KR20030014277A - 소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체 - Google Patents

소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체 Download PDF

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Abstract

도자기재료나 파인 세라믹스 재료 등으로 형성된 피소성체를 소성하여 소성체를 제조하기 위한 소성로 및 방법. 단열벽(28) 및 내부껍질(25)은, 피소성체(10)를 소성하기 위한 소성실(16)을 구획한다. 내부껍질(25)과 피소성체(10)의 사이에는 열평형이 유지되고, 피소성체(10)는 의사적으로 완전하게 단열되어, 보다 균일하고 저 에너지의 소성을 달성할 수 있다. 또한, 단열벽(28)의 두께는, 입구(20)로부터 출구(21)로 향함에 따라 점차로 증대된다. 소성로에 구비된 대차에 의해, 피소성체(10)는 소성실(16) 내에서 입구(20)로부터 출구(21)로 반송된다. 이것에 의해, 복수의 처리공정에 대응하는 온도분포를 하나의 소성로 내에서 용이하게 형성하고, 피소성체(10)를 동 소성로 내에서 연속적으로 소성할 수 있다.

Description

소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체{Burning furnace, burnt body producing method, and burnt body}
종래, 피소성체를 소성하기 위한 소성로에는, 전기로, 가스로가 사용되고 있다. 그러나, 피소성체를 외부로부터 가열하는 이러한 소성로의 경우에는, 피소성체의 표면과 내부와의 온도차가 발생되지 않도록 소성로 내의 온도를 서서히 상승시킬 필요가 있어, 소성시간이 길어진다고 하는 문제가 있었다.
여기에서, 그와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 일본 특공소 58-23349호, 일본 특개평 3-257072호, 및 일본 특개평 6-87663호는, 마이크로파를 사용한 각종의 소성로를 제안하고 있다. 마이크로파는 피소성체의 표면 및 내부 중 어느 쪽에도 균일하게 흡수된다. 그 때문에, 가열시에 피소성체의 표면과 내부와의 온도차가 발생할 우려가 적다. 따라서 균일한 소성이 가능한 동시에, 승온속도를 빠르게 할 수 있어, 소성에 걸리는 시간을 대폭 단축시키는 것이 가능하다. 마이크로파에 의한 피소성체의 소성은, 소성체의 생산, 특히 공업용 세라믹스의 생산성을 높이는동시에 소성에 필요한 에너지를 저감시키는 기술로서 기대되고 있다.
본 발명자들은, 마이크로파에 의한 소성시, 피소성체를, 피소성체와 등가의 마이크로파 흡수특성을 가지는 단열재로 둘러쌈에 의해, 피소성체를 의사적으로 완전히 단열시키는 공간이 형성되는 것을 알아내었다. 이 경우, 방사냉각에 의해 피소성체에 있어서 열구배가 발생하는 것을 억제할 수 있어, 보다 균일한 소성이 가능하다.
하지만, 상기 단열재로 피소성체를 둘러싸 소성하는 경우에는, 마이크로파의 에너지가 피소성체만이 아니라 단열재에도 흡수되어 소비되기 때문에, 소성에 필요한 에너지량이 현저하게 증대된다.
단열재에서 소비되는 에너지량을 억제하기 위해서는, 단열재를 얇게 하여 그 중량 및 열용량을 적게 할 것이 필요하다. 그러나, 단열재를 얇게 하는 만큼, 단열재가 마이크로파에 의해 얻는 열에너지의 양에 비하여 열전도에 의해서 단열재로부터 외부로 잃어버리는 열에너지의 양이, 무시할 수 없을 만큼 커지게 된다. 그 때문에 단열재의 내측표면과 피소성체와의 사이에 큰 온도차가 발생되어 버린다. 그렇게 되면, 의사 단열공간의 가정이 무너져, 방사냉각에 의하여 피소성체에 열구배가 발생되게 된다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은, 피소성체의 소성에 필요한 에너지의 저감을 도모하면서도, 방사냉각에 의한 열구배가 피소성체에 있어서 발생되는 것을 억제할 수 있는 소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체를 제공하는 것에 있다.
소성체의 대량 생산을 도모하기에는, 복수의 처리공정을 연속적으로 행하는것이 가능한 터널형식의 연속소성로가 적합하다. 이 연속소성로에서는, 피소성체의 반송방향으로 소성로 내의 온도를 변화시켜 소성로 내에 적당한 온도분포를 형성할 필요가 있다. 그 이유는, 소성로 내의 특정 온도영역에서, 그것에 대응하는 소성과정에 있어서의 처리공정(예컨대, 건조, 예비소성, 본소성)이 행해져야만 하기 때문이다.
하지만, 마이크로파에 의한 소성의 경우에는, 마이크로파가 소성로 내에서 다중 반사를 반복하여 그 전력밀도가 확산 및 균일화되어 버리기 때문에, 연속된 하나의 공동인 소성로 내에서 적당한 온도분포를 형성하는 것은 곤란하다.
따라서, 본 발명의 제2 목적은, 복수의 처리공정에 대응하는 온도분포를 하나의 소성로 내에서 용이하게 형성할 수 있고, 피소성체를 동 소성로 내에서 마이크로파에 의해 연속적으로 소성할 수 있는 연속소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 도자기재료나 파인 세라믹스 재료 등으로 형성된 피소성체를 소성하여 소성체를 제조하기 위한 소성로, 소성체의 제조방법 및 소성체에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 소성로를 나타내는 개략 평단면도,
도 2는 소성실을 나타내는 확대 개략 평단면도,
도 3은 제1 실시형태의 연속소성로를 나타내는 개략 측단면도,
도 4는 도 3의 연속소성로를 나타내는 확대 개략 평단면도,
도 5는 단열벽의 복소 유전손실(complex dielectric loss)의 온도의존성을 나타내는 그래프,
도 6은 제2 실시형태의 연속소성로를 나타내는 개략 평면도이다.
