KR101177041B1 - 장수명을 갖는 에너지 절약형 제철공업로용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철공업로에 사용되는 노즐에 관한 것으로, 중앙부에 내부로 고온의 공기를 공급하는 송풍라인이 형성되고, 상기 송풍라인의 외측에 냉각수라인이 형성된 제철공업로용 노즐에 있어서, 상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재가 형성되고, 상기 노즐의 제철공업로 외부로 노출되어 있는 부분에 탈착 방지용 돌기가 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐을 제공한다.
본 발명에 의하면, 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐 사용시 노즐의 수명이 증가되어 제철공업로의 안정조업이 가능해질 뿐만 아니라 제철공업로 내부의 열이 노즐의 냉각수를 가열하여 로 외부로 소실되는 현상을 최대한 억제함으로써 석탄 및 코트스의 사용량을 저감시키며, 노즐로부터 내화단열부재의 탈락을 방지하는 효과를 제공한다.

Description

장수명을 갖는 에너지 절약형 제철공업로용 노즐{ENERGY SAVING NOZZLE HAVING LONG SERVICE LIFE FOR IRON AND STEEL-MAKING FURNACE}

본 발명은 제철공업로에 사용되는 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부와 선단부에 내화단열부재를 형성시킴에 의해 고온 용융물에 대한 침식저항성을 갖고, 제철공업로 내부의 열이 노즐 냉각수를 가열하여 로 외부로 소실되는 현상을 억제하여 석탄 및 코크스의 사용량이 저감되는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐에 관한 것이다.

일반적으로, 제철 공정은 장입구를 통해서 연료인 코크스와 원료인 철광석을 장입하고, 제철공업로의 하부에 있는 노즐(nozzle)을 통하여 고온의 열풍을 송풍하여 장입된 코크스를 연소시키면서 철광석을 용융시키고 환원시켜 고온의 용융물인 용선을 형성하는 공정이다.

도 1은 일반적인 제철공업로를 도시한 단면도인데, 도 1에 도시된 바와 같이, 제철공업로(10)의 내부로 열풍을 불어넣는 노즐은 99.9% 이상의 순동으로 제조되고, 이러한 순동은 용융점이 1,083℃로 비교적 낮지만 그 내부는 고압의 냉각수가 순환되면서 제철공업로로 송풍되는 약 1,200℃ 정도의 고열로부터 견딜 수 있게 제작된다.

그런데, 도 2(a)의 일반적인 제철공업로의 노즐 구조에 도시된 것처럼 제철공업로용 노즐은 내부(3)로 고온의 공기를 유입시키기 위해서 제철공업로의 벽체(90)에 설치되고, 그 설치 구조상 내부압력으로부터 기밀상태를 유지할 수 있도록 대풍구와 접합된 후 제철공업로 내부(3)로 약 150 mm 정도 돌출되어 있는데, 이러한 구리재질로 이루어진 종래의 노즐은 그 돌출부(6)가 1,200℃ 공기 및 제철공업로 내부의 고열에 의해 용융, 손상되는 것을 방지하기 위하여 냉각수라인(4)을 통해 냉각수가 공급되어 노즐를 냉각시키고, 가열된 냉각수는 냉각수 배출구를 통해 배출되는 수냉방식이 채택되어 있다.

일반적으로, 제철공업로 상부로부터 하부로 강하하는 1,400 ~ 1,500℃의 고온 용융물은 로 중앙부를 따라 낙하한다. 그러나, 로 내부 내용물층의 통기성이 불량한 경우 고온 용융물이 로 중앙이 아닌 로 벽체를 따라 강하하게 되고 강하하는 고온의 용융물이 제철공업로 내부로 노출되어 있는 노즐의 선단부와 직접적으로 접촉하면 노즐이 침식되거나 손상되어 그 수명이 짧아지는 문제가 있다.

