KR100826963B1 - 고로 노심온도 관리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로(blast furnace)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고로 노심의 온도를 승온시켜 통기성 및 통액성을 양호하게 유지하며 노심 냉각 및 출선 지연을 사전에 방지하여 안정적인 고로 조업을 수행하도록 하기 위한 고로 풍구로 인입되는 열풍의 인입 조건을 제어하는 방법에 관한 것이다.

고로, 열풍, 풍구, 용융물, 연소대, 노심

Description

고로 노심온도 관리 방법{Control method of deadman coke temperature in blast furnace}

도 1은 고로 하부의 충진 구조를 보여주는 도면.

도 2는 송풍 각도 조정에 따른 가스 침투 깊이의 변화를 보여주는 개념도.

도 3은 본 발명에서 채용한 노하부 가스 유동 시뮬레이터의 개략도.

도 4는 본 발명에 따라 측정된 유속 측정구 최하단 레벨에서의 가스 유속 분포를 보여주는 그래프.

도 5는 본 발명에 따라 측정된 송풍 각도에 따른 가스의 평균 유속 변화를 보여주는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고로 2 : 풍구

3 : 연소대 4 : 연소대 심도

5 : 노심(노심 코크스층) 6 : 융착대

7 : 출선구 8 : 코크스

9 : 철광석 10 : 이동층

11 : 슬래그 12 : 용선

2' : 시뮬레이터 풍구 7' : 시뮬레이터 출선구

13' : 시뮬레이터 유속 측정구

본 발명은 고로(blast furnace)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고로 노심의 온도를 승온시켜 통기성 및 통액성을 양호하게 유지하며 노심 냉각 및 출선 지연을 사전에 방지하여 안정적인 고로 조업을 수행하도록 하기 위한 고로 풍구로 인입되는 열풍의 인입 조건을 제어하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고로는 노정에서 장입된 철광석을 하부의 풍구를 통해 공급되는 열풍으로 반응시켜 용선을 생산하는 고온 고압의 반응기이다.

도 1은 고로(1) 하부의 내부 구조를 나타낸 것으로서, 풍구(2)를 통해 인입된 약 1,200℃, 5기압의 열풍은 풍구 선단에서 공동을 형성하며 환원 가스를 발생시키는 데, 이 연소 공간을 연소대(3), 풍구 선단으로부터 연소대 경계부까지의 수평 거리를 연소대 심도(4)라 한다. 이 연소대(3)는 고로(1)에의 열과 가스 공급을 지배하는 반응장으로서 조업에서 중요하게 관리되고 있는 인자이다. 그리고, 연소대(3)보다 더 노 중심쪽으로 위치한 코크스 충진층을 노심 코크스층 또는 노심(5)이라 칭하고 있다.

고로 내부의 융착대(6)에서 용융되어 적하하는 슬래그(11) 및 용선(12)과 같은 용융물은 코크스 충진층을 통과하여 출선구(7)로 배출되게 된다. 만약, 노심 코크스층(5)의 온도가 낮게 되면, 적하 용융물(11, 12)의 유동성이 저하되어 충진층 사이에 체류되는 비율이 높아져 결국 출선이 지체되며, 상승 가스류가 원활하게 통과하지 못하게 되어 압손이 커지게 된다. 또한, 미환원 광석의 낙하 또는 냉각반 파손에 의한 침수와 같은 돌발적 상황 발생시, 노심 온도가 충분히 높지 못할 경우에는, 냉입과 같은 큰 사고로 연결되기 쉽다. 따라서, 안정적인 고로 조업을 수행하기 위해서는 노심 온도를 고온으로 관리하는 것이 매우 중요하다.

실조업에서 노심 코크스층(5)의 온도를 높이기 위한 방법의 일환으로 송풍 유속을 증가시키는 방법이 사용되기도 하며, 이 방법은 송풍 에너지 증가에 의해 연소대 심도(4)를 증가시켜 노심(5)까지의 전열량을 늘리려는 목적으로 사용된다. 그러나, 이 방법은 풍구 레벨 코크스의 강도가 충분히 커서 증가된 송풍 에너지를 견딜만한 경우에는 효과가 있지만, 그렇지 못한 경우에는 오히려 코크스의 선회 운동 활성화에 의한 코크스 분화를 촉진시켜 분코크스의 발생량을 증가시킨다. 따라서, 원래의 의도와는 반대로 고온 가스의 통과를 어렵게 하여 노심 온도를 저하시키는 결과를 초래한다(Tetsu to Hagane-Journal of the Iron and Steel Institute of Japan, 72(1986), 23).

