KR101319215B1 - 용광로와 트위어 및 냉각 시스템 - Google Patents

용광로와 트위어 및 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 냉각 시스템은 주의 깊게 제어된 방향전환 반경과 프로파일을 갖춘 가공품에 냉각수용 서펜타인 통로 주물로 이루어진다. 개별적으로 맞물려 있는 배플은 냉각수 유동 평면에서 배플의 말단부에 둥글고 두꺼운 벽을 갖추도록 형성된다. 이 방향전환부에 외측 반경은 냉각수 유동이 와류로 소용돌이치지 않도록 둥글게 제어된다.

Description

용광로와 트위어 및 냉각 시스템 {BLAST FURNACE TUYERE COOLING}
본 발명은 설비의 가스 및 액체 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 용광로 트위어(tuyere)의 냉각수용 서펜타인(serpentine) 통로를 통해 고속으로 유동하는 냉각수에서 와류현상을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
효과적인 냉각은 다양한 유형의 산업설비 및 기계에서 광범위하게 필요로 하고 있다. 만약 냉각이 허용 범위 이내에서 작동온도를 유지하기 위해 사용되지 않는다면, 엔진과 용융로(smelting furnace) 및 다른 장치들은 자신을 충분히 파괴할 수 있을 정도의 열을 생산할 수 있다. 냉각 혹은 열전달은 열복사와 열전도 및 열대류의 3가지 모드(mode)로 가능하게 된다. 일반적인 차량 및 트럭은 워터 제트(water jet)와 라디에이터(radiator)를 통해 순환되는 냉각수를 사용하여 200℉ 하의 엔진 작동온도를 유지한다. 냉각수에 대류로 집결된 초과열은 라디에이터를 통해 분출되는 공기로 전달된다.
유체와 가스 냉각기는 야금로(metallurgical furnace), 용융물의 응고를 위한 주형, 버너, 렌스(lence), 전극 클램프, 철 제련 용광로에 트위어 송풍 노즐 등에서 광범위하게 사용된다. 가장 공용으로 사용되고 있는 냉각 매질은 송풍, 순환수, 오일, 합성오일이다.
냉각 통로는 드릴링, 기계가공(machining), 혹은 주조에 의해 내부 금속 부품으로 제작될 수 있다. 한 재질의 냉각수 파이프는 다른 재질의 용적부(bulk) 내에서 주조될 수 있거나, 종래의 자동차 엔진 블록과 같이 통로가 얇은 벽면 가공법(thin wall techinques)를 사용하여 내부에서 주조될 수 있다. 예컨대, 구리-니켈 파이프는 벌크(bulk) 구리 부품 내부에서 주조될 수 있다.
복잡한 냉각 패턴이 요구되는 경우에, 드릴링이 사용될 수 없으며 드릴링은 직선형 냉각통로에서 제한적으로 적용된다. 파이프 주조법은 더욱 복잡한 통로 배치를 허용하지만, 파이프로 달성되는 통로 형상과 배치는 파이프 크기, 결합, 굴곡, 및 용접 상태로 제한된다. 추가적으로, 파이프 주조 실행에 사용되는 효과적인 냉각은 표준 굴곡 크기로 제한된다. 예컨대, 쇼트 라디우스 180°리턴(short radius 180°return)을 갖춘 1 인치 스케쥴(schedule) 40 직경 파이프에서, 파이프들 사이에 중심-중심 거리는 공칭 지름의 2배 혹은 2인치이다. 하지만, 파이프의 내경은 1.049인치이다. 만약 파이프가 주조에 의해 결합되면, 냉각 채널의 폭은 최소 중심간의 공칭 치수벌크를 기초로 하여 벌크(bulk)의 50% 이하이다.
파이프의 둥근 단면은 유효 냉각 채널 영역을 축소하여 유량을 줄인다. 사각 단면은 가용할 수 있는 벌크 영역을 더 충전시킬 것이다.
순수 주조(pure casting)는 중공(cored) 혹은 기계가공 패턴을 사용하여 제작될 수 있으며 전형적인 냉각 통로는 얇은 벽면 배플(baffle)을 구비한 서펜타인 패턴을 가장 일반적으로 사용한다. 하지만, 이러한 단순 설계는 냉각수가 각각의 루프에서 방향전환되는 곳을 지나는 냉각수 유동에서 심각한 와류 현상을 발생시키고, 냉각수 속도가 매우 높은 수준으로 밀쳐질 때에 문제점이 증폭된다. 냉각 균일성은 이들 와류 현상이 현저하게 나타날 때 매우 효과적으로 허용된다. 와류 현상을 제어하기 위해, 냉각기의 행적은 다른 변화없이 지속될 수 있다.
