KR20060032715A - 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노내의 가열 온도에 대한 누적에너지수치를 모니터링시켜 제품의 품질 편차를 없애고 소결 불량품의 생산을 방지하도록 한 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위한, 본 발명의 에너지를 이용한 열처리 제어방법의 구성은, 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 방법에 있어서, 열처리하고자 하는 상기 시편의 활성화에너지를 콘트롤러에 입력하는 제1단계와; 상기 시편의 목표밀도를 임의로 설정하고, 상기 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치를 수학식1에 의해 계산하여 콘트롤러에 모니터링시키는 제2단계와; 상기 시편이 가열되는 경우 상기 수학식1에 의해 계산되어 실시간으로 모니터링되는 누적에너지수치에 따라 시편의 냉각 여부를 결정하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 에너지수치를 이용한 열처리 제어장치의 구성은, 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 것에 있어서, 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치와, 시편의 냉각 여부가 결정되는 누적에너지수치가 콘트롤러에 각각 모니터링되는 것을 특징으로 한다.

누적에너지, 콘트롤러, 열처리, 소둔로, 활성화에너지, 소결

Description

에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치{Method and apparatus for controlling heat treatment by energy value}

도 1은 본 출원인에 의해 선출원된 연속 소둔로의 구조를 나타낸 측단면도.

도 2는 본 발명에 따른 열처리 제어 공정을 나열한 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 열처리 제어 공정의 흐름을 나타낸 순서도.

도 4는 본 발명에 따른 콘트롤러를 개략적으로 도시한 정면도.

도 5는 본 발명의 열처리 가공에 따른 실험결과를 나타낸 그래프.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

1 - 연속 소둔로 10 - 외벽

15 - 발열체 20 - 입측도어

25 - 세라믹바 30 - 출측도어

35 - 세라믹스쿠프 45 - 분리판

50 - 콘트롤러 Iv - 입측실

Ov - 출측실 AFv - 가열실

P - 시편

본 발명은 에너지수치를 이용한 열처리 제어하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노내의 가열 온도에 대한 누적에너지수치를 모니터링시켜 제품의 품질 편차를 없애고 소결 불량품의 생산을 방지하도록 한 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열처리는 온도에 의해서 존재하는 상(相)의 종류나 배합을 변화시키기 위해 흔히 금속에 사용되는 가공법이다.

이러한, 열처리 가공 방법의 종류로는 고온에서 급랭(急冷)하여 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질과, 한 번 담금질한 후 비교적 저온에서 가열하여 담금질로써 저지한 변화를 약간 진행시켜 꼭 알맞은 특성을 가지게 만드는 뜨임과, 가열하여 천천히 식힘으로써 금속재료의 뒤틀림을 바로잡거나 상의 변화를 충분히 끝나게 하여 안정상태로 만드는 풀림 등이 있다.

이 중에서, 풀림(annealing)가공은 재료를 평형상태에 나타난 그대로의 안정상태로 만들기 위한 처리방법으로, 상변화(相變化)가 온도의 오르내림에 따라 일어나는 재료에서는 충분한 시간에 걸쳐서 천천히 냉각시킴으로서 상태도에 나타난 것만큼의 변화를 전부 완료시켜서 안정된 평형상태로 만드는 방법이다.

특히, 분말들을 풀림가공하여 소결하는 경우에는 재료에 따라 소결온도 및 시간이 다르나, 일정한 고온에서 보호유지하며 소결시간을 제어함으로써 원하는 소결밀도를 획득할 수 있게 된다.

이와 같은 소결밀도는 전자부품용으로는 전기적 특성, 강도, 치수 혹은 통기 성 등 원하는 성질에 따라 적합한 목표밀도의 유지를 필요로 하게 된다.

즉, 소결밀도가 목표밀도에 미달되는 경우에는 통기성은 향상되나 전기적 특성이 나빠지고, 반대로 소결밀도가 목표밀도를 초과하는 경우에는 전기 전도성은 향상되나 과소결에 의해 통기성이 나빠지는 문제가 있는 것이다. 따라서, 제품의 균일한 품질 확보 및 불량한 제품의 제거를 위해서도 정확한 목표밀도의 요구는 필수적인 것이다.

