KR20160003635U - 금속 용해로 및 이 금속용해로에서 사용되는 금속괴 - Google Patents

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케이조우 타니야마
아라타 우에다
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Abstract

금속 용해 유지로의 예열 탑에 금속괴의 충전 방법 및 상기 방법에 사용되는 금속괴의 형상을 개선함으로써 종래의 여러 문제들을 일거에 해결하며, 특히 종래 기술에 비해 보다 착열 효율의 향상 및 연료원 단위의 절감이 가능하고, 또한 이산화탄소 배출량의 대폭적인 감축이 가능한 금속 용해로 및 이 금속 용해로에 사용되는 금속괴를 제공한다.
금속괴를 충전 적층하여 예열하기 위한 예열 탑과, 상기 예열 탑의 하방에 설치되어 상기 금속괴를 가열 용해하는 용해 버너와, 용해된 금속이 유통되는 용탕 유통부와, 상기 용해 유통부를 통과한 용탕이 일단 저장되는 용탕 저장부로 구성된 금속 용해 유지로와, 상기 예열 탑 내에 충전 적층되는 사각뿔대의 금속괴를 구비한 금속 용해로에 있어서, 상기 금속괴는 상기 용해 버너에 의해 그의 저부로부터 순차적으로 용해됨과 동시에 열풍이 금속괴의 간극을 통해서 상승하도록 충전 적층되는 것을 특징으로 하는 금속 용해로를 개시한다.

Description

금속 용해로 및 이 금속용해로에서 사용되는 금속괴 {METAL MELTING FURNACE AND METAL BLOCK FOR USE IN THE METAL MELTING FURNACE}
본 고안은 금속 제품의 제조 공정에 있어서 금속 용해로 및 이 금속 용해로에 사용되는 금속괴에 관한 것으로, 더 자세하게는 금속 용해 유지로의 예열 탑에 투입되는 금속괴의 충전 상태를 개선하여 예열 탑 내에서 금속괴의 산화를 방지함과 동시에 로 내부의 방열을 방지하고 열효율의 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 이외에 금속괴의 용해 속도의 촉진을 달성할 수 있고, 또한 이산화탄소 배출량의 대폭적인 삭감과 착열 효율의 향상 및 연료원 단위의 저감이 가능한 금속 용해로 및 이 금속 용해로에 사용되는 금속괴에 관한 것이다.
종래, 금속설을 열에 의해 용탕으로 하는 용해 유지로가 알려져 있다 (일본 특허공보 평7-73215호). 종래의 금속 용해 유지로(B)는 도 10과 같이 예열 탑(32)에 잉곳과 이형 형상의 금속설(40)을 투입하여 예열 탑(32)의 저부에 설치한 용해 버너(36)에서 금속설(40)을 그 저부부터 순차적으로 용해하고, 용탕 유지실(33)로 보내 용탕 유지실(33)에 인접한 웰의 저부에 설치된 용해 버너(36)로 예열 탑(34)으로부터 용탕(35)을 퍼내어 다이캐스팅 머신(미도시)에 순차적으로 용탕(35)을 공급한다. 용해 버너(36)의 화염(36a)은 예열 탑 (32) 저부의 금속설(40)을 순차적으로 용해시킨 후, 고온 배기 가스로 되어 금속설(40) 사이를 통해 급속히 상승하여 예열 탑(32)의 원료 투입구(32a)로부터 대기로 방출된다.
상기 금속설(40)은 주로 스크랩의 슈레이더 폐기물이 사용되기 때문에, 봉상, 원판상, 성형 등 여러 형상의 것들이 포함된다. 따라서, 예열 탑(32)에 투입된 금속설(40)은 서로 얽혀 충전되므로, 금속설(40) 간에는 크고 작은 간극이 형성되어 예열 탑(32)에 충전된 금속설(40)의 충전 밀도는 낮다. 그 결과, 상기 용해 버너(36)의 연소 배기 가스는 별다른 저항없이 예열 탑(32)을 단시간에 상승 통과하여 대기 방출되어 버린다. 이렇게 대기 방출된 연소 배기 가스의 온도는 고온에서 금속설(40)을 충분히 예열함이 없이 대기 방출되어 버리기 때문에, 금속 용해 유지로(B) 전체의 열효율은 크게 저하되어 큰 열 손실이 부득이하다.
또한, 연소 배기 가스는 전술한 바와 같이 예열 탑(32)을 단시간에 상승 통과하여 완전 연소하기 전에 불완전 연소 상태로 대기 방출되기 때문에, 연료 소비가 그만큼 많아진다. 따라서, 연료 소비량에 비례하여 이산화탄소의 배출량이 증가하고 환경 오염을 배가시킨다. 이 외에도, 투입 재료로서 금속설(40)을 사용하는 경우, 예열 탑(32)의 충전 밀도가 낮기 때문에 용해 속도가 느려 작업 효율의 향상이라는 측면에서도 큰 문제로 된다.
또한, 금속설(40)을 사용하는 경우, 예열 탑(32)에서 금속설(40)끼리 얽혀 도중에 아치(또는 브리지)를 만들어 낙하하지 않고 아치보다 하방의 금속설(40)이 용해되어버려 공동을 형성하고 이 아치가 곧 붕괴하여 용해실(34)의 노 저부에 충돌하여 노 저부를 손상하거나, 금속설(40)의 첨예한 선단이 예열 탑(32)을 통과하는 동안 내벽에 접촉하여 내벽을 손상시킨다는 문제도 있었다.
