KR100843838B1 - 마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치 - Google Patents

마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 측정 장치는 마이크로파를 발생시키도록 용융로의 돔부의 외측에 장착된 발진기; 상기 마이크로파를 상기 용융로의 노내로 안내하도록, 상기 돔부 외측의 상기 발진기로부터 상기 노내 쪽으로 원통부 및 원추부가 이어져 연장된 안테나; 상기 안테나의 원추부 중간에 형성된 한 쌍의 슬릿을 통해 상기 안테나 내부에 상기 노내 쪽으로 가스를 분사하는 가스 분사기; 및 상기 돔부를 통해 연장된 상기 안테나의 일부를 둘러싼 내화 부재;를 포함한다. 상기 마이크로파가 상기 노내로부터 복귀하는 상태에 기초하여 상기 용융로 내부의 장입 레벨을 측정하게 된다. 이와 같이 가스 분사를 통해 안테나에 석탄 미분 등이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
용융로, 장입 레벨, 발진기, 미분, 안테나

Description

마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING LEVEL OF CHARGES BY USING MICROWAVE IN A FINEX MELTING FURNACE}
도 1은 종래기술에 따른 마이크로파를 이용한 용융로 장입물 레벨 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 용융로 장입물 레벨 측정 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 용융로 장입물 레벨 측정 장치의 저부 평면도이다.
도 4는 도 2의 B 부분의 상세도이다.
<도면의 주요 부분의 부호의 설명>
20: (용융로의) 돔부 100: 용융로 장입물 레벨 측정 장치
110: 발진기 114: 안테나
126: 가스 통로 128: 가스 슬릿
126: 온도 센서 150: 내화 부재
160: 윤활 코팅
본 발명은 마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 우수한 능력의 보호 수단이 제공된 마이크로파를 이용한 용융로 장입 레벨 측정 장치에 관한 것이다.
파이넥스(FINEX) 공정은 기존의 고로 제선 공정과는 달리, 일반탄과 철광석을 직접 사용 가능하다는 장점 때문에 급속한 기술개발이 이루어지고 있다. 이러한 FINEX 공정의 용융로 조업은 용융로 조업은 노정의 광석 장입구와 석탄 장입구를 통해 환원철과 성형탄을 장입하여 일정 수준의 비율로 충전층을 형성한 다음, 풍구를 통해 산소를 취입하여 환원가스를 발생시켜서 슬래그와 용선을 제조/출선하는 조업방식으로 이루어진다. 보통 용융로는 노저부에서 올라오는 CO와 H2 와 같은 환원가스 및 석탄 장입에 따라 발생하는 더스트 중의 미분탄 등을 노 측면부에 설치된 더스트 버너에 의해 연소시킴으로써 돔부의 온도를 약 1000℃ 정도로 유지시킨다.
용융로의 장입물층 높이는 약 13m 정도로 장입물층의 하중이 고로에 비해 낮으므로 용선과 슬래그의 부력에 의해 쉽게 상승 및 하강을 반복하게 되며, 장입물층의 레벨 변동폭이 고로에 비해 크다. 이렇게 장입물 레벨이 변동하게 되면 조업 자는 석탄 장입량을 증가 또는 감소시켜 장입 레벨을 일정 높이로 유지하려 하게 된다. 또한, 장입 레벨 변동시 풍구에서 발생된 고온의 환원 가스와 광석과의 열교환 효율이 변동하게 되어 용융로 전체의 노열이 변동하게 된다. 그리고, 조업 중 장입물 레벨이 과도하게 상승하여 측면부의 더스트 버너를 건드려 손상시킬 경우, 조업을 중단하고 더스트 버너를 교환해야 하므로 생산차질 및 용선 원가 상승을 불러오게 된다. 따라서, 장입 레벨의 정밀 측정이 매우 중요하다.
