KR20080028767A - Heating apparatus for billet - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 알루미늄 합금이나 동(銅) 합금 등의 압출 성형용 빌릿 가열 장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to the billet heating apparatus for extrusion molding, such as an aluminum alloy and a copper alloy.
연속 주조(鑄造)로 생산된 알루미늄 합금이나 동 합금 빌릿 등의 환봉(丸棒)으로 이루어지는 압출 성형용 빌릿(이하에, 빌릿이라고 함)은, 빌릿 가열 장치로 빌릿 전체를 압출 성형 온도에 가열한 후, 하류 측의 공정에서 압출 성형기에 의해 소정의 형상으로 성형된다.An extrusion molding billet (hereinafter referred to as a billet) composed of round rods such as aluminum alloy or copper alloy billet produced by continuous casting is a billet heating apparatus in which an entire billet is heated to an extrusion molding temperature. Then, it is shape | molded to a predetermined shape by the extrusion molding machine in the downstream process.
종래에, 빌릿의 가열 방법으로서는, 전자 유도 가열 방식과 버너에 의한 연소 가열 방식이 있다. 전자 유도 가열 방식은 가열 능력이 높은 반면, 전력 소비에 따른 운전 비용이 높다고 하는 결점이 있다. 버너에 의한 연소 가열 방식은 전자 유도 가열 방식과 비교해서 운전 비용이 저렴하지만, 가열 능력이 낮기 때문에, 노(爐)의 길이를 길게 해서 가열 시간을 확보할 필요가 있어, 설비비가 고가로 되는 결점이 있다.Conventionally, as a heating method of a billet, there exist an electromagnetic induction heating system and the combustion heating system by a burner. The electromagnetic induction heating method has a drawback of high heating capability and high operating cost due to power consumption. Burner heating by burners has lower operating costs than electromagnetic induction heating, but since the heating capacity is low, it is necessary to increase the length of the furnace to ensure heating time, resulting in high equipment costs. There is this.
특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에는, 빌릿을 노 내에 장입하고, 버너를 빌릿의 외주(外周) 면을 향해서 가열하는 방법이 개시되어 있다. 이 전열(傳熱) 형태는, 노벽으로부터의 방사(放射) 전열과 화염으로부터의 대류 전열이다.
알루미늄 합금이나 동 합금으로 이루어지는 빌릿은 방사율이 낮으므로, 노벽으로부터의 방사 열량이 적고, 이것을 보충하기 위해서 화염을 빌릿의 외주 면을 향해서 가열하도록 하고 있다. 그러나, 버너로부터의 화염은 공기에 의한 연소 방식이기 때문에, 대류 열량이 적고, 전자 유도 가열 방식과 같이 단시간에 가열할 수 없다.Since the billet made of aluminum alloy or copper alloy has low emissivity, the amount of heat radiated from the furnace wall is small, and in order to compensate for this, the flame is heated toward the outer peripheral surface of the billet. However, since the flame from the burner is a combustion method by air, the amount of convection heat is small and it cannot be heated in a short time like the electromagnetic induction heating method.
(특허 문헌 1)(Patent Document 1)
일본국 실원소(實願昭)57-2613호(실개소(實開昭)57-147256호)의 마이크로필름Microfilm of Japanese real element 57-2613 (real number 57-147256)
(특허 문헌 2)(Patent Document 2)
일본국 특허3085620호 공보Japanese Patent No. 3085620
본 발명은, 상기 종래의 문제점을 감안해서 이루어진 것으로, 전자 유도 가열 방식 이상의 가열 능력과 열효율을 달성할 수 있는 빌릿 가열 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.This invention is made | formed in view of the said conventional problem, and makes it a subject to provide the billet heating apparatus which can achieve the heating capability and thermal efficiency more than an electromagnetic induction heating system.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련하는 빌릿 가열 장치는,In order to solve the said subject, the billet heating apparatus which concerns on this invention,
노벽을 설치하지 않고 내외를 연통시킨 프레임으로 이루어지는 본체 케이스와,Main body case which consists of frame which communicated inside and outside without installing furnace wall,
상기 본체 케이스 내에 장입된 빌릿을 대기 개방 상태로 지지하는 스키드 레일과,A skid rail for supporting the billet charged in the main body case in an air-open state;
상기 본체 케이스에 부착되어서, 상기 빌릿의 전장 및 전주에 걸치는 외부 표면에 연소 화염을 충돌시켜서 빌릿을 가열하는 복수의 순 산소 또는 산소 부화 버너로 이루어지고,A plurality of pure oxygen or oxygen enrichment burners attached to the main body case to heat the billet by impinging a combustion flame on an outer surface over the electric field and pole of the billet,
상기 빌릿의 외부 표면으로부터 상기 버너의 노즐까지의 거리 L에 대한 상기 노즐의 직경 D의 비 D/L을 0.02로부터 0.04로 하고, 상기 노즐의 피치 P를 상기 노즐의 직경 D의 30∼50배로 하는 것이다.The ratio D / L of the diameter D of the nozzle to the distance L from the outer surface of the billet to the nozzle of the burner is set from 0.02 to 0.04, and the pitch P of the nozzle is 30 to 50 times the diameter D of the nozzle. will be.
