고온로: 유형, 요소 및 열 설계

A 고온 용광로 최대 작동 온도뿐만 아니라 전체 열 시스템(가열 요소, 절연 패키지, 챔버 구성 및 제어 시스템)은 1000°C 이상의 지속 온도에서 정확하고 정확한 온도 균일성을 유지하면서 안정적으로 작동해야 합니다. . 근본적인 엔지니어링 과제는 이러한 온도에서 기존 재료가 빠르게 손상된다는 것입니다. 니켈-크롬 가열 요소가 산화되어 늘어지고, 알루미나-규산염 내화 벽돌이 전기 전도성이 되고, 열전대가 교정에서 벗어나게 됩니다. 1600°C의 세라믹 소결, 1200°C의 금속 열처리 또는 1800°C의 재료 테스트 등 특정 공정을 위한 고온 퍼니스의 선택은 필요한 온도 한도, 챔버 내 분위기, 허용 가능한 오염 수준 및 열 순환 빈도 간의 상호 작용에 따라 결정됩니다. 발열체 재료는 퍼니스의 성능을 결정하는 주요 요소입니다. 1200°C ~ 1550°C 범위를 지배하는 탄화규소 요소, 1500°C ~ 1800°C를 포괄하는 이규화 몰리브덴 요소, 보호 대기 또는 진공 하에서 1800°C 이상의 온도에 필요한 흑연 또는 텅스텐 요소 .

발열체 재료 및 작동 봉투

발열체는 전기 에너지를 열로 변환하여 작업 부하에 전달하는 구성 요소이며, 재료 특성에 따라 최대 온도, 분위기 호환성 및 퍼니스의 수명이 결정됩니다. 요소 재료는 높은 융점, 작동 온도에서의 우수한 내산화성, 자체 무게를 지탱할 수 있는 충분한 열간 강도, 요소의 서비스 수명 동안 허용할 수 없을 정도로 노화되지 않는 예측 가능한 전기 저항을 가져야 합니다. 아래 표는 상업적으로 중요한 고온 가열 요소 재료를 실제 작동 범위 및 제약 조건에 매핑합니다.

실리콘 카바이드 요소는 공기 및 중성 대기에서 비용, 가용성 및 성능의 유리한 균형을 제공하기 때문에 1200°C ~ 1550°C 범위의 고온 용광로 산업의 주력 제품입니다. 이 소자는 탄화규소 입자를 고온에서 재결정화하여 전기 전도성이 있는 자가 결합 다공성 세라믹을 생성함으로써 제조됩니다. SiC 소자의 전기 저항 서비스 수명에 따라 증가 - 노화라고 불리는 현상 - 결정립 경계가 산화되고 유효 전도성 단면적이 감소함에 따라 발생합니다. 수명 종료 기준은 일반적으로 초기 값에서 저항이 100% 증가하는 것이며, 이 시점에서 요소는 더 이상 사용 가능한 전압에서 정격 전력을 제공할 수 없습니다. 퍼니스 전원 공급 장치는 이러한 노후화 효과를 보상하기 위해 변압기의 전압 탭으로 설계되어야 하며, 소자 저항을 주기적으로 모니터링하여 남은 서비스 수명을 예측해야 합니다. 공기 중에서 1550°C에서 작동하는 요소는 2,000~4,000시간의 서비스 수명을 가질 수 있는 반면, 1300°C에서 작동하는 동일한 요소는 온도와 산화 속도 사이의 지수적 관계를 반영하여 10,000시간 이상 지속될 수 있습니다.

단열 시스템: 섬유질, 벽돌 및 미세다공성

고온 퍼니스의 단열 시스템은 챔버에서 환경으로의 열 손실을 최소화하는 것(최대 단열재 두께와 최소 열 전도성이 필요함)과 퍼니스의 열 질량을 최소화하는 것(가열 및 냉각 속도와 사이클당 소비되는 에너지를 결정하는 것)이라는 두 가지 상충되는 목표를 제공합니다. 단열재는 작동 온도에서 낮은 열 전도성, 자체 무게를 지탱할 수 있는 적절한 고온 강도, 용광로 대기 및 작업 부하로 인해 발생하는 모든 휘발성 물질에 대한 저항성을 가져야 합니다. 고온 단열재의 세 가지 주요 등급과 적용 범위는 다음과 같습니다.

