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월간 메탈넷코리아 편집부
고주파 유도 전기용해로의 실무기술
1. 고 속 용 해
주철용해의 고속화를 위하여 고주파로를 사용하는 예까 많아지고 있다. 이것은 사이리스터 인버터의 고성능하ㅎ에 따라 고주파 도로를 대형화하는 것이 능하게 되었기 때문이다.
<그림 1>에 저주파 유도로와 고주파 유도로의 용해속도(용해량/영해시간)를 비교하였다.
그림과 같이 동일 용량으로 비교하면 고주파 유도로의 용해속도가 저주파 용해로보다 몇 배 더 큰 것을 알 수 있다.
일반적으로 전기로에 의한 주처레용해에서는 저주파 유도로와 고주파 유도로 사이의 단위 중량당 전력사용량의 차이가 거의 없고, 약500∼650kWh/t의 밤위에서 조업되고 있으며 용해 속도는 단위시간에 투입된 전력량에 거의 비례하고 있다. 이러한 것에서 고속용해를 하는 데는 같은 용량의 로에서는 로입력을 크게 하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다.
도가니형 유도전기로는 도가니 모양의 로 둘레에 코일이 있고 이 코일에 교류전류를 통하면 그 안쪽에 교번 (交番)자장이 생긴다. 이 안에 도전체가 놓이면 전자유도작용에 의해 자속과 직각의 원주방향에 코일과 반대방향의 와전류가 생기고 주울열(I2R)에 의해 도전체가 가열된다. 유도로에서 용해된 용탕에는 자자력선이 생기고, 그 작용으로 용탕에 교반운동이 일어난다. 이 교반운동을 일으키는 함을 교반력이라 부르며 교반력(P)는 다음식으로 표시된다.
단, k:정수, W:전력(kW), d:도가니의 직경(m, 1:용탕의 높이(m). ρ:피가열물의 고유저항(Ω
-m), f:전류의 주파수(Hz)이다.
식(1)에서 알 수 있듯이 용탕의 교반력은 로입력 (W:전력)에 비례하여 커지기 때문에 도가니형 유도 전기로의 로 입력을 크게하면 용탕의 교반력도 커진다. 이 교반력이 너무 커지면 도가니안의 용탕의 비산(飛散)이 많아져 용탕이 산화될 수 있다.
유도로의 실제적인 로입력의 상한값은 교반운동의 크기에 의해 결정된다. 교반운동의 크기가 교반력만으로 결정된다고 가정하면 로입력 실질적인 상한값은 교반력으로 결정된다.
여기에서 용탕의 교반력과 전류의 주파수와의 관계를 보면 교반력은 주파수의 제곱근에 반비례하는 것을 알 수 있다. 전류의 주파수을 50Hz에서 500Hz로 하면 교반력은 약1/3.1로 된다. 교반력은 로입력을 약 3.1배로 하면 동일한 교반력으로 된다. 즉 주파수가 500Hz인 고주파로의 로입력 상한값은 50Hz인 저주파로에 대해 약3.1배로 된다.
이 때문에 일반적으로 사용되고 있는 유도전기로에서는 동일한 로 용량에 대한 로입력은 고주파쪽이 저주파 로보다 크고 <그림 1> 표시한 것과 같이 용해 속도에 차이가 생기는 것이다. 따라서 고속용해를 위해서 고주파 로를 도입하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.
더구나 고속용해를 효율성 있게 행하는데는 로스타임을 최대로 줄이는 것이 중요하다. 여기에서는 이 로스 타임을 크게하는 원인중에서 용탕의 성분과 관계되는 가탄과 로앞 분석에 대하여 논하기로 한다.
(1)가탄
전기로를 사용한 주철용해 작업에서는 주재료에 다량의 강 스크랩을 사용하기 때문에 탄소분의 부족을 보충할 목적으로 가탄재를 사용한다. 그러나 이 가탄재의 수율은용해 비용이나 재질등에 큰 영향을 주므로 용해작업에서 유의해야할 것중의 하나이다. 바람직한 가탄은 용탕중의 탄소량을 최소의 가탄재와 최소의 시간으로 하는 것을 목표로 한다.