기존에는 용융로 측면부에 방사선 레벨러 즉 방사선을 이용한 레벨 측정 장치를 설치하여 충전층의 레벨을 간접적으로 추정하였는데, 이것은 방사선을 측면에서 수평방향으로 투사하여 반대편의 검지기에서 검지된 방사선량을 통해 레벨을 추정하는 방식이다. 이 방식은 방사선이 투과되는 라인에 장입물이 일부분만 걸쳐 있더라도 장입물이 100% 차 있는 것으로 인식을 하며, 또한 장입물 레벨의 높이를 정량적으로 보여주지 못하고 % 단위로 나타낸다는 단점이 있다. 즉, 레벨러 앞에 장입물이 가로 막혀 있는지 없는지 정도의 여부만 알려줄 뿐, 높이 값에 대한 정확한 값을 제공해 주지 못하고 있다. 또한 용융로 내부 벽면에 장입물이 쌓일 경우 측정 오차를 발생하게 된다.
도 1에는 종래기술의 장입 레벨 측정 장치(3) 및 그 보호 장치(2)가 개략적으로 도시된다. 용융로(1)에 사용되는 장입 레벨 측정 장치(3)는 도 1에 도시한 것과 같이 혼 형태이다. 또, 장입 레벨 측정 장치(3)는 극초단파(마이크로파)를 발생시키고 이후에 반사되어 복귀하는 극초단파를 이용하여 용융로(1) 안의 장입 레벨을 계산하는 포함하는 제어기(11), 상기 제어기(11)에서 발생된 극초단파가 진행하는 도파관(12) 및 상기 도파관(12)을 따라 진행한 극초단파를 방사하는 극초단파 프로브 즉 탐침(13)을 포함한다. 이때, 장입 레벨 측정 장치(3)는 용융로(1) 상부에 설치되어 용융로(1) 내부의 장입 레벨을 검출하기 때문에 용융로(1) 내부의 고온과 가스 등에 노출되므로 이들로부터 보호할 필요가 있다.
따라서, 도 1에 도시한 것과 같이, 이들 제어기(11), 도파관(12) 및 극초단파 탐침(13)을 포함하는 장입 레벨 측정 장치(3)를 보호하는 보호 장치(2)가 마련된다. 즉, 장입 레벨 측정 장치 보호 장치(2)는 용융로(1)의 상부에 설치된 중공 원통형 강관(16) 상측에 배치되고, 플랜지(15)에 의해 용융로(1)의 내부와 차단되어 외부에 노출된다. 제어기(11)에서 발생한 극초단파는 도파관(12) 및 극초단파 탐침(13)을 통해 방사되고 혼 형태의 안테나(17)에 의해 용융로(1) 안의 장입물에 전파된다. 반사된 극초단파는 다시 탐침(13) 및 도파관(12)을 거쳐 제어기(11)로 입력된다. 제어기(11)는 복귀한 극초단파를 이용하여 장입물의 장입 레벨을 계산한다. 제어부(11)는 케이블(19)을 통해 외부 중앙 컴퓨터(도시 생략)와 통신한다.
이와 같은 장입 레벨 측정 장치 보호 장치(2)는 주입구(18)를 통해 제어기(11) 주위로 질소 가스를 주입함으로써 제어기(11)를 보호한다. 하지만, 가스 폭발과 광석 급강하 등에 의해 용융로(1)의 내부 환경이 급격히 변화하면 질소 가스 주입으로 제어기(11)를 충분히 보호할 수 없다. 또, 용융로(1) 내부의 부상물이 장입 레벨 측정 장치(3)의 안테나(17)를 강타하여 흠집을 내거나 그 안에 막힘으로써 극초단파에 간섭을 주거나 전파 통로를 막아 장입 레벨의 측정 오차를 유발 할 수 있다. 이렇게 되면, 장입 레벨의 측정이 불가능해 지고 설비 고장이 발생할 수도 있다.
더 중요한 문제점으로서, 전술한 장입 레벨 측정 장치는 FINEX보다는 기존의 고로에 적용하기 적합한 구성이다. 따라서, FINEX 공정에 적용하면, 장입물층의 레벨 변동폭이 고로에 비해 큰 FINEX 용융로에서 정밀한 측정치를 제공하기 어렵다.
