KR100391902B1 - 평면화염가스버너및평면화염형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소공기를 축방향 선회기를 통하여 공급하고, 연료가스와 연소공기의 완만한 공급으로 연소소음을 줄이며, 화염의 크기를 크게하여 복사효율을 향상시키는 한편, 화염크기를 크게함으로써 방열에 의한 화염온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 감소시키도록 된 평면화염 가스 버너 및 평면화염 형성방법에 관한 것이다.

본 발명은, 중앙의 연료노즐을 통하여 연료가스를 공급하는 연료도입관; 상기 연료도입관의 상부측에 형성되고, 다수의 선회기를 통하여 상기 노즐의 선단부로 공기를 공급하는 공기도입관; 및 상기 연료도입관과 공기 도입관의 선단에 위치되고, 점차적으로 직경이 확대되는 혼합부와, 상기 혼합부에 연이어서 형성되고, 곡률반경(R)이 길이(L2)에 대하여 R =X L2, 여기서 0.8 ≤≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡형성된 확대부를 갖는 버너타일;을 포함하는 평면화염 가스 버너와 이를 이용한 평면화염 형성방법을 제공한다.

본 발명은 소둔로용 가스버너에서 점진적으로 확대되는 타일과 완만연소에 의한 화염부피의 증대로 열효율 향상, 전부하영역에서 안정적 연소, 질소산화물 저감, 연소소음을 줄일 수 있어 소재품질향상과 작업환경을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

평면화염 가스 버너 및 평면화염 형성방법{GAS BURNER AND METHOD FOR PRODUCING FLAT FLAME IN ANNEALING FURNACE}

본 발명은 열처리로용 가스버너에서 평면화염을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 연소공기를 축방향 선회기를 통하여 공급하고, 연료가스와 연소공기의 완만한 공급으로 연소소음을 줄이며, 화염의 크기를 크게하여 복사효율을 향상시키는 한편, 화염크기를 크게함으로써 방열에 의한 화염온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 감소시키도록 된 평면화염 가스 버너 및 평면화염 형성방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기강판 소둔로(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 팔각형 단면을 가지며, 네곳의 경사면에 가스버너(111)가 설치되어 있고, 소재(112)는 열처리 소둔로(110)의 중심부를 통과한다. 이러한 소둔로(111)는 제 2도에서 도시된 바와 같이, 화염모양이 평면화염(120)으로 형성되어야 연소가스가 직접 소재(112)에 영향을 주지 않는다. 그러나 직진화염(121)은 소재(112)의 모서리를 국부적으로 가열하게 되어 소재의 전체에 걸쳐서 불균일한 가열에 의한 품질결함을 야기한다.

따라서, 이와 같은 소둔로(110)의 운전시 화염은 평면으로 형성되는 것이 바람직하며, 따라서 고온의 가스복사열(122)로 소재(112)를 가열하고, 또한 내화물을 적열시켜 적열된 내화물의 복사열(123)에 의해 소재(112)가 가열된다.

한편, 종래의 전기강판 소둔로용 가스버너(150)는 제 5도 및 제 6도에서 도시된 바와같이 연료가스는 버너축 중심 노즐(151)로부터 공급되고 연소공기는 노즐(151)외측의 공기도입관(154)을 통하여 이루어지며, 축방향과 반경방향으로 기울어진 2열, 40개의 노즐(152)로부터 분사되며, 연소영역은 상기와 같은 노즐(152) 선단의 계단식 타일(155)로 구성되어 있다.

연소진행 과정은 제 8도에서 보는 바와같이 연료가스(181)는 연료노즐(151)을 통하여 축방향으로 공급되고 연소용 공기(180)는 공기노즐(152)을 통하여 기울어져 공급되어 고속으로 분출되며, 회전하면서 연료가스(181)와 혼합하여 연소가 진행된다.

상기와 같은 연료가스와 연소용 공기의 혼합방식에 의한 화염 및 연소가스의 유동은 연소용 공기의 운동량에 의해 지배되어 원심력에 의해 평면화염이 형성되지만, 연소공기 분출노즐(152)에서부터 급격한 혼합과 연소가 진행된다. 이러한 경우, 연소가스는 급속하게 팽창하면서 연소공기의 흐름에 영향을 주어 초기 분출방향으로의 진행을 방해한다. 한편, 연소가스는 축방향으로 진행하면서 계단식 타일에서 반경방향으로 형성된 확대부(183)로 흐르면서 초기 유동성질을 일부 잃게된다.