세라믹 섬유 담요 및 보드

알루미나와 실리카의 혼합물을 용융 및 섬유화하여 생성된 알루미노-실리케이트 세라믹 섬유는 약 1400°C(분류온도) . 섬유는 벌크 울, 니들 블랭킷, 진공 성형 보드 또는 습식 성형 모듈로 제조됩니다. 1000°C에서 128kg/m² 밀도의 세라믹 섬유 블랭킷의 열전도율은 대략 다음과 같습니다. 0.25~0.35W/m·K 이는 동일한 온도에서 단열 내화 벽돌의 약 1/3~1/2 수준입니다. 섬유 단열재의 낮은 열 질량(비열 용량에 밀도를 곱함)으로 인해 동일한 용량의 벽돌로 늘어선 가열로의 경우 몇 시간에 비해 가열로는 30~60분 안에 주변 온도에서 1200°C까지 가열할 수 있습니다. 단점은 세라믹 섬유가 플럭스 및 알칼리성 증기에 의한 화학적 공격으로 인해 손상되기 쉽고, 분류 온도 이상으로 장기간 노출되면 섬유 표면이 유리화되지 않고 부서지기 쉬워진다는 것입니다. 1400°C 이상의 온도에서는 분류 온도가 1600°C인 다결정 알루미나 섬유(PCW)가 훨씬 더 높은 비용으로 사용됩니다.

단열 내화벽돌(IFB)

단열 내화 벽돌은 가연성 기공 형성제(톱밥, 폴리스티렌 비드 또는 탄소)를 내화 점토 또는 알루미나 본체에 결합하여 소성 중에 연소되어 닫힌 기공 네트워크를 남기는 다공성 경량 내화 형상입니다. IFB의 분류 온도 범위는 1260°C(Grade 23)에서 1760°C(Grade 32)이며, 온도 등급에 따라 알루미나 함량이 증가하고 밀도도 증가합니다. 26등급 IFB(1430°C 분류, 45% 알루미나)의 밀도는 대략 다음과 같습니다. 780kg/m³ 1000°C에서 0.35W/m·K의 열전도율을 나타냅니다. 섬유에 비해 벽돌 라이닝의 열 질량이 높을수록 가열 및 냉각 속도가 느려지지만 기계적 남용, 마모성 대기 또는 무거운 작업물의 빈번한 로드 및 언로드에 노출되는 용광로에 더 큰 내구성을 제공합니다.

미세다공성 단열재

미세다공성 단열재는 미크론 미만의 훈증 실리카 입자, 복사열 전달을 차단하는 불투명화제(일반적으로 탄화규소 또는 이산화티타늄) 및 강화 섬유의 복합재입니다. 압축된 분말의 기공 크기는 대기압에서 공기 분자의 평균 자유 경로보다 작아서 가스 전도를 억제하고 재료에 다음과 같은 유효 열전도도를 제공합니다. 800°C에서 0.020~0.030W/m·K - 정체된 공기의 열전도율보다 낮습니다. 최대 사용 온도가 1000°C ~ 1100°C인 미세 다공성 패널은 주어진 열 손실률에 대해 전체 벽 두께를 줄이기 위해 열간 세라믹 섬유 또는 벽돌 라이닝 뒤의 단열재로 사용됩니다. 이는 기존 인프라에 의해 외부 봉투 크기가 제한되거나 가능한 가장 낮은 외부 케이싱 온도가 안전 또는 공정 요구 사항인 용광로에서 특히 유용합니다.

챔버 분위기: 공기, 불활성 가스 및 진공 작동

고온로 내부의 분위기는 가열 요소, 단열재 및 작업 부하가 작동하는 화학적 환경을 결정합니다. 공기 작업용으로 설계된 퍼니스에는 온도에 따라 보호적이고 접착성 산화물 스케일을 형성하는 가열 요소와 절연체가 있습니다. 요소 선택 및 절연 화학을 수정하지 않고는 동일한 퍼니스를 환원 분위기에서 작동할 수 없습니다. 세 가지 주요 대기 범주와 해당 범주의 공학적 의미는 다음과 같습니다.

