Quantitative Comparison of Packing States of Various Press Scraps

다양한 생압고철 충전 상태의 정량적 비교

Abstract

In this study, visual simulations were performed on the packing behaviors of various press scraps. The packing states after the initial charging step were quantitatively compared. The comparison targets were 300mm cubic press scraps, customized cubic press scraps, customized octagonal prism press scraps and customized cylinder press scraps. The customized press scraps were designed in customized sizes for furnaces with melting capacities of 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h. The packing states such as the initial charging number, the additional charging weight percentage, the packing density and the gap volume percentage were comparatively evaluated.

본 연구에서는 다양한 생압고철의 충전 거동을 시각화 시뮬레이션하였고, 초기 장입 단계가 종료된 후, 충전 상태를 정량적으로 비교하였다. 300mm 정육면체 생압고철, 맞춤형 정육면체 생압고철, 맞춤형 팔각기둥 생압고철, 맞춤형 원기둥 생압고철을 비교 대상으로 하였다. 맞춤형 생압고철의 경우, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 크기로 설계하였다. 초기 장입 개수, 추가 장입 중량 백분율, 충전 밀도, 틈새 공간 부피 백분율 등 충전 상태를 비교 평가하였다.

1. 서론

용해 에너지와 관련된 여러 요인 중에서 장입재가 용해 에너지에 미치는 영향에 관한 연구가 최근에 많았다. 주조공장의 에너지 절감 방안을 전반적, 종합적으로 정리한 연구가 있었다 [1]. 소형 파쇄고철 (shredded scrap)을 활용하여 용해 에너지를 절감한 연구가 있었다 [2,3]. 맞춤형 생압고철(press scrap)을 활용하여 용해 효율을 향상한 연구가 있었다[4]. 이러한 연구에서는 장입재의 형상, 크기 및 용해로 충전 상태의 중요성이 실험적으로 검증되었던 바 있다 [2-4].

장입재의 용해로 충전 상태는 용해 에너지에 영향을 크게 미치는 요소지만, 용해로 내부가 고온, 고전압 등으로 위험하며 잘 보이지 않아서 충전 상태를 파악하기가 어렵다. 용해로 내부의 장입재 충전 상태를 구체적으로 파악하고 분석 평가하기 위해서는 이를 3차원적으로 시각화하고 정량화하는 시뮬레이션 연구가 꼭 필요하다. 예를 들어 장입재가 몇 개 들어갔는지, 중량이 얼마인지, 충전 밀도가 어떻게 되는지, 틈새 공간은 얼마나 있는지 등을 알면 크게 도움이 된다.

영화, 게임 산업 분야에서 주로 활용되고 있는 3차원 시각화 시뮬레이터 (소프트웨어)를 본 연구에 도입 활용하였는데, 그 이유는 중력, 마찰력, 관성, 충돌 등의 물리 법칙을 가상 현실에서도 거의 유사하게 반영할 수 있어, 제조 공정 시뮬레이션 등에 적용하기가 매우 좋기 때문이다. 이러한 이점이 있는 소프트웨어를 활용하여, 이전 연구에서 최초로 장입재의 용해로 충전 거동을 3차원적으로 시각화 시뮬레이션하여 선보인 바 있는데 [5], 시뮬레이션의 조건, 결과 등 측면에서 본 연구와 공유, 연계되는 부분이 많이 있으므로 함께 검토하는 것이 좋다. 이번 연구에서는 일반 생압고철과 더불어 다양한 용해로 맞춤형 생압고철의 충전 거동을 시각화 시뮬레이션하였다. 초기 장입 단계가 종료된 후, 초기 장입 개수, 추가 장입 중량 백분율, 충전 밀도, 틈새 공간 부피 백분율 등 충전 상태를 정량적으로 비교하였다.

2. 연구 방법

2.1 시뮬레이션 방법

다양한 생압고철의 용해로 충전 거동을 2차원 및 3차원적으로 시각화하고, 충전 상태를 정량화하기 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 조건 설정을 위해 필요한 정보로는 제조 현장에서 사용되는 용해로의 용량, 형상, 크기 등과 생압고철의 형상, 크기, 밀도 등이 있다. 본 연구에서는 이전 연구 [5]에서 조사하여 설정하였던 시뮬레이션 조건을 똑같이 적용하였다. 여기에 추가로 용해로 맞춤형 크기의 생압고철을 설계하여 본 연구의 시뮬레이션에 활용하였다. 생압고철 충전 상태의 3차원 시뮬레이션을 위한 도구로써 오토데스크(Autodesk Inc.)의 마야 (Maya) 소프트웨어를 활용하였다. 실제 용해로와 맞춤형 설계 생압고철 등의 정보에 기반하여, 시뮬레이션 상의 용해로와 생압고철을 모델링 및 렌더링하였다.

