KR100568364B1

KR100568364B1 - 산소분사용 랜스노즐 냉각장치

Info

Publication number: KR100568364B1
Application number: KR1020010085541A
Authority: KR
Inventors: 최현수; 안상복; 유주열; 서왕열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2006-04-05
Also published as: KR20030055526A

Abstract

본 발명은 산소분사용 랜스노즐을 냉각하는 장치에 관한 것으로, 분사노즐을 구성하는 외관의 내경을 그 선단부를 향하여 감소시켜 일정부위 목부를 형성함으로써 냉각가스의 흐름을 초음속으로 하여 효율적으로 랜스노즐을 냉각할 수 있는 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

따라서 본 발명은, 산소를 분사하는 내관 및 그 내관과 동일한 중심축을 가지며 내관을 둘러싸고 있는 외관으로 구성된 산소분사용 랜스노즐이 진공조의 측벽에 장착되어 있는 용강정련장치를 이용하여 용강을 정련함에 있어서, 상기 외관을 통하여 냉각가스를 초음속으로 분사하기 위해 상기 외관은 상기 노즐의 선단부를 향하여 그 내경이 감소하다 일정부위 목부를 형성하고, 다시 그 내경이 확장하도록 구성되어 있음을 특징으로 하는 산소분사용 랜스노즐 냉각장치에 관한 것이다.

산소분사, 랜스노즐, 목부, 냉각가스, 초음속

Description

산소분사용 랜스노즐 냉각장치{Apparatus for Cooling the Lance Nozzle for Oxygen Blowing}

도 1은 통상적인 극저탄소강 용강제조장치의 구조도

도 2는 종래의 극저탄소강 용강제조장치에 장착된 랜스노즐의 단면도

도 3은 본 발명의 랜스노즐 단면도

도 4는 도 3의 A-A선 단면도

도 5는 본 발명의 랜스노즐 냉각을 측정하기 위한 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10, 11, 21...랜스노즐, 12...내관, 12a...내관의 외면

14, 24...외관, 14a, 24a...외관의 내면, 18, 28...목부,

28a...목부의 내면, M...용강

본 발명은 제강공정중 노외 정련공정에서 극저탄소강의 용강을 정련하는 장치에 사용되는 랜스 노즐의 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소분사용 랜스 노즐의 내관과 외관을 동일한 중심축을 갖도록 배치하고 내관의 외면과 외관 사이에 냉각가스가 흐르는 방향에서 일정부위 내경이 감소하다 목부를 형성하도록 함으로써 냉각가스를 초음속으로 분사하여 랜스 노즐의 냉각을 효율화할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 탄소함량이 70ppm 이하인 극저탄소강을 제조하는 방법으로는 전로로부터 미탈산 상태로 출강된 용강이 RH 진공 탈가스 장치에 도착하면 먼저 환류관(120)을 통해 용강(M)에 환류가스를 취입하고, 이어서 환류관을 레이들(140)의 용강에 침지시킴과 동시에 진공펌프(130)를 가동시켜 진공조(110) 내부를 수 내지 수십 토르(torr)로 감압시킨다. 이때, 레이들내 용강이 대기압력과 진공조 내부압력의 차이로 인하여 진공조 내부로 상승하게 되고 용강 탕면에서는 탈탄 반응이 진행된다. 탈탄 반응에 의하여 용강중 탄소함량이 감소되며 15 내지 25분 후 용강중 탄소함량은 70 내지 25ppm에 도달하게 된다.

일본 특허공개공보 (소)52-88215와 52-89513는 극저탄소강의 탈탄 시간을 단축하기 위하여 RH 진공조(110) 천장에 기체산소 취입용 랜스노즐을 설치하고 극저탄소강 탈탄중 이 랜스노즐을 통하여 진공조내 용강탕면에 기체산소를 고속으로 분사하는 장치에 관한 것으로서 그 재질이 구리(Cu)인 수냉식 랜스노즐를 사용하고 있다.

