기술자료: Intelligent 시스템의 설계 및 개발 (I)
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
Intelligent 시스템의 설계 및 개발 (I)
-절연 Closed 코일 가열 시스템 모델링을 이용한유도가열 시스템의 개발-
(주) 인성기전 부설 연구소 수석 연구원 정 홍 규
Design and Development of an Intelligent System (I) : Development of an Induction Heating System Using the Insulated Closed Coil Heating System Modeling

Abstract

Open coil induction heating is not adequate to cost effectively develop induction heating process parameters for new billet materials and coil geometries. Therefore, in this work, ANSYS routines specialized by H. K. Jung (Hong-Kyu Jung) were developed to calculate optimal heating cycles and the resulting billet temperature distributions, and to optimize induction heating system. The optimal heating cycle rapidly heats the billet to a homogeneous temperature without overheating. The results of this study illustrate an insulated closed coil heating system modeling to obtain a uniform temperature distribution and the calculated billet temperature distribution for each location during induction heating process.

Key words:
Intelligent system (Intelligent 시스템), Insulated closed coil heating system modeling (절연 closed 코일 가열 시스템 모델링), Induction heating system (유도가열 시스템)

1. 서 론

대부분의 금속 부품들은 완전 고체상태 (단조)나 완전 액체상태 (주조)에서 제조되는 반면에 반용융 성형공정 (Semi-solid forming process)은 주조와 단조의 장점을 이용하여 정형부품 (Near-net-shape part)을 제조하는 공정이라 할 수 있다. 1970년대 초반 MIT에서 발견된 반용융 (SSM)공정은 딕소트로피(Thixotropy)와 전단력이 작용할 때 고상이 유체처럼 작용하는 거동하는 물리적인 상태에 초점을 맞추었다.
SSM 공정은 합금의 응고속도를 제어하는 동안 기계적 교반 또는 전자기 교반에 의해 생산되는 비(非)덴드라이트 원소재나 분말야금 (Power metallurgy)
또는 스프레이 성형에 의해 제조되는 미세 결정립 소재를 필요로 한다. 보통 빌렛 형태의 원소재는 고액공존 영역까지 가열되고 정형부품을 제조하기 위하여 금형내에서 성형된다. Fig. 1은 정형부품을 제조하기 위한 SSM 공정을 개략적으로 도시한 것이다.



Fig. 1. A schematic illustration of the semi-solid forming processes classified thixoforging and thixocasting


SSM에 의해 제조된 부품들은 주조품보다 높은 강도를 가지고 단조품보다 적은 비용으로 제조될 수 있다. 반용융 성형공정은 본질적으로 고압 다이캐스팅 (HPDC)과 관련된 기공이 없는 우수한 부품을 양산할 수 있다.
따라서 영구 주형주조 (Permanent mold casting)와 유사한 기계적 성질을 개발하기 위하여 적은 비용으로 열처리가 가능하다.
단조품과 구조용 합금으로 제조된 반용융 성형품을 비교하면, 기계적 성질은 유사하나 제조공정 단축으로 인하여 비용이 적게 든다는 사실을 확인할 수 있다.
1970년대 초반에 반용융 성형공정의 원리가 알려졌지만 폭넓은 산업적 응용을 위해서는 맞춤합금 (Tailored alloy)의 개발, 재료물성 및 적절한 공정 모델의 개발이 선행되어야 할 것으로 사료된다.
새롭게 인식되고 있는 산업공정으로서 SSM 공정의 이행은 장비구매, 숙련된 기술자 및 적절한 응용기술의 필요성을 암시하고 있다.

2. 통합 자동화된 유도가열 시스템

2.1 절연 Closed 코일 가열 시스템 모델링을 이용한 유도가열 공정의 시뮬레이션
오픈 코일 유도가열은 종종 SSM 빌렛을 가열하는데 사용된다. 사전 경험, 경험적인 데이터 및 실험적인 노하우는 자주 유도가열 공정 제어법을 개발하는데 이용된다. 그러나 이러한 접근법은 새로운 빌렛재료, 코일의 기하학적인 형상 및 새로운 파워 제어 시스템을 위한 제어 파라미터를 비용 효율적으로 개발하는데 충분하지 못하다.
따라서, 정홍규에 의해서 특별한 ANSYS 루틴이 최적 가열 사이클 및 빌렛 내부의 온도분포를 예측하기 위해서 개발되었으며 유도가열 시스템 설계를 최적화하기 위하여 새로운 CAE 기법 및 절연 Closed 코일 가열 시스템 모델링 기법이 개발되었다. 최적 가열 사이클은 빌렛을 과열 (Overheating)없이 균일한 온도까지 급속 가열할 수 있도록 하였다.
Fig. 2와 Fig. 3은 절연된 closed 코일 가열 시스템의 모델링 및 유도가열 공정동안 각 위치별 계산된 빌렛 내부의 온도분포를 나타내고 있다. 절연 closed 코일 모델링을 통하여 빌렛 내부의 균일한 온도분포를 얻을 수 있었다.



Fig. 2. An insulated closed coil heating system modeling for the prediction of the temperat


Fig. 3. The calculated billet temperature distribution for each location during the induction heating process using the insulated closed coil heating system modeling.


2.2 절연 Closed 코일 가열 시스템을 이용한 빌렛 유도가열 시스템



Fig. 4. An induction heating system used in heating billets to a semi-solid state for the semi-solid forming process.


Fig. 4는 반용융 성형공정을 위하여 반용융 상태까지 빌렛을 가열하는데 사용된 유도가열 시스템을 나타내고 있다.
이 시스템은 컨베이어, 위치이송 로봇, 인텍싱 테이블, 세 개의 가열 스테이션을 가진 코일 리프팅 플랫포옴, 두 개의 100 kW 전력 공급기, 한 개의 50 kW 전력 공급기 및 탈염수 (Demineralized water) 냉각 시스템으로 구성되어 있다.
시스템은 SSM 공정 제어 워크스테이션과 인터페이스된 PLC에 의해 제어된다.
절연 Closed 코일 가열 시스템 모델링을 이용하여 개발된 빌렛 유도가열 시스템의 특징은 다음과 같다:
전체 가열용량: 250 kW
전력 공급기의 주파수 범위: 1∼10 kHz
광학섬유, 고온 측정 및 제어 시스템
가열 시스템 파라미터를 설정하기 위한 인터페이스 스크린
빌렛 사이즈 범위: d (직경)×l (높이)=2 in×2 in ∼ 6 in×6 in
최대 빌렛 중량: 50 lbs

3. 결 론

정홍규에 의해서 특별한 ANSYS 루틴이 최적 가열 사이클 및 빌렛 내부의 온도분포를 예측하기 위해서 개발되었으며 유도가열 시스템 설계를 최적화하기 위하여 새로운 CAE 기법 및 절연 Closed 코일 가열 시스템의 모델링 기법이 개발되었다.

Acknowledgements
본 연구를 수행할 수 있도록 항상 세심한 배려를 아끼지 않은 (주) 인성기전 직원 여러분들께 감사의 말을 전합니다.

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H. K. Jung : Chief Researcher of Institute of Insung Electrical Machinery Industry Company
Tel: 055-323-5701~4, Fax: 055-323-5705
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