• 공기(산화): 대부분의 실험실 및 산업용 용광로의 기본 대기입니다. 실리콘 카바이드 및 몰리브덴 이규화물 요소는 표면에 보호 실리카(SiO2) 유리 층을 형성하여 추가 산화를 제한합니다. 세라믹 섬유와 내화 벽돌 단열재는 완벽하게 호환됩니다. 공기 대기의 산소 함량은 작업량에서 발생하는 유기 결합제와 오염 물질의 연소를 지원하며, 이는 용광로 배기 장치를 통해 배출됩니다.
• 불활성 가스(질소, 아르곤): 작업량의 산화를 방지하기 위해 사용됩니다. 스테인리스강, 티타늄, 반응성 금속의 열처리에 흔히 사용됩니다. 질소는 보다 경제적인 선택이지만 특정 재료와 반응합니다. 즉, 티타늄 표면에 질화티타늄을 형성하고 1300°C 이상에서 실리콘 기반 가열 요소와 반응하여 질화규소를 형성하여 요소의 저항을 변경할 수 있습니다. 아르곤은 실제 모든 용해로 온도에서 모든 재료에 대해 실제로 불활성이며 질소가 작업 부하 또는 용해로 내부와 화학적으로 호환되지 않을 때 지정됩니다. 가열하기 전에 잔류 산소를 제거하기 위해 퍼니스를 퍼지해야 하며, 일반적으로 다음과 같은 작업이 필요합니다. 5~10개의 챔버 볼륨 교환 가열 사이클이 시작되기 전에 불활성 가스를 사용하십시오.
• 진공: 반응성 금속, 초합금, 고급 세라믹 가공을 위한 가장 깨끗한 환경을 제공합니다. 필요한 진공 수준은 응용 분야에 따라 다릅니다. 10⁻² mbar의 대략적인 진공은 대부분의 재료의 심한 산화를 방지하는 데 충분합니다. 미량의 산소나 수증기도 재료 특성을 저하시키는 공정에는 10⁻⁵ ~ 10⁻⁶ mbar의 고진공이 필요합니다. 진공로의 가열 구역은 일반적으로 흑연 펠트 단열재와 흑연 가열 요소로 구성됩니다. 이러한 재료는 진공 상태에서 매우 높은 온도까지 안정적이고 증기압이 낮기 때문입니다. 회전 날개 백킹 펌프, 루츠 송풍기, 고진공용 확산 또는 터보분자 펌프로 구성된 진공 펌핑 시스템은 필요한 펌프다운 시간을 달성하고 가열 사이클 중 단열재에서 발생하는 가스 방출 부하와 작업량을 처리할 수 있도록 크기를 조정해야 합니다.

1000°C 이상의 온도 측정 및 제어

정확한 온도 측정은 재현 가능한 고온 처리의 기초이며 열전대는 최대 약 공기 중 1700°C . 고온 용광로에 사용되는 열전대 유형 및 적용 한계는 유형 K(크로멜-알루멜, 최대 1200°C 연속), 유형 S(백금 대 백금-10% 로듐, 최대 1450°C 연속), 유형 B(백금-6% 로듐 대 백금-30% 로듐, 최대 1700°C 연속) 및 유형 R(백금 대 백금-13%)입니다. 로듐, 최대 1450°C 연속). 유형 B는 공기 중 1500°C ~ 1700°C 범위에 대한 표준 선택입니다. 두 다리의 로듐 함량이 고온에서 유형 S 및 유형 R 열전대의 주요 드리프트 메커니즘인 로듐 이동을 최소화하기 때문입니다.

1700°C 이상 또는 백금 열전대가 오염되고 부서지기 쉬운 환원 분위기 및 진공에서 비접촉식 적외선 고온계 기본 측정 방법으로 열전대를 대체합니다. 2색(비율) 고온계는 두 가지 서로 다른 파장에서 대상이 방출하는 열복사를 측정하고 강도 비율로부터 온도를 계산합니다. 이는 방사율 변화와 연기 또는 증기로 인한 광학 경로 감쇠로 인한 오류를 제거합니다. 고온계는 측정 파장(최대 1100°C의 온도에서는 석영, 최대 1800°C의 온도에서는 사파이어, 특수 용도에서는 셀렌화아연 또는 불화칼슘)에서 투명한 창을 통해 관찰되어야 합니다. 창은 깨끗하게 유지되어야 하며 응축수가 없어야 합니다. 응축수는 적외선을 흡수하여 측정된 온도를 낮게 표시합니다.

