KR101008101B1 - 냉각 효율이 우수한 고로의 주수 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노내에 냉각수를 공급하는 주수 단계 후, 노정 온도 변화를 측정하여 노정 온도 변화량이 0이 되는 시점에서 냉각수를 배출하는 방식의 냉각 단계를 반복 실시하여 이루어지는 고로의 주수 냉각 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 주수 단계는 배수 밸브를 닫고 냉각수를 풍구 상부 1m 이상으로 주수할 수 있고, 주수 작업과 배수 작업을 분리하여 실시함으로써 보다 효과적이고 체계적으로 고로를 냉각시킬 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면 고로의 주수 냉각 작업을 효율적이고 체계적으로 실시할 수 있어 신속한 냉각 작업이 가능한 고로 주수 냉각 방법을 제공할 수 있다.

고로, 주수 냉각, 배수, 풍구

Description

냉각 효율이 우수한 고로의 주수 냉각 방법{Blast Furnace Water-Quenching Method with Excellent Cooling Efficiency}

본 발명은 고로의 주수 냉각 작업시 그 효율을 향상시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고로의 주수 냉각을 위한 냉각수 살포시 노정온도 변화를 이용하여 배수시점을 판단하여 노내 연와 및 잔류물들의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있는 고로 주수 냉각 방법에 관한 것이다.

고로(Blast Furnace) 공정은 상부로 소결광, 정립광, Pellet 등의 주원료, 부원료(석회석, 규석, TiO₂광, CBP 등) 및 코크스를 장입하고, 하부로 풍구(風口, Tuyere)를 통해 1,150℃ 이상의 열풍(Hot Air), 산소, 미분탄(Pulverized Coal) 등을 취입한 후, 철광석을 환원시켜 용선(선철)을 생산하는 공정을 의미한다.

상기 풍구로 취입된 열풍과 산소는 고로 내에서 코크스와 미분탄을 연소시켜 환원가스를 발생시키고, 발생한 고온의 환원가스는 고로 내부에서 상승하면서 철광 석을 승열 및 환원시키며 높은 온도에 의해 하부에서 철광석이 용융된다. 이렇게 생성된 용선(선철, Pig Iron)과 슬래그는 일정한 시간마다 고로 하부 출선구를 통해 외부로 배출된 후, 용성운반차(TLC)에 수선되어 제강 공정으로 이송되는 것이다.

하지만 고로의 가동 경년이 증가함에 따라 노체 부위는 장입물 강하에 의한 마모, 화학적 침식, 열충격에 의한 크랙 발생 등이 진행되고, 노저 부위는 용융물의 유동, 화학적 침식, 열응력 발생 등의 마모가 나타나게 된다. 상기 노체부위는 조업 중에 노벽 보수, Shotcreting 등으로 부분 보수가 어느 정도 가능하지만, 노저 부위는 조업 중에 보수할 수 있는 방법이 아직까지 나타나지 않고 있다. 따라서 고로 노저의 수명이 다하면 종풍을 실시한 후, 고로 본체를 철거하고 내화벽돌 기타 일부 설비를 교체하는 고로 개수 작업을 하게 된다. 상기 고로 개수 작업은 일반적으로 클리닝(cleaning) 조업-감척/종풍 조업-노저 출선-주수 냉각-해체-건설-화입 순서로 진행된다.

이들 중 상기 주수 냉각 작업은 노저 출선 완료 후 노내에 잔류하는 코크스 및 용융물, 내화물 등의 냉각을 목적으로 노내에 냉각수를 살수하는 공정을 의미하며, 노저 및 노체 해체 작업시 작업 안정성을 확보할 수 있도록 해준다. 일반적으로 주수 냉각 작업시 주수는 저수 레벨 및 노내 가스 성분을 고려하여 가변적으로 실시한다. 저수 레벨은 종풍 완료시 노내 장입물이 잠길수 있는 높이까지 관리한 다.

주수 냉각 작업은 H₂ 가스 성분이 2% 이하, CO 가스 성분이 4% 이하, 배수 온도가 80℃ 이하로 관리될 때 완료된 것으로 판단하는데, 노내 적열 코크스 및 잔류물들을 빠른 시간 내에 냉각시켜 노정가스 성분을 관리범위까지 저하시키는 것이 중요하다. 주수 이후에는, 충분한 시간동안 유지하고 증발을 통하여 냉각시키는 방법 및 주수-배수의 반복적 실시로 새로운 냉각수를 공급하는 냉각방법이 고려될 수 있으며, 이에 따라 종래에는 상황에 따라 선택하여 실시되어 왔다.

