설비기술/ 유도가열에 의한 에너지절약 및 응용설비
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유도가열에 의한 에너지절약 및 응용설비
유도 가열 장치가 금속의 용해, 가열, 열처리에 응용되어 광범위하게 보급 된지 20년 정도가 되었다
유도가열 방식은 사용 에너지라는 면에서 보면 이후의 원자력 發電의 發展을 포함해 전기 에너지가 안정 공급의 방향에 있고 효율적인 면에서 보아도 가장 손실이 적은 가열 방식의 하나이고 현재 급격히 이용이 확댁되고 있다.

최근의 특히 OIL SHOCK 이후, 에너지 절약의 움직임에 대해서는 에너지의 소비에 밀접한 연관이 있는 만큼 절실한 문제로서 CLOSE UP 되고 있다.

당사에서 유도 가열 장치의 제작을 시작한 이래 15년간 약 250 대의 장치에서의 실적을 토대로 유도 가열 방식의 효율이라는 관점에서 가열이라고 하는 MECHANISM 그 자체에 관련되는 범위에서 USER 측에서의 실제 작업상의 조건을 가미한 제어성과 구조와의 시점을 덧붙여 에너지 절약에 대해 고찰해 보았다.

1. 서두
공업가열, 다시 말해 금속의 가열, 용해의 방식은 가열 공급방식이고 고온 열원을 이용해 열 에너지의 형태로서 공급하는 방식과 전기 에너지의 형태로서 공급하는 방식으로 대별 할 수 있다. 전자로서는 각종의 연소식 가열로가 있고 그 연료도 고체에서 액체 또는 기체로서의 변화는 있지만 이전부터 고체가 이용되었고 현재에도 많이 시용되고 있다.

후자로서는 유도 가열, 유전 가열, 직접 통전 가열, 전저 빔 가열, 레이저 가열 등의 방식이 있다. 하지만 모두 고온 열원은 사용되지 않는다. 이러한 것들의 방식은 모두 비교적 근대에 개발된 것으로서 각자의 특징이 활용되는 분야에로의 응용이 이루어져 있다.
그 중에서 본지에 게재된 유도 가열 방식은 도전성의 피 가열 재에 자성을 집중시켜 전자 자기 유도 작용에 의해 피 가열 재 자체를 가열 또는 용해시키는 방식이고 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 공업 가열 방식 중에서는 현재 가장 광범위하게 이용되고 있다.

유도 가열은 자동차 공업을 비롯 각종 제조 공정에 응용되고 있지만 특히 철강 분야에서는 지금도 대부분은 가열 에너지가 연소 방식으로 공급되고 있고 유도 가열이 발전할 여지는 많다.

유도 가열의 넓은 응용 범위 중에서 당사에서 가장 제작 실적이 많은 ‘열 가공 분야에서의 가열'에 있어서의 효율 향상, 에너지 절약에 초점을 맞추어 보았다.

2. 유도 가열의 원리
(1) 발열
그림 1과 같이 원주상의 금속의 범위에 감겨 져있는 유도(감응)코일에 교류전류를 흐르게 하면 전자 자기 유도 작용에 의해 피가열 재내에 전류가 발생한다.
이 전류는 다음식에 나 타난 것처럼 내부로 들어감에 따라 지수 함수적으로 감소한다. Ir = Ioβ-γ/Δ (1)
여기에서,
Io : 원주 표면부터 전류 (A)
Ir : 원주 표면부터 r (㎝)의 점에서의 전류 (A)
γ : 원주 표면에서 부터의 거리 (㎝)
ε : 자연 대수의 한계
Δ : 전류의 침투 깊이 (㎝)
침투 깊이 Δ 는 전류치가 표면에서의 최대치의 1/ε 이 되는 위치로 다음식에 나타내어진 다.
Δ=( √1 03/2π )·( √ρ/fμ ) (2)
여기에서
ρ : 피 가열 재의 고유 저항 (μΩ·㎝)
μ : 피 가열 재의 磁氣 투가율
f : 주파수 (㎐)
이와 같이 전류가 표면 부위에 집중한는 현상 (skin effect)에 의해 발생한 유기 전류와 피 가열 재의 고유 저항에서 발생하는 joule 열에 의해 피가열 재의 표면 근처가 발열한다.
그림2 는전류 및 전력의 분포 표1 은 각 재질에 대한 浸透 깊이 관계를 나타낸다.