또한, 상기 노즐의 냉각수라인(4)을 거쳐 노즐을 냉각시킨 후 배출되는 냉각수의 온도는 유입시보다 보통 4~8℃ 이상 상승되는데 이러한 냉각수의 온도상승에 의해 제철공업로 내부의 열이 상당부분 손실된다. 따라서, 노즐의 냉각수 온도상승을 억제하면 제철공업로의 열효율을 향상시켜 석탄 및 코크스 사용량을 저감할 수 있고, 이에 따른 에너지 비용 절감 효과도 얻을 수 있다.

그러나, 종래에는 상기 현저한 효과를 간과한 나머지, 노즐의 냉각수에 의한 열손실을 저감시켜 에너지 효율을 높이는 것에 관한 연구가 거의 없었으며, 종래 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분에는 내화단열부재가 형성되어 있지 않아 제철공업로의 내부 열의 상당 부분이 냉각수 가열로 인해 손실되어 막대한 에너지 비용이 계속 지출되는 문제가 있었다.

게다가, 상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부 및 선단부에 장착된 내화단열부재는 링 형상이고, 노즐의 몸체가 선단으로 갈 수록 직경이 작아지는 형상을 갖고 있기 때문에, 노즐의 장기 사용에 따라 상기 링 형상의 내화단열부재가 노즐로부터 탈락됨으로써 노즐의 수명에 악영향을 미치는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 노즐의 수명이 증가되어 제철공업로의 안정조업이 가능해질 뿐만 아니라 제철공업로 내부의 열이 노즐의 냉각수를 가열하여 로 외부로 소실되는 현상을 최대한 억제함으로써 석탄 및 코트스의 사용량을 저감시키며, 노즐로부터 내화단열부재의 탈락이 방지되는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 중앙부에 내부로 고온의 공기를 공급하는 송풍라인이 형성되고, 상기 송풍라인의 외측에 냉각수라인이 형성된 제철공업로용 노즐에 있어서, 상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재가 형성되고, 상기 노즐의 제철공업로 외부로 노출되어 있는 부분에 탈착 방지용 돌기가 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐을 제공한다.

이때, 상기 돌기의 형성은 상기 노즐 외면에 홈을 가공하고, 상기 홈에 나사부재를 결합시킨 것에도 그 특징이 있다.

또한, 중앙부에 내부로 고온의 공기를 공급하는 송풍라인이 형성되고, 상기 송풍라인의 외측에 냉각수라인이 형성된 제철공업로용 노즐에 있어서, 상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재가 형성되되, 상기 내화단열부재는 상기 측면부 및 선단부가 마그네시아 스피넬로 이루어지고, 상기 송풍라인 표면은 마그네시아-알루미나 스피넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐을 제공한다.

여기서, 상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 중량%로 마그네시아 25~50%, 알루미나 50~75%의 성분 함량을 갖는 것에도 그 특징이 있다.

나아가, 상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 다공성인 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 다공성 마그네시아-알루미나 스피넬의 기공률은 5~25%인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 의하면, 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재를 장착시켜 고온의 용융물이 노즐 표면에 직접 접촉하는 것을 방지함으로써 노즐의 수명이 증가되어 제철공업로의 안정조업이 가능해질 뿐만 아니라, 제철공업로 내부의 열이 노즐의 냉각수를 가열하여 로 외부로 소실되는 현상을 최대한 억제함으로써 석탄 및 코크스의 사용량을 저감시키며, 노즐로부터 내화단열부재의 탈락을 방지하는 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 제철공업로를 도시한 단면도.
도 2는 제철공업로용 노즐을 나타낸 측단면도로서, (a)는 일반적인 제철공업로용 노즐의 측단면도이고, (b)는 본 발명의 일실시예에 의한 제철공업로용 노즐의 측단면도.
도 3은 도 2의 A 부분의 확대 단면도.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 제철공업로용 노즐은 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 노즐의 돌출부(6)의 측면부(7)와 선단부(8)에 용선 및 용융 슬래그에 대한 고온 화학적 내구성이 우수한 내화단열부재(1a)를 부설하여 고온의 용융물이 노즐 표면에 직접 접촉하는 것을 방지함으로써 융점이 1,083℃에 불과한 구리 재질의 노즐의 용융, 손상을 방지한다.