상기 순 산소 또는 산소 부화 버너는, 수랭(水冷) 구조인 것이 바람직하다.It is preferable that the said pure oxygen or oxygen enrichment burner is a water-cooled structure.
상기 스키드 레일은, 중공(中空)으로, 내부에 길이 방향을 따라 복수의 분사 구멍을 갖는 파이프가 삽입되고, 그 파이프에 공급한 물을 상기 분사 구멍으로부터 상기 빌릿을 지지하는 부분의 내면을 향해서 분사하는 것이 바람직하다.The skid rail is hollow and a pipe having a plurality of injection holes is inserted in the longitudinal direction therein, and the water supplied to the pipe is injected toward the inner surface of the portion supporting the billet from the injection hole. It is desirable to.
상기 스키드 레일은 횡단면이 삼각형인 것이 바람직하다.The skid rail is preferably triangular in cross section.
상기 빌릿은 알루미늄 합금 또는 동 합금인 것이 바람직하다.It is preferable that the said billet is an aluminum alloy or a copper alloy.
본 발명에 의하면, 대기 개방 상태로 빌릿을 지지함으로써 노벽으로부터의 방사 전열을 없애고, 순 산소 또는 산소 부화 버너에 의해 순 산소 또는 부화 산소로 연소시킨 화염을 빌릿의 전장 및 전주에 걸치는 외부 표면에 충돌시킴으로써 화염으로부터의 대류 전열에만 의해 빌릿을 가열하므로, 전자 유도 가열 방식 이상의 가열 능력과 열효율을 달성할 수 있다.According to the present invention, by supporting the billet in the open state of the air, the radiant heat transfer from the furnace wall is eliminated, and the flame which is burned with pure oxygen or enriched oxygen by the pure oxygen or oxygen enrichment burner impinges on the outer surface of the billet's electric field and pole By heating the billet only by the convective heat transfer from the flame, the heating ability and the thermal efficiency of the electromagnetic induction heating method or more can be achieved.
버너를 수랭 구조로 하였으므로, 가열 시의 열 충격으로부터 보호할 수 있다.Since the burner has a water-cooled structure, the burner can be protected from thermal shock during heating.
스키드 레일을 수랭 구조로 하였으므로, 열 충격에 대한 내구성이 좋고, 내화물의 경우에 있어서의 스폴링(spalling)이나 금속의 경우에 있어서의 용손(溶損)의 우려가 없다.Since the skid rail has a water-cooled structure, durability against heat shock is excellent, and there is no fear of spalling in the case of refractory material or melting loss in the case of metal.
이하에, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면에 따라서 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of this invention is described according to an accompanying drawing.
도 1, 도 2는, 본 발명에 관련하는 빌릿 W의 가열 장치를 나타낸다.1 and 2 show a heating apparatus for billet W according to the present invention.
