reactor fuel materials outside the reactor can save test costs and provide a wide range of test data, but so far no suitable test equipment is known.
본 발명은 종래 기술의 단점들을 해결하기 위해서 세라믹 재료의 내부를 외부보다 훨씬 더 높은 온도로 가열함으로써 세라믹 재료의 용융점 측정이 용이한 가열장치를 제공하며 또한 사용조건에서 내부의 온도가 외부의 온도보다 높은 세라믹 재료의 성능시험에 적합한 가열장치 및 가열방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a heating device that facilitates melting point measurement of ceramic materials by heating the interior of the ceramic material to a much higher temperature than the outside in order to solve the disadvantages of the prior art. It is intended to provide a heating apparatus and heating method suitable for performance testing of high ceramic materials.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 재료의 가열장치의 주요부를 나타내는 종단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The longitudinal cross-sectional view which shows the principal part of the heating apparatus of the ceramic material which concerns on this invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
(1) : 진공 챔버(chamber)(1): vacuum chamber
(2) : 예열용 전기로(2): preheating furnace
(3) : 전극(3): electrode
(4) : 예열용 전기로의 전원공급 및 제어장치(4): Power supply and control device for preheating electric furnace
(5) : 전극용 전원 공급기 및 제어장치(5): electrode power supply and controller
(6) : 진공 펌프(6): vacuum pump
(7) : 관측 및 계측용 창(7): window for observation and measurement
(8) : 온도측정용 센서(8): Temperature measuring sensor
(9) : 세라믹 재료(9): ceramic material
(10) : 기체공급기(10): gas supply
(11) : 지지대(11): support
세라믹 재료는 일반적으로 상온에서 전기저항이 커서 전기 부도체이지만, 온도가 높아지면 전기저항이 급격히 감소해서 전기 전도체로 변한다. 본 발명에서 제공하는 장치는 이러한 원리를 이용한다. 세라믹 재료를 상온부터 특정온도까지 전기로를 사용해서 예열하여 세라믹 재료를 전도체로 변화시킨 후, 세라믹 재료에 전류를 흘려서 전기저항에 의한 자체 발열을 이용하여 재료를 가열한다.Ceramic materials are generally electrical insulators with high electrical resistance at room temperature, but as the temperature increases, the electrical resistance rapidly decreases and turns into electrical conductors. The device provided by the present invention uses this principle. The ceramic material is preheated from room temperature to a specific temperature using an electric furnace to change the ceramic material into a conductor, and then the current is flowed through the ceramic material to heat the material using self-heating caused by electrical resistance.
본 발명에서 제공하는 "예열과 전기저항 발열을 결합한 세라믹 재료의 가열장치"를 도 1에 예시한다. 상기 가열장치는 진공 챔버(chamber)(1), 예열용 전기로(2), 전극(3), 예열용 전기로의 전원공급 및 제어장치(4), 전극용 전원 공급기 및 제어장치(5), 진공 펌프(6), 관측 및 계측용 창(7), 온도측정용 센서(8)로 구성되며, 챔버 안에 전기로를 설치하며 다시 그 내부에 전극을 설치한 구조로 되어있다.FIG. 1 illustrates an "apparatus for heating a ceramic material combining preheating and electrical resistance heating" provided in the present invention. The heating device comprises a vacuum chamber (1), a preheating furnace (2), an electrode (3), a power supply and control device (4), a power supply and control device (5) for the preheating furnace, It consists of a vacuum pump (6), observation and measurement window (7), temperature measuring sensor (8), an electric furnace is installed in the chamber, and the electrode is installed inside.