2.2 시뮬레이션 조건

2.2.1 용해로 조건

용해로의 용량, 형상, 크기 등 시뮬레이션 조건을 살펴보았다. 본 연구의 시뮬레이션에서 용해로 용량 조건을 각각 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6t/h로 다양하게 고려하였다. 용해로 도가니의 내부 형상 시뮬레이션 조건을 원기둥으로 간주하였다. 1~6t/h 용량과 원기둥 형상으로 시뮬레이션한 이유에 관해서는 이전 연구 [5]에서 언급한 바 있는데, 많이 활용되는 용량과 형상이기 때문이다. 본 연구의 시뮬레이션에 사용된 다양한 용해로의 도가니 내부 직경, 높이, 부피 등 정보를 용해로 용량별로 정리하여 Table 1에 나타내었다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 크기에 기반하여 설계한 것이며, 이 조건으로 각 용량의 용해로를 모델링하였다. 생압고철의 충전 상태를 시각적으로 쉽게 확인할 수 있도록, 용해로의 벽을 투명화 처리하는 방법으로 용해로를 렌더링하였다.

Table 1. Inner diameter, inner height and inner volume of furnace by melting capacity

2.2.2 생압고철 조건

생압고철의 밀도 시뮬레이션 조건을 살펴보았다. Fig. 1은 제조 현장에서 실제로 사용되는 팔각기둥 생압고철의 다양한 예이다. 이 다양한 생압고철은 모두 한 주조공장에서 사용한 것들인데, 생압고철의 제작 시에 형상, 크기를 같게 하더라도, 구성재료인 생철 (sheet scrap)을 매우 다양하게 사용할 수 있다. 이전 연구 [5]에서 설명한 바와 같이, 생압고철의 밀도는 생철의 두께, 재질에 따라 달라지며, 압축 장비, 공정 측면에의한 압축 정도에 따라서도 달라진다. 생압고철의 밀도가 다르면, 부피가 같게 제작되어도 중량이 다르게 되므로 본 연구에서 중요한 시뮬레이션 조건이다. 본 연구에서 생철 두께, 재질 및 압축 정도 등의 조건은 모두 밀도 조건에 그 의미를 내포하여 시뮬레이션하였다. 이전 연구 [5]와의 정량적 비교 평가를 위해, 같은 밀도 조건인 4.54t/m³로 시뮬레이션하였다.

Fig. 1. Typical examples of octagonal prism press scraps used in a foundry.

생압고철의 형상 시뮬레이션 조건을 살펴보았다. 본 연구에서는 생압고철의 형상을 각각 정육면체, 팔각기둥, 원기둥 등 다양하게 고려하여 시뮬레이션하였다. 정육면체 및 팔각기둥은 제조 현장에서 많이 활용되는 형상이다. 원기둥은 보관 (적재), 이송 시의 안전성, 효율성 문제로 인해 활용이 어려운 형상이긴 하나, 용해로 내 충전 상태 측면의 장점 때문에 고려하였다.

생압고철의 크기 시뮬레이션 조건을 살펴보았다. 정육면체, 팔각기둥, 원기둥 등 다양한 형상의 생압고철을 1~6t/h 용량의 용해로에 각각 맞춤형 크기로 설계하여 시뮬레이션하였다. 생압고철의 맞춤형 너비는 각 용해로의 내부 직경보다 100mm가 작은 직경의 원에 내접하도록 설계하였다. 여기서 100mm는 원활한 장입 공정을 위한 간격이며, 모든 형상 생압고철의 맞춤형 너비를 이처럼 설계하였다. 생압고철의 맞춤형 높이는 다음과 같이 설계하였다. 정육면체 생압고철의 경우, 높이는 형상적 정의에 따라 너비와 같게 설계하였다. 팔각기둥 및 원기둥 생압고철의 경우, 맞춤형 높이는 생압고철 1개로 목표 장입 중량이 되도록 설계하였다. 시뮬레이션 상에서 생압고철의 목표 장입 중량은 용탕 중량의 50% 비율로 하였고, 용탕 중량은 용해로 용량에 딱 맞춰 용해하는 것으로 하였다. 6t/h 용해로의 경우, 용탕 6t을 용해하며, 생압고철의 목표 장입 중량은 3t이 된다. 이상과 같이 본 연구에서는 생압고철을 정육면체, 팔각기둥, 원기둥 형상과 용해로 맞춤형 크기로 모델링하였고, 색깔, 질감 등이 실제와 유사하게 렌더링하였다.

