전기로(電氣爐) 의 분류 및 가열방식

전기로(電氣爐) 의 분류 및 가열방식

 

 

1. 전기로(電氣爐)의 개요

전기로는 전기저항, 전자유도, 방전 등 전기의 물리적 특성을 이용하여 가열하는 것으로서 일반적으로 전기가열장치가 가열물을 수납하기 위한 가열실을 갖춘 경우를 말한다. 단, 가열실을 갖추지 않은 장치라도 같은 용도에 사용되는 경우가 있다.

전기로는 용도 등에 따라 가열방식,구조,용량 등에 따라 저항로(간접식 및 직접식 저항로), 아크로, 유도로로 분류된다.

 

2. 전기로의 분류

 

3. 전기로의 가열방식 및 특징

1) 저항가열

저항로는 도전성 물체에 전류를 통했을 때 물체가 지닌 전기저항에 의해 발열하는 원리를 이용한 것으로서 공업용으로 가장 널리 사용되고 있다.

1-1) 간접 저항가열

· 원리

줄열을 이용한 저항가열의 한 방법으로 피열물에는 전류를 흘리지 않고 열원으로 별도의 발열체에 전류를 흐르게 하여 가열하는 방식.

· 특징

피열물에 직접 전류를 통하는 직접저항가열에 비해 피열물의 종류가 제한되지 않으며 취급이 간단하다

· 적용

가전용전열기부터 전기로까지 범위가 넓다.

 

1-2) 직접저항가열

전류에 의한 저항손을 이용하는 전기로 중에서 도전성 피열물에 직접 전류를 흐르게 하여 가열하는 방식으로 피열물에 직접 대전류를 통하여 피열물 자체를 발열시키므로 열효율이 좋다.

대표적인 것은 흑연화로가 있으며, 흑연화로는 단상의 대용량 부하가 되므로 3상의 각 상간을 평형화하기 위해 복수爐의 계획적 조업 또는 리액터,콘덴서에 의한 보상을 한다. 또한 온도상승과 더불어 역률이 현저하게 저하하므로 역률 개선용 콘덴서를 설치한다.

< 직접저항로 - 탄소흑연전극 흑연화로 >

 

· 특징

무정형 탄소를 노내에 나란히 넣고 전극 사이에 100~120V 의 교류전압을 가하여 약 2400℃로 하면 60~70 시간에 흑연화된다.

 

1-2-1) 카바이드 로(Carbide Furnsce)

· 석회와 탄소의 혼합 원료 중에 전극을 직접 삽입하여 원료의 저항에 의해 가열하면 약 2,500℃가 되며 화학반응으로 카바이드가 생성된다.

· 용도 : 카바이드 생성

 

1-2-2) 카보런덤로(Carborundum Fumace)

· 탄화규소를 만드는 노로서 규석과 코크스 등의 탄재를 주원료로 소량의 톱밥과 식염(NaCl)를 섞은 것을 그림과 같이 넣고 직접 통전하여 1,800~1,900℃로 가열하여 제조한다.

· 특징

탄화규소는 연삭제, 내화재, 발열체, 피뢰기, 바리스터 등에 이용되고 소비전력은 7,000~10,000㎾h 이다.

 

1-3) 저항용접

· 원리

용접모재 자신에 큰 전류를 통하며 용접모재 자신의 접촉저항에 의한 발열을 이용.

전원은 주로 교류를 사용하며 저전압 대전류를 통하게 하는 특수 변압기를 사용한다.

전류의 조정은 변압기 1차 코일에 탭을 만들어 탭의 전환에 의해 목적에 적합하도록 전류를 조정한다.

· 특징

아크 용접에 비해 대체로 온도가 낮으므로 가열에 따른 영향이 적고 용접 후 금속 조직에 주는 변화가 적다. 또한 별로 변형되지 않는 특징이 있으므로 정밀공작에 쓸 수 있다.

· 종류

맞대기 용접, 점 용접, 심(seam)용접, 프로젝션 용접 등.

 

2) 아크가열(누설변압기 사용)

아크가열은 아크전류가 발생할 때의 높은 온도를 이용하여 피열물의 가열용해를 행하는 방식으로 직접가열방식과 간접가열방식이 있다. 제강용 아크로에서는 주로 용해 초기에는 스크랩이 녹아 떨어지거나 아크전자력의 영향으로 인해 아크전류가 부단히 크게 변화하기 때문에 자동전극 제어장치에 의해 전극을 상하로 작동시켜 아크길이를 조정하고 투입전력을 일정하게 유지하여야 한다.

 

2-1) 플리커 방지 및 고조파 방지

제강용 아크로에서 용해초기에 발생하는 아크전류의 격심한 변화를 억제하기 위해 자동전극 제어장치가 설치되어 있어도 아크전류의 빠른 동요를 억제할 수 없게 되므로 플리커가 발생하게 된다. 따라서 플리커에 대한 검토가 이루어 져야 하며, 전력회사와 상의하여야 한다.

