KR100374512B1 - 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차 정련된 잉곳(ingot)을 재 정련하는 ESR(electro-slag refining)공정에 있어서, 주형 냉각수를 예열하여 2차 정련되는 강의 품질을 향상시키는 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 주형(1)에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절장치에 있어서, 주형(1)에 연결되어 주형(1)의 둘레로 공급될 냉각수를 저장하고, 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 온도계(43) 및, 저장된 냉각수의 양을 측정하는 수량계(27)를 구비한 저장용기(20)와, 저장용기(20)에 연결되어 저장용기(20)에 공급될 냉각수를 저장하고, 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 온도계(42)를 구비한 집수장(30)과, 주형(1)으로부터 배출된 고온의 냉각수가 저장용기(20) 혹은 집수장(30)으로 공급되도록 안내하는 밸브(18)와, 고온의 냉각수의 온도를 측정하는 온도계(41)를 포함하며, 3개의 온도계(41,42,43)에서 측정된 냉각수의 각각의 온도를 기준으로 주형(1)으로부터 배출되어 저장용기(20)로 공급될 냉각수의 양 및 집수장(30)으로부터 공급되는 냉각수의 양을 각각 조절하여 저장용기(20)로부터 주형(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하는 냉각수 온도조절장치가 제공된다.

Description

폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법{Automatic temperature control apparatus of cooling water in mold and its method}

본 발명은 1차 정련된 잉곳을 재 정련함에 있어 냉각수의 온도를 조절하여 정련되는 강의 품질을 향상시키는 주형 냉각수 온도조절장치에 관한 것이며, 특히, 수냉주형으로부터 배출되는 주형 냉각수의 열을 재 이용하여 수냉주형 내부로 공급하는 냉각수의 온도를 조절하는 주형 냉각수 자동 온도조절장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉곳은 일정한 형태로 주입한 주물의 덩어리로서, 용해된 금속을 금형이나 사형에 주입하여 만든다.

이러한 일반적인 잉곳을 특수강으로 제작하기 위해서는 잉곳에 포함된 불순물을 제거하기 위해 2차 정련을 시행한다. ESR(electro-slag refining)공정이란, 2차 정련하고자 하는 잉곳을 소모전극으로 사용하여 고전류를 가해 재 용해한 후에 슬래그와의 화학적 반응을 통해 잉곳에 포함된 불순물을 제거하는 공정이다.

도 1은 일반적인 ESR시스템을 나타낸 개념도이며, 도 2는 도 1에 도시된 ESR시스템의 초기 공정의 상태를 나타낸 개념도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 둘레에 냉각수가 순환하는 수냉주형(1)과, 잉곳(3)에 연결되어 상기 수냉주형(1) 내부에 잉곳(3)이 위치하도록 상하로 이동 가능하게 잉곳(3)을 지지하는 지지부재(5)와, 수냉주형(1)과 잉곳(3)에 전원을 공급하는 전원공급장치(4)를 포함한다.

1차 정련이 끝난 잉곳(3)을 고순도의 특수강으로 2차 정련하기 위해서는 잉곳(3)을 소모전극으로 사용한다. 이런 잉곳(3)을 수냉주형(1)의 내부에 삽입시키고, 잉곳(3)과 수냉주형(1)의 사이에 쇳조각과 슬래그(9')를 위치시킨다. 그리고, 잉곳(3)과 잉곳(3)을 수용하는 수냉주형(1) 사이에 고전압과 고전류를 인가하면 쇳조각과 슬래그(9')의 저항열에 의해 쇳조각과 슬래그(9')는 용융되고 이러한 저항열에 의해 잉곳(3) 또한 용융된다. 한편, 용융된 강은 수냉주형(1)의 안쪽에 채워지면서 상부방향으로 상승하며, 용융된 강에 포함된 불순물은 용융된 슬래그(9")와의 화학반응에 의해 제거된다. 그럼으로써, 용융된 강은 고순도의 강이 되며, 이런 용융된 강을 응고시킴으로써, 고순도의 정련 특수강(7)을 얻게된다.

