KR101249056B1

KR101249056B1 - 유동 환원로의 환원가스 취입장치

Info

Publication number: KR101249056B1
Application number: KR1020110098524A
Authority: KR
Inventors: 김현수; 조민영; 김현용; 이종열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-01

Abstract

본 발명은 유동 환원로의 환원가스를 취입하는 장치에 관한 것으로, 통로가 형성된 분산판의 상부에 형성된 유동층에 환원가스를 공급하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 있어서, 상기 분산판의 상면에 부착되고 상기 통로와 연통되는 홀이 형성된 플랜지; 및 일단은 상기 플랜지에 결합되고, 타단은 상기 통로에 밀착형성되어 환원가스를 상기 유동층으로 유도하는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 노즐; 을 포함하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치를 제공하여, 환원가스에 포함된 용융 알칼리 염화물이 유동 환원로 분산판 노즐 표면에 부착되는 것이 억제되어 유동 환원로 조업이 안정되고 장기간 조업이 가능해진다. 또한, 환원가스의 온도를 증가시켜 광석 환원률을 높임으로써 연료비를 저감시킬 수 있다.

Description

유동 환원로의 환원가스 취입장치{BLOWING APPARATUS OF REDUCTION GAS FOR FLUIDIZED REDUCTION FURNACE}

본 발명은 유동 환원로 내에 환원가스를 공급하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용선 제조설비의 유동 환원로에서 용융 알칼리 염화물 부착을 억제하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 관한 것이다.

파이넥스(FINEX) 용선 제조설비는 크게 철광석을 환원시키는 유동 환원로와, 내부에 석탄 충진층을 구비하고 환원된 철광석을 제공받아 이를 용융시키는 용융로로 구성된다. 용융로에는 석탄의 연소에 의해 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)를 주성분으로 하는 환원력이 강한 가스가 발생하므로, 이를 유동 환원로에 환원가스로서 공급한다.

이러한 파이넥스 공정은 일반탄과 철광석을 최초 채광한 상태에서 입도만 분리하여 그대로 사용하므로 종래 제철법인 고로법에 비해 연료비가 적게 들고 환경 오염이 적은 장점이 있다.

도 1은 일반적인 파이넥스 용선 제조설비의 개략도인데, 용융로(10)의 상부는 대략 1,000℃ 이상의 고온 조업이 이루어지는 곳이므로 장입되는 석탄의 열분해 등에 의해 다량의 분진이 발생한다. 용융로(10)의 환원가스는 핫 사이클론(45)에서 90% 이상 포집되어 용융로(10)에 다시 투입되나, 포집되지 못한 분진은 유동 환원로(21, 22, 23)에 유입된다. 상기 유동 환원로(21, 22,23)에 유입되는 환원가스는 분진을 포함하고 있는데, 분진은 석탄의 열분해 잔류물과 함께 미립의 환원철 및 알칼리 염화물 등을 포함한다.

고온의 환원가스는 유동 환원로(21, 22, 23)에 설치된 분산판(26)을 거쳐 유동층(27)으로 공급된다.(도 2 참조) 상기 분산판(26)에는 수백 개의 가스 통과용 노즐(51)이 일정 간격으로 설치되어 환원가스를 유동층(27)으로 균일하게 분산시킨다. 그런데 분진을 함유한 환원가스가 노즐(51)을 통과하는 과정에서 액상 또는 기상으로 존재하는 알칼리 염화물 등이 노즐 표면을 부식시켜 노즐 표면을 거칠게 함으로써 이물질 부착을 용이하게 한다.

또한, 알칼리 염화물은 고온에서 액상으로 존재하여 점착력을 지니므로 노즐 표면에 이물질로 부착된다. 상기 노즐(51) 표면에 부착된 이물질은 조업이 진행되는 과정에서 점차 성장하여 최악의 경우 노즐 막힘을 유발한다. 노즐(51)의 일부가 막히면 환원가스의 흐름이 일부 영역으로 집중되므로 환원가스가 공급되지 않는 영역에서 환원광이 누적되어 정체층을 형성하게 된다. 이때 유동 환원로(21, 22, 23)의 상하부의 압력 차이를 측정하는 차압계(28)가 설치되어 분산판(26)의 통로(29)가 막힌 상태인지를 판단한다.(도 2 참조)

