KR20160139974A

KR20160139974A - 폐열 재활용 소둔로 시스템

Info

Publication number: KR20160139974A
Application number: KR1020150075967A
Authority: KR
Inventors: 김천중
Original assignee: (주)보은
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-07
Also published as: KR101769059B1

Abstract

본 발명은 간접가열방식을 통해 소둔로 본체의 내부공간에 배치될 피가열체를 열처리할 수 있는 폐열 재활용 소둔로 시스템에 관한 것으로, 피가열체를 가열하는 소둔로 본체와; 고온의 분위기 가스를 공급하는 열 혼합 유닛; 열 혼합 유닛에서 공급되는 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체 내부로 공급할 수 있게 열 혼합 유닛과 소둔로 본체를 유체연통하는 하나 이상의 열 배분 유닛; 열 혼합 유닛에 열원을 공급하는 가스버너; 및 소둔로 본체에서 배출되는 폐열 가스를 열 혼합 유닛으로 안내하는 열 회수관;으로 이루어지고, 본 발명은 소둔로 본체에서 배출되는 폐열 가스의 열원과 가스버너 연소에 의한 열원을 소둔로 본체의 내부공간에 균일하게 공급하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

폐열 재활용 소둔로 시스템 {Annealing furnace system for recycling waste heat}

본 발명은 소둔로, 특히 폐열을 재활용하는 소둔로 시스템에 관한 것이다.

소둔(annealing)은 열간 또는 냉간 압연된 소재나 가공물의 내부 응력을 제거하여 내부 조직을 안정화시키기 위해 정해진 온도까지 가열한 후에 서서히 냉각하는 것이다.

소둔로는 소둔 열처리를 수행하는 설비로서, 대한민국 등록특허 제10-0903551호 "소둔로 및 그를 사용한 소둔처리시스템"(특허문헌 1)으로 제안되었듯이 열소실 저감을 돕는 밀폐성능을 향상시킨 소둔로 본체, 및 소둔로 본체의 내벽에 설치된 화염분사노즐 등을 구비하고 있다.

종래기술에 따른 소둔로는 화염분사노즐과 같은 가열장치를 소둔로 내부에 설치하여 소둔대상물에 직접적으로 열을 공급할 수 있는 구조로 이루어져 있는데, 이는 소둔로 내부를 고온으로 급가열할 수 있는 장점을 제공할 수 있지만 소둔로의 내부 온도를 전반적으로 균일하게 유지시키는 데에 한계를 가질 수밖에 없을 것이다. 또한, 소둔로 내부를 급가열하는 과정에서 소둔로 내부를 구성하는 내벽, 예컨대 내화벽돌에 크랙이 발생될 소지가 높아져 피가열체의 열처리에 악영향을 미치게 될 것이다.

대한민국 등록특허 제10-0903551호

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소둔로 본체 내부에 고온의 분위기 가스를 간접가열방식으로 공급하여 소둔로 내부에 균일한 열원을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 피가열체를 가열하고 배출된 폐열을 재활용하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 간접가열방식을 통해 소둔로 본체의 내부공간에 배치될 피가열체를 열처리할 수 있는 폐열 재활용 소둔로 시스템에 관한 것으로, 피가열체를 가열하는 소둔로 본체와; 고온의 분위기 가스를 공급하는 열 혼합 유닛; 열 혼합 유닛에서 공급되는 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체 내부로 공급할 수 있게 열 혼합 유닛과 소둔로 본체를 유체연통하는 하나 이상의 열 배분 유닛; 열 혼합 유닛에 열원을 공급하는 가스버너; 및 소둔로 본체에서 배출되는 폐열 가스를 열 혼합 유닛으로 안내하는 열 회수관;으로 이루어지고, 본 발명은 소둔로 본체에서 배출되는 폐열 가스의 열원과 가스버너 연소에 의한 열원을 소둔로 본체의 내부공간에 균일하게 공급하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 한다.

선택가능하기로, 본 발명은 열 회수관에 송풍기를 추가로 구비할 수 있다. 송풍기는 열 혼합 유닛의 가스버너 연소를 돕는 공기를 공급할 수 있을 뿐만 아니라 열 혼합 유닛으로 안내될 폐열 가스의 공급 속도, 유량 등을 제어할 수도 있다.

