KR100297031B1 - 직화로에서알루미늄장입물을용융시키는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 장입물 위의 대기가 2개의 지층으로 이루어져 있고, 알루미늄 장입물을 덮고 있는 하층이 비산화 기체로 이루어져 있고 상층이 1개 이상의 버너로부터의 연소 기체로 이루어져 있는 상태에서 알루미늄을 용융시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 하층이 알루미늄 표면이 연소 기체와 접촉되는 경우 얻게 되는 산화 효과로부터 알루미늄을 보호하는 동안 버너(들)로부터의 열은 알루미늄을 복사적으로 가열하고 용융하여, 불순물의 형성을 줄이는 알루미늄 용융 방법에 관한 것이다.

Description

직화로에서 알루미늄 장입물을 용융시키는 방법

제 1도는 본 발명에 따른 층화된 분위기의 알루미늄 용융로 시스템의 간단한 개략도.

제 2도는 직화로에서 사용되는 산소 연료형 버너의 예를 도시한 도면.

제 3도는 실시예에서 설명된 노를 도시한 도면.

제 4도는 실시예에서 설명된 복사형 버너를 도시한 도면.

제 5도는 내경이 0.44cm 또는 0.79cm 인 질소 주입용 파이프(여기서 1,3 또는 6개의 파이프가 사용됨)에 대한 질소 흐름(단위:㎤/시간)의 함수로서 CO₂+ O₂+ H₂O의 부피% 농도를 나타내는, 실시예로부터 수득된 그래프.

제 6도는 산소 연료형 버너 및 복사형 버너 모두에 대해 N₂대 천연가스의 비의 함수로서 CO₂+ O₂+ H₂O의 부피% 농도를 나타내는, 실시예로부터 수득된 그래프.

제 7도는 광재 형성을 감소시키는 본 발명의 장점을 나타내기 위해, 사용된 음료수 캔(UBC)에 대해 수행된 산화 시험의 결과를 나타내는 실시예로부터 얻은 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21:버너 23:연료

24,27:배출관 25:산소 또는 산소 풍부 공기

51:노 53:5cm의 파이프

55:냉각수 파이프 61:복사형 버너

63:흡입구 65:미세 기공 확산층

67:조대 기공 확산층 69:고온의 외면

본 발명은 일반적으로 알루미늄 용융 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄을 재활용하는데 유용한 알루미늄 용융 방법에 관한 것이다.

[배경 기술]

폐품 알루미늄의 재활용은 에너지 소모 및 자본 투자를 줄이기 위한 알루미늄 업계의 노력 및 법률 제정으로 실질적으로 최근에 이루어졌다. 폐품 알루미늄의 절반 정도가 분쇄기 폐기물로부터 배출된다. 그러나, 사용된 음료수 캔으로부터 발생된 폐품의 양이 빠르게 증가하여 새로운 용융 및 정제 설비가 요구되고 있다.

재활용의 경제적인 측면을 개선시키기 위해, 알루미늄 용융로의 설계 및 작동에서 실질적인 개선이 이루어져 왔다. 설정 온도 및 연소 화학량론을 보다 양호하게 제어함으로써 연료 효율을 개선시켜 왔다. 광재의 형성, 즉 가열하는 동안 알루미늄 표면 상에 형성된 산화물은 작동 방법을 개선시킴으로써 다소 감소되었다. 그러나, 직화로(directed-fired furnaces)에서는 노분위기 내에 산화 가스, 특히 산소 및 직화 버너로부터 방출되는 연소 생성물이 존재하기 때문에, 추가적인 광재의 감소가 요구되고 있다. 구체적으로, 직화로의 분위기는 CO₂, O₂및 H₂O를 포함하는데, 이러한 분위기로 알루미늄 장입물이 계속 노출된다. CO₂, O₂및 H₂O의 총 농도는 공기가 산화제로서 사용되는 경우 보편적으로 약 30%이다. 알루미늄이 용융하는 동안 형성된 대부분의 광재는 노 분위기 내에 존재하는 산화 가스와의 접촉으로부터 발생되는 것으로 알려져 왔다. 비록, 산화 속도에 대한 용융 온도, 용융 조성물, 및 노 분위기의 영향이 합리적으로 잘 이해될지라도, 형성된 광재의 양을 개선시키는데는 한계가 있었다.

