설비기술/ 단조용 고주파 유도가열장치 빌럿히트
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
단조용 고주파 유도가열장치 빌럿히트
1. 단조용 유도가열 장치
1.1 서두

최근 특히 오일 쇼크 이후 에너지 절약의 필요성이 높아지고 전자 기술의 발전, 제품의 다양화에 따른 단조기의 자동화, 고속화, 다품종 소량 생산의 시대의 추세에 의해 유도 가열 기술도 급속히 진보를 거듭 수많은 신기술이 개발되어 왔다.

유도 가열의 넓은 응용 분야에 있어서 철 BILLE의 유도 가열에 관한 에너지 절약, 품질향상, 기계화에 의한 인력의 절약, 보전성, 자업성 향상에 초점을 맞추어 보았다.

1.2 에너지 절약
(1) 적정 가열 주파수의 선정
가열 조건 (BILLET SIZE, 가열 온도, 재질 등) 을 기초로 가열 효율 향상의 관점으로부터 적정 가열 주파수가 선정 되었다. 이 적정 가열 주파수는 가열 조건에 의해 1대의 유도 가열 장치에 있어 복수의 적정 가열 주파수가 존재 하게 된다.

유도 가열에 사용되고 있는 주파수 변환 장치는 종래 MC(중 주파 전동 발전기) 가 주류였기 때문에 가열 주파수는 최대 공약수 적으로 한 종류에 한정되고 가열 효율이 희생 될 수 밖에 없었다.
THYRISTOR INVERTER, 트랜지스터 INVERTER의 등장에 의해 복수의 적정 가열 주파수를 갖춘다. 주파 사양의 유도 가열이 실현되었고 이것을 가능 하게 되었다.

(2) 가열 코일
가열 코일의 구조는 일반적으로 감겨져 있는 水冷 동관과 그 내면에 배치되어 있는 내화재및 BILLET진행 가이드로서의 수 냉 금속관으로 만들어진 SKID레일로 이루어져있다.
기계적, 열적 제약에 의해 가열 코일의 내경이 결정되지만 이전에는 BILLET 의 치수 밀도의 약화, 내화재 재질의 선정, 시행 방법의 미숙함 등이 서로 요인이 되어 결과적으로 가열 코일의 내경이 커지게 되었고 가열 코일 효율 악화의 한 요인이 되어 왔다.

그림 1

(3) 가열 에너지의 유효한 이용
가열 개시 시, 종료 시 또는 가열 도중의 일시 대기 운동 시의 담글질 식힘 材의 발생은 USER측의 있어서 절실한 문제이다.
이러한 문제들의 관련 기술로서 가열 개시 시의 담금질 식힘 材의 발생을 최소화 하는 가열 개시 시의 온도 補償제어, 가열 도중에서의 일시 대기 운전 때문에 미속 이송 보온제어, 가열 종료 시의 마지막 BILLET까지 가열을 계속 이행 가능한 부하 시 押棒(DUMMY BAR)개발이 이행되고 있다.

또 후 공정기기와 같은 시기에 운전하기 위해서 同期化제어 기술도 실용화 되고 있다.
이러한 제어는 RELAY SEQUENCE제어에서 MICRO PROCESSOR로 변환 과정에서 보다 고도화 된 대응이 이행되고 있다.

1.3 품질 향상
(1) 가열 온도 정밀도
단조제품의 복잡화, 고정밀도와 요구가 높아짐에 따라 가열 온도 정밀도 향상을 목적으로 한 하기와 같은 기술개발이 진행되어 왔다.
① 연속 운전 중의 가열 온도를 일정화 하기 위한 가열 온도 CONTROLL기술
② 과도기에 발생하는 가열 온도의 時系列적 가열 온도 공차를 수정하는 기술
③ 가열 코일 구조면에서 발생하는 BILLET의 상하 방향, 길이 방향에서의 가열 온도 공차 를 최소화 하는 기술
④ 유한 요소 법에 의한 열, 磁界 해석에 의한 최적의 가열 코일 설계

(2) 무산화 가열
가열 과정에서 BILLET공기에 접촉하기 때문에 산화 현상이 일어나고 BILLET 의 표면에 SCALE이 발생한다. 이 SCALE가 단조 제품의 표면 상태를 나쁘게 하고 또 금형의 수명을 단축시키는 등의 악영향을 미친다.

구체적인 무산화 가열 방법으로서는 다음의 2개가 고려되고 있다.
① 불활성 가스, 환원 가스 (N2, Nx, Dx가스등) 의 가열 코일 내로의 입
② 가열 코일의 출입구에 FLAME CARTON을 설치
앞으로 후 공정 기기를 포함한 라인 전체에서의 무산화 기술의 확립이 기대를 모으고 있다.

(3) 異材 혼입 방지
유도 가열의 전공정에서 BILLET 의 중량 또는 길이를 측정, 절단 및 반송하는 과정에서 섞여 들어온 異材를 REJECT하는 기능이고 최근 수요가 점점 증가하고 있다.

1.4 가열 코일 SHIFT기구
BILLET 가열을 위한 가열 코일의 교환 시간은 가열 코일의 냉각 시간 및 교환 시간에 의해 긴 시간을 필요로 했었지만 가열 코일 SHIFT기구에 의해서 단시간 교환이 가능하게 되었다.이와같은 3코일 SHIFT 방식의 전체 외관을 사진 1에 나타내었다.


사진 1

接址 검출은 구성기기의 보호를 위해 장치 전체에서 이행되었던 것이 일반적 이었다.
이 경우 接址가 발생한 사실을 알아도 복구를 위한 接址위치를 찾아내는 것이 매우 어려운 작업이 되었고 시간 낭비에 따른 가동률 저하의 한 요인이 되었었다.
接址가 발생하는 가능성이 가장 높은 가열 코일에 接址검출을 장치하는 것은 接址장소를 조기에 발견해내기 위한 유효 적절한 수단이다.