본 고안은 금속 용해 유지로의 예열 탑에 금속괴의 충전 방법 및 상기 방법에 사용되는 금속괴의 형상을 개선함으로써 상기 여러 문제들을 한번에 해결하는 것으로서, 특히 종래 기술에 비해 더욱 착열 효율의 향상 및 연료원 단위의 저감이 가능하고, 또한 이산화탄소 배출량의 대폭적인 삭감이 가능한 금속 용해로 및 이 금속 용해로에 사용되는 금속괴를 제공하기 위한 것이다.
청구항 제1항에 의한 고안은 금속괴를 충전 적층하여 예열하기 위한 예열 탑과, 상기 예열 탑의 하방에 설치되어 상기 금속괴를 가열 용해하는 용해 버너와, 용해된 금속이 유통되는 용탕 유통부와, 상기 용탕 유통부를 통과한 용탕이 일단 저장되는 용탕 저장부로 구성된 금속 용해 유지로와; 상기 예열 탑 내에 충전 적층되는 금속괴를 구비한 금속 용해로에 있어서, 상기 금속괴는 사각뿔대의 형상이되, 저면 일변의 길이가 35㎜, 39㎜ 또는 55㎜이며 저면에서 두부 정점까지의 높이가 35㎜, 39㎜ 또는 55㎜이고, 상기 금속괴는 상기 용해 버너에 의해 그의 저부로부터 순차적으로 용해됨과 동시에 열풍이 금속괴의 간극을 통해서 상승하도록 충전 적층되는 것을 특징으로 하는 금속 용해로에 관한 것이다.
청구항 제2항에 의한 고안은 제1항에서 상기 금속괴의 충전율이 상기 예열 탑 내에 상기 금속괴를 충전가능한 최대 용적의 60~80%인 것을 특징으로 하는 금속 용해로에 관한 것이다.
청구항 제3항에 의한 고안은 제2항에서 상기 충전율이 60~70%인 것을 특징으로 하는 금속 용해로에 관한 것이다.
청구항 제4항에 의한 고안은 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 의한 금속 용해로에 사용되는 금속괴에 관한 것이다.
청구항 제1항의 위 기재와 같은 고안에 의하면, 예열 탑(2) 내의 충전 밀도가 높아지기 때문에, 금속괴(20) 간에 생기는 간극(21)이 매우 작고, 저부의 금속괴(20)를 용해한 고온 배기가스는 좁은 간극(21)을 시간을 두고 천천히 상승하여 그동안 충분히 금속괴(20)를 예열하고 저온의 배기 가스로 되어 대기 방출된다. 그 결과, 연료의 사용량이 크게 감소되고 열 효율이 크게 향상되며, 그만큼 이산화탄소 배출량이 크게 감소한다. 또한, 고온 배기 가스는 시간을 두고 예열 탑(2) 내를 상승하기 때문에 완전 연소되어 대부분이 이산화탄소로서 CO, SOx, NOx 등이 감소하고 깨끗한 배기가스로서 방출된다.
특히, 상기 금속괴의 형상이 사각뿔대로 됨으로써 형상이 단순하기 때문에, 예열 탑(2) 내에서 서로 얽혀 아치를 형성하는 일이 없고, 예열 탑(2) 내를 원활하게 하강하여 원활한 용해 작업이 실행될 수 있으며, 두께가 얇은 모서리부와 변부로부터 우선적으로 용해되어가기 때문에 용해속도 자체도 빨라진다. 상기 금속괴의 모서리를 둥글게 두면, 예열 탑(2) 내를 통과하는 동안 예열 탑(2)의 내벽을 손상하는 일은 없다. 또한, 예열 탑(2) 내에 투입된 금속괴들(20) 간의 간극(21)이 매우 좁아지고 고온의 배기가스는 금속괴(20) 사이를 통과하기 어려워짐과 동시에 금속괴(20)가 녹기가 쉬워진다.
또한, 청구항 제2항 및 제3항의 위 기재와 같은 고안에 의하면, 금속괴의 가열, 용해시 착열 효율을 향상시킬 수 있으며, 금속의 용해 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 용해로 내에서 발생하는 열 에너지를 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 연료원 단위를 저감할 수 있다. 따라서, 연료 사용량을 대폭 줄일 수 있게 되고, 이산화탄소 배출량을 종래 방법보다 크게 감축할 수 있게 된다.
또한, 청구항 제4항의 위 기재와 같은 고안에 의하면, 특정된 금속괴(20)의 형상 및 수치로 인해 예열 탑(2) 내에 이러한 금속괴(20)를 투입한 경우, 금속괴(20) 간의 간극(21)은 매우 좁아지고 고온의 배기가스는 금속괴 (20) 사이를 통과하기 어려워짐과 동시에 녹기가 쉬워지므로, 금속괴의 중심부까지 빠르게 열 에너지를 전도시킬 수 있고, 용해로에 적층 충전될 때, 높은 충전율로 충전될 수 있다. 따라서, 착열 효율을 향상시킬 수 있음과 동시에 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 고안에 따른 금속 용해 유지로의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 평단면도이다.
도 3은 본 고안에 따른 금속괴의 적층 상태를 나타내는 확대 정면도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 본 고안에 따른 금속괴의 다른 실시 형태의 적층 상태를 나타내는 확대 정면도이다.
