KR101014540B1 - 용융로 내부온도 측정을 위한 열전대 조립체 및 가스 밀봉장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온·고압의 파이넥스(FINEX) 용융로 내부 온도를 연속적으로 측정하기 위한 온도측정 시스템에 관한 것으로, 온도측정 시스템은 복수의 보호관으로 보호되는 열전대와 용융로 내부의 유해가스 유출을 방지하기 위한 밀봉장치로 구성된다.

상기 열전대는 그 열전대시스의 외부에 길이방향으로 복수의 보호튜브로 감싸서 열전대를 보호하고, 보호튜브의 연결부는 페룰이 압축되어 열전대시스와 보호튜브가 기계적으로 밀봉되며, 상기 보호튜브의 외부에는 내열·내마모성이 우수하며 강도가 뛰어난 니켈-텅스텐 합금으로 코팅될 수 있다.

또한, 파이넥스 용융로 내부의 유해가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 가스 밀봉장치 하단에 로 내부 압력보다 큰 압력으로 불활성 가스를 공급하여 1차적으로 유해가스가 유출되는 것을 방지하며, 씰패킹이 씰헤드에 의하여 압축되어 보호튜브 및 열전대가 2차적으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 용융로 내부 온도측정 시스템을 제공한다.

파이넥스, 용융로, 온도 감지, 열전대, 가스 밀봉장치

Description

용융로 내부온도 측정을 위한 열전대 조립체 및 가스 밀봉장치{Thermocouple and gas sealing device to measure the inner temperature of furnace}

본 발명은 파이넥스(FINEX) 공법으로 철강제품의 원료인 용선을 만드는 용선공정에 사용되는 파이넥스 용융로 내부온도를 연속적으로 측정하기 위한 열전대 및 가스 밀봉장치에 관한 것이다.

파이넥스 공법은 분말상태의 철광석을 직접 사용하여 용선을 만드는 공법으로, 기존의 용광로 공법에 비하여 철광석 분말을 괴상으로 만드는 소결 공정 및 코크스 공정을 생략할 수 있어 생산원가 절감 및 오염물질 배출을 획기적으로 감소시킬 수 있는 공법으로 최근 상용화에 성공하였다.

이러한, 파이넥스 공법에서 철강제품의 원료인 용선을 만드는 용선공정의 용융로 내부 환경은 1200～1500℃의 고온과 CO 분위기이다.

따라서, 이러한 고온과 환원성 분위기에서 노 내의 온도를 측정한다는 것은 그리 간단한 작업이 아니다.

도 6은 종래의 파이넥스 용융로 내부 온도 측정을 위한 열전대 조립체를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 열전대는 열전대시스(405)의 내부에 소선(402, 403)이 위치하고 소선(402, 403)은 측온접점부(401)를 형성하고 그 주위는 충전물(404)로 충전된다. 열전대시스(405) 내의 소선(402, 403)은 어댑터(406)를 거쳐 연장선(407)과 연결된다.

이 경우, 온도를 측정하기 위한 측온접점부(401)에 삼발이 모양의 추(410)를 달아 용융로 내부로 설치하여 삼발이 모양의 추(410)에 철강원료가 쌓이게 하여 그 자중에 의하여 철강원료 내부로 뚫고 들어가게 하면서 온도를 측정하는 구조이다.

그러나 철강원료가 직경 8～10mm의 분말형태이기 때문에 삼발이 모양의 추(410)에 쌓이는 철강원료 자중만으로는 철강원료 내부로 뚫고 들어갈 수 없어 용융로의 깊이 방향으로 연속적인 온도측정을 할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 고온·환원성 분위기에 열전대시스(405)가 직접적으로 노출됨으로써 열전대시스(405) 표면의 박리현상이 가속화되어 기대수명이 짧아지는 문제점이 있었다.

또한, 열전대 소선(402, 403)과 연장선(407)과의 연결부인 어댑터(406) 내부는 고온 환경에 취약한 유기재질의 에폭시로 충전되어 있어서, 열전대 시스(405)의 기밀성이 파괴되어 열전대 내부 충전물(404) 사이로 유해가스가 침투되었을 때, 고온의 유해가스가 어댑터(406)를 통하여 유출될 수 있는 구조적 문제점이 있었다.

