금속의 용해#1 (용해로 : 도가니로, 전기로)

1. 도가니로

   1) 정의 : 금속의 용해 방법은 금속의 종류에 따라 사용하는 노가 다르다. 일반적으로 주철은 큐폴라와 전기로, 주강은 전기로, 비철 합금은 도가니로, 전기저항로를 사용한다. 

도가니로는 용해 온도가 낮은 비철 합금의 용해에 사용되며, 사용하는 연료에 따라 가스로, 중유로, 전기로 등이 있으며 노의 설치에 따라 가경식과 고정식으로 분류한다. 도가니의 종류로는 흑연도가니, 알루미나 도가니, 마그네시아 도가니, 주철 도가니가 있고 흑연 도가니를 많이 사용한다. 도가니의 규격은 1회 용해할 수 있는 구리의 중량으로 표시하며 n kg을 용해할 수 있는 도가니를 n번이라고 한다. 

 

   2) 도가니로의 특징

      ⓐ 용해되는 금속이 연료 가스와 직접 닿은 일이 적으므로 용탕이 산화되거나 불순물의 혼입이 적다.

      ⓑ 도가니만 바꾸어주면 여러 금속을 계속해서 용해할 수 있으며, 소량의 용해 등 이용 범위가 넓다.

      ⓒ 설비는 간단하나 외부로부터 간접적인 가열법을 이용하기 때문에 용융점이 높은 금속에는 적합하지 않다.

      ⓓ 도가니의 크기가 한정되어 있으므로 많은 양의 용해에는 적합하지 않다.

      ⓔ 열효율이 나쁘다.

 

2. 전기 용해로 (전기로, Electric Furnace)

   1) 정의 : 전기를 열원으로 사용하여 탄소전극의 아크열과 유도전류에서 발생되는 열을 이용하여 금속을 용해한다.

   2) 전기로의 특징 

      ⓐ 용탕의 온도를 저온에서 고온까지 광범위하고 정확하게 조절할 수 있다.

      ⓑ 용탕의 성분조절이 쉽고 인건비가 절약된다.

      ⓒ 용융금속의 불순물 혼입이 적다.

      ⓓ 전력 및 내화재료 등의 유지비, 설치비가 많이 든다.

 

   3) 전기로의 종류 : 전력을 이용하는 방법과 공급방법에 따라 아크로, 유도로, 저항로 등으로 분류한다.

      

      ⓐ 아크로 : 아크를 장입재료 사이에서 발생시켜 열원으로 직접 이용하는 직접아크로와 간접적으로 장입지금이 가열 용해되는 간접아크로가 있다. 전기로의 열효율은 각종 용해로 중에서 가장 높으며 신속하게 가열할 수 있고 용탕의 온도를 정확하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 특히 화학조성이 복잡한 합금의 용해에는 좋은 조건을 가지고 있다. 

노벽의 라이닝은 산성과 염기성으로 하고 산성은 규사를 사용하여 탈황, 탈인 등의 정련작업을 하지 않을 때에 사용되는 것으로 용해시간이 짧고 노재료비가 낮으며 용해 비용은 적으나 황, 인 등을 제거하기 어려우므로 성분을 확실히 알고 불순물이 적은 양질의 원재료를 구하기 쉬울 때 이 용해법을 채택하는 것이 유리하다. 따라서 양질의 재생철(return scrap)이 많은 경우에 적합한 용해 방법이다. 염기성 제강법은 황, 인을 제거할 수 있고 성능이 산성 제강법에 비하여 양호하나 용해시간이 길고 노의 재료비가 높은 결점이 있으므로 장입원재료의 품질이 나쁠 때에 이 용해 방법을 채택한다. 

 

      ⓑ 유도로 : 유도 전기로라고도 하며 1차 코일에 공급되는 전류의 주파수에 따라 고주파 유도로, 저주파 유도로로 나뉜다. 고주파/저주파의 전기를 노속의 도가니를 둘러싼 코일에 흐르게 함으로써 발생하는 유도전류에 의한 저항가열에 의해 도가니 안에 있는 금속을 용해 한다. 

 

 고주파 유도로는 코일에 교류 전류가 흐르고 있는 노 안에 도전성의 금속 지금을 넣으면 전자 유도 작용에 의해 맴돌이 전류가 유도된다. 금속 지금인 피 가열물은 도전성을 가지고 2차 전류에 의해 교류전류가 코일의 흐름에 따라 맴돌이 전류가 발생하고 피 가열물 내부에 저항열이 생겨 금속을 용해한다. 유도 전기로에서 용해된 용탕 내에는 자력선이 발생하고 있기 때문에 용탕의 교반 운동이 일어난다. 고주파 유도로의 구조는 도가니 주위에 구리관을 코일식으로 감아 놓았으며 코일 내부로 냉각수가 흐르도록 되어 있다. 도가니의 재료는 용해 재료에 따라, 주철과 그 합금 용해는 실리카 샌드의 내화물을 사용하고 주강과 합금강 용해에는 마그네시아, 알루미늄 합금 용해에는 알루미나 등을 사용한다. 고주파 유도로의 특징으로는 1차코일 전류의 주파수가 1,000~10,000Hz이다. 주파수가 클수록 교반이 조용히 일어나므로 합금원소의 산화가 심한 합금강의 용해에 적합하다. 온도 조절이 쉽고, 용탕의 교반 작용이 강하여 균일한 성분을 얻을 수 있다. 고온 용해를 할 수 있으므로 공구강, 고합금강, 스테인리스강, 자석강 등의 용해작업에 이용되고 있다. 

 

 저주파 유도로는 50~60Hz의 교류 전류를 이용하며, 철심형은 노 내부에 설치 되어 있는 철심에 1차 코일을 감았으며, 용탕이 있는 채널부에 2차 코일을 설치한 유도로이다. 철심형 유도로는 용탕을 항상 철심부에 남겨 놓은 상태에서 가열하므로 균일한 용탕을 얻을 수 있다. 특히 노 밑에서 가열되므로 아연과 같이 기화하기 쉬운 합금 용해에 적합하다. 무철심형 저주파 유도 전기로는 고주파 유도 전기로와 구조가 비슷하지만 용해 초기에 많은 전력을 출력할 수 없기 때문에 냉재를 그대로 용해하기가 어렵다. 따라서, 철심형과 마찬가지로 용탕을 남겨 놓든지 또는 미리 큰 덩어리로 만든 스타팅 블록을 장입하여 용해 조업을 시작해야 한다. 철심형과 비교하면 가격이 비싸고 전기 효율도 다소 나쁜 점이 있으나, 용해 조업이 비교적 간단하므로 무철심형을 많이 사용하고 있다. 그러나 무철심형은 용탕의 교반 작용이 매우 심하여 노벽의 침식이 많고 용탕의 산화가 많은 것이 특징이다. 용탕의 교반 작용을 줄이기 위해 일반적으로 코일을 도가니의 아래쪽에 설치하여 용탕의 정압에 의해 교반력을 억제할 수 있도록 노를 설계하여 사용한다.

 

      ⓒ 저항 전기로 (Resistor Furnace) : 니크롬, 철크롬 및 탄화규소 등의 발열체를 열원으로 하고 온도조절이 용이하며 균일도가 높다. 용해할 때의 분위기 조절이 용이하고 소음, 분진이 적어 작업환경이 깨끗하다는 이점이 있다.