KR102166822B1 - 비금속성 또는 금속성 물품의 열전달 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비금속성 또는 금속성 물품의 열처리 방법에 관한 것으로, 본 방법은, A. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 A' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 A) 로서, 상기 열전달 유체 A' 은 물의 열전달 계수 초과의 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 A), 및 B. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 B' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 B) 로서, 상기 열전달 유체 B' 은, 상기 열전달 유체 A' 의 상기 열전달 계수와 상이하며 또한 물의 열전달 계수 초과인 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 B) 를 포함하고, 상기 열전달 유체 A' 과 상기 열전달 유체 B' 은 상이하다.
Description
본 발명은 비금속성 또는 금속성 물품의 열처리 방법에 관한 것이다. 특히, 강, 알루미늄, 스테인리스 강, 구리, 철, 구리 합금, 티타늄, 코발트, 금속 복합재, 니켈 산업 또는 플라스틱과 같은 비금속성 산업에 매우 적합하다.
에너지 소비를 절감하기 위한 관점에서, 열교환기 시스템의 성능을 향상시키고 다양한 열전달 향상 기술을 도입할 수 있다. 일부 기술은 전기장 또는 자기장 적용에 초점을 맞추고 있다. 그러한 관점으로부터 에너지 효율의 향상이 가능하지만, 열전달 유체에 관하여 향상이 또한 실현될 수 있다. 일반적으로, 물, 엔진 오일, 에틸렌 글리콜 등과 같은 유체가 열전달 유체로서 사용된다. 그렇지만, 이들은 열전달 성능이 불량하므로, 요구되는 열전달을 달성하기 위해서는 열전달 시스템의 높은 콤팩트화 및 유효성이 필요하다. 열전달 향상을 위한 노력 중에서, 액체에 첨가제를 적용하는 것이 더 두드러진다.
예를 들어, 열전달 계수 또는 적어도 열전도율을 향상시키기 위해, 폴리옥시에틸렌 모노- 및 디-글리세라이드인 LEVENOL C-421 과 같은 계면활성제가 물에 첨가될 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에 전도성이 향상되지만, 계면활성제의 존재는 거품의 형성을 초래한다. 거품의 존재는 특히 산업적 규모에서 이를 제거하는 것이 실제로 어렵기 때문에 큰 문제이다. 더욱이, 계면활성제의 존재는 열전달 시스템, 특히 열전달 유체가 흐르는 파이프의 부식을 증가시킨다. 마지막으로, 특히 열전달 시스템에서 스케일이 형성될 수 있다.
제강 산업에서, 예컨대 특허출원 US2003062147 은 전기 강 (electrical steels) 의 제조 방법을 개시한다. 연속 주조 후, 주조 스트립으로부터 결정립 배향 전기 강을 생산하기 위해, 주조 스트립의 급속 2차 냉각이 구현되어, 결정립 성장을 억제하는 상의 석출을 제어한다.
구체적으로, (a) 두께 약 10 ㎜ 이하의 연속 주조된 전기 강 스트립을 형성하는 단계, (b) 약 15 ℃/s 의 속도로 상기 스트립을 약 1150 내지 약 1250 ℃ 의 온도까지 공기로 서냉하여 응고시키는 단계, 및 (c) 후속하여, 상기 강 스트립을 약 65 내지 약 150 ℃/s 의 속도로 약 950 ℃ 이하의 온도까지 냉각시키는 급속 2차 냉각 단계를 포함하는 결정립 배향 전기 강 스트립의 생산 방법이 기재되어 있다.
냉각 공정은 냉각 스프레이의 직접 적용, 지향성 냉각 공기/물 미스트, 또는 금속 벨트 또는 시트와 같은 고체 매체에 대한 주조 스트립의 충돌 냉각에 의해 달성될 수 있다.
그러나, 그러한 냉각 공정으로는, 원하는 빠른 냉각에 도달하지 않을 수 있다. 실제로, 지향성 냉각 공기/물 미스트는 산업적 규모로 제어하기 어려운 냉각이다. 더욱이, 주조 스트립과 냉각 유체 또는 냉각 고체 사이의 열전달 유동이 너무 낮기 때문에, 쌍방의 냉각 공정은 너무 길다.