따라서, 특정 부하범위에서는 초기 유동방향을 유지하여 평면화염을 유지하나, 고부하 또는 저부하에서는 평면화염을 유지하지 못하고 직진화염(182)으로 변환하여 소재에 직접 연소가스의 영향을 미치게 되는 문제점이 발생한다.

또한, 상기와 같은 종래의 다공 노즐(152)에서 분출되는 연소공기(181)는 연료가스(181)와 혼합하여 급속한 연소진행으로 연소굉음을 발생시키고 질소산화물 발생량이 증가한다. 그리고, 직진 공급되는 연료(181)와 연소가스 재순환류(182)로 인하여 직진화염(182)을 형성하거나 화염형상이 불안정하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 연소공기를 축방향 선회기를 통하여 공급하고, 연료가스와 연소공기의 완만한 공급으로 연소소음을 줄이며, 화염의 크기를 크게하여 복사효율을 향상시키는 한편, 화염크기를 크게 함으로써 방열에 의한 화염온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 감소시키도록 된 평면화염 가스 버너 및 평면화염 형성방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 일반적인 전기강판 소둔로의 개략 단면도;

도 2는 소재의 가열상태를 도시한 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 버너의 일부절개 사시도;

도 4는 본 발명에 따른 버너의 단면도;

도 5는 종래의 기술에 따른 버너를 도시한 일부 절개 사시도;

도 6은 종래의 기술에 따른 버너를 도시한 단면도;

도 7은 본 발명에 따른 버너에서의 평면화염 형성방법을 구현하기 위한 버너의 화염 흐름도;

도 8은 종래의 기술에 따른 버너의 화염 흐름도;

도 9는 본 발명에 따른 평면화염 형성방법을 순서대로 도시한 플로우 챠트;

도 10은 본 발명과 종래기술의 소재 가열성능을 비교한 그래프도;

도 11은 본 발명과 종래기술의 부하별 화염 안정성을 비교한 그래프도;

도 12는 본 발명과 종래기술의 질소산화물 배출량 비교도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1..... 버너 30..... 버너타일

31.... 연료공급관 32..... 연료노즐

33.... 선회기 36..... 공기정류관

41.... 혼합부 42..... 확대부

71.... 연료가스 72..... 제순환가스

73.... 혼합가스 74..... 연소용 공기

110... 소둔로 112.... 소재

120... 평면화염

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

소둔로의 열처리로용 가스버너에 있어서,

중앙의 연료노즐을 통하여 연료가스를 공급하는 연료도입관;

상기 연료도입관의 상부측에 형성되고, 다수의 선회기를 통하여 상기 노즐의선단부로 공기를 공급하는 공기도입관; 및

상기 연료도입관과 공기도입관의 선단에 위치되고, 상기 연료노즐로 부터 상기 소둔로의 내측공간으로 향하는 방향을 따라서 점차적으로 직경이 확대되는 혼합부와, 상기 혼합부에 연이어서 소둔로의 내측으로 향하도록 형성되고, 상기 혼합부의 끝단으로 부터 소둔로의 내측 공간으로 향하는 길이에 대하여 곡률반경이 R =X L2, 여기서 0.8 ≤≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡 형성된 확대부를 갖는 버너타일;을 포함함을 특징으로 하는 평면화염 가스 버너를 마련함에 의한다.

그리고, 본 발명은 열처리로용 가스버너에서 평면화염을 형성하기 위한 방법에 있어서,

중앙에서 연료노즐을 통하여 연료가스를 공급하는 단계;

상기 연료가스에 선회류의 공기를 공급하는 단계;

상기 연료가스와 연소공기를 그 길이가 확장시작점 직경에 대하여 L1 = βX D, 여기서 0.9 ≤β≤ 1.3 의 관계를 유지하도록 확장되고, 그 확장각도는 2~4°인혼합부를 통하여 혼합시켜 연소시키고 화염을 형성하는 단계; 및

상기 화염을 곡률반경이 길이에 대하여 R = ΥX L2, 여기서 0.8 ≤Υ≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡 형성된 확대부를 통하여 배출시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 평면화염 형성방법을 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전기강판 소둔로용 평면화염 가스버너(1)는 완만한 연료 및 공기공급과 곡선(round)의 타일에 의해 평면화염이 형성된다. 또한, 화염의 부피가 크고 연소속도가 느려 질소산화물 발생을 억제할 수 있는 것이다.

먼저 본 발명의 평면화염 형성방법을 구현하기 위한 버너(1)의 구조는 연료공급관(31), 연료노즐(32), 공기정류관(36), 선회기(33) 및 버너타일(30)를 갖는다. 제 3도는 상기 버너(1)의 일부절결 사시도이고, 제 4도는 상기 버너(1)의 정단면도이며, 제 7도는 상기 버너(1)의 동작상태를 나타낸 정단면도이다.

