KR101261424B1 - 취련용 랜스 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차연소로 발생한 배가스에 의해 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지할 수 있는 취련용 랜스 노즐에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐은, 하면에 산소 가스가 분사되는 메인 홀이 형성되고, 측면에 산소 가스가 분사되는 서브 홀이 형성된 분사부; 및, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부를 포함하며, 상기 바디부의 외주면에는 지르코늄을 함유하는 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막이 형성된다.

Description

취련용 랜스 노즐{A Lance Nozzle for Blow-Refinement}

본 발명은 취련용 랜스 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차연소로 발생한 배가스에 의해 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지할 수 있는 취련용 랜스 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 전로에서는 산화 반응을 통해서 용강을 제조한다. 대부분의 산화 반응은 발열 반응이며 용선에 포함되어 있는 탄소, 실리콘, 망간 등의 산화를 통해서 후공정에서 요구하는 온도를 맞추게 된다. 그러나, 고철 사용량이 많을 경우에는 용선량이 적기 때문에 산화 반응에 필요한 탄소, 실리콘, 망간 등의 산화성 원소의 함유량도 적어지게 되어 전로에서는 열원이 부족한 현상이 발생하게 된다. 열원이 부족한 경우에는 페로 실리콘이나 흑연 브리켓과 같은 산화성 원소가 포함된 원료를 투입하여 부족한 열원을 보충하게 된다.

원료의 투입을 통해서 열원을 보상할 경우에는 몇 가지 문제점이 발생된다. 첫째 문제점은 취련 시간의 증가이다. 페로 실리콘에는 실리콘이 약 75% 포함되어 있고 흑연 브리켓에는 탄소가 약 80% 포함되어 있다. 실리콘의 경우에는 1kg 산화를 위해서는 산소가 0.8m³ 필요하며, 탄소의 경우에는 1kg 산화를 위해서는 산소가 0.93m³ 필요하다. 따라서, 열원부족으로 페로 실리콘이나 흑연 브리켓을 투입할 경우에는 투입량에 해당되는 만큼 취련 시간이 증가되고 이는 생산성 저하로 이어진다. 둘째 문제점은 원료비의 증가이다. 전로 정련에서 가장 중요한 것은 온도와 성분이다. 성분과 관련하여서는 인 성분의 제거가 전로 정련에서 매우 중요하다. 인 성분의 제거 과정에서는 아래의 반응식에서 볼 수 있듯이 슬래그 중에 포함된 칼슘 옥사이드(CaO)의 양이 중요하다.

[반응식 1]

2[P] + 5(FeO) + 3(CaO) = 3CaO·P₂O₅ + 5Fe

그러나 페로 실리콘을 투입하게 되면 실리콘 옥사이드(SiO₂)가 형성되고, 이 실리콘 옥사이드는 칼슘 옥사이드와 결합함으로써 인성분과의 반응에 기여할 수 있는 잉여 칼슘 옥사이드가 부족하게 된다. 따라서, 열원 부족으로 페로 실리콘을 투입할 경우에는 염기도(CaO/SiO₂) 2.5를 기준으로 생석회(CaO)를 보정하여 투입하게 되므로, 원료비용이 증가되고 있다. 또한 원료의 투입량이 많을수록 상부에서 취입되는 산소의 효율이 저하되어 취련 시간은 추가적으로 증가하게 된다.

한편, 고철을 다량 사용하는 조업에서 열원 부족에 대한 이러한 문제점을 해소하기 위해서 전로 산소 랜스 노즐에 추가의 홀을 형성하는 방법이 사용되었다. 이러한 방법으로 취련중 발생되는 CO 가스가 추가된 서브 홀에서 공급되는 산소와 반응하도록 하여 발생되는 열이 용강에 전열되도록 하였다.

도 1은 이러한 종래의 다공 산소 랜스 노즐의 예를 나타낸 단면도이다. 산소 랜스 노즐(2)은 다중관의 형태로서 내부에 산소 통로(8)를 가지며, 다중관 사이에는 냉매 통로(10)가 형성된다. 산소 랜스 노즐(2)은 산소 통로(8)로부터 산소가 공급되는 메인(Main) 노즐관(4)에 의하여 형성되는 메인 홀과 서브(Sub) 노즐관(6)에 의하여 형성되는 서브 홀을 갖는다.

