KR101307741B1 - 외측면이 곡면 형상인 금속 섹터를 포함하는 유도가열식 저온용융로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 섹터 및 이를 포함하는 유도가열식 저온용융로에 관한 것으로, 본 발명의 유도가열식 저온용융로는 다수의 금속 재질 섹터가 절연체에 의해 절연되어 이루어진 벽체를 포함하는 유도가열식 저온용융로에 있어서, 상기 섹터는 상기 벽체의 바깥으로 볼록하게 상기 벽체의 외측면을 형성하는 외측 곡면부와, 상기 벽체의 내측면을 형성하는 내측 평면부와, 상기 외측 곡면부 및 내측 평면부를 연결하는 측평면부로 구성되는 것을 특징으로 하여, 전기 아크 발생을 방지할 수 있으며 용융로의 운전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

외측면이 곡면 형상인 금속 섹터를 포함하는 유도가열식 저온용융로{Cold crucible induction melter including a metal sector having a curved outer surface}

본 발명은 외측면이 곡면 형상인 금속 섹터 및 이를 포함하는 유도가열식 저온용융로에 관한 것으로, 특히 용융로의 벽체를 구성하는 금속 섹터에서 전기적 아크가 발생하는 것을 방지하고 용융로의 운전 효율성을 높일 수 있는 금속 섹터와 이를 포함하는 유도가열식 저온용융로에 관한 것이다.

유도가열식의 저온용융로(cold crucible induction melter; CCIM)는 냉각수가 순환하게 되는 다수의 금속 섹터 사이에 절연체가 삽입되는 원통형의 용융챔버를 구성하고, 용융챔버에 수용된 물질의 용융에 필요한 전력을 공급하기 위하여 용융챔버 외측에는 고주파의 유도코일이 마련된다.

예를 들어, 미국 등록특허 제4,058,668호(특허일: 1977.11.15), 제4,923,508호(특허일: 1990.05.08), 미국 등록특허 제4,738,713호(특허일: 1988.04.19), 미국 등록특허 제6,996,153호(특허일: 2006.02.07)는 용융로의 벽체가 다수의 금속 섹터로 이루어지며, 금속 섹터 사이에 전기 절연체가 삽입된 유도가열식 저온용융로를 보여주고 있다.

유도가열식 저온용융로는 내부의 물체를 용융시키기 위하여 고주파의 전류를 유도코일에 인가하게 되며, 한편 용융로의 벽체는 유도된 전류를 제한하고 전자기장의 상대적인 투과성을 확보하기 위하여 절연체로 절연되는 다수의 금속 섹터로 구성된다.

또한, 각각의 금속 섹터는 용융로 벽체를 일정 온도로 유지하기 위하여 냉각수의 순환에 의해 냉각이 이루어지며, 폐기물의 유리화 과정에서 노벽과 접촉하는 용융유리가 고화되어 얇은 층을 형성하여 용융로의 밀봉성을 확보할 수가 있다.

이와 같이, 금속 섹터는 상대적으로 자기장에 대해 투과성을 갖는 금속 재료를 사용하지만 금속 재료임에 따라서 유도전류에 의한 열이 발생되며, 이는 용융로의 운전효율을 저하시킨다.

이러한 문제점으로 인하여 금속 섹터는 유도된 전류를 제한하고 금속 섹터들 사이에서 발생될 수 있는 전기적 아크(electric arc) 발생을 방지할 수 있어야 한다.

이러한 문제점을 고려하여 금속 섹터는 유도전류 발생을 최소화하기 위하여 가능하면 단위 금속 섹터의 사이즈를 작게 하거나 전기적 아크 발생을 방지할 수 있는 형상을 갖도록 설계가 이루어지며, 일반적으로 금속 섹터의 단면 형상은 마름모 또는 사다리꼴 형상을 갖거나 모서리 부분이 라운드 처리된 형태를 채용하고 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 고려하여 전기적 아크 발생을 방지하고 용융로의 효율을 높일 수 있는 외측면이 곡면 형상인 금속 섹터와 이를 포함하는 유도가열식 저온용융로를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 금속 섹터는 서로 전기적으로 절연되어 유도가열식 저온용융로의 벽체를 구성하는 금속재질의 섹터에 있어서, 섹터는 벽체의 바깥으로 볼록하게 벽체의 외측면을 형성하는 외측 곡면부와, 벽체 내측면을 형성하게 되는 내측 평면부와, 상기 외측 곡면부 및 내측 평면부를 연결하는 측평면부에 의해 제공될 수 있다.

