01 . 발열체 ( 發 熱 體 - HEATING ELEMENTS )
- 고유저항이 클 것.
- 용융 또는 연화하는 온도가 높을 것.
- 고온에서도 화학적으로 견고하고 쉽사리 산화되지 않을 것.
- 압연 또는 조형 등 가공하기 쉬울 것.
- 팽창계수가 적을 것.
상기 예 이외에도 발열체는 장착이 편리한 형태로 제작되어야하고 표준화되어 유지보수가 자유롭게 활용되어야 하며, 실용적이고 가격이 저렴할 것이 요구된다.
간접 식 저항가열로 ( 전기로 )에 주로 사용되어지고 있는 발열체의 종류 및 특성은 다음과 같다.
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종류 |
구분 |
재 질 |
최고온도 |
형상 |
특 성 |
|
금속 |
합금 |
니크롬 |
1100 ℃ |
환선 |
용접이 가능하여 가공 및 취급이 용이 하다 |
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철 크롬 |
1150 ℃ |
환선 |
Ni-Cr 보다 약간 가공성이 떨어지나 값이 저 렴하다 | ||
|
철.크롬.알미늄 |
1400 ℃ |
환선 |
철 크롬과 비슷하나 고온 사용이 가능하다 | ||
|
순금속 |
Molybdenum |
1750 ℃ |
환선외 |
산화 및 침화가 쉽게 되므로 진공 또는 수소 분위기 하에서만 사용이 가능 | |
|
비금속 |
고온용 |
탄화규소 |
1600 ℃ |
봉상 |
요업제품으로 가공이 불가하며 사용시간이 지날수록 저항값이 증가하는 부 저항 온도계 수가 크다는 단점이 있으나 가격이 저렴하여 중 고온용 전기로에 많이 쓰이고 있다. |
|
MoSi 2 |
1800 ℃ |
봉상 |
고온에서 재결정화하며 분위기 가스 하에서 의 최고온도 사용에 제한 있으며, 내산화성 이 뛰어나고 사용시간에 따른 전기적 특성 변화가 없다는 장점이 있다 | ||
|
란탄 |
1800 ℃ |
봉상 |
물리적인 충격이 MoSi2 보다 강한 편이나, 승온 시간이 늦으며 가격이 비싸다. | ||
|
초고온용 |
흑연 |
3000 ℃ |
관 |
산화가 쉬우나, 가공이 용이하고 분위기 하에 서 초고온까지 사용 가능하다. 특히 열 내구 성이 강하며 열전도도가 좋고, 열팽창계수가 낮고 가벼운 특징이 있어 진공로의 발열체로 주로 사용되고 있다. | |
|
지르코니아 |
2100 ℃ |
봉상 |
산화분위기에서 초고온까지 사용할 수 있다는 장점이 있으나 가격이 비싸다는 흠이 있다. |
02. 내화재
올바른 내화재의 선택은 전기로의 수명을 연장 시킬 뿐 아니라 爐 내의 열 분포도를 향상 시키는 역할도 한다. 고로, 단열 Insulation이 요구하는 조건은 우선, 열전도율이 낮고, 고온 하에서의 강도도 좋고, 경량이며 고온 하에서 화학적으로 안정해야한다.
그러나 이러한 조건들을 동시에 만족시키는 이상적인 내화물은 아직까지 개발이 되어 있지 않다. 따라서 보통 전기로를 제작할 때 즉, 축로를 할 때 爐 내화벽을 3겹으로 하는 것을 기본으로 하고, 각 내화 겹 별 종류 선택을 아래와 같이 하고 있다.
|
구 분 |
사 용 내 화 재 의 종류 |
|
爐 내에 직접 닿는 내화재 |
단열성과 경량을 특성으로 한 고온 강도가 크고 화학적으로 안정되 며, 고밀도인 내화보드 또는 내화연와를 사용한다. |
|
爐 중간층 내화재 |
고온에 대하여 단열성이 높은 규조토 등의 다공질 내화 단열보드 또는 연와를 배치한다. |
|
爐 외측 내화재 |
저온용이어도 상관없으나 강도가 매우 우수해야하며 경량으로 단열 성이 좋은 규산칼슘과 초자섬유를 소재로 한 보온재를 이용한다. |
하지만 상기 조건은 일반적인 ( 실험/ 연구용) 예이며, 爐의 형식에 따라서 爐 벽 구조나 사용법이 상이하게 변할 수 있다.