2.2.3 장입 조건

시뮬레이션 상에서 장입 공정은 두 가지 조건에 의해서 중단된다. 첫 번째 조건은 생압고철이 용해로 도가니에 초과 높이로 충전되었을 때이다. 시뮬레이션 상에서 용해로 도가니 높이의 15% 범위까지만 용해로 위로 초과하여 생압고철을 충전하는 것을 허용하였고, 이후로는 장입 공정을 중지하였다. 두 번째 조건은 생압고철이 용해로 도가니에 목표 중량만큼 모두 장입되었을 때이다. 본 연구에서는 장입 공정이 일차적으로 중단되기 전까지를 초기 장입 (initial charging) 단계로 정의하였다. 초기 장입 단계 이후에 액상의 용탕이 형성되면서 다시 장입이 가능해진다. 초기 장입 이후의 장입을 추가장입 (additional charging) 단계라고 정의하였다.

2.3 평가 방법

다양한 생압고철의 초기 장입 단계가 종료된 후, 충전 상태를 정량적으로 비교하고자 하였다. 이를 위해 초기 장입 개수, 추가 장입 중량 백분율, 충전 밀도, 틈새 공간 부피 백분율 등 충전 상태를 평가할 수 있는 다양한 인자를 다음과 같이 정의하였다. 초기 장입 개수는 초기 장입 단계에 용해로 내 충전된 생압고철의 개수이다. 생압고철의 크기, 밀도를 시뮬레이션 조건으로 설정하면 생압고철의 개당 중량을 알 수 있고, 시뮬레이션을 통해 초기 장입 개수를 구할 수 있으므로 초기 장입 중량을 계산할 수 있다. 추가 장입 중량은 목표 장입 중량에서 초기 장입 중량을 뺀 값이다. 목표 장입 중량 대비 추가 장입 중량의 비율 (또는 백분율) 인자를 구하여, 충전 상태를 비교 평가할 수 있다.

초기 장입 중량 (t) = 장입재 중량 (t) × 초기 장입 개수       (1)

추가 장입 중량 (t) = 목표 장입 중량 (t) − 초기 장입 중량 (t)       (2)

\(\begin{aligned}\text { 추가 장입 중량 백분율 }(\%)=\frac{\text { 추가 장입 중량 }(\mathrm{t})}{\text { 목표 장입 중량 }(\mathrm{t})} \times 100\end{aligned}\)       (3)

충전 밀도는 초기 장입 중량을 용해로 활용 부피로 나눈 값으로, 충전 상태를 절대적 수치로 쉽게 비교 평가할 수 있는 인자이다. 용해로 활용 부피는 용해로 내부에 생압고철이 충전되어 실질적으로 활용하고 있는 부피를 의미하며, Table 1의 용해로 내부 부피와는 다른 인자이다. 용해로 활용 부피는 용해로 활용 높이를 이용하여 계산한다. 이때 생압고철의 충전 높이를 용해로의 활용 높이로 간주한다. 생압고철의 충전 높이가 용해로 높이보다 크거나 같은 경우, 용해로 활용 부피는 용해로 부피와 같게 되고, 생압고철의 충전 높이가 용해로 높이보다 작은 경우, 용해로 활용 부피는 용해로 부피보다 작게 된다. 본 연구에서 용해로 활용 부피라는 개념을 도입한 이유를 설명할 필요가 있다. 맞춤형 생압고철의 경우에는 용해로에 고충전 상태가 되어서 충전 높이 위에 남아있는 용해로 내부 공간의 부피가 상당히 클 수 있기 때문이다. 이 점을 무시하고 용해로 부피 대비 초기 장입 중량의 값으로 충전 밀도를 계산하면 비교 평가가 올바르지 않게 된다.

