KR20100050966A

KR20100050966A - 재료의 열적 특성 평가 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100050966A
Application number: KR1020080110109A
Authority: KR
Inventors: 유병돈; 김도준; 신동엽; 최석우; 김남수
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-05-14

Abstract

본 발명은 재료의 열적 특성 평가 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온에서 사용되는 재료의 열적 특성을 사용환경과 유사한 고온에서 정량적으로 평가할 수 있도록 하는 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 재료의 열적 특성 평가 장치는 용융금속이 수용될 수 있는 도가니가 구비된 용융금속 가열장치, 상기 도가니 및 도가니 내에 수용된 용융금속의 온도를 측정할 수 있는 온도계, 상기 온도계에 의해 측정된 온도 정보를 받아 용융금속 가열장치로 출력되는 전력을 제어하고 출력하는 온도 제어부, 상기 제어부에 의해 출력되는 전력 정보를 읽는 전력계 및 상기 전력계로부터 출력되는 정보를 입수하여 기록하는 컴퓨터 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

열적 특성 평가, 흡열량, 발열량, 보온량, 발열재, 보온재, 발열보온재, 전력

Description

재료의 열적 특성 평가 장치 및 방법{EQUIPMENT AND METHOD FOR THE EVALUATION OF THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS}

용융금속의 이동이나 작업대기 과정 등에서는 불가피하게 용탕 표면으로부터 열이 방출되기 때문에 열손실이 발생한다. 이러할 경우, 용융 금속이 응고되어 버리거나 후속하는 공정의 작업을 불가능하게 하는 등 여러 가지 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 열손실을 최소화하기 위해서는 용강의 표면으로부터 열이 방출되지 못하도록 보온하는 보온재나 한발 더 나아가서 발열을 통하여 용강에 열을 공급할 수 있는 발열보온재 등을 용탕 상부에 공급하여 용탕의 열손실을 저감시키는 방법이 많이 사용된다.

상기 보온재나 발열보온재 등이 많이 사용되는 한가지 예로서는 주조과정을 들 수 있다. 통상 주조과정에서 주형에 주입된 용탕은 용탕의 표면 및 주형과의 계면에서부터 응고하기 시작하며 응고가 진행됨에 따라 체적이 감소하기 때문에 가장 늦게 응고되는 부위에는 금속의 응고로 인한 수축공이 생성된다. 상기 수축공 등은 주조된 제품의 결함으로 작용할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 수축부위에 여분의 용융 금속을 제공할 수 있는 압탕부를 형성한다. 수축공 부위로 용융 금속이 흘러들어갈 수 있어야 하기 때문에 상기 압탕부는 최종적으로 응고되어야 하며, 따라서 압탕부가 용융된 상태를 유지할 수 있도록 주위에 보온재나 발열보온재가 제공된다.

특히, 발열과 보온효과를 동시에 얻기 위해 사용되는 발열보온재는 통상적으로 Al2O3 (5~70중량%) 와 SiO2(5~50중량%)를 함유하는 광물 입자와 발열원으로서 10~35중량%의 금속 알루미늄 분말, 그리고 산화제로서 5~40중량%의 산화철(FetO)분말을 혼합하여 조제하며, 1~5중량%의 탄재 분말을 첨가하기도 한다. 발열보온재의 발열원으로 첨가되는 금속 알루미늄은 원가 절감을 목적으로 20∼60중량%의 금속 알루미늄을 함유하는 알루미늄 드로스(Al Dross)를 사용하는 것이 보통이다. 발열보온재를 용탕표면에 투입하면 발열보온재를 구성하는 알루미늄과 산화철(FetO)이 반응하여 열이 발생되고, 반응 생성물과 발열보온재 내에 존재하는 산화물이 결합하여 고융점의 다공성 복합 산화물을 형성하게 되어 보온효과가 나타나게 된다.

이때, 상기 발열보온재에 대한 열적 특성이 정확하게 파악되어야 발열보온재의 사용량을 정할 수 있기 때문에 발열보온재의 특성 파악은 중요하다. 발열보온재의 특성은 발열반응이 개시될 때까지 소요되는 시간, 반응의 지속시간, 흡열량, 반응과정에서의 발열량 및 반응 종료 후의 보온 열량 등으로 구분된다. 발열보온재를 경제적이고 효과적으로 사용하고 적합한 발열보온재를 용이하게 선택하기 위해서는 가급적 이러한 특성들에 대한 정보가 정확히 입수되어야 할 필요가 있다.