이 가열 장치는, 가대(架臺)(1) 상에 설치된 본체 케이스(2)를 갖는다. 본체 케이스(2)는, 빌릿 W의 장입 측과 추출(抽出) 측에 역 U자 형상의 강철제 프레임(3)을 갖는다. 이것들 프레임(3)의 내측에는, 수랭 구조의 복수(실시예에서는 6 대)의 산소 또는 산소 부화 버너 유닛(4)(이하에, 간단히 버너 유닛이라고 함)이 양단이 지지되어서 부착되어 있다. 버너 유닛(4)은, 주위 방향에 등간격(等間隔)으로 배치되어, 본체 케이스(2)의 길이 방향, 즉 장입 측으로부터 추출 측을 향해서 연장되어 있다. 본체 케이스(2)에는 노벽이 없고, 내외가 연통한 상태로 되어 있어, 버너 유닛(4)이 대기 개방 상태로 부착되어 있다. 최하위치에 있는 버너 유닛(4)의 양측에는, 빌릿 W를 지지하는 1쌍의 스키드 레일(5)이 장입 측으로부터 추출 측을 향해서 연장 설치되어 있다.This heating apparatus has a
본체 케이스(2)의 장입 측에는, 장입 문(6)과 푸셔(pusher)(7)가 설치되어 있다. 장입 문(6)은, 승강(昇降) 실린더(8)에 의해 승강 가능하게 되어 있다. 푸셔(7)는, 빌릿 W를 스키드 레일(5)을 통해서 본체 케이스(2) 내에 장입하고, 추출 측의 도시하지 않는 압출기를 향해서 반송할 수 있다. 본체 케이스(2)의 추출 측에는, 추출 문(9)이 승강 실린더(10)에 의해 승강 가능하게 설치되어 있다. 추출 문(9)에는 본체 케이스(2) 내와 연통하는 배기구(11)가 형성되어 있다.At the charging side of the
상기 버너 유닛(4)은, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 다수의 화염 분사 노즐(12)이 소정의 배치 및 피치로 형성되어 있다. 노즐(12)의 배치는 정삼각형이지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 각각의 노즐 유닛(4)은, 길이 방향에 복수의 가열 영역(실시예에서는 A∼D의 4영역)으로 구획되고, 각각의 가열 영역마다 독립해서 연소 용량을 조정 가능하게 되어 있다.In the
상기 복수의 버너 유닛(4)으로부터의 연소 화염에 의한 대류 평균 열전달률 Hcm은, 노즐(12)의 토출(吐出) 유속이 일정한 경우, 노즐 피치를 P(m), 노즐 직경 을 D(m), 빌릿의 외주 면으로부터 버너 유닛(4)의 노즐(12)까지의 거리를 L(m), 정수를 k로 하면, 식 1로 나타내진다.The convection average heat transfer rate Hcm due to the combustion flame from the plurality of
(식 1)(Equation 1)
Hcm=k×1/P0 .375×D/LHcm = k × 1 / P 0 .375 × D / L
발명자들은, 식 1을 기초로, 최적인 노즐 피치 P, 노즐 직경 D, 빌릿의 외주 면으로부터 노즐(12)까지의 거리 L을 결정하기 위해서, 실험을 실행하였다. 그 결과, 빌릿 W의 외부 표면으로부터 노즐(12)까지의 거리 L에 대한 노즐 직경 D의 비 D/L은, 0.02로부터 0.04로 한다. D/L이 0.02 이하에서는 가열 부족이 되고, 전자 유도 가열 상당의 가열 능력을 얻을 수 없다. 또한, D/L이 0.04 이상이면, 빌릿 W의 화염이 직접 맞는 부분이 용손(溶損)된다. 한편, 노즐 피치 P는, 노즐 직경 D의 30∼50배로 한다. 이것은, 전자 유도 가열 방식에 상당하는 가열 시간과 열효율의 양쪽을 만족하기 위해서 결정된 것이며, 40배가 가장 바람직하다. 예를 들면, 노즐 직경 D가 1mm일 때는, 노즐 피치 P는 40mm이고, 노즐 직경 D가 0.5mm일 때는, 노즐 피치 P는 20mm이다. 노즐 직경 D는, 1.0mm로부터 0.5mm의 범위이다. 1.0mm 이상에서는, 열효율이 37.1% 이하로 되어서 전자 유도 가열 방식에 상당하는 열효율을 확보할 수 없고, 0.5mm 이하에서는 구멍을 뚫는 가공이 곤란하게 된다. 상기 노즐(12)로부터의 화염의 유속은, 빠르면 빠를수록 대류 열전달률을 높일 수 있지만, 200m/s 이하로 한다. 200m/s 이상으로 하면, 연소음(燃燒音)이 높고, 작업 환경에 지장이 생기기 때문이다.The inventors carried out experiments in order to determine the optimum nozzle pitch P, nozzle diameter D, and the distance L from the outer circumferential surface of the billet to the
상기 스키드 레일(5)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 단면이 삼각형의 중공으로, 내부에는 파이프(13)가 삽입되어 있다. 파이프(13)에는, 길이 방향에 복수의 분사 구멍(14)이 형성되어, 파이프에 공급한 물이 분사 구멍(14)으로부터 상기 빌릿 W를 지지하는 가장 열(熱) 부하가 큰 정각부(頂角部)의 내면을 향해서 분사될 수 있게 되어 있다. 파이프(13)로부터 분사된 물은, 스키드 레일(5)의 추출 측의 단면(端面)에 설치한 배출구(15)로부터 배출된다. 또한, 스키드 레일(5)의 단면(斷面)은 삼각형에 한정하지 않고, 원형, 구형(矩形), 반원형, 타원형이라도 좋지만, 어느 쪽의 형상이라도 분사 구멍(14)은, 빌릿 W를 지지하는 부분의 내면을 향해서 분사하도록 한다.As shown in FIG. 4, the said skid
이어서, 상기 구성으로 이루어지는 가열 장치의 동작을 설명한다.Next, operation | movement of the heating apparatus which consists of the said structure is demonstrated.