- 연속식 ( CONTINUOUS ) 爐 의 내화벽 구조
연속로인 경우 주야 는 물론 상당한 시간 동안 로를 가열 하므로 소비전력 소모가 적어야 되므로 열손실을 최소화 시켜야한다. 고로, 爐 벽은 일반적으로 두껍게 설계 되어야 하며 내화물은 주로 Insulating Brick ( 내화연와)을 사용 하는 것이 적절하다
- 비 연속식 ( BATCH ) 爐의 내화벽 구조
BATCH 로의 경우는 정상 상태에서의 운전 전력이 크지 않고, 또한 정상상태가 되기까지는 시간이 걸리는 단점을 가지고 있다. 따라서 작업 Cycle 이 짧은 Batch Furnace의 경우 爐벽이 너무 두꺼울 경우 긴 냉각 시간 때문에 작업 Cycle을 처리하기가 곤란하다는 단점이 있다. 그러므로 Ceramic Fiber Board로 만들어진 단열재는 Batch Furnace에 있어서 최적의 재료이다. 내화연와에 비해 경량 성 면 및 열 흡수 방출이 뛰어나기 때문에 승온 전력과 승온 시간의 절감으로 효용가치가 크기 때문에 현재 대부분의 저항가열로가 이 제품을 사용 하고 있다. 그러나 기계적 강도를 필요로 할 때에는 다른 강도가 큰 구조 재를 사용하기도하고, 압축하여 단단하게 조이는 방법도 운영 되고 있다
- 특수 내화물
주로 피열물의 적재 판 및 이동할 때 치구로 사용되는 붕 판, 대판, 갑봉, 스키드 레일 , Muffle ( Retort ) 등의 특수 내화물은 열강도가 있으며 피열물의 결합제와도 화학적으로 반응하지 않아야 되기 때문에 내화재와는 달리 특수 내화물로 제작되어야하며, 요구되는 특성은 아래와 같다.
1. 급열 및 급 냉에 강 할 것
2. 고온 강도가 있어야 할 것
3. 열전도가 높고 온도가 신속하게 균일해야함
4. 내마모성이 좋아야함
5. 피열물 및 爐 분위기 성분과 화학적 반응이 없어야 함
03. 온도측정 장치
일반적으로 온도측정 장치는 온도를 감지하는 측온부와 측온부로 부터 감지한 온도를 직접 또는 간접적으로 온도를 표시하는 표시부로 구성되어 있으며 그 측정원리에 따라 접촉법과 비 접촉법으로 구분 된다.
- 접촉식온도계의 종류
- 액체의 열팽창을 이용한 유리제 온도계 및 수은 충만 식 온도계
- 금속의 열팽창을 이용한 Bimetal 온도계
- 색의 변화를 이용한 측 온 Tape
- 열기전력 ( emf )을 이용한 열전 식 온도계
- 열에 의한 저항변화를 이용한 저항 식 온도계
- 비접촉식 온도계의 종류
-측정대상에서 발하는 빛에 계기의 전구 Filament 색을 일치시켜 측정하 는 광고온계 및 적외선 방사를 이용한 방사온도계
상기와 같이 온도계에는 여러 형태가 있으나 전기로에는 주로 열전대식 온도계 ( Thermocouple) 와 방사온도계 ( Pyrometer )를 사용하고 있다.