특히, 본 발명은 열 회수 유닛에서 공급되는 폐열 가스의 열원 및/또는 가스버너 연소열로 구성된 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체 내부에 균일하게 공급할 수 있는 하나 이상의 열 배분 유닛을 구비하는데, 열 배분 유닛은 소둔로 본체의 외측벽에 근접하게 배치된 챔버와; 이 챔버의 길이방향을 따라 배치되고, 소둔로 본체의 내부공간으로 뻗어 있는 하나 이상의 발사관; 및 챔버의 내부 길이방향으로 배치된 열 분사판;을 갖추고 있다.

열 분사판은 챔버의 길이방향을 따라 일렬로 배열된 하나 이상의 발사관에 고온의 분위기 가스를 동시에 공급할 수 있도록 다공판 형성으로 형성될 수 있다.

발사관은 소둔로 본체의 측벽을 소정의 각도(α)로 관통하여 소둔로 본체의 내부공간으로 공급되는 고온의 분위기 가스를 난류로 유동시킬 수 있다. 이에 국한되지 않고, 발사관은 소둔로 본체의 측벽과 직교되는 방향으로 관통하여 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체의 내부공간에서 층류로 유동시킬 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 하나 이상의 열 배분 유닛은 소둔로 본체의 외측벽 둘레를 따라 높이를 달리하여 배치될 수 있다. 이러한 열 배분 유닛의 배치는 소둔로 본체의 상부 영역과 하부 영역 구분없이 동시에 고온의 분위기 가스를 제공할 수 있도록 돕는다.

소둔로 본체 내부에 배치된 열 회수관의 일 단부는 댐퍼를 추가로 구비할 수도 있다. 열 회수관의 타 단부는 열 혼합 유닛에 결합된다.

필요에 따라, 운전자가 소둔로 본체의 각 영역별 내부온도를 확인할 수 있도록 소둔로 본체 내부에 하나 이상의 열전대를 추가로 구비할 수도 있다.

소둔로 본체는 이의 상부면에 보조 댐퍼를 추가로 구비할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 열처리될 피가열체를 화염에 직접 노출시키지 않도록 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체의 내부공간에 공급함으로써 간접가열방식으로 소둔로 본체 내부를 급가열할 수 있도록 제공된다.

특히, 본 발명은 가스버너의 연소열과 소둔로 본체에서 배출되는 폐열 가스의 열원을 병합하여 사용할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 소둔로 본체에 공급되는 분위기 가스의 온도를 용이하게 조절할 수 있다.

본 발명은 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체 내부의 여러 영역에서 동시에 공급할 수 있어 고온의 분위기 가스가 도달하지 못하는 데드 영역 존재를 없앨 수 있다. 또한, 본 발명은 앞서 기술하였듯이 화염과의 접촉을 방지하여 소둔로 본체 내부를 둘러싸고 있는 내화벽돌의 스폴링 현상을 방지하여 내구성 향상을 통한 사용수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열 재활용 소둔로를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 소둔로 본체의 내부구성을 확인할 수 있는 부분절개도이다.
도 3은 본 발명의 폐열 재활용 소둔로 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.

이제, 본 발명에 따른 폐열 재활용 소둔로 시스템은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열 재활용 소둔로 시스템(1)은 개략적으로 피가열체(S)를 가열하는 소둔로 본체(100)와, 소둔로 본체(100)에 고온의 분위기 가스를 조성(또는 생성)하는 열 혼합 유닛(200), 열혼합 유닛(200)과 소둔로 본체(100)를 유체 연통가능하게 하는 열 배분 유닛(300), 열혼합 유닛(200)에 주 열원을 공급하는 가스버너(400), 및 소둔로 본체(100)에서 배출되는 폐열을 회수하는 열 회수관(500)으로 이루어져 있다.

소둔로 본체(100)는 이의 측벽 외부 둘레에 배치된 하나 이상의 열 배분 유닛(300)과 이의 바닥면에서 길이연장된 열 회수관(500)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 소둔로 본체(100)는 피가열체(S)의 유출입을 허용하는 도어(110)를 일측면에 구비하는 한편 이의 상부면에 보조 댐퍼(120;damper)를 구비할 수 있다. 보조 댐퍼(120)는 소둔로 본체의 상부면 일부를 개폐가능하게 하는 구성부재로서, 소둔로 본체 내부와 외부 환경 사이의 유로를 형성 혹은 차단할 수 있도록 되어 있다. 소둔로 본체(100) 내부에 이상 압력에 노출되는 경우에 보조 댐퍼(120)가 강제로 개방되어 소둔로 본체를 보호할 수 있다.