(2) 적정 주파수
앞에서 서술한 浸透 깊이는 주파수의 함수이고 최적의 이행하기 위해 적절한 주파수를 선정 하는 것이 중요하다.
직경 a(㎝) 의 원주상 피가열 재의 경우 유도 전류에 의한 단위 표면적 당에 투입되는 전 력은 다음식에서 나타나고 있다.
P=( 8π/√10 3×H0× √μfρ×10-7×F(W/㎠) (3)
여기서
Ho : 최대 자계의 강도 (AT/㎝)
F : a/Δ의 함수 (그림. 3 참조 )
그림. 3에서 알 수 있듯이 a/Δ의 수치가 대략3 이상의 주파수를 선정 하는 것이 효율적이 다. 또 a/Δ가 매우 큰 수치가 되는 주파수에서는 원주 표면에 전력이 과잉 집중 해서 표 면에서만 발열이 발생 균등성에 문제가 있기 때문에 부적당하다.

3. 에너지 절약 대책
(1) 에너지 분포
원주상의 금속을 가열하는 가열 장치에 있어서 소비 전력의 내역을 극히 일반적인 사례에 서 보자면 그림.4 와 같다.
앞으로 알 수 있겠지만 가열 효율은 약 65%이고 전력의 발전, 송전의 종합효율 약 35%을 가해도 약 23%의 에너지 변환 효율이 된다.

한편 종래 방식의 중유 연소로에서의 통상적 열효율은 10-15% 이었기 때문에 유도 가열 방식의 우위성은 입증할수 있지만 본지에서는 언급하지 않겠다.
아래의 내용 그림.4에 나타낸 각 소비 전력마다의 감소 방법을 에너지 절약이라는 관점에서 유추해 본다.

(2) 가열 효율의 향상
1)유효 전력
어떤 온도까지 상승하기 위해 필요한 에너지는 피 가열 재의 밀도, 비열, 온도에 의해 정해지는 것이기 때문에 각종 금속의 HEAT CONTENTS을 그림.5 에 나타내었다.
유효 전력은 물질 고유의 물성치이고 변경의 여지는 없지만 LINE 전체로서 가열 온도를 낮게 하는 것에 의해 필요 전력을 전력을 감소시킬 수 있다. 이러한 견해의 일례로서 열간 단조를 온간 단조로 하는 움직임이 있지만 이러한 것들은 단조 기술 분야의 문제이다.

2) 유도 (감응) 코일 효율의 향상
유도 가열 코일은 水冷 동관을 휘감은 내면에 내화재를 배치, 피 가열 재의 진행 가이드에는 水冷 금속관으로 만든 SKID RAIL이 놓여져 있다. (그림.6)
€ 코일의 COPPER 손실 감소 대책
A. 코일 경
피 가열 재의 직경에 대해 수 냉 동관의 내경을 작게 구성하는 것은 효율적이지만 기계적, 열적 제약에 의해 어떤 일정한 간격이 필요하다. 코일의 전기 절연, 내화재의 재질의 선정, 시공 방법등에 의해 이 간격을 작게 하고 코일 내의 단면에 대한 피 가열 재의 점 적 율을 높이는 것에 의해 코일의 COPPER 손실을 감소 할 수 있다.

또 피 가열 재와 내화재와의 간격도 피 가열 재의 치수 정밀도, 절단 정밀도를 향상 시키 는 것에 의해 좁힐 수 있고 SKID RAIL의 구조개량에 의해서도 좁힐 수 있고 이러한 것들 은 모두 코일 COPPER 손실 감소에 연관이 있다. 그림.7 은 코일 동관 내경과 가열 전력의 관계를 나타낸 것이다.

