공업로기술/ 유동층 열처리로의 개발
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
유동층 열처리로의 개발
日本東京GAS(株) 遠 藤 孝 義
1. 서 두
열처리 업계 등에 있어서는, 현재, 스프링, 그 외의 피가열물을 연속적으로 열처리할 때에 는, 대부분 전기가열방식이 채용되고 있다.
이 전기가열에 의한 열풍순환방식(이하, 열풍 로라고 한다)에 의하면, 로 길이가 필요해지고, 동시에 가열에 시간이 걸리는 등의 문제가 있다.
거기서 가열온도의 균일성이 높고, 신속한 가열을 할 수 있는 알루미나계 입자를 이용한 연속식 가스 소열처리 로를 개발하여, 보급을 꾀하는 것으로 했던 것이다.
이 개발할 즈음, 이하의 점을 개발 개념으로 하였다.
①온도분포의 균일화
②승온속도의 신속화
③설치 공간의 최소화
.
2. 연속식 유동층 열처리 로의 개요
이하에, 연속식 유동층 열처리 로(이하, 개발로라고 한다)의 개요를 기술하겠다(사진1). 로 구조를 그림1에 나타냈다.
(1)로 본체
로 본체는 외벽과 retort로 되어 있다. 외벽과 retort와의 사이에는 연소실이 설치되어 있어, 초기승온 시간을 단축하기 때문에, retort바깥에서도 가열할 수 있는 구조로 되어 있다.
(2)반송장치
피가열물을 유동층내에 반송하는 것으로, 유동층내에 반송장치 자체가 침적되어 있는 것이 특징이다.
(3)가열장치
버너는, 유동 버너와 외소버너의 두 종류가 있다.
유동 버너는, 버너 튜브를 통해 연소가스를 직접 로안으로 불어넣고, 유동층 가열과 유동화 를 동시에 시행하는 것이다. 외 버너는, 초기승온 시간의 단축을 위한 외부로부터의 retort 가열용 버너이다.
(4)보조공기분산판
유동층 온도가 낮을 때 등, 유동 버너의 연소 가스만으로는 유동화 개시속도에 대해 충분 한 유속을 얻을 수 없는 경우에, 유동화 가스를 유동층 내에 규일하게 송입하기 위한 공기 분산판이다.

3. 연속식 유동층 열처리 로의 규정
개발로의 규정을 표1에 나타냈다.
(1)용도
저온역(380℃∼500℃)에서의 가열로, 이 개발로는 설정온도에 대해 균일하게 가열할 수 있 는 것을 특징으로 하고 있어, 템퍼링 등의 열처리에 적합한 로로서 설계를 시행하고 있다.

(2)유동입자
개발로에 이용하는 입자의 특성은, 연소가스압, 연소공기압의 저감을 목적으로 하여 유동성 이 양호한 것, 즉 유동화 개시속도가 작은 것이 요구된다.
3종류의 입자 유동성을 나타내는 유동화 개시속도의 비교시험을 시행했기 때문에, 이하에 그 방법 및 결과를 나타냈다.

1)시험방법
직경68㎜ø의 원통형 용기에 유동층 높이가 200㎜가 되도록 입자를 충진하여, 유동화 개시 속도를 측정하였다(그림2).

2)측정결과
측정결과를 표2에 나타냈다. 예를들면, A와 B의 유동화 개시속도의 차이인 2.7㎝/s를 보 조공기에 투입해서 보조할 경우, 개발로에는 더욱 64N㎥/h의 보조공기가 필요해진다. 이 보조공기의 투입을 위한 initial, running cost의 저감을 위해, 유동성이 좋은 입자를 이용할 필요성이 큰 개발로에는 A의 입자를 채용하였다.

(3)유동화 가스
유동화 가스는, 이하에 나타난 두가지의 방식으로 공급하고 있다.
1)연소가스 불어넣기 방식
버너 튜브를 통해 연소가스를 직접 유동층내에 불어넣는 방식으로, 유동층을 외부에서 가 열하는 방식에 비해 로 본체가 compact가 되고, 열효율이 향상한다는 점이 특징이다.
2) 보조공기 불어넣기 방식
retort의 바닥부분에 다공질판을 설치하고, 주물판을 통해, 유동층내로 공기를 도입하는 방 법이다.
유동층의 온도가 낮을 때, 버너 튜브로부터의 유동화 가스만으로는, 유속이 유동화 개시속 도에 대해 불충분해진다. 이 때에, 유동화를 위한 공기를 보조적으로 보충하기 위한 것이다.
보조공기 분산판으로서는 공기를 균일하게 로내에 분산시키기 위해, 다공질판을 로 바닥부 분에 설치하였다. 이것에 압축공기를 송입함으로써, 유동화 공기를 로 바닥부분으로부터 송 입한다.

(4)처리온도
temper 등 저온의 금속 열처리 로로서의 용도를 상정하여, 380∼500℃까지 가열을 할 수 있는 로로 하였다.

(5)로의 설치 공간
피가열물의 반송 쪽을 가로방향으로 하여, 설치 공간을 저감하고, 개발로와 동등한 처리능 력을 갖은 열풍로와 비교하여 1/3이하로 되었다.

(6)retrot수치(1,100㎜W×600㎜L×1,843㎜H)
입자가 로 바깥으로 날리는 것을 방지하기 위해, 유동층의 정지시 표면으로부터 간격을 확 보한 수치가 되고 있다.