챔버 안에서 전극은 가로 방향 혹은 세로 방향으로 설치되고, 전극과 전극 사이에 세라믹 재료(9)를 장착한다. 전극 사이에는 압축력이 작용해서 세라믹 재료를 지탱할 수 있고, 또한 전극 사이의 간격은 조정이 가능하다. 전극 재료로서 고융점의 금속을 사용하며, 텅스텐 또는 흑연이 좋다. 세라믹 재료는 봉 형상으로 가공하는 것이 좋고, 길이가 짧은 재료는 여러 개를 적층해서 전극 사이에 장착한다.In the chamber, the electrodes are installed in the transverse or longitudinal direction, and the ceramic material 9 is mounted between the electrodes. A compressive force acts between the electrodes to support the ceramic material, and the spacing between the electrodes can be adjusted. A high melting point metal is used as the electrode material, and tungsten or graphite is preferable. It is preferable to process a ceramic material into rod shape, and several materials of short length are laminated | stacked and mounted between electrodes.
상기 전기로는 발열체와 단열재로 구성되며, 발열체의 온도를 측정하고 상기 전기로용 전원공급 및 제어장치를 통해서 발열체의 온도를 제어한다. 전기로의 온도는 프로그램을 통하여 제어된다.The electric furnace is composed of a heating element and a heat insulating material, and measures the temperature of the heating element and controls the temperature of the heating element through the power supply and control device for the electric furnace. The temperature of the furnace is controlled through the program.
상기 전극용 전원 공급 및 제어장치는 저전압 및 고전류를 공급하는 것을 특징으로 하며 전압은 100 V 이하, 전류는 100A 이하이다. 또한 전압의 조정이 가능하며 펄스 형태로 전압을 부가하는 기능이 갖는다. 만약 세라믹 재료를 예열하지 않고 상온부터 전기저항 발열을 이용해서 가열한다면, 고전압(수천 V) 및 저전류 전원 공급기가 추가로 필요하며 전압의 조정이 매우 어려워서 실용적이지 못하다.The electrode power supply and control device is characterized by supplying a low voltage and a high current, the voltage is less than 100V, the current is less than 100A. In addition, the voltage can be adjusted and has the function of adding voltage in the form of a pulse. If the ceramic material is heated using electrical resistance heating from room temperature without preheating, additional high voltage (thousands of V) and low current power supplies are needed and the voltage adjustment is very difficult and not practical.
예열 중에는 세라믹 재료가 균일하게 가열되며, 예열 온도는 세라믹 재료에따라서 달라질 수 있지만 300-1200℃ 정도면 가능하다. 전기저항에 의한 자체 발열이 시작되면 발생 열의 일부는 온도가 낮은 주위로 빠져나가는데, 특히 세라믹 재료는 열전도도가 매우 낮기 때문에 세라믹 재료의 중심부가 온도가 높고 외부의 온도가 낮게 된다. 따라서 세라믹 재료는 중심부와 외부가 서로 온도편차를 갖고 가열된다.During preheating, the ceramic material is heated evenly, and the preheating temperature may vary depending on the ceramic material, but may be as high as 300-1200 ° C. When the self-heating caused by the electrical resistance starts, a part of the generated heat escapes to a low temperature environment. In particular, since the ceramic material has a very low thermal conductivity, the center of the ceramic material has a high temperature and a low external temperature. Therefore, the ceramic material is heated with a temperature deviation between the center and the outside.
