전기로

전기로(electric furnace)의 종류(저항로,아크로,유도로)

 

 

 

전열(電熱)을 이용하여 가열하는 노. 금속정제에 널리 사용된다. 발열방식에 따라 분류하면 저항로(抵抗爐)·아크로·유도로(誘導爐)로 나눈다.

〈저항로〉 저항로에는 철크롬선·니크롬선 등의 전열선을 노(爐) 안에 시설하고, 이것에 전기를 흐르게 하여 피가열물을 가열하는 간접로, 탄소를 흑연으로 만드는 노와 같이 피가열물 자체에 전기를 흐르게 한 직접로가 있다. 간접로의 경우 노내 온도가 1,000 ℃ 이상 되는 노에서는 발열체(發熱體)로 탄화규소·캔탈(코발트·철·알루미늄·크롬의 합금)선을 사용한다.

전원(電源)에는 3상 200 V 또는 단상(單相) 100 V가 사용되며, 소형인 것에서는 변압기로 20∼40 V로 낮추어서 급전(給電)하는 경우도 있다.
사용하는 전력은 수 kW~100 kW 이상의 것도 있다. 사용목적에는 용해·가열·소결(燒結)·어닐링(annealing)·담금질, 도자기 등의 소성(燒成) 등 여러 가지가 있다. 노 안을 진공으로 하고 텅스텐을 발열체로 사용하여 3,000 ℃ 이상의 고온으로 할 수 있는 진공저항로도 있다.

〈아크로〉 제강용(製鋼用)으로 많이 사용되는노이다. 노 안에 놓인 피용융재와 3개의 전극사이에 아크의 형태로 전류를 흘려서 가열하는 것으로서, 전원은 3상교류, 용량은 수백 kW~수천 kW에 이르는 대형의 것도 있다.

아크전류는 피용융재의 상황에 따라 변동하므로 전극의 위치를 항상 조정하여 아크전류를 가능한 일정한 값으로 유지하는 제어가 필요하다. 그렇게 해도 전류의 대폭적인 변동이 생겨서 같은 전원에 연결된 수용가(需用家)에서 전압변동이 일어난다. 이것을 플리커현상이라고 하는데, 이를 줄이기 위한 대책이 문제가 된다.

〈유도로〉 피가열물에 교류자기장을 가하여, 이 자기장에 의해서 피가열물 속으로 전류가 흘러 용융하는 것으로, 금속을 정제하는 데 사용되는 노이다. 따라서 유도로에는 이것을 둘러싼 코일이 있다. 이 코일에 보내는 교류의 주파수가 50∼60 Hz인 것을 저주파 유도로, l만 Hz 이상의 것을 고주파 유도로, l만 Hz 이하를 중간주파 유도로라고 한다.

중간 및 고주파로의 전원은 10 kHz까지는 고주파 발전기, 주파수가 그 이상인 것은 불꽃발진기·진공관발진기 등에 의한다. 발전기의 용량은 수 kW에서 큰 것은 2,000 kW급의 것도 있다.

 

 

용해로는 금속을 용해시키는 데 사용하는 노로, 여러 가지 종류와 형식이 있으며,

크 게 반사로, 도가니로, 전기로, 용선로의 네 가지로 구분된다.

연구에 사용된 용해로는 전기로 연료를 사용하지 않고 전열로를 가열, 용융하여 연소 실 및 연소용 공기가 필요 없고 배기가스에 의한 열량 손실도 없으며 온도조절이 쉬워 사용범위가 넓어지고 있다.

전기 저항열을 이용한 저항로, 아크에 의해 발생된 고열을 이용하는 아크로, 용기에 전류를 유도시켜 가열하는 유도로를 사용하고 있다. 유도로는 고주파, 중주파, 저주파의 전기를 로 속의 도가니를 둘러싼 코일에 흐르게 만들고, 이로 인해 발생되는 유도전류에 의한 저항가열로 도가니에 넣은 금속을 용해한다. 용해방식으로는 대기 중 개방용해, 진공, 비활성기체 밀봉 용해가 있으며, 베릴륨, 우 라늄과 같은 특수 금속은 진공 중에 용해를 시킨다. 철괴를 만드는 용도 외에도 주물용 용해로로도 사용되고 있으며, 유도로는 무철심유도로(無鐵心誘導爐)와 홈형유도로(溝形 誘導爐)로 구분된다. 그림 5는 유도로 평면도를 나타내고 있으며, 유도코일 안에서 한쪽 방향으로 전류가 흐르면, 장입재에서는 반대방향으로 와전류가 흐르게 되며, 이 전류로 인해 금속에 열을 발생시켜 용해가 진행된다.

