KR101434195B1 - 하나 이상의 인젝터를 고정하기 위한 인젝터 냉각 블록 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 야금 용기(3) 내로, 특히 전기 아크로 내로 매체를 투입하기 위한 하나 이상의 인젝터(2)를 고정하기 위한 인젝터 냉각 블록(1)에 관한 것이며, 상기 인젝터 냉각 블록(1)은 야금 용기(3)의 벽부(4)의 내부 또는 그 표면에 배치되고, 상기 인젝터 냉각 블록(1)은, 내부에 냉각 매체가 관류할 수 있는 냉각 채널 또는 냉각 보어(6)가 배치되어 있는 하나 이상의 플레이트(5)를 포함하며, 냉각 채널 내지 냉각 보어(6)는 저온 구역(8)으로부터 고온 구역(7)을 분리한다. 인젝터 냉각 블록 내에서 온도 내지 응력을 더욱 잘 검출할 수 있도록 하기 위해, 본 발명에 따라서는, 고온 구역(7) 내에 온도 및/또는 기계적 연신율을 측정하기 위한 하나 이상의 측정 부재(9)가 배치되며, 상기 측정 부재(9)는 고온 구역(7)의 내부에 통합되거나 고온 구역(7)의 표면에 고정되는 하나 이상의 광도파관(10)을 포함한다.
Description
본 발명은 야금 용기 내로, 특히 전기 아크로 내로 매체를 투입하기 위한 하나 이상의 인젝터를 고정하기 위한 인젝터 냉각 블록에 관한 것이며, 상기 인젝터 냉각 블록은 야금 용기의 벽부의 내부 또는 그 표면에 배치되고, 상기 인젝터 냉각 블록은, 내부에 냉각 매체가 관류할 수 있는 냉각 채널 또는 냉각 보어가 배치되어 있는 하나 이상의 플레이트를 포함하며, 냉각 채널 내지 냉각 보어는 저온 구역으로부터 고온 구역을 분리한다.
상기 유형의 인젝터 냉각 블록은 WO 2010/003694 A1로부터 공지되었다.
인젝터 냉각 블록은 야금 용기 내에서, 특히 전기 아크로 내에서 하나 이상의 인젝터를 수용하는 역할을 하는 고정 장치를 나타낸다. 인젝터로는 기체 및/또는 고체와 같은 매체가 야금 용기 내로 투입되며, 냉각제 가이드들을 포함하는 인젝터 냉각 블록에 의해서 각각의 인젝터는 개구부를 통해 보호되면서 야금 용기의 용기 벽부의 표면에, 또는 그 내부에 배치된다.
인젝터 냉각 블록은 대개 구리로 이루어지며, 안쪽에 위치하는 냉각수 채널이 제공된다. 수냉각과 구리의 높은 열 전도성에 의해서는 구리 재료가 전기 아크로의 내부 챔버 내에서 인젝터 냉각 블록의 파괴를 방지하는 온도로 유지된다. 인젝터 냉각 블록은 개구부를 포함하며, 이 개구부를 통해서는 사출 시스템에 의해 기체 및/또는 고체가 전기 아크로 내로 주입될 수 있다. 이 경우 인젝터 냉각 블록은 스크랩 및 합금에 의한 기계적 부하, 고온 금속 용융물 및 아크의 방사에 의한 강력한 열 작용, 그리고 용융된 위상에 대한 접촉으로부터 사출 시스템을 보호하기 위한 보호부로서 이용된다. 또한, 수냉식 부재는 노의 벽 부재의 특별한 구조 유닛으로서 외부 방향을 향해 노의 내부 챔버를 밀폐한다.
앞서 공지된 해결 방법은 대개 인젝터 냉각 블록의 하우징 벽부 내의 온도 내지 응력(내지 연신율)을 검출하는데 이용될 수 있는 장치들을 포함하지 않고 있다. 일반적으로 측정이 이루어지는 점에 한해서, 측정은 지점에서만 측정하는 센서로 개시된다.