상기와 같이 유동 환원로(21, 22, 23)는 철광석을 유동시키면서 환원시키는 기능을 수행할 수 없는 경우 유동 환원로(21, 22, 23)의 조업을 중단하고, 이물질이 부착된 노즐을 교체해야 하는 불편함이 있다. 또한, 노즐에 알칼리 염화물이 액상으로 부착되는 것을 방지하기 위하여 유동 환원로(21, 22, 23)의 온도를 알칼리 염화물의 융점 이하로 낮게 유지하는 경우에는 광석 환원률이 낮아지는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 유동 환원로의 분산판 노즐 막힘을 유발하는 점착력이 높은 용융 알칼리 염화물이 노즐 표면에 부착하지 못하도록 하여 유동 환원로에서의 안정적인 조업을 가능하게 하며, 유동 환원로에 투입되는 환원가스의 온도를 높여 광석 환원률을 향상시킴으로써 연료비를 낮출 수 있는 유동 환원로의 환원가스 취입장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 통로가 형성된 분산판의 상부에 형성된 유동층에 환원가스를 공급하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 있어서, 상기 분산판의 상면에 부착되고 상기 통로와 연통되는 홀이 형성된 플랜지; 및 일단은 상기 플랜지에 결합되고, 타단은 상기 통로에 밀착형성되어 환원가스를 상기 유동층으로 유도하는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 노즐; 을 포함하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 플랜지와 노즐은 나사결합에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 노즐은 환원가스가 유입되는 방향으로 반경이 점점 작아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 노즐의 테이퍼 각도는 90°이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 노즐의 내부에는 철심이 삽입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 플랜지의 하단은 상기 플랜지가 상기 통로에 밀착고정되도록 보호턱이 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 통로가 형성된 분산판의 상부에 형성된 유동층에 환원가스를 공급하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 있어서, 상기 분산판의 상면에 부착되고 상기 통로와 연통되는 홀이 형성되는 플랜지; 상기 플랜지와 일체로 형성되고 상기 통로에 밀착형성되도록 테이퍼 형상을 갖는 외부 노즐; 및 상기 외부 노즐의 내주면에 부착되어 환원가스를 상기 유동층으로 유도하는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 내부 노즐; 을 포함하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 환원가스에 포함된 용융 알칼리 염화물이 유동 환원로의 분산판 노즐 표면에 부착되는 것이 억제되어 유동 환원로 조업이 안정되고 장기간 조업이 가능해진다. 또한, 환원가스의 온도를 증가시켜 광석 환원률을 높임으로써 연료비를 저감시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 유동 환원로를 구비한 용선 제조설비의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동 환원로의 확대도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 노즐의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플랜지의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 플랜지 및 노즐이 분산판에 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명하되, 종래기술에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

먼저, 도 1은 일반적인 유동 환원로를 구비한 용선 제조설비의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동 환원로(21, 22, 23) 중 하나의 확대도이며, 도 3 내지 5는 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 확대도이다.

도 1을 참고하면, 파이넥스 용선 제조설비는 용융로(10)와 다단의 유동 환원로(21, 22, 23)를 포함한다. 유동 환원로(21, 22, 23)는 예열로(21), 예비 환원로(22) 및 최종 환원로(23)의 3단으로 구성될 수 있다. 최종 환원로(23)는 용융로(10)와 연결되고, 용융로(10)의 내부에는 석탄 충진층이 형성된다.

분철광석은 제1 내지 제4광석도관(31, 32, 33, 34)을 따라 예열로(21), 예비 환원로(22), 최종 환원로(23) 및 용융로(10)의 순서로 이동한다. 그리고 용융로(10)의 환원가스는 핫 사이클론(45)을 거쳐 제1 내지 제4가스도관(41, 42, 43, 44)을 따라 최종 환원로(23), 예비 환원로(22) 및 예열로(21)를 거쳐 제조설비 외부로 배출된다.

이때, 상기 분철광석은 제1광석도관(31)을 통해 예열로(21)에 장입되고, 제3가스도관(43)으로부터 공급된 환원가스에 의해 예열로(21) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층(27)을 형성하면서 예열된다. 분철광석은 이후 제2광석도관(32)을 통해 예비 환원로(22)에 장입되고, 제2가스도관(42)으로부터 공급된 환원가스에 의해 예비 환원로(22) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층(27)을 형성하면서 예비 환원된다.