도 6은 용해로의 공간율 및 금속괴 가열시의 열수지의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 4에서의 열수지를 나타내는 도면이다.
도 8은 비교예에서의 열수지를 나타내는 도면이다.
도 9는 대조예에서의 열수지를 나타내는 도면이다.
도 10은 종래 금속 용해 유지로의 개략 단면도이다.
이하, 본 고안에 따른 금속 용해로 및 이 금속 용해로에 사용되는 금속괴에 관하여 상술한다.
도 1은 본 고안에 따른 금속 용해 유지로의 개략 단면도이며, 도 2는 도 1의 평단면도이다. 본 고안의 금속 용해 유지로(1)는 반사식 로로서, 투입된 금속괴 (20)를 충전 적층하여 예열하기 위한 예열 탑(2)과, 예열 탑(2)의 하방에 설치되어 금속괴(20)를 가열 용해하는 용해 버너(6)와, 용해된 금속이 유통되는 용탕 유통 부(10)와, 용탕 유통부(10)를 통과한 금속 용탕이 일단 저장되는 용탕 저장부(3)로 구성된다. 용탕 저장부(3)에는 용해된 금속 용탕(5)이 유입되어 소정 온도로 유지된다. 용탕 유지실(3)에는 용탕(5)을 퍼올리는 웰(4)이 연통된다.
예열 탑(2)은 각통상(角筒狀)으로서 하부가 용탕 유통부(10)로 되고 용탕 유통부(10)의 측벽에 용해 버너(6)가 설치되어있다. 용탕 유통부(10)의 저면은 용탕 유지실(3)을 향해 경사져있어 용탕 유통부(10)에서 용해된 용탕(5)이 원활하게 용탕 유지실(3)에 유입되게 된다. 예열 탑(2)의 상부에는 투광기(9a)와 수광기(9b)로 구성된 레벨 감지장치(9)가 배치된다.
용탕 유통부(10)에 이어 용탕 유지실(3)은 사각형의 공간으로 그 천정부에 온도 유지 버너(7)가 설치되어 있고, 용탕 유지실(3)에 유지되는 용탕(5)에 대해 상방에서 화염을 방사하여 용탕 유지실(3)의 용탕(5)을 소정 온도로 유지한다. 용탕 유지실(3) 내의 용탕(5)의 온도는 도시하지 않은 온도계로 감지된다.
용탕 유지실(3)에 인접한 웰(4)은 용탕(5)을 퍼올리기 위한 부분으로서, 용탕(5)을 퍼올리는 것이 가능하도록 상면이 개구되는 한편, 연통로(11)를 통해 용탕 유지실(3)에 연통하고 있고, 상시 용탕 유지실(3)로부터 웰(4)로 소정 온도로 유지 된 용탕(5)이 공급되도록 된다.
금속 용해 유지로(1)의 외부에는 재료 보관소에서 예열 탑(2)의 재료 투입구 (2a)에 이르는 투입 버킷(8)이 설치되어 있고, 필요에 따라 금속괴(20)가 투입 버킷(8)에서 재료 투입구(2a)로부터 예열 탑(2)에 투입되도록 된다.
본 고안의 금속 용해 유지로(1)에 사용되는 금속괴(20)의 형상은 다각형 각뿔(polygonal pyramid) 형상 또는 다각형 각뿔대(frustum of polygonal pyramid) 형상이다. 이러한 금속괴(20)의 형상을 다각형 각뿔 또는 다각형 각뿔대로 한 이유는 재료 투입구(2a)로부터 예열 탑(2) 내로 투입 버킷(8)으로 금속괴(20)를 투입할 경우 예열 탑(2) 내에 균일하면서도 고밀도로 충전될 수 있기 때문이다. 금속괴(20)의 형상에 대한 자세한 내용은 후술한다.
다음으로, 상기 금속괴(20)를 사용한 용해 방법에 대해 설명한다. 용해 재료 인 금속괴(20)를 투입 버킷(8)으로 재료 투입구(2a)로부터 예열 탑(2) 내로 투입하는 것이지만, 무작위로 투입된 금속괴(20)는 매우 조밀한 상태로 예열 탑(2) 내에 충전된다. 이때, 금속괴(20) 간의 간극(21)은 좁아 고온 배기 가스의 통과 저항은 매우 커진다. 또한, 금속괴(20)의 형상은 전술한 바와 같이 모서리부와 변부가 둥그스름한 다각형 각뿔 또는 다각형 각뿔대이므로, 예열 탑(2)의 내벽에 금속괴(20)가 접촉되어도 예열 탑(2)의 내벽을 손상시킴이 적다. 투입량은 예열 탑(2) 상부의 레벨 감지장치(9)에서 감지된다.
예열 탑(2) 내 금속괴(20)의 금속괴 충진체(S)는 용해 버너(6)의 화염에 의해 금속괴 충진체(S)의 저부로부터 순차적으로 용해되고 경사 저면을 통해서 용탕 유지실(3)로 순차적으로 유입한다. 이 금속괴(20)는 모서리부와 변부가 중심 부분에 비해 두께가 얇기 때문에 승온하기 쉽고 이들 부분부터 녹기 쉬워 금속괴 충진체(S)의 저부부터 순차적으로 원활하고 신속하게 용해되어간다.