또한, 열전대를 고정하는 장치가 하나의 직경을 가지는 열전대만을 고정할 수 있어 직경이 서로 다른 부분을 갖는 열전대를 함께 고정할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 열전대가 철강원료 내부로 뚫고 들어가는데 필요한 강도를 확보하고, 고온 환원성 분위기에서 열전대시스를 보호하고, 어댑터로의 가스 유출을 방지하며, 직경이 서로 다른 부분이 있는 열전대조립체를 함께 밀봉함으로써, 용융로의 깊이방향으로 연속적으로 온도를 측정할 수 있는 열전대와 가스 밀봉장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 파이넥스 용융로 내부의 온도를 측정하는 열전대 조립체에 있어서, 열전대시스가 고온·환원성 분위기에 우수한 니켈 합금 또는 스테인리스 스틸 재질로 이루어지고, 상기 열전대시스상에 길이가 일정 간격으로 표시되는 열전대와; 상기 열전대의 소선과 연장선과의 연결부로서 그 내부가 세라믹 재질의 충전물로 충전된 어댑터와; 상기 열전대시스의 주위를 감싸서 고온 환원성 분위기에서 열전대를 보호하는 복수의 보호튜브와; 상기 보호튜브 선단부에 형성된 삼각뿔 형태의 보호튜브 캡으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 보호튜브의 외부에는 내열·내마모성이 우수한 니켈-텅스텐 합금재질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 복수의 보호튜브끼리는 나사로 체결되며, 나사가 체결될 때, 보호튜브와 열전대시스간의 페룰이 압축되면서 열전대시스를 파고들어 기계 적으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 열전대 조립체를 파이넥스 용융로의 헤드에 밀봉설치하는 장치에 있어서, 상기 헤드에 관통 설치되는 가이드파이프와; 상기 가이드파이프의 상부에 설치되며, 내부에 제1씰패킹이 충전된 중공형의 제1몸체와, 안쪽의 중공형의 원통부가 상기 제1몸체의 내부로 들어가도록 설치되며 바깥쪽의 플랜지부에 설치된 제1볼트가 상기 제1몸체의 외부를 누르는 씰헤드로 구성되어 직경이 큰 상기 보호튜브를 밀봉하는 대구경 밀봉장치와; 상기 대구경 밀봉장치의 상기 씰헤드의 상부에 설치되며, 내부에 제2씰패킹이 충전된 제2몸체와, 안쪽의 중공형의 원통부가 상기 제2몸체의 내부로 들어가도록 설치되며, 바깥쪽의 플랜지부에 고정된 제2볼트가 상기 제2몸체의 외부를 누르는 씰헤드캡으로 구성되어 직경이 작은 열전대시스를 밀봉하는 소구경 밀봉장치로; 구성된 것을 특징으로 하는 가스 밀봉장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 가이드파이프와 상기 대구경 밀봉장치 사이에 밀봉되어 연결되는 가스 공급장치가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉장치를 제공한다.

본 발명의 열전대는 철강원료 내부로 뚫고 들어가는데 필요한 강도를 확보함으로써, 용융로의 깊이 방향으로 연속적인 온도측정이 가능하며, 이로써 철강제품의 품질을 좌우하는 용선의 상태변화를 관찰할 수 있게 되어 품질향상에 기여할 수 있다.

본 발명의 열전대는 열전대시스 자체의 내구성을 확보하고, 보호튜브는 내열성 및 내마모성이 우수하고, 고온, 고압, 환원성의 외부환경 또는 비산물에 대하여 충분한 내구성을 가지므로 기대수명이 향상된다.

본 발명의 열전대는 보호튜브와 보호튜브 사이에 페룰을 설치하여 보호튜브와 보호튜브의 나사체결에 의하여 페룰이 압축되면서 열전대시스를 파고들어 기계적으로 밀봉이 이루어져 유해가스의 외부 유출을 방지할 수 있다.

본 발명의 밀봉장치는 용융로 내부 유해가스의 외부 유출을 방지하고, 용융로 내부의 열전대 보호튜브 파손 시에도 보호튜브 내부를 통하여 유해가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 가스 공급장치 및 가스밀봉장치를 적용하여 보호튜브 및 열전대를 밀봉하여 유해가스의 외부 유출을 방지할 수 있다.