본 발명의 일 태양에 의하면, 마이크로파에 의해 피소성체를 소성하기 위한 소성로가 제공된다. 소성로는, 마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질과, 마이크로파 발생장치를 구비한다. 내부껍질은 소성실을 구획하고, 소성실 내에는 피소성체가 배치된다. 마이크로파 발생장치는 상기 내부껍질을 통해서 피소성체에 마이크로파를 조사한다. 마이크로파에 의한 상기 내부껍질의 단위체적당 발열량은, 상기 피소성체의 단위체적당 발열량보다도 크다. 내부껍질의 내측 표면온도와 피소성체의 표면온도는 실질적으로 동일하다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법이 제공된다. 동 방법은, ⅰ) 마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질을 부여하는 공정으로서, 상기 내부껍질은 소성실을 구획하는 것과, ⅱ) 상기 소성실의 내부에 피소성체를 배열설치하는 공정과, 마이크로파에 의한 상기 내부껍질의 단위체적당 발열량은, 상기 피소성체의 단위체적당 발열량보다도 큰 것과, ⅲ) 내부껍질의 내측 표면온도와 피소성체의 표면온도가 실질적으로 동일하게 되도록, 마이크로파 발생장치에 의해 상기 내부껍질을 통하여 상기 피소성체에 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 이와 같은 방법에 의해서 얻어진 소성체가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 마이크로파에 의해 피소성체를 소성하기 위한 연속소성로가 제공된다. 연속소성로는, 마이크로파 투과성을 가지는 단열벽과, 마이크로파 발생장치와, 반송장치를 구비한다. 상기 단열벽은 소성실을 구획하고, 상기 소성실 내에는 피소성체가 배치된다. 마이크로파 발생장치는 상기 단열벽을 통하여 피소성체에 마이크로파를 조사한다. 반송장치는, 소성실 내에서 피소성체를 반송시킨다. 소성실 내의 온도는, 피소성체의 반송방향에 있어서 피소성체의 소성과정에 대응하도록 변화된다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법이 제공된다. 동 방법은, ⅰ) 마이크로파 투과성을 가지는 단열벽을 부여하는 공정으로서, 상기 단열벽은 소성실을 구획하는 것과,ⅱ) 상기 소성실의 내부에 반송장치에 의해서 피소성체를 배열설치하는 공정과, ⅲ) 상기 소성실 내의 온도가 피소성체의 반송방향에 있어서 피소성체의 소성과정에 대응하여 변화되도록, 마이크로파 발생장치에 의해 상기 단열벽을 통하여 소성실 내에서 반송되는 피소성체에 대하여 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 이와 같은 방법에 의해서 얻어진 소성체가 제공된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다. 특히 기재되지 않은 한, 도면을 통하여 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
(소성로)
도 1은 제1 실시형태의 소성로를 나타내는 개략 단면도이다. 동 소성로는, 피소성체(10)를 소성하여 소성체를 제조하기 위하여 사용된다. 피소성체(10)는, 도자기재료 또는 파인 세라믹스 재료를 소정형상으로 성형한 성형체로 형성된다. 피소성체(10)는, 성형체, 무유소성(unglazed baking; 유약을 칠하지 않고 구움)한 성형체, 성형체에 시유를 행한 것, 혹은 무유소성한 성형체에 시유를 행한 것 중 어느 하나이어도 좋다.
소성로는, 밀폐용기로 이루어지는 챔버(11)를 구비한다. 챔버(11)는, 적어도 그 내면에 있어서 마이크로파를 반사시킬 수 있다. 본 실시형태의 경우, 챔버(11)는, 스테인레스강에 의해 길이 2m × 폭 1.1m × 높이 1.1m의 사각상자 형상으로 형성되어 있다.
챔버(11)에는 마이크로파 발생장치로서의 마이크로파 발진기(12)가 도파관(13)을 통하여 접속된다. 마이크로파는 도파관(13)을 경유하여 챔버(11) 내로 입사된다. 마이크로파의 주파수는 0.9 ∼ 100GHz가 바람직하고, 0.9 ∼ 10GHz가 보다 바람직하고, 특히 2.45GHz가 바람직하다. 0.9GHz 마만의 주파수는, 파장이 지나치게 길어지는 동시에 마이크로파의 흡수율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 역으로, 100GHz를 넘는 주파수는, 고가의 마이크로파 발진기(12)가 필요하기 때문에 바람직하지 않다. 마이크로파의 주파수가 2.45Gz인 경우에는, 마이크로파 발진기(12)를 비교적 소형이고 저가인 것으로 할 수 있다. 본 실시형태의 경우, 2.45GHz의 마이크로파를 출력하는(출력 1.5kW), 6대의 마이크로파 발진기(12)(도 1에서는 4대만 도시)가 사용된다.