이 장치를 이용해 탈탄 처리를 하는 동안 아르곤 또는 기체산소를 고속으로 용강탕면에 분사시켜 극저탄소강의 탈탄 속도를 증가시키고 진공조 내부의 온도가 과잉으로 저하되는 것을 방지하기도 하는 것이다.

하지만, 이러한 과정에서 진공조의 내부온도가 800 내지 1200℃까지 상승함으로써 구리재질의 랜스가 국부적으로 파손 또는 용손되어 랜스 냉각수가 외부로 유출될 수 있고, 또 만일 냉각수가 유출되면 이는 진공조 내의 1600℃의 용강과 격렬하게 반응하여 진공조가 폭발할 수 있는 위험성을 갖고 있다.

대한민국 특허 제270125에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 RH진공조의 측벽에 도 2에 도시한 바와 같은 랜스노즐(11)을 설치하여 냉각수의 유출에 의한 위험을 제거하면서 초음속으로 산소를 분사하여 극저탄소강의 제조시 탈탄을 촉진하였다.

상기 노즐은 동일한 중심축(H)을 갖도록 배치된 내관(12)과 외관(14)으로 구성되어 있으며, 내관(12)의 외면(12a)과 외관(14)의 내면(14a)이 2 내지 4mm의 간격을 유지하도록 형성하여 이를 통하여 냉각가스를 분사한다. 냉각가스가 너무 많이 분사되면 진공도를 악화시키는 원인이 되고 냉각가스의 분사량이 모자라는 경우 용강으로부터 발산되는 열과 RH 진공조 내의 일산화탄소의 2차 연소 등에 의한 열에 의하여 노즐이 용손되는 경우가 있다. 만일 노즐이 용손되는 경우 최적의 산소 제트를 형성하지 못하기 때문에 기체산소가 용강으로 녹아 들어가는 효율이 저하되어 작업시간의 지연과 승온 효율의 감소를 초래하게 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명을 제안하게 되었으며, 본 발명은 극저탄소강 용강을 정련하는데 사용되는 산소분사용 랜스노즐을 냉각시킴에 있어 노즐 내관의 외면과 외관의 내면 사이에 일정한 목부를 형성하여 냉각가스의 양과 속도를 적절히 조절함으로써 노즐의 용손 문제점을 해결하도록 할 뿐 아니라 효율적인 냉각을 할 수 있는 산소분사용 랜스노즐냉각장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
산소를 분사하는 내관 및 그 내관과 동일한 중심축을 가지며 내관을 둘러싸고 있는 외관으로 구성된 산소분사용 랜스 노즐이 진공 조의 측벽에 장착되어 용강을 정련하는 장치에 있어서,
상기 외관을 통하여 냉각가스를 초음속으로 분사하기 위해 상기 외관은 상기 노즐의 선단을 향하여 그 내경이 감소하다 일정부위 목부를 형성한 후 다시 그 내경이 확장하도록 구성되고,
상기 목부에서 내관의 외면과 목부의 내면이 형성하는 단면적과 랜스노즐 선단에서 내관의 외면과 외관의 내면이 형성하는 단면적의 비가 1 대 1.5 내지 9.0임을 특징으로 하는 산소분사용 랜스노즐 냉각장치를 제공한다.

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이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 종래의 극저탄소강 용강제조장치에 장착된 랜스노즐의 단면도이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 종래의 랜스 노즐은 내관(12)을 통하여 산소를 분사하는 경우 가스가 팽창하면서 초음속으로 가스의 속도가 증가되는 과정에 가스의 온도가 급격히 내려가면서 내관을 충분히 냉각해주며 그 효과의 일부는 외관(14) 에까지 미칠 수 있다. 그러나, RH 처리중 내관을 통하여 산소를 분사하는 경우 분사시간은 약 3 내지 5분 정도이며 산소를 불지 않는 경우 내관으로 들어가는 가스 는 산소 분사시에 비해 약 10분의 1 이하로 줄기 때문에 초음속을 얻을 수 없다.

