KR100314855B1 - 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐에 관한 것으로 그 목적은, RH 진공탈가스시 용강탈탄이나 저온용강을 승렬하기 위하여 산소를 초음속으로 상취 분사함에 있어서, 스플래쉬(splash)의 발생을 방지토록 하는 데에 있다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성은, 감압상태에서 용강 탕면에 가스를 초음속으로 상취 분사하는 노즐(2)에 있어서, 노즐 중심점 (P1)을 중심으로 120°의 각도(θ2)로 형성된 다수개의 가스분사구(9)를 구비하고, 상기 각 가스분사구(9)의 중심선(L2)과 노즐(2)의 중심선(L1)이 교차하는 경사각(θ1)은 5 °- 7 °로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

진공탈가스용 가스 상취분사 노즐{Top blown gas spray nozzle for vaccum degassing}

본 발명은 제강공정 RH 진공탈가스장치에서 용강탈탄이나 저온용강을 승렬하기 위하여 산소를 초음속으로 상취 분사하는 가스 상취분사 노즐에 관한 것으로 보다 상세히는, 노즐을 통한 산소의 초음속 분사시 용강면에서의 스플레쉬 발생을 방지할 수 있도록 한 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐에 관한 것이다.

일반적으로, 알에이치(이하, 'RH' 이라고 함)는 제강공정 전로와 연주기 사이에 위치하는 감압정련장치를 말하는데, 통상 수내지 수십 토르(tor)에서 용강정련을 수행하게 되며, 이러한 RH 에서 용강중 용존산소가 부족하거나 용강을 승열하기 위해서는 용강탕면을 향해 가스 즉, 산소를 분당 30 내지 50 노르망 일방미터(Nm³) 유속으로 분사해야 하는데, 이와 같은 일반적인 산소를 상취분사하는 RH 탈가스설비는, 도 1에서 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 진공조(1) 상부에 설치된 커버(cover)(6)를 통해 승, 하강작동이 가능토록 선단부에 산소 분사용 노즐(2)을 부착한 랜스(3)가진공조 내부로 인입되고, 하측의 용강 탕면을 향해 기체 산소를 대략 음속의 3.0 내지 4.0 배 정도 초음속으로 분사하게 되고, 이때 다음의 화학식 1 의 반응으로 용강의 산소함량이 증가하게 된다.

0₂(g) → 2[0]

상기와 같은 RH 에서 용강탕면에 산소를 초음속으로 상취 분사하는 상취노즐 에 대해서는 국내특허공고 제 96-9169호 및, 일본국 특허공보 소(昭) 55-46445 호 등에서 개시되고 있다.

상기 국내 및 일본국의 특허에서 개시되고 있는 종래의 산소 상취분사 노즐은 상기 도 2에서 도시하고 있는데, 랜스(3)의 노즐(2') 중심에 한 개의 가스분사구 (hole)(9)을 갖는 단공노즐로 개시되고 있다.

상기와 같은 종래의 감압상태에서 산소를 분사하는 산소 상취분사 노즐이 전로에서 대기중에 산소를 고속으로 분사하는 노즐과 다른 점은 가스분사구(9)의 출구직경(d2)을 가스분사구(9)의 스로트(throat) 직경(d1)으로 나눈 값이 서로 크게 다르다는 것이다.

즉, 전로의 경우 대기압 상태에서 산소를 음속의 1.5 - 2.5배로 분사하기 때문에 가스분사구(9)의 출구직경 (d2)/스로트직경(d1) 의 값이 1.08 - 1.60 에 지나지 않으나, 도 1에서 도시한 바와 같이, RH의 경우에는 감압상태에서 산소를 음속의 3.0 - 4.0 배의 속도로 분사해야 하므로, 상시 d2/d1의 값이 반드시 2.15 - 3.2의 범위에 존재해야 한다는 것이다.