중공의 수로를 갖춘 냉각기는 단일 부품으로 제작될 수 있다. 하지만, 하나의 중대한 복잡성을 갖는다. 샌드 코어(sand core)가 어떻게든 주형에 위치되어 주물이 부어지는 동안에 물 통로를 형성한다. 이는 일반적으로 하는 모래에 지지대를 구비해야만 한다는 것을 의미한다. 이러한 지지대는 후속의 주조과정에서 추후 막히거나 폐쇄되는 구멍을 생성한다.
소위 "누설 방지(leak tightness)"는 냉각기 주조의 관심사이다. 동적 가스 마이크로 유동 측정은 유동 경로 혹은 마이크로 채널의 누설을 감지하는 데에 사용될 수 있다. 이는 재질에 핀홀(pinhole)을 감지하고 찾는다. 부품을 냉각시키는 금속 가스 혹은 유체에 누설 방지는 뜨거운 면을 열간 가공 혹은 단조하여 금속 결정 입자 크기를 세밀하게 하여 향상시킬 수 있다. 예컨대, 주조 구리용 평균 입자 크기는 열간 압연, 열간 성형 등을 사용하여 대략 10밀리미터에서 1밀리미터 이하로 줄일 수 있다. 그런 다음에, 노출된 수로는 작업 부분의 일면에서 밀링된다. 커버 플레이트 혹은 제2부품은 수로를 완전히 하고 밀링처리된 부품을 마감처리하는 데에 필요하다.
둥근 모서리를 갖춘 사각 단면형상의 냉각수 통로는 부품 내부에서 가용할 수 있는 높이와 폭에서 더 높은 비율로 점령한다. 이는 중공 혹은 기계가공된 냉각 채널을 갖춘 주조에 전반적으로 가능하고 유용하다. 냉각기는 금속 소모를 저감하는 방식으로 제작되고, 냉각 효율은 비례해서 증가한다.
냉각수 통로 내부에 대형 표면적은 열전달량을 현저하게 증가시킬 수 있다. 하지만, 종래의 주물에 유체 냉각수 내에 유수체계는 꽤 결함이 있다. 냉각수에 형성되는 와류는 냉각수가 배플 단부로 방향전환되는 고물(aft) 지점으로 유동한다. 그런 다음에, 냉각수가 작은 사이클 내에서 비효율적으로 회전하기 때문에 열점이 발생할 수 있고 임의로 흡수된 열을 운반할 수 없게 된다. 이 열점에서 열은 냉각수를 끓일 수 있을 정도로 충분히 높을 수 있고, 부품과 연결 파이프의 손상을 유발시킬 수 있다.
더욱 향상된 배플이 요구되고, 비효율성 와류와 고속으로 유동하는 냉각수로 인한 파손을 제거할 수 있는 통로 설계를 요구하게 된다.
요약해서, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템은 가공품 내부에 주조 혹은 밀링처리된 냉각수용 서펜타인 통로 내부에서 제어된 방향전환 반경과 프로파일을 구비한다. 개별적으로, 서로 맞물려(interdigitated) 있는 배플은 냉각수 유동의 평면에서 점진적으로 두꺼워지고 말단부를 둥글게 형성하는 벽면을 갖춘 윤곽을 형성한다. 이 방향전환부에 외측 반경은 유사하게 둥글게 형성되고 제어되어 냉각수 유동이 와류로 소용돌이치지 않을 것이다.
본 발명의 목적과 장점은 다양한 참조도면에 도해된 바람직한 실시예의 상세한 설명을 이해한 이후에 종래기술의 숙련자들에게도 명백하게 이해될 수 있을 것이다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 서로 맞물려 있는 배플과 이 배플의 말단부로 갈수록 두께를 두껍게 형성하여 서펜타인 루프를 통해 유동하는 냉각수의 와류현상을 미연에 방지할 수 있도록 한다.
도 1a는 내부에 냉각수용 서펜타인 통로의 일반 평면에 따라 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템의 단면도이다.
도 1b는 내부에 냉각수용 서펜타인 통로의 일반 평면을 가로질러 도 1a의 1B-1B 선에 따른 냉각 시스템의 단면도이다.
도 1c는 다수의 배플의 단부가 두꺼워지는 내부에서 냉각수용 서펜타인 통로의 일반 평면을 가로질러 도 1a의 1C-1C 선에 따른 냉각 시스템의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 5a 내지 도 5e, 및 도 6의 트위어와 냉각기 및 냉각 시스템을 제작하는 본 발명의 실시예에 따른 유사 방법의 플로우차트이다.