- A 열전식온도계 ( THERMOCOUPLE )
“C" TYPE 열전대재 질
+ 쪽 ( CP)에 95%의 텅스텐 ( tungsten ) 과 5%의 레늄(rhenuim)
- 쪽 ( CN)에 74%의 텅스텐 ( tungsten ) 과 26%의 레늄(rhenuim)사용온도범위
0 ℃ - 2315 ℃
B" TYPE 열전대
재 질
+ 쪽에 로듐 (Rh) 30%를 포함한 백금(Pt) 로듐 (Rh) 합금
- 쪽에 로듐 (Rh) 6%를 포함한 백금(Pt) 로듐 (Rh) 합금사용온도범위
70 ℃ - 1700 ℃
R" TYPE 열전대재 질
+ 쪽에 로듐 (Rh) 13%를 포함한 백금( Pt) 로듐 (Rh) 합금
- 쪽에 순 백금 (Pt)사용온도범위
0 ℃ - 1600 ℃
“S" TYPE 열전대재 질
+ 쪽에 로듐 (Rh) 10%를 포함한 백금( Pt) 로듐 (Rh) 합금
- 쪽에 순 백금 (Pt)사용온도범위
0 ℃ - 1550 ℃
“K" TYPE 열전대재 질
+ 쪽에 크롬(Cr)을 약 10%를 포함한 니켈(Ni) 크롬 (Cr) 합금( Chromel )
- 쪽에 알루미늄 (Al) 망간(Mn)을 조금 포함한 Ni 합금 ( Alumel)사용온도범위
0 ℃ - 1200 ℃
E" TYPE 열전대재 질
+ 쪽에 크롬(Cr)을 약 10%를 포함한 니켈(Ni) 크롬 (Cr) 합금( Chromel )
- 쪽에 구리 (Cu) 55% 와 니켈(Ni) 45% 합금 ( Constantan )사용온도범위
소선의 지름이 1.0mmØ 일때 0 ℃ - 550 ℃
소선의 지름이 3.2mmØ 일때 0 ℃ - 750 ℃
“T" TYPE 열전대재 질
+ 쪽에 순동 ( Cu )
- 쪽에 구리 (Cu) 55% 와 니켈(Ni) 45% 합금 ( Constantan )사용온도범위
소선의 지름이 1.0mmØ 일때 0 ℃ - 200 ℃
소선의 지름이 3.2mmØ 일때 0 ℃ - 300 ℃
- B 비접촉식 온도계
물체가 온도에 따라 표면에서 나오는 복사에너지의 세기에 의해 물체의 온도를 측정하는 계기로 철강, 자동차, 전기등 여러 분야에서 사용되어지고 있으며 저항가열로의 경우 열전대 ( Thermocouple ) 사용에 한계가 있는 2000 ℃ 용 Zirconia 발열체 전기로 및 초고온용 진공로 등에서 이용되며 비접촉식 온도계의 종류는 광고온계 ( Optical Pyrometer ), 방사온도계 ( Radiation Pyrometer ), 광전 판 온도계 및 색 온도계 등이 있다.
- 방사온도계 ( RADIATION PYROMETER )
일반적으로 물체는 발광하는 온도 ( 약 600 ℃ ) 보다 훨씬 낮은 온도에서도 방사를 한다. 따라서 피 측온 물체의 표면에서 나오는 전체 방사에너지를 렌즈 또는 반사경으로 모으고, 열전대열에 흡수시키면 이 열전대의 열의 온도가 상승한다. 이 원리를 이용한 것이 방사온도계이다.
방사온도계 ( 복사온도계 )는 원리적으로는 열복사에 관한 슈테판 볼츠만의 법칙 및 빈의 변위 법칙을 기초로 하였으며 직접 접촉 할 수 없는 물체, 예로 제강중인 저항가열爐 內의 온도 측정에 주로 사용되어 왔다. 넓은 파장 영역에 걸쳐서 대상물로부터 복사열을 수집하고, 그것의 전체 Energy 로부터 온도를 구하는 방식으로 광고온계와는 달리 비교적 저온 ( -50 ℃ )도 측정할 수 있으며 응답이 신속해 다양한 분야에 사용되어지고 있다.