그에 따라 인젝터 냉각 블록의 상태 및 부하에 대해서, 특히 블록의 평면 연신율을 통한 부하와 관련하여 확실하게 진술하기는 어려우며 심지어는 불가능하다.
기본적으로 열적 변수를 측정하기 위해 광도파관을 이용하는 점은 공지되었으며, 이는 예컨대 WO 2004/015349 A2 및 WO 2007/079894 A1에 기재되어 있다. EP 0 208 067 B1에서는 방사선 측정 장치의 이용이 제안되었다. 유사한 해결 방법이 WO 99/67613 A1 및 DE 38 07 306 A1에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 최초에 언급한 유형의 인젝터 냉각 블록에 있어서, 인젝터 냉각 블록의 열적 및/또는 기계적 부하를 검출하고 그에 따라 시스템의 작동을 더욱 정확하게 모니터링할 수 있게 하도록 상기 인젝터 냉각 블록을 개량하는 것에 있다. 또 다른 목적은 경제적인 모니터링을 가능하게 하는, 인젝터 냉각 블록을 위한 효율적인 모니터링 부재를 제공하는 것에 있다. 이와 관련하여 또 다른 목적은, 인젝터 냉각 블록의 온도 내지 기계적 응력의 지속적이면서 정밀한 모니터링에 있어서, 경제적으로 구현되는 상기 모니터링을 가능하게 하는 것에 있다.
본 발명에 의한 상기 목적의 해결 방법은, 인젝터 냉각 블록의 플레이트의 고온 구역에 온도 및/또는 기계적 연신율을 측정하기 위한 하나 이상의 측정 부재가 배치되고, 상기 측정 부재는 고온 구역의 내부에 통합되거나 고온 구역의 표면에 고정되는 하나 이상의 광도파관을 포함하고, 광도파관은 고온 구역 내 보어의 내부에 배치되며, 보어는 용융물로 향해 있는 고온 구역의 표면으로부터 이격되어 연장되거나, 또는 광도파관은 고온 구역 내 그루브의 내부에 배치되고, 그루브는 그루브 바닥부에서 광도파관을 고정하는 폐쇄 부재에 의해 폐쇄되며, 폐쇄 부재는 그루브 내로 삽입되거나 그루브 내로 주입 성형된 금속 부분이거나, 또는 광도파관은 금속 층 내에 배치되며, 금속 층은 고온 구역의 표면 또는 그 내부에 배치되고 광도파관은 층의 재료에 의해 완전하게 둘러싸이는 것을 특징으로 한다.
중요한 사항은 온도 측정을 위한 광도파관이 느슨하게 장착되며, 그럼으로써 상기 광도파관은 온도가 상승하는 경우 방해받지 않으면서 신장될 수 있다는 점에 있다. 그러므로 온도를 측정하는 경우 광도파관은 광도파관 자체를 둘러싸는 재료와 견고하게 결합되지 않게 된다. 그에 반해 연신율 측정 시에 광도파관은 바람직하게는 자체의 전체 길이에 걸쳐서 광도파관 자체를 둘러싸는 재료와 견고하게 결합되며, 그럼으로써 광도파관은 재료가 신장하는 경우 동일한 정도로 함께 신장되고, 그 반대의 경우(재료가 수축하는 경우)에는 동일한 정도로 수축된다.
광도파관은 이 광도파관을 둘러싸는 튜브의 내부에 배치될 수 있다.
대체되는 실시예에 따라, 광도파관들은 모듈들 내에, 다시 말하면 사전 제조된 구조 유닛들 내에 사전 장착될 수 있다. 광도파관들의 직접적인 장착과 다르게 전극 암 상의 모듈의 조립은 매우 간단하게 이루어질 수 있다. 요컨대 모듈들은 전극 암 상에 간단하게 접착되거나, 또는 바람직하게는 교반 용접에 의해 용접된다.