그러나, 주수 냉각시 냉각효율을 높이기 위한 급배수 기준에 대해서는 이제껏 명확하게 정의된 바가 없다. 이러한 이유로 인하여 최적화된 급배수 기준을 일률적으로 선택하여 사용하는 것은 쉽지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 더욱 효율적인 주수 냉각 방법을 제공하기 위한 것으로, 주수 냉각 작업시 급수 및 배수 방법과 기준을 명확하게 제시하고 노정 온도 변화량의 측정으로 배수 시점을 판단하여 새로운 냉각수를 공급하여 냉각효율을 극대화하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 이러한 방법을 제공하기 위하여, 노내에 냉각수를 공급하는 주수 단계 후, 노정 온도 변화를 측정하여 노정 온도 변화량이 0이 되는 시점에서 냉각수를 배출하는 방식의 냉각 단계를 반복 실시하여 이루어지는 고로의 주수 냉각 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 주수 단계는 배수 밸브를 닫고 냉각수를 풍구 상부 1m 이상으로 주수할 수 있고, 주수 작업과 배수 작업을 분리하여 실시함으로써 보다 효과적이고 체계적으로 고로를 냉각시킬 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면 고로의 주수 냉각 작업을 효율적이고 체계적으로 실시할 수 있어 신속한 냉각 작업이 가능한 고로 주수 냉각 방법을 제공할 수 있다.

주수 냉각 작업은 고로 해체 전에 실시되는 마지막 작업으로 주수 냉각 작업 소요시간은 개수 공사 기일에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 중요한 작업이다. 따라서 빠른 시간 내에 주수 냉각 작업 완료를 위하여 급배수를 최대한 여러 번 반복 실시해야 하며, CN 농도가 높은 배수된 물에 CN 처리제를 투입하여 일정 기준 이하로 관리하는 작업도 이루어져야 한다.

주수 작업 초기에는 수성가스 반응으로 가스발생이 급격히 증가하므로 배수 작업을 위하여 배수 밸브를 열었을 때, 노의 상부로 배출될 가스가 풍구로 유출될 수 있는데, 이러한 현상은 노내 코크스가 밸브 쪽으로 함께 배출되면서 배수밸브 막힘 현상을 일으킬 수 있다. 하지만, 풍구로 가스가 유출되므로 접근이 어려워 밸브 관통작업이 곤란한 경우가 많고 이로 인하여 주수 냉각 작업이 지연되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서 주수 작업 초기에는 급격한 수성가스반응을 피하기 위하여 주수 속도를 최소로 관리해야 하는 것이 필요하고, 주수시 배수 밸브는 닫아 노정으로 배출될 가스가 배수관으로 배출되지 않도록 하는 것이 중요하다.

한편, 노내에 주수된 냉각수는 스팀화되면서 온도가 상승하게 되는데, 이 경우 온도 상승분만큼 노내의 열량을 가지고 배출된다. 주수된 냉각수가 스팀화되어 노정 Bleeder로 배출되면서 빠져나가는 열량은 냉각수를 100℃까지 상승시키는 열 량, 스팀으로 되기 위한 잠열 및 100℃ 이상으로 상승하면서 가지게 되는 열량의 합으로 볼 수 있을 것이다. 노내의 코크스와 접촉하는 부분에서의 스팀 온도는, 노상부로 상승하며 노내에 퍼지(Purge)되는 질소 및 스팀이 혼합되면서 서서히 낮아지고 마침내 일정 온도로 평형상태를 이루게 된다. 따라서, 냉각수가 노내 잠열에 의해 스팀화되어 배출될 때의 노정온도 변화를 측정하여 그 시점을 기준으로 배수 작업을 실시하게 된다.

도 5는 주수 냉각 작업 시간 동안 노정 온도의 추이를 나타낸 그래프이다. 노정 온도 추이를 보면 주수시에는 새로운 냉각수에 의해 노정으로 배출되는 스팀의 온도가 낮아지는 현상이 나타나고, 주수 중단 이후에는 냉각수가 코크스 및 연와와 반응하여 온도가 상승하면서 노정으로 배출되는 스팀의 온도 역시 서서히 상승하게 된다. 노정 온도의 변화를 1분마다 관찰해보면, 시간이 지남에 따라 노정 온도의 변화량이 서서히 낮아져 일정시간이 지나면 0이 되는 시점이 나타나게 되는데 이 시점은 주수된 냉각수로 이동하는 열량이 최소화되는 시점으로 볼 수 있다. 즉 노정 온도 변화가 0이 되는 시점에 배수를 실시하여 새로운 냉각수를 주수하는 작업이 필요하다.