본 발명의 버너(1)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연소용 공기를 유입시키는 공기도입구(34)와, 유입된 공기흐름을 균일하게 형성시키는 공기정류관(36)과, 연소공기에서 선회력을 주는 선회기(33)와 연료가스가 유입하는 연료가스 도입관(31)과, 연료가스를 분출시키는 연료노즐(32)과, 평면화염을 형성시키는 버너타일(30)을 갖는 것이다.

본 발명의 가스버너(1)가 연소하기 위해서는 먼저 연소에 필요한 공기는 공기도입구(34)를 통해 공기정류관(36)으로 유입되며, 공기정류관(36)내에서 흐름이 균일하게 형성되어 공기진행방향에 대하여 경사진 판으로 형성된 선회기(33)를 거쳐 회전하면서 공급된다. 연료가스는 연료가스 도입관(31)을 거쳐 연료노즐(32)에서 상기 연료가스 도입관(31)의 반경방향 45°로 분출된다.

따라서, 상기 연소노즐(32)직후단에서 연소공기와 연료가 혼합되어 연소가 시작된다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이, 회전에 의해서 원심력을 갖는 연소공기(74)와 연료가스(71)의 혼합가스(73)는 연소가 진행되면서 하부로 흘러 버너(1)의 끝부분에서 반경방향으로 펼쳐진다. 한편, 버너(1)의 축 중심부는 상기 버너타일(30)의 반경방향으로 흘러가는 혼합가스(73)에 의하여 부압이 형성된다. 따라서 축중심의 부압에 의하여 혼합가스(73) 진행방향과 반대방향인 연료노즐(32)쪽으로 연소된 고온의 재순환가스(72)가 역으로 흐르게 되며, 이때 연소된 고온의 가스의 열이 혼합가스(73)로 전달되어 연소가 더욱 용이하게 진행된다.

이때, 만일 연료가스(71)가 종래와 같이 축중심으로 분출될 경우에는, 상기 재순환가스(72)와 연료가스(71)가 정면으로 만나게 되며 재순환류의 진행을 방해하여 연소가 어려워지고, 화염이 일측으로 치우치는 등 화염불안정 현상이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 연료가스(71)의 공급을 반경방향으로 일정한 각도, 즉 연료가스 도입관(31)의 반경방향 45°로 분출로 공급하여 버너(1)중심부로 재순환류가 자연스럽게 유입되도록 하는 것이다.

상기 타일(30)형상은 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합부(41)와 확대부(42)로 나누어 진다. 상기 혼합부(41)는 연소공기와 연료가스가 혼합되어 연소가 시작되는 곳으로 종래와 같이 평행관으로 할 경우, 혼합가스(73)가 연소하면서 온도상승에 의하여 부피가 팽창하며, 동일 공간에서 부피팽창에 따라서 축방향으로 진행속도가 빨라져 축방향으로 직진화염이 형성된다.

따라서, 연소진행에 따른 연소가스 부피팽창을 고려하여 타일(30) 단면적을 축방향 하류로 갈수록 확장시킴으로서 연소하면서 하류로 진행하더라도 축방향 진행속도가 일정하도록 하는 것이다.

한편, 상기 확대부(42)는 연료가스가 펼쳐지는 것으로, 원심력을 갖는 연료가스가 자연스럽게 흐르도록 형성하고, 혼합부(41)와 확대부(42)의 연결은 접점으로 이루어지게 하여 유체 유동이 매끄럽게 이루어지도록 한다.

상기 혼합부(41)의 직경(D)은 아래의 수식과 같이 결정될수 있다.

D = α X √(연소용량 kcal/h) ..... 수식 1

0.2 ≤α≤ 0.3

그리고, 상기 혼합부의 길이(L1)는 혼합부(41)의 확장시작점(45)의 직경(D)의 0.9 ~ 1.3배일 때 평면화염이 형성되며, 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

L1 = β X D ....... 수식 2

0.9 ≤β≤ 1.3

상기에서, 0.9배 미만에서는 연료가스와 공기의 혼합 시간이 짧아서 미연소가스 발생량이 증가하고, 타일(30) 전면에서 볼 때 원주방향으로 화염이 불균일하게 존재하여 편열불꽃이 일부분으로 치우쳐짐이 발생한다. 그리고, 상기 길이(L1)가 직경(D)에 비하여 1.3배 초과시에는 공기와 혼합된 연료가스가 확대부(42)에서 평면으로 펼쳐지기 전에 대부분 연소하기 때문에 공기의 회전운동량 감소로 원심력이 떨어져 화염이 직진으로 토출하게 된다.

