KR20090109597A

KR20090109597A - 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치

Info

Publication number: KR20090109597A
Application number: KR1020080034924A
Authority: KR
Inventors: 전웅; 이철규; 김기영
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; (주)원우이엔지
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-10-21

Abstract

본 발명은 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치에 관한 것으로, 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 상면에 고정된 지지프레임과; 상기 지지프레임의 상면에 고정되고 하면 일부를 제외한 모든면이 밀폐된 가열박스와; 상기 가열박스의 내부에 설치된 히터와; 상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 설치된 승하강실린더와; 상기 승하강실린더의 실린더로드 상단에 고정되고, 안착된 시편을 상기 가열박스 내부로 위치시키는 시편안착대와; 상기 지지프레임 내부에 설치된 냉각조와; 상기 냉각조의 상단에 설치되고 기체, 액체, 기액중 어느 하나의 냉각수단을 분사하는 다수의 분사노즐로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 1000℃ 이상의 고온 부산물과 접촉할 때 발생되는 폐열 회수소재의 열충격 저항성을 쉽고 정확하게 측정할 수 있고, 이를 통해 폐열 회수소재의 개발을 촉진시키는 효과를 얻을 수 있다.

고온 부산물, 폐열, 회수, 열충격, 저항성, 회수소재

Description

고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING THERMAL SHOCK RESISTANCE OF CERAMICS FOR RECOVERY OF WASTE HEAT}

본 발명은 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온에서 폐열 회수용 내화소재의 열충격 저항성을 공냉식과 수냉식을 병용하여 신속하게 측정하고 평가할 수 있도록 한 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 국ㆍ내외의 많은 산업설비들중 고온의 폐열을 대기중으로 배출하는 산업설비들이 산재해 있다.

그러나, 이들 산업설비들로부터 발생되는 폐열은 고스란히 대기중으로 방출되어 사라져 버리는 것이 현실이다.

보고된 바에 따르면, 국내 산업설비들로부터 발생되는 고온의 폐열을 에너지로 환산할 경우 대략 7.2조 kcal/year로 국내 전체 에너지 소비량의 약 0.2%에 달하는 것으로 알려져 있다.

특히, 화석에너지의 사용량 증대로 인해 초래되는 지구온난화 현상을 막기 위해 각 국이 체결한 협약에 의해 배출가스의 규제가 강화되고 있는 현시점에서 버 려지는 고온의 부산물로부터 발생된 폐열을 회수하여 재활용하여야 하는 것은 당연한 일일 것이며, 또한 이를 통해 화석에너지의 사용량도 줄일 수 있을 것이다.

하지만, 이러한 고온 부산물로부터 발생된 대략 1000℃를 상회하는 폐열을 회수하여 재활용하기 위해서는 고온 부산물로부터 발생된 폐열을 보다 안정적이면서 효과적으로 회수할 수 있는 폐열회수장치의 개발이 선행되어야 한다.

뿐만 아니라, 이때 고온 부산물이 고속으로 분사될 때 이들과 직접 접촉하는 폐열 회수조 내부는 급열과 급냉이 반복되는 환경이 조성되므로 내화소재가 열충격에 의해 손상될 위험성이 높다.

따라서, 이렇게 급열과 급냉이 반복되는 폐열 회수조 내부에서도 높은 열충격 저항성을 가져 안정적이면서 장수명화를 달성할 수 있는 소재가 요구된다.