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 코크스의 품질을 고급화하여야 하는데, 이것은 코크스 제조시의 원가 상승을 유발시켜 경제성을 떨어뜨리므로, 코크스의 품질이 현재와 동일한 조건에서 노심 온도를 높일 수 있는 방안이 필요된다.

이와 같은 맥락에서, 일본국 특허공개 2000-192122호(명칭 : 고로에 있어서 보조 연료 흡입 풍구 구조)를 살펴 보면, 풍구 내면의 형태를 수축-확대형으로 개조하여 이 수축-확대부의 내경 비율을 조정함에 의해 연소대 형상 제어 및 압손을 저하시킬 수 있는 방법이 보고되어 있다.

그러나, 이 방법은 새로운 시도이기는 하지만 연소대 심도 증가의 효과는 미미하고, 풍구 형상이 복잡하여 제조가 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 장입 코크스의 성상이 현재와 동일한 조건에서, 통기 및 통액성을 향상시키고, 미환원 광석의 낙하 등과 같은 돌발 상황에 의한 노심 냉각 및 출선 지연 가능성을 제거하여, 안정적인 고로 조업을 수행하도록 하기 위한 고로 풍구로 인입되는 열풍의 인입 조건을 제어하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고로 노심온도 관리 방법은, 열풍로에서 이송된 열풍이 인입되는 풍구가 노하부에 구비된 고로에 있어서, 노심으로의 전열량을 증대시켜 노심온도를 1200℃보다 높게 유지하지 위해, 상기 풍구로 인입되는 열풍의 인입 각도를 수평면을 기준으로 해서 노의 중심부쪽으로 하향되게 20∼30˚범위로 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

열풍로에서 제조된 약 1,200℃의 열풍은 환상관, 송풍지관을 통해 이송되며, 최종적으로 내경 120∼140㎜, 길이 약 450㎜인 풍구(tuyere nozzle)(2)라고 불리우 는 동주물 제품을 통과하여, 고로(blast furnace)(1) 내부로 인입된다.

이 풍구(2)의 선단부를 통과하는 열풍의 속도를 풍구 유속(또는, 송풍 유속)이라 하며, 대개 230∼260m/s 범위로 관리되고 있다.

현재 풍구(2)는 약 5˚정도 노 중심부쪽으로 하향되게 설치되어 있으며, 만약 이러한 풍구의 인입 각도 조정에 의해 열풍의 주 흐름을 좀 더 노 중심쪽으로 이동시킬 수 있다면, 고온 가스의 전열량 증가에 의해 노심(5) 온도를 고온으로 유지할 수 있을 것이다.

따라서, 인입되는 열풍의 제어에 의해 노심 온도의 증가를 유도할 수 있는 조건을 도출할 필요가 있다.

본 발명에서는 송풍 공기의 인입 각도 변경에 따른 노내 상황을 노하부 가스유동 시뮬레이터(simulator)에서 분석하여 적정 가스 인입 조건을 도출함으로써, 실조업에서 안정적인 고로 조업을 수행하도록 하는데 목적을 가진다.

도 2는 열풍의 인입 경사각 조정에 의한 가스 침투 깊이의 변화를 나타내는 모식도이다.

(a)와 (b)의 풍구(2) 경사각은 각각 θ₁, θ₂이며, (b)의 경사각이 (a)의 경사각보다 큰(θ₁ < θ₂) 조건이다.

풍구(2)로부터 시작된 곡선은 열풍의 주 흐름(main stream)을 나타내는데, 도면에서 볼 수 있듯이, 열풍은 풍구(2)의 경사각에 의해 약간 아래쪽으로 이동하다가 어느 최소점을 지난 후 고로 상하부에 걸린 압력차에 의해 상부로 올라가는 포물선 궤적을 그리게 된다. 이 때, 열풍의 인입 경사각이 더 커지면 최소점까지 도달하는 시간이 길어지게 되므로, 가스가 수평 방향으로 도달하는 거리가 커지게 된다. 따라서 가스의 하부 및 노 중심쪽으로의 침투 깊이가 깊어져서 노심 온도 승온에 유리하게 작용할 것이다. 이것은 물체를 가장 멀리 던지기 위해서는 상방 45˚각도로 던져야 하는 물리 법칙과 같은 원리이다.