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상기한 층은 고온 구역의 표면 또는 그 내부에 전기 도금될 수 있다. 층은 구리, 크롬 또는 니켈로 이루어질 수 있다.
광도파관과 필요에 따라 이 광도파관을 둘러싸는 튜브는 바람직한 실시예에 따라 플레이트의 표면에서 온도 내지 응력/연신율을 검출할 수 있도록 하기 위해 고온 구역 내에 곡류 형태로 장착된다.
인젝터 냉각 블록의 벽부들 내에, 그리고 본원에서는 특히 냉각 보어들 내지 냉각 채널들에 광도파관들을 삽입하는 것을 통해 하우징의 층들의 온도 및 응력은 구조 부재 표면에 걸쳐 발생하는 온도 내지 응력 프로파일로서 측정될 수 있다. 마찬가지로 용융물 내지 슬래그 내 흐름에 의해 발생하는 동적 변화도 검출된다. 그럼으로써 온도 및/또는 응력을 통해 인젝터의 존재하는 흐름 부하 상황과 마모 상태가 평가될 수 있다. 제안되는 개념은 각각의 작동 상태에서 인젝터 표면에 걸쳐 인젝터의 열적 내지 기계적 부하를 설명하는 것을 가능하게 한다.
광도파관을 이용하여 정확한 측정을 실행할 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 광도파관 또는 이 광도파관을 둘러싸는 금속 튜브는 구조 부재 내지 매체에 밀접하게 인접하며, 더욱 정확하게 말하면 가능한 한 (절연성) 에어 갭 없이 인접한다. 이는 특히 인젝터 냉각 블록 내에서 광도파관별로 온도가 측정되어야 할 때 적용된다.
또한, 인젝터 냉각 블록의 벽부의 연신율(응력)이 측정될 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 광도파관 내지 이 광도파관을 둘러싸는 튜브는 보어 내지 그루브 바닥부와 견고하게 결합된다.
내부에 광도파관 내지 이 광도파관을 둘러싸는 튜브가 장착되는 그루브가 제공되는 점에 한해서, 바람직하게는 그루브를 폐쇄하기 위한 채움편이 이용되며, 이 채움편은 금속으로 이루어질 수 있다. 채움편은 그루브의 형태에 정확하게 들어맞도록 형성될 수 있다. 또한, 이 경우, 채움편은 그루브 내에 채움편의 재료를 주입 성형하거나 사출 성형하는 것을 통해 제조될 수도 있다. 따라서 다시 말해 채움편을 구성하는 재료는 주조 또는 사출 성형 가능하고, 그에 따라 내부에 광도파관이 필요에 따라 튜브와 함께 삽입된 그루브 내로 주입 성형 내지 사출 성형된다.
다시 말해 제안되는 구현예는 측정된 평면에서 응력 상태를 검출하고 그에 따라 구조 부재의 기계적 부하를 검출할 수 있는 가능성을 제공한다.
온도 및 연신율 내지 응력의 측정 기술은 그 자체로서 ("광학 스트레인 게이지"라는 명칭으로도) 공지되어 있으며, 이런 점에 한해서 종래 기술이 참조된다.
이를 위해 광도파관은 바람직하게는 평가 유닛과 연결되며, 이 평가 유닛 내에서는 인젝터 냉각 블록의 벽부 내 온도 분포가 산출될 수 있다. 또한, 상기 평가 유닛에 의해서는 그에 상응하게 인젝터 냉각 블록의 벽부의 기계적 부하가 검출될 수도 있다.
도면에는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다.
도 1은 전기 아크로의 인젝터 냉각 블록을 "A" 방향(도 2 참조)에서 바라보고 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 따른 절단선 II-II를 따라 인젝터 냉각 블록을 절단 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 "X" 부분을 도시한 상세도이다.
도 1은 전기 아크로의 인젝터 냉각 블록을 "A" 방향(도 2 참조)에서 바라보고 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 따른 절단선 II-II를 따라 인젝터 냉각 블록을 절단 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 "X" 부분을 도시한 상세도이다.