전술되었듯이, 소둔로 본체(100)는 이의 측벽 외부 둘레에 하나 이상의 열 배분 유닛(200)을 배치할 수 있다. 하나 이상의 열 배분 유닛(300)은 도시되었듯이 그 배열 높이를 달리하여 소둔로 본체(100) 내부의 하측과 상측에 구분없이 동시에 고온의 분위기 가스를 공급할 수 있다. 하나 이상의 열 배분 유닛(300)은 도 1과 도 2에 도시되었듯이 소둔로 본체의 좌측벽과 우측벽에 배치되어 있지만, 이에 국한되지 않고 전측벽과 후측벽에도 설치가능하다. 이러한 열 배분 유닛(300)의 배열은 소둔로 본체(100) 내부에 상측 온도와 하측 온도 간에 온도차를 발생시키지 않아 피가열체를 균일하게 열처리할 수 있어 피가열체의 품질 향상을 도모할 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 소둔로 시스템은 소둔로 본체(100) 측벽 둘레를 따라 하나 이상의 열 배분 유닛을 배치하는데, 하나 이상의 열 배분 유닛을 동일 높이로 배치할 수도 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 하나 이상의 열 배분 유닛은 수평방향으로 배열되어 있지만, 이에 국한되지 않고 수직방향으로 배열되거나 대각선방향으로 경사지게 배열될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소둔로 시스템(1)은 소둔로 본체(100)에 고온의 분위기 가스를 지속적이면서 일정한 온도로 공급할 수 있도록 열 혼합 유닛(200)을 구비한다. 열 혼합 유닛(200)은 외벽체 역할을 하는 철판(210)으로 구비되는 한편, 철판(210)의 내면은 내부 단열재(211)를 부착되어 있다. 내부 단열재(211)는 케스타블, 내화벽돌 등으로 내화성 물질로 이루어질 수 있다. 철판(210)의 외면도 외부 단열재(212)로 덮어 씌어 마감처리될 수 있다.

특별하기로, 열 혼합 유닛(200)은 가스버너(400)의 연소열과 소둔로 본체(100)에서 회수된 폐열 가스를 혼합하여 소둔로 본체(100)로 고온의 분위기 가스를 공급하는 설비이다. 열 혼합 유닛(200)은 일측에 가스버너(400)를 배치한다. 가스버너(400)는 가스공급원에서 공급되는 가스와 공기를 연소시켜, 열 혼합 유닛(200) 내부로 화염을 분사하게 된다. 가스버너(400)의 화염열이 열 혼합 유닛(200)의 주 열원으로 사용될 것이다.

열 혼합 유닛(200)은 가스버너(400)의 연소를 향상시키기 위해 열 혼합 유닛(200)의 내부 온도를 예열할 수 있도록 소둔로 본체(100)에서 배출되는 폐열 가스를 회수하여 재활용할 수 있도록 소둔로 본체(100)에서 뻗은 열 회수관(500)과 상호 연통된다 열 회수관(500)은 소둔로 본체(100)에서 피가열체를 가열하고 배출되는 폐열 가스를 열 혼합 유닛(200)으로 안내하는 배관이다. 열 혼합 유닛(200)은 폐열 가스를 통해 예열되어 가스버너(400)의 완전연소를 도와 가스 사용효율을 향상시킬 수 있고 폐열 에너지를 재활용하여 가스의 소모량을 저감시킬 수 있다.

바람직하기로, 송풍기(600)가 열 회수관(500)에 구비될 수 있다. 송풍기(600)는 외부 공기를 흡입하여 일정 압력으로 열 회수관(500) 내부로 송풍 공급하여, 외부 공기가 고온의 폐열 가스와 접촉되어 외부 공기가 열 혼합 유닛(200)에 도달하기 전에 충분한 예열 시간을 갖도록 한다. 송풍기(600)는 폐열 가스의 공급속도, 유량 등을 제어할 수도 있을 것이다.