또 용해작업시는 비용이 적게 들고 작업성이 좋으며 안정된 재질의 용탕이 될 수 있도록 가탄방법에 대해 여러가지 연구를 하고 있다. 다음에 가탄재의 수율에 영향을 미치는 많은 요인들 중 두가지에 중점을 두어 예를 들어서 기술하고자 한다.
여기에, 5종류의 가탄재가 주철용탕에 대해 녹아 들어가는 속도를 비교한 실험예를 나타내었다. 실험에서는 소형 고주파 유도로(30kW, 3000Hz)를 사용하였으며 약 6kg의 주철용탕을 1500℃ 로 유지하여 소정량의 가탄재를 첨가하고 용탕중의 탄소량을 분석하여 가탄재의 수율(가탄재의 용해량/가탄재의 첨가량×100)을 구하였다.
또 그들이 가탄재 첨가후 경과시간과 더블어 어떻게 변화하는가도 조사하였다. <표 1>과 <표 2>는 각각의 실험에 사용한 가탄재의 조성과 입도 분포를 표시하였다.
<그림 2>는 비슷한 조성으로 입도분포가 다른 세졸류의 가탄재를 사용하여 가탄재의 입도분포와 수율과의 관계를 조사한 것이다.
가탄재의 수율이 90%를 초과히는 간을 비교하면 세종류의 가탄재중 B가 약 6분으로 가장 시간이 짧고, A가 8분, C가 14분 순으로 되어 A, B와 비교하여 C의 가탄속도가 확실히 늦은 것을 알 수 있다. 가탄재 A, B는 입도가 0.5mm 미만의 것이 58% 이상 포함되어 있다. 이것으로부터 입도가 작은 가탄재는 늦게 녹는다는 것을 알 수 있다.
또 가탄재 A와 B를 비교하면 B쪽이 조금 더 빠르게 녹는다. 이것은 A의 입도가 3mm이상인 것을 64%이상 포함하고 있는 반면에 B는 15%이하밖에 포함하고 있지 않기 때문으로 결국 가탄재의 입도가 너무 커도 느리게 녹는다는 것을 알 수 있다.
따라서 가탄재를 선정할 때에는 조성뿐만 아니라 입도분포도 고려해야만 한다. 용해작업을 안정하게 하기 위해서는 가탄재의 입도분포를 관리할 필요가 있다. 다음에 (細粒化)한 그대로의 가탄재와 그 미분을 10%제거한 것을 비교, 실험해 보았다. <그림 3>은 그 결과를 표시한 것이다.
실험에 사용한 가탄재의 조성과 입도분포를 <표 2>에 나타내었다. 가탄재 E는 D를 채로 쳐서 0.5mm미만의 것을 약간 줄인 것이다. 이것으로부터 E를 사용한 것이 제조한 그대로의 D를 사용한 것보다 수율이 좋아진 것을 볼 수 있다. 이처럼 가탄재의 가탄 수율은 그 입도분포에 의해 차이가 있으므로 실제 요애작업시에는 사용하는 용해로와 용해 조건에 맞는 가탄재의 입도 분포를 찾는 것이 중요하다.
한편, 용탕의 화학성분이 가탄에 미치는 영향을 규소(Si)양과 가탄속도와 연관지어 교려해보자. 용탕에 탄소분을 첨가할 때 Si, Mn, S, P 및 기타의 몇가지 원소는 흡탄을 억제한다.
특히 Si의 영향이 크므로 그 양을 1.8%이하로 낮게 해주는 것이 바람직하다. 용탕의 Si목표치가 높을 경우는 가탄시에 Si값을 1.5% 이하로 낮추어 놓고 가탄후에 Si분을 조정하는 것이 좋다.
<그림 4> 는 2종의 가탄재를 Si 함류량이 다른 용탕에 첨가했을 때의 가탄재의 수율과 경과시간과의 관계를 그래프화한 것이다. 이 경우 용탕의 Si양만 0.6%와 2.1%로 변화시키고 기타의 화학성분은 거의 동일하다.