도 3은 본 발명에 따라 상기 도 2에서 보인 개념을 실증하기 위해 제작된 2차원 노하부 가스 유동 모사 시뮬레이터(simulator)의 개략도이다.

이 실험 장치의 크기는 통상적인 고로의 약 1/20로서, 용기는 아크릴로 제작되어 밖에서 관찰이 가능하도록 하였으며, 코크스를 5∼10㎜으로 정립하여 코크스 충진층으로 사용하였고, 물(11')을 출선구(7') 레벨로부터 20㎜ 상부까지 채워 실고로의 용선을 모사하였다.

풍구(2')와 출선구(7')는 직경 10㎜이며, 경사 각도를 조절할 수 있도록 제작되었으며, 풍구를 통해 취입된 공기가 코크스 충진층내를 통과하는 상태를 측정하기 위한 유속 센서를 설치할 수 있는 삽입구(13')를 만들었다.

실고로와 시뮬레이터간의 상사 조건을 충족시키기 위해 다음과 같이 정의되는 수학식에 준하여 실험 조건을 설정하여 진행하였다.

여기서, m은 모델(model)을, p는 원형(prototype)을 의미하며, U는 노구부 유속, ρ는 밀도, ℓ은 길이이다.

실험 방법으로는 송풍 공기의 인입 각도에 따른 각 위치에서의 공기의 유속을 측정하였고, 이를 통해 송풍 공기를 노 중심부까지 효과적으로 도달시킬 수 있는 최적 조건을 도출하였다.

도 4는 본 발명에 따른 가스 유동 시뮬레이터의 최하단 레벨에서 측정된 반경 방향별 공기 유속을 보여주는 그래프이다.

그래프에서 X축은 임의 지점의 노 중심으로부터의 거리를 노 반경으로 나눈 값(r/R)으로서, 0이면 중심부, 1이면 벽부를 의미한다.

그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 풍구 경사 각도가 0에서 30˚까지 커질 수록 각 위치에서의 공기의 유속이 빨라지는 것을 볼 수 있다. 유속이 빠르다는 것은 그 위치까지의 송풍 공기의 도달량이 많다는 의미이며, 이것은 곧 고온 가스의 전열량 증대에 의해 노심 코크스층의 온도를 높일 수 있는 조건을 확보해 준다.

도 5는 본 발명에 따라 가스 유동 시뮬레이터의 모든 측정 위치에서 얻어진 공기의 평균 유속을 보여주는 그래프이다.

그래프를 참조하면, 풍구 경사 각도가 0에서 30˚까지 증가될수록 공기의 평균 유속이 빨라지는 것을 볼 수 있으며, 경사각 0˚에 비해 10˚는 1%, 20˚는 9%, 30˚는 12%의 유속 증가의 효과가 있었다. 유속 증가폭은 10˚에서 20˚의 경우가 20˚에서 30˚의 경우보다 큰 것을 볼 수 있는데, 이로부터 경사각 조정 대비 큰 유속 증가 효과를 볼 수 있는 각도는 20˚내외인 것으로 사료된다.

이상의 결과로부터, 노심 코크스층의 온도를 높게 관리하기 위해서는 송풍 공기의 인입 각도를 20∼30˚정도로 설정하여 조업하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 송풍 공기의 인입 경사각을 조정하여 장입 코크스의 성상을 현재와 같이 유지하면서 고로 노심 온도를 높게 유지할 수 있어 안정적인 고로 조업을 기하게 하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 열풍로에서 이송된 열풍이 인입되는 풍구가 노하부에 구비된 고로에 있어서,

   노심으로의 전열량을 증대시켜 노심온도를 1200℃보다 높게 유지하지 위해, 상기 풍구로 인입되는 열풍의 인입 각도를 수평면을 기준으로 해서 노의 중심부쪽으로 하향되게 20∼30˚범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 고로 노심온도 관리 방법.

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