KR20150089011A - 타일의 열 처리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열벽을 구비하고, 다른 온도의 다른 구역으로 분리된 롤러 가마(roller kiln)와, 또한 다수의 연소기(2, 4)를 구비한 소성 구역(3)을 포함하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템에 관한 것이며, 상기 연소기(2, 4)는 가마의 천장 및/또는 바닥 및/또는 측면에 배치되며, 바람직하게, 장입품 공급 반대 방향으로, 수평 방식으로 작동한다.

Description

세라믹 라이닝 생산을 위한 연소 시스템{Combustion system for the production of ceramic lining}

본 발명은 산업용 가마(industrial kilns)에 관한 것이며, 구체적으로는 세라믹(ceramic), 특히 바닥 및 벽 타일 제작용 롤러 가마(roller kilns)를 위한 개선된 연소 및 냉각 시스템에 관한 것이다.

롤러 터널 타입 가마(Roller tunnel-type kilns)는 당 업계에 널리 알려져 있으며, 이는 수년간 벽 및 바닥 타일 등을 굽는 데 사용되어 왔다.

상기 가마의 작동은 기본적으로 다음과 같이 이루어진다: 이하에서 "장입품(charge)"이라고 불리는, 세라믹 제품, 벽돌, 등은, "가공되지 않은(raw)" 형태로 가마로 들어가고, 반대쪽으로 이송되며, "소성된(fired)" 형태로 가마에서 나온다. 그러나, 소성될 각각의 제품에 대하여, 원하는 구조적 특성으로 소성된 제품을 제공하기 위한, 가마의 각각의 부분에 대한 각기 다른 이상적인 내부 온도 곡선이 있다. 예를 들어, 토기에 대한 온도는 1000℃ 정도이다. 위생 도기에 대한 온도는 1200℃ 정도이다. 단단한 도자기에 대해서는 1450℃, 고 알루미나 재료(high alumina materials)에 대해서는 1600℃, 기본적인 벽돌(제철소의 용광로에서 사용되는)을 굽기 위해서는 1850℃까지의, 다른 온도 범위를 확인할 수 있다. 상기 터널 가마의 열 생산량(thermal yield)은 간헐적 가마에 비해 매우 우수하다. 무엇보다도, 한가지 중요한 요인은 터널 가마의 가마 단열재는 그 온도를 유지하지만, 간헐적 가마의 단열재는 각각의 소성 작업 동안 가열된다는 것이다.

상기 언급한 바와 같이, 유형의 장입품(the material charge)은 가마를 통과하며 롤러 위에서 이동하며, 제품이 완전하게 소성되고 경화될 때까지, 다른 온도의 여러 부분을 통과한다. 가마의 제1 부분에, 가공되지 않은 장입품은 사전가열 구역을 통과하고, 여기서 가마는 보통 롤러 높이 아래에 오직 장입품의 하부에서만 작동하는 연소기(burners)를 갖추고 있다.

제2 부분에서, 장입품은, 장입품의 위와 아래, 보통 두 가지 높이로 연소기를 구비하고 있는, 주 소성 구역으로 들어간다. 소성 구역 이후, 장입품은 대부분의 뜨거운 냉각 공기가 가마 바깥으로 빨려 나가게 되는, 가마의 전이 단계(transition stage)를 지나고, 이후 급속 냉각 영역으로 들어간다.

상기 냉각 영역에는, 어떤 연소기도 없으며, 냉각 공기가 직접 장입품의 위와 아래로 주입된다. 장입품이 지나가는 4번째 영역은, 최종 냉각이 일어나고, 소성된 장입품이 실온으로 냉각되기 위해 다량의 공기가 다시 주입되는, 저속 냉각(slow cooling)이라는 명칭의 전이 구역(transition zone)이다.

최근의 일부 특허에는 산업용 가마와 각각의 연소기에 대한 실시예를 기술하고 있지만, 본 발명의 목적과 유사한 것은 없다.