\(\begin{aligned}\text { 충전 밀도 }\left(\mathrm{t} / \mathrm{m}^{3}\right)=\frac{\text { 초기 장입 중량 }(\mathrm{t})}{\text { 용해로 활용 부피 }\left(\mathrm{m}^{3}\right)}\end{aligned}\)       (4)

틈새 공간 부피 비율은 틈새 공간 부피를 용해로 활용 부피로 나눈 값이며, 충전 상태를 잘 평가할 수 있는 인자 중 하나이다. 틈새 공간 부피는 용해로 활용 부피에서 초기 장입 부피를 뺀 값이다. 초기 장입 부피는 초기 장입 중량의 경우와 유사하게 시뮬레이션으로 초기 장입 개수가 구해지면 계산할 수 있다.

초기 장입 부피 (m³) = 장입재 부피 (m³) × 초기 장입 개수       (5)

틈새 공간 부피 (m³) = 용해로 활용 부피 (m³) - 초기 장입 부피 (m³)       (6)

\(\begin{aligned}\text {틈새 공간 부피 백분율}(\%)=\frac{\text { 틈새 공간 부피 }\left(\mathrm{m}^{3}\right)}{\text { 용해로 활용 부피 }\left(\mathrm{m}^{3}\right)} \times 100\end{aligned}\)       (7)

3. 결과 및 고찰

3.1 다양한 맞춤형 충전

3.1.1 맞춤형 정육면체 생압고철 충전

정육면체 생압고철을 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 크기로 설계하였으며, 생압고철의 너비, 높이, 표면적, 부피, 중량 등 정보를 Table 2에 정리하여 나타내었다. Fig. 2는 1~6t/h 용량의 용해로에서 맞춤형 정육면체 생압고철의 초기 장입 단계를 마친 후 충전 상태를 수평 단면, 수직 단면 등 2차원적으로 시각화 시뮬레이션한 결과이다.

Table 2. Customized size designs of cubic press scraps by melting capacity of furnace

Fig. 2. Packing states of customized cubic press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces by 2D visual simulation.

맞춤형 정육면체 생압고철의 경우, 1~6t/h 용량의 용해로에서 모두 유사한 양상으로 생압고철 3개를 장입한 후 초기 장입 단계가 종료된다. 이전 연구 [5]에서 장입, 충전 관련 작업 난도에 관해 설명하였는데, Fig. 2의 모든 경우에 수평 단면 내 포함된 생압고철이 1개이므로, 이와 같은 충전 상태를 구현하기 위한 작업 난도는 낮을 것으로 판단된다. Table 2의 정육면체 생압고철 중에서 가장 큰 6t/h 용해로 맞춤형 크기가 600mm이고, 모든 맞춤형 크기가 KS D 2101 [6]의 허용 길이 규정을 벗어나지 않았다.

3.1.2 맞춤형 팔각기둥 생압고철 충전

팔각기둥 생압고철을 1~6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 크기로 설계하였으며, 생압고철의 너비, 높이, 표면적, 부피, 중량 등 정보를 Table 3에 정리하여 나타내었다. 원기둥 형상의 용해로 내부에 맞춤형 크기로 설계한 팔각기둥 생압고철은 형상적 측면에서도 맞춤형이라 할 수 있다. Fig. 3은 각 용량의 용해로에서 맞춤형 팔각기둥 생압고철의 초기 장입 단계를 마친 후 충전 상태를 수평 단면, 수직 단면 등 2차원적으로 시각화 시뮬레이션한 결과이다.

Table 3. Customized size designs of octagonal prism press scraps by melting capacity of furnace

Fig. 3. Packing states of customized octagonal prism press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces by 2D visual simulation.