그러나, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 종래의 RH 정련에서의 상취분사 단공노즐(2')들을 이용하여 수 내지 수십 토르(torr) 정도의 감압상태에서 기체 산소를 초음속으로 분사할 때에는 상취 분사된 산소가 용강면에 보다 강한 충격을 가하면서 분사됨으로 인하여, 용강면으로부터 발생되는 스플래쉬(splash)(5)의 양이 크게 증가하며, 결국 커버(6)와 배기구(7)에 다량의 지금(skull)이 부착하게 되고, 이는 결국 랜스(3)의 승,하강 작동을 방해할 뿐 아니라, 용강(4)의 오염원으로 작용하는 문제점들이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 개선시키기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, RH 정련시 수 내지 수십 토르의 감압상태에서 용강에 기체산소를 초음속으로 상취 분사하여도, 다공노즐에서 상취 분사된 산소의 용강면에 대한 충격도가 감소되어 용강면에서의 스플래쉬 발생이 방지되는 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐을 제공하는 데에 있다.

도 1은 RH 감압상태에서 노즐에 의한 가스의 상취분사 상태를 도시한 개략도

도 2는 종래 산소 상취분사용 노즐을 도시한 요부도

도 3은 본 발명에 따른 가스 상취분사 노즐을 도시한 요부 구조도

도 4는 본 발명과 종래 가스 상취분사 노즐의 사용에 따른 비수량 및 본 발명의 노즐에 있어서, 가스분사구 중심간의 거리에 따른 비수량을 비교 도시한 그래프도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1.... 진공조 2.... 다공노즐

2'.... 단공노즐 3.... 랜스

5.... 스플래쉬(splash) 6.... RH 상부커버(top cover)

7.... 배기구 8.... 지금(skull)

9.... 가스분사구 P1.... 랜스 중심점

P2.... 가스분사구 중심점 PC.... P2를 연결하는 동심원

L1.... 랜스 중심선 L2.... 가스분사구 중심선

D1.... 노즐 직경 PCD.... PC의 직경

d1.... 가스분사구의 스로트(throat) 직경

d2.... 가스분사구의 출구 직경

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 감압상태에서 용강면에 가스를 초음속으로 상취 분사하는 노즐에 있어서,

노즐 중심점(P1)을 중심으로 120°의 각도(θ2)로 형성된 다수개의 가스분사구를 구비하고, 상기 각 가스분사구의 중심선(L2)과 노즐의 중심선(L1)이 교차하는 경사각(θ1)은 5 °- 7 °로 형성되는 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐을 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본발명에 따른 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐을 도시한 요부 구조도로서, 제강공정의 RH 정련시 수 - 수십 토르(torr)의 감압상태에서 용강 탕면에 가스, 즉 기체산소를 초음속으로 상취 분사하는 노즐(2)은, 노즐 중심점(P1)을 중심으로 120°의 각도(θ2)로 3 개의 가스분사구(9)를 구비한다.

또한, 상기 각노즐(2)의 각각의 가스분사구(9)의 중심선(L2)과 상기 노즐(2)의 중심선(L1)이 교차하는 경사각(θ1)은 5 °- 7 °로 형성되며, 상기 노즐(2)의 각 가스분사구(9)는, 노즐 중심점(P1)을 중심으로 각각의 중심점(P2)이 동심원(PC)상에 형성토록 된다.

그리고, 상기 노즐(2)의 각 가스분사구(9)는, 노즐 선단부에서 가스분사구 (9)의 중심점(P2)을 연결하는 원의 직경(PCD)을 노즐직경(D1)으로 나눈값이 0.577 - 0.654 범위를 만족하도록 형성되는 구성으로 이루어 진다.

이하, 실시예로서 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예)

먼저, 300톤의 용강(4)을 정련할수 있는 RH 진공조(1)의 1/5 축소모형을 두께가 20mm 인 아크릴로 제작하였다. 그리고, 감압상태에서 가스를 분사하는 노즐(2)은 재질이 황동이고 외경(D1)이 실조업 RH 노즐직경의 1/5에 해당되는 26mm로 형성시켰으며, 각 가스분사구(9)의 스로트 직경(d1)은 종래의 단공노즐인 경우에는 2.08mm로 본 발명인 3공노즐인 경우에는 각각 1.20mm로 하였다.

또한, 각 노즐의 가스분사구(9)의 출구직경(d2)는 d2/d1의 값이 2.5가 되도록 제작하였는데, 여기서 d2/d1의 값을 2.5로 제한하는 것은 10 토르의 진공상태에서 가스의 유속을 마하 3.2로 형성하기 위함이다.