1977년 9월 20일에 제출된 특허 GB 1,559,652는, 장입품들을 전방으로 이송시키는 방식으로, 타일 부분들이 회전하는 롤러 위에서 가마를 통과하며 각각 이송되는, 명백하게 열 효율을 위해 설계된 타일을 굽기 위한 가마를 기술한다. 그러나, 상기 가마는 가스 소모를 줄이지는 못한다. 이중 채널(channel)을 가진 롤러 가마는 있지만, 문제 발생은 일반적이며, 이것이 이러한 타입의 롤러 가마가 시장에서 성공하지 못한 이유이다.

1991년 6월 27일 제출된 특허 GB 2,245,693는, 가마 채널(channel)이 탄화 규소 판(silicone carbide slabs)으로 만들어진 하나 이상의 중간 천장에 의해 부분 분리되어 있고, 열의 간접 적용을 위해 중간 천장에 의해 분리된 공간으로 유도되는 연소기를 구비한, 세라믹 제품을 굽기 위해 디자인된 롤러 가마를 기술하고 있다.

그러나, 상기 특허는 롤러 가마에서의 깨지기 쉬운 제품에 대한 간접적인 소성 과정에 관한 것이다. 이는 가스 소모를 줄이기 위한 것도 아니다.

1989년 10월 11일에 제출된 특허 GB 2,224,105는 또한 산업용 가마에 관한 것이다. 상기 가마는, 가마 기체 성분의 함유량에 따라, 제어된 양의 2차 공기가 연소기의 화염 영역으로 공급되도록 사용될 수 있는, 많은 연소기를 구비한다. 상기 특허는 기존의 연소기로의 2차 공기 주입에 대해 기술하고 있다. 그러나 이는 또한 최근, 민감한 제품에 대한 간헐적인 가마에, 널리 사용되고 있다. 2차 공기는 화염 온도를 낮추고 가마 내부의 기체 부피를 균일하게 증가시킨다. 이는 본 발명의 목적과는 다르게, 소비량은 많이 늘어난다.

종래의 다른 해법은 1985년 11월 16일에 제출된 특허 US 4,884,969에 명시되어 있다. 상기 특허는 가열 부분과, 연소 부분 및 냉각 부분을 포함하며, 여기에서 가스는 기체 전도 장치를 통해 냉각 부분에서 제거되어 연소 부분으로 취해지며, 연소 부분과 냉각 부분 사이의 전이 연역에 적어도 하나의 추가 연소기를 구비하는, 세라믹 제품을 위한 터널 가마(tunnel kiln)를 기술하고 있다. 상기 특허는, 깨끗한 공기를 냉각 부분으로부터, 그러나 연소 공기로서 공기 전도 장치를 매개로 연소기로 전하는 것에 사용하는 데 있어서, 본 발명과 유사한 개념을 가진다.

2008년 1월 18일에 제출된 특허 PI0822010-7는 화염 "회전"을 가진 연소 시스템을 기술하고 있다. 세라믹 재료 연소 시스템은, 다른 온도의 다른 구역으로 분리된 가마를 포함하며, 또한 소성 영역의 연소기 시스템은 그룹으로 분리된 다수의 연소기를 포함하며, 상기 각각의 연소기는 제어 장치를 포함하고, 상기 연소기 그룹은 측면 회전 배열로 설정되며 국부 과열을 방지하기 위해 독립적으로 그리고 교대로 주어진 시간 간격으로 그리고 루프(loop) 기반으로 작동된다. 그러나, 상기 연소 시스템은 천장과 바닥에 연소기를 구비하지 않는다.

전통적으로, 벽돌 및 기와를 굽기 위한 가마는 천장에 연소기를 구비한다. 상기 연소기는 수직 화염을 갖는다. 실질적으로, 천장 연소기는 두 개의 장입품(charge) 사이의 틈에 화염을 발생하며, 장입품은 소성 시간 동안 정지되어 있다. 이와 같이, 장입품은 가마 내에서 연속적으로 그러나 간헐적으로 이송되지 않는다.

따라서, 붉은 세라믹을 위한 종래의 가마에서, 장입품은 균일한 소성 공정을 통과하지 않으며, 다시 말해서, 연소기 근처 구역에서 더욱 강력한 연소가 일어난다.

종래 기술에 기재된 산업용 가마에서, 연소 공기는 전적으로 외부에서 온다.

