설비기술/ 고주파 유도 용해로 설비기술의 기초
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
고주파 유도 용해로 설비기술의 기초
1. 개요
고주파 유도용해로 개발은 1920년대 미국의 전동발전기에 의한 유도용해로가 선보인이래 반도체기술의 진보에 힘입어 발전을 거둡하였다.
국내의 고주파 유도용해로는 1960년대 초에 최초로 350Kw/500Kg의 용해로가 도입되었고 1960년대 말부터 급속히 보급되기 시작하였다.

국산용해로는 1983년 1호기가 제작되어 현재 200여대가 국내에 설치되어 있는 상황이다.
국내에 설치되어 있는 고주파유도용해로는 약 700여기로 추정되고 있다.

산업이 고도화되어짐에 따라 고도성장을 해온 주물산업의 발전에 힘입어 유도용해로 시장도 1980년에 급진적인 발전과 호황을 맞이하였으나 1990년대에 들어서면서 주물공업의 악화 경기부진으로 보급이 점착적 공황기에 접어들고 있는 실정이다.

주물공업은 3D기피산업으로 공해유발업종이다. 벙커시유와 전기로를 사용하던 주물업계의 기술고도화와 공해방지, 에너지절감, 생산성향상을 위하여 도입된 고주파유도용해로는 다변화되어가는 국제환경에 대응하기 위하여 여러가지의 과제를 가지고 있으나 에너지절감, 공해방지, 생산성향상을 위해서는 주물산업의 필요불가결한 장비이다. 이러한 장비의 설비기술을 본고에서 정리하여 독자에게 제공하고자 한다.

2. 유도 가열의 분류



3. 유도 용해로의 설비와 운전 및 조업
(1) 금속 용해로의 분류와 용도
먼저 유도 용해로에 대해서 말하기 전에, 유도 용해로의 지위가 이해되도록 타 용해로가 어떤 용도에 사용되어 있는가를 보아둔다.

1)고로(BLAST FURNACE)
코우크스(COKE), 열풍을 열원으로 해서 광석을 환원해서 금속철을 선철(탄소 함유율 1.7%이상의 철로서 끄집어 내는 로)

2)전로(CONVERTER)
고로에서 얻어진 선철이 용해된 것에 순 산소를 불어넣어 정(SMELTING)을 행하여 강(STEEL)을 얻는 로.

3)ARC로
선철이나 SCRAP을 ARC열에 의해 용해, 정련(SMELTING), 성분조정을 행하여 소망의 성분의 강을 얻는 로.

4)제련로(SMELTING FURNACE)
원료를 저항체로하여 직접 몽전가열로 용해하고 야금적 화학반응에 의해서 고온 환원해서 합금 화합물(예컨데 FERRO ALLOY는 철의 성분 조정을 행할 때 사용한다)을 제조한다.

5)CUPOLA
코우크스(COKE)의 직접 연소에 의해, 선철 SCRAP 등을 용해하여 주철 주물을 만든다.

6)유도 용해로(INDUCTION FURNACE)
주조용으로서 선철, SCRAP 등의 용해가 주가 되고 용탕의 유지, 주강용해, 제련 진공용해, 비철금속의 재용해 등에 사용된다.

7)기타로
PLASMA ARC로, ELECTRO SLAG로, 유리용해로, 전자BEAM로 등이 있으나, 이것들은 주로 순수한 금속을 얻기 위해서 진공중에서 재용해를 행하는 목적으로 사용된다.

(2)유도 용해로의 분류와 특징
표1에 유도용해로의 분류와 각각의 특징이나 용도 등을 개략적으로 종합, 정리해 본다.

1)구조에 의한 분류
그림 1에 표시한 것과 같이, 유도용해로는 도가니(CRUCIBLE)형 유도로와 CHANNEL형 유도로로 크게 나누어진다.
도가니형 유도로는 원통형 COIL의 안쪽에 내화재(REFRACTORY)로 도가니를 형성하여, 그 속에 재료를 용해하는 방법을 말하며 주파수에 따라서 [도가니형 저주파로]와 [도가니형 중주파로](보통 고주파로 라고 말하고 있다)로 구별되어 있다. CHANNEL형 유도로는 [CHANNEL로]라고 불리워진다.
주파수는 50/60HZ(저주파)가 사용되고 있다.