주수 후 노정 온도 변화가 0이 되는 시점까지 유지한 후 배수 작업을 실시하는 것은 냉각수가 충분히 노심까지 흘러들어가 냉각시킬수 있는 시간을 확보하기 위함이다. 만약 주수와 배수 작업을 동시에 실시하게 되면, 냉각효율이 높을 것으 로 판단할 수 있으나, 이 경우에는 풍구 상부의 잔류물들의 냉각효율은 높아지나 노심까지 냉각수가 공급되지 않고 바로 배수되어 배출되므로 노심 부분의 냉각에 더 많은 시간이 소요되게 된다.

배수 level은 바람직하게는 풍구 상부로부터 1m 이상으로 관리하는 것이 좋은데, 배수 level을 너무 낮게 관리하면 풍구로부터 공기가 유입될 수 있고 이는 노내의 CO, H₂ 가스 등과 공기 중의 산소가 반응하여 폭발을 일으킬 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 노정 온도 변화의 미세한 변화를 이용하여 냉각수의 주수 및 배수 작업을 유동적으로 제어하고 냉각 효율을 극대화시킴으로써 보다 신속하게 냉각 작업을 진행시킬 수 있도록 하는 것을 주요 구성으로 제공한다.

이하 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

도 1에 나타난 주수 냉각시 급배수 계획에서, 주수 속도는 최대 12 t/min까지 실시하였고 저수 레벨은 초기에 풍구상부 장입물 레벨인 4m로 유지하였다. 그리고 풍구 상부 2m 지점까지 배수 후 주수를 반복적으로 실시하였고, 이후 저수 레벨 을 6m까지 상승시키고 4m까지 배수를 실시하였다.

이러한 계획에 의해 나타난 실적을 도 2에서 살펴보면, 주수 냉각 작업 개시로부터 10시간 동안은 주수 작업을 실시하고, 10시간 경과 이후에는 냉각 능력 향상을 위하여 배수 작업을 반복적으로 실시하였다. 주수 후 6시간 경과시점에서 첫 배수 작업을 실시하였고, 이후 2~4시간 간격을 두고 배수 작업을 실시하였다. 즉, 주수 냉각 작업 초기에는 저수 레벨 도달 후 배수 작업을 실시하였으나, 주수 작업 10시간 경과 후부터는 주수 후 충분한 시간 동안 유지하는 방법으로 실시하였다. 주수 냉각 작업 H+17시간 경과 이후에는 주수를 완전히 중단하고 노내에 냉각수를 채워둔 상태에서 주수 냉각 작업이 완료된 H+28시간까지, H₂가 2% 이하 및 CO 가스 성분 4% 이하로 도달하도록 전열에 의한 냉각을 실시하였다.

본 실시예 1에서 나타난 결과에 의하면, 종래의 방법에 의하여 냉각 작업을 실시할 경우 냉각 작업은 H+28시간까지 소요되어 시간적 손실이 많은 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예에서는 본 발명의 방법에 의하여 냉각 작업을 실시하는 것으로, 그 계획은 도 3에 나타나 있다. 본 실시예에서 고안된 계획은 주수와 배수 작업을 최 대한 반복 실시하는 것으로, 그 횟수는 15회로 계획하였다. 이러한 방법으로 냉각 작업을 실시하였고 그 실적을 도 4에 나타내었다. 상기 도 3에 나타난 주수 냉각 작업 계획에 따른 주수 냉각 실적을 살펴보면, 주수와 배수 작업은 실제 13회가 실시되었다. 1차 및 2차 배수시 COKE에 의한 배수관 막힘 발생으로 배수 작업이 다소 지연(도 4(a))되었으나 이후에는 원활하게 배수 작업이 이루어졌다.

주수 속도는 H₂ 성분이 최대인 시점 이후에는 10t/min의 속도로 살수하였으며, 저수 level은 5m 시점까지 주수하고 배수하였으며 2m 시점에서 배수 종료하였다.

하기 표 1은 주수 냉각 작업시 주수 중단 후 노정 온도 변화가 0이 되는 시점까지 소요된 시간을 나타낸다. 4차 배수시까지는 노정 온도와의 관계를 분석한 단계로 유지 시간과 노정 온도 변화가 0℃가 되는 시점까지의 소요시간 사이에 차이가 있으나, 5~8차 배수 작업에서는 본 발명의 방법을 적용하여, 위에서 언급한 노정온도 변화를 이용하여 배수 시점을 판단하여 냉각수를 노정에 유지시키는 시간과 노정 온도의 변화량이 0℃가 되는 시점까지의 소요시간 사이에 차이를 최대한 적게 적용하였다. 9차 이후의 배수 작업시는 배수온도 저하를 위하여 노정온도 변화가 0℃이 되는 시점까지의 소요시간 대비 유지 시간을 크게 하였다.