여기에서 알 수 있듯이 Si분이 적은 용탕은 Si분이 많은 용탕보다 훨씬 흡탄하기가 쉬워 용해작업중 가탄 할 때에는 Si분을 낮추어 놓으면 보다 빨리 가탄을 행할 수 있다.
즉, Fe-Si등 가규재(伽硅材)의 첨가는 용해 후반부에 행하는 것이 가탄재의 수율면에서도 유리하다. 바람직한 가탄조건은 다음과 같다.
①탄소는 기본적으로 온도와 분위기에 관련된 것으로서 주철중에 남는다. 분위기는
·안정된 CO의 승를 촉진하기 때문에 환원상태이고
·최적 수율을 얻기 위해서는 1538℃에서 일정시간 유지할 필요가 있다.
②용탕면과 가탕재를 환원분기로 만들어주지 않으면 효과적인 수율을 얻을 수가 없다. 슬래그가 너무 많거나 가탄재의 입도가 적정치 않을 때에도 좋은 결과가 얻어지지 않는다.
③철은 Si등 C이외의 원소와 친화력이 좋다. 가탄하기 전에 이들의 타원소값을 낮게하여 두지 않으면 가탄재 수율은 최고가 되지 않는다. 즉, Si는 1.8%이하가 바람직하다.
(2)로앞 분석
용해작업에서 특히 조심할 점의 하나로 로앞 분석이 있다. 혀재 일반적으로 행해지고 있는 로앞 분석에는 열분석, 호학성분분석, wedge 시험 등이 있지만 이들 시험은 각각 일장일단이 있기 때문에 그의 특징을 충분히 이해하고 결점을 보충할 수 있도록 종합적으로 복수 시험을 해하여 용탕재질을 관리할 필요가 있다.
실제로 로앞 분석을 할때에 가장 조심해야할 점은 샘플링의 타임밍과 샘플을 만드는 것이다. 특히 로의 용랴량이 클 때에는 어느 시점에서 로중의 용탕이 정상상태로 되는가를 판단하는 것이 힘드므로 주의하여야 한다.
<그림 5>는 실제 고주파 전기로내 용탕의 화학성분의 변화를 표시하였다. 사용한 도가니형 고주파 유도로는 로내치수 ψ 930×h 1650mm, 주파수 500Hz이며 샘플은 용탕량 6.5t을 승온하면서 1400℃에서 3분마다 분석채취하였다.
또한 용탕중의 C, Si, Mn에 대하여도 분석해 1회 때의 뷴석치와 차이를 검토해 표를 나타내었다. 이것에 의하면 1회 때의 분석에서 Si와 Mn은 약 3분후에 정상상태가 되며 C는 약 6분 후에 정상상태로 된다.
이 예는 강 스크랩 65%, 재사용선25, 선철 10%, 가탄재 1.9%를 사용하영 용해한 것이지만 Si와 Mn 분석치의 변화는 사용한 가탄재가 주재료보다 늦게 녹아들어가고 용탕의 표면에 떠올라 용탕 상층부의 탄소분이 많아지게 되며 다시 이것이 용탕의 교반운동으로 인해 상층부와 하층이 서로 섞이고 시간이 경과되므로 인해 정상 상태로 된 것이라고 생각한다.
따라서 용해로, 사용재료, 재료의 투입 순서 등 용해조건의 차이에 의해 로중의 용탕이 정상상태로 되는 타이밍을 충분히 파악하는 것이 중요하다는 것을 보여 주고 있다. 이것으로 채취한 샘플이 용탕전체를 대표할 수 있고 분석의 신뢰성도 높여 안정된 재질의 용탕이 얻어진다.
용탕이 정상상태로 빨리 돌아갈 수 있는 용해조건을 발견하여 재분석이나 재질의 재조정을 없애고, 용해 로스타임을 줄이는 것이 고속용해에 있어 중요한 조건이다.
(3)안전대책
용해작업은 화상, 눈에 이물질의 혼입, 코일의 냉각수에 의한 폭발사고 등 많은 위험을 수반하고 있다. 전기로 설비에는 많은 안정 장치가 도입되어 있으므로 직접 관계되는 큰 사고가 발생하는 일은 드물지만 재료투입, 샘플링. 슬래그 제거작업, 재료의 중간걸림을 떨구는 작업등으로 작업자가 화상이나 눈에 이물질이 들어가는 등 부상을 입을 때가 적지 않다.