도 3은 도 4a와 도 4b 및 도 4c의 트위어를 구비할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 용광로의 단면도이다.
도 4a는 도 3의 용광로에 유용한 본 발명의 실시예에 따른 트위어의 배면도이다.
도 4b는 도 4a의 트위어를 길이방향으로 절취한 단면도이다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b의 트위어의 원뿔형 몸체의 일부와 이 도면을 위한 플랫을 배치한 측단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 냉각기 플레이트의 사시도와, 광폭 단부면도, 평면도, 협폭 단부면도, 및 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 기계가공된 냉각기 또는 주물에 배치될 냉각수 통로의 진행 방향을 바꾸는 서펜타인 루프의 평면에 따른 단면도이다.
본 발명은 다양한 변형과 다른 형태로 적용가능하며, 본 발명의 특징은 첨부도면의 실례로 도시되고 상세히 기술될 것이다. 하지만, 본 발명은 기술된 특정 실시예에 본 발명을 국한하지 않는다. 이와 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위로 제한된 본 발명의 범주와 범위 내에서 모든 변형과 동일 및 선택을 포괄한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템을 도시한 것으로, 이 냉각 시스템은 참조부호 100으로 명기된다. 냉각 시스템(100)은 순환하는 유체 냉각수를 위한 서펜타인 통로(106)에 유입부(104)를 갖춘 캐스트 메탈 가공품(102)으로 이루어진다. 서펜타인 통로(106)에 제1방향전환부는 서펜타인 통로(106)의 일반 평면에 대해서 방향전환부의 내측 반경(108)과 방향전환부의 외측 반경(110)을 구비한다. 내측 반경(108)과 외측 반경(110)은 냉각수 유동에서 출현하는 와류(112)를 제거하거나 실질적으로 줄일 수 있는 크기와 형상을 가진다. 이러한 와류(112)는 이 지점과 종래 설계의 하류에서 종종 출현한다. 와류(112)는 냉각수를 불필요하게 순환 회전시켜 흡수하거나 함유하고 있는 자체 열을 방출할 수 없다.
일반적으로, 확장형 방향전환부에서 방향전환 반경의 제작으로 냉각수 유동에 와류(112)를 제거할 것이다. 하지만, 이러한 증가는 주물 재료의 벽을 두껍게 하여 부정적 측면을 고려해야만 한다. 열전달 성능은 매우 많은 순환을 겪게 될 수 있다. 와류 현상 저감의 최적 균형과, 벽 두께의 증가와 열전달 효율의 저감을 위해 열전달 효율 향상을 찾아내는 하나의 방식은 전산유체역학 모델링 소프트웨어를 사용하여 모의실험을 하는 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조로 하여, 제1 서펜타인 루프(114)는 제1배플(116) 둘레를 돌아 제2 서펜타인 루프(118)로 방향전환한다. 배플(116)은 2개의 외측 반경 모서리부(120,121)에 대향하고 있는 반경 단부(119)를 향해 점차적으로 두꺼워진다. 이러한 반경 단부(119)와 반경 모서리부(120,121)는 만약 방향전환부가 매우 가파르고 급격하면 냉각수 유동에서 형성되는 임의의 와류(124)를 제거하거나 실질적으로 줄이도록 형성된다.
선택적으로 비용 절감 측면의 제조방법에서, 배플(116) 및 이와 유사한 구성부재들은 일정한 두께의 벽을 가지는 대신에 반경 단부(119)에 근접해서 눈물방울 프로파일로 넓혀진다. 마주보고 있는 2개의 외측 반경 모서리부(120,121)는 눈물방울 프로파일과 일치되어 냉각수 유동이 방향전환되면서 와류를 저감한다.
연속적인 일련의 배플(126~131)은 서펜타인 통로(106)에 배치되어 후속의 일련의 서펜타인 루프(132~137) 중 각각의 서펜타인 루프에서 순환하는 유체 냉각수의 부가적인 방향전환을 제공된다. 각각의 방향전환은 냉각수 유동에서 와류(138~143)의 형성을 유발한다. 이러한 와류는 서펜타인 통로(106)와 같은 동일 평면에서 소용돌이치게 도시된다.
각각의 배플(126~131)은 또한 말단부(144~149)를 향해 점차적으로 두꺼워지며 반경 단부에서 마감처리된다. 서로 마주보도록 대응하는 외측 모서리부는 반경 모서리부(120,121)와 유사하다. 결국에, 냉각수는 유출부(150)를 통해 칠러(chiller)로 배출된다.