"Effect of Cooling Patterns on Microstructure and Mechanical Properties of Hot-Rolled Nb Microalloyed Multiphase Steel Plates" (Dong-sheng ZHENG, Fu-xian ZHU, Yan-mei LI, Bing-zhang CHEN, Journal of Iron and Steel Research, International, Volume 18, Issue 8, August 2011, Pages 46-52) 라는 명칭의 과학 출판물에 다른 예가 개시되어 있다. 열간 압연 실험에 의해 연구된 Nb 미세합금 강판의 미세조직 및 기계적 성질에 대한 런아웃 테이블 냉각 패턴의 영향을 설명하고 있다. 결과는 동일한 열간 압연 조건 하의 런아웃 테이블에서 3 종류의 냉각 패턴을 통해 페라이트, 베이나이트, 및 상당한 양의 잔류 오스테나이트를 함유하는 혼합 미세조직이 획득될 수 있다는 것을 보여 주었다. 예를 들어, 열간 압연 공정에서의 냉각 공정 중에, 런아웃 테이블은 다음 단계에 의해 강 스트립을 냉각시킬 수 있다:
(a') 중간 냉각 속도에서 820 ℃ 로부터 700 ℃ 까지 냉각시키는 단계 (냉각제로서 사용된 물은 층류 영역 유동임),
(b') 느린 냉각 속도로 700 ℃ 로부터 640 ℃ 까지 냉각시키는 단계 (냉각제로서 공기가 사용됨),
(c') 매우 빠른 냉각 속도로 640 ℃ 로부터 440-460 ℃ 까지 냉각시키는 단계 (냉각제로서 물이 사용됨).
그러나, 원하는 냉각 속도에 도달하기 위해, 거대한 양의 물이 단계 (a') 및 (c') 을 수행하는 데 필요하다. 또한, 물을 사용하는 냉각 단계가 산업적 규모에서 너무 많은 시간이 걸릴 위험이 있다. 실제로, 물의 열전달 계수는 중간의 또는 매우 빠른 냉각 속도를 빠르게 획득할 정도로 높지 않다. 따라서, 열전달 계수가 높은 열전달 유체가 필요하다.
최근의 나노기술 연구는 나노입자들을 포함하는 새로운 종류의 열전달 유체의 개발을 가능하게 하였다. "나노유체 (Nanofluid)" 라고도 불리는 이러한 유체들은 적어도 하나의 치수가 100 nm 미만인 입자들을 함유하는 액체 현탁액이다. 이러한 열전달 유체들은 일반적으로 증가된 열전달 계수를 가진다. 이 유체들은 보통 냉각 유체로서 사용된다.
그러한 유체는 비금속성 또는 금속과 열전달 유체 사이의 열전달, 예를 들어 냉각을 가속하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제강 산업에서, 열간 압연 공정의 냉각 공정 동안, 런아웃 테이블은 입구에서 약 800 ~ 950 ℃ 에서부터 출구에서 450 ~ 600 ℃ 까지 강 스트립을 냉각시킨다. 따라서, 일부 강 등급에 대해서, 높은 열전달 계수를 가진 열전달 유체가 필요하다.
그러나, 때때로, 냉각은 2 이상의 단계로 수행되고, 각 단계의 냉각 속도는 빠르지만 동등하지 않다. 따라서, 여러 냉각 단계를 포함하는 그러한 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 물의 열전달 계수 초과의 열전달 계수를 갖는 열전달 유체들과 물품 사이의 2 이상의 열전달을 포함하는 비금속성 또는 금속성 물품의 실행하기 용이한 열전달 방법을 제공하는 것이다. 특히, 열전달이 빠르며 제어될 수 있는 방법을 제공할 필요가 있다.
이는 청구항 1 내지 26 에 따른 금속성 또는 비금속성 물품과 열전달 유체 사이의 열전달 방법을 제공함으로써 달성된다.