이것 때문에 충분한 안전교육을 실시해서 적절한 보호구의 착용과 안전작업의 실시에 유념할 필요가 있다. 화상의 주요원인은 용탕의 비산인데 재료투입시 및 샘플링시 재질조정용 합금을 첨가할 때 특히 주의하여야 한다. 예를 들어, 재질조정용 합금재료를 무심코 투입하거나 습기를 띤 분석시료용 금형에 용탕을 주입하므로서 용탕이 비산하여 화상을 입을 수 있다.
또 슬래그 제거작업에서는 슬래그 제거재를 사용하는 일이 많고 이것이 먼지가 되어 눈에 들어가는 등 다치는 일이 적지 않으나 이에 대한 좋은 방지책은 아직 발견되지 않고 있다.
많은 경우 보호구의 착용으로 방지할 수가 있으나 중요한 것은 작업자가 안전작업에 대한 충분한 지식을 가지고 위험한 작업방법을 취하지 않는 것이 최선책이다.
2.재료예열 (1)예열의 일반적 사항
전기로에 의한 용해는 조업방법이 간단하다는 등의 이점이 있는 반면 아래와 같은 결점들이 있다.
①코우크스나 중유, 등유에 비해 고가인 전기을 열원으로 이용하므로 단가가 높다.
②저주파로와 같이 용탕이 존재하는 로내에 재료를 장입할 경우 재료에 물이 묻어 있으면 장입시에 물이 용탕에 타서 검은 연기가 발생될 때가 있다.
이와 같은 결점을 보충하기 위해 예열로를 사용한다. 특히, 1973년 발생한 제 1차 오일파동이 닥친 무렵에는 전력의 사용제한에 의한 생산성 유지와 대국적인 에너지 자원의 보존, 에너지 경비의 절감 등의 이유로 연구가 진행된 결과 다양한 종류의 예열로가 출현되었다.
또 동북 북해도지구의 저주파로에서는 단가 절감뿐만 아니라 겨울철 눈이 묻은 용해재료의 건조를 위해 예열로를 사용하였다.
이 외에도 예열로는 장입하는 재료를 미리 가열해 놓는 것이기 때문에 당연한 일이지만 로내에서의 용해시간의 단축이 가능하게 되었고, 용해능력의 증가에도 도움을 주었다.
특히 저주파로에 있어서는 <그림 6>과 같이 재료의 녹아내림까지의 로의 효율은 낮으므로 아크로보다 예열의 효과가 크다). 이에 따라 용해공수, 축로비의 절감은 녹아내림까지의물론 아크로인 경우에는 전극비도 낮아진다.
최근에는 오일 파동보다 에너지원에 대한 관심이 적고, 그 사용이 적어지기는 했지만 전기로용의 예열로의 구조, 효과등에 대하여 기술한다.
(2)로의 형식과 예열작업
본격적인 예열로가 개발되기 전에는 코우크그를 연료로한 간단한 것이 소규모인 전기로에서 사용되었다. 그 후 차츰 예열온도가 높고 효율도 좋은 등유(천연 가스가 싼 미국 등에서는 가스를 이용하기도 한다.)등을 연료로 하게 되었다.
저쥬파 유도로나 아크로의 장입 바스켓 또는 로에 장입하기 전에 뚜껑을 설치한 컨베이어, kiln 내에서 버너에 의해 재료를 연속가열하는 <그림9, 10>의 방법이 있다. 이들의 장단점을 <표 3>에 표시하였다.
일반적으로 예열은 배치당 0.5~3t을 15~20분/배치에서 300~60℃까지로 행한다. 따라서 1개의예열 라인에서 1.5~12t/h를 처리할 수 있다. 이 이상을 처리할 때에는 복수의 라인을 설치하던가 버너 스테이션 개수를 늘리면 된다.