상기 장치를 이용하여 세라믹 재료를 가열하는 방법을 설명한다. 세라믹 재료를 전극 사이에 끼우고 세라믹 재료 지지대(11)로 지지한 후 진공펌프를 작동하여 챔버 내의 공기를 배출한 후 기체공급기(10)에서 불활성 기체를 챔버 안에 채운다. 전기로를 이용하여 세라믹 재료를 예열하며, 예열온도는 세라믹 재료의 전기저항이 적절히 감소할 수 있는 범위에서 결정되어야 하므로, 재료의 전기성질에 따라서 조금씩 달라질 수 있다. 세라믹 재료는 상온에서는 저항이 수백-수천 kΩ 정도로 매우 커서 고전압에서도 전류의 흐름이 거의 없고, 온도가 상승하면 전기저항이 수Ω - 수십 Ω 정도로 감소하여 저전압에서도 상당한 전류가 흐른다. 예열온도가 300-1200℃에 도달하면 전극용 전원 공급기를 이용하여 세라믹 재료에 전류를 흘린다. 이때 세라믹 재료는 전기저항에 의해서 자체적으로 발열하기 시작하며 온도가 높아진다.A method of heating a ceramic material using the above apparatus will be described. The ceramic material is sandwiched between the electrodes and supported by the ceramic material support 11, and then a vacuum pump is operated to discharge the air in the chamber, and then the inert gas is filled in the chamber by the gas supply 10. The ceramic material is preheated using an electric furnace, and the preheating temperature should be determined in a range in which the electrical resistance of the ceramic material can be appropriately reduced, and thus may vary slightly depending on the electrical properties of the material. The ceramic material has a resistance of hundreds to thousands of kΩ at room temperature, so there is almost no current flow even at high voltage, and as the temperature rises, the electrical resistance decreases to several Ω to several tens of Ω, and a considerable current flows even at low voltage. When the preheating temperature reaches 300-1200 ° C, a current is passed through the ceramic material using the electrode power supply. At this time, the ceramic material starts to generate heat by itself due to the electrical resistance and the temperature becomes high.
세라믹 재료의 내부 가열이 시작되면, 전기로의 작동을 중지하거나 혹은 세라믹 재료의 외부 온도를 원하는 온도로 유지하기 위해서 온도를 조절한다.Once the internal heating of the ceramic material begins, the temperature is adjusted to either stop the operation of the electric furnace or to maintain the external temperature of the ceramic material at the desired temperature.
전기저항에 의한 발열은 세라믹 재료 전체에서 발생하며, 발생 열의 일부는 온도가 낮은 주위로 빠져나간다. 따라서 세라믹 재료의 중심부가 온도가 높고 표면의 온도가 낮게 되며, 특히 세라믹 재료는 열전도도가 매우 낮기 때문에 온도차이가 커진다. 이에 따라서 세라믹 재료 중심부의 저항이 재료 외부의 저항보다 더욱 감소하므로, 중심부에서 더 많은 발열이 발생하여 세라믹 재료의 중심부는 온도가 급격히 상승한다. 중심부와 외부의 온도 차이는 수 100℃ - 1000℃에 이른다.Heat generated by the electrical resistance is generated in the whole ceramic material, and part of the generated heat escapes to a low temperature environment. Therefore, the temperature of the center of the ceramic material is high and the surface temperature is low. In particular, the ceramic material has a very low thermal conductivity, thereby increasing the temperature difference. Accordingly, since the resistance of the center of the ceramic material is further reduced than the resistance of the outside of the material, more heat is generated in the center and the temperature of the center of the ceramic material rises rapidly. The temperature difference between the center and the outer reaches several 100 ℃-1000 ℃.