종래의 보온재 또는 발열보온재의 열적특성을 평가하는 방법으로는 일정한 온도로 예열된 반응용기 내에 보온재 또는 발열보온재를 투입하고, 열전대를 이용하여 온도변화를 측정하는 방법이 활용되고 있다. 그 한 예를 도 1에 도시하였다. 이 방법은 일정한 온도(약1000~1100℃)로 유지되고 있는 포트(pot) 내에 보온재 또는 발열보온재(3)를 투입한 직후에 전원을 차단하고 포트 바닥부 또는 발열보온재 내부의 온도 변화를 연속적으로 측정하여 발열보온재의 열적특성을 평가하는 방식이다. 발열보온재 투입에 따른 온도변화의 측정 예를 도 2에 나타내었다. 발열보온재의 열적특성에 따라 온도변화 거동이 다르게 나타나므로, 기준 시료(Sample 1)와 평가 대상시료(Sample 2)의 온도변화를 비교함으로써 상대적인 열적특성을 비교, 평가할 수 있다.

그러나, 이러한 방법은 단순히 온도변화 경향만 나타내는 것이기 때문에 그 열적특성을 정량적으로 평가하기가 곤란하며, 또한 고온에서 열전대를 연속적으로 사용하는 것이 곤란하므로 실제 조업조건과는 상이한 저온에서 제한적으로 사용할 수 있다는 문제가 있다. 그 뿐만 아니라 발열보온재의 발열에 의한 급격한 열충격으로 열전대의 보호관이 파손되거나 열전대가 쉽게 용손된다는 문제가 있었다.

본 발명은 보온재나 발열보온재 등과 같이 고온에서 사용되는 재료의 열적 특성을 실제 조업조건과 유사한 조건에서 정량적으로 평가할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열적 특성 평가 장치는 용융금속이 수용될 수 있는 도가니가 구비된 용융금속 가열장치, 상기 도가니 및 도가니 내에 수용된 용융금속 온도를 측정할 수 있는 온도계, 상기 온도계에 의해 측정된 온도 정보를 받아 용융금속 가열장치로 출력되는 전력을 제어하고 출력하는 온도 제어부, 상기 제어부에 의해 출력되는 전력 정보를 읽는 전력계 및 상기 전력계로부터 출력되는 정보를 입수하여 기록하는 컴퓨터 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 용융금속 가열장치의 상부에는 금속의 가열 및 용해과정에서 금속의 산화를 방지할 수 있도록 가열장치를 밀폐하는 밀폐장치가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 온도계는 비접촉식 온도계인 것이 장시간 실험에 유리하다.

그리고, 상기 온도 제어부는 열적 특성을 평가하기 위한 재료를 투입할 경우 용융금속의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 전력 공급량을 제어하는 방식으로 작동하는 것이 효과적이다.

본 발명의 또 다른 한가지 측면인 평가 방법은, 재료의 열적 특성을 평가하는 방법으로서, 전력 공급량을 조정하면서 용융금속의 온도를 일정하게 조정하는 단계; 상기 온도가 일정하게 조정되고 있는 용융금속에 시험재료를 투입하는 단계; 및 상기 시험재료가 투입되지 않는 상태의 전력 공급 패턴과 시험재료가 투입된 이후의 전력공급 패턴을 비교하여 시험재료의 투입에 의한 열적 특성을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 재료의 열적 특성은 재료를 투입한 직후부터 반응이 개시될 때까지의 소요 시간, 흡열 및 발열 지속시간, 그리고 흡열량, 발열량 및 보온량 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 실제 재료가 사용되는 조건과 유사한 조건에서 열적 특성을 평가할 수 있을 뿐만 아니라 그 평가되는 열적 특성 역시 정량적으로 제공될 수 있으므로 재료의 적합성 뿐만 아니라 필요한 사용량까지도 정확하게 산출할 수 있는 근거를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 설명을 위해서 보온재나 발열재 또는 발열보온재 등의 재료를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 장치와 방법은 반드시 이에 한정되는 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 즉, 고온에서 사용되는 재료로서 그 열적특성(흡열량, 흡열패턴, 발열량, 발열패턴 또는 보온량 등)의 평가가 요구되는 재료라면 모두 본 발명의 장치와 방법에 의하여 그 열적 특성이 평가될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 테두리에 포함되는 것이다.

