KR100354210B1 - 고로의스태이브냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노내의 온도가 급격히 변동시, 냉각관 내면온도와 스태이브의 온도의 상관관계를 구하고, 상기 스태이브 열전대온도가 냉각수 비등온도보다 높게 되는 경우를 판단하여, 순간적으로 냉각수의 공급량을 증가시킴으로써, 열부하의 급변동에 의한 스태이브의 파손을 방지하는 고로의 스태이브 냉각방법을 제공하려는 것이다.

본 발명에 따르면, 고로에 설치된 스태이브 내부의 온도분포를 해석하는 제1단계(S10)를 포함하는 고로의 스태이브 냉각방법이 제공된다. 그러한 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 상기 제1단계(S10)의 온도분포를 이용하여 스태이브의 열전대온도와 냉각관 내면온도의 상관관계식을 구하는 제2단계(S20)와, 상기 제2단계(S20)의 상관관계식에서 열전대온도에 따른 냉각관 내면온도를 구하는 제3단계 (S50)를 포함한다. 또한, 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 상기 제3단계 (S50)에서 구한 냉각관의 내면온도를 냉각수 비등온도와 비교하여, 냉각관 내면에서 냉각수 비등의 시점을 판단하는 제4단계(S60)와, 상기 제4단계(S60)에서 판단한 냉각수 비등의 시점에서, 보조냉각수조의 밸브를 작동시켜, 상기 보조냉각수조의 냉각수를 냉각관에 공급하는 제5단계(S80)를 포함한다.

Description

고로의 스태이브 냉각방법{Cooling method for stave in blast furnace}

본 발명은 고로의 스태이브 냉각방법에 관한 것이며, 특히 제철소에서 선철을 제조하는 고로의 냉각설비인 스태이브(stave)를 보호하는 고로의 스태이브 냉각방법에 관한 것이다.

일반적인 선철을 생산하는 고로의 내부[이하, 노내(爐內)]에서는 철광석과코크스(coke)로 이루어진 장입물이 강하하고, 하부에서 고온의 가스가 상승한다. 이런 고온의 가스는 장입물과 열교환을 하여 장입물의 온도를 하부로 갈수록 상승시킨다. 이러한 온도 상승으로 인하여 노내에서는 약 1,500℃로 가열된 장입물이 용해된다.

일반적인 고로의 벽면(1)은 도 1에 보이듯이, 고온에 견딜 수 있게 소정두께의 철판(2)으로 형성된 감싸져 있다. 이런 철판(2)의 내측에는 고온에 견딜 수 있는 충진재(3)가 채워져 있다. 그리고, 이런 충진재(3)의 내측에는 상기 철판(2)을 고온으로부터 보호하기 위한 냉각설비인 스태이브(4)가 형성되어 있다. 또한, 이런 스태이브(4)의 내측에는 고온에서 견딜 수 있는 내화벽돌(5)들이 형성되어 있다.

이렇게 형성된 고로를 냉각시키는 스태이브(4)의 내부에는 외부에서 공급되는 냉각수가 스태이브(4)의 내부를 통과하여 다시 외부로 빠져나갈 수 있게 제철소의 냉각수 라인과 연결된 냉각관(6)이 배치되어 있다. 이런 냉각관(6)은 스태이브 (4)에 전달된 노내의 고열을 빼앗기 때문에, 고로의 철판에 전달되는 열부하를 감소시킨다.

그런데, 고로에서 노내의 온도는 고로의 높이 위치에 따라 상이한 열부하 분포를 갖는다. 즉, 노내의 온도가 노하부에서는 높고 노상부에서는 낮기 때문에, 노하부에서는 열부하가 크고, 상부에서는 상대적으로 작다. 따라서, 이러한 열부하 분포를 갖는 고로를 냉각시켜주는 방법에 대한 많은 연구와 노력이 진행중이다.

종래 기술에 따른 고로의 스태이브 냉각방법에서는 고로의 높이 위치에 따라 다수개의 냉각계를 구성하여 고로에서 철판이 받는 열부하에 따른 냉각의 정도를조절하는 것을 제안하고 있다.

그러나, 실제 고로에서 노내의 온도는 노내 가스류의 유동에 따라서 고로의 내벽면에서의 온도가 급격하게 상승하고 강하하는 현상이 자주 일어나고 있다. 이에 따라 순간적으로 스태이브내의 냉각관의 온도가 급격히 상승하여 냉각관 내면온도가 냉각수의 비등온도보다 크게된다. 그럴 경우에는 순간적으로 증기화된 냉각관의 냉각수는 높은 증기압으로 인하여 냉각관의 내부에서 유동하지 못하거나, 급격한 냉각능력의 부족을 초래한다. 이에 따라서, 냉각관이 순간적으로 파손되거나, 스태이브 자체에 심각한 손상을 입히게 된다.

