KR100640706B1 - 건식야금 반응기 냉각 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동 채널을 구비하는 건식야금 반응기 냉각 부재를 연속 주조로 제조하는 방법에 관한 것이다. 열전달 능력을 향상시키기 위해, 통상적으로 원형 또는 타원형 단면인 유동 채널의 벽의 표면적이 유동 채널의 직경 또는 길이를 증가시키지 않고서 증가된다. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 부재에 관한 것이다.
냉각 부재

Description

건식야금 반응기 냉각 부재 및 그 제조 방법{PYROMETALLURGICAL REACTOR COOLING ELEMENT AND ITS MANUFACTURE}
본 발명은 1 이상의 유동 채널을 갖는 건식야금 반응기용 냉각 부재를 연속 주조, 즉 슬립 주조로 제조하는 방법에 관한 것이다. 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키기 위해, 유동 채널의 직경 또는 길이를 증가시키지 않고 유동 채널 벽의 표면적이 원형 또는 타원형 단면에 대해 증가된다. 또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 냉각 부재에 관한 것이다.
건식야금 공정에서 반응기의 내열성 물질은 수냉식 냉각 부재에 의해 보호되고, 냉각의 결과로서, 내열성 표면으로 유입되는 열은 냉각 부재를 거쳐서 물로 전달되며, 이로 인해, 냉각되지 않은 반응기와 비교할 때 라이닝상의 마모가 현저하게 감소된다. 냉각의 효과에 의해 마모가 감소되고 소위 자연발생적 라이닝이 형성되며, 이 라이닝은, 내열성 라이닝의 표면에 고정되고, 용융상 (molten phase) 으로부터 침전되는 슬래그 및 다른 물질들로부터 형성된다.
통상적으로, 냉각 부재는 2 가지 방법으로 제조된다. 주로 사용되는 한 제조 방법으로, 사형 주조로써 냉각 부재를 제조하는 방법이 있는데, 이 사형 주조에서, 구리와 같은 높은 열전도성 재료로 제조된 냉각 파이프는 모래로 형성된 몰드내에 배치되고, 이 파이프 주위로 주조되는 동안 공기 또는 물로써 냉각된다. 파이프 주위로 주조된 냉각 부재 또한 높은 열전도성 재료, 바람직하게는 구리로 되어 있다. 이러한 종류의 제조 방법은 예컨대 영국특허 제 1386645 호에 설명되어 있다. 이러한 방법의 한가지 문제점은 냉각채널로서 작용하는 파이프에 이 파이프 주위의 주조 재료가 고르지 않게 부착된다는 점이며, 이로 인해, 몇몇 파이프에는 그 주위로 주조된 냉각 부재가 완전히 없을 수도 있으며, 또한 파이프의 일부가 완전히 용융되어 손상될 수도 있다. 만일 냉각 파이프와 이 파이프 주위의 주조 냉각 부재의 나머지 사이에 금속 결합이 형성되지 않으면 열전달은 효율적이지 않을 것이다. 만일 파이프가 완전히 용융되면, 냉각수의 유동이 방해를 받게 될 것이다. 파이프와 주조 재료 사이에 형성되는 금속결합을 향상시키도록, 예컨대 인을 구리와 혼합함으로써 주조 재료의 주조성을 향상시킬 수 있지만, 이 경우에 구리의 열전달성 (열전도도) 은 소량의 첨가에도 현저하게 떨어진다. 이 방법에 있어서 언급할만한 가치가 있는 한가지 장점은 비교적 낮은 제조 비용과, 치수의 한정을 받지 않는다는 점이다.
다른 제조방법으로는, 채널 형상의 유리관을 냉각 부재 몰드내로 배치하고 냉각 부재 내부에 채널을 형성하도록 주조한 후에 상기 유리관을 파괴하는 방법이 이용된다.