(3)예열의 효과
예열로의 형식, 예열하는 재료나 용해로의 종류에 따라 예열의 효과는 다르다. 예를 들어, 컨베이어 타입의 예열 로에서는 재료를 적게 하면 균일하게 예열된다. (단. 예열로의 열효율은 낮아질 염려가 있다. )
여기에다 컨베이어로부터 직접 용해로로 장입이 되면 예열 효과는 더욱 크게 된다. 바스켓 내의 재료를 위 또는 아래에서 가열하는 타입의 로에서는 재료의 충전높이가 높을 때에는 재료가 균일하게 예열되지 않고(무리하게 온도를 높이려 하면 열원에 가까운 곳은 극도로 온도가 올라가서 녹고 만다. )
또, 예열이 끝난 비스켓을 용해로까지 운반하는데 시간이 걸리면 그 온도는 낮아져서 예열 효과가 감소된다. 따라서 예열로를 설치할 때는 로의 구조(열효율이 높고, 또 균일하게 가열이 되는지의 여부), 용해로에의 장입방법과 레이아웃(될수록 예열한 재료를 식히지 않고, 용해로에 장입될 것)을 충분히 검토할 필요가 있다.
한 화사에서 사용하고 있는 예열오의에 있어서 재료의 온도 분포를 <그림 11>에 표시한다. 그림에서 전체의 평균온도는 300~400℃ 정도일 것이라고 추정된다. 가령 300℃로 했을 때의 이 예열로의 열효율은 개략적으로 계산하여 보면 다음과 같다.
ζF=C·(TF-Ta)·W/(qF·aF)
=0.1(350-30)·3000/(8300·14.7)
=66.4%
여기서, ζF: 열효율
C: 재료의 비열, 0.1kcal/(kg℃)
TF: 재료의 예열온도,350℃
Ta: 실온,30℃
W: 재료의 중량, 3톤
qF: 등유의 발열량, 8300Kcal/ℓ
aF: 등유의 사용량,14.7ℓ
위의 예나 지금까지 보고된 연료사용량과 재료 온도의 관계, 전력량의 감소, 용해능력의 증가등의 예를 <그림 12~14>에 표시한다.
이들의 테이터로부터 통상 300~350℃정도의 예열(등유 사용량 5~151/ t)로 8~15%의 전력 절감이 가능하다. 위 예에서는 3t의 재료를 35분으로 4.91/t의 등유를 사용하여 예열할 경우 2kW/t의 전력원 단위를 절감하였다. 또 용해능력도 10~20%정도 증가한 것을 알 수 있다.
상세한 계산식은 생략하고 예열로의 열효율과 등유의 사용량에 의한 재료의 예열온도에 의한 전력절감율 <그림 16> 에 표시한다. 이들의 그림에서 개략의 전력 절감율을 알 수 있을 것이다.
또 100℃ 이상으로 가열하므로 수증기 폭발도 방지할 수 있고 재료에 붙어 있는 유지류도 어느 정도는 연 소되어(단시간의 가열에서는 완전히 연소시키는 것은 힘들다. ) 용해로에서으 재장입시 검은 연기가 발생하는 것을 감소시킬 수 있다.
어느 주물 메이커에서 예열오를 설치하기 전과 설치한 후의 출탕량, 전력원 단위를 비교한 것을 <표 4>에 나타내었다.
이 경우의 경제적인 효과를 계싼하여 보면 <표 5>와 같이 된다. 이 계산에는 생산량 증가 이점, 로의 내화물비의 절감비용이나 설비의 상각비나 운전을 위한 전력비, 수선비 등의 (-)가 되는 비용은 포함되어 있기 않으므로 정확한 효과계산은 아니지만 상당한 효과가 있는 것을 알 수 있다.
(4)예열의 피해
단시간에 재료를 긋속히 가열하면 <그림 11>와 같이 버너에 가까운 부분은 매우 높은 온도로 된다. (역으로 버너로부 터 먼곳의 재료는 거의 온도가 오르지 않고, 재료 전체의 평균 온도는 낮아진다). 이러한 현상은 재료의 산화 손실마모, 용탕의 재질이상, 슬래그의 증가, 내화물 수명의 단축등의 악영향을 가져올 수 있으므로 주의를 요한다.
