■구리용 고효율 전기 용해로의 개발

◈ 기술개발 목적 및 중요성

Ⅰ. 기술개발 목적

구리는 융점이 높아(약 1,250℃) 용해에 필요한 고온을 발생, 유지하는 데는 많은 어려움이 있다. 가장 많이 쓰이고 있는 방식으로는 용해 용량이 적은 경우는 oil burner에 의한 연소열을 이용하고 있고, 중ㆍ대형인 경우는 고가(高價)의 전기 유도 용해로를 사용하고 있다. 전기 유도 용해로는 용량이 3 ton 이상으로 대용량이고 열효율이 약 60% 정도로 낮은 편이다. 사용 용량이 크고 고가여서 중ㆍ소기업에서는 사용하지 않고 있다. 용량이 1 ton 미만인 경우 중ㆍ소기업에서는 oil burner 용해로를 쓰고 있으나 에너지 효율이 낮고 환경오염이 심하다. 또한 도가니에 열을 전달하는 방식이 burner의 화염에 의해 전달함으로 도가니의 국부적인 곳에 편중되어 있어 국부 가열로 인한 과도한 온도 편차 및 이에 따른 열 변형, 국부 과열 등으로 인한 도가니 수명 단축 등의 문제와 용탕내의 온도 불균형으로 인한 용해물의 품질저하 등의 문제도 일으킨다. 따라서 burner 방식을 탈피하여 에너지 효율을 높이고 수명을 늘리며 환경오염이 적은 새로운 방식의 구리 용해로의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서 개발한 전기 용해로는 전기 고온 발열체를 도가니 주변에 골고루 배체하여 도가니의 온도를 균일하게 가열하여 도가니 내의 온도 분포를 uniform하게 형성시켜 열 손실을 최소화하면서 구리를 용해시키며 용해 시간을 단축하고, 용해 시 기존의 burner 로와 같은 소음, 분진 등의 발생이 전혀 없으며 에너지 사용량이 기존의 burner 로에 비해 획기적으로 줄어드는 용해로를 개발 보급하는데 목적이 있다.

Ⅱ. 기술 개발의 중요성

우리나라 대부분의 중소기업이 현재 사용하고 있는 기존의 oil 용해로는 평균 20%내외의 낮은 효율임을 감안했을 때 에너지 소비가 막대하고, 작업장의 환경 또한 소음과 분진 등으로 인해 열악하며, burner의 국부 가열 방식으로 인해 최종 생산품의 품질 또한 저급한 형태이다. 따라서 구리 재활용 사업에서 차지하고 있는 에너지 사용 비용을 획기적으로 줄이고 작업 환경의 개선과 고품질의 출하로 관련 중소기업의 경쟁력을 제고시키는 방안으로 에너지 절약형이면서 작업 환경 개선과 품질 향상을 꾀할 수 있는 새로운 방식의 로가 개발될 필요가 있었다. 본 연구에서는 고온 발열체를 burner 대신 적용함으로써 작업 공정에 있어서 control을 용이하게 하면서 에너지 절감, 공해 방지, 품질 개선 등을 이루었다.

Ⅲ. 기술개발내용 및 범위

1. 1차년도 개발 목표 및 내용

개발 목표 - 사각형 구리용 고효율 전기 용해로 설계 및 제작 기술 개발 ▷ 형태 : 각형

▷ 용해크기 : 500㎏

▷ 용해물 : Cu(동) 및 합금 ( BC, PBC, 기타 )

▷ 용해시간 : 평균 3.5hr

▷ 용해온도 : 1,250℃ max 1,300℃

▷ 전기용량 : 190 ㎾h/ton

주요연구내용 ● 자료조사

- 선진 제품 조사 및 장단점 비교 분석 및 특허 분석

● 부분 및 전체설계

- 열정산, 열량, 열효율 및 기타 설계

- 단열 내화물, 내화벽돌 조건 및 설계

- 전기소모량 및 발열체 설계 선정 ( 굵기, 길이, 단위면적당 소비전력 )

- Control 방법 및 시켄스 작성

- 구조설계, 발열체 배치, 로 내부 적정면적 설계

● 단열 조건 및 메카니즘 설계 ( 위탁기관 )