첨부도면 도 1은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 출원인이 선출원한 국내 특허출원번호 제2004-34638호(명칭:고체산화물 연료전지 제조용 연속 소둔로)를 나타낸 것으로, 외벽(10)과 다수의 발열체(15)와 입,출측도어(20)(30)와 이송수단과 분리수단을 주요 구성요소로 한다.

설명하면, 내부에 입측실(Iv)과 가열실(AFv)과 출측실(Ov)을 조성할 수 있도록 외측에 외벽(10)을 설치하고, 입측실(Iv)과 출측실(Ov) 외벽 내측에는 소정 간격으로 다수의 발열체(15)를 각각 설치한다.

그리고, 입측실(Iv)과 출측실(Ov) 외부 선단에 입,출측도어(20)(30)를 힌지 결합하고, 상기 입,출측도어(20)(30) 하부에는 인입된 슬러리를 일정한 간격만큼 전진시키는 동시에 인출할 수 있도록 이송수단을 관통되게 설치하며, 분리판(45)의 슬라이딩 이송을 통하여 입측실(Iv)과 가열실(AFv)과 출측실(Ov) 사이를 차단하도록 분리수단을 설치한다.

즉, 본 출원인에 의해 선출원된 고체산화물 연료전지 제조용 연속 소둔로는 상기한 구성에 따라, 단위셀 원료인 해당 슬러리를 일정한 시차를 두고 1단씩 전진 시켜 평형 상태를 유지하는 연속 소둔로 내에서 균일한 분위기에 의해 가열, 가열유지, 냉각단계를 거치게 함으로써, 열처리 가공하는 것이다.

또한, 상기한 발명은 연속소둔공법을 이용하여 제품을 소결 형성하게 되는데, 상기한 소둔공법은 밀도에 따라 최종 제품의 품질이 달라지게 된다. 따라서, 상기한 연속 소둔로(1)는 Master Sintering Curve 모델링 개념을 적용하여 소결 가공 중에 온도가 나타나게 되는 한 시간에 대한 적분값으로 밀도가 함께 나타나게 하여, 최종 제품의 품질을 예측할 수 있도록 한 것이다.

그런데, 연속 소둔로 내에 시편이 장입되는 경우 소둔로 내의 온도가 불규칙하게 변하게 되는 온도 헌팅(hunting)이 발생하게 된다. 그러나, 상기한 발명은 온도의 이상 유무와 상관없이 일정 시간 후에 시편의 가열을 종료하고 냉각 단계를 거치게 되는 구조로 이루어짐으로써, 목표밀도에 영향을 미치게 되고 심한 경우 소결 불량품을 생산할 우려가 있는 것이다.

이와 같은, 온도 헌팅을 고려하여 상기한 발명에서는 가열 유지시간이 여유롭게 설정되어 있으나, 시편의 크기, 장입시간(오전 또는 오후 등), 계절 등에 따라 온도 헌팅의 크기에 매우 큰 영향을 미치게 됨으로써, 온도 헌팅을 방지할 수 있는 근본적인 대책이 될 수 없었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 노내의 가열 온도에 대한 누적에너지수치를 모니터링시켜 제품의 품질 편차를 없애고 소결 불량품의 생산을 방지하도록 한 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법의 구성은, 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 방법에 있어서, 열처리하고자 하는 상기 시편의 활성화에너지를 콘트롤러에 입력하는 제1단계와; 상기 시편의 목표밀도를 임의로 설정하고, 상기 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치를 수학식1에 의해 계산하여 콘트롤러에 모니터링시키는 제2단계와; 상기 시편이 가열되는 경우 상기 수학식1에 의해 계산되어 콘트롤러에 실시간으로 모니터링되는 누적에너지수치에 따라 상기 시편의 냉각 여부를 결정하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 수학식1은

이고,

여기서, T= 절대온도, Q=활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.

그리고, 상기 누적에너지수치가 목표누적에너지수치보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 누적에너지수치를 상승시키고, 누적에너지수치가 목표누적에너지수치와 일치하는 경우 시편을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 에너지수치를 이용한 열처리 제어장치의 구성은, 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 것에 있어서, 상기 시편의 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치가 수학식1에 의해 계산되어 콘트롤러에 모니터링되고, 상기 시편이 가열되는 경우 시편의 냉각 여부가 결정되는 누적에너지수치가 상기 수학식1에 의해 계산되어 실시간으로 콘트롤러에 모니터링되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 누적에너지수치(Θ)를 이용한 열처리 공정의 제어단계를 나타낸 블록도로써, 시편(P)의 활성화에너지를 입력하는 제1단계(S10)와, 목표누적에너지수치(Θ_t)를 모니터링시키는 제2단계(S20)와, 누적에너지수치(Θ)에 따라 상기 시편(P)의 냉각 여부를 결정하는 제3단계(S30)의 순서에 의해 시편(P)의 열처리 가공을 제어한다.

