KR101769321B1 - 우수한 수명을 갖는 축열식 버너 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로를 가열시키는 축열식 버너 노즐에 있어서, 축열식 버너 노즐의 가열로측 선단은 세라믹 내화관으로 형성되되, 가열로측 외주면에 나사부가 형성된 연료 공급용 파이프와, 상기 연료 공급용 파이프의 가열로측 선단에 구비되고 외주면에 단차부가 형성된 세라믹 내화관을 포함하여 구성되고, 세라믹 내화관은 단차부가 조인트의 내부단차에 걸림된 상태에서 조인트를 연료 공급용 파이프의 나사부에 체결시킴에 의하여 설치되는 것을 특징으로 하는 축열식 버너 노즐을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 축열식 버너 노즐의 가열로측 선단이 비금속 SiC 재질의 세라믹 내화관으로 형성되어 있어, 고온으로 인한 노즐 열화 및 소손을 방지하여 축열식 버너의 수명을 향상시키게 된다. 뿐만 아니라, 축열식 버너의 장기간 조업에 따른 세라믹 내화관 노후시에도 간단하게 착탈하여 세라믹 내화관만을 교체할 수 있어 설비유지비 및 정비비가 절감되는 잇점 또한 얻을 수 있다.

Description

우수한 수명을 갖는 축열식 버너 노즐{Nozzle structure of regenerative burner having long lifetime}

본 발명은 열연 가열로 등에 적용되는 축열식 버너 노즐에 관한 것으로, 축열식 버너 노즐의 선단에 세라믹 내화관을 나사식 조인트를 이용하여 체결시킴으로써 노즐의 고온 열화를 방지하여 축열식 버너의 수명을 향상시키고, 충분한 강성을 유지할 수 있도록 개선된 축열식 버너 노즐에 관한 것이다.

일반적으로 제철소의 열연공장 등에 설치되는 가열로에는 연소가스에 포함된 폐열을 직접 열교환 방식으로 회수하여 연소공기의 온도를 상승시키는 축열식 버너가 널리 사용되고 있다. 이러한 축열식 버너는 가열로에서 두 대의 버너가 한 쌍이 되어 일정한 시간 간격(통상 30초~1분)으로 교대 연소를 하게 되는데, 배기 모드시 한 쪽 버너를 통해 배기 가스의 현열을 축열체에 축적하고 가열로 외부로 배출시키고, 동시에 반대쪽의 버너는 축열체에 축적된 열을 이용하여 연소용 공기를 직접 열교환을 통해 예열하여 버너에 공급하는 구조를 갖는다.

도 1은 종래의 열연 가열로 축열식 버너의 개략도이다. 도시와 같이, 열연 가열로 축열식 버너(3)는 슬라브(9)를 가열하도록 가열로(7)의 양 측벽에 두 대의 버너가 한 쌍을 이루도록 설치되어 있으며, 어느 하나의 버너가 연소 모드일 때 반대측의 다른 버너는 배기 모드로 작동하는 과정을 일정한 시간주기로 교번하여 수행한다. 축열식 버너는 배기 모드의 버너로 유입된 연소 배기 가스의 현열이 축열체(6)에 축적되면서 외부로 배출되고, 이때 반대 쪽 버너는 축열체에 축적된 열과 직접 열교환을 통해 공기가 예열되어 버너에 공급되어 연소가 이루어짐으로써 기존의 열교환기보다 많은 배기 손실열을 회수하는 연소시스템이다.

도 2는 종래의 열연 가열로 축열식 버너의 노즐(1)을 나타낸 종단면도, 도 3은 도 2의 'A'부 확대도(a) 및 측면도(b)이다.

일반적인 축열식 버너 노즐(1)은 핍홀 파이프(4), 연료 공급용 파이프(2), 노즐 보호를 위한 냉각가스 공급용 파이프(5)의 3중관으로 되어 있다. 핍홀(peep hole) 파이프(4)는 핍홀(42)을 통하여 버너의 화염상태를 관찰하기 위한 파이프이다. 연료 공급용 파이프(2)의 내부로는 연료 공급관(23)을 통해 공급된 연료가 전달된다. 냉각가스 공급용 파이프(5)의 내부로는 냉각가스 공급관(52)을 통해 공급된 냉각용 공기가 전달된다. 핍홀 파이프(4)는 그 단부측 플랜지(43)가 연료 공급용 파이프(2)의 단부측 플랜지(24)에 볼트 체결되어 설치된다. 이러한 3중관 구조는 몰드내화물(70)내에 시공되고, 연료 공급용 파이프(2)의 외주면과 핍홀 파이프(4)의 외주면에는 지지부재(25,44)가 다수개 용접 고정된다.