챔버(11)의 내부에서는 보조 단열벽(27)이 공간을 구획한다. 보조 단열벽(27)은 단열성을 가지는 동시에 마이크로파의 투과를 허용한다. 보조 단열벽(27)에 의해서 구획된 공간 내에서는, 주 단열벽(26) 및 주 단열벽(26)의 내부에 배치된 내부껍질(25)이 소성실(16)을 구획한다. 내부껍질(25), 주 단열벽(26), 및 보조 단열벽(27)은, 피소성체(10)를 둘러싸는 브래킷이다. 소성실(16)의 용적은 0.3 ∼ 0.6㎥가 바람직하다.
주 단열벽(26)은 단열성을 가지는 동시에 마이크로파의 투과를 허용한다. 이 주 단열벽(26)을 구성하는 재료로서는, 알루미나 파이버나 발포 알루미나 등의 단열효과를 가지는 재료를 들 수 있다.
한편, 내부껍질(25)은 마이크로파에 의해서 자기발열한다. 마이크로파에 의한 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량은, 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 큰 것이 필수이고, 바람직하게는 2배 이하이다. 이 내부껍질(25)을 구성하는 재료로서는, 뮬라이트(mullite)계 재료, 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)계 재료, 알루미나(alumina)를 들 수 있고, 소성할 피소성체(10)에 따라서 적절히 선택된다. 또한, 마이크로파 흡수율이 큰 마그네시아(magnesia), 지르코니아(zirconia), 산화철 등의 금속산화물이나, 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등의 무기재료를, 이 내부껍질(25)을 구성하는 재료에 소량 첨가하여도 좋다. 내부껍질(25)의 두께는 1 ∼ 2㎜가 바람직하다.
더욱이 소성로는 챔버(11) 내에 입사된 마이크로파를 교반하기 위한 마이크로파 교반장치를 구비한다. 이 마이크로파 교반장치는, 챔버(11)의 내면으로부터 내측을 향하여 연장되는 회전축(17)과, 그 회전축(17)에 지지된 복수의 교반날개(18)와, 그 교반날개(18)를 회전축(17)을 중심으로 하여 회전시키는 구동모터(19)를 가진다.
다음에, 이 소성로를 사용한 소성체의 제조방법에 관하여 설명한다.
소성체를 제조하는 경우에는, 우선 도자기 재료 또는 파인 세라믹스 재료를 소정 형상으로 성형하여, 피소성체(10)를 제작한다. 그 피소성체(10)를 소성실(16) 내에 배치한다. 계속해서, 마이크로파 발진기(12)를 작동시켜, 마이크로파를 챔버(11) 내로 입사시킨다. 챔버(11)에 입사된 마이크로파는, 보조 단열벽(27) 및 주 단열벽(26)을 투과하여 내부껍질(25) 및 피소성체(10)에 흡수되고, 열 에너지로 변환된다. 그것은, 내부껍질(25) 및 피소성체(10)의 온도를 상승시킨다.
본 실시형태에 있어서의 내부껍질(25)은 종래의 그것보다도 얇기 때문에, 열전도에 의해서 내부껍질(25)로부터 외부로 손실되는 열 에너지의 양이, 마이크로파에 의해서 내부껍질(25)이 얻는 열 에너지의 양에 비하여 무시할 수 없을 만큼 크게 될 우려가 있다. 그러나, 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량은, 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 크다. 따라서, 이 내부껍질(25)과 피소성체(10) 사이의 발열량의 차이에 의해서, 내부껍질(25)의 내측 표면온도와 피소성체(10)의 표면온도와의 차이가 보상된다. 그 결과, 내부껍질(25)과 피소성체(10)의 열평형이 유지되고, 내부껍질(25)의 내측 표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 실질적으로동일하게 된다. 이것은, 피소성체(10)가 의사적으로 완전하게 단열되는 것을 나타낸다. 또, 내부껍질(25)의 내측 표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 실질적으로 동일하다는 것은, 양자의 온도차가 소성체에 유해한 열 왜곡을 발생시키지 않을 정도의 차이라는 것을 말한다. 이 온도차는, 20℃ 이하인 것이 바람직하다.
또, 내부껍질(25)이 피소성체(10)와 열평형을 유지하면서 가열되기 때문에, 피소성체(10)로부터 방사에 의해 손실되는 열 에너지는, 내부껍질(25)의 내측표면으로부터 소성체(10)에 방사되는 열 에너지에 의해서 상쇄된다. 이 때, 피소성체(10)의 방사손실은 원리적으로 0 이다. 즉, 피소성체(10)에 대하여 소성실(16)은 의사적으로 완전하게 단열된 폐공간이 된다. 이 때문에, 방사냉각에 의한 열구배가 피소성체(10)에 있어서 발생되는 것이 억제된다.
이론적 해석에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체인 피소성체(10)가, 적당한 거리를 두고 다른 유전체인 내부껍질(25)로 둘러싸여 있다고 가정한 경우, 열전도 방정식은 하기 (1) 및 (2)식과 같이 표시된다.
∂θ1/ ∂t = κ1(∂2θ1/ ∂x2+ ∂2θ1/ ∂y2+ ∂2θ1/ ∂z2) + σ(θ2 4- θ1 4) + 2πf / (c1ρ1) E2ε0εr1tan δ1...(1)
∂θ2/ ∂t = κ2(∂2θ2/ ∂x2+ ∂2θ2/ ∂y2+ ∂2θ2/ ∂z2) + σ(θ1 4- θ2 4) + 2πf / (c2ρ2) E2ε0εr2tan δ2...(2)
여기에서, θ는 온도, κ는 열전도율, c는 비열, ρ는 밀도, t는 시간, x, y, z는 위치, σ는 스테판 볼츠만 상수, f는 주파수, E는 전계강도, εr은 물질의 비유전율, ε0은 진공의 유전율, δ는 손실각이다. 첨자 「1」은 피소성체(10), 첨자 「2」는 내부껍질(25)을 나타낸다.
