KR100518756B1 - 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강설비의 용선탈황 공정에서 운반 중인 용선에 분체 탈황제를 취입 분사하는 랜스의 노즐을 벤추리관 형태로 제작한 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐에 관한 것이다.

본 발명의 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐은 제강 설비의 용선 탈황공정에서 운반용기(1) 안에 수용된 용선(5) 속으로 랜스(3)로부터 취입되는 탈황제를 분사하는 랜스 노즐(7)에 있어서, 동일한 내경(d_t)을 유지하는 스로트(11) 부위의 길이(l_t)가 상기 내경(d_t)의 1.5배 이하이며, 상기 스로트(11)와 노즐출구(13)의 단면적 비가 1.5 내지 9 이하로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 벤추리형 랜스 노즐에 의하면, 노즐에서 탈황제와 함께 분사되는 가스의 속도를 초음속으로 유지할 수 있게 되므로 용선의 교반력을 증대시킬 수 있으며, 용선에서의 탈황 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐{A venturi type lance nozzle used for injecting a desulfurizer}

본 발명은 탈황제 분사에 사용되는 랜스 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강공정 중 용선예비처리 공정인 용선탈황 공정에서 분체로 된 탈황제를 용선에 취입하여 분사하는 랜스 노즐의 형상을 벤추리 형태로 제작한 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 제철소의 고로에서 생산되는 용선 중에는 C, Si, Mn, P, S 등의 불순 원소가 수 중량% 포함되어 있으며, 황(S)의 경우 약 0.03 중량% 정도 용선에 포함되어 있다. 황을 제외한 다른 불순물은 전로공정에서 산소를 취입하여 산화물 형태로 제거할 수 있으나, 황의 경우에는 Ca 혹은 Mg 등과의 반응에 의해 제거되는 바, Fe와 S가 반응하여 생성되는 FeS 보다 더 안정한 화합물(CaS 혹은 MgS)을 형성하는 물질(Ca 혹은 Mg)을 투입하여 환원반응에 의해 제거하게 된다.

따라서, 황을 제거하기 위해 전로 공정 앞 혹은 뒤 공정에서 황을 제거하여야 하며, 용선 상태에서 즉, 전로 앞 공정에서 황을 제거하는 것이 훨씬 효과적이라는 이론적 근거를 바탕으로 용선단계에서 황을 제거하고 있다. 이와 같이 황을 제거하는 것은 용선을 운반하는 용기에서 주로 행하고 있으며, 용선의 운반은 도 1에 도시된 바와 같이 토피도(101) 혹은 오픈 레이들을 사용하여 이루어지는데, 용기 내의 용선에 생석회(CaO), 칼슘카바이드(CaC₂) 또는 마그네슘(Mg) 등과 같은 탈황제를 투입함으로써 탈황처리가 수행된다. 그런데 종전에는 칼슘카바이드 혹은 마그네슘 등도 탈황제로 사용하였으나 이는 동일한 탈황 효율을 얻기 위하여 소요되는 비용이 생석회계 탈황제보다 더 많기 때문에 제한적으로 사용되었으며, 현재 대부분의 제철소에서는 생석회계 탈황제를 많이 사용하고 있다.

이와 같이 용선 탈황과 관련한 기술로는 용선 탈황제에 관한 기술과 탈황제에 탄화철 분체를 첨가하여 탈황효율을 증가시키는 방법에 관한 기술 등이 제안된 바 있으나 용선 탈황에 직접적으로 영향을 미치는 노즐에 관한 기술은 제안된 바 없으며, 통상 탈황제 분체는 도 1에 도시된 바와 같이 랜스(103)를 통하여 용선(105) 중으로 질소와 같은 운반가스와 함께 취입된다. 이 때 취입용 랜스 노즐은 도 2에 도면번호 107로 도시된 것처럼 역 T자형의 일반 파이프와 같은 형태를 취하고 있는데, 이러한 노즐을 사용할 경우 분사기체의 속도가 초음속을 얻을 수 없으므로 용선(105)과 탈황제의 혼합 효율이 현저히 낮아지는 문제점이 있었다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이 취입된 가스는 여러 개의 작은 기포(109) 형태로 발생되며, 이 기포(109) 내에 탈황제 분체가 일부 존재하게 되는 바, 탈황반응은 탈황제 분체와 용선 중의 황이 다음 수학식 1과 같이 반응하여 일어나게 된다.

CaO + S + C = CaS + CO

그런데, 위와 같은 반응은 고체의 CaO와 액체인 용선 중의 S가 반응하게 되므로 반응효율이 대단히 낮으며, 또한 미세한 탈황제 분말의 일부는 질소 기포(109) 내에 둥둥 떠있으면서 용선 상부로 부상하여 용선과 접촉할 기회를 갖지 못하는 경우도 많이 발생되므로 전체적으로 탈황효율이 매우 낮아지게 되는 문제점이 있었다.