미국특허 제 4,382,585 호에는, 냉각 부재를 제조하는데 있어서 훨씬 많이 이용되는 다른 방법이 개시되어 있는데, 이 방법에 따르면, 예컨대 압연된 구리 플레이트로부터 그 내부에 필요한 채널을 가공하여 냉각 부재를 제조한다. 이 방법으로 제조된 냉각 부재의 장점은, 냉각 부재의 조밀성, 강한 구조, 및 냉각 부재로부터 물과 같은 냉각 매체로의 양호한 열전달을 갖는다는 점이다. 이 방법의 단점은 치수적 한정(크기)이 존재하고, 비용이 많이 든다는 점이다.
종래 기술에서 널리 알려진 방법은, 연속 주조, 즉 슬립 주조로 맨드릴을 사용하여 중공형 형상 (profile) 을 주조함으로써 건식야금 반응기용 냉각 부재를 제조하는 것이었다. 상기 냉각 부재는 구리와 같은 열전도성이 높은 금속으로 제조된다. 이 방법의 장점은, 조밀한 주조 조직 및 양질의 표면을 얻을 수 있고, 또한 주조된 냉각 채널이 냉각 부재로부터 냉각 매체로 양호한 열전달을 제공한다는 점이며, 따라서 열전달을 방해하는 어떠한 작용도 일어나지 않으며, 오히려 반응기로부터 냉각 부재로 유입되는 열이, 임의의 과도한 열전달 저항 없이 채널의 표면 및 냉각수로 직접 전달된다. 냉각 채널의 단면은 대체로 원형 또는 타원형이며, 맨드릴은 매끄러운 표면을 갖는다. 이러한 유형의 냉각 채널이 미국특허 제 5,772,955 호에 개시되어 있다.
그러나, 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키기 위해서는 냉각 부재의 열전달 표면적을 증가시키는 것이 바람직하다. 이는, 하기에 설명하는 것처럼, 본 발명에 따라 유동 채널의 직경을 확대하거나 길이를 늘리지 않고서 유동 채널 벽의 표면적을 증가시킴으로써 이루어진다. 냉각 부재 유동 채널의 벽의 표면적은, 주조하는 동안 이 채널 벽에 홈을 형성함으로써 또는 주조 후에 채널에 홈이나 나사산을 가공함으로써 증가되고, 채널의 단면은 본질적으로 원형 또는 타원형으로 유지된다. 이러한 결과로서, 동일한 열량에 대해 물과 냉각 채널 벽 사이에 요구되는 온도차를 보다 작게 할 수 있고, 요구되는 냉각 부재의 온도 또한 더 낮출 수 있다. 또한 본 발명은 이러한 방법에 의해 제조된 냉각 부재에 관한 것이다. 본 발명의 주요 특징들은 첨부된 청구항에서 명백해질 것이다.
열을 수용하는 냉각 부재의 능력은 다음 식을 통해 표현될 수 있다.
Q = α×A ×ΔT, 여기에서
Q = 전달되는 열량 [W]
α= 유동 채널 벽과 물 사이의 열전달 계수 [W/Km2]
A = 열전달 표면적 [m2]
ΔT = 유동 채널 벽과 물 사이의 온도차 [K]
열전달 계수는 다음 식을 통해 이론적으로 결정될 수 있다.
Nu = αD/λ
λ= 물의 열전도도 [W/mK]
D = 수력직경 [m]
또는 Nu = 0.023 ×Re^0.8Pr^0.4, 여기에서
Re = wDρ/η
w = 속력 [m/s]
D = 채널의 수력직경 [m]
ρ= 물의 밀도 [kg/m3]
η= 동점성 계수
Pr = 프란틀 수 []
그래서, 상기 식에 따르면, 온도차, 열전달 계수, 또는 열전달 표면적에 영향을 주어 냉각 부재에서 전달되는 열량에 영향을 줄 수 있다.
벽과 관 사이의 온도차는, 물이 100℃ 에서 비등하고 이때에 보통 압력에서의 열전달성이 비등으로 인해 현저히 악화된다는 사실에 의해 한정된다. 실제로는, 유동 채널 벽의 온도를 가능한 낮게하는 것이 보다 유리하다.