메인 홀로 공급된 산소는 초음속으로 분사되어 용선 표면에 부딪히고 용선 표면에서는 반응식(2)와 같이 탈탄 반응이 진행되어 CO 가스가 발생된다. 이 CO 가스는 다시 반응식(3)과 같이 서브 홀로 공급되는 산소로 재연소 시킴으로써, 발생되는 산화 반응열을 용강에 전열시켜 용강의 온도를 상승시킨다. 고철의 다량 사용 조업에서 이러한 다공 산소 랜스 노즐을 적용함으로써 10~20도씨의 온도 상승 효과를 얻을 수 있었다.

[반응식 2]

C + 1/2O₂ → CO + 2,210 kcal/kg.Carbon

[반응식 3]

CO + 1/2O₂ → CO₂ + 7830 kJ/kg.Carbon

도 2는 종래의 다공 산소 랜스 노즐에서 서브 홀로 공급된 산소와 CO 가스가 반응하는 현상을 모식적으로 도시한 것이다. 그러나 서브 홀을 갖는 이러한 다공 산소 랜스 노즐은 서브 홀이 없는 기존의 일반 랜스 노즐에 대비하여 사용 수명이 대폭 단축되는 결과를 초래하였다. 그 이유는 다공 랜스 노즐의 서브 홀 상부 쪽에 날카롭게 파인 손상부가 발생하며, 이러한 손상 부위가 발생되면 내부 냉각수가 유출되어 더 이상 다공 랜스 노즐을 사용할 수 없게 되기 때문이었다. 도 3은 종래 다공 산소 랜스 노즐이 손상된 예를 도시한 사진이다.

일본공개특허 1996-199221호

본 발명의 일 기술적 과제는 이차연소로 발생한 배가스에 의해 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지할 수 있는 취련용 랜스 노즐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 취련용 랜스 노즐은,

하면에 가스가 분사되는 메인 홀이 형성되고, 측면에 가스가 분사되는 서브 홀이 형성된 분사부; 및, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부를 포함하며, 상기 바디부의 외주면에는 지르코늄을 함유하는 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막이 형성된다.

상기 세라믹 코팅막은 플라즈마 용사 코팅법으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 코팅막을 그루브(Groove) 타입으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 분사부의 하면으로부터 상기 서브 홀까지의 높이를 h라 할 때, 상기 세라믹 코팅막은 상기 서브 홀 중심으로부터 1.5h 내지 6.0h의 높이에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 코팅막의 두께는 1000 내지 3000㎛로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 코팅막의 두께는 1000 내지 3000㎛로 형성되되, 상기 서브 홀에서 멀어질수록 점진적으로 얇아지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 분사부는 구리(Cu)로 이루어지며, 상기 바디부는 강(steel)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시 형태에 의하면, 이차연소로 발생한 배가스에 의해 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에, 랜스 노즐의 손상에 의한 조업 장애를 줄일 수 있으며, 또한 랜스 노즐 교체에 따른 설비 가동 중단을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 취련용 랜스 노즐을 도시한 단면도,
도 2는 종래 기술에 따른 취련용 랜스 노즐에서 가스 반응하는 현상을 도시한 모식도,
도 3은 종래 기술에 따른 취련용 랜스 노즐이 손상된 예를 보여주는 사진,
도 4는 종래 기술에 따른 취련용 랜스 노즐에서 CO 가스의 순환 궤적을 보여주는 프로파일,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐을 도시한 정면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐을 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