B 장척 코일
통상, 코일은 水冷角 동관이 SPIRAL(나선형)상에 감겨져 각 동관은 절연 처리되기 때문에 동관의 간격이 필요하게 된다. 이 간격은 작은 쪽이 코일 도체의 점적 율이 크고 같은 전류 치에서도 전류 밀도가 작게 되어 COPPER 손실이 작게 된다.
마찬가지로 피 가열재의 진행 방향에 대해 코일이 길게 필요한 경우는 짧은 코일의 편성보다도 긴 코일을 사용하는 편이 긴 방향에 있어서의 코일 도체의 占積率이 커지고 COPPER 손실이 작게 된다.

이러한 장척 코일은 내화재, 절연재의 재질의 선정, 시공 기술에 의해 실현 가능한 것으로서 예를 들면 0.5m(길이) X3 개로 구성되는 코일을 1.5m(길이) X1개로 하는 것에 의해 약10%의 COPPER 손실을 감소 시킬 수 있다.

C. 다층 감김 코일
코일 동관을 흐르는 전류도 SKIN EFFCTD에 爐床의해 내경 측에 집중해 흐르기 때문에 동관 코일 내경 측의 두께는 통상, 9/√f(㎝)이상으로 하는 것이 바람직 하다.
이코일 전류의 밀도를 더욱 내려, 코일의 COPPER 손실을 감소 시키기 위해서 코일을 다 층으로 감는 방법이 있다. 이 적용은 비교적 대전류가 요구되는 상용 주파 코일로서 다층 감기에 의한 코일 내경의 확대는 그다지 큰 영향이 없고, 직경이 큰 코일에 적용된다. 또한 가열성, 보전성을 고려, 이 적용 범위를 선정할 필요가 있다.

® SKIN RAIL 손실의 감소 대책
수냉 된 SKIN RAIL은 피 가열 재로부터의 복사, 전도에 의한 열의 이동뿐만 아니라 금속 관에 직접 유도 가열 되는 현상과 합쳐져 그 에너지 손실은 2-5%가 된다.그래서, SKIN RAIL을 시수냉화하는 시도는 이전부터 많이 시행되어 오고 있지만 당사에서는 최근 아래의 시도를 했고 그 결과는, 내구성을 포함 실장 운전에서 확인 중이다.
a. 초 내열 합금
고온 특성의 뛰어난 합금으로 주로 코발트 계, 니켈 계의 초 내열 합급이다.
b 세라믹
SIC의 노상에 세라믹(A1 2, O 3, 또는 Si, 3 N 4)을 배치하고 피 가열 재를 이 세라믹 위 에서 이동시켜, 반송시키는 것이다.

- 방사 손실의 감소 대책
피 가열 재의 표면에서부터의 복사열은 그대로 공기 중에 복사되는 것과 코일 내면 내화재 를 통해 코일 동관의 냉각수데 의해 열 에너지로서 반출되는 것이 있다.
전자에 대해서는 피 가재의 노출부분, 열 복사 부분을 단열재로 덮고 후자에 대해서는 내화 재와 코일 동관의 사이에 당열재를 통해 열에너지의 손실을 방지한다.

통상 이러한 단열재 로서는 열 전도도가 낮은 A1 2 O 3 WOOL이 이용된다. 이것에 의해 코일 동관 내경이 커 지고 그 때문에 COPPER 손실이 증가하는 역 효과를 고려해 검토할 필요가 있다.

3) 주파수 변환기의 효율 향상
각 가열 목적에 일치하는 주파수를 얻기 위해서의 방법으로서 주파수 遞倍장치, 전동 발전 기, THYRISTOR INVERTER, 진공관 발신기등이 있지만 본지에서 다루고자하는 가열영역 에 관해서는 10㎑ 이하가 대부분이고 이 영역에 있어서는 종래 전동 발전기가 이용되어 왔 지만 최근 전자분야의 발전과 함께 THYRISTOR INVERTER로 대체되어 가고 있는 실정 이다.