다음으로, 이러한 특징적인 구조를 갖는 금속 섹터를 포함하는 본 발명의 유도가열식 저온용융로에 있어서, 섹터 각각은 길이 방향으로 하나의 냉각유로가 형성되며, 인접한 한 쌍의 섹터는 냉각유로가 서로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유도가열식 저온용융로에 있어서, 섹터 각각은 길이 방향으로 하나의 냉각유로가 형성되며, 각 냉각유로는 상기 벽체 외부에 마련되어 상기 냉각유로와 연결되는 냉각튜브가 추가로 구비될 수가 있다.

추가적으로 본 발명의 유도가열식 저온용융로에 있어서, 냉각튜브는 섹터의 개수와 동일하며, 각 냉각튜브는 한 개 섹터의 냉각유로와만 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 금속 섹터와 이를 포함하는 유도가열식 저온용융로는 각 단위 금속 섹터가 벽체 외측으로 볼록하게 외측면을 형성하는 외측 곡면부와, 이 외측 곡면부와 연결되어 벽체의 측면과 외측면을 형성하는 내측 평면부와 측평면부로 구성되어 전기 아크 발생을 방지할 수 있으며, 금속 섹터 내에 하나의 냉각유로만이 형성되어 냉각유체의 순환에 의해 냉각이 이루질 수 있으므로 단위 금속 섹터의 사이즈를 최소화하여 용융로의 운전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 유도가열식 저온용융로의 횡단면 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 유도가열식 저온용융로의 다른 실시예를 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 유도가열식 저온용융로의 또 다른 실시예들을 보여주는 도면,
도 5는 금속 섹터에 대한 전자기 해석 모델을 보여주는 도면으로, (a)는 본 발명에 따른 금속 섹터이며 (b)는 종래기술에 따른 금속 섹터.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 금속 섹터는 유도가열식 저온용융로(이하, "용융로"는 저온용융로를 지칭한다)의 벽체를 구성하는 것으로, 벽체(100)의 바깥으로 볼록하게 벽체(100)의 외측면을 형성하는 외측 곡면부(111)와, 벽체(100)의 내측면을 형성하는 내측 평면부(112)와, 외측 곡면부(111) 및 내측 평면부(112)를 연결하는 측평면부(113)(114)를 포함한다.

본 발명에 있어 금속 섹터(110)는 전체적으로 바(bar) 형상을 가지며, 내부에는 길이 방향으로 냉각유로가 형성되어 냉각수의 순환에 의해 용융로 벽체를 냉각시킨다.

도 1은 본 발명의 유도가열식 저온용융로의 단면 구성을 보여주는 도면으로 용융로의 일부만을 보여주고 있으며, 동일한 구조를 갖는 섹터가 동일하게 배치되어 전체적으로 용융로의 형상은 원통형이다.

구체적으로 도 1을 참고하면, 섹터(110)는 벽체(100)의 바깥으로 볼록하게 벽체(100)의 외측면을 형성하는 외측 곡면부(111)와, 벽체(100) 내측면을 형성하는 내측 평면부(112)와, 외측 곡면부(111) 및 내측 평면부(112)를 연결하는 측평면부(113)(114)를 갖는다.

각 섹터(110)는 길이 방향으로 하나 또는 그 이상의 냉각유로(115)가 형성되어 냉각수가 순환하여 용융로 벽체의 냉각이 이루어진다.

내측 평면부(111)와 측평면부(113)(114)가 접하는 모서리는 라운드된 형태를 갖거나 모따기 처리가 될 수 있다.