도시된 바와 같이, 열 배분 유닛(300)은 소둔로 본체(100)의 측벽과 열 혼합 유닛(200) 사이에 개재되되, 열 혼합 유닛(200)으로부터의 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체(100)의 내부로 공급할 수 있게 유체연통가능하게 길이연장되어 있다. 즉, 열 배분 유닛(300)의 일 단부는 열 혼합 유닛(200)과 연결되는 한편 열 배분 유닛(300)의 타 단부는 소둔로 본체(100)의 측벽 형상과 대응되게 면접상태로 배치된다. 열 배분 유닛(300)은 소둔로 본체(100)의 측벽 폭방향으로 길이연장된 챔버(310)와, 소둔로 본체(100)의 측벽과 마주보는 챔버(310)의 일 측면에서 챔버의 길이방향을 따라 돌출된 하나 이상의 발사관(320), 및 챔버(310) 내부에 길이방향으로 뻗어 있는 열 분산판(330)을 구비하고 있다. 발사관(320)은 도시된 바와 같이 소정의 각도(α)로 기울어지게 소둔로 본체(100)의 측벽을 관통해 소둔로 본체(100) 내부로 접근을 허용할 수 있다. 여기서, 발사관(320)과 소둔로 본체(100)의 측벽 사이의 각도(α)는 예각을 형성한다. 소정의 각도를 돌출된 발사관(320)은 소둔로 본체(100) 내부로 고온의 분위기 가스를 일방향, 예컨대 반시계방향 혹은 시계방향으로 발산시켜 소둔로 본체(100) 내부에서 고온의 분위기 가스를 난류 흐름을 유발시켜 소둔로 본체(100) 내부로 유입된 고온의 분위기 가스를 소둔로 본체(100)에 골고루 확산시켜 내부온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 장점을 제공한다. 전술된 바와 같이, 본 발명은 가스버너(400)에서 발생되는 화염이 소둔로 본체(100) 내부와 직접적으로 접촉되지 않아 고온으로 인한 소둔로 본체 내부를 구성하는 내화벽돌이 깨지는 스폴링(spalling)현상을 방지할 수 있고, 고온의 분위기 가스, 다시 말하자면 열풍을 하나 이상의 열 배분 유닛(300)을 수단으로 하여 소둔로 본체(100) 내부로 골고루 확산시켜 고온의 분위기 가스가 통상적으로 미치지 못하는 데드 영역(dead area) 존재를 없앨 수 있어 소둔로 본체 내부의 건조 상태를 양호하게 유지시킬 수 있다.

이와 달리, 발사관(320)은 소둔로 본체(100)의 측벽과 법선 방향, 즉 소둔로 본체(100)의 측벽과 직교되는 방향으로 신장되어 소둔로 본체(100) 내부에서 고온의 분위기 가스를 층류 흐름을 유발시켜 수둔로 본체(100) 내부로 유입된 고온의 분위기 가스를 반대측 측벽으로 유동시켜 피가열체를 급가열할 수 있다. 발사관은 챔버와 일체로 형성되거나 탈장착가능한 구조로 이루어질 수 있다.

덧붙여서, 열 배분 유닛(300)의 챔버(310)는 도시된 바와 같이 가늘고 긴 덕트 형상으로 이루어져 있어 열 혼합 유닛(200)에서 유동하는 분위기 가스를 균일 및/또는 균질하게 하나 이상의 발사관(320)에 공급할 수 있도록 챔버(310) 내부에서 길이방향으로 뻗어 있는 열 분산판(330)을 구비한다. 열 분산판(330)은 열 혼합 유닛(200)에서 공급되는 고온의 분위기 가스와 충돌하여 고온의 분위기 가스를 전범위로 확산시키는 매개물이다. 선택가능하기로, 열 분산판(330)은 다공판(미도시)로 형성되어, 고온의 분위기 가스가 열 분산판(330)의 다공을 가로질러 열 분산판(330)과 대응되는 부분에 배치된 발산관(320)으로 공급될 수 있도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열 재활용 소둔로 시스템(1)은 소둔로 본체(100) 내부에 장입된 피가열체(S)을 가열하기 위해 공급된 고온의 분위기 가스를 외부로 배출하지 않고 회수하여 열 혼합 유닛(200)으로 재순환시킬 수 있는 구조로 이루어져 있다. 본 발명은 소둔로 본체(100)의 하부로부터 길이연장되어 열 혼합 유닛(200)까지 길이연장된 열 회수관(500)을 구비하는데, 열 회수관(500)은 소둔로 본체(100)의 크기와 형상에 따라 하나 이상의 열 회수관으로 구성될 수 있다.