일반적으로, 와류가 캐스트 메탈 가공품(102) 가까이에서 냉각 성능을 저감한다. 본 발명의 실시예에 따른 트위어를 고려한 용광로에서, 임의의 지점에서 냉각 성능의 손실은 주변의 고온 환경으로 자극되어 대규모 손상을 유발시킬 수 있다.
전산유체역학(Computational fluid dynamics;CFD)은 유체 유동에서 유발되는 문제점을 해결하고 분석하기 위한 수치 방법과 알고리즘을 사용하는 유체역학의 일 분야이다. 컴퓨터는 경계조건으로 한정된 표면을 가진 유체의 상호작용을 모의실험하는데 필요한 계산을 수행한다. 냉각 시스템의 선택 지점 혹은 모델링 셀에서 유체 속도와 열전달 성능을 사용자에게 보고할 수 있는 특정 소프트웨어가 시중에서 구매가능하다. 예컨대, ANSYS사(펜실베이니아주 캐넌즈버그 소재)에서 생산된 ANSYS CFX 소프트웨어는 통로 유체 유동 모델링 CFD와 공학적 서비스를 제공한다. www.ansys.com/products/fluid-dynamics/cfx/ 참조. 본 발명의 실시예가 조립되어 사용될 경우에, 냉각수 내에 임의의 와류(112,124, 138~143)의 관찰은 정지 속도 혹은 와류를 갖도록 계산된 모델링 셀로 드러난다.
도 1b 및 도 1c에서, 서펜타인 통로(106)의 각 루프(114,118 그리고 132~137)는 일반적으로 사각 단면형상을 갖출 수 있다. 서펜타인 통로(106)의 단면적은 주어진 실례에 적용가능하도록 일정하게 유지된다. 만약 서펜타인 통로(106)가 임의의 지점에서 협소 혹은 넓어져야만 한다면, 와류의 생성을 유발하지 않도록 점진적인 변이가 이루어져야 한다.
도 2a는 도 1의 냉각 시스템(100)을 제작하는 데에 사용될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 제작 방법을 도시하고 있으며, 이 방법은 참조번호 200으로 명기된다. 방법(200)은 냉각 시스템 내부에서 작동할 수 있는 환경과 필요로 하는 성능을 한정하는 적용 요건(202)으로 시작된다. 이러한 요건은 예컨대 외부 열부하 , 유입압력 등을 구비할 수 있다. 설계 제한(204)은 냉각 시스템 설계에서 가용할 수 있는 재질과 크기를 추가로 제한한다. 초기 설계(206)는 프로토타입(prototype) 혹은 모체(archetype)를 나타내고, 도 1a 내지 도 1c, 도 4a 내지 도 4c, 도 5a 내지 도 5e, 및 도 6에 도시된 바와 같이 완화하는 내측 모서리부와 둥근 배플 단부를 구비할 것이다.
적당한 컴퓨터 시스템 플랫폼에서 작동하는 ANSYS CFX와 같은 전산유체역학 모델링 소프트웨어(208)는 반복 적용되는 특정 설계를 위해 열전달과 속도의 모의시험을 실시한다. 단계(210)는 숙련자들이 설계가 냉각 시스템 내부에 서펜타인 통로의 마주보는 내측 모서리 반경과 배플 단부 반경에서 추가적인 수정을 필요로 하는지 평가할 수 있도록 정보를 제공한다. 만일 그렇다면, 개정 설계(212)는 전산유체역학 모델링 소프트웨어(208)로 재산출된다. 와류 감소가 명백하게 최적화되고 다른 실제 고려대상, 예컨대 주물 벽 두께와 균형을 갖추게 될 경우에 설계 반복이 중단될 수 있다.
설계가 마무리되면, 사형 주조 코어는 단계(214)에서 제작된다. 주조는 예컨대 단계(216)에서 액체 구리를 주입하고, 단계(218)에서 기계가공된다. 사형 주조 코어는 일반적으로 정위치에서 이들을 지지할 수 있는 지지대를 구비하여, 주조와 기계가공이 완료된 후에 캐스팅에 남아 있는 구멍이 단계(220)에서 밀폐된다. 플러그는 용접 혹은 나사결합될 수 있다. 단계(222)는 최종냉각 시스템을 검사, 시험, 및 선적하는 단계를 포함한다. 이러한 가공품들은 단계(224)에서 특정한 사용처에 설치된다.
본 발명의 기본적인 장점은 가공품의 실시예가 단계(226)에서 예산을 세우고 유지시킬 수 있는 사용수명을 연장할 것이다.