이하 설명하면, 먼저 제1단계(S10)는 열처리하고자 하는 시편(P)의 활성화에너지(Q)를 독립적 또는 노 외부에 부착된 콘트롤러(50)에 입력시킨다.

여기서, 상기한 활성화에너지(Q)(activation energy)란 열처리와 같은 화학반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지를 말하는 것으로, 열처리에 사용되는 물질마다 그 활성화에너지(Q)의 수치가 다르고 상기 수치는 이미 공지되어 널리 알려져 있다. 일예로 알루미나(Al₂O₃)의 경우는 477kJ이고, 탄화규소(SiC)는 700kJ이다.

계속해서, 제2단계(S20)는 목표누적에너지수치(Θ_t)를 상기 콘트롤러(50)에 모니터링시키는 것으로, 열처리 가공하여 달성하고자 하는 시편(P)의 목표밀도를 임의적으로 설정하고, 상기한 목표밀도를 달성하기 위한 목표누적에너지수치(Θ_t)를 수학식1에 의해 계산하여 콘트롤러(50)에 입력 및 모니터링시킨다.

여기서, 상기한 수학식1은

이고, 상기한 수학식1의 기호가 나타내는 바를 간략하게 설명하면, T= 절대온도, Q=활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.

제3단계(S30)는 상기한 수학식1에 의해 계산된 누적에너지수치(Θ)에 따라 시편(P)의 냉각 여부를 결정하는 것으로, 상기한 누적에너지수치(Θ)는 콘트롤러 (50)에 실시간으로 모니터링된다.

도 3을 통하여 설명하면, 시편(P)을 가열하는 경우 상기 수학식1에 의해 계산되는 누적에너지수치(Θ)가 목표누적에너지수치(Θ_t)보다 작게 되면 노 내의 시편(P)을 계속적으로 가열시켜 누적에너지수치(Θ)를 상승(S31)시키고, 누적에너지수치(Θ)가 목표누적에너지수치(Θ_t)와 동일하게 되면 시편(P)을 냉각구간으로 이동시켜 냉각(S32)시키게 된다.

이때, 본 발명의 콘트롤러(50)는 상기 누적에너지수치(Θ)와 목표누적에너지수치(Θ_t) 비교를 육안으로 확인할 수 있고, 누적에너지수치(Θ)가 목표누적에너지수치(Θ_t)와 일치하는 경우 별도의 확인음이 울리도록 함으로써, 시편(P)의 냉각시기를 용이하게 인지하도록 할 수도 있다.

한편, 첨부도면 도 4에 도시된 콘트롤러(50)에는 상술한 바와 같이 목표밀도를 달성하기 위한 목표누적에너지수치(Θ_t)가 수학식1에 의해 계산되어 모니터링되 고, 상기 시편(P)이 가열되는 경우 시편(P)의 냉각 여부를 결정하는 누적에너지수치(Θ)가 상기 수학식1에 의해 계산되어 실시간으로 모니터링된다.

뿐만 아니라 상기한 콘트롤러(50)에는 노내의 온도 및 가열 유지시간이 함께 모니터링됨으로써, 노내의 가열온도 및 누적에너지수치(Θ)를 원활하게 조절할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치를 통하여 열처리 가공을 하기 위해서는 첨부도면 도 3과 같이 먼저, 열처리하고자 하는 시편(P) 고유의 활성화에너지(Q)를 콘트롤러(50)에 입력한다(S10). 그리고, 상기한 시편(P)의 목표밀도를 임의적으로 설정한 후, 상기 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치(Θ_t)를 수학식1에 의해 계산하여 콘트롤러(50)에 입력시킨다(S20).