표 1
2)용도에 의한 분류
(가) 용해로
저급(LOW CLASS) SCRAP, 부스러기 가루, 선철 등의 재용해를 행하여, 필요성분의 용탕을 만드는 로이며, 주로 주조 LINE에 쓰인다.

(나) 2중 조업로
다른 종류의 용해로(예컨대 CUPOLA)로 용해한 용탕을 유도로로 받아서 전자교반력을 이용하여 주로 성분 조정을 행하는 것이다.
전기 가열의 특징인 깨끗한 가열이라는 점을 살려서, 이 물질의 혼입을 피하고 요구되는 성분의 금속을 만드는 로이다.

(다) 유지로
주조품의 단중량이 갖고 있는 용해로의 1회 용해량보다 클 경우 수회의 용해를 행하여 필요량의 용탕을 만들지 않으면 안된다. 이 경우에, 유지로에 수회분의 용탕을 종합해서 주조를 행하는 방법이 취해진다.

이와같은 방법은 용해로의 이용률의 향상, 주조 LINE과 MATCHING설비 전체의 부하율의 향상, 설비비의 삭감 등의 장점이 있는 경우에 사용된다.

(라) 주탕로
용해로 자체는 주탕기능(탕구와 경동장치)을 갖고 있으나, 용탕의 제품생산 이윤을 향상 시키기 위해서 특히 정밀도 좋게 주탕을 행한다든가 주탕 DUCT를 빨리해서 생산성을 향상 시킨다든가 주탕 작업중의 온도 유지를 필요로 하는 등 때문에 주탕로가 사용되는 일이 있다.

(3)특징
1)중주파로
(가) 적은 재료를 단시간에 용해할 수가 있다. 이것은 주파수가 클수록 많은 유도 전류를 발생할 수가 있다.
(나) 조업은 간헐(BATCH) 운전이 가능하며 STARTING BLOCK이나 잔탕이 필요치 않다.
(다) 설비비는 고주파 전원을 필요로 하므로 도가니형 저주파로에 비해서 과거에는 고가였으나 현재는 염가이다.
(라) 이상으로부터 BATCH조업의 용해로로서는 가장 적합하다.

2)도가니형 저주파로
(가) 적은 재료에 전력을 투입하기 어렵기 때문에 용해시간이 길고 교반력의 입장에서 전력 밀도를 작게하지 않으면 안되므로, 금속 용해가 불가능하다.
(나) STARTING BLOCK 또는 잔탕이 반드시 필요로 한다.
(다) 설비비는 고주파로에 비해서 과거에는 염가였으나 현재는 그렇지 않다.
(라) 용해 유지의 어느것에도 사용할 수가 있으나, ENERGY 절약면에서 보면 방열 LOSS가 많다.



3)CHANNEL형 저주파로
(가) 도가니형 로처럼 주위를 수냉동관으로 냉각하지 않기 때문에, 단열구조가 만들기 쉽고 열 손실이 적어 고효율이다.
(나) 발열부(CHANNEL부)가 작고, 전력의 투입은 적으므로 용해 능력은 작다.
(다) CHANNEL부에 용탕이 늘 필요하므로 연속 조업밖에 사용할 수 없다. 역으로 말하면, 조업하지 않을 경우에도(휴일에도) 용탕을 넣어둔대로 하지 않으면 안된다.

3. 유도 용해로의 기본사항
(1)잔지교반력
도가니 내의 용탕에 유도되는 전류와 가열 COIL전류의 작용에 의해서 상호로 반발하는 전자력이 발생한다. 이것에 의해, 그림 1(a)의 도가니 내의 화살 표시로 표시한 것처럼 용탕은 도가니 중심 방향으로 힘을 받아서 이동하는 것으로 된다.

즉, 도가니 중심으로 압축된 용탕은 결과적으로 중심의 상하의 방향으로 흐를 수 밖에 없고, 탕면에서 보면 중앙부가 볼록하게 솟아올라 주위로 흘러 들어가는 것이 보인다. 이 용탕의 움직임을 교반작용이라고 말하며 유도 용해의 커다란 특징의 하나이다.