복사관으로부터 알루미늄 장입물을 가열하는 비직화로 내부의 분위기를 제어함으로써 실질적으로 산화 손실을 줄일 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 감소된 열전달 속도의 저하, 복사관의 부식, 고설비비, 및 노의 유지 비용의 측면에서 비경제적이라는 문제점이 있다.

따라서, 실질적으로 설비 및 생산 비용을 증가시키지 않으면서 산화물 및 광재의 형성을 실질적으로 감소시킬 수 있는 직화식 알루미늄 용융방법을 요구하게 되었다.

[발명의 요약]

본 발명은 직화로에서 알루미늄 장입물을 용융하는 개선된 방법에 관한 것이다. 알루미늄 장입물을 노 내로 도입하고, 이들 장입물 위에 놓인 1개 이상의 직화 버너로부터 배출되는 복사열에 노출시켰다. 비산화 가스가 직화 버너(들)와 알루미늄 장입물 사이로 도입됨으로써, 장입물 가까이에 대기층을 형성하여 직화에 의해 발생된 연소 생성물을 포함하는 정상적 노 분위기로부터 알루미늄 장입물을 실질적으로 보호한다. 이러한 비산화 대기층은 이러한 비산화 대기층이 없는 경우에 발생하는 산화와 비교하여 장입물의 산화를 감소시키는 조성을 갖는다.

본 발명은 알루미늄의 가열 및 용융시에 유용한 결과를 얻기 위한 직화 알루미늄 용융로내에서 대기를 층화시키는 것에 관한 것이다. 발명자들은 노에서의 직화 버너(들)와 알루미늄 사이에 "층화(stratification)"에 의한 대기층이 생성되고, 이러한 대기층이 노 내의 연소 생성물로부터 알루미늄을 실질적으로 보호하도록 작용한다는 것을 알아내었다. 대기층은 알루미늄 장입물의 산화를 감소시키는 조성을 갖는데, 그렇지 않는 경우에는 산화가 발생한다. 이러한 대기층은 노 내로 비산화 가스 또는 비산화 가스의 혼합물을 도입함으로써 형성된다. 다량의 연소 생성물을 함유하는 비산화층을 형성시키는 층을 "연소층"이라고 한다.

비산화층 및 연소 가스층은 어느 정도 서로 혼합될 것이며, 따라서 이들 두 층은 완전히 구별될 필요는 없으며, 일반적으로 완전히 구별되지는 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 비산화 가스를 도입하고 비산화층을 생성시킴에 따라, 알루미늄 장입물의 산화는 연소층의 조성 및 산화 특성에 실질적으로 무관하게 조절될 수 있다. 이러한 층화된 대기를 포함하는 직화로는 실질적으로 직화로의 장점(예컨대, 높은 열전달 속도 및 적은 비용)을 유지하면서, 장입물이 노출되는 대기를 조절할 수 있다.

제 1도는 2개의 층, 즉 연소층 및 비산화층을 포함하는 노 내에서의 "층화"된 대기를 도시하고 있다. 연소층은 비산화층 보다 버너로부터 방출된 보다 높은 농도의 연소 생성물, 즉 알루미늄을 산화시키는 버너로부터 방출된 CO₂+ O₂+ H₂O을 함유한다. 비산화층은 알루미늄 장입물에 대해 실질적으로 불활성 또는 환원성이며, 연소 생성물로부터 알루미늄 장입물을 보호할 것이다. 본 발명의 실시예에서 사용될 수도 있는 불활성 가스의 예는 질소 및 아르곤을 포함한다. 특히 질소는 비용이 적게 들고 환경적인 영향이 적기 때문에 유리하다. 그러나, 아르곤은 공기 보다 무거워서 버너 연소 생성물과 거의 혼합되지 않기 때문에 산화로부터 장입물을 더 양호하게 보호할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용될 수도 있는 환원 가스의 예는 수소, 메탄 및 다른 탄화수소를 포함한다. 이러한 불활성 또는 환원 가스의 도입은 광재, 즉 알루미늄 표면에서의 산화의 결과물로서 손실되는 알루미늄의 양을 감소시킨다.