또한, 제철공업로 내부의 노즐 선단부의 온도는 2000℃이상의 초고온 상태이므로 내화단열부재(1a)가 설치되지 않은 일반 노즐의 경우, 노 내부 초고온 영역에서 노즐 돌출부의 표면에 방사되는 복사열에 의해 배출되는 냉각수의 온도가 유입 시 보다 4~8℃ 가량 상승하게 된다. 냉각수 유량이 1~3톤/분인 것을 감안하면 냉각수 가열에 의해 손실 되는 열량은 엄청난 양임을 알 수 있다. 따라서, 냉각수라인(4)을 통해 흐르는 냉각수 가열 현상을 효과적으로 억제하기 위하여는 본 발명의 제철공업로용 노즐에서는 노즐의 돌출부(6)의 측면부(7)와 선단부(8)에 내화단열부재(1a)를 부설하여, 노즐 내부의 냉각수라인(4)을 통해 흐르는 냉각수에 의한 제철공업로의 열 손실을 저감시킨다.

이때, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 노즐의 제철공업로 외부로 노출되어 있는 부분에 탈착 방지용 돌기(21)가 형성되어 노즐의 장기 사용에 따라 노즐의 측면부(7) 및 선단부(8)에 형성된 링 형상의 내화단열부재(1a)가 노즐로부터 탈락되는 것을 방지함으로써 노즐의 수명을 증가시킬 수 있다.

여기서, 상기 돌기(21)의 형성은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐의 외면에 일정한 크기를 갖는 홈(23)을 형성하되, 상기 홈(23)의 내부에는 나사산을 가공하며, 상기 나사산이 가공된 홈(23)에 스터드와 같은 나사부재(22)를 결합시킨 구조로 이루어진다.

그리고, 본 발명에 따른 제철공업로용 노즐은 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 내화단열부재(1b)가 설치된 송풍라인(2)이 형성되어 있다. 이 송풍라인(2)을 통하여 제철공업로 내부(3)로 약 1,200℃의 고온의 공기를 공급 되고, 상기 송풍라인(2)의 외측에는 냉각수라인(4)이 형성되어, 냉각수 공급관(미도시)을 통해 공급되는 냉각수가 냉각수라인(4)를 거쳐 노즐내부로 유입되어 제철공업로 내부(3)의 고온에 의해 가열된 노즐의 온도를 강하시키고 배출구를 통해 배출된다. 내화단열부재(1b)가 설치되지 않은 일반 제철공업로용 노즐의 경우 1,200℃의 고온의 공기와 노즐 표면이 직접 접촉하게 되어 배출되는 냉각수의 온도는 유입시보다 보통 4~8℃ 가량 상승하게 된다. 이러한 냉각수 가열 현상에 의해 제철공업로 내부 열의 상당부분이 노 외부로 소실 된다. 본 발명의 송풍라인에 설치된 내화단열부재(1b)는 1,200℃의 고온의 공기와 노즐표면이 직접 접촉하는 것을 방지하여 냉각수 가열효과를 억제할 수 있어 상기 제철공업로의 열 손실을 대폭 저감시킬 수 있다.

한편, 상기 내화단열부재는 상기 측면부(7) 및 선단부(8)의 내화단열부재(1a)가 마그네시아 스피넬로 이루어지고, 상기 송풍라인 표면(9)의 내화단열부재(1b)는 마그네시아-알루미나 스피넬로 이루어지는 것이 바람직하다.

이는 제철공업로 내부의 노즐 측면부(7) 및 선단부(8)의 온도는 2000℃이상의 초고온 상태여서 내열성과 고온 화학적 내구성이 큰 내화단열부재가 요구되는 바, 마그네시아 스피넬의 경우 2,000℃이상의 고온까지 내성이 있고 균열이나 박락이 쉽게 발생하지 않는 등 내구성이 뛰어나기 때문에 본 발명의 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 내화단열부재로 적합하다.