Fig. 2와 3의 수평 단면에서 용해로와 생압고철의 틈새 공간 면적을 비교해 보면, 팔각기둥 형상의 경우가 정육면체 형상의 경우보다 더 작다. Fig. 2와 3의 수직 단면에서 생압 고철의 충전 높이를 비교해 보면, 팔각기둥 형상의 경우가 정육면체 형상의 경우보다 더 낮다. 이에 따라 생압고철의 충전 높이 위에 용해로의 여분 공간에는 선철 (pig iron), 회수철 (return scrap) 등 다른 장입재를 더 충전할 수 있다. 맞춤형 팔각기둥 생압고철의 경우, 각 용량의 용해로에서 모두 생압고철 1개의 장입으로 초기 장입 단계가 종료된다. 또한 본 연구에서 설계한 의도대로 단 1개의 생압고철 장입만으로 목표 장입 중량이 달성된다. 그러므로 팔각기둥 형상이 정육면체 형상보다 충전 상태 및 장입 공정 측면에서 더 효율적이라 할 수 있다. 그런데 맞춤형 팔각기둥 생압고철은 1개의 장입으로 목표 장입 중량을 달성하려다 보니, KS D 2101 [6]의 600mm 허용 길이 규정을 벗어나는 문제가 발생한다. 한편, 생압고철 1개의 중량이 크기 때문에, 모노레일, 호이스트 등의 허용 중량에 의해 사용이 제한될 수도 있다. 이 경우에는 생압고철의 높이를 이등분 또는 삼등분한 크기로 제작하는 방법도 생각해 볼 수 있다.

3.1.3 맞춤형 원기둥 생압고철 충전

원기둥 생압고철을 1~6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 크기로 설계하였으며, 생압고철의 너비, 높이, 표면적, 부피, 중량 등 정보를 Table 4에 정리하여 나타내었다. 용해로 맞춤형 크기로 설계한 원기둥 생압고철은 팔각기둥 생압고철과 마찬가지로 형상적 측면에서도 맞춤형이다. Fig. 4는 각 용량의 용해로에서 맞춤형 원기둥 생압고철의 초기 장입 단계를 마친 후 충전 상태를 수평 단면, 수직 단면 등 2차원적으로 시각화 시뮬레이션한 결과이다.

Table 4. Customized size designs of cylinder press scraps by melting capacity of furnace

Fig. 4. Packing states of customized cylinder press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces by 2D visual simulation.

Fig. 2~4의 수평 단면에서 용해로와 생압고철의 틈새 공간 면적을 비교해 보면, 모든 형상 중에서 원기둥 형상이 가장 작다. Fig. 2~4의 수직 단면에서 생압고철의 충전 높이를 비교해 보면, 모든 형상 중에서 원기둥 형상이 가장 낮다. 원기둥 형상의 경우, 팔각기둥 형상의 경우와 마찬가지로 1개의 장입으로 초기 장입 단계가 종료되고, 더불어 목표 장입 중량이 달성된다. 따라서 원기둥 형상이 충전 밀도 등 충전 상태 측면에서 가장 효율적이라 할 수 있다. 그러나 앞서 언급하였지만, 원기둥 형상의 경우, 보관 (적재), 이송 시의 문제점이 있고, 팔각기둥 형상의 경우와 마찬가지로 KS D 2101 [6]의 600mm 허용 길이, 모노레일, 호이스트 등의 허용 중량 등 문제점도 있다.

3.1.4 3차원 시각화 시뮬레이션

Fig. 5는 1, 6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 정육면체 생압고철의 초기 장입 단계를 마친 후 충전 상태를 3차원적으로 시각화 시뮬레이션한 결과이다. Fig. 5의 장입 개수, 충전 밀도 등 충전 상태가 Fig. 2의 충전 상태와 사실상 같다고 볼 수 있다. Fig. 6은 1, 3, 6t/h 용량의 용해로에 맞춤형 원기둥 생압고철의 초기 장입 단계를 마친 후 충전 상태를 3차원 시각화 시뮬레이션한 결과이며, Fig. 4의 결과와 같다고 볼 수 있다. 맞춤형 생압고철의 2차원 및 3차원 시각화 두 시뮬레이션에서 충전 상태 결과가 같은 이유는 고충전 작업 난도가 낮아 실제 제조 현장에서 이상적인 최대 충전 상태의 구현이 가능하기 때문이다.

Fig. 5. Packing states of customized cubic press scraps in 1 and 6t/h furnaces by 3D visual simulation.

Fig. 6. Packing states of customized cylinder press scraps in 1, 3 and 6t/h furnaces by 3D visual simulation.

3.2 초기 장입 개수 비교

여러 충전 상태 인자 중에서 초기 장입 개수를 우선 비교 평가하였다. 이전 연구 [5]의 300mm 정육면체 생압고철과 본 연구의 맞춤형 정육면체 생압고철, 맞춤형 팔각기둥 생압 고철, 맞춤형 원기둥 생압고철을 비교 대상으로 하였다. 1~6t/h 용량의 용해로에서 다양한 생압고철의 충전 거동을 시뮬레이션하였다. 초기 장입 단계를 마친 후의 장입 개수를 Table 5에 정리하였고, Fig. 7과 같이 비교하여 나타내었다.