장입 문(6)을 승강 실린더(8)로 개방으로 하고, 빌릿 W를 스키드 레일(5)을 통해서 푸셔(7)에 의해 본체 케이스(2) 내에 장입한 뒤 장입 문(6)을 닫는다. 그리고, 상기 복수의 버너 유닛(4)을 도시하지 않는 점화 수단으로 점화하는 동시에, 상기 버너 유닛(4)의 장입 단(端) 측 연소 유역의 연소 용량을 추출 단 측(다음 공정의 압출 성형기 측) 연소 영역의 연소 용량보다도 낮게 제어해서 빌릿 W의 장입 단 측 연소 영역의 온도를, 예를 들면, 400℃, 추출 단 측 연소 영역의 온도를, 예를 들면, 500℃가 되도록 경사 가열을 실행한다.The charging
여기서, 빌릿 W는, 노벽이 없는 대기 개방 상태로 스키드 레일(5) 상에 지지되어 있으므로, 노벽으로부터의 방사 전열이 없다. 그러나, 공기에 의한 연소가 아니고, 버너 유닛(4)에 의한 순 산소 또는 부화 산소로 연소시킨 화염을 빌릿 W의 전장 및 전주에 걸치는 외부 표면에 충돌시킴으로써 화염으로부터의 대류 전열에만 의해 빌릿 W를 가열하므로, 전자 유도 가열 방식 이상의 가열 능력과 열효율을 달성할 수 있다.Here, since the billet W is supported on the
버너 유닛(4)은, 수랭 구조이므로, 가열 시의 열 충격으로부터 보호된다. 또한, 스키드 레일(5)도, 내부의 파이프(13)로부터 빌릿 W를 지지하는 정각부의 내면에 물을 공급하는 수랭 구조로 하였으므로, 열 충격에 대한 내구성이 좋고, 내화물의 경우에 있어서의 스폴링이나 금속의 경우에 있어서의 용손의 염려가 없다.Since the
상기 빌릿 W의 가열을 종료하면, 상기 각각의 버너 유닛(4)을 소화(消火)하고, 추출 문(9)을 승강 실린더(10)로 개방해서, 가열 완료된 빌릿 W를 푸셔(7)에 의해 하류 측에 배치된 압출기에 반송한다. 이후, 전술(前述)한 처리를 간헐적으로 실행한다.When heating of the said billet W is complete | finished, each said
이어서, 본 발명의 빌릿 W의 가열 장치에 관련한 실험 예를 설명한다.Next, the experiment example concerning the heating apparatus of the billet W of this invention is demonstrated.
길이 방향이 A∼D의 4개소의 가열 영역으로 구획된 6대의 버너 유닛(4)(4a∼4f)을, φ156×400L의 빌릿 W의 외주 면에서 45mm 이간(離間)시켜서 원주 방향으로 배치하였다.The six burner units 4 (4a-4f) divided into four heating zones A-D of the longitudinal direction were spaced apart 45 mm from the outer peripheral surface of the billet W of (phi) 156 * 400L, and were arrange | positioned in the circumferential direction. .