또한, 송풍라인(2)을 통해 1,200℃의 고온의 공기뿐만 아니라, 고속으로 미분탄 등의 연료가 다량으로 함께 불어 들어와 송풍되기 때문에 열간에 있어서 마모가 상당히 큰 문제가 있다. 따라서, 상기 송풍라인 표면(9)에 장착된 내화단열부재(1b)는 마그네시아-알루미나 스피넬로 이루어진 것이 바람직 한 바, 이는 상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 치밀조직으로 이루어져 단열성이 높아 냉각수의 가열효과를 억제하여 열 손실을 대폭 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 고온 내마모성이 우수하여 열간 마모를 억제할 수 있기 때문이다.

게다가, 상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 다공성으로 이루어지고, 그 기공률은 5~25%인 것이 바람직한 바, 이는 상기 기공률이 5% 미만인 경우에는 내열 스폴링(spalling)성이 작아지고 기계적 마모로 인하여 균열이 발생될 수 있는 문제가 있고, 기공률이 25%를 초과하면 입자간의 결합성이 나빠질 수 있고 슬래그의 조직내 침투에 의한 변질층 생성이 발생할 수 있는 문제가 있기 때문이다.

여기서, 상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 중량%로 마그네시아 25~50%, 알루미나 50~75%의 성분 함량을 갖는 것이 바람직한 바, 알루미나 함량이 50% 미만이면 노즐의 송풍라인 표면(9)에 장착된 내화단열부재(1b)의 고온 내마모도가 저하되는 문제가 있고, 알루미나 함량이 75%를 초과하면 상대적으로 마그네시아 함량이 저하되기 때문에 목표로 하는 단열 효과를 얻을 수 없기 때문이다.

본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1a, 1b. 내화단열부재 2. 송풍라인
3. 제철공업로 내부(노내부) 4. 냉각수라인
6. 노즐의 노내부 돌출부 7. 측면부
8. 선단부 9. 송풍라인 표면
10. 제철공업로 20. 노즐
21. 돌기 22. 스터드
23. 홈
30. 관찰창 40. 고온의 공기
50. 송풍파이프 60. 고온 용융물
80. 제철공업로 내부로 노출된 부분 90. 벽체
H. 제철공업로 내부의 열

Claims (6)

1. 중앙부에 내부로 고온의 공기를 공급하는 송풍라인이 형성되고, 상기 송풍라인의 외측에 냉각수라인이 형성된 제철공업로용 노즐에 있어서,
   상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재가 형성되고,
   상기 노즐의 제철공업로 외부로 노출되어 있는 부분에 탈착 방지용 돌기가 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.
2. 제1항에 있어서,
   상기 돌기의 형성은 상기 노즐 외면에 홈을 가공하고, 상기 홈에 나사부재를 결합시킨 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.
3. 중앙부에 내부로 고온의 공기를 공급하는 송풍라인이 형성되고, 상기 송풍라인의 외측에 냉각수라인이 형성된 제철공업로용 노즐에 있어서,
   상기 노즐의 제철공업로 내부로 돌출된 부분의 측면부, 선단부 및 송풍라인 표면에 내화단열부재가 형성되되,
   상기 내화단열부재는 상기 측면부 및 선단부가 마그네시아 스피넬로 이루어지고, 상기 송풍라인 표면은 마그네시아-알루미나 스피넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.
4. 제3항에 있어서,
   상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 중량%로 마그네시아 25~50%, 알루미나 50~75%의 성분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.
5. 제3항에 있어서,
   상기 마그네시아-알루미나 스피넬은 다공성인 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.
6. 제5항에 있어서,
   상기 다공성 마그네시아-알루미나 스피넬의 기공률은 5~25%인 것을 특징으로 하는 장수명 에너지 절약형 제철공업로용 노즐.

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