금속괴 충진체(S) 저부의 금속괴(20)를 용해한 고온의 연소 배기 가스는 금속괴(20) 간의 좁은 간극(21)을 통해서 예열 탑(2) 내에서 시간을 두고 천천히 상승하여 금속괴(20)를 충분히 예열함과 함께 연소 배기 가스 자체는 그동안 완전 연소한다. 그리고, 용해 버너(6)에서 분출된 화염에 포함된 CO, NOx, SOx 등은 금속괴(20) 간의 간극(21)을 통과하는 동안 완전히 연소하고, 또한 예열 탑(2)의 원료 투입구(2a)에서 배출되는 배기 가스는 충분히 금속괴(20)를 예열하고 낮은 온도로 되며(종래에 비해 200℃ 정도의 온도저하를 보였다), 또한 거의 이산화탄소만으로서, NOx, SOx도 매우 적은 청정한 것으로 된다. 그 결과, 연료 소비량은 대폭 감소 되어 약 16~30%의 연료 절감률을 달성할 수 있다.
또한, 이와 같은 연소 상태에 있어서, 로 내부는 환원 상태로 유지되고 또한 예열 탑(2) 내를 천천히 연소 배기가스가 상승하여 예열 탑(2) 내부를 정압으로 유지하기 때문에, 예열 탑(2)을 통해서 외부 공기가 로 내로 침입하지 않고 예열 탑 (2)에서 예열된 금속괴(20)의 산화도 방지된다.
여기서, 예열 탑(2)의 공간 비율 및 금속괴 가열시 열수지의 관계를 도 6에 나타낸다.
도시하듯이, 공간 비율이 너무 높으면(금속괴(20)의 충전율이 너무 낮으면) (우측 그래프 참조), 배기 가스(고온 가스) 손실이 커져 열효율이 저하된다. 한편, 공간 비율이 너무 낮으면(금속괴(20)의 충전율이 너무 높으면)(왼쪽 그래프 참조), 로 본체의 분산 및 축열 등에 의한 기타 손실이 커져 열효율이 저하된다.
따라서, 도 6의 중앙 그래프와 같이 높은 착열 효율을 얻기 위해 금속괴(20)의 충전율을 적당한 범위로 설정할 필요가 있다.
또한, 공간 비율은 예열 탑(2) 용적(금속괴(20)를 충전가능한 용적)에 대한 간극(21)(도 3~5 참조)의 총량이 차지하는 비율이다. 또한, 간극 (21)은 후술하는 바와 같이 금속괴(20) 간에 형성되는 공간이다.
본 고안에 있어서, 금속괴(20)의 충전율은 예열 탑(2)에서 금속괴(20)의 충전 가능한 최대 용적의 60~80 %이고, 바람직하게는 60~70 %이며, 보다 바람직하게는 65~70 %이다.
전기한 충전율 범위이면, 종래의 방법(후술하는 대조예)에서의 충전율의 경우에 비해 30~50 % 착열 효율이 높은 약 85%의 높은 착열 효율을 얻을 수 있다. 따라서, 금속괴(20)를 효율적으로 용해할 수 있다.
또한, 예열 탑(2) 내에 적당하게 간극(21)이 형성되어 있기 때문에, 열 에너지는 예열 탑(2) 외부로 방출되어 과도한 열에너지가 예열 탑(2)에 보관됨이 없다. 따라서, 예열 탑(2)을 열손할 우려가 없이 예열 탑(2)의 가동 수명을 연장할 수 있다.
충전율이 60% 미만이면, 금속괴(20) 사이의 간극(21)(도 3~5 참조)이 커지기 때문에, 열 에너지가 효율적으로 금속괴(20)끼리 전달되기가 어려워진다.
한편, 충전율이 80%를 초과하면, 금속괴(20)끼리 밀착한 상태로 된다. 이 상태에서 가열하면, 용해 버너(6) 주변의 산소(공기)가 부족해지기 쉽기 때문에, 용해 버너(6)의 연소 화염이 꺼질 우려가 있다. 또한, 금속괴 충진체(S) 내의 산소(공기)는 가열에 따라 부족해진다. 따라서, 금속괴(20)끼리 열 에너지가 전달되기 어려워진다.
따라서, 충전율이 60% 미만, 또는 80%를 초과하면, 어떠한 경우에도 착열 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
예열 탑(2)에 투입되는 금속괴의 비 표면적은 500~650cm2/㎏인 것이 바람직하다.
비 표면적을 전기한 범위로 설정함으로써 높은 충전율(60~80 %)을 실현할 수 있고 금속괴(20)에 효율적으로 열 에너지가 전달되어 진다. 따라서, 금속괴(20)의 용해가 촉진되어 용해 속도가 빨라진다. 또한, 열 에너지가 효율적으로 전달되기 때문에, 적은 연료로 용해가 가능해지며 연료의 사용량을 저감할 수 있다.
비 표면적이 500cm2/㎏ 미만이면, 전기한 높은 충전율로 될 수 없다. 따라서, 예열 탑(2)(금속괴 충진체(S)) 내의 간극(21)이 차지하는 비율이 커져 열 에너지가 효율적으로 전달되지않고 많은 열 에너지(연료)를 필요로 한다. 한편, 비 표면적이 650cm2/㎏을 초과하면, 충전 속도가 너무 높아져 착열 효율이 저하될 우려가있다.