가스 밀봉장치는 보호튜브를 밀봉하기 위한 부분과 열전대를 밀봉하기 위한 부분으로 구성되어 있어 외경이 동일하지 않아도 함께 가스밀봉이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 따른 열전대 및 가스 밀봉장치의 구성과 작용에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 은 파이넥스 용융로 내부 온도를 연속적으로 측정하기 위한 본 발명에 따른 열전대조립체 및 가스 밀봉장치의 설치모습을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 열전대조립체(200)는 파이넥스 용융로(100) 내에 장입된 분말상태의 광석원료(110)의 내부로 뚫고 들어가 설치되어 있으며, 이 열전대조립체(200)는 용융로의 헤드(321)에 설치된 가스밀봉장치(300)에 의해 밀봉 설치되어 있다.

도 2 는 본 발명에 따른 열전대조립체의 구조를 나타낸 것이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 열전대조립체(200)는 열전대시스(205)의 내부에 열전대 소선(202, 203)의 측온접점(201)을 형성하고 그 주위는 충전물(204)로 충전된다.

본 발명의 열전대는 접지형 K-형 열전대를 사용할 수 있으며, 이때 열전대 소선(202)은 Ni-Cr, 열전대 소선(203)은 Ni-Al이 되고, 측온접점(201)은 접지형이 바람직하며 비접지형에 비하여 응답속도가 빠르다.

열전대시스(205)는 고온·환원성 분위기에 강한 니켈합금 또는 스테인리스 스틸 재질로 이루어지며, 인코넬 600 합금 또는 310 스테인리스 재질을 적용할 수 있다.

본 발명의 열전대조립체(200)는 열전대시스(205)의 주위를 복수의 보호튜브(211)에 의해 둘러싸서 설치되며, 복수의 보호튜브(211)는 결합부(220)에서 결합한다.

도 3은 보호튜브(211)의 결합부(220)의 구조를 확대해서 나타낸 것이다.

복수의 보호튜브(211) 끼리는 나사(214)로 체결되며, 나사(214)가 체결될 때, 보호튜브(211)와 열전대시스(205)간의 페룰(212)이 압축되면서 열전대시스(205)를 파고들어 기계적으로 밀봉되어, 보호튜브(211) 파손 시에도 보호튜브(211) 내부를 통하여 유해가스가 외부로 유출되는 것을 방지한다.

다시 도 2로 돌아와 보면, 상기 보호튜브(211)는 외부환경으로부터 열전대를 보호하기 위하여 310 스테인리스 재질을 사용할 수 있다.

또한, 열전대 소선(202)(203)과 연장선(207)과의 연결부인 어댑터(206) 내부를 세라믹 재질의 충전물로 충전하여 고온에서의 내구성을 확보하였다.

이는 종래에 어댑터 내부가 고온 환경에 취약한 유기재질의 에폭시로 충전되어 있으므로, 유해가스가 침투되었을 때, 충전물이 훼손되어 고온의 유해가스가 어댑터를 통하여 유출되는데, 충전물을 세라믹 재질로 함으로써 이러한 문제점을 해결하게 되었다.

보호튜브(211) 선단부에 삼각뿔 형태의 보호튜브 캡(210)을 설치하여 철강원료 내부 장입에 필요한 강도를 확보한다.

또한, 고온·고압의 가스 및 비산물로부터 보호튜브(211)를 보호하기 위하여 내열·내마모성이 우수한 니켈-텅스텐 합금 재질을 사용하여 보호튜브(211)의 외부를 1mm의 두께로 코팅할 수 있다.

또한, 열전대시스(205) 외부에 길이가 일정 간격으로, 예를 들면 1미터 간격으로 표시하여 열전대의 장입깊이를 알아보기 쉽도록 하였다.

이하, 본 발명의 가스밀봉장치에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 열전대조립체(200)가 설치된 가스밀봉장치(300)의 구조를 나타내는 도면이다.

가스밀봉장치(300)는 대구경밀봉장치(340)와 소구경밀봉장치(350)로 구성된다.

우선, 대구경밀봉장치(340)는 다음과 같이 구성된다.