종래 기술과 본 발명의 첫 번째 뚜렷한 차이는, 본 발명이 천장과 바닥에 연소기를 구비하고, 바람직하게 그러나 이에 한정하지 않고, 장입품이 공급되는 맞은편 방향에서 연소되며, 장입품이 수평 위치에 있다는 사실이다. 천장과 바닥에 있는 연소기는 가마의 단면에서 개선된 온도를 균일하게 한다.

두 번째 뚜렷한 차이는, 본 발명에서 대부분의 연소 공기가 가마의 내부로부터 나오며, 이는 연소기에 의해 발생된 벤츄리 효과(Venturi effect) 덕분에 사용된다는 사실이다.

4미터 폭에 이르는, 점점 더 큰 가마가 제조되면서, 본 발명은 더욱 균일한 온도를 제공하며, 이를 통해 가마의 중앙부와 측면 구역 사이의 열 구배를 감소시킨다. 게다가, 본 발명은, 가장 효과적인 연소를 위해 필요한 많은 량의 뜨거운 연소 공기를 빨아들이는, 가마 내부에서 나온 연소 공기인 뜨거운 공기를 사용하기 때문에, 열 효율을 충분히 증가시키며, 이를 통해 가스 소모를 상당히 줄이게 된다.

본 발명은 상기 명시된 문제를 고려하고 이를 제거하기 위해, 세라믹 특히, 타일 제조에서의 가스 소모를 줄이고, 더불어 가마의 단면에서 균일하게 높은 온도를 얻고, 또한 연소 공기를 위한 배관 시스템의 배제로 인한 개발 및 유지관리를 위한 비용을 줄이기 위해 제안된다.

본 발명은 또한 개선된 냉각 수율을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 연소기를 사용하는, 종래 가마의 연소 구역에 대한 단면도를 나타낸다;
도 2는 천장과 바닥에 오직 벤츄리 타입 연소기 만을 사용하는, 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 단면도를 나타낸다;
도 3은 천장과 바닥에 오직 벤츄리 타입 연소기 만을 사용하는, 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 측면도를 나타낸다;
도 4는 천장과 바닥에 벤츄리 타입 연소기와 천장과 바닥과 내벽에 종래의 연소기를 사용하는, 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 단면도를 나타낸다.
도 5는 천장과 바닥에 벤츄리 타입 연소기와 천장과 바닥과 내벽에 종래의 연소기를 사용하는, 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 측면도를 나타낸다;
도 6은 오직 종래의 연소기만을 사용하는 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 단면도를 나타낸다;
도 7은 오직 종래의 연소기만을 사용하는 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 연소 구역에 대한 측면도를 나타낸다;

이곳에 기술된 시스템은 다음의 도면에 대한 자세한 설명을 통해 더욱 이해하기 쉬울 것이다.

도 1은 가마의 내부 벽에 배치된 종래 연소기(2)를 구비한, 종래의 롤러 화로 가마(roller hearth kiln)의 연소 구역(1)에 대한 개략적인 도면을 나타낸다.

기존의 터널 가마(tunnel kilns)는 연소 그룹으로 나눠진 연소기(2)를 구비할 수 있다. 보통의 터널 가마는 3-40개의 연소 그룹을 구비할 수 있다. 가마의 각 모듈(module)은 약 2-3미터 길이이고 서로 0.75-1.5m 간격으로 연소기를 구비하고, 반면 맞은편의 연소기는 이러한 간격으로 설치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 연소 구역(burning zone)은 그룹으로 구분된 다수의 연소기를 구비하며, 상기 각 연소기는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 같은 제어 장치를 구비하며, 상기 연소기 그룹은 각각의 측면에 회전 소성 배열을 가지며, 이는 국부적인 과열을 방지하기 위해 독립적으로 그리고 교대로 주어진 시간 간격으로 작동하며, 연소기를 교대로 작동하고 폐쇄하며, 루프(loop)에서 첫 번째로 시작하고 끝난다.

게다가, 소성 구역(firing zone, 800℃ 온도 이상)에서 종래의 연소기를 사용하는 것 대신, 오직 가스만을 또는 매우 적은 공기를 포함한 가스를 사용하는 연소기가 구현될 수 있다. 온도가 800℃ 이상이기 때문에 연소기에 남은 연료는 자가 점화된다.