이는 다량의 알루미늄이 재활용되고 광재로서 손실되는 알루미늄 금속의 양이 상당히 많은 보편적인 알루미늄 재활용 공정에서 실질적인 장점을 제공한다.

일반적으로, 비산화층의 조절된 대기와 연소층의 조절되지 않은 대기의 혼합을 최소화시키는 것이 유리하다. 이는 직화형 버너로부터의 연소 생성물이 비산화 가스와 혼합되는 것이 방지됨을 의미한다. 산화 가스는 알루미늄 장입물의 표면 가까이에서 불활성 가스 없이 달성되는 수준의 50% 미만으로 환원된다. 더욱 바람직하게는, 산화 가스는 불활성 가스 없이 달성되는 수준의 10% 미만, 및 가장 바람직하게는 5% 미만으로 환원된다. 이는 비산화 가스의 조성의 선택, 비산화 가스의 유량 및 속도의 조절, 노의 배기관 또는 연도(flue)의 위치 결정, 및 장입물과 버너에 대한 비산화 가스도입 지점의 위치 결정 및 방위에 의해 달성될 수 있다.

비산화 가스의 처리량(유량)은 산화 가스에서 원하는 환원을 얻을 수 있도록 조절될 수 있다. 일반적으로 비산화 가스의 유량이 클수록 환원이 더 잘 될 것이다. 그럼에도 불구하고, 비산화 가스의 경우에는 더 많은 연료 및 비용이 필요하기 때문에, 일반적으로 장입물에 인접하여 내성이 있는 산화 조건과 비산화 가스의 유량 사이에 절충이 이루어진다. 산화 가스에서 원하는 환원을 달성하기 위해서는 최저 유량이 바람직하다.

소정 범위 내에서, (가스의 속도 이외에도) 버너로부터 배출된 가스의 유량 및 속도는 장입물 부근에서의 산화 종 레벨을 감소시키기 위해 선택될 수 있음을 당업자들은 인지할 것이다. 예컨대, 저속형 버너가 비산화층과 연소 생성물의 혼합을 감소시키기 때문에 바람직하다. 당해 기술 분야에 잘 공지된 사전 혼합식 복사형 버너가 저속 버너 중 하나이다. 그러나, 일반적으로 복사형 버너가 매우 저속으로 연소 생성물을 방출하는 동안, 버너의 표면 온도는 불꽃면이 다공성 복사 요소를 향해 후퇴되고 요소를 과열시킬 때 발생되는 역화(flashback)에 의해 제한된다.

본 발명에 따른 노에서는 저속의 적층 불꽃형 산소 연료 버너가 가장 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 버너의 비제한적 예가 제 2도에 개략적으로 도시되어 있고, 하기의 실시예에서 추가로 설명되어 있다. 제 2도에 도시된 버너(21)가 상기한 산소 연료 버너의 전형적인 예이다. 버너(21)는 2개의 유입관을 갖추고 있는데, 그중 하나는 연료(일반적으로 천연 가스)용 유입관(23)이며, 다른 하나는 산소 또는 산소-풍부 공기용 유입관(25)이다. 연료 및 산소는 상부열의 배출관(27) 및 하부열의 배출관(29)을 통해 각각 배출된다. 이러한 버너를 사용함으로써, 불활성 가스와 연소 생성물의 혼합을 최소화시키면서 적층형 불꽃이 생성될 수 있다.