금속괴(20)의 형상은 도 3 및 도 4에 도시하듯이 사각뿔대(frustum of quadrangular pyramid)로 할 수 있거나, 또는 도 5에 도시하듯이 사각뿔(quadrangular pyramid) 형상으로 할 수 있다. 사각뿔 형상인 경우, 직사각뿔상(right quadrangular pyramid)인 것이 바람직하다. 금속괴(20)의 형상을 사각뿔 대 또는 사각뿔로 함으로써, 예열 탑(2) 내에 금속괴(20)를 투입한 경우에 금속괴(20) 사이의 간극(21)은 매우 좁아져 고온의 배기 가스는 금속괴(20) 사이를 통과하기가 어려워짐과 함께 녹기 쉬워진다. 또한, 금속괴(20)를 사각뿔 형상으로 함으로써, 가열(예열) 한 경우, 사각뿔의 정점이나 변부에서 먼저 용해하여 열에너지가 사각뿔의 중심부를 향해 전해지게 되어 효율적으로 금속괴(20)가 용해된다.
또한, 금속괴(20)의 형상을 모두 동일한 정사각뿔(regular quadrangular pyramid) 형상, 즉 동일한 비 표면적의 정사각뿔 형상으로 함으로써, 금속괴(20)를 균일하게 용해할 수 있게 된다.
통상적으로, 금속괴(20)는 무작위로 예열 탑(2)에 투입된다. 금속괴(20)가 다양한 형상의 혼합물인 경우나, 사각뿔 형상이어도 크기가 동일하지 않은 경우에는 도 3과 같이 조밀하게 충전하는 것은 곤란하다.
그러나, 금속괴(20)를 모두 동일한 비 표면적의 정사각뿔 형상으로 하면, 예열 탑(2)에 금속괴(20)를 투입했을 때 도 3에 보이듯이 규칙적으로 충진하기 쉬워진다. 즉, 높은 충진율의 금속괴 충진체(S)를 얻을 수 있다. 또한, 도 3~5와 같이 간극(21)도 균일하게 형성되기 때문에, 전기한 고온 가스의 열 에너지가 금속괴 충진체(S)의 전체에 걸쳐 균등하게 널리 퍼지게 된다.
도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 금속괴(20)가 조밀하게 충진되는 것으로 금속괴(20) 사이에 열에너지가 전달되기 쉬워져 착열 효율이 향상된다.
금속괴(20)의 형상을 정사각뿔 형상으로 하고 또한 비 표면적을 500~650cm2/㎏의 범위로 전부 동일하게 하면, 착열 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속괴(20) 간에 적절한 간격(21)이 존재하기 때문에, 금속괴(20)의 용해시 발생하는 고온 가스의 열에너지를 널리 미치게 할 수 있어 금속괴 충진체 (S)의 전체를 예열할 수 있다. 이 때문에, 금속괴(20)의 용해 속도가 빨라져 효율적으로 금속 용탕(5)을 얻을 수 있다. 이 경우, 종래 방법(아래 대조예)보다도 연료원 단위를 30~60 % 절감할 수 있다. 또한, 연료 사용량의 절감에 따라 이산화탄소 배출량을 30~40 % 절감할 수 있다.
또한, 금속괴(20)의 크기는 종래 방법에 사용되는 동일한 재질의 금속괴(20) (예를 들어, 대조예의 5㎏ 알루미늄괴)보다도 작은 것이 바람직하다.
금속괴(20)의 크기는 저면의 한 변이 25~65 ㎜, 바람직하게는 25~55 ㎜, 보다 바람직하게는 35~55 ㎜ 또는 25~35 ㎜, 55~65 ㎜로서, 또한 저면의 중심에서 두부 정점까지의 높이가 25~65 ㎜, 바람직하게는 25~55 ㎜, 보다 바람직하게는 35~55 ㎜ 또는 25~35 ㎜, 55~65 ㎜의 사각뿔 형으로 설정된다.
금속괴(20)의 크기를 종래보다 작은 상기 범위로 함으로써, 예열 탑(2)에 충전했을 때 높은 충전율(60~80 %)로 할 수 있는 동시에, 금속괴(20)의 중심부까지 빠르게 열 에너지를 전도시킬 수 있다. 따라서, 착열 효율의 향상을 도모할 수 있는 동시에, 연료원 단위를 저감할 수 있게 된다.
사각뿔 형상의 금속괴(20) 저면 한 변의 길이가 25㎜ 미만이면 충전율이 지나치게 높아지는 한편, 65㎜를 초과하면 충전율이 지나치게 낮게 되어, 어떤 경우에도 착열 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
금속괴(20)의 중량은 80~140g/개인 것이 바람직하다.
금속괴(20)의 중량을 전기한 범위로 설정함으로써, 사용한 금속 용탕(5)만큼 금속괴(20)를 공급하는 것이 가능하다. 즉, 예열 탑(2)으로의 금속괴(20)의 투입 (공급) 량을 조절할 수 있다. 따라서, 예열 탑(2) 내의 온도 저하를 방지할 수 있고, 효율적으로 금속괴(20)가 용해되어 진다.
한편, 종래의 금속괴(20)(후술하는 대조예)와 같이 크면, 사용한 금속 용탕 (5)의 양에 상당하는 금속괴(20)보다 많은 금속괴(20)가 예열 탑(2)에 공급될 우려가 있다. 그러면 예열 탑(2) 내의 온도가 저하하여 충분히 금속괴 충진체(S)가 예열되지 않아 안정적으로 금속 용탕(5)을 얻는 것이 곤란해진다.
