전류가 흐르면 전기는 여러 가지 일을 하게되며 이러한 전류의 작용은 크게 열작용, 전기분해작용, 자기
작용 등을 하게되며 이중 열작용은 전류에 의해 발열 작용을 이용한 것으로 그 예로 전열기, 전기다리미
,전기로등이 있다. 그러면 열은 어떻게 해서 발생하는 것일까. 여러분들은 물질을 마찰하면 발열하여 뜨겁게되는 것을 알고 있습니다. 이것은 마찰하기 위하여 준
에너지, 즉 일이 열로 변환되었기 때문이다. 전류가 발생하는 열도 같은 것이라 생각된다. 즉, 물질가운 데를 전자가 지날때는 전자는 전압에 의해서 분자나 원자사이를 뚫고 일정한 방향으로 이동한다. 이때
전자는 마찰력을 받아서 에너지 (전력량)를 소비하게되고 이 에너지가열로 바꾸어지는 것이다. 따라서
전류가 저항을 지날때는 그 소비하는 전력량은 모두 열로 바꾸어져 버리는 것이다.
즉, 저항에서 소비한 전력량은 모두 열로 바뀌어지고 일정시간 내에 발생되는 열은 전류의 2승과
저항의 적에 비례한다
이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.
P = I2R (W) 이것을 주울의 법칙이라고 하는데 이와같은 열을 주울열, 또는 저항열이라하며 , 여기서 열량의 단위 를 흔히 사용하는 H(cal), J(Joul)로 표시하면 H = 0.24pt (cal) t : 초 =860 PT (cal) T : 시간 = pt (J)
이라고 한다.
즉, 저항치 R을 가지는 전기도체에 의해 P(W), 860P(cal/h)에 상당하는 열이 발생하고, 도체는 가열 과 동시에 물체를 방사, 전도, 대류의 전열형태에 의해 가열시킨다. 이것을 저항가열이라 부르며 이러한
발열체에는 금속 및 비금속 발열체가 있으며 사용온도 범위와 분위기에 따라 결정되며 그 종류와
특성은 다음 표와 같다.
내화물 ( Insulation / Refractories )
로 내화재로 요구되는 조건으로는 첫째 열전도율이 낮고, 고온하에서도 강도가 좋고 경량이며 화학 적으로도 안정성이 있어야한다. 허나 이런 조건들을 동시에 구비한 이상적인 내화물은 아직까지 개 발된 것이 없다. 고로 현재 개발되어 있는 내화재를 사용하여 로를 구성할 경우 가장 이상적인 방법 은 하기와같다고 판단된다.
일반적으로 로겹을 3겹으로 분할한 것을 기준으로 할때...
• 로내에 직접닿는 내화재 ( Hot-Face Insulation ) 단열성과 경량을 특성으로 한 고온 강도가 크고 화학적으로 안정된 고밀도내 화재 • 중간층 ( Inter-Face Insulation ) 고온에대하여 단열성이 높은 규조토등의 다공질 내화재 • 로의 외곽 ( Outer-Face Insulation ) 강도가 강하고 단열성이 좋은 규산칼슘과 초자섬유를 재료로한 보온재 저항로에 사용되는 내화물의 종류와 특성은 아래와 같다.
온도센서 ( Temperature Sensor - Thermocouple )
일명 열전대라 불리우며 2종의 다른 금속선의 양단을 용접하여 폐회로를 만들고 양단 접점부에 온 도차를 주면 그 온도차와 일정한 관계가 있는 열기전력이 발생(Zeeback 효과) 하게되며 이때 일단 에 온도계를 이용하여 측정하는 방식이 열전 온도계이며 이 원리를 이용한 2종류의 금속선을 조합 하여 Thermocouple이라고 한다.
Thermocouple의 종류 및 특성은 다음과같다.
온도 조절기 ( Temperature Controller )
온도조절기는 Solid, IC, Digital 화 되어 정밀도 및 신속화가 향상되었으며 대체적으로 시중에 개 발되어 있는 온도조절계의 정밀편차는 약±0.03% 범위내에 허용되며 기존 Analog 형태가 갖고 있 는 온도 hunting 현상도 P.I.D(qlf/미분/적분)방식을 적용하여 최소화시켰다. 현재 세게적으로 가 장많이 쓰이는 온도조절계는 영국의 Eurotherm, 일본의 Yokokawa, 그리고 미국의 Honeywell 등의 제품이며 type으로는 programmable 과 on-off type으로 나누어져 있다.