본 발명에서는 종래의 취련용 랜스 노즐의 수명을 증가시키는 해결방안을 제시한다. 종래의 취련용 랜스 노즐에서 서브 홀의 상부에 손상 부위가 발생하는 현상은 도 2에서도 모식적으로 도시되었듯이 메인 홀로 공급되는 산소의 유속이 매우 빠르기 때문에 서브 홀로 공급되는 산소가 메인 홀 쪽으로 유입되는 현상이 발생되고 메인 홀에서 공급된 산소에 의해서 형성된 CO 가스가 서브 홀 상부까지 순환되어 올라감에 따라 서브 홀 상부의 온도가 급격히 증가하여 취련용 랜스 노즐의 용융 손상이 발생되는 것으로 분석되었다. 이러한 현상의 수치해석적 분석 결과는 도 4에 나타내었다. 도 4는 CO 가스가 서브 홀 상부의 이상 손상이 나타나는 위치로 순환되는 유속 궤적과 이로 인해 취련용 랜스 노즐이 손상되는 것을 나타내고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 취련용 랜스 노즐의 손상 현상을 방지하기 위하여 CO 가스가 밀집되는 궤적 부분에 세라믹 코팅막을 형성하는 방안을 제시한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐을 도시한 정면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐은, 하면에 산소 가스가 분사되는 메인 홀(110)이 형성되고 측면에 산소 가스가 분사되는 서브 홀(120)이 형성된 분사부(100)와, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부(200)를 포함한다. 여기서, 상기 바디부의 외주면에는 CO 가스에 의해 취련용 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지하기 위한 세라믹 코팅막(300)이 형성된다.

상기 분사부(100)는 랜스 노즐의 하단부에 형성되며, 산소 가스가 분사되는 메인 홀(110)과 서브 홀(120)을 구비한다. 상기 메인 홀(110)은 분사부(100)의 하면에 복수개로 형성된다. 바람직하게는 상기 메인 홀(110)은 상기 분사부(100) 하면의 가상의 동심원 상에 복수개로 형성된다. 상기 서브 홀(120)은 분사부(100)의 측면에 형성된다. 바람직하게는 상기 서브 홀(120)은 분사부의 하면으로부터 높이 방향으로 소정 높이 상승된 위치에 가상의 원형 띠를 따라 복수개로 형성된다. 또한, 본 실시예의 랜스 노즐은 다중관의 형태로서 내부에 산소 통로(8, 도 1 참조)가 형성되며, 다중관 사이에는 냉매 통로(10, 도 1 참조)가 형성된다. 상기 산소 통로는 상기 메인 홀(110) 및 서브 홀(120)과 연통되고, 메인 홀(110) 및 서브 홀(120)을 통해 산소 가스가 분사된다.

상기 바디부(200)는 분사부(100)의 상단부와 용접 등의 방법으로 결합 형성되며, 분사부(100)의 상단 테두리 형상과 대응되는 형상으로 형성된다. 바람직하게는 원통 형상으로 형성된다. 이때, 상기 분사부(100)는 용강면과 가까이 위치하여 산소 가스 분사시에 용강 탕면으로부터 발생하는 열을 많이 받으므로, 냉각이 빨리 이루어질 수 있도록 열전도율이 좋은 구리로 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 상기 바디부(200)는 상기 분사부(100) 보다는 열을 덜 받으므로 강(steel)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바디부(200)의 외주면 소정 위치에는 CO 가스에 의해 랜스 노즐이 손상되는 것을 방지하기 위한 세라믹 코팅막(300)이 형성된다. 상기 세라믹 코팅막(300)은 지르코늄(Zr)을 함유하는 내열 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 내열 금속은 예를 들어 ZrO2가 8% 함유된 지르코늄 계열의 금속일 수 있다. 상기 세라믹 코팅막(300)은 지르코늄 계열 내열 금속이 1000㎛ 내지 3000㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 코팅막(300)의 두께가 1000㎛ 미만이면 CO 가스에 의한 랜스 노즐의 손상을 충분히 방지할 수 없다. 한편, 분사되는 산소 가스에 의해 용강 탕면의 표면 부근에 있는 철을 함유하는 용강 성분이 튀어 올라서 랜스 노즐의 바디부 측면에 붙게 되는데, 세라믹 코팅막(300)의 두께가 3000㎛를 초과하면 튀어 오르는 용강 성분이 바디부 측면에 붙어서 성장할 수 있는 씨드 역할을 수행하기 때문에 3000㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 지르코늄 계열 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막(300)은 내열성을 향상시키기 위해 플라즈마 용사 코팅법으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 열에 의해 발생하는 열충격을 완화시키기 위해 상기 세라믹 코팅막(300)은 다수개의 미세한 홈이 길게 형성된 그루브 타입으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 코팅막(300)은 상기 바디부(200) 외주면의 소정 위치에 원형 띠 형상으로 형성되는데, 보다 구체적으로는 상기 분사부(100)의 하면으로부터 상기 서브 홀(120)까지의 높이를 h라 할 때, 상기 세라믹 코팅막(300)은 상기 서브 홀(120)의 중심으로부터 1.5h 내지 h의 높이에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 서브 홀(120)의 중심으로부터 1.5h되는 위치에 형성되는 가상원과, 서브 홀(120)의 중심으로부터 6.0h되는 위치에 형성되는 가상원 사이의 공간 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 영역은 CO 가스에 의한 랜스 노즐의 손상이 가장 빈번하게 발생하는 영역이기 때문이다. 한편, 서브 홀 중심으로부터 1.5h 내지 6.0h의 높이에 이르는 영역이 CO 가스에 의한 랜스 노즐의 손상이 가장 빈번하게 발생하는 영역이기는 하지만, 상기 영역에서도 CO 가스의 의한 손상 정도는 차이가 있다. 즉, 서브 홀(120)과 인접한 영역에서 손상이 더 크게 발생하며, 서브 홀(120)과 멀어질수록 손상이 덜 발생한다. 따라서, 서브 홀(120)에서 멀어질수록 점진적으로 얇아지도록 세라믹 코팅막(300)을 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 동일한 양의 원료 물질로 보다 많은 코팅막을 형성할 수 있기 때문이다.