그림.8은 THYRISTOR INVERTER와 전동 발전기의 주파수 변환 효율을 비교한 것이다.또 한 THYRISTOR INVERTER에 있어서는 주파수 변경이 비교적 간단하기 때문에 적용되는 피 가열 재의 직경에 따라 효율적인 주파수로 변경하는 것에 의해 효율적 운전을 하는 것도 가능하다.

(3) 가열에너지의 유효 이용
금속 가공 분야에서 가열 온도의 불안정, 전후 공정과의 연계등에 있어서 제품이 되지 않 는 피 가열 재로의 필요없는 투입을 억제 할 수 있는 방법을 2,3예를 아래에 서술하겠다.

1) 가열 개시 시 온도 보상 제어
연소로에서는 작업 시작 시의 ‘예일’이 필요한 것에 비해, 유도 가열에서는 ‘순간적으 로 발화된다’.라고는 하지만 코일의 내면 내화재 온도가 포화상태가 될 때까지의 과도기는 가열온도의 불안정함으로 인해 결과적으로 필요 없는 가열을 해버리게 된다.

이것에 대해서 는 가열개시의 어느 일정기간, 전력의 투입량을 제어, 가열 온도를 안정화시키고 아울러 가 열 정지 후의 코일 내면의 냉각 과정에서의 재 기동에 대해서도 제어를 이행하는 것에 의 해, 에너지 절약을 꾀한다.
그림9.는 본 제어가 실시된 경우의 우위성을 나타낸 데이타이고 일반적인 가열 개시와의 비교를 나타내고 있다.

2) 미속 이송 보온 제어
유도 가열의 후 공정(주로 단조 PRESS)의 상황에 따라 가열을 일시 중단하는 경우의 대 응으로서 보온 제어가 이용되고 있다. INDUCTOR COIL(유도 감응 코일)의 HEAT PATTERN을 고려해 가열 재개 시의 편리를 도모하기 위해 ‘정지보온’, ‘STEP UP보 온’ ‘간헐 이송보온’, ‘미속 이송 보온’등이 개발 되었지만 당사에서는 ‘미속 이송 보온’을 가장 효율적인 방법으로서 실용화 하고 있다.
그림10.은 본 미속 이송 보온 제어를 이용, 가열 재개한 경우의 우위성을 나타낸 데이타이고 본 제어를 이용하지 않는 일반의 가 열 재개의 경우와의 비교를 나타내고 있다

3) DUMMY BAR
가열 종료 시, 코일 내의 피 가열 재를 낭비 없이 배출하는 수단으로서 고주파 자계 안에 서도 가열괴기 어려운 재질, 형상을 가진 DUMMY BAR을 이용한다. 재질은 내열성, 비 자 기성 및 가공성을 갖춘 Ni-Cr 강이 이용된다.

4) DUMMY BILLET
앞서 말한 DUMMY BAR에서는 작은 양이지만 전력 소실이 따른다. 이것에 대해, 비 금속 의 세라믹 등에서 피 가열 체와 같은 형상의 DUMMY BILLET을 사용하는 것에 의해, 전 력 손실을 더욱 감소 할 수 있다.
본 방식에 있어서는 DUMMY BILLET의 회수 및 DUMMY BILLET와 피 가열 재간의 자기의 급격한 변화에 의한 局部 가열에 주의가 필요 하다.

(4) 에너지 절약을 목적으로 한 금속 가공 라인 구성
1) 전원의 복수 분할
€ 2중 주파수
최적 주파수가 금속의 물성 치에 의해 결정되는 것은 앞에서 말한 대로지만 磁性 鋼에 있 어서는 특히 자기 變態点을 경계로 해서 적용 주파수가 달라지기 때문에 하나의 라인에 2종 류의 주파수를 적용해 가열 효율을 높이는 방법이 이용되고 있다.