적층형 불꽃은 저속에서 얻어지고 연료의 형태에 따라, 2,000 내지 10,000 사이의 연료 제트 레이놀즈수(Reynolds number, Re)에서 난류 불꽃으로 변환된다. 메탄에 있어서, 이러한 변환은 약 Re=3,000에서 발생될 수도 있다. 노 흐름 영역의 용적(bulk)은 적층형 불꽃이 사용되는 경우에도 난류가 되는 경향이 있으며 대부분의 연소 가스와 비산화층의 혼합 용적은 난류 혼합 방법에 의해 조절된다. 난류 불꽃이 사용되는 경우에는, 불꽃과 주위 가스가 더욱 빠르게 혼합되고, 일반적으로 비산화층에서 더 많은 양의 비산화 가스가 동일한 정도의 층화를 달성하기 위해 요구된다.

노 내로 도입되는 비산화 가스의 속도는 2.36 m/초를 초과하지 않아야 하며, 바람직한 속도는 0.94 m/초 미만이다.

또한, 노 내에서 도관 또는 배출구의 위치는 2개의 층의 실질적인 혼합을 일으키지 않으면서 연소층 (및 비산화층)으로부터 가스의 배기를 가능하게 함으로써 혼합을 최소화시키는 데에 중요하다. 노 천장에 또는 노천장 가까이에, 예컨대 버너의 바로 위에 도관을 위치시키는 것이 가장 바람직하다. 특정 노에 대한 최적의 도관 위치를 결정하기 위해서는 어느 정도의 실험이 요구될 수 있다. 또한, 일부의 비산화 가스를 개별적으로 배기시키기 위해 비산화 가스를 도입하는 레벨 또는 그 부근에 추가 연료구를 부가하는 것과 같이 1개 이상의 연료구를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.

비산화 가스는 버너 아래의 임의의 수직 높이에서 노 내로 도입된다.

일반적으로, 비산화 가스와 버너 사이의 수직 거리를 증가시켜서 비산화층과 연소층의 혼합을 최소화시키기 위해 비산화 가스의 도입 지점을 알루미늄 장입물 표면에 위치시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 비산화 가스는 노의 양쪽 벽에 분포된 다수의 주입구를 통해 노로 도입된다. 비산화 가스는 버너 연소 가스와 알루미늄 장입물 사이의 공간을 채워야 한다. 이를 달성하기 위해서, 특정 노의 다양한 변수, 예컨대 연료 위치, 가스 흐름, 비산화 가스구의 위치 및 방향을 조절할 필요가 있다. 비산화 가스의 주입구의 수 및 직경 또한 마찬가지로 조절될 필요가 있다. 다수의 비산화 가스 주입구는 측벽을 따라 분포되는 것이 바람직하고, 또한 가스의 속도를 낮게 유지시키는 것이 바람직하다. 비산화 가스 흐름의 전체 운동량은 버너 가스 흐름의 전체 운동량 보다 작게 유지되어야 한다.

일반적으로, 알루미늄을 용융하는 동안 용융 알루미늄 욕(bath)은 온도에 의해 층화되는 경향이 있으며, 용융 알루미늄의 온도가 높을수록 용융 알루미늄 욕의 상층에 위치한다. 이러한 경우에, 일정량 이상의 비산화 가스가 용융 알루미늄을 통해 기포를 형성하면서 노 내를 통과하는 것이 바람직하다. 이는 용융 알루미늄을 교반시킬 것이고, 또한 용융 알루미늄의 연소로부터 열을 더욱 양호하게 분산시킴으로써, 용융 알루미늄 욕의 온도를 균일하게 하고 알루미늄을 보다 효율적으로 용융시킬 것이다.

노 내에서의 층화를 유지시키기 위해, 비산화 가스는 버너에서 사용된 가스 또는 버너에 의해 발생된 가스(들)보다 더 높은 분자량 또는 더 큰 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 버너로부터의 산화 가스와 비산화 가스 스트림의 혼합을 억제할 수 있는 적당한 부양력이 달성되고, 특히 여기에서 버너를 통한 높은 부피 흐름이 발생한다.