이하의 용어들이 규정된다:
- 나노입자들 (소위 나노유체) 을 포함하는 열전달 유체는 적어도 하나의 치수가 100 nm 미만인 입자들을 함유하는 액체 현탁액을 의미하며,
- 층류는 약 2300 의 임계값 미만의 레이놀즈수 (Reynolds number) 를 가진 유동을 의미하며,
- 난류는 약 4000 의 임계값보다 큰 레이놀즈수를 가진 유동을 의미하고,
- 퍼콜레이션 (Percolation) 한계 농도는 나노입자들의 농도이고, 이 농도를 초과해서는 나노입자들이 긴 범위의 네트워크를 형성하도록 연결되어 있다. 열전달 적용에 대하여, 이러한 네트워크가 유체의 가장 고온 부분, 즉 열이 유동하기 시작하는 부분과 유체의 가장 저온 부분, 즉 열이 배출되는 부분을 연결하는 것이 적절하다. 즉, 퍼콜레이션 한계 농도 미만에서는 나노입자들이 연결되어 있지 않다. 퍼콜레이션 한계 농도가 얻어지면, 유체 매체보다 높은 열전도율을 가진 나노입자들로 형성된 네트워크는 열 운반체가 열 저항이 훨씬 적은 경로를 취할 수 있게 하여, 유체의 열전도율 및 그리하여 열전달 계수를 향상시킨다.
- 중량% 는 중량 백분율을 의미하며,
- 그래파이트 나노플레이트렛 (nanoplatelet) 은 5 ~ 20 nm 근방의 두께를 가진 그래핀 시트들의 다층 시스템을 의미하고,
- 몇 층의 그래핀은 1 ~ 5 nm 의 두께를 가진 그래핀 시트들의 다층 시스템을 의미하며,
- 그래핀은, 육각형으로 배열되고 결합된 탄소 원자의 단일 원자 두께의 시트를 의미하며, 일반적으로 1 nm 미만의 두께를 나타낸다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 본원의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명을 설명하기 위해, 비한정적인 실시예들의 다양한 실시형태들 및 시험들이 특히 다음의 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 하나의 나노플레이트렛의 실시예를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 다층 나노플레이트렛들의 실시예를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 구형 나노입자의 실시예를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 타원형 나노입자의 실시예를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 다층 나노플레이트렛들의 실시예를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 구형 나노입자의 실시예를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 타원형 나노입자의 실시예를 도시한다.
본 발명은 비금속성 또는 금속성 물품의 열처리 방법에 관한 것으로, 본 방법은
A. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 A' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 A) 로서, 상기 열전달 유체 A' 은 물의 열전달 계수 초과의 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 A), 및
B. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 B' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 B) 로서, 상기 열전달 유체 B' 은, 상기 열전달 유체 A' 의 상기 열전달 계수와 상이하며 또한 물의 열전달 계수 초과인 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 B)
를 포함하고, 상기 열전달 유체 A' 과 상기 열전달 유체 B' 은 상이하다.
더 바람직하게는, 상기 방법은 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 C' 과 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 C) 를 또한 포함하고, 열전달 유체 C' 은 물의 열전달 계수 미만의 열전달 계수를 갖는다.
유리하게는, 상기 방법은 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 D' 과 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 D) 를 또한 포함하고, 열전달 유체 D' 은, 열전달 유체 C' 의 열전달 계수와 상이하며 또한 물의 열전달 계수 미만인 열전달 계수를 갖는다.
본 발명에 따르면, 단계 A), B), C), D) 는 임의의 순서로 행해질 수 있고, 단계 C 및 D 는 선택적이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 열처리 방법은 연속적으로 수행되는 단계 A) 및 B) 를 포함한다. 다른 바람직한 실시형태에서, 단계 B) 는 단계 A) 전에 수행된다. 유리하게는, 본 발명에 따른 열처리 방법은 연속적으로 수행되는 단계 A), B) 및 C) 를 포함한다. 이들은 또한 다음의 순서로 수행될 수 있다: B), C) 및 A), 또는 C), A) 및 B). 바람직하게는, 본 발명에 따른 열처리 방법은 연속적으로 수행되는 단계 A), B), C) 및 D) 를 포함한다. 이들은 또한 다음의 순서로 수행될 수 있다: B), C), A) 및 D), 또는 A), C), D) 및 B).
바람직한 실시형태에서, 열전달 유체는 그래파이트 나노플레이트렛들, 그래핀, 몇 층의 그래핀, TiO2, ZnO2, ZnO, 붕소-질화물, 구리, 실리카, 몬모릴로나이트, 제올라이트 클립노틸로라이트, 규회석, 운모, 제올라이트 4A, Al2O3, 규산염, 경석, 산화칼슘 또는 탄소 나노튜브로부터 선택된 나노입자들을 포함한다. 바람직하게는, 나노입자는 탄소 나노튜브를 포함하지 않는다.