상기 버너 유닛(4)의 규격 및 가열 영역마다의 연소 용량은 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같다.The specification of the said
(표 1)Table 1
순 산소 혹은 산소 부화 버너 유닛 규격Pure Oxygen or Oxygen Enriched Burner Unit Specifications
(표 2)Table 2
상기 버너 유닛의 가열 영역마다의 연소 용량Combustion capacity per heating area of the burner unit
표 3의 실험 예 (1)은, 상온(30℃)의 빌릿 W를 500℃까지 가열하고, 그 때의 가열 능력과 열효율을 확인하는 실험 예이다. 다음 표에 나타내는 바와 같이, 본 발명에서는, 상기 버너 유닛(4)으로부터 분사되는 고온의 연소 화염을 빌릿 W의 전장 및 전주에 걸치는 외부 표면에 임핀지(impinge) 가열(충돌 가열)하는 방법이기 때문에 37.1%라고 하는 높은 열효율(수입 열량/투입 열량)로 빌릿 W를 79초에 500℃로 가열할 수 있다.Experimental example (1) of Table 3 is an experimental example which heats the billet W of normal temperature (30 degreeC) to 500 degreeC, and confirms the heating capability and thermal efficiency at that time. High thermal efficiency (imported calories / injection) of 37.1% because it is a method of impinge heating (collision heating) the high-temperature combustion flame injected from the
(표 3)Table 3
가열 능력시험1
투입 열량=연소 용량×가열 시간Input calories = combustion capacity x heating time
수입 열량=승온량×평균 비열×빌릿 중량Imported calories = heating rate × average specific heat × billet weight
표 4에 나타내는 실험 예 (2)는, 미리 250℃로 가열된 빌릿 W에 경사 가열을 실행하는 실험 예를 나타낸 것이다. 이것은, 예를 들면, 연속 주조기에 의해 반송된 빌릿 W를 경사 가열하는 것을 상정한 실험이며, 상기 버너 유닛(4)의 4개의 가열 영역 A∼D 중, B∼D를 점화해서 A만 점화하지 않고 가열한 결과, 가열 시간 43초로 빌릿 W 전단부(前端部)와 후단부(後端部)와의 온도차 △T=73℃/400mm가 되고, 1000mm의 빌릿 W로 환산하면, 이상 온도 구배(100℃/1000mm) 이상의 경사 가열이 된 것으로 된다.Experimental example (2) shown in Table 4 shows an experimental example in which gradient heating is performed on billet W heated to 250 ° C in advance. This is an experiment assuming, for example, oblique heating of the billet W conveyed by the continuous casting machine. Of the four heating regions A to D of the
(표 4)Table 4
경사 가열 시험 2
표 4의 실험 예 (3)은, 상온의 빌릿 W에 경사 가열을 실행하는 실험 예를 나타낸 것이다. 연소 조건은 상기 실험 예 (2)와 동일 조건으로 하고, 그 결과, 상온의 빌릿 W를 76초로, 전단부와 후단부와의 온도차 △T=106℃/400mm가 되고, 1000mm의 빌릿 W로 환산하면, 이 실험에서도 이상 온도 구배(100℃/1000mm) 이상의 경사 가열이 된 것으로 된다.Experimental example (3) of Table 4 shows the experimental example which performs gradient heating to the billet W of normal temperature. Combustion conditions were the same as the above Experimental Example (2). As a result, the billet W at room temperature was 76 seconds, and the temperature difference ΔT = 106 ° C./400 mm between the front end and the rear end was converted into a billet W of 1000 mm. In this experiment, in this experiment as well, the inclined heating of the ideal temperature gradient (100 ° C./1000 mm) or more is obtained.
이렇게, 본 발명의 가열 장치에 의하면, 순 산소 혹은 산소 부화 공기를 이용한 고온의 연소 화염을 대기 개방 상태로 지지된 빌릿 W의 전장 및 전주에 걸치는 외부 표면에 충돌시켜서 가열하므로, 냉간재(冷間材)로부터도 단시간에 빌릿을 압출 성형 온도까지 가열하는 것이 가능하고, 또한, 빌릿 W의 길이 방향에 대한 버너 유닛의 연소 용량을 제어하는 것만으로 용이하게 경사 가열을 실행할 수 있는 것이 판명되었다.Thus, according to the heating apparatus of the present invention, since a high-temperature combustion flame using pure oxygen or oxygen-enriched air is heated by colliding with the outer surface over the electric field and pole of the billet W supported in the open air state, It has also been found from (iii) that the billet can be heated to the extrusion molding temperature in a short time, and the inclined heating can be easily performed only by controlling the combustion capacity of the burner unit in the longitudinal direction of the billet W.
도 1은 본 발명에 관련한 빌릿 가열 장치의 단면도.1 is a cross-sectional view of a billet heating apparatus according to the present invention.
도 2는 도 1의 II-II선 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 1. FIG.
도 3은 버너 유닛의 노즐 배치를 나타내는 정면도(a), 버너 유닛 및 스키드 레일의 배치를 나타내는 횡단면도.3 is a front view (a) showing the nozzle arrangement of the burner unit, and a cross sectional view showing the arrangement of the burner unit and the skid rail;
도 4는 스키드 레일의 횡단면도(a) 및 종단면도(b).4 is a cross sectional view (a) and a longitudinal sectional view (b) of a skid rail;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
2: 본체 케이스2: body case
3: 프레임3: frame
4: 버너 유닛4: burner unit
5: 스키드 레일5: skid rail
12: 노즐12: nozzle
13: 파이프13: pipe
14: 분사구14: nozzle
W: 빌릿W: Billet
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