한편, 저항열에 의해 용융된 강과 슬래그(9")는 고온으로서, 수냉주형(1)의 수명을 연장시키기 위해서는 수냉주형(1)의 내부로 냉각수를 순환시켜 수냉주형(1)의 내부에 전달된 열을 최대한 빨리 빼앗아 가야 한다.

따라서, 수냉주형(1)의 상부에는 냉각수 배출구(1b)가 형성되고, 하부에는 냉각수 주입구(1a)가 설치되며, 배관에 의해 냉각수 주입구(1a)는 집수장에 연결되어 있다. 집수장에 저장된 냉각수는 필요에 따라 수냉주형(1)의 내부로 주입되며 용융된 강과 슬래그(9")로부터 전달된 열을 빼앗아 냉각수 배출구(1b)로 빠져 나간다.

그러나, 수냉주형(1)의 냉각수 주입구(1a)로 주입되는 냉각수는 주변 온도 즉, 날씨 및 계절 등에 따라 온도가 심하게 차이가 난다. 수냉주형(1)에 주입된 냉각수의 온도는 대한민국 계절에 따라 여름에는 약 30℃이상에 이르고, 겨울에는 0℃이하까지 이른다.

한편, 겨울철과 같이 저온의 냉각수가 수냉주형(1)의 내부로 주입되면, 냉각수의 저온과 수냉주형(1)의 내부 온도차에 의해 수냉주형(1)의 내부면에는 이슬이 맺히고, 이런 상태에서 2차 정련이 진행되면 고열에 의해 수분은 수소를 발생시키고 수소는 철성분에 응집되어 블로우 홀(blow hole) 또는 헤어 크랙(hair crack) 등의 결함을 발생시킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 고온의 용융된 강과 수분이 접하면서 수분의 팽창으로 인한 폭발사고의 위험도 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 수냉주형에 공급되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하여 공급하며 수냉주형으로부터 배출된 냉각수의 열을 활용하는 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 ESR시스템을 나타낸 개념도이고,

도 2는 도 1에 도시된 ESR시스템의 초기 공정의 상태를 나타낸 개념도이며,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치의 개략도이며,

도 4는 도 3에 도시된 주형 냉각수 자동온도조절장치의 작동관계를 나타낸 흐름도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 수냉주형 3 : 잉곳(ingot)

4 : 전원공급장치 5 : 지지부재

7 : 응고된 정련강 9" : 용융된 강과 슬래그

18 : 3웨이밸브 20 : 저장용기

25 : 가열기 27 : 액위계

30 : 집수장 41, 42, 43 : 온도계

51, 52, 53 : 펌프

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, ESR(electrode slag refining)공정 중에서 강을 정련하며 냉각수가 순환하도록 형성된 주형에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절장치에 있어서, 상기 주형에 연결되어 상기 주형의 둘레로 공급될 냉각수를 저장하고, 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 온도계 및, 저장된 냉각수의 양을 측정하는 수량계를 구비한 저장용기와, 상기 저장용기에 연결되어 상기 저장용기에 공급될 냉각수를 저장하고, 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 온도계를 구비한 집수장과, 상기 주형으로부터 배출된 고온의 냉각수가 상기 저장용기 혹은 상기 집수장으로 공급되도록 안내하는 밸브와, 상기 주형으로부터 배출된 고온의 냉각수의 온도를 측정하는 온도계를 포함하며, 상기 3개의 온도계에서 측정된 냉각수의 각각의 온도를 기준으로 상기 주형으로부터 배출되는 냉각수의 양 및 상기 집수장으로부터 공급되는 냉각수의 양을 각각 조절하여 상기 저장용기로부터 상기 주형으로 공급되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하는 냉각수 온도조절장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 저장용기에는 저장된 냉각수의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 가열기가 부가적으로 설치된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 저장용기와 상기 주형의 사이에는 제 1 펌프가 설치되고, 상기 저장용기와 상기 집수장의 사이에는 제 2 펌프가 설치되고, 상기 주형과 상기 밸브의 사이에는 제 3 펌프가 설치되어, 상기 제 1, 제 2, 제 3 펌프를 이용하여 상기 저장용기에서 상기 주형으로 공급되는 냉각수의 양을 조절한다.