이상적인 단열상태에서는, 피소성체(10)의 표면에서의 방사, 열전도 및 열전달에 의한 열의 출입 차이가 0 이 된다. 이와 같은 상태는, 피소성체(10)의 표면온도와 내부껍질(25)의 내측 표면온도가 동등할 때, 즉 열평형일 때에 실현된다. 다시 말해서, 피소성체(10)의 표면으로부터의 에너지 손실, 즉 피소성체(10)의 내부로부터 표면으로 향하는 열유속이 없으므로, 온도구배 ∂θ1/ ∂x, ∂θ1/ ∂y, ∂θ1/ ∂z 는 0 이 된다.
따라서, 상기 (1)식은,
∂θ1/ ∂t = 2πf / (c1ρ1) E2ε0εr1tan δ1...(1')
상기 (2)식은,
∂θ2/ ∂t = Prf/ (c2ρ2) εr2tan δ2- Ploss/ (c2ρ2) ...(2')
로 표시된다.
이 때, x = 0, ∂θ1/ ∂t = ∂θ2/ ∂t, θ1= θ2이다. 또한, 내부껍질(25)은 폐공간 혹은 등가적으로 폐공간이다. 내부껍질(25)의 내측표면에서 열평형이 성립되기에는, 내부껍질(25)의 내측표면에서의 에너지의 출입이 0, 즉 내부껍질(25)의 내측표면에서 ∂θ/ ∂x = 0 이 되야만 한다. 따라서, 상기 (2')식을 만족하는 조건은, 하기 (3)식으로 표시된다.
εr1tan δ1/ c1ρ1= εr2tan δ2/ c2ρ2- Ploss/ Prf...(3)
여기에서, Prf(= 2πf E2ε0)는 마이크로파의 전력밀도, Ploss는 내부껍질(25)로부터 외부로 손실되는 에너지이다.
이상 상술한 본 실시형태는 이하의 효과를 가진다.
피소성체(10)로부터 방사에 의해서 손실되는 열 에너지는, 내부껍질(25)의 내측표면으로부터 방사되는 열 에너지에 의해서 상쇄되어, 피소성체(10)의 방사손실은 원리적으로 0 이다. 이 때문에, 방사냉각에 의한 열구배가 피소성체(10)에 있어서 발생되는 것을 억제할 수 있고, 종래의 마이크로파에 의한 소성로에 비하여 보다 균일한 소성이 가능하다. 이것에 의해 피소성체(10)의 뒤틀림이나 균열의 발생을 억제할 수 있다.
내부껍질(25)의 마이크로파에 의한 단위체적당 발열량이 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 크다. 이 때문에, 피소성체(10)와 내부껍질(25)의 내측표면 사이의 열평형을 유지하면서 내부껍질(25)을 얇게 하여 그 중량 및 열용량을 작게 하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 내부껍질(25)에서 소비되는 에너지 양을 억제, 피소성체(10)의 소성에 필요한 에너지 양의 저감을 도모할 수 있다.
내부껍질(25)의 외면에는, 단열성을 가지며 마이크로파 투과성을 가지는 주단열벽(26)을 설치하는 것에 의해, 내부껍질(25)의 열손실을 효과적으로 억제할 수 있다.
소성로는 복수의 마이크로파 발진기(12)를 가지며, 그 마이크로파 발진기(12)로부터 출력되는 마이크로파가 챔버(11)에 입사되는 입사구는 복수개 마련되어 있다. 이 때문에, 피소성체(10)의 일부분에 전계가 집중되어 균일하지 않은 소성이 이루어지는 것을 억제할 수 있다.
(연속소성로)
제1 실시형태의 연속소성로
도 3은 제1 실시형태의 연속소성로를 나타내는 개략 측단면도이다. 도 4는 도 3의 연속소성로를 나타내는 확대 개략 평단면도이다. 이들 도면에 도시된 연속소성로는 피소성체(10)를 연속적으로 소성하여 소성체를 제조하기 위하여 사용된다.
연속소성로는, 직선형상으로 뻗어있는 터널형상의 챔버(11)를 구비하고 있다. 챔버(11)는 적어도 내면에 있어서 마이크로파를 반사 가능하다. 챔버(11)는 스테인리스강에 의해 형성되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(11)의 양단부에는 개구가 마련되어 있고, 한 쪽이 입구(8)(도 4에 있어서 좌측의 개구), 다른 쪽이 출구(9)(도 4에 있어서 우측의 개구)이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 소성로와 마찬가지로, 챔버(11)에는, 마이크로파 발생장치로서 마이크로파 발진기(12)가 도파관(13)을 통하여 접속된다. 마이크로파 발진기(12)로부터 출력되는 마이크로파는, 도파관(13)을 경유하여 챔버(11) 내에 입사된다. 도 1의 소성로와 마찬가지로, 마이크로파 발진기(12)로부터 출력되는 마이크로파의 주파수는, 0.9 ∼ 100GHz가 바람직하고, 0.9 ∼ 10GHz가 보다 바람직하고, 특히 2.45GHz가 바람직하다.