열전달 계수는 주로, 유속을 변화시킴으로써, 즉 레이놀즈 수 (Reynolds number) 에 영향을 줌으로써 영향을 받을 수 있다. 그러나, 이러한 방법은, 유량이 증가함에 따라 관에서의 압력 손실이 증가하게 되어 냉각수의 펌핑 비용이 증가되고, 특정 한계를 초과하게 되면 펌프 투자 비용이 또한 현저하게 증가하게 된다는 사실에 의해 제한된다.
종래의 해결책에 따르면, 냉각 채널의 직경 및/또는 길이를 증가시킴으로써 열전달 표면적에 영향을 줄 수 있다. 냉각 채널 직경을 경제적으로 실시가능한 방식으로는 무제한 증가시킬 수 없는데, 그 이유는 채널 직경을 증가시킴으로써 일정 유량을 달성하는데 요구되는 물의 양이 증가될 뿐만 아니라 펌핑에 요구되는 에너지가 증가되기 때문이다. 다른 한편으로, 채널 직경은 냉각 채널의 물리적인 크기에 의해 한정되는데, 그 이유는 투자 비용을 최소화하도록 냉각 채널을 가능한 한 소형 및 경량으로 제조하는 것이 바람직하기 때문이다. 길이를 한정하는 다른 요인은 냉각 부재 자체의 물리적 크기, 즉 주어진 영역에 설치되는 냉각 채널의 수량이다.
본 명세서에 개시된 냉각 부재의 열전달 표면적을 증가시키는 것이 바람직한 경우에, 동일한 유동 단면적 (동일한 물의 양에 대해 동일한 유량이 달성된다) 에 대해 유동 채널의 단위 길이당 계산된 보다 큰 열전달 표면적을 달성하도록 슬립 주조 냉각 부재 유동 채널의 벽 형상을 변화시킴으로써, 이러한 열전달 표면적의 증가가 이루어진다. 이러한 열전달 표면적의 증가는 예컨대, 다음의 수단을 통해 달성된다.
- 주조하는 동안 본질적으로 원형 단면인 1 이상의 유동 채널을 슬립 주조 냉각 부재내에 형성하고, 주조후에 상기 유동 채널내에 나사산을 가공한다.
- 슬립 주조하는 동안 본질적으로 원형 단면인 1 이상의 유동 채널을 주조되는 냉각 부재내에 형성하고, 주조 후에 상기 유동 채널내에 강선형 (rifle-like) 홈을 가공한다. 이러한 홈은 유동 채널을 통해 빼내지는 소위 팽창 맨드릴을 사용하여 유리하게 형성될 수 있다. 홈가공은 예컨대 일단부가 폐쇄된 구멍에서도 실시될 수 있는데, 이 경우 맨드릴을 외측으로 빼내게 된다. 양단부가 개방된 채널내의 구멍은 이 채널을 통해 전용 공구를 밀어넣거나 빼냄으로써 만들어진다.
- 표면적을 가장 유리하게 증가시키는 방법은, 주조하는 동안 홈을 갖는 전용 주조 맨드릴을 사용하여 냉각 부재에 하나 또는 여러개의 홈을 갖는, 바람직하게는 직선형 홈을 갖는 유동채널을 형성하는 것이다. 이러한 홈가공에도 불구하고 유동 채널의 형상은 여전히 본질적으로 원형 또는 타원형 단면을 갖는다. 이러한 방법을 이용함으로써 주조 후의 기계적 가공 단계를 회피할 수 있다.
상술된 모든 방법들에 있어서, 주조 방향에 대하여 횡방향인 채널 부분이 유동 채널에 존재한다면, 이들 부분은 예컨대 드릴링과 같은 가공에 의해 기계적으로 형성되고 채널에 속하지 않는 구멍은 막혀진다는 것은 명백하다.
본 발명에서 설명된, 열전달 표면적을 증가시키는 방법의 장점을 다음의 실시예를 통해 종래 기술의 방법과 비교하였다. 본 발명을 예시하기 위해 실시예와 함께 도면이 제공된다.
도 1 은 시험시에 사용된 냉각 부재를 나타내는 도면.
도 2 는 시험 냉각 부재의 단면 형상을 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3d 는 용융물 온도의 함수로서 상이한 측정 지점에서 냉각 부재 내의 온도를 나타내는 도면.