Table 5. Initial charging number of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces

Fig. 7. Quantitative comparison of initial charging number of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces.

생압고철의 초기 장입 개수가 많으면, 장입 시간이 길어지고, 여러 차례 나눠 장입해야만 하는 경우가 생길 수 있어 장입 횟수가 늘어날 수 있다. 이에 따라 전체 공정 시간이 길어지고 용해 에너지 사용량이 증가하는 영향이 생긴다. 300mm 크기의 정육면체 생압고철을 용해로 용량과 무관하게 획일적으로 사용하는 경우를 먼저 살펴보면, 초기 장입 개수가 1t/h 용해로에서는 3개인데, 6t/h 용해로에서는 17개가 된다. 용해로 맞춤형 크기가 아닌 300mm 크기의 정육면체 생압고철을 획일적으로 사용하게 되면, 용해로 용량이 클수록 초기 장입 개수가 많다.

다음으로 각 용해로 용량에 맞춤형 크기인 생압고철을 사용하는 경우를 살펴보았다. 맞춤형 정육면체 생압고철을 사용하게 되면, 초기 장입 개수가 1~6t/h의 용해로에서 3개로 모두 똑같다. 용해로 용량에 무관하게 초기 장입 개수가 일정하다. 맞춤형 팔각기둥 생압고철이나 맞춤형 원기둥 생압고철을 사용하게 되면, 모든 용량의 용해로에서 초기 장입 개수가 단 1개이다. 이처럼 용해로 맞춤형 크기의 생압고철을 사용하게 되면, 용해로 용량에 상관없이 초기 장입 개수를 크게 줄일 수 있어 장입 공정이 효율화되고, 용해 에너지 원단위 개선에도 도움이 된다.

3.3 추가 장입 중량 백분율 비교

생압고철의 추가 장입 중량 백분율을 비교 평가하였다. 앞절과 마찬가지로 300mm 정육면체 생압고철과 다양한 맞춤형 생압고철을 비교 대상으로 하였다. 1~6t/h 용량의 용해로에서 다양한 생압고철의 충전 거동을 시뮬레이션하였다. 초기 장입 단계를 마친 후의 추가 장입 중량 백분율을 Table 6에 정리하였고, Fig. 8과 같이 비교하여 나타내었다.

Fig. 8. Quantitative comparison of additional charging weight percentage of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces.

Table 6. Additional charging weight percentage (unit : %) of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces

생압고철의 추가 장입 중량 비율 (또는 백분율)이 높다는 의미를 좀 더 쉽게 풀어 설명하면, 초기 장입을 최대한 했음에도 불구하고 추가 장입을 또 많이 해야 한다는 것이다. 결국 장입 시간과 횟수가 늘어나기 때문에 용해 에너지에 악영향을 미친다. 추가 장입 중량 백분율을 각 구간 범위별로 살펴보았다. Fig. 8에서 추가 장입 중량 백분율이 30~50% 정도로 높은 구간의 범위에는 300mm 정육면체 생압고철의 경우가 주로 포함된다. 특히, 1.5 및 2t/h 용해로의 경우에는 50% 이상을 추가 장입 공정으로 진행해야 한다. 각 용해로 용량별 목표 장입 중량을 초과 달성하는데 필요한 300mm 정육면체 생압고철의 추가 장입 개수를 쉽게 파악할 수 있게 하려고, Fig. 8의 + 부호 윗부분에는 추가 장입 개수만큼의 생압고철을 삽입하였다. 1.5, 2t/h 용해로의 경우, 300mm 정육면체 생압고철을 용해로에 초기 장입한 개수보다 추가로 장입해야 할 개수가 더 많음을 확인할 수 있다. 이처럼 생압 고철의 크기와 용해로의 용량이 충전 상태 측면에서 조화롭지 못한 경우 (물리적으로 고충전될 수 없는 조합인 경우)에는 추가 장입 중량 비율이 높다.