다시 말해, 도 2에 도시된 바와 같은 파이프형 직관 노즐(107)에 의하면 탈황용 분체와 질소가스를 동시에 분사할 때 질소가스의 초킹(chocking) 현상으로 인하여 질소가스의 분사압력을 높여 주어도 초음속 이상의 분사속도를 얻을 수 없게 된다. 따라서 용선(105)의 높이에 따른 압력과 파이프 형태의 노즐(107)에서 분사되는 질소가스의 낮은 선속으로 인하여 질소가스가 제트 형태로 분사되지 못하고 버블링 현상을 일으키면서 다수의 기포(109) 형태로 분출된다. 이에 따라, 탈황용 분체의 일부는 용선(105)과 접촉하여 탈황반응에 기여하나, 일부는 내부에 둥둥 뜬 상태로 부상하게 되는데, 이 경우 기포(109) 내에 존재하는 탈황용 분체는 용선과 반응할 기회를 갖지 못하게 되므로 전체적으로 탈황 효율이 현저히 낮아질 뿐 아니라, 분사 가스가 버블 형태로 분사되므로 토피도 카와 같은 용기(101) 내에서의 용선 교반력도 현저히 떨어져 혼합시간 또한 길어지게 된다.

이와 같이 지금까지의 랜스(103)는 파이프 형태의 노즐(107)을 사용하고 있으므로 탈황제와 용선의 혼합효율이 낮고 생성된 기포(109) 안에 포획되어 손실되는 탈황제의 양이 많아지므로 전체적인 탈황효율이 현저히 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 랜스 노즐이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 제강 공정 중 용선 탈황 공정에서 탈황제 분체를 벤추리관 형태의 랜스 노즐을 통해 용선에 취입하여 고체인 탈황제와 액체인 용선 중의 황이 보다 효율적으로 결합되도록 함으로써 용선 정련 시의 탈황효율을 향상시키고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해, 제강 설비의 용선 탈황공정에서 운반용기 안에 수용된 용선 속으로 랜스로부터 취입되는 탈황제를 분사하는 랜스 노즐에 있어서, 동일한 내경을 유지하는 스로트 부위의 길이가 스로트 내경의 1.5배 이하이며, 스로트와 노즐출구의 단면적 비가 1.5 내지 9 이하로 형성되어 있는 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐을 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐을 첨부도면을 참조로 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 랜스 노즐(7)은 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 랜스 노즐과 마찬가지로 제강 설비의 용선 탈황공정에 채용되어 토피도 카와 같은 운반용기(1)에 수용된 용선(5)에 분체 형태의 탈황제와 질소가스를 함께 분사함으로써 용선(5)에 포함된 황을 제거하도록 되어 있는 바, 도 4에 보다 상세히 도시된 것처럼 초음속의 분사속도를 얻기 위해 전체적으로 노즐입구(15), 스로트(11), 노즐출구(13)로 이어지는 확대-축소-확대되는 벤추리관 형태의 단면 형상을 가지고 있으며, 여기에서 스로트(11)는 동일한 내경을 갖는 축경부위를 말한다.

이 때, 질소가스의 유량과 스로트(11) 부위의 면적 그리고 랜스(3) 내의 압력과의 관계를 식으로 나타내면 다음 수학식 2와 같다.

Ｑ = 397.4P_oA_*√T_o

여기서, Ｑ : 가스 유량(ft³/min, 1기압 15℃)

P_o : 랜스내의 가스압력(psi)

A_* : 스로트 부위의 면적(ft²)

T_o : 랜스 내의 가스온도(℃)

이 수학식 2를 이용하여 설정된 압력에서 필요한 유량에 따라 스로트(11) 부위의 면적(A_*)을 구할 수 있다. 또한 다음 수학식 3에 의해 원하는 마하수(가스의 속도/음속의 비)에 따른 노즐 출구(13)의 면적을 구할 수도 있다.

여기에서, A : 노즐출구의 면적(ft²)

Ma : 가스의 마하수(Mach number, 가스의 속도/음속 )

또한 다음 수학식 4를 이용하여 마하수에 따른 노즐 출구(13)에서의 가스의 압력을 구할 수 있는데, 이 수학식 4를 이용하여 출구(13)에서의 가스의 압력이 노즐(7)이 위치하고 있는 지점에서의 용강(5)에 의한 압력보다 더 높게 되도록 설정하여야 용강(5)이 노즐(7) 안으로 침투하여 노즐(7)을 막는 현상을 방지할 수 있다.