도 3에 본 발명의 장치의 한가지 구현례에 대한 개략도를 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 장치는 용융금속(12)이 수용될 수 있는 도가니(11)가 구비된 용융금속 가열장치(30), 상기 도가니(11) 및 도가니(11) 내에 수용된 용융금속(12)의 온도를 측정할 수 있는 온도계(5, 15), 상기 온도계(5,15)에 의해 측정된 온도 정보를 받아 용융금속 가열장치(30)로 출력되는 전력을 제어하고 출력하는 온도 제어부(17), 상기 제어부에 의해 출력되는 전력 정보를 읽는 전력계(18) 및 상기 전력계로부터 출력되는 정보를 입수하여 기록하는 컴퓨터 시스템(20)을 포함하여 이루어진다. 여기서 상기 컴퓨터 시스템은 전력계로부터 출력되는 신호가 아나로그 신호일 경우 디지털 신호로 전환하기 위한 컨버터(19)를 더 포함할 수도 있다.

즉, 본 발명의 장치는 용융금속 가열장치에 수용된 용융금속의 온도를 일정하게 유지하는 과정에서 온도유지에 필요한 입력 전력량의 변화량으로부터 발열 및 보온재 등과 같이 각종 열적 거동을 일으키는 재료의 흡열과 발열, 및 보온 특성을 파악할 수 있는 장치인 것이다. 상기 재료의 열적특성에는 상기 재료의 열적 특성은 발열 및 보온재를 투입한 직후부터 반응이 개시될 때까지의 소요 시간, 흡열 및 발열 지속시간, 그리고 흡열량, 발열량 또는 보온량 등이 포함될 수 있다.

용융금속 가열장치(30)는 상기 온도 제어부(17)에서 제어되어 출력되는 전력을 통하여 온도를 목표온도로 유지할 수 있다. 상기 온도 제어부(17)는 도가니(11)내에 수용된 용융금속(12)의 온도를 측정한 상기 온도계(5,15)의 온도 측정결과로부터 온도변화를 감지하여 전력량을 증감시키는 기능을 한다. 상기 온도 제어부는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 용이하게 이와 동일 또는 유사한 기능을 하는 장치를 입수하여 사용할 수 있기 때문에 이를 본 명세서에서 모두 예시할 필요까지는 없으나 가장 많이 사용되는 한가지 예를 든다면 PID 제어기(PID controller)와 같은 널리 알려진 제어기를 이용할 수 있다.

상기 온도 제어부(17)의 존재로 인하여 용융금속 가열장치(30)에 수용된 용 융금속(12)의 온도는 정해진 승온속도 또는 냉각속도에 맞추어 변화하거나 목표온도에서 일정하게 유지할 수 있다. 본 발명에서는 다른 요인을 배제하기 위해 용융금속(12)의 온도를 일정하게 유지하는 것이 보다 바람직하다. 용융금속(12)의 온도를 일정하게 유지하는 경우 주위 환경의 변화가 없다면 용융금속 가열장치(30)에 공급되는 전력은 시간에 따라 일정한 경향을 가진다.

그러나, 갑자기 도가니(11)에 냉각재가 투입되어 용융금속(12)의 온도가 내려간다면 상기 온도 제어부(17)는 상기 온도계(5,15)로부터 입력된 온도 정보를 분석하여 전력을 증가시킨다. 이후, 용융금속(12)의 온도가 목표온도에 도달하면 전력은 냉각재가 투입되기 이전과 유사한 값으로 회귀한다. 상기 과정 동안의 전력 변화는 전력계를 통하여 컴퓨터 시스템에 모두 입력되게 되는데, 냉각재가 투입되기 이전의 전력 대비 변화된 전력의 값을 측정하면 냉각재 투입에 의한 흡열량이 계산될 수 있다. 이때, 전력의 변화는 복잡한 그래프로 나타날 수 있는데, 시간의 진행에 따른 전력의 변화 곡선에 의해 나타나는 영역의 면적을 적분하는 방식으로 총 전력 증가량, 즉 흡열량을 구할 수 있다.