이와 같은 종래의 축열식 버너 노즐(1)은 전체적으로 스테인레스 재질로 되어 있으나, 축열식 버너 노즐(1)의 가열로측 선단부는 화염에 직접 노출되는 관계로 MORE-2와 같은 내열강(8)으로 되어 있다. 즉, 종래에는 스테인레스 금속 재질로 된 냉각가스 공급용 파이프(5), 연료 공급용 파이프(2), 핍홀 파이프(4)의 가열로측 선단부에 각각 금속 내열강(8a,8b,8c)를 용접하여 축열식 버너 노즐을 구성하고 있다.

그러나 이러한 종래의 축열식 버너 노즐(1)은 노즐 선단부를 내열강 재질로 제조함에도 불구하고, 고온의 분위기 가스와의 접촉이나 냉각가스의 공급 부족과 같은 요인으로 인해 축열식 버너 노즐 선단부가 조기 열화 및 소손되어 수명이 단축되는 문제가 발생되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 축열식 노즐의 가열로측 선단을 현재 사용중인 내열강보다 고온에서 견딜 수 있는 세라믹 내화관으로 형성하여 화염에 노출되는 축열식 노즐 선단측의 고온에 의한 열화 및 소손을 방지하고 외부의 충격으로부터 손상을 방지함으로써 버너의 수명을 연장하도록 하는 축열식 노즐 선단을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은 비금속 SiC로 된 세라믹 내화관을 스테인레스 금속 재질로 된 연료 공급용 파이프 및 핍홀 파이프의 가열로측 선단에 연결시킬 수 있도록 나사식 구조의 조인트를 도입함으로써 비금속과 금속간 체결을 가능케하고, 세라믹 내화관의 설치시의 조립작업과 장시간 사용에 따른 노후로 인한 교체시의 분해 작업을 간편하게 수행할 수 있고 세라믹 내화관만의 교체를 가능케 하는 축열식 노즐을 제공하고자 함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 축열식 버너 노즐은 가열로측 외주면에 나사부가 형성된 연료 공급용 파이프와, 상기 연료 공급용 파이프의 가열로측 선단에 구비되고 외주면에 단차부가 형성된 세라믹 내화관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 내화관은 단차부가 조인트의 내부플랜지에 걸림된 상태에서 조인트를 연료 공급용 파이프의 나사부에 체결시킴에 의하여 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 축열식 버너 노즐은 상기 연료 공급용 파이프를 보호하기 위해 연료 공급용 파이프를 감싸도록 삽입되는 냉각가스 공급용 파이프를 더 포함하여 구성되고, 상기 냉각가스 공급용 파이프의 가열로측 선단에는 스테인레스강이 용접되어 고정되고, 상기 스테인레스강의 외주면에는 열테이프에 의해 세라믹 내화관이 접착되어 체결되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 축열식 버너 노즐은 상기 연료 공급용 파이프 내에 삽입되는 핍홀 파이프를 더 포함하여 구성되고, 상기 핍홀 파이프의 가열로측 선단 외주면에는 연료의 공급 흐름을 유도하기 위한 경사면을 갖는 체결프레임이 용접되어 고정되고, 상기 체결프레임에는 세라믹 내화관의 단차부가 조인트의 내부단차에 걸림된 상태에서 조인트를 체결프레임의 나사부에 체결시킴에 의하여 세라믹 내화관이 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 화염에 직접 노출되는 축열식 버너 노즐의 가열로측 선단이 용융온도 2700℃ 이상인 비금속 SiC 재질의 세라믹 내화관으로 형성되어 있어, 고온으로 인한 노즐 열화 및 소손을 방지하여 축열식 버너의 수명을 향상시키게 된다. 뿐만 아니라, 축열식 버너의 장기간 조업에 따른 세라믹 내화관 노후시에도 간단하게 착탈하여 세라믹 내화관만을 교체할 수 있어 설비유지비 및 정비비가 절감되는 잇점 또한 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 열연 가열로 축열식 버너의 개략도,
도 2는 종래의 열연 가열로 축열식 버너의 노즐을 나타낸 종단면도,
도 3은 도 2의 'A'부 확대도(a) 및 측면도(b),
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 버너 노즐의 종단면도,
도 5는 도 4의 'B'부 확대도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 버너 노즐의 종단면도이다.