추가 장입 중량 백분율이 30% 이하인 구간의 범위에는 맞춤형 크기의 다양한 생압고철이 모두 포함된다. 맞춤형 정육면체 생압고철의 경우, 추가 장입 중량 백분율이 1t/h 용해로에서는 27%인데, 6t/h 용해로에서는 2%이다. 용해로 용량이 클수록, 맞춤형 정육면체 생압고철의 추가 장입 중량 비율이 낮다. 정육면체 생압고철을 맞춤형 크기로 설계하는 것만으로는 1~6t/h 용해로에서 추가 장입 공정을 전부 제거하지는 못하였다. 추가 장입을 아예 안 해도 되려면, 해당 백분율 수치가 0%이어야 한다. 팔각기둥, 원기둥 등 형상까지 맞춤형으로 하게 되면, 1~6t/h 용해로의 모든 경우에서 추가 장입 중량 백분율이 0%가 된다. 즉, 맞춤형 크기와 형상을 모두 만족하는 생압고철을 사용하면, 초기 장입만으로 목표 장입 중량을 달성할 수 있다는 것이다.

3.4 충전 밀도 비교

생압고철의 충전 밀도를 비교 평가하였다. 비교 대상의 생압고철은 앞 절과 동일하게 적용되었다. 1~6t/h 용량의 용해로에서 다양한 생압고철의 충전 거동을 시뮬레이션하였다. 초기 장입 단계를 마친 후의 충전 밀도를 Table 7에 정리하였고, Fig. 9와 같이 비교하여 나타내었다.

Table 7. Packing density (unit : t/m³) of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces

Fig. 9. Quantitative comparison of packing density of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces.

충전 밀도가 낮으면, 유도가열 (induction heating)의 원리적 측면에서 효율이 낮다. 따라서 낮은 충전 밀도는 용해 에너지 원단위에 악영향을 미친다. 충전 밀도를 이용하여 저충전 및 고충전 상태를 구분할 수 있도록, Fig. 9에서 각 구간 범위를 나누어 살펴보았다. 충전 밀도가 2.0t/m³ 이하로 낮은 구간의 범위에는 300mm 정육면체 생압고철의 경우만 포함된다. 300mm 정육면체 생압고철의 충전 밀도는 1.3~2.0t/m³ 범위이다. 특히, 2t/h 용해로의 경우에는 충전 밀도가 1.3t/m³로 가장 낮고, 해당 경우는 비교 대상 중 물리적 크기 측면에서 가장 고충전될 수 없는 조합이다. 이전 연구 [5]에 시각화 시뮬레이션 결과가 있으니, 비교 검토해볼 수 있다. 300mm 생압고철의 충전 밀도는 2t/h 용해로의 경우를 제외하고 1.5~2.0t/m³ 범위인데, 생압고철이 맞춤형 크기가 아닌 경우에는 충전 밀도가 주로 이 범위에 속할 것으로 예상된다. 충전 밀도가 2.0t/m³ 이상으로 높은 구간의 범위에는 맞춤형 크기의 다양한 생압고철이 모두 포함된다. 맞춤형 정육면체 생압고철의 충전 밀도는 2.0~2.4t/m³ 범위이다. 맞춤형 팔각기둥 생압고철의 충전 밀도는 2.7~3.2t/m³ 범위이다. 맞춤형 원기둥 생압고철의 충전 밀도는 2.9~3.6t/m³ 범위이다. 본 연구에서 충전 밀도는 맞춤형 크기가 아니라서 저충전 상태인 모든 경우에 2.0t/m³ 이하이고, 맞춤형 크기라서 고충전 상태인 모든 경우에 2.0t/m³ 이상이다. 따라서 충전 밀도 수치 2.0t/m³는 저충전과 고충전 상태를 구분하는 기준이라고 판단된다.

충전 밀도가 2.0t/m³ 이상인 구간을 좀 더 세부적으로 나누어 살펴보았다. 2.0~2.5t/m³ 구간은 생압고철의 형상을 정육면체 그대로 하고, 크기만을 용해로 맞춤형으로 했을 때 충전 밀도가 속하는 범위이다. 2.5t/m³ 이상의 구간은 생압고철의 형상과 크기를 모두 용해로 맞춤형으로 했을 때 충전 밀도가 속하는 범위이다. 이 구간은 초기 장입만으로 목표 장입 중량이 달성되는 영역이기도 하다. 이처럼 충전 밀도는 저충전 상태인지 고충전 상태인지 등을 절대적 수치로 쉽게 구분할 수 있는 인자이다.