도 4에 있어서, 챔버(11)의 내부에서는, 단열벽(28)이 챔버(11)의 길이방향을 따라서 직선형상으로 뻗어있는 소성실(16)을 구획한다. 단열벽(28)의 양단부에는 개구가 마련되어 있고, 한 쪽이 입구(20)(도 4에 있어서 좌측의 개구), 다른 쪽이 출구(21)(도 4에 있어서 우측의 개구)이다.
단열벽(28)은, 단열성을 가지는 동시에 마이크로파의 투과를 허용한다. 단열벽(28)은, 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라 두께가 점차로 증대되도록 형성되어 있다. 이 단열벽(28)을 구성하는 재료로서는, 알루미나 파이버나 발포 알루미나 등의 단열효과를 가지는 재료를 들 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 단열벽(28)은 제1 단열벽(26)과 제2 단열벽(27)을 구비한다.
바람직하게는, 상기 단열벽(28)의 내측에는, 마이크로파에 의해서 자기발열하는 내부껍질(25)이 마련된다. 바람직하게는, 마이크로파에 의한 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량은, 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 크고, 2배 이하이다. 이 내부껍질(25)을 구성하는 재료로서는, 뮬라이트계 재료, 실리콘 나이트라이드계 재료, 알루미나를 들 수 있고, 소성할 피소성체(10)에 따라서 적절히 선택된다. 또한, 마이크로파 흡수율이 큰 마그네시아, 지르코니아, 산화철 등의 금속산화물이나, 실리콘 카바이드 등의 무기재료를, 이 내부껍질(25)을 구성하는 재료에 소량 첨가하여도 좋다. 내부껍질(25)의 두께는 1 ∼ 2㎜가 바람직하다.
더욱이, 이 연속소성로는, 소성실(16) 내에 있어서 피소성체(10)를 입구(20)로부터 출구(21)로 반송하는 반송장치가 구비되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 반송장치는 대차(22)를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 대차(22)는, 피소성체(10)를 위에 싣기 위한 재치부(22a)와, 대차를 이동시키기 위하여 재치부(22a)에 연결된 롤러(22b)를 가진다. 대차(22)는, 피소성체(10)를 소성실(16) 내에서 이동시키는 것뿐만 아니라, 챔버(11)의 입구(8)로부터 소성실(16)의 입구(20)로의 반입 및 소성실(16)의 출구(21)로부터 챔버(11)의 출구(9)로의 반출도 수행한다. 대차(22)에 의한 피소성체(10)의 반송은, 일정 이송속도로 행해지는 것이 바람직하다.
이 연속소성로를 사용한 소성체의 제조방법에 관하여 이하에 설명한다.
소성체를 제조하는 경우에는, 우선 도자기재료 또는 파인 세라믹스 재료를 소정형상으로 성형하여 피소성체(10)를 제작한다. 그 피소성체(10)를 대차(22)의 재치부(22a)에 싣고, 대차(22)를 입구(20)로부터 소성실(16) 내로 반입시킨다. 다음에 마이크로파 발진기(12)를 작동시켜 마이크로파를 챔버(11) 내에 입사시킨다. 입사된 마이크로파는, 단열벽(28)을 투과하여 내부껍질(25) 및 피소성체(10)에 흡수되고, 열 에너지로 변환되어 내부껍질(25) 및 피소성체(10)의 온도를 상승시킨다.
본 실시형태에 있어서는, 단열벽(28)에 의한 단열효과는 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라서 점차로 증대되고, 단열벽(28)에 의한 단열효과는 입구(20)로부터 출구(21)를 향하는 만큼 크다. 따라서, 소성실(16) 내의 온도는 입구(20)로부터 출구(21)를 향하는 만큼 높아진다. 따라서, 소성실(16) 내의 입구(20)로부터 출구(21)로의 반송은, 피소성체(10)가 저온역으로부터 서서히 고온역으로 반송된다는 것을 의미한다.
또, 도 5는 단열벽(28)의 복소 유전손실(complex dielectric loss)의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 단열벽(28)의 복소 유전손실은, 수백℃까지는 온도에 대략 비례하고, 그보다 고온역에서는 지수함수적으로 증가한다.
이상 상술한 본 실시형태는 이하의 효과를 가진다.
단열벽(28)의 두께는, 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라서 점차로 증대됨에 따라, 소성실(16) 내의 온도를 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라서 높게 하고 있다. 따라서, 피소성체(10)의 소성과정에 있어서의, 피소성체(10)의 건조, 예비소성, 본소성 등의 각 처리공정을 적절한 온도에서 순차적으로 행할 수 있다. 따라서, 피소성체(10)를 하나의 소성로 내에서 연속적으로 소성하여 소성체를 제조할 수 있다.
단열벽(28)의 두께가 피소성체(10)의 반송방향으로 변화한다. 이것은 소성실(16) 내의 특정 온도분포의 형성을 용이하게 한다.
소성실(16) 내에 있어서 피소성체(10)는 마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)로 둘러싸여 있다. 열전도에 의해서 내부껍질(25)로부터 외부로 손실되는 열 에너지의 양에 비하여, 내부껍질(25)이 마이크로파에 의해서 얻는 열에너지의 양이 충분히 많기 때문에, 내부껍질(25)의 내측표면과 피소성체(10) 사이에서 열평형이 유지된다. 그 결과, 피소성체(10)는 의사적으로 완전히 단열된다. 따라서, 방사냉각에 의한 열구배가 피소성체(10)에 있어서 발생되는 것을 억제할 수 있고, 보다 균일한 소성이 가능하다.