예를 들어, 나노입자는 구형, 타원형 또는 나노플레이트렛들일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 열전달 유체에 사용될 수 있는 하나의 나노플레이트렛의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 측방향 크기는 X 축을 통하여 나노플레이트렛의 최대 길이를 의미하고, 두께는 Z 축을 통하여 나노플레이트렛의 높이를 의미한다. 나노플레이트렛의 폭은 Y 축을 통하여 설명된다.
도 2 는 본 발명의 열전달 유체에 사용될 수 있는 다층 나노플레이트렛들의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 측방향 크기는 X 축을 통하여 나노플레이트렛들의 최대 길이를 의미하고, 두께는 Z 축을 통하여 적층된 모든 나노플레이트렛들의 전체 높이를 의미한다. 나노플레이트렛의 폭은 Y 축을 통하여 설명된다.
도 3 은 본 발명의 열전달 유체에 사용될 수 있는 구형 나노입자의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 측방향 크기는 나노입자의 직경을 의미하고, 두께는 나노입자의 높이를 의미한다.
도 4 는 본 발명의 열전달 유체에 사용될 수 있는 타원형 나노입자의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 측방향 크기는 나노입자의 최대 길이를 의미하고, 두께는 나노입자의 높이를 의미한다.
나노입자의 측방향 크기와 두께는 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM) 및 원자력 현미경 (AFM) 으로 측정될 수 있다.
바람직하게는, 나노입자들은 다층 나노플레이트렛들이다. 실제로, 어떠한 이론에 구속되지 않으면서, 나노플레이트렛들 모폴러지 (morphology) 를 얻기 위해, 나노입자들은 층간의 상호작용, 즉 반데르 발스, 수소 결합, 기계적 결합, 할로겐 결합, pi 적층, 양이온/음이온-pi 결합, 인터칼레이션 (intercalation), 염 브리지들 및 극성-pi 가 약한 다층 구조를 가져야 하는 것으로 보인다. 나노플레이트렛들의 양호한 열전도율과 함께 이러한 약한 결합은 유체의 열전달 계수를 향상시킬 수 있는 가능성을 높여준다.
유리하게는, 나노입자들의 두께가 1 내지 99.99 ㎚, 바람직하게는 5 내지 50 ㎚, 더 바람직하게는 5 내지 15 ㎚ 이다.
바람직하게는, 나노입자들의 측방향 크기는 26 내지 50 ㎛, 유리하게는 35 내지 45 ㎛ 이다.
바람직하게는, 나노입자 농도가 0.01 내지 12 중량%, 유리하게는 2 내지 8 중량%, 더 바람직하게는 4 내지 7 중량% 이다.
바람직한 실시형태에서, 열전달 유체는 비표면 활성 중합체, 계면활성제 또는 이들의 혼합물인 분산제를 갖는다. 계면활성제는 양이온, 음이온, 양성 또는 비이온성일 수 있다.
예를 들어, 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 다당류, 술페이트 다당류, 직쇄 알킬벤젠 술폰산염, 리그닌 술폰산염, 디-알킬 술포숙신산염, 4 급 암모늄 화합물, 스테아르산 나트륨 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
바람직하게는, 나노입자들 농도/분산제 농도 비는 중량으로 3 ~ 18 이다. 보다 바람직하게는, 나노입자들 농도/분산제 농도 비는 4 ~ 15, 유리하게는 4 ~ 8, 바람직하게는 4 ~ 6 이다.
어떠한 이론에 구속되지 않으면서, 상기 비가 제어되고 퍼콜레이션 한계 농도에 도달하면, 본 발명에 따른 열전달 유체는 더 높은 열전도율을 허용하고 따라서 층류에서 더 높은 열전달 계수를 허용하는 것 같다. 실제로, 분산제는 나노입자들의 침적 (deposition) 및 응집을 방지할 수 있을 것이다. 예를 들어, 분산제가 계면활성제인 경우에, 나노입자는 소수성 분자들의 코어 및 친수성 분자들의 쉘로 구성된 미셀 (micelle) 에 의해 포위될 것이다. 이러한 미셀 구조는 나노입자들을 유체 내에 분산시키는 것을 가능하게 한다. 하지만 퍼콜레이션, 즉 나노입자들에 의해 형성된 긴 범위의 네트워크의 형성을 얻기 위해서는 나노입자들의 분산 정도가 제한되어야 한다.