반대로, 도가니(11)에 발열재가 투입될 수도 있는데, 상기 발열재는 냉각재와는 반대로 열을 발산하므로 동일한 전력 하에서는 용융금속(12)의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 이때, 온도 제어부(17)는 상기 온도계(5,15)로부터 입력된 온도 정보를 분석하여 전력을 감소시킨다. 이후, 용융금속(12)의 온도가 초기 설정 치에 도달하면 전력은 발열재가 투입되기 이전과 유사한 값으로 회귀한다. 상기 과정 동안의 전력 변화는 전력계를 통하여 컴퓨터 시스템에 모두 입력되게 되는데, 발열재가 투입되기 이전의 전력 대비 변화된 전력의 값을 측정하면 발열재 투입에 의한 발열량이 계산될 수 있다. 이때, 전력의 변화는 복잡한 그래프로 나타날 수 있는데, 시간의 진행에 따른 전력의 변화 곡선에 의해 나타나는 영역의 면적을 적분하는 방식으로 총 전력 감소량, 즉 발열량을 구할 수 있다.

이때, 상기 용융금속의 온도를 측정하는 온도계(5,15)는 본 구현례에서는 2개로 나타내었으나 용융금속 온도를 객관적으로 측정할 수만 있다면 그 개수에 특별히 제한될 필요는 없다. 보통은 용융금속 상부의 온도와 도가니 하부의 온도를 측정하는 방식이 많이 사용된다. 또한, 상기 온도계는 비접촉식 온도계인 것이 바람직하다. 용융금속의 온도가 대부분 수백℃ 이상으로 아주 높고, 특히 용철의 경우는 1400℃ 이상인 경우가 대부분이기 때문에 상기 용융금속에 온도계가 접촉하여 온도를 측정한다면 온도계의 내구성에 문제가 있을 수 있어 장시간 온도를 측정하여야 하는 본 발명의 장치에서는 비접촉식 온도계를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 비접촉식 온도계의 일례로서는 복사열로부터 온도를 측정하는 파이로미터(pyrometer) 등을 들 수 있으며, 특히 적외선 영역에서 작동하는 파이로미터를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 온도계는 온도 제어부 뿐만 아니라 컴퓨터 시스템에도 온도 정보를 출력하여 그 내용을 모니터링 하거나 분석 또는 제어할 수 있게 할 수도 있다.

이때, 금속(12)의 가열 및 용해과정에서 대기에 노출될 경우에는 대기에 의해 금속이 산화되어 용융금속(12) 표면에 산화물층이 형성되고, 산화물층의 두께 및 형상이 일정하지 않을 경우는 발열 및 보온재의 열적 특성이 용융금속에 전달되는 과정에서 오차가 발생할 수 있으므로, 금속의 가열 및 용해 과정에서는 대기와의 접촉을 방지할 필요가 있다. 이를 위해서 용융금속 가열장치(30)의 상부에는 가열장치를 밀폐하는 밀폐장치(7)가 더 구비되는 것이 보다 바람직하다. 상기 도 4에 밀폐장치(7)의 한가지 구현례를 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 밀폐장치(22)는 가열장치의 상부와 유체연통이 가능하도록 형성되어 있으며, 시험할 재료를 투입할 수 있도록 개폐가능한 투입구(22)를 구비하고 있다. 또한, 가열장치(30)와 접촉하는 하단부는 용융금속(7)으로부터 발산되는 고열에 노출되기 때문에 냉각수관(23)이 구비될 수 있다. 또한, 온도계(5)가 상부에서부터 용융금속(12) 표면의 온도를 감지할 경우에는 온도계(5)가 온도를 감지할 수 있도록 상기 밀폐장치(7)의 상부는 개방되는 것이 바람직하며 상기 온도계가 부착된 추가적인 덮개(8)를 상기 밀폐장치에 설치하여 가열장치 내부를 밀폐시키는 것이 보다 바람직하다. 그리고 산화성 분위기를 방지하기 위한 불활성 가스(예를 들면, 아르곤 등)가 공급되는 가스 공급관(6)이 추가로 구비될 수 있다.

상기 가열장치(30)에서 용융금속의 가열은 전기에 의해 가열되는데, 유도가열이나 전기저항을 통한 가열 모두 가능하다. 다만, 용융금속(12)에 추가적인 재 료의 투입과정을 모사하기 위해서는 가열장치(30)의 규모가 클 필요가 있는데, 이때 가열이 효과적으로 이루어지기 위해서는 유도가열방식을 사용하는 것이 바람직하다. 도 3에는 유도코일(10)에 흐르는 전류에 의해 용융금속을 유도가열하는 방식이 이용되었다. 상기 가열장치(30)의 도가니(11)는 반응관(13) 내에 설치되는 것이 분위기 제어에 효과적이다. 상기 반응관(13)은 석영관, 뮬라이트관, 알루미나관, 그 밖의 여러 가지 재료로 이루어진 관이 사용될 수 있으며, 이들은 관의 가격과 사용온도에 따라 적절히 선택되어 사용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 상기 반응관(13)의 종류와 규격을 선택하는 데는 아무런 어려움이 없을 것이다. 상기 반응관(13)의 외부에는 보온을 위한 보온층 및 외피 등이 더 구비될 수 있으나 도면에서는 도시 생략하였다.