고주파 유도가열은 전자유도작용(코일형상의 도체중심의 영구 자석을 넣고 빼면 자계 가 변화하고 도체에는 전류가 흐르는 현상)을 이용하여, 코일에 고주파 자장 내에 있는 가열물에 유도전류가 흐르도록 한다. 유도 전류는 물체 내에서 전류가 소용돌이치며 흐 르는 와전류에 의해 생기는 손실과 히스테리시스(Hysteresis) 손실에 의한 주울열(Joule) 이 발생하며, 매우 단 기간에 발열이 이루어진다. 히스테리시스 현상은 그림 6에서 자기 장의 크기를 0~+Hm까지 하여 +Hm~a 크기의 자속 밀도가 되도록 만든다. 이 값은 최 대 지속밀도로 불리며 그림 6에서는 +Bm로 표기하고 있다. 최대 지속 밀도를 만들 경 우 전류를 0으로 만들어도 0~b만큼의 전류자기(Residual Magnetism)가 남아 있게 되며 그림 6에서는 Br로 표기하고 있다. 이 전류자기를 없애기 위해서는 전류를 반대 방향으 로 흘려서 자기장을 만들어야 하는데, 이때 자기장의 크기가 0~c가 되는 점에서 B가 0 이 된다. 계속해서 역으로 자기장을 증가 시키면 0~-Hm = 0~+Hm의 구역에서 a와 역 으로 –Bm의 지속 밀도를 얻게 된다. 다시 전류를 감소시켜 0으로 만든 후 처음의 방향 으로 자화를 계속하면 e, f를 통과하여 H = +Hm에서와 같이 처음 값과 같은 지속 밀도 Bm으로 되돌아오는데 이와 같은 현상을 히스테리시스 현상(Hysteresis Phenomena) 혹은 이력현상으로 부르고 있다. 즉 히스테리시스 현상은 a-b-c-d-e-f-a 형태로 순환 하는 것을 뜻하며, 히스테리시스 현상의 모양과 크기는 선택한 재료의 특성에 따라 달라 진다. 히스테리시스(Hysteresis) 곡선으로 둘러싸인 면적은 위의 1순회에서 발생하는 단 위 체적당의 에너지 손실을 나타내고 있으며, 교류로 자호할 때는 매초 교류의 주파수 배만큼 철에 열 손실이 일어나게 된다[4].

 

히스테리시스(Hysteresis) 현상의 주요 장점은 세 가지로 나타낼 수 있다. 첫 번째, 히스테리시스(Hysteresis) 영역이 작을수록 히스테리시스(Hysteresis) 손실이 작아진다. 두 번째, 히스테리시스(Hysteresis) 현상은 재료의 보전성과 보자력 값을 제공하게 되어, 영구 자석, 기계의 핵심을 만들기 위한 재료 선택이 쉬워진다. 마지막으로, B-H 그래프 (자화곡선, 자기 히스테리시스 곡선)로 부터 잔류 자성을 구할 수 있어서 전자석 재료의 선택이 용이해진다. 주울열은 James Prescott(1818~1889)에 의하여 확인된 것으로 주울의 법칙에서 발 생되는 열을 지칭하며 저항열이라고 불리기도 한다. R[Ω]의 저항에 I[A]의 전류를 t[sec] 동안 흘릴 때 저항 중에서 소비되는 전기량, 즉 전기 에너지는 (1)로 표시되며, 이 저항 에서 소비되는 에너지는 모두 주울열로 변경된다. (1) 열량의 단위로는 공업적으로는 단위[J]를 그대로 쓰는 경우도 있으나, 대개 칼로리 (calorie,[cal])라는 단위를 사용한다. 1[cal]의 열량은 [J]에 상당하므로, 전기 에너지에 의한 발생 열량은 (2)와 같다. (2) 만약 저항에서 1[kWh]의 전력량을 소비시켰을 때 발생하는 열량은 (3)에서 계산되어 860[kcal]임을 확인할 수 있다. (3) 이렇게 발생된 열로 가열하는 것을 유도가열이라고 하며, 고주파 전류를 이용한 것을 고주파 유도가열이라 한다. 주파수가 높은 고주파 전류를 사용하기 때문에, 전류의 표피 작용 및 근접 효과에 의하여 피가열물의 표면 중에 자속 및 와전류가 집중하게 되며, 이 때 발생되는 열손실이 피가열물의 표면층을 가열하게 된다