또한, 금속괴(20)를 예를 들어 전기한 크기 및 중량의 정사각뿔 형상으로 한 경우, 종래의 것(대조예의 5㎏ 알루미늄괴)보다도 금속 조직을 미세화할 수 있어 기계적 성질(예컨대, 인장 강도)을 향상시킬 수 있다.
또한, 후술하는 대조예와 같이 큰 금속괴(20)를 예열 탑(2)에 투입하면, 예열 탑(2) 내벽을 손상시킬 우려가 있다. 그러나, 전기한 작은 금속괴(20)로 함으로써, 예열 탑(2)으로의 투입시 충격을 저감할 수 있어 내벽의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 예열 탑(2)의 가동 수명을 연장할 수 있다.
금속괴(20)의 재질은 특별히 한정되지 않고 철, 비철 금속의 어느 것이라도 좋지만, 동일한 재질로 된다. 본 고안에서는 다양한 금속 제품의 원료로 범용 가능한 알루미늄이 바람직하다.
예열 탑(2)에서 용해된 금속은 금속 용탕(5)으로 되어 경사면을 따라 용탕 유통부(10)에 유입된다. 용탕 유통부(10)를 통과한 금속 용탕(5)은 용탕 유지실 (3)에 유입되어 일단 저장된다. 금속 용탕(5)은 다음 공정으로 이송될 때까지 응고되지 않도록 온도 조절되면서 용탕 유지실(3)에 저장되게 된다.
전기한 금속괴의 용해 방법 및 금속괴를 사용함으로써 금속 용탕의 생산성을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 고안에 따른 금속괴 용해로 및 금속괴에 대한 실시예를 보임으로써 본 고안의 효과를 보다 명확히 한다. 다만, 본 고안은 하기 실시예에 한정되지 않는다.
(실시예 1)
금속 용해로로서 단위 시간당 용해량이 200㎏인 1.2톤의 호멜(Homel) 로를 사용하여 본 고안에 따른 금속괴(저면 일변이 35㎜, 상면 일변이 25㎜, 높이가 30㎜의 정사각뿔대)와 종래의 금속설의 용해 실험을 행하였다. 시험 재료의 사용량은 502㎏이었다. 본 고안에 따른 금속괴의 용해에 필요한 연료의 총 열량은 1,513,944㎉/톤이고 종래 금속설의 경우는 1,798,333㎉/톤으로, 15.8%의 연료 절감이 실현가능했다.
(실시예 2)
금속 용해로로서 단위 시간당 용해량이 350㎏인 1.5톤의 호멜로를 사용하여 본 고안에 따른 금속괴(저면 일변이 35㎜, 상면 일변이 25㎜, 높이가 30㎜의 정사각뿔대)와 종래 금속설의 용해 실험을 행하였다. 시험 재료의 사용량은 450㎏이었다. 본 고안에 따른 금속괴의 용해에 필요한 연료의 총 열량은 627,000l/톤이고 종래 금속설의 경우는 850,000l/톤으로, 26.2%의 연료 절감이 실현가능했다.
(실시예 3)
금속 용해로로서 단위 시간당 용해량이 500㎏인 2.5톤의 호멜로를 사용하여 본 고안에 따른 금속괴(저면 일변이 35㎜, 상면 일변이 25㎜, 높이가 30㎜의 정사각뿔대)와 종래 금속설의 용해 실험을 행하였다. 시험 재료의 사용량은 1,000㎏이었다. 본 고안에 따른 금속괴의 용해에 필요한 연료 가스 사용량은 25.86m3이며, 종래 금속설의 경우는 85.00m3이며, 30.4%의 연료 절감이 실현가능했다. 본 실시예를 보면, 로의 규모가 클수록 에너지 절감 효과가 높은 경향이 있다.
(실시예 4)
도 1에 보이는 금속 용해 유지로에서 정사각뿔 형상의 금속괴(알루미늄)를 용해로에 투입, 충전하여 가열 및 용해를 행하였다. 투입한 금속괴의 크기는 저면 일변의 길이가 25㎜, 저면 중심에서 두부 정점까지의 높이가 25㎜로서 모두 동일한 형상으로 했다. 또한, 금속괴의 비 표면적은 650cm2/㎏, 용해로의 충전율은 80%이다.
용적이 다른 용해로 1 및 용해로 2에서 각각 시험을 실시했다.
(실시예 5)
실시예 4와는 저변 일변의 길이를 35㎜, 저면 중심에서 두부 정점까지의 높이를 35㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 조건으로 시험을 행하였다. 또한, 금속괴의 비 표면적은 615cm2/㎏, 용해로의 충전율은 70%이다.
(실시예 6)
실시예 4와는 저변 일변의 길이를 39㎜, 저면 중심에서 두부 정점까지의 높이를 39㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 조건으로 시험을 행하였다. 또한, 금속괴의 비 표면적은 600cm2/㎏, 용해로의 충전율은 68%이다.
(실시예 7)
실시예 4와는 저변 일변의 길이를 55㎜, 저면 중심에서 두부 정점까지의 높이를 55㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 조건으로 시험을 행하였다. 또한, 금속괴의 비 표면적은 540cm2/㎏, 용해로의 충전율은 63%이다.