이에 따라 가스가 팽창하면서 온도가 떨어지는 효과를 얻을 수 없으며, 내외관의 냉각은 단순히 각각의 관에 흐르는 가스와 관의 온도차 및 표면에서의 열전달 계수 등에 따라 결정될 것이다.

또한, 산소를 분사하지 않는 경우 냉각가스를 산소와 같이 많은 양을 분사하면 진공조내 진공을 저하하여 탈탄속도가 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 산소를 분사하지 않는 동안은 약간의 냉각가스를 불어 노즐을 냉각시킬 수밖에 없다.

노즐 표면에서의 가스로의 열전달량은 아래의 수식으로 표시할 수 있다.

[수학식 1]

Q = h(T_w- T_g)

여기서, Q: 열량

h: 노즐 표면에서의 열전달 계수

Tw: 파이프 표면의 온도

Tg: 냉각가스의 온도

따라서, 종래의 노즐의 경우 내관(12)의 외면(12a)과 외관(14) 사이로 흐르는 불활성 가스(질소 혹은 아르곤)에 의하여 외관이 냉각되는 정도는 상기 식 1로서 표시할 수 있다.

따라서 본 발명은, 극저탄소강용 용강을 정련시, 진공조의 측벽에 장착된 산소분사용 랜스노즐의 구조를 개량하여 보다 효과적으로 랜스노즐의 내관을 냉각제어할 수 있는 냉각장치를 제공함을 그 특징으로 한다.

즉 본 발명에서는, 산소를 분사하는 내관과 상기 내관과 동일한 중심축을 가지며 그 내관을 둘러싸고 있는 외관으로 구성된 산소분사용 랜스노즐이 진공조의 측벽에 장착되어 있는 용강정련장치를 이용하여 용강을 정련하는 조업시, 상기 외관을 통하여 냉각가스가 초음속으로 분사되도록 노즐구성중 외관의 구성을 개량하여 제공한다. 다시 말하면, 본 발명에서 산소를 분사하는 내관을 냉각하는 외관은, 그 노즐의 선단부를 향하여 그 내경이 감소하다 일정부위 목부를 형성하고, 다시 그 내경이 확장되어 출구에서 최대내경이 되도록 구성되어 있는 것이다.

가스가 초음속이상 가속될 때의 Ma(마하수)와 가스온도와의 관계는 아래의 수식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, To: 가스의 초기온도

T: 가스의 온도

Ma: 마하수(음속의 배수)

k: 비열비 (공기 등의 경우 1.4)

식 2에서 알 수 있듯이 Ma수가 1을 넘어서면 우측항은 1이상이 되며, 이에 따라 가스의 온도(T)는 초기의 가스온도(To)보다 낮아지게 된다. 따라서, 상기 식 1에서 냉각가스의 온도(Tg)가 떨어짐에 따라 파이프의 표면과 가스의 온도차이가 더욱 커지게 되며, 또한 가스의 속도가 증가함에 따라 표면에서의 열전달 상수(h) 값도 더 커지게 되어 열전달량이 증가하게 된다.

본 발명에서 노즐 냉각을 향상시키기 위하여 냉각가스도 초음속으로 분사하는 랜스노즐(21)은, 도 3에 도시된 바와 같이 동일한 중심축(H)을 갖는 내관(12)과 외관(24)으로 구성되고, 이 내관의 외면(12a)과 외관 목부(28)의 내면(28a)이 0.5내지 2.0mm의 간격을 유지하도록 형성시킨다. 0.5mm 이하인 경우에는 단면적이 작아서 목표로 하는 냉각가스의 양을 분사할 수 없는 반면 2.0mm를 초과하는 경우에는 단면적이 증가되어 냉각가스 유량을 많이 사용해야 되므로 진공도를 악화시키는 원인이 되어 0.5 내지 2.0mm로 하는 것이 바람직하다.