예를 들어, 시편(P)이 알루미나인 경우 상기한 알루미나의 활성화에너지(Q)는 477kJ이고, 소결 제품의 목표밀도가 96.5%밀도로 설정된다고 가정하였을 때, 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치(Θ_t)는 수학식1에 의해 -35.4가 됨을 알 수 있다.

이 후에, 노내에 시편(P)을 장입하고 상기 시편(P)을 가열, 가열유지, 냉각시키게 되는데, 본 발명의 실시예로써 본 출원인에 의해 선출원된 고체산화물 연료전지 제조용 연속 소둔로를 적용하였고, 부호 및 명칭 또한 동일하게 적용하였다.

이하, 상기한 연속 소둔로(1)의 작용 상태를 도 1을 통하여 설명하면, 먼저 입측도어(20)를 개방하여 시편(P)을 입측실(Iv) 내부에 인입시킨 이후에 입측도어 (20)를 닫는다. 그리고, 입측실(Iv)과 가열실(AFv) 사이를 차단하고 있는 분리판 (45)을 잡아당겨 입측실(Iv)과 가열실(AFv)을 서로 개방시킨 후에, 입측도어(20)에 구비한 세라믹바(25)를 입측실(Iv) 내부로 밀어넣음으로써, 시편(P)을 가열실(AFv) 내부로 밀게 된다.

여기서, 상기한 가열실(AFv)은 온도에 따라 5단의 가열구간과, 5단의 가열유지구간과, 4단의 냉각구간으로 나뉘어지게 되는데, 상기한 세라믹바(25)를 이용하여 시편(P)을 1단씩 밀어 전진시키는 것이다.

이처럼, 상기 시편(P)의 1단 전진을 완료한 후에는 잡아당기고 있던 분리판(45)을 하강시켜 입측실(Iv)과 가열실(AFv) 사이를 차단시키고, 상기 시편 (P)은 가열된다.

이와 같은, 시편(P)의 가열과 함께 가열유지구간 부분의 온도는 1400℃내외를 유지하게 되고, 온도에 대한 누적에너지의 적분값이 콘트롤러(50)에 실시간으로 모니터링되면서, 상기한 누적에너지수치(Θ)에 따라 시편(P)의 냉각 여부를 결정하게 된다(S30).

즉, 첨부도면 도 3과 같이 상기한 누적에너지수치(Θ)가 일예로 든 목표누적에너지수치(Θ_t)(-35.4)보다 작은 경우에는 시간에 관여하지 않고 지속적으로 가열을 유지하여 누적에너지수치(Θ)를 상승(S31)시키고, 상기 누적에너지수치(Θ)가 상승하여 목표누적에너지수치(Θ_t)와 일치하는 경우에는 시편(P)을 1단 전진시켜 냉각구간에 위치시킴으로써, 상기 시편(P)을 냉각(S32)시키게 되는 것이다.

한편, 상기와 같이 시편(P)의 가열을 완료하여 1단 전진을 하게 되면 이와 동시에 냉각구간에 위치한 시편(P)을 출측실(Ov) 내로 위치시키게 된다.

도 1을 통하여 설명하면, 가열실(AFv)과 출측실(Ov) 사이에는 세라믹스쿠프 (35)의 삽부분이 분리판(45) 하단을 통과하여 출측실(Ov)과 가장 가까운 가열실 (AFv) 내부에 위치하게 되므로, 세라믹스쿠프(35)의 삽부분 상면에는 시편(P)이 자연스럽게 올려지게 된다.

이후에, 세라믹스쿠프(35) 상면에 올려진 시편(P)은 가열실(AFv)과 출측실 (Ov) 사이에 위치한 분리판(45)을 개방시키고 세라믹스쿠프(35)를 잡아당김으로써, 시편(P)을 출측실(Ov) 내로 위치시키고, 상기한 분리판(45)을 하향 이동시켜 가열실(AFv)과 출측실(Ov)을 서로 차단하여 열복사를 방지하게 된다.

그리고, 최종적으로 출측도어(30)를 개방하고 시편(P)을 인출함으로써, 소결 열처리된 시편(P)을 확보할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 5와 같이 시편(P)의 열처리 공정 중에는 시편(P)의 전진 작용 즉, 시편(P)의 장입 및 인출에 따라 소둔로(1) 내부의 온도가 불규칙하게 변하게 되는 온도 헌팅이 발생하게 된다.