이러한 직진화염은 종래와 같이 소재(112)를 국부가열하고 스케일 생성량이 증가하게 된다. 또한, 좁은 공간에서 급속히 연소가 진행되므로 화염온도 상승에 의한 질소산화물 발생량이 증가한다.

한편, 확대부(42)의 곡률반경(R)은 확대부 길이(L2)의 0.8 ~ 1.1배이어야 하며, 이를 수식으로 표시하면 아래와 같다.

R =X L2 ........... 수식 3

0.8 ≤≤ 1.1

상기에서 0.8배 미만에서는 유동의 박리가 일어나 평면화염에서 직진화염으로 천이된다. 그리고, 곡률반경(R)이 확대부 길이(L2)의 1.1배 이상에서는 대부분의 화염이 타일선단부, 즉 노벽면보다 상당히 뒤쪽에 존재하기 때문에 화염복사 효과가 떨어진다.

또한, 상기에서 타일 혼합부(41)의 확장각도(A)는 2~4°이고, 타일(30)의 확대부(42)와 타일(30) 전면(30a)은 외접하여야 유동이 자연스럽게 형성된다. 상기 혼합부(41)의 확장각도가 2°이내에서는 연료의 연소로 인해 부피가 팽창하지만 토출면적이 일정하여 직진토출속도의 증가로 직진화염이 된다. 확장각도가 4°이상에서는 연료가스와 공기의 혼합성이 떨어지고, 출구쪽 면적이 넓어서 연료노즐(32)이 소둔로(110)부터의 복사열의 영향을 많이 받게된다.

상기에서와 같은 본 발명에 가스버너(1)를 이용한 평면화염 형성방법을 설명하면 다음과 같다. 이는 도 9에 도시된 바와 같이, 먼저, 중앙에서 연료노즐(32)을 통하여 연료가스를 공급하는 단계(210)가 이루어지며, 이는 연료가스(71)의 공급을 연료가스 도입관(31)의 반경방향 45°로 공급하여 버너(1)중심부를 기준으로하여 원심력을 부여하는 것이다.

그리고, 다음으로는, 상기 연료가스에 선회류의 공기를 공급하는 단계(220)가 이루어지는 바, 상기 단계(220)는 연소에 필요한 공기가 공기도입구(34)를 통해 공기정류관(36)으로 유입되며, 공기진행방향에 대하여 경사진 선회기(33)를 거쳐 회전하면서 공급되어 연료가스와 함께 원심력이 부여되는 것이다.

그리고, 상기 연료가스와 연소공기를 그 길이(L1)가 확장시작점 직경(D)에대하여 L1 = β X D, 여기서 0.9 ≤β≤ 1.3 의 관계를 유지하도록 확장되는 혼합부(41)를 통하여 혼합시켜 연소시키고 화염을 형성하는 단계(230)가 이루어지며, 이는 혼합가스(73)가 연소하면서 온도상승에 의하여 부피가 팽창하면, 이러한 연소가스 부피팽창을 고려하여 타일(30) 단면적을 축방향 하류로 갈수록 확장시킴으로서 연소하면서 하류로 진행하더라도 축방향 진행속도가 일정하도록 하는 것이다.

그리고, 상기 화염을 곡률반경(R)이 길이(L2)에 대하여 R =X L2, 여기서 0.8 ≤≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡형성된 확대부(42)를 통하여 배출시키는 단계(240)가 이루어지며, 이는 연료가스가 펼쳐지는 것으로, 원심력을 갖는 연료가스가 자연스럽게 흐르도록 형성하고, 유동의 박리가 일어나지 않도록 하여 평면화염에서 직진화염으로 천이되는 것을 방지하며, 대부분의 화염이 타일선단부, 즉 노벽면측에 접근되도록 하여 화염복사 효과를 높이도록 된 것이다.

한편, 전 연소부하영역에서 가장 안정된 연소성을 나타내는 구조는, 혼합부(41)는 2~3°로 점차 확대되고 혼합부(41)의 길이(L1)는 직경(D)의 1.0 ~ 1.1배, 확대부(42)의 곡률반경(R)은 확대부 길이(L2)의 0.9 ~ 1.0배가 되도록 이루어지고, 확대부(42)와 타일전면(30a)은 외접하여야 한다.