® 순차 기동, 정지
전원을 복수로 분할해, 가열 개시 시 및 정지 시에 전원장치의 순차 기동, 정지를 가능하게 하는 것에 의해, 피 가열 재가 존재하고 있지 않은 코일에는 전류를 통과 시키지 않고 무 부하 운전에 의해 손실을 없애는 것이 가능하다.

- 경 부하 시의 고 효율 운전
전원을 복수로 분할 하는 것에 의해 경 부하 시에는 INDUCTOR COIL 후단에 전력을 집 중시켜 극단적인 경우에는 전단의 전원을 이용하지 않고 운전하는 것에 의해 가열 효율을 높이는 것이 가능하다.
일례로서30%부하 시에 전반 전원을 분리하는 것에 의해 약20%의 효율이 높아진다. 이것은 방사 손실 및 레일 손실의 감소가 크게 기여하고 있다.

2) SCALE 손실의 감소
가열 과정에서 피 가열 재가 공기에 접촉하기 때문에 산화 현상이 일어나고 피 가열 재의 표면의 일부가 SCALE로서 손실되게 된다.
이 양은 연소로에서 약3%인 것에 비해 통상유 도 가열에서는 0.5%정도라고 말해지지만 이 수치를 더욱 작게 하는 방법으로서 아래의 대 책이 있다. 이러한 것들은 에너지 절약의 면 이외에, 자원 절약이라는 관점에서도 의미 있는 것이라고 할 수 있다.

€ 무산화 가열
가열 과정에 피 가열 재의 주의를 무산화 상태로 하는 것에 의해 SCALE의 발생을 억제하 는 것으로서 이 무산화 가열의 실현에 의해 품질의 향상도 기대할 수 있다.
구체적 방법으로서는 다음의 두 가지 방법이 고려되고 있다.
A. 불활성 가스, 환원가스 (N2, NX, DX 가스등) 의 NDUCTOR COIL (유도 감응 코일) 안 으로의 봉입.
B. INDUCTOR COIL 의 출입구에 FRAME CARTON을 설치 한다.

® 승온(온도 상승) PATTERN 의 개선
가열 완료 시의 균열성이 요구되어 조금더 INDUCTOR COIL 길이를 짧게 하기 위해 INDUCTOR COIL 전단에서의 전력 투입을 크게 하는 ‘급속 가열’ 의 수단이 사용되고 있지만 이 경우, 피 가열 재의 표면 온도는 빠른 시졈에서 고온이 되고 SCALE 발생의 관 점에서 보자면 불리해진다.

이러한 몇 가지의 요구를 만족시키기 위해 주파수 선정 및 INDUCTOR COIL에서의 승온 PITTERN의 최적치를 산정해 내는 것이 필요하다.
이러한 것 들에 필요한 COIL DESIGN은 전기자기 계산, 열 계산의 집약된 것으로서, 실제의 데이타도 충분히 FEED BACK시켜 행해진다.

4. 결론
금속 가공의 라인에 있어서 유도 가열은 열악한 환경이나 작업 조건에서 운전되는 경우가 많고 에너지 절약의 연구는 작업성, 내구성, 보전성 등의 실용적인 면을 무시하고서는 생각 할 수 없다. 또한 에너지 절약 대책은 장치 그 자체의 개량에 의한 것과 운전, 작업적인 면 에서 개량되는 것이 있다.
특히 후자에 경우는 USER여러분의 협조 없이는 발전할 수 없는 것이다.

열 가공 라인의 일반적 형태인 강봉의 절단, 가열, 절단, 단조의 소위 ‘HOT CHASSIS STEM’ 은 이후의 흐름으로서 보여지고 있고 그 외 가열 온도를 FEED BACK하여 전력 을 CONTROLL하는 시스템이나 COMPUTER의 도입 등을 조화시켜서 에너지 절약, 기계화 를 통한 인력 절약, 품질향상을 지향하는 방향의 발전이 기대된다.
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