도 2는 가마 천장 및/또는 바닥에 오직 벤츄리 타입 연소기(4)만을 이용하는, 개선된 연소 시스템을 구비한 롤러 가마의 소성 구역(3)을 나타낸다. 가마 천장 및/또는 바닥의, 적어도 하나, 그러나 바람직하게 다수의 연소기(4)는 가마 내부의 중앙부와 측면 사이의 큰 온도차를 막기 위한 것이다.

천장과 바닥 연소기(4)가 수평 방향으로, 바람직하게 장입품 공급 반대 방향으로 소성되는, 도 2의 소성 구역(3)의 측면이 도 3에 도시된다.

도 4에서는, 천장과 바닥에 벤츄리 타입의 연소기(4)를 이용하고, 또한 측면 및/또는 천장 및/또는 바닥에 종래의 연소기(2)를 이용하는, 개선된 연소 시스템을 구비한 롤러 가마의 소성 구역(3)을 볼 수 있다. 상기 실시예는 또한 가마의 중앙부와 측면부 사이의 큰 온도차를 방지한다.

측면에 연소기(2)와 정렬된 천장 및/또는 바닥의 연소기(2, 4)는 장입품에 대한 균일한 소성을 제공하며, 이로 인해 장입품이 연소기 근처 영역에서 과열되는 것을 방지하게 되며, 반면, 장입품은 노(爐)를 통과하여 연속적으로 이송된다.

천장 및/또는 바닥에서의 연소기(2, 4)의 최소 수량은 하나이다; 그러나, 바람직하게, 다수의 상기 연소기(2, 4)가 사용된다.

하나의 바람직한 실시예에서, 가마의 연소기(2, 4)는 대안으로서 회전을 기반으로 작동한다. 실제로, 측면, 천장 및 바닥의 연소기의 그룹은 회전 소성 배열을 가지며, 이는 국부 과열을 방지하기 위해 독립적으로 그리고 교대로 주어진 시간 간격으로 작동되며, 교대로 연소기를 작동하고 폐쇄한다.

게다가 이러한 연소 시스템은, 냉각 구역에서 나온 고온 공기가 연소 구역으로 대량 유입이 가능하기 때문에, 더 나은 냉각 성능을 제공한다. 결과적으로, 대부분의 연소 공기는 가마 내부의 흐름의 일부분이며, 연소기에 의해 생성된 벤츄리 효과 덕분에 사용될 수 있다. 이는 가마 열 효율을 증가시키고 동시에 가스 소모를 줄여준다.

도 5는, 도 4에 도시된 바와 같이, 개선된 연소 시스템을 구비한 가마의 소성 구역(3)에 대한 측면을 나타낸다. 여기서는 수평 방향으로, 바람직하게 장입품 공급 반대 방향으로 작동하는 천장과 바닥 연소기(2, 4)를 볼 수 있다.

그러나, 본 발명의 모든 실시예에서, 화염 방향과, 종래 연소기(2)와 벤츄리 타입 연소기(4) 모두가, 360도 회전될 수 있다. 그러므로 상기 연소기(2,4)는 장입품 공급 반대 방향에서뿐만 아니라 수평방향에서도 작동될 수 있다. 그러므로, 온도 균일성이 가마 부분을 따라 추가로 개선된다.

연소기(2, 4)는 또한 대안으로서 회전을 기반으로 작동될 수 있으며, 소성 시간은 전용 소프트웨어로 프로그래머블 논리 제어기(programmable logic controller, PLC)에 의해 제어된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 도 6, 7에 도시되며, 상기 도면은 각각, 가마 측면 및/또는 천장 및/또는 바닥에 단지 종래 연소기(2)만을 사용하는, 개선된 연소 시스템을 가진 가마의 소성 구역(3)의 단면과 측면을 나타낸다.

게다가, 장입품 위와 아래의 종래 연소기(2)는, 가마의 조정된 온도 곡선이 매우 필요한 경우, 또한 순수 공기의 주입기로서 작동할 수 있다. 이런 경우, 종래 연소기(2)는 수평 방향으로 가스를 방향전환시키기 위한 구멍이 제공된 세라믹 전환기(ceramic deflector) 또는 튜브(tube)를 구비한다.