또한, 내관(12)의 외면(12a)과 외관(24)의 목부(28) 내면(28a)이 형성하는 단면적과 노즐선단(21a)에서의 내관 외면과 외관 내면이 형성하는 단면적의 비는 1 대 1.5내지 9.0으로 하는 것이 바람직한데, 이는 그 비율이 1.5 미만에서는 초음속을 얻기 곤란하고 9.0을 초과하는 경우에는 기체의 공급압력이 매우 높아야 하는데 공업적으로 그러한 기체산소의 압력을 얻기가 곤란하기 때문이다.

그리고, 랜스노즐 선단(21a)의 각도(θ4)는 3 내지 10이 바람직한데, 이는 3도 미만에서는 초음속을 얻지 못하고 10도를 초과하는 경우에는 기체 흐름의 박리가 발생하여 토출 유속이 저하되기 때문이다.

한편, 랜스노즐을 제작함에 있어서 내관(12)과 외관(24)이 동일한 중심축을 갖게 하면서도 목부(28)를 동일하게 제작하는 어려움을 해결하기 위하여 목부에 두께 0.5mm, 높이는 외관 내부의 목부(28)와 내관(12)의 차이에 해당하는 스페이서(25)를 제작하여 3내지 4개 부착하였다. 육각기동 모양의 스페이서(25)가 2개 이하인 경우 내외관이 정확히 동일한 중심축을 갖게 하기 어려우며, 5개 이상인 경우 냉각가스의 흐름을 방해하게 되므로 제작의 편의성과 냉각가스의 흐름을 고려할 때 3 내지 4개가 적당하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

내관(12)의 외경이 48mm이고 냉각가스를 50~80Nm³/hr 정도 사용하여 내관의 외면(12a)과 외관(24)의 내면(24a) 사이로 초음속으로 냉각가스가 지나갈 수 있게 R3를 49mm, R4를 54mm로 설계한 경우에 계산된 냉각가스의 속도와 온도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

[표1]

상기 가스온도는 초음속으로 지나가는 가스의 온도를 나타내며, 이는 종래의 노즐로 분사되는 냉각가스의 온도(300K)에 비하여 약 220K 이상 낮은 값을 나타냄을 알 수 있다.

(실시예 2)

도 5는 본 발명의 랜스노즐 주위를 가열하면서 불활성 냉각가스를 50Nm³/hr 로 분사하고, 외관(24) 바깥에 열전대(30)를 설치하여 온도를 측정하기 위한 개략도이다. 동일한 온도장치(29)를 이용하여 측정한 결과 종래의 랜스노즐은 약 512^oC를 나타낸 반면, 본 발명예를 사용한 경우 약 410^oC로서 약 100^oC 정도의 온도 강하 효과를 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 산소분사용 랜스노즐의 내관 외면과 외관 사이에 가스가 흐르는 방향으로 일정부위 내경이 감소하는 목부를 형성함으로써 냉각가스를 초음속으로 흐르게 하여, 랜스노즐의 냉각을 효율적으로 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

산소를 분사하는 내관(12) 및 그 내관과 동일한 중심축을 가지며 내관을 둘러싸고 있는 외관(24)으로 구성된 산소분사용 랜스 노즐(21)이 진공 조(110)의 측벽에 장착되어 용강을 정련하는 장치에 있어서,

상기 외관(24)을 통하여 냉각가스를 초음속으로 분사하기 위해 상기 외관은 상기 노즐의 선단(21a)을 향하여 그 내경이 감소하다 일정부위 목부(28)를 형성한 후 다시 그 내경이 확장하도록 구성되고,

상기 목부(28)에서 내관의 외면과 목부의 내면이 형성하는 단면적과 랜스노즐 선단(21a)에서 내관의 외면과 외관의 내면(24a)이 형성하는 단면적의 비가 1 대 1.5 내지 9.0임을 특징으로 하는 산소분사용 랜스노즐 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 내관의 외면(12a)과 목부의 내면(28a)이 0.5 내지 2.0mm의 간격이 유지되도록 함을 특징으로 하는 산소분사용 랜스노즐 냉각장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 랜스노즐 선단(21a)의 각도(θ4)는 3 내지 10도임을 특징으로 하는 산소분사용 랜스노즐 냉각장치.