유도 용해로의 최대 장점은 온도의 불균형이 적고, 성분의 조정이 용이하며 균질의 용탕이 얻어지는 일이다.
그 반면에 주의해야 할 것은 교반력이 지나치게 크면 도가니 내면의 내화재를 기계적으로 침식, 마모해서 도가니의 수명을 짧게하는 일이 있다.
따라서 교반력을 최적으로 선정하는 것이 유도로의 장점을 살리는 제1보이다. 용탕에 작용하는 전자력 F는 다음식으로 표시된다.
F=0.316 x μ/ρf x p/s(Kg/Cm2).(1)
단, M:비투자율
ρ:저항률[Ω-Cm]
f:주파수[Hz]
p:유도로[KW]
s:COIL에 대면하는 용탕의 외주면적[Cm2]
일반적으로 이 전자력과 자신의 중량이 평형하는 곳까지 용탕 중심부가 볼록하게 솟아오른다.
다음식과 같이, 이 솟아오르는 높이 h[Cm2]로 교반력을 표시하는 일이 많다.
h=F/r=0.316u/p . f(p/sr)(Cm).(.2) 여기서, r:용탕의 비중[kg/Cm3]

(2)유도 용해로의 구조와 내화재
저주파, 중주파 다같이 도가니형로의 구조는 그림 2와 같다. 가열 COIL에 상당하는 원통형에 감은 동관 COIL이 그 중심이 된다.
로의 구조를 조립하는 순서로 말한다. 우선 상기의 원통형 COIL이 만들어지고, 그 양단부에는 접속용의 단자판이 붙여진다. 동관에 발생하는 쥴(JOULE) LOSS를 냉각하기 위해서 냉각수를 흘리는 NIBBLE이 필요한 수만큼 붙여진다.
그 후에 COIL동관은 접지, 단락이 발생하지 않도록 내열성의 VARNISH나 전열 TAPE로 절연처리를 행하고, 최종적으로 COIL형상을 손보아서 가열 COIL자체는 완성된다.

가열 COIL을 수납하고, 용탕을 중량을 받음과 동시에 출탕하기 위해서의 탕구를 붙인 로틀을 별도로 만든다. 로틀은 가열 COIL에 흐르는 대전류에 따르는 누설자속으로 근처 가열되 는 경우가 있으므로 유도 전류가 흐르는 회로를 만들지 않도록 배려할 필요가 있다. 또 누설 자속을 최소로 하기위해서 가열 COIL 주위에 규소 강판을 쌓은 각 봉을 적당한 수 배치하여 있다.

이것은 누설자속의 귀자로를 형성함과 동시에 가열 COIL 동과 이전자력이나 도가니의 열 팽창력에 의해서 변형하는 것을 방지하는 역할을 다하고 있다. 가열 COIL을 로틀에 수납한 후, 이것을 경동기구나 작업대, 로지지 STAND에 설치해서 수냉 CABLE을 단자판에 접속한다.

COIL내면에 COIL CEMENT라고 말하는 내열 CEMENT를 도포한다.(약 5~10mm두께) 이것은 내화재로부터 새어나오는 용탕으로부터 가열 COIL을 보호하기 위한 것이다.
게다가, COIL CEMENT의 표면에 SEPARATOR라고 하는 단열SHEET를 수매 붙인다.(MICA판, ASBESTOS판)그 안쪽에 내화재(LINING재라고도 말함)를 다져 굳히기 위해서, 도가니 SIZE의 금형(FORMER MOLD)을 SET한다. SEPARATOR와 금형의 빈틈에 내화재를 넣어서, VIBRATOR로 다져 나간다.
COIL 내면 전부를 내화재를 다져 넣었으면 금형을 넣은체로 전원을 넣어 금형이 용해할 때까지 정해진 시간으로 온도 상승해서, 내화재의 내면 10~20mm를 소결(SINTERING)한다.

이것은 내화재를 용융해서 유리 모양으로 하는 것을 말한다. 이 소결이 좋고 나쁜 것이 도가니의 수명에 극히 중요하며, 안전성에 대해서도 중요한 것이다. 소결 방법은 사용하는 부정형 내화재의 재질에 따라 다르므로, MAKER의 지시에 의해 실시할 필요가 있다.
내화재는 용해하는 금속에 따라서 온도, 성상을 고려해서 선택되나, 일반적인 선택 기준을 표2에 표시함.