바람직하게는, 열전달 유체는 물, 에틸렌 글리콜, 에탄올, 오일, 메탄올, 실리콘, 프로필렌 글리콜, 알킬화 방향족, 액체 Ga, 액체 In, 액체 Sn, 포름산칼륨 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 유체 매체를 포함한다. 갈륨, 인듐 및 주석은 열전달 유체로서, 특히 금속성 물품의 냉각용으로 사용될 수 있다. 실제로, 갈륨의 용융점은 30 ℃ 이고, 인듐의 용융점은 157 ℃ 이며, 주석의 용융점은 232 ℃ 이다. 예를 들어, 이들은 중성자 소스들과 같은 컴퓨터 칩들 또는 실험실 장비들을 냉각시키는데 사용될 수 있다.
열전달 유체는 바람직하게는 이하의 단계들에 의해 제조된다:
A. 본 발명에 따른 나노입자들의 제공,
B. 유체 매체의 제공,
C. 퍼콜레이션을 달성하기 위한 나노입자 농도의 조절, 및
D. 유체 매체와 나노입자들의 혼합.
본 발명에 따르면, 열전달 유체의 유동은 층류 또는 난류 유동 영역에 있을 수 있다. 층류 유동 영역에서, 열전달 계수는 열전도율에 비례한다. 반대로, 난류 유동 영역에서, 열전달 계수는 점도와 같은 한 세트의 열-물리적 특성에 의존한다.
본 발명에 따르면, 열전달 단계는 금속성 또는 비금속성 물품과 열전달 유체 사이에 있다. 바람직하게는, 예를 들어 금속성 기재인 금속성 물품은, 알루미늄, 강, 스테인리스 강, 구리, 철, 구리 합금, 티타늄, 코발트, 금속 복합재, 니켈로 제조되고, 비금속성은 플라스틱으로 제조된다.
종래 기술에서, 유체 매체로서 물을 사용하는 열전달은 통상적으로 하나의 모드에 의해 실현될 수 있다. 하나의 모드는 "접촉 물" 이라고 칭하며, 이는 물이 이 물과 직접 접촉하여 물체를 냉각 또는 가열하는 데 사용되는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 금속성인 물품은 금속성 기재이고, 열전달 유체는 이것과 직접 접촉한다. 이 경우, 열전달은 제트 충돌 냉각, 풀 비등 (pool boiling), 스프레이 냉각 또는 마이크로 채널 냉각에 의해 실현될 수 있다.
예를 들어, 제강 산업에서, 접촉 물 냉각에 의한 열전달은
- 연속 캐스터들의 스프레이 챔버들 및 런아웃 테이블상의 냉각 공정과 같은 열간 압연 공정에서,
- 코크스의 ??칭 및 가스 처리를 위한 코크스 오븐에서,
- 고로, 기본 산소로 및 전기 아크로에서 슬래그 ??칭 동안에
실시될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 열처리 방법은 적어도 하나의 가열 단계를 더 포함한다. 예컨대, 가열 단계는 0 내지 1200 ℃ 의 온도에서 수행된다.
본 발명에 따른 방법은 페라이트, 베이나이트, 및 상당한 양의 잔류 오스테나이트를 함유하는 혼합 미세조직을 획득하기 위해 다상 강 (multiphase steel), 예컨대 Nb 미세합금 강판의 제조 방법에서 열간 압연 중에 사용될 수 있다. 그러한 미세조직은 런아웃 테이블에서 하나의 냉각 공정을 통해 획득될 수 있다. 예컨대, 열간 압연 공정에서 냉각 공정 중에, 런아웃 테이블은 다음의 연속적인 단계에 의해 강 스트립을 냉각시킬 수 있다:
A. 두께/측방향 크기 비가 0.00025 인 그래파이트 나플레이트렛들 및 물을 포함하는 열전달 유체 A') 을 사용하는 강 스트립의 하나의 냉각 단계. 나노입자 농도는 5 중량% 이다. 물의 것에 대한 열처리 향상은 층류 유동 영역에서 203 % 이다.