알루미늄 용융로에서 적당한 층화를 달성하기 위한 조건이 복잡할지라도, 하기의 기준이 알루미늄 표면으로부터 비산화 가스의 대류 흐름에 대한 연소 가스의 1차원적 확산의 실험적 연구 및 수학적 분석에 기초하여 발전되어 왔다. 흐름 및 노의 기하학적 조건의 바람직한 범위는

UH / D > 5

에 의해 표현되고, 가장 바람직한 범위는

UH / D > 50

이다. 여기서, U는 cm/초 의 단위를 갖는 수직 또는 상방향에서 비산화 가스의 평균 대류 속도이다. 이는 노의 온도에서 계산된 비산화 가스의 유량(㎤/초)을 횡단면적으로 나눔으로써 정의된다. H는 장입물이 용융된 후 버너 축선과 알루미늄 욕의 표면 사이의 수직 거리(단위:cm)이다. D는 산화한 물질의 난류 확산도 또는 분자 확산도로서, 단위는 ㎤/초 이다. 적층 불꽃을 포함하는, 비산화 가스에 대한 가스구 및 대부분의 버너에 대해서, 난류 확산도는 하기의 일반식에 기초하여 측정된다;

D = 9.29dv

여기서, d는 개개의 버너 노즐의 직경 또는 비산화 가스구의 직경(단위 : cm)이고, v는 버너 가스 또는 비산화 가스의 노즐 속도(단위:cm/초)이다. 2개의 계산된 확산도 중에서 큰 값의 확산도가 사용된다. 사전 혼합된 복사형 버너에 대해서 분자 확산도가 사용될 수도 있다.

층화를 유지시키기 위해서, 노의 상부와 바닥 사이에 층분한 온도 구배를 갖는 것이 유리하다. 일반적으로, 알루미늄 장입물은 열싱크(heat sink)로서 작용하여, 노 내에서 알루미늄 표면에 인접한 지점과 연소 영역, 즉 버너에 인접한 지점 사이에 상당한 온도차를 발생시킨다. 일반적으로, 알루미늄 표면에 인접한 노 대기의 온도는 버너에 인접한 온도보다 낮은 93℃ 내지 260℃로 유지되어야 한다. 이러한 수직 온도 구배는 수직 밀도 구배를 초래하여, 층화를 유지하는데 조력한다. 바꾸어 말하면, 노의 연소층 및 비산화층에서의 가스의 혼합은 온도 구배에 의해 추가로 감소된다. 예를 들어, 204℃ 내지 260℃에서 적당한 층화를 얻기 위해 2.26 SCMH (standard cubic meter per hour)의 비산화 가스의 온도 구배가 요구되는 경우, 5.6℃에서는 동일한 수준의 층화를 얻기 위해, 즉 알루미늄 장입물 부근에서의 연소가스의 존재를 동일한 양으로 제한하기 위해 56 SCMH의 비산화 가스의 온도 구배가 요구된다.

노는 내화물을 적절하게 선택함으로써 알루미늄을 용융시키는데 요구되는 정상 온도에서 작동될 수 있다. 본 발명의 장점을 실현시키는 동안 노의 연소 영역은 대략 1649℃까지 작동될 수 있는 것으로 여겨진다.

노 내에서의 대기의 층화는 알루미늄의 대류 가열을 제한한다. 따라서, 노벽은 고온에서 유지되는 것이 바람직하다(즉, 대류 가열의 손실을 보충하는 복사 가열을 공급하기 위함). 대부분의 산업용 노에서, 열전달은 복사에 위해 좌우되며, 이러한 복사열 전달은 노의 온도를 급격하게 상승시키기 때문에, 대부분의 경우에 27.7℃ 내지 111.1℃의 온도 증가로도 충분하다.

전형적인 내화물, 예컨대 알루미나-실리카 벽돌로 제조된 벽은 상기한 재복사를 제공할 것이다. 그러나, 원하는 경우, 고온에서 작동할 수 있도록, 노는 알루미나-지르코니아-실리카 벽돌과 같은 특정 고온 세라믹 재료로 구성될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 버너와 비산화 가스의 도입 지점 사이의 거리는 또한 층화를 증가시키기 위해 조절될 수 있다. 일반적으로, 버너와 비산화 가스의 도입 지점 사이의 거리가 길수록, 더 많은 층화가 얻어질 것이다. 또한 비산화 가스 주입구의 방위도 유리하게 조절될 수 있다.