도 4 는 용융물 온도의 함수로서 얻어진 측정값으로부터 계산된 열전달 계수를 나타내는 도면.
도 5 는 정규화된 냉각 부재의 경우에 상이한 냉각 레벨에 따라 냉각수 및 채널벽의 온도차를 나타내는 도면.
본 발명에 따른 냉각 부재를 실제적으로 시험하였으며, 이 시험에서 상기 냉각 부재 A, B, C, 및 D 의 저부를 약 1 cm 깊이의 용융납에 침지시켰다. 냉각 부재 A 의 유동 채널은 종래의 매끄러운 표면을 가지며, 이 냉각 부재는 비교 측정을 위해 사용되었다. 이 시험에서, 냉각수를 냉각 부재로 공급하기 전과 후 양자에 있어서, 냉각수의 양 및 온도를 주의깊게 측정하였다. 용융납의 온도 및 냉각 부재 자체의 내부의 온도 또한 상이한 7 개의 측정 지점에서 주의깊게 측정하였다.
도 1 에는, 시험에 사용된 냉각 부재 (1) 와 이 냉각 부재 내부의 유동 채널 (2) 이 도시되어 있다. 냉각 부재의 치수는, 높이 300 mm, 폭 400 mm, 및 두께 75 mm 였다. 도 1 에 도시된 것처럼 냉각관 또는 유동 채널은 냉각 부재내에 위치해 있으며, 도면에서 관의 수평 부분의 중심은 냉각 부재의 저부로부터 87 mm 떨어져 있고 각 수직 부분은 플레이트의 가장자리로부터 50 mm 떨어져 있다. 관의 수평 부분은 드릴링에 의해 형성되고, 수평 개구부의 일단부는 막혀있다 (자세히 도시되지 않음). 도 1 에는 또한 온도 측정 지점 T1-T7 의 위치가 도시되어 있다. 도 2 에는 냉각 채널의 표면 형상이 도시되어 있으며, 표 1 에는, 상대적인 열전달 표면적뿐만 아니라, 시험 냉각 부재 채널의 치수와, 단위 미터당 계산된 열전달 표면적이 나타나 있다.
표 1
직경 mm 유동 단면적 mm2 열전달표면적/1m m2/1m 상대적인 열전달표면적
A 21.0 346 0.066 1.00
B 23.0 415 0.095 1.44
C 23.0 484 0.127 1.92
D 20.5 485 0.144 2.18
도 3a 내지 도 3d 에는, 모든 냉각수 유량에서 냉각 부재 A 로부터 취한 기준 측정값보다 냉각 부재 B, C, 및 D 의 온도가 더 낮음이 명시되어 있다. 그 러나, 이 시험 냉각 부재들의 유동 단면은 기술적인 제조상의 이유로 인해 상이한 치수로 제조되어야 하기 때문에, 도 3a 내지 도 3d 의 결과로부터 열전달 효율을 직접적으로 비교할 수 없다. 그래서, 시험 결과는 다음과 같이 정규화된다.
2 지점간의 정상 열전달은 다음 식으로 기술될 수 있다.
Q = S ×λ×(T1-T2) , 여기에서
Q = 2 지점간에 전달되는 열량 [W]
S = 형상 인자 (기하학적 형상에 의존함) [m]
λ= 매체의 열전도도 [W/mK]
T1 = 지점 1 의 온도 [K]
T2 = 지점 2 의 온도 [K]
상기 식을 시험 결과에 적용하여, 다음의 양들을 얻는다.
Q = 냉각수로 전달된 측정 열출력
λ= 구리의 열전도도 [W/mK]
T1 = 시험으로부터 계산된 냉각 부재 저부의 온도 [K]
T2 = 시험으로부터 계산된 물채널 벽의 온도 [K]
S = 반무한 부재에 매설된 유한 원통(길이 L, 직경 D)의 형상 인자이며, 원통의 중심선으로부터 측정된 침지 깊이를 z [m] 라고 할 때 이 z 가 1.5D 보다 큰 경우, 식 S = 2πL/ln(4z/D) 에 의해 형상 인자가 결정될 수 있다.