상기 예비 환원된 분철광석은 제3광석도관(33)을 통해 최종 환원로(23)에 장입되고, 제1가스도관(41)으로부터 공급된 환원가스에 의해 최종 환원로(23) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층(27)을 형성하면서 최종 환원된다. 상기 최종으로 환원된 환원광은 제4광석도관(34)을 통해 용융로(10)에 장입되며, 석탄 충진층 내에서 용융되어 용선으로 전환된다. 이때, 예열로(21) 내부의 환원가스는 제4가스도관(44)을 거쳐 설비 외부로 배출된다.

도 2를 참조하면, 내화 벽돌로 이루어진 상기 분산판(50) 위에 분철광석의 유동층(27)이 위치한다. 상기 분산판(50)에는 수백 개의 환원가스 취입용 노즐(51)이 일정 간격으로 형성되어 가스도관(41, 42, 43)을 통해 유입되는 환원가스를 유동층(27)으로 균일하게 분산시킨다. 상기 분산판(26)은 환원가스가 유입되는 다수의 통로(29)가 형성되어 있으며, 상기 각각의 통로(29)와 연통되는 홀(56)을 갖는 플랜지(50)가 상기 분산판(26)의 상면에 밀착 고정되도록 부착된다.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 환원가스 취입장치에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 제1실시예에서의 상기 노즐(51)은 일단이 상기 플랜지(50)에 결합되고, 타단은 상기 통로(29)에 밀착형성되어 환원가스를 상기 유동층(27)으로 유도하며, 그라파이트(graphite) 재질로 되어 있다. 이때, 상기 각 노즐(51)과 연통되는 원통 모양의 통로(29)가 형성되어 노즐(51)을 개방시키도록 되어 있다.

즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 유동 환원로의 환원가스 취입장치는 상기 분산판(26)의 상면에 부착되고 상기 통로(29)와 연통되는 홀(56)이 형성되는 플레이트 형상의 플랜지(50)와, 상기 홀(56)과 이어지면서 상기 플랜지(50)로부터 환원로 본체(25)의 하부를 향해 돌출되는 노즐(51)을 포함한다. 상기 플랜지(50)와 노즐(51)은 결합부(54)에 의해 이루어지며, 상기 결합부(54)는 일례로 나사결합을 들 수 있다.

상기 노즐(51)은 상기 플랜지(50)로부터 멀어질수록 내경과 외경이 점진적으로 커지는 모양으로 형성된다. 즉, 상기 노즐(51)은 환원가스와 가장 먼저 접하는 하측 단부로부터 상기 플랜지(50)에 가까워질수록 내경과 외경이 점진적으로 작아지는 테이퍼 형상을 갖는다. 상기 노즐(51)의 테이퍼 각도(α)는 180°보다 작으면 되지만 상기 테이퍼 각도가 커지면 환원가스의 마찰 저항이 커진다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼 각도는 90°이하로 하여 내마모성을 증대시켰다. 상기 각도는 본 발명의 일실시예에 불과하므로 이에 한정할 것은 아니다. 또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐(51)의 두께(t)는 약 10mm 정도이다.(도 3 참조)

상기 환원로 본체(25)에 유입되는 환원가스에는 석탄의 열분해 잔류물과 미립의 환원철 및 알칼리 염화물 등의 분진이 포함되어 있다. 환원가스에 포함된 분진은 분산판(50)의 노즐(51)을 통과하면서 노즐(51) 내벽에 이물질로 부착된다. 특히 염화칼륨(KCl) 또는 염화나트륨(NaCl)과 같은 알칼리 염화물은 고온에서 액상으로 존재하여 점착력을 지니므로 노즐(51) 표면에 이물질로 부착될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 노즐(51) 부분을 알칼리 염화물과 반응성 및 젖음성(Wettability)이 낮은 그라파이트(graphite)로 제작하여 염화물이 노즐(51)에 부착되는 것을 억제하였다.

도 3은 그라파이트로 만들어진 노즐(51)과 SUS 310으로 만들어진 플랜지(50)의 결합부(54)를 나선형으로 만들어 노즐(51)과 플랜지(50)의 조립이 용이하도록 한 것을 나타낸 것이다. 이들은 고온에서 플랜지(50)와 노즐(51)의 침탄을 통해 결합력이 증대되도록 하였다.