산소 또는 산소 풍부 공기를 사용하는 연소는 공기를 사용하는 연소보다 바람직하다. 연소 가스의 부피가 감소되기 때문에 산소를 사용함으로써 적당한 층화가 보다 용이하게 달성된다. 또한, 산소 또는 산소 풍부 공기는 버너 가스의 단위 부피당 보다 더 많은 열을 제공하기 때문에 연료를 절감시킬 수 있다.

하기의 실시예 및 비교예는 예증 및 비교의 목적으로 제공된 것으로서, 이들로 제한되지는 않는다.

[실시예]

본 발명을 증명하기 위해 제 3도에서 개략적으로 도시된, 내부 용적이 0.61×0.61×0.61 ㎥인 소규모 노(51)를 제작하였다. 노의 바닥에서 불활성 질소가 도입되는 동안, 노의 상층 영역에서 공기 또는 산소와 합쳐진 천연 가스를 연소시키도록 버너를 설계하였다. 강철 쉘을 갖춘 내화 벽돌로부터 노를 제작하였고, 이음대를 용접하여 공기 누출을 방지하였다. 장입물로 질소 가스를 도입하기 위해, 6개의 5cm 파이프(53)를 노의 바닥으로부터 15.25cm 위에 설치하였는데, 노의 각각의 대향면의 서로 대향하는 대칭 지점에 3개의 파이프를 각각 설치하였다(즉, 노 바닥과 평행하게 불활성 가스를 도입시킴). 파이프는 2300 미만의 레이놀즈수를 제공하도록, 즉 적층 흐름을 달성하도록 설계하였다. 이들 파이프의 중심으로부터 버너의 산소관의 중심까지의 거리는 15.25cm이고; 지붕은 그보다 11.4cm 위에 있다. 알루미늄 장입물의 열싱크를 구현하기 위해, 냉각수 파이프(55)를 노의 바닥에 설치하였다. 비록, 제 3도에는 단지 2개의 파이프만이 도시되어 있지만, 열싱크의 표면 온도를 조절하기 위해 파이프에 대해 평평한 내화 플레이트를 갖는 길이 조절이 가능한 다수의 냉각 파이프를 사용하였다. 연도구(57)(6.35cm의 직경)를 노 지붕의 중간에 설치하였다.

2가지 형태의 버너, 즉, 제 4도에서 개략적으로 도시된 복사형 버너(61) 및 제 2도 및 3도에 도시된 저속의 적층 불꽃 산소/연료 버너(21)를 개별적으로 사용하였다.

복사형 버너(61)는 공기와 사전 혼합되어서 흡입구(63)를 통해 도입되는 천연 가스를 연료로서 사용하였다. 10.16 × 15.24㎠의 크기를 갖는 4개의 복사형 버너를 노의 지붕에 설치하였다. 먼저, 천연 가스와 공기의 혼합물을 미세 기공 확산층(65)으로 통과시킨 후, 조대 기공 확산층(67)으로 침투시켰다. 연소 생성물을 고온의 외면(69)을 통해 버너로부터 배출시킨 후, 노 내로 유입시켰다.

저속의 적층 불꽃형 산소/연료 버너(21)는 54개의 작은 구리관을 포함하는데, 이들은 27개의 산소 흐름용 상부관, 및 27개의 연료(천연 가스) 흐름용 하부관으로 구성하였다. 연료관(27)의 직경(버너당 2.58㎠의 단면적)은 0.64cm이었고, 산소관의 직경(버너당 5.88㎠의 단면적)은 0.96cm이었다. 연료관은 보다 작은 직경으로 선택되었는데, 이는 보다 작은 직경이 낮은 유량을 허용하기 때문이다.