한편, 대한민국특허 제10-2003-0022690호에서는 고로 내의 장입물을 측정하는 마이크로파 센서로서, 안테나와 발진기를 분리시켜 고온에 의한 센서 손상을 방지하는 기술을 제안하고 있다. 하지만, 발진기와 안테나의 분리에 따른 신호 감쇠가 발생하며 FINEX 용융로에서는 내부 온도가 1000℃ 이상이면 적용이 어렵다는 난점이 있다. 이러한 마이크로파 레벨 센서는 용융로 내부의 원료가 넘치거나 취발현상에 의하여 분광석이나 분탄 등의 분진으로 마이크로파의 안테나가 막히는 현상이 발생할 수 있다. 막힘이 발생하면 측정 정밀도에 악영향을 미치게 된다.
또한, 일본특허 제2006-038756호에서는 광석이나 코크스 가루 등의 분진을 막기 위하여 도파관에 가스를 분출하는 안테나가 장착된 마이크로파 레벨 센서를 제안하고 있다. 하지만, 이 기술도 용융로와 같이 고온에서는 적용될 수 없고 안테나 보호통에 의해 신호감쇠가 발생하게 된다. 또, 안테나 보호통의 열전도에 따라 마이크로파 발진기에 열충격이 발생하게 된다.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 과제는 고로뿐만이 아니라 FINEX 용융로에도 적합한 용융로 장입 레벨 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가스 분사를 통해 안테나에 석탄 미분 등이 부착되는 것이 방지할 수 있는 용융로 장입 레벨 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분사 가스에 의해 안테나를 냉각시켜 노내의 열에 의한 안테나의 과도한 열 변형을 방지할 수 있는 용융로 장입 레벨 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발진기의 하단과 안테나의 상부를 냉각시키는 수단을 제공함으로써 발진기가 용융로의 열에 의해 영향을 받는 것을 최소화할 수 있는 용융로 장입 레벨 측정 장치를 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 용융로 장입 레벨 측정 장치는 마이크로파를 발생시키도록 용융로의 돔부의 외측에 장착된 발진기; 상기 마이크로파를 상기 용융로의 노내로 안내하도록, 상기 돔부 외측의 상기 발진기로부터 상기 노내 쪽으로 원통부 및 원추부가 이어져 연장된 안테나; 상기 안테나의 원추부 중간에 형성된 한 쌍의 슬릿을 통해 상기 안테나 내부에 상기 노내 쪽으로 가스를 분사하는 가스 분사기; 및 상기 돔부를 통해 연장된 상기 안테나의 일부를 둘러싼 내화 부재;를 포함함으로써, 상기 마이크로파가 상기 노내로부터 복귀하는 상태에 기초하여 상기 용융로 내부의 장입 레벨을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치에 있어서, 상기 슬릿은 상기 마이크로파의 편광 방향과 반대 방향으로 제공되면 바람직하다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치에 있어서, 상기 슬릿은 상기 가스가 상기 안테나의 중심축에 대해 38° 내지 39°의 각도로 분사되도록 구성되면 바람직하다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치에 있어서, 상기 슬릿은 상기 원추부의 상기 노내 쪽 단부로부터 356mm 내지 364mm의 위치에 형성되면 바람직하다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치에 있어서, 상기 가스의 유량은 분당 12Nm3 이하이면 바람직하다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치는 상기 원추부의 상기 노내 쪽 단부 내벽에 형성된 윤활 코팅을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 윤활 코팅은 TiAlN으로 이루어지면 바람직하다.
본 발명의 장입 레벨 측정 장치는 상기 돔부 외측에 있는 상기 안테나의 일부를 냉각하도록 상기 안테나의 일부 둘레에 배치된 냉각기를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 장입 레벨 측정 장치는 상기 발진기와 상기 안테나의 온도를 검출하도록 상기 안테나 외측에 간격을 두고 상기 안테나를 따라 연장된 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 장입 레벨 측정 장치는 상기 돔부를 통해 연장된 상기 안테나의 일부와 상기 온도 센서를 둘러싼 내화 부재를 더 포함할 수 있다.
이하 도 2 내지 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로 장입 레벨 측정 장치를 더 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로 장입 레벨 측정 장치(100)는 마이크로파를 이용하여 용융로, 특히, 파이넥스 용융로의 장입 레벨을 측정하도록 구성된다. 즉, 마이크로파를 노내로 방사하여 노내로부터 복귀하는 상태에 기초하여 상기 용융로 내부의 장입 레벨을 측정하도록 구성된다.