상기 반응관(13) 내에 위치하는 도가니(11)는 용융금속이 장시간 수용될 수 있도록 충분한 내열성을 가지는 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 알루미나 도가니나 마그네시아 도가니 등이 널리 사용되나 재질은 반드시 이에 한정하지 않는다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 외부에 보호도가니(9)를 더 구비하여도 좋다. 상기 도가니(11)는 가열장치 내에서 지지대(14)에 지지되어 수납된다. 도 3에서 보는 바와 같이 가열장치 하부에도 비접촉식 온도계(15)가 위치할 경우에는 상기 지지대(14)는 온도계가 도가니 하부의 온도를 감지할 수 있도록 중앙부가 빈 형태를 가지는 것이 보다 바람직하다.

이하, 상기한 본 발명의 장치를 이용하여 재료의 열적 특성을 평가하는 방법을 설명한다.

우선, 용융금속 가열장치(30)에서 금속을 가열하여 용융시킨 후 목표온도까지 온도조정하는 단계가 선행될 필요가 있다. 용융금속(12)이 가열되어 목표온도에 도달한 이후에는 상기 용융금속(12) 표면에 분석대상의 재료의 샘플을 투하하는 단계가 후속된다. 이후, 분석대상 재료 샘플의 투하에 의해 변화하는 전력 공급량을 기록하고 상기 변화된 전력공급량으로부터 샘플에 의한 열적 특성을 평가하는 과정이 후속된다. 상기 전 과정은 용융금속(12)의 온도를 일정하게 유지하는 과정에 의해 온도가 제어된 상태에서 이루어지는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 방법은 재료의 열적 특성을 평가하는 방법으로서, 전력 공급량을 조정하면서 용융금속의 온도를 일정하게 조정하는 단계; 상기 온도가 일정하게 조정되고 있는 용융금속에 시험재료를 투입하는 단계; 및 상기 시험재료가 투입되지 않는 상태의 전력 공급 패턴과 시험재료가 투입된 이후의 전력공급 패턴을 비교하여 시험재료의 투입에 의한 열적 특성을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열적 특성은 흡열량 및 발열량과 같은 열량 이외에도 흡열시간, 발열시간, 최대 흡열 및 발열량, 투입된 재료에 의한 보온량 등의 여러 가지 인자 가 될 수 있다. 이러한 특성은 컴퓨터 등 기록장치에 기록된 시간에 따른 전력 공급량의 변화로부터 구할 수 있다. 예를 들면, 도 5에 전력과 시간의 관계를 나타낸 그래프에서 도시한 바와 같이 시험재료가 투입되지 않은 상태의 전력 공급량 기준선(41)에 대하여 시험재료가 투입된 이후의 전력 공급선(42)의 차이를 구하면 시험재료의 흡열과 발열 패턴을 나타내는 그래프를 구할 수 있으며, 이로부터 상술한 열적 특성을 구할 수 있는 것이다.

또한, 시험재료가 투입되면서 용융금속의 상부를 차단하여 외부로 열이 방출되는 것을 방지할 수 있는데, 상기 보온량은 흡열이나 발열 반응이 완전히 종료된 이후 전력 공급량은 일정해 졌으나(42') 원래의 전력 공급선(41)과는 차이가 발생하는데 투입 이후의 상기 일정한 전력 공급선(42')과 투입전 전력 공급선(41)의 차이만큼을 보온량으로 구할 수 있는 것이다.

시험도중, 가열장치(30)에는 필요한 경우 아르곤 가스와 같은 불활성 가스(6)를 공급하여 용융금속(12)이 산화되지 않도록 유지할 수 있다. 그러나 시험재료를 투입할 때는 실제 조업에서와 같은 조건에서 실험이 이루어져야 하므로 불활성 가스의 공급을 중단하고, 시험재료의 투입구를 열어서 대기 분위기 중에서 시험재료를 투입하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기하는 실시 예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

열적 특성을 평가하기 위한 시험재료로서 발열보온재를 준비하였다. 발열보온재는 투입 직후에는 상온의 보온재가 용강온도와 열적 평형을 이루기 위하여 용강의 열을 흡수하는 흡열반응을 일으키나 이후 자체의 발열반응을 통하여 용강에 열을 공급하는 재료로서 다양한 열적인 특성을 나타내므로 그 특성을 평가하기에 유리한 재료이다.