이런 방법으로 결정된 열전달 계수가 도 4 에 도시되어 있다. 다변량 분 석에 의해, 열전달 계수와, 물로 전달되는 열량뿐만 아니라 물의 유량 사이에 매우 양호한 상관관계를 얻는다. 각 냉각 부재에서의 회귀식 열전달 계수가 표 2 에 표시되어 있다.
예컨대, α[W/m2K] = c + a ×v[m/s] + b ×Q[kW] 이다.
표 2
c a b r2
A 4078.6 1478.1 110.1 0.99
B 3865.8 1287.2 91.6 0.99
C 2448.9 1402.1 151.2 0.99
D 2056.5 2612.6 179.7 0.96
이 결과를 비교가능하게 하기 위해 유동 채널의 단면적을 정규화하여, 물의 유동량을 동일한 유량에 대응시켰다. 이 유동량 (flow amount) 및 유량에 따라 정규화된 유동 채널 치수 및 열전달 표면적이 표 3 에 표시되어 있다. 표 3 에서 A', B', C', 및 D' 경우별로 주어진 치수와, 상술된 방법으로 결정된 열전달 계수를 사용하여, 유동량에 대하여 정규화된 경우의 벽과 물 사이의 온도차를, 물의 유량의 함수로서 5, 10, 20, 및 30 kW 열량에 대해 식 ΔT = Q / (α×A) 를 통해 계산하였다.
표 3
직경 mm 유동 단면적 mm2 열전달 표면적/1m m2/1m 상대적인 열전달 표면적
A' 21.0 346 0.066 1.00
B' 21.0 346 0.087 1.32
C' 19.2 346 0.120 1.82
D' 15.7 346 0.129 1.95
그 결과가 도 5 에 도시되어 있다. 이 도면에는 본 발명에 따라 제조된 모든 냉각 부재가, 물과 냉각 채널 벽 사이의 온도차가 보다 작더라도 일정한 열전달량을 얻는다는 것이 나타나 있으며, 이는 본 방법의 효과를 예증하는 것이다. 예컨대, 30 kW 의 냉각출력 및 3 m/s 유량의 물에서, 상이한 경우별로 벽과 물 사이의 온도차는 다음과 같다.
표 4
ΔT [K] 상대적인 ΔT [%]
A' 38 100
B' 33 85
C' 22 58
D' 24 61
이 결과를 열전달 면적과 비교할 때, 동일한 열량을 전달하는데 필요한 벽과 물 사이의 온도차가 상대적인 열전달 표면적에 반비례함을 확인하였다. 이는, 본 발명에서 설명된 표면적의 변화가 열전달 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

Claims (13)

  1. 열전도성이 높은 금속으로부터 슬립 주조식으로 제조되고 주조시 원형 또는 타원형 단면의 1 이상의 냉각수 유동 채널이 형성되는 건식야금 반응기 냉각 부재를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 냉각 부재의 열전달 능력을 향상시키기 위해, 상기 유동 채널의 직경 또는 길이를 증가시키지 않고서, 주조시에 홈을 갖는 맨드릴로써 유동 채널내에 홈을 형성하거나, 주조후에 나사산 또는 강선형 홈을 가공하여, 상기 냉각 부재 내부의 유동 채널 벽의 표면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 강선형 홈은 팽창 맨드릴에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열전도성이 높은 금속은 구리인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 열전도성이 높은 금속으로부터 슬립 주조식으로 제조되고 원형 또는 타원형 단면의 1 이상의 냉각수 유동 채널을 구비하는 건식야금 반응기 냉각 부재에 있어서,
    유동 채널의 직경을 확장하거나 채널의 길이를 늘리지 않고서, 주조시 유동 채널내에 형성된 홈, 주조후에 유동 채널 내부에 가공되는 나사산 또는 강선형 홈에 의해, 유동 채널 벽의 표면적이 증가되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서, 원형 또는 타원형 단면인 유동 채널의 홈은 직선형 홈인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 강선형 홈은 팽창 맨드릴에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 구리로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
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