용융로 장입 레벨 측정 장치(100)는, 주요 구성 요소로서, 마이크로파를 발생시키도록 용융로의 돔부(20)의 외측에 장착된 발진기(110), 상기 마이크로파를 노내로 안내하도록, 돔부(20) 외측의 발진기(110)로부터 노내 쪽으로 연장된 안테나(114) 및 가스 분사기(124)를 포함한다.
발진기(110)는 마이크로파(극초단파)를 발생시키고 이후에 노내로부터 반사되어 복귀하는 극초단파를 이용하여 고로(1) 안의 장입 레벨을 계산하도록 구성된다. 이 구성은 공지이므로 상세한 설명은 생략한다. 발진기(110)의 하단에는 노내 쪽으로 뾰족하게 돌출한 프로브 즉 탐침(112)이 배치된다.
탐침(112)은 발진기(110)에서 발생한 마이크로파를 아래쪽 즉 노내로 방사하기 위한 것이며, 탐침(112)에서 방사된 마이크로파는 안테나(114)에 의해 노내로 유도된다.
안테나(114)는 탐침(112)으로부터 돔부(20)를 통해 노내 쪽으로 연장된 원통 부 및 원추부가 이어져 있고 원추부의 노내 쪽의 단부가 원통부와 연결된 부분보다 벌어진 나팔 모양을 갖는다. 돔부(20) 내에 위치한 안테나(114)의 일부는 내화 부재(150)로 둘러싸여 있다.
발진기(110)의 하단과 안테나(114)의 상부는 냉각기(120) 안에 위치한다. 냉각기(120) 안에는 냉매가 채워져 있고, 이 냉매는 냉매 입구(130)를 통해 유입되어 발진기(110) 하단과 안테나(114) 상부를 냉각시킨 다음 출구(132)를 통해 배출된다.
냉각기(120)의 커버(122)에는 가스 분사기(124)가 부착되고 커버(122) 안에 형성된 가스 통로(126)는 안테나(114) 양쪽으로 분기되어 안테나(114)를 따라 내화 부재(150) 내부에서 노내 쪽으로 연장된다.
각각의 가스 통로(126)의 말단에는 가스 노즐의 기능을 하는 슬릿(128)이 형성된다. 슬릿(128)은 가스 통로(126)를 통해 공급된 가스를 안테나(114) 내부에, 구체적으로는, 노내 쪽으로 분사하기 위한 것이다. 이 가스로는 질소 가스가 바람직하고, 분사된 가스는 안테나(114)를 냉각시킴과 동시에 안테나(114) 내면에 석탄 미분 등이 부착되는 것을 방지한다.
한 쌍의 슬릿(128)은 안테나(114)의 원추부 중간에 형성되고, 바람직하게는, 노내 쪽 단부로부터 356mm 내지 364mm의 위치에 형성된다. 또, 도 2의 화살표(A) 방향으로 바라본 도 3에 도시한 것과 같이, 이들 슬릿(128)은 서로 대향되게 형성된다. 이때, 슬릿(128)의 방향은 마이크로파의 편광 방향과 반대 방향이 된다. 이렇게 하면 슬릿(128)이 마이크로파에 미치는 영향을 제거하거나 적어도 최소화할 수 있다.
도 2의 C 부분을 상세 도시한 도 4를 참조하면, 슬릿(128)의 축선(a2)은 안테나(114)의 축선(a1)과 일정 각도α로 교차하여, 이 각도(α)로 가스를 안테나(114) 내부로 분사한다. 이 각도(α)는 38° 내지 39° 정도가 바람직하다. 또, 분사 가스는 분당 12Nm3 이하의 유량을 갖고 분사되면 바람직하다.
또한, 내화 부재(150) 내부에는 온도 센서(134)가 설치된다. 온도 센서(134)는 안테나(114)의 길이를 따라 연장되며, 슬릿(128)보다는 노내 쪽에 더 가까운 위치까지 연장됨이 바람직하다.
이렇게 하면, 온도 센서(134)에 의해 안테나(114)의 온도를 측정하고 그에 따라 분사 가스의 분사 시간 및 유량 등을 조절함으로써 안테나(114)의 온도를 원하는 범위에 유지할 수 있다.