 

[표] 플리커 보상장치(일본자료 인용)

 

2-2) 아크로

아크열을 이용한 전기로

 

2-3) 간접 아크가열

· 간접 아크가열(Indirect Electric Arc Heating)은 전극간에 발생하는 아크열을 이용하는 아크가열의 일종으로 피열물을 전극 또는 중간극으로 하지 않으며 아크의 발생에는 2개의 전용 전극을 쓴다.

· 특징

아크는 수하(-)특성을 가지고 있기 때문에 아크를 안정하게 유지하기 위해서는 직렬로 저항(안정저항) 또는 리액턴스를 넣는다

간접식 아크로는 이러한 아크가열을 이용한 것이다.

· 적용

구리알루미늄의 합금용해 등.

 

2-4) 직접 아크가열

전극사이에 발생하는 아크열을 이용하는 것으로 피열물 자체를 아크전극으로 하거나 아크매질로 하는 가열법.

< 직접 아크가열 >

 

· 피열물 자체를 아크전극으로 하는 것

- 제강용 에루(Heroult)식 아크로.

- 카바이트 노

· 피열물을 아크 매체로 하는 것

- 고압 아크로.

 

2-5) 아크용접

아크 방전에 의한 아크의 발열을 이용한 용접

· 특징

용접하려는 모재와 용접봉 사이에 아크를 발생시킨다. 이때 발생하는 열에 의해 모재와 용접부의 표면을 녹이고 용접부에 용접봉의 금속을 용입하여 용접한다. 또 용접봉 대신 탄소전극이나 텅스텐 전극을 사용할 때도 있다.

· 응용

원저수소용접, 유니온 용접.

 

3) 고주파 가열(고주파유도爐)

고주파가열은 유도가열과 유전가열이 있으며, 그 원리는 환봉강에 코일을 감고 이것에 고주파 전류(상용주파수~수천 ㎑)를 통하면 자장이 발생하고 교번자속이 발생하여 매우 밀도가 높은 와전류가 유도된다. 고주파 유도로에서는 이 과전류와 피열물이 갖는 저항에 의해 피열물 스스로가 발열하는 원리를 이용한 것으로서 사용 주파수에 따라 저주파유도로와 고주파유도로로 구분되며 또한 구조적으로는 도가니형과 홈형으로 구분된다.

 

· 고조파의 방지

고주파 유도로용의 사이리스터 인버터나 아크로 등도 고조파를 발생한다. 따라서 부하에 장해가 되는 고조파는 발생기기측에 필터를 설치하는 등의 대책이 필요한 경우가 있다.

· 전파장해의 방지

고주파 이용설비에서는 전파장해를 방지하기 위해 누설전파를 허용값 이내로 억제하여야 한다.

 

3-1) 고주파 유도가열

전자유도에 의해 피열물에 맴돌이 전류를 유도시켜 그 맴돌이 전류에 의한 줄열로 가열하는 방법으로 저주파 유도가열과 고주파 유도가열이 있다. 상용주파 정도의 정현파에서는 도체내에 쉽게 자속이 모아지지 않으므로 자로를 모으기 위해 변압기 회로를 형성한다.

 

3-1-1) 유도가열용 전원

 

3-1-2) 유도가열의 응용과 특징

· 단시간 가열이 가능하므로 연속, 신속처리,대량생산방식이 가능하다.

· 필요한 국부만 선택가열이 가능하므로 전력,시간 및 노력이 절약되고 불필요한 개소의 가열이 없으므로 품질이 향상된다.

· 금속의 열처리, 반도체(실리콘·게르마늄)의 정련, 단결정의 제조 등 그 응용범위가 넓다.

3-2) 고주파유전가열

· 고주파 전계속에서 절연성 피열물에 생기는 유전체손에 의해 피열물을 직접 가열하는 방법

 

3-2-1) 유전가열용 전원

· 사용전압 : 4~12㎸

· 사용주파수 : 1~200㎒, 자여식 진공관 발진기

· 출력 :1~50㎾ 정도의 것이 많다.

 

3-2-2) 유전가열의 특징

· 열이 유전체손에 의하여 피열물 자신에 발생하므로 가열이 균일하다.

· 온도상승속도가 빠르고 속도가 임의 제어된다.

· 전원이 끊어지면 가열은 즉시 멈추고, 주위 물체에 저축된 열에 의한 과열이 없다.

· 표면의 소손 균열이 없다.

· 전효율이 고주파 발진기의 효율(50~60%)에 의해 억제되고 회로손실도 가해지므로 종합효율이 떨어진다.

· 설비비가 고가이다.

· 피열물의 기하학적 형상에 따라 균일 가열이 곤란하다.

· 장치를 적당히 차폐하지 않으면 전파의 누설에 의하여 통신에 장애를 발생한다.

 

3-2-3) 유전가열의 응용

· 합성수지공업

- 접착성형 : 10~50㎒

- 고주파미싱 : 100~200㎒

- 고주파 용접기 : 40~50㎒

· 목재의 접착 : 5~10㎒

· 모재의 건조 : 2~5㎒

· 기타 : 고무의 유화, 약품, 농수산물의 건조 등