또한, 본 발명에 따르면, ESR(electrode slag refining)공정 중에서 강을 정련하며 냉각수가 순환하도록 형성된 주형에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절방법에 있어서, 상기 주형에 냉각수를 공급하기 위해 상기 냉각수를 저장하는 저장용기 내의 냉각수의 양을 측정하여 목표 저장 냉각수의 양 미만인가를 판단하는 단계와, 상기 판단단계에서 측정된 냉각수의 양이 목표 저장 냉각수의 양 미만이면 냉각수의 부족량을 계산하는 단계와, 상기 주형에서 배출된 냉각수의 온도와 상기 저장된 냉각수의 온도 및 상기 저장용기에 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계와, 상기 저장용기 내부의 냉각수의 온도가 일정하도록 상기 주형으로부터 배출되는 냉각수의 양과 상기 저장용기의 내부로 공급되는 냉각수의 양을 계산하여 상기 배출되는 냉각수의 양과 상기 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 단계와, 상기 저장용기 내에 일정한 온도로 저장된 냉각수를 상기 주형으로 공급하는 단계를 포함하는 냉각수 온도조절방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 주형으로부터 배출된 냉각수의 양(q_A)과 상기 집수장으로부터 상기 저장용기로 공급되는 냉각수의 양(q_B)은 수학식 1에 의해 계산된다.

아래에서, 본 발명에 따른 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치의 개략도이며, 도 4는 도 3에 도시된 주형 냉각수 자동온도조절장치의 작동관계를 나타낸 흐름도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수냉주형(1)의 냉각수 주입구(1a)에는 냉각수 저장용기(20)가 연결되고, 냉각수 저장용기(20)에는 집수장(30)이 연결된다. 따라서, 집수장(30)에서 공급된 냉각수는 저장용기(20)에 저장되고 저장용기(20)의 냉각수는 수냉주형(1)의 냉각수 주입구(1a)로 주입된다.

한편, 저장용기(20)와 집수장(30)을 연결하는 배관(13)과 냉각수 주입구(1a)와 저장용기(20)를 연결하는 배관(14)에는 각각의 펌프(52, 53)가 설치되고, 저장용기(20)에는 가열기(25)가 설치되며, 저장용기(20)와 집수장(30)에는 온도계(43,42)가 각각 설치되어 냉각수의 온도를 측정한다. 또한, 저장용기(20)의 상부에는 액위계(27)가 설치되어 저장용기(20)에 수용된 냉각수의 수위를 측정한다.

또한, 저장용기(20)와 집수장(30)을 연결하는 다른 하나의 배관(12)이 설치된다. 그리고, 이 배관(12)에는 수냉주형(1)의 냉각수 배출구(1b)에 연결된 배관(11)이 연결되며 두 배관(11, 12)은 3웨이밸브(18)에 의해 연결된다. 따라서, 냉각수 배출구(1b)로부터 배출된 고온의 냉각수는 3웨이밸브(18)의 작동에 따라 저장용기(20) 또는 집수장(30)으로 배출된다. 한편, 냉각수 배출구(1b)와 3웨이밸브(18)를 연결하는 배관(11)에는 고온의 냉각수의 온도를 측정하는 온도계(41)와 펌프(51)가 설치된다.

이와 같이 구성된 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치의 냉각수의 유동관계에 대하여 상세히 설명하겠다.