상기와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐은 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.

먼저, 강(steel)으로 이루어진 바디부(200)의 외주면에 지르코늄 계열의 내열 금속을 원료 물질로 하여 플라즈마 용사코팅법으로 세라믹 코팅막(300)을 형성한다. 이때, 상기 세라믹 코팅막(300)을 다수개의 미세한 홈이 길게 형성된 그루브 타입으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 세라믹 코팅막(300)을 바디부(200)의 하단에서 상단 쪽으로 갈수록 점진적으로 얇아지도록 형성할 수 있다.

그 다음, 상기 바디부(200)를 메인 홀(110)과 서브 홀(120)이 형성된 분사부(100)와 용접하여 접합함으로써 본 실시예에 따른 취련용 랜스 노즐의 제조가 완성된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 취련용 랜스 노즐을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100 : 분사부 110 : 메인 홀
120 : 서브 홀 200 : 바디부
300 : 세라믹 코팅막

Claims (7)

1. 하면에 가스가 분사되는 메인 홀이 형성되고, 측면에 가스가 분사되는 서브 홀이 형성된 분사부; 및, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부를 포함하며,
   상기 바디부의 외주면에는 지르코늄을 함유하는 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막이 형성되고,
   상기 분사부의 하면으로부터 상기 서브 홀까지의 높이를 h라 할 때, 상기 세라믹 코팅막은 상기 서브 홀 중심으로부터 1.5h 내지 6.0h의 높이에 형성되는 취련 용 랜스 노즐.
   
2. 하면에 가스가 분사되는 메인 홀이 형성되고, 측면에 가스가 분사되는 서브 홀이 형성된 분사부; 및, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부를 포함하며,
   상기 바디부의 외주면에는 지르코늄을 함유하는 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막이 형성되고,
   상기 세라믹 코팅막의 두께는 1000 내지 3000㎛로 형성된 취련용 랜스 노즐.
   
3. 하면에 가스가 분사되는 메인 홀이 형성되고, 측면에 가스가 분사되는 서브 홀이 형성된 분사부; 및, 상기 분사부와 결합 형성되는 원통 형상의 바디부를 포함하며,
   상기 바디부의 외주면에는 지르코늄을 함유하는 내열 금속으로 이루어진 세라믹 코팅막이 형성되고,
   상기 세라믹 코팅막의 두께는 1000 내지 3000㎛로 형성되되, 상기 서브 홀에서 멀어질수록 점진적으로 얇아지도록 형성된 취련용 랜스 노즐.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 세라믹 코팅막은 플라즈마 용사 코팅법으로 형성된 취련용 랜스 노즐.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 세라믹 코팅막을 그루브(Groove) 타입으로 형성된 취련용 랜스 노즐.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 분사부는 구리(Cu)로 이루어지며, 상기 바디부는 강(steel)으로 이루어진 취련용 랜스 노즐.
   
7. 삭제

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