(7)로내 가열방식
1)연소가스 불어넣기 방식
연소가스를 직접 로내에 불어넣고, 유동층 가열과 유동화를 동시에 시행하는 방식이다. 이 방식의 특징을 아래에 기입하였다.
■장점
①유동화 공기를 외부에서 가열하는 장치가 불필요하게 되어, 로가 compact해진다.
②연소가스와 유동층과의 열교환시 loss가 적기 때문에 열효율이 향상한다.
■단점
①고배압하에서 연소시키기 때문에, 2,000㎜Aq∼3,000㎜Aq정도의 가스압이 필요하다.
②연소가스 분위기에서의 처리가 적합하지 않은 열처리에는 적용할 수 없다.

2)외소방식
retrot를 외부에서 가열하고, 유동층을 가열하기 위한 보조가열 버너이다.
설치하는 이유로서는, 아래의 점을 들 수 있다.
①유동층의 초기 가열시간을 단축할 수 있다.
②반송장치, 버너 튜브의 보수시 등, 유동 버너를 이용할 수 없을 때의 유동층 가열에 이용 한다.


(8)가열장치

1)유동 버너
유동층내에 직접연소가스를 버너튜브를 통해 불어넣고, 유동층 가열과 유동화를 동시에 시 행하기 위한 것이다. 이 버너로 구해지는 요소기술은, 아래와 같다.
①고배압하(약1,500㎜H2O)에서의 연소를 양호하게 시행할 수 있다.
②튜브내(튜브 지름 40㎜) 연소를 양호하게 시행할 수 있다.
③높은 turn down비율(약 1:10)을 얻어진다.

2)외소버너
retrot를 외부에서 가열하고, 유동층을 가열하기 위한 보조가열 버너이다.
3)버너 튜브
버너 튜브는, 유동 버너로부터의 연소가스를 유동층내에 불어넣는 것으로, 그림3에 나타난 대로이다. 표면온도가 600℃이상이 되는 일이 있기 때문에, 재질은 내열성이 있는 것이 필요 하다.

(9)브로와
유동층의 바닥부분에 연소가스를 도입하고 있기 때문에, 버너 튜브의 내압은 약2,000㎜Aq 가 된다. 거기서, 풍량 약 100N㎥/h에 있어서 2,000∼3,000㎜Aq의 고토출압의 브로워가 필 요해진다.

(10)연소제어 방식
유동층내의 온도 균일성(±5℃이내)이 요구되기 때문에, 유동 버너, 외소버너 모두 위치 비 례제어로 한다. 배기가스 불어넣기 버너에 대해서는, 유동층내의 유동상태를 유지하기 위해, 온도제어는 가스유량만으로 시행하여, 공기유량은 변화시키지 않은 것으로 한다.

(11)반송장치
반송장치는, 피가열물을 투입하는 용기 및 용기를 지탱하는 튜브로 이루어진다. 용기 및 체 인은 유동층의 내외를 연속적으로 왕복하는 구조로 되어 있다.
유동층내에 침적시켜 연구한 점으로서는, 아래의 점을 들 수 있다.
①반송용 튜브의 이음새 부분의 간격을 넓게 잡는다. 이로써, 이음새 부분으로의 유동입자 침입에 의해, 체인이 움직이지 않게 되는 것을 방지한다.
②유동층내에는, 반송장치와 로 본체와의 접속부를 설치하지 않은 구조가 된다.
유동입자에 의한 반송 문제 방지, 반송장치의 보수성 향상이라는 관점에서, 유동층내에는 반송장치와 로 본체와의 접속부를 설치하지 않은 구조로 한다.


(12)로 바닥부분 충진입자
보조공기 분산판과 유동층 사이에 큰 입자를 충진한다.
유동층과 다공질판과의 사이에 입자를 충진하는 효과로서는, 아래의 점을 들 수 있다.
①유동층내에 투입되는 보조공기 유속의 균일화 촉진
②다공질판과 유동층과의 사이의 단열
유동층내를 430℃부근에서 24시간 유지하여, 그동안, 보조공기분산판으로부터 공기를 투입 하 지 않을 경우, 다공질판 표면은 약250℃에서 안전하였다. 보조공기 분산판의 내열온도는 약 400℃로, 단열효과가 발휘되고 있다.
③다공질판의 물리적인 보호
입자의 유동, 버너 튜브, 반송장치의 보수시에 상정될 로 안으로의 기계적 충격으로부터 다 공질판을 보호한다.
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4. 피가열물 가열성능
(1)가열성능
피가열물의 가열특성을 그림4에서 나타냈다. 피가열물로서는, 강재를 365㎏/h의 처리속도 로 투입하고, 가열하였다.

열풍로에서는 설정 430℃일 경우, 승온완료에 약15분을 필요로 하 고 있다.

이것에 대해, 개발로에서는, 승온시간은 약3분으로 좋고, 승온시간이 약1/5로 단축되어 있음 을 알 수 있다.

(2) 원단위
원단위는 아래와 같다.
①피가열물 가열 원단위 133kcal/㎏(열풍로에서는 227kcal/㎏)
②빈 로 유지 원단위 약31,000kcal/h(430℃)
약12,000kcal/h(220℃)

(3)열정산
열정산의 결과를 표3에서 나타냈다.

5. 정리
이상과 같이 균열성, 승온성, compact성의 개발 개념을 달성한 연속식 유동층 열처리 로를 개발하고, 그 설계지침을 나타냈다. 앞으로는, 실제 요구에 맞는 규정 변경 등에 대해 기술적 대응을 해 갈 예정이다.
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