발열보온재의 열적특성에 영향을 미치는 대표적인 인자로는 원료의 배합조건을 들 수 있다. 즉, 발열보온재에 어떠한 성분이 포함되는가에 따라 흡열, 발열 및 보온특성이 달라지는 것이므로 본 실시 예에서는 표 1에 나타낸 바와 같이 3종류의 발열보온재를 준비하여 열적 특성 평가에 이용하였다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 발열보온재는 발열재(Al), 산화제(Fe_tO), Al₂O₃, SiO₂ 등을 포함하며 미량의 첨가제가 더 추가될 수 있다. 본 실시 예에서는 이들의 배합비를 변경하여 그 열적특성을 평가하고자 하였다. 표에서 각 성분의 함량은 중량%를 의미한다.

구분	Fe₂O₃	M. Al	Al₂O₃	SiO₂	합계
시험재A	10.31	28.86	55.27	5.56	100
시험재B	5.79	17.69	60.47	16.05	100
시험재C	33.32	15.59	44.65	6.44	100

시험 방법은 다음과 같다. 우선, 스테인레스강(SUS304)을 약 180g 용해하여 1600℃로 유지하였다. 스테인레스강을 용해할 때에는 불활성 가스로 아르곤 가스를 공급하여 H₂O압력계(도 3의 21)를 이용하여 측정한 반응관 내부의 압력이 약 6mmH₂O 이상이 되도록 하면서 스테인레스 강을 가열 및 용해하였다. 상기 상태에서, 표 1의 각 시험재별로 10g씩 상기 용융 스테인레스강 표면에 투입하고 시간에 따른 전력공급량의 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 시간에 다른 전력 공급량의 변화는 모든 발열보온재가 유사한 거동을 보이지만, 시험재 A>B>C의 순서로 전력공급량의 변화 정도가 심하다는 것을 확인할 수 있었다. 도면에서 화살표는 발열반응이 종료되는 시점을 표시한 것으로서, 시험재C의 경우는 반응이 가장 빨리 종료되는 반면에, 시험재B는 가장 오래 동안 반응이 진행됨을 알 수 있다. 상기한 도 6의 도면으로부터 흡열 및 발열 지속 시간을 바로 판단할 수 있고, 흡열량, 발열량 그리고 보온열량을 아래 설명하는 방식으로 구할 수 있다.

즉, 일정한 시간(t, sec)동안 공급된 전력(P, Watt)은 전력량 즉, 열량(H_t = P·t, Joule)에 해당되므로, 각 구간별로 시간에 따른 전력 공급량의 변화 값을 적분하면 발열보온재 사용에 따른 열적특성을 계산할 수 있다. 발열보온재 사용에 따른 열량변화는 발열보온재 사용량에 의존하므로, 발열보온재의 열적특성을 객관적으로 평가하기 위해서는 발열보온재 사용량의 단위 중량을 기준으로 표현(KJ/g)하는 것이 바람직하다. 그리고 보온열량은 단위 시간을 기준으로 평가하는 것이 바람직하므로 그 단위를 KJ/g-min으로 나타낸다.

발열보온재 투입 직후에 용탕의 온도가 낮아졌다가 초기 설정치까지 회복될 때까지의 전력 상승치는 발열보온재의 승온에 따른 흡열에 기인하며, 이 시기의 전력 증가량을 흡열량으로 보았다. 용탕의 온도가 초기 설정치보다 높게 유지되는 상태에서는 발열과 함께 반응생성물의 보온효과가 기대된다. 그러므로 이 때 감소한 전력 공급량은 발열보온재의 발열 및 보온효과에 기인하는 것으로 생각되지만, 편의상 이 시기의 전력 감소량을 발열량이라고 정의하였다. 또한, 시험재료가 용융 스테인레스강과 주고 받은 열량을 확인하기 위하여 발열량에서 흡열량을 뺀 값을 총발열량(=발열량-흡열량)으로 정의하였다. 그리고 발열보온재의 발열반응이 종료되고 용탕 온도가 초기 값으로 다시 회복된 후의 전력 공급량 감소치는 발열보온재의 반응생성물에 의한 보온효과 때문인 것으로 판단할 수 있으며 보온량이라고 정의하였다. 하기 표 2에 상기 각 정의에 근거하여 각 시험재의 흡열량, 발열량, 총발열량, 보온량을 나타내었다.