따라서, 종래의 고로의 스태이브 냉각방법은 노내의 온도의 급격한 변동으로 인한 스태이브의 순간적인 과도한 열부하를 적절하게 대응하여 냉각시키지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노내의 온도가 급격히 변동시, 냉각관 내면온도와 스태이브의 온도의 상관관계를 구하고, 상기 스태이브 열전대온도가 냉각수 비등온도보다 높게 되는 경우를 판단하여, 순간적으로 냉각수의 공급량을 증가시킴으로써, 열부하의 급변동에 의한 스태이브의 파손을 방지하는 고로의 스태이브 냉각방법을 제공하려는 것이다.

도 1은 일반적인 고로의 구성을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고로의 스태이브 냉각방법을 적용한 냉각장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도.

도 3은 도 2에 도시된 고로의 스태이브 냉각방법을 설명하기 위한 흐름도.

도 4는 도 2에 도시된 고로의 스태이브 냉각방법에 의한 스태이브의 온도의 변동을 나타낸 그래프.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 열전대 20 : 보조냉각수조

12 : 제어부 13 : 밸브

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 고로에 설치된 스태이브 내부의 온도분포를 해석하는 제1단계를 포함하는 고로의 스태이브 냉각방법이 제공된다. 그러한 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 상기 제1단계의 온도분포를 이용하여 스태이브의 열전대온도와 냉각관 내면온도의 상관관계식을 구하는 제2단계와, 상기 제2단계의 상관관계식에서 열전대온도에 따른 냉각관 내면온도를 구하는 제3단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 상기 제3단계에서 구한 냉각관의 내면온도를 냉각수 비등온도와 비교하여, 냉각관 내면에서 냉각수 비등의 시점을 판단하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 판단한 냉각수 비등의 시점에서, 보조냉각수조의 밸브를 작동시켜, 상기 보조냉각수조의 냉각수를 냉각관에 공급하는 제5단계를 포함한다.

아래에서, 본 발명에 따른 고로의 스태이브 냉각방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고로의 스태이브 냉각방법을 적용한 냉각장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이고, 도 3은 도 2에 도시된 고로의 스태이브 냉각방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 4는 도 2에 도시된 고로의 스태이브 냉각방법에 의한 스태이브의 온도의 변동을 나타낸 그래프이다.

도 2에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따른 고로의 스태이브 냉각방법을 적용하기 위한 냉각장치는 고로의 벽면(1)에 형성된 스태이브(4)의 온도를 측정하기 위한 열전대(10)와, 스태이브(4)의 냉각관(6)에 부가적인 냉각수를 공급하기 위한 보조냉각수조(11) 및, 상기 보조냉각수조(11)의 냉각수를 스태이브(4)의 온도분포에 따라서 상기 냉각관(6)에 공급하는 제어부(12)를 갖는다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 고로의 스태이브 냉각방법에 적용된 일반적인 고로의 조건은 그 내용적이 2800㎥이고, 노상부의 직경이 11m이며, 스태이브 (4)는 높이 방향으로 총 10단으로 구성되고 원주방향으로 32개가 배치되어 있는 것이다.

그리고, 이런 스태이브(4)에 설치된 열전대(10)는 통상적인 고온을 측정하는 써머커플(thermocouple)이다. 이런 열전대(10)는 스태이브(4)에 형성된 냉각관(6)의 상부에 설치되어서, 스태이브(4)의 온도를 제어부(12)에 전달할 수 있게 되어 있다.

또한, 보조냉각수조(11)에는 냉각수가 채워져 있고, 제어부(12)에 의해서 개폐량이 제어되는 밸브(13)가 부착되어 있다. 이런 밸브(13)는 상기 냉각관(6)과 연결된 발전소의 냉각수 라인(7)과 연결되어 있다.

그리고, 제어부(12)는 열전대(10)로부터 측정한 스태이브(4)의 온도로 보조냉각수조(11)의 밸브(13)의 개폐시기와, 개폐량을 제어하므로써, 스태이브(4)의 냉각관(6)에 공급되는 보조냉각수조(11)의 냉각수 양을 제어한다.

아래에서, 상기와 같은 냉각장치에 의한 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법에 대해서 상세히 설명하겠다.

도 3에 보이듯이, 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 일반적인 유한요소법을 적용하여, 스태이브에 설치된 열전대에서 측정한 온도와 냉각관 내면온도와의 상관관계를 구하는 스태이브 내부의 온도분포 해석단계(S10)를 갖는다.