그러나, 국내에서는 아직까지 고온 부산물에 존재하는 폐열을 회수하여 재활용하려는 시도 자체가 거의 없었고, 이에 따라 높은 열충격 저항성을 갖는 관련 회수소재(내화소재)의 개발도 전무한 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 국내 현실정에 맞춰 고온 부산물로부터 고온의 폐열을 회수할 때 사용되는 열충격 저항성이 높은 회수소재의 개발을 촉진하기 위해 창출된 것으로, 그 목적은 1000℃ 이상의 고온에서 고속분사되는 부산물과 접촉하여 급열과 급냉이 반복되는 폐열 회수조에서 설치되는 회수소재의 열충격 저항성을 쉽게 측정할 수 있도록 하여 해당 소재의 개발을 촉진하고, 이를 통해 고온 부 산물 폐열 회수장치의 개발에 일조할 수 있도록 한 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치를 제공하고자 함에 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 베이스플레이트와; 상기 베이스플레이트의 상면에 고정된 지지프레임과; 상기 지지프레임의 상면에 고정되고 하면 일부를 제외한 모든면이 밀폐된 가열박스와; 상기 가열박스의 내부에 설치된 히터와; 상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 설치된 승하강실린더와; 상기 승하강실린더의 실린더로드 상단에 고정되고, 안착된 시편을 상기 가열박스 내부로 위치시키는 시편안착대와; 상기 지지프레임 내부에 설치된 냉각조와; 상기 냉각조의 상단에 설치되고 기체, 액체, 기액중 어느 하나의 냉각수단을 분사하는 다수의 분사노즐로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치를 제공한다.

이때, 상기 베이스플레이트의 상면에는 상기 시편안착대를 유동되지 않게 안내하는 가이드바가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 가열박스의 일측면에는 상기 가열박스의 개방된 하면 일부를 개폐하는 보호덮개가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 보호덮개는 상기 가열박스의 일측면에 고정된 개폐실린더에 연결된 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 분사노즐에는 조절밸브를 매개로 기체공급관과 액체공급관이 연결배관되고, 상기 기체공급관을 통해 공급되는 기체는 공기, 질소, 헬륨중 어느 하나이며, 상기 액체공급관을 통해 공급되는 액체는 물, 기름중 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열충격 저항성 측정장치의 구성을 보인 예시적인 개요도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열충격 저항성 측정장치에 사용된 부정형 내화물의 시험예를 보인 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열충격 저항성 측정장치는 베이스플레이트(100)를 포함한다.

이때, 상기 베이스플레이트(100)의 상면에는 지지프레임(110)이 세워진 형태로 고정되고, 상기 지지프레임(110)의 상단에는 가열박스(200)가 고정된다.

상기 가열박스(200)는 하면 일부만 개방된 상태로 밀폐되어 있으며, 내부 적소에는 가열수단, 바람직하기로는 히터(210)와 같은 발열체가 내장 설치된다.

그리고, 상기 가열박스(200)의 일측면에는 개폐실린더(300)가 고정되고, 상기 개폐실린더(300)에는 링크(310)가 구비되며, 상기 링크(310)에는 보호덮개(320) 가 연결되어 상기 가열박스(200)의 개방된 하면 일부를 개폐할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 보호덮개(320)는 상기 가열박스(200)의 하면을 따라 상기 개폐실린더(300)의 제어에 의해 슬라이딩되면서 상기 가열박스(200)의 개방된 하면 일부를 개방하거나 폐쇄하게 된다.

아울러, 상기 베이스플레이트(100)의 상면 중앙에는 승하강실린더(120)가 고정되고, 상기 승하강실린더(120)의 실린더로드(130)에는 시편안착대(140)가 고정되며, 상기 시편안착대(140)에는 시편(S)이 안착된다.

따라서, 상기 승하강실린더(120)의 승하강동작에 따라 상기 시편안착대(140)는 상기 가열박스(200)의 개방된 하측 공간을 통해 시편(S)을 상기 가열박스(200) 내부로 위치되게 할 수 있으며, 동시에 가열박스(200)의 개방된 하면 일부를 밀폐하는 기능도 하게 된다.

이때, 상기 승하강실린더(120)의 양측에는 가이드바(150)가 더 설치될 수 있으며, 상기 가이드바(150)는 상기 시편안착대(140)의 상하이동시 시편안착대(140)가 유동없이 안정적으로 승하강될 수 있게 안내하게 된다.