(실시예 8)
실시예 4와는 저변 일변의 길이를 65㎜, 저면 중심에서 두부 정점까지의 높이를 65㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 조건으로 시험을 행하였다. 또한, 금속괴의 비 표면적은 500cm2/㎏, 용해로의 충전율은 60%이다.
(비교예)
비교예로서, 형상이 사각뿔대 형상(비 표면적 445cm2/㎏)의 금속괴(알루미늄)를 사용하여 가열, 용해를 행하였다. 투입한 금속괴는 모두 동일한 형상으로 하였다. 또한, 용해로의 충전율은 49%이다.
금속 용해 유지로는 실시예 4~8과 동일한 구성의 것을 사용하고, 용적이 다른 용해로 3~5에서 각각 시험을 행하였다.
(대조예)
대조예로서, 형상이 대략 직육면체 형상(비 표면적 383cm2/㎏)인 종래부터 널리 사용되고 있는 금속괴(5㎏ 알루미늄괴)를 사용하여 가열 및 용해를 행하였다. 투입한 금속괴는 모두 동일한 형상으로 하였다. 또한, 용해로의 충전율은 40%이다.
금속 용해 유지로는 실시예 및 비교예와 동일한 구성의 것을 사용하고, 실시예 및 비교예 각각의 용해로에 상당하는 용해로 1~5에서 각각 시험을 행하였다.
실시예, 비교예 및 대조예 각각에서 연료 사용량, 이산화탄소 배출량을 측정하였다. 또한, 연료 사용량에 기하여 연료원 단위 및 착열 효율을 산출하였다. 또한, 연료원 단위 및 착열 효율에 대하여 대조예와 비교해서 개선의 정도(개선효과 율)을 산출하였다. 결과를 표 1~3에 나타낸다.
표 1은 실시예 4~8의 연료원 단위 및 대조예에 대한 개선효과율의 결과이다.
또한, 개선효과율은 대조예와 실시예 또는 비교예의 차이에 대한 대조예의 비율을 백분율로 나타낸 것이다.
실시예４(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－실시예(m3/t) 개선효과율(%)
용해로１ ４２．５０ ８３．７２ ４１．２２ ４９．２
용해로２ ２９．５５ ３７．００ ７．４５ ２０．１
실시예５(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－실시예(m3/t) 개선효과율(%)
용해로１ ３７．６２ ８３．７２ ４６．１０ ５５．１
용해로２ ２６．１０ ３７．００ １０．９０ ２９．５
실시예６(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－실시예(m3/t) 개선효과율(%)
용해로１ ３４．７４ ８３．７２ ４８．９８ ５８．５
용해로２ ２５．５０ ３７．００ １１．５０ ３１．１
실시예７(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－실시예(m3/t) 개선효과율(%)
용해로１ ３９．９７ ８３．７２ ４３．７５ ５２．３
용해로２ ２６．９３ ３７．００ １０．０７ ２７．２
실시예８(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－실시예(m3/t) 개선효과율(%)
용해로１ ４３．８８ ８３．７２ ３４．８４ ４１．６
용해로２ ３０．０８ ３７．００ ６．９２ １８．７
비교예(m3/t) 대조예(m3/t) 대조예－ 비교예 (m3/t) 개선효과율(%)
용해로３ ３９．２２ ４４．９９ ５．７７ １２．８
용해로４ ３８．７９ ４６．０１ ７．２２ １５．７
용해로５ ３３．７０ ３８．１０ ４．４０ １１．６
표 1로부터 충전율이 60~80%인 실시예 쪽이 충전율이 49% 인 비교예와 40% 인 대조예보다도 연료원 단위를 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 이로써, 금속괴의 충전율을 높임으로써 연료원 단위를 절감할 수 있음이 확인되었다.
따라서, 실시예와 같이 충전율을 높게 함으로써 연료 사용량을 대폭 절감할 수 있다.
표 1에서, 정사각뿔 형상의 금속괴를 사용한 실시예 쪽이 종래의 금속괴를 사용한 대조예보다도 연료원 단위가 감소하고 있음을 알 수 있다. 한편, 사각뿔대 형상의 금속괴를 사용한 비교예에서도 대조예보다도 연료원 단위가 감소하고 있음을 알 수 있다.
실시예 및 비교예의 개선 효과를 비교하면, 실시예의 개선 효과가 현저하고 연료원 단위를 크게 절감할 수 있다는 것이 확인되었다.
표 2는 착열 효율 및 대조예에 대한 개선효과율이다.
또한, 개선효과율은 대조예와 실시예 또는 비교예의 차이다.
실시예４(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로１ ６７．７ ３１．３ ３６．４
용해로２ ９４．２ ７０．７ ２３．５
실시예５(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로１ ７３．８ ３１．３ ４２．５
용해로２ ９９．１ ７０．７ ２８．４
실시예６(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로１ ７５．３ ３１．３ ４４．０
용해로２ １０２．６ ７０．７ ３１．９
실시예７(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로１ ７１．８ ３１．３ ４０．５
용해로２ ９８．０ ７０．７ ２７．３
실시예８(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로１ ６４．０ ３１．３ ３２．７
용해로２ ９０．９ ７０．７ ２０．２
비교예(%) 대조예(%) 개선효과율(%)
용해로３ ６６．７ ５８．１ ８．６
용해로４ ６７．４ ５６．９ １０．５
용해로５ ７７．７ ６８．７ ９．０
표 2로부터 충전 속도가 60~80%인 실시예 쪽이 충전율이 49%인 비교예와 40%인 대조예보다도 착열 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 따라서, 금속괴의 충전율을 높임으로써 착열 효율을 향상시킬 수 있다.