3.5 틈새 공간 부피 백분율 비교

여러 충전 상태 인자 중에서 틈새 공간 부피 백분율을 비교 평가하였다. 앞 절과 같은 비교 대상의 생압고철을 적용하였다. 1~6t/h 용량의 용해로에서 다양한 생압고철의 충전 거동을 시뮬레이션하였다. 초기 장입 단계를 마친 후의 틈새 공간 부피 백분율을 Table 8에 정리하였고, Fig. 10과 같이 비교하여 나타내었다.

Table 8. Gap volume percentage (unit : %) of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces

Fig. 10. Quantitative comparison of gap volume percentage of various press scraps in 1, 1.5, 2, 3, 4, 5 and 6t/h furnaces.

생압고철 장입 후 충전 상태를 살펴보면 틈새 공간이 반드시 있는데, 용해로와 생압고철 간의 틈새 공간과 생압고철과 생압고철 간의 틈새 공간이다. 이러한 틈새 공간은 열의 이동 통로가 되며, 이 공간의 부피 비율 (또는 백분율)이 높으면 열 손실이 많이 발생한다. 또한, 틈새 공간은 절연체(insulator)라서 이 부피 비율이 높으면 유도가열 효율이 낮아 진다. 따라서 틈새 공간 부피 비율을 최소화하면 용해 에너지 측면에서 좋다. 참고로 실제 제조 현장에서는 이러한 이유로 인해 분철, 선철 등 다른 장입재로 틈새 공간을 채우며 장입한다.

Fig. 10에서 틈새 공간 부피 백분율을 각 구간 범위별로 살펴보았다. 틈새 공간 부피 백분율이 60~70% 정도인 높은 구간의 범위에는 300mm 정육면체 생압고철, 50~60% 정도인 중간 구간의 범위에는 맞춤형 정육면체 생압고철, 30~40% 정도인 낮은 구간의 범위에는 맞춤형 팔각기둥 생압고철, 그리고 20~30% 정도인 매우 낮은 구간의 범위에는 맞춤형 원기둥 생압고철의 경우가 각각 주로 포함된다.

맞춤형 크기가 아닌 일반 생압고철의 경우에는 생압고철과 생압고철 간의 틈새 공간이 많아서 부피 백분율이 대부분 60% 이상이다. 생압고철의 크기를 용해로 맞춤형으로 한 모든 경우에는 틈새 공간 부피 백분율이 60% 이하이다. 맞춤형 크기의 경우, 부피 백분율 수치는 전적으로 용해로와 생압고철 간의 틈새 공간에 의한 것이며, 생압고철과 생압고철 간의 틈새 공간은 없다. 생압고철의 형상과 크기를 모두 용해로 맞춤형으로 했을 때, 틈새 공간 부피 백분율은 대부분 40% 이하이다. 형상까지 맞춤형으로 하면, 용해로와 생압고철의 틈새 공간이 작아서 해당 수치가 작은 것인데, Fig. 2~4의 수평 단면에서 용해로와 생압고철의 틈새 공간 면적의 차이를 비교 확인하면 이해하기 좋다.

4. 결론

본 연구에서는 일반 생압고철과 다양한 맞춤형 생압고철의 충전 거동을 시각화 시뮬레이션하였고, 초기 장입 단계가 종료된 후, 초기 장입 개수, 추가 장입 중량 백분율, 충전 밀도, 틈새 공간 부피 백분율 등 충전 상태를 정량적으로 비교하였다.

1) 용해로 맞춤형 크기로 설계한 생압고철을 사용하면, 물리적으로 최대 고충전을 하기 위한 작업 난도가 낮다.

2) 초기 장입 개수는 맞춤형 크기의 생압고철을 사용하면 1~3개 수준으로 크게 줄일 수 있다.

3) 추가 장입 중량 백분율은 맞춤형 크기의 생압고철을 사용하면 30% 이하 수준이 되고, 맞춤형 크기와 형상의 생압 고철을 사용하면 0%가 된다.

4) 충전 밀도는 맞춤형 크기의 생압고철을 사용하면 2.0t/m³ 이상 수준이 되고, 맞춤형 크기와 형상의 생압고철을 사용하면 2.5t/m³ 이상 수준이 된다.

5) 틈새 공간 부피 백분율은 맞춤형 크기의 생압고철을 사용하면 60% 이하 수준이 되고, 맞춤형 크기와 형상의 생압 고철을 사용하면 40% 이하 수준이 된다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업기술혁신사업의 지원을 받아 수행되었습니다.