이런 스태이브 내부의 온도분석 해석단계(S10)에서의 냉각조건에는 냉각관의냉각수에서 측정한 냉각수온도 35℃와, 가스류의 유동에 따라 변동하는 노내의 온도 700℃, 1000℃, 1205℃, 1300℃ 및, 고로의 철판에서 측정한 대기온도 20℃가 사용된다. 이러한 조건하에서 스태이브에 관한 열전도방정식을 유한요소법으로 구한다. 그리고, 상기 열전도방정식을 사용하여, 스태이브 내부의 온도분포를 구하면 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, x, y는 스태이브 상의 좌표, k는 열전도율, T는 열전대온도이다.

다음으로, 상기 열전대온도와 냉각관 내면온도의 상관식 도출(S20)은 상기 수학식 1과 같은 스태이브 내부의 온도분포로부터 냉각관 내면에서의 온도와, 열전대가 삽입된 위치에서의 온도를 측정한다. 이런 과정을 노내의 온도가 변동할 때마다 행하여, 노내의 온도의 변동에 따른 스태이브의 열전대온도들과, 냉각관 내면온도들을 구하면 아래의 표 1과 같다.

[표 1]

여기에서,

상기 표 1에 나타낸 스태이브의 열전대온도(T)와 냉각관 내면온도(T_s)의 상관관계를 분석하여 아래의 수학식 2와 같은 상관식을 구할 수 있다.

[수학식 2]

그런 다음, 열전대온도를 측정한 초기 시간(S30)을 기준으로 열전대온도를 측정한다(S40).

이렇게 측정한 열전대온도(T)를 상기 수학식 2의 상관식에 대입하면, 상기 열전대의 온도 측정시마다, 냉각관 내면온도(T_s)를 계산할 수 있게 된다(S50).

이렇게 계산된 냉각관 내면온도(T_s)를 냉각수 비등온도와 비교하므로써, 냉각관 내면에서 냉각수 비등의 시점을 판단한다(S60). 여기에서, 냉각수 비등의 시점은 일반적으로 스태이브에 공급되는 냉각수의 압력이 5기압이기 때문에, 일반적인 열역학 방정식을 사용하여 상기 5기압에 대응한 냉각관 내부의 냉각수 비등온도인 150℃일 때의 시간이다. 따라서, 측정가능한 열전대온도(T)를 상기 수학식 2에 대입하여 구한 냉각관 내면온도(T_s)가 냉각수 비등온도보다 낮으면, 열전대의 측정 간격인 1시간(S70)을 기준으로 상기 S40, S50, 및 S60단계를 반복한다. 그리고, 냉각관 내면온도가 냉각수의 비등온도보다 높으면 냉각관 내면에서 냉각수가 비등하는 조건이 되어 냉각관내에서 기포가 발생하고, 냉각수가 증기화한다고 판단한다. 이렇게 냉각수 비등의 시점이 판단될 경우에는 보조냉각수조에 채워진 냉각수의 유동을 제어하는 밸브를 작동시켜서, 냉각수를 스태이브의 냉각관으로 공급시킨다 (S80).

도 4에 보이듯이, 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 냉각관을 파열시킬 수 있는 냉각수 비등온도인 150℃에 해당하는 상기 냉각관 내면온도(T_s)에서 보조냉각수조의 냉각수를 상기 냉각관으로 즉시 공급하기 때문에, 종래의 냉각방법(a)보다 빠른 시간내에 냉각관을 냉각시킴(b)으로써, 결과적으로 스태이브를 보호할 수 있게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 노내의 온도변화를 열전대로 측정하여 냉각관 비등온도에 대응한 냉각관 내면온도를 계산하고, 상기 냉각관 비등온도 이상으로 냉각관 내면온도가 높아지기 전에 냉각수를 상기 냉각관에 공급하기 때문에, 냉각관의 파열과, 스태이브의 손상을 막을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법은 냉각수 비등온도를 기준으로 냉각수를 즉각 공급하기 때문에, 스태이브의 냉각효율을 높이고, 고로의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 고로의 스태이브 냉각방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (1)

1. 고로의 스태이브 냉각방법에 있어서,

   상기 고로에 설치된 스태이브 내부의 온도분포를 해석하는 제1단계와,

   상기 제1단계의 온도분포를 이용하여 스태이브의 열전대온도와 냉각관 내면온도의 상관관계식을 구하는 제2단계와,

   상기 제2단계의 상관관계식에서 열전대온도에 따른 냉각관 내면온도를 구하는 제3단계와,

   상기 제3단계에서 구한 냉각관의 내면온도를 냉각수 비등온도와 비교하여 냉각관 내면에서 냉각수의 비등 시점을 판단하는 제4단계 및,

   상기 제4단계에서 판단한 냉각수의 비등 시점에서 보조냉각수조의 냉각수를 냉각관에 공급하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고로의 스태이브 냉각방법.