섹터의 재질은 스테인레스강이 이용될 수 있으며, 각 섹터들 사이는 절연물질이 마련되어 전기적인 절연이 이루어진다. 바람직하게는 본 발명에 있어서 각 섹터들 사이의 전기적인 절연은 최소한 섹터의 내측 평면부(112) 및 측평면부(113)(114)에 코팅되는 절연층(120)에 의해 제공될 수 있다.

절연층(120)으로는 전기 절연성이 우수한 다양한 재료들이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 전기 절연성 이외에 내마모성, 내식성 등이 우수하여 효과적인 절연물질로 이용 가능한 알루미나, 지르코니아, 지르코늄이 사용될 수 있다. 이러한 절연층은 전기 절연 이외에도 열을 완충하는 기능을 할 수 있다. 한편, 절연층(120)이 도포되는 섹터의 표면(112)에는 요철 또는 거칠기(roughness)를 갖도록 하여 코팅 결합력을 향상시킬 수 있다.

도 2를 참고하면, 본 발명에서 각 섹터는 도 1과 동일한 형상을 가지며, 별도의 절연층을 코팅하지 않고 각 섹터(211)(212)(213)들 사이에는 전기 절연을 위하여 운모 등과 같은 절연판(221)(222)이 삽입되어 섹터들 사이의 전기적 절연이 이루어질 수 있다.

앞서도 설명한 바와 같이, 본 발명에서 섹터는 길이 방향으로 냉각유체가 흐르게 되는 중공부가 형성되며, 특히 본 발명에 따른 금속 섹터는 하나의 중공부 만이 형성되어 냉각유체의 순환이 이루어짐을 특징으로 한다.

종래의 두 개 이상의 중공부가 형성되어 냉각유체가 순환하는 금속 섹터와 비교하여 본 발명의 금속 섹터는 하나의 중공부 만으로도 섹터의 냉각이 가능하므로 단위 금속 섹터의 사이즈를 줄일 수가 있다. 또한, 냉각유체의 유입 및 유출을 위하여 하나의 섹터에 두 개의 중공부를 필요로 하는 종래의 금속 섹터와 비교하여 본 발명의 금속 섹터는 하나의 중공부 만을 통해 냉각유체의 순환이 가능하므로 섹터 설계 시에 섹터 전체 사이즈의 큰 변경 없이도 필요한 냉각유체 유량에 대한 냉각유로의 사이즈 변경이 용이하여 설계 자유도가 높으며, 용융로 벽체에서의 유도전류 흡수를 최소화하고 용융로의 운전효율을 높일 수가 있다.

구체적으로 도 3을 참고하면, 단위 금속 섹터는 도 1 또는 도 2의 실시예의 구성을 포함하게 되나 인접한 한 쌍의 섹터(310)(320)는 냉각유로가 서로 연결되어 냉각유체의 순환이 이루어짐을 특징으로 한다.

인접한 한 쌍의 섹터(310)(320)는 각각 하나의 제1냉각유로(311)와 제2냉각유로(321)가 형성되며, 제1및제2냉각유로(311)(321)는 섹터의 상단 또는 하단에서 연결배관(330)을 통해 연결된다. 도시되지는 않았으나 제1냉각유로와 제2냉각유로에는 냉각유체를 순환시키기 위하여 순환펌프와 같은 냉각유체 순환장치가 연결된다.

예를 들어, 순환펌프(미도시)에 의해 냉각유체가 제1냉각유로(311)를 통해 유입되고 연결배관(330)을 따라서 제2냉각유로(321)를 통해 배출되어 순환펌프로 환수되어 냉각유체의 순환이 이루어짐으로써 서로 인접하여 위치한 한 쌍의 섹터 단위로 냉각이 이루어진다.

이와 같이 한 쌍의 섹터를 단위로 구성된 용융로는 전체적으로 짝수개의 섹터로 구성될 수가 있다.

도 4는 본 발명에 따른 유도가열식 저온용융로의 또 다른 실시예를 보여주는 도면으로, 마찬가지로 단위 금속 섹터는 도 1 또는 도 2의 실시예와 동일한 구성을 포함하게 되며, 각 금속 섹터는 용융로 벽체 바깥에 위치하는 냉각튜브와 연결되어 냉각유체의 순환이 이루어짐을 특징으로 한다.