구분	흡열량(KJ/g)	발열량(KJ/g)	총발열량(KJ/g)	보온량(KJ/g-min)
시험재A	0.081	13.367	13.296	1.606
시험재B	0.085	10.379	10.294	1.082
시험재C	0.075	7.016	6.941	0.966

상기 전력량 값으로 측정한 값의 타당성을 확인하기 위하여 각 발열보온재의 함량으로부터 다음과 같은 계산을 행하였다. 하기 계산은 발열보온재가 용융 스테인레스강에 투입되었을 때 일어나는 산화반응 및 발열보온재의 온도상승에 따른 흡열 등을 고려하여 열역학적인 데이터로부터 수행되는 계산이다.

발열보온재는 금속 Al(M.Al)의 산화반응으로 열이 발생하며, 발열보온재 중의 산화철(Fe₂O₃)과 Al의 반응식은 다음과 같다.

Fe₂O₃ +2Al = Al₂O₃ + 2Fe

상기 반응식에서 Fe₂O₃와 Al의 화학양론적 몰비가 1 : 2이며, 중량비로 160 : 54가 된다. 발열보온재 중에 Al이 Fe₂O₃와의 화학양론적 몰비보다 많이 함유되어 있으면, Fe₂O₃와 반응하고 남는 Al은 대기 중의 산소와 반응하며 반응식은 다음과 같다.

Al + 3/4O₂ = 1/2Al₂O₃

예를 들어서 표 1로부터, 100g의 Sample A는 0.0646mole의 Fe₂O₃, 1.0697mole의 Al, 0.5421mole의 Al₂O₃, 그리고 0.0925mole의 SiO₂로 구성되어 있다. 그러므로 Al은 0.0646mole의 Fe₂O₃를 환원시키는 데 약 0.1291mole이 소모되고, 나머지 약 0.9406mole은 공기 중의 산소에 의해 산화된다. 따라서 시료 1g 당으로 환산하면 반응식은 다음과 같이 표현된다.

Fe₂O₃의 환원반응 : (0.0646/100)*(Fe₂O₃+2Al = Al₂O₃+2Fe)

잉여 Al의 산화반응 : (0.9406/100)*(Al+3/4O₂ = 1/2Al₂O₃)

한편, 상온의 반응물질(M)을 사용하여 온도 T에서 반응을 일으킬 경우의 열량변화, 즉 엔탈피 변화 값은 다음 식으로 계산할 수 있다.

그리고 발열보온재를 구성하는 물질의 승온에 따른 엔탈피 변화 값은 다음 식으로 계산할 수 있다.

여기에서 υ_i는 반응에 관여하는 물질(i)의 몰수, 아래 첨자 P 및 R은 각각 반응 생성물과 반응물을 의미한다. △H^O _T와 △H^O ₂₉₈는 온도 T와 298K에서의 표준 생성 엔탈피 변화, △H^O _Trans는 상전이열, T와 T_Trans는 절대 온도와 상전이 온도를 의미 한다. 그리고 C_P는 열용량을 의미하며 온도의 함수이다.

표 1에 예시한 발열보온재의 반응에 관여하는 물질들의 열역학적 data, 즉 상온(298K)에서의 표준 생성 엔탈피 변화 및 열용량을 (5)식과 (6)식에 적용하여 시료 1g 당 1600℃에서의 반응에 따른 엔탈피 변화 값을 계산하여 표 3에 정리하였다. 단, 반응 생성물들간의 반응에 따른 엔탈피 변화는 고려하지 않았다. 엔탈피 변화 값이 “-”인 경우는 발열을, 그리고 “+”인 경우는 흡열을 의미한다. 총 엔탈피 변화 값은 발열량과 흡열량의 차이에 해당한다.