도 1과 도 2에는 야금 용기(3) 내에, 본원에서는 전기 아크로 내에 인젝터(2)가 고정되게 하는 고정 장치로서 기능하는 인젝터 냉각 블록(1)이 도시되어 있다. 인젝터(2)에 의해서는 기체 및/또는 고체와 같은 매체가 야금 용기(3) 내로 투입되며, 냉각제 가이드(6)들을 포함하는 인젝터 냉각 블록에 의해서는 인젝터(2)가 개구부(13)에 의해 보호되면서 용기(3)의 벽부(4)의 표면 또는 그 내부에 배치되어 있다.
인젝터 냉각 블록(1)은 예컨대 구리나 구리 합금 같은(예컨대 CuAg, CuCrZr 또는 CuNiBe 같은) 강한 열 전도성이고, 열간 압연되고, 그리고/또는 단조되는 재료로 이루어진다. 그에 상응하게 인젝터 냉각 블록(1)의 제조 시에 예컨대 구리나 구리 합금과 같은 강한 열 전도성 재료가 열간 압연 공정 및/또는 단조 공정에 의해 성형되고 열간 경화된다. 그럼으로써 간단하게, 특히 구리처럼 압연되거나 단조되는 우수한 열 전도성의 재료에 의해서, 균일성이 매우 우수하고 열 전도성이 높으며 강도가 높은 재료가 제공된다. 인젝터 냉각 블록(1)은 추가로 단조 공정 및/또는 압연 공정에 의해 냉간 경화되는 방식으로 형성될 수 있다.
도시된 인젝터 냉각 블록(1)은 상호 간에 소정의 각도를 이루는 2개의 플레이트(5)로 구성되며, 상기 플레이트들은 공동의 플레이트 부재로 제조된다. 이 경우 플레이트(5)는 벤딩 장치에 의해 사전 결정된 각도에 상응하게 구부려질 수 있다.
인젝터 냉각 블록(1)의 플레이트(5)에 대한 예시에 따른 구성은 도 3으로부터 알 수 있다. 플레이트(5)는 고온 구역(7)과 저온 구역(8)으로 분리될 수 있으며, 상기 두 구역(7, 8)은 냉각 채널(6)에 의해 분할되거나 서로 분리된다.
플레이트(5)의 고온 구역(7)에는 보어(12)들이 제공되며, 이들 보어 내로 측정 부재(9)가 장착되며[측정 부재는 하나의 보어에 대해서만 도시되어 있지만, 모든 보어(12)에 대해 제공된다], 상기 측정 부재에 의해서는 플레이트(5) 내 온도 및/또는 기계적 응력이 측정될 수 있다. 상기 측정 부재(9)는 튜브(11) 내에 장착되거나 상기 튜브에 의해 보호되는 광도파관(10)이다.
광도파관(10)은 통상적으로 예컨대 0.12㎜의 지름을 보유하며, 외피 튜브(11)와 함께인 경우라면 대개 지름은 0.8㎜ 내지 2.0㎜의 범위이다.
또한, 도 3에서 알 수 있듯이, 광도파관은 냉각 채널(6)을 통해 안내되는 냉각 매체에 의해 배면이 냉각되는 고온 구역(7) 내에 장착된다.
광도파관(10)은 보어(12)들 내로, 또는 유사한 채널 또는 그루브들 내로 삽입되는 기본 섬유로 구성된다. 이 경우 광도파관(10)은 최대 800℃까지 온도의 연속 부하를 견딜 수 있다.
광도파관(10) 내에서, 그리고 미도시된 평가 장치로 이루어지는 신호 전송의 견고성을 높이기 위해, 광파는 렌즈 커넥터를 통해서 각각의 정지 위치에서 야금 용기(3)의 하우징으로부터 평가 유닛으로 안내된다.