표 2에서 실시예 쪽이 대조예보다 작열 효율이 증가하고 있음을 알 수 있다. 한편, 비교예에서도 대조예보다 작열 효율이 증가하고 있음을 알 수 있다.
실시예 및 비교예의 개선 효과를 비교하면, 실시예의 개선 효과가 현저하고 착열 효율이 크게 향상되고 있는 것으로 확인되었다.
표 3에 이산화탄소 배출량을 나타낸다. 또한, 이산화탄소 배출량에 기하여 월 단위의 이산화탄소 감축량 및 감축율을 산출하였다.
실시예４(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로１ ８１．９ １７４．１ ９２．２ ５３．０
용해로２ ５８．１ ７７．０ １８．９ ２４．５
실시예５(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로１ ７４．８ １７４．１ ９９．３ ５７．０
용해로２ ５５．５ ７７．０ ２１．５ ２７．９
실시예６(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로１ ７２．３ １７４．１ １０１．８ ５８．５
용해로２ ５３．０ ７７．０ ２４．０ ３１．１
실시예７(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로１ ７６．３ １７４．１ ９７．８ ５６．２
용해로２ ５６．５ ７７．０ ２０．５ ２６．６
실시예８(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로１ ８３．５ １７４．１ ９０．６ ５２．０
용해로２ ５９．９ ７７．０ １７．１ ２２．２
비교예(kg-CO2/t) 대조예(kg-CO2/t) 감축량(/월t-CO2) 감축률(%)
용해로３ ８１．６ ９３．６ １２．０ １２．８
용해로４ ８０．７ ９５．７ １５．０ １５．７
용해로５ ７０．１ ７９．２ ９．１ １１．６
표 3으로부터 충전율이 높은 실시예 쪽이 충전율이 낮은 경우(비교예 및 대조예)보다도 이산화탄소 배출량이 감소되는 것을 알 수 있다.
표 3에서, 실시예 쪽이 대조예보다 이산화탄소 배출량이 감소하고 있음을 알 수 있다. 비교예에서도 대조예보다 이산화탄소 배출량이 감소하고 있음을 알 수 있다.
실시예 및 비교예 모두에서 대조예보다 이산화탄소 배출량은 감소된다.
여기서, 실시예 및 비교예의 월 단위 이산화탄소 배출량의 감축량을 비교하면, 비교예는 10/월t-CO2인 반면, 실시예는 100/월t-CO2이다.
위와 같이, 실시예는 비교예에 비해 크게 이산화탄소 배출량의 감축이 가능해짐이 확인되었다.
여기서, 실시예 4, 비교예 및 대조예의 열수지를 도 4~6에 나타낸다.
도 7은 실시예 4에서, 도 8은 비교예에서, 도 9는 대조예에서의 각 열수지 산출결과이다.
전체 입열 100%에서 실시예 4는 대부분(85.5%)의 열 에너지가 금속괴의 용해에 이용된다. 이에 반해, 비교예와 대조예에서는 각각 54.5%, 66.5%의 열에너지가 이용되는 것에 머물고 있음을 알 수 있다.
또한, 배기 가스 현열, 즉, 금속괴의 용해시 발생하는 열에너지는 실시예에서 가장 적음을 알 수 있다. 결국, 충전율을 높이고 또한 금속괴 형상을 모두 정사각뿔 형상으로 함으로써, 금속괴의 용해에 의해 발생하는 열 에너지가 금속괴의 용해에 유효하게 이용되는 것이 확인되었다.
본 고안에 의한 금속괴의 용해 방법 및 금속괴는 알루미늄 등으로 되는 잉곳 등 금속 제품의 제조 공정에 적합하게 이용할 수 있다.
1 금속용해 유지로
2 예열탑
3 용탕 저장부
5 용탕
6 용해 버너
10 용탕 유통부
20 금속괴

Claims (4)

  1. 금속괴를 충전 적층하여 예열하기 위한 예열 탑과, 상기 예열 탑의 하방에 설치되어 상기 금속괴를 가열 용해하는 용해 버너와, 용해된 금속이 유통되는 용탕 유통부와, 상기 용탕 유통부를 통과한 용탕이 일단 저장되는 용탕 저장부로 구성된 금속 용해 유지로와;
    상기 예열 탑 내에 충전 적층되는 금속괴를 구비한 금속 용해로에 있어서,
    상기 금속괴는 사각뿔대의 형상이되, 저면 일변의 길이가 35㎜, 39㎜ 또는 55㎜이며 저면에서 두부 정점까지의 높이가 35㎜, 39㎜ 또는 55㎜이고,
    상기 금속괴는 상기 용해 버너에 의해 그의 저부로부터 순차적으로 용해됨과 동시에 열풍이 금속괴의 간극을 통해서 상승하도록 충전 적층되는 것을 특징으로 하는 금속 용해로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속괴의 충전율이 상기 예열 탑 내에 상기 금속괴를 충전가능한 최대 용적의 60~80%인 것을 특징으로 하는 금속 용해로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전율이 60~70%인 것을 특징으로 하는 금속 용해로.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 의한 금속 용해로에 사용되는 금속괴.
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