● 구조의 안전성 확보 및 열 분포도 해석 ( 위탁기관 )

● 중요 부분품 선정 및 구입

- 도가니, 발열체, 내화물, 전기부품, 기타 구입품 선정

● 가공 및 조립

- 내화물 제작( 목형, 금형 Mould )

- 내화물 축로

- 몸체 및 전기 Controller 제작

- 각종 제작에 필요한 지그 제작

- 전체 조립

● 시험 및 보완

- 소비전력 시험

- 로내 안정선정 및 구입

● 가공 및 조립

● 시험 및 보완

2. 2차년도 개발 목표 및 내용

개발 목표 - 원통형 구리용 고효율 전기 용해로 설계 및 제작 기술 개발 ▷ 형태 : 원통형 / Tilting Type

▷ 용해크기 : 1,000㎏

▷ 용해물 : Cu(동) 및 합금 ( BC, PBC, 기타 )

▷ 용해시간 : 평균 3.0hr

▷ 용해온도 : 1,250℃ max 1,300℃

▷ 전기용량 : 190 ㎾h/ton

주요연구내용

● 자료조사

● 부분 및 전체설계

- 발열체 간의 복사 전열 해석

- 발열체 공간 내의 대류 전열 해석

- 도가니 전도 해석

- 도가니 내의 용탕 자연 대류 현상 해석

- 내화ㆍ단열 벽돌 내의 전도 해석

- 시스템 열 해석 및 설계

● 단열 조건 및 메카니즘 설계 ( 위탁기관 )

● 구조의 안전성 확보 및 열 분포도 해석 ( 위탁기관 )

● 중요 부분품 선정 및 구입

- 도가니, 발열체, 내화물, 전기부품, 기타 구입품 선정

● 가공 및 조립

- 내화물 제작( 목형, 금형 Mould )

- 내화물 축로

- 몸체 및 전기 Controller 제작

- 각종 제작에 필요한 지그 제작

- 전체 조립

● 시험 및 보완

- 소비전력 시험

- 로내 안정도 및 분포도 시험

- 용해시간 및 효율시험

- 용해물 검사

- 수정 및 보완

● 중요 부분품 선정 및 구입

● 가공 및 조립

● 시험 및 보완

Ⅳ. 기술개발결과 및 활용에 대한 건의

1. 기술 개발 결과

기존의 oil burner 로를 대체할 수 있는 구리용 전기 용해로를 개발하였으며 1차 년도에서는 기존의 형상인 각형으로 설계 제작하여 oil burner 로와 비교 실험을 수행하였으며, 2차 년도에서는 용해 후 주물을 붓기 쉽도록 하고 구조적인 안전을 위해 외형을 원형으로 바꾸어 설계 제작을 하였다. 실증 시험을 수행하여 구리 용해 시 사용되는 전기량을 측정하여 기존의 oil burner 로와 대비하여 연료비의 절감 효과를 산출하였으며, 운전 시 발생할 수 있는 소음, 분진 등을 측정하여 목표치와 비교하였다. 그리고 용탕의 물성을 측정하여 개발된 전기로가 품질에 미치는 긍정적인 효과를 비교 분석하였다. 실증 시험 결과 본 연구 계획 시 설정하였던 목표치를 이루었으며 본 결과를 바탕으로 구리용 전기 용해로를 사업화하는 데 크게 기여할 것으로 사료된다. 최종시제품의 사양은 아래와 같다

● POWER : 3 380V 60Hz 130kw

● 로체 SIZE : 2,440(W)☓1,900(L)☓1,640(H)

● 도가니 SIZE : 616()☓800(H)