주로 쓰이는 사용범위는 200 ℃에서 3000 ℃ 까지 이며 보편적으로 정밀도는 ± 7.5 ℃ 정도이다
- 광고온계 ( OPTICAL PYROMETER )
방사고온계가 전방사선을 측정 하는데 반하여, 가시부분의 단색광을 취하여 측정하는 고온계를 광고온계라 한다. 광고온계는 측정물의 휘도( 輝度 )를 표준램프의 휘도와 비교하여 온도를 측정하는 것으로 700 0 C를 넘는 고온 체, 특히 직접 열전대식 온도계를 사용 할 수없는 고온 체의 온도를 측정 하는데 이용 된다. 광고온계의 주(主)가 되는 구조는 측정 물을 관측하는 렌즈속의 전지와 가변 저항을 직렬로 접속하여 휘도를 조정하는 램프가 있다. 접안렌즈를 들여 다 보면서 렌즈의 시야 내에서 배경으로 되어있는 측정물의 휘도와 동등해 지도록 조절하면, 그때 전류계에 측정물의 온도를 확인 할 수 있는 방법으로 정밀도는 1000 ℃에서 2000 ℃ 의 측정범위를 놓고 볼 때 ± 10 ℃ 내외이다 .
또한 가시광선 중 적색 단색광선 ( 파장 0.65 μ)에서 측정 할 수 있도록 접안렌즈에 적색 Filter를 부착하여 사용 하는 경우도 있다
04. 온도 및 전력 조절 장치
피열물을 원하는 溫度로 열처리하기 위해서 열원인 가열 電力을 加減하는 것을 온도 조절 또는 온도 제어라고 한다. 그중에서도 일정온도로 유지하는 것을 정치제어 ( 定置制御 ), 온도를 시간의 경과와 함께 미리 정해진 대로 변경시키는 것을 프로그램 제어 라고 한다. 온도 조절장치는 크게 檢出 부 및 制御造作 부 두 가지로 구분되며, 주요 소재로는 온도조절기 (Temperature Controller), 전력 조절기 (Thyristor), 변압기 (Transformer) 등이 있으며 사용 용도는 다음과 같다.
A 온도조절기
일반적으로 저항 가열로에서 사용하는 온도조절기(Temperature Programmable Controller )는 열전대, 측 온 저항 장치, 직류 전압 등의 입력을 받아 P.I.D ( 비례. 미분. 적분) 제어에 의해 Relay, S.S.R, 전류 출력 등으로 제어한다. 입력주기 ( Sampling 주기)가 100ms 측정 입력정도가 ± 0.1 % F.S 의 성능을 가지고 있어서 온도 제어와 입력응답이 빠른 유량, 압력제어 등에도 사용되어지고 있다.
보편적으로 전기로의 온도를 조절하는 Temperature Controller는 조절 동작에 따라 분류되며 내용은 다음과 같다.
- ON-OFF 동작 형
Process를 예로서 설명 하면 제어 량이 목표치 ( 설정치 )보다 작은가 또는 큰가, 즉 그 편차의 극성에 따라서 값 ( Value )을 전개 또는 전폐 시키는 방법으로 Process에 최대 열량을 공급하거나 공급하지 않는 방식으로 전폐의 2위치 제어 하므로, ON-OFF 제어라 한다.
- 비례 동작 형 ( PROPORTIONAL CONTROL )
비례 제어란 조작 량의 편차에 비례하여 연속적으로 변화하는 제어방식으로 제어 량의 변화에 따라 Control Value가 연속적으로 제어되는 형을 말한다.
- 적분 동작 형
적분제어란 조작 량이 시간의 적분에 비례하는 제어방식으로 편차가 존재하는 한 조작 량도 계속 변화하여 편차가 없어지는 곳에서 안정된다는 원리를 이용한 것이다.
즉, 적분제어에서는 OFFSET 현상이 없다는 이야기다.