퍼니스 온도 컨트롤러는 PID(비례 적분 미분) 알고리즘 측정된 온도와 설정점 간의 차이에 따라 가열 요소에 전달되는 전력을 조절합니다. PID 매개변수는 퍼니스의 특정 열 특성(열 질량, 발열체 응답 시간 및 열 손실률)에 맞게 조정되어야 시작 시 오버슈트나 설정점에서의 진동 없이 안정적인 제어를 달성할 수 있습니다. 잘 조정된 퍼니스는 퍼니스 설계, 요소 구역화 및 저온에서 대류 열 전달을 위한 순환 팬의 유무에 따라 작업 영역 전체에서 ±1°C ~ ±5°C의 온도 균일성을 유지할 수 있습니다. 작업 영역의 온도 균일성은 온도 균일성 조사(TUS)를 통해 검증됩니다. AMS 2750 (항공 우주 열처리의 경우) 또는 해당 공정 사양에 따라 여러 조사 열전대가 공정 설정점에서 온도 분포를 매핑하기 위해 용광로에 배치됩니다.

전원 공급 장치 및 제어: 사이리스터, 변압기 및 에너지 효율성

고온 용광로의 전원 공급 장치는 시작 시 낮은 내한성부터 작동 온도의 높은 저항까지 다양한 요소 저항에 걸쳐 가열 요소에 제어된 전력을 공급해야 하며, 사용 수명 동안 탄화규소 요소의 노화를 고려해야 합니다. 전력 제어는 다음을 통해 달성됩니다. 사이리스터(SCR) 전력 컨트롤러 위상각 발사 또는 버스트 발사(제로 크로스) 제어를 사용하여 요소에 대한 AC 전원을 변조합니다. 위상각 소성은 더 미세한 제어 해상도를 제공하며 퍼니스의 열 응답 시간이 짧은 경우에 사용됩니다. 버스트 파이어링은 AC 파형의 전체 주기를 켜고 끄는 방식으로 전력을 제어합니다. 이는 전기적 잡음과 고조파를 감소시키지만 더 거친 제어 출력을 생성합니다. 두 모드 사이의 선택은 전기로의 전기적 특성과 현장의 전력 품질 요구 사항의 민감도에 따라 달라집니다.

탄화규소 및 이규화 몰리브덴 원소로의 경우, 멀티탭 변압기 전원 컨트롤러와 요소 사이에 삽입됩니다. 변압기는 저저항 소자에 필요한 낮은 전압(일반적으로 10~60V)으로 공급 전압을 낮추고, 다중 탭을 통해 노화로 인한 저항 증가를 보상하기 위해 소자 수명 동안 전압을 높일 수 있습니다. 변압기는 최대 탭 전압에서 최대 부하 전류에 대한 정격을 가져야 하며, 과도한 전압 강하를 방지하기 위해 임피던스는 요소 부하와 일치해야 합니다. 전력 정격이 100kW를 초과하는 대형 산업용 퍼니스의 경우, 전력 분배가 구역화됩니다. 챔버는 독립적으로 제어되는 가열 구역으로 나누어지며, 각 가열 구역에는 자체 열전대, 컨트롤러 및 전원 공급 장치가 있어 작업 공간 전반에 걸쳐 필요한 온도 균일성을 달성합니다.

온도 스펙트럼 전반에 걸친 애플리케이션

원하는 재료 특성을 개발하기 위해 1000°C 이상의 제어된 온도에서 열처리가 필요한 산업 전반에 걸쳐 고온 용광로는 필수적입니다. 주요 응용 분야 범주와 일반적인 온도 범위는 다음과 같습니다.

