가스로가 화염에서 작업물로 열을 전달하는 방식은 제품 품질, 에너지 효율, 그리고 로가 수행할 수 있는 공정의 범위를 결정합니다. 직접 연소식, 머플을 사용한 간접 연소식, 그리고 복사관식의 세 가지 기본 방식은 각각 장점이 있으며, 용도에 맞지 않는 방식을 선택하면 품질 문제, 과도한 에너지 비용 또는 둘 다 발생할 수 있습니다.
몬테 인텔리전스는 세 가지 구성의 가스 연소로를 모두 공급합니다. 이 글에서는 열처리 작업에 중요한 기준에 따라 각 설계를 비교합니다.
직접 연소로는 천연가스(또는 기타 연료 가스)를 연소실에서 직접 연소시키며, 연소 생성물인 화염과 고온의 연소 가스가 작업물과 직접 접촉합니다. 버너는 연소실 내부로 화염을 분사하고, 고온의 가스는 (자연 대류 또는 재순환 팬에 의해) 작업물 주변을 순환하며, 배기가스는 연도구를 통해 배출됩니다. 이는 열원과 작업물 사이에 장벽이 없기 때문에 가장 단순하고 에너지 효율적인 구조입니다. 연소 에너지의 전부가 작업물을 가열하는 데 사용되며, 연소 가스에 포함된 현열만 제외됩니다.
직접 가열 방식의 한계는 가공물이 연소 분위기에 직접 노출된다는 점입니다. 연소 생성물에는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 포함되어 있는데, 이 두 물질은 열처리 온도에서 강철을 산화시키는 성질을 가지고 있습니다. 직접 가열로에서 가열된 강철 표면에는 산화 스케일(밀 스케일)이 형성됩니다. 단조 예열, 노멀라이징, 응력 완화, 가공 전 어닐링 등 많은 용도에서는 이러한 스케일이 후속 공정에서 제거되거나 제품에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 허용 가능한 수준입니다.
직접 가열 방식이 적합하지 않은 경우는 표면 품질이 매우 중요한 경우입니다. 침탄, 탄질화, 광택 경화 및 특정 탄소 포텐셜을 요구하는 모든 공정은 연소 생성물의 제어되지 않은 분위기를 견딜 수 없습니다. 이러한 용도에서는 연소 생성물을 가공물과 분리해야 하므로 간접 가열 방식이 사용됩니다.
간접 가열로는 연소실과 작업실을 분리하는 내열 합금 또는 세라믹 재질의 머플로 구성됩니다. 버너는 머플 외부에서 연소하여 머플 벽을 가열하고, 이 열이 내부의 작업물에 전달됩니다. 머플 내부에는 흡열 가스, 질소-수소 혼합물 등과 같은 제어된 분위기가 유지되어 작업물을 보호합니다. 연소 생성물은 작업물과 직접 접촉하지 않습니다.
머플은 이 유형의 용광로에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 약 950°C 이하의 온도에서는 내열 합금(일반적으로 RA330, Incoloy 800HT 또는 고니켈 주조 합금)으로 머플을 제작할 수 있으며, 설계 수명은 3~5년입니다. 최대 1150°C의 고온에서는 탄화규소 머플이 사용되지만, 이는 취성이 강하고 가격이 더 비쌉니다. 머플은 상당한 초기 투자 비용(일반적으로 용광로 총 비용의 15~25%)을 차지하며, 결국 교체해야 하므로 주요 유지 보수 비용이 발생합니다.
머플의 에너지 손실은 머플 벽을 통과하는 온도 강하에서 발생합니다. 작업실을 850°C까지 가열하려면 연소실 온도가 더 높아야 하는데, 일반적으로 950~1050°C입니다. 이는 머플을 통한 열 전달을 위한 구동력을 제공하기 위함입니다. 연소실 온도가 높아지면 배기가스 온도도 높아지고 열 손실이 커져, 동일한 직접 연소로에 비해 열효율이 10~20% 감소합니다.
복사관 가열 방식은 메쉬 벨트로를 포함한 연속로에 표준으로 자리 잡은 간접 연소 방식의 변형입니다. 이 방식은 하나의 큰 머플 대신 여러 개의 복사관(로 챔버를 관통하는 밀폐된 합금관)을 사용합니다. 버너는 튜브 내부에서 연소하고, 연소 생성물은 튜브를 따라 이동하며(열 전달 균일성을 향상시키기 위해 내부 재순환이 이루어지는 경우가 많음) 반대쪽 끝에서 배출됩니다. 튜브의 외부 표면은 작업물에 열을 복사합니다.
복사관은 단일 머플에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 복사관은 일반적으로 작업물의 위아래로 여러 줄로 배열하여 측면과 상단에서만 가열하는 단일 머플보다 더 균일한 가열을 제공할 수 있습니다. 개별 복사관은 용광로 챔버를 열지 않고도 분리 및 교체할 수 있어 유지보수 시간을 단축할 수 있습니다. 복사관 직경이 비교적 작기 때문에(일반적으로 100~200mm) 벽 두께를 적당히(5~8mm) 하더라도 충분한 기계적 강도와 내식성을 확보할 수 있습니다.
가장 일반적인 복사관 설계는 U자형 관입니다. 버너에서 나오는 화염이 U자형 관의 한쪽 다리에 집중되면 연소 가스가 닫힌 끝으로 이동한 후 다른 쪽 다리를 통해 배기구로 되돌아갑니다. 이 설계는 고온의 화염이 한쪽 다리에 있고 차가운 배기가스가 다른 쪽 다리에 있기 때문에 열 전달 효율이 높으며, 직선형 관보다 관 표면 온도가 더욱 균일합니다. W자형 관과 단일단 회수형 관(SER 관)은 관당 더 높은 열 방출량이 요구되는 용도에 사용됩니다.
튜브 재질 선택은 용광로 온도에 따라 달라집니다. 최대 950°C의 온도에서는 주조 HK-40(크롬 25%, 니켈 20%) 또는 HP(크롬 25%, 니켈 35%) 합금 튜브가 충분한 수명을 제공합니다. 더 높은 온도 또는 금속 분진 발생을 유발할 수 있는 탄화 가스를 포함하는 분위기에서는 니켈 함량이 더 높은 합금이나 세라믹 튜브(탄화규소)가 필요합니다. 일반적인 열처리 환경에서 튜브의 수명은 2~5년이며, 파손 유형으로는 크리프 파열(튜브 자체 무게로 인한 고온 장기 노출), 산화(연소면에서 튜브 벽이 얇아짐), 탄화(탄소 흡수로 인해 튜브가 취성화됨) 등이 있습니다.
몬테 인텔리전스는 공정 온도, 분위기 요구 사항, 생산량 및 투자 예산을 고려하여 최적의 가열 방식을 추천합니다. 단조 예열 및 노멀라이징 공정에는 직접 가열 방식이 최고의 비용 대비 성능을 제공합니다. 제어 분위기 열처리에는 용광로의 형상과 작동 온도에 따라 복사관 또는 머플로 방식의 가열 설계가 적용됩니다.
귀사의 공정에 맞는 가스 난방기 구성 권장 사항은 helenxu@cnlymonte.com으로 문의하십시오.