이러한, 온도 헌팅은 소결 제품의 밀도와 직결되어 제품의 품질을 좌우하게 되는데, 본 출원인이 선출원한 종래의 발명에서는 시편(P)을 충분한 시간으로 가열 유지시켜 제품의 소결 밀도를 유지하는 방법을 사용하였다.

그러나, 상기한 방법은 작업 환경 및 특수한 주변 여건에 관계없이 무조건적으로 일정한 시간이 경과하면 시편(P)의 장입 및 인출이 이루어지므로, 원하는 목표밀도와 소결 밀도와의 편차를 발생시킬 수 있으며, 심한 경우 소결 불량품을 생산하게 되는 문제가 있었다.

반면, 본 발명의 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법 및 그 장치는 첨부도면 도 4와 같이 수학식1에 의해 계산되는 누적에너지수치(Θ)와 목표누적에너지수치(Θ_t)를 콘트롤러(50)에 모니터링시켜 양자의 수치가 비교될 수 있도록 하였다.

따라서, 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치(Θ_t)에 누적에너지수치(Θ)가 도달할 때까지 시편(P)을 가열시킴으로써, 제품의 소결 밀도와 목표 밀도 사이에 편차를 최대한 줄이게 되고, 제품의 균일한 품질을 확보할 수 있으며, 원하는 성질의 목표 밀도를 갖는 제품을 획득할 수도 있는 것이다.

더욱이, 상술한 바와 같이 열처리 가공되는 제품의 밀도를 에너지수치의 비교를 통해 제어할 수 있으므로, 제품의 품질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

즉, 본 발명의 일실시예로 연속 소둔로(1)를 이용한 소결 공정을 일예로 들었으나, 이외에도 다른 열처리 공정에 적용하여 사용할 수도 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 콘트롤러에 수학식1에 의해 계산되는 누적에너지수치와 목표누적에너지수치를 모니터링시켜 양자의 수치가 비교될 수 있도록 하였다.

따라서, 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치에 누적에너지수치가 도달할 때까지 시편을 가열시킴으로써, 제품의 소결 밀도와 목표 밀도 사이에 편차를 최대한 줄이게 되어, 제품의 균일한 품질을 확보할 수 있는 효과가 있고, 원하는 성질의 목표 밀도를 갖는 제품을 획득할 수 있는 효과도 있다.

더욱이, 상술한 바와 같이 열처리 가공되는 제품의 밀도를 에너지수치의 비교를 통해 제어할 수 있으므로, 제품의 품질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있는 효과도 있는 것이다.

Claims (3)

1. 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 방법에 있어서,

   열처리하고자 하는 상기 시편(P)의 활성화에너지(Q)를 콘트롤러(50)에 입력하는 제1단계(S10)와;

   상기 시편(P)의 목표밀도를 임의로 설정하고, 상기 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치(Θ_t)를 수학식1에 의해 계산하여 콘트롤러(50)에 모니터링시키는 제2단계(S20)와;

   상기 시편(P)이 가열되는 경우 상기 수학식1에 의해 계산되어 콘트롤러(50)에 실시간으로 모니터링되는 누적에너지수치(Θ)에 따라 상기 시편(P)의 냉각 여부를 결정하는 제3단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법.

   수학식1.

   

   이고,

   여기서 T= 절대온도, Q=활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
2. 제 1항에 있어서, 상기 누적에너지수치(Θ)가 목표누적에너지수치(Θ_t)보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 누적에너지수치(Θ)를 상승(S31)시키고,

   누적에너지수치(Θ)가 목표누적에너지수치(Θ_t)와 일치하는 경우 시편(P)을 냉각(S32)시키는 것을 특징으로 하는 에너지수치를 이용한 열처리 제어방법.
3. 노 내에 시편을 장입한 후 가열 및 냉각시켜 열처리 하는 것에 있어서,

   상기 시편(P)의 목표밀도를 달성할 수 있는 목표누적에너지수치(Θ_t)가 수학식1에 의해 계산되어 콘트롤러(50)에 모니터링되고, 상기 시편(P)이 가열되는 경우 시편(P)의 냉각 여부가 결정되는 누적에너지수치(Θ)가 상기 수학식1에 의해 계산되어 실시간으로 콘트롤러(50)에 모니터링되는 것을 특징으로 하는 에너지수치를 이용한 열처리 제어장치.

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