노의 최대 작동 온도는 1204℃이었다. 알루미늄 장입물의 전형적인 조건을 구현하기 위해, 노의 바닥에 설치된 냉각 파이프를 통해 냉각수를 유동시킴으로써, 노의 상부와 바닥 사이에 222.2℃의 온도차를 발생시켰다. 산소 연료형 버너의 점화 속도는 25,200 내지 75,600 kg-ca1/시간 이었고, 연료 및 산소 가스의 평균 속도는 39.6 내지 118.8 cm/초 이었다. 복사형 버너에 있어서, 점화 속도는 25,200 내지 37,800 kg-ca1/시간 이었고, 가스 속도는 30.5 내지 42.7 cm/초 이었다. 완전한 연료 연소를 달성하기 위해서, 산소 연료형 버너를 습윤 기준에 대해 2%를 초과하는 산소로 점화시켰고, 복사형 버너는 10%를 초과하는 공기로 점화시켰다.

노의 상부와 바닥 사이에 222.2℃의 온도차를 달성하는데는 2 내지 3시간이 소요되었다. 이 때, 측정을 수행하였다. 질소 유량을 단지 1 부피%의 CO₂+ O₂+ H₂O가 바닥에서 탐지될 때까지 감소시켰다. 일반적으로, 매우 양호한 층화는 7 SCMH의 최소 질소를 사용하여 달성되었다. 산화제(O₂또는 공기) 및 연료의 유량을 조절하여 산소/연료 부피비를 산소 연료형 버너 및 복사형 버너에 대해서 각각 2.06 및 10.47로 유지시켰다.

질소를 도입시키는 상이한 방법을 시험하였다. 질소를 노의 반대면에 위치한 두 세트의 3개의 구멍을 통해 주입시키는 경우 층화가 매우 양호한 것을 발견하였다. 이러한 구성에서, 상기의 구멍의 직경은 5cm 이었고, 5.9 SCMH의 질소 흐름에서 가스 속도는 13.7 cm/초 이었다. 또한, 1개의 벽 상에 3개의 구멍을 사용함으로써 매우 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 구멍의 직경은 5 cm이고, 가스 속도는 27.4 cm/초 이었다.

구멍의 직경을 2.87 cm로 감소시키고 질소를 1개의 벽 상의 3개의 구멍으로부터 76.2 cm/초 의 속도로 주입시키는 경우, 성능이 나빠지기 시작하였다. 질소를 76.2 cm/초 의 속도로 5 cm의 단일 구멍으로부터 주입시키는 경우 성능이 가장 저하됨을 알아내었다. 이들 실험으로부터 전체의 장입물 면적에 대한 보호층의 형성이 용이하도록 이격된 다수의 구멍으로부터 불활성 가스를 저속으로 유입시키는 것이 유용함이 증명되었다. 제 5도는 이러한 노에 있어서 CO₂+ O₂+ H₂O의 % 농도에 대한 질소 흐름, 파이프 직경, 및 파이프의 수의 영향을 보여주고 있다.

또한, 실험은 연도구의 위치를 변화시키면서 수행하였다. 이러한 실힘에 의해, 연도구는 어느 하나의 측벽의 상부 부근, 버너의 위쪽, 및 노의 지붕에 위치되는 것이 바람직함을 알아내었다. 이러한 연도구의 위치는 연소 생성물의 하향 흐름을 방지하였다. 연도구를 버너의 아래에 위치시키는 경우, 상당한 양의 산화성 연소 생성물이 노 바닥 영역에서 혼합되었다.

제 6도는 산소 연료형 버너 및 복사형 버너의 시험의 결과를 도시하고 있다. 산소 연료형 버너에서는 천연 가스를 5.49 CMH 및 7.84 CMH의 흐름 속도로 적용시켰고, 복사형 버너에서는 2.8 CMH 및 4.2 CMH의 흐름속도로 적용시켰다(그래프에서 "CH₄"는 천연 가스에 관한 것이다). 질소 대 천연 가스의 비도 마찬가지로 변화시켰다. 그 결과는 2가지 형태의 버너를 사용하여, 1 부피% 미만의 CO₂+ O₂+ H₂O가 천연 가스의 4개 모두의 흐름 속도에서 달성되었음을 보여주고 있다. 1.3의 최소 질소 대 천연 가스흐름 비에서 여전히 적당한 층화가 달성되었다. 이 시험에서 UH/D 값은 약 300 내지 600 이었다.