구분	Al의 반응 엔탈피 변화 △H^O _r-1873(KJ/g)			산화물의 승온 엔탈피 변화 △H^O _h-1873(KJ/g)		총엔탈피 변화 △H^O ₁₈₇₃
구분	Fe2O3의 환원반응	잉여 Al의 산화반응	소계	Al2O3	SiO2	총엔탈피 변화 △H^O ₁₈₇₃
시험재A	-0.3340	-6.9761	-7.3101	1.0424	0.1023	-6.1654
시험재B	-0.1875	-4.3253	-4.5128	1.1405	0.2953	-3.0771
시험재C	-1.0793	-1.1908	-2.2701	0.8421	0.1185	-1.3095

이론적으로 계산한 표 3의 총 발열량(총 엔탈피 변화의 절대 값)과 실험을 통해 측정한 표 2의 총 발열량을 도 7에서 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이, 실험을 통한 측정치가 이론적으로 계산한 값에 비해 높은 값을 나타낸다. 이는 전술한 바와 같이, 용강 표면에 투입된 발열보온재의 발열반응이 진행되는 과정에도 반응생성물에 의한 보온효과가 기대되므로, 실험을 통해 측정된 전력 감소량에는 실질적인 발열반응과 보온효과에 의한 전력 감소량이 모두 포함된 것이다. 따라서 실험에 의한 총 발열량 측정치는 이론적으로 계산한 값에 비해 높은 값을 나타낸다. 보온효과는 반응생성물의 구조적 형상과 물리적 성질에 의존하는 것으로서, 반응이 진행되는 과정에서의 상황을 파악하기 곤란하므로 보온효과를 정량적으로 나타낼 수는 없다. 그렇지만, 총 발열량의 계산치와 측정치는 거의 직선관계가 성립되며, 원료의 배합조건에 따른 열적특성을 평가하는 데는 문제가 없을 것으로 판단된다.

따라서, 본 발명의 장치 및 방법을 이용할 경우 재료의 열적 특성을 정확도 높게 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 1은 종래의 열적 특성 평가 장치의 일례를 나타낸 개략도,

도 2는 종래의 열적 특성 평가 장치를 사용하여 재료의 열적 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명의 열적 특성 평가 장치의 일구현례를 나타낸 개념도,

도 4는 본 발명의 열적 특성 평가 장치의 상부에 부착되는 밀폐장치의 일례를 나타낸 개략도,

도 5는 본 발명의 열적 특성 평가 장치를 사용하여 발열보온재의 열적특성을 분석한 예를 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 실시예에서 열적 특성 평가 장치에 각 발열보온재를 투입하였을 때 전력량 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프, 그리고

도 7은 본 발명의 실시예에서 열적 특성 평가 장치 및 평가 방법을 이용하여 발열보온재의 열적특성을 평가하고 그에 따른 총발열량을 계산한 결과와 발열보온재의 총발열량을 열역학적으로 계산한 결과를 비교한 그래프이다.

Claims

용융금속이 수용될 수 있는 도가니가 구비된 용융금속 가열장치,

상기 도가니 및 도가니 내에 수용된 용융금속의 온도를 측정할 수 있는 온도계,

상기 온도계에 의해 측정된 온도 정보를 받아 용융금속 가열장치로 출력되는 전력을 제어하고 출력하는 온도 제어부,

상기 제어부에 의해 출력되는 전력 정보를 읽는 전력계 및

상기 전력계로부터 출력되는 정보를 입수하여 기록하는 컴퓨터 시스템

을 포함하는 것을 특징으로 하는 재료의 열적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 용융금속 가열장치의 상부에는 금속의 가열 및 용해과정에서 금속의 산화를 방지할 수 있도록 가열장치를 밀폐하는 밀폐장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 재료의 열적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 온도계는 비접촉식 온도계인 것을 특징으로 하는 재료의 열적 특성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 온도 제어부는 열적 특성을 평가하기 위한 재료를 투입할 경우 용융금속의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 전력 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 재료의 열적 특성 평가 장치.
재료의 열적 특성을 평가하는 방법으로서,

전력 공급량을 조정하면서 용융금속의 온도를 일정하게 조정하는 단계;

상기 온도가 일정하게 조정되고 있는 용융금속에 시험재료를 투입하는 단계; 및

상기 시험재료가 투입되지 않는 상태의 전력 공급 패턴과 시험재료가 투입된 이후의 전력공급 패턴을 비교하여 시험재료의 투입에 의한 열적 특성을 평가하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료의 열적 특성 평가 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 재료의 열적 특성은 재료를 투입한 직후부터 반응이 개시될 때까지의 소요 시간, 흡열 및 발열 지속시간, 그리고 흡열량, 발열량 및 보온량 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.