뿐만 아니라, 상기 가이드바(150)는 후술되는 냉각조(400)를 관통하여 설치됨이 바람직하며, 또한 상기 실린더로드(130)와 함께 승하강되도록 안테나 형태로 접철되는 구조를 가질 수도 있고, 경우에 따라서는 고정된 상태로 구비되고 상기 시편안착대(140)의 양단을 관통하도록 하여 상기 시편안착대(140)가 실린더로드(130)에 의해 승하강될 때 상기 가이드바(150)를 타고 이에 지지된 채 승하강되 게 구성할 수도 있는 바, 이러한 가이드바(150)의 구조는 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 베이스플레이트(100)의 상측, 바람직하기로는 상기 지지프레임(110)의 내부에는 냉각조(400)가 설치된다.

상기 냉각조(400)는 분사되는 액체가 비산되지 않고 집수되도록 하기 위한 것이다.

이는 상기 시편(S)을 급열하고 급냉하기 위한 조건을 갖추기 위한 것으로, 이를테면 냉각을 위한 수단으로 기체 혹은 액체 혹은 기체와 액체가 혼합된 것을 사용할 수 있기 때문이다.

이와 같은 냉각조건을 갖추기 위해 상기 냉각조(400)의 상단에는 다수의 분사노즐(500)이 설치되며, 상기 분사노즐(500)에는 기체공급관(510) 혹은 액체공급관(520)이 연결될 수 있으며, 이들을 동시에 혼합사용하기 위해 조절밸브(530)가 설치될 수 있다.

이 경우, 만약 냉각수단으로 기체를 사용할 경우에는 인체에 무해하고 안전한 공기, 질소, 헬륨중 어느 하나를 사용함이 바람직하고, 액체를 사용할 경우에는 물, 기름중 어느 하나를 사용함이 바람직하다.

그리하여, 승하강실린더(120)를 제어하여 상기 시편안착대(140)를 승강시킨 상태에서는 시편(S)을 가열박스(200) 내부에 위치되게 하여 히터(210)로 급열시키도록 하고, 시편안착대(140)를 하강시킨 상태에서는 시편(S)에 기체 혹은 액체 혹은 기액(기체+액체)의 냉각수단을 고압분사하여 급냉시키도록 하여, 이러한 과정을 수차례 반복함으로써 고온 폐열 회수조에서와 동일한 조건을 갖추고 그때 시편(S)의 열충격 저항성을 평가함으로써 고온 폐열 회수소재의 적,부를 간편 용이하게 판정할 수 있게 되는 것이다.

여기에서, 보통의 경우는 소재의 열충격 저항성을 측정할 때 시편(S)을 로 내부에서 가열하고 실험자가 가열된 시편(S)을 로 외부로 꺼낸 후 선풍기 등을 이용하여 시편(S)의 표면을 냉각하거나 혹은 상온의 물속에 투입하여 냉각하는 방식을 택하고 있으나, 이럴 경우 화상의 위험성이 높고 열충격 인가를 위해 많은 작업시간이 소요되기 때문에 열충격의 크기가 저하될 뿐만 아니라 상온에서 장시간 노출되기 때문에 로 내부의 내화물이 손상되거나 혹은 발열체가 산화되는 문제를 비롯하여 열충격 저항성을 정확하게 측정할 수 없다는 단점이 있고, 또 가열된 시편(S)을 상온의 물속에 투입하여 열충격을 인가할 때 물이 가열 시편(S)의 내부까지 침투하여 인가되므로 열충격의 크기가 감소하는 등의 문제도 생기게 된다.

이에, 본 발명에서는 시편(S)을 급열, 급냉할 때 사람이 아닌 기계적 수단을 통해 간편 용이하면서 단시간에 반복 수행되도록 하여 화상의 위험성을 원천 봉쇄하고, 나아가 정확한 열충격을 가할 수 있도록 하여 시편(S)의 열충격 저항성을 정확하게 측정할 수 있도록 함과 동시에 로 내부가 상온에서 짧게 노출되도록 하여 내화물의 손상과 발열체의 산화 문제도 함께 방지하도록 하였다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

본 발명에 따른 측정장치를 이용하여 고온에서 시편의 열충격 저항성을 측정 하기 위해 시편 성형기와 건조로를 이용하여 도 2의 사진과 같은 Al₂O₃-CaO계 부정형 내화물과 Al₂O₃-SiO₂계 부정형 내화물로 이루어진 4×4×4cm 크기의 육면체 시편 6개를 제작하였다.