용융로 헤드(321)에 가이드파이프(322)가 관통 설치되어 있고, 상기 가이드 파이프(322)의 상부에 보호튜브(211)를 밀봉하기 위한 가스밀봉장치의 제1몸체(302)가 설치된다.

대구경밀봉장치(340)의 제1몸체(302)의 내부에는 하부로부터 서포트링(303), 하부엔드링(304), 제1씰패킹(313), 상부엔드링(307)이 순차적으로 적층되어 있고, 제1몸체(302)의 외부의 상부에는 씰헤드(308)가 설치된다.

상기 제1씰패킹(313)은 도 4의 일실시 예와 같이 하부로부터 순차적으로 저밀도씰패킹(305), 고밀드씰패킹(306), 저밀도씰패킹(305)으로 설치될 수 있으나, 목적에 따라 상기 패킹들의 여러 조합이라도 무방하다.

씰헤드(308)는 안쪽의 중공형 원통부는 제1몸체(302)의 내부로 들어가도록 설치되고, 바깥쪽의 플랜지부에 설치된 제1볼트(330)에 의해 제1몸체(302)의 외부를 누르도록 형성되어 있다.

또한, 소구경밀봉장치(350)는 씰헤드(308)의 상부에 제2몸체(320)가 설치되고, 그 내부에는 하부로부터 써포트링(309), 제2씰패킹(310)이 순차적으로 적층되고 그 위에는 다시 씰헤드캡(311)이 설치되어 씰헤드캡(311)의 안쪽의 중공형의 원통부가 상기 제2씰패킹(310)을 누르도록 위치하고, 바깥쪽의 플랜지부는 제2볼트(332)에 의해 제2몸체(320)의 외부를 누르도록 되어 있다.

열전대를 밀봉하는 제2몸체(320)와 씰헤드(308)는 용접을 통하여 결합될 수도 있다.

상기 가스 밀봉장치와 별도로 가스공급장치(301)가 추가로 설치될 수 있다.

가스공급장치(301)는 가이드파이프(322)와 가스밀봉장치의 중공형의 제1몸체(302)의 사이에 밀봉되어 설치되며, 용융로 내부의 가스가 외부로 유출되는 것을 1차적으로 방지한다. 이때 가스공급장치(301)는 가스켓으로 밀봉될 수 있다.

가스공급장치(301)를 통하여 로 내부 압력보다 큰 7～10 bar의 압력으로 불활성가스를 공급하여 내부 유해가스가 유출되는 것을 1차적으로 방지한다. 또한, 씰 패킹에 전달되는 열에너지를 감소시켜 씰 패킹의 변형 및 성능저하를 방지한다.

상기 밀봉장치(300)에 열전대조립체(200)를 설치하는 방법은 다음과 같다.

도 5는 열전대조립체(200)를 밀봉장치에 장착하는 장치를 나타내는 도면이다.

도 5와 같이 열전대시스(205) 및 보호튜브(211)로 이루어진 열전대조립체(200)를 용융로(100) 내부로 설치한다. 이때 보호튜브(211)는 열전대조립체(200)의 전체 길이에 걸쳐 설치되는 것이 아니라 선단의 일정 부위에 설치된다. 복수의 보호튜브(211)는 각각의 보호튜브(211)끼리 체결이 안 된 상태로 열전대시스(205)에 설치하며, 이 열전대시스(205)를 보호튜브(211)와 함께 릴(350)에 원형상태로 감아 놓는다. 이 열전대조립체(200)가 감겨있는 릴(350)을 용융로(100)의 상부에 위치한 플로우(352) 위에 설치된 삼각대(345)에 장착하여, 상기 릴(350)로부터 조금씩 직선형태로 풀어서 각각의 보호튜브(211)를 체결하면서 가스 밀봉장치(300)를 통하여 용융로(100) 내부로 설치한다.

다시 도 4를 참조하여 설명한다.

결합한 복수의 보호튜브(211)를 위로부터 삽입하면서, 대구경밀봉장치(340) 내부의 씰 헤드(308), 상부 엔드링(307), 씰패킹(313), 하부 엔드링(304), 부싱(303)의 순서로 관통하면서 용융로 내부로 설치한다.