(주):전융[FUSED]
소성[SINTERD]
유도로용 내화재로서 구비해야 할 조건은 하기와 같다.
1. 내화도, 연화온도가 높고, 고온강도가 있어야 한다.
2. 열 팽창 수축율이 작아야한다.
3. 열 전도율이 작고 단열성이 있어야 한다.
4. 내 SPALLING 성
5. 화학적으로 안정해야 한다.
6. 용탕의 교반에 대해서 기계적 마모에 견디는 것이라야 한다.
7. 축로, 건조 등의 작업이 용이하여야 한다.
8. 전기 절연성이 좋아야 한다.
(주)SPALLING:내화물이 열충격, 기계적 충격, 구조적 원인에 의해 금이가서 파괴하는 현상.


(3)CHANNEL로의 구조
CHANNEL로는 그림 3과 같이, 상부 용해실과 하부 발열실(INDUCTOR라고도 말함)로 지지 STAND, 로 경동장치로 나누어져 있다.
상부 용해실은 용량, 용도에 응해서 반 원통형 등 여러가지의 형상의 것이 만들어져있다.
LAYOUT, 조업 방법에 따라서 출탕구, 수탕구, 냉재, 장입구, 쇠똥 긁어내는 곳 등을 붙이고 있다. 이것들은 모두 철판의 용접 구조로, 내면에 내화 단열 벽돌과 LINING재를 바른다.

하부 발열실은 철심과 COIL을 설치해 2차 권선을 만드는 것처럼, 부정형 내화물로 2차 CHANNEL을 형성한다.
하부 발열실은 CASE, 철심, COIL, COPPER, BUSHING, 송풍기 등으로 구성된다.
전기 용량이 작든가 용해 온도가 낮을 경우에는 COIL, 철심, BUSHING은 송풍기에 의해 송풍 공냉을 행하고 있다. 이것에 대해서 주철용이나 전기 용량이 큰 것은 수냉식이 사용되어 있다.

상부 용해실과 하부 발열실은 별도로 내화 단열재를 깔아 접착하는 방법이 취해져 있다.
접착면에는 MICA나 FIBER 등의 SEPARATOR를 삽입하여, 수명의 짧은 하부 발열실을 분리해서 교환하기 쉽도록 고려되어 있다.

(4)열 계산(손실분포)
전기 회로중, 수전 단자에서 가열 COIL 단자까지 사이에서 잃어버리는 손실을 전원손실이 라고 말하며,
(전원입력)-(전원손실)/(전원입력)-------------------(3)
을 전원효율이라고 말하는 일도 있다. 그 손실에는 변압기, 주파수, 변환기(INVERTER), CONDENSER, MATCHING TRANS, 도중의 배선, BUS BAR 등이 포함되어 있다. 주파수 변환기로 주파수를 바꾸기 위해서 발생하는 손실을 변환손실이라고 말하며
(변환기 입력)-(변환손실)/(변환기입력) -------------------(4)
을 변환효율이라고 말한다.
가열 COIL단자에로 입력 Pc[KW]와 가열재에로 입력 Pi[kW]의 비율
Pl/ Pc -------------------(5)
을 가열 COIL 효율이라고 말한다.
가열재로 발생한 열에서 방열하는 ENERGY를 방열 손실이라고 말하며 방사, 전도에 의한 손실을 포함하고 있다. 최종적으로 가열재중에 남은 ENERGY와 전원 입력의 비율을 총합 효율 또는 전효율이라고 말하고 있다.

(5)부하특성
가열 COIL의 전기회로의 항에서 말한바와 같이, 가열 COIL의 특성 즉, 부하 특성은 IMPEDANCE Z, 역율(POWER FACTOR), COIL 효율의 3가지로 표시된다.
이것들의 특성은 가열재의 상태(형상, 량, 온도, GAP(COIL동관과 가열재 표면까지의 거리))에 의해 변화한다.
예를들면, 가열재의 온도가 상승하는데 따라서 특성은 변화한다. 또, 용탕의 량에 의해서도 변화한다. 사용 회수에 의해서 내화재가 소모하면 GAP이 작게 되므로 역시 특성이 변화한다.

5. 유도 용해로의 설비 계획
유도 가열장치 전반에 걸쳐서 말할 것이지만 설비계획에 있어서 주의해야 할 것은 그 설비의 양부가 설비 계획에서 80%는 경정되어 버리는 것이다. 나머지의 20%는 조업운전 보수 등에 의해 있는 부분이다.