열 회수관(500)의 일 단부는 도시된 바와 같이 소둔로 본체(100)의 하부와 연결되되, 열 회수관(500)의 일 단부는 댐퍼(510)를 추가로 구비할 수 있다. 댐퍼(510)는 소둔로 본체(100)의 내부에 이상 압력이 감지되는 경우에 강제로 개방되어 소둔로 본체(100)의 압력을 낮추는 기능, 소둔로 본체(100)의 분위기 가스를 열 혼합 유닛(200)으로 재순환하는 기능을 구현할 수 있도록 구비된다.

본 발명은 소둔로 본체(100) 내부의 온도를 측정/감지하는 하나 이상의 열전대(미도시)를 구비할 수 있으며, 하나 이상의 열전대는 소둔로 본체(100)의 내부 공간에 측면, 상부면, 바닥면에 배치할 수 있고, 소둔로 본체(100)의 내부공간 중심 영역에 배치할 수도 있다.

본 발명은 가스버너로 공급되는 가스량을 제어하는 레귤레이터(420)와, 송풍기(600)의 구동, 댐퍼(510,120)의 개폐, 열 혼합 유닛(200)의 분위기 가스의 온도, 유체의 유동 등을 제어하는 제어부(C)를 구비할 수 있다. 상세히 기재하지 않았지만, 제어부(C)는 전술된 구성부재들의 측정 기록을 저장하고 별도의 디스플레이에 출력할 수 있게 연동되어 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 폐열 재활용 소둔로 시스템은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1 ----- 소둔로 시스템,
100 ----- 소둔로 본체,
200 ----- 열 혼합 유닛,
300 ----- 열 배분 유닛,
400 ----- 가스버너,
500 ----- 열 회수관,
600 ----- 송풍기.

Claims

피가열체(S)를 가열하는 소둔로 본체(100)와;
고온의 분위기 가스를 공급하는 열 혼합 유닛(200);
상기 열 혼합 유닛(200)에서 공급되는 고온의 분위기 가스를 상기 소둔로 본체(100) 내부로 공급할 수 있게 상기 열 혼합 유닛(200)과 상기 소둔로 본체(100)를 유체연통하는 하나 이상의 열 배분 유닛(300);
상기 열 혼합 유닛(200)에 열원을 공급하는 가스버너(500); 및
상기 소둔로 본체(100)에서 배출되는 폐열 가스를 상기 열 혼합 유닛(200)으로 안내하는 열 회수관(500);으로 이루어지고,
상기 열 혼합 유닛(200)은 상기 폐열 가스의 열원과 상기 가스버너(500)의 열원을 수단으로 하여 상기 소둔로 본체(100) 내부공간을 간접가열할 수 있는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열 회수관(500)은 송풍기(600)를 추가로 구비하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열 배분 유닛(300)은,
상기 소둔로 본체(100)의 측벽 외부에 배치된 챔버(310)와;
상기 챔버(310)의 길이방향을 따라 배치되고, 상기 소둔로 본체(100)의 측벽을 관통해 내부공간으로 뻗어 있는 하나 이상의 발사관(320); 및
상기 챔버(310)의 내부 길이방향으로 배치된 열 분사판(330);을 구비하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 열 분사판(330)은 다공판으로 형성되어 있는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 발사관(320)은 상기 소둔로 본체(100)의 측벽을 소정의 각도(α)로 관통하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 발사관(320)은 상기 소둔로 본체(100)의 측벽과 직교되는 방향으로 관통하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 하나 이상의 열 배분 유닛(300)은 상기 소둔로 본체(100)의 측벽 둘레를 따라 높이를 달리하여 배치되는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열 회수관(500)은 상기 소둔로 본체(100) 내부에 배치된 단부에 댐퍼(510)를 추가로 구비하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 소둔로 본체(100) 내부에 하나 이상의 열전대를 추가로 구비하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 소둔로 본체(100)는 상기 소둔로 본체의 상부면에 보조 댐퍼를 추가로 구비하는 폐열 재활용 소둔로 시스템.