	냉각수 실제 유지 시간 (Holding 실적, min)	온도 변화(TT)량 0℃까지의 시간(min)	시간 차이 (min)
2차	20	10	10
3차	13	8	5
4차	7	11	4
5차	10	10	0
6차	15	12	3
7차	12	11	1
8차	11	10	1
9차	15	7	8
10차	12	8	4

본 실시예에서 사용된 고로의 주수 냉각 작업은 일반적으로 32시간이 계획되는 수준이었으나, 본 발명의 방법에 의하여 실험한 결과 13회에 걸친 급배수 작업 실시만으로 20시간 20분만에 2%의 H₂가스, 4%의 CO가스 및 80℃의 배수온도 조건을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 상기 실시예 1과 비교해보면, 상기 실시예 1의 급배수 횟수는 7회인 반면 본 실시예에서는 13회로 6회가 증가하였고, 주수 냉각 완료시간은 상기 실시예 2에서의 29시간에 비하여 약 9시간을 단축하였음을 알 수 있다. 따라서, 노내 온도변화(TT)를 측정하여 그 시간과 실제 냉각수 유지 시간을 근접하여 주수/배수 작업을 반복한다면 최소한의 시간으로 냉각 작업을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

본 실시예에서 볼 수 있듯이, 주수 냉각 작업시 적정 조건에 따라 급수 및 배수를 최대한 반복 실시하여 새로운 냉각수를 최대한 공급하면 노내에 남아있는 연와 및 잔류물의 냉각시간이 최소화될 수 있어 신속한 냉각 작업을 수행할 수 있게 된다. 또한, 주수시에는 배수 밸브를 닫아 노내 가스가 배수관으로 배출되므로 환경오염의 우려가 최소화되는 부수적인 효과를 거둘 수 있다. 나아가 냉각수가 노심까지 충분히 공급될 수 있도록 주수와 배수를 동시에 실시하지 않았으며, 주수 중단 후 배수시까지 노정 온도 변화를 감안하여 일정 시간동안 유지 시간(holding time)을 갖는데, 노내의 냉각수를 새로운 냉각수로 교체하는 기준으로 사용될 수 있어 냉각효율을 높이는데 사용될 수 있다. 그리고 상기 노정온도 변화가 0이 되는 시점에 배수 밸브 전체를 열어 최대한 빠른 시간과 정확한 타이밍에 배수 작업을 실시할 수 있었다.

본 발명에 의하면 효과적으로 주수 냉각 작업을 실시할 수 있어 이와 관련된 고로 공사 기일을 대폭 단축시킬 수 있어 생산 효율은 물론 비용 절감 효과가 기대되며, 나아가 친환경적인 효과도 거둘 수 있다.

도 1은 종래의 냉각 방법에 의한 주수 냉각 계획을 나타낸 도면

도 2는 종래의 냉각 방법에 의한 주수 냉각 실적을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 냉각 방법에 의한 주수 냉각 계획을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 냉각 방법에 의한 주수 냉각 실적을 나타낸 그래프로 (a)는 시간에 따른 주수 속도, (b)는 시간에 따른 노정압, (c)는 시간에 따른 노내 H₂ 및 CO 가스량, 그리고 (d)는 시간에 따른 N2 배출량을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 주수 냉각시 노정 온도 변화를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 의한 주수 냉각시 주수 차단 후 배수시까지 노정 온도 변화에 따른 배수시점을 판단하는 기준을 설명하는 그래프.

Claims (2)

1. 고로의 주수 냉각 방법에 있어서,

   상기 냉각 방법은 노내에 냉각수를 공급하는 주수 단계;

   노정 온도 변화를 측정하는 단계; 및

   상기 노정 온도 변화량이 0이 되는 시점에서 상기 냉각수를 배출하는 배수 단계;

   를 포함하는 고로 냉각 단계를 반복 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고로의 주수 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주수 단계는 배수 밸브를 닫고 냉각수를 풍구 상부 1m 이상으로 주수하고, 주수 작업과 배수 작업을 분리하여 실시하는 것을 특징으로 하는 고로의 주수 냉각 방법.

Images