게다가, 가스 균열을 방지하기 위해, 냉각 시스템을 통해, 바람직하게 소량의 공기의 순환을 통해 연소기 팁(tip)을 냉각시킬 수 있다. 냉각 시스템은 또한 워터 코팅(water coating) 방식 일 수 있다.

유사하게, 열 성능을 개선하기 위해서, 더 많은 공기를 얻고, 장입품에서 공기로 더 많은 열을 전달하도록, 또한 가마 냉각 구역을 개선할 수 있으며, 이는 소성 구역에서 연소 공기로서 사용될 것이다. 상기는 가마 외부의 천장에 재순환기(recirculators)를 배치함으로써 발생하며, 냉각 공기를 장입품으로 가하게 되므로서 그 온도를 낮추게 된다. 이런 특징은 노의 출구를 마치 "늘려놓은 것"과 같이, 노 크기를 증가시키는 것과 같다.

연소 공기로서 사용되기 위해, 고온 공기의 양을 늘리는 다른 방법은, 대기 온도의 공기 대신 급속 냉각 팬에 예열된 공기를 사용하는 것이다. 상기 공기는 가마 배출구에서 고온 공기로부터 제거될 수 있다.

다른 실시예에서, 내부 머플(muffles, 간접 가열실)을 구비한 롤러 가마의 사용을 통해, 벤츄리 타입 연소기는 방사형 타입 연소기로서 사용될 수 있다. 이러한 타입의 연소기에서, 가스는, 배출구에서, 높은 접선 방향 속도(high tangential speed)를 가지며, 이를 통해 머플의 방사 세기를 높아지게 한다.

바람직한 실시예로서 명시되었지만, 본 발명의 범주가 단지 첨부된 청구 범위에 한정되지 않고, 잠재적인 상당하는 것들을 포함한, 다른 잠재적 다양성을 포함하는 것으로 이해해야 한다.

Claims (14)

1. 단열벽을 구비하고, 다른 온도의 다른 구역으로 분리된 롤러 가마(roller kiln)와, 다수의 연소기(2, 4)를 구비한 소성 구역(3)을 포함하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템에 있어서,
   상기 다수의 연소기(2, 4) 중 적어도 하나가 가마 천장에 배치되고;
   상기 다수의 연소기(2, 4) 중 적어도 하나가 가마 바닥에 배치되며;
   상기 다수의 연소기(2, 4)의 화염 방향이 360도 회전될 수 있으며, 이를 통해 상기 다수의 연소기(2, 4)가 장입품 공급에 대해 어떤 방향에서도 수평 방식으로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 연소기가 벤츄리(Venturi) 타입 연소기(4)로 구성된 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 연소기는 벤츄리 타입의 연소기(4)와 종래의 연소기(2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 벤츄리 타입 연소기(4)는 가마의 천장 및 바닥에 배치되고; 및
   적어도 하나의 종래의 연소기(2)는 가마의 측벽, 천장 및 바닥 중 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 연소기는 종래의 연소기(2)로 구성된 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 종래의 연소기(2)는 가마의 측면, 천장 및 바닥에 배치되는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 연소기(2, 4)는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기(2, 4)는 그룹으로 나눠진 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 각각의 연소기(2, 4)의 그룹은 전용 소프트웨어를 이용하여 프로그래머블 논리 제어기(programmable logic controller, PLC)를 통해 작동되는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
   
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기(2, 4)는 순수한 가스 또는 적은 량의 공기를 포함한 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
    
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 연소기(2, 4)의 각각의 주입기의 팁(tip)은 냉각 장치에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
    
12. 제10항에 있어서, 상기 냉각 장치는 워터 코팅(a water coating) 방식 또는 소정량의 공기가 순환하는 방식인 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
    
13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)인 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
    
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기 그룹은 측면 회전 배열로 배치되고 국부적인 과열을 방지하기 위해 주어진 시간 간격과 루프(loop) 기반으로 독립적으로 그리고 교대로 작동하는 것을 특징으로 하는 타일을 제조하기 위한 연소 시스템.
    

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