제2 실시형태의 연속소성로
본 발명의 제2 실시형태의 연속소성로를, 상기 제1 실시형태와 상이한 점을 중심으로 하여 도면에 근거하여 상세히 설명한다.
도 6은 제2 실시형태의 연속소성로를 나타내는 개략 평면도이다. 챔버(11)가 원호형상 또는 C자형상으로 형성되고, 그것에 맞춰 소성실(16)도 원호형상 또는 C자형상으로 형성된다.
또한, 이 연속소성로는 원호형상의 로 바닥(23)을 구비한다. 로 바닥(23)은 중심점 C를 중심으로 회전가능하다. 피소성체(10)는 로 바닥(23) 상에 재치된다. 로 바닥(23)의 회전에 의해, 피소성체(10)는 소성실(16) 내에서 입구(20)로부터 출구(21)로 반송된다. 제2 실시형태에 있어서의 반송장치는, 로 바닥(23)과, 로 바닥(23)을 구동시키는 모터 등의 구동장치(도시생략)를 포함한다.
본 실시형태는 이하의 효과를 가진다.
동일한 길이의 직선형상 소성실(16)은, 상이한 온도의 단열벽(18) 영역으로부터 작용을 받지만, 원호형상 또는 C자형상 소성실(16)에서는, 작용을 받는 단열벽(18)의 영역이 직선형상의 소성실(16)에서 보다도 작다. 동영역의 소성실(16)내의 피소성체(10)로부터 반송방향으로 보이는 단열벽(28)의 내측면적이 작다. 이 때문에, 단열벽(28)의 상이한 온도의 부분으로부터 전해지는 열에 의해 피소성체(10)의 소성이 균일하지 않게 이루어지는 것을 억제할 수 있다.
반송장치가, 로 바닥(23)과, 로 바닥(23)을 회전 구동시키는 구동장치를 포함하므로, 제조가 간단하다.
당업자에게는, 본 발명의 정신 또는 범위로부터 일탈됨 없이, 본 발명을 많은 다른 특정 형태로 구현할 수 있는 것은 명백하다. 특히, 본 발명을 이하의 형태로 구현할 수 있는 것은 당연히 이해된다.
소성로는, 피소성체(10)를 미리 건조 또는 무유소성하기 위한 전처리실을 더 구비하여도 좋다. 이 경우, 전처리실은 소성실(16)에 병행하도록 배치된다. 마이크로파 발진기(12)로부터 소성실(16) 내로 조사되는 마이크로파에서 유래되는, 외부로의 방사열 혹은 투과 마이크로파에 의해서, 전처리실 내에 배치된 피소성체(10)는 건조 혹은 무유소성의 열효율을 향상시킨다.
단열벽(28)의 일부를 다른 부분과는 상이한 재질로 형성하고, 단열벽(28)의 마이크로파 흡수특성 또는 단열특성을 피소성체(10)의 반송방향으로 변화시켜도 좋다. 혹은, 단열벽(28)의 일부를 다른 부분과는 상이한 밀도로 형성하여, 단열벽(28)의 마이크로파 흡수특성 또는 단열특성을 피소성체(10)의 반송방향으로 변화시켜도 좋다. 어느 경우에도, 소성실(16) 내의 온도를 반송방향으로 변화시키는 것이 가능하다.
단열벽(28)은, 2층 이외에, 1층이거나 2층보다 많아도 좋다.
반송장치는, 벨트 컨베이어와, 그 벨트 컨베이어를 구동하는 모터 등의 구동장치를 포함하는 반송장치로 변경하여도 좋다. 또한 제2 실시형태의 연속소성로에 있어서, 반송장치를, 제1 실시형태와 마찬가지로, 대차(22)를 포함하는 반송장치로 변경하여도 좋다.
단열벽(28)의 두께를 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라서 점차로 증대시키는 대신에, 두께가 변화되지 않는 부분이나, 두께가 감소하는 부분을 일부 마련하여도 좋다. 또한, 두께의 변화는 반드시 연속적이지 않아도 좋고, 단계적이어도 좋다.
입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라서 소성실(16) 내의 온도가 상승하는 대신에, 반송방향으로 온도가 변화하지 않는 부분이나, 온도가 저하하는 부분을 일부 마련하여도 좋다. 또한, 소성실(16) 내의 온도변화는 반드시 연속적이지 않아도 좋고, 단계적이어도 좋다.
실시예
(실시예 1)
도자기재료로 형성된 피소성체(10)(중량 10㎏, 평균두께 5㎜)를 도 1에 도시된 상기 실시형태의 소성로를 사용해서 소성하여 소성체(도자기)를 얻었다.
이 실시예 1에 있어서, 내부껍질(25)은 뮬라이트계 자기로 형성하고, 주단열벽(외부껍질)(26)은 알루미나 파이버 보드로 형성하였다. 또, 내부껍질(25)은 두께 8㎜이고 중량 45㎏, 주단열벽(26)은 두께 40㎜이고 중량 5㎏이었다.내부껍질(25), 주단열벽(26) 및 피소성체(10)의 물성을 표 1에 나타내었다. 관통깊이는, 마이크로파의 전력밀도가 반으로 감쇠하는 각 재료에 있어서의 진입깊이를 나타낸다.