도 2b는 밀링처리된 냉각기를 제작하는 데에 사용될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 다른 제작 방법을 도시하고 있으며, 여기서는 참조부호 228로 명기된다. 방법(228)은 방법(200)과 매우 유사하며, 냉각 시스템 내부에서 작동할 수 있는 환경과 필요로 하는 성능을 한정하는 적용 요건(202)으로 시작된다. 이러한 요건은 예컨대 외부 열부하 , 유입압력 등을 구비할 수 있다. 설계 제한(204)은 냉각 시스템 설계에서 가용할 수 있는 재질과 크기를 추가로 제한한다.
초기 설계(206)는 프로토타입 혹은 모체를 나타내고, 도 1a 내지 도 1c, 도 4a 내지 도 4c, 도 5a 내지 도 5e, 및 도 6에 도시된 바와 같이 완화하는 내측 모서리부와 둥근 배플 단부를 구비할 것이다. 적당한 컴퓨터 시스템 플랫폼에서 작동하는 전산유체역학 모델링 소프트웨어(208)는 반복 적용되는 특정 설계를 위해 열전달과 속도의 모의시험을 실시한다. 단계(210)는 냉각 시스템 내부에 서펜타인 통로의 마주보는 내측 모서리 반경과 배플 단부 반경에서 추가적인 수정을 필요로 하는지 평가할 수 있도록 정보를 제공한다. 만일 그렇다면, 개정 설계(212)가 전산유체역학 모델링 소프트웨어(208)로 재산출된다. 와류 감소의 추가적인 향상을 달성하지 못할 경우에 설계 반복이 중단될 수 있다.
이러한 관점에서 방법(228)이 상이한데, 만약 설계가 마무리되면, 그런 다음에 가공품은 단계(230)에서 미세한 입자 크기로 작업을 수행한다. 이 작업은 누설 시험이 허용가능한 수치를 나타낼 때에 중단될 수 있다. 경로는 단계(232)에서 밀링가공되고, 통로 커버는 단계(234)에서 기계가공된다. 커버는 단계(236)에서 용접된다. 방법(200)과 같이, 단계(222)가 최종 냉각 시스템을 검사, 시험, 및 선적하는 단계를 포함한다. 이러한 가공품들은 단계(224)에서 특정한 사용처에 설치된다. 실시예가 단계(226)에서 예산을 세우고 유지시킬 수 있는 사용수명을 연장할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용광로(300)를 도시한 것으로, 다수의 트위어(302)가 용융공정으로 고온의 공기를 주입하는 데에 사용된다. 트위어는 노즐과 유사하며, 액체-냉각 및 구리 제조에 일반적으로 요구되는 제철 용융에 밀접하다.
용광로는 고온에서 화학적으로 환원되고 물리적으로 산화철을 용강(liquid iron)으로 개질한다. 용광로는 대형이고, 상부에서 철광석, 코크스 및 석회석의 혼합물을 공급받는 내화벽돌로 안을 댄 대형 철장 스택(stack)이다. 예열된 공기가 트위어를 통해 바닥부로 송풍된다. 액적상태의 용강은 슬래그(slag)와 용강과 같이 이들이 모여지는 노의 바닥부로 내려온다. 주기적으로 바닥부가 채워지면 노에서 배출시킨다.
노 내부로 송풍되는 고온의 공기는 상부에서 삼투되면서 많은 화학반응을 바닥부에서 유발시킨다. 용광로는 유지를 위한 짧은 중단만으로도 수년 동안 연속적으로 운전된다. 제련 용광로의 연속 작업을 중단하는 일반적인 이유는 마모되고 손상된 트위어(320)를 교체하려는 것이다. 가동 휴지 시간과 작동 비용을 줄일 수 있도록, 트위어가 오래 지속되고 손상을 입지 않지 않도록 내구성을 갖춰야 한다.
토양에서 채굴된 원광은 50%~70%의 철 함량을 가진 적철석(Fe2O3,hematite) 또는 자철석(Fe3O4,magnetite)을 함유하고, 약 1인치 직경의 작은 입자 크기를 가진다. 철이 풍부한 가루는 합쳐서 공으로 만들 수 있고 노에서 가열되어 60%~65% 철을 함유한 대리석 크기의 펠릿(pellet)을 생산한다. 또한, 소결물은 미세한 원광, 코크스, 모래 크기의 석회석 및 철분을 함유한 폐기물로 만들어져 사용될 수 있다. 이러한 입자들은 바람직한 생성 화학을 위해 서로 혼합된다. 그런 다음에, 원재료 혼합물들은 소결 스트랜드(strand) 상에 안착되고 가스연소로로 점화되어 미세한 코크스를 큰 입자의 제품으로 용해한다. 원광, 펠릿, 및 소결물은 용광로에서 생성된 용강으로 용해된다. 남아 있는 임의의 불순물은 액상 슬래그로 떨어진다. 높은 에너지를 가진 코크스의 단단한 제품은 투과성과 열 및 가스를 제공하여 원강, 펠릿, 및 소결물을 용해하고 더 환원된다.