도시와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 축열식 버너 노즐(100)은 핍홀 파이프(40)와, 연료 공급용 파이프(20), 그리고 냉각가스 공급용 파이프(50)의 3중관 구조로 되어 있다. 핍홀 파이프(40)와 연료 공급용 파이프(20) 사이의 통로(21)로는 연료가 공급되고, 연료 공급용 파이프(20)와 냉각가스 공급용 파이프(50) 사이의 통로(51)로는 냉각가스가 공급된다. 종래와 같이 작업자는 핍홀 파이프(40)의 내부 통로(41)를 통해 가열로 내부 점화상태를 관찰할 수 있다.

본 발명의 축열식 버너 노즐(100)은 가열로측 선단이 세라믹 내화관(10)으로 형성된 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 본 발명의 축열식 버너 노즐(100)은 스테인레스와 같은 금속 재질로 된 냉각가스 공급용 파이프(50), 연료 공급용 파이프(20), 핍홀 파이프(40)의 가열로측 선단이 각각 비금속 세라믹 내화관(11,12,13)으로 형성되어 있다.

도 5는 도 4에 도시된 'B'부의 확대도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 축열식 버너 노즐(100)은 연료 공급용 파이프(20)의 가열로측 외주면에 나사부(22)가 형성되고, 연료 공급용 파이프의 가열로측 선단에는 원통형의 세라믹 내화관(12)이 구비된다. 세라믹 내화관(12)은 용융온도가 2,700℃ 이상으로 높은 비금속 SiC를 주된 성분으로 하는 것이 특히 바람직하다. SiC가 주된 성분이라는 것은 SiC가 전체 구성들 중에서 가장 높은 중량비를 차지하는 것을 의미한다. 세라믹 내화관(12)의 결합을 위해, 세라믹 내화관(12)의 외주면에는 경사지도록 된 단차부(121)가 형성된다.

세라믹 내화관(12)은 원통형으로 된 나사식 조인트(31)의 조임에 의해 체결된다. 즉, 조인트(31)는 내주면 일단에는 연료 공급용 파이프(20)의 나사부(22)에 나사체결되도록 나사부(311)가 형성되어 있고, 내주면 타단에는 세라믹 내화관(12)의 단차부(121)에 가압 밀착되도록 경사면으로 된 내부단차(312)가 형성되어 있다. 따라서 조인트(31)의 내부단차(312)에 세라믹 내화관(12)의 단차부(121)가 걸림된 상태에서 조인트(31)를 회전시켜 연료 공급용 파이프(20)의 나사부(22)에 체결시킴에 의하여 세라믹 내화관(12)이 설치된다.

냉각가스 공급용 파이프(50)의 가열로측 선단에는 강성의 증대를 통한 지지력 확보를 위해 냉각가스 공급용 파이프(50)보다 약간 작은 내경을 갖는 동일 금속 재질의 원통형 스테인레스강(60)이 용접되어 고정되며, 스테인레스강(60)의 외주면에는 열테이프(80)가 사이에 개재된 상태로 세라믹 내화관(11)이 삽입되어 접착 체결된다. 열테이프(80)는 스테인레스강(60)과 세라믹 내화관(11)의 열팽창 차를 보상하여 불균일 수축-팽창을 흡수하게 된다.

연료 공급용 파이프(20) 내에 삽입되는 핍홀 파이프(40)는 가열로측 선단 외주면에 연료의 공급 흐름을 유도하기 위한 경사면(321)을 갖는 체결프레임(32)이 용접 혹은 나사체결되어 고정된다.

체결프레임(32)의 가열로측 외주면에는 외둘레를 따라 홈(322)이 형성되고 홈(322)에는 나사부(323)가 가공되어 있다. 핍홀 파이프(40)의 가열로측 선단에는 원통형의 세라믹 내화관(13)이 구비된다. 세라믹 내화관(13)의 결합을 위해, 세라믹 내화관(13)의 외주면에는 경사지도록 된 단차부(131)가 형성된다.