C. 측방향 크기가 40 ㎛ 이고 두께가 10 ㎚ 인, 즉 두께/측방향 크기 비가 0.00025 인 그래파이트 나노플레이트렛들 및 유체 매체로서의 물을 포함하는 열전달 유체 C') 을 사용하는 하나의 냉각 단계. 나노입자 농도는 7 중량% 이다. 유체는 1 중량% 의 폴리비닐피롤리돈을 더 포함하고, 나노입자 농도/분산제 농도 비는 7 이다. 물의 것에 대한 열전달 감소는 25 ℃ 의 난류 영역 유동에서 -53 % 이다.
B. 두께/측방향 크기 비가 0.00025 인 그래파이트 나노플레이트렛들을 포함하는 열전달 유체를 사용하는 하나의 냉각 단계. 나노입자 농도는 7 중량% 이다. 유체는 분산제로서 1 중량% 의 폴리비닐피롤리돈을 더 포함하고, 나노입자 농도/분산제 농도 비는 7 이다. 물의 것에 대한 열전달 향상은 층류 유동 영역에서 286 % 이다.
따라서, 열전달 유체 A') 및 B') 은 빠른 냉각을 허용하고, 냉각 단계 B) 는 냉각 단계 A) 에 비해 매우 빠르다. 열전달 유체 C') 은 느린 냉각을 허용한다. 더욱이, 모든 냉각 단계는 잘 제어된다.
예:
두께/측방향 크기 비가 0.00025 인 그래파이트 나노플레이트렛을 갖는 나노그래파이트 다층을 혼합하여 시험 1 내지 3 을 제조하였다. 시험 3 에서, 분산제로서 폴리비닐피롤리돈을 첨가하였다.
시험 4 는 물로 구성되었다.
각 시험에서, DTC-25 열전도율 측정기를 사용하여 샘플들의 열전도율을 측정하였다. 열전도율 향상은 물의 전도율에 대하여 계산되었고, 물의 전도율은 상온, 즉 20 ℃ 에서 0.67 W/mK 이다.
층류 유동에서, 열전달 향상은 열전도율의 향상과 유사하므로, 열전달 향상 (%) 을 구하는데 계산은 불필요하다.
난류 유동에서, 열전달 향상은 다음 식으로 계산되었다:
여기서, hnf : 나노유체의 열전달 계수 (J/s·K·㎡), hbf : 베이스 유체의 열전달 계수 (J/s·K·㎡), knf : 나노유체의 열전도율 (J/s·K·m), ρnf : 나노유체의 밀도 (㎏/㎥), Cp,nf : 나노유체의 열용량 (J/㎏·K), 그리고 μnf : 나노유체의 점도 (㎏/s·m).
| 시험 | 유체 | 두께/측방향 크기 비 | 나노입자 농도 (중량%) |
분산제 (중량%) |
CnanoP / Cdisp 비 | 열전달 향상 (%) |
| 1* | 물 및 그래파이트 나노플레이트렛 | 0.00025 | 5 | - | - | 203 |
| 2* | 물 및 그래파이트 나노플레이트렛 | 0.00025 | 7 | 1 | 7 | -53 |
| 3* | 물 및 그래파이트 나노플레이트렛 | 0.00025 | 7 | 1 | 7 | 286 |
*: 본 발명에 따름
물로 구성되는 시험 1 내지 3 및 시험 4 의 냉각 성능은 모델링 소프트웨어 덕분에 계산되었다. 이 테스트에서, 밀도가 7854 kg/㎥ 인 강 슬래브를 13 초 동안 냉각시켰다. 길이는 5 미터이었고, 폭은 1 미터이었으며, 슬래브 두께는 10 ㎜ 이었다. 슬래브의 초기 온도는 968 ℃ 이었다.
한편, 슬래브의 냉각은 다음과 같이 시험 1 내지 3 으로 연속적으로 수행되었다:
- 층류 유동 영역에서 시험 1 을 사용하는 제 1 냉각 단계,
- 난류 영역 유동에서 시험 2 를 사용하는 제 2 냉각 단계, 및
- 층류 유동 영역에서 시험 3 을 사용하는 제 3 냉각 단계.
반면, 시험 4 는 층류 유동에서 사용되었다.
아래의 표는 각 시험을 사용함으로써 냉각 속도를 나타낸다:
| 시험 | 냉각 속도 (℃/s) |
| 1* | 36.8 |
| 2* | 12.8 |
| 3* | 46.9 |
| 4 | 21.4 |
*: 본 발명에 따름
시험 1 및 3 은 빠른 냉각을 허용하고, 시험 3 을 사용하는 냉각은 시험 1 을 사용하는 냉각보다 더 빠르다. 시험 2 는 느린 냉각을 허용한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로, 물, 즉 시험 4 에 비해 다상 강을 획득하는 것이 가능하다.