철강공정에서 사용되는 주요한 원재료는 석회석이다. 석회석은 폭발물로 광석으로 폭파시켜 토양에서 채굴한다. 그런 다음에, 0.5인치~1.5인치의 범위에 크기로 파쇄 및 걸러내어 용광로의 융제로 사용된다. 이 융제는 고순도 칼슘석회, 마그네시아를 함유한 고토석회(dolomitic limestone), 또는 2종류의 석회석의 혼합물일 수 있다.
석회석이 용해되고 황과 다른 불순물을 제거한 슬래그로 되기 때문에, 용광로 작업자는 바람직한 슬래그 화학법에 따른 혼합물을 조절한다. 목적 혼합물은 낮은 용융점과 높은 유동성 및 다른 최적화된 특성을 창출하게 될 것이다.
모든 원재료는 일반적으로 장입하기 전에 야적장에 저장하고 재고창고 근방으로 옮겨놓는다. 그런 후에, 재료들은 노의 상부로 실려 보내지고, 노의 바닥부로 내려가면서 여러 화학 및 물리반응에 영향을 받게 된다.
산화철이 일련의 정제반응을 통해 부드러워지고 용해되며 최종적으로 코크스를 통해 뚝뚝 떨어지게 되어, 용강은 노의 바닥부로 떨어진다. 코크스는 트위어로부터 예열된 공기와 고온의 열풍이 용광로 내부로 유입되는 노의 바닥부로 떨어진다. 코크스는 고온의 열풍으로 점화되어 바로 반응하여 더 많은 열을 만들게 된다.
반응은 고온에서 과탄소 환경하에서 발생하여, 이산화탄소가 일산화탄소로 환원된다. 일산화탄소는 산화철 반응으로 철광석을 환원한다. 또한, 석회석은 용광로에서 낙하되지만, 제1반응, CaCO3 = CaO + CO2,을 통해 고체로 남아 있게 된다. 이러한 반응은 에너지를 필요로 하고 약 875℃에서 개시한다. 이러한 반응에서 형성된 산화칼슘(CaO)은 철에서 황을 제거하는 데에 사용되고, 고온의 금속이 강철로 되기 전에 필요하다. 황 제거 반응은 FeS + CaO + C = CaS + FeO + CO 이다. 황화칼슘(CaS)은 슬래그의 일부로 된다. 또한, 슬래그는 철광석, 펠릿, 소결물 혹은 코크스에 유입되어 남아있는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO), 또는 산화칼슘(CaO)으로 형성된다. 그런 다음에, 용융 슬래그는 코크스 층을 지나 무거운 용강 위로 부유되어 있는 노의 바닥부로 떨어진다.
용광로의 상부에 존재하는 고온의 함진 가스는 가스 정화 설비를 통해 처리되어 입자상 물질이 분리되고 가스가 냉각될 수 있다. 이 가스는 상당한 에너지를 가지고 있어, 열풍로에 연료로써 연소되어 트위어를 통해 용광로로 유입되는 공기를 예열하는 데에 사용된다. 그러므로 트위어는 900℃ 이상의 공기 온도로 영향을 받게 된다. 구리의 용융점은 약 1,083℃ 이다. 열풍로에서 연소되지 않는 임의의 가스는 열풍로를 위한 "냉풍" 압축공기를 발생하는 터보 송풍기를 위한 스팀을 생성하는 보일러로 보내진다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 트위어를 도시한 것으로, 여기서 참조번호 400으로 명기된다. 이는 도 3의 용광로(300)에 사용된다. 트위어(400)는 일반적 노즐 형태를 갖춘 캐스트 구리 금속체(402)를 구비하고, 목부(406;throat)를 통해 전단부에 노즈부(408;nose)까지 연결된 후미 플랜지(404)를 구비한다. 냉각수 유입부(410)와 냉각수 유출부(412)는 후미 플랜지(404)에 위치된다. 이 유입부와 유출부는 도 1a 내지 도 1c에 기술된 바와 같이 내부 냉각수용 서펜타인 통로(414)에 연결된다. 순환될 냉각수는 물, 오일, 및 특정 액체 혼합물일 수 있다.