그리고, 종래 단공노즐과 본 발명 3공노즐에서 가스분사구(9)의 출구 직경(d2)을 각각 2.08mm와 1.20mm로 형성하였는데, 이는 실제 계기압력 4.0kg/㎠ 에서 분당 200리터로 질소를 분사할 수 있도록 하기 위해서이다.

이때, 상술한 바와 같이, 감압상태에서 산소를 분사하는 노즐(2)이 전로에서 대기중에 산소를 고속으로 분사하는 노즐과 다른점은 가스분사구(9)의 출구 직경(d2)을 스로트(throat) 직경(d1)으로 나눈 값 즉, d2/d1의 값이 크게 다르다는 것이며, 이는 전로의 경우 대기압 상태에서 산소를 음속의 1.5 - 2.5배의 속도로 분사해야 하기 때문에 d2/d1의 값이 1.08- 1.60에 지나지 않기 때문이다.

그러나, RH와 같은 감압정련장치는 수 내지 수십 토르의 감압상태에서 산소를 분사하기 때문에 분사되는 산소를 효과적으로 증가시키기 위해서는 반드시 음속의 3.0- 4.0 배의 속도로 분사해야 하고, 따라서 d2/d1의 값은 2.15 - 3.2의 범위를 만족해야 한다.

이때, 본 발명인 3공 즉, 3개의 가스분사구(9)를 갖는 노즐(2)은 각 가스분사구(9)의 중심점(P2)을 연결하는 선이 동심원(PC)으로 위치되고, 이때 상기 동심원(PC)의 직경을 각각 13mm, 15mm, 17mm, 19mm 로 하고, 이와 동시에 PCD가 동일한 노즐(2)의 중심선(L2)과 가스분사구(9)의 중심선이 이루는 경사각(θ1)은 각각 0°, 30°, 50°, 70°, 90°및, 110°등으로 전체 24개의 노즐(2)로서 실험하였으며, 종래의 단공노즐(2')은 그 크기를 1/5 로 축소하여 본 실시예의 실험에서는 24개의 다공노즐(2)과 1개의 다공노즐(2')인 총 25개의 노즐(2)을 실험하였다.

여기서 종래의 단공노즐(2')은 상기 PCD 가 존재하지 않으며, 경사각도 0°이다.

본 실시예에서 사용된 본 발명인 3공 노즐(2)의 각 가스분사구(9)의 중심점(P2)을 연결한 동심원의 직경(PCD)은, 13mm, 15mm, 17mm, 19mm이고 결국, 이를 노즐외경(D1)인 26mm 로 나눈값(이하, PCD 비율이라 함)은 각각 0.500, 0.577, 0.654, 0.731 이었다.

이때, 특히 PCD 비율이 중요한데, 이는 실기조업에서 노즐외경(D1)을 변경하는 것이 쉽지는 않으나 만약 노즐 외경을 변경시킨다고 가정하면,노즐 외경과 비례해서 가스분사구(9)의 PCD를 변경할 수 있을 뿐 아니라, 결국 감압상태에서 초음속으로 분사되는 가스의 움직임이 달라질수 있기 때문이다.

상술한 축소모형장치에 물을 300리터 즉, 높이 200mm 정도로 채우고, 축소장치 내부가 10 토르(torr) 정도의 감압상태로 유지되도록 하였다.

이어서, 위로부터 장치 내부로 노즐을 부착한 랜스를 하강시키고, 노즐높이은 실기조업의 1/5에 해당하는 높이 즉, 바닥으로부터 800mm되는 지점에 정지시켰다.

그리고, 질소를 계기압력 4.0kg/㎠에서 분당 200리터 유속으로 2분동안 상취 분사 시키면서 진공조(1) 상부커버(6)에 튀어르는 스플래쉬양(이하. 비수량이라 함)을 측정하였다.

여기서, 질소공급압력은 4.0kg/㎠이고, 진공조의 내부진공도가 10 torr이므로 질소의 승산속도는 실기조업의 범위에 속하는 마하 3.2 에 해당된다.

본 실시예에는, 노즐 형상별 비수량을 측정하기 위하여 상부의 커버(60 내면에 물을 잘 흡수하는 흡수포를 부착하고, 실험전후 흡수포의 무게를 측정하여 그 차이를 비수량으로 간주하였다.