Power Controller
로내의 온도를 sensor로 검출하고 온도조절기에서 교환된 신호를 통해 전력을 증감하는 장치로써 종류는 아래와 같다.
기 타
앞에 제시한 재료 외에도 운송장치 및 로내 분위기에 따라 여러 가지의 재료가 소요되나로의 기본 적인 재료로 나열하기에는 너무 광범위하여 생략하기로 한다.
전기로의 사용상에 있어 주의할점은 로의 형태 및 조건에따라 많은 차이가 있으나 여기서는 일반적인
사양에있어 꼭 알아야될 점을 간략히 설명 하기로하며 자세한 내역은 저희회사 제품을 공급받으실 때
Manual에 기입하기로 하겠습니다.
Drying Out 새로 완성된 로나, 장시간(10일 이상) 운전하지 않은 전기로에는 단열재 및 발열체에 습기와 수분또 는 먼지등을 함유하고있기 때문에 급격히 온도를 올릴 경우 내화재 및 발열체에 영향을 줄 수 있다. 고로, 조업이전에 저온 (로의 조건에따라 온도변화가 있음)에서 Drying Out 과정을 충분히 거치고 운전해야 할것이다.
연속운전의 추진 한번 승온시킨 로를 정지하여 냉각시키면 승온에 필요했던 전력이 낭비될뿐만 아니라, 로내의 단열 재와 발열체의 수명을 단축시킨다. 예로, 고온용발열체인 Molybdenum Disilicide 발열체는 장시간 사용후 냉각시키면 변형 손상을 일으켜 사용할 수 없는 경우가 발생하기도한다. 아울러, 보통 환원분위기 가스를 사용하는 로를 시동정지시킴에 있어서 가스를 치환하는 순간에 일 어나는 예가 압도적으로 많기 때문에, 시동정지회수를 최소화하도록 신중히 운전하는 것이 좋다.
누전방지 내화재 및 단열재는 일반적으로 1000oC 이상의 고온이 되면 이차적으로 전기저항이 감소하게된다. 그 때문에 외부 접점부와 누설전류를 항시 조사하여야 된다.
전기로 구성재료의 수명연장 고온에서 사용되는 내화재 및 발열체의 수명은 전기로의 RUNNING COST를 결정하는 중요 요인이 된다. 고로 내화재 및발열체가 로내분위기 및 휘발성 물질에따라 손상되는 것을 방지하고 내화물의 마모 및 손상, 열충격 파손등을 충분히 검토하여 사전 예방하는 안 이 필요하다.
로내 분위기 전기로는 자유로이 로내 부누이기를 변화시킬수 있다는 뛰어난 특징을 갖고 있다. 인공적으로 로내 분위기를 제어하지 않더라도 고온에서는 아주 미소하지만 로내 분위기가 변화하는 경우가 있다. 고로, 이러한점을 충분히 검토하여 로내 조건을 잡도록 해야 할 것이다.예로, 통상의 알루미나 내화 물은 대략 1-2% 정도의 소다(soda)가 불순물로 섞여있기 때문에 저온에서는 안정적이지만 고온으 로 가면서 상당량의 Soda를 증발하게된다. 고로 피열물이 Soda에 영향을받는 제품인 경우 사전에 주의하는 것이 좋을듯하다. 역시, 탄화규소 발열체( Silicon Carbide )는 납에 침식되기 쉬운 성질이 있으므로 납증기의 발생이 우려되는 소결재 ( 피열물 )의 경우는 사용을 금하도록 해야한다.
정기점검의 시행 연속로 및 생산로는 고온에서 장시간 사용할 경우가 많으므로 조업중에는 내부 점검을 할수없기 때 문에 내부의 손실마모가 진행되어있어도 알아차리지 못하는 경우가있다. 예로,금속 또는 비금속 발 열체의 단자선에 합선이 발생하여 발열체가 단락되는 경우가 많이 발생하는 것을 보았을 것이다. 이경우는 거의 90%이상이 발열체에 연결된 전선등이 느슨해져서 발생되는 것이다. 예로, 시동전에 발열체의 연결선을 꽉 조여주었다 하더라도 고온까지 발열되었던 발열체가 시동이 중단되었을 경우 에 약간의 변형이 올 수 있으며 이러한 변형에의해 연결부위 부분이 느슨해지고 합선이 발생되기 때 문이다. 고로, 한달에 한번씩은 로 가동이 정지되었을때를 이용하여 전기로의 전반적인 부분을 점검 하여주는 것이 로의 수명을 연장시키는 방법중에 하나이다.