다수의 배플은 서펜타인 패턴 내에서 냉각수 유동을 방향전환한다. 배플(416)은 예컨대 배플(116, 126 내지 131)과 반경 단부(119, 144 내지 149)와 유사하다(도 1a 내지 도 1c 참조). 내부 냉각수용 서펜타인 통로(414)의 방향전환부의 내측 및 외측 반경은 냉각수 유동에서 와류를 제거할 수 있는 크기와 형상을 가진다.
서펜타인 통로(414)는 일반적으로 원뿔형 몸체(402) 내에 만곡된 평면으로 진행한다. 캐스트 금속체(402)의 외측면 상에 다수의 접근 구멍(420)은 금속 주조하는 동안에 캐스팅 코어를 위한 지지대를 지지한다. 캐스팅 내에 구멍은 플러그(422)로 밀폐된다. 전형적으로, 플러그(422)는 나사관, 용접, 납땜, 금속간 결합(solder), 압인(press in) 등일 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 냉각기를 도시한 것으로, 일반적으로 참조번호 500으로 명기된다. 플레이트(502)는 단부에 냉각수 배관 유입부(504)와 냉각수 배관 유출부(506)를 구비한다. 외부 연결부가 냉각수용 서펜타인 통로(508) 내부에서 연결된다. 3개의 베플(520~522)은 두껍고 둥글게 처리된 단부(523~525) 둘레와 대향되게 마주보는 모서리부(526~531) 내부를 따라 냉각수 유동을 방향전환한다. 이들 단부와 모서리부의 기하학과 만곡 형상은 냉각기(500)가 심각한 열 부하를 받을 경우에 열점을 제거하기 위해 모의시험, 모델링 및 프로토타입으로 설계 및 변경된다. 제조 방법(200,228, 도 2a 및 도 2b 참조)은 예컨대 설계 및 제작하기 위해 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주조트 또는 기계가공된 냉각기(601)에 배치될 냉각기 통로의 서펜타인 루프 방향전환부(600)를 도시한다. 배플(602)은 반경 단부(604)를 반경(606)으로 두께를 가지고 만국되게 한다. 한쌍의 내부 둥근 모서리부(608,610)는 반경 단부(604)와 마주보게 된다. 통로 루프(612)에 냉각수 유동은 배플(602)의 반경 단부(604) 둘레에서 다음 통로 루프(614)로 방향전환된다. 폭(613~615)은 금속 가공품을 주조하는 동안에 실질적으로 모두 동일하게 유지된다. 일정한 폭의 유지 목적은 냉각수 유동이 배플 내에 모서리부 둘레에서 와류를 조장하거나 유지하지 않도록 하기 위함이다.
일 실시예에서, 각도(A)와 각도(B)는 90°이하이며, A+B는 180°이하이다. 다시 말하자면, 통로 루프(612,614)의 중심선은 서로 평행하지 않는다. 이러한 배열은 통로 루프(612,614)를 더욱 단단하게 패킹할 수 있도록 도우며, 특히 모든 방향전환부는 도 6과 같이 그리고 서펜타인 통로의 전반적인 설계는 대칭되게 한다.
트위어와 다른 냉각기들은 내화 혹은 금속의 외부 표면 코팅을 구비할 수 있고, 이들은 금속으로 오버레이(overlay)될 수 있다. 코팅은 예컨대 증기증착, 도색과 같이 수동 혹은 수작업, 용사, 함침, 및 전기도금과 같이 다양한 방식으로 도포될 수 있다. 오버레이는 용접, 레이저, 화염, 혹은 폭발(explosion) 결합과 같은 높은 에너지원을 사용하여 도포되는 금속 코팅이다.
이러한 코팅과 오버레이의 요구, 유형, 위치 및 두께는 일반적으로 경험적으로 알게 된다. 냉각기는 또한 내화성 물질로 채워진 홈 혹은 포켓으로 제작될 수 있다. 트위어 실시예는 미세한 입자크기를 가진 금속 부품을 주조 혹은 기계가공하여 제작된다. 주조 과정에서, 냉각수 통로는 주형을 사용하여 주조된다. 기계가공에서, 트위어는 예컨대 2개의 부품으로 만들어져야만 한다. 전형적인 실례는 미국특허 제US 3,840,219호의 도 7에서 찾아볼 수 있다.
2개의 부품으로 된 트위어에서, 외측 부품과 내측 부품이 기계가공되고, 폐쇄부품이 물 통로를 차폐하는 데에 사용되고 냉각기를 완성하게 된다. 이러한 트위어는 유체 혹은 가스를 분사시킬 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 냉각기는 와류를 제거하기 위해 설계하는 동안에 냉각수 통로를 프로파일하는 단계를 구비하는데, 냉각기는 외부 열부하에 노출될 것이다.