제 7도는 광재 형성을 감소시키는 본 발명의 층화 장치의 장점을 보여주는 사용된 음료수 캔(UBC)에 대해 실시된 산화 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 이러한 그래프는 노의 온도(F)의 함수로서 중량 이득량(%)을 나타낸다. 산소/연료형 버너를 사용한 층화된 시스템("STRATIFIED O₂-FUEL"), 공기/연료 버너를 사용한 층화되지 않은 시스템("NORMAL AIR-FUEL"), 및 산소/연료 버너를 사용한 층화되지 않은 시스템("NORMAL O₂-FUEL")으로부터 얻은 결과가 제시되어 있다. 이러한 노에서는 사용된 음료수 캔의 장입물을 사용하였다. 복사형 버너("공기 연료") 또는 산소 연료형 버너를 사용한 비층화 장치와 대조적으로, 산소 연료형 버너("산소 연료")를 사용한 층화 장치에 대해 수득된 중량 이득량(%)(산화물 형성의 결과로서)이 측정되었다. 도면에 도시된 바와 같이, 광재의 양은 층화된 장치에서 현저하게 감소하였다.

본 발명이 일정한 바람직한 구체예를 참고로 하여 상세하게 설명하고 있을지라도, 당업자들은 특허 청구 범위의 사상과 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 게다가, 본 발명의 일반적 개념이 종래의 제강 실시예로부터 얻는 환원된 철 산화물을 갖는 제강 공정에도 성공적으로 적용될 수 있는 것으로 여겨진다.

Claims (10)

1. (3회 정정) 직화로에서 알루미늄 장입물을 용융시키는 방법으로서, (A) 상기 직화로 내부로 상기 알루미늄 장입물을 도입시키는 단계와, (B) 상기 직화로 내에 연소 가스층을 형성하도록 상기 직화로 내부로 열을 공급하고 상기 직화로 내부로 연소 가스를 방사하는 버너에 의한 연소를 수행하는 단계와, (C) 용융 알루미늄 욕을 형성하도록 상기 알루미늄 장입물로 열을 복사 전달함으로써 상기 알루미늄 장입물을 용융시키는 단계와, (D) 상기 알루미늄 장입물의 표면이 상기 연소 가스층과 직접 접촉하는 경우에 형성된 광재의 양을 감소시키는 기능을 하는 비산화 가스층을 상기 직화로 내에 생성시키도록 상기 직화로의 측벽에 위치된 다수의 주입구를 통해 상기 직화로 내의 상기 연소 가스층과 상기 알루미늄 장입물 사이로 비산화 가스를 도입시키는 단계와, 그리고 (E) 상기 연소 가스가 상기 직화로 내부로 방사되는 지점의 윗 지점에서 상기 직화로로부터 상기 연소 가스를 배출시키는 단계를 포함하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, U가 cm/초의 단위를 갖는 상기 비산화 가스의 평균 대류 속도이고, H가 cm 단위를 갖는 상기 버너의 축선과 상기 알루미늄 욕 표면 사이의 수직 거리이고, D가 cm2/초 단위를 갖는 산화 종의 확산도일 때, UH / D > 5의 공식에 따라 수행되는 방법.
3. (삭제)
4. 제 1항에 있어서, 상기 직화로 내로 도입된 상기 비산화 가스의 일부분 이상이 먼저 상기 알루미늄 욕을 통과하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 비산화 가스가 질소, 아르곤, 수소 또는 탄화수소를 포함하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 버너가 적층형 불꽃을 방사하는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 비산화 가스의 흐름이 적층형인 방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 버너가 복사형 버너인 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 비산화 가스가 상기 버너로부터의 상기 연소 생성물과 함께 상기 직화로 내의 연도를 통해 배출되는 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 버너가 산소 연료형 버너인 방법.