재료 열전도율(㎾/m℃) 비유전율 유전손실(tan δ) 밀도(㎏/㎥) 비열(kJ/㎏℃) 관통깊이(m)
내부껍질 뮬라이트계 자기 2.1×10-3 6.5 1.5×10-3 1.7×103 0.8 3.4
외부껍질 알루미나파이버 보드 0.1×10-3 9.5 3×10-5(0.2/3.6×5×10-4) 0.2×103 0.11 150
피소성체 도자기 재료 1.18 ∼ 1.59×10-3 6 1.5×10-3 2 ∼ 3×103 0.88 3.5
(실시예 2)
도자기재료로 형성된 피소성체(10)(중량 10㎏, 평균두께 5㎜)를 도 1에 도시된 상기 실시형태의 소성로를 사용해서 소성하여 소성체(도자기)를 얻었다.
이 실시예 2에 있어서, 내부껍질(25)은 산화철(FeO)을 0.1% 첨가한 뮬라이트계 시멘트로 형성하고, 주단열벽(외부껍질)(26)은 알루미나 파이버 보드로 형성하였다. 또, 내부껍질(25)은 두께 2㎜이고 중량 5㎏, 주단열벽(26)은 두께 40㎜이고 중량 5㎏이었다. 내부껍질(25), 주단열벽(26) 및 피소성체(10)의 물성을 표 2에 나타내었다.
재료 열전도율(㎾/m℃) 비유전율 유전손실(tan δ) 밀도(㎏/㎥) 비열(kJ/㎏℃) 관통깊이(m)
내부껍질 뮬라이트계 시멘트+FeO 2.1×10-3 6.5 1.8×10-3 1.7×103 0.8 3.0
외부껍질 알루미나파이버 보드 0.1×10-3 9.5 3×10-5(0.2/3.6×5×10-4) 0.2×103 0.11 150
피소성체 도자기 재료 1.18 ∼ 1.59×10-3 6 1.5×10-3 2 ∼ 3×103 0.88 3.5
(실시예 3)
고순도(99%) 알루미나로 형성된 피소성체(10)(중량 10㎏, 평균두께 5㎜)를 도 1에 도시된 상기 실시형태의 소성로를 사용해서 소성하여 소성체를 얻었다.
이 실시예 3에 있어서, 내부껍질(25)은 지르코니아를 1몰% 첨가한 알루미나로 형성하고, 주단열벽(외부껍질)(26)은 알루미나 파이버 보드로 형성하였다. 또, 내부껍질(25)은 두께 1㎜이고 중량 0.2㎏, 주단열벽(26)은 두께 40㎜이고 중량 5㎏이었다. 내부껍질(25), 주단열벽(26) 및 피소성체(10)의 물성을 표 3에 나타내었다.
재료 열전도율(㎾/m℃) 비유전율 유전손실(tan δ) 밀도(㎏/㎥) 비열(kJ/㎏℃) 관통깊이(m)
내부껍질 알루미나+ 지르코니아 2.1×10-3 9.5 0.8×10-3 3×103 0.8 3.0
외부껍질 알루미나파이버 보드 0.1×10-3 9.5 3×10-5(0.2/3.6×5×10-4) 0.2×103 0.11 150
피소성체 고순도알루미나 2.4×10-3 6 0.5×10-3 3×103 0.8 3.5
본 발명의 실시예 및 실시형태는 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 발명은 본 명세서에서 열거한 상세로 한정되는 것은 아니고, 첨부의 청구범위의 범위 및 그 균등물의 범위로부터 일탈됨 없이 변경가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 소성로 및 소성체의 제조방법은 도자기재료나 파인 세라믹스 재료 등으로 형성된 피소성체를 소성하여 소성체를 제조하는 것에 유용하고, 특히 소성체의 제조과정 중 단일의 처리공정뿐만 아니라 복수의 처리공정을 행함에 적합하다.

Claims (23)

  1. 마이크로파에 의해 피소성체(10)를 소성하기 위한 소성로로서,
    마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)과, 상기 내부껍질(25)은 소성실(16)을 구획하고, 상기 소성실(16) 내에는 피소성체(10)가 배치되는 것과,
    상기 내부껍질(25)을 통하여 피소성체(10)에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생장치(12)
    를 구비하고,
    마이크로파에 의한 상기 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량이, 상기 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 크고, 또한 내부껍질(25)의 내측표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 동일한 것을 특징으로 하는 소성로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부껍질(25)이, 내부껍질(25)의 내측표면온도와 피소성체(10)의 표면온도와의 차이를 보상하도록, 마이크로파에 의해서 자기발열하는 것을 특징으로 하는 소성로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량이, 피소성체(10)의 단위체적당 발열량의 2배 이하인 것을 특징으로 하는 소성로.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내부껍질(25)이, 마이크로파 흡수율이 큰 금속산화물 또는 무기재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 소성로.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 내부껍질(25)이, 마이크로파 흡수율이 큰 금속산화물 또는 무기재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 소성로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 소성로는, 단열성을 가지는 동시에 마이크로파의 투과를 허용하는 단열벽(26)을 더 가지며, 상기 단열벽(26)은 상기 내부껍질(25)의 외측을 포위하는 것을 특징으로 하는 소성로.
  7. 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법으로서,
    마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)을 부여하는 공정으로서, 상기 내부껍질(25)은 소성실(16)을 구획하는 것과,
    상기 소성실(16)의 내부에 피소성체(10)를 배열설치하는 공정과, 마이크로파에 의한 상기 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량은, 상기 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 큰 것과,
    내부껍질(25)의 내측표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 동일하게 되도록, 마이크로파 발생장치(12)에 의해 상기 내부껍질(25)을 통하여 상기 피소성체(10)에 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법에 의해 얻어진 소성체로서, 상기 방법은,
    마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)을 부여하는 공정으로서, 상기 내부껍질(25)은 소성실(16)을 구획하는 것과,
    상기 소성실(16)의 내부에 피소성체(10)를 배열설치하는 공정과, 마이크로파에 의한 상기 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량은, 상기 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 큰 것과,
    내부껍질(25)의 내측표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 동일하게 되도록, 마이크로파 발생장치(12)에 의해 상기 내부껍질(25)을 통하여 상기 피소성체(10)에 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소성체.