여기에서, P_o : 랜스 내의 가스압력

k : 비열비(공기 질소 등의 경우 1.4)

또한, 본 발명의 스로트(11) 부위와 노즐출구(13)의 단면적 비는 1.5 내지 9 이하로 하는 것이 바람직한데, 이는 그 비율이 1.5 미만일 때는 초음속을 얻기가 곤란한 반면, 9.0을 초과할 때는 기체의 공급 압력이 매우 높아져야 하므로 공업적으로 기체 질소의 압력을 얻기가 불리하기 때문이다. 아울러 도 3에 도시된 바와 같이 스로트(11)의 등직경 부위의 길이(l_t)를 내경(d_t)의 1.5배 길이까지 동일하게 유지함으로써 노즐(7)의 수명을 증가시킬 수도 있다. 그러나 이 때 스로트(11)의 등직경 부위 길이를 내경의 1.5배가 넘게 형성하려면 설계상의 어려움이 커지며, 질소가스가 노즐(7)의 스로트(11) 부위를 지날 때 압손의 증가로 인하여 속도가 현저히 감소된다. 그리고 노즐 입출구 선단(17)의 확장부위 확장각도(θ)는 3 내지 10°가 내외가 바람직한데, 이는 확장각도가 3° 미만일 때는 초음속을 얻지 못하게 되며, 반대로 10°를 초과할 때는 기체 흐름의 박리가 발생하여 토출유속이 저하되기 때문이다.

이제, 위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 랜스(3)를 이용하여 종래의 노즐과 본 발명의 노즐에서 가스를 분사할 때 가스의 유량을 변화시키면서 균일 혼합시간을 측정하는데, 이 때 가스는 랜스(3)에 연결한 질소 가스통(19)의 질소가스를 사용하며, 유량은 1에서 10Nl/min까지 변화시키면서 측정한다. 균일 혼합시간은 가스 취입이 개시된 지 5분 후 전해질 투입구(21)를 통하여 전해질을 투입하고, 전기전도도 센서(23)를 이용하여 전기전도도가 일정하게 되는 시간을 측정하여 이를 균일혼합시간으로 설정한다. 이 때 유량이 증가함에 따라 균일혼합시간은 도 5로 도시된 그래프와 같이 감소하게 되며, 본 발명의 벤추리형 노즐을 사용하게 되면 종래의 파이프형 노즐에 비해 균일혼합 시간을 약 20% 정도 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 노즐(7)과 종래의 노즐을 사용하여 300톤 토피도(1)에서 CaO계 탈황제(CaO 75 중량%, 형석 3.5중량%, 탄소 7중량%, 기타 연소손실량 14.5중량%)를 용선 1톤당 약 8㎏을 사용한 경우의 탈황 후 용선(5) 중 황의 농도를 비교하면, 도 6에 도시된 그래프와 같이 종래의 파이프 형 노즐의 경우 약 0.0036%의 농도를 나타내는 반면, 본 발명의 벤추리형 노즐을 사용하는 경우에는 약 0.0031%로 개선되는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐에 의하면, 벤추리형 노즐을 사용하게 되므로 음속의 가스 분사속도를 구현할 수 있게 되므로 용선 교반 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아닐, 노즐 출구 이후 일정 부위에서는 제트 현상을 발현시킬 수 있게 되어 탈황제의 용선 침투효율을 극대화시켜 적은 탈황제를 사용하고도 탈황효율의 개선을 기대할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 탈황 조업 설비를 모식적으로 도시한 개략도.

도 2는 도 1에 도시된 랜스 노즐의 상세 종단면도.

도 3은 본 발명에 따른 랜스 노즐이 적용된 탈황 조업 설비를 모식적으로 도시한 개략도.

도 4는 도 3에 도시된 랜스 노즐의 상세 종단면도.

도 5는 가스취입유량과 균일혼합시간의 관계를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 노즐에 의한 탈황조업 후의 평균 황농도를 종래와 비교하여 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1 : 운반용기(토피도) 3 : 랜스

5 : 용선 7 : 노즐

11 : 스로트 13 : 노즐 출구

15 : 노즐 입구 19 : 질소 가스통

21 : 전해질 투입구 23 : 전기전도도 센서

Claims (1)

1. 제강 설비의 용선 탈황공정에서 운반용기(1) 안에 수용된 용선(5) 속으로 랜스(3)로부터 취입되는 탈황제를 분사하는 랜스 노즐(7)에 있어서,

   동일한 내경(d_t)을 유지하는 스로트(11) 부위의 길이(l_t)가 상기 내경(d_t)의 1.5배 이하이며, 상기 스로트(11)와 노즐출구(13)의 단면적 비가 1.5 내지 9 이하로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탈황제 분사에 사용되는 벤추리형 랜스 노즐.