또한, 보어(12)들 내에 광도파관(10)을 장착하는 도시된 가능성 외에도, 바람직하게는 플레이트(5)의 고온 구역(7) 내에 그루브를 제공하고 그루브 바닥부에 광도파관(10)을 [필요에 따라 튜브(11)와 함께] 장착할 수도 있다. 그런 다음 그루브는 다시 폐쇄되며, 이를 위해 앞서 언급한 조치들이 이용될 수 있다.
마찬가지로 플레이트(5) 내지 고온 구역(7)의 정면이면서 하우징(3)의 내부, 다시 말해 용융물(14)로 향해 있는 상기 정면에 장착되는 금속 층 내에 광도파관(10)을 [필요에 따라 튜브(11)와 함께] 삽입할 수도 있다.
층은 전기 도금될 수 있으며, 광도파관(10)은 튜브(11)와 함께 완전하게 둘러싸인다. 전기 도금 층은 예컨대 구리, 크롬 또는 니켈로 구성될 수 있다.
광도파관(10)을 곡류 형태로 장착할 경우, 플레이트(5)의 표면은 온도 분포 및 기계적 부하와 관련하여 우수하게 모니터링될 수 있다.
광도파관(10)은 미도시된 온도 검출 시스템 내지 기계적 부하 내지 연신율용 검출 시스템과 연결된다. 검출 시스템에 의해서는 광도파관(10) 내로 공급되는 레이저 빔이 생성된다. 광섬유 도파관(10)에 의해 수집된 데이터는 검출 시스템에 의해 온도 또는 응력으로 환산되어 여러 측정 위치에 할당된다.
평가는 예컨대 이른바 섬유 브래그 격자 방법(FBG 방법)에 따라 이루어질 수 있다. 이런 경우 굴절률 내지 격자가 주기적으로 변하는 측정 위치들에 상기 변화를 적용시키는 적합한 광도파관들이 이용된다. 이와 같은 굴절률의 주기적 변화에 의해서는 결과적으로 광도파관이 측정 위치들에서 소정의 파장에 대한 주기성에 따라 유전체 거울을 나타내게 된다. 일측 지점에서의 온도 변화에 의해서는 브래그 파장이 변경되며, 정확히 상기 브래그 파장은 반사된다. 브래그 조건을 충족하지 못하는 광은 브래그 격자에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다. 그런 다음 여러 측정 위치의 다양한 신호들이 전파 시간 차이를 바탕으로 서로 구분될 수 있다. 상기 섬유 브래그 격자의 상세한 구성과 대응하는 평가 유닛은 일반적으로 공지되어 있다. 공간 분해능의 정밀도는 적용된 측정 위치의 개수에 의해 결정된다. 측정 위치의 크기는 예컨대 1㎜ 내지 5㎜의 범위 이내일 수 있다.
대체되는 실시예에 따라, 온도의 측정을 위해, "광학 주파수 영역 반사" 방법(OFDR 방법) 또는 "광학 시간 영역 반사" 방법(OTDR 방법)도 이용될 수 있다. 상기 방법들은 광섬유 라만 후방산란의 원리를 기반으로 하며, 이 경우 광도파관의 지점에서 온도 변화는 광도파관 재료의 라만 후방산란의 변화를 야기한다는 점이 활용된다. 그런 다음 평가 유닛(예: 라만 반사 측정기)에 의해서, 섬유를 따라 온도 값이 공간 분해 방식으로 측정될 수 있으며, 상기 방법에서는 광도파관의 소정의 길이에 걸쳐서 평균화된다. 상기 길이는 약 수 센티미터이다. 여러 측정 위치는 재차 전파 시간 차이에 의해 서로 분리된다. 상술한 방법에 따라 평가하기 위한 상기 시스템의 구성은 일반적으로, 광도파관(10)의 내부에서 레이저 빔을 생성하는 필요한 레이저와 마찬가지로 공지되어 있다.