  9. 마이크로파에 의해 피소성체(10)를 소성하기 위한 연속소성로로서,
    마이크로파 투과성을 가지는 단열벽(28)과, 상기 단열벽(28)은 소성실(16)을 구획하고, 상기 소성실(16) 내에는 피소성체(10)가 배치되는 것과,
    상기 단열벽(28)을 통하여 피소성체(10)에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생장치(12)와,
    소성실(16) 내에서 피소성체(10)를 반송하는 반송장치
    를 구비하고,
    상기 소성실(16) 내의 온도가, 피소성체(10)의 반송방향에 있어서 피소성체(10)의 소성과정에 대응하도록 변화되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 단열벽(28)의 두께를 피소성체(10)의 반송방향에 있어서 변화시킴으로써, 상기 소성실(16) 내의 온도가 그 반송방향에 있어서 피소성체의 소성과정에 대응하도록 변화되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 단열벽(28)의 단열특성 또는 마이크로파 흡수특성을 피소성체(10)의 반송방향에 있어서 변화시킴으로써, 상기 소성실(16) 내의 온도가 그 반송방향에 있어서 피소성체의 소성과정에 대응하도록 변화되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  12. 제 9 항에 있어서, 소성실(16)은 입구(20)와, 그것에 대향하는 출구(21)를 가지며, 반송장치는 피소성체(10)를 입구(20)로부터 소성실(16)을 통해서 출구(21)로 반송하는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  13. 제 12 항에 있어서, 단열벽(28)의 두께는, 입구(20)로부터 출구(21)를 향함에 따라 점차로 증대되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소성실(16)이 원호형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  15. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반송장치는 소성실(16)의 아래에 배치된 로 바닥(23)을 가지며, 피소성체(10)는 로 바닥(23)의 위에 배치되고, 피소성체(10)는 로 바닥(23)의 회전에 의해 반송되는 것을 특징으로 하는 연속소송로.
  16. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소성실(16)이 직선형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  17. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반송장치는 대차(22)를 가지며, 대차(22)는 피소성체(10)를 위에 싣기 위한 재치부(22a)와, 대차를 이동시키기 위하여 재치부(22a)에 연결된 롤러(22b)를 구비하며, 피소성체(10)는 재치부(22a)의 위에 배치되며, 피소성체(10)는 대차(22)의 이동에 의해 반송되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  18. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열벽(28)의 내측에 마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)을 더 가지며, 상기 내부껍질(25)이 피소성체(10)를 포위하는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  19. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열벽(28)의 내측에 마이크로파에 의해서 자기발열할 수 있는 내부껍질(25)을 더 가지며, 상기 내부껍질(25)이 피소성체(10)를 포위하며, 마이크로파에 의한 상기 내부껍질(25)의 단위체적당 발열량이, 상기 피소성체(10)의 단위체적당 발열량보다도 크고, 또한 내부껍질(25)의 내측표면온도와 피소성체(10)의 표면온도가 동일한 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  20. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소성실(16)에 병행하도록 배치된 전처리실을 더 가지며, 마이크로파 발생장치(12)에 의해 소성실(16) 내에 조사되는 마이크로파에서 유래하는, 단열벽(28)의 외면으로부터의 방사열 혹은 투과 마이크로파에 의해서, 그 전처리실 내에 배열설치된 피소성체(10)가 건조 혹은 무유소성되는 것을 특징으로 하는 연속소성로.
  21. 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법으로서,
    마이크로파 투과성을 가지는 단열벽(28)을 부여하는 공정으로서, 상기 단열벽(28)은 소성실(16)을 구획하는 것과,
    상기 소성실(16)의 내부에 반송장치에 의해서 피소성체(10)를 배열설치하는 공정과,
    상기 소성실(16) 내의 온도가 피소성체(10)의 반송방향에 있어서 피소성체(10)의 소성과정에 대응하여 변화되도록, 마이크로파 발생장치(12)에 의해 상기 단열벽(28)을 통하여 소성실(16) 내에 반송된 피소성체(10)에 대하여 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 소성실(16) 내의 온도는, 피소성체(10)가 반송방향으로 진행함에 따라서 점차로 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 마이크로파를 피소성체에 조사하여 소성체를 형성하는 소성체의 제조방법에 의해서 얻어진 소성체로서, 상기 방법은,
    마이크로파 투과성을 가지는 단열벽(28)을 부여하는 공정으로서, 상기 단열벽(28)은 소성실(16)을 구획하는 것과,
    상기 소성실(16)의 내부에 반송장치에 의해서 피소성체(10)를 배열설치하는 공정과,
    상기 소성실(16) 내의 온도가 피소성체(10)의 반송방향에 있어서 피소성체(10)의 소성과정에 대응하여 변화되도록, 마이크로파 발생장치(12)에 의해 상기 단열벽(28)을 통하여 소성실(16) 내에 반송된 피소성체(10)에 대하여 마이크로파를 조사하여, 소성체를 형성하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소성체.
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