아울러 적분 시간이 짧을수록 편차에 대하여 강한 수정 동작을 하며 이 때문에 비례동작과 조합하여 PI ( 비례적분 ) 동작으로 널리 사용된다.
- 미분 동작 형 ( DERIVATIVE CONTROL )
미분동작은 단독으로 사용 할 수 없기 때문에 P ( 비례 )동작이나 PI ( 비례적분)동작과 조합하여 사용한다. 즉, PD ( 비례미분 ) 동작은 적분동작이 갖는 LEAD 시정수로서 Process의 지연을 어느 정도 보상 할 수 있는 기능을 가지므로 비례 대를 좁게 하여도 System을 안정시킬 수 있다는 장점이 있다.
- PID 동작 형 ( 비례, 미분, 적분 동작 형 )
최근 저항가열로 온도 조절기의 대부분에 사용되어지고 조절 방식으로, PID 제어란 PI ( 비례미분) 동작과 PD ( 비례적분) 동작의 장점을 조합하여 적분 동작에 의해 OFFSET을 없애고 미분 동작에 의해 과도응답을 최소화 한 것으로 최근 저항가열로의 온도조절용으로 사용되고있다.
B 전력제어장치 ( POWER CONTROLLER )
별도의 장치 동작용 전원을 공급하지 않고 온도조절기로 부터 받은 전류제어신호 ( DC 4 -20mmV , DC 0 - 5V, DC 0 - 10V 등)를 동작전원으로 사용하면서 부하의 위상제어가 가능한 전력 제어 장치로 종류로는 다음과 같다.
- S.S.R TYPE
Solid State Relay라 불리며, 주로 금속발열체 전기로에 사용되며 무접점 Relay 방식으로 전원을 제어하는데 제어방식은 ON-OFF 형으로 0 아니면 100%의 전원이 공급된다. S.S.R 전력제어기는 제어의 특징상 온도 Hunting 현상이 심화하여 비금속 발열체를 사용할 경우 발열체의 수명 및 기능에 심각한 영향을 끼친다. 고로 S.S.R 형은 금속 발열체 사용 전기로에 주로 적용되어지고 있다.
- S.C.R TYPE
Silicon Controlled Rectifier ( 실리콘 정류 제어소자 ) 또는 총칭하여 THYRISTOR 라 불리며 한마디로 수도꼭지 조절과 같이 전원의 양을 제어 할 수 있으며 Current Limit 기능 ( Soft Start )이 표준화되어 제어초기에 과전류가 흐르는 것을 방지 할 수 있다는 장점이 있어 비금속 발열체의 전원 제어 장치로 주로 쓰인다. S.C.R UNIT는 일반형을 비롯하여 입력전압의 변화와 상관없이 출력이 변하지 않는 “ 정 전압 형” 및 “정 전류 형”, “정 전력 형” 그리고 “ 제어 크로싱 형 ( 사이클 제어 )” 이 있으며 발열체의 종류 및 용도 , 부하의 용량에 따라 다양한 선택이 가능하다.
C 변압기 ( TRANSFORMER )
변압기(TRANSFORMER)의 원리는 코일의 상호유도작용을 이용한 것이다. 즉 두 코일을 가까이 하면 한쪽 코일의 전력을 다른 쪽 코일에 전달할 수 있다는 간단한 원리를 적용 한 것으로, 전력을 공급하는 쪽의 코일(입력)을 1차 측, 전력을 꺼내는 쪽( 출력 )을 2차측이라 칭한다. 1차측 권수와 2차측 권수의 비율에 따라 2차측의 전압이 변화 되며. 2차측에서 권선의 도중에 선을 내어(TAP이라고 불림) 복수의 전압을 얻을 수 있도록 한 것이 저항가열로에서 주로 사용되고 있다.
05. 기 타
저항로 제작에는 앞서 기술한 주요 소재뿐만이 아니라, 저항가열로의 종류 및 형태 그리고 피열물의 열처리 용도에 따라 다양한 소재가 구성된다.