또한, 플랜지(50)의 하단은 상기 분산판(26)의 통로(29)에 삽입되어 노즐(51)이 견고하게 분산판(26)에 결합될 수 있도록 보호턱(58)이 형성되며, 상기 보호턱(48)에 의하여 노즐(51)과 분산판(26) 사이의 공간에 먼지 등의 이물이 쌓이는 것을 방지하였다. 상기 보호턱(58)은 탈부착시 비틀림에 의한 노즐(51)의 파손을 방지하는 기능도 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 내에 철심이 부착된 상태를 도시한 것인데, 노즐(51)에 철심(57)를 삽입하여 그라파이트 부분의 기계적 충격에 대한 저항을 강화하였다. 본 발명의 실시예에 따른 환원가스 취입장치 교환을 위해 이전에 사용한 노즐(51)을 제거할 경우 노즐(51) 부위가 파손되어 분산판(26)간의 빈 공간인 통로(29)를 막을 수 있으므로 그라파이트로 만들어진 노즐(51) 부위가 균열이 발생할 경우 내부에 박혀있는 철심(57)이 균열에 의해 생긴 노즐 파편이 탈락되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.

또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플랜지의 평면도이고, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 노즐이 분산판의 통로에 결합된 모습을 나타낸 것인 것이다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 유동 환원로의 환원가스 취입장치는 상기 분산판(26)의 상면에 부착되고, 상기 통로(29)와 연통되는 홀(56)이 형성되는 플레이트 형상의 플랜지(50)와, 상기 플랜지(50)와 일체로 형성되고 상기 통로(29)에 밀착형성되도록 상기 홀(56)로부터 멀어질수록 내경이 증가하는 테이퍼 형상을 갖는 외부 노즐(51b)와, 상기 외부 노즐(51b)의 내주면에 부착되어 환원가스를 유동층(27)으로 유도하는 그라파이트 재질의 내부 노즐(51a)을 포함하여 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 내부 노즐(51a)만을 그라파이트로 제작하여 노즐(51) 교환을 위해 취외시 노즐 외부(51b)에 가해지는 물리적 충격으로부터 그라파이트 재질의 내부 노즐(51a)을 보호할 수 있고, 반대로 화학적 부식에 대해서는 내부 노즐(51a)이 외부 노즐(51b)을 보호할 수 있도록 한다.

본 발명의 제2실시예도 역시 상기 제1실시예에서와 같이 노즐(51)의 테이퍼 각도(α)는 90°이하로 하고, 내부 노즐(51a)의 내부에는 철심(57)이 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 플랜지(50)의 가장자리 일측에는 결합공(53)이 형성되어 있어 볼트 등에 의해 플랜지(50)를 분산판(26)에 결합 또는 분리할 수 있도록 한다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 용융로 21: 예열로
22: 예비 환원로 23: 최종 환원로
25: 환원로 본체 26: 분산판
27: 유동층 28: 차압계
29: 통로 31,32,33,34: 광석도관
41,42,43,44: 가스도관 45: 핫 사이클론
50: 플랜지 51: 노즐
51a: 내부 노즐 51b: 외부 노즐
53: 결합공 54: 결합부
56: 홀 57: 철심
58: 보호턱

Claims

통로가 형성된 분산판의 상부에 형성된 유동층에 환원가스를 공급하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 있어서,
상기 분산판의 상면에 부착되고 상기 통로와 연통되는 홀이 형성된 플랜지; 및
일단은 상기 플랜지에 결합되고, 타단은 상기 통로에 밀착형성되어 환원가스를 상기 유동층으로 유도하는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 노즐;
을 포함하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제1항에 있어서,
상기 플랜지와 노즐은 나사결합에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐은 환원가스가 유입되는 방향으로 반경이 점점 작아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제3항에 있어서,
상기 노즐의 테이퍼 각도는 90°이하인 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐의 내부에는 철심이 삽입되는 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제1항에 있어서,
상기 플랜지의 하단은 상기 플랜지가 상기 통로에 밀착고정되도록 보호턱이 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
통로가 형성된 분산판의 상부에 형성된 유동층에 환원가스를 공급하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치에 있어서,
상기 분산판의 상면에 부착되고 상기 통로와 연통되는 홀이 형성되는 플랜지;
상기 플랜지와 일체로 형성되고 상기 통로에 밀착형성되도록 테이퍼 형상을 갖는 외부 노즐; 및
상기 외부 노즐의 내주면에 부착되어 환원가스를 상기 유동층으로 유도하는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 내부 노즐;
을 포함하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제7항에 있어서,
상기 테이퍼 형상의 테이퍼 각도는 90°이하인 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.
제7항에 있어서,
상기 내부 노즐의 내부에는 철심이 삽입되는 것을 특징으로 하는 유동 환원로의 환원가스 취입장치.