한편, 냉각기(120)와 내화 부재(150)는 브래킷(140)과 결합되고 이 브래킷(142)은 고정 볼트(142)에 의해 돔부(20)에 고정된다. 이 구성에 의해 발진기(110)와 안테나(114)를 비롯한 측정 장치(100) 전체가 돔부(20)에 고정된다.
또, 안테나(114)의 원추부의 노내 쪽 단부 내벽에는 윤활 코팅(160)이 형성되어 있다. 윤활 코팅(160)은 석탄 미분이 안테나(114)의 하부 가장자리에 부착-적층되는 것을 방지한다. 윤활 코팅(160)은 질소 화합물로 이루어지고 바람직하게는 TiAlN으로 이루어진다. 또, 윤활 코팅(160)은 원추부의 노내 쪽 단부로부터 약 150mm의 폭으로 형성되면 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융로 장입 레벨 측정 장치(100)를 이와 같이 구성하면, 슬릿(128)을 통해 안테나(114) 내부의 노내 쪽으로 분사되는 가스에 의해 안테나(114)에 석탄 미분 등이 부착되는 것이 방지된다. 아울러, 상대적으로 저온인 분사 가스에 의해 안테나(114)가 냉각되므로 노내의 열에 의한 안테나(114)의 과도한 열 변형을 방지할 수 있다.
한편, 냉각기(120)가 발진기(110)의 하단과 안테나(114)의 상부를 냉각시키도록 설치되므로, 발진기(110)가 용융로의 열에 의해 영향을 받는 것을 최소화할 수 있다.
이와 같은 특징을 갖는 용융로 장입 레벨 측정 장치(100)의 성능을 종래기술의 장입 레벨 측정 장치와 비교하면 아래의 표 1과 같다.
종래의 측정 장치 본 발명의 측정 장치
냉각 효과 없음 우수
교체 수명 20 일 6 개월 이상
미분 부착량 20mm 이상 2mm 이하
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로 장입 레벨 측정 장치는 슬릿을 통해 안테나 내부의 노내 쪽으로 가스를 분사함으로써 안테나에 석탄 미분 등이 부착되는 것이 방지할 수 있다. 또, 상대적으로 저온인 분사 가스에 의해 안테나를 냉각시켜 노내의 열에 의한 안테나의 과도한 열 변형을 방지할 수 있다. 아울러, 냉각기가 발진기의 하단과 안테나의 상부를 냉각시키므로 발진기가 용융로의 열에 의해 영향을 받는 것을 최소화할 수 있다.

Claims (11)

  1. 마이크로파를 발생시키도록 용융로의 돔부의 외측에 장착된 발진기;
    상기 마이크로파를 상기 용융로의 노내로 안내하도록, 상기 돔부 외측의 상기 발진기로부터 상기 노내 쪽으로 원통부 및 원추부가 이어져 연장된 안테나;
    상기 안테나의 원추부 중간에 형성된 한 쌍의 슬릿을 통해 상기 안테나 내부에 상기 노내 쪽으로 가스를 분사하는 가스 분사기; 및
    상기 돔부를 통해 연장된 상기 안테나의 일부를 둘러싼 내화 부재;를 포함함으로써,
    상기 마이크로파가 상기 노내로부터 복귀하는 상태에 기초하여 상기 용융로 내부의 장입 레벨을 측정하는 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬릿은 상기 마이크로파의 편광 방향과 반대 방향으로 제공된 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬릿은 상기 가스가 상기 안테나의 중심축에 대해 38 °내지 39°의 각도로 분사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬릿은 상기 원추부의 상기 노내 쪽 단부로부터 356mm 내지 364mm의 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스의 유량은 분당 12Nm3 이하인 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 원추부의 상기 노내 쪽 단부 내벽에 형성된 윤활 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 윤활 코팅은 TiAlN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 돔부 외측에 있는 상기 안테나의 일부를 냉각하도록 상기 안테나의 일부 둘레에 배치된 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 발진기와 상기 안테나의 온도를 검출하도록 상기 안테나 외측에 간격을 두고 상기 안테나를 따라 연장된 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 돔부를 통해 연장된 상기 안테나의 일부와 상기 온도 센서를 둘러싼 내화 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융로 장입 레벨 측정 장치.
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