비록 본 발명은 전술된 실시예의 견지에서 기술되었더라도, 본 명세서는 이에 국한되지 않는다. 상기 명세서를 숙지한 후에 당해 분야의 숙련자들에게 있어 다양한 선택과 변형이 의심의 여지 없이 명백하게 실시될 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 "진정한" 정신과 범주 내에서 이루어지는 모든 선택과 변형을 포함한다.

Claims (6)

  1. 주조 혹은 밀링처리된 금속 가공품과;
    순환 유체 냉각수를 위해 상기 가공품 내에 배치되고, 단일의 편평하거나 겹쳐지거나 혹은 만곡된 평면에 형성되는 서펜타인 통로;
    상기 서펜타인 통로에 배치되고, 일련의 서펜타인 루프에서 상기 순환 유체 냉각수의 방향전환을 제공하는 일련의 배플;로 이루어진 냉각 시스템에 있어서,
    반경 단부에서 마감되며, 상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 상기 순환 유체 냉각수를 방향전환하도록 상기 일련의 배플에서 각 말단부를 향해 점진적으로 두꺼워지는 두께부와;
    상기 단일의 편평하거나 만곡된 평면에 대응하고, 상기 순환 유체 냉각수가 상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 방향전환하도록 상기 일련의 배플 중 각각의 배플의 각 두께부에서 반경 반향으로 대응되는 상기 서펜타인 통로의 내부 반경;을 구비하고,
    상기 방향전환은 상기 순환 유체 냉각수에 와류를 제거하거나 줄일 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서펜타인 통로의 사각 단면형상을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주조 혹은 밀링처리된 금속 가공품에 용광로 트위어(tuyere)가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    캐스트 메탈 가공품의 외측면에 다수의 접근 구멍은 금속 주조 동안에 캐스팅 코어를 지지하고 플러그로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  5. 노즐 형태로 이루어지고, 순환 유체 냉각수를 위한 작동과 연결하는 동안에 열에 노출되는 전단부와 외측면을 갖춘 주조 혹은 밀링처리된 금속체와;
    순환 유체 냉각수를 위해 상기 주조 혹은 밀링처리된 금속체 내에 배치되고, 단일의 편평하거나 만곡된 평면에 형성되는 서펜타인 통로; 및
    상기 서펜타인 통로에 배치되고, 일련의 서펜타인 루프에서 상기 순환 유체 냉각수의 방향전환을 제공하는 일련의 배플;로 이루어진 트위어에 있어서,
    반경 단부 둘레에서 마감되며, 상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 상기 순환 유체 냉각수를 방향전환하도록 상기 일련의 배플에서 각 말단부를 향해 점진적으로 두꺼워지는 두께부와;
    상기 단일의 편평하거나 만곡된 평면에 대응하고, 상기 순환 유체 냉각수가 상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 방향전환하도록 상기 일련의 배플 중 각각의 배플의 각 두께부에서 반경 방향으로 대응되는 상기 서펜타인 통로의 내부 반경;을 구비하고,
    상기 순환 유체 냉각수에 와류가 제거되는 것을 특징으로 하는 트위어.
  6. 노즐 형태로 이루어지고, 작동하는 동안에 열에 노출되는 전단부와 순환 유체 냉각수를 위한 연결을 돕는 후단부를 갖춘 주조 혹은 밀링처리된 금속체와;
    상기 순환 유체 냉각수를 위해 상기 주조 혹은 밀링처리된 금속체 내에 배치되고, 단일의 편평하거나 만곡된 평면에 형성되는 서펜타인 통로; 및
    상기 서펜타인 통로에 배치되고, 일련의 서펜타인 루프에서 상기 순환 유체 냉각수의 방향전환을 제공하는 일련의 배플;
    상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 상기 순환 유체 냉각수를 방향전환하도록, 반경 단부 둘레에서 마감되며 각각의 말단부를 향해 상기 일련의 베플 중 각각의 배플을 두껍게 형성하는 두께부; 및
    상기 단일의 편평하거나 만곡된 평면에 대응하고, 상기 순환 유체 냉각수가 상기 일련의 서펜타인 루프 중 다음의 루프로 방향전환하도록 상기 일련의 배플 중 각각의 배플의 각 두께부에서 반경 방향으로 대응하는 상기 서펜타인 통로의 내부 반경;을 구비하고,
    상기 순환 유체 냉각수에 와류가 줄어드는 하나 이상의 트위어를 구비하는 용광로.
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