(1) 가열 목적의 입안
먼저 최초로 가열의 목적이 무엇인가를 명확하게 하는 것이다. 유도 가열을 사용하면 어떤 효과를 얻어질 것인가의 목적을 결정한다.
목적에는
1. 원단위의 감소(ENERGY비의 삭감)
2. 품질의 향상
3. 생산 이윤의 향상
4. 생산성 향상
5. 사용하기 쉽고 편한 것-운전 보수의 인원의 삭감
6. 량, 다품종의 생산에로 대응
7. ACE의 감소
8. 업 환경의 개선
9. 치의 INITIAL COST
10. 의 ON-LINE화
등으로 많으나 전부를 만족하는 장치는 우선 있을 수 없다.여기서 유도 용해로의 구체예로 설명한다. 원단위의 감소를 목적으로서 COIL 효율을 향상시키기 위해서 도가니의 벽두께를 얇게하면, COIL 효율은 향상되어도 내화재의 소모가 빠르고 축로의 회수가 증가되어 가동율이 저하되고, 생산률이 달성될 수 없다.
또, 도가니벽으 로 부터의 열 전도 손실이 증가하는 것과 같은 목적과 상반되는 것으로 되므로, 목적에 따라서 최적인 로벽의 두께가 결정되는 것이다. 주 목적은 [품질의 향상]이라고 하면, 그 목적을 달성하는 것을 방해하지 않는 변위에서의 [ENERGY절약] 즉, [원단위의 감소]를 추구한다는 생각이 필요하다.



(2) 전기용량과 로 용량의 결정
용해 조건으로서는 하기의 사양을 USER사양으로 정한다. 어느정도 장래의 생산량의 변화 를 고려해 넣어두는 편이 좋다.
1. 시간당의 필요 용탕량 [t/h] 또는 [t/DAY], [t/MONTH]
2. 1일당의 실 가동시간 [h/DAY] 또는 [h/MONTH]
3. 연속 조업인가 간헐 조업인가
4. 용해 작업중의 낭비시간:재료장입, SLAG의 긁어냄, 온도 측정, SAMPLING, 성분조정, 출탕 기타가 갖는 시간 등
5. 용도:용해, 2중 조업, 유지, 주탕 이상으로 로의 전기용량을 다음 식으로 산출한다.
Wf =(Q. Pn)/(η . β . Υ. T. α) [KW]---------- (6)
여기서,
Wf:로의 전기 용량 [KW]
Q:1일 용해량 [t/DAY]
Pn:실수요 필요 전력량[kWh/Kg]
η:로(가열 COIL)의 전기효율(0.7~0.9)
α:로의 열효율(방열 효율)(0.6~0.9)
β:낭비 시간 계수
Υ:잔탕량에 의한 부하율(0.7~1.0)
T:1일의 조업시간[h/DAY]
이상으로부터, 용해로 1대로 했을 때의 전기 용량이 구해지는 것이지만 더욱더 이하의 조건 을 고려해서 로의 대수를 결정한다.
1. 1회의 주입에 필요한 최대 용탕량[t/회] 2. 반력(솟아 오르는 높이)이 최적인가(그림 4참조) 3. 로체의 최대용량[t/대] 4. 최대전기용량[KW/대] 실적에서 구한다 5. 용해 재질마다 생산량 분포 6. 로체의 축로의 보수 기간이나 사고 대책 7. 주조 LINE과 MATCHING(주형의 준비 작업 등) 요는 한 번에 대량의 용탕을 만들어 보아도, 주조 LINE의 능력을 넘어버리면 용탕을 유지하기 위해서 유지전력을 필요로 하므로 ENERGY 절약은 없다.
간헐 조업은 전원에서 보면 대 전력을 간헐적으로 사용하는 것으로 되므로 전원 이용률이 저하된다.
또 보수시나 사고시에는 생산이 전혀 될 수 없게 되는 등 불리한 점이 많다. 따라서, 복수대를 순차적으로 사용하는것에 의해, 연속적에 가까운 운전쪽이 LINE으로서도 유리하다. 원 단위는 1일의 가동시간에 의해서 크게 영향을 준다. 즉, 로체 자체의 갖는 열용량이 원 단위에 크게 좌우되기 때문이다.
상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company)
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