물론 재료의 층을 얇게 하거나 천천히 가열하여 재료의 전체 부분의 온도를 균일하게 하였다 하더라도 전체적으로 과도하게 고온으로 되면 같은 문제가 발생한다. <그림 17>에 예열온도와 산화손실 마모의 관계를 표시하며 600℃ 이상이 되면 산화손실 마모가 심하게 되므로 가능한 이 온도를 넘지 않도록 관리하여야 할 것이다.
또 산화된 재료를 용해하면 주물에 불량이 날 것으로 생각되지만 상기한 산화손실마모에 의한 화학성분의 변화를 보정만 하면 보통의 예열 정도로는 특별히 문제될 일은 없다.
3. 결 론
이상을 요약하면 다음과 같다.
①예열로의 사용에 의해 전기로의 전력원 단위의 절감, 수증기 폭발의 방지, 기름으로 인한
연기 발생의 방지를 모할 수 있다.
②동시에 용해속도를 빠르게 할 수 있다.
③단600℃이상으로 지나치게 가열하면 재료의 산화가 일어나고 손실이 된다.
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<그림 1>에 저주파 유도로와 고주파 유도로의 용해속도(용해량/영해시간)를 비교하였다. 
<그림 2>는 비슷한 조성으로 입도분포가 다른 세졸류의 가탄재를 사용하여 가탄재의 입도분포와 수율과의 관계를 조사한 것이다. 
실험에 사용한 가탄재의 조성과 입도분포를 <표 2>에 나타내었다. 가탄재 E는 D를 채로 쳐서 0.5mm미만의 것을 약간 줄인 것이다. 이것으로부터 E를 사용한 것이 제조한 그대로의 D를 사용한 것보다 수율이 좋아진 것을 볼 수 있다. 이처럼 가탄재의 가탄 수율은 그 입도분포에 의해 차이가 있으므로 실제 요애작업시에는 사용하는 용해로와 용해 조건에 맞는 가탄재의 입도 분포를 찾는 것이 중요하다. 
여기에서 알 수 있듯이 Si분이 적은 용탕은 Si분이 많은 용탕보다 훨씬 흡탄하기가 쉬워 용해작업중 가탄 할 때에는 Si분을 낮추어 놓으면 보다 빨리 가탄을 행할 수 있다. 
<그림 5>는 실제 고주파 전기로내 용탕의 화학성분의 변화를 표시하였다. 사용한 도가니형 고주파 유도로는 로내치수 ψ 930×h 1650mm, 주파수 500Hz이며 샘플은 용탕량 6.5t을 승온하면서 1400℃에서 3분마다 분석채취하였다. 
또 동북 북해도지구의 저주파로에서는 단가 절감뿐만 아니라 겨울철 눈이 묻은 용해재료의 건조를 위해 예열로를 사용하였다.
본격적인 예열로가 개발되기 전에는 코우크그를 연료로한 간단한 것이 소규모인 전기로에서 사용되었다. 그 후 차츰 예열온도가 높고 효율도 좋은 등유(천연 가스가 싼 미국 등에서는 가스를 이용하기도 한다.)등을 연료로 하게 되었다. 
예열로의 형식, 예열하는 재료나 용해로의 종류에 따라 예열의 효과는 다르다. 예를 들어, 컨베이어 타입의 예열 로에서는 재료를 적게 하면 균일하게 예열된다. (단. 예열로의 열효율은 낮아질 염려가 있다. )
한 화사에서 사용하고 있는 예열오의에 있어서 재료의 온도 분포를 <그림 11>에 표시한다. 
이들의 테이터로부터 통상 300~350℃정도의 예열(등유 사용량 5~151/ t)로 8~15%의 전력 절감이 가능하다. 위 예에서는 3t의 재료를 35분으로 4.91/t의 등유를 사용하여 예열할 경우 2kW/t의 전력원 단위를 절감하였다. 또 용해능력도 10~20%정도 증가한 것을 알 수 있다. 
단시간에 재료를 긋속히 가열하면 <그림 11>와 같이 버너에 가까운 부분은 매우 높은 온도로 된다. (역으로 버너로부 터 먼곳의 재료는 거의 온도가 오르지 않고, 재료 전체의 평균 온도는 낮아진다).
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