4. 실시예

본 발명의 전기강판 소둔로용 가스버너(1)와 기존 가스버너(110)를 실험로에 장착하여 동일 연소조건에서 연소특성을 측정, 비교한 결과를 제 9도, 제 10도, 제 11도에 나타내었다.

제 10도는 종래의 전기강판 소둔로용 가스버너(110)와 본 발명의 전기강판소둔로용 가스버너(1)와의 소재 가열성을 비교한 것으로 본 발명의 전기강판 소둔로용 가스버너(1)에 의한 소재가열온도가 높게 나타났다. 제 11도는 종래의 전기강판 소둔로용 가스버너(110)와 본 발명의 전기강판 소둔로용 가스버너(1)와의 화염안정성을 비교한 것으로 소둔로용 가스버너(1)의 화염안정성이 전부하영역에서 안정적으로 나타났다. 제 12도는 종래의 소둔로용 가스버너(110)와 본 발명의 소둔로용 가스버너(1)와의 질소산화물 발생량을 비교한 것으로 종래 가스버너(110)에 비해 평균 24ppm 저감되어 이는 평면화염으로 인한 화염의 최고온도가 낮아지므로 크게 감소된 것이다.

상기와 같이 본 발명은 연소공기를 축방향 선회기를 통하여 공급하고, 연료가스와 연소공기의 완만한 공급으로 연소소음을 줄이며, 화염의 크기를 크게하여 복사효율을 향상시키는 한편, 화염크기를 크게 함으로써 방열에 의한 화염온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 감소시키게 된다.

따라서, 소둔로용 가스버너에서 점진적으로 확대되는 타일과 완만연소에 의한 화염부피의 증대로 열효율 향상, 전부하영역에서 안정적 연소, 질소산화물 저감, 연소소음을 줄일 수 있어 소재품질향상과 작업환경을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 소둔로의 열처리로용 가스버너에 있어서,

   중앙의 연료노즐(32)을 통하여 연료가스를 공급하는 연료도입관(31);

   상기 연료도입관(31)의 상부측에 형성되고, 다수의 선회기(33)를 통하여 상기 노즐(32)의 선단부로 공기를 공급하는 공기도입관(34); 및

   상기 연료도입관(31)과 공기도입관(34)의 선단에 위치되고, 상기 연료노즐(32)로 부터 상기 소둔로의 내측공간으로 향하는 방향을 따라서 점차적으로 직경이 확대되는 혼합부(41)와, 상기 혼합부(41)에 연이어서 소둔로의 내측으로 향하도록 형성되고, 상기 혼합부(41)의 끝단으로 부터 소둔로의 내측 공간으로 향하는 길이(L2)에 대하여 곡률반경(R)이 R =X L2, 여기서 0.8 ≤≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡 형성된 확대부(42)를 갖는 버너타일(30);을 포함함을 특징으로 하는 평면화염 가스 버너.
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합부(41)의 길이(L1)는 혼합부(41)의 확장시작점(45)의 직경(D)에 대하여 L1 = β X D 이고, 여기서, 0.9 ≤β≤ 1.3로 이루어짐을 특징으로 하는 평면화염 가스 버너.
3. 제 1항에 있어서, 상기에서 타일 혼합부(41)의 확장각도(A)는 2~4°이고, 혼합부(41)와 확대부(42)의 연결은 접점으로 이루어지게 하여 유체 유동이 매끄럽게이루어지도록 구성됨을 특징으로 하는 평면화염 가스 버너.
4. 제 1항에 있어서, 상기 혼합부(41)의 직경(D)은

   D = α X √(연소용량 kcal/h) ..... 수식 1

   0.2 ≤α≤ 0.3 으로 이루어짐을 특징으로 하는 평면화염 가스 버너.
5. 열처리로용 가스버너에서 평면화염을 형성하기 위한 방법에 있어서,

   중앙에서 연료노즐(32)을 통하여 연료가스를 공급하는 단계(210);

   상기 연료가스에 선회류의 공기를 공급하는 단계(220);

   상기 연료가스와 연소공기를 그 길이(L1)가 확장시작점 직경(D)에 대하여 L1 = βX D, 여기서 0.9 ≤β≤ 1.3 의 관계를 유지하도록 확장되고, 그 확장각도(A)는 2~4°인 혼합부(41)를 통하여 혼합시켜 연소시키고 화염을 형성하는 단계(230); 및

   상기 화염을 곡률반경(R)이 길이(L2)에 대하여 R =X L2, 여기서 0.8 ≤≤ 1.1 의 관계를 유지하도록 만곡형성된 확대부(42)를 통하여 배출시키는 단계(240);를 포함함을 특징으로 하는 평면화염 형성방법.