구체적으로 도 4를 참고하면, 각 섹터(410)에는 그와 대응되는 냉각튜브(420)가 마련되며, 냉각유로(411)는 섹터의 상단 또는 하단에서 연결배관(430)을 통해 냉각튜브(420)와 연결된다.

냉각유로(411) 또는 냉각튜브(420)는 미도시된 하나 또는 수 개의 공통 냉각유체 헤더로 연결될 수 있으며, 냉각유로와 냉각튜브는 냉각유체 순환장치(미도시)와 연결되어 냉각유체의 순환이 이루어질 수 있다.

도 4는 하나의 섹터에 하나의 냉각튜브 만이 연결되는 것을 보여주고 있으나, 2개 이상의 섹터가 하나의 냉각튜브로 연결되어 냉각유체의 순환이 이루어질 수도 있다. 한편, 도 4는 절연층이 코팅된 각 섹터 사이에 절연판이 삽입되어 벽체를 구성하고 있는 것을 보여주고 있다.

도 5는 금속 섹터의 구조적인 형상에 대한 전자기 해석 모델을 보여주는 도면으로, (a)는 본 발명에 따른 금속 섹터이며, (b)는 종래기술에 따른 금속 섹터이다.

도 5의 (a)에서 본 발명에 따른 금속 섹터의 바깥 측으로 Cu 유도코일이 배치되며, 금속 섹터의 내측에는 유리와, 유도전류에 의해 유리에 용융열을 제공하게 되는 티타늄 링이 있는 것으로 가정하여 해석이 이루어졌다. (b)는 종래기술에 따른 금속 섹터이며 (a)와 동일한 조건이되 하나의 금속 섹터 내에 두 개의 냉각유로가 형성된 금속 섹터 구조에 대한 해석 결과이다.

[표 1]은 해석결과로부터 얻은 모델별 전류분포 비율(%)을 정량적으로 보여주고 있으며, 본 발명에 따른 섹터 구조는 종래기술과 대비하여 유리에 전달되는 유도전류 비율이 높은 것을 확인할 수 있다.

유도전류 분포비율(%)	금속 섹터	유리	T-링
본 발명	84.7	7.3	8
종래기술	86.1	2.8	11.1

따라서, 본 발명에 따른 유도가열식 저온용융로는 종래의 섹터구조와 대비하여 운전효율을 높일 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

100 : 용융로 벽체 110 : 섹터
111 : 외측 곡면부 112 : 내측 평면부
113, 114 : 측평면부 120 : 절연층

Claims (8)

1. 다수의 금속 재질 섹터가 절연체에 의해 절연되어 이루어진 벽체를 포함하는 유도가열식 저온용융로에 있어서,
   상기 섹터는 상기 벽체의 바깥으로 볼록하게 상기 벽체의 외측면을 형성하는 외측 곡면부와, 상기 벽체의 내측면을 형성하는 내측 평면부와, 상기 외측 곡면부 및 내측 평면부를 연결하는 측평면부로 구성되며,
   상기 섹터 각각은 길이 방향으로 하나의 냉각유로가 형성되며, 인접한 한 쌍의 섹터는 냉각유로가 서로 연결된 것을 특징으로 하는 유도가열식 저온용융로.
2. 제1항에 있어서, 상기 섹터는 최소한 상기 내측 평면부 및 측평면부에 코팅되는 절연층이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 유도가열식 저온용융로.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섹터 각각은 길이 방향으로 하나의 냉각유로가 형성되며, 각 냉각유로는 상기 벽체 외부에 마련되어 상기 냉각유로와 연결되는 냉각튜브가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 유도가열식 저온용융로.
5. 제4항에 있어서, 상기 냉각튜브는 상기 섹터의 개수와 동일하며, 각 냉각튜브는 한 개 섹터의 냉각유로와만 연결되는 것을 특징으로 하는 유도가열식 저온용융로.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images