- 특수내화물
붕 판 , 대판 , 스키드레일 및 지주 ( Post )등을 말하며 BATCH FURNACE의 경우 제품의 적재용으로 사용하고 연속 爐에서는 제품의 이송장치 및 내장재로 필수적인 소재이다.
일반적으로 대판은 爐 내에 넣었다가 빼 내기도 하고 적재하기도 해야 하기 때문에 열강도가 있어야 하며 피열물의 결합제와도 반응하지 않아야 하기 때문에 특수 내화물이라 하며 요구되는 특성은 아래와 같다.
- 급열 급 냉에도 깨지지 않아야 함
- 고온에 강하여야 함
- 열전도가 높고, 온도가 신속하게 균일해져야 함
- 내마모성이 좋아야 함
- 피열물은 물론 爐 분위기 성분과 화학적 반응을 하지 않아야 함
특수 내화물에는 연속 로의 제품적재에 사용되는 Sagger 또는 Boat ( Tray ), Basket 등도 포함되며 온도에 따른 재질의 선택이 필요하다.
- 운송(運送) 또는 이송장치 (移送裝置)
연속 爐 뿐만이 아니라 BATCH ( 비연속 爐)에서도 爐의 형태에 따라 이송 및 운송 장치는 필수적으로 선택되어야 하는 사항이며, 이러한 장치들은 高溫 하에서 구동 되므로 자체적으로 팽창되기도 하고 경화하기 때문에 가급적이면 내마모성이 있는 것으로 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 高溫 하에서도 마찰(摩擦)부분에 윤활제를 가하는 것이 불가능 하므로 충분히 고려하여 최적의 재질 및 구조를 선택할 필요가 있다.
연속 로의 재료 운송 장치는 일반적으로 Pusher 형, Conveyor Belt형, Straight형 등이 있으며 각각의 형식 마다 부수적인 장치가 竝行 되어야 한다. 예로, Conveyor 형 인 경우 Belt ( Mesh 또는 Ceramic ) 또는 Roller가 필요하며 사용온도 및 분위기 조건에 따라 재질의 선정이 다양하다.
BATCH 爐도 Chain, Hoist, Handle 및 爐의 형태에 따라 Rail외 Sealing 소재 등이 필요하며, 사용온도에 따라 재질의 올바른 재질의 선정이 있어야 한다.
- 로 심관 ( MUFFLE , RETORT )
저항가열로(전기로)는 로 심관 ( Muffle / Retort )이나 Tube, 알루미나 Muffle 등을 이용하여 자유로이 爐 내의 분위기를 변화시킬 수 있다는 뛰어난 특징을 가지고 있다. 이러한 Muffle 등은 연속 로 및 BATCH 爐에서 爐의 종류 및 분위기가스의 종류에 따라 다양하게 사용되어지고 있다.
-
기타 저항가열로의 素材
앞서 기술한 소재 외에도 저항가열로에는 그 사용 목적 및 형태의 구성에 따라 다양하고 광범위한 소재가 소용되며 개략적인 것은 아래와 같다.
분위기 가스의 사용 目的에 따라
- 유량계 ( Flow-Meter )
- Digital 유량계 ( Mass Flow Controller & Read-Out )
- 가스압력 Regulator 및 Gauge
- 산소농도 측정 Sensor 및 주변장치
- 진공 Pump 및 Gauge 등 주변 장치
- 각종 Pitting Union 및 Valve
- Gas Re-cycling System
- Gas Analyzing System 외
온도 및 장치제어의 構成에 따라
- Program Logic Controller
- Data Acquisition System Including Touch Screen
- Temperature Recorder
- Over Temperature Protection
- Temperature Indicator 등
연속 爐의 移送裝置 구성에 따라
- 감속 Motor & Invertor
- Conveyor Belt
- Radiation Shield
- Encounter 등
저항로의 분위기 對流의 용도에 따라
- Fan Blower
- Circulation Fan 등
- Atmosphere Separator 외
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