펌프(51)의 작동에 의해 수냉주형(1) 내부의 냉각수는 냉각수 배출구(1b)를 통해 배출된다. 배출된 냉각수는 온도계(41)에 의해 온도가 측정되고, 3웨이밸브(18)의 작동에 의해 저장용기(20) 혹은 집수장(30)으로 흘러간다. 이 때, 3웨이밸브(18)의 작동은 집수장(30)의 온도가 수냉주형(1)의 내부로 주입하는 냉각수의 온도와의 차이에 의해 결정된다. 만약, 집수장(30)의 냉각수 온도와 수냉주형(1)의 내부로 주입되는 냉각수 온도의 차가 크면, 냉각수 배출구(1b)를 통해 배출된 고온의 냉각수는 집수장(30)으로 유입된다. 그러나, 집수장(30)의 냉각수의 온도와 수냉주형(1)의 내부로 주입되는 냉각수의 온도의 차가 작으면, 냉각수 배출구(1b)를 통해 배출된 고온의 냉각수는 저장용기(20)로 유입되도록3웨이밸브(18)는 작동된다.

한편, 고온의 냉각수가 집수장(30)으로 유입될 경우에 집수장(30)의 저온의 냉각수와 열교환이 이루어져 집수장(30)의 냉각수의 온도는 상승하게 되며, 집수장(30)의 냉각수 온도는 온도계(42)에 의해 측정되고, 펌프(52)의 가동에 의해 배관(13)을 통해 저장용기(20)로 유동하게 되고, 저장용기(20)의 내부에 설치된 가열기(25)에 의해 가열된다.

한편, 고온의 냉각수가 저장용기(20)로 유입될 경우에는 저장용기(20)의 내부의 냉각수와 열전달이 이루어져 열평형상태를 이룬다.

이와 같이, 저장용기(20)의 내부에 위치한 냉각수의 온도는 온도계(43)에 의해 측정되고, 수냉주형(1)의 내부에 공급되기에 일정한 온도로 가열기(25)에 의해 가열되고, 펌프(53)의 가동에 의해 저장용기(20)에 수용된 냉각수가 수냉주형(1)의 냉각수 주입구(1a)로 공급된다. 이 때, 저장용기(20)에서 수냉주형(1)으로 공급되는 냉각수의 양과 온도는 수냉주형(1)의 용량에 따라 미리 설정된다.

이와 같은 냉각수의 흐름을 가지는 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절방법에 대하여 상세히 설명하겠다.

도 4에 도시된 바와 같이, 작업이 시작되면(S1) 저장용기(20) 내에 설치된 액위계(27)는 저장용기(20) 내에 수용된 냉각수의 수면을 측정하여 냉각수의 양을 측정한다(S2). 그리고, 이렇게 측정된 냉각수의 측정양과 미리 설정되어진 목표량과 비교분석한다(S3).

이 때, 냉각수의 측정양이 목표량 이상이면, 냉각수의 흐름에 대한 동력을제공하는 펌프(51, 52)의 작동을 멈춰 더 이상 저장용기(20)의 내부로 냉각수가 유입되는 것을 막는다(S10).

그리고, 냉각수의 측정양이 목표양 미만일 경우에는 저장용기(20)의 내부체적을 고려하여 냉각수의 부족량을 계산한다(S4). 그리고, 냉각수 배출구(1b)로부터 배출된 냉각수의 온도(T_A)와, 집수장(30)의 냉각수 온도(T_B) 및 저장용기(20)에 수용된 냉각수의 온도(T_C)를 측정한다(S5). 이런 집수장(30)의 냉각수 온도(T_C)와 냉각수 배출구(1b)로부터 배출된 냉각수의 온도(T_A)를 이용하여 냉각수 배출구(1b)로부터 저장용기(20)로 공급할 냉각수의 공급량(q_A)과, 집수장(30)으로부터의 냉각수의 공급량(q_B)을 수학식 1과 같이 계산한다(S6, S7).

여기에서, q_A는 주형으로부터 배출된 냉각수의 양이고, q_B는 집수장으로부터 상기 저장용기로 공급되는 냉각수의 양이고, q_L은 저장용기 내에 저장된 냉각수의 목표치와 측정치의 차이량이고, T_C는 저장용기 내의 냉각수 온도이고, T_B는 저장용기로 공급되는 냉각수의 온도이며, T_A는 주형으로부터 배출된 냉각수의 온도이다.