• 세라믹 소결(1200°C ~ 1800°C): 고체 확산 또는 액상 소결을 통해 알루미나, 지르코니아, 질화규소, 탄화규소 등 세라믹 분말 압축물의 치밀화. 로 분위기(공기, 질소, 진공)와 열 프로필(가열 속도, 체류 시간, 냉각 속도)은 목표 밀도, 입자 크기 및 기계적 특성을 달성하는 데 중요합니다. 전자제품, 의료용 임플란트, 갑옷용 고급 세라믹은 정밀한 분위기 제어가 가능한 고온 용광로에서 소결됩니다.
• 금속 열처리(1000°C~1350°C): 공구강, 스테인리스강, 니켈 기반 초합금 및 티타늄 합금의 경화, 용체화 어닐링 및 응력 완화. 용해로는 균일한 온도를 제공해야 하며, 많은 합금의 경우 표면 산화 및 탈탄을 방지하기 위한 보호 분위기 또는 진공을 제공해야 합니다.
• 브레이징 및 확산 접합(1000°C ~ 1200°C): 모세관 작용에 의해 녹아 접합 틈으로 흘러 들어가는 필러 합금을 사용하여 금속을 접합하는 것입니다. 진공 또는 수소 대기에서의 고온 브레이징은 브레이징 조인트가 사용 온도에서 강도를 유지해야 하는 항공우주 열교환기, 터빈 블레이드 및 원자로 부품에 사용됩니다.
• 재료 테스트(최대 1800°C): 재료가 사용 중에 경험하게 될 온도에서 기계적 특성(인장, 크리프, 굴곡 및 압축 강도)을 측정합니다. 시험로는 온도 균일성이 매우 엄격해야 하며 시험 온도에서 정확하게 작동하는 신율계와 로드 셀이 장착되어 있어야 합니다.
• 분말 야금 및 금속 사출 성형(MIM) 소결(1200°C ~ 1450°C): 압축된 금속 분말(스테인레스강, 공구강, 텅스텐 카바이드)을 거의 최대 밀도까지 소결합니다. 로 분위기(수소, 질소-수소 또는 진공)는 분말 입자의 표면 산화물을 줄이고 소결 부품의 탄소 함량을 제어하는 ​​데 중요합니다.

안전 시스템 및 운영상의 위험

고온 용광로를 안전하게 작동하려면 극심한 열, 가연성 또는 질식성 대기의 위험, 내화 고장 가능성을 다루는 엔지니어링 제어가 필요합니다. 기본 안전 시스템에는 다음이 포함됩니다. 중복 과열 보호 회로 공정 설정점보다 높지만 용광로의 최대 설계 온도보다 낮은 온도로 설정된 독립적인 열전대와 컨트롤러를 사용합니다. 1차 제어 열전대가 고장나거나 컨트롤러가 오작동하는 경우 과열 컨트롤러는 가열 요소의 전원을 차단합니다. 이 독립적인 안전 회로는 무인 작동과 과열로 인해 제품이 파손될 수 있고 잠재적으로 용광로가 파손될 수 있는 귀중한 작업량을 처리하는 용광로에 필수적입니다.

가연성 대기(수소, 형성 가스 또는 흡열 가스)에서 작동하는 퍼니스의 경우 추가 안전 시스템이 필요합니다. 수소를 도입하기 전에 퍼니스에서 불활성 가스로 공기를 퍼지해야 하며, 산소 농도가 폭발 하한계 미만인지 확인하는 산소 분석기로 퍼지를 검증해야 합니다. 에이 연소 화염 또는 촉매 점화기 노 배기에서 미반응 수소가 실내 대기로 유입되기 전에 안전하게 연소되도록 보장합니다. 가스 공급 라인에는 전력 손실 시 자동으로 닫혀 가스 흐름을 즉시 차단하는 상시 닫힘 솔레노이드 밸브가 있어야 합니다. 모든 가스 흐름과 가열 전력을 차단하는 배선된 비상 정지 회로는 작업자 위치에서 접근 가능해야 합니다. 진공로의 경우 주요 안전 위험은 진공 챔버의 파열이며 챔버는 챔버가 설계 한도 이상으로 가압되는 것을 방지하는 압력 완화 장치를 사용하여 적절한 압력 용기 코드(ASME 보일러 및 압력 용기 코드 섹션 VIII 또는 동등한 국가 표준)에 맞게 설계 및 제작되어야 합니다.