1: 인젝터 냉각 블록
2: 인젝터
3: 야금 용기(전기 아크로)
4: 벽부
5: 플레이트
6: 냉각 채널 / 냉각 보어
7: 고온 구역
8: 저온 구역
9: 측정 부재
10: 광도파관
11: 튜브
12: 보어
13: 개구부
14: 용융물
2: 인젝터
3: 야금 용기(전기 아크로)
4: 벽부
5: 플레이트
6: 냉각 채널 / 냉각 보어
7: 고온 구역
8: 저온 구역
9: 측정 부재
10: 광도파관
11: 튜브
12: 보어
13: 개구부
14: 용융물
Claims (12)
- 야금 용기(3) 내로 매체를 투입하기 위한 하나 이상의 인젝터(2)를 고정하기 위한 인젝터 냉각 블록(1)으로서, 상기 인젝터 냉각 블록(1)은 상기 야금 용기(3)의 벽부(4)의 내부 또는 그 표면에 배치되고, 상기 인젝터 냉각 블록(1)은 내부에 냉각 매체가 관류하는 냉각 채널 또는 냉각 보어(6)가 배치되는 하나 이상의 플레이트(5)를 포함하며, 상기 냉각 채널 내지 냉각 보어(6)는 저온 구역(8)으로부터 고온 구역(7)을 분리하는, 상기 인젝터 냉각 블록에 있어서,
상기 고온 구역(7) 내에는 온도 및/또는 기계적 연신율을 측정하기 위한 하나 이상의 측정 부재(9)가 배치되며, 상기 측정 부재(9)는 고온 구역(7)의 내부에 통합되거나 고온 구역(7)의 표면에 고정되는 하나 이상의 광도파관(10)을 포함하고,
상기 광도파관(10)은 고온 구역(7) 내 보어(12)의 내부에 배치되며, 상기 보어(12)는 용융물(14)로 향해 있는 상기 고온 구역(7)의 표면으로부터 이격되어 연장되거나, 또는
상기 광도파관(10)은 고온 구역(7) 내 그루브의 내부에 배치되며, 상기 그루브는 그루브 바닥부에서 상기 광도파관(10)을 고정하는 폐쇄 부재에 의해 폐쇄되며, 상기 폐쇄 부재는 그루브 내로 삽입되거나 그루브 내로 주입 성형되는 금속 부분이거나, 또는
상기 광도파관(10)은 금속 층 내에 배치되며, 상기 금속 층은 고온 구역(7)의 표면 또는 그 내부에 배치되고 상기 광도파관(10)은 상기 층의 재료에 의해 완전하게 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록. - 제1항에 있어서, 측정 부재는 광도파관(10)의 형태로 온도 측정을 목적으로 느슨하게 응력 없이, 그리고 자유롭게 이동 가능하게 인젝터 블록의 내부 또는 그 표면에 배치되거나, 또는 연신율 측정을 목적으로 자체의 전체 길이에 걸쳐서 인젝터 냉각 블록의 연신율을 픽업하기 위해 인젝터 냉각 블록의 재료와 견고하게 결합되어 배치되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록.
- 제2항에 있어서, 상기 광도파관(10)은 플레이트(5)와 견고하게 결합되는 모듈 내에 배치되고, 광도파관은 온도 측정을 목적으로 응력 없이, 그리고 자유롭게 이동 가능하게, 또는 연신율 측정을 목적으로 모듈 내에 견고하게 매입되는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록,
- 제2항에 있어서, 상기 광도파관(10)은 온도 측정을 위해 광도파관을 둘러싸는 튜브(11) 내에 느슨하게 장착되거나, 또는 연신율 측정을 위해 둘러싸는 튜브 없이 재료 내에서 주변 재료와 직접 접촉하는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록.
- 제1항에 있어서, 상기 층은 고온 구역(7)의 표면 또는 그 내부에 전기 도금되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 구리, 크롬 또는 니켈로 구성되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광도파관(10)과 이 광도파관을 둘러싸는 튜브(11)는 고온 구역(7) 내에 곡류 형태로 장착되는 것을 특징으로 하는 인젝터 냉각 블록.
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