유도 가열: 알고 싶었지만 묻기 어려웠던 모든 것 (2016년 10월)

이달의 질문: 저희공장에서는 구리 합금 봉과 빌렛을 가공하고 있습니다. C14500, C44300, C46400, C48500, C64200 등으로 만들어진 빌렛을 가열하는 데는 가스 용광로를 사용해 왔습니다. 빌렛/봉의 직경은 200~240 mm 범위입니다. 당사의 용광로 최고 온도는^860oC로, 이러한 작업에는 충분합니다. 그러나 당사는 사업을 확장 중이며,^{950°C~1050°C의}온도가 필요한 C71500, C63000 및 기타 일부 구리 합금 등급도 가공하고 있습니다. 빌렛 예열에는 기존 가스 용광로를 사용하고, 이후 갠트리 시스템을 통해 빌렛을 유도 가열기로 이동시켜 최종 가열을 진행하는 방식이 가능할까요?

답변: 네, 이 방식은 새로운 유도 가열 시스템이 빌렛의 평균 온도를^200oC미만으로만 상승시키면 되기 때문에 자본 비용을 절감하는 데 도움이 될 것입니다. 필요한 생산 속도와 요구되는 온도 균일도(표면에서 중심까지, 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지)에 따라, 목표 온도에 도달하기 위해 여러 대의 정적 유도 가열기를 사용할 수 있습니다. 단, 빌렛/봉의 길이가 현저히 다른 경우, 가변 권선, 자속 연장기 및/또는 자속 집중기를 적용하여 전자기적 끝단 효과를 적절히 제어해야 한다는 점을 유의하십시오. 빌렛의 직경을 고려할 때, 저주파(50~120 Hz)를 사용하는 것이 가장 적합할 것입니다. 가스 용광로에서의 예열 및 유도 가열 시스템에서의 최종 가열 후 빌렛의 이송 시간은 최소한으로 유지해야 합니다. 이송 시간이 길어지면 가스 용광로에서 확보된 열 균일성이 훼손될 수 있으며, 이로 인해 유도 가열기로 보정해야 하고 시스템 설계가 복잡해질 수 있습니다.

예를 들어 C71500과 같은 구리 합금의 유도 가열 시 발생하는 문제는 이 합금의 열전도율이 극히 낮다는 점과 관련이 있습니다. C71500의 경우, 합금의 열전도율은 순수 구리의 열전도율보다14배이상 낮으며, 현재 가공 중인 C14500 합금의 열전도율보다도12배이상낮습니다. 열전도가 원활하지 않기 때문에 표면에서 중심부로 전달되는 열량이 훨씬 적어지며, 이로 인해 열 균일화 효과가 감소하고 열 구배가 증가합니다. 따라서 충분한 시간이 필요합니다.

또한, C71500의 전기 전도도는 순구리의 4.6%에 불과합니다. 이로 인해 전류 침투 깊이와 전기 효율은 증가하지만, 필요한 전력 소비량은 감소합니다. 즉, C14500과 같은 다른 구리 합금의 경우, 비슷한 크기의 빌렛과 동일한 생산 속도를 기준으로 할 때 최대 필요 전력이 실제보다 높게 나타날 수 있습니다. 구리 합금 C71500의 전기 저항률은 오스테나이트계 스테인리스강의 약 54%에 불과하며, 열전도율은 비철계 스테인리스강의 약 1.6배입니다. 즉, 전자기적 및 열적 측면에서 볼 때, 구리 합금 C71500은 유도 가열에 대해 구리보다는 스테인리스강과 더 유사한 반응을 보입니다.

가스 용광로 뒤에 설치될 유도 가열기를 설계할 때는 새로운 구리 합금의 미묘한 특성을 반드시 고려해야 한다. 서로 다른 합금으로 제작된 공작물의 유도 가열 시 나타나는 미묘한 특성을 파악하기 위해서는 컴퓨터 수치 시뮬레이션을 활용해야 한다.

발레리 루드네프 박사, FASM
과학기술 부문 이사
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com