또한, 보호튜브(211)와 가스밀봉장치 간의 밀봉은 제1몸체(302)와 씰 헤드(308)간의 제1볼트(330)를 조여 그 압축력이 제1씰패킹(313)에 전달되고, 제1씰패킹(313)이 눌리면서 보호튜브(211)를 밀봉한다.

보호튜브(211)의 설치를 완료한 후, 보호튜브(211) 상부의 열전대시스(205)의 밀봉은 아래와 같이 한다.

보호튜브(211)를 밀봉한 후, 제2몸체(320) 내에 씰헤드(308) 상단에 써포트링(309), 제2씰패킹(310)을 설치한 후, 씰헤드(308)와 씰헤드캡(311)간의 제2볼트(332)를 조여 그 압축력이 제2씰패킹(310)에 전달되어 눌리면서 열전대시스(205)를 밀봉한다.

상기와 같이 본 발명의 열전대 조립체와 밀봉장치에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명은 상기 설명된 형태에만 제한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상에서 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형을 할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 열전대 및 가스 밀봉장치의 설치모습을 개략도이며,

도 2 는 본 발명에 따른 열전대 조립체의 구성도이며,

도 3 은 보호튜브의 결합구조의 확대도이며,

도 4 는 본 발명에 따른 가스 밀봉장치의 구성도이며,

도 5 는 가스밀봉장치에 열전대조립체를 설치하는 장치의 구성도이며,

도 6 은 종래의 용융로 내부 온도 측정을 위한 열전대조립체를 개략도이다.

* 주요 도면부호의 설명 *

100 : 파이넥스 용융로 200 : 열전대 조립체

205 : 열전대시스 210 : 보호캡

211 : 보호튜브 212 : 페룰

300 : 가스밀봉장치 340 : 대구경밀봉장치

350 : 소구경밀봉장치

Claims (5)

1. 파이넥스 용융로 내부의 온도를 측정하는 열전대 조립체에 있어서,

   열전대시스가 고온·환원성 분위기에 우수한 니켈 합금 또는 스테인리스 스틸 재질로 이루어지고, 상기 열전대시스 상에 길이가 일정 간격으로 표시되는 열전대와;

   상기 열전대의 소선과 연장선과의 연결부로서 그 내부가 세라믹 재질의 충전물로 충전된 어댑터와;

   상기 열전대 시스의 주위를 감싸서 고온 환원성 분위기에서 열전대를 보호하는 복수의 보호튜브와;

   상기 보호튜브 선단부에 형성된 삼각뿔 형태의 보호튜브 캡으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호튜브의 외부에는 내열·내마모성이 우수한 니켈-텅스텐 합금재질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 보호튜브끼리는 나사로 체결되며, 나사가 체결될 때, 보호튜브와 열전대시스간의 페룰이 압축되면서 열전대시스를 파고들어 기계적으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 열전대 조립체.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 기재된 열전대 조립체를 파이넥스 용융로의 헤드에 밀봉설치하는 장치에 있어서,

   상기 헤드에 관통 설치되는 가이드파이프와;

   상기 가이드파이프의 상부에 설치되며,

   내부에 제1씰패킹이 충전된 중공형의 제1몸체와,

   안쪽의 중공형의 원통부가 상기 제1몸체의 내부로 들어가도록 설치되며 바깥쪽의 플랜지부에 설치된 제1볼트가 상기 제1몸체의 외부를 누르는 씰헤드로 구성되어 직경이 큰 상기 보호튜브를 밀봉하는 대구경 밀봉장치와;

   상기 대구경 밀봉장치의 상기 씰헤드의 상부에 설치되며,

   내부에 제2씰패킹이 충전된 제2몸체와,

   안쪽의 중공형의 원통부가 상기 제2몸체의 내부로 들어가도록 설치되며, 바깥쪽의 플랜지부에 고정된 제2볼트가 상기 제2몸체의 외부를 누르는 씰헤드캡으로 구성되어 직경이 작은 열전대시스를 밀봉하는 소구경 밀봉장치로;

   구성된 것을 특징으로 하는 가스 밀봉장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 가이드파이프와 상기 대구경 밀봉장치 사이에 밀봉되어 연결되는 가스 공급장치가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 밀봉장치.

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