그리고, 이러한 비수량 측정실험에 있어서는, 상기 25개 노즐(2)(2')별로 동일한 가스분사 조건에서 실험을 5회 반복 실시하고, 그 평균값을 구하여 각 노즐별 비수량으로 취하였다.

더하여, 4 도는 본 실시예에서 측정한 종래 및 본 발명의 노즐형상별 비수량을 도시한 그래프도이다.

상기 도 4 에서 부터 알수 있듯이, 종래 단공노즐(2')랜스의 비수량은 22g정도에 달하는 것을 알 수 있다. 그러나 본 발명인 3개의 가스분사구(9)를 갖는 다공노즐(2)에서는 모든 동심원(PC)의 직경인 PCD에서 경사각이 증가함에 따라 비수량이 점차 감소되다가 최소값을 나타낸후 다시 증가되는 경향을 나타낸다.

한편, 이러한 경향은 PCD에 따라 서로 다르게 나타나고 있음을 알 수 있었다. PCD가 13mm인 경우에는 PCD 비율이 0.500인 경우 경사각 7도에서 비수량이 최소값을 나타내고 그 값은 5g을 초과한다. PCD 비율이 0.577과 0.654인 PCD 15mm와 17mm에서는 경사각 5도 내지 7도의 범위에서 최소값을 타나내고 그 값이 3g을 초과하지 않는다.

한편, PCD 비율이 더 증가하여 PCD 비율이 0.731mm 즉 PCD가 19mm인 경우에는 경가각도 5°에서 최소값을 타나내지만 비수량값이 5g을 초과함을 알수 있다.

본 실시예에서는 PCD 비율이 0.577과 0.654의 범위일때, 그리고 경사각θ1 이 5°와 7°사이에 속하는 노즐(2)인 경우에, PCD가 0.6mm 이고, 경사각이 6°인 노즐(2)에 대하여는 실험을 실시하지는 않았으나, 4도에 나타낸 비수량 측정 결과들의 전체 경향으로 볼 때 비수량이 3g 이하에 불과하는 것을 알수 있었다.

이에 따라서, 상기의 결과들로부터 감압상태에서 가스를 초음속으로 상취 분사하는 경우 가스분사구(9)가 1개인 단공노즐(2) 보다는 가스분사구(9)가 3개 인 다공노즐(2)인 경우에 전반적으로 비수량이 감소되며, 특히 PCD 비율이 0.577 - 0.654의 범위에 있을때, 그리고 경사각θ1이 5°내지 7°인 경우에 가장 적은 비수량 즉, 스플래쉬(5)가 발생됨을 알 수 있었다.

이와 같이 본 발명인 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐에 의하면, RH 정련시감압상태에서 용강에 기체산소를 초음속으로 상취 분사하여도, 다공노즐에서 상취 분사된 산소의 용강면에 대한 충격도가 감소되어 용강면에서의 스플래쉬 발생이 방지되고, 이에 따라 스플래쉬에 의한 지금이 진공조 상부커버 및 배기구에 부착되는 것을 효과적으로 방지하는 잇점이 있다.

더하여, 지금의 발생이 감소되어 진공조내의 랜스 승,하강이 보다 원활하게 수행되고, 용강의 오염을 차단하여 RH 정련이 보다 정밀하게 수행토록 하는 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (3)

1. 감압상태에서 용강면에 가스를 초음속으로 상취 분사하는 노즐(2)에 있어서, 노즐 중심점(P1)을 중심으로 120°의 각도(θ2)로 형성된 다수개의 가스분사구(9)를 구비하고, 상기 각 가스분사구(9)의 중심선(L2)과 노즐(2)의 중심선(L1)이 교차하는 경사각(θ1)은 5 °- 7 °로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐
2. 제 1항에 있어서, 상기 각 가스분사구(9)는, 노즐 중심점(P1)을 중심으로 각각의 중심점(P2)이 동심원(PC)상에 형성되는 것을 특징으로 하는 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐
3. 제 2항에 있어서, 상기 각 가스분사구(9)는 PCD/D1 값이 0.577 - 0.654 를 만족하도록 형성되며, 여기서 PCD는 상기 동심원(PC)의 직경이고, D1은 노즐(3)의 직경인 것을 특징으로 하는 진공탈가스용 가스 상취분사 노즐