Claims (26)
- 비금속성 또는 금속성 물품의 열처리 방법으로서,
A. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 A' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 A) 로서, 상기 열전달 유체 A' 은 물의 열전달 계수 초과의 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 A), 및
B. 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 B' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 B) 로서, 상기 열전달 유체 B' 은, 상기 열전달 유체 A' 의 상기 열전달 계수와 상이하며 또한 물의 열전달 계수 초과인 열전달 계수를 갖는, 상기 열전달의 적어도 하나의 단계 B)
를 포함하고,
상기 열전달 유체 A' 과 상기 열전달 유체 B' 은 상이한, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방법은 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 C' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 C) 를 더 포함하고,
상기 열전달 유체 C' 은 물의 열전달 계수 미만의 열전달 계수를 갖는, 열처리 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 방법은 유체 매체 및 나노입자들을 포함하는 열전달 유체 D' 과 상기 물품 사이의 열전달의 적어도 하나의 단계 D) 를 더 포함하고,
상기 열전달 유체 D' 은, 상기 열전달 유체 C' 의 열전달 계수와 상이하며 또한 물의 열전달 계수 미만인 열전달 계수를 갖는, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열전달 유체는 그래파이트 나노플레이트렛들, 그래핀, 몇 층의 그래핀, TiO2, ZnO2, ZnO, 붕소-질화물, 구리, 실리카, 몬모릴로나이트, 제올라이트 클립노틸로라이트, 규회석, 운모, 제올라이트 4A, Al2O3, 규산염, 경석, 산화칼슘, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 임의의 혼합물 중에서 선택된 나노입자들을 포함하는, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자들은 탄소 나노튜브를 포함하지 않는, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자들은 다층 나노플레이트렛들인, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자들의 두께가 1 내지 99.99 ㎚, 또는 5 내지 50 ㎚, 또는 5 내지 15 ㎚ 인, 열처리 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자들의 측방향 크기가 26 내지 50 ㎛, 또는 35 내지 45 ㎛ 인, 열처리 방법. - 제 8 항에 있어서,
나노입자들 농도가 0.01 내지 12 중량%, 또는 2 내지 8 중량%, 또는 4 내지 7 중량% 인, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전달 유체는 분산제를 더 포함하는, 열처리 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 분산제는 비표면 활성 중합체, 계면활성제 또는 이들의 혼합물인, 열처리 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 계면활성제는 양이온, 음이온, 양성 또는 비이온성 계면활성제인, 열처리 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 다당류, 술페이트 다당류, 직쇄 알킬벤젠 술폰산염, 리그닌 술폰산염, 디-알킬 술포숙신산염, 4 급 암모늄 화합물, 스테아르산 나트륨 또는 이들의 혼합물에서 선택되는, 열처리 방법. - 제 10 항에 있어서,
나노입자들 농도/분산제 농도 비는 중량으로 3 ~ 18 인, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 매체는 물, 에틸렌 글리콜, 에탄올, 오일, 메탄올, 실리콘, 프로필렌 글리콜, 알킬화 방향족, 액체 Ga, 액체 In, 액체 Sn, 포름산칼륨 및 이들의 임의의 혼합물로부터 선택되는, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열전달 유체는 층류 또는 난류 영역 유동인, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
금속성인 상기 물품은, 알루미늄, 강, 스테인리스 강, 구리, 철, 구리 합금, 티타늄, 코발트, 금속 복합재 또는 니켈로 제조되는, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속성 물품은 금속성 기재이고, 상기 열전달은 상기 열전달 유체가 상기 금속성 기재와 직접 접촉하게 하는 것인, 열처리 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 금속성 기재와 상기 열전달 유체 사이의 접촉은 제트 충돌 냉각, 풀 비등 (pool boiling), 스프레이 냉각 또는 마이크로 채널 냉각에 의해 실현되는, 열처리 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
비금속성 또는 금속성 물품의 열처리는 적어도 하나의 가열 단계를 더 포함하는, 열처리 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 하나의 가열 단계는 0 내지 1200 ℃ 의 온도에서 수행되는, 열처리 방법. - 삭제
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