* 상기 제시한 내용외에도 로를 사용하는데 있어 주의할점은 상당히 많으며 그내역 역시 로
의 온도 및 조건, 분위기 사용여부,생산량 및 조업일수,로의 형태 등에 따라 다르므로 로를
한 대의 전기로로 요구하는 모든 피열물의 조건에 맞추어 사용할 수는 없다. 이처럼 만능으로 사용할 수 있는로가 없기 때문에 각각의 형식과 이점, 과정을 잘 이해한 후에 사용자의 작업공정과 작업환경에 어떤 형식의 로가 적합한지 생각하여 로의 형식을 결정하여야 한다. 이 경우 보통 사용자들은 INITIAL COST (초기투자비) 에만 중점을 두어로의 선정작업에 들어가게되는데 운전시의 RUNNING COST (유지보수비) 에도 중점을 두어 검토하지 않으면 않된다. 말하자면 운전시의 INITIALCOST를 절감하는것도 중요하지만 이것은 일시적인 투자다. 전력소비와 인건비, 그리고 유지보수비는 계속적으로 소요되어야하는 비용이므로 설비의 상각비, 금리와 매일의 노무비, 전력요금, 그외 SPARE PART 교환비등의 운전비용의 합계가 최소가되도록 우수하고도 경제성이 높은 설비를 선택해야 한다. 올바른 전기로의 선정은 (특히 생산 로인경우) 회사에 무한한 효용가치를 준다. 고로, 전기로의 적절한 형식을 결정하기 위해 좀더 신중해야 할 것이며 이러한 결정에 다소 도움이 되고자 다음과 같이 올바른 전기로의 선정방법을 기술해 보았다.
로의 사용조건
전기로의 사용목적 ( Application ) 가열처리의 목적 예를들면 소성, 소입, 소순등의 사용 목적을 명확히 한다.
피열물의 내용( Process material ) 피열물의 재질, 형상, 중량, 비중등을 세밀하게 check하고 또한 함수율과 휘발성 Binder Gas를 사용할 경우 저항로또는 피열물의 수율에 영향을 미치는 것인가를 명확히 해야한다.
로의 처리능력 ( Production Rate ) 시간당의 생산량, 또는 생산계수, 연속로의 경우는 처리속도 등 을 명확히 한다.
가열 및 냉각조건 ( Time/ Temperature Profile ) 처리온도,가열 / 유지 및 냉각시간 그외에 온도 분포도 등은 중요한 부분이므로 명확히 해야 한다.
로의 조업방식 ( Furnace Type & Size ) 비연속 또는 연속 조업방식인가에 의하여 로의 기본적인 형상이 결정되므로 신중히 결정되어야 한다. 그후에 로내 크기와 최대설비크기 피열물의 생산량에 의거하여 결정한다.
분위기 조건 ( Atmosphere )
분위기 처리를 요하는 경우 목적과 처리 Process의 내용 및 소요가스 의 조성 성분을 명확히 해야 한다.
이용 전원 이용할 수 있는 전원의 상수와 주파수, 전압 그리고 이용 가능한 최대용량(kw)등을 정확히 명시 하여야 한다.
상기 사양들은 로의 설계 및 제작에 필요한 중요한 특성이며 수치이다. 고로 이러한 내용을 로 제작회사에 정확히 알려주어 로를 효율적으로 제작케하는 것이 중요하다. 물론 실험로인 경우 그 사용범위가 광범위하기 때문에 온도 및 사용용적등 여러 가지 면에서 약간 up-grade하여 제작할수 있으나, 생산로인 경우 온도 및 사용용적, 그리고 형식 및 생산량에 따라 엄청난 초기투자비 및 유지 보수비가 차이가 나므로 가능하면, 피열물의 투자가치를 먼저 판단한후에 이에 적합한 전기로를 선정하는 것이 올바른 방법이라고 본다.
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