가열 코일이 복수의 유니트로 구성되어 있는 경우에는 각 유니트 마다 접지 검출을 설치하는 방식이 주류를 이루게 되었다.

1.5 정리
유도 가열의 응용 분야의 확대는 이후에도 계속 되어갈 것이라고 생각되고 컴퓨터 응용에 의한 EXPERT SYSTEM, 퍼지 제어의 도입, 나아가 유한 요소 법에 의한 수치 설험에서의 최적 가열 시스템의 구축 등은 불가결한 기술이다.
에너지 절약, 품질 향상, 생산성 향상의 요구는 고도화 되고 있고 앞으로 더 새로운 기술 개발이 기대되고 있다.

2. PRE-COATING 장치 부착 온간 BILLET 히터
미쓰이 조선(주) 온간 단조용 PRE-COATNG장치 부착 BILLET히터를 상품화해 도요타 자동차 용 이외에 이미 8대를 납품했다.

온간 단조는, 1) 에너지 절약적이다. 2) 제품 정밀도가 높다. 3) 단조 라인 전체의 합리화가 가능하다. 4) 가동 재료의 범위를 확대 가능하다. 등의 장점이 있기 때문에 열간 단조나 냉간 단조에서 온간 단조 에로 지향이 이루어 져가고 있는 추세이다.


그림 2

온간 단조에는 성형성이나 금형의 수명이라는 측면에서 금형의 윤활이 매우 중요하지만 600℃~850℃의 온도에 견디는 윤활제는 현재 흑연계 이외에는 없고 더구나 흑연계의 윤활제에서의 형 윤활만으로는 윤활 능력이 부족하기 때문에 윤활 능력을 보충하는 것과 함께 가열 시의 소재 표면의 SCALE 발생 방지를 목적으로 하는 흑연 피막 처리 (PRECO-ATING) 가 선 공정에 요구되고 있다. PRE COATING은 소재를 예열 후 흑연 용액에 담그고 그 후 소재에 남아있는 열로써 건조 시켜 피막 처리를 하는 시스템이다.

종래의 PRE COATING 시스템은 예일용 BILLET 히터와 본 가열용 BILLET 히터를 별도로 설정, 중간에 흑연 용액의 DIPPING욕조를 설치했었다.
소재는 예열 → DIPPING 욕조 → 본 가열과 콘베아 등을 매개로 공정을 거치므로 공정이 상당히 복잡하고 시간을 요하기 때문에 고속 라인에의 적용은 매우 힘든 실정이었다.
또한 시스템 자체도 대형, 복잡, 고가의 결점이 있었다.당사가 상품화 한 PRE COATING 시스템 그림 1. 에 나타낸 것같이 소형, COMPACT한 특성이 있고 고속성의 뛰어난 축 이송과 PASS THROUGH 방식이다.

즉 예일 코일과 PRE COATING장치와 본 가열 코일을 동일 축상에 배치하여 PRE COATING장치 내에 설치한 SHOWER를 통과하는 소재로 흑연 용액을 내뿜어 흑연 피막처리를 실시하는 방식이다.
이 시스템은 소재의 작업이 매우 SMOOTH하기 때문에 종래 25 pcs/분 정도가 한도였던 처리 속도가 80pcs/분 정도로 고속에 대응 가능토록 되었다.

소재 단면의 피막 처리는 매우 중요하지만 당사의 시스템에서는 No. 2 핀치 로라의 효과를 이용하고 있다.
다시 말하자면 No. 2핀치 로라의 속도 v2를 No 1핀치 로라의 속도 v1 보다 크게 되어짐에 따라 SHOWER부에서의 선행재와 후속재간의 GAP-G를 발생시켜서 그 GAP에 흑연 용액을 채워 소재 단면의 피막 처리를 확실하게 하고 있다.
소재의 길이를 L 이라고 하면 최대 GAP- -Gmax는 다음식에서 얻어진다.
Gmax=L(1-v/v2). 사진 2. 는 발생한 GAP- -Gmax를 나타낸 사진이고 사진 3. 은 사진 2. 의 또 예열과 본 가열의 전원도 공용화 해서 COMPACT화와 COST DOWN을 꾀하고 있다.

그림 2.에 당사 시스템의 HEAT PATTERN을 나타내었다. 예열에서는 소재 표면의 유분 등을 완전 연소시키기 위해서 표면을 200℃~250℃정도까지 가열하는 것이 바람직 하다. SHOWER부에서는 용액에 잠기는 소재의 온도는 약간 저하 한다.


사진 2

소재가 본 가열 코일에 들어가기 까지는 소재의 잔열(약 150℃)에서 수분이 증발해서 흑연 피막 처리를 완료한다. 흑연연 그 자체가 전도성이기 때문에 흑연 수용액의 비산, 건조에 의해 흑연이 주변에 싸이 게 되고 또 단조에 의한 흑연 분진의 비산등으로 전기적 절연이 어렵고 부식 드을 초래하는 악 조건을 극복하고 상품화 하기까지 많은 어려움을 체험했지만 절연이나 재질에 개량을 통 해 실용화에 성공하게 되었다.

이후의 과제로서는 흑연 특유의 나쁜 작업 환경하에서의 용액의 보수, PRE COATING 시 스템 전체의 보전성의 향상을 들 수 있다.
또 무산화 분위기 가열을 병용해서 흑연 피막 소 실량을 감소시키는 시도도 필요하다고 생각된다. 본 시스템 특허 1건, 실용신안 1건을취득했 고 3건이 출원 중이다.
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