세라믹 내화관(13)은 원통형으로 된 나사식 조인트(33)의 조임에 의해 체결된다. 즉, 조인트(33)는 내주면 일단에는 원통형의 체결프레임(32)의 나사부(323)에 나사체결되도록 나사부(331)가 형성되어 있고, 내주면 타단에는 세라믹 내화관(13)의 단차부(131)에 가압 밀착되도록 경사면으로 된 내부단차(332)가 형성되어 있다. 따라서 조인트(33)의 내부단차(332)에 세라믹 내화관(13)의 단차부(131)가 걸림된 상태에서 조인트(33)를 회전시켜 체결프레임(32)의 나사부(323)에 체결시킴에 의하여 세라믹 내화관(13)이 설치된다.

연료 공급용 파이프(20)에 체결되는 세라믹 내화관(12)과 마찬가지로 냉각가스 공급용 파이프(50)와 핍홀 파이프(40)에 체결되는 세라믹 내화관(11,13) 역시 용융온도가 2,700℃ 이상으로 높은 비금속 SiC를 주된 성분으로 하는 것이 특히 바람직하다.

상기와 같은 구조로 된 축열식 버너 노즐은 노즐의 가열로측 선단부가 고온의 노내 분위기에서 충분한 내열성을 발휘하도록 설계되고, 외부의 충격에도 변형 또는 파손되지 않는 내구성을 갖게 된다.

10: 세라믹 내화관 20: 연료 공급용 파이프 31, 33: 조인트
32: 체결프레임 40: 핍홀 파이프 50: 냉각가스 공급용 파이프
60: 스테인레스강 80: 열테이프

Claims (5)

1. 가열로를 가열시키는 축열식 버너 노즐에 있어서,
   연료의 이동 경로를 제공하는 연료 공급용 파이프;
   상기 연료 공급용 파이프의 내부에 배치되며, 상기 연료 공급용 파이프의 길이방향을 따라 연장 배치되는 핍홀 파이프;
   상기 연료 공급용 파이프의 외측에서 상기 연료 공급용 파이프를 둘러싸도록 배치되며, 상기 연료 공급용 파이프의 길이방향을 따라 연장 배치되어 냉각가스의 이동 경로를 제공하는 냉각가스 공급용 파이프;
   상기 핍홀 파이프의 선단부측에 배치되며, 후단부측에 제1 외부단차부가 둘레방향을 따라 외주면에 형성된 제1 세라믹 내화관;
   상기 연료 공급용 파이프의 선단부측에 배치되며, 후단부측에 제2 외부단차부가 둘레방향을 따라 외주면에 형성된 제2 세라믹 내화관;
   상기 핍홀 파이프의 선단부에 고정배치되되, 상기 핍홀 파이프의 선단부측 외주면을 둘러싸도록 배치되며, 선단부를 향해 외경이 증가하는 형상으로 구비되는 체결프레임;
   후단부측의 내주면에 상기 체결프레임의 선단부측 외주면에 형성된 나사산과 대응하는 형상의 나사산을 구비하여 상기 체결프레임에 나사 결합 가능하며, 선단부측의 내주면에는 상기 제1 외부단차부에 대응하는 형상의 제1 내부단차부가 형성되어 상기 제1 세라믹 내화관과 걸림 결합 가능한 제1 조인트; 및
   후단부측의 내주면에 상기 연료 공급용 파이프의 선단부측의 외주면에 형성된 나사산과 대응하는 형상의 나사산을 구비하여 상기 연료 공급용 파이프에 나사 결합 가능하며, 선단부측의 내주면에는 상기 제2 외부단차부에 대응하는 형상의 제2 내부단차부가 형성되어 상기 제2 세라믹 내화관과 걸림 결합 가능한 제2 조인트를 포함하는, 축열식 버너 노즐.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 축열식 버너 노즐은,
   상기 냉각가스 공급용 파이프의 선단으로부터 연장되어 배치되되, 상기 냉각가스 공급용 파이프의 선단부에 용접 배치되는 스테인리스강관;
   외부로부터 상기 스테인리스강관을 둘러싸도록 구비되는 제3 세라믹 내화관; 및
   상기 스테인리스강관 및 상기 제3 세라믹 내화관 사이에 배치되며, 상기 제3 세라믹 내화관의 내주면 및 상기 스테인리스강관의 외주면을 접착 체결하는 열테이프를 더 포함하는, 축열식 버너 노즐.
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