본 발명에서 제공하는 장치 및 가열방법을 응용하면 세라믹 재료의 용융점을 용이하게 측정할 수 있다. 세라믹 재료를 봉 형상으로 가공하고, 재료 중앙 부위까지 열전대를 삽입한다. 세라믹 재료를 가열하면 중심부에서만 용융이 되고 외부는 고체상태를 유지하므로 외부는 용융물을 담는 용기 역할을 한다. 따라서 별도의 고온 용기가 없어도 세라믹 재료의 용융점을 측정할 수 있다. 열전대로 온도의 측정이 불가능한 2200℃ 이상에서는 적외선 온도계(pyrometer)를 사용한다. 이 경우에는 미리 세라믹 재료의 중앙부까지 구멍을 뚫은 상태에서 재료를 가열하고 이 구멍을 통해서 중심부에 있는 용융물의 온도를 측정한다.By applying the apparatus and heating method provided by the present invention, it is possible to easily measure the melting point of the ceramic material. The ceramic material is processed into rods, and a thermocouple is inserted up to the center of the material. When the ceramic material is heated, it melts only in the center and the outside remains solid, so the outside serves as a container for the melt. Therefore, the melting point of the ceramic material can be measured without a separate hot container. Above 2200 ° C, where thermocouples cannot measure temperature, an infrared pyrometer is used. In this case, the material is heated in the state of having previously drilled the center of the ceramic material, and the temperature of the melt in the center is measured through the hole.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법을 이용하면 세라믹 재료의 재료의 중심부와 외부에 온도편차를 두고 가열할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 핵연료의 원자로 온도조건과 유사한 온도조건에서 성능시험이 가능하다. 세라믹 핵연료 (UO2)는 직경과 길이가 모두 약 10 mm 인 원주형 형상을 갖고 있는데 이것들을 길이방향으로 쌓아서 세로방향의 전극 사이에 장착하고 전기로를 사용해서 400-1200℃로 예열한다. 전원 공급기를 이용해서 전극 사이에 전류를 흘리면 핵연료 재료가 발열된다. 이때 발생 열의 일부는 재료 밖으로 전달되므로, 열전도도가 낮은 핵연료 재료의 중심부는 온도가 높고 외부는 온도가 낮아진다. 전원 공급기의 전압의 증가속도를 조절하면 핵연료 재료의 가열온도 및 가열속도를 조절할 수 있다. 전압 또는 전류를 펄스 형태로 가하면 세라믹 재료를 급속하게 가열할 수 있다. 또한 챔버 안의 기체를 냉각하든지 또는 가열하는 방법으로 핵연료 재료 주위의 온도를 조절할 수 있다.By using the heating apparatus and heating method provided by the present invention, it is possible to heat with a temperature deviation at the center and the outside of the material of the ceramic material. For example, performance tests can be performed at temperatures similar to those of reactor nuclear fuel reactors. Ceramic nuclear fuel (UO 2 ) has a columnar shape with a diameter and length of about 10 mm, which are stacked longitudinally and mounted between longitudinal electrodes and preheated to 400-1200 ° C using an electric furnace. When a current flows between the electrodes using a power supply, the fuel material generates heat. At this time, part of the generated heat is transferred out of the material, so that the central portion of the nuclear fuel material having low thermal conductivity is high in temperature and the outside is low in temperature. By controlling the rate of increase of the voltage of the power supply, it is possible to control the heating temperature and heating rate of the fuel material. Applying a voltage or current in the form of a pulse can rapidly heat up the ceramic material. The temperature around the fuel material can also be controlled by cooling or heating the gas in the chamber.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법을 이용하면 세라믹 재료의 열처리 또는 소결 이 가능하다.Using the heating apparatus and heating method provided by the present invention it is possible to heat treatment or sintering the ceramic material.
(변형예, 응용예 및 법적해석)(Variants, applications and legal interpretations)
본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above specific preferred embodiments and modifications, and any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims can make various design changes. Of course, such changes are within the scope of the claims.
본 발명에서 제공하는 가열장치 및 가열방법은 세라믹 재료의 중심부는 고온으로 외부는 상대적 저온으로 가열이 가능하여, 세라믹 재료의 용융점 측정시 고온 용기 없이도 재료의 용융점을 측정할 수 있다. 또한 원자로에 사용되는 핵연료 재료의 성능시험을 간단하면서 매우 적은 비용으로 가능하게 한다.In the heating apparatus and the heating method provided by the present invention, the center of the ceramic material can be heated at a high temperature and the outside at a relatively low temperature, so that the melting point of the material can be measured without a hot container when measuring the melting point of the ceramic material. It also enables simple and very low cost performance testing of nuclear fuel materials used in nuclear reactors.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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KR1020000016593A KR100347211B1 (en) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | Apparatus for heating ceramic materials through preheating and heat generation by means of the electric resistance of materials and thereof method |
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ID=19660275
Family Applications (1)
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- 2000-03-30 KR KR1020000016593A patent/KR100347211B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
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