● TYPE : TILTING

● CONTROL : PID SCR AUTO

● HYD PUMP : 3 380V 60Hz 2.2kw

● HYD CYLINDER : 120()☓1,000(ST)☓2

● 용도 : Cu, 합금강의 용해 및 보온

● 로체 구성 자재

- BODY : SS400

- 내화물 : LBK28, B-5, B-1, 세라믹보드, 울, SK 34, SK 36, CASTABLE

● TEMP : MAX 1400℃ NOR 1300℃

● 발열체 : SIC 비금속 30()☓800(400+400) “M" TYPE

2. 활용에 대한 건의

구리용 oil burner 용해로를 사용하고 있는 중소기업체를 지역별로 조사한 결과 전국적으로 약 1,000여 군데가 있으며 실제로 조사된 곳 이외에도 보다 많은 영세한 기업들이 산재되어 있는 실정이다. 현재 사용하고 있는 oil burner 로가 사용에 여러 가지가 매우 불편하고 기름값 상승 등으로 인해 운영비가 많이 든다는 점들은 공감을 하고 있다. 그 대안으로 전기 유도 용해로를 생각할 수는 있겠으나 가격이 비싸고 중소기업체의 생산 용량에 맞지 않는다는 점이 있다. 따라서 본 연구의 결과물인 고온 발열체를 이용한 구리용 전기 용해로로 대체될 가능성이 매우 높다. 전기 용해로는 기존 oil burner를 대체할 목에서 사용하고 있는 oil burner 로와 용량이 비슷하고 사용 목적이 같도록 개발되었다. 이러한 전기 용해로로 대체할 경우 운전비를 절감하고, 작업 환경을 개선할 수 있으며, 품질을 향상시킬 수가 있다. 그러나 당장 기존의 oil burner 로와 대체가 시급히 이루어지기에는 개발된 전기 용해로의 대당 가격이 기존의 oil burner 로에 비해 비싸다는 점이 대부분의 영세한 중소기업인 경우 대체를 어렵게 만드는 요인이 아닌가 한다. 따라서 초기 시설 투자비에 대해서 정부로부터의 적절한 지원이 긴요한 실정이다. 개발된 전기 용해로는 운전비가 기존의 oil burner 로에 비해 약 60% 이상 절감이 되므로 초기 투자비에 대한 회수 기간이 일년 정도밖에 되지 않는다. 전기 용해로 설비에 대한 초기 투자비를 빠른 시일 내에 회수할 수 있으므로, 기존의 oil burner 로를 대체하여 기름 사용량을 줄이고 환경오염을 막으며 품질 개선 등으로 인해 중소기업의 경쟁력을 높이기 위해 정부의 적극적인 지원이 필요하다.

Ⅴ. 기대효과

구리용 전기 용해로의 개발과 보급은 현재 oil burner 로를 사용하고 있는 1,000개의 중소기업체에 여러 가지 기대 효과를 얻을 수 있다고 본다. 에너지 절약은 물론이고 부수적으로 작업장 환경 개선과 동시에 대기 오염방지에 기여하고 생산품의 품질을 향상시키는 등 사용하는 기업체에 많은 이익을 줄 수가 있다. 또한 구리 용해로에 대한 수요가 늘어날 경우 이를 제작하는 업체에 고용 창출의 효과도 기대할 수가 있게 된다. 다음은 가가의 기대 효과에 대해 정량적으로 계산된 것을 나타내고 있다.

● 에너지 절감효과

- 연료비 절감 효과 : 연간 24,000천원/대당 이상 절감.

연간 68,400ℓoil 절감

(정제유 사용 기준임. 경유 사용 시와 비교하면 절감효과는 더 커짐)

- 기존 900여 사업장 대체 시 절감효과 : 연간 약 216억원(후면 자료참조)

● 작업환경 개선효과

- 대기환경 오염방지 : 화석연료인 oil(중유, 경유, 재생유 등)를 사용하므로 발생하

는 CO₂, CO의 발생 등은 전기로 사용으로 전혀 발생하지

않음.

- 소음공해 방지효과 : oil burner에 공급키 위해 사용하는 송풍기와 모터로 인하여

로의 1m 주위 측정치가 85～95㏈(A)로 나타나나 본 과제의

전기로는 소음이 전혀 발생하지 않아 작업환경 개선에도 월

등한 효과가 있음.

● 고용창출 효과

로 제작에 따른 로제 case제작, 내화물제조, 축로, controller 제작 등에 필요한

기능인력 6명/일 x 15일/대 의 고용창출 효과가 예상됨.

● 기타 예상효과

- 화재 및 안전사고 감소

- 해당사업장의 근로자 취업 기피해소

● 산업 재산권의 획득

출처: 학술지