그리고, 펌프(51, 52)를 가동시켜 계산된 공급량만큼의 냉각수를저장용기(20)의 내부로 공급한다. 그리고, 펌프(53)를 가동하여 저장용기(20)의 내부에 저장된 냉각수를 수냉주형(1)의 냉각수 주입구(1a)를 통해 공급한다(S9, S10).

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법은 수냉주형의 냉각수의 주입온도를 계절에 관계없이 일정하게 유지시킴으로써, 겨울철에 주형의 내부에 맺힌 이슬에 의한 강의 품질 저하를 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 이슬 맺힘을 방지하여 주형 내부에서 폭발의 위험을 예방할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법은 버려지는 열을 재 이용함으로써, 에너지 절감효과를 얻을 수 있으며 저장용기에 주입되는 냉각수가 고온임으로 가열기에서 발생시키는 열의 양을 감소하여 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 본 발명의 폐열을 이용한 주형 냉각수 자동온도조절장치 및 그 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. ESR(electrode slag refining)공정 중에서 강을 정련하여 냉각수가 순환하도록 형성된 수냉주형에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절장치에 있어서,

   상기 수냉주형에 공급되는 냉각수를 저장하며 저장된 냉각수가 목표온도를 유지하도록 가열하는 가열기를 구비한 저장용기와,

   상기 저장용기에 냉각수를 공급하는 집수장과,

   상기 수냉주형의 냉각수 배출구로부터 연장된 배관과 상기 저장용기 및 상기 집수장에서 연장된 배관들이 각각 연결되어 상기 수냉주형으로부터 배출된 고온의 냉각수가 상기 저장용기와 상기 집수장 중에 어느 한 곳으로 유도하는 3웨이밸브 및,

   상기 저장용기와 상기 냉각수배출구로부터 연장된 배관에 각각 설치되어 냉각수의 온도를 측정하는 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도조절장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 저장용기와 상기 수냉주형의 냉각수 주입구를 연결하는 배관에는 제1 펌프가 설치되고, 상기 저장용기와 상기 집수장을 연결하는 배관에는 제2 펌프가 설치되고, 상기 수냉주형의 냉각수 배출구와 상기 3웨이밸브를 연결하는 배관에는 제3 펌프가 설치되어, 상기 제1, 제2, 제3 펌프를 이용하여 상기 저장용기에 저장되는 냉각수의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도조절장치.
4. ESR(electrode slag refining)공정 중에서 강을 정련하며 냉각수가 순환하도록 형성된 수냉주형에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 온도조절방법에 있어서,

   상기 수냉주형에 공급하고자 하는 냉각수의 양 만큼의 냉각수가 저장용기에 저장되었는지를 측정하여 측정된 냉각수의 양이 목표하는 양 미만인가를 판단하는 단계와,

   상기 판단단계에서 측정된 냉각수의 양이 목표 저장 냉각수의 양 미만이면 냉각수의 부족량을 계산하는 단계와,

   상기 수냉주형에서 배출된 냉각수의 온도와 상기 저장용기에 저장된 냉각수의 온도 및 상기 저장용기로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계와,

   상기 저장용기 내부의 냉각수의 온도에 가깝도록 상기 수냉주형으로부터 배출되는 냉각수의 양과 상기 저장용기의 내부로 공급되는 냉각수의 양을 계산하여 상기 저장용기로 유입되는 두 냉각수의 양을 조절하는 단계와,

   상기 저장용기 내에 저장된 냉각수의 온도가 목표온도가 되도록 가열하는 단계 및,

   상기 목표온도를 유지하는 냉각수를 상기 수냉주형의 냉각수 주입구로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도조절방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 수냉주형으로부터 배출된 냉각수의 양(q_A)과 상기 저장용기로 공급되는 냉각수의 양(q_B)은 식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 냉각수 온도조절방법.

   [식 1]

   여기에서, q_L은 저장용기 내에 저장된 냉각수의 목표치와 측정치의 차이량이고, T_C는 저장용기 내의 냉각수 온도이고, T_B는 저장용기로 공급되는 냉각수의 온도이고, T_A는 주형으로부터 배출된 냉각수의 온도.