그런 다음, 이들 시편을 각각 시편안착대에 장착한 후 가열박스는 1000℃로 예열하고, 분사노즐을 통해서는 압축공기를 분사하면서 공냉식으로 냉각하는 과정을 교대로 반복하면서 상기 시편들에 열충격을 인가하였다.

이때, 공냉식 열충격은 20회 및 30회 인가하였으며, 인가 후 압축강도를 측정하여 인가 전의 압축강도와 비교하였고, 사진을 찍어 도 2와 같이 비교하였으며, 측정된 압축강도 평균값의 결과는 하기한 표 1에 나타내었다.

구분	Al₂O₃-CaO계 부정형 내화물 (시편 1)	Al₂O₃-SiO₂계 부정형 내화물 (시편 2)
열충격 인가전 압축강도	472	579
열충격 20회 인가후 압축강도	441	562
열충격 30회 인가후 압축강도	402	558

(여기에서, 압축강도의 단위는 kg_f/㎠이다)

상기 표 1에서와 같이, 시편 2가 시편 1에 비해 상대적으로 더 높은 열충격 저항성을 가지고 있음이 확인되었다.

이는 CaO 함량이 높을수록 소재의 열충격 저항성이 낮은 것으로 알려져 있고, 반면 낮은 열팽창계수를 갖는 뮬라이트(Mulite)질 Al₂O₃-SiO₂계 소재의 경우Al₂O₃-CaO계 시편 대비 높은 열충격 저항성을 가져야 한다는 일반론에도 정확하게 부합되는 것임을 확인시켜 주는 결과였다.

이를 통해, 시편의 고온 열충격 저항성을 간편 용이하게 측정할 수 있게 되어 고온 부산물 폐열 회수소재의 개발을 더욱 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 열충격 저항성 측정장치의 구성을 보인 예시적인 개요도,

도 2는 본 발명에 따른 열충격 저항성 측정장치에 사용된 부정형 내화물의 시험예를 보인 사진.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....베이스플레이트 110....지지프레임

120....승하강실린더 130....실린더로드

140....시편안착대 150....가이드바

200....가열박스 210....히터

300....개폐실린더 310....링크

320....보호덮개 400....냉각조

500....분사노즐 510....기체공급관

520....액체공급관 530....조절밸브

Claims

베이스플레이트와;

상기 베이스플레이트의 상면에 고정된 지지프레임과;

상기 지지프레임의 상면에 고정되고 하면 일부를 제외한 모든면이 밀폐된 가열박스와;

상기 가열박스의 내부에 설치된 히터와;

상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 설치된 승하강실린더와;

상기 승하강실린더의 실린더로드 상단에 고정되고, 안착된 시편을 상기 가열박스 내부로 위치시키는 시편안착대와;

상기 지지프레임 내부에 설치된 냉각조와;

상기 냉각조의 상단에 설치되고 기체, 액체, 기액중 어느 하나의 냉각수단을 분사하는 다수의 분사노즐로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치.
청구항 1에 있어서;

상기 베이스플레이트의 상면에는 상기 시편안착대를 유동되지 않게 안내하는 가이드바가 더 설치된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치.
청구항 1에 있어서;

상기 가열박스의 일측면에는 상기 가열박스의 개방된 하면 일부를 개폐하는 보호덮개가 더 설치된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치.
청구항 3에 있어서;

상기 보호덮개는 상기 가열박스의 일측면에 고정된 개폐실린더에 연결된 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치.
청구항 1에 있어서;

상기 분사노즐에는 조절밸브를 매개로 기체공급관과 액체공급관이 연결배관되고, 상기 기체공급관을 통해 공급되는 기체는 공기, 질소, 헬륨중 어느 하나이며, 상기 액체공급관을 통해 공급되는 